| 简介 |
完善夹层悬臂梁实验方法，建立可靠、有效的微小薄膜材料界面破坏实验技术；基于连续介质力学模型，分析薄膜沿界面开裂过程中的应力、能量参数，建立薄膜界面破坏的评定方法和相应的力学准则，为微电子器件和微机电系统中广泛采用的微米级薄膜的界面强度分析、可靠性评定和使用寿命评估提供科学基础和技术支持。
项目立论依据:
各类微电子器件、微机电系统中广泛采用多层功能薄膜/基板材料结构, 以满足微系统集成化和微型化等要求。但由此造成微器件的可靠性问题也比较突出，其中一个例子涉及多层功能薄膜中大量存在的界面。由于这些薄膜材料仅有数个微米厚甚至小于1微米，在微器件的制作中和使用中，界面易于脱粘、开裂，产生界面分层破坏，从而成为微器件机械强度的薄弱环节[1]。已有的实践表明，分层破坏已成为不同薄膜/基板材料系统的主要破坏机理之一，它会造成微器件误动或失效等故障。为保证微器件的可靠性，实测微米级厚薄膜之间界面的结合强度和提出适用的分层破坏的理论分析方法，已经成为亟待解决的技术和理论技术问题。
然而，由于薄膜材料极其微小，在实验中如何有效地夹紧薄膜试样、施加载荷、并测出力学含义清晰的界面结合强度，仍然是非常有挑战性的难题。目前已提出的测试方法有微划痕法、拉拔法、剥皮法、压痕和弯曲试验方法等[2-6]。这些实验方法测出的薄膜结合强度分散性较大，依赖于试样的尺寸大小，且所测值的力学含义比较模糊，其问题源于薄膜本身在实验中发生了较大的塑性变形或断裂。为克服这些缺陷，申请人近年来采用夹层悬臂梁法进行薄膜材料的界面结合强度的测试[7-9]。该实验方法的主要特点为，在薄膜表面上粘附相对坚硬的不锈钢悬臂梁，将所研究的薄膜材料置于悬臂梁和基板的约束中，然后在悬臂梁的端面施加载荷，既实现沿界面开裂的目的，又有效地抑制薄膜在实验中过大塑性变形和断裂。该实验方法操作简单，可以在普通的微小材料实验机上完成。本项目申请人在日本京都大学工作期间，已经对微电子器件中常用的Cu薄膜和压电性PZT薄膜进行了较多的试验测试。测试结果表明，夹层悬臂梁法得到的实验数据分散性小，重复性比较好；进一步的解析分析显示，微米厚薄膜材料界面端开裂可以采用其异材界面端的应力奇异因子来表征。
本申请项目是基于上述工作的积累，希望对微米厚薄膜材料界面分层破坏问题，从实验技术、模拟分析方面作进一步的仔细研究：
1. 本项目将不考虑作更多的薄膜实验测试工作，而是将重点放在对已测试试样的详细材料微观分析上，以期了解该类破坏发生的准确信息；进一步检验现有的夹层悬臂梁法的可靠性，和对微小薄膜材料的适用性；
2. 对于薄膜界面分层破坏的理论分析，前期的工作主要基于连续介质力学，尤其是断裂力学的奇异应力因子的概念。但是，当薄膜材料的厚度尺寸已经缩小到微米级，相关力学参数的支配范围会同时缩小，断裂力学的应力强度因子概念的适用性值得商榷[1，10]。在本申请项目中，将考虑从能量的观点出发建立力学模型，给出薄膜材料界面端开裂的能量准则。研究工作将主要基于内嵌断裂过程区(embedded process zone)的概念[11]建立模型，来描述界面分离的破坏过程；采用该模型，可以将复杂的界面材料分离用一个材料系统特有的内聚合法则来表征，该法则的基本特征参数为界面分离能量和最大内聚合力。近年来，该理论较为成功地解释了涉及界面断裂的许多问题， 因此在国际范围内获得了较为广泛的认可。本项目将尝试探讨其对微米厚薄膜从界面端开裂现象的适用性和正确性；主要的工作为进行有限元模拟计算，以提取薄膜界面破坏的内聚合模型特征参数界面分离能量和最大内聚合力。
参考文献:
[1] L. B. Freund and S. Suresh, Thin Film Materials, Cambridge University Press, Cambridge, 2003.
[2] M. T. Laugier, An energy approach to the adhesion of coatings using the scratch test, Thin Solid Films 117 (1984), 243–249.
[3] J. Salem and F. Seqeda , Influence of ion bombardment and intermediate layer on the adherence of gold to oxide substrates, Journal of Vacuum Science and Technology 18(1981), 149–152.
[4] A. J. Kinloch, C. C. Lau and J. G. Williams, The peeling of flexible laminates, International Journal of Fracture 66 (1994), 45–70.
[5] M. D. Kriese, W. W. Gerberich and N. R. Moody, Quantitative adhesion measures of multilayer films: Part I. Indentation mechanics, Journal of Materials Research 14(1999), 3007–3018.
[6] Q. Ma, H. Fujimoto, P. Flinn, V. Jain, F. Adibi-Rizi, F. Moghadam et al., Quantitative measurement of interface fracture energy in multi-layer thin film structures. In: Materials reliability in microelectronics vol. V, MRS (1995), 91–96.
[7] T. Kitamura, T. Shibutani, and T. Ueno, Crack initiation at free edge of interface between thin films in advanced LSI, Engineering Fracture Mechanics 69(2002), 1289-1299.
[8] F. Shang. T. Kitamura, H. Hirakata, I. Kanno, H. Kotera, and K. Terada, Experimental and theoretical investigations of delamination at free edge of interface between piezoelectric thin films on a substrate, International Journal of Solids and Structures, 42(2005), 1729-1741.
[9] F. Shang and T. Kitamura, On stress singularity at the interface edge between piezo-electric thin film and elastic substrate, Microsystem Technologies, (in press), 2005.
[10] T. L. Jr. Becker, J. M. McNancy, R. M. Cannon and R. O. Ritchie, Limitations on the use of the mixed mode delamination beam test specimen: Effect of the size of the region of K-dominance, Materials of Mechanics 25 (1997), 291–308.
[11] J. W. Hutchinson and A. G. Evans, Mechanics of materials: top-down approaches to fracture, Acta Materialia 48(2000), 125-135.
研究目标:
完善夹层悬臂梁实验方法，建立可靠、有效的微小薄膜材料界面破坏实验技术；基于连续介质力学模型，分析薄膜沿界面开裂过程中的应力、能量参数，建立薄膜界面破坏的评定方法和相应的力学准则，为微电子器件和微机电系统中广泛采用的微米级薄膜的界面强度分析、可靠性评定和使用寿命评估提供科学基础和技术支持。 |
(创新港)
