Plasmaelektroner kan användas för att göra metallfilmer

Datorer, mobiler och all annan elektronik innehåller tusentals transistorer som binds samman med tunna filmer av metall. Nu har forskare vid Linköpings universitet tagit fram en metod för att använda elektroner i ett plasma för att göra metallfilmerna.

Dagens processorer, som finns i datorer och telefoner, består av tusentals små transistorer som kopplas samman med tunna metallfilmer. Forskare vid Linköpings universitet, LiU, har nu visat att det är möjligt att även skapa tunna filmer av metaller genom att låta de fria elektronerna i ett plasma ta en aktiv roll. Ett plasma bildas genom att man tillför energi som sliter bort elektroner från atomer och molekyler i gasform, vilket resulterar i en joniserad gas. En vardaglig användning av plasma är i lysrör och i plasmaskärmar. LiU-forskarnas tillvägagångssätt för att utnyttja plasmaelektroner i tillverkning av metallfilmer beskrivs i en artikel i tidskriften Journal of Vacuum Science & Technology.

– Vi ser flera spännande tillämpningsområden, exempelvis inom tillverkning av processorer och liknande komponenter. Vår metod skulle kunna göra att man slipper flytta substratet där man skapar transistorerna fram och tillbaka mellan vakuumkammare och vätskebad runt 15 gånger per processor, säger Henrik Pedersen, professor i oorganisk kemi vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM, vid Linköpings universitet.

Ett vanligt sätt att skapa de tunna filmerna är att släppa in ångor av molekyler, innehållande de atomer som behövs för filmen, i en vakuumkammare där de får reagera med varandra och på den yta där tunnfilmen ska bildas. Denna beprövade metod kallas CVD (chemical vapor deposition). För att göra filmer av rena metaller med CVD behövs en flyktig källmolekyl som innehåller metallen som man är intresserad av. När källmolekylerna har fastnat på ytan krävs ytkemiska reaktioner med en annan molekyl för att skapa en metallfilm. För dessa reaktioner behövs molekyler som är villiga att lämna ifrån sig elektroner till metalljonerna i källmolekylen så att de reduceras till metallatomer, i en så kallad reduktionsreaktion. LiU-forskarna vände i stället blickarna mot plasma.

– Vi tänkte att det som behövs för att de ytkemiska reaktionerna ska ske är fria elektroner, som ju finns i plasma. Vi började experimentera med vad som händer när vi låter källmolekyler med metalljoner landa på en yta och sedan attraherar elektroner från ett plasma till ytan, säger Henrik Pedersen.

Forskare inom oorganisk kemi och plasmafysik vid IFM har samarbetat och kunnat visa att det är möjligt att skapa tunna metallfilmer på en yta genom att använda de fria elektronerna i en plasmaurladdning av argon för reduktionsreaktionerna. För att få de negativt laddade elektronerna att dras till ytan applicerar de en positiv potential över den.

I studien har forskarna arbetat med oädla metaller som järn, kobolt och nickel, som är svåra att reducera till metall och där man vid traditionell CVD måste använda kraftiga molekylära reduktionsmedel. Sådana reduktionsmedel är svåra att skapa, hantera och kontrollera eftersom deras drivkraft att släppa ifrån sig elektroner till andra molekyler gör dem mycket reaktiva och instabila. Samtidigt måste molekylerna vara tillräckligt stabila för att kunna förångas så att de kan skickas in i gasform i vakuumkammaren där metallfilmerna byggs upp.

– Det som gör metoden med plasmaelektroner potentiellt bättre är att den tar bort behovet att utveckla och hantera instabila reduktionsmedel. Inom vissa områden är det stopp i utvecklingen, för man har inga molekylära reduktionsmedel som fungerar tillräckligt bra, säger Henrik Pedersen.

Forskarna går nu vidare med mätningar för att förstå och kunna visa hur de kemiska reaktionerna sker på ytan där metallfilmen bildas. De undersöker också vad som är optimala egenskaper hos plasmat. Forskarna vill även testa olika källmolekyler för att hitta sätt att göra metallfilmerna renare.

Forskningen har finansierats med stöd av Vetenskapsrådet och utförts i samarbete med Daniel Lundin, gästprofessor vid IFM.

Artikeln: “Chemical vapor deposition of metallic films using plasma electrons as reducing agents“, Hama Nadhom, Daniel Lundin, Polla Rouf och Henrik Pedersen, (2020), Journal of Vacuum Science & Technology A, Vol. 38, publicerad online 23 mars 2020, doi: 10.1116/1.5142850

För mer information, kontakta gärna:

Henrik Pedersen, professor, henrik.pedersen@liu.se, 013-28 13 85

Daniel Lundin, gästprofessor, daniel.lundin@liu.se, 0734 17 01 91