金屬多層膜力學(xué)行為及其組元與尺寸效應(yīng).pdf

1、金屬薄膜材料由于其優(yōu)異的力/電學(xué)性能,已成為目前高性能微元器件、微機(jī)電系統(tǒng)以及互連結(jié)構(gòu)的核心材料體系,其在復(fù)雜的微加工制備和隨后的服役過程中的變形損傷,是導(dǎo)致系統(tǒng)失效的關(guān)鍵因素。作為其組成單元,多層膜及其組元材料介觀服役特性研究具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價值。本論文選取微電子器件中典型應(yīng)用的Cu薄膜及Cu/X(X=Cr、Nb、Zr)多層膜材料為研究對象,系統(tǒng)研究了其介觀尺度下的力/電學(xué)行為及相關(guān)的物理機(jī)理。
　　通過單軸拉伸和機(jī)

2、械疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了介觀尺度 Cu薄膜的力學(xué)性能。結(jié)果表明,Cu薄膜的屈服強(qiáng)度以及疲勞行為(疲勞壽命與疲勞損傷)均表現(xiàn)出明顯的尺寸依賴性。屈服強(qiáng)度以及疲勞壽命在某一臨界尺寸下出現(xiàn)最大值。室溫以及低應(yīng)變速率下,納米晶Cu薄膜呈現(xiàn)出變形孿晶的雙反(晶粒)尺寸效應(yīng)。根據(jù)經(jīng)典的位錯理論以及受激滑移模型,半定量解釋了面心立方金屬變形孿晶的雙反(晶粒)尺寸效應(yīng)。隨著特征尺寸的減小,由于位錯活動受到抑制以及可激活位錯源的減少,疲勞損傷由位錯滑移導(dǎo)致的

3、擠出/侵入轉(zhuǎn)變?yōu)榕c界面相關(guān)的損傷。
　　在單軸拉伸實(shí)驗(yàn)過程中利用薄膜電阻實(shí)時測量法,初步探索了不同體系Cu/X納米多層膜的變形與斷裂行為及其尺寸效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),Cu/X納米多層膜的屈服強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于其特征結(jié)構(gòu)參數(shù)(調(diào)制周期與調(diào)制比),隨調(diào)制周期的減小或者調(diào)制比的增加(即硬相體積分?jǐn)?shù)增加)而增加,并伴隨著變形機(jī)制的變化。這與通過約束層滑移模型和復(fù)合材料混合強(qiáng)度法則理論計算的結(jié)果相一致。由于軟/延性相(Cu)對硬/脆性相(X)的異質(zhì)約

4、束作用,導(dǎo)致Cu/X納米多層膜的延性以及斷裂韌性隨特征尺寸變化表現(xiàn)出奇異性,并且出現(xiàn)由張開型向剪切型斷裂的轉(zhuǎn)變。通過微觀斷裂力學(xué)模型定量闡述了軟/延性相對硬/脆性相的約束作用對斷裂行為的影響。此外,調(diào)制周期恒定的Cu/X納米多層膜的強(qiáng)度與延性存在線性關(guān)系。界面約束越強(qiáng)(界面數(shù)量越多),線性關(guān)系的斜率越大。
　　納米壓痕實(shí)驗(yàn)揭示了界面結(jié)構(gòu)對Cu/X(X=Cr、Nb)納米多層膜的硬度及壓入模量的影響。結(jié)果表明,Cu/X納米多層膜的硬度

5、呈現(xiàn)尺寸依賴性并隨特征尺寸的減小達(dá)到飽和值,其變化趨勢與屈服強(qiáng)度相同。與界面清晰的Cu/X多層膜單調(diào)變化的壓入模量不同,界面混合(非晶)層導(dǎo)致Cu/X多層膜的壓入模量出現(xiàn)最大值。通過考慮界面混合(非晶)層引起的組元層晶面間距壓縮以及自由體積這兩個競爭機(jī)制的相互作用,定性解釋了壓入模量的這種異常變化。
　　采用金屬薄膜原位電阻變化法,通過機(jī)械疲勞試驗(yàn)研究了Cu薄膜和Cu/X(X=Cr、Nb)納米多層膜的疲勞性能。結(jié)果表明,與塊體材料

6、相似,Cu/X納米多層膜的疲勞壽命與應(yīng)變幅仍然遵循經(jīng)典的Coffin-Mason疲勞關(guān)系式,這與Cu薄膜是一致的。合理的強(qiáng)度和延性匹配能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜材料疲勞性能的最優(yōu)化。由于層間異質(zhì)界面對位錯活動的強(qiáng)烈抑制,Cu/X納米多層膜的疲勞損傷由晶界/界面主導(dǎo)。
　　利用電阻四探針法系統(tǒng)研究了Cu/X(X=Cr、Nb)納米多層膜的電輸運(yùn)行為及其尺寸效應(yīng)。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明Cu/X納米多層膜的電阻率均隨著調(diào)制周期的減小而增加。界面結(jié)構(gòu)可