فهرست مطالب
پژوهشگران مؤسسه Empa در سوئیس روش جدیدی موسوم به «بارش الکترونی»، برای تولید لایه‌های نازک پیزوالکتریک باکیفیت روی مواد عایق توسعه داده‌اند که در دمای تنها ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز قابل استفاده است.
به گزارش سرویس سخت‌افزار تکناک روش جدید که SFP-HiPIMS نام دارد، به پژوهشگران اجازه می‌دهد انرژی یون‌های فلزی موردنظر را افزایش دهند و هم‌زمان اثر یون‌های ناخواسته آرگون را محدود کنند. این قابلیت می‌تواند برای تولید قطعاتی اهمیت داشته باشد که در مراحل ساخت، تحمل دماهای بالا را ندارند.
مشکل تولید لایه‌های پیزوالکتریک روی مواد عایق
لایه‌های نازک پیزوالکتریک در طیف گسترده‌ای از قطعات الکترونیکی مانند فیلترهای فرکانس رادیویی، حسگرها، عملگرها و مبدل‌های کوچک انرژی استفاده می‌شوند. مواد پیزوالکتریک هنگام تغییر شکل، بار الکتریکی تولید می‌کنند و در مقابل، با اعمال ولتاژ الکتریکی نیز تغییر شکل می‌دهند.
پژوهشگران آزمایشگاه Surface Science & Coating Technologies مؤسسه Empa فناوری جدید خود را بر پایه روشی موسوم به HiPIMS توسعه داده‌اند. این فناوری نوعی رسوب‌دهی فیزیکی بخار است که برای ایجاد پوشش‌های بسیار نازک روی سطوح مختلف کاربرد دارد.
در فرایند کندوپاش مگنترونی، پژوهشگران در نزدیکی یک منبع جامد موسوم به «هدف»، پلاسما ایجاد می‌کنند. پلاسما شامل ذرات دارای بار الکتریکی مانند الکترون‌ها و یون‌ها است. یون‌ها به هدف برخورد می‌کنند و اتم‌های آن را جدا می‌کنند. اتم‌های جداشده سپس به سمت سطح دیگری موسوم به زیرلایه حرکت می‌کنند و در نهایت، یک لایه نازک را تشکیل می‌دهند.
فناوری HiPIMS برخلاف روش‌های پیوسته، از پالس‌های الکتریکی کوتاه و پرقدرت استفاده می‌کند. این پالس‌ها بخش زیادی از اتم‌های جداشده از هدف را به یون تبدیل می‌کنند. پژوهشگران به دلیل برخورداری یون‌ها از بار الکتریکی، می‌توانند آنها را به سمت زیرلایه شتاب دهند.
انرژی این یون‌ها به اتم‌های تازه رسوب‌کرده کمک می‌کند تا روی سطح حرکت کنند و هنگام شکل‌گیری بلور، در موقعیت مناسب‌تری قرار بگیرند. این فرایند در نهایت می‌تواند ساختار و کیفیت لایه تولیدشده را بهبود دهد.
مشکل اصلی زمانی ایجاد می‌شود که زیرلایه از یک ماده عایق مانند شیشه یا یاقوت کبود ساخته شده باشد. برخلاف مواد رسانا، اعمال مستقیم و آسان ولتاژ الکتریکی روی سطح مواد عایق امکان‌پذیر نیست.
روش دیگری موسوم به بایاس فرکانس رادیویی می‌تواند یون‌ها را روی سطوح عایق شتاب دهد، اما این روش یون‌های آرگون موجود در پلاسما را نیز شتاب می‌دهد. یون‌های پرانرژی آرگون پس از برخورد با لایه در حال رشد ممکن است درون آن گرفتار شوند و ویژگی‌های ماده را تغییر دهند.
سباستین سیول، پژوهشگر Empa، می‌گوید گاهی چند درصد آرگون می‌تواند وارد پوشش‌های سخت شود. به گفته او، لایه‌های نازک پیزوالکتریک اغلب تحت ولتاژهای بالا فعالیت می‌کنند و وجود چنین ناخالصی‌هایی می‌تواند به شکست الکتریکی فاجعه‌باری منجر شود.
حتما بخوانید: شرکت IBM از نخستین فناوری ساخت تراشه زیر ۱ نانومتری جهان رونمایی کرد
بارش الکترونی چگونه مشکل را برطرف می‌کند؟
جیوتیش پاتیدار در جریان تحقیقات دوره دکتری خود، راهکاری مبتنی بر زمان‌بندی حرکت یون‌ها ارائه کرد. یون‌های مختلف موجود در پلاسما در یک زمان به زیرلایه نمی‌رسند. بیشتر یون‌های آرگون پیش از آنکه یون‌های فلزی موردنظر از هدف جدا شوند و فاصله میان هدف و زیرلایه را طی کنند، به سمت زیرلایه حرکت کرده‌اند.
پژوهشگران با استفاده از همین اختلاف زمانی دریافتند که می‌توانند ولتاژ را در لحظه مشخصی اعمال کنند تا فقط یون‌های موردنظر شتاب بگیرند. سیول توضیح می‌دهد که با اعمال ولتاژ به زیرلایه دقیقاً در زمان مناسب، تنها یون‌های مطلوب شتاب می‌گیرند.
بااین‌حال، پژوهشگران همچنان با مسئله زیرلایه‌های عایق روبه‌رو بودند، زیرا امکان اعمال مستقیم ولتاژ خارجی روی این مواد وجود ندارد. بررسی پالس‌های HiPIMS در نهایت راه‌حل این مشکل را در اختیار آنها قرار داد.
در جریان هر پالس، الکترون‌ها بسیار سریع‌تر از یون‌های سنگین به زیرلایه می‌رسند. پژوهشگران این جریان سریع الکترون‌ها را «بارش الکترونی» نامیده‌اند. این بارش برای مدت بسیار کوتاهی یک بار الکتریکی منفی روی زیرلایه عایق ایجاد می‌کند.
این وضعیت موقت که «پتانسیل شناور» نام دارد، به پژوهشگران امکان می‌دهد بدون اعمال مستقیم ولتاژ خارجی، یون‌های فلزی موردنظر را شتاب دهند. آنها با تنظیم دقیق زمان‌بندی میان پالس‌ها می‌توانند انرژی بیشتری در اختیار یون‌های مفید قرار دهند و هم‌زمان انرژی یون‌های آرگون را محدود کنند.
در نتیجه، SFP-HiPIMS یکی از محدودیت‌های اصلی استفاده از روش‌های پیشرفته رسوب‌دهی روی مواد عایق را برطرف می‌کند. نکته مهم دیگر این است که پژوهشگران می‌گویند این فناوری با تجهیزات استاندارد رسوب‌دهی قابل استفاده است و می‌توان آن را برای مواد مختلف نیز سازگار کرد.
تولید لایه‌های باکیفیت در دمای تنها ۱۰۰ درجه
تیم Empa برای ارزیابی این فناوری، لایه‌های نازک نیترید آلومینیوم اسکاندیم را روی چند زیرلایه عایق تولید کرد. نمونه‌های آزمایشی حاوی ۱۲ درصد اسکاندیم بودند. نیترید آلومینیوم اسکاندیم یک ماده پیزوالکتریک است که در ساختار آن، بخشی از آلومینیوم موجود در نیترید آلومینیوم با اسکاندیم جایگزین می‌شود.
نتایج آزمایش‌ها بهبود بلورینگی، بافت و تنش پسماند لایه‌های تولیدشده را نشان داد. بلورینگی میزان منظم بودن آرایش اتم‌ها در ساختار بلوری را مشخص می‌کند و بافت نیز به جهت‌گیری ترجیحی بلورها درون لایه مربوط می‌شود. تنش پسماند نیز تنش داخلی باقی‌مانده در ماده پس از پایان فرایند رسوب‌دهی است.
یکی از مهم‌ترین نتایج آزمایش، امکان رشد اپیتاکسیال روی یاقوت کبود با برش C در دمای تنها ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد بود. در رشد اپیتاکسیال، ساختار بلوری لایه جدید از ساختار منظم بلور زیرین پیروی می‌کند.
سیول می‌گوید پژوهشگران با این روش توانسته‌اند لایه‌های نازک پیزوالکتریک را روی زیرلایه‌های عایق با کیفیتی مشابه نمونه‌های تولیدشده روی زیرلایه‌های رسانا بسازند.
توانایی تولید چنین لایه‌هایی در دمای پایین می‌تواند برای قطعات الکترونیکی و نیمه‌رسانایی که تحمل دماهای بالای مراحل معمول ساخت را ندارند، اهمیت زیادی داشته باشد. قابلیت استفاده از تجهیزات استاندارد نیز می‌تواند مسیر به‌کارگیری این فناوری را در فرایندهای مختلف رسوب‌دهی هموارتر کند.
پژوهشگران یافته‌های خود را در نشریه Nature Communications منتشر کرده‌اند و برای ثبت اختراع این فناوری نیز درخواست داده‌اند. آنها در مرحله بعد قصد دارند استفاده از این روش برای تولید لایه‌های نازک فروالکتریک را بررسی کنند.
تیم Empa همچنین قصد دارد با گروه‌های پژوهشی دیگر برای بررسی کاربردهای احتمالی SFP-HiPIMS در حوزه‌های فوتونیک و فناوری‌های کوانتومی همکاری کند. پژوهشگران علاوه بر این، می‌خواهند با استفاده از یادگیری ماشینی و آزمایش‌های پربازده، فرایند جدید را بیشتر توسعه دهند.
اگر این روش برای مواد و کاربردهای مختلف قابل استفاده باشد، امکان تولید لایه‌های باکیفیت روی زیرلایه‌های عایق و در دماهای پایین می‌تواند گزینه‌های بیشتری در اختیار سازندگان قطعات الکترونیکی و نیمه‌رسانا قرار دهد. «بارش الکترونی» در این فناوری نقشی کلیدی دارد و بدون نیاز به اعمال مستقیم ولتاژ روی ماده عایق، شرایط لازم را برای کنترل انرژی یون‌های موردنظر فراهم می‌کند.
بیشتر بخوانید: دانشمندان آلمان سریع‌ترین تراشه سیلیکون-ژرمانیوم جهان را ساختند
