介观金属薄膜塑性变形的多尺度效应

介观金属薄膜广泛应用于大规模集成电路与微机电系统，作为微电子与器件中重要的组元材料之一，介观金属薄膜的结构与性能将直接决定电子器件服役可靠性的优劣，由此也成为材料学、力学以及微电子学等交叉学科共同研究的焦点问题。随着特征尺度持续减小至纳米尺度，介观金属薄膜的力学性能表现出强烈的尺度效应，如反向Hall-Petch关系和超塑性等。针对这种反常的力学性能，目前已提出了多种物理机制，如晶粒旋转、晶界滑动与扩散及Coble蠕变等，但各种解释之间还存在较大争议，国际上对此仍未达成共识。此外，目前鲜有关于多尺度条件下介观材料结构与性能尺度效应的报道，尤其是考虑三种及以上特征尺度的共同作用。本项目拟系统研究多尺度条件下介观金属薄膜塑性变形及其微观机制。从实验和理论角度揭示多尺度条件下金属薄膜的速率敏感性、蠕变行为和延展性等力学性能的变化规律；建立数学方程量化各种特征尺度的贡献；阐明其主要的微观变形机制。

经过三年的研究工作，顺利完成课题计划任务和预期目标。迄今，在该课题资助下共发表相关论文23篇，其中SCI论文22篇。相关研究成果已申报国家发明专利3项。参加国内外学术交流会议3次。取得的主要成果简述如下：.介观金属薄膜的力学性能具有明显的多尺度效应，例如，强度和延展性主要受到晶粒尺寸与薄膜厚度的影响。当厚度处于亚微米或纳米尺度范围时，强度随着单层厚度的降低而提高，而延性的变化则与之相反。我们利用直流磁控溅射法在金属单晶Si和柔性PI衬底上制备了Cu，Ta，Ru单层与多层介观金属薄膜，采用纳米压痕法与单轴拉伸法测试其强度、延性以及速率敏感性等力学性能，利用TEM和XRD等表征了介观金属薄膜的微观结构。研究发现，金属Cu膜厚度越大，微裂纹密度和电阻值变化越大，表明Cu膜的厚度越大，延展性越差，这与以前的报道正好相反，表现出强烈的反向厚度效应。对于不同调制周期的Cu/Ru多层膜，延性随着调制周期的减小先增加后减小，而强度则在20nm时达到最大值，与此不同的是，研究Cu/Ta多层膜发现，其强度随着单层厚度的减小现在增加后减小，在10nm时达到最大值。研究退火与变形处理的纳米金属发现，纳米晶金属均出现了先强化后软化的现象，表现出逆H-P效应；而速率敏感指数m却表现出不同的变化，退火样品的m连续减小，而变形样品的m却先增加后减小。通过以上研究，揭示了典型介观金属薄膜塑性变形行为多尺度效应的内在规律，获取了金属薄膜变形前后塑性区域微结构特征的物理图像，阐明了与之相联系的微观变形机制；为设计与制造具有稳定服役可靠性的集成电路与微器件提供了理论与实验依据。