第28卷第1期 2009年1月
中国材料进展 MATERIALSCHINA
Vol.28No.1 Jan.2009
介观尺度铜膜力学行为尺度效应研究进展
孙军，刘刚，丁向东
（西安交通大学金属材料国家强度重点实验室，陕西西安710049）
摘要：以作者课题组近期的研究结果为基础，以集成电路中互连线用金属Cu薄膜为模型材料，分别介绍了金属薄膜延性和疲劳寿命评价方法及相关测试结果的最新进展，讨论了介观尺度Cu薄膜力学性能的尺度效应，分析了薄膜材料中准静态
力学性能对动态性能的影响，并简述了多场耦合对薄膜力学性能及变形行为的影响。关键词：金属薄膜：延性；疲劳；尺度效应；评价方法
中图法分类号：TG111
文献标识码：A
文章编号：16743962(2009)010049-05
Progress in the Size -Dependent Mechanical
Propertiesof Cu Films atMesoscale
SUN Jun，LIU Gang,DINGXiangdong
(State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials Xian Jiaotong University, Xian 710049, China)
Abstract: Based on the recent experimental results achieved in the present authors'group, this paper presents a review on the evaluation methods and some measurement results of the ductility and fatigue lifetime of metal films.
Measurements
on mesoscale Cu films have been performed and the size dependent mechanical properties, ineluding yield strength, the critical strain for microcrack nucleation, and related fatigue lifetime, have been clearly revealed. The relationship be-saarekaaseaaeeaaeeeseaa miron scale to nano - scale. In addition, the influence of thermo mechanical coupling field on the mechanical proper-
ties and deformation behavior of the Cu films has been also briefly discussed. Keywords: metal films; ductility; fatigue; size effect; evaluation methods
1前言
微电子元器件和微机电系统具有的多层异质膜结构所用材料尺度逐新减小到微米至纳米级，即处于宏观与微观之间的介观范畴，加之其电/热/力的多场环境，材料性能与服役行为的尺度、界面和异质约束效应等愈加凸现，成为影响微器件服役可靠性的重要因索。而上述效应是基于宏观连续介质与微观量子学说的经典材料性能表征理论均无法完全述的。
材料介观性能的表征是当前材料科学研究的前沿和热点之一，集成电路和微器件的不断小型化是促使其不断发展的一个重要因素。例如，近年来集成电路制造工艺已经开始采用铜薄膜作为金属互连材料。就介观尺度下制薄膜的力学性能对微器件性能的影响也已进行了大
收稿日期：20081125
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2004CB619303）作者简介：孙军，男，1959年生，教授，博导
量的研究，发现材料的介观性能及其尺度性变异对其可靠性具有极其重要的影响。
现有的介观尺度铜薄膜力学性能的多种表征方法，如单轴拉伸法、纳米压痕法、泡法、微梁弯曲法等[1] 都只能测量薄膜的强度和/或残余应力，并证明薄膜强度一般随其厚度减小面明显提高。但上述测试技术却均无法对薄膜的延性进行表征，面薄膜延性及其介观尺度依赖性对于微器件服役可靠性也是至关重要的。此外，金属薄膜疲劳性能、特别是疲劳寿命及其尺度效应、多场耦合下薄膜的热机械疲劳行为等对于集成电路服役行为有着关键性影响的材料，介观性能表征研究仍然是被关注的焦点间题。
本文以作者课题组近期的研究结果为基础，以金属 Cu薄膜为模型材料，分别介绍了金属薄膜延性和疲劳寿命表征方法及相关测试结果的最新进展，讨论了介观尺度Cu薄膜力学性能的尺度效应，分析了薄膜材料中准静态力学性能对动态性能的影响，并简述了多场耦合对薄膜力学性能及变形行为的影响。