Cu/Nb纳米多层膜延性及其断裂行为
张 欣，张金钰，牛佳佳，雷诗莹，刘 刚，孙 军
(西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室，西安 710049)
摘 要：通过单轴拉伸试验研究恒定调制周期的聚酰亚胺基体Cu/Nb 纳米金属多层膜的延性对调制比的依赖性，并采用聚焦离子束/扫描电子显微镜(FIB/SEM)截面定量表征技术深入分析多层膜的异质约束效应对断裂行为的影响。结果表明：随着调制比的增加，多层膜的延性单调减小，出现由剪切型向张开型断裂模式的转变。当调制比小于某一临界值时，调制周期越小，多层膜延性越高;反之，则多层膜延性越差。这是由于软相Cu 层对脆相Nb层中萌生的微裂纹扩展的约束作用。
金属多层膜广泛应用于微电子器件中，特别是微电子机械系统(MEMS)的兴起和发展对多层膜的力学和物理性能提出了更高的要求 [1−2] 。目前，微电子元器件和微机电系统具有多层异质膜结构所用材料尺度逐渐减小到微米至纳米级，即处于宏观与微观之间的的介观范畴，加之其电/热/力的多场环境，材料性能与服役行为的尺度、界面和异质约束效应 [3] 等愈加凸现，成为影响微器件服役可靠性的重要因素 [4] ，膜/基和多层异质膜结构将因尺寸效应、异质界面约束和多场耦合效应等多种效应表现出不同的损伤失效形式[ 5−8]。 因此，对材料介观性能的表征成为当前材料科学研究的前沿和热点之一。
目前，主要通过对自由膜进行单轴拉伸来直接得到薄膜发生变形损伤的临界应变值 [9−10] ，但是自由膜在制备和进行拉伸实验时存在很大的困难，且自由膜在变形时极易形成局部颈缩导致薄膜早期断裂，难以得到准确的薄膜延性指标。然而，当薄膜沉积在柔性基板上时，基板的均匀大变形将驱动薄膜整体变形，在抑制局部变形的基础上可以很好地反映薄膜的本征延性。柔性基板上金属薄膜材料变形延性的合理表征不但具有理论背景，同样具有很重要的应用背景，例如可用于评价柔性显示器用金属薄膜的变形能力。将多层膜沉积在柔性基板上并进行单轴拉伸，可以得到一个重要的薄膜延性指标——裂纹萌生临界应变(εc)。用裂纹萌生临界应变作为评价薄膜延性的判据比用自由膜的变形损伤的临界应变作为判据更加具有实际意义，因为一旦萌生裂纹，意味着薄膜已产生损伤，同时伴随着传输性能(如电学性能)的突变 [11] 。对于多层膜延性的尺寸依赖性，更多的是关注其随单层厚度或调制波长的变化规律 [10, 12] 。ZHANG 等 [12] 对 Cu/Cr 纳米多层膜延性的研究结果表明，由于软相对硬相中微裂纹扩展的约束抑制，导致多层膜在某一临界调制波长出现最大值。然而，延性随调制比的变化规律研究较少。
目前，尺寸效应对多层膜断裂行为的影响也鲜见深入的研究报道，Z HU等[ 13] 研究调制周期为20 nm的Cu/Ta 多层膜单向拉伸变形与断裂行为，发现距裂纹尖端不同位置处发生了位移量为几纳米到几十纳米的剪切位移，进而得出位错在层中运动所需应力随调制周期减小逐渐增大，当 调制周期(调制比为1)小于某一临界值时，位错将穿越界面形成剪切型断裂的结论。但对于断裂行为的尺寸依赖性仍缺乏系统深入的研究。综合以上对多层膜研究现状的分析，本文作者以Cu/Nb 多层膜作为研究对象，系统研究调制比对其延性的影响，并分析其延性与断裂行为之间的关系。
