不同材料界面?zhèn)鳠岬亩喑叨冉＜拔锢頇C制研究.pdf

1、多層結構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品性能和可靠性方面關心的重要問題。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達到微米量級,界面效應越來越明顯,對微觀界面相關物理規(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,晶格應力

2、、界面效應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,而宏觀方法已經不再適用。
　　 通過微觀途徑,可以建立起對材料行為的基本認識,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(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節(jié),在分子動力學模擬中都可以方便地觀察到。這些優(yōu)點使分子動力學在物理、化學、材料科學等領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、學方法對界面?zhèn)鳠徇^程中的物理特征進行了研究,在通過實驗進行模型研究的基礎上,進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行控制,對模型進行拉伸加載,根據(jù)得到的應力-應變曲線,應力在達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行測試分析。通過對比劃痕實驗的界面關鍵載荷結果和MD仿真得到的界面斷裂能量結果,可以看出MD計算的結果與實驗是相符的,即Al-W界面的結合力比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)納米壓痕測試結果,界面結構在經過熱循環(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構經過

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,分析熱缺陷的產生機制。根據(jù)本文的仿真,在尚未達到穩(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致應力和裂紋。界面附近出現(xiàn)的高溫度和高應力都是由

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界面進行的對比研究為了驗證了以上結論。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?構建了針對界面?zhèn)鳠岬腗D—FE多尺度模型。根據(jù)仿真結果,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。而在熱源溫度增加后,兩種模型的計算結果有更接近的趨勢。通過仿真結果的對比表明,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