介觀金屬薄膜塑性變形的多尺度效應

《介觀金屬薄膜塑性變形的多尺度效應》是依託南京大學，由操振華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：介觀金屬薄膜塑性變形的多尺度效應
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：操振華
• 依託單位：南京大學

項目摘要

介觀金屬薄膜廣泛套用於大規模積體電路與微機電系統，作為微電子與器件中重要的組元材料之一，介觀金屬薄膜的結構與性能將直接決定電子器件服役可靠性的優劣，由此也成為材料學、力學以及微電子學等交叉學科共同研究的焦點問題。隨著特徵尺度持續減小至納米尺度，介觀金屬薄膜的力學性能表現出強烈的尺度效應，如反向Hall-Petch關係和超塑性等。針對這種反常的力學性能，目前已提出了多種物理機制，如晶粒旋轉、晶界滑動與擴散及Coble蠕變等，但各種解釋之間還存在較大爭議，國際上對此仍未達成共識。此外，目前鮮有關於多尺度條件下介觀材料結構與性能尺度效應的報導，尤其是考慮三種及以上特徵尺度的共同作用。本項目擬系統研究多尺度條件下介觀金屬薄膜塑性變形及其微觀機制。從實驗和理論角度揭示多尺度條件下金屬薄膜的速率敏感性、蠕變行為和延展性等力學性能的變化規律；建立數學方程量化各種特徵尺度的貢獻；闡明其主要的微觀變形機制。

結題摘要

經過三年的研究工作，順利完成課題計畫任務和預期目標。迄今，在該課題資助下共發表相關論文23篇，其中SCI論文22篇。相關研究成果已申報國家發明專利3項。參加國內外學術交流會議3次。取得的主要成果簡述如下： 介觀金屬薄膜的力學性能具有明顯的多尺度效應，例如，強度和延展性主要受到晶粒尺寸與薄膜厚度的影響。當厚度處於亞微米或納米尺度範圍時，強度隨著單層厚度的降低而提高，而延性的變化則與之相反。我們利用直流磁控濺射法在金屬單晶Si和柔性PI襯底上製備了Cu，Ta，Ru單層與多層介觀金屬薄膜，採用納米壓痕法與單軸拉伸法測試其強度、延性以及速率敏感性等力學性能，利用TEM和XRD等表征了介觀金屬薄膜的微觀結構。研究發現，金屬Cu膜厚度越大，微裂紋密度和電阻值變化越大，表明Cu膜的厚度越大，延展性越差，這與以前的報導正好相反，表現出強烈的反向厚度效應。對於不同調製周期的Cu/Ru多層膜，延性隨著調製周期的減小先增加後減小，而強度則在20nm時達到最大值，與此不同的是，研究Cu/Ta多層膜發現，其強度隨著單層厚度的減小現在增加後減小，在10nm時達到最大值。研究退火與變形處理的納米金屬發現，納米晶金屬均出現了先強化後軟化的現象，表現出逆H-P效應；而速率敏感指數m卻表現出不同的變化，退火樣品的m連續減小，而變形樣品的m卻先增加後減小。通過以上研究，揭示了典型介觀金屬薄膜塑性變形行為多尺度效應的內在規律，獲取了金屬薄膜變形前後塑性區域微結構特徵的物理圖像，闡明了與之相聯繫的微觀變形機制；為設計與製造具有穩定服役可靠性的積體電路與微器件提供了理論與實驗依據。