热应力诱发超细尺度金属薄膜晶界损伤行为及其微观机理研究

With the rapid development of high density and performance of microchips in integrated circuits, the fraction of grain goundaries in thin metal film increases dramatically. This unavoidably leads to an increase in failure possibilities of grain boundaries in the films. In this project, an fcc-structured copper is selected as a model material. Copper films with different film thicknesses and grain sizes will be prepared. Damage behavior of grain boundaries in the thin films subjected to thermal stress will be investigated systematically. The relationship between the damage behavior of the grain boundaries and the thickness of the films,the grain sizes, the grain orientations and the feature of the grain boundaries will be elucidated. Techniques of scanning electron microscopy, electron back scattering diffraction and focus ion beam system will be used as effective characterization ways. Damage behaviors of grain boundries with different features determined by typical grains with <111> and <001> out-of-plane orientations will be focused. Combining crystallographic analysis, the basic mechanism for grain boundary damage in the metal films with different ratios of the film thickness to the grain size will be elucidated, and the theoretical models will be established. It is expected that the research will not only provide an important theory for the design of reliability and evaluation of safty service of the microchips, but also get insight into novel mechanisms of deformation and damage of small-scale metals at high temperature.

随着微/纳米系统高集成度的迅猛发展，超细尺度金属薄膜中的晶界分数急剧增加，使得热应力作用下金属薄膜中的晶界失效几率显著升高。本项目选取典型的面心立方铜作为研究对象，通过制备具有不同薄膜厚度和晶粒尺寸的铜薄膜样品，系统研究其在热应力作用下的晶界损伤与失效行为。澄清金属薄膜的厚度、晶粒尺寸、晶粒取向及晶界特性与晶界损伤行为之间的关系；采用扫描电镜的形貌观察，结合电子背散射衍射的晶体学分析技术以及聚焦离子束的局部表征手段，重点考察薄膜中典型<111>和<001>面外取向晶粒组成的具有不同特性晶界的损伤行为；结合晶体学分析，阐明具有不同膜厚/晶粒尺寸比的金属薄膜晶界损伤基本规律，澄清超细尺度金属薄膜晶界损伤微观机制，探索建立晶界损伤的理论模型；研究结果不仅对集成电路中金属薄膜可靠性设计与服役安全性评价具有重要的理论参考价值，且将进一步加深对微尺度金属材料高温变形与损伤机理的认识。

本项目选取FCC金属作为研究对象，系统地研究了不同尺度的金属薄膜/互连线在热应力和循环应力作用下的疲劳性能、晶界损伤与晶界不稳定行为。澄清了薄膜的厚度、晶粒尺寸、晶粒取向以及晶界特性与热疲劳、机械寿命、晶界损伤及晶界不稳定性间的关系；阐明了具有不同线宽和厚度的金属薄膜/互连线对热应力作用下疲劳寿命及晶界损伤的影响规律，澄清了超细尺度金属薄膜晶界不稳定性的微观机制。项目的研究结果不仅对集成电路中金属薄膜可靠性设计与服役安全性评价具有重要的理论参考价值，且加深了对微尺度金属材料高温疲劳加载条件下的变形与损伤机理的认识。项目取得如下重要结果：.Au互连线表现出其热疲劳强度随厚度的减小而增加的厚度效应，但线宽对此影响不明显；热疲劳的应力幅-寿命曲线可分为高周和低周疲劳两个区域；.制备态和退火态纳米晶Cu薄膜的疲劳性能均表现出明显的尺寸效应，随着Cu薄膜厚度或晶粒尺寸的减小，薄膜疲劳强度增加；疲劳加载能够诱发纳米晶Cu薄膜的晶粒长大；退火能够明显地抑制此晶粒长大程度，从而提高薄膜疲劳性能；.200 nm和100 nm厚的Au互连线在高周疲劳区主要以晶界开裂为主要损伤形式；随交流电电流密度的增大，200 nm厚互连线的表面产生丘起，在较大热应力/应变作用下发生位错滑移而加速了互连线损伤；100 nm厚互连线表面的三叉晶界处形成了孔洞，样品表面也产生滑移线；50 nm厚互连线的损伤表现为晶界沟槽化、开裂及三叉晶界处孔洞化的扩散型损伤。.热疲劳加载下所有Au互连线的晶粒都发生了不同程度的晶粒长大。100 nm和200 nm厚的互连线主要发生了正常晶粒长大，而50 nm厚的晶粒异常长大现象更突出；在相同应变幅或时间条件下，越薄的互连线其平均晶粒尺寸越小。薄膜晶粒中具有<111>择优取向的晶粒其晶粒生长驱动力更大。晶界处形成的沟槽对晶界迁移起到抑制作用，50 nm厚的互连线的异常晶粒长大现象易于发生；.采用原位透射电镜观察到原子尺度的晶界迁移、晶界发射不全位错、晶界分解、晶界位错运动和晶界台阶运动5种晶界行为。在晶界迁移过程中，晶界可能会发生分解。晶界位错在晶界三叉交点处的塞积促进了晶界发射不全位错。由混杂结构单元和可移动晶界位错构成的晶界具有高的晶界迁移能力；由周期重复的结构单元构成的晶界或包含不可动晶界位错的晶界较不稳定。