不同材料界面?zhèn)鳠岬亩喑叨冉＜拔锢頇C制研究.pdf

1、多層結(jié)構(gòu)和多個界面是電子器件本身以及器件互連和封裝中普遍存在的現(xiàn)象,界面分層失效成為產(chǎn)品性能和可靠性方面關(guān)心的重要問題。國外研究者通過大量實驗發(fā)現(xiàn)界面是微系統(tǒng)制造和運行中的關(guān)鍵部分,很多破壞和缺陷都發(fā)生在界面附近。目前,微電子器件有不斷向微型化發(fā)展的趨勢,最小芯片的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到微米量級,界面效應(yīng)越來越明顯,對微觀界面相關(guān)物理規(guī)律的研究勢在必行。IC朝微小化發(fā)展意味著對傳熱的要求越來越高,一些現(xiàn)象如空位、填隙原子、孔洞、雜質(zhì),晶格應(yīng)力

2、、界面效應(yīng)等對傳熱都有較大影響,其中界面熱阻對微觀傳熱影響較大,而宏觀方法已經(jīng)不再適用。
　　 通過微觀途徑,可以建立起對材料行為的基本認(rèn)識,它正逐漸成為發(fā)展新材料和高性能器件的不可或缺的重要手段。分子動力學(xué)(MD)是微觀建模的主要手段。許多在實驗中無法獲得的微觀細(xì)節(jié),在分子動力學(xué)模擬中都可以方便地觀察到。這些優(yōu)點使分子動力學(xué)在物理、化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域研究中顯得非常有吸引力。
　　 本文就是在這樣的背景下,采用分子動力

3、學(xué)方法對界面?zhèn)鳠徇^程中的物理特征進(jìn)行了研究,在通過實驗進(jìn)行模型研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了納米級缺陷在傳熱過程中的演變及對熱參數(shù)的影響,最后基于前面的MD模型構(gòu)建了MD/FE多尺度模型框架。主要工作如下:
　　 1.界面的形成及特征分析:研究溫度對界面區(qū)域的影響,模擬拉伸過程研究界面的結(jié)合特性。這里采用施加高溫高壓的方法,模擬擴散鍵合形成界面的過程。仿真結(jié)果表明界面層厚度有隨溫度增加而增加的趨勢,但溫度過高會導(dǎo)致不穩(wěn)定狀態(tài)的出現(xiàn)。

4、通過對底面和頂面三層原子的位移進(jìn)行控制,對模型進(jìn)行拉伸加載,根據(jù)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,應(yīng)力在達(dá)到最大值后突然下降,鍵合Cu—Al界面的曲線比理想Cu—Al界面更平穩(wěn),其拉伸力可以達(dá)到理想界面的82％,證明了擴散鍵合過程對在不同材料問成鍵的有效性。
　　 2.基于實驗的模型驗證:以石英玻璃為基板,采用磁控濺射法在基板上制備兩層厚度為300—500nm的金屬薄膜,作為界面試樣。對不同界面試樣進(jìn)行熱循環(huán)加載,然后用劃痕儀(日本Rhes

5、ca公司)和納米壓痕儀(美國HYSITRON公司)對加載前后的試樣進(jìn)行測試分析。通過對比劃痕實驗的界面關(guān)鍵載荷結(jié)果和MD仿真得到的界面斷裂能量結(jié)果,可以看出MD計算的結(jié)果與實驗是相符的,即Al-W界面的結(jié)合力比Cr—W界面更大。從熱加載的角度分析,熱載荷對Al-W界面的影響比Cr—W界面小。根據(jù)納米壓痕測試結(jié)果,界面結(jié)構(gòu)在經(jīng)過熱循環(huán)后彈性模量和硬度均呈現(xiàn)減小的趨勢,MD模型得到的彈性模量與實驗值有一定差距,但從仿真中也反映了界面結(jié)構(gòu)經(jīng)過

6、熱載荷后彈性模量有所減少的現(xiàn)象,并且對于不同的界面組合而言,仿真結(jié)果定性地體現(xiàn)出了彈性模量受熱加載影響的程度。
　　 3.面向封裝界面物理特征的微/納觀研究:用分子動力學(xué)描述界面組織演化和材料缺陷特征,計算界面?zhèn)鳠岬臏囟确植?熱流等參數(shù)的變化規(guī)律,觀察微觀界面尺度材料組織的演變,分析熱缺陷的產(chǎn)生機制。根據(jù)本文的仿真,在尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,在界面附近存在高溫區(qū)域,而巨大的溫差會最終導(dǎo)致應(yīng)力和裂紋。界面附近出現(xiàn)的高溫度和高應(yīng)力都是由

7、界面處材料的不同造成的,并對界面破壞有重要影響。而對Cu—Al界面和Cu—Cu界面進(jìn)行的對比研究為了驗證了以上結(jié)論。探索材料中裂紋對界面熱力特性的影響,為封裝材料界面破壞機制提供理論依據(jù)。
　　 4.通過移除一定數(shù)量的原子,納米尺度的裂紋被加入到仿真材料中。從仿真結(jié)果可以觀察到熱流條件下裂紋的擴展過程:在2000時間步時,加入的兩條裂紋有擴大的趨勢；在4000時間步時,原始裂紋附近出現(xiàn)了位錯,在界面處出現(xiàn)了一條新的裂紋；在800

8、0時間步時,原始裂紋和新產(chǎn)生的裂紋不斷擴大最終合并,界面出現(xiàn)了分層破壞。在20000時間步時,分層繼續(xù)擴大。根據(jù)裂紋附近的溫度分布,表明裂紋的擴展會導(dǎo)致在裂紋擴展方向形成高溫區(qū)域。另外研究了裂紋長度對熱流的影響,在4000時間步前,裂紋越長則對應(yīng)的熱流也較大,而較靠近熱源的裂紋對熱流有更大的影響。
　　 5.界面?zhèn)鳠岬亩喑叨饶Ｐ?構(gòu)建了針對界面?zhèn)鳠岬腗D—FE多尺度模型。根據(jù)仿真結(jié)果,多尺度區(qū)域的溫度分布圖可以看出原子區(qū)域描述的

9、界面相互作用對有限元區(qū)域的影響,并展現(xiàn)出合理的溫度梯度,這體現(xiàn)了FE區(qū)域和MD區(qū)域的相互作用。將多尺度模型計算得到界面熱阻與MD模型進(jìn)行了對比,多尺度模型得到熱阻隨時間的變化表現(xiàn)出與MD模型相似的趨勢；多尺度模型計算得到的熱阻更大,這與MD區(qū)域和FE區(qū)域的耦合機制有關(guān)。而在熱源溫度增加后,兩種模型的計算結(jié)果有更接近的趨勢。通過仿真結(jié)果的對比表明,在提高計算效率的同時,在這里建立的多尺度模型可以獲得與MD模型相近的精確度。這里的工作對界面