超薄铜薄膜的拉伸强度与疲劳行为的研究

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1、东北大学硕士学位论文摘要薄膜材料广泛应用于微电子机械系统及大规模集成电路等微／纳米系统中。由于这些材料的几何尺度和微观结构尺度均在微米至纳米范围，它们对位错行为的约束作用以及表面和界面的影响导致了其疲劳行为与块体材料不同。因此，研究薄膜材料的疲劳行为对于保证微器件的可靠性具有十分重要的意义。随着薄膜尺寸的减小，特别是当薄膜厚度减少到纳米尺度时，薄膜材料将呈现许多全新的物理现象。本文就亚微米至纳米级厚度的超薄铜薄膜的拉伸及疲劳行为进行了研究。以聚酰亚胺为基体，在其上制备了50．128nm厚度的金属铜薄膜，利用基体的高弹性变形测定了铜薄膜的屈服应力，并研究了铜薄膜的

2、形变与断裂行为，采用恒载荷幅及恒位移控制研究了超薄铜薄膜的疲劳损伤行为。探索了拉伸屈服强度的计算及疲劳寿命的定义方法。寻找出铜薄膜拉伸屈服强度及疲劳行为随薄膜厚度变化的规律。并利用SEM电子背散射成像、X射线衍射，聚焦离子束流对铜薄膜进行了微观结构表征。实验结果表明：1．制备出的亚微米．纳米厚铜薄膜中存在(111)晶粒织构，高温退火导致晶粒略有长大。2．随着薄膜厚度的减少，超薄铜薄膜的屈服强度升高，出现尺寸效应，分析认为：超薄铜薄膜的高强度来源于纳米晶的强化及薄膜厚度对位错的约束作用。3．超薄铜薄膜的断裂为垂直于加载轴的I型开裂。断裂可能为与晶界协调变形有关的沿

3、晶断裂。4．利用PI薄膜作为基体，采用铜薄膜／基体复合材料进行拉伸实验测量金属薄膜的屈服强度是可行的。5．利用铜薄膜／PI基体的复合材料可以测量薄膜的疲劳强度及研究其尺寸效应。．rr．东北大学硕十学位论文摘要6，利用薄膜循环变形过程中的机械能变化可以表征超薄铜薄膜的疲劳寿命。7．纳米厚度铜薄膜的疲劳抗力随厚度的减小而升高。8．薄膜的疲劳损伤与薄膜中的界面损伤，孔洞及杂质有关。关键词：超薄铜薄膜，聚酰亚胺，屈服强度，疲劳，微观结构，尺寸效应东北犬学硕士学位论文Ab嘶叫AbstractThinfilmsarewidelyusedinmicro／nano—system

4、s，suchasmicro．electro．mechanicalsystems(MEMS)andlargescaleintegratedcircuitsete．Sincethegeometricandmicrostructuraldimensionsofthethinfilmsarerangedfrommicrometerstonanometers，theconstraintsofthedimensionsondislocationactivitiesandtheeffectsofsurfacesandinterfacesresultinthedifferenc

5、eoffatiguebehaviorsbetweenthesmalldimensionalmaterialsandthebulkmaterials．Sostudiesonthefatiguebehaviorsofthinfilmsareimportanttothereliabilityofmicrodevices．Thinfilmswillshowmanynewphysicalphenomenaasthedimensiondecreases，especiallyfilmthickness，downtonanometerregion．Inthisstudytona

6、nometersthetensileandfatiguebehaviorsofthincopperfilmswiththicknessrangingforillsubmicronswerestudied。ultra—thinCufilms50—128nm-thickwerepreparedontheelasticpolyimidesubstrates．Yieldstressesoftheultra-thinCufilmsweremeasuredbymeansofhighelasticityofthepolyimidesubstrate．Thebehaviorso

7、fdeformationandfractureoftheCufilmswerealsoinvestigated．Thefatiguedamagebehaviorsoftheultra—thinCufilmswereinvestigatedunderconstantloadrangeandconstanttotalstrainrange，respectively．Thecalculationmethodoftensileyieldstrengthandthedefinitionoffatiguelifewerealsoexplored．Variationsofte

8、nsileyieldst