Çip Üretimini Değiştirebilecek Yöntem Geliştirildi: İnce Filmler 100 °C’de Üretiliyor

İsviçre’deki Empa araştırmacıları, yalıtkan yüzeylerde yüksek kaliteli piezoelektrik ince filmler üretmek için yeni bir yöntem geliştirdi. SFP-HiPIMS adı verilen teknik, geleneksel süreçlere kıyasla düşük sıcaklıklarda çalışırken yararlı metal iyonlarını hızlandırıp istenmeyen argon iyonlarının filme zarar vermesini sınırlıyor. Yeni yaklaşım, 100 °C gibi düşük sıcaklıklarda üretilen filmlerin elektronik, yarı iletken, fotonik ve kuantum teknolojilerinde kullanılmasının önünü açabilir.

Elektron Duşu Yalıtkan Yüzeyleri İyon İşlemine Uygun Hale Getiriyor

Empa’nın Yüzey Bilimi ve Kaplama Teknolojileri Laboratuvarı tarafından geliştirilen SFP-HiPIMS yöntemi, yalıtkan bir yüzeye dışarıdan elektrik gerilimi uygulama sorununu plazmanın doğal davranışından yararlanarak çözüyor. HiPIMS darbesi sırasında hafif elektronlar ağır iyonlardan daha hızlı biçimde alt tabakaya ulaştığında yüzey kısa süreliğine negatif yük kazanıyor. Araştırmacılar, “elektron duşu” olarak tanımlanan bu kısa süreli durumun oluşturduğu yüzer potansiyeli kullanarak hedeflenen metal iyonlarını film yüzeyine doğru hızlandırıyor.

Yöntemin temel farkı zamanlamada ortaya çıkıyor. Sebastian Siol ile Jyotish Patidar’ın çalışmasında iyonların kaynaktan yüzeye aynı anda ulaşmadığı dikkate alınırken elektriksel etki yalnızca yararlı iyonların uygun enerjiyle yüzeye ulaşacağı zaman aralığına denk getiriliyor. Böylece alüminyum veya başka bir hedef malzemeden gelen iyonlar kristal büyümesini destekleyecek enerji kazanırken plazmadaki argon iyonlarının aşırı hızlanması sınırlandırılıyor.

HiPIMS, katı durumdaki bir hedef malzemeden atomları koparıp başka bir yüzey üzerinde ince film oluşturmak için kullanılan fiziksel buhar biriktirme yöntemlerinden biri olarak çalışıyor. Sistem içerisinde oluşturulan plazmadaki iyonlar hedef malzemeye çarparken atomları yüzeyden ayırıyor ve ortaya çıkan parçacıklar alt tabakaya taşınarak yeni filmin temelini oluşturuyor.

Kısa süreli yüksek güçlü elektrik darbeleri, klasik sürekli çalışmaya kıyasla daha fazla atomun iyonlaşmasını sağlıyor. Yüklü parçacıkların enerjisi artırıldığında yüzeye yeni ulaşan atomlar daha uygun konumlara hareket ederek kristal yapının gelişmesine katkıda bulunabiliyor. Yalıtkan cam veya safir gibi yüzeylerde dış gerilim uygulanamaması ise söz konusu kontrolün geleneksel yöntemlerle yapılmasını zorlaştırıyor.

Radyo frekanslı kutuplama yöntemleri yalıtkan yüzeylerde iyonları hızlandırmak için kullanılabilse de plazmadaki argon iyonlarını da yüksek enerjiye taşıyabiliyor. Enerjik argon parçacıkları büyüyen filmin içine hapsolduğunda malzemenin elektriksel özellikleri değişebilirken yüksek gerilim altında çalışan piezoelektrik katmanlarda ciddi güvenilirlik sorunları ortaya çıkabiliyor.

Piezoelektrik ince filmler, mekanik deformasyon ile elektrik yükü arasında dönüşüm sağlayan malzemelerden oluşuyor. RF filtreleri, sensörler, aktüatörler ve mikro ölçekte enerji dönüştürücülerinde kullanılan söz konusu filmler, üretim sırasında oluşan safsızlıklara karşı hassas davranabildiği için iyon enerjisinin kontrol edilmesi yalnızca üretim kalitesini değil cihazın çalışma güvenliğini de etkiliyor.

Empa ekibi, SFP-HiPIMS yaklaşımını farklı yalıtkan alt tabakalar üzerinde yüzde 12 skandiyum içeren alüminyum skandiyum nitrür filmleri üretmek için test etti. Alüminyum nitrür içerisine belirli miktarda skandiyum eklenmesiyle elde edilen malzeme, piezoelektrik özellikleri nedeniyle yeni nesil elektronik bileşenler açısından araştırılan önemli ince film malzemeleri arasında bulunuyor.

Deneylerde elde edilen filmler kristallenme düzeni, kristal yönelimi ve artık gerilme açısından iyileşme gösterdi. Araştırmacılar ayrıca c-kesimli safir üzerinde 100 °C’ye kadar düşen sıcaklıklarda epitaksiyel büyüme elde etti. Epitaksiyel büyüme sırasında yeni tabakanın kristal düzeni alttaki kristal yapıyı takip ettiği için sonuç, düşük sıcaklıklı elektronik üretimi açısından özellikle önem taşıyor.

SFP-HiPIMS yönteminin düşük sıcaklıkta yüksek kaliteli ince film oluşturabilmesi, ısıl işlem sırasında zarar görebilecek elektronik yapıların üretiminde yeni seçenekler sunuyor. Geleneksel yüksek sıcaklıklı süreçlerin sınırladığı cam, safir veya sıcaklığa duyarlı diğer alt tabakalar, daha düşük işlem sıcaklıklarında çalışan üretim akışlarına dahil edilebilecek.

Empa araştırmacıları yöntemin standart biriktirme ekipmanlarına uyarlanabileceğini belirtirken yaklaşımın farklı malzemelerle de kullanılmasını araştırıyor. Ekip, sonraki çalışmalarda ferroelektrik ince filmlere yönelmeyi, fotonik ile kuantum teknolojileri alanlarında farklı araştırma gruplarıyla uygulama geliştirmeyi planlıyor.

Empa’nın Nature Communications’da yayımladığı çalışma, SFP-HiPIMS yaklaşımının yalnızca laboratuvar ölçeğinde bir üretim tekniği olarak kalmayabileceğine işaret ediyor. Araştırmacılar patent başvurusu yaparken yüksek hacimli deneyler ile makine öğrenmesini sürece dahil ederek farklı malzeme kombinasyonları için daha uygun üretim koşullarını belirlemeyi hedefliyor.

Yarı iletken endüstrisinde üretim sıcaklığının düşürülmesi, yeni malzeme kombinasyonlarının mevcut üretim hatlarına dahil edilmesi açısından stratejik değer taşıyor. Empa’nın geliştirdiği yaklaşım ticari çip üretiminde doğrudan kullanılmaya başlanmış bir teknoloji olmasa da düşük sıcaklıkta kontrollü iyon işleme konusunda sağladığı sonuçlar, gelecekte RF elektroniği, sensörler, fotonik sistemler ile kuantum bileşenleri için yeni üretim yollarının araştırılmasına katkı sağlayabilir.