Dislocation Dynamics Study on Micromechanical Reliability in Metallic Thin Films = 금속 박막의 미세역학적 신뢰성에 대한 전위 동역학 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metallic thin films—the structural backbone of modern integrated circuits (ICs)—exhibit deformation mechanisms fundamentally distinct from those of bulk metals. Their extreme thinness, strong adhesion to substrates, and passivation constraints tightly regulate dislocation kinetics, thereby dictating plastic flow and mechanical failure. In addition, fabrication-induced stresses—such as thermal, interfacial, and growth stresses—generate large internal stress fields, leading to cracking, delamination, and other mechanical failures. Under these conditions, understanding the individual motion of dislocations at small scales becomes essential for capturing the true governing mechanisms of thin-film deformation and failure. As IC architectures advance toward highly heterogeneous systems and increasingly complex packaging technologies, a dislocation-level understanding of thin-film mechanics is critical to ensuring mechanical reliability. This dissertation investigates the micromechanical reliability of metallic thin films through a thin-film-specific dislocation-dynamics (DD) framework.
To begin with, the fundamental tensile behavior of thin Cu films was investigated under various surface boundary conditions. Free surfaces promoted dislocation escape and surface nucleation, resulting in nucleation-induced softening, whereas surface passivation suppressed dislocation motion, generating dislocation pile-ups, back stress, and pronounced strain hardening. The film with a free top surface and a passivated bottom—representative of actual IC structures—exhibited a mixed response governed by competing softening and confinement effects, with confinement ultimately dominating and resulting in overall hardening.
Building upon this model, the strain-rate dependence of fatigue cracking was explored. Experiments and DD simulations showed that crack initiation accelerates at low frequencies due to active dislocation glide, while propagation dominates at high frequencies owing to strain hardening under limited relaxation. A coarse-grained continuum model incorporating dislocation nucleation and depletion kinetics reproduced these trends, confirming the consistency between discrete and continuum scale.
Finally, inhomogeneous deformation modes—represented by bending—revealed the role of geometrically necessary dislocations (GNDs) in strain gradient plasticity (SGP). GND accumulation near the neutral axis produced gradient-dependent hardening proportional to the strain gradient, consistent with Eshelby-type predictions. Non-proportional loading tests showed continuous plastic flow without an elastic gap, validating the incremental SGP formulation.
Overall, this dissertation establishes a mechanistic framework that connects dislocation-level behavior to macroscopic reliability in metallic thin films. It demonstrates how surface constraints, strain rate, and strain gradients govern deformation of thin films. These findings offer fundamental insight into the governing mechanisms of small-scale plasticity and guide the design of mechanically resilient interconnects for next-generation electronic systems.

국문 초록 (Abstract)

금속 박막은 현대 집적회로(IC)의 구조적 골격으로서, 벌크 금속과는 근본적으로 다른 변형 메커니즘을 보인다. 박막의 극도로 얇은 두께, 기판과의 강한 접착력, 그리고 표면 패시베이션은 전위의 운동학을 강하게 제어하며, 이로 인해 소성 흐름과 기계적 파손이 지배된다. 또한 열 응력,·계면 응력,·성장 응력 등 공정 진행 중에 유래된 응력은 박막 내부의 변형을 축적하여 균열, 박리 등 다양한 기계적 손상을 초래한다. 이러한 조건에서 박막의 실제 변형 거동을 규명하기 위해서는 미소 규모에서의 개별 전위 거동을 이해하는 것이 필수적이다. 더욱이, IC 구조가 점차 이종 집적화되고 패키징 기술이 복잡해짐에 따라, 전위 수준에서의 박막 역학 이해는 기계적 신뢰성 확보를 위한 핵심 요소가 된다.
본 논문에서는 박막 환경에 특화된 전위 동역학 (Dislocation dynamics) 해석 프레임워크를 구축하여 금속 박막의 미세기계적 신뢰성을 체계적으로 연구하였다. 우선, 다양한 표면 경계 조건 하에서 Cu 박막의 인장 거동을 분석하였다. 자유 표면에서는 전위 탈출과 핵생성이 활발히 일어나 연화 거동이 나타났으며, 반면 표면 패시베이션은 전위 이동을 억제하여 전위 집적에의한 역 응력(back stress) 발생과 뚜렷한 경화 거동을 유도하였다. 실제 IC 구조를 모사한 하부 피복 조건의 박막은 연화와 구속 효과가 경쟁하는 혼합 거동을 보였으며, 결과적으로 구속 효과가 우세하여 전체적으로 경화 특성을 나타냈다.
이 모델을 기반으로 피로 균열의 변형률 속도 의존성을 연구하였다. 실험과 전위 동역학 시뮬레이션 결과, 낮은 주파수에서는 전위 활주에 의한 초기 균열 발생이 촉진되었고, 높은 주파수에서는 경화가 누적되며 취성적 균열 전파가 지배적이었다. 전위 핵생성 및 소멸 동역학을 포함한 연속체 모델을 통해 이러한 경향이 재현되었으며, 미시적 시뮬레이션 결과와의 정합성을 확인하였다.

마지막으로, 굽힘으로 대표되는 비균질 변형을 통해 기하학적 필수 전위(GND)의 소성 거동을 분석하였다. 중립축 부근에서의 GND 축적은 변형 구배에 비례하는 경화 거동을 유도하였으며, 이는 Eshelby 이론의 예측과 일치하였다. 또한 비비례 하중 조건에서도 탄성 간극(elastic gap) 없이 연속적인 소성 흐름이 관찰되어, 증분적 변형 이론(incremental theory)을 지지하는 결과를 보였다.
결론적으로, 본 연구는 전위 수준의 거동과 박막의 거시적 신뢰성을 연결하는 기구적 해석 틀을 제시하였다. 표면 구속, 변형률 속도, 변형 구배가 박막 변형을 지배하는 핵심 요인임을 규명하였으며, 이는 차세대 전자소자의 기계적 신뢰성 향상을 위한 재료 설계 지침으로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• Table of Contents 4
• List of Tables 6
• List of Figures 7
• Chapter 1. Introduction 10
• 1.1. Reliability challenges in advanced integrated circuits 10
• 1.2. Mechanical behavior of thin films at small scales 15
• 1.3. Dislocation dynamics approach 16
• 1.4. Objectives of the thesis 19
• Chapter 2. Theoretical background 21
• 2.1. Dislocation 21
• 2.1.1. Overview of dislocation dynamics and ParaDiS 21
• 2.1.2. Force on dislocation 27
• 2.2. Strain gradient plasticity (SGP) 27
• 2.2.1. Geometrically necessary dislocation (GND) 27
• 2.2.2. Formulation of SGP 30
• Chapter 3. Micromechanical properties of thin films 32
• 3.1. Introduction 32
• 3.2. Methodology 37
• 3.3. Results and Discussion 44
• 3.3.1. Surface effect 44
• 3.3.2. Strain rate effect 49
• 3.4. Summary 62
• Chapter 4. Strain gradient plasticity under inhomogeneous loading 64
• 4.1. Introduction 64
• 4.2. Methodology 68
• 4.3. Results and Discussion 73
• 4.3.1. Mechanical properties of thin films under bending 73
• 4.3.2. Elastic loading gap under non-proportional loading 74
• 4.3.3. Recoverable plastic work 77
• 4.4. Summary 86
• Chapter 5. Conclusion 88
• 5.1. Summary 88
• 5.2. Future work and suggested research 91
• References 93
• Abstract (In Korean) 97