纳米孪晶铜取向依赖性力学性能的多尺度调控机制研究

【编辑推荐】本研究通过电沉积法制备四种纳米孪晶铜（NT-Cu）薄膜，结合纳米压痕、EBSD和TEM技术，系统揭示了取向依赖性力学性能的微观机制。发现超细晶+纳米孪晶（UFG+NT）结构硬度达2.57 GPa（顶面），且孪晶间距与应变率敏感性（M）、表观激活体积（V）存在强关联。通过受限层滑移（CLS）模型验证了理论预测，为半导体材料设计提供新思路。

　　

在半导体工业中，铜（Cu）互连材料的机械性能直接影响器件可靠性。传统粗晶铜（CG）已无法满足高密度集成需求，而纳米孪晶铜（NT-Cu）因其独特的强化机制成为研究热点。虽然前人证实纳米孪晶可通过Hall-Petch效应提升强度，但不同微观结构（如柱状晶与等轴晶）在复杂应力状态下的取向依赖性响应机制尚不明确，且缺乏系统性的应变率效应分析。

台湾国家科学及技术委员会未来半导体技术研究中心的Kang-Ping Lee团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，通过电沉积技术制备了CG、粗柱状晶+纳米孪晶（CCG+NT）、细柱状晶+纳米孪晶（FCG+NT）和超细晶+纳米孪晶（UFG+NT）四种铜薄膜。结合聚焦离子束（FIB）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）进行微观结构表征，采用纳米压痕测试顶面与截面的硬度差异，并计算应变率敏感性（M）、激活体积（V）及几何必需位错密度（ρ_GND
）。

实验方法
研究采用旋转电沉积法，以800 rpm转速的钛阴极轮和IrO₂
阳极制备样品。通过添加有机调控剂获得不同微观结构，利用FIB切割截面样本，EBSD分析晶界取向差（KAM），TEM观察孪晶间距，并结合CLS模型进行理论验证。

结果与讨论

1. 微观结构特征：UFG+NT铜呈现0.61（顶面）和0.98（截面）的高KAM值，对应最高ρ_GND
   （3.34×10¹⁵
   m^-2
   ），表明细小晶粒与密集孪晶协同阻碍位错运动。
2. 取向依赖性硬度：FCG+NT铜在压痕垂直孪晶面时硬度（2.51 GPa）显著高于平行方向（1.93 GPa），揭示孪晶界（TB）对位错滑移的定向阻挡效应。
3. 动力学参数：M值对TB更敏感，而V值与孪晶间距呈负相关，证实变形机制受限于局部滑移激活能。

结论与意义
该研究首次系统比较了四种NT-Cu结构的力学响应差异，证实UFG+NT结构具有最优综合性能。CLS模型与实验数据的高度吻合为界面工程提供了量化工具，其提出的"强度-取向-应变率"三维调控策略，对开发高可靠半导体互连材料具有重要指导价值。研究还创新性地将电沉积工艺与微观力学关联，为低成本制备高性能铜箔开辟了新途径。