二氧化硅纳米孔洞中液体浸入行为的分子模拟研究

摘要

近年来，集成电路持续向更小的外型尺寸发展，以使得每个芯片可以封装更多的电路，增加单位面积容量，从而降低成本和增加功能。但是，随着芯片尺寸的减小，三维互连制造面临较大的挑战，其中之一就是去除和填充的跨尺度精确调控，如二氧化硅膜层的制造。此外，液体在有限大小纳米孔道中的输运现象在许多物理、生物和地质过程中扮演重要角色，二氧化硅作为一种无机材料，在玻璃、陶瓷、化工、电子、食品、医学等各个领域有着广泛的应用，因此，液体在其中的输运行为一直是研究热点之一。
　　本论文利用分子动力学模拟的方法研究了五种不同深宽比的二氧化硅纳米孔洞中水及铜盐溶液的浸入过程，探讨了深宽比、水分子数、溶液浓度等因素对浸入速率的影响，并对纳米孔洞中铜离子的分布状况进行了分析。主要研究结果包括:
　　1.水浸入过程可以分为五个阶段:(Ⅰ)缓慢接近洞口;(Ⅱ)快速浸入洞中;(Ⅲ)慢慢浸入洞的深处;(Ⅳ)缓慢润湿洞的底部;(Ⅴ)快速填满整个洞。深宽比越大，越有利于阶段Ⅰ和Ⅱ而不利于阶段Ⅲ和Ⅳ。
　　2.水分子数相同时，随着深宽比增大，水浸入速率增大，但相邻深宽比纳米孔洞中水浸入速率的增量逐渐减小，因此推测，当深宽比达到某一定值时，其对水浸入速率将不会产生影响。深宽比相同时，水分子数越大，水越不容易浸入洞中，且随着水分子数的增大，相邻水分子数体系的水浸入速率下降量逐渐减小。水分子数越大，深宽比对水浸入速率的影响越大。
　　3.铜盐溶液浸入过程比纯水体系多了阶段Ⅵ的铜离子扩散平衡，因为水分子先于铜离子浸入洞中;阶段Ⅱ的滞后现象比纯水体系更为明显，耗时更久，深宽比越小，溶液浓度越大，溶液滞后时间越长。
　　4.浓度相同时，铜盐溶液浸入速率随深宽比的增大而增大，但相邻深宽比纳米孔洞中平均浸入速率的差值随深宽比的增大而减小，据此推测，当深宽比达到一定值时，增大深宽比将不会对溶液的浸入过程产生影响，这点和纯水体系类似;深宽比相同时，浓度越大浸入速率越小;低深宽比范围内，深宽比和溶液浓度对溶液浸入速率影响更大。
　　5.铜离子浸入速率随深宽比和溶液浓度的变化比较复杂，不是单一递变;不同深宽比纳米孔洞中接近洞底处铜离子浓度均呈逐渐下降趋势，不同浓度体系有个别深宽比例外，说明铜离子相对较难到达洞的底部，但可以根据个例的情况，选择适合于特定深宽比的溶液浓度以达到最好的填充效果。

目录

声明

摘要

第一章 研究背景与文献综述

1．1 引言

1．2 集成电路的制造工艺

1．3 二氧化硅简介

1．3．1 二氧化硅的结构与性质

1．3．2 二氧化硅的用途

1．4 二氧化硅与水体系的研究

1．5 液体浸入多孔材料的研究

1．6 选题意义和本论文的工作

参考文献

第二章 分子动力学模拟方法

2．1 引言

2．2 基本原理

2．3 运动方程求解

2．3．1 Verlet算法

2．3．2 Leap-frog算法

2．3．3 Velocity-Verlet算法

2．3．4 Beeman算法

2．4 势函数

2．4．1 成键相互作用能

2．4．2 非键相互作用能

2．4．3 常用力场

2．5 周期性边界条件

2．6 统计系综

2．7 温度和压力控制

2．7．1 温度控制

2．7．2 压力控制

2．8 分子动力学模拟基本步骤

2．9 本章小结

参考文献

第三章 不同深宽比二氧化硅纳米孔洞中水浸入行为的研究

3．1 引言

3．2 建模与模拟方法

3．2．1 模型构建

3．2．2 模拟细节

3．3 水浸入不同深宽比二氧化硅纳米孔洞的过程分析

3．4 深宽比对水浸入速率的影响

3．5 模拟过程中水分子数量对水浸入速率的影响

3．6 水浸入过程机理分析

3．7 本章小结

参考文献

第四章 不同深宽比二氧化硅纳米孔洞中铜盐溶液浸入行为的研究

4．1 引言

4．2 建模与模拟方法

4．2．1 体系构建

4．2．2 模拟细节

4．3 铜盐溶液浸入二氧化硅纳米孔洞的过程分析

4．4 深宽比对铜盐溶液浸入速率的影响

4．5 溶液浓度对浸入速率的影响

4．6 不同深宽比纳米孔洞中铜离子的浓度分布

4．7 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 工作小结

5．2 展望

致谢

硕士期间成果