電鍍銅薄膜的疲勞斷裂研究

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1、電鍍銅薄膜的疲勞斷裂研究1.引言微電子機(jī)械系統(tǒng)，即MEMS（Micro-electro-mechanicalSystems）,是指rh關(guān)鍵尺寸在亞微米至亞毫米范圍內(nèi)的電子和機(jī)械元件組成的微器件或系統(tǒng)，它將傳感、處理與執(zhí)行融為一?體，以提供一種或多種特定功能。隨著超大規(guī)模集成電路和MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS器件的市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)。MEMS的結(jié)構(gòu)材料主要包括硅（巾晶硅、多晶硅）、金屬（銅、銀及其他合金）及高分子材料等等，其微小構(gòu)件的尺寸已明顯向微米、亞微米甚至納米尺度減小。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究表明，許多材料在微納米狀態(tài)下的失效機(jī)理與宏觀狀態(tài)相比已發(fā)生了本質(zhì)上的改變，如原本屬于脆性材料的硅在微尺度

2、下會(huì)產(chǎn)生疲勞失效現(xiàn)象，金屬微薄膜的疲勞強(qiáng)度與宏觀狀態(tài)相比已發(fā)生了顯著改變。對(duì)于某些依靠固冇頻率穩(wěn)定性來(lái)工作的MEMS產(chǎn)品（如加速度傳感器、微陀螺儀等），即使不發(fā)生疲勞斷裂，其疲勞損傷的累積也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果發(fā)生較人的偏差。MEMS不是傳統(tǒng)機(jī)械的簡(jiǎn)單幾何縮小，當(dāng)構(gòu)件細(xì)微到微納米尺寸后，這些材料本身的力學(xué)、物理性質(zhì)有顯著變化，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等。這些研究表明，在宏觀塊體下所測(cè)得的機(jī)械彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性及疲勞強(qiáng)度等并不一定適用于MEMS的設(shè)計(jì)。宏觀機(jī)械疲勞已冇近百年的研究歷史，其現(xiàn)冇的研究理論、方法是否適用于微機(jī)械還有待進(jìn)-步研究。金屬銅在硅集成電路上被廣泛應(yīng)用于金屬

3、布線，在MEMS傳感器和執(zhí)行器中被廣泛應(yīng)用于制作銅微結(jié)構(gòu)。在這些應(yīng)用中，銅微構(gòu)件經(jīng)常承受熱循環(huán)應(yīng)力作用或機(jī)械循環(huán)應(yīng)力作用而發(fā)生疲勞破壞，其疲勞強(qiáng)度已成為制約MEMS器件長(zhǎng)期服役口J靠性的因索之一，因此近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。研究表明，眾多材料在宏觀機(jī)械領(lǐng)域表現(xiàn)出的性能與在微觀領(lǐng)域冇很大不同，宏觀機(jī)械疲勞特性的研究方法是否適用丁微尺度機(jī)械疲勞還有待驗(yàn)證。此前已冇一些學(xué)者對(duì)不同方法制備的不同尺度的銅薄膜的疲勞特性進(jìn)行了研究，如Zhang等研究了lOOnm厚冇基體支持銅薄膜的疲勞斷裂行為；Maire等測(cè)定了用等通道轉(zhuǎn)角擠壓法制作的銅薄膜的循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變響應(yīng)；Read等開(kāi)展了用電子束

4、蒸發(fā)工藝制作的銅薄膜拉伸疲勞試驗(yàn);Merchant等研究了電鍍和軋制銅薄膜的彎曲疲勞特性。但測(cè)試無(wú)基體支持的電鍍銅薄膜疲勞特性參數(shù)并進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，還需進(jìn)-步研究。2.基本原理（銅材料微構(gòu)件的疲勞特性）2.1循環(huán)形變行為及疲勞強(qiáng)度Judelewicz等研究了經(jīng)軋制的晶粒尺寸為100“加、厚度為20?150如的銅薄膜的疲勞行為。對(duì)于不同應(yīng)力水平來(lái)說(shuō)，在低應(yīng)力與高應(yīng)力時(shí)都呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象;用掃描屯鏡和透射屯鏡發(fā)現(xiàn)，在高周疲勞時(shí)，可以觀察到位錯(cuò)、李品、駐留滑移帶等變形結(jié)構(gòu)，在低周疲勞時(shí)，可觀察到準(zhǔn)梯形裂紋結(jié)構(gòu)。另外，其還發(fā)現(xiàn)晶粒的大小并不影響位錯(cuò)的形態(tài)，薄膜的循環(huán)形變與單晶體相似。其又發(fā)現(xiàn)厚度為

5、100//m的銅薄膜的疲勞壽命比20如的疲勞壽命低10?30倍，顯示出明顯的疲勞尺寸效應(yīng)。Hong和Weil研究了25“加厚餓電鍍銅薄膜和33/zm厚的軋制銅薄膜的拉?拉疲勞行為，他們發(fā)現(xiàn)銅薄膜的疲勞強(qiáng)度系數(shù)高于塊體材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)；此外，銅薄膜表現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變駛化行為，原因在于疲勞形變?cè)诓牧现幸肓烁叩奈诲e(cuò)密度和攣晶密度。最近,Schwaiger和Kraft等對(duì)厚度具有微米和亞微米的銀薄膜和銅薄膜的疲勞行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，其發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的減小，引起疲勞損傷的臨界應(yīng)力幅值將顯著升高，薄膜表現(xiàn)出明顯的疲勞尺寸效應(yīng)。2.2疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展2.2.1疲勞裂紋的萌生Judele

6、wicz發(fā)現(xiàn)厚度為100“加的銅薄膜中仍然出現(xiàn)疲勞擠出,而厚度為20“加的薄膜中的疲勞擠出只在疲勞壽命末期才出現(xiàn)，表明較薄薄膜中疲勞擠出損傷的出現(xiàn)有被推遲的趨勢(shì)。Hong和Weil發(fā)現(xiàn)厚度為25“加銅薄膜中疲勞開(kāi)裂起源于位錯(cuò)的胞墻或攣晶界處。Schwaiger等人通過(guò)對(duì)銀薄膜和銅薄膜疲勞損傷行為的研究表明，3.0“力厚的薄膜表面仍然出現(xiàn)類似于塊體材料的“擠出”損你疲勞裂紋萌生于擠出處，如圖2?1所示。圖2-1不同厚度銅薄膜的微結(jié)構(gòu)損傷圖隨后,Zhang等利用聚焦離子束顯微鏡(FIB)對(duì)不同厚度銅薄膜表而的疲勞擠出進(jìn)行了觀察，并對(duì)疲勞擠出面積與品體面積比進(jìn)行了定量的測(cè)量，他們發(fā)現(xiàn)銅薄膜

7、疲勞擠出的尺寸(即擠出寬度與高度)隨薄膜厚度的減小而減小。分析認(rèn)為，疲勞擠出尺寸的減小是由于較薄薄膜屮的循環(huán)應(yīng)變局部化的傾向減小所致。因此需要更高的外加應(yīng)力引起疲勞破壞，從而解釋了疲勞強(qiáng)度隨薄膜厚度減小而升高的尺寸效應(yīng)。2.2.2疲勞裂紋的擴(kuò)展Shimizu等用電子散射衍射電鏡觀察了厚度為100“加軋制回火后銅薄膜疲勞裂紋擴(kuò)展情況，其發(fā)現(xiàn)：如果預(yù)制裂紋與軋制方向相同，那么裂紋沿直線式擴(kuò)展；如果預(yù)制裂紋垂直于軋制方向，那么裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)鋸齒形狀。他們還發(fā)現(xiàn)疲勞