【基金标书】2010CB631000-介观尺度材料特性与服役行为表征的基础研究.doc

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