Объявление победителя стипендии Стэнфордского колледжа перспективных материалов на 2024 год

В этом году Stanford Advanced Materials (SAM) сосредоточился на поощрении инноваций в технологии сферических порошков. Мы предложили студентам поделиться своими научными предложениями, проектами или исследованиями, посвященными применению, проблемам и достижениям в этой области.

За последние несколько месяцев мы получили множество впечатляющих работ от студентов со всех Соединенных Штатов. После тщательного рассмотрения мы рады объявить победителя стипендии колледжа Stanford Advanced Materials на 2024 год:

Такер Эрбек
Университет Южной Калифорнии
Химическая инженерия, младший курс

Исследование Такера, посвященное использованию технологии сферических порошков для осаждения тонких пленок в производстве полупроводников, отличалось креативностью и потенциальным влиянием.

Мы хотим поблагодарить всех студентов, приславших свои работы. Ваши идеи и усилия действительно вдохновляют, и мы желаем вам всего наилучшего в ваших будущих начинаниях.

Для получения более подробной информации о нашей стипендиальной программе и будущих возможностях, пожалуйста, посетите нашу страницу Стипендии.

Проект-победитель:

Название: Разработка и применение технологии сферических порошков для осаждения тонких пленок

Аннотация:

Разработка и применение технологии сферических порошков для осаждения тонких пленок дает значительный прогресс в области производства полупроводников. В данном исследовании изучается влияние использования сферических порошковых мишеней, полученных путем высокотемпературного переплава сфероидов (HRS), по сравнению с традиционными твердыми пластинчатыми мишенями в процессе осаждения напылением. Оптимизация состава, структуры и методов осаждения тонких пленок с использованием сферических порошков позволит повысить однородность и качество, что приведет к значительному увеличению выхода полупроводников. Эксперимент включает в себя систематическое сравнение тонких пленок, осажденных из сферических порошков, и твердых пластин с контролируемыми параметрами, такими как давление, расстояние от мишени до подложки и время осаждения. Качество пленок оценивается с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для анализа размера зерна, ориентации и плотности дефектов. Исследования ученых показывают, что сферические порошки обеспечивают улучшенное поверхностное взаимодействие и плотность упаковки, что приводит к превосходному качеству пленки с меньшим количеством дефектов. Эти достижения способны удовлетворить растущий спрос на высокопроизводительные полупроводниковые материалы и внести вклад в будущее полупроводниковой технологии благодаря эффективности производства и производительности продукции.

История вопроса:

Осаждение подразумевает нанесение очень тонких слоев материала на подложку из металлического источника. Тонкопленочный материал может быть нанесен на подложку различными методами, такими как физическое осаждение из паровой фазы (PVD), химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и атомно-слоевое осаждение (ALD) [1].

Рисунок 1: (слева) Микроскопические морфологии атомов меди в процессе сфероидизации при высокотемпературном переплаве, (справа) Схема сфероидизации по технологии HRS [4].

Напыление, один из видов физического осаждения из паровой фазы, предполагает выброс высокоэнергетических ионов на материал мишени, в результате чего атомы высвобождаются и осаждаются на подложку. Этот метод особенно хорошо подходит для крупномасштабного производства полупроводников благодаря своей доступности и возможности осаждения на больших площадях [2].

Свойства мишени для напыления в значительной степени влияют на качество тонких пленок. Традиционно мишени для напыления имеют форму твердой пластины или диска, но последние достижения позволили использовать в этом процессе технологию сферических порошков [3]. Сферические порошковые мишени могут быть приготовлены методом высокотемпературной сфероидизации переплавки (HRS), при котором металлические частицы нагреваются при температурах, значительно превышающих их температурные точки, в результате чего частицы плавятся и сплавляются. Затем эти нагретые частицы подвергаются сфероидизации, при которой они быстро охлаждаются и застывают в сферические формы. На рис. 1 показан весь процесс HRS, включая быстрый нагрев и охлаждение, а также влияние на форму частиц [4].

HRS обеспечивает сферическую форму порошковых мишеней, что приводит к улучшению однородности и плотности тонких пленок [2].

Методология:

Цель эксперимента - определить разницу в качестве тонких пленок между сферическими порошковыми и твердыми пластинчатыми мишенями в процессе осаждения напылением. Для определения качества тонкой пленки между двумя методами напыления необходимо контролировать такие ключевые параметры, как давление и разница между мишенью и подложкой [5]. Кроме того, предварительная обработка подложки, например ее очистка, должна быть постоянной, чтобы обеспечить максимальное соответствие между двумя методами осаждения [6].

В процессе осаждения время осаждения будет оставаться постоянным для обоих методов напыления, что позволит легче сравнивать толщину и однородность пленок. Кроме того, скорость роста между двумя методами будет согласована и оптимизирована с помощью методов измерения толщины, таких как эллипсометрия [6].

Рисунок 2. Испытание качества тонких пленок, включающее создание мишеней из сферических порошков и тонких дисков, осаждение материалов с помощью распылительной машины и определение характеристик материала с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) [7][8][9].

Для повышения надежности результатов в эксперименте будет использовано несколько сферических порошков и тонких дисков. Такой подход повышает статистическую надежность, предоставляя больше точек данных, обеспечивая воспроизводимость результатов для разных образцов, а также оценивая последовательность и однородность процесса напыления.

Результаты процессов напыления будут проанализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Методы СЭМ позволят охарактеризовать микроструктуру материалов и определить качество осажденных тонких пленок [4].

Результаты:

Для понимания результатов определения микроструктуры необходимо проанализировать размер и ориентацию зерен. С помощью аппарата SEM можно проанализировать размер отдельных зерен в тонкой пленке и сравнить сферические порошки с традиционными твердыми пластинами. На рисунке 3 представлено СЭМ-изображение поперечного сечения многослойной тонкой пленки.

Рисунок 3. Изображение многослойной тонкой пленки солнечной батареи, полученное с помощью системы Zeiss Auriga FIB-SEM при 50-кратном увеличении, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) [10].

Данное изображение было получено при напряжении электронов высокого напряжения (EHT) 2,00 кВ, что указывает на ускоряющее напряжение, используемое в РЭМ, а также при расстоянии между образцом и электронной пушкой 5,0 мм при увеличении 50 000x [10].

При таком увеличении можно получить информацию о микроструктуре образца и границах зерен, что помогает определить качество тонкой пленки. На рисунке 3 границы зерен заметны благодаря четким границам раздела материалов. Гладкая граница раздела указывает на то, что целевой материал имел сильную адгезию к подложке во время процесса осаждения.
Кроме того, СЭМ-анализ сферических порошковых и твердых тонких пленок может выявить важную информацию о потенциальных дефектах в тонкой пленке. Темные пятна или области, менее плотные, чем остальная часть пленки, могут свидетельствовать о дефектах, возникших в процессе осаждения.
При анализе тонких пленок с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) технологии сферических порошков дают положительные результаты. Гладкие границы, наблюдаемые в этих пленках, можно объяснить улучшенными адгезионными свойствами, которые присущи сферическим порошковым мишеням. Вероятно, это связано с улучшенным поверхностным взаимодействием и равномерным осаждением, обеспечиваемым сферической формой порошков. Кроме того, ожидается, что повышенная плотность упаковки сферических порошков уменьшит количество дефектов, способствуя повышению общего качества и однородности тонких пленок. Это делает сферические порошки перспективным материалом для приложений, требующих высокой точности и однородности при осаждении тонких пленок [5].

Потенциальные последствия:

Высококачественные тонкие пленки имеют решающее значение для производительности и надежности современных процессоров и устройств памяти [11]. Инновации в области сферических порошков помогут обеспечить высокое качество тонких пленок в соответствии с мировыми и отечественными требованиями к полупроводникам.

Качество тонких пленок имеет значение для многих отраслей промышленности. Например, ожидается, что рыночный спрос на полупроводники в отрасли электромобилей (EV) вырастет с 2,33 млрд до 8,3 млрд долларов в период 2024-2029 годов.

Рисунок 4: Рост рыночного спроса на полупроводники на рынке электромобилей (EV) в 2020-2029 годах [12].

Сферическое осаждение на основе порошка повысит качество полупроводников, что облегчит удовлетворение растущего спроса. Однородность и точность, обеспечиваемые сферическими порошками, гарантируют высочайшее качество получаемых тонких пленок, что очень важно для передовых полупроводниковых приложений [5].

Кроме того, технология сферических порошков обещает повысить устойчивость и безопасность цепочки поставок полупроводников. Перебои, возникшие во время пандемии COVID-19, которые значительно повлияли на производство аккумуляторных автомобилей (BEV) из-за нехватки полупроводников, подчеркивают важность стабильной и эффективной цепи поставок [13]. Повышение выхода продукции играет ключевую роль в преодолении проблем цепочки поставок: в исследовании McKinsey & Company, проведенном в 2018 году, выяснилось, что крупная полупроводниковая компания теряла почти 68 миллионов долларов из-за потерь выхода продукции на восьми основных этапах процесса производства полупроводников [14].

Улучшая выход и консистенцию функциональных чипов, технология сферических порошков не только решает текущие проблемы цепочки поставок, но и способствует будущему технологическому прогрессу и росту отрасли. Таким образом, эта технология представляет собой важнейший шаг на пути к обеспечению надежных и прочных поставок высокоэффективных электронных материалов в будущем [5].

Биография:

Такер Эрбек - студент младших курсов, изучающий химическую инженерию с акцентом на материаловедение в Университете Южной Калифорнии. Недавно он прошел стажировку в Калифорнийской программе DREAMS в Лаборатории нанофабрикации Джона О'Брайана, где получил всестороннюю подготовку по изготовлению микроэлектроники, включая тонкопленочные технологии. Такер мечтает стать материаловедом, сосредоточившись на разработке новинок, повышающих производительность и энергоэффективность полупроводников нового поколения.

Цитируемые работы

[1]E. Chen, https://www.mrsec.harvard.edu/education/ap298r2004/Erli%20chenFabrication%20II%20-%20Deposition-1.pdf

[2] "Обзор сферических порошков | материалов для аддитивного производства", am-material.com, 27 октября 2023 г. https://am-material.com/news/spherical-powders-a-complete-guide/

[3]F. M. Mwema, E. T. Akinlabi, O. P. Oladijo, and A. D. Baruwa, "Advances in Powder-based Technologies for Production of High-Performance Sputtering Targets," Materials Performance and Characterization, vol. 9, no. 4, pp. 528-542, Sep. 2020, doi: https://doi.org/10.1520/mpc20190160.

[4]Q. Bao, Y. Yang, X. Wen, L. Guo, and Z. Guo, "The preparation of spherical metal powders using the high-temperature remelting spheroidization technology", Materials & Design, vol. 199, p. 109382, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109382.

[5]S. Yu, Y. Zhao, G. Zhao, Q. Liu, B. Yao, and H. Liu, "Review on preparation technology and properties of spherical powders," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 132, no. 3-4, pp. 1053-1069, Mar. 2024, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-024-13442-w.

[6]C. Linke, "Linking Target Microstructure with its Sputter Performance," Annual Technical Conference Proceedings, vol. 60, Apr. 2018, doi: https://doi.org/10.14332/svc17.proc.42840.

[7]"Sputtering System CS-200 - ULVAC Vietnam Representative Office," ULVAC Vietnam Representative Office, Sep. 09, 2021. https://ulvac.com.vn/en/product/vacuum-equipments/sputtering-system/cs-200-series/ (accessed Aug. 30, 2024).

[8]"Scanning Electron Microscope (SEM) | Products | JEOL Ltd.," Scanning Electron Microscope (SEM) | Products | JEOL Ltd. https://www.jeol.com/products/scientific/sem/

[9]Pyrolytic Graphite Crucible, "Pyrolytic Graphite Crucible | Stanford Advanced Materials," Global Supplier of Sputtering Targets and Evaporation Materials | Stanford Advanced Materials, Aug. 20, 2018. https://www.sputtertargets.net/pyrolytic-graphite-crucible.html (accessed Aug. 30, 2024).

[10]W. Sun, F. Duan, J. Zhu, M. Yang, and Y. Wang, "An Edge Detection Algorithm for SEM Images of Multilayer Thin Films," Coatings, vol. 14, no. 3, p. 313, Mar. 2024, doi: https://doi.org/10.3390/coatings14030313.