Surface Studies on Industrial Aluminium Alloys

Aluminium alloys are used in a wide range of applications due to their high tensile strength concomitant with low density. Additionally, aluminium alloys form a naturally occurring and passivating oxide layer, which leads to high corrosion and weathering resistance. In industrial manufacturing, aluminium alloys acquire their desired properties through specially designed heating processes. A common method to join aluminium work pieces together is brazing. The work pieces designed for brazing applications are coated with an aluminium alloy, which has a lower melting point as the base material. During brazing the top alloy is molten and the covering oxide layer needs to be broken up to achieve a strong and durable connection between the work pieces. This thesis present how temperature treatment affectss the surface layer of two different aluminium alloys. The processes taking place during heat treatment were studied by a combination of microscopy and spectroscopy techniques. Both alloys were heated in an UHV chamber and characterized after subsequent heating by using different operational modes of the SPELEEM (Spectroscopic PhotoEmission and Low Energy Electron Microscope). The SPELEEM is situated at beamline I311 at the MAX II storage ring at the national Swedish synchrotron radiation facility, MAX IV Laboratory. The operation modes of the SPELEEM that were used for this study are MEM (Mirror Electron Microscopy), XPEEM (X-ray PhotoEmission Electron Microscopy) and XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). In addition, the samples were examined by SEM (Scanning Electron Microscopy) before and after the heat treatment. Using the above described combination of different surface science techniques, the changes occurring upon heat treatment at the aluminium-magnesium-silicon alloy 6063 surface were studied at room temperature and after heating to 300°C and 400°C. The aluminium alloy used in brazing applications was studied at higher temperatures up to 500°C to follow the decomposition of the aluminium oxide layer. Using the previously mentioned techniques allows to follow the diffusion, reactions and sublimation of the different elements

Photoemission microscopy and spectroscopy of cobalt-intercalated graphene on silicon carbide

Graphene-ferromagnet interfaces possess remarkable properties like induced magnetism in the graphene film, increased magnetic anisotropy in the ferromagnetic film, and chiral magnetism. Previously, the graphene-ferromagnet interface was investigated mainly on metallic substrates. Yet, silicon carbide (SiC) is a promising graphene substrate due to its semi-insulating properties and its industrial relevance. This thesis investigates for the first time the intercalation of thin cobalt films underneath graphene on SiC with emphasis on the structural, chemical, and magnetic properties of the intercalated cobalt films. The 6H-SiC(0001) samples were prepared in an argon atmosphere in order to achieve a homogeneous, large-area growth of the (6 √ 3 × 6 √ 3) -R30∘ (hereafter 6 √ 3) surface reconstruction. The 6 √ 3 structure can be regarded as a graphene layer that is partly covalently bonded to the SiC substrate. It is expected that the 6 √ 3 structure converts into a graphene film upon intercalation. Cobalt films with thicknesses Co in a range of 0.4–12 nm were deposited at room temperature, at which no reaction with the 6 √ 3 reconstructed SiC surface was observed. During a controlled annealing procedure, the temperature and film thickness dependence of the intercalation process was investigated in real time by ultraviolet photoemission electron microscopy (UV-PEEM). The intercalation temperature strongly depends on the film thickness with a minimum of 340 ∘C for Co = 1.4 nm. Structural and chemical information are provided by low-energy electron diffraction (LEED) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. A partial conversion of the 6 √ 3 reconstruction into a graphene film is found for low Co, whereas a full conversion is observed for high Co. The partial conversion is associated with an agglomeration of the cobalt film, as found by x-ray photoemission electron microscopy (X-PEEM) images with chemical contrast recorded at the Co L3-edge. Furthermore, using Si 2p XPS spectra and x-ray absorption spectra (XAS) of the Co L-edge extracted from the X-PEEM images, a self-limited cobalt silicide formation that is independent of Co is found at the Co-SiC interface. The magnetic properties of the cobalt film are investigated by X-PEEM images with magnetic contrast recorded at the Co L3-edge. A self-assembled nanowire formation at the SiC step edges is observed for low Co, while for intermediate Co a step anisotropy dominates the magnetic domain structure, and a bulk-like magnetic domain structure is present for high Co.Grenzschichten zwischen Graphen und ferromagnetischen Materialien besitzen bemerkenswerte Eigenschaften, wie zum Beispiel induzierter Magnetismus innerhalb des Graphen-Films, verstärkte magnetische Anisotropie innerhalb des ferromagnetischen Films und chirale magnetische Strukturen. Bislang wurde die Graphen- Ferromagnet-Grenzschicht hauptsächlich auf metallischen Substraten untersucht. Jedoch ist Siliziumkarbid (SiC) aufgrund seiner halb-isolierenden Eigenschaften und seiner industriellen Relevanz ebenfalls ein vielversprechendes Graphen-Substrat. Diese Arbeit befasst sich erstmalig mit der Interkalation von dünnen Kobalt-Filmen unter Graphen auf SiC, insbesondere mit den strukturellen, chemischen und magnetischen Eigenschaften der interkalierten Proben. Die 6H-SiC(0001) Proben wurden in einer Argon-Atmosphäre präpariert, um ein homogenes, großflächiges Wachstum der (6 √ 3 × 6 √ 3) -R30∘ (hiernach 6 √ 3) Oberflächen-Rekonstruktion zu erreichen. Die 6 √ 3 -Rekonstruktion kann als teilweise kovalent an das SiC gebundene Graphen- Schicht betrachtet werden. Es wird erwartet, dass die 6 √ 3-Struktur durch die Interkalation in einen Graphen-Film umgewandelt wird. Kobalt-Filme mit einer Schichtdicke Co von 0.4–12 nm wurden bei Raumtemperatur aufgedampft, bei welcher keine Reaktion des Kobalts mit der 6 √ 3-Oberfläche beobachtet wurde. Während einer kontrollierten Erwärmung wurde die Temperatur- und Schichtdicken- Abhängigkeit des Interkalationsprozesses mittels Ultraviolett-Photoemissions-Elektronen- Mikroskopie (UV-PEEM) in Echtzeit untersucht. Die Interkalations-Temperatur hängt stark von der Kobalt-Schichtdicke ab, wobei das Minimum bei 340 ∘C für Co = 1.4 nm liegt. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften werden mittels niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Hierbei wird für geringe Kobalt-Schichtdicken eine partielle Umwandlung der 6 √ 3-Struktur in eine Graphen-Schicht beobachtet, wobei eine vollständige Umwandlung erst bei höherer Schichtdicke erreicht wird. Die unvollständige Umwandlung hängt mit einem Zerfall der Kobalt-Schicht in Inseln zusammen, welcher mittels durch Synchrotronstrahlung angeregter Photoemissions- Elektronenmikroskopie (X-PEEM) nachgewiesen wurde. Hierbei wurden Aufnahmen mit chemischem Kontrast an der Co L3-Kante angefertigt. Weiterhin wird mittels XPS-Spektren des Si 2p-Signals und Röntgen-Absorptionsspektren (XAS) der Co LKante eine von Co unabhängige, selbst-limitierte Bildung von Kobalt-Silizid an der Co-SiC-Grenzschicht festgestellt. Die magnetischen Eigenschaften der Kobalt- Filme werden mittels an der Co L3-Kante aufgenommenen X-PEEM-Aufnahmen mit magnetischem Kontrast untersucht. Für geringe Co zeigt sich eine selbstassemblierte Bildung von Nanodrähten an den SiC-Stufenkanten, für mittleres Co eine durch Stufen-Anisotropie dominierte Domänenstruktur und für hohes Co eine dem Volumenkristall entsprechende Domänenstruktur

Encapsulation hermétique de microbolomètres pour caméras infrarouges : optimisation et études in situ de l'instabilité des interfaces

Dans cette thèse, l’optimisation de l’encapsulation hermétique au niveau de la gaufre (WLP) de microbolomètres est faite par thermocompression de Au, AuSn TLP et AuSn eutectique. L’objectif principal de ce travail est d’obtenir une pression interne des puces sous 100 mTorr pendant 10 ans, correspondant à 50 mTorr après collage avec taux de fuite inférieur à 1.4* 10−16 Pa*m3/s. Le collage doit être fait sur des tranches de 200 mm, à une température inférieure à 400C et doit résister à des recuits à 450C. Le taux de fuite visé étant inférieur à ceux publiés dans la littérature, cette optimisation doit passer par une compréhension poussée du comportement en fonction de la température des matériaux utilisés. Pour ce faire, de nombreuses techniques in situ (PEEM, AES, XPS) et ex situ (SEM, EDX, XRD, ERD, TEM) sont utilisées pour caractériser les couches avant, pendant et après recuits. La qualité du collage est évaluée par SAM, microscopie à rayon X, inspection de tranches décollées et mesures d’herméticité. La première technique de collage tentée est la thermocompression de Au. Lors des essais effectués sur des piliers fabriqués par DRIE et ayant donc des parois à 90 degrés de la surface, des craques se sont formées partout sur la surface, craques ayant mené à l’étude de la stabilité de la barrière anti-diffusion. Cette étude a démontré que l’exposition du TiN à l’atmosphère, appelée stuffing, augmente sa stabilité de 200C. Les essais subséquents de collage sont faits sur une disposition non-uniforme des puces afin de réduire la surface de contact. Ces tests démontrent que l’ajout d’une couche d’adhésion de Ti entre TiN et Au améliore grandement la qualité du collage. Pour la dernière série de collages, effectuée sur une disposition uniforme des puces, aucun défaut n’a été observé par SAM ou FIB/SEM. Toutefois, l’herméticité mesurée par déflexion de membrane n’est pas suffisante pour l’application visée. De plus, le dépôt de la couche de Au étant difficile à intégrer dans la fabrication des dispositifs, la thermocompression de Au est rejetée. L’optimisation du collage AuSn TLP débute par l’identification des épaisseurs et compositions de la couche de AuSn idéales, soient entre 3 et 3.5 μm et entre 70 et 75 wt% de Au. Les défauts obtenus lors de ces collages sont des cavités près du centre du seal ring et une craque correspondant au plan de Kirkendall à 4/3 de l’épaisseur initiale de Au. Les mesures d’herméticité effectuées sur des puces collées avec ces paramètres ont montré que le taux de fuite est inférieur à la limite de détection de l’appareil (< 10−16 Pa*m3/s).----------Abstract In this thesis work, the hermetic wafer-level packaging of microbolometers is optimized using Au thermocompression, AuSn transient liquid phase and AuSn eutectic bonding. The main objective is to obtain a pressure within the dies under 100 mTorr over 10 years, corresponding to 50 mTorr after bonding with a leak rate under 1.4* 10−16 Pa*m3/s. To fulfill the device requirements, the bonding process has to be done on 200 mm wafers, at temperatures lower than 400C and must sustain 450C annealing. Since the targeted leak rate was set to be lower than those reported in the literature, the bonding has to be optimized through an in depth understanding of the thermal behavior of the materials utilized. Towards this end, the stacks are characterized with numerous techniques in situ (PEEM, AES, XPS) and ex situ (SEM, EDX, XRD, ERD, TEM) before, during and after annealing. Bonding quality is thoroughly investigated using with SAM, X-ray microscopy, inspection of separated wafers and hermeticity tests. The first bonding attempts are done using Au thermocompression. Preliminary tests using DRIE fabricated pillars with sidewalls perpendicular to the surface showed crack formation throughout the wafers thus raising concerns regarding the diffusion barrier’s thermal stability. Our investigation of the latter showed that TiN stuffing (exposition of the TiN to atmosphere) increase its stability by 200C. Subsequent bonding tests are done with a non-uniform die disposition in order to decrease the contact area. These tests show that a Ti adhesion layer between TiN and Au greatly increase the bonding quality. Although no defects are found using SAM and SEM/FIB on the last bonding tests using a uniform die distribution, the hermeticity evaluated with membrane deflection remains insufficient for the targeted technology. Moreover, the difficulty in integrating patterning of the Au layer on the LID wafer leads to Au thermocompression to be rejected. Optimizing the AuSn TLP bonding process begins with the identification of the ideal AuSn thickness and composition, which are between 3 and 3.5 μm and between 70 and 75 wt% of Au, respectively. Two types of defects are observed on these bondings: cavities near the seal ring’s center and a crack at 4/3 of the initial Au thickness corresponding to the Kirkendall plane. Hermiticity tests done on dies bonded using these parameters gave leak rates lower than the detection limit of the setup (< 10−16 Pa*m3/s), but high partial pressure of noble gases. Since the latter cannot be trapped using getter layers, a pre-bonding annealing is added to the recipe in order to degas the layers

Etude de fils semi-conducteurs dopés individuels par techniques locales d'analyse de surface

This thesis addresses the characterization of individual doped semiconductors microand nanowires by photoemission electron microscopy (XPEEM) and near field techniques : Kelvin probe force microscopy (KFM) and scanning capacitance microscopy. The aim of this study is to evaluate the benefits of contactless surface methods, thanks to local work function and core level binding energy measurements, for the study of phenomena linked to doping in such objects, like for example axial uniformity. First, we highlight the importance of sample preparation required for these techniques: wires transfer methods, substrate/wire match, and preanalysis characterization influence. Then we present two case studies addressing technological issues: Si doped gallium nitride microwires (2μm diameter) for solid state lighting, and p-n junction nanowires (100 nm diameter) for low power microelectronics. In the first case, we have performed SCM for quick identification of n doping axial heterogeneity, then performed spectroscopic XPEEM using synchrotron radiation to, first, estimate local work function and surface band bending, then clarify surface silicon incorporation highlighting growth process influence over intentional (si on Ga sites) and unintentional doping (si on nitrogen vacancy). Complementary measurements on both axial and radial section of wires have been led by Auger microscopy and ToF-SIMS, highlighting silicon incorporation preferentially at the surface of the microwires. Regarding p-n junctions, after partial removal of surface oxide, we have linked results obtained independently by KFM and XPEEM. Both methods highlighted a weak local work function difference between n-doped and p-doped part, partly explained by Fermi level pinning induced by surface states.Ce mémoire de thèse traite de la caractérisation de microfils et nanofils semi conducteurs dopés individuels par microscopie à émission de photoélectrons X (XPEEM) complétée par des techniques de champ proche électrique: Kelvin force microscopy (KFM) et scanning capacitance microscopy (SCM). L'objectif est d'évaluer l'apport des méthodes locales de surface « sans contact », grâce à la mesure du travail de sortie local et de l'énergie de liaison des niveaux de cœur, pour l'étude des phénomènes liés au dopage dans ces objets, comme par exemple l'uniformité longitudinale. Nous mettons d'abord en évidence l'importance de la préparation des échantillons pour la mise en œuvre des techniques citées: méthodes de transfert des fils, adéquation du substrat, influence des caractérisations pré-analyse. Nous présentons ensuite deux principales études de cas en lien avec une problématique technologique : les microfils de nitrure de gallium dopés Si (diamètre 2 µm) pour applications dans l'éclairage à l'état solide, et les jonctions pn à nanofils de Si (diamètre 100 nm) pour la nanoélectronique basse puissance. Dans le premier cas, nous avons mis en œuvre la SCM pour l'identification rapide de l'hétérogénéité axiale du dopage n, puis avons utilisé l'imagerie XPEEM spectroscopique avec excitation synchrotron pour, d'abord, estimer le travail de sortie local et la courbure de bande en surface; ensuite, élucider les modes d'incorporation du silicium en surface, qui pointent notamment sur la sensibilité des conditions d'élaboration dans la part du dopage intentionnel (Si en sites Ga) et non intentionnel (Si sur sites lacunaires en azote). (Des mesures complémentaires sur sections radiales et longitudinales de fils, par microscopie Auger et spectrométrie ToF-SIMS montrent une incorporation du Si limitée à la surface des microfils). Concernant les jonctions pn à nanofils de silicium étudiées après retrait partiel de l'oxyde de surface, nous avons mis en relation des résultats obtenus indépendamment par KFM et par XPEEM. Ils mettent conjointement en lumière une très faible différence de travail de sortie local entre partie n et partie p, et qui semble en partie expliquée par un ancrage du niveau de Fermi en surface