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锡基材料的理论计算与实验研究

作　者: 周伟
导　师: 吴萍
学　校: 天津大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 锡基材料第一性原理计算有限元电迁移弹性各向异性室温铁磁性透明导电
分类号: TG146.14
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

锡基材料因具有良好的物理特性而被广泛应用于电子器件互连封装和光电子器件制造等工业领域。近年来,电子器件的微型化以及自旋电子和光电子材料的发展使得人们对锡基材料的关注主要集中在锡基合金互连结构的可靠性,锡基界面金属间化合物的力学和热力学性质以及锡基氧化物的磁性和光学性质。因此,对锡基材料相关物理性质进行系统和深入的研究具有重要意义。本论文利用实验和理论计算（第一性原理和有限元）的方法对锡基合金的电迁移行为,Cu-Sn和Pt-Sn金属间化合物的力学和热力学特性以及掺杂SnO₂体系的磁学和光学性质进行了系统的研究。通过对锡基合金的电迁移行为的研究,我们发现:首先,微小焊球互连结构中Cu-Sn界面金属间化合物层在焊料中的不规则分布会在局部区域产生电流积聚。在此区域中电迁移缺陷会加速生长。其次,Sn-8Zn-3Bi互连结构两极Cu5Zn8金属间化合物挤出层的生长是由于Zn在化学势梯度和电迁移驱动力的共同作用下向两极连续扩散的结果。第三,在SnBi合金薄膜中由于Sn和Bi的电迁移扩散速率不同而在样品中出现了明显的分层现象。同时,第一性原理计算和实验结果证明了样品微结构的细化可以加速SnBi合金中Bi的电迁移扩散速率。利用第一性原理对Cu-Sn和Pt-Sn金属间化合物力学性质的计算表明,金属间化合物的体模量随着Sn含量的增加而减少,并且都表现出较强的弹性各向异性特征。其弹性各向异性起源于由晶体结构决定的Cu和Sn原子间共价键成分的定向分布。同时,热力学计算结果表明Cu-Sn和Pt-Sn金属间化合物的热力学参量（如比热等）随着Pt含量的增加而减小。以上说明锡基金属间化合物的力学和热力学性质与其单质组元的性质和含量紧密相关。关于锡基氧化物材料的研究,我们利用第一性原理计算方法预测在K掺杂SnO₂体系中存在室温铁磁性,并阐明其磁相互作用满足RKKY机制。同时,我们在K掺杂SnO₂粉末样品中观察到了室温铁磁性。我们认为掺杂元素的不均匀分布以及处于间隙位的K和H的空穴补偿作用会削弱体系的磁性。另一方面,计算结果表明W容易以+6价掺杂入SnO₂,并增加体系的导电能力和光学带隙。而O缺陷的形成则会进一步增强体系的导电能力和其在可见光区域的光吸收。此外,我们还发现该体系的光学各向异性起源于原子和键价的定向高密度分布。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
第一章综述  9-40
  1.1 锡基材料研究现状  9-29
    1.1.1 锡基合金  9-21
      1.1.1.1 锡基焊料合金简介  10-13
      1.1.1.2 锡基合金互连结构的电迁移  13-21
    1.1.2 锡基金属间化合物  21-24
    1.1.3 锡基氧化物  24-29
      1.1.3.1 SnO_2 的磁性研究  25-27
      1.1.3.2 SnO_2 的光电性能研究  27-29
  1.2 基于密度泛函理论的第一性原理计算方法  29-38
    1.2.1 绝热近似  30
    1.2.2 Hohenberg-Kohn 定理  30-31
    1.2.3 Kohn-Sham 方程  31-32
    1.2.4 交换关联能泛函  32-34
      1.2.4.1 局域密度近似(LDA)  33
      1.2.4.2 广义梯度近似(GGA)  33-34
      1.2.4.3 轨道泛函与非局域泛函  34
    1.2.5 Kohn-Sham 方程的自洽求解  34-35
    1.2.6 平面波方法  35-36
    1.2.7 赝势方法  36-37
    1.2.8 密度泛函理论的其他发展  37-38
      1.2.8.1 DFT+U 方法  37
      1.2.8.2 密度泛函微扰理论  37-38
  1.3 本论文的工作  38-40
第二章理论计算和实验方法  40-50
  2.1 计算方法  40-41
    2.1.1 第一性原理软件  40-41
      2.1.1.1 CASTEP 软件包  40
      2.1.1.2 Abinit 软件包  40
      2.1.1.3 QUANTUM ESPRESSO 软件包  40-41
    2.1.2 有限元方法  41
  2.2 实验方法  41-47
    2.2.1 电迁移实验用锡基焊球的制备  41-43
    2.2.2 电迁移焊球互连样品的制备  43-44
    2.2.3 电迁移薄膜样品的制备  44-45
      2.2.3.1 磁控溅射原理  44
      2.2.3.2 薄膜的制备过程  44-45
    2.2.4 电迁移实验  45
    2.2.5 热老化实验  45-46
    2.2.6 锡基氧化物粉末样品的制备  46-47
      2.2.6.1 溶胶-凝胶法  46
      2.2.6.2 K 掺杂SnO_2 粉末的制备  46-47
  2.3 测试方法  47-50
    2.3.1 样品形貌测量  47
    2.3.2 样品结构的表征  47-49
    2.3.3 样品成分和价态的表征  49
    2.3.4 样品磁性测量  49-50
第三章锡基合金的电迁移行为研究  50-78
  3.1 界面金属间化合物形貌对 Cu/Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu 互连结构电迁移行为的影响  50-59
  3.2 Cu/Sn-8Zn-3Bi/Cu 互连结构的电迁移行为研究  59-66
  3.3 SnBi 合金薄膜电迁移行为研究  66-77
  3.4 本章小结  77-78
第四章锡基金属间化合物的力学和热力学性质研究  78-110
  4.1 Cu-Sn 金属间化合物的力学和热力学性质  78-91
    4.1.1 基态结构和力学性质  78-87
    4.1.2 热力学性质  87-91
  4.2 Pt-Sn 金属间化合物的力学和热力学性质  91-108
    4.2.1 Pt-Sn 金属间化合物的基态性质  92-103
    4.2.2 Pt-Sn 金属间化合物的热力学性质  103-108
  4.3 本章小结  108-110
第五章锡基氧化物的磁性和光学性质研究  110-134
  5.1 K 掺SnO_2 的磁性研究  110-122
    5.1.1 K 掺SnO_2 的磁性机制的第一性原理研究  110-116
    5.1.2 K 掺SnO_2 的铁磁性的实验研究  116-122
  5.2 W 掺杂SnO_2 的光学性质研究  122-132
    5.2.1 W 掺杂SnO_2 的电子结构  122-130
    5.2.2 W 掺杂SnO_2 的光学性质  130-132
  5.3 本章小结  132-134
第六章结论  134-136
参考文献  136-144
攻读学位期间完成的研究成果以及参与的科研项目  144-147
致谢  147

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