改良濺射技術有助於降低鎢薄膜應力

在東京都立大學，科學家們採用高功率脈衝磁控管散射(HiPIMS) 濺射技術製造空前未有的低薄膜應力水準的鎢薄膜。研究人員以微秒精度改善“基板偏置脈衝”的時序，減少雜質和缺陷，以開發出低至 0.03 GPa 應力的結晶薄膜，類似於通過退火方式實現的薄膜。該研究有望為電子行業金屬薄膜的製造提供有效途徑。

現代電子學是基於在金屬薄膜表面上的複雜納米級沉積。雖然這聽起來更容易，但事實並非如此。如果操作不當，從薄膜的微觀內部結構中產生的“薄膜應力”會導致彎曲和屈曲。通常，消除這種應力需要加熱或“退火”。

遺憾的是，大多數適合這項工作的金屬，例如鎢，都具有高熔點，這意味著必須將薄膜加熱到 1000 °C 以上。除了能源密集型之外，這也嚴重限制了適用的基材。因此，人們爭相用高熔點金屬製造薄膜。

濺射涉及在整個金屬“靶”和基板上使用高電壓，從而產生帶電氣體原子的等離子體，其轟擊金屬靶並產生帶電金屬蒸氣。這種金屬離子能夠形成薄膜基板。

就 HiPIMS 而言，電壓以短而強的脈衝串形式出現。在每個脈衝之後，金屬和氣體離子到達基板之間有一定的間隔，同步的“基板偏置”脈衝可以説明選擇性地加速金屬離子，從而製造更緻密的鎢薄膜。然而，儘管人們採取了多項措施，殘餘應力問題仍然存在。

目前，研究人員在鎢和氬氣靶的幫助下，研究了具有各種能量的離子隨著時間的推移到達基板的過程。他們沒有使用與 HiPIMS 脈衝同時觸發的偏置脈衝，而是利用他們在各種離子何時到達的專業知識，並增加了一個 60 μs 的小延遲，以準確選擇高能金屬離子到達的時間。

研究人員發現，濺射技術有助於減少最終進入薄膜的氣體量，並更有效的傳遞高水準動能。且最終能產生具有低薄膜應力和大晶粒的緻密結晶薄膜。

更強大的偏倚有助於使薄膜的壓力變得更小。事實上，能量向薄膜的有效傳遞意味著當薄膜被它們沉積時，它們已經達到了與退火相似的效果。

此外，將氬氣換成氪氣後，研究人員能夠製作出應力低至 0.03 GPa 的薄膜，相當於退火處理後所產生的應力。

無應力鎢薄膜將對金屬化工藝以及下一代電路的生產產生相當大的效益。該濺射技術可能用於其他金屬，並將為電子行業帶來巨大收益。