Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben high power impulse magnetronverstrooiing (HiPIMS) gebruikt om dunne films van wolfraam te creëren met ongekend lage niveaus van filmstress. Door de timing van een substraatbiaspuls met microseconde precisie te optimaliseren, ze minimaliseerden onzuiverheden en defecten om kristallijne films te vormen met spanningen zo laag als 0,03 GPa, vergelijkbaar met die bereikt door gloeien. Hun werk belooft efficiënte wegen voor het maken van metaalfilms voor de elektronica-industrie.

Moderne elektronica vertrouwt op de ingewikkelde, nanoschaal afzetting van dunne metaalfilms op oppervlakken. Dit is makkelijker gezegd dan gedaan; tenzij goed gedaan, filmspanningen die voortkomen uit de microscopische interne structuur van de film kunnen na verloop van tijd knikken en kromming veroorzaken. Het wegwerken van deze spanningen vereist meestal verwarming of gloeien. Helaas, veel van de beste metalen voor het werk, bijv. wolfraam, hoge smeltpunten hebben, wat betekent dat de film moet worden verwarmd tot meer dan 1000 graden Celsius. Dit is niet alleen energie-intensief, maar het beperkt sterk welke substraatmaterialen kunnen worden gebruikt. De race is begonnen om films te maken van metalen met een hoog smeltpunt zonder deze spanningen.

Een team onder leiding van universitair hoofddocent Tetsuhide Shimizu van de Tokyo Metropolitan University heeft gewerkt met een techniek die bekend staat als high-power impulse magnetronverstrooiing (HiPIMS), een sputtertechniek. Sputteren omvat het aanbrengen van een hoge spanning over een metalen doel en een substraat, het creëren van een plasma van geladen gasatomen dat het metalen doelwit bombardeert en een geladen metaaldamp vormt; deze metaalionen vliegen naar het substraat waar ze een film vormen. In het geval van HiPIMS, de spanning is in het kort gepulseerd, krachtige uitbarstingen. Na elke puls, het is bekend dat er enige scheiding is tussen de aankomst van metaal- en gasionen op het substraat; een gesynchroniseerde substraatbiaspuls kan helpen om de metaalionen selectief te versnellen, dichtere films maken. Maar ondanks vele inspanningen, het probleem van de restspanning bleef.

Nutsvoorzieningen, met behulp van argongas en een wolfraamdoel, het team keek hoe ionen met verschillende energieën in de loop van de tijd in ongekend detail bij het substraat aankwamen. In plaats van een bias-puls te gebruiken die tegelijkertijd met de HiPIMS-puls afgaat, ze gebruikten hun kennis over wanneer verschillende ionen arriveerden en introduceerden een kleine vertraging, 60 microseconden, om precies te selecteren voor de aankomst van hoogenergetische metaalionen. Ze ontdekten dat dit de hoeveelheid gas die in de film terechtkwam, minimaliseerde en efficiënt hoge niveaus van kinetische energie afleverde. Het resultaat was een dichte kristallijne film met grote korrels en een lage filmspanning. Door de vooringenomenheid sterker te maken, de films werden steeds stressvrijer. De efficiënte levering van energie aan de film betekende dat ze, in feite, bereikten een soortgelijk effect als uitgloeien terwijl ze de film afzetten. Door argon verder uit te wisselen voor krypton, het team realiseerde films met een spanning van slechts 0,03 GPa, vergelijkbaar met wat kan worden gemaakt met nagloeien.

Een efficiënte weg naar stressvrije films zal een aanzienlijke impact hebben op metallisatieprocessen en de productie van schakelingen van de volgende generatie. De technologie kan worden toegepast op andere metalen en belooft grote voordelen voor de elektronica-industrie.