随着半导体技术的发展，传统的平面2D互连面临越来越严峻的挑战，新型三维3D集成逐渐成为关注的热点，而硅通孔（Through-Sclicon Via，TSV）技术由于具备更出色的电性能、更高的封装密度等诸多优点，被认为是3D集成的核心。在TSV技术中，普遍采用电镀Cu的方式对TSV孔进行填充。由于TSV的尺度通常在几微米到几十微米，TSV-Cu本身较小的晶粒结构以及被阻挡层和绝缘层所包覆导致的钝化效应，这些都导致微小尺度下TSV-Cu的力学性能与体相时相比会有显著的不同。在TSV的制备以及服役过程中，由于受温度以及外部载荷的影响，TSV-Cu会发生塑性变形、蠕变甚至断裂。此外，在TSV结构中，由于Cu的热膨胀系数(～17×10-6/℃)与Si基体(2.8×10-6/℃)之间的差值达6倍，在TSV制备和服役阶段，巨大的热失配会导致Cu和Si基体中产生残余应力和热应力，并在TSV的界面处产生较大的界面切应力导致界面发生开裂和分层。而TSV界面的失效又会导致漏电和电击穿的发生，使得器件发生失效。因此，研究TSV-Cu的力学行为以及TSV结构完整性对于提高TSV三维芯片集成的可靠性有重要意义。　　本文采用实验测试和有限元数值模拟相结合的方法，系统地对TSV-Cu的力学性能进行了表征，并对TSV界面的结构完整性进行了研究。主要工作包括:首先采用典型的TSV制备工艺方制作了包含TSV-Cu的转接板试样，利用纳米压痕仪对TSV-Cu进行了原位力学性能测试。采用连续刚度测量法对TSV-Cu进行了纳米压痕测试，得到TSV-Cu顶部的弹性模量E和硬度日平均值分别是155.47 GPa和2.47 GPa。　　通过将有限元数值模拟、量纲分析与纳米压痕实验相结合的反演分析方法，对TSV-Cu的弹塑性力学性能进行研究。根据建立的反演分析方法，在纳米压痕实验结果的基础上，结合有限元模拟和量纲分析，确定了TSV-Cu的幂指数型弹塑性应力-应变关系。得到TSV-Cu的屈服应力σy平均值为47.91 MPa，应变强化指数n为0.4892。　　研究了TSV-Cu的蠕变力学性能，采用恒加载速率/载荷法与恒载荷法相结合方式，对采用典型TSV工艺制作的TSV-Cu试样进行了纳米压痕蠕变测试。通过对不同加载条件下试样在保载阶段的蠕变位移-时间曲线进行分析发现所有试样在保载阶段均发生了明显的蠕变变形，不同加载条件下的蠕变位移有明显的尺寸效应，得到的TSV-Cu的蠕变速率敏感指数m的平均值为0.0149。此外，在采用恒加载速率/载荷法与恒载荷法相结合方式对TSV-Cu的蠕变速率敏感指数m进行测试时，发现加载段所用的恒(P)/P（即压入应变速率）以及最大压入深度hmax等加载条件对m值的影响不是很明显。由于晶界对位错运动的阻碍作用，在对TSV-Cu进行微结构观察的基础上，分析认为由于TSV-Cu中晶粒尺寸的减小会引起晶界数量的增加，最终导致TSV-Cu的蠕变速率敏感指数与宏观块体Cu有所不同。　　提出了一种TSV-Cu的残余应力测试方法，并采用TSV-Cu压出实验研究了TSV的界面力学性能。首先搭建了TSV-Cu压出实验相应的测试装置，采用纳米压痕仪对TSV-Cu进行了压出实验。通过不断的试压实验以及试样表面观察，最终在TSV试样被减薄到34μm，最大加载载荷Fmax设置为350 mN，加载时间设定为90 s的条件下成功将TSV-Cu压出，并得到了TSV界面在整个压出过程的载荷-位移曲线。在TSV-Cu压出实验结果的基础上，基于界面发生滑移时的切应力门槛值与界面上作用的正应力之间的关系，计算出TSV-Cu中存在的径向残余应力σR=-266.2 MPa，并且其值为压应力。通过将已经压出的TSV-Cu反向重新压入的方法，得到了TSV界面的摩擦力，当试样厚度为34μm时，界面上的总摩擦力为Ff=31 mN。使用剪滞理论得到了界面上切应力的分布情况，TSV界面上的最大切应力位于TSV试样顶部的界面处，确定TSV界面的剪切强度（即界面最大切应力）τi=113 MPa。　　通过引入粗糙度因子h与λ对TSV扇贝形界面的粗糙度进行表征，建立了TSV界面(包括Cu、Ta、SiO2和Si)的精细有限元模型，分别计算了在不同几何参数（Ta层厚度以及粗糙度因子λ和h等）下TSV界面的应力分布情况，以及在界面滑移情况下TSV-Cu的胀出量。发现几何因子的改变对界面最大正应力影响较大;对界面切应力影响很小，可以忽略不计。随着Ta层的厚度的增加，界面上的最大正应力也随之降低。h与λ共同影响界面上的正应力分布，通过调整h与λ的值，以TSV界面避免受拉为目标，给出了粗糙度因子应当满足的最优方程。采用响应曲面方法得到了二阶回归方程的界面受拉区域预测模型，为TSV刻蚀工艺的改进提供了参考。