中文摘要：

广泛应用于集成电路及微机电系统(MEMS)中的金属薄膜及用它微加工而成的膜基器件在使用过程中常受到电、热等引起的循环及热循环应力的作用，其疲劳损伤行为及可靠性已成为微电子工业亟待解决的问题。然而，金属薄膜的厚度(微米～亚微米)往往接近或小于材料中的微观结构尺寸，使得在块体材料上建立起来的一些传统理论和模型已不能用于描述与尺寸效应相关的金属薄膜疲劳行为及进行膜基器件的可靠性设计，因此，薄膜材料的疲劳损伤机制又是当今材料科学领域中的一个重要基础研究问题。本项目拟在具有高弹性和力学稳定性的聚合物基体上制备微米到亚微米厚度的金属铜薄膜，通过研究它在循环加载下疲劳损伤行为、位错结构的演化及材料尺度对薄膜中位错运动的约束作用等问题，揭示金属薄膜的疲劳损伤机理、尺寸效应及其作用规律，探索建立描述亚微米厚金属薄膜疲劳损伤行为模型，为膜基器件的可靠性设计、小尺度材料疲劳理论的建立与发展提供理论依据。

结论摘要：

金属薄膜的疲劳损伤不仅是微电子工业亟待解决的实际问题，也是当今材料科学领域中的一个重要基础研究问题。项目采用磁控溅射方法在具有高弹性的聚酰亚胺柔性基板上分别制备了厚度由3微米到60纳米的铜薄膜，采用微力实验系统对铜薄膜施加循环载荷，并利用SEM、FIB、TEM等分析设备对铜薄膜的疲劳损伤行为及位错结构演化进行了系统的表征与分析。项目获得如下重要研究结果(1) 随着材料尺度（薄膜厚度和晶粒尺寸）的减小，发生在块体材料中的疲劳挤出/侵入诱发的损伤行为在薄膜中逐渐减弱，而由晶界、孪晶界诱发的界面损伤行为越来越明显；(2) 随着材料尺度的减小，材料中的位错结构由块体材料的位错胞、墙结构逐渐转变为单根位错组态，位错由晶粒内部的交互作用行为逐渐向位错与晶界的交互作用、晶界的位错发射以及可能的晶界扩散行为转变；（3）亚微米至纳米尺寸薄膜的疲劳强度仍然具有薄膜厚度减小疲劳强度升高的尺寸效应；（4）在块体材料的疲劳理论基础上，建立了描述薄膜材料疲劳行为及其尺度效应的新数学模型，并首次提出了材料尺度控制的疲劳损伤机制图。项目的研究结果为广泛应用于微电子及MEMS中膜基器件的可靠性设计提供了重要的理论依据。