原位热电系统助力揭示反应性金属-陶瓷体系的相互作用机制

01. 引言

金属-陶瓷复合材料得益于其优秀而又均衡的性能，在加工制造、微电子领域的应用已经越来越广泛。铝-碳化硅作为其中一种广为人知的金属-陶瓷复合材料，广泛应用于汽车、航天等领域的微电子封装。在这个体系中的铝和碳化硅之间，存在着二氧化硅的非晶氧化层(AOL)。

然而，热处理工艺下活性金属(铝)、陶瓷(碳化硅)、AOL (二氧化硅)三者之间的相互作用机制还不太清楚。实际上，过去几十年间，研究者们对三者之间相互作用机制展开了许多深入研究。但问题是，至今所进行的研究都是离位的，无法揭示热处理工艺时界面处正在发生的原子尺度的纳米结构和化学变化。

来自达姆施塔特工业大学(TU Darmstadt)的Esmaeil Adabifiroozjaei 博士和 Leopoldo Molina-Luna 博士，通过使用 DENS Lightning 原位热电系统揭示了 铝-非晶氧化硅-碳化硅(Al-AOL-SiC)体系在热处理和加电条件下的演化机制。此项研究工作也有幸获得了世界各地研究机构——大不里士大学、日本国立材料研究所、芝浦工业大学、新南威尔士大学悉尼分校——的合作支持。

相关研究成果发表在 Journal of Materials Science 期刊上。

02.样品制备

首先，Adabifiroozjaei 博士及团队精心制备了铝-碳化硅样品。超声清洗碳化硅晶圆后，把晶圆插入干燥器去除氧化层并重新结晶，之后又使用溅射仪在晶圆上溅射 ~1 μm 厚度的铝层。接下来，研究者使用了聚焦离子束(FIB)加工制备薄片。所制备的薄片安装在 DENS Lightning 原位热电系统的芯片上(如图 1a)。芯片和薄片的低倍、高倍扫描电镜(SEM)照片分别如图 1b 和 1c 所示。之后，用 FIB 制备金薄片，连接 Al-AOL-SiC 薄片和 DENS 芯片，以确保电流流经 Al-AOL-SiC 薄片。

图 1：(a) 用于原位加热和加电实验的 DENS Lightning 芯片；(b) 低倍和 (c) 高倍时芯片上薄片的 SEM 照片。

03. 实验结果

研究者进行了能谱(EDS)和电子能量损失谱(EELS)的元素面扫分析，用以确定 Al-AOL-SiC 界面各相的化学组分。界面处 EDS 的面扫结果如图 2a 所示，高分辨的 EELS 元素面扫结果如图 2b 所示，两者的结果都证实了界面处存在厚度为 3-5 nm 的氧化层。

图 2：(a) Al-AOL-SiC 界面处的 EDS 面扫结果，证实示了 AOL 层的存在；(b) Al-AOL-SiC 界面的扫描透射电子显微镜(STEM)-高角环形暗场(HAADF)照片以及 EELS 面扫图。

随后，研究者开始了原位加热、加电实验来研究 Al-AOL-SiC 薄片的电学特征。首先，设置目标电流为 3 nA，记录各温度下达到该电流所需要的电压数值。室温、500 ℃、600 ℃ 下施加电场 30 分钟后所获得的 I-V 曲线分别如图 3a-c 所示。I-V 曲线和高分辨 TEM 照片如图 3d-f 显示，Al-AOL-SiC 器件的电阻率在 500 ℃ 时下降了三个数量级，而纳米结构没有明显变化。

图 3：(a)、(b)、(c) 分别展示了室温、500 ℃、600 ℃ 时 所测得的 Al-AOL-SiC 界面I-V 曲线；(d)、(e)、(f) 展示了 Al-AOL-SiC 界面的高倍照片。

接着，又在同样的 DENS Lightning 原位热电样品杆上，把另一块 Al-AOL-SiC 薄片固定在 Wildfire (纯加热)芯片上，来研究加热过程中界面出的化学组分变化。所获得的 HAADF-STEM 照片和 EELS 结果如下图 4 所示。

图 4：(a)、(b)、(c)、(d) 分别展示了室温、500 ℃、550 ℃、600 ℃ 时 Al-AOL-SiC 界面处的化学组分(铝-蓝色、硅-紫色、碳-绿色、氧-黄色)变化情况。

04. 结论

Adabifiroozjaei 博士和他的同事使用 DENS Lightning 原位热电系统进行了全面的原位STEM 加热、加电研究，调查了 Al-AOL-SiC 体系的电学、化学、微结构特征。研究者们在 4Å 的超高分辨率下进行原位研究，发现且确认了活性铝与晶态碳化硅间的反应机制与铝和非晶二氧化硅间的反应机制是截然不同的。

具体来说，他们发现铝和二氧化硅间的反应遵循溶解机制，而铝和碳化硅间的反应则通过元素互扩散进行。这些重要发现或可适用于，当前正应用在加工制造和电子行业的其他活性金属-陶瓷体系。

用户使用体验 * 

"借助稳定而精确的 DENS Lightning 原位热电系统，我们揭示了金属-陶瓷体系(铝-碳化硅)界面处相互作用的特点。这些在超高分辨率下的研究，对于理解和改善高温状态下复合材料的特性是非常必要的。”

-- Leopoldo Molina-Luna 博士，教授  |  达姆施塔特工业大学(TU Darmstadt)