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(duì)Au/Cu薄膜界面結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:環(huán)境溫度的升高，使薄膜內(nèi)缺陷增加，為Cu原子的擴(kuò)散提供了更多的擴(kuò)散通道；紫外輻照產(chǎn)生了等同的熱效應(yīng)，加劇了Cu原子在Au層中的擴(kuò)散；微氧的存在誘導(dǎo)了Cu原子的擴(kuò)散。三種因素協(xié)同作用下，誘導(dǎo)遷移擴(kuò)散機(jī)制在室溫下形成，并于處理溫度達(dá)到100℃后趨于穩(wěn)定。

　　電子元器件是構(gòu)成航天飛行器、實(shí)現(xiàn)地面遙控不可缺少的組成部分，其可靠性是保證整機(jī)安全升空、長(zhǎng)期運(yùn)行的重要保證。然而長(zhǎng)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(nèi)引線鍵合點(diǎn)脫開(kāi)等而最終失效。因此，對(duì)構(gòu)成電子元器件的電極材料特別是薄膜界面結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行早期診斷，建立適當(dāng)?shù)脑u(píng)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(píng)估方法都是宏觀參數(shù)的測(cè)量，很少涉及納米量級(jí)分析與對(duì)微觀失效機(jī)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(duì)器件在特定環(huán)境中的表面和界面化學(xué)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行跟蹤，能為研究器件失效機(jī)制提供可靠的數(shù)據(jù)。

　　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(shè)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(duì)Au/Cu/Si薄膜樣品進(jìn)行處理。同時(shí)運(yùn)用SAM、原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射(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(jié)構(gòu)，界面層產(chǎn)物分布以及原子擴(kuò)散過(guò)程。結(jié)果顯示了Au/Cu/Si體系的界面擴(kuò)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(yàn)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(tǒng)裝置示意圖，腔體內(nèi)裝有一個(gè)輻照強(qiáng)度可調(diào)的低壓汞燈(如d所示)，可對(duì)樣品進(jìn)行外太空紫外輻照的模擬；設(shè)有溫度控制系統(tǒng)(如f所示)，確保樣品在室溫到300℃范圍內(nèi)加熱可調(diào)；整個(gè)系統(tǒng)與機(jī)械泵-渦輪分子泵相聯(lián)(如i，j所示)，以保持真空度達(dá)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(tǒng)，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(fù)膜試樣。制備好的復(fù)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(yàn)條件進(jìn)行處理(表1)。

表1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容參數(shù)

結(jié)論

　　(1)環(huán)境溫度的升高使薄膜內(nèi)缺陷增加，為Cu原子的擴(kuò)散提供了更多的擴(kuò)散通道；

　　(2)紫外輻照產(chǎn)生了等同的熱效應(yīng)，加劇了Cu原子在Au層中的擴(kuò)散；

　　(3)微氧的存在誘導(dǎo)了Cu原子的擴(kuò)散；

　　(4)在微氧、紫外輻照和環(huán)境溫度協(xié)同作用下，誘導(dǎo)擴(kuò)散機(jī)制在室溫下形成，并于環(huán)境溫度達(dá)到100℃后趨于穩(wěn)定。