两种Cu系三层薄膜断裂行为的尺寸与界面效应研究

微电子器件中的异质多层薄膜在其制备和服役过程往往因组元与基体间性能差异而导致多层薄膜产生变形损伤或断裂，最终引起整个器件的失效。为了能够澄清多层薄膜断裂行为及其微观机理，本项目设计了Cu层厚度恒定，调制比和界面类型不同的Cu-Ni-Cu(FCC-FCC型界面)和Cu-Nb-Cu(FCC-BCC型界面)三层金属薄膜，并将其制备在柔性基板上，通过单向拉伸和扫描电镜下的原位微拉伸实验，系统研究两种具有不同单层厚度的三层薄膜的断裂行为，探究组元层单层厚度和界面类型对薄膜断裂行为的影响规律；揭示纳米尺度多层薄膜断裂的微观机制与物理本质；澄清纳米尺度多层薄膜断裂行为的尺寸效应和界面效应；建立描述与组元尺度和界面结构相关的多层薄膜断裂行为的理论模型。研究结果不仅对集成电路和微电子器件中多层异质膜基器件的可靠性具有实际意义，同时对深入理解尺度和界面结构对多层薄膜断裂微观机制的影响具有重要的理论指导意义。

本项目设计并制备了具有不同调制比和界面类型的Cu/X (X= Zr, Ni, W, Au)金属多层膜体系，并将其制备在聚合物基体上和单晶Si基底上。通过单向拉伸、纳米压痕以及简支弯曲实验，系统地研究了界面类型和调制比对金属多层膜材料的塑性变形与断裂行为的影响。简支弯曲实验发现，Cu/Zr金属多层膜的名义断裂伸长率随调制周期减小而增大；纳米尺度调制周期的Cu/Zr金属多层膜易于发生剪切型断裂，且调制比越大，越易于发生剪切型断裂；纳米压痕下的Cu/Ni/W多层膜断裂行为表明，当单层厚度大于60 nm时，压痕变形主要由压痕下脆性W层的开裂和Cu层及Ni层的塑性变形协调；当单层厚度为30 nm时，在压痕棱边下形成两条剪切带，压痕表面堆起由组元层的整体弯曲形成。表面堆起高度的测量和压痕变形能量分析表明，Cu/Ni/W多层膜的应变硬化能力随着单层厚度的减小而降低；提出了界面强度与位错塞积应力竞争的物理机制，从理论上澄清了多层膜断裂行为的尺寸效应；针对纳米尺度Cu/Au多层膜剪切带中组元层发生连续薄化的大塑性变形行为，发现了界面切应力能够解锁位错-界面反应形成的位错组态，从而促进了点阵位错跨过异质界面的基本规律。