錫基材料的理論計算與實驗研究.pdf

1、錫基材料因具有良好的物理特性而被廣泛應(yīng)用于電子器件互連封裝和光電子器件制造等工業(yè)領(lǐng)域。近年來，電子器件的微型化以及自旋電子和光電子材料的發(fā)展使得人們對錫基材料的關(guān)注主要集中在錫基合金互連結(jié)構(gòu)的可靠性，錫基界面金屬間化合物的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)以及錫基氧化物的磁性和光學(xué)性質(zhì)。因此，對錫基材料相關(guān)物理性質(zhì)進行系統(tǒng)和深入的研究具有重要意義。
　　 本論文利用實驗和理論計算(第一性原理和有限元)的方法對錫基合金的電遷移行為，Cu-Sn和Pt

2、-Sn金屬間化合物的力學(xué)和熱力學(xué)特性以及摻雜SnO2體系的磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì)進行了系統(tǒng)的研究。
　　 通過對錫基合金的電遷移行為的研究，我們發(fā)現(xiàn)：首先，微小焊球互連結(jié)構(gòu)中Cu-Sn界面金屬間化合物層在焊料中的不規(guī)則分布會在局部區(qū)域產(chǎn)生電流積聚。在此區(qū)域中電遷移缺陷會加速生長。其次，Sn-82n-3Bi互連結(jié)構(gòu)兩極Cu5Zu8金屬間化合物擠出層的生長是由于Zn在化學(xué)勢梯度和電遷移驅(qū)動力的共同作用下向兩極連續(xù)擴散的結(jié)果。第三，在SnBi

3、合金薄膜中由于Sn和Bi的電遷移擴散速率不同而在樣品中出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。同時，第一性原理計算和實驗結(jié)果證明了樣品微結(jié)構(gòu)的細(xì)化可以加速SnBi合金中Bi的電遷移擴散速率。
　　 利用第一性原理對Cu-Sn和Pt-Sn金屬間化合物力學(xué)性質(zhì)的計算表明，金屬間化合物的體模量隨著Sn含量的增加而減少，并且都表現(xiàn)出較強的彈性各向異性特征。其彈性各向異性起源于由晶體結(jié)構(gòu)決定的Cu和Sn原子間共價鍵成分的定向分布。同時，熱力學(xué)計算結(jié)果表明C

4、u-Sn和Pt-Sn金屬間化合物的熱力學(xué)參量(如比熱等)隨著Pt含量的增加而減小。以上說明錫基金屬間化合物的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)與其單質(zhì)組元的性質(zhì)和含量緊密相關(guān)。
　　 關(guān)于錫基氧化物材料的研究，我們利用第一性原理計算方法預(yù)測在K摻雜SnO2體系中存在室溫鐵磁性，并闡明其磁相互作用滿足RKKY機制。同時，我們在K摻雜SnO2粉末樣品中觀察到了室溫鐵磁性。我們認(rèn)為摻雜元素的不均勻分布以及處于間隙位的K和H的空穴補償作用會削弱體系的磁性