徹底改變微芯片製造的“電子淋浴”_風聞

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自scitechdaily

科學家攻克壓電薄膜工藝難關。

科學家們解決了薄膜電子學領域長期存在的一個難題。

我們被電子設備包圍，以至於我們常常忽略了它們背後複雜的技術。像拿起智能手機這樣簡單的動作，很少會促使我們去思考它背後的複雜性。在它的內部，數百個微型組件和諧地運轉，每一個都以驚人的精度和工程專業知識打造而成。

這些看不見的元件中包括射頻(RF) 濾波器。這些元件在確保只接收正確的信號（無論是通過 Wi-Fi 還是蜂窩網絡）方面發揮着至關重要的作用。您使用的任何無線設備都依賴於這些濾波器才能正常工作。其中許多濾波器依賴於壓電薄膜，這種薄膜由對應力有獨特響應的材料製成：它們在機械變形時會產生電荷，並在施加電壓時改變形狀。

除了在射頻濾波器中的作用外，壓電薄膜對各種微電子元件也至關重要。它們通常用於傳感器、執行器，甚至微型能量收集系統。研究人員也在探索它們在量子技術等新興領域的潛力。所有這些用途都一致要求薄膜擁有卓越的品質。生產符合性能要求的薄膜很大程度上取決於所使用的特定材料和製造工藝的精度。

Empa表面科學與塗層技術實驗室的研究人員開發了一種新的壓電薄膜沉積工藝。其創新之處在於：他們的方法能夠在絕緣基板上以極高的質量在相對較低的温度下生產出高科技薄膜——這在該領域尚屬首創。研究人員已將他們的研究成果發表在《自然通訊》雜誌上，併為該工藝申請了專利。

 為知名工藝增添新優勢

研究人員以一項名為HiPIMS（高功率脈衝磁控濺射）的常用技術作為研究起點。磁控濺射是一種塗層工藝，將材料從固體前體材料（靶材）沉積到待塗層的部件（基材）上。為此，需要在靶材上點燃工藝氣體等離子體。工藝氣體離子（通常為氬氣）隨後射向靶材，擊出原子，這些原子隨後落在基材上，形成所需的薄膜。許多材料都可以用作靶材。在壓電應用中，通常使用金屬，通常會添加氮來生成氮化物，例如氮化鋁。

HiPIMS 的工作原理幾乎相同——只是該過程不是連續進行的，而是以短促的高能脈衝進行。這不僅意味着射出的靶原子運動速度更快，而且許多原子在穿過等離子體的過程中也會被電離。這使得該過程具有研究價值。與中性原子不同，離子可以通過例如在基材上施加負電壓來加速。在過去的 20 年左右，這種方法已被用於生產硬質塗層，其高能量可以形成極其緻密耐用的塗層。

然而，迄今為止，該工藝不適用於壓電薄膜。這是因為在基板上施加電壓不僅會加速成膜靶離子，還會加速工藝氣體中的氬離子。必須避免這種氬氣轟擊。“硬塗層中有時會摻入幾個百分點的氬氣，”Empa 研究員 Sebastian Siol 説道。“壓電薄膜通常在高壓下工作。在這種情況下，這些雜質可能會導致災難性的電擊穿。”

儘管如此，Siol 的團隊仍然相信 HiPIMS 在壓電薄膜方面的潛力。離子飛向基底的高能量非常有利。如果離子以足夠的能量撞擊基底，它會在短時間內保持移動狀態，並能夠在生長的晶格中找到最佳位置。但是，如何處理不必要的氬夾雜物呢？

Jyotish Patidar 在博士論文中提出了一個巧妙的解決方案。並非所有離子都會同時到達靶材。大多數氬離子位於靶材前方的等離子體中。這意味着它們通常會先於靶材離子到達基底，而靶材離子必須先被擊出靶材，然後穿越整個距離才能到達基底。Patidar 的創新之處在於時間安排：“如果我們在恰當的時刻將電壓施加到基底上，我們只會加速所需的離子，”Siol 解釋説。氬離子此時已經飛過——如果沒有額外的加速，它們的能量將不足以融入正在生長的薄膜中。

 “電子淋浴”作為飛行控制器

利用這一技術，研究人員首次能夠利用HiPIMS 技術製備出高質量的壓電薄膜，其性能與傳統方法相當甚至更勝一籌。接下來的挑戰來了：根據具體應用，薄膜需要在絕緣基板（例如玻璃或藍寶石）上製備。然而，如果基板不導電，則無法施加電壓。雖然工業上存在加速離子的方法，但這也常常會導致薄膜層中夾雜氬氣。

正是在這裏，Empa 的研究人員取得了突破。為了將離子加速到絕緣基板上，他們利用磁控脈衝本身——一種將工藝氣體離子發射到靶上的短脈衝。腔室中的等離子體不僅包含離子，還包含電子。磁控管發出的每個脈衝都會自動將這些帶負電的元素粒子加速到基板上。微小的電子比更大的離子到達靶的速度要快得多。

通常情況下，這種“電子簇射”與 HiPIMS 工藝無關。然而，當電子到達基底時，在極短的時間內，它們會賦予基底負電荷，足以加速離子。如果研究人員以恰好合適的時間間隔觸發後續磁控脈衝，電子簇射就會加速在前一個脈衝期間開始飛行的目標離子。當然，也可以調整時間，以確保只有合適的離子最終進入薄膜。

 從芯片到量子比特

結果令人印象深刻：“通過我們的方法，我們能夠在絕緣基板上像在導電基板上一樣生產出壓電薄膜，”Siol 總結道。研究人員將這一工藝稱為同步浮動電位 HiPIMS，簡稱 SFP-HiPIMS。其最大的優勢在於：利用 SFP-HiPIMS，可以在低温下生產出質量極高的壓電薄膜。這為芯片和電子元件的生產開闢了新的可能性，因為這些元件通常無法承受高温。絕緣基板技術對半導體行業尤為重要：“半導體行業的許多生產設備的設計使得甚至無法在基板上施加電壓，”Siol 説道。

下一步，他計劃與團隊共同研發鐵電薄膜——這是當前及未來電子學的另一項關鍵技術。基於這一成功，Empa 的研究人員還將與其他研究機構開展多項合作，以將他們的薄膜應用於從光子學到量子技術的各個領域。最後，他們希望藉助機器學習和高通量實驗進一步優化創新流程。

參考文獻：Jyotish Patidar、Oleksandr Pshyk、Kerstin Thorwarth、Lars Sommerhäuser 和 Sebastian Siol 合著的《利用同步浮動電位 HiPIMS 實現選擇性離子加速，在絕緣基板上低温沉積功能薄膜》，2025 年 5 月 21 日，《自然通訊》。DOI：10.1038/s41467-025-59911-y

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