论文总字数：13429字

摘 要

金属铜具有优异的力学和电学性能，广泛应用于金属互联与微电子器件等。相比多晶铜，单晶铜由于缺乏晶界对位错的阻碍作用，其塑性显著降低。尤其当其特征尺寸减小至微米尺度时，表现出与传统粗晶铜不同的力学行为，如位错匮乏与剪切变形等。

本文着重对单晶铜塑性变形行为展开研究，通过采用双束聚焦离子束刻蚀设备对单晶铜表面进行切割，将其切割成直径和高度分别为1.2m和3.0m的单晶铜柱。之后采用纳米压缩测试研究了预变形处理对于单晶铜力学行为的影响。研究结果表明，预变形量的大小以及循环变形次数均影响试样的力学性能，未经预变形单晶铜的屈服强度仅为0.13GPa，当增大预变形量和循环变形次数时，通过多组应力应变曲线可以得出，屈服强度均显著提高，经过次循环预变形后，屈服强度达到了0.28GPa；经过100次循环预变形后，屈服强度可达0.45GPa，是未经预变形单晶铜的3.5倍。从变形后的形貌可以看出，预变形样品产生了交滑移，强化机制主要是由于预变形在样品中产生的残余位错进一步阻碍了位错滑移，从而提高了材料的应变硬化行为。

关键词：单晶铜、聚焦离子束、纳米压痕测试、力学性能

Study on plastic deformation behavior of single crystal copper

Abstract

Copper has excellent mechanical and electrical properties and its widely used in metal interconnection and microelectronic devices. Compared with polycrystalline copper, the plasticity of single crystal copper is significantly reduced due to the lack of grain boundary hindrance to dislocation. In particular, when its characteristic size is reduced to micron scale, it shows different mechanical behaviors from traditional coarse crystal copper, such as dislocation deficiency and shear deformation.

In this paper, the plastic deformation behavior of single crystal copper was studied. The surface of single crystal copper was cut by using dual-beam focused ion beam etching equipment, and then it was cut into single crystal copper columns with diameter and height of 1.2m and 3.0m respectively. The effect of predeformation on the mechanical behavior of single crystal copper was studied by nanometer compression test. The research results show that the size of the predeformation and cyclic deformation influence the mechanical properties of the sample, without the yield strength in the process of the deformation of single crystal copper is only 0.13 GPa, when increasing number of the deformation and cyclic deformation, through multiple sets of stress-strain curve can be concluded that the yield strength were significantly improved, after predeformation time cycle, yield strength reached 0.28 GPa; After 100 cycles of predeformation, the yield strength can reach 0.45GPa, which is 3.5 times higher than that of single crystal copper without pre-deformation. From the morphology after deformation, it can be seen that the pre-deformation sample produces cross-slip, and the strengthening mechanism is mainly due to the residual dislocation generated in the predeformation sample further hinders dislocation slip, thus improving the strain hardening behavior of the material.

Keywords：single crystal、focused ion beam、nano indentation test、mechanical property.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章、绪论 1

1、铜的基本性质 1

2、多晶铜的塑性变形 2

3、单晶体的塑性变形 3

4、本文主要研究内容 4

第二章、实验方案及实验仪器 5

1、实验方案 5

1.1、聚焦离子束（FIB）加工 5

1.2、聚焦离子束仪器 6

2、力学测试 7

2.1、纳米压痕技术 7

2.2、纳米压痕仪 8

第三章、实验结果与讨论 10

1、单晶铜柱形貌(变形前) 10

2、单晶铜的压缩变形行为 10

第四章、结论与展望 14

1.结论 14

2、展望 14

参考文献 15

致谢 17

第一章、绪论

工程上，材料的力学性能是评价其质量好坏、性能优良的主要指标，同样是进行设计和计算的重要依据。研究单晶Cu的塑性变形的尺度效应也正是力学性能的重要因素之一。在电子科学技术、微电子领域发展如此迅速的今天，单晶铜作为一种非常良好的电子元件，对于其微米级别的研究也是十分必要的。因此对于单晶Cu的研究，我们使用FIB（聚焦离子束）对其表面进行剥离切割，再使用纳米压痕技术，从而能够完成纳米、微米级的表面形貌研究。

1、铜的基本性质

单晶铜是面心立方结构，它是一种纯度很高的无氧铜，其一整根铜杆仅仅由一个晶粒所构成，并且晶界不会存在于单晶铜间（“晶界”往往会阻碍通过它的信号，使得其产生反射和折射，这也就造成了我们常说的信号失真和衰减）。正是因为如此，单晶铜信号传输性能较一些多晶体来说会非常好。单晶铜仅由一个接一个的晶粒构成，且其由于组成特殊，单晶铜具有着非常良好的机械加工性能及导电性能。 单晶铜具有以下三个特点：1.单晶铜的纯度为99.9999%，接近100%；2.普通的铜材的电阻高，而单晶铜铜材的电阻低，比普通的低了8%到13%；3.不仅如此，还体现在在韧性方面，单晶铜铜材在扭转将近116圈之后发生了断裂，而相比普通铜材，其在经扭转16圈后发生断裂，竟高出了6-7倍。单晶铜体现出的这些优异的性能，使得单晶铜在微电子行业具有着非常广阔的前景，例如：在制作高频数字信号传输线缆、微电子行业用超微细丝、和高保真音视频信号的顶级材料，或是应用于电缆、电视、平板电脑等各种领域。单晶铜微电子器件不但体积会小于一般普通材料，而且性能会更加优异，使用寿命也更长。

单晶铜作为一种单晶体结构，其指的是在样品中所包含的分子（原子或离子）中呈规则、周期排列于三维结构中的一种固体状态。单晶体在化学药物中作为原料药（一般由单一成分构成），只需要其溶解在合适的溶剂中，之后再重结晶得到的样品就是单晶样品。对于单晶样品来说，可使用X-射线衍射对单晶体进行分析。单晶样品的大小约为0.5mm左右。单晶铜，单晶硅等都可作为重要的单晶样品。再半导体科学技术上，单晶体是一种非常重要的使用材料。由于单晶体具有非常特殊的结构，其通常具有具有以下性质：

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