1、力 电 失 效 学MECHA TRON IC RE LI ABIL ITY杨 卫 著清 华 大 学 出 版 社Springer-Verlag( 京 ) 新 登 字 158 号内 容 简 介本书 为 力 电 失 效 学 方 面 的 学术 专 著 , 读者 对 象 为 从 事 固 体 力 学 、 材 料 科 学 、 微 电 子 、 固 体 物 理、 机 械 等 领 域研 究 的 高 年 级 学 生、 研 究 生 和 专 业 技 术 人 员。 书 中 按 照 电 致 失 效 学 、 力 电 耦合 学 、 力 电 畴变 学 和 质 流 失 效 学 的 顺 序 来 阐 述 力 电 失 效 学 这 一 新
2、 学 科 分 支 的 主 要内 容 。第 一 篇 电 致 失 效 学 讨 论 电 致 断 裂 、 电 致 疲 劳 和 电 致 质 流 失 稳 的 基 本 现 象 。 第 二 篇 力 电 耦合 学 讨 论 压 电 体 、 弛 豫 铁 电 体 和 畴 变 铁 电体 的 本 构 关 系 , 以 及 由 于 宏 观 场 方 程 的 耦 合 所 造 成 的 缺 陷 场 特 征 。 第 三 篇 力 电 畴 变 学 探 讨 与 畴 变 有 关 的 失 效 行 为 的 机 理 , 内 容 包括 畴 变理 论 与 实 验 、 断 裂 韧 性 与 极 化 、 交 替 畴 变 与 疲 劳 裂 纹 扩 展 。 第 四
3、 篇 质 流 失 效 学 探 讨 与 质 流失 稳 有 关 的 失 效 行 为 的 机 理 , 包 括 力 电 耦 合 下 的 质 流 、 质 流 的 演 化 与 失 稳 、 质 流 引 致 失 效 。书 中 所 探 讨 的 研 究 命 题 着 重 于 力 学 与 电 子 学 相 耦 合 的 交 叉 领 域 。 通 过 确 定 材 料 在 电 场 载 荷 或 者 在 力 电 耦 合 载 荷 作 用 下 的 典 型 失 效 模 式 , 分 析 失 效 机 理 , 来 建 立 新 的 理 论 分 析 方 法 , 并 提 出 一 套 可 靠 性 评 价 方 法 。版 权 所 有 , 翻 印 必 究
4、。 本 书 封 面 贴 有 清 华 大 学 出 版 社 激 光 防 伪 标 签 , 无 标 签 者 不 得 销 售 。图 书 在 版 编 目 ( CIP) 数 据力 电 失 效 学 / 杨 卫 著 .北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2000ISBN 7-302-04106-7 .力 . . . .杨 . . . .失 效 分 析 .TB114 .2中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2000) 第 76778 号出 版 者 : 清 华 大 学 出 版 社 ( 北 京 清 华 大 学 学 研 大 厦 , 邮 编 100084) ht t p : / / www .t
5、 up .t singhua .edu .cn印 刷 者 : 印 刷 厂发 行 者 : 新 华 书 店 总 店 北 京 发 行 所开 本 :787 1092 1/ 16 印 张 :15 .75 字 数 :290 千 字版 次 : 2001 年 1 月 第 1 版 2001 年 1 月 第 1 次 印 刷 书 号 : ISB N-7-302-04106-7/ TB 30印 数 : 0001 0000定 价 : 元Brief IntroductionT his book is a monogr aph abou t Mecha tronic R eliability , an em erging
6、bra nch of modern tec hnology .T h e r ea ders of t he book ma y incl ud e profes- s ion al s , gra duate st ude nt s a nd even se nior unde rgr adua tes w ho ar e e ngag edin researc hes of solid m ech anics , mate rial scie nces , microelectronics , solid s tate physics and mecha nical engin eeri
7、ng .T he conte nt s of mech atronic relia- bilit y unfold according t o t he se qu ence of Electric Failur es , Mecha nical-E lec-t rical Coupling , Dom ain Switching a nd Mass Flow Ins tability .Pa rt I of t he book disc usses t h e ph enomenological t heory a bou t elect ric fr act ure , elect ric
8、 fatigue a nd cur re nt induced m as s flo w i ns tabilit y .Par t prese nt s t h e cons ti-t utive for mulation of li near piezoelect rics , r elaxor fe r roelect rics and fer roelec-t rics wit h dom ain s witching , with at ten tion foc use d on t h e c har acte rization of defect fields ma nifes
9、ted by t he coupling in macroscopic field equations .Par t exp lor es m ec ha ni sms of m ech at ronic fail ur es associated wit h domain s witching .T he con ten t s cover t h eory and e xperime n ts of domain switch , f ractur e t ough ness a nd pola riza tion , altern ating switch a nd fatigu e c
10、r ackgrow t h . T he final pa rt el ucidates t he mec ha nisms related t o mass flow ins tability , such as mass flow und er mec ha nical 1988 年 和 1990 年 分 别 在 法 国 Gr enoble 大 学 和美 国 Bro wn 大 学 担 任 短 期 客 座 教 授 ; 1993 年 、 1995 年 两 度 在 美 国 加 州 大 学 担 任 短 期 客 座 研 究 员 ; 1996 .10 - 1997 .2 在 台 湾 大 学 担 任 特
11、 案 研 究 员 ; 1998 年 在美 国 普 林 斯 顿 大 学 担 任 短 期 客 座 研 究 员 ; 2000 .10 - 2001 .3 任 日 本 东 京 工 业 大 学 客 籍 讲 座 教 授 。 杨 卫 主 要 从 事 固 体 力 学 领 域 的 研 究 , 研 究 方 向 包 括 : 宏 微 观 破 坏 力 学 、 固 体 本 构 理 论 、 微 力 电 系 统 失 效 学 、 结 构 完 整 性 评 价 、 材 料 的 增 强 与 增 韧 理 论 。 近 年 来 开 展 了 航 天 领 域 的 研 究 。 现 任 清 华 大 学 教 授 , 工 程 力 学 系 主 任 。
12、兼 任 中 国 科 学 技 术 协 会 常 委 , 中 国 力 学 学 会 副 理 事 长 , 并 任 亚 太 断 裂 学 会 副 主 席 , 是 国 际 学 术 刊 物 In t .J .Fr act ure 的 亚 太 区 编 辑 , Fatigue 认 识 机 械 运 动 , 是 科 学 的 第 一 个 任 务 ”( 同 上 ,第 230 页 ) 。 列 宁 说 “: 苏 维 埃 加 电 气 化 就 是 共 产 主 义” 。 钱 学 森 说“ : 不 可 能 设想 , 不 要 现 代 力 学 就 能 实 现 现 代 化” ( 力 学 与 实 践 , 1979, 1 : 4 - 9) 。在
13、 千 年 之 交 , 信 息 科 学 成 为 科 技 进 步 的 主 要 动 力 。 力 与 电 交 织 在 一 起 , 在微 机 电 、 微 电 子 元 件 与 封 装 、 智 能 结 构 和 空 间 技 术 中 , 展 现 出 一 片 科 学 技 术 发展 的 崭 新 天 地 。例 如 , 在 超 大 规 模 集 成 电 路 的 发 展 所 提 供 的 深 亚 微 米 加 工 技 术 下 , 电 子 元 器 件 的 微 型 化 ( miniaturization ) 正 在 以 Moor e 定 律 预 测 的 速 度 前 进 ( 简 睿 杰 , 1999 ) 。 微 电 子 元 件 的
14、几 何 构 型 从 基 底 上 的 单 层 薄 膜 发 展 为 百 余 层 摩 天 大 楼式 的 叠 合 膜 。 深 亚 微 米 立 体 加 工 技 术 使 制 造 毫 米 乃 至 微 米 级 的 微 机 械( micromachin e) 或 微 系 统 ( microsys te m ) 成 为 可 能 。 几 克 重 的 直 升 飞 机 、 3 mm大 小 的 可 运 动 的 汽 车 、 毫 米 级 尺 寸 的 微 泵 、 定 子 外 径 为 1 .5 mm 的 平 面电 磁 电 机 、 转 子 直 径 为 0 .08 mm 的 电 磁 电 机 等 微 机 械 在 国 际 上 相 继 问
15、 世 。 由具 有 感 知 功 能 的 微 传 感 器 , 具 有 电 脑 功 能 的 微 电 子 元 器 件 及 具 有 致 动 功 能 的微 执 行 器 可 组 成 一 个 集 感 官 、 思 维 和 动 作 于 一 身 的 微 机 电 系 统 ( MEMS ) , 并形 成 了 一 个 称 为 “力 电 学 ( mec hat ronics )”的 新 学 科 (Br adley 等 , 1991) 。对 信 息 结 构 而 言 , 力 与 电 之 结 合 是 一 柄 双 刃 剑 。 一 方 面 , 力 电 结 合 造 成 对 压 电 、 铁 电 、 存 储 、 致 动 、 传 感 、
16、能 带 调 移 等 多 方 位 功 能 的 激 发 ( Ga ndh i 与T hompson , 1992 ; 王 晓 明 等 , 1995 ; 陶 宝 祺 , 1997) ; 另 一 方 面 , 力 电 结 合 又 是 造成 种 种 力 电 失 效 行 为 的 源 泉 ( 杨 卫 , 1996 ) 。 本 书 无 意 去 探 讨 力 电 结 合 而 产 生的 功 能 , 而 旨 在 讨 论 由 力 电 结 合 衍 生 而 至 的 失 效 行 为 。力 电 失 效 学2力 电 失 效 行 为 具 有 三 点 特 征 : (1) 小 尺 度 , (2) 应 力 场 ( s tr es s fi
17、el d) 与 电 场 ( elect ric field ) 的 耦 合 , (3 ) 温 度 场 和 传 质 过 程 的 影 响 。 下 面 以 微 机 电 系 统和 微 电 子 器 件 为 例 窥 其 一 斑 。微 机 电 系 统 的 典 型 构 形 为 薄 膜 / 基 体 和 多 层 膜 ( multi-layer s ) 结 构 。 其 主要 特 征 是 : 尺 度 小 、 层 状 异 质 、 多 场 耦 合 。 小 尺 度 特 征 推 动 了 细 观 力 学 的 发 展 , 推 动 了 力 学 与 材 料 科 学 、 物 理 学 和 制 造 工 艺 在 微 结 构 演 化 这 一
18、共 同 点 上 的 结合 (S uo , 2000 ) 。 膜 基 结 构 和 多 层 膜 结 构 中 常 存 在 着 高 达 弹 性 模 量 千 分 之 一 乃 至 百 分 之 一 量 级 的 应 力 ; 薄 膜 的 形 状 演 化 所 需 的 时 间 尺 度 远 低 于 块 体 材 料 ; 膜 基 结 构 的 损 伤 有 着 层 出 不 穷 的 形 式 ; 膜 基 结 构 的 可 靠 性 ( reliabilit y) 往 往 是制 约 高 新 技 术 结 构 发 展 的 瓶 颈 。 因 此 , 研 究 薄 膜 结 构 的 应 力 、 形 状 演 化 、 损 伤 和 可 靠 性 便 成 为
19、 具 有 重 要 意 义 的 工 作 。亚 微 米 集 成 电 路 失 效 的 一 个 重 要 原 因 在 于 力 学 、 热 学 和 电 学 的 耦 合 效 应 。 电 流 引 起 的 导 体 中 的 质 量 输 运 称 为 电 迁 移 ( elect romigration) 。 半 导 体 器 件 中内 导 线 ( i nte rconnect ) 星 罗 棋 布 , 数 量 巨 大 。 一 条 内 导 线 的 开 路 失 效 ( ope ncircuit failur e) 或 两 相 邻 导 线 的 短 路 失 效 ( s hor t cir cuit failure) 足 以 导
20、致 整 个器 件 的 失 效 ; 而 一 个 器 件 的 失 效 可 能 导 致 整 个 系 统 的 错 误 或 瘫 痪 。 传 质 过 程的 不 均 匀 还 可 能 引 起 附 加 应 力 分 布 , 从 而 引 发 其 他 破 坏 行 为 。 在 我 国 现 用 微米 级 集 成 电 路 的 制 造 工 艺 下 , 内 导 线 的 材 料 微 结 构 为 亚 微 米 柱 状 晶 ( s ub-micron t ubular grains ) , 可 能 造 成 严 重 的 电 迁 移 问 题 ( Z hao 和 Ya ng , 1997) 。信 息 技 术 发 展 到 今 天 , 已 从
21、发 明 的 时 代 逐 渐 步 入 规 范 化 制 造 的 时 代 。 在层 出 不 穷 的 信 息 材 料 和 信 息 结 构 中 , 真 正 得 以 浮 现 出 IT 竞 争 之 林 的 是 具 有 高 可 靠 性 的 规 范 化 产 品 。 提 高 器 件 及 封 装 ( packa ging) 的 可 靠 性 成 为 具 有 竞 争 性 的 新 一 代 信 息 产 品 的 关 键 技 术 。 当 前 国 产 多 层 微 电 子 元 件 与 封 装 的 可 靠 性 、 微 机 械 的 可 靠 性 远 低 于 国 际 先 进 水 平 。 在 中 国 微 电 子 和 微 机 械 产 业 的
22、跨世 纪 发 展 中 , 将 实 现 从 进 口 组 装 到 仿 制 , 再 到 自 行 研 制 的 技 术 进 步 。 在 即 将 来 临 的 这 一 时 代 , 力 电 耦 合 ( m ec hat ronic coup ling) 失 效 研 究 的 重 要 性 将 逐 渐 为国 人 所 认 识 。0 .2 力 电 耦 合 的 三 个 层 面力 可 以 生 电 , 电 可 以 激 力 。 力 电 耦 合 可 以 从 微 观 、 细 观 和 宏 观 的 三 个 层 面 上 来 加 以 诠 释 。从 微 观 层 面 来 说 , 力 之 产 生 源 于 电 子 云 的 交 互 作 用 , 而
23、电 之 体 现 源 于 电 子 的 定 向 流 动 。 电 子 云 交 互 的 强 弱 制 约 着 电 子 的 整 体 定 向 流 动 ; 电 子 的 定 向 流动 也 影 响 着 电 子 云 交 互 。 因 此 , 力 电 耦 合 是 微 观 上 电 子 云 行 为 这 一 共 同 动 因绪 论 3之 必 然 表 现 。从 细 观 层 面 来 说 , 力 电 耦 合 有 两 类 过 程 : (1 ) 由 电 场 激 发 的 不 协 调 应 变 引 致 的 不 协 调 应 力 ;( 2) 由 电 场 激 发 的 传 质 过 程 , 并 由 于 传 质 不 均 匀 而 导 致 的 不协 调 应
24、力 。 后 一 类 细 观 力 电 耦 合 机 理 更 隐 晦 , 但 力 学 研 究 的 方 法 却 有 共 通 性 。从 宏 观 层 面 来 说 , 力 电 耦 合 指 由 宏 观 力 学 场 与 电 场 造 成 的 场 耦 合 。 力 学场 与 电 场 的 耦 合 可 分 为 单 耦 合 和 全 耦 合 两 类 。 对 单 耦 合 而 言 , 某 一 环 节 的 耦合 较 强 , 而 另 外 环 节 的 耦 合 较 弱 。 如 对 线 性 压 电 材 料 来 说 : 应 力 场 引 起 电 场 信 号 , 而 该 电 场 信 号 对 应 力 场 本 身 的 影 响 却 是 次 要 的 ;
25、 对 铁 电 材 料 来 说 , 电 场 引起 较 大 变 形 , 而 变 形 对 电 场 变 化 的 影 响 却 很 小 。 因 此 , 压 电 材 料 的 力 电 耦 合 主 要 表 现 在 从 应 力 场 引 起 电 场 , 而 铁 电 材 料 的 力 电 耦 合 主 要 表 现 在 从 电 场 引 起应 力 场 。 铁 电 材 料 中 由 电 场 引 起 不 协 调 应 变 又 有 两 种 机 制 : (1) 在 电 场 下 由电 致 伸 缩 ( elect ros t riction ) 引 起 渐 增 的 不 协 调 应 变 ; (2) 在 电 场 超 过 某 一 临 界值 时 导
26、 致 畴 变 ( domain s witc h) , 引 起 突 发 的 不 协 调 应 变 。 对 全 耦 合 问 题 , 无 论 是 应 变 的 表 达 式 , 还 是 电 场 的 表 达 式 , 均 共 同 地 取 决 于 应 力 场 和 电 位 移 场 , 无 法 由 任 何 方 式 进 行 解 耦 求 解 。0 .3 信 息 结 构 可 靠 性 的 瓶 颈0 .3 .1 智 能 结 构 的 瓶 颈 :脆 弱 的 铁 电 材 料人 们 对 实 现 力 电 功 能 转 换 的 材 料 提 出 了 日 益 苛 刻 的 要 求 。 线 性 压 电 体 ( piezoelect rics)
27、可 在 很 小 的 接 触 应 力 下 输 出 灵 敏 的 电 学 信 号 , 但 在 一 定 强 度 的 电 场 下 却 无 法 给 出 足 够 的 致 动 ( act uation ) 。 具 有 钙 钛 矿 结 构 ( p erovskite s tru ctur e) 的 铁 电 陶 瓷 ( fer roelect ric cera mics ) 在 可 实 现 的 电 场 信 号 下 引 起 较 大 的 致 动 。 它 具 有 较 大 的 力 电 功 能 转 换 率 及 良 好 的 性 能 可 调 控 性 , 因 而 在 电 子 技 术 中 广 泛 应 用 。 目 前 , 铁 电 陶
28、 瓷 已 经 被 广 泛 应 用 于 致 动 器 ( act uat or ) 、 微 定 位 器 ( micro-positioner ) 等 机 敏 器 件 ( Cross , 1993 ; Uchi no , 1997 ) 。 20 世 纪 80 年 代 后 期 , 铁 电 薄 膜 制 备 技 术 的 重 大 突 破 使 得 铁 电 体 薄 膜 与 半 导 体 器 件 的集 成 变 为 可 能 , 从 而 导 致 了 以 铁 电 存 储 器 ( fer roelet ric m emory) 为 代 表 的 新 型 信 息 功 能 器 件 和 系 统 的 开 发 和 应 用 ( Scot
29、 t 与 Ar aujo , 1989) 。 用 铁 电 材 料 与电 极 交 叠 而 成 的 机 敏 结 构 ( smar t s tr uctur es ) 可 在 不 高 的 电 压 下 得 到 足 够 的 致 动 。 1990 年 的 统 计 表 明 , 仅 在 电 子 学 应 用 方 面 , 铁 电 陶 瓷 就 占 据 了 世 界 范 围 内 高 技 术 陶 瓷 市 场 的 60 % ( Cros s , 1993 ) 。随 着 铁 电 陶 瓷 日 益 广 泛 的 应 用 , 其 可 靠 性 问 题 变 得 尤 为 突 出 。 铁 电陶 瓷 在 应 用 过 程 中 , 常 承 受 较
30、 强 的 直 流 或 交 流 电 场 , 这 将 使 得 在 铁 电 陶 瓷 内 电力 电 失 效 学4极 ( in tern al elect rode) 以 及 制 备 过 程 产 生 的 缺 陷 ( defect ) 或 裂 纹 ( crack ) 附 近 , 产 生 较 强 的 电 场 集 中 ( field concen tr ation ) 与 应 力 集 中 ( s tr es s con ce nt ration) (W inzer 等 , 1989 ) 。 另 一 方 面 , 铁 电 陶 瓷 十 分 脆 弱 , 其 断 裂 韧 性 仅 为1MPa m1/ 2 左 右 。 因
31、此 , 在 实 际 使 用 过 程 中 , 常 常 会 出 现 由 于 电 场 载 荷 作 用 而 引 致 的 断 裂 行 为 电 致 断 裂 ( electric f ractur e ) , 以 及 交 变 电 场 作 用 下 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 电 致 疲 劳 ( elect rically induced fa tigue crack growt h ) 。 电 致 断 裂 与 电 致 疲 劳 问 题 的 出 现 , 限 制 了 铁 电 陶 瓷 的 广 泛 应 用 和 微 电 子 元 器 件 性能 的 提 高 。 因 而 , 铁 电 陶 瓷 的 可 靠 性 问 题 变 得 尤
32、为 突 出 与 重 要 , 从 而 促 使 人 们 研 究 电 致 失 效 机 理 (W inzer 等 , 1989 ; 杨 卫 , 1996 ; Suo , 1998 ) , 并 提 出 相 应的 增 韧 机 制 ( toughe ning mec ha nism ) 。0 .3 .2 微 电 子 元 件 的 瓶 颈 :铝 导 线 的 电 迁 移半 导 体 微 电 子 器 件 经 历 了 几 代 的 迅 速 发 展 , 已 经 达 到 超 大 规 模 集 成 电 路( very large scale in tegr ation , V LSI ) 的 水 平 。 半 导 体 集 成 器
33、件 的 可 靠 性 和 寿命 直 接 影 响 着 微 电 子 元 器 件 的 成 品 率 、 价 格 竞 争 性 、 保 修 周 期 和 用 户 满 意程 度 。VLSI 半 导 体 集 成 电 路 中 往 往 集 成 了 106 107 个 单 元 , 各 单 元 间 靠 薄 膜 内 导 线 相 连 。 巨 大 数 量 的 薄 膜 内 导 线 可 占 据 高 达 80 % 的 芯 片 面 积 。 为 提 高集 成 度 和 电 路 速 度 应 尽 量 缩 短 内 导 线 , 并 采 用 多 层 膜 ( 王 阳 元 等 , 1991 ) 。 在 复 杂 的 内 导 线 结 构 中 , 一 条 导
34、 线 的 开 路 失 效 或 相 邻 两 条 导 线 之 间 的 短 路 失 效 , 就 足 以 造 成 器 件 的 失 效 。 虽 然 绝 大 部 分 内 导 线 寿 命 可 以 很 长 , 但 是 起 决 定 因素 的 将 是 寿 命 最 短 的 导 线 。 随 着 微 电 子 器 件 集 成 度 的 提 高 , 构 成 器 件 薄 膜 内导 线 的 线 宽 随 之 缩 小 。 现 代 微 电 子 技 术 已 使 亚 微 米 的 导 线 线 宽 工 艺 达 到 成 熟 , 并 广 泛 应 用 于 大 规 模 批 量 生 产 中 。 在 1995 年 采 用 0 .18 m 导 线 线 宽
35、工艺 的 1G b DRAM 已 研 究 成 功 ; 在 1999 年 采 用 0 .18 m 导 线 线 宽 工 艺 的 1Gb DR A M 已 经 上 市 。 现 在 导 线 线 宽 还 在 向 更 细 的 水 平 发 展 , I N TEL 公 司 正 在 研 制 0 .13 , 0 .10 , 0 .08 乃 至 0 .06 m 线 宽 的 微 电 子 线 路 ( 简 睿 杰 , 1999 ) 。 我 国 于 1995 年 在 试 验 室 研 制 成 功 国 产 的 0 .8 m 半 导 体 制 造 工 艺 。 引 进 的0. 35 m 集 成 电 路 生 产 线 目 前 已 告 投
36、 产 。在 集 成 电 路 采 用 铝 导 线 ( aluminum lines ) 还 是 铜 导 线 是 一 个 涉 及 到 千 亿美 元 量 级 投 资 方 向 的 基 本 技 术 路 线 问 题 。 早 在 20 世 纪 70 年 代 , d He ur le(1971) 指 出 : 采 用 高 熔 点 、 低 扩 散 系 数 、 高 激 活 能 的 金 属 , 如 铜 、 银 、 金 、 钼 等 , 可 以 提 高 导 线 的 抗 电 迁 移 破 坏 的 性 能 。 然 而 铝 及 其 合 金 作 为 内 导 线 , 有 以 下 的 优 越 性 ( 王 阳 元 等 , 1991) :
37、 (1) 低 电 阻 率 , 从 而 有 利 于 提 高 集 成 电 路 的 速 度 ; (2 ) 与 硅 之 间 低 阻 的 欧 姆 接 触 ; ( 3) 与 绝 缘 体 , 如 SiO2 , 有 良 好 的 附 着 性 ; ( 4)绪 论 5耐 腐 蚀 ;( 5) 易 于 沉 积 和 刻 蚀 ; (6) 易 于 键 合 , 且 键 合 点 能 长 期 工 作 。 由 于 这些 优 势 , 铝 及 其 合 金 一 直 是 半 导 体 工 业 中 薄 膜 内 导 线 的 首 选 介 质 。 在 集 成 线路 工 艺 中 , 金 属 导 线 中 90 % 以 上 使 用 铝 基 导 线 , 而
38、且 能 在 铝 熔 点 ( 933 K ) 一 半 左 右 的 温 度 下 正 常 工 作 。 铝 及 其 合 金 的 缺 点 是 熔 点 低 、 抗 电 迁 移 性 能 差 。 另 一 种 选 择 是 铜 。 虽 然 铜 的 熔 点 高 、 抗 电 迁 移 性 能 好 , 但 铜 与 SiO2 粘 附 性 差 , 工艺 成 本 高 , 使 产 品 价 格 昂 贵 。 仅 在 亚 微 米 薄 膜 导 线 工 艺 中 , 铜 才 被 用 作 制 造 导 线 的 材 料 。 1999 年 , 由 于 深 亚 微 米 薄 膜 导 线 中 愈 显 突 出 的 电 迁 移 行 为 , IBM 公 司 推
39、 出 铜 内 导 线 的 集 成 电 路 芯 片 。薄 膜 内 导 线 的 失 效 是 应 力 迁 移 ( st r ess migra tion ) 、 热 迁 移 ( t her m almigr ation ) 和 电 迁 移 的 综 合 结 果 。 引 起 应 力 迁 移 的 应 力 场 往 往 来 源 于 热 失 配和 器 件 工 作 时 的 暂 态 过 程 。 电 流 的 焦 耳 热 效 应 引 起 的 导 线 内 的 温 度 梯 度 所 导 致 的 热 迁 移 也 不 可 忽 视 。 但 最 为 严 重 的 是 : 内 导 线 需 要 承 受 高 密 度 且 方 向 不变 的 工
40、 作 电 流 , 于 是 便 不 可 避 免 地 引 起 严 重 的 电 迁 移 问 题 。 人 们 通 常 使 用 的体 材 料 导 线 , 由 于 工 作 电 流 密 度 小 , 电 迁 移 现 象 并 不 显 著 。 然 而 , 半 导 体 器 件中 所 用 的 薄 膜 导 线 便 与 之 截 然 不 同 。 由 于 硅 基 体 的 良 好 散 热 条 件 , 附 着 其 上 的 薄 膜 导 线 能 承 受 高 达 1010 A/ m2 以 上 的 工 作 电 流 密 度 而 不 会 熔 断 。 在 这 样的 高 电 流 密 度 下 , 薄 膜 导 线 的 电 迁 移 现 象 变 得 非
41、 常 明 显 , 成 为 薄 膜 导 线 失 效 的 重 要 因 素 。 集 成 度 的 提 高 使 薄 膜 内 导 线 不 断 变 窄 , 通 过 导 线 的 电 流 密 度 就 不可 避 免 地 随 之 升 高 , 使 由 电 迁 移 引 起 的 内 导 线 失 效 始 终 成 为 威 胁 微 电 子 元 器件 可 靠 性 的 瓶 颈 。电 迁 移 引 起 的 导 线 失 效 不 是 一 个 孤 立 问 题 。 电 场 决 定 了 电 迁 移 引 起 的 质 量 在 薄 膜 导 线 中 的 输 运 和 重 新 分 布 , 而 质 量 的 重 新 分 布 又 会 引 起 导 线 中 产 生应
42、 力 ( Blec h , 1976 ; Blech 与 H er ring , 1976 ; T houless 等 , 1996 ) 。 H ua ng 等 (1996) 报 道 在 有 坚 硬 钝 化 层 ( pass iv ation) 的 薄 膜 导 线 中 的 应 力 甚 至 可 以 超 过导 线 材 料 屈 服 应 力 数 倍 , 乃 至 引 起 孔 洞 形 核 ( void n uclea tion) 。 导 线 的 应 力 场反 过 来 又 会 影 响 质 量 的 输 运 。 电 迁 移 和 其 他 质 量 输 运 过 程 还 引 起 形 貌 变 化 , 从 而 影 响 电
43、场 和 应 力 场 。0 .4 力 电 失 效 学进 入 20 世 纪 90 年 代 以 来 , 固 体 破 坏 理 论 的 一 个 新 兴 的 学 科 分 支 力 电 失 效 学 ( mech atronic r eliabilit y) 得 到 迅 速 发 展 并 成 为 固 体 力 学 的 前 沿 领 域之 一 ( 杨 卫 , 1993 , 1996) 。 力 电 失 效 学 研 究 材 料 在 电 场 载 荷 或 力 电 耦 合 载 荷作 用 下 由 应 力 引 起 的 失 效 行 为 。 失 效 ( fail ure ) 的 起 因 在 于 电 场 载 荷 , 失 效 的机 理 却
44、根 植 于 应 力 引 起 的 破 坏 。 研 究 命 题 的 选 择 侧 重 于 力 学 与 电 子 学 耦 合 的力 电 失 效 学6交 叉 领 域 , 通 过 确 定 材 料 在 电 场 载 荷 或 者 在 力 电 耦 合 载 荷 作 用 下 的 失 效 模 式( fail ure mode) , 来 分 析 失 效 机 理 , 建 立 新 的 分 析 方 法 , 并 提 出 一 套 系 统 的 可 靠性 评 价 方 法 , 最 终 提 高 信 息 材 料 与 微 机 电 系 统 的 服 役 寿 命 ( service life ) 。 力 电 失 效 学 的 研 究 尚 处 于 起 步
45、 阶 段 , 但 它 无 疑 是 力 学 工 作 者 开 拓 的 一 个 充 满 机遇 的 领 域 。力 电 失 效 学 把 力 学 理 论 对 材 料 强 度 的 研 究 从 传 统 的 结 构 材 料 延 伸 至 信 息 材 料 与 微 机 电 构 件 , 从 而 实 现 各 类 力 协 同 作 用 理 论 下 力 学 与 材 料 结 合 的 学 科飞 跃 。这 一 学 科 发 展 的 意 义 之 一 在 于 进 行 微 机 电 系 统 的 主 动 设 计 与 智 能 预 报 。 其 超 出 传 统 经 验 设 计 的 诸 发 展 阶 段 为 :( 1) 力 电 耦 合 行 为 的 建 模
46、 与 机 理 解 释 ;(2 ) 可 靠 性 原 理 指 导 下 的 定 性 设 计 ; ( 3) 力 电 耦 合 的 定 量 设 计 、 优 化 与 计 算 机模 拟 试 验 ;( 4) 高 可 靠 度 和 可 修 复 性 的 智 能 预 报 设 计 。 该 学 科 发 展 的 意 义 之 二 为 在 多 类 力 场 模 型 下 统 一 表 达 力 、 电 、 热 的 耦 合 作用 场 , 并 进 而 探 讨 耦 合 作 用 下 的 失 效 机 制 。 该 学 科 发 展 的 意 义 之 三 为 从 连 续 介 质 尺 度 与 原 子 尺 度 相 结 合 的 角 度 上 ,探 索 力 学 场
47、 与 电 学 场 宏 微 观 耦 合 作 用 , 探 寻 力 电 失 效 学 的 基 本 机 理 。0 .4 .1 失 效 的 现 象 : 电 致 失 效 学电 致 失 效 学 ( elect ric reliabilit y) 揭 示 电 场 载 荷 下 的 失 效 现 象 。 它 的 研 究内 容 涵 盖 了 电 致 断 裂 、 电 致 疲 劳 、 电 迁 移 等 一 系 列 电 致 失 效 现 象 。 其 研 究 从 力 学 与 电 磁 学 相 结 合 的 角 度 上 进 行 。对 电 致 失 效 现 象 的 研 究 目 的 在 于 防 范 电 致 失 效 , 提 出 具 有 高 可 靠
48、 性 的 设计 方 案 。 典 型 的 例 子 包 括 : 如 何 通 过 铁 电 致 动 器 的 设 计 来 防 范 电 致 断 裂 和 电致 疲 劳 ? 如 何 根 据 电 致 伸 缩 的 原 理 设 计 智 能 型 定 向 止 裂 元 件 ? 如 何 为 防 范 薄 膜 与 多 层 膜 的 失 效 来 进 行 力 电 耦 合 设 计 ? 如 何 使 电 迁 移 下 的 质 量 流 动 不 产 生 形 状 失 稳 ? 等 等 。0 .4 .2 失 效 的 原 因 : 力 电 耦 合 学力 场 与 电 场 的 耦 合 造 就 了 力 电 失 效 的 内 因 。 力 电 耦 合 可 通 过 本
49、 构 关 系 ( cons tit u tiv e relation) 来 进 行 研 究 。 具 有 力 电 耦 合 的 典 型 本 构 关 系 有 : (1 ) 线 性 压 电 本 构 关 系 ;( 2) 弛 豫 铁 电 体 ( r elaxor fer roelect rics ) 本 构 关 系 ; (3) 畴 变 型 铁 电 本 构 关 系 。 在 这 三 类 具 有 力 电 耦 合 特 征 的 本 构 关 系 下 , 缺 陷 顶 端 会 出现 什 么 样 的 特 征 状 态 ? 这 是 从 力 电 耦 合 学 的 角 度 上 探 讨 力 电 失 效 的 重 要问 题 。绪 论 70 .4 .3 失 效 的 机 理 : 力 电 畴 变 学铁 电 材 料 的 断 裂 韧 性 ( fr act ure toughness ) 呈 现 出 有 趣 的 电 场 依 赖 行 为 : 它 不 仅 取 决 于 测 试 时 施 加 的 电 场 , 还 取 决 于 测 试 前 施 加 的 电 场 。 实 测 数 据 表明 :( 1) 极 化 电 场 ( poling field) 可 使 断 裂 韧 性 出 现 各 向 异 性 ( a nis
