El Instituto suizo de investigación para el desarrollo de la ciencia y la tecnología de materiales (Empa) ha desarrollado un proceso para la fabricación de películas delgadas avanzadas, en el que una temporización sofisticada permite capas funcionales de alta calidad a bajas temperaturas de proceso. El nuevo método tiene aplicaciones en la industria de semiconductores y chips, así como en futuras tecnologías cuánticas y fotónicas.
Para la creación de las películas delgadas piezoeléctricas, los investigadores de Empa han desarrollado un nuevo proceso de deposición denominado pulverización catódica por magnetrón de impulso de alta potencia (HiPIMS) como punto de partida. La pulverización catódica por magnetrón es un proceso de recubrimiento en el que se deposita material desde un material precursor sólido (el blanco) sobre el componente a recubrir (el sustrato). Para ello, se enciende un plasma de gas de proceso en el blanco.
Los iones del gas de proceso (generalmente argón) se disparan al blanco, desprendiendo átomos que posteriormente se depositan en el sustrato para formar la película delgada deseada. Para aplicaciones piezoeléctricas, se suelen utilizar metales, a menudo con la adición de nitrógeno para producir nitruros como el nitruro de aluminio.
El HiPIMS funciona prácticamente de la misma manera, salvo que el proceso no es continuo, sino en pulsos cortos de alta energía. Esto no solo significa que los átomos objetivo expulsados viajan más rápido, sino que muchos de ellos también se ionizan al atravesar el plasma. A diferencia de los átomos neutros, los iones pueden acelerarse, por ejemplo, aplicando un voltaje negativo al sustrato.
Sincronización del proceso de deposición
Sin embargo, hasta ahora, este proceso no era viable para películas delgadas piezoeléctricas. Esto se debe a que la aplicación de voltaje al sustrato no solo acelera los iones objetivo que forman la película, sino también los iones argón del gas de proceso. No todos los iones llegan al objetivo al mismo tiempo. La mayoría de los iones de argón se encuentran en el plasma, frente al objetivo. Esto significa que a menudo alcanzan el sustrato antes que los iones objetivo, que primero deben ser expulsados del objetivo y luego recorrer toda la distancia hasta el sustrato.
Para ello, los investigadores intentaron sincronizar el proceso aplicando un voltaje al sustrato en el momento preciso, solo para acelerar los iones deseados. En ese punto, los iones de argón ya han pasado y, sin la aceleración adicional, tienen muy poca energía para incorporarse a la película en crecimiento.
En el caso de los materiales que no son conductores, como el vidrio o zafiro, no se puede aplicar voltaje. Para acelerar los iones sobre el sustrato aislante, utilizan el propio pulso del magnetrón, el impulso corto que dispara los iones del gas de proceso hacia el objetivo. El plasma en la cámara contiene no solo iones, sino también electrones. Cada pulso del magnetrón acelera automáticamente estas partículas elementales con carga negativa sobre el sustrato. Los diminutos electrones alcanzan el objetivo mucho más rápido que los iones, mucho más grandes.
Como resultado, los investigadores pudieron producir películas delgadas piezoeléctricas sobre sustratos aislantes con la misma eficacia que sobre los conductores. Estas películas se pueden producir a bajas temperaturas, obteniendo una calidad muy alta. Esto abre nuevas posibilidades para la producción de chips y componentes electrónicos, que a menudo no soportan altas temperaturas.