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铜微互连线原子迁移仿真研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2018年第6期46卷 111-115页

作者：宿磊邵杰廖广兰史铁林江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室江苏无锡214122 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室湖北武汉430074

研究具有弯折结构的铜微互连线在不同条件下的原子迁移现象,基于原子通量散度理论构建了结构-热-电耦合的多物理场有限元模型,静态分析了铜微互连线结构的电流、温度及应力分布情况,动态模拟了原子迁移全过程.分析了原子迁移过程中电迁... 详细信息

研究具有弯折结构的铜微互连线在不同条件下的原子迁移现象,基于原子通量散度理论构建了结构-热-电耦合的多物理场有限元模型,静态分析了铜微互连线结构的电流、温度及应力分布情况,动态模拟了原子迁移全过程.分析了原子迁移过程中电迁移、热迁移及应力迁移各自的作用,揭示了电流密度、环境温度、退火温度和缺陷对原子迁移行为及寿命的影响规律.分析仿真结果发现：电迁移和应力迁移在原子迁移过程中促进了孔洞的生长且占主导作用,热迁移起到了一定抑制作用但所占比例不大.

关键词：原子迁移铜微互连线原子通量散度法多物理场耦合失效机制

集成电路封装柱形铜凸点在耦合场中原子迁移的数值研究

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集成电路封装柱形铜凸点在耦合场中原子迁移的数值研究

作者：李艳电子科技大学

学位级别：硕士

随着尺寸的进一步微型化和载荷严酷化,集成电路(IC)封装焊点必将遭遇原子迁移这一可靠性瓶颈。铜柱形凸点是一种新型的、超高密度的倒装芯片互连形式,将成为下一代IC封装的主流技术。本文旨在通过电场理论、热动力学理论和粘塑性力学分... 详细信息

随着尺寸的进一步微型化和载荷严酷化,集成电路(IC)封装焊点必将遭遇原子迁移这一可靠性瓶颈。铜柱形凸点是一种新型的、超高密度的倒装芯片互连形式,将成为下一代IC封装的主流技术。本文旨在通过电场理论、热动力学理论和粘塑性力学分析,研究耦合场作用下柱形铜凸点的电迁移、热迁移、应力迁移现象。采用有限元方法对具体模型进行分析,提取原子迁移的关键参数,分析原子迁移的机制。我们对原子在耦合场的失效进行分析,首先对柱形铜凸点中的电迁移、热迁移和应力迁移因素单独分析,各个击破;然后综合研究在多场耦合条件下,这三种迁移的联合行为,并考虑不同大小的载荷对各个力的影响。电流加载是集成电路(IC)封装焊点的一般的工作条件,本文采用有限元方法对具体模型施加不同的电流,清晰描绘其电流分布的物理图像,得出最大电流密度的数值和区域,以确认电迁移“可疑”和优先位置。用模拟仿真的方法得出了因焊料远离电流阻塞区域而使柱形铜凸点的抗电迁移性能力有所提高。同时通过定量分析热迁移力,计算得出了热梯度所产生的迁移力能在很大程度上影响电迁移力。热迁移必然成为一种失效隐患。温差也是集成电路(IC)封装焊点所要面对的一个问题。这是由于材料的热性能和电阻率的差异而造成的。本文对柱形铜凸点在温度载荷的加载下的原子迁移失效模式进行了研究。并运用ANSYS软件对具体模型进行模拟研究,得到了柱形铜凸点内部温度梯度和应力分布。在铜柱形焊点中温度载荷对焊点失效影响很大,在芯片加载125℃的温度载荷就能得到很大的焊点的热应力梯度,产生的迁移力(比温度梯度的迁移力大)致使原子迁移。用模拟仿真的方法得出了在温度载荷下,应力迁移会在焊点上发生。柱形铜凸点在电流的加载时,原子迁移失效是在电热力耦合场的共同作用下形成的。焊点原子失效模式要考虑周全,要把电迁移力、热应力迁移力和温度梯度迁移力都考虑进去才能建立正确的原子迁移失效模型。本文研究柱形铜凸点在多场(电场、热场和力场)耦合作用下的原子迁移(电迁移、热迁移和应力迁移)失效模式与机理,分析影响原子迁移的主要原因,有望在IC封装的原子迁移可靠性改善方面获得重大突破。

关键词：集成电路封装柱形铜凸点原子迁移有限元模拟

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铜微互连线的原子迁移失效研究

铜微互连线的原子迁移失效研究

作者：邵杰华中科技大学

学位级别：硕士

随着微互连向深亚微米尺度发展,电流密度高、应力集中、散热难等问题愈发突出,原子迁移失效逐渐成为了超大规模集成电路不可忽视的可靠性问题。铜比铝具有更低的电阻率、更好的抗电迁移性能,已经成为新一代互连材料,但是针对铜互连的原... 详细信息

随着微互连向深亚微米尺度发展,电流密度高、应力集中、散热难等问题愈发突出,原子迁移失效逐渐成为了超大规模集成电路不可忽视的可靠性问题。铜比铝具有更低的电阻率、更好的抗电迁移性能,已经成为新一代互连材料,但是针对铜互连的原子迁移研究还远远不够。本文以铜微互连线为研究对象,结合多物理场耦合模拟和电迁移加速测试,研究原子迁移行为及孔洞的演化过程,主要内容包括:(1)开发了原子迁移模拟程序,针对铜微互连线进行了模拟。基于原子通量散度理论,结合开发的应力梯度求解脚本、ANSYS结构—热—电耦合多物理场模型、APDL和生死单元技术,实现了原子迁移静态和动态模拟。结果显示:电流密度不会影响迁移断开位置,而参考温度和缺陷孔洞会使得断开位置发生转移;环境温度对迁移寿命的影响远高于退火温度;电流密度小于13.5MA/cm时,应力迁移处于主导地位,超过13.5MA/cm则是电迁移主导。我们还发现原子迁移过程中孔洞的演化主要是由电迁移和应力迁移所致,热迁移的作用可以忽略。(2)设计了铜微互连线原子迁移加速测试实验,研究了电流、环境温度对迁移寿命和迁移行为的影响。采用光刻、溅射、退火等工艺制备出测试样片并设计了专用夹持装置。通过不同的电流加载方式证明了原子迁移失效和瞬时过载失效是截然不同的:过载失效有明显的熔化现象,迁移失效结构表面有大量孔洞,我们还发现迁移寿命和环境温度呈线性关系。这都与仿真结果非常相似,验证了开发模拟程序的准确性和可靠性。直角弯折和直线过渡区域均发现了大量的孔洞(或者直接断开),小丘有向直线过渡区域淤积的倾向。电阻—时间曲线的波动从侧面证明了原子迁移过程中孔洞的扩展还伴随着重新填充。上述研究有助于深入理解铜互连线的原子迁移现象及失效特征,为铜互连的可靠性设计提供了基础。

关键词：铜微互连线原子迁移原子通量散度多物理场耦合模拟加速测试

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柱形铜凸点在电热耦合场中的原子迁移行为

中国科技论文在线 2011年第7期6卷 539-546页

作者：李艳邬博义刘宇张遒姝黄洪钟电子科技大学机械电子工程学院成都611731

从电场理论和热动力学理论出发,研究了电热耦合场中柱形铜凸点的原子迁移失效的形成过程,并运用ANSYS软件建立了有限元分析模型,对电迁移和热迁移做了定性和定量分析,揭示了柱形铜凸点在电热耦合作用下的失效机理。该研究对IC封装的原... 详细信息

从电场理论和热动力学理论出发,研究了电热耦合场中柱形铜凸点的原子迁移失效的形成过程,并运用ANSYS软件建立了有限元分析模型,对电迁移和热迁移做了定性和定量分析,揭示了柱形铜凸点在电热耦合作用下的失效机理。该研究对IC封装的原子迁移可靠性的改善提供了理论指导。

关键词： IC封装柱形铜凸点原子迁移有限元方法

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柱形铜凸点在热力耦合场中的原子迁移

中国科技论文在线 2011年第8期6卷 580-584,601页

作者：何俐萍邬博义李艳张遒姝黄洪钟电子科技大学机械电子工程学院成都611731

随着尺寸的进一步微型化和载荷严酷化,集成电路(integrated circuit,IC)封装焊点中的原子迁移失效问题越来越突出。由于材料热性能和电阻率的差异而造成的温差是封装焊点所要面对的主要问题之一。针对铜柱形凸点这种新型倒装芯片互连形... 详细信息

随着尺寸的进一步微型化和载荷严酷化,集成电路(integrated circuit,IC)封装焊点中的原子迁移失效问题越来越突出。由于材料热性能和电阻率的差异而造成的温差是封装焊点所要面对的主要问题之一。针对铜柱形凸点这种新型倒装芯片互连形式,通过热动力学理论和黏塑性力学分析,运用有限元方法研究了热场和力场耦合作用下柱形铜凸点的热迁移和应力迁移现象。通过分析温度载荷模型下影响原子迁移的多个因素,提取了温度梯度和应力分布等关键参数,进而得到热力耦合场作用下原子迁移的失效机制和发生条件。所建立的失效模型有助于促进IC封装方面原子迁移的可靠性改善工作。

关键词：集成电路封装柱形铜凸点热力耦合原子迁移有限元模拟

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单个砷原子在砷化镓富砷表面的迁移行为

太原科技大学学报 2014年第2期35卷 115-119页

作者：李坤杨雯杜诗文太原科技大学应用科学学院太原030024 太原科技大学材料科学与工程学院太原030024

采用分子动力学方法计算了单个砷原子在砷化镓(001)β2(2×4)富砷表面迁移的势能面,研究了砷原子在该表面上的迁移行为。结果表明,在该表面存在一部分低能量的吸附位和一条平行于砷二聚体的迁移路径。且在这条迁移路径中,砷原子迁移所... 详细信息

采用分子动力学方法计算了单个砷原子在砷化镓(001)β2(2×4)富砷表面迁移的势能面,研究了砷原子在该表面上的迁移行为。结果表明,在该表面存在一部分低能量的吸附位和一条平行于砷二聚体的迁移路径。且在这条迁移路径中,砷原子迁移所需要跃过的势垒均小于0.6 eV.因此在常温情况下,砷原子有可能在这条迁移路径中聚合成团簇。

关键词：表面原子迁移分子动力学模拟

高速率沉积磁控溅射技术制备Ge点的退火生长研究

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物理学报 2014年第15期63卷 327-334页

作者：张鑫鑫靳映霞叶晓松王茺杨宇云南大学光电信息材料研究所昆明650091

采用磁控溅射技术在Si衬底上以350?C沉积14 nm的非晶Ge薄膜,通过退火改变系统生长热能,实现了低维Ge/Si点的生长.利用原子力显微镜(AFM)和拉曼(Raman)光谱所获得的形貌和声子振动信息,对Ge点的形成机理和演变规律进行了研究.实验结果表... 详细信息

采用磁控溅射技术在Si衬底上以350?C沉积14 nm的非晶Ge薄膜,通过退火改变系统生长热能,实现了低维Ge/Si点的生长.利用原子力显微镜(AFM)和拉曼(Raman)光谱所获得的形貌和声子振动信息,对Ge点的形成机理和演变规律进行了研究.实验结果表明:在675?C退火30 min后,非晶Ge薄膜转变为密度高达8.5×109cm-2的Ge点.通过Ostwald熟化理论、表面扩散模型和对激活能的计算,很好地解释了退火过程中,Ge原子在Si表面迁移、最终形成纳米点的行为.研究结果表明用高速沉积磁控溅射配合热退火制备Ge/Si纳米点的方法,可为自组织量子点生长实验提供一定的理论支撑.

关键词：锗纳米点磁控溅射原子迁移激活能

热力因素对合金元素在Ti-24Al-15Nb-1.5Mo/TC4焊接界面上扩散规律的影响

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稀有金属材料与工程 2005年第6期34卷 907-911页

作者：姚泽坤梁新民郭鸿镇陈绍楷张会西北工业大学陕西西安710072 西北有色金属研究院陕西西安710016

　研究了2种状态的金属问化合物基合金Ti-24Al-15Nb-1.5Mo与TC4钛合金毛坯经真空电子束焊接后,锻造温度、热处理制度、变形量等热力因素以及它们的交互作用对合金元素Al,Nb,V在焊接界面上扩散规律的影响。研究发现:增加变形和提高热处... 详细信息

　研究了2种状态的金属问化合物基合金Ti-24Al-15Nb-1.5Mo与TC4钛合金毛坯经真空电子束焊接后,锻造温度、热处理制度、变形量等热力因素以及它们的交互作用对合金元素Al,Nb,V在焊接界面上扩散规律的影响。研究发现:增加变形和提高热处理温度,可以增大原子迁移的动能,有利于提高合金元素的扩散速度,均匀焊缝显微硬度;加大变形量,有利于提高晶格畸变能并细化晶粒、改变相的形态、减小相的尺寸,缩短合金元素的扩散路程。Nb在重新凝固区Ti-24Al-15Nb-1.5Mo一侧浓度高于合金的名义成分是由于在焊缝区α2→α变化时,Nb从DO19结构点阵中扩散出来,填补Al,Mo扩散后的空位,造成局部堆积所致。变形后热处理规范的不同,导致焊缝区的显微硬度不同,这与热处理过程中显微组织变化有关。

关键词：合金元素扩散规律焊接界面热力因素真空电子束焊接 TC4钛合金金属间化合物显微硬度热处理制度热处理温度热处理规范热处理过程锻造温度交互作用原子迁移扩散速度大变形量细化晶粒组织变化焊缝区基合金

基于分子动力学模拟的Fe_(2)O_(3)纳米颗粒烧结机制研究

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化工学报 2023年第8期74卷 3353-3365页

作者：曾如宾沈中杰梁钦锋许建良代正华刘海峰华东理工大学国家能源煤气化技术研发中心上海200237 华东理工大学上海市煤气化工程技术研究中心上海200237 新疆大学化工学院新疆乌鲁木齐830046

氧化铁是化工、冶金和能源等领域重要的原料,其在高温下的烧结性对产品性能至关重要。通过分子动力学模拟(MDS)研究了不同温度、粒径与空位缺陷浓度条件下Fe_(2)O_(3)纳米颗粒的烧结机制。结果表明,Fe_(2)O_(3)纳米颗粒粒径由3 nm增加至... 详细信息

氧化铁是化工、冶金和能源等领域重要的原料,其在高温下的烧结性对产品性能至关重要。通过分子动力学模拟(MDS)研究了不同温度、粒径与空位缺陷浓度条件下Fe_(2)O_(3)纳米颗粒的烧结机制。结果表明,Fe_(2)O_(3)纳米颗粒粒径由3 nm增加至5 nm,烧结后收缩率由25.0%降低至10.8%,相对颈部宽度由96.6%降低至49.5%。当温度由900 K升高至1300 K,烧结过程原子扩散系数由1.758×10^(-3)nm^(2)/ps增至4.303×10^(-3)nm^(2)/ps,增大1.45倍。高温下(1300 K)原子迁移使颗粒部分结构由HCP和BCC结构转变为非晶结构,非晶原子比例为66.7%。含10.0%初始空位缺陷浓度纳米颗粒烧结过程的扩散活化能相比完美晶体(0空位浓度)降低约63.5%,原子迁移性及烧结致密化程度增强。研究结果对氧化铁颗粒高温热处理工艺优化具有指导意义。

关键词： Fe_(2)O_(3)纳米颗粒空位缺陷烧结机制原子迁移分子动力学模拟

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