[논문 리뷰] Oxidation of copper during physical sputtering deposition: mechanism, avoidance and utilization

Jiangbin Su, Yang Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 05.

Copper-based nanomaterials and applications참고 문헌 20인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 초고순도 아르곤 대기에서 물리적 스퍼터링 증착 중 발생하는 뜻하지 않은 구리 산화를 조사하며, 미세한 산소 불순물이 Cu/Cu2O 복합막의 형성을 이끈다고 밝힌다. 증착 조건을 조절함으로써 저자들은 유연하고 도전성 있는 Cu 막과 Cu2O를 포함하는 이종구조를 얻었으며, 이는 조절 가능한 옵토일렉트로닉 성질을 지닌다. 이는 고이동도 트랜지스터와 태양전지 응용 가능성을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산소가 존재하지 않는 초고순도 아르곤 환경에서 물리적 스퍼터링 중 구리 산화의 원인과 메커니즘을 규명하는 것.
• 증착 조건이 Cu 및 Cu2O 상의 형성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 산화를 피하거나 기능성 산화물-반도체 이종구조를 위해 이를 활용하기 위한 전략을 개발하는 것.
• 결과로 생성된 구리 기반 막의 전기적 및 광학적 성질을 평가하여 옵토일렉트로닉 응용 가능성을 검토하는 것.

제안 방법

• 의 intensional 산소 도입 없이 초고순도, 저압 아르곤 분위기에서 구리의 물리적 스퍼터링 증착을 수행하는 것.
• 산화 수준을 제어하기 위해 전력, 압력, 기질 온도와 같은 증착 조건을 체계적으로 변화시키는 것.
• 현장 및 비현장 특성 분석을 통해 Cu 및 Cu2O 상의 존재와 분포를 규명하는 것.
• 막의 금속-반도체 하이브리드 거동을 평가하기 위해 전기적 도전도 및 광학 투과도를 측정하는 것.
• 산화의 기원을 추적하기 위해 챔버 및 원료 재료 내 잔류 산소 농도를 분석하는 것.
• 증착 조건과 막의 조성 및 미세구조 간의 상관관계를 분석하여 공정-구조-성질 관계를 수립하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 명백히 산소가 없는 아르곤 환경에서 스퍼터링 중 구리 산화를 유도하는 산소의 기원은 무엇인가?
• RQ2 전력, 압력, 온도와 같은 증착 조건이 구리 막 내 Cu2O 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 스퍼터링 중 조절된 산화를 활용하여 바람직한 옵토일렉트로닉 성질을 지닌 기능성 Cu/Cu2O 이종구조를 만들 수 있는가?
• RQ4 결과로 생성된 Cu 및 Cu2O 복합막의 전기적 및 광학적 성능은 순수한 Cu와 비교해 어떠한가?
• RQ5 특정 장치 응용을 위해 산화 과정을 어느 정도 피하거나 정밀하게 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 스퍼터링 챔버 및 타겟 재료 내 미세한 산소 불순물이 뜻하지 않은 구리 산화의 주요 원인으로 규명되었다.
• 증착 조건을 조절함으로써 저자들은 고전도도를 지닌 탄성 있는 Cu 막과 태양광 창 밴드 갭을 지닌 Cu2O를 포함하는 복합막을 성공적으로 제조하였다.
• Cu/Cu2O 복합막은 금속적 도전성과 반도체적 광학 투과성의 고유한 조합을 보였다.
• 전기적 측정 결과 순수한 Cu 막은 높은 도전성을 유지하는 것으로 확인되었으며, 복합막은 Cu2O의 P형 성질로 인해 조절 가능한 저항도를 보였다.
• 광학 테스트 결과 Cu2O를 포함하는 막은 태양전지 응용에 적합한 밴드 갭을 지녔으며, 가시광선 범위에서 투과도가 70%를 초과하였다.
• 본 연구는 스퍼터링 중 산화가 항상 악영향을 미치는 것은 아니며, 외부 산소 도핑 없이도 기능성 산화물-반도체 이종구조를 창출하기 위해 활용될 수 있음을 입증하였다.