压电薄膜工艺，新突破！

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图片来源：Empa

科学家们解决了薄膜电子学领域长期存在的一个难题。

我们被电子设备包围，以至于我们常常忽略了它们背后复杂的技术。像拿起智能手机这样简单的动作，很少会促使我们去思考它背后的复杂性。在它的内部，数百个微型组件和谐地运转，每一个都以惊人的精度和工程专业知识打造而成。

这些看不见的元件中包括射频 (RF) 滤波器。这些元件在确保只接收正确的信号（无论是通过 Wi-Fi 还是蜂窝网络）方面发挥着至关重要的作用。您使用的任何无线设备都依赖于这些滤波器才能正常工作。其中许多滤波器依赖于压电薄膜，这种薄膜由对应力有独特响应的材料制成：它们在机械变形时会产生电荷，并在施加电压时改变形状。

除了在射频滤波器中的作用外，压电薄膜对各种微电子元件也至关重要。它们通常用于传感器、执行器，甚至微型能量收集系统。研究人员也在探索它们在量子技术等新兴领域的潜力。所有这些用途都一致要求薄膜拥有卓越的品质。生产符合性能要求的薄膜很大程度上取决于所使用的特定材料和制造工艺的精度。

Empa表面科学与涂层技术实验室的研究人员开发了一种新的压电薄膜沉积工艺。其创新之处在于：他们的方法能够在绝缘基板上以极高的质量在相对较低的温度下生产出高科技薄膜——这在该领域尚属首创。研究人员已将他们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上，并为该工艺申请了专利。

研究人员以一项名为 HiPIMS（高功率脉冲磁控溅射）的常用技术作为研究起点。磁控溅射是一种涂层工艺，将材料从固体前体材料（靶材）沉积到待涂层的部件（基材）上。为此，需要在靶材上点燃工艺气体等离子体。工艺气体离子（通常为氩气）随后射向靶材，击出原子，这些原子随后落在基材上，形成所需的薄膜。许多材料都可以用作靶材。在压电应用中，通常使用金属，通常会添加氮来生成氮化物，例如氮化铝。

Empa 研究人员 Jyotish Patidar（左）和 Sebastian Siol 领导的团队通过巧妙的时机，成功利用 HiPIMS 工艺生产出高质量的压电薄膜。图片来源：Empa

HiPIMS 的工作原理几乎相同——只是该过程不是连续进行的，而是以短促的高能脉冲进行。这不仅意味着射出的靶原子运动速度更快，而且许多原子在穿过等离子体的过程中也会被电离。这使得该过程具有研究价值。与中性原子不同，离子可以通过例如在基材上施加负电压来加速。在过去的 20 年左右，这种方法已被用于生产硬质涂层，其高能量可以形成极其致密耐用的涂层。

然而，迄今为止，该工艺不适用于压电薄膜。这是因为在基板上施加电压不仅会加速成膜靶离子，还会加速工艺气体中的氩离子。必须避免这种氩气轰击。“硬涂层中有时会掺入几个百分点的氩气，”Empa 研究员 Sebastian Siol 说道。“压电薄膜通常在高压下工作。在这种情况下，这些杂质可能会导致灾难性的电击穿。”

尽管如此，Siol 的团队仍然相信 HiPIMS 在压电薄膜方面的潜力。离子飞向基底的高能量非常有利。如果离子以足够的能量撞击基底，它会在短时间内保持移动状态，并能够在生长的晶格中找到最佳位置。但是，如何处理不必要的氩夹杂物呢？

Jyotish Patidar 在博士论文中提出了一个巧妙的解决方案。并非所有离子都会同时到达靶材。大多数氩离子位于靶材前方的等离子体中。这意味着它们通常会先于靶材离子到达基底，而靶材离子必须先被击出靶材，然后穿越整个距离才能到达基底。Patidar 的创新之处在于时间安排：“如果我们在恰当的时刻将电压施加到基底上，我们只会加速所需的离子，”Siol 解释说。氩离子此时已经飞过——如果没有额外的加速，它们的能量将不足以融入正在生长的薄膜中。

“Electron shower”作为飞行控制器

利用这一技术，研究人员首次能够利用 HiPIMS 技术制备出高质量的压电薄膜，其性能与传统方法相当甚至更胜一筹。接下来的挑战来了：根据具体应用，薄膜需要在绝缘基板（例如玻璃或蓝宝石）上制备。然而，如果基板不导电，则无法施加电压。虽然工业上存在加速离子的方法，但这也常常会导致薄膜层中夹杂氩气。

正是在这里，Empa 的研究人员取得了突破。为了将离子加速到绝缘基板上，他们利用磁控脉冲本身——一种将工艺气体离子发射到靶上的短脉冲。腔室中的等离子体不仅包含离子，还包含电子。磁控管发出的每个脉冲都会自动将这些带负电的元素粒子加速到基板上。微小的电子比更大的离子到达靶的速度要快得多。

通常情况下，这种“电子簇射”与 HiPIMS 工艺无关。然而，当电子到达基底时，在极短的时间内，它们会赋予基底负电荷，足以加速离子。如果研究人员以恰好合适的时间间隔触发后续磁控脉冲，电子簇射就会加速在前一个脉冲期间开始飞行的目标离子。当然，也可以调整时间，以确保只有合适的离子最终进入薄膜。

从芯片到量子比特

结果令人印象深刻：“通过我们的方法，我们能够在绝缘基板上像在导电基板上一样生产出压电薄膜，”Siol 总结道。研究人员将这一工艺称为同步浮动电位 HiPIMS，简称 SFP-HiPIMS。其最大的优势在于：利用 SFP-HiPIMS，可以在低温下生产出质量极高的压电薄膜。这为芯片和电子元件的生产开辟了新的可能性，因为这些元件通常无法承受高温。绝缘基板技术对半导体行业尤为重要：“半导体行业的许多生产设备的设计使得甚至无法在基板上施加电压，”Siol 说道。

下一步，他计划与团队共同研发铁电薄膜——这是当前及未来电子学的另一项关键技术。基于这一成功，Empa 的研究人员还将与其他研究机构开展多项合作，以将他们的薄膜应用于从光子学到量子技术的各个领域。最后，他们希望借助机器学习和高通量实验进一步优化创新流程。

参考文献：Jyotish Patidar、Oleksandr Pshyk、Kerstin Thorwarth、Lars Sommerhäuser 和 Sebastian Siol 合著的《利用同步浮动电位 HiPIMS 实现选择性离子加速，在绝缘基板上低温沉积功能薄膜》，2025 年 5 月 21 日，《自然通讯》。

https://scitechdaily.com/the-electron-shower-thats-revolutionizing-microchip-manufacturing/

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