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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着微电子系统(mems)研究的深入和纳米电子系统(nems)的出现,对纳米尺度下材料力学、物理学性能以及微型构件精确控制问题的研究显得日益迫切。铜膜具有较高的抗电迁移能力和高电导率而作为互连部分被广泛应用于集成电路和微电子仪器。在目前的芯片制造中，互连线几乎全部是采用直流电镀的方法获得铜薄膜。随着铜互连体的高密度集成，铜薄膜的厚度已接近亚微米甚至纳米尺度。在这一尺度上，由于材料的力学性能明显不同于块体材料，从而影响了器件可靠性的设计和评价。

近年来对纳米材料的研究成为热门话题。作为主要研究对象之一的纳米金属，由于具有与宏观粗晶金属不同的物理、化学、机械学性质以及在纳米尺度下不同的行为和物理现象一直是研究的热点。其同时也是纳米固体和纳米复合材料的基础。各种不同类型的纳米金属及合金的性能、合成以及工程应用都是当前的研究急需解决的问题。对纳米金属研究主要有实验和数值模拟。但是目前的实验研究只局限于对材料弹性模量、硬度等参数的测试,且实验结果往往差距较大,这使计算机模拟成为研究纳观尺度下材料行为的主要方法之一。

国内外研究现状

arzt^[1]等人研究发现，金属薄膜中的流动应力比在同种材料块体中高一个数量级左右，而且其大小随薄膜尺寸减小而增加。此外, 铜的杨氏模量较高，铜膜存在的应力较大，会造成膜体产生空洞、裂纹或脱落，从而引起集成电路结构的形变及内连导线短路,造成器件的失败。因此，对铜薄膜的力学性能进行研究，测量其强度并揭示铜薄膜的变形行为具有重要的理论和实际应用价值。然而，受实验条件等因素限制，纳米尺度实验研究本身存在一定困难，这使基于原子、分子层次来考察结构和材料特性的分子动力学方法成为研究纳观尺度下材料行为的主要方法。徐洲^[2]等人进行了不同温度下单晶薄膜的拉伸性能模拟，发现温度效应对材料的变形机理影响很大,温度升高,屈服强度降低。0k温度下薄膜的塑性变形主要来自于原子的大规模短距离滑移，位错受到的阻力较大，从而无法自由传播。300k 温度下由于原子的动能提高，位错的开动以及长程传播变得容易，从而大范围的位错扩展成为主要的塑性变形来源。shimomura^[3]等人利用分子动力学方法模拟了包含15246个原子的铜薄膜的单向拉伸过程，结果表明：当薄膜受到单向拉伸时，原子发生滑移，形成新的（1 1 1）面（与拉伸方向垂直），并在原来位置上产生空位。空位集中形成孔洞，最终导致薄膜断裂。陈尚达、柯孚久^[4]用分子动力学模拟了单晶铜的纳米压痕。杨新华、周涛^[5]等人模拟了纳米单晶铜板单向拉伸与压缩。余慧、王彪^[6]分析了纳米薄膜力学性能的尺寸相关及其残余应力分析。

2. 研究的基本内容

本文采用分子动力学方法模拟在适当的模拟体系下改变温度、应变速率、薄膜厚度这三个参数的纳米单晶铜薄膜的拉伸过程。用控制变量法，改变温度分别在50K、100K、150K、200K、250K、300K、350K等的条件下模拟；改变应变速率分别在1.0e9/s，1.0e10/s，1.0e11/s，1.0e12/s等的条件下模拟；改变厚度分别以5个晶胞、8个晶胞、10个晶胞、12个晶胞、15个晶胞、17个晶胞、20个晶胞、23个晶胞、25个晶胞的厚度模拟，得到对应的应力-应变曲线，通过研究应力-应变曲线计算弹性模量、屈服强度等力学性能参数，分别研究改变温度、改变应变速率、改变厚度对纳米单晶铜薄膜力学性能的影响。并通过对薄膜在拉伸过程中的微观过程的分析，研究薄膜在不同条件下的形变机理。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案:

采用分子动力学方法模拟在适当的模拟体系下改变温度、应变速率、薄膜厚度这三个参数的纳米单晶铜薄膜的拉伸过程，得到应力-应变曲线，通过研究应力-应变曲线计算弹性模量、屈服强度等力学性能参数，并用可视化软件观察薄膜在拉伸过程中的微观变化情况，研究薄膜在不同条件下的形变机理。

4. 参考文献

[1]arzt e.size efforts in materials due to microstructural and dimensional constrains:a comparative review[j].acta materialia,1998,46(16):5611-5626.

[2]徐洲，王秀喜，梁海弋，吴恒安.纳米单晶与多晶铜薄膜力学行为的数值模拟研究[j].物理学报，2004,53(11):3637-3643.

[3]shimomura y,kiritani m,mukouda i.computer simulation study of the atomistic mechanism of deformation and fracture initiation in thin fcc meter films[j].materials science and engineering：a ,2003,350:238-244.