Plasma toppt chemische Verfahren

Die in heu­tigen Com­pu­tern und Tele­fo­nen ver­wen­de­ten Pro­zes­soren beste­hen aus Milli­ar­den winzi­ger Tran­sisto­ren, die durch dünne Me­tall­fo­lien ver­bun­den sind. Wis­sen­schaft­ler der Univer­sität Lin­köping, LiU, haben jetzt ge­zeigt, wie diese Me­tall­filme unter Nut­zung freier Elekt­ronen eines Plas­mas vor­teil­haft abge­schie­den wer­den kön­nen.

„Für un­sere Me­thode sehen wir meh­rere span­nende An­wen­dungs­be­rei­che“, freut sich Henrik Peder­sen, Profes­sor für anor­gani­sche Che­mie in der Fa­kultät für Physik, Che­mie und Bi­ologie (IFM) der Univer­sität Lin­köping. „Ein Bei­spiel ist die Her­stel­lung von Prozes­soren und ähnli­chen Kom­ponen­ten. Mit un­serer Me­thode ist es nicht mehr not­wen­dig, das Sub­strat, auf dem die Tran­sisto­ren herge­stellt wer­den, zwi­schen der Va­ku­um­kam­mer und ei­nem Was­serbad hin und her zu be­we­gen, was derzeit etwa fünf­zehn Mal pro Prozes­sor ge­schieht.“

Eine gän­gige Me­thode zur Her­stel­lung dünner Filme be­steht darin, mole­kulare Dämpfe, die die für den Film benö­tigten Atome enthal­ten, in eine Vaku­um­kam­mer einzu­leiten. Dort reagie­ren sie mitei­nander und mit der Ober­fläche, auf der der dünne Metall­film gebil­det wer­den soll. Diese als chemi­sche Gas­pha­senab­schei­dung (CVD) be­kannte Me­thode ist gut etab­liert, erfor­dert je­doch ein leicht flüchti­ges Precur­sor- o­der Vorläu­fer­mo­lekül, um Filme aus rei­nem Metall herzu­stellen. Wenn die Vorläu­fer­mo­leküle auf der Ober­fläche absor­biert wor­den sind, müs­sen sie mit wei­te­ren zu­geführ­ten Mole­külen che­misch reagie­ren, um den ge­wünschten Metall­film zu erzeu­gen. An­stelle des zug­führ­ten Re­dukti­ons­mittels setzen die LiU-Wis­sen­schaft­ler nun Plas­men ein.

„Wir ka­men zu dem Schluss, dass für die ober­flä­chen­chemi­schen Reak­ti­onen freie Elekt­ronen benö­tigt wer­den, und diese stehen in ei­nem Plasma zur Ver­fü­gung. Wir be­gannen damit zu ex­peri­men­tieren, die Vor­läu­fermo­leküle und die Metal­lionen auf ei­ner Ober­fläche landen zu las­sen und dann Elekt­ronen aus ei­nem Plasma an die Ober­fläche zu zie­hen", er­klärt Henrik Peder­sen.

Ge­mein­sam konn­ten For­scher der an­organi­schen Che­mie und der Plas­maphy­sik am IFM zeigen, dass dieser Ansatz die Er­zeu­gung dünner metal­li­scher Filme auf ei­ner Ober­fläche ermög­licht, indem freie Elekt­ronen einer Argon-Plas­maent­la­dung für die Reduk­tions­reakti­onen ge­nutzt wer­den. Um die negativ gelade­nen Elekt­ronen auf die Ober­fläche zu zie­hen, legten sie dort ein po­sitives Poten­tial an.

In Ver­suchs­reihen wurde insbe­sondere die Ab­schei­dung von Nicht­edelme­tallen wie Ei­sen, Ko­balt und Nickel er­forscht. Diese lassen sich nur schwer zum Me­tall re­duzie­ren, so­dass die tra­di­tio­nelle CVD in diesen Fällen gezwun­gen war, starke moleku­lare Re­dukti­onsmit­tel zu verwen­den. Solche Redukti­onsmit­tel sind schwie­rig her­zustel­len, zu handha­ben und zu kon­trollie­ren, da ihre Nei­gung, Elektro­nen an andere Mole­küle ab­zuge­ben, sie sehr re­aktiv und in­stabil macht. Gleich­zeitig müssen die Mo­leküle stabil genug sein, um ver­dampft und in gasför­miger Form in die Va­kuum­kam­mer, in der die Metall­filme abge­schie­den werden, dosiert zu wer­den.

„Durch das neue Verfah­ren mit Plas­ma­elektro­nen wird die Entwick­lung und Handha­bung in­stabiler Re­dukti­onsmit­tel über­flüssig“, so Pe­dersen. „Die Entwick­lung der CVD von Nicht­edelme­tallen wurde bisher durch den Mangel an an geeigne­ten, gut funktio­nieren­den mo­lekula­ren Re­dukti­onsmit­teln be­hin­dert.“

Wei­tere Ex­peri­mente sollen nun ein detail­lierteres Ver­ständnis für den Ablauf der che­mischen Reaktio­nen an der Oberflä­che schaf­fen. Auch sollen die opti­malen Eigen­schaf­ten des Plas­mas zur Me­tallbil­dung an der Oberflä­che er­mittelt und ver­schie­dene Vorläu­fermole­küle ge­testet werden, um die Rein­heit der ab­geschie­denen Metall­filme zu erhö­hen.

Die For­schung wurde vom Schwe­dischen For­schungs­rat fi­nanziell unter­stützt und in Zusam­menar­beit mit Daniel Lundin, einem Gastpro­fessor am IFM, durch­ge­führt.

LiU / LK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. Nadhom et al.:  Chemical vapor deposition of metallic film using plasma electrons as reducing agents, Vacuum Science & Technology A, 38, 033402 (2020); DOI: 10.1116/1.5142850
• Linköping University (LiU), Henrik Pedersen Forschungsgruppe