目前,微电子元器件已被广泛地应用在航空航天、军事及民用电子产品中。随着微电子设计制造技术的发展,微电子器件不断地向高密度、微型化、功能化方向发展,器件内部的结构也越来越复杂,界面结构及非连续性结构也越来越多。大量的研究表明界面结构是影响器件乃至整个系统正常工作的关键结构之一,超过90%的破坏和缺陷都首先出现在界面处。因此,对界面结构的传热及力学特性进行研究将具有重要意义,但是随着制造工艺的发展,由界面结构的纳米级尺寸使得传统的建模及分析手段已经不再适应,如何兼顾不同尺度下不同分析方法的优势,构建一种多尺度分析方法对界面结构的微尺度传热及界面力学特性进行研究是解决此问题的有效途径之一。本文针对微电子制造过程中的界面结构的微尺度传热及力学特性进行了多尺度研究。一方面,从不同尺度下的分析方法入手,构建了基于分子动力学(Molecular Dynamic, MD)-界面元(Interface Stress Element, ISE)-有限元(Finite Element, FE)的多尺度模型及分析方法,并对一维力学及传热进行数值分析；另一方面,利用实验手段对界面结构的传热及力学特性进行研究。首先,利用磁控溅射技术制备不同材料构成的界面结构,分析制备工艺参数及制备方法对薄膜生长速率的影响；然后,基于瞬态热反射法及纳米压痕技术分别对界面结构的热特性及力学特性进行系统的研究。首先,设计不同尺度下的耦合握手区(Handshake, HS),将不同尺度下的分析方法进行耦合,构建界面结构的MD-ISE-FE多尺度分析模型,提出了一种基于MD-ISE-FE的微观-宏观多尺度分析方法。在原子与微观尺度,通过设计MD-ISE握手区,将该区域的原子与界面元耦合在一起；同时在微观与宏观尺度下,通过本构方程将界面元与有限元直接耦合在一起。基于该模型对不同材料界面结构进行了一维传热及力学特性的数值研究,研究结果表明：由相同材料或者热力学特性相近材料构成的界面结构具有更好的界面传热及力学特性。其次,针对扩散界面结构,在不同温度下研究了其微尺度传热及力学特性。一方面,在微观尺度下,界面的扩散厚度随温度的增加而逐渐增加(温度为300K时,界面的扩散厚度占界面厚度的5.19%)。根据现有结论可知：随着温度的增加,界面热导率会由于声子散射加剧而降低；但是本文研究结果发现：随着温度的增加,界面声子散射越来越严重,界面声子匹配度及声子传热速率降低；而界面热导率却呈现出先增加后减小去趋势。分别利用MD及MD-TTM (Two-Temperature Model)模型从声子及电子的角度对界面热导率进行了研究。研究发现：随着温度的增加(≤界面材料的再结晶温度),界面电子传热提高了界面结构的热导率。研究证明了金属界面结构微尺度传热是由声子及电子共同耦合作用的结果,且发现界面电子传热相对于界面声子占主导地位。另一方面,对不同材料界面结构的力学特性进行研究,通过对材料界面结构微观拉伸实验,研究了其应力应变特性。研究结果发现：扩散界面的应力应变曲线比理想不同材料界面的更加平缓；由相同材料构成的界面结合力及结合特性高于由不同材料构成的界面；界面金属扩散对界面结合力有一定的削弱作用,主要由于不同材料界面中产生金属间化合物的脆性所致,这也是引起界面处裂纹萌生及扩散的主要原因之一。最后,利用磁控溅射技术、瞬态热反射法及纳米压痕技术,从实验的角度对界面结构的制备、传热及力学特性进行了研究。一方面,研究了不同功率及不同制备方法下的直流溅射速率。研究发现：直流溅射时薄膜的生长速率为射频溅射薄膜生长速率的近10倍,界面热导率随着厚度的增加而增加。另一方面,利用3ω瞬态热反射法对薄膜界面的传热参数进行提取及表征；同时利纳米压痕技术对界面结构的力学特性进行实验表征。研究发现：随界面结构厚度的增加热导率增加；随着压入深度的增加,界面的弹性模量与硬度基本呈现出下降的趋势。这与样品在制备过程的生长机理有关,在磁控溅射生长薄膜时,是从无到有,从薄到厚,先进行随机堆积,然后再进行有序成核生长并形成晶体结构。最开始生长的薄膜中间晶核及晶体结构较少、材料缺陷率大以及密度低等原因,从而导致了界面热导率随厚度增加而增加；弹性模量及硬度随着压入深度的增加而降低的现象。以上研究不仅对多尺度计算方法进行了系统的研究,同时,对界面结构的界面传热及力学特性进行了系统的数值及实验研究,为进一步弄清不同材料界面的传热机制提供了基础,同时为微／纳电子器件设计制造提供了理论基础和设计手段。