电迁移现象的原理和应用

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之间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。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［5，6］。这种现象在固态金属电路如铝薄膜［7］、铜薄膜［8］及半导体集成电路中都已得到广泛研究。由于液态金属具有流动性，电迁移现象有可能对液态金属电路的性能影响更大，甚至决定了采用液态金属制备的电子器件能否正常工作［9］。

笔者实验室马荣超等［9，10］研究发现，当液态镓薄膜在承载高电流密度时，它们会在电迁移现象的作用下发生断裂。如图2.1a所示，通过直写方式在玻璃基底上制备出一个均匀的液态镓薄膜，薄膜末端宽度为7.07 mm，中部宽度为2.32 mm。因此，薄膜中部的电流密度要比薄膜末端的电流密度大3倍，这就保证了薄膜会在中部断裂，从而也方便在光学显微镜下进行观测。通过观测薄膜截面的SEM照片可知薄膜的厚度为0.012 mm（图2.1b）。

图2.1　测试用的液态镓薄膜样品［9］

a.正面几何形状；b.横截面SEM图。(www.xing528.com)

测试过程中，采用恒定电流为10A的电流源向样品施加电流，薄膜在电迁移过程中的温度变化通过埋在液态金属中并靠近薄膜楔形部位的热电偶来实时监测，薄膜形态变化结果如图2.2所示。图2.2a为未加电流前薄膜中部（断裂前）的照片。之后，薄膜的中部开始断裂，如图2.2b所示。图2.2c显示当电流增至j=114.9 A/mm2（电流为3.2 A），薄膜完全断裂时的照片，此时可在薄膜上清楚地看到一条裂纹。图2.2c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2.2a-c中所选区域的灰度分析结果分别如图2.2d-f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2.2　由电迁移现象引起的液态镓薄膜断裂过程［9］

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