随着微电子芯片不断的高密度集成,芯片中金属互连布线的特征尺度已经进入亚微米甚至纳米量级。铜薄膜由于具有良好的导电性和抗电迁移能力,近年来已成为广泛使用的金属内互连布线材料。但是,在制备和使用过程中,这些铜薄膜往往受到热循环应力的作用,薄膜存在热／机械疲劳失效的潜在危险,从而影响了芯片的可靠性。因此,深入研究铜薄膜的疲劳性能及损伤行为具有重要的意义。本文采用磁控溅射法在聚酰亚胺基体上制备了厚度从25-250nm的纳米晶铜薄膜,系统地研究了在循环应力作用下制备态及退火态铜薄膜的疲劳性能、损伤行为及其尺寸效应,探讨了纳米尺度铜薄膜的疲劳机理。铜薄膜的疲劳性能研究表明,相同应变幅下,无论是制备态还是退火态薄膜,其疲劳开裂抗力均随薄膜厚度的减小(从250nm减小到25nm)而不断升高,薄膜的疲劳开裂抗力表现出明显的尺寸效应。这一疲劳尺寸效应主要归因于薄膜的几何尺度和晶粒尺度随薄膜厚度的减小而逐渐减小,材料尺度对位错运动的约束能力不断提高所致。对比疲劳实验结果表明,相同应变幅下,退火态铜薄膜的疲劳开裂抗力高于制备态铜薄膜。疲劳加载均能诱发制备态和退火态铜薄膜中的纳米晶粒长大,但相同条件下,疲劳诱发制备态铜薄膜的晶粒长大程度显著高于疲劳诱发退火态铜薄膜。表明退火能够使铜薄膜中纳米晶粒变得稳定。疲劳诱发制备态铜薄膜的晶粒长大程度显著高于退火引起的晶粒长大程度,说明疲劳诱发的铜薄膜中纳米晶粒长大主要来源于机械驱动,而与热驱动关系不大。疲劳加载能够诱发部分(111)面外取向晶粒变成(100)和(110)面外取向晶粒。