Forscher haben ein Verfahren zur Herstellung extrem flacher Kupferschichten entwickelt, mit denen die Oxidation von Kupfer verhindert werden kann. Dadurch ergeben sich für das Metall neue Einsatzmöglichkeiten. Schon bald könnte Kupfer etwa Gold in Halbleitern ersetzen.

Kupfer wird in der Elektronikindustrie vielfältig eingesetzt, weil es viele günstige Eigenschaften aufweist. Dazu gehört die Möglichkeit, Kupfer zu sehr dünnen Drähten zu verarbeiten sowie die Leitfähigkeit des Metalls.

Kupfer ist anfällig für Oxidation – bis jetzt

Es gibt auch eine nachteilige Eigenschaft: Die Anfälligkeit für Oxidation auf der Oberfläche. Die Oxidation und Korrosion an der Oberfläche verkürzt die Lebensdauer des Kupfers und erhöht den elektrischen Widerstand – beides unerwünschte Eigenschaften.

Wissenschaftler der Pusan ​​National University, der Sungkyunkwan University und der Mississippi State University haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich dieses Oxidationsproblem lösen lässt.

Mit dem Verfahren können extrem dünne Kupferschichten – in der Dicke eines Atoms – mit semipermanenter Oxidationsbeständigkeit hergestellt werden. Das Potenzial ist laut Prof. Se-Young Jeong von der Pusan ​​National University erheblich.

„Könnte Gold in Halbleitergeräten ersetzen“

Über die Ergebnisse der im Fachblatt „Nature“ veröffentlichten Studie sagt der Experte: „Oxidationsbeständiges Kupfer könnte möglicherweise Gold in Halbleitergeräten ersetzen, was dazu beitragen würde, ihre Kosten zu senken. Oxidationsbeständiges Kupfer könnte auch den Stromverbrauch senken und die Lebensdauer von Geräten mit Nanoschaltkreisen verlängern“.

Bereits in früheren Studien wurde der Oxidationsprozess bei Kupfer genauer untersucht. Eine wesentliche Ursache sind mikroskopische Mehrstufen, die über bestimmte Atome in eine Wechselwirkung mit Sauerstoff treten und dadurch den Oxidationsprozess begünstigen. Bei  einkristallinem Kupfer gibt es solche  Mehrstufen nicht, weshalb das Material gegen Oxidation resistent ist.

Zur Herstellung wird eine spezielle Methode verwendet: Die Atomsputter-Epitaxie stellt koordinierte, flache, einkristalline Kupferfilme her. Bei dem Verfahren kamen auch Rauschunterdrückungssysteme zum Einsatz, mit denen elektrisches und mechanisches Rauschen reduziert und die Kupferoberfläche defektfrei gehalten werden konnte.

Die so erstellten Kupferfilme wurden mithilfe hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie auf Oxidationsvorgänge untersucht. Die mit dem Verfahren hergestellten Kupferfilme waren im Vergleich zu anderen Kupferoberflächen weitgehend oxidationsbeständig.

Einkristalline Kupferoberflächen sind offenbar ausgerechnet durch Sauerstoff geschützt, sobald 50 % der Oberfläche mit Sauerstoffatomen bedeckt ist. Oxidation findet nicht statt, weil die zusätzliche Absorption von Sauerstoffatomen dann nicht mehr möglich ist.

Werden Halbleiter bald günstiger?

Der Einsatz von Kupfer bei der Herstellung von Halbleitern könnte deren Kosten ein Stück weit senken. Kostensenkungen sind überall dort möglich, wo bislang Gold eingesetzt wird, das künftig durch das mit dem neuen Verfahren hergestellte Kupfer substituiert werden könnte.

Kupfer ist mit Preisen von rund 10.400 USD pro Tonne erheblich günstiger als Gold, das derzeit knapp 2.000 USD pro Feinunze (31,103 g) kostet. Über die geringeren Materialkosten hinaus gäbe es jedoch weitere Vorteile. So ließe sich der Energieverbrauch durch die bessere Leitfähigkeit des Kupfers reduzieren (Leitfähigkeit σ in S/m 58 · 106 bei Kupfer vs. 45 · 106 bei Gold).

Das Einsparpotenzial sollte jedoch nicht überschätzt werden. Allzu viel Gold, das durch günstiges Kupfer substituiert werden könnte, ist in elektronischen Geräten gar nicht verbaut. In einem handelsüblichen Smartphone etwa befinden sich rund 30 mg Gold. Dies entspricht zum aktuellen Marktpreis einem Materialwert von 1,20 EUR.

Sputter Technologie bietet langfristig Potenzial

Sputtering Verfahren werden derzeit auf breiter Front erforscht. Mit dem sogenannten Magnetron Sputtering gelang es im letzten Jahr bereits Forschern aus Nottingham, Platinkatalysatoren in der Dicke einer Atomschicht herzustellen. Dieses Verfahren könnte den Platinbedarf der Industrie für Katalysatoren um mehr als 90 % reduzieren.

Kurzfristig dürfte der Kupferpreis durch die neuen Forschungsergebnisse jedoch kaum beeinträchtigt werden. Der Kupfermarkt befindet sich seit Dezember 2021 in einem recht soliden Aufwärtstrend, der den Preis von 9.250 USD auf 10.400 USD trieb. Aufgrund der hohen Nachfrage unter anderem durch Energiewende und Infrastrukturinvestitionen bei gleichzeitig wachsenden Angebotsrisiken sind weiter steigende Preise nicht ausgeschlossen.