[发明专利]微/纳/光电子器件界面结构的跨尺度设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及微观至宏观数值模拟，特指一种用于微/纳/光电子器件微结构界面的跨尺度耦合设计方法。

背景技术

多层结构和多界面是电子器件本身以及器件互连和封装中普遍存在的现象，界面分层失效成为产品性能和可靠性方面关心的重要问题。国外研究者通过大量实验发现界面是微系统制造和运行中的关键部分，很多破坏和缺陷都发生在界面附近。但微观材料界面规律的研究刚刚起步，以连续介质力学为基础的宏观理论已不再适用。界面物理特征不仅与微结构的几何与材料分布形态有关，还与结构的宏观边界条件，各种载荷等诸多因素有关。

通过微观途径，可以建立起对材料行为的基本认识，它正逐渐成为发展新材料和高性能器件的不可或缺的重要手段。分子动力学(Molecular Dynamics，MD)是微观建模的主要手段之一，许多在实验中无法获得的微观细节，都可以在分子动力学模拟中方便地观察到。分子动力学在原子尺度上比其他方法具有更高的时间和空间求解能力，因此无法用连续介质分析方法求解的微观物理现象都可以用分子动力学进行有效的研究。但分子动力学模拟的缺陷是：计算需要庞大的时间，其计算时间随着原子数的增加而急剧增加，为了减少计算时间，分子动力学仿真所用的原子数量一般比较少，即便是超级计算机也只能模拟10⁹个原子，也就是不到1平方微米的材料，这样的尺度范围对如裂纹扩展、能量冲击等的仿真显然是不够的。因此，如何利用分子动力学的微观求解能力和连续介质力学的宏观求解能力，有效地进行跨尺度耦合方法设计成为当前的难题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中分子动力学模拟的缺陷而提出一种高效及低成本的微/纳/光电子器件界面结构的跨尺度设计方法。

本发明的技术方案是采用如下步骤：（1）设计有限元界面元耦合区域和分子动力学界面元耦合区域，在耦合区域将哈密顿量分解为不同尺度的哈密顿量，实现不同尺度的耦合，构造有限元、界面元及分子动力学的耦合模型；（2）在有限元区域利用有限元法求解有限元方程                                                ，计算模型的宏观尺寸，，，分别为有限元法的刚度矩阵、位移矩阵和载荷矩阵、f是有限元的单元；（3）在有限元界面元耦合区域，利用过度界面元法将第（2）步求得的有限元方程解转化到界面元区域的边界进而求解出界面元区域的解；（4）根据界面元区域的解，采用映射算子技术对分子动力学界面元耦合区域内的原子进行赋值，使得该区域内的原子的哈密顿量与界面元所得的能量相等，将界面元区域的解转化为分子动力学区域内的原子的边界条件；（5）在分子动力学区域内，根据第（4）步的结果，启动分子动力学求解，采用非平衡态分子动力学模型求解原子的新位置；（6）判断分子动力学区域的系统平衡，如果没有平衡继续，则进行第（5）步的分子动力学求解直至平衡。

本发明的有益效果是：本发明针对微/纳/光电子器件结构界面，观察微观界面材料组织的演变，分析热缺陷的产生机制，探索材料缺陷对微结构物理特性的影响，将分子动力学的微观分析方法和界面元、有限元的宏观分析方法在系统上实现能量的耦合传递，进而形成一个能量整体进行求解，实现了微/纳/光电子器件结构界面特征的宏/微/纳模拟，具有准确、科学、效率高的特点，较好地解决了微/纳电子器件结构界面的设计难题。

附图说明

图1是有限元-界面元-分子动力学不同尺度的耦合机制示意图；

图2是基于过渡界面元的有限元-界面元耦合机制示意图；

图3是跨尺度设计流程图；

图4 是本发明实施例中Cu-Cu界面Z方向上的温度变化结果图；

图中：1.有限元区域；2.有限元界面元耦合区域；3.界面元区域；4.分子动力学界面元耦合区域；5.分子动力学区域；6.过渡界面元。

具体实施方式