随着半导体技术的迅猛发展,超大规模集成电路(ULIC)和微机电系统(MEMS)已经深入到现代生活的各个领域。中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、闪存(Flash)和动态存储器(DRAM)等典型器件中的ULIC主要是由金属氧化物半导体晶体管(MOSFETs)和多层复杂金属Cu互连结构构成^[1,2]。常见的MEMS器件主要包括各种传感器和致动器等,它们通过金属导体与集成电路集成。近几十年来,ULIC始终遵循着摩尔(Moore)定律不断地高度集成化,内部器件的特征尺寸不断减小^[3]。在集成电路(IC)技术发展过程中,为了缩小特征尺寸并提高器件的可靠性,实现ULIC的低功耗和低延迟,人们不断引入新材料(例如Cu的普及^[4,5]以及碳纳米管和石墨烯等二维材料的引入^[6,7])或者新技术(例如多芯片组装技术^[8])。此外,一些特殊功能的互连结构也不断出现,例如,利用3D打印技术制造的骰子上集成的嵌入式处理器和加速器的互连线结构^[9]和生物领域中的可降解电子器件中的互连结构^[10]等。

目前,微电子器件正超越Moore定律(more than Moore)不断向其它领域发展,人们在考虑器件使用性能的同时,更多地注重器件的人机交互性和环境交互性。因此,金属薄膜/线也更多地应用于柔性器件、无源器件、传感器和致动器等方面^[11],成为物联网和智能控制系统重要的组成部分。例如,汽车在发动机、底盘、车身、灯光电气及安全系统上已集成了近百种传感器,而未来的无人驾驶汽车将集成更多的MEMS传感器;在以智能手机为主的移动设备中也应用了诸如加速计、陀螺仪和电子罗盘等多种MEMS器件,这些功能的实现均离不开ULIC高性能计算和各种传感器的数据识别和采集。在材料科学领域,高性能计算模拟,材料基因组计划(materials genome initiative,MGI)和集成计算材料工程(integrated computational materials engineering,ICME)等均离不开能够进行高通量计算的超级计算机。柔性可延展电子器件代表新一代半导体器件最近发展的一个方向是,主要采用波浪式结构或岛桥式结构,由屈曲的薄膜或微纳尺度金属导体和柔性有机物基体承担大的变形^[12]。目前,柔性电子器件在新能源、成像显示、人工智能和生物医疗等领域具有广阔的应用前景^{[13,14,15,16]}。

在一定基底上的金属薄膜材料的制备和服役过程中,往往承受一定的温度循环。在任何一个存在温度循环的复合系统中,由于材料的热膨胀系数不同,热疲劳一直是个潜在的可靠性威胁。例如,个人电脑在使用过程中总会经历开机关机或是CPU使用率时高时低(例如加载运行大型软件和运行计算时)的情况,CPU温度会随时间发生较大波动,最高可达约90 ℃^[17]。集成电路芯片的特征尺寸在逐年减小的同时,芯片中金属布线所承受的电流密度也在不断升高,可高达10 MA/cm^{2 [1]}。因此,在这种高温、高电流密度的服役环境下,芯片内部复杂的高密度、小尺度金属互连线结构的可靠性受到严重威胁。

计算^[18]表明,几十度的温度变化就可在薄膜中产生相当大的应变和应力,接近金属薄膜单轴拉伸的屈服强度。早在1971年就有文献报道,循环温度作用下的金属互连线会产生热疲劳损伤^[19],而金属互连线的失效主要归因于电迁移和应力迁移^[20]。Keller等^[17]认为,这主要是因为像SiO₂和Si₃N₄这样的硬覆盖层会有效地抑制互连线表面损伤的形成,因此抑制了疲劳裂纹的产生。为了解决金属互连线因尺度减少而带来的阻容(RC)延迟效应,目前主要采用低介电常数材料作为金属互连层层间绝缘材料(最理想的低介电常数介质是真空)。通常,低介电常数材料具有较低的热导率和较大的热膨胀系数(约(10~60)×10^-6 ℃^-1),导致互连线在服役时将承受更高的温度,进而诱发更大的热应力而破坏失效。另外,在热应力作用下低介电常数材料具有更大的柔性,易于发生变形。低介电常数材料一般为低表面能材料,润湿性较差,层间界面黏附力很差^[21]。因此,这些新材料的引入必将引发热循环应力造成的器件可靠性问题。

对于金属薄膜材料而言,其几何尺寸(厚度和线宽度)以及内部特征结构尺寸(晶粒尺寸)均在微米尺度以下,位错在小尺度空间内的运动受限,因此经疲劳加载后的金属薄膜材料中往往不再出现块体材料中的典型位错胞和位错墙等结构组态,使得微纳米尺度金属薄膜的疲劳行为与块体材料存在明显差异^{[22,23,24,25]}。自2004年,Mönig等^[26]证实了在纯交流电的作用下Si基体上金属互连线会引发热疲劳损伤以来,金属互连线的热疲劳研究得到越来越多的关注。本文针对近年来国内外关于微纳米尺度金属薄膜/互连线材料交流电诱发热疲劳实验方法、热疲劳性能和损伤行为的研究进展进行了综述,对小尺度金属的热疲劳损伤微观机制进行了探讨,并对这一领域的研究前景和未来趋势进行了展望。

1 金属薄膜热疲劳可靠性评价方法

作为二维结构材料,薄膜的一个方向尺度比其它2个方向的尺度小得多(至少小20倍以上,一般要小几百倍以上),因此,薄膜材料的热疲劳实验由于受到样品制备、夹持方式以及载荷位移测量精度限制而比较难于实施^[27],常规块体材料的疲劳试验设备和方法不再适用。

为了对金属薄膜进行热循环加载,研究者提出了若干特殊的实验方法,根据样品热应变产生的来源主要分为2种。(1) 传统热循环法。将样品置于加热炉中以一定的加热和冷却速率反复升温和降温给样品施加热应变。例如,Heinz等^[28,29]和Bigl等^[30]采用这种方法分别研究了Al薄膜和Cu薄膜的热疲劳行为。这种方法的缺点是耗时较长,且热加载频率受到实验仪器限制,当所需的热循环周次较高、加载频率较快时,这种方法不再适用^[31]。(2) 交流电热疲劳法。交流电热疲劳法是一种对受基体约束薄膜金属线直接进行热疲劳变形的方法,其优点是可以实现从低频到超高频的加载。目前,国内外针对互连线结构热疲劳行为的研究主要采用该方法。

Mönig和Keller^[17,18,26]首次对沉积在Si基底上的金属Cu互连线施加纯交流电,通过Joule热效应产生温度的周期变化,进而引入热循环应力/应变来研究金属线的热疲劳性能。他们设计了一套实验系统,用于测试的样品通常微加工成工字型结构,如图1所示。受基体约束的互连线两端有用于电接触的接触垫,通过微机械手控制探针使之搭载在接触垫上,实现对金属线高密度电流的输入/输出,接触垫之间为待测试的金属线。通过四点探针法与样品接触,在扫描电镜(SEM)下实时观察研究Cu线的高幅度低频率交流电诱发的热疲劳损伤行为。通过实时测得的电流和样品电压来计算样品的温度和应变变化。在此实验中,虽然施加的交流电电流密度与典型电迁移实验中施加的直流电电流密度相当,甚至更高^[32],但研究^[33]表明,纯交流电导致的电迁移损伤可以被反向电流所“愈合”。此外,Mönig等^[26,33]还发现,交流电引起的损伤行为与电迁移不同,证实了交流电热疲劳损伤确实是由热疲劳而非电迁移引起。

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图1   交流电诱发金属互连线热疲劳损伤实验系统示意图

Fig.1   Schematics of the sample structure (a) two pads on the two ends of the line are used for electric contacts (W and L present the width and the length of the testing line, respectively) (b) schematic illustration of the testing setup

此后,该实验方法被很多研究者所接受,并用来研究金属互连线的热疲劳行为。例如,Park等^[34,35]研究了交流电频率和表面覆盖层对Cu线热疲劳行为的影响;Barbosa等^[27,36]测得Al线的低周疲劳行为;Zhang等^[37]研究了Cu线的线宽效应;Sun等^[38]在四点探针的基础上增加了温度探针,实时测量样品接触垫上的温度变化,在SEM下原位观察了Au线的热疲劳行为。对于不易氧化或有覆盖层的互连线,在环境条件下进行准原位热疲劳实验更加方便经济。为此,本课题组前期工作^[39,40,41]简化了测试系统,采用两点探针法与样品接触,在长焦距高倍光学显微镜下实时观察并研究了Au线的热疲劳行为。为了排除引线电阻和接触电阻的影响,一般采用标准四点探针法测量薄膜电阻,但由于Au薄膜的接触电阻很小,所以采用两点探针法带来的误差可以忽略。

2 热疲劳性能与损伤行为

基于上述实验方法,研究者对受基体约束的金属薄膜/线开展了相关的热疲劳性能研究,包括金属线厚度^[26,33]、表面覆盖层^[17,42]、晶粒尺寸^[43]与织构^[33,34]、线宽^[37,38,44]、加工工艺^[30,37]、电流密度^[45]和频率^[26,35]等方面的影响。表1^{[17,33~35,37,38,43,45]}总结了近年来国内外开

展的热疲劳研究的微纳米尺度金属导体材料体系及实验参数。图2^{[33~35,37,42,43,45~47]}总结并比较了近年来交流电诱发各种金属线热疲劳寿命结果。可以看出,金属互连线材料主要以Al、Cu和Au为主,基体为Si或者SiO₂。在金属线与基体之间的一层Ta薄膜(厚度为5~10 nm)主要是用来提高薄膜与基体的结合力,Si基体上的SiN_x层主要用作Cu的扩散阻挡层。金属线的宽度、厚度和晶粒尺寸主要集中在亚微米尺度及以上,所承受的温度范围集中在70~420 ℃之间。

一般来说,金属线的热疲劳行为表现为损伤的逐步累积,直至最后断路失效。下文首先讨论金属线热疲劳的损伤行为,然后再探讨交流电诱发金属线热疲劳行为的影响因素与规律。

2.1 热疲劳损伤行为

Keller等^[17,48]对0.5 μm厚Al-1%Si (原子分数)线和1 μm厚Cu线进行了研究,发现金属线表面呈现出周期性的表面褶皱损伤特征,类似于块体材料中的疲劳侵入/挤出。在热循环加载过程中,晶粒内首先出现疲劳挤出和微孔洞,然后在孔洞处萌生裂纹。随后利用电子背散射衍射(EBSD)观察到了晶粒长大和转动现象。晶粒的面外取向从最初的[111]逐渐向近[112]方向转动,最终倾向于分布在[101]~[112]之间。Heinz等^[28]通过传统热疲劳法研究了600 nm厚Al薄膜时也观察到类似的晶粒取向改变和织构演化规律。Mönig^[33]研究发现,200~300 nm厚Cu互连线的热疲劳损伤表现出褶皱状形貌,褶皱首先起源于晶界或孪晶界附近,随着循环周次的增加,褶皱起伏度增大并逐渐向外扩展。与机械疲劳相比,热疲劳时产生的褶皱状疲劳挤出形态更规整、更平坦。但100 nm厚Cu线中不出现褶皱状损伤形貌,其损伤形式主要表现为晶界沟槽化、晶粒薄化与局部丘起。Geiss和Read^[49]利用透射电镜(TEM)分析证实了450 nm厚Al线的表面褶皱状损伤特征是位错运动所致的侵入/挤出,高密度位错主要起源于膜-基界面处,并伴有大量位错环产生,交流电诱发薄膜中产生双轴应力使位错滑移至表面随后消失。王鸣^[44]研究发现,200 nm厚的Au互连线在低电流密度下的疲劳损伤主要表现为微裂纹、孔洞、丘起和晶界沟槽,损伤区域发生了明显的晶粒长大。Sun等^[38]研究发现,35 nm厚的Au互连线出现了晶粒的再结晶与不规则长大现象,并且晶界发生迁移和合并,由此导致晶间微裂纹和微孔洞的形成。总体来说,热疲劳加载的金属互连线的表面形貌与微观结构均发生了变化,即位错运动导致的褶皱状疲劳挤出,热扩散引发的界面迁移与晶粒薄化,以及晶粒取向的改变和晶粒长大。相比之下,机械疲劳加载的金属薄膜一般呈现出表面侵入/挤出或裂纹沿晶界或孪晶界形核和扩展,而无明显的扩散主导的晶界沟槽化损伤行为^[23]。

2.2 热疲劳行为影响因素

2.2.1 材料和微观结构

(1) 材料纯度

Bigl等^[30]探讨了在Cu薄膜沉积过程中引入的杂质元素对热疲劳行为的影响,制备了高纯度和具有微量杂质(主要是S和Cl)的2种Cu薄膜。经过热循环加载后,高纯Cu薄膜表面粗糙化严重,孪晶界的迁移显著促进了晶粒长大过程。相比之下,具有微量杂质的薄膜强度更高,表面粗糙化程度和晶粒长大程度更低。他们认为外来杂质原子对界面有钉扎作用,并且降低了界面能,提高了界面稳定性。

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图2   不同条件下交流电诱发金属线热疲劳应变幅-寿命关系^{[33~35,37,42,43,45~47]}

Fig.2   Relationship between strain range and thermal fatigue life of various metal lines reported by some researchers under various test conditions^{[33~35,37,42,43,45]} (half-filled symbols) (More details are listed in Table 1. Mechanical fatigue data for bulk Cu^[46] (solid line) and Cu films^[47] (solid symbols) were also presented)

(2) 取向与织构

Mönig^[33]和Park等^[34]研究发现,面外法向为<100>取向的晶粒比<111>取向晶粒更容易发生热疲劳损伤。虽然二者都表现为褶皱状损伤,但形貌有所不同,如图3^[34]所示。分析认为,这种差异主要是由于不同取向晶粒的弹性模量以及分切应力不同造成位错运动所开动的滑移系与运动路径不同所致。晶粒内部大量的微孪晶也对此现象有所贡献。本文作者前期工作^[50]研究了位错行为对<111>取向晶粒的损伤的影响,如图4^[50]所示。分析认为,孔洞产生于滑移线与孪晶界相交处,局部高的应力以及位错湮灭产生的空位聚集导致孔洞形成,而扩散对孔洞形成有很大促进作用。图4b标示出了3种不同Burger矢量的位错滑移线。在50~200 nm厚薄膜中发生的“平行滑移”现象^[51],可能对扩散控制的晶界沟槽化有贡献。

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图3   典型的<100>取向晶粒和<111>取向晶粒的损伤形貌及演化^[34]

Fig.3   Typical damage morphologies of <100> out-of-plane oriented grains (a) and <111> out-of-plane oriented grains (b) (The left images show the early stages of damage formation and the right images show the later stages)

(3) 几何尺度

由于薄膜材料中的位错结构受到薄膜厚度和晶粒尺寸的约束,以及薄膜表面和膜/基界面的影响,因此金属薄膜的疲劳性能与块体金属材料不同^[23]。Mönig^[33]发现,随着厚度和晶粒尺寸的减小,Cu线热疲劳寿命增加,疲劳强度升高,且均高于相同块体材料的疲劳强度,如图2所示。但不同厚度Cu线的损伤形式不同,表现出明显的尺寸效应：亚微米厚度Cu线表面出现褶皱状疲劳挤出,而100 nm厚度以下的Cu线损伤表现为晶界沟槽化、丘起与薄化。因此他们认为,厚度较大的金属薄膜以位错控制为主,厚度较小的薄膜以扩散控制为主。王鸣等^[39]对厚度为200 nm的Au线进行研究时并未观察到疲劳挤出,这是由于较小的晶粒尺寸(约74 nm)对位错的约束作用所致。

线宽也对金属线的热疲劳性能产生显著作用。Zhang等^[37]和王鸣^[44]发现,在相同循环热应变幅下,Au互连线越宽,其热疲劳寿命越长。Wang等^[40]对不同线宽样品表面损伤形貌的分形维数分析发现,相同循环热应变幅下,Au互连线越窄,热疲劳损伤表面的分形维数越大,热疲劳损伤越严重。通过分形维数与损伤应变幅关系的外推,获得了2个重要的物理量：临界循环应变幅Δε_c和临界互连线宽厚比γ_c,其定量关系为Δε_c=Cγ_c^1/2 (C为与互连线金属本征物理性质和微观结构有关的无量纲参数)。对于给定互连线的宽厚比γ,当循环应变幅Δε <Δε_c时,互连线上不会发生热疲劳损伤。换言之,对于给定的Δε,当γ <γ_c时,互连线亦不会发生热疲劳损伤,γ反映出金属线热疲劳损伤临界条件的几何尺度效应。

(4) 薄膜-基体结合力

研究表明,与基体界面结合力强的金属线具有更高的热疲劳强度。Zhang等^[37]发现,由于金属线-基体界面结合力较差,60 nm厚Cu线的热疲劳寿命低于亚微米和微米厚度Cu线和块体Cu的疲劳寿命。Park等^[34]通过在Cu线和基体沉积一层Ta来提高界面结合力,发现界面结合力的增加可有效提高Cu互连线的热疲劳性能。

(5) 表面覆盖层

实际上芯片中的金属互连线往往经过封装之后使用,因此一些研究者从器件层面上研究了表面覆盖层对互连线损伤行为的影响。对于块体材料而言,表面硬质涂层可以有效抑制表面疲劳损伤的形成,软质涂层对表面疲劳损伤没有明显抑制作用^[52]。Keller等^[17]和Park等^[34]也发现,软质覆盖层没有抑制表面热疲劳损伤的作用,而当硬质覆盖层与金属薄膜结合很好时才会产生抑制疲劳损伤的效果。随后,Keller等^[42]研究发现,部分封装和全封装的金属线表现出不同的损伤行为。通过有限元分析发现,受力状态决定了损伤模式：在较大的温度幅下,部分封装的Cu线处于高应变/低应力状态,因此诱发塑性行为,全封装Cu线虽然处于高应变/高应力状态,但硬质覆盖层阻碍了塑性应变累积;在较小温度幅下,2种样品均处于低应变/高应力状态,不足以产生塑性变形,而更易诱发应力孔洞的形成。

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图4   热疲劳之后的(111)面外取向晶粒的透射电镜像^[50]

Fig.4   TEM observations of the damaged (111) out-of-plane oriented grain in thermally fatigued Cu films(a) brighter regions are thinned areas near grain and twin boundaries. The voids along the twin bound- ary are indicated with arrows(b) dislocations with three different Burgers vectors on (111) slip plane (1, 2 and 3) are also indicated. Dislocations 1 are invisible under the present g=200 vector

2.2.2 加载方式

(1) 电流密度

电流密度直接影响施加在金属线上的循环温度幅ΔT,而ΔT与热失配应变相互关联,因此电流密度对热疲劳行为有着显著的影响。一些研究者^[37,43,45]通过改变电流密度测得互连线热疲劳应变幅-失效周次曲线,研究了热疲劳寿命与疲劳强度。结果表明,电流密度越大,金属线所承受的温度越高,温度幅越大,热应变幅也越大,金属线寿命越低,这与一般的疲劳行为相符。Wang等^[45]对Au互连线热疲劳的研究表明,存在一个临界的电流密度(对应的Δε =0.47%),在低电流密度下(对应的Δε <0.47%),Au线的热应变幅与寿命之间满足Coffin-Manson方程。有趣的是,他们发现发生低周疲劳失效的周次已经落在传统高周疲劳周次的范围,这也意味着如果在更低的电流密度下加载,金属线的高周疲劳失效周次将向超高周次(>10⁷ cyc)推移。当电流密度过高时,Au线中部区域在过量Joule热作用下很快熔断失效而非热疲劳损伤。

(2) 电流频率

Mönig^[33]研究了交流电频率对温度幅的影响,发现输出功率一定时,随着电流频率的增大,互连线所承受的温度幅降低。Park等^[35]研究发现,保持相同温度幅和加载周次下,增大交流电频率不仅可以显著加速Cu线的损伤形成,增大损伤面积,还可以改变损伤模式。具体的微观机制目前尚不清楚。Luo等^[41]通过施加带有直流偏量的不同频率交流电,研究了热疲劳与电迁移的耦合效应,由于反向直流电的引入对交流电诱发热疲劳损伤有愈合作用,且这种愈合效应与电流频率成正比,因此频率越高金属线寿命越长。

3 热疲劳损伤微观机制

从以上分析可看出,金属薄膜/线的热疲劳行为与机械疲劳的损伤行为既有相似性也有差异性。当材料的几何尺度减小到微米甚至纳米尺度时,位错行为仍然对疲劳行为产生重要作用。本文作者前期工作^[23]对Cu薄膜的机械疲劳研究表明,当Cu薄膜厚度或晶粒尺寸大于3 μm时,薄膜中才能形成与块体材料类似的典型位错结构,当薄膜尺寸逐渐减小,位错逐渐变为松散的缠结组态,当薄膜厚度小于1 μm时,薄膜中只有单根位错存在。这种位错结构的变化使得Cu薄膜的机械疲劳损伤行为和性能表现出明显的尺寸效应;相较而言,金属薄膜的热疲劳也表现出类似的尺寸效应,但其变形机制明显不同,分别为扩散主导和位错主导。对于具有微米或亚微米尺度的金属薄膜/线来说,金属薄膜的热疲劳损伤行为与传统块体金属热疲劳行为基本相似,主要表现出热场和力场的作用。在大尺寸晶粒中,热疲劳损伤是由位错运动控制的,形成类似于块体金属材料疲劳行为^{[17,26,29,35]}的类“侵入/挤出”形貌。疲劳损伤首先从局部某些特定晶粒开始,随着塑性应变的不断累积,损伤面积不断增加,裂纹优先在晶界或孪晶界附近萌生。由于材料尺度的约束,类似块体材料内部的一些典型位错结构如驻留滑移带(PSB)和位错胞等并不存在。但当施加的电流密度较大时,样品温度较高,循环温度幅也会较大,在一定的尺度范围内(集中于50~200 nm),材料的热疲劳损伤机制为平行滑移与约束扩散主导的相关机制^[51]。当薄膜特征尺寸减小到纳米尺度时,由于位错的形核和运动受到强烈约束,疲劳损伤完全受晶界和表面扩散的控制。一般表现为晶界沟槽化、孔洞、晶粒薄化等,最终在晶界处产生微裂纹和孔洞^[38,39]。因此,微小尺度金属薄膜的热疲劳也表现出显著的尺寸效应。

图5总结了机械疲劳和热疲劳损伤行为与机制的差异以及所表现出来的尺寸效应。对比金属薄膜/线的热疲劳与机械疲劳,除了单一力场作用外,由于温度的影响,热扩散也成为越来越重要的因素,表现出电/热/力多场耦合作用。机械疲劳损伤主要是位错不可逆滑移引起的局部应变/应力局部化引起的损伤失效;而材料尺度(几何尺度、微观结构尺度)减小,晶粒内部的循环应变局部化倾向减小,疲劳损伤由晶内滑移带开裂转向晶界开裂;而电/热/力多场耦合作用下,热疲劳损伤除了由位错不可逆滑移引起外,更主要地是高温导致的原子扩散(表面扩散与晶界扩散)行为,因此疲劳损伤多表现出扩散引起的物质迁移、晶界损伤和孔洞失效,这些成为控制热疲劳失效的主要机制。

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图5   微小尺度金属薄膜机械疲劳与热疲劳损伤失效机制和尺度的关系图

Fig.5   Schematic of mechanical fatigue and thermal fatigue mechanisms of thin metal films as a function of characteristic size in the small-scale metal materials (T_m—melting point temperature; T₀—room temperature; d_c—critical characteristic size to cause fatigue mechanism transformation; d—film thickness; σ—tensile stress applied to films during thermal cycling; GB—grain boundary; PSB—persistent slip band)

4 展望

随着当今社会高度信息化与智能化,人们对高性能计算和高速信息与图像处理的迫切需求促使半导体技术不断发展;同时,器件的小型化也符合了低能耗的发展趋势。微纳米技术发展驱动材料尺度不断减小的同时,对微纳米尺度材料的长期服役可靠性提出愈来愈高的要求。材料科学领域中,人们在微纳米尺度下材料的使役性能评价、失效行为的表征以及微观机制的认识等方面面临着全新的挑战。热疲劳破坏作为微纳米器件中无法避免的损伤失效形式之一,也成为纳米材料领域所面临的一个重要的可靠性问题。从器件层面上来说,较好黏附性的硬质封装层以及较强的膜-基界面结合力能够有效抑制金属薄膜/线的热疲劳损伤。因此,发展新型低介电常数介质层是一种延缓或避免热疲劳的有效方法;同时,设计合理的互连线尺寸和结构也至关重要。可替代的新型导电互连材料(主要是二维材料和光互连)的研究仍然紧迫,并且新材料的引入所带来的潜在的可靠性问题也必将引起人们的关注。除此之外,某些特殊服役条件(如力场、电场和温度场的耦合及环境作用)下是否会产生疲劳可靠性问题也需引起重视。柔性电子器件的设计过程中一般主要考虑力学结构优化,而由于金属薄膜力学性能受温度影响,在较高和较低温度下服役的柔性器件的失效应变必然不同^[12],因此,温度变化对柔性器件可靠性影响不应忽视,这一领域的研究还有待开展。柔性器件和MEMS传感器等智能器件多用于生物体,在服役过程中不可避免地与体液接触,这种腐蚀环境必然影响器件的可靠性与服役寿命,因此,复杂环境下疲劳和热疲劳失效研究还有待开展。

总之,无论从微纳米器件实际服役可靠性评价角度,还是从微纳米尺度金属材料的热疲劳基本机制和理论的深入认识角度,这种跨尺度低维材料的热疲劳问题仍然值得人们不断去探索,这些问题主要表现在：

(1) 如何发展更为有效的实验手段对微纳米尺度导电材料进行热疲劳损伤行为的研究。由于新型导电互连材料的不断涌现以及材料尺度和几何结构的变化,为有效表征和评价该类材料和器件的热疲劳可靠性提出了新的挑战,测试方法和材料认证标准尚待统一。

(2) 金属薄膜/线在纳米尺度下的热疲劳损伤的界面与表面效应,物质迁移规律。在微纳米尺度材料中,材料的表面/界面与体积比不断增加,耦合多物理外场下,扩散主导的表面/界面的稳定性成为有待探索的基本物理问题。

(3) 金属薄膜/线的几何尺度(线宽和厚度)与微观结构尺度(晶粒、孪晶等)耦合对热疲劳性能的综

合作用,材料中纳米尺度结构的稳定性及在耦合多物理外场服役下的退化机理,发展微纳米尺度金属材料的热疲劳理论以及损伤预测模型。

(4) 电/热/力耦合作用下微纳米尺度金属互连材料在高电流密度下的电场作用机制尚不清楚。

(5) 新型互连材料(如Co等)所面临的热疲劳问题以及特殊服役环境对微纳米金属导电互连材料热疲劳损伤影响。

The authors have declared that no competing interests exist.