Operando XPS for Plasma Process Monitoring: A Case Study on the Hydrogenation of Copper Oxide Confined under h-BN

X射线光电子能谱 等离子体 氧化物 氧化铜 过程(计算) 氧化法 等离子清洗 化学工程 材料科学 化学 冶金 计算机科学 工程类 操作系统 核物理学 物理
作者
J. Trey Diulus,Andrew E. Naclerio,J. Anibal Boscoboinik,Ashley R. Head,Evgheni Strelcov,Piran R. Kidambi,Andrei Kolmakov
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (18): 7591-7600
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c00253
摘要

We demonstrate that ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (APXPS) can be used for in situ studies of dynamic changes in surface chemistry in a plasma environment. This opens a new and vast application space for XPS and greatly complements modern spectroscopy techniques to probe plasma–solid/liquid interactions relevant to process monitoring in the semiconductor industry, biomedical plasma applications, and plasma remediation technologies. Hexagonal boron nitride (h-BN) grown on Cu was used in this study as a well-defined model system for plasma process monitoring because of its unique chemical, optical, and electrical properties that make it a prospective material for advanced electronics. To better understand the stability and surface chemistry of h-BN during plasma-assisted processing, we track in real time the plasma-induced chemical state changes of B, N, and the underlying Cu substrate using APXPS equipped with an AC discharge plasma source operating at 13 Pa. Residual gas analysis mass-spectra were concurrently collected during plasma-XPS to track reaction products formed during plasma exposure. A clear reduction of CuxO is seen, while an h-BN layer remains intact, suggesting that hydrogen radical (H•) species can attack the exposed and h-BN-covered Cu oxide patches and partially reduce the underlying substrate without significantly damaging the overlaying h-BN, which is of practical importance for development of h-BN-encapsulated devices and interfaces. In addition to demonstration of plasma-XPS capabilities, we discuss the observed challenges (e.g., parasitic plasma-chamber wall reactions and charging effects) and propose potential solutions.
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