改良溅射技术有助于降低钨薄膜应力

在东京都立大学，科学家们采用高功率脉冲磁控管散射(HiPIMS) 溅射技术制造空前未有的低薄膜应力水平的钨薄膜。研究人员以微秒精度改善“基板偏置脉冲”的时序，减少杂质和缺陷，以开发出低至 0.03 GPa 应力的结晶薄膜，类似于通过退火方式实现的薄膜。该研究有望为电子行业金属薄膜的制造提供有效途径。

现代电子学是基于在金属薄膜表面上的复杂纳米级沉积。虽然这听起来更容易，但事实并非如此。如果操作不当，从薄膜的微观内部结构中产生的“薄膜应力”会导致弯曲和屈曲。通常，消除这种应力需要加热或“退火”。

遗憾的是，大多数适合这项工作的金属，例如钨，都具有高熔点，这意味着必须将薄膜加热到 1000 °C 以上。除了能源密集型之外，这也严重限制了适用的基材。因此，人们争相用高熔点金属制造薄膜。

溅射涉及在整个金属“靶”和基板上使用高电压，从而产生带电气体原子的等离子体，其轰击金属靶并产生带电金属蒸气。这种金属离子能够形成薄膜基板。

就 HiPIMS 而言，电压以短而强的脉冲串形式出现。在每个脉冲之后，金属和气体离子到达基板之间有一定的间隔，同步的“基板偏置”脉冲可以帮助选择性地加速金属离子，从而制造更致密的钨薄膜。然而，尽管人们采取了多项措施，残余应力问题仍然存在。

目前，研究人员在钨和氩气靶的帮助下，研究了具有各种能量的离子随着时间的推移到达基板的过程。他们没有使用与 HiPIMS 脉冲同时触发的偏置脉冲，而是利用他们在各种离子何时到达的专业知识，并增加了一个 60 μs 的小延迟，以准确选择高能金属离子到达的时间。

研究人员发现，溅射技术有助于减少最终进入薄膜的气体量，并更有效的传递高水平动能。且最终能产生具有低薄膜应力和大晶粒的致密结晶薄膜。

更强大的偏倚有助于使薄膜的压力变得更小。事实上，能量向薄膜的有效传递意味着当薄膜被它们沉积时，它们已经达到了与退火相似的效果。

此外，将氩气换成氪气后，研究人员能够制作出应力低至 0.03 GPa 的薄膜，相当于退火处理后所产生的应力。

无应力钨薄膜将对金属化工艺以及下一代电路的生产产生相当大的效益。该溅射技术可能用于其他金属，并将为电子行业带来巨大收益。

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