Forskare från Tokyo Metropolitan University har använt högeffektimpulsmagnetronspridning (HiPIMS) för att skapa tunna filmer av volfram med oöverträffat låga nivåer av filmspänning. Genom att optimera timingen för en substratförspänningspuls med mikrosekundsprecision, de minimerade föroreningar och defekter för att bilda kristallina filmer med spänningar så låga som 0,03 GPa, liknande de som uppnås genom glödgning. Deras arbete lovar effektiva vägar för att skapa metalliska filmer för elektronikindustrin.

Modern elektronik förlitar sig på det invecklade, nanoskala avsättning av tunna metalliska filmer på ytor. Detta är lättare sagt än gjort; om det inte görs rätt, filmpåkänningar som uppstår från filmens mikroskopiska inre struktur kan orsaka buckling och krökning med tiden. Att bli av med dessa påfrestningar kräver vanligtvis uppvärmning eller glödgning. Tyvärr, många av de bästa metallerna för jobbet, t.ex., volfram, har höga smältpunkter, vilket innebär att filmen behöver värmas upp till över 1000 grader Celsius. Detta är inte bara energikrävande, men det begränsar kraftigt vilka substratmaterial som kan användas. Kapplöpningen pågår för att skapa filmer av metaller med hög smältpunkt utan dessa påfrestningar i första hand.

Ett team ledd av docent Tetsuhide Shimizu vid Tokyo Metropolitan University har arbetat med en teknik som kallas högeffektsimpulsmagnetronspridning (HiPIMS), en sputterteknik. Sputtering innebär att en hög spänning appliceras över ett metalliskt mål och ett substrat, skapa ett plasma av laddade gasatomer som bombarderar det metalliska målet och bildar en laddad metallånga; dessa metalljoner flyger mot substratet där de bildar en film. I fallet med HiPIMS, spänningen pulseras kort, kraftfulla skurar. Efter varje puls, det är känt att det finns en viss separation mellan ankomsten av metall- och gasjoner vid substratet; en synkroniserad substratförspänningspuls kan hjälpa till att selektivt accelerera metalljonerna, skapa tätare filmer. Men trots många ansträngningar, frågan om kvarvarande stress kvarstod.

Nu, använder argongas och ett volframmål, teamet tittade på hur joner med olika energier anlände till substratet med tiden i oöverträffad detalj. Istället för att använda en förspänningspuls som sätts igång samtidigt som HiPIMS-pulsen, de använde sin kunskap om när olika joner anlände och introducerade en liten fördröjning, 60 mikrosekunder, för att exakt välja för ankomsten av högenergimetalljoner. De fann att detta minimerade mängden gas som hamnade i filmen och levererade effektivt höga nivåer av kinetisk energi. Resultatet blev en tät kristallin film med stora korn och låg filmspänning. Genom att göra partiskheten starkare, filmerna blev mer och mer stressfria. Den effektiva leveransen av energi till filmen innebar att de hade, faktiskt, uppnådde en liknande effekt som glödgning medan de avsatte filmen. Genom att ytterligare byta ut argon mot krypton, teamet realiserade filmer med en stress så låg som 0,03 GPa, jämförbart med vad som kan göras med efterglödgning.

En effektiv väg till stressfria filmer kommer att ha en betydande inverkan på metalliseringsprocesser och tillverkningen av nästa generations kretsar. Tekniken kan tillämpas på andra metaller och lovar stora vinster för elektronikindustrin.