电迁移现象与液态金属薄膜断裂效应探究

常温液态金属与电子技术紧密相关，特别是在直写电子技术、微纳米尺度印刷电子技术等方面，近年在许多新兴领域也显得越来越重要。然而，这些基于液态金属的电路在实际应用过程中会遇到许多急需解决的问题，其中之一就是可能由电迁移现象引起的电路失效问题。Ma等的研究发现［19］：液态金属薄膜在承载大电流密度的情况下会由电迁移现象引起断裂问题，对其中电迁移过程机理的认识有重要意义。

电迁移现象是指导体中的导电电子在做定向运动时与原子实发生碰撞而交换动量，进而引起原子实移动的现象。电迁移过程会在材料中形成隆起或空穴，从而导致电路的失效［20］。比如，集成电路在承载高电流密度时，电迁移现象会在集成电路中引起空穴和小丘，从而导致开路和短路。这种现象在固态金属电路中，比如铝薄膜、铜薄膜，以及半导体集成电路中已得到了广泛的研究。

然而，目前人们对新近出现的液态金属薄膜中的电迁移问题却知之甚少。学术界还不很清楚在通有电流的情况下，由常温液态金属制成的电路会受到电迁移现象多大的影响。我们估计，由于液态金属具有流动性，电迁移现象有可能在液态金属电路中引起更加严重的问题。这意味着电迁移现象决定了用液态金属制备的电子器件能否正常地工作，即它会影响液态金属电路的可靠性。因而，很有必要对液态金属薄膜中的电迁移现象进行详细的研究。

Ma等首次研究了由电迁移现象引起的液态镓薄膜的失效问题［19］。实验发现，当液态镓薄膜在承载高电流密度的时候，它们会在电迁移现象的作用下发生断裂。这个发现必将在未来基于液态金属的打印电子技术的研究和应用中发挥作用。

首先，用光学显微镜拍摄了如图9.14所示的液态镓薄膜的照片，以研究由电迁移现象所引起的液态镓薄膜的断裂现象。

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图9.14　由电迁移现象引起的液态镓薄膜断裂过程的光学显微照片［19］

a.断裂前的薄膜；b.薄膜开始断裂；c.断裂后的薄膜。图d—f分别是图a—c所选区域的灰度图。

图9.14a为未加电流前薄膜中部（断裂前）的照片［19］。图9.14b显示，随着流过样品的电流的增加，薄膜的中部开始断裂。图9.14c显示，当电流密度增至114.9 A/mm2（电流为3.2 A），薄膜完全断裂，且在薄膜上可以清楚地看到一条裂纹。图9.14c的内插图展示了裂纹部分的细节：白色区域是玻璃，黑色区域是液态镓。图9.14a—9.14c中所选区域的灰度分析结果分别如图9.14d—9.14f所示。结果显示，在薄膜开始断裂时灰度变浅：在薄膜断裂前，暗点计数值为1 100，但在断裂后暗点计数值则减至650。图9.14中观测到的断裂现象由图9.15所示的实验得到了验证。电流在t=23.0 s开始施加以激发电迁移现象。在t=27.5 s时，电流密度增至114.9 A/mm2（I=3.2 A），薄膜开始断裂。这时，薄膜中部发生断裂的部位的温度显示为T（t）=38℃。这保证了我们的测量是在液态镓中，而不是在固态镓中进行。在断裂过程中，由于焦耳热的释放，温度T（t）从38℃增至45℃。

图9.15　在液态镓薄膜断裂过程中，电流、温度及电阻随时间的演化情况［19］

液态镓薄膜中观测到的断裂现象可以用电迁移理论来解释。详细机制可参阅文献［19］。总的说来，由于液态金属薄膜具有流动性，它比固态金属薄膜更容易受到电迁移现象的损害。这意味着电迁移现象可能会对液态金属打印电子电路、3D电子技术，以及其他相关微电子技术中使用的薄膜的可靠性有很大影响，因而必须在这方面开展广泛而深入的研究。