电镀铜薄膜的疲劳断裂研究.

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1、电镀铜薄膜的疲劳断裂研究1.引言微电子机械系统，即MEMS(Micro-electro-mechanicalSystems)，是指由关键尺寸在亚微米至亚毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。随着超大规模集成电路和MEMS技术的发展，MEMS器件的市场迅速增长。MEMS的结构材料主要包括硅(单晶硅、多晶硅)、金属(铜、镍及其他合金)及高分子材料等等，其微小构件的尺寸已明显向微米、亚微米甚至纳米尺度减小。国内外试验研究表明，许多材料在微纳米状态下的失效机理与宏观状态相比已发生了本质上的改变，如原本

2、属于脆性材料的硅在微尺度下会产生疲劳失效现象，金属微薄膜的疲劳强度与宏观状态相比已发生了显著改变。对于某些依靠固有频率稳定性来工作的MEMS产品(如加速度传感器、微陀螺仪等)，即使不发生疲劳断裂，其疲劳损伤的累积也会导致测量结果发生较大的偏差。MEMS不是传统机械的简单几何缩小，当构件细微到微纳米尺寸后，这些材料本身的力学、物理性质有显著变化，会出现强烈的尺寸效应、表面效应等。这些研究表明，在宏观块体下所测得的机械弹性模量、拉伸强度、断裂韧性及疲劳强度等并不一定适用于MEMS的设计。宏观机械疲劳已有近百年的研究历史，其现有的研究理论、方法是否适用于微机械还

3、有待进一步研究。金属铜在硅集成电路上被广泛应用于金属布线，在MEMS传感器和执行器中被广泛应用于制作铜微结构。在这些应用中，铜微构件经常承受热循环应力作用或机械循环应力作用而发生疲劳破坏，其疲劳强度已成为制约MEMS器件长期服役可靠性的因素之一，因此近年来成为国内外研究的热点问题。研究表明，众多材料在宏观机械领域表现出的性能与在微观领域有很大不同，宏观机械疲劳特性的研究方法是否适用于微尺度机械疲劳还有待验证。此前已有一些学者对不同方法制备的不同尺度的铜薄膜的疲劳特性进行了研究，如Zhang等研究了100nm厚有基体支持铜薄膜的疲劳断裂行为；Maire等测定

4、了用等通道转角挤压法制作的铜薄膜的循环应力一应变响应；Read等开展了用电子束蒸发工艺制作的铜薄膜拉伸疲劳试验；Merchant等研究了电镀和轧制铜薄膜的弯曲疲劳特性。但测试无基体支持的电镀铜薄膜疲劳特性参数并进行寿命预测，还需进一步研究。141.基本原理(铜材料微构件的疲劳特性)1.1循环形变行为及疲劳强度Judelewicz等研究了经轧制的晶粒尺寸为100、厚度为20～150的铜薄膜的疲劳行为。对于不同应力水平来说，在低应力与高应力时都呈现硬化现象；用扫描电镜和透射电镜发现，在高周疲劳时，可以观察到位错、孪晶、驻留滑移带等变形结构，在低周疲劳时，可观察

5、到准梯形裂纹结构。另外，其还发现晶粒的大小并不影响位错的形态，薄膜的循环形变与单晶体相似。其又发现厚度为100的铜薄膜的疲劳寿命比20的疲劳寿命低10～30倍，显示出明显的疲劳尺寸效应。Hong和Weil研究了25厚饿电镀铜薄膜和33厚的轧制铜薄膜的拉-拉疲劳行为，他们发现铜薄膜的疲劳强度系数高于块体材料的疲劳强度系数；此外，铜薄膜表现出循环应变硬化行为，原因在于疲劳形变在材料中引入了高的位错密度和孪晶密度。最近，Schwaiger和Kraft等对厚度具有微米和亚微米的银薄膜和铜薄膜的疲劳行为进行了较为系统的研究，其发现随着薄膜厚度的减小，引起疲劳损伤的临

6、界应力幅值将显著升高，薄膜表现出明显的疲劳尺寸效应。1.2疲劳裂纹的萌生与扩展1.2.1疲劳裂纹的萌生Judelewicz发现厚度为100的铜薄膜中仍然出现疲劳挤出，而厚度为20的薄膜中的疲劳挤出只在疲劳寿命末期才出现，表明较薄薄膜中疲劳挤出损伤的出现有被推迟的趋势。Hong和Weil发现厚度为25铜薄膜中疲劳开裂起源于位错的胞墙或孪晶界处。Schwaiger等人通过对银薄膜和铜薄膜疲劳损伤行为的研究表明，3.0厚的薄膜表面仍然出现类似于块体材料的“挤出”损伤，疲劳裂纹萌生于挤出处，如图2-1所示。14图2-1不同厚度铜薄膜的微结构损伤图随后，Zhang等

7、利用聚焦离子束显微镜(FIB)对不同厚度铜薄膜表面的疲劳挤出进行了观察，并对疲劳挤出面积与晶体面积比进行了定量的测量，他们发现铜薄膜疲劳挤出的尺寸(即挤出宽度与高度)随薄膜厚度的减小而减小。分析认为，疲劳挤出尺寸的减小是由于较薄薄膜中的循环应变局部化的倾向减小所致。因此需要更高的外加应力引起疲劳破坏，从而解释了疲劳强度随薄膜厚度减小而升高的尺寸效应。1.1.1疲劳裂纹的扩展Shimizu等用电子散射衍射电镜观察了厚度为100轧制回火后铜薄膜疲劳裂纹扩展情况，其发现：如果预制裂纹与轧制方向相同，那么裂纹沿直线式扩展；如果预制裂纹垂直于轧制方向，那么裂纹扩展呈

8、现锯齿形状。他们还发现疲劳裂纹易在回火孪晶处产生，因为回火孪晶与立