金属薄膜材料被广泛地应用在微机电系统(MEMS)和集成电路(ICs)中。随着器件的不断小型化,金属薄膜的特征尺寸(如厚度,晶粒尺寸等)持续减小,其力学性能表现出强烈的尺寸效应,进而直接影响到器件的工作可靠性。因此研究金属薄膜的尺寸效应具有重要的科研意义和现实价值。然而,由于变化规律仍然难以预测,对金属薄膜力学性能的尺寸效应的研究还处于争议阶段。另外,聚酰亚胺等高分子材料具有轻便,可折叠,不易破碎,易于运输等优点,这类材料作为柔性衬底被广泛地应用在液晶显示器,薄膜太阳能电池等领域。它们可以有效地抑制金属薄膜的应变集中和颈缩现象,提高薄膜的工作可靠性。因此,研究附着在柔性衬底上的亚微米或纳米级别金属薄膜材料的力学性能是MEMS器件和互连器件设计和制备的重要技术问题。基于以上考虑,本文以附着在柔性衬底聚酰亚胺上的金属Cu膜、Cu/Ru和Cu/Ta金属多层膜为研究对象。利用XRD, TEM, SEM, FIB等表征手段分析其微观结构,通过单轴拉伸方法表征其诸如强度、延展性等力学性能,探讨了尺寸对金属薄膜力学性能的影响及其作用机制。主要结论如下：(1)纳米晶金属Cu膜的延展性随着Cu膜厚度增大而下降。随着Cu膜厚度的提高,界面剪切应力和残余应力增加,导致膜基的有效界面结合强度下降,Cu膜更容易剥落,进而产生应变集中而颈缩断裂。(2)纳米晶金属Cu膜的延展性随着拉伸应变速率升高而下降,这种应变速率敏感性随着Cu膜厚度的下降而增大。在较高的应变速率下,较厚的薄膜表面出现了平行于拉伸方向的微裂纹而较薄的薄膜中则没有出现。这主要是由于在较厚薄膜中存在较大的残余应力。Cu膜的裂纹扩展的最大能量释放率随着应变速率的升高而下降,导致薄膜更容易发生断裂。(3) Cu膜的延展性和断裂韧性随着工作温度的升高而降低,这种温度敏感性也具有尺寸效应,较薄的薄膜在升温过程中断裂失效地更快。随着工作温度的升高,衬底的弹性模量下降使衬底抑制Cu膜应变集中的能力减弱,导致Cu膜延展性下降。随着工作温度的提高,较厚薄膜中的界面结合强度下降值远远小于较薄薄膜中的界面结合强度下降值,使较薄薄膜在升温过程中中失效更显著。(4) Cu膜的延展性和断裂韧性随着退火温度的提高得到较大的改善。沉积态Cu膜通过剥离和应变集中发生断裂,退火处理的Cu膜即使发生断裂依然与衬底结合得很好。随着退火温度的提高,释放了Cu膜内的残余拉应力,Cu膜微结构更加稳固,同时形成了扩散界面,膜基结合强度提高,剥离和颈缩受到抑制,改善了Cu膜的延展性。(5) Cu/Ru金属多层膜的强度、延展性、断裂性能都表现出明显的尺寸效应。随着单层厚度从200nm降低到20nm, Cu/Ru金属多层膜的强度不断提高,临界应变和断裂韧性升高,强化机制为单个位错在约束层Cu层内滑移。随着单层厚度从20nm降低到5nm, Cu/Ru金属多层膜的强度不再随着单层厚度发生变化,临界应变和断裂韧性反而降低,强化机制为复合材料的混合法则。延展性的尺寸效应主要是由于脆性Ru层中微裂纹尖端的应力场强度对微裂纹扩展的促进作用和塑形Cu层的塑性变形对微裂纹扩展的抑制作用之间的竞争所致。(6)设计出了一种厚度呈梯度分布的新型Cu/Ta金属多层膜材料,它的屈服强度和临界应变分别为2.0GPa和9.5%,在保持高强度的同时具有较高的延性。高延性主要是由于底层较厚的塑形Cu层通过塑形变形有效地抑制了较薄Cu层和Ta层中裂纹的扩展。这为同时提高金属多层膜的强度和延展性提供了一个新的设计思路。