【基金】2010CB631000-介观尺度材料特性与服役行为表征的基础研究

项目名称：介观尺度材料特性与服役行为表征的基础研究首席科学家：孙军 西安交通大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部一、研究内容从目前国内外相关研究领域的研究现状、发展趋势和现存的众多问题及其复杂性以及材料科学本身面临的重大挑战与机遇等方面来看，如何结合介观尺度材料特性如热/动力学参量及其尺度与晶体学效应，发展新的理论和方法，正确地表征介观尺度的材料物质迁移、结构演化、性能变异与服役行为是材料、固体力学与凝聚态物理领域和微电子行业等所渴求解决的共性关键科学问题。1）介观尺度材料迁移扩散损伤机理、结构性能演化与应变调控介观尺度材料急剧增大的比表/界面积和多晶晶界缺陷为物质迁移扩散提供了丰富的低能量通道和损伤萌生扩展的核心区域，在外场强度随材料特征尺寸减小指数增长的实际服役条件下，原子迁移扩散往往导致介观异质功能单元结构与性能的剧烈演变，且存在着明显的尺度、界面结构、晶体取向、应力/应变依赖性。介观尺度范畴电/应力场致物质迁移扩散的基本热/动力学参量、主要途径和制约因素的准确表征，以及结构与性能的应力/应变调控效应成为本项目拟解决的第一个相关科学问题，也是后续结构与界面优化、服役与失效机理研究的基础。主要研究内容：获得介观多层体系表/界面热/动力学基本参量的解析函数与数值表征，包括表/界面能和表/界面应力的解析解、表面吸附和表面偏析的影响、对材料相变临界点的影响、扩散激活能和扩散系数等，及相关迁移扩散性损伤过程，如常温蠕变、界面热失配和缺陷特征、物质迁移孔洞化等的数值表征；理论分析介观尺度材料微结构特征变化时相应电子学特征参量（如电子布居、电子迁移率、电子有效质量等）的演变，揭示原子扩散迁移可能造成器件性能变化的根本机理。明确介观尺度材料内部和表/界面原子扩散迁移行为对互连线物理特征尺寸、晶体择优取向、晶粒尺寸及分布、异质界面显微组织、邻近原子键合状态等微结构特征参量的依赖关系；在力、热、电等外场条件下研究原子扩散迁移导致介观尺度材料表/界面粗化的制约性因素和微孔洞形成的临界应力条件；从热/动力学角度分析铜/低K互连体系微量铝合金的表/界面偏析及氧化膜的形成过程；探讨材料表面异质原子吸附的多场效应及合金化的热/动力学驱动机制。基于形貌学和标度理论发展介观异质单元界面形态演变的量化表征方法；在力、热、电等外场作用下异质界面附近原子的非对称互溶扩散及无空洞损伤的器件功能失效机理；合金化自形成阻挡层界面修饰及异质功能单元服役可靠性；受限约束的介观异质结构在非均匀应力场和温度场下界面率先损伤与整体失效的因果关系；界面强韧性指标对多层单元界面显微组织的敏感性及其对变形失效的约束行为；多层异质体系力（电）致蠕变过程的界面效应和尺度效应。介观异质单元宏/微观应力/应变的测试分析方法及评价表征参量；典型制备和后处理工艺条件下介观异质结构应力/应变分布的制约因素及基本演变规律；力、热、电等外场交互作用下介观异质单元的结构失稳行为和应变弛豫途径；介观异质多层体系原子扩散迁移及界面增强增韧的应力/应变调控效应；单/双轴预应力/应变对介观异质功能单元电子学特性增强甚至大幅提高的物理内涵；应力和温度场致单晶点/线状功能结构自发可控生长的热/动力学诱因。2) 多层膜及组元材料介观形变/相变与损伤失效及其多场效应由两种或两种以上的组元材料以相同或不同的单层厚度交替叠加组成的介观多层异质薄膜，已成为目前高性能微元器件以及互连结构的核心材料体系,其在复杂的微加工制备和随后的服役过程中的变形损伤，是导致系统失效的关键因素。作为其组成单元，膜基体系与组元材料在介观尺度下的形变/相变行为对揭示多层膜体系的服役失效机理和探索材料的本征形变/相变行为均有重要意义。因此，多层膜及组元材料介观形变/相变与损伤失效及其多场效应的表征是本项目的又一相关科学问题，是揭示多层膜及其组成单元材料特性、特别是其介观失效机理的科学基础，并直接关系到多层异质薄膜体系的服役寿命和可靠性。主要研究内容：介观多层膜及膜基体系在单调与循环机械载荷、电/力/热多场耦合作用下的介观特性演化规律、损伤行为和失效机理及其与空位、位错、晶界等微结构特征的关系；不同成份或组元匹配的异质界面结构的设计；多层膜的尺度、界面与异质约束效应对其变形行为与介观动态服役可靠性的作用规律；多层膜及膜基体系介观动态行为中的尺寸与界面效应及影响规律；多层膜异质界面原子单、双向扩散及膜内原子沿晶界或晶内扩散的异同及其驱动与制约因素。介观膜基体系在单调和循环热应力场中的应力分布、演化特点与主要影响因素；膜基体系界面孔洞型损伤与膜体塑性流变损伤之间的竞争关系与约束主导机理；在多场作用下膜体/界面孔洞化的临界条件；膜体或线体材料直流电诱发的电迁移损伤与交流电场下热机械疲劳损伤机理及其服役过程中材料性能劣化与失效规律；膜基体系的热稳定性及其服役过程中的相变与界面微结构演化；膜基体系的蠕变、疲劳、破坏行为等形变失效及其与微结构特征的关系。介观金属组元材料服役形变、相变行为及其尺度效应；典型金属组元材料的宏观变形行为与微观滑移、相变机理的关系及其位向、晶体学效应；金属组元材料塑性变形行为的本征特性及其位错发射与形核、孪生及晶界滑动等微观调节机制；合金组元材料可能具有的异常相变、形状记忆与超弹性性质及其作用机理；电介质组元材料的介观特性及其在新型阻性存储器件中的服役行为；电介质组元材料的能带结构调控（组元调节、外场调制等）。介观多层膜及膜基体系电/热/力等外场下扩散迁移损伤失效过程的原位动态观察与变形断裂特性及其与界面的交互作用的定量表征；发展透射电镜中的原位动态观察及其定量表征方法，研究亚微米尺度材料压缩变形，多层膜变形过程中的载荷与应变响应、位错萌生和运动及其与界面的交互作用，膜/基体系变形行为与膜体材料室温蠕变及其影响因素，微纳柱体材料位错滑移、孪晶以及应力诱发马氏体的形成和长大的临界条件和相互之间可能的转换方式。3) 三维互连结构的多场服役行为与失效机理及结构性能优化当前微电子封装技术由二维平面互连发展到更高集成度的三维垂直立体集成互连，互连体与焊点材料直接担任三维结构支架，不但决定电子器件的结构稳定性，同时也维持器件的电子功用，因而对微电子器件可靠性起着举足轻重的作用。由于三维空间的紧缩，互连体承受的电热力多场耦合作用更加剧烈，由此导致的电迁移、热扩散、应力集中等损伤行为进一步威胁到三维电子互连结构的服役特性。目前三维封装技术尚处于起步阶段，仍面临着三维结构优化设计、多场作用下互连材料耦合特性、互连结构损伤机理和可靠性测试等方面的挑战，因而成为正确表征介观尺度材料特性与服役行为的第三个相关科学问题。主要研究内容：针对三维集成封装结构的组元互连材料及其界面，施加模拟服役条件的多场耦合环境，描述不同UBM材料与不同焊料之间界面化合物的形成与演变规律，以及孔洞缺陷的演变过程；揭示单体互连材料组元的介观性能和异质互连体结构的耦合互连特性；阐明三维集成封装结构中微纳米尺度的金属线与焊点及其膜基结构的应力松弛、损伤破坏、相变演化、界面失效与表面失稳的机理；开发具有优良介观性能的新型无铅互连材料，优化互连界面的封装工艺。描述在力/电/热耦合作用下，互连体结构在服役过程中因电迁移、应力集中、应力松弛、成分偏聚等导致的损伤规律和失效行为，阐明损伤失效的临界条件（临界电流，临界尺度，临界应力等）；评价互连结构的组织、力学和电学性能可靠性；寻求延缓和抑制各种失效模式的可能途径，如增强界面材料的散热性，优化异质界面的热匹配性，控制界面化合物的形成与界面内应力等；并通过与微电子封装制造业的合作进行其适用性检验。发展三维互连结构的多场耦合性能测试技术和方法，以及介观尺度力学测量方法和检测技术，结合透射电镜内的动态观察方法和原位表征技术，探索在多场作用下三维互连材料与结构的介观物质迁移、扩散与变形损伤与介观相变的影响因素，分析多场耦合条件下互连材料和结构的服役行为基本规律和建立介观尺度材料损伤失效模型，揭示在介观尺度上焊点、微互连、封装结构及其构型在服役条件下的多尺度结构演化、损伤、疲劳、蠕变等失效机理。开展3D集成封装体系的模型化设计，探索介观尺度参数与构型对3D互连结构可靠性的影响。研究穿透硅通孔（TSV-through silicon via）3D封装结构中最小孔径、纵深比、通孔内壁粗糙度及填充物等对体系介观特性及物理性能的影响规律及其与封装互联焊点结合界面的损伤失效规律，探索3D-TSV结构在热循环与机械循环载荷下的损伤行为和失效机理，分析体系中的应力分布及演化特性，为3D封装技术的应用及其可靠性设计提供实验与理论指导。二、预期目标4.1 总体目标本项目针对微电子元器件和微机电系统所用介观材料的性能变异及其多场服役的特点，以解决介观尺度材料特性及其服役行为表征这一材料科学本身发展面临的挑战为目标，以多层异质薄膜体系在典型服役条件下的失效特征研究为核心研究内容，揭示介观材料在电/热/力典型外场、尤其是多场耦合下的失效规律，阐明介观体系在多场作用下的物质迁移与输运、约束塑性流变/相变行为的微观机制，探索介观尺度下材料可能具有的异常物理现象及其本征特性，建立基于尺度/异质约束效应和典型服役环境的材料介观特性与服役行为表征新理论，并据此发展相应的实验表征与测试新技术和新方法，在介观尺度原位定量表征技术等方面取得突破，形成相关材料介观特性与服役行为表征评价的实验测试技术规范。形成一批具有自主知识产权的专有技术和发明专利；培养一批优秀人才、初步建成具有原始性创新能力的以介观材料特性及其服役行为表征为主攻方向的创新团队和创新基地；使得我国在这一重要研究领域居于国际先进水平。4.2 五年预期目标科学理论层面1) 获得介观尺度范畴电/应力场致物质迁移扩散的基本热/动力学参量、主要途径和制约因素的准确表征，以及结构与性能的应力/应变调控机制；了解尺度、界面结构、晶体取向、应力/应变对于结构与界面损伤的影响。建立介观物质迁移与界面损伤物理模型，为结构与界面优化、服役失效机理研究提供理论基础。2）阐明电/热/力等典型外场及其耦合下多层膜与膜基体系约束塑性流变、损伤失效的规律、机制与微结构物理图像；揭示组元材料形变/相变行为的本征特性及其位错发射与形核、孪生和晶界滑动等变形模式的微观调节机制；建立与尺寸/界面效应相关的材料介观特性及损伤失效等服役行为的理论模型。3) 揭示三维集成互连材料与结构在介观尺度上的多场耦合服役行为与损伤特征及其主要因素与服役失效的临界条件；阐明焊点、互连、封装结构在服役条件下的多尺度结构演化、损伤、疲劳、蠕变等失效机理；建立多场耦合条件下互连材料和结构的介观失效模型，并探索提高系统可靠性和使用寿命的方法途径。4）发表高质量的学术论文500篇，包括在国际上有重要影响的系列研究论文；出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著35部。培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的材料介观性能表征方向的基础与高技术研究团队，其中中青年学术带头人10名以上，在国际上有一定影响的知名学者23名。关键技术层面1）发展适用于介观材料电迁移和应力迁移过程电噪声非线性涨落参量的无损检测与在线分析技术；建立和完善原子迁移扩散导致表/界面形态演变的量化统计表征方法；发展与外场交互作用下宏/微观应力/应变弛豫和非均匀分布的定量评测技术，并开发可大幅度改善器件服役特性的界面/应变调控技术。2）发展电镜体系中电/热/力等典型外场及其耦合场下多层膜与膜基体系及组元材料扩散迁移与形变/相变行为的原位动态观察与定量表征技术；建立和完善循环加载模式下材料服役损伤与断裂特性的定量表征平台；发展纳米压入与超声波相耦合探测多层膜与组元材料形变/相变、损伤失效行为的方法和技术。3）针对三维集成互连材料和结构特性，建立力/热/电多场耦合的多尺度力学理论和计算方法；建立多尺度高分辨率、高测量精度、多场耦合的介观尺度力学检测方法；发展微电子材料和器件在多场耦合下服役行为的实验表征平台；开发新型互连材料及改善微电子封装工艺。4）在国内初步建立材料介观特性与服役行为的表征平台：主要依托于金属材料强度国家重点实验室、沈阳材料科学国家实验室、南京微结构国家实验室（筹）、破坏力学教育部重点实验室等，发展系列材料介观特性与服役行为的表征与测试新技术和新方法与相应的实验测试规范。形成30项以上专有技术和发明专利。三、研究方案本项目以提高微器件设计制造水平及其服役可靠性这一国家重大需求为背景，以由此浮现的材料科学与工程学科自身发展所面临的重大挑战和机遇为契机，从构成材料科学学科基础的材料学、物理学、力学和微电子学等学科交叉融合的角度，采用由宏观和微观两个相对层次逐渐进入介观领域的“Top-Down”和“Bottom-Up”相结合的研究思路，针对介观尺度材料物质迁移、结构演化、性能变异与服役行为的表征这一关键科学问题进行深入的研究。为体现这一学术思想，针对材料介观特性及其服役行为的表征，一方面利用“Top-Down”的思路，通过不断减小多层膜及其组元材料的几何尺度，以实验研究为主结合有限元数值模拟，以探索由此带来的对其介观特性与服役行为的影响；另一方面，基于“Bottom-Up”的思路，利用近年来快速发展的大规模分子动力学与动态Monte Carlo及跨尺度力学模拟能力，不断扩大数值模拟的空间尺度，以逼近实验表征研究适用的几何尺度；也就是说，从实验以及计算机模拟两个方面着手，为缩小并最终消除两种研究方法适用物理空间之间的尺度差异作出贡献。从而为实现“介观性能表征”跨越宏、微观领域的桥梁作用奠定基础。在介观尺度材料迁移扩散损伤机理、结构性能演化与应变调控方面的研究中，重点从宏观（热/动力学）和微观（计算机模拟）两个方面准确表征介观尺度范畴电/应力场致物质迁移扩散的物理基本参量、主要途径和制约因素，结构与性能的应力/应变调控机制；确定结构与界面损伤的基本因素。在针对多层膜及组元材料介观形变/相变的研究中，将突出尺寸/界面和异质约束与变形损伤之间的关联性及其微结构特征，重点研究利用“Bottom-Up”和“Top-Down”两种技术制备的多层膜与组元材料性能变异的异同点及其本征特性、以及服役失效的多场效应，据此建立和发展相关的理论模型与表征方法。在三维互连结构的多场服役行为与失效机理及结构性能优化的研究中，重点关注服役过程中微观组织的演变规律，以及损伤失效过程中的力学性能变异，结合二者建立跨尺度的相关理论模型以正确表征焊点、互连和封装结构的服役失效行为，确定结构优化和性能改善的有效参量，为提高三维结构的可靠性奠定基础。以上立体布局使本项目研究方向构成一个整体，各研究方向较强的有机联系，有助于课题间交叉联合和项目持续推进，使研究向纵深发展。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年(1) 薄膜等样品制备工艺实验，基本掌握技术关键和工艺；采用磁控溅射、分子束外延生长等设备制备异质多层膜；采用聚焦离子束等微加工技术制备典型金属单晶微柱。(2) 发展和完善介观异质单元宏/微观应力/应变的测试分析手段和界面微观组织结构的表征方法。(3) 建立多层膜断裂行为原位表征系统及相关表征分析方法。开展单向机械加载的多层膜形变与断裂行为的研究。(4) 利用第一原理模拟和热力学研究在多场下纳米薄膜的电子结构和电学、光学、磁学性能的影响与变化。(5) 设计、制备具有高电导率和良好热匹配性能的新型通孔内导电互连材料，研究镀液温度、成分、络合剂等工艺参数对导电互连材料镀层成分和结构的影响规律。(1) 获得良好的薄膜制备系统，制备出高质量的多层膜材料以及膜基体系材料。制备出不同取向、不同几何截面、不同尺寸的微纳米柱状试样。(2) 科学提炼能量化表征异质界面附近非均匀应力/应变场、缺陷组态、元素梯度分布的关键物理参量。(3) 揭示单向机械加载下多层膜的变形与断裂行为规律机理，并获得材料的强度与临界断裂应变与多层膜的单层厚度、界面结构间的关系。(4) 获得纳米薄膜在电场、力场、温度场下对于其电学、光学性能的影响规律。揭示多场交互作用的能量本质。(5) 寻找最佳工艺条件制备出具有高电导率和低热膨胀系数的新型通孔内导电互连材料。发表论文65-80 篇，申报发明专利7-10项，培养研究生16-21名。第二年(1) 单一外场(力，热，电场)作用下多层膜及膜基体系服役性能变化及损伤观察。(2) 分别采用纳米压入仪和TEM原位动态表征系统压缩测试不同尺度不同晶体结构金属单晶微纳柱状试样的应力-应变曲线并进行性能分析。(3) 发展并完善原位动态研究多场条件下材料介观性能与微观结构特征的表征方法。(4) 研究预应力/应变与典型外场交互作用下介观异质单元的结构失稳行为及由此而发生的应变弛豫。(5) 研究不同界面能和界面结构的扩散系数，建立相应的热/动力学定量表达式。(6) 研究新型通孔内导电互连材料与无铅焊料的润湿行为及界面反应。(7) 根据实验观测的三维互连结构的微结构特征，建立基于有限元法的多尺度数值分析模型。(1) 多层膜及膜基体系疲劳寿命、疲劳强度与单层厚度、界面结构间的定量关系及描述方程。 (2) 确定单晶材料压缩性能随单晶尺寸和取向的变化规律，确定微纳尺度材料力学性能参数变化时的几何物理尺寸。(3) 在附带加热/电功能的透射电子显微镜上实现微压缩测试和原位观察。 (4) 揭示预应力/应变和力/热/电场交互作用下介观异质单元应力弛豫的主要途径和基本热/动力学诱因。(5) 了解扩散系数与扩散激活能在异质材料组成的界面的变化及其物理本质。(6) 揭示和评价新型多元锡基互连材料在微观尺度以及多场效应下的组织演化及对可靠性影响。(7) 三维互连结构的变形和失效行为及其与微结构演化过程的大规模多尺度模拟。发表论文79-94 篇，申报发明专利9-11项，培养研究生18-21名。第三年(1) 研究典型外场作用下原子贯穿异质界面的非对称互溶扩散迁移及其应力/应变效应。(2) TEM原位动态表征室温下多层膜蠕变性能及其在直流电场下的变异行为。(3) 测试形状记忆合金单晶微柱试样的应力-应变曲线，确定应力诱发马氏体相变临界应力。 (4) 微纳米尺度的金属线与焊点及其膜基结构的应力松弛、损伤破坏、相变演化的理论分析与数值模拟。(5) 多场耦合作用下互连材料的疲劳破坏行为以及多层膜系统在外场下的演化过程和失稳机理。(1) 揭示原子扩散迁移引起界面粗化等导致无空洞损伤的器件功能失效机理。(2) 澄清单晶变形方式尺度效应的物理本质，揭示位错、孪晶等各类缺陷随材料尺度变化的规律与机制。(3) 确定应力诱发马氏体相变临界应力随试样尺寸和取向的变化规律。(4) 建立三维集成封装结构中互连线与焊点及其膜基结构的损伤断裂分析方法。(5) 揭示互连材料中多场藕合效应的微观变形断裂机制。发表论文81-98篇，申报发明专利8-9项，培养研究生 18-21名。第四年