本發(fā)明涉及半導體材料與制造的，具體涉及一種納米孿晶銅粗糙表面直接鍵合原子級仿真方法。

背景技術(shù)：

1、隨著半導體工藝的發(fā)展，器件尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)的二維集成電路(2d?ic)在提升集成度和性能方面逐漸接近物理極限。為了解決這一問題，三維集成電路(3d?ic)技術(shù)應(yīng)運而生，通過垂直堆疊多個芯片，極大地提高了器件集成度和信號傳輸效率。3d?ic技術(shù)依賴于芯片之間的高密度互連，而垂直互連是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常，芯片的互連技術(shù)主要采用銅凸點和硅通孔(tsv)實現(xiàn)，這些技術(shù)可以滿足一定尺寸下的互連需求。然而，隨著器件尺寸的進一步減小，互連間距的降低對這些傳統(tǒng)互連技術(shù)提出了更嚴苛的要求。在微米級甚至納米級的互連結(jié)構(gòu)中，銅互連材料的性能成為決定封裝可靠性和電氣性能的關(guān)鍵因素。

2、隨著器件尺寸逐漸進入亞微米甚至納米級別，傳統(tǒng)的互連技術(shù)在工藝和可靠性方面面臨越來越多的挑戰(zhàn)。微凸點技術(shù)因其焊料在熱壓過程中容易被擠出，導致鍵合界面不均勻以及潛在的電氣短路問題，尤其是在小于20μm的間距下愈發(fā)明顯。此外，焊料本身的熱穩(wěn)定性較差，容易導致互連層的可靠性下降，尤其在高密度封裝中，焊接材料的使用還會增加制造復雜度。為了應(yīng)對這些問題，直接銅-銅鍵合技術(shù)逐漸受到關(guān)注，成為未來高密度封裝中提高電氣性能和封裝可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。

3、直接銅-銅鍵合技術(shù)利用銅材料的高導電性和熱導率，通過表面處理和精確的熱壓控制，在沒有焊料的情況下實現(xiàn)芯片之間的可靠互連。相較于傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，銅-銅鍵合不僅減少了材料的使用，還能夠進一步縮小互連間距，達到10μm甚至更小的封裝要求。近年來，該技術(shù)主要通過兩種方式實現(xiàn)：熱壓鍵合(tcb)和混合鍵合(hb)。tcb技術(shù)通過施加一定的熱和壓力，促進銅原子的擴散和重排，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的金屬鍵合；而混合鍵合則結(jié)合了銅-銅直接接觸和電氣絕緣層的優(yōu)點，使得其在同時滿足機械強度和電氣性能需求的應(yīng)用中具有更廣泛的前景。

4、納米孿晶銅由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能和導電性能，特別是在提高強度和硬度的同時保持較低的電阻率，因此成為一種理想的互連材料。然而，當前在直接銅-銅鍵合中，表面粗糙度和孿晶結(jié)構(gòu)對鍵合界面產(chǎn)生了復雜的影響。粗糙的表面可能會導致銅原子間接觸不完全，產(chǎn)生孔洞，進而影響電氣連接的有效性和機械強度。同時，現(xiàn)有的鍵合工藝研究尚未能有效處理納米級表面粗糙度的問題，對其鍵合過程的原子級仿真欠缺，導致界面性能的不可控性，進而限制了其在高密度封裝中的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種納米孿晶銅粗糙表面直接鍵合原子級仿真方法，可以精確模擬納米孿晶銅表面粗糙度和孿晶結(jié)構(gòu)對銅-銅直接鍵合界面性能的影響，從而優(yōu)化高密度互連工藝，提高電子封裝銅-銅直接鍵合質(zhì)量。

2、本發(fā)明實現(xiàn)目的所采用的方案是：一種納米孿晶銅粗糙表面直接鍵合原子級仿真方法，用于進行分子動力學仿真，該方法包括以下步驟：

3、s1：構(gòu)建納米孿晶銅的塊體結(jié)構(gòu)模型，對納米孿晶銅結(jié)構(gòu)分別進行第一性原理計算與分子動力學模擬，對比分析特征參數(shù)，確定合適的原子間相互作用勢函數(shù)；

4、s2：依據(jù)實驗獲取的多晶、孿晶參數(shù)構(gòu)建多晶納米孿晶銅超胞結(jié)構(gòu)模型，通過構(gòu)建分型特性粗糙度表面得到鍵合前的多晶納米孿晶銅原子級模型；

5、s3：根據(jù)步驟s2構(gòu)建的原子級模型與s1確定的原子間相互作用勢函數(shù)，利用分子動力學方法進行鍵合模擬，對模型鍵合過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控，達到穩(wěn)定鍵合后，對模型進行退火處理，得到鍵合后的多晶納米孿晶銅模型數(shù)據(jù)；

6、s4：根據(jù)s3中得到的多晶納米孿晶銅模型數(shù)據(jù)與s1確定的原子間相互作用勢函數(shù)，利用分子動力學方法進行多晶納米孿晶銅柱互連性能分子動力學模擬，從原子層面確定高可靠性多晶納米孿晶銅直接鍵合工藝條件。

7、優(yōu)選地，所述步驟s1中，特征參數(shù)包括：晶格常數(shù)、密度、熱膨脹系數(shù)、彈性常數(shù)、本征堆垛層錯能、泊松比、體彈性模量、楊氏模量、剪切模型、徑向分布函數(shù)、貝恩路徑。

8、優(yōu)選地，所述步驟s1中，合適的原子間勢函數(shù)包括：嵌入原子勢函數(shù)、修正嵌入原子間勢函數(shù)與機器學習原子間勢函數(shù)。

9、優(yōu)選地，所述步驟s1中，使用的第一性原理計算基于密度泛函理論，泛函包括pbe泛函與scan泛函，分子動力學方法首先使用經(jīng)驗勢函數(shù)進行計算，勢函數(shù)包括eam勢函數(shù)和meam勢函數(shù)。

10、優(yōu)選地，所述步驟s1中，當分子動力學計算參數(shù)對比結(jié)果與第一性原理計算的誤差較低時，則依據(jù)特征參數(shù)對經(jīng)驗勢函數(shù)進行微調(diào)并選定為后續(xù)計算的原子間相互作用勢函數(shù)；當誤差較高時，則基于第一性原理計算使用主動學習方法構(gòu)建機器學習勢函數(shù)并選定為后續(xù)計算的原子間相互作用勢函數(shù)。

11、優(yōu)選地，所述步驟s2包括如下子步驟：

12、s2a、結(jié)合純銅表面電鍍納米孿晶銅實驗觀測結(jié)果，依據(jù)聚焦離子束處理后的橫截面獲取孿晶尺寸與孿晶密度，利用該參數(shù)建模納米孿晶銅晶胞；

13、s2b、依據(jù)電子背散射衍射分析技術(shù)中獲取的多晶分布、晶粒尺寸與晶體取向，在s2a基礎(chǔ)上建立多晶納米孿晶銅超胞模型；

14、s2c、將步驟s2b中建立的超胞模型中部刪除指定層數(shù)原子以構(gòu)建鍵合前預(yù)留空隙，整個模型被分成上下兩個待鍵合的多晶納米孿晶銅柱，基于weierstrass-mandelbrot函數(shù)在兩個銅柱的待鍵合表面分別構(gòu)建具有分形特性的指定粗糙度表面，得到帶有粗糙表面的多晶納米孿晶銅原子級模型。

15、優(yōu)選地，所述步驟s3包括如下子步驟：

16、s3a、將步驟s2構(gòu)建的原子級模型依次劃分為頂部固定層、頂部加熱層、中部弛豫層、底部加熱層和底部固定層；

17、s3b、使用步驟s1確定的原子間相互作用勢函數(shù)進行分子動力學模擬，整體進行能量最小化處理，頂部加熱層和底部加熱層使用正則系統(tǒng)施加不同溫度以定義鍵合過程中的溫度梯度，整體使用微正則系統(tǒng)模擬整個鍵合過程中的熱量傳遞與上下兩部分多晶納米孿晶銅柱膨脹，促使上下表面接觸與自擴散實現(xiàn)鍵合；

18、s3c、鍵合過程中對表面粗糙度、擴散系數(shù)、原子數(shù)密度分布、晶體結(jié)構(gòu)、孿晶結(jié)構(gòu)、孔洞、內(nèi)應(yīng)力、溫度分布與能量進行實時監(jiān)測，達到穩(wěn)定鍵合后，對模型進行退火處理獲得鍵合后多晶納米孿晶銅模型數(shù)據(jù)。

19、優(yōu)選地，所述步驟s4中，使用s1中選定的原子間相互作用勢函數(shù)對s3中獲得的鍵合后多晶納米孿晶銅模型進行互連性能分子動力學模擬，進行的性能模擬包括：互連結(jié)構(gòu)性能、互連熱學性能、斷裂力學性能與互連力學性能。

20、優(yōu)選地，所述步驟s4包括如下子步驟：

21、s4a、根據(jù)步驟s3中得到的穩(wěn)定鍵合的多晶納米孿晶銅模型，利用分子動力學方法對其互連結(jié)構(gòu)性能進行模擬，監(jiān)測其晶體結(jié)構(gòu)變化、層錯孿晶途徑、位錯演化和晶界發(fā)展；

22、s4b、根據(jù)步驟s3中得到的穩(wěn)定鍵合的多晶納米孿晶銅模型，利用分子動力學方法對其互連熱學性能進行模擬，監(jiān)測其熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱導率和比熱；

23、s4c根據(jù)s3中得到的穩(wěn)定鍵合的多晶納米孿晶銅模型，利用分子動力學方法對其斷裂力學性能進行模擬，監(jiān)測其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、應(yīng)力演化、斷口形貌和損傷演化；

24、s4d根據(jù)s3中得到的穩(wěn)定鍵合的多晶納米孿晶銅模型，利用分子動力學方法對其互連力學性能進行模擬，監(jiān)測其孔洞與孔隙率演化、界面應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和界面斷口形貌；

25、s4e、根據(jù)步驟s4a、s4b、s4c和s4d的性能監(jiān)測結(jié)果，優(yōu)化銅-銅直接鍵合材料與工藝參數(shù)，指導s2步驟結(jié)構(gòu)建模與s3步驟工藝模擬，進而形成高可靠性多晶納米孿晶銅直接鍵合工藝。

26、本發(fā)明提出了一種納米孿晶銅原子級粗糙表面的仿真方法，能夠在多尺度上準確建模和仿真銅-銅直接鍵合過程中表面粗糙度對鍵合性能的影響。通過對納米孿晶銅的表面形貌進行原子級精度的模擬，分析孿晶結(jié)構(gòu)在銅-銅界面中的作用機制，為銅互連的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的理論基礎(chǔ)。該方法能夠有效提升銅-銅直接鍵合的界面互連質(zhì)量，降低孔洞的形成，進一步提高互連結(jié)構(gòu)的電氣性能和機械強度，適用于更高互連密度的先進封裝技術(shù)。

27、本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

28、本發(fā)明通過構(gòu)建具有分形特性粗糙表面的多晶納米孿晶銅原子級模型，并使用分子動力學仿真方法，精準模擬納米孿晶銅關(guān)鍵參數(shù)對銅-銅直接鍵合界面性能的影響。通過評估界面的電氣性能、力學強度和原子擴散行為，確保了鍵合后結(jié)構(gòu)的高性能表現(xiàn)，進而優(yōu)化了銅-銅直接鍵合工藝。該仿真方法為高密度封裝中銅互連材料的設(shè)計與優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。