I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno utilizzato lo scattering di magnetron a impulsi ad alta potenza (HiPIMS) per creare film sottili di tungsteno con livelli di stress del film senza precedenti. Ottimizzando la temporizzazione di un impulso di polarizzazione del substrato con precisione al microsecondo, hanno ridotto al minimo le impurità e i difetti per formare film cristallini con sollecitazioni fino a 0,03 GPa, simili a quelli ottenuti mediante ricottura. Il loro lavoro promette percorsi efficienti per la creazione di pellicole metalliche per l'industria elettronica.

L'elettronica moderna si basa sull'intricato, deposizione su nanoscala di film metallici sottili su superfici. Questo è più facile a dirsi che a farsi; a meno che non sia fatto bene, le sollecitazioni del film derivanti dalla struttura microscopica interna del film possono causare deformazioni e curvature nel tempo. L'eliminazione di queste sollecitazioni di solito richiede riscaldamento o ricottura. Sfortunatamente, molti dei migliori metalli per il lavoro, per esempio., tungsteno, hanno alti punti di fusione, il che significa che il film deve essere riscaldato a oltre 1000 gradi Celsius. Non solo questa energia è ad alta intensità, ma limita fortemente quali materiali di substrato possono essere utilizzati. La corsa è per creare film da metalli ad alto punto di fusione senza questi stress in primo luogo.

Un team guidato dal Professore Associato Tetsuhide Shimizu della Tokyo Metropolitan University ha lavorato con una tecnica nota come diffusione del magnetron a impulsi ad alta potenza (HiPIMS), una tecnica di sputtering. Lo sputtering comporta l'applicazione di un'alta tensione attraverso un bersaglio metallico e un substrato, creare un plasma di atomi di gas carichi che bombarda il bersaglio metallico e forma un vapore metallico carico; questi ioni metallici volano verso il substrato dove formano un film. Nel caso di HiPIMS, la tensione viene pulsata in breve, potenti raffiche. Dopo ogni impulso, è noto che esiste una certa separazione tra l'arrivo di ioni metallo e gas al substrato; un impulso di polarizzazione del substrato sincronizzato può aiutare ad accelerare selettivamente gli ioni metallici, creando film più densi. Eppure, nonostante molti sforzi, rimaneva il problema dello stress residuo.

Ora, usando gas argon e un bersaglio di tungsteno, il team ha osservato come ioni con energie diverse sono arrivati ​​al substrato nel tempo con dettagli senza precedenti. Invece di utilizzare un impulso di polarizzazione attivato contemporaneamente all'impulso HiPIMS, hanno usato la loro conoscenza dell'arrivo di ioni diversi e hanno introdotto un piccolo ritardo, 60 microsecondi, per selezionare con precisione per l'arrivo di ioni metallici ad alta energia. Hanno scoperto che questo riduceva al minimo la quantità di gas che finiva nel film e forniva in modo efficiente alti livelli di energia cinetica. Il risultato è stato un film cristallino denso con grani grandi e basso stress del film. Rendendo più forte il pregiudizio, i film sono diventati sempre più privi di stress. L'efficiente erogazione di energia al film significava che avevano, infatti, hanno ottenuto un effetto simile alla ricottura mentre depositavano il film. Sostituendo ulteriormente l'argon con il krypton, il team ha realizzato film con uno stress fino a 0,03 GPa, paragonabile a quanto si può fare con la post-ricottura.

Un percorso efficiente per pellicole senza stress avrà un impatto significativo sui processi di metallizzazione e sulla produzione di circuiti di prossima generazione. La tecnologia può essere applicata ad altri metalli e promette grandi guadagni per l'industria elettronica.