背景简介

金属薄膜通常用于传感器、致动器和微机电系统（MEMS）等微电子设备，在日常的生活中发挥着重要作用。这类金属薄膜在使用寿命期间会经历循环载荷，循环载荷由机械加载或操作温度（操作温度可高达100℃）产生的热应力引发，甚至存在两种载荷的相互作用。因此，掌握此类金属薄膜的小尺度疲劳特性尤为重要。在薄膜性能的研究中，鼓胀试验是研究自支撑金属薄膜屈服行为、断裂韧性和蠕变性能的一种既定方法。因此，本研究开展了与微电子应用相关的三种不同温度下自支撑金膜的恒定应力幅鼓胀疲劳试验。

成果介绍

（1） 图1显示单个疲劳实验的应力-应变数据，结果表明在每个周期之间，部分残余压力在鼓胀室内持续存在，导致最小应力不会达到零，但应力最小值持续递减。残余气体压力基本保持恒定，而样品的挠度随着塑性应变的积累而增加。此外，滞后回线表明金属薄膜中存在明显的弹性行为，并且总应变随着循环次数的增加而增加。图2表明应变值随着标称应力范围或温度增加而增大。所有疲劳试验都表现出典型的应变演变过程，即初始阶段，应变迅速增加，随后是保持恒定应变速率的较长阶段。

图1 100℃ 和 100 MPa 标称应力范围内，选定循环次数的疲劳实验下的滞后应力-应变回线

图2 在(a) 23℃ (b) 60℃ (c) 100℃温度下，不同标称应力范围（100-300MPa）的循环加载期间的应变演变

（2）图3(a)显示失效时的应变与应力的关系范围。在100℃时失效应变随着应力范围的增加而急剧降低。60℃条件下可以观察到失效应变的轻微降低，而在23℃时断裂应变出现了反向趋势，图2的结果表明，低温下的失效应变主要取决于初始加载过程中产生的塑性变形，因此与标称应力范围呈现比例关系。图3(b) 显示了金薄膜的Woehler图（S-N曲线）。该图显示更高的应力和温度会导致寿命降低。疲劳强度指数b在100℃时最高，意味着与60℃或23℃相比，随着应力幅的增加，寿命而以更快的速度降低。

图3  (a) 失效应变与应力范围和温度的关系； (b) 用于寿命预测的Woehler图(S-N曲线)显示了失效周期内的标称应力幅。

（3）疲劳实验获取的稳态应变率保持在10^-9到10^-6 s^-1的较大范围，如图4(a) 所示。应力指数在23℃时最高（n= 5.9），而在60℃和100℃的温度下，应力指数较低且相当恒定（n=3.0和2.5）。测量范围内的n值通常与位错滑移或蠕变有关。此外，活化能Q通过标称平均应力数据计算获取，如图4(b) 所示，50 MPa和100 MPa的标称平均应力下的值（83 kJ/mol和81 kJ/mol）表明界面扩散控制机制的存在。因此， n和Q表明不同的机制是速率限制和能量势垒的原因。

图4 (a) Norton图，应力指数n取决于标称平均应力 ；(b)分别为50和100 MPa的标称平均应力活化能Q

（4）图5(a) 比较了疲劳实验（本研究）在100℃下的稳态应变速率和Merle蠕变数据。疲劳试验的稳态应变速率似乎高于蠕变，这种情况可能是为循环试验选择的应力定义的副作用。在每个循环期间，薄膜都会经历更高的瞬态峰值应力，这可能会导致更快的应变积累。在任何情况下，疲劳和蠕变的应力指数n在100℃时都非常接近。在较低的温度下，疲劳实验的n较高。然而，研究表明在100MPa下蠕变和疲劳的活化能非常相似，如图5(b) 所示。Q值表明界面扩散是疲劳和蠕变的临界能量壁垒。在高温下，疲劳主要由蠕变控制，在较低的温度下，疲劳试验的n值略高，相当于应变率灵敏度较低。

图5 在疲劳（150 nm，本研究）下测试的金薄膜与Merle的鼓胀蠕变数据（200 nm）的比较。(a)100℃下的Norton图； (b) 活化能

致谢

本研究获得德国研究基金会（DFG）和奥地利科学基金在D-A-CH 合作 FATIFACE 框架内的资助。本文通讯作者：Anna Krapf（Friedrich-Alexander-Universitat ¨ Erlangen-Nürnberg (FAU), Materials Science & Engineering, Institute I, Martensstraße 5, 91058, Erlangen, Germany）。

本期小编：王家兴（整理）

王永杰（校对）

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高　欣（发布）