Stressfri vej til stressfri metalliske film baner vejen for næste generations kredsløb

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har brugt højeffektimpulsmagnetronspredning (HiPIMS) til at skabe tynde film af wolfram med hidtil uset lave niveauer af filmbelastning. Ved at optimere timingen af ​​en substratbiaspuls med mikrosekunds præcision, de minimerede urenheder og defekter for at danne krystallinske film med spændinger så lave som 0,03 GPa, svarende til dem, der opnås ved udglødning. Deres arbejde lover effektive veje til at skabe metalliske film til elektronikindustrien.

Moderne elektronik er afhængig af det indviklede, nanoskala aflejring af tynde metalliske film på overflader. Dette er lettere sagt end gjort; medmindre det gøres rigtigt, filmspændinger, der opstår fra filmens mikroskopiske indre struktur, kan forårsage knækning og krumning over tid. At slippe af med disse spændinger kræver normalt opvarmning eller udglødning. Desværre, mange af de bedste metaller til jobbet, f.eks., wolfram, har høje smeltepunkter, hvilket betyder, at filmen skal opvarmes til over 1000 grader Celsius. Ikke kun er dette energikrævende, men det begrænser i høj grad, hvilke substratmaterialer der kan anvendes. Kapløbet er i gang med at skabe film af metaller med højt smeltepunkt uden disse belastninger i første omgang.

Et team ledet af lektor Tetsuhide Shimizu fra Tokyo Metropolitan University har arbejdet med en teknik kendt som high-power impulse magnetron scattering (HiPIMS), en sputterteknik. Sputtering involverer påføring af en højspænding over et metallisk mål og et substrat, skabe et plasma af ladede gasatomer, som bombarderer det metalliske mål og danner en ladet metaldamp; disse metalioner flyver mod substratet, hvor de danner en film. I tilfælde af HiPIMS, spændingen pulseres kort, kraftige udbrud. Efter hver puls, det er kendt, at der er en vis adskillelse mellem ankomsten af ​​metal- og gasioner til substratet; en synkroniseret substratbiasimpuls kan hjælpe selektivt med at accelerere metalionerne, skabe tættere film. Men trods mange anstrengelser, spørgsmålet om resterende stress forblev.

Nu, ved hjælp af argongas og et wolframmål, holdet så på, hvordan ioner med forskellige energier ankom til substratet over tid i hidtil usete detaljer. I stedet for at bruge en forspændingspuls, der udløses på samme tid som HiPIMS-pulsen, de brugte deres viden om hvornår forskellige ioner ankom og indførte en lille forsinkelse, 60 mikrosekunder, til præcist at vælge for ankomsten af ​​højenergi metalioner. De fandt ud af, at dette minimerede mængden af ​​gas, der ender i filmen, og effektivt leverede høje niveauer af kinetisk energi. Resultatet var en tæt krystallinsk film med store korn og lav filmspænding. Ved at gøre skævheden stærkere, filmene blev mere og mere stressfri. Den effektive levering af energi til filmen betød, at de havde, faktisk, opnåede en lignende effekt som udglødning, mens de afsatte filmen. Ved yderligere at bytte argon ud med krypton, holdet realiserede film med en stress så lav som 0,03 GPa, sammenlignes med hvad der kan laves med efterudglødning.

En effektiv vej til stressfri film vil have en betydelig indvirkning på metalliseringsprocesser og fremstillingen af ​​næste generations kredsløb. Teknologien kan anvendes på andre metaller og lover store gevinster for elektronikindustrien.