(arriba a la izquierda) Una ilustración del proceso HiPIMS (arriba a la derecha) La distribución de energía de los iones de tungsteno que llegan al sustrato con el tiempo. En tiempos cortos, hay una gran proporción de iones con alta energía. (abajo) Películas de tungsteno sin estrés creadas con la técnica de polarización pulsada selectiva. (a) Imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de vista en planta de la película; (b) una imagen de mayor resolución; (c) reconstrucciones del área seleccionada en (b) basadas en transformadas inversas de Fourier, con dos regiones ampliadas. Crédito:Universidad Metropolitana de Tokio
Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han utilizado la dispersión de magnetrón por impulso de alta potencia (HiPIMS) para crear películas delgadas de tungsteno con niveles de tensión de película sin precedentes. Optimizando la sincronización de un pulso de polarización del sustrato con precisión de microsegundos, minimizaron las impurezas y los defectos para formar películas cristalinas con tensiones tan bajas como 0,03 GPa, similares a los logrados mediante el recocido. Su trabajo promete vías eficientes para crear películas metálicas para la industria electrónica.
La electrónica moderna se basa en lo intrincado, deposición a nanoescala de películas metálicas delgadas sobre superficies. Esto es más fácil dicho que hecho; a menos que se haga bien, Las tensiones de la película que surgen de la estructura interna microscópica de la película pueden causar pandeo y curvatura con el tiempo. Deshacerse de estas tensiones generalmente requiere calentamiento o recocido. Desafortunadamente, muchos de los mejores metales para el trabajo, p.ej., tungsteno, tienen altos puntos de fusión, lo que significa que la película debe calentarse a más de 1000 grados Celsius. Esta energía no solo es intensiva, pero limita severamente qué materiales de sustrato se pueden usar. Ha comenzado la carrera para crear películas a partir de metales de alto punto de fusión sin estas tensiones en primer lugar.
Un equipo dirigido por el profesor asociado Tetsuhide Shimizu de la Universidad Metropolitana de Tokio ha estado trabajando con una técnica conocida como dispersión de magnetrón de impulso de alta potencia (HiPIMS), una técnica de pulverización catódica. La pulverización implica aplicar un alto voltaje a través de un objetivo metálico y un sustrato, crear un plasma de átomos de gas cargados que bombardea el objetivo metálico y forma un vapor metálico cargado; estos iones metálicos vuelan hacia el sustrato donde forman una película. En el caso de HiPIMS, el voltaje se pulsa en breve, ráfagas poderosas. Después de cada pulso, se sabe que existe cierta separación entre la llegada de iones metálicos y gaseosos al sustrato; un pulso de polarización de sustrato sincronizado puede ayudar a acelerar selectivamente los iones metálicos, creando películas más densas. Sin embargo, a pesar de muchos esfuerzos, persistía el problema de la tensión residual.
Mediciones de la tensión de la película y las propiedades de celosía para películas creadas sin sesgo (flotante), con un sesgo continuo de 50 V, con polarizaciones de sustrato pulsadas sincronizadas (50 V, 100V, 200V) usando argón como gas de pulverización catódica, y con una polarización de sustrato pulsada sincronizada de 50 V utilizando criptón como gas de pulverización catódica. FWHM (Ancho completo a la mitad del máximo) es una medida de qué tan bien ordenados están los átomos en las películas (cuanto menor es el FWHM, cuanto más ordenado esté); el parámetro de celosía es el tamaño de las células repetidas de la película cristalina, con un límite dado por el hipotético cristal "perfectamente relajado" o sin tensar. Crédito:Universidad Metropolitana de Tokio
Ahora, usando gas argón y un objetivo de tungsteno, el equipo observó cómo los iones con diferentes energías llegaban al sustrato a lo largo del tiempo con un detalle sin precedentes. En lugar de utilizar un pulso de polarización al mismo tiempo que el pulso HiPIMS, utilizaron su conocimiento de cuándo llegaban los diferentes iones e introdujeron un pequeño retraso, 60 microsegundos, para seleccionar con precisión la llegada de iones metálicos de alta energía. Descubrieron que esto minimizaba la cantidad de gas que terminaba en la película y entregaba de manera eficiente altos niveles de energía cinética. El resultado fue una película cristalina densa con granos grandes y baja tensión de película. Haciendo el sesgo más fuerte, las películas se volvieron cada vez más libres de estrés. La entrega eficiente de energía a la película significó que tenían, De hecho, lograron un efecto similar al recocido mientras depositaban la película. Al cambiar aún más el argón por kriptón, el equipo realizó películas con un estrés tan bajo como 0.03 GPa, comparable a lo que se puede hacer con post-recocido.
(a) - (d) muestran secciones transversales de películas hechas con diferentes gases de pulverización catódica y voltajes de polarización pulsada, obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido. Observe cómo las columnas (o "granos") se vuelven más gruesas de (a) - (c); columnas igualmente gruesas se ven en (d). Crédito:Universidad Metropolitana de Tokio
Una vía eficiente hacia películas sin estrés tendrá un impacto significativo en los procesos de metalización y la fabricación de circuitos de próxima generación. La tecnología puede aplicarse a otros metales y promete grandes beneficios para la industria electrónica.
