真空環(huán)境中多場(chǎng)耦合對Au/Cu/Si薄膜界面結構的影響
采用磁控濺射方法在Si基底上制備了Au/Cu薄膜。利用掃描俄歇微探針(SAM)納米化分析技術(shù)進(jìn)行表面成分分析與深度剖析，研究在真空環(huán)境中，紫外輻照、微氧氧含量及處理溫度等因素作用對Au/Cu薄膜界面結構的影響。實(shí)驗結果表明:環(huán)境溫度的升高，使薄膜內缺陷增加，為Cu原子的擴散提供了更多的擴散通道；紫外輻照產(chǎn)生了等同的熱效應，加劇了Cu原子在A(yíng)u層中的擴散；微氧的存在誘導了Cu原子的擴散。三種因素協(xié)同作用下，誘導遷移擴散機制在室溫下形成，并于處理溫度達到100℃后趨于穩定。
電子元器件是構成航天飛行器、實(shí)現地面遙控不可缺少的組成部分，其可靠性是保證整機安全升空、長(cháng)期運行的重要保證。然而長(cháng)期在宇宙環(huán)境中工作的元器件，不可避免地會(huì )受到空間原子氧、熱循環(huán)和紫外輻照等低地球軌道空間環(huán)境因素的作用，可能引起某些元器件的密封破壞、管腳斷裂、內引線(xiàn)鍵合點(diǎn)脫開(kāi)等而最終失效。因此，對構成電子元器件的電極材料特別是薄膜界面結構變化進(jìn)行早期診斷，建立適當的評價(jià)方法，避免因失效造成飛行器的損失，具有十分重要的意義。
目前的失效評估方法都是宏觀(guān)參數的測量，很少涉及納米量級分析與對微觀(guān)失效機制的判斷。事實(shí)上成熟的表面分析儀器如掃描俄歇微探針(SAM)可以對器件在特定環(huán)境中的表面和界面化學(xué)結構變化進(jìn)行跟蹤，能為研究器件失效機制提供可靠的數據。
本文采用了磁控濺射法在硅片上制備了Au/Cu薄膜。在自制真空設備中，通過(guò)改變溫度、含氧量、以及紫外輻照等方法，即部分模擬的太空環(huán)境對Au/Cu/Si薄膜樣品進(jìn)行處理。同時(shí)運用SAM、原子力顯微鏡(AFM)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(S℃M)等分析方法，研究薄膜表面和界面結構，界面層產(chǎn)物分布以及原子擴散過(guò)程。結果顯示了Au/Cu/Si體系的界面擴散和薄膜失效的聯(lián)系，這為進(jìn)一步研究太空中電子元器件失效提供有益的參考。
1、實(shí)驗方法
1.1、真空環(huán)境模擬裝置
圖1為自制模擬低地球軌道空間環(huán)境的真空系統裝置示意圖，腔體內裝有一個(gè)輻照強度可調的低壓汞燈(如d所示)，可對樣品進(jìn)行外太空紫外輻照的模擬；設有溫度控制系統(如f所示)，確保樣品在室溫到300℃范圍內加熱可調；整個(gè)系統與機械泵-渦輪分子泵相聯(lián)(如i，j所示)，以保持真空度達到1×10-4 Pa，通過(guò)一個(gè)氣氛針形閥連接氧氣瓶使樣品獲得微氧環(huán)境的工作條件(如b，c所示)。
圖1 真空環(huán)境模擬裝置示意圖
1.2、樣品制備與處理
采用JCP-350三靶磁控濺射系統，以單晶Si片為基底，本底真空度保持為6.5×10-4 Pa，濺射氣氛為Ar氣，濺射氣壓1.6Pa。依次沉積Cu和Au，形成Au(100~300nm)/Cu(100nm)/Si復膜試樣。制備好的復膜試樣在上述真空環(huán)境模擬裝置中分別按以下五種實(shí)驗條件進(jìn)行處理(表1)。
表1 實(shí)驗內容參數
結論
(1)環(huán)境溫度的升高使薄膜內缺陷增加，為Cu原子的擴散提供了更多的擴散通道；
(2)紫外輻照產(chǎn)生了等同的熱效應，加劇了Cu原子在A(yíng)u層中的擴散；
(3)微氧的存在誘導了Cu原子的擴散；
(4)在微氧、紫外輻照和環(huán)境溫度協(xié)同作用下，誘導擴散機制在室溫下形成，并于環(huán)境溫度達到100℃后趨于穩定。
