原书序

本书主要面向材料科学与工程专业的一二年级的研究生，同时也能作为从事于微电子行业的工程师自学的参考书籍。本书的早期章节源自K.N.Tu、J.W.Mayer和L.C.Feldman所著的《电子薄膜科学》，该书于1993年由麦克米伦出版社出版。本书的内容已经在加州大学洛杉矶分校（UCLA）开设的研究生课程“薄膜材料科学”教授了超过15年。

薄膜研究的重点有两个方面： ①发明或加工在应用中具备实用功能的新薄膜材料； ②在大规模的应用场景下，提高功能薄膜材料的可靠性，例如在消费型电子产品中。为了实现这些目标，基于薄膜材料科学的理论，需要有针对于薄膜“结构—性质—加工—性能—可靠性”的相关性研究。目前有关薄膜加工的教科书已有不少，例如通过溅射、电镀和分子束外延生长等方法进行薄膜沉积。同时，还有许多关于表征技术的教科书，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、卢瑟福背散射光谱（RBS）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外光电子能谱（UPS）、俄歇电子能谱（AES）和扫描隧道显微镜（STM）等。然而，目前还没有论述薄膜可靠性科学的教科书。

     当一项技术达到成熟并且能够大规模生产并得到广泛应用时，其可靠性问题就变得至关重要。随着电子产品的微型化进程步入纳米尺度，纳米技术的可靠性问题在不久的将来将成为一个严峻的挑战。纳米技术的可靠性可能依赖于我们在微电子技术领域积累的经验和理解。

   为了得到可靠的设备，在制造设备时就要在设计和加工材料环节考虑可靠性。因此，在加工和可靠性之间有着密不可分的联系。本书的目标是融合其中的科学内容，但重点将放在可靠性上。

     什么是可靠性科学?通常，我们倾向于认为设备中的微观结构会在它的使用寿命期间保持稳定。然而，事实并非如此。在大多数电子应用中，都需要施加一个电场或电流。在高的电流密度下，微观结构中会发生电子迁移，由于空穴产生导致开路或是挤压导致短路，从而导致电路的失效。高的电流密度产生的焦耳热会使温度上升，由于设备中不同材料有不同的热膨胀系数，导致在内部产生热应力。除了电迁移，应力梯度和温度梯度也可能导致原子扩散和微观结构的改变以及相变。在应力梯度和温度梯度之下，这意味着压力和温度不是恒定的。这些变化的独特之处在于它们发生在非平衡热力学或不可逆过程的范畴内。为了理解这些可靠性问题并找到预防它们发生的方法所需的基础科学，就是可靠性科学。

     在本书开头，我们将回顾在薄膜工艺和可靠性中所需的基础主题，如沉积、表面能、原子扩散以及薄膜中的弹性应力应变。不可逆过程的本质和熵产将在第10章涵盖。随后的章节将讨论电迁移、热迁移和应力迁移，并给出一些可靠性失效的例子。最后一章将基于物理和统计分析讨论故障分析。附录A至附录G涵盖了与本书相关的某些非常基础且有用的主题和数据。

     值得注意的是，电迁移本身并不一定会导致微观结构失效。只有当微观结构中存在原子流的发散时，才可能发生失效。此外，即使有原子流的发散也不足以造成失效。我们需要一个体积非恒定的过程，并保证在此过程中不发生晶格位移。在没有晶格位移的情况下，非恒定的体积变化会导致额外晶格位置的产生，这解释了空洞和丘状突起（hillock）或晶须（whisker）的形成。

     在准备本书的过程中，我得到了班上学生和研究小组的极大帮助。我特别要感谢加州大学洛杉矶分校的陈新萍小姐、田甜小姐和崔大春先生录入了部分文本，并修改了数字和参考文献，此外崔先生还校对了本书。我还要感谢乌克兰切尔卡西国立大学的Andriy M.Gusak教授对第10章和第15章的评述。关于电子风力推导的附录C摘自Gusak教授的课堂讲稿。感谢美国国家科学基金会、SRC、美国国家半导体公司、日立（日本）、首尔科技园（韩国）和中国台湾的日月光半导体制造股份有限公司对可靠性研究提供的资金支持。

杜经宁(KingNing Tu)

2009年10月