微電子器件界面結(jié)構(gòu)傳熱與力學(xué)行為多尺度研究.pdf

1、目前，微電子元器件已被廣泛地應(yīng)用在航空航天、軍事及民用電子產(chǎn)品中。隨著微電子設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展，微電子器件不斷地向高密度、微型化、功能化方向發(fā)展，器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，界面結(jié)構(gòu)及非連續(xù)性結(jié)構(gòu)也越來越多。大量的研究表明界面結(jié)構(gòu)是影響器件乃至整個系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，超過90％的破壞和缺陷都首先出現(xiàn)在界面處。因此，對界面結(jié)構(gòu)的傳熱及力學(xué)特性進行研究將具有重要意義，但是隨著制造工藝的發(fā)展，由界面結(jié)構(gòu)的納米級尺寸使得傳統(tǒng)的建模及分析

2、手段已經(jīng)不再適應(yīng)，如何兼顧不同尺度下不同分析方法的優(yōu)勢，構(gòu)建一種多尺度分析方法對界面結(jié)構(gòu)的微尺度傳熱及界面力學(xué)特性進行研究是解決此問題的有效途徑之一。
　　 本文針對微電子制造過程中的界面結(jié)構(gòu)的微尺度傳熱及力學(xué)特性進行了多尺度研究。一方面，從不同尺度下的分析方法入手，構(gòu)建了基于分子動力學(xué)(MolecularDynamic，MD)-界面元(InterfaceStressElement,ISE)-有限元(FiniteElement,

3、FE)的多尺度模型及分析方法，并對一維力學(xué)及傳熱進行數(shù)值分析;另一方面，利用實驗手段對界面結(jié)構(gòu)的傳熱及力學(xué)特性進行研究。首先，利用磁控濺射技術(shù)制備不同材料構(gòu)成的界面結(jié)構(gòu)，分析制備工藝參數(shù)及制備方法對薄膜生長速率的影響;然后，基于瞬態(tài)熱反射法及納米壓痕技術(shù)分別對界面結(jié)構(gòu)的熱特性及力學(xué)特性進行系統(tǒng)的研究。
　　 首先，設(shè)計不同尺度下的耦合握手區(qū)(Handshake，HS)，將不同尺度下的分析方法進行耦合，構(gòu)建界面結(jié)構(gòu)的MD-ISE-

4、FE多尺度分析模型，提出了一種基于MD-ISE-FE的微觀-宏觀多尺度分析方法。在原子與微觀尺度，通過設(shè)計MD-ISE握手區(qū)，將該區(qū)域的原子與界面元耦合在一起;同時在微觀與宏觀尺度下，通過本構(gòu)方程將界面元與有限元直接耦合在一起?；谠撃Ｐ蛯Σ煌牧辖缑娼Y(jié)構(gòu)進行了一維傳熱及力學(xué)特性的數(shù)值研究，研究結(jié)果表明:由相同材料或者熱力學(xué)特性相近材料構(gòu)成的界面結(jié)構(gòu)具有更好的界面?zhèn)鳠峒傲W(xué)特性。
　　 其次，針對擴散界面結(jié)構(gòu)，在不同溫度下研究了

5、其微尺度傳熱及力學(xué)特性。一方面，在微觀尺度下，界面的擴散厚度隨溫度的增加而逐漸增加(溫度為300K時，界面的擴散厚度占界面厚度的5.19％)。根據(jù)現(xiàn)有結(jié)論可知:隨著溫度的增加，界面熱導(dǎo)率會由于聲子散射加劇而降低;但是本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著溫度的增加，界面聲子散射越來越嚴重，界面聲子匹配度及聲子傳熱速率降低;而界面熱導(dǎo)率卻呈現(xiàn)出先增加后減小去趨勢。分別利用MD及MD-TTM(Two-TemperatureMode1)模型從聲子及電子的角度

6、對界面熱導(dǎo)率進行了研究。研究發(fā)現(xiàn):隨著溫度的增加（≤界面材料的再結(jié)晶溫度），界面電子傳熱提高了界面結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率。研究證明了金屬界面結(jié)構(gòu)微尺度傳熱是由聲子及電子共同耦合作用的結(jié)果，且發(fā)現(xiàn)界面電子傳熱相對于界面聲子占主導(dǎo)地位。另一方面，對不同材料界面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進行研究，通過對材料界面結(jié)構(gòu)微觀拉伸實驗，研究了其應(yīng)力應(yīng)變特性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):擴散界面的應(yīng)力應(yīng)變曲線比理想不同材料界面的更加平緩;由相同材料構(gòu)成的界面結(jié)合力及結(jié)合特性高于由不同材料

7、構(gòu)成的界面;界面金屬擴散對界面結(jié)合力有一定的削弱作用，主要由于不同材料界面中產(chǎn)生金屬間化合物的脆性所致，這也是引起界面處裂紋萌生及擴散的主要原因之一。
　　 最后，利用磁控濺射技術(shù)、瞬態(tài)熱反射法及納米壓痕技術(shù)，從實驗的角度對界面結(jié)構(gòu)的制備、傳熱及力學(xué)特性進行了研究。一方面，研究了不同功率及不同制備方法下的直流濺射速率。研究發(fā)現(xiàn):直流濺射時薄膜的生長速率為射頻濺射薄膜生長速率的近10倍，界面熱導(dǎo)率隨著厚度的增加而增加。另一方面，利

8、用3ω瞬態(tài)熱反射法對薄膜界面的傳熱參數(shù)進行提取及表征;同時利納米壓痕技術(shù)對界面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進行實驗表征。研究發(fā)現(xiàn):隨界面結(jié)構(gòu)厚度的增加熱導(dǎo)率增加;隨著壓入深度的增加，界面的彈性模量與硬度基本呈現(xiàn)出下降的趨勢。這與樣品在制備過程的生長機理有關(guān)，在磁控濺射生長薄膜時，是從無到有，從薄到厚，先進行隨機堆積，然后再進行有序成核生長并形成晶體結(jié)構(gòu)。最開始生長的薄膜中間晶核及晶體結(jié)構(gòu)較少、材料缺陷率大以及密度低等原因，從而導(dǎo)致了界面熱導(dǎo)率隨厚度增