Stressvrij pad naar stressvrije metaalfilms baant de weg voor next-gen circuits

Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben high power impulse magnetronverstrooiing (HiPIMS) gebruikt om dunne films van wolfraam te creëren met ongekend lage niveaus van filmstress. Door de timing van een substraatbiaspuls met microseconde precisie te optimaliseren, minimaliseerden ze onzuiverheden en defecten om kristallijne films te vormen met spanningen van slechts 0,03 GPa, vergelijkbaar met die bereikt door uitgloeien. Hun werk belooft efficiënte wegen voor het maken van metaalfilms voor de elektronica-industrie.

Moderne elektronica vertrouwt op de ingewikkelde afzetting op nanoschaal van dunne metaalfilms op oppervlakken. Dit is makkelijker gezegd dan gedaan; tenzij het goed wordt gedaan, kunnen filmspanningen die voortkomen uit de microscopische interne structuur van de film na verloop van tijd knikken en kromming veroorzaken. Het wegwerken van deze spanningen vereist meestal verwarming of gloeien. Helaas hebben veel van de beste metalen voor het werk, zoals wolfraam, hoge smeltpunten, wat betekent dat de film moet worden verwarmd tot meer dan 1000 graden Celsius. Dit is niet alleen energie-intensief, maar het beperkt ook sterk welke substraatmaterialen kunnen worden gebruikt. De race is begonnen om films te maken van metalen met een hoog smeltpunt zonder deze spanningen.

Een team onder leiding van universitair hoofddocent Tetsuhide Shimizu van de Tokyo Metropolitan University heeft gewerkt met een techniek die bekend staat als high-power impulse magnetronverstrooiing (HiPIMS), een sputtertechniek. Sputteren omvat het aanleggen van een hoge spanning over een metalen doel en een substraat, waardoor een plasma van geladen gasatomen wordt gecreëerd dat het metalen doel bombardeert en een geladen metaaldamp vormt; deze metaalionen vliegen naar het substraat waar ze een film vormen. In het geval van HiPIMS wordt de spanning gepulseerd in korte, krachtige bursts. Na elke puls is bekend dat er enige scheiding is tussen de aankomst van metaal- en gasionen op het substraat; een gesynchroniseerde substraatbiaspuls kan helpen om de metaalionen selectief te versnellen, waardoor dichtere films worden gecreëerd. Maar ondanks vele inspanningen bleef het probleem van de reststress.

Nu, met behulp van argongas en een wolfraamdoel, keek het team naar hoe ionen met verschillende energieën in de loop van de tijd in ongekend detail bij het substraat aankwamen. In plaats van een biaspuls te gebruiken die tegelijkertijd met de HiPIMS-puls afging, gebruikten ze hun kennis van wanneer verschillende ionen arriveerden en introduceerden ze een kleine vertraging, 60 microseconden, om precies te selecteren op de aankomst van hoogenergetische metaalionen. Ze ontdekten dat dit de hoeveelheid gas die in de film terechtkwam, minimaliseerde en efficiënt hoge niveaus van kinetische energie afleverde. Het resultaat was een dichte kristallijne film met grote korrels en een lage filmspanning. Door de bias sterker te maken, werden de films steeds stressvrijer. De efficiënte afgifte van energie aan de film betekende dat ze in feite een soortgelijk effect hadden bereikt als uitgloeien terwijl ze de film afzetten. Door argon verder uit te wisselen voor krypton, realiseerde het team films met een spanning van slechts 0,03 GPa, vergelijkbaar met wat kan worden gemaakt met nagloeien.

Een efficiënte weg naar stressvrije films zal een aanzienlijke impact hebben op metallisatieprocessen en de productie van schakelingen van de volgende generatie. De technologie kan worden toegepast op andere metalen en belooft grote voordelen voor de elektronica-industrie.