压电薄膜工艺新进展，推动芯片与量子技术发展

在当今科技飞速发展的时代，电子设备已经成为我们生活中不可或缺的一部分。然而，我们往往忽略了这些设备背后复杂而精密的技术。就像拿起智能手机这样简单的动作，很少有人会去思考其内部数百个微型组件是如何以惊人的精度和工程专业知识打造而成的。其中，射频（RF）滤波器作为确保设备只接收正确信号的关键元件，在无线设备的正常运行中发挥着至关重要的作用。而压电薄膜，作为许多射频滤波器的核心组成部分，对各种微电子元件也有着至关重要的影响。

压电薄膜不仅在射频滤波器中扮演着重要角色，还广泛应用于传感器、执行器以及微型能量收集系统等领域。此外，研究人员还在积极探索其在量子技术等新兴领域的潜力。所有这些应用都对压电薄膜的品质提出了极高的要求，而其生产质量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经过不懈努力，开发出了一种全新的压电薄膜沉积工艺。这一创新工艺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，这在该领域尚属首次。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。

研究人员以常用的 HiPIMS（高功率脉冲磁控溅射）技术为起点展开研究。磁控溅射是一种将材料从固体前体材料（靶材）沉积到待涂层部件（基材）上的涂层工艺。在这个过程中，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）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。在压电应用中，通常使用金属并添加氮来生成氮化物，例如氮化铝。

HiPIMS 与传统磁控溅射的不同之处在于，它是以短促的高能脉冲进行沉积过程。这使得射出的靶原子运动速度更快，且许多原子在穿过等离子体的过程中会被电离。离子可以通过在基材上施加负电压来加速，这种方法在过去 20 年左右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，该工艺此前并不适用于压电薄膜，因为在基板上施加电压会加速工艺气体中的氩离子，而氩气轰击可能会导致压电薄膜在高压下发生灾难性的电击穿。

为了解决这一问题，Empa 的研究人员 Jyotish Patidar 提出了一个巧妙的解决方案。他发现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，会先于靶材离子到达基底。通过巧妙的时间安排，在恰当的时刻将电压施加到基底上，就可以只加速所需的离子，而此时氩离子已经飞过，其能量不足以融入正在生长的薄膜中。

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。然而，根据具体应用，薄膜需要在绝缘基板（如玻璃或蓝宝石）上制备，而绝缘基板无法施加电压。工业上虽有加速离子的方法，但常常会导致薄膜层中夹杂氩气。

正是在这个难题上，Empa 的研究人员取得了重大突破。他们利用磁控脉冲本身，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电子加速到基板上，微小的电子比更大的离子到达靶的速度要快得多。当电子到达基底时，会在极短的时间内赋予基底负电荷，足以加速离子。研究人员通过调整时间间隔，确保只有合适的离子最终进入薄膜。

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，因为许多半导体生产设备的设计使得无法在基板上施加电压。

下一步，研究人员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，将他们的薄膜应用于从光子学到量子技术的各个领域。同时，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。

此次压电薄膜工艺的新突破，无疑为电子行业的发展带来了新的契机，有望推动芯片、量子技术等领域取得更大的进步。