半导体薄膜断裂韧性与屈服强度的纳米压痕-有限元联合表征方法及其可靠性评估

为解决半导体薄膜在制造过程中面临的机械性能表征难题，研究人员通过纳米压痕(CSM)与有限元分析(FEA)的集成方法，系统评估了SiO2、SiNx等脆性薄膜和W、Cu等延展性薄膜的断裂韧性(Kic)与屈服强度。研究建立了硬度与屈服强度的经验模型(R2>0.8)，揭示了薄膜强度可达块体材料16倍的现象，为半导体器件可靠性设计提供了新方法。

　　

随着半导体技术突破摩尔定律限制，器件微型化导致晶圆厚度减薄并形成脆性/延展性材料交替的多层薄膜堆叠。这些薄膜在切割、键合等制造过程中承受巨大机械和热负荷，但现有微米尺度力学测试方法存在样本制备困难、数据不一致等局限。特别是薄膜断裂韧性(K_ic)数据匮乏，且缺乏直接评估屈服强度的方法，严重制约了器件可靠性设计。

针对这一挑战，研究人员开发了创新的纳米压痕-有限元联合分析框架。通过连续刚度测量(CSM)获取杨氏模量和硬度，采用立方角压头诱发裂纹并测量扩展长度计算断裂韧性，结合FEA反演提取屈服强度参数。研究发现脆性薄膜SiO₂、SiN_x的断裂韧性(0.058-0.972 MPa√m)显著低于延展性金属薄膜(0.224-3.534 MPa√m)，但所有薄膜的屈服强度(500-6000 MPa)均呈现显著尺寸效应，最高达块体材料16倍。

关键技术包括：1) 采用MTS NanoXP系统进行CSM纳米压痕，控制压入深度<10%膜厚以避免基底效应；2) 通过SEM测量立方角压头诱导的径向裂纹长度；3) 建立ANSYS全局-局部模型，采用双线性/幂律硬化准则拟合载荷-位移曲线；4) 基于硬度与模拟屈服强度数据建立经验预测模型。

3.1 薄膜弹性模量与硬度
CSM测试显示SiN_x具有最高模量(320 GPa)和硬度(25 GPa)，而SiOC因多孔结构性能最低。金属薄膜中W因体心立方结构展现出最优力学性能。

3.2 载荷-位移曲线与压痕形貌
脆性薄膜在1-5 mN低载荷下即产生裂纹，而金属薄膜需100-250 mN高载荷才能引发塑性变形。SEM观察到金属/SiO₂界面分层和硅基底开裂等复合失效模式。

3.3 薄膜断裂韧性
建立标准化测试方法后，测得SiOC薄膜韧性最低(0.058 MPa√m)，Al薄膜最高(3.534 MPa√m)。但金属薄膜数据可能因界面失效被高估，实际韧性仍远低于块体材料(如块体Cu为24-67 MPa√m)。

3.4 基于模拟的屈服强度预测
FEA模拟与实验载荷-位移曲线偏差<10%，揭示薄膜屈服强度普遍高于块体：4.25 μm SiO₂薄膜强度(2500 MPa)达块体16倍，0.64 μm W薄膜(3000 MPa)为块体1.6倍。

3.5 硬度-屈服强度关联模型
提出经验公式H=3.052σ_yield-576.88(R²=0.82)，实现无需迭代的快速强度预测，平均误差22%。

该研究建立了首个系统评估亚微米薄膜断裂与强度性能的标准方法，破解了传统技术无法直接测量薄膜强度的难题。发现尺寸强化效应为器件微缩设计提供理论依据，经验模型显著提升研发效率。对半导体封装工艺优化、多层膜结构可靠性设计具有重要指导价值，相关方法可扩展至柔性电子、 MEMS等领域。《Materials》发表的这项成果，为先进半导体器件的机械可靠性研究树立了新范式。