Наша повседневная жизнь настолько насыщена электроникой, что мы уже почти не замечаем её. Когда мы привычно тянемся за смартфоном, редко задумываемся о сложности этого устройства. Сотни крошечных компонентов работают вместе — каждый из них является высокоточным инженерным шедевром.
Среди этих малозаметных компонентов — радиочастотные (RF) фильтры. Они обеспечивают приём устройством только корректных сигналов, будь то Wi-Fi или мобильные сети. В каждом устройстве, поддерживающем беспроводную связь, есть такие фильтры. Они часто основаны на пьезоэлектрических тонких плёнках. У пьезоэлектрических материалов есть особенность: они генерируют электрические заряды при деформации и меняют форму при подаче электрического напряжения.
Помимо RF-фильтров, пьезоэлектрические тонкие плёнки используются для многих других компонентов в микроэлектронике, будь то датчики, исполнительные механизмы или крошечные преобразователи энергии. Дополнительные приложения, такие как квантовые технологии, являются предметом текущих исследований.
Однако очевидно одно: чтобы такие тонкие плёнки выполняли свою функцию, они должны быть очень высокого качества. В зависимости от состава и функции тонкой плёнки, для этого требуются разные производственные процессы.
Исследователи из лаборатории Surface Science & Coating Technologies в Empa разработали новый процесс нанесения пьезоэлектрических тонких плёнок. Новинка заключается в том, что их метод позволяет производить высокотехнологичные слои очень высокого качества на изолирующих подложках и при относительно низких температурах — впервые в этой области.
Новый метод производства пьезоэлектрических плёнок
Исследователи использовали распространённую технику под названием HiPIMS — сокращение от high power impulse magnetron sputtering (высокоэнергетическое импульсное магнетронное распыление). Магнетронное распыление — это процесс нанесения покрытия, при котором материал наносится с твёрдого исходного материала — мишени — на компонент, подлежащий покрытию — подложку. Для этого в мишени зажигается плазменный газ.
Ионы технологического газа (обычно аргон) затем направляются на мишень, выбивая атомы, которые впоследствии оседают на подложке, образуя желаемую тонкую плёнку. В качестве мишеней можно использовать многие материалы. Для пьезоэлектрических применений обычно используются металлы, часто с добавлением азота для получения нитридов, таких как нитрид алюминия.
HiPIMS работает почти так же, за исключением того, что процесс происходит не непрерывно, а короткими импульсами высокой энергии. Это не только означает, что выбиваемые атомы мишени движутся быстрее, но и то, что многие из них ионизируются на пути через плазму. Это делает процесс интересным для исследований.
В отличие от нейтральных атомов, ионы можно ускорять, например, прикладывая отрицательное напряжение к подложке. В течение последних 20 лет или около того этот подход использовался для производства твёрдых покрытий, причём высокие энергии приводили к особенно плотным и прочным слоям.
Однако до сих пор этот процесс не подходил для пьезоэлектрических тонких плёнок. Это связано с тем, что подача напряжения на подложку не только ускоряет ионы, формирующие плёнку, но и ионы аргона из технологического газа. Этого аргонного воздействия следует избегать.
«Несколько процентов аргона иногда могут быть включены в твёрдые покрытия», — говорит исследователь Empa Себастьян Сиол. «Пьезоэлектрические тонкие плёнки часто работают при высоких напряжениях. Здесь такие примеси могут привести к катастрофическому электрическому пробою».
Тем не менее команда Сиола верила в потенциал HiPIMS для пьезоэлектрических тонких плёнок. Высокая энергия, с которой ионы летят к подложке, чрезвычайно выгодна. Если ион ударяется о подложку с достаточной энергией, он остаётся подвижным в течение короткого времени и может найти оптимальное положение в растущей кристаллической решётке. Но что делать с нежелательными включениями аргона?
Во время своей докторской диссертации Дьотиш Патидар разработал умное решение. Не все ионы достигают цели одновременно. Большинство ионов аргона находятся в плазме перед мишенью. Это означает, что они часто достигают подложки раньше, чем ионы мишени, которые сначала должны быть выбиты из мишени, а затем должны преодолеть всё расстояние до подложки.
Инновация Патидара заключалась во времени. «Если мы подадим напряжение на подложку в нужный момент, мы ускорим только желаемые ионы», — объясняет Сиол. Ионы аргона к этому моменту уже пролетели мимо — и без дополнительного ускорения у них слишком мало энергии для включения в растущий слой.
Используя этот трюк, исследователи впервые смогли произвести высококачественные пьезоэлектрические тонкие плёнки с помощью HiPIMS — с характеристиками, эквивалентными или даже лучшими по сравнению с традиционными методами.
Теперь возникла следующая задача: в зависимости от конкретного применения, тонкие плёнки необходимо производить на изолирующих подложках, таких как стекло или сапфир. Однако если подложка непроводящая, на неё нельзя подать напряжение. Хотя в промышленности существует метод ускорения ионов в любом случае, это также часто приводит к включениям аргона в слое.
Здесь исследователи Empa достигли прорыва. Чтобы ускорить ионы на изолирующую подложку, они используют сам импульс магнетрона — короткий импульс, который направляет ионы технологического газа на мишень.
Плазма в камере содержит не только ионы, но и электроны. Каждый импульс от магнетрона автоматически ускоряет эти отрицательно заряженные элементарные частицы на подложку. Крошечные электроны достигают цели гораздо быстрее, чем более крупные ионы.
Обычно этот «электронный душ» не имеет значения для процесса HiPIMS. Однако, когда электроны достигают подложки, на долю секунды они придают ей отрицательный заряд — достаточный для ускорения ионов. Если исследователи запускают последующий импульс магнетрона в точно выбранный интервал времени, «электронный душ» ускоряет ионы мишени, начавшие свой полёт во время предыдущего импульса. И, конечно, время можно настроить так, чтобы в тонкой плёнке оказались только нужные ионы.
Результаты впечатляют: «С помощью нашего метода мы смогли производить пьезоэлектрические тонкие плёнки на изолирующих подложках так же хорошо, как и на проводящих», — резюмирует Сиол.
Исследователи назвали процесс Synchronized Floating Potential HiPIMS, или SFP-HiPIMS. Большое преимущество: с помощью SFP-HiPIMS можно производить пьезоэлектрические тонкие плёнки очень высокого качества при низких температурах. Это открывает новые возможности для производства микросхем и электронных компонентов, которые часто не выдерживают высоких температур.
Техника для изолирующих подложек особенно важна для полупроводниковой промышленности: «Многие производственные инструменты в полупроводниковой промышленности спроектированы таким образом, что даже нет возможности подать электрическое напряжение на подложку», — говорит Сиол.
В следующем шаге он планирует работать над разработкой сегнетоэлектрических тонких плёнок со своей командой — ещё одна ключевая технология в современной и будущей электронике.
Основываясь на этом успехе, исследователи Empa также начинают сотрудничество с другими научными учреждениями, чтобы внедрить свои тонкие плёнки в приложениях, начиная от фотоники и заканчивая квантовыми технологиями. И, наконец, они хотят оптимизировать инновационный процесс с помощью машинного обучения и экспериментов с высокой пропускной способностью.
Материал предоставлен Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий.