本文選題：Au/Cu薄膜 + 環(huán)境失效��； 參考：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：納米或微米量級(jí)的電接觸材料及器件因能夠作為電互連線或接觸電極而常用于諸如微電子、保護(hù)涂層和微電子機(jī)械系統(tǒng)等應(yīng)用中。這些電接觸薄膜材料主要是由金、銀、銅、鎳的金屬膜層構(gòu)成,因而具有良好的導(dǎo)電性能和化學(xué)惰性。雙層Au-Cu電接觸薄膜作為一種基礎(chǔ)材料體系,在航天航空電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。這些由電接觸薄膜材料組成的器件服役在低地球軌道環(huán)境中并遭受空間環(huán)境的影響。同時(shí)隨著電接觸器件尺寸的不斷減小,衍生出一些苛刻的服役條件,如高的電流強(qiáng)度以及對(duì)應(yīng)高的局部溫度等。在這些服役耦合條件下,薄膜以及多層體系可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的互擴(kuò)散現(xiàn)象,導(dǎo)致材料的失效并影響器件甚至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。因此,對(duì)電接觸薄膜服役環(huán)境下進(jìn)行失效行為和機(jī)理的分析和評(píng)價(jià),對(duì)完善和開發(fā)電接觸薄膜體系具有十分重要的意義。本論文針對(duì)電接觸薄膜材料應(yīng)用的多因素復(fù)雜空間環(huán)境,采用俄歇電子能譜(AES)、X射線光電子能譜(XPS)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、原子力顯微鏡(AFM)等多種分析方法,表征并研究分析Au/Cu薄膜在模擬環(huán)境條件和模擬直流電條件下失效行為的演變規(guī)律。圍繞結(jié)構(gòu)演變和性能演變之間的關(guān)系,系統(tǒng)研究Au/Cu薄膜在模擬空間環(huán)境下微結(jié)構(gòu)演變以及結(jié)構(gòu)缺陷的形成過程。并結(jié)合界面熱力學(xué),分析出Au/Cu薄膜在實(shí)驗(yàn)?zāi)M的單因素以及耦合因素環(huán)境下本質(zhì)的失效模式和機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：(1)設(shè)計(jì)并搭建兩種空間環(huán)境模擬裝置。一種是搭建的小型低地球軌道空間環(huán)境模擬裝置,該裝置主要用于薄膜樣品在熱環(huán)境、紫外輻照、氣氛、直流電以及相關(guān)的耦合因素組成的模擬空間環(huán)境下的失效處理；另一種是搭建的電子元器件環(huán)境失效準(zhǔn)原位模擬裝置,該裝置主要用于模擬環(huán)境條件主要包括了熱環(huán)境、直流電以及相關(guān)的耦合因素組成的空間環(huán)境下薄膜樣品的表面溫度測(cè)量以及準(zhǔn)原位分析。(2)研究在工作溫度以及模擬空間環(huán)境中的其他典型因素耦合作用過程中的Au/Cu薄膜表面與界面結(jié)構(gòu)的變化。環(huán)境溫度升高能夠致使薄膜表面產(chǎn)生缺陷,為膜層Cu原子向薄膜表面層的擴(kuò)散提供擴(kuò)散通道,從而導(dǎo)致薄膜的表面結(jié)構(gòu)與成分的變化。根據(jù)界面熱力學(xué)分析證實(shí)金屬間化合物AuCu相最先在Au晶界內(nèi)形成,從而引起Au層內(nèi)應(yīng)力梯度的產(chǎn)生,最后導(dǎo)致Cu原子通過Au晶界向自由面的擴(kuò)散。(3) Au/Cu薄膜樣品的溫度在真空環(huán)境中紫外輻照作用下處理120 min后由室溫上升至44℃,而后隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)而保持穩(wěn)定升高。計(jì)算結(jié)果表明Au/Cu薄膜在紫外輻照處理360 min后,Au/Cu界面處的Cu原子濃度梯度田起初的3.45下降至2.24。這是由于紫外輻照誘導(dǎo)Au層晶界內(nèi)缺陷的增多,促使相對(duì)于Au原子具有較低功函數(shù)的Cu原子通過Au層內(nèi)晶界向表面層躍遷。(4)研究真空環(huán)境中在紫外輻照與恒壓直流電耦合作用下,Au/Cu和Cu/Si界面處缺陷的形成以及納米級(jí)結(jié)構(gòu)演變。這種耦合作用能夠促使薄膜異質(zhì)界面層以及表面層內(nèi)缺陷增多,為原子的轉(zhuǎn)移提供更多的擴(kuò)散通道。直流電作用引起薄膜內(nèi)原子團(tuán)簇的定向遷移加劇了界面缺陷的擴(kuò)展,并驅(qū)使Au-Cu金屬間化合物的形成。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)Au/Cu薄膜與Si基底的界面處孔洞的形成主要與金屬間化合物Au2Cu3目的生成有關(guān)。(5)研究真空環(huán)境中在恒壓直流電作用下,Au/Cu薄膜層內(nèi)相關(guān)Au-Cu金屬間化合物的結(jié)構(gòu)演變以及缺陷的形成過程。證實(shí)了在電子風(fēng)力驅(qū)使下Cu原子向薄膜表面層的定向遷移和擴(kuò)散,導(dǎo)致Au層晶界內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)的固溶體向穩(wěn)態(tài)的金屬間化合物相轉(zhuǎn)變時(shí)界面能的提高。持續(xù)增強(qiáng)的電子風(fēng)力提高了薄膜層中Au-Cu金屬間化合物的微結(jié)構(gòu)演變速率,最終導(dǎo)致Cu層內(nèi)孔洞缺陷的形核。在電子風(fēng)力影響后期階段,孔洞缺陷的長(zhǎng)大以及Cu_20氧化物線的增厚與Cu層內(nèi)間隙氧原子的定向遷移有關(guān)。(6)研究真空環(huán)境中在恒壓直流電作用下,Au/Cu薄膜與Si基底之間的基底界面處缺陷的形成以及生長(zhǎng)過程。真空環(huán)境中直流電作用能夠引起薄膜Cu層內(nèi)無定形Cu_2O氧化物線以及孔洞缺陷的生成,并在電子風(fēng)力驅(qū)使下向著基底界面方向進(jìn)行擴(kuò)展。在結(jié)構(gòu)缺陷遷移至基底界面處時(shí),Cu-Si-O鍵被發(fā)現(xiàn)存在于無定形SiO2結(jié)構(gòu)層內(nèi)。在電子風(fēng)力進(jìn)一步驅(qū)使下Cu_20氧化物和孔洞缺陷最終以穩(wěn)定形態(tài)存在于基底界面層附近。本論文從材料缺陷的角度探討電接觸薄膜材料在特定環(huán)境下的失效行為及失效機(jī)理,論文的結(jié)論及方法對(duì)電子器件的失效分析以及可靠性的研究具有理論指導(dǎo)意義。
[Abstract]:Nanoscale or micron magnitude electrical contact materials and devices are commonly used in applications such as microelectronics, protective coatings and microelectronic mechanical systems because they can be used as electrical interconnects or contact electrodes. These electrical contact films are made up mainly of metal films of gold, silver, copper and nickel, thus having good conductivity and chemical inertness. Double A U-Cu electrical contact film, as a basic material system, has been widely used in aerospace electric system. These devices consist of electrical contact film materials in the low earth orbit environment and suffer from the influence of space environment. At the same time, with the continuous reduction of the size of electrical contact devices, some harsh service conditions are derived. Such as high current intensity and corresponding high local temperature. Under these coupling conditions, thin films and multilayer systems may have serious mutual diffusion, resulting in the failure of the material and the reliability of the whole system. Therefore, the analysis and evaluation of the failure behavior and mechanism of the electrical contact film under the service environment. It is of great significance for the improvement and development of electrical contact film systems. In this paper, a variety of analytical methods, such as Auger electron spectroscopy (AES), X ray photoelectron spectroscopy (XPS), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and atomic force microscopy (AFM), are used to characterize and analyze Au for the application of electrical contact thin film materials. Au The evolution of the failure behavior of /Cu films under simulated environmental conditions and simulated direct current conditions. Around the relationship between structural evolution and performance evolution, the evolution of microstructures and the formation of structural defects of Au/Cu films in the simulated space environment are systematically studied. The single cause of the experimental simulation of Au/Cu films in the experimental simulation is analyzed with the interfacial thermodynamics. The main research contents and conclusions are as follows: (1) to design and build two spatial environment simulation devices. One is a small and low earth orbit space environment simulation device, which is mainly used in the thermal environment, ultraviolet radiation, atmosphere, direct current and correlation film samples. The coupling factor consists of the failure processing in the simulated space environment, and the other is a quasi in-situ simulation device for the environmental failure of the electronic components. The device is mainly used to simulate the surface temperature of the film samples under the ambient conditions, including the thermal environment, the direct current and the related coupling factors. In situ analysis (2) the change of the surface and interface structure of the Au/Cu film during the coupling of other typical factors in the working temperature and the simulated space environment. The increase of the ambient temperature can cause the defect on the surface of the film, which provides the diffusion channel for the diffusion of the membrane Cu atoms to the surface layer of the film, thus leading to the surface junction of the film. According to the thermodynamic analysis of the interface, it is confirmed that the AuCu phase of the intermetallic compound is first formed in the Au grain boundary, which leads to the formation of the stress gradient in the Au layer, and finally causes the Cu atom to spread through the Au grain boundary to the free surface. (3) the temperature of the sample of the Au/Cu film is treated by the ultraviolet radiation of the vacuum ring at room temperature after the treatment of 120 min. It rises to 44 C, and then keeps steady with the treatment time. The results show that after the Au/Cu film is irradiated with 360 min, the Cu atom concentration gradient field at the Au/Cu interface at first descends to 2.24., which is due to the increase of the defect in the grain boundary of the Au layer induced by ultraviolet radiation, which leads to the lower function function relative to the Au atom. The Cu atoms transition from the grain boundary in the Au layer to the surface layer. (4) the formation of defects at the interface of Au/Cu and Cu/Si and the evolution of the nanoscale structure at the interface of ultraviolet radiation and constant pressure are studied in the vacuum environment. This coupling effect can increase the defects in the heterogeneous interface layer and the surface layer, and provide more for the transfer of the atoms. The directional migration of the atomic clusters in the film aggravates the expansion of the interface defects and drives the formation of Au-Cu intermetallic compounds. The formation of the pores at the interface between the Au/Cu film and the Si substrate is mainly related to the formation of the intermetallic compound Au2Cu3. (5) the study of the vacuum environment is constant. The structural evolution of the intermetallic intermetallic compounds in the Au/Cu film layer and the formation process of the defects in the film layer under the action of DC, confirmed the directional migration and diffusion of the Cu atoms to the surface layer of the film under the electronic wind force, which resulted in the increase of the interfacial energy when the solid solution in the Au layer was metastable to the steady state of the intermetallic compound. The continuous enhanced electron wind improves the microstructural evolution rate of Au-Cu intermetallic compounds in the film layer and eventually leads to the nucleation of the cavity defects in the Cu layer. In the late stage of the effect of the electronic wind, the growth of the hole defects and the thickening of the Cu_20 oxide line are related to the directional migration of oxygen atoms in the inner gap of the Cu layer. (6) study the vacuum environment. The formation of defects at the base interface between the Au/Cu film and the Si substrate is formed and the growth process under constant voltage direct current. The direct current in the vacuum environment can cause the amorphous Cu_2O oxide line in the Cu layer and the formation of the hole defects in the film. When migrating to the base interface, the Cu-Si-O bond is found to exist in the amorphous SiO2 structure. In the further drive of the electronic wind, the Cu_20 oxide and hole defects are finally located near the base interface layer. This paper discusses the failure behavior and failure of the electrical contact film material in a specific environment from the point of view of material defects. Mechanism, the conclusions and methods of the paper have theoretical guiding significance for failure analysis and reliability research of electronic devices.
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.2

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本文編號(hào)：2002057