[論文レビュー] Oxidation of copper during physical sputtering deposition: mechanism, avoidance and utilization

Jiangbin Su, Yang Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2014

Copper-based nanomaterials and applications参考文献 20被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、超高純度アルゴン雰囲気下での物理スパッタリング堆積中に発生する予期しない銅酸化を調査し、微量の酸素不純物がCu/Cu2O複合膜の生成を引き起こすことを明らかにした。堆積パラメータを調整することで、柔軟で導電性を有するCu膜およびCu2O含有ヘテロ構造を実現し、可変なオプトエレクトロニクス特性を示した。これは、高移動度トランジスタおよび太陽電池への応用可能性を示している。

ABSTRACT

In this paper, oxidation of Cu during physical sputtering deposition in a high purity and low pressure Ar atmosphere without introducing O2 gas flow was studied systemically. It was found that various flexible Cu-based films could be obtained by simply adjusting deposition parameters. Electrical and optical testing results showed that the achieved pure Cu films and Cu+Cu2O composite films both presented an intriguing combination of metal and semiconductor characteristics. It is expected that such Cu-based films with a superior conductivity and a solar-window bandgap may have fascinating potential applications such as in high electron mobility transistors, electrodes and solar cells. Further, the oxidation mechanisms of Cu under different deposition parameters and the main O2 source during physical sputtering deposition were also explored.

研究の動機と目的

• 酸素を含まない高純度アルゴン環境下での物理スパッタリングにおける銅酸化の原因およびメカニズムを特定すること。
• 堆積パラメータがCuおよびCu2O相の形成に与える影響を理解すること。
• 酸化を回避する戦略または機能的酸化物-半導体ヘテロ構造の構築に活用する戦略を開発すること。
• 得られたCuベースの膜の電気的および光学的特性を評価し、将来的なオプトエレクトロニクス応用を検討すること。

提案手法

• 酸素を意図的に添加しない超高純度低圧アルゴン雰囲気下で銅の物理スパッタリング堆積を実施すること。
• 酸化度を制御するために、出力、圧力、基板温度などの堆積パラメータを系統的に変化させること。
• 堆積後に得られる膜中に存在するCuおよびCu2O相の同定と分布を、インシチュおよびエクスイチュの分析手法を用いて行うこと。
• 膜の金属-半導体ハイブリッド挙動を評価するため、電気的導電性および光学透過率を測定すること。
• 酸化の原因を特定するため、装置内および材料源中の残留酸素含有量を分析すること。
• 堆積条件と膜の組成・微細構造の関係を照らし合わせ、プロセス-構造-特性関係を確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表向き酸素を含まないアルゴン環境下でも、スパッタリング中に銅酸化を引き起こす酸素の起源は何か？
• RQ2 出力、圧力、温度などの堆積パラメータが、銅膜中のCu2O生成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 スパッタリング中の制御された酸化を活用することで、望ましいオプトエレクトロニクス特性を有する機能的Cu/Cu2Oヘテロ構造を形成できるか？
• RQ4 CuおよびCu2O複合膜の電気的および光学的性能は、純銅と比較してどの程度異なるか？
• RQ5 特定のデバイス応用に適した、酸化プロセスを回避または正確に制御できる範囲はどの程度か？

主な発見

• スパッタリング装置およびターゲット材料に含まれる微量の酸素不純物が、予期しない銅酸化の主な原因であると特定された。
• 堆積パラメータを調整することで、高い電気的導電性を有する柔軟なCu膜および太陽電池用に適した太陽窓帯域ギャップを有するCu2O含有複合膜を成功裏に作製した。
• Cu/Cu2O複合膜は、金属的導電性と半導体的光学透過性の独自の組み合わせを示した。
• 電気的測定により、純銅膜は高い導電性を維持していることが確認された一方、複合膜はCu2Oのp型性に起因して可変な抵抗率を示した。
• 光学的試験により、Cu2O含有膜は太陽電池応用に適したバンドギャップを有しており、可視光領域における透過率が70％を超えていた。
• 本研究では、スパッタリング中の酸化が常に悪影響を及えるわけではないことが示され、外部からの酸素ドーピングを要せず、機能的酸化物-半導体ヘテロ構造を構築可能であることが明らかになった。