真空环境中多场耦合对Au/Cu/Si薄膜界面结构的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京科技大学新材料技术研究院 作者:严 楷

  采用磁控溅射方法在Si基底上制备了Au/Cu薄膜。利用扫描俄歇微探针(SAM)纳米化分析技术进行表面成分分析与深度剖析,研究在真空环境中,紫外辐照、微氧氧含量及处理温度等因素作用对Au/Cu薄膜界面结构的影响。实验结果表明:环境温度的升高,使薄膜内缺陷增加,为Cu原子的扩散提供了更多的扩散通道;紫外辐照产生了等同的热效应,加剧了Cu原子在Au层中的扩散;微氧的存在诱导了Cu原子的扩散。三种因素协同作用下,诱导迁移扩散机制在室温下形成,并于处理温度达到100℃后趋于稳定。

  电子元器件是构成航天飞行器、实现地面遥控不可缺少的组成部分,其可靠性是保证整机安全升空、长期运行的重要保证。然而长期在宇宙环境中工作的元器件,不可避免地会受到空间原子氧、热循环和紫外辐照等低地球轨道空间环境因素的作用,可能引起某些元器件的密封破坏、管脚断裂、内引线键合点脱开等而最终失效。因此,对构成电子元器件的电极材料特别是薄膜界面结构变化进行早期诊断,建立适当的评价方法,避免因失效造成飞行器的损失,具有十分重要的意义。

  目前的失效评估方法都是宏观参数的测量,很少涉及纳米量级分析与对微观失效机制的判断。事实上成熟的表面分析仪器如扫描俄歇微探针(SAM)可以对器件在特定环境中的表面和界面化学结构变化进行跟踪,能为研究器件失效机制提供可靠的数据。

  本文采用了磁控溅射法在硅片上制备了Au/Cu薄膜。在自制真空设备中,通过改变温度、含氧量、以及紫外辐照等方法,即部分模拟的太空环境对Au/Cu/Si薄膜样品进行处理。同时运用SAM、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(S℃M)等分析方法,研究薄膜表面和界面结构,界面层产物分布以及原子扩散过程。结果显示了Au/Cu/Si体系的界面扩散和薄膜失效的联系,这为进一步研究太空中电子元器件失效提供有益的参考。

1、实验方法

  1.1、真空环境模拟装置

  图1为自制模拟低地球轨道空间环境的真空系统装置示意图,腔体内装有一个辐照强度可调的低压汞灯(如d所示),可对样品进行外太空紫外辐照的模拟;设有温度控制系统(如f所示),确保样品在室温到300℃范围内加热可调;整个系统与机械泵-涡轮分子泵相联(如i,j所示),以保持真空度达到1×10-4 Pa,通过一个气氛针形阀连接氧气瓶使样品获得微氧环境的工作条件(如b,c所示)。

真空环境模拟装置示意图

图1 真空环境模拟装置示意图

  1.2、样品制备与处理

  采用JCP-350三靶磁控溅射系统,以单晶Si片为基底,本底真空度保持为6.5×10-4 Pa,溅射气氛为Ar气,溅射气压1.6Pa。依次沉积Cu和Au,形成Au(100~300nm)/Cu(100nm)/Si复膜试样。制备好的复膜试样在上述真空环境模拟装置中分别按以下五种实验条件进行处理(表1)。

表1 实验内容参数

真空环境中多场耦合对Au/Cu/Si薄膜界面结构的影响

结论

  (1)环境温度的升高使薄膜内缺陷增加,为Cu原子的扩散提供了更多的扩散通道;

  (2)紫外辐照产生了等同的热效应,加剧了Cu原子在Au层中的扩散;

  (3)微氧的存在诱导了Cu原子的扩散;

  (4)在微氧、紫外辐照和环境温度协同作用下,诱导扩散机制在室温下形成,并于环境温度达到100℃后趋于稳定。

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