超薄纳米金属膜压痕接触变形损伤机制原子尺度实验研究

The interest on mechanical properties, elastic-plastic deformation mechanism and contact damage mechanism of nano-scale metal thin film have gained considerable attention, as a consequence of device miniaturization. Nanoindentation testing is a well developed technique to measure the mechanical properties of thin film.However experimental characterization the mirostructure-property relationships and deformation mechanism under indenter of thin film is still challenge. At present the computer simulations are main methods for revealing the structure evolution of thin film below indenter. But the time scale and length scale of computer simulation is still not comparable to experiments. In this project, the deformation, microstructure evolution and contact damage mechanism under nanoindentation zone of sub-100 nanometer metal thin film interconnections will be investigated in details by nanoindentation combined high resolution transmission electron microscope technology. The deformation mechanism such as elastic-plastic transition, defects formation, evolution and interaction will be studied directly by high resolution TEM at atomic scale. The contact deformation and damage failure mechanism will be summarized. The indention characterization technique for ultra thin film will be developing based on theoretical analysis.

随着器件的小型化，超薄纳米金属薄膜（100纳米以下）作为器件的互联线等，的力学性能和弹塑性变形以及损伤机制的研究成为当前关注的热点，纳米压痕方法是一种方便的评价薄膜材料力学性能的实验手段，但从实验上揭示压头作用区域纳米金属薄膜的接触变形与损伤机制，以及与其力学性能的关系是当前的难点。本项目以当前微纳米器件互联线中广泛应用的100纳米以下的金属薄膜为研究对象，结合新发展的纳米压痕技术和高分辨透射电镜相结合的准原位研究方法，从实验上研究超薄纳米金属薄膜在压头下方接触区域变形的微观机制，以及损伤机理。利用高分辨电子显微镜准原位研究，将从原子尺度直接揭示纳米超薄金属薄膜在压头作用过程中纳米金属薄膜在弹塑性转变过程中晶粒、晶界的变形特征，位错、孪晶的形成，交互作用及演变过程，总结超薄纳米金属薄膜的接触变形机制及微观损伤机理。结合理论分析发展针对超薄纳米薄膜的合理可靠的评价和表征方法。

随着器件的小型化，超薄纳米金属薄膜（100纳米以下）力学性能和弹塑性变形以及损伤机制的研究成为当前关注的热点，纳米压痕方法是一种方便的评价薄膜材料力学性能的实验手段，但从实验上揭示压头作用区域纳米金属薄膜的接触变形与损伤机制，以及与其力学性能的关系是当前的难点。本项目以当前广泛应用的100纳米以下的金属薄膜为研究对象，结合新发展的纳米压痕技术和高分辨透射电镜相结合的准原位研究方法，从实验上研究超薄纳米金属薄膜在压头下方接触区域变形的微观机制，以及损伤机理。主要研究成果和内容为：对超薄纳米晶银薄膜进行了TEM原位拉伸实验，分析了其断裂过程中裂纹扩展机制；对微纳米银薄膜进行原位压痕实验，发展了超薄薄膜材料力学性能的原位拉伸和压痕表征方法，并对比研究了超薄银薄膜在高真空和大气环境中力学性能差异；对超薄纳米晶钨薄膜进行了TEM原位拉伸实验，分析了其断裂过程中裂纹扩展机制以及薄膜中的褶皱以及内应力对裂纹扩展的影响机制；对超薄纳米晶铜薄膜进行压痕实验，在TEM下观察研究其接触变形机制；对两种不同方法制备的超薄纳米晶铜薄膜德弹性模量进行了原位表征和测量；制备出了高密度平行纳米孪晶和全新的平行四边形纳米孪晶镍薄膜，系统揭示了平行四边形纳米孪晶强韧化的位错机制，并研究了纳米孪晶镍中的五次对称孪晶结构,研究了单个晶粒内部五次孪晶的结构特性、分布规律。. 项目执行期间，共发表资助期刊论文13篇，其中发表SCI论文11篇，会议论文5篇，项目发展的相关技术获得授权发明专利3项。受邀在国际、国内相关学术会议上做口头报告5次。这些成果围绕厚度在100纳米以下的薄膜变形的机制和弹性模量研究，系统的发展了超薄纳米薄膜原位SEM-SPM压痕实验方法；超薄纳米薄膜原位TEM拉伸实验方法和一维纳米结构原位SPM-SEM三点弯曲实验方法，从实验上实现了可靠的超薄膜压痕实验力学性能表征方法，并发展了在超薄薄膜弹性模量测量和计算方法方面做了系统的研究，发展了针对超薄纳米薄膜的合理可靠的评价和表征方法。这些研究对大规模集成电路、微纳米器件互连线等功能部件的设计、应用和功能开发提供了可靠性理论依据。