‘Electron Shower’-techniek ontgrendelt geavanceerde piëzo-elektrische films voor elektronica van de volgende generatie

Ons dagelijkse leven is zo vol met elektronica dat we ze nauwelijks meer opmerken. Wanneer we terloops naar onze smartphone reiken, denken we zelden na over hoe complex dit apparaat is. Honderden kleine componenten werken erin samen-bij hen een zeer nauwkeurig meesterwerk van engineering.

Deze zelden opgemerkt componenten omvatten radiofrequentie (RF) filters. Ze zorgen ervoor dat een apparaat alleen de juiste signalen ontvangt, of het nu via WI -FI of mobiele netwerken is. Elk apparaat dat draadloos communiceert, bevat dergelijke filters. Ze zijn vaak gebaseerd op piëzo -elektrische dunne films. Piëzo -elektrische materialen hebben een speciale functie: ze genereren elektrische ladingen wanneer ze worden vervormd en veranderen van vorm in ruil daarvoor wanneer een elektrische spanning wordt toegepast.

Naast RF -filters worden piëzo -elektrische dunne films gebruikt voor vele andere componenten in micro -elektronica, hetzij als sensoren, actuatoren of kleine energievoorwaarden. Aanvullende toepassingen, zoals kwantumtechnologieën, zijn het onderwerp van voortdurend onderzoek.

Eén ding is echter duidelijk: voor zulke dunne films om hun werk te doen, moeten ze van een zeer hoge kwaliteit zijn. Afhankelijk van de samenstelling en functie van de dunne film, vraagt ​​dit om verschillende productieprocessen.

EMPA -onderzoekers van de Surface Science & Coating Technologies Laboratory hebben een nieuw depositieproces ontwikkeld voor piëzo -elektrische dunne films. De nieuwigheid: hun methode maakt het mogelijk dat de hightech -lagen van zeer hoge kwaliteit worden geproduceerd op isolerende substraten en bij relatief lage temperaturen – een eerste in het veld.

De onderzoekers hebben gepubliceerd Hun resultaten in het dagboek Natuurcommunicatie en vroeg een patent aan voor het proces.

Nieuwe sterke punten voor een bekend proces

De onderzoekers gebruikten een gemeenschappelijke techniek genaamd hipims – met een hoge power impuls magnetron sputteren – als hun startpunt. Magnetron -sputteren is een coatingproces waarbij materiaal wordt afgezet van een vast voorlopermateriaal – het doel – de component die moet worden bekleed – het substraat. Om dit te bereiken, wordt een Process -GAS -plasma op het doel ontstoken.

De proces -GAS -ionen – meestal argon – worden vervolgens op het doelwit geschoten, waardoor atomen worden uitgeschakeld die vervolgens op het substraat landen om de gewenste dunne film te vormen. Veel materialen kunnen als doelen worden gebruikt. Voor piëzo -elektrische toepassingen worden metalen vaak gebruikt, vaak met de toevoeging van stikstof om nitriden zoals aluminiumnitride te produceren.

Hipims werkt op bijna dezelfde manier – behalve dat het proces niet continu plaatsvindt, maar kortom pulsen met hoge energie. Dit betekent niet alleen dat de uitgeworpen doelatomen sneller reizen – veel van hen worden ook op weg door het plasma ioniseerd. Dit maakt het proces interessant voor onderzoek.

In tegenstelling tot neutrale atomen kunnen ionen bijvoorbeeld worden versneld door een negatieve spanning op het substraat toe te passen. In de afgelopen 20 jaar is deze aanpak gebruikt om harde coatings te produceren, waarbij de hoge energieën resulteren in bijzonder dichte en duurzame lagen.

Tot nu toe was dit proces echter niet levensvatbaar voor piëzo -elektrische dunne films. Dit komt omdat het toepassen van een spanning op het substraat niet alleen de filmvormende doelionen versnelt, maar ook argonionen uit het procesgas. Dit argonbombardement moet worden vermeden.

“Verschillende procent van de argon kan soms worden opgenomen in harde coatings”, zegt EMPA -onderzoeker Sebastian Siol. “Piëzo -elektrische dunne films werken vaak onder hoge spanningen. Hier kunnen dergelijke onzuiverheden leiden tot een catastrofale elektrische afbraak.”

Desalniettemin geloofde het team van Siol in het potentieel van hipims voor piëzo -elektrische dunne films. De hoge energie waarmee de ionen naar het substraat vliegen is uiterst voordelig. Als het ion het substraat met voldoende energie raakt, blijft het voor een korte tijd mobiel en kan het een optimale positie vinden in het groeiende kristalrooster. Maar wat kan er worden gedaan aan de ongewenste argoninsluitingen?

Tijdens zijn doctoraatsthesis ontwikkelde Jyotish Patidar een slimme oplossing. Niet alle ionen komen tegelijkertijd bij het doelwit aan. De meeste argonionen bevinden zich in het plasma voor het doelwit. Dit betekent dat ze vaak het substraat bereiken vóór de doelionen, die eerst uit het doel moeten worden geslagen en vervolgens de hele afstand naar het substraat moeten oversteken.

De innovatie van Patidar was in de timing. “Als we de spanning op precies het juiste moment op het substraat toepassen, versnellen we alleen de gewenste ionen,” legt Siol uit.

De argonionen zijn op dit moment al voorbij gevlogen – en zonder de extra versnelling hebben ze te weinig energie om in de groeiende film te worden opgenomen.

‘Elektronendouche’ als vluchtcontroller

Met behulp van deze truc konden de onderzoekers voor het eerst hoogwaardige piëzo -elektrische films met hipims produceren met hipims – met een prestatie die equivalent is aan of zelfs beter in vergelijking met conventionele methoden.

Nu kwam de volgende uitdaging: afhankelijk van de specifieke toepassing moeten dunne films worden geproduceerd op isolerende substraten, zoals glas of saffier. Als het substraat echter niet -geleidend is, kan er geen spanning op worden toegepast. Hoewel er een methode in de industrie is om de ionen toch te versnellen, leidt dit ook vaak tot argoninsluitingen in de laag.

Dit is waar de EMPA -onderzoekers een doorbraak bereikten. Om de ionen op het isolerende substraat te versnellen, gebruiken ze de magnetron -puls zelf – de korte impuls die de procesgasionen op het doel schiet.

Het plasma in de kamer bevat niet alleen ionen, maar ook elektronen. Elke puls van de magnetron versnelt automatisch deze negatief geladen elementaire deeltjes op het substraat. De kleine elektronen bereiken het doel veel sneller dan de veel grotere ionen.

Normaal gesproken is deze “elektronendouche” niet relevant voor het hipims -proces. Wanneer de elektronen echter bij het substraat aankomen, geven ze het echter voor een fractie van een seconde een negatieve lading – genoeg om de ionen te versnellen.

Als de onderzoekers een volgende magnetronpuls op exact het juiste tijdsinterval activeren, versnelt de elektronendouche de doelionen die hun vlucht tijdens de vorige puls zijn begonnen. En natuurlijk kan de timing ook worden aangepast zodat alleen de juiste ionen in de dunne film terechtkomen.

Van chips tot qubits

De resultaten zijn indrukwekkend: “Met onze methode konden we piëzo -elektrische dunne films produceren op isolerende substraten net zo goed als op geleidende,” vat Siol samen.

De onderzoekers hebben het proces gesynchroniseerde drijvende potentiële hipims of SFP -HIPIMS kortweg genoemd. Het grote voordeel: met SFP -HIPIMS kunnen piëzo -elektrische dunne films bij lage temperaturen bij lage temperaturen worden geproduceerd. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor de productie van chips en elektronische componenten, die vaak geen hoge temperaturen kunnen weerstaan.

De techniek voor isolerende substraten is met name belangrijk voor de halfgeleiderindustrie: “Veel productietools in de halfgeleiderindustrie zijn zo ontworpen dat er zelfs geen mogelijkheid is om een ​​elektrische spanning op het substraat toe te passen”, zegt Siol.

In de volgende stap wil hij werken aan de ontwikkeling van ferro -elektrische dunne films met zijn team – een andere belangrijke technologie in de huidige en toekomstige elektronica.

Op basis van dit succes lanceren de EMPA -onderzoekers ook verschillende samenwerkingen met andere onderzoeksinstellingen om hun dunne films in toepassingen te brengen, variërend van fotonica tot kwantumtechnologieën. En ten slotte willen ze het innovatieve proces verder optimaliseren met behulp van machine learning en experimenten met hoge doorvoer.