不同材料界面?zhèn)鳠岬亩喑叨冉＜拔锢頇C(jī)制研究.pdf

1、多層結(jié)構(gòu)和多個(gè)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(wèn)題。國(guó)外研究者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)界面是微系統(tǒng)制造和運(yùn)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(shì),最小芯片的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到微米量級(jí),界面效應(yīng)越來(lái)越明顯,對(duì)微觀界面相關(guān)物理規(guī)律的研究勢(shì)在必行。IC朝微小化發(fā)展意味著對(duì)傳熱的要求越來(lái)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(duì)傳熱都有較大影響,其中界面熱阻對(duì)微觀傳熱影響較大,而宏觀方法已經(jīng)不再適用。
　　 通過(guò)微觀途徑,可以建立起對(duì)材料行為的基本認(rèn)識(shí),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(dòng)力學(xué)(MD)是微觀建模的主要手段。許多在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法獲得的微觀細(xì)節(jié),在分子動(dòng)力學(xué)模擬中都可以方便地觀察到。這些優(yōu)點(diǎn)使分子動(dòng)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(dòng)力

3、學(xué)方法對(duì)界面?zhèn)鳠徇^(guò)程中的物理特征進(jìn)行了研究,在通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了納米級(jí)缺陷在傳熱過(guò)程中的演變及對(duì)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(duì)界面區(qū)域的影響,模擬拉伸過(guò)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(kuò)散鍵合形成界面的過(guò)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(shì),但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定狀態(tài)的出現(xiàn)。

4、通過(guò)對(duì)底面和頂面三層原子的位移進(jìn)行控制,對(duì)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(kuò)散鍵合過(guò)程對(duì)在不同材料問(wèn)成鍵的有效性。
　　 2.基于實(shí)驗(yàn)的模型驗(yàn)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(duì)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(guó)HYSITRON公司)對(duì)加載前后的試樣進(jìn)行測(cè)試分析。通過(guò)對(duì)比劃痕實(shí)驗(yàn)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(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(duì)Al-W界面的影響比Cr—W界面小。根據(jù)納米壓痕測(cè)試結(jié)果,界面結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后彈性模量和硬度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),MD模型得到的彈性模量與實(shí)驗(yàn)值有一定差距,但從仿真中也反映了界面結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)

6、熱載荷后彈性模量有所減少的現(xiàn)象,并且對(duì)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(dòng)力學(xué)描述界面組織演化和材料缺陷特征,計(jì)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(jī)制。根據(jù)本文的仿真,在尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),在界面附近存在高溫區(qū)域,而巨大的溫差會(huì)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(duì)界面破壞有重要影響。而對(duì)Cu—Al界面和Cu—Cu界面進(jìn)行的對(duì)比研究為了驗(yàn)證了以上結(jié)論。探索材料中裂紋對(duì)界面熱力特性的影響,為封裝材料界面破壞機(jī)制提供理論依據(jù)。
　　 4.通過(guò)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(kuò)展過(guò)程:在2000時(shí)間步時(shí),加入的兩條裂紋有擴(kuò)大的趨勢(shì)；在4000時(shí)間步時(shí),原始裂紋附近出現(xiàn)了位錯(cuò),在界面處出現(xiàn)了一條新的裂紋；在800

8、0時(shí)間步時(shí),原始裂紋和新產(chǎn)生的裂紋不斷擴(kuò)大最終合并,界面出現(xiàn)了分層破壞。在20000時(shí)間步時(shí),分層繼續(xù)擴(kuò)大。根據(jù)裂紋附近的溫度分布,表明裂紋的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致在裂紋擴(kuò)展方向形成高溫區(qū)域。另外研究了裂紋長(zhǎng)度對(duì)熱流的影響,在4000時(shí)間步前,裂紋越長(zhǎng)則對(duì)應(yīng)的熱流也較大,而較靠近熱源的裂紋對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)算得到界面熱阻與MD模型進(jìn)行了對(duì)比,多尺度模型得到熱阻隨時(shí)間的變化表現(xiàn)出與MD模型相似的趨勢(shì)；多尺度模型計(jì)算得到的熱阻更大,這與MD區(qū)域和FE區(qū)域的耦合機(jī)制有關(guān)。而在熱源溫度增加后,兩種模型的計(jì)算結(jié)果有更接近的趨勢(shì)。通過(guò)仿真結(jié)果的對(duì)比表明,在提高計(jì)算效率的同時(shí),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(duì)界面