Fatigue behavior of sub-micron silver and copper films

Abstract

Ermüdung gilt als wichtige Versagensursachen makroskopischer metallischer Bauteile. Das Ermüdungsverhalten in dünnen Metallschichten und miniaturisierten Bauteilen, wie sie in der Mikroelektronik oder Mikrosystemtechnik eingesetzt werden, ist bisher jedoch kaum untersucht worden. Für Abmessungen im Mikrometerbereich kann aber ein anderes Verhalten als in Massivmaterial erwartet werden, da das geringe Materialvolumen die Ausbildung typischer Ermüdungs-Versetzungsstrukturen nicht zuläßt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Ermüdungsschädigung und die dafür verantwortlichen Mechanismen charakterisiert. Im besonderen wird auf die Einflüsse von Schichtdicke und Korngröße eingegangen. Das Ermüdungsverhalten wurde anhand von 0.2 - 1.5 µm dicken Ag Schichten auf SiO2- und 0.4 - 3 µm dicken Cu Schichten auf Polyimid-Substrat untersucht. Die Schichten wurden mit Mikrobalkenbiegung und in Zugversuchen zyklisch verformt. Nach der Ermüdungsbelastung wurden an der Oberfläche der Schichten Extrusionen gefunden, die jenen in Massivmaterial gleichen. Unterhalb der Extrusionen, nahe der Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat, wurden Poren beobachtet. Die Entstehung von Extrusionen und Poren wurde qualitativ mit Hilfe eines Modells erklärt, das Mechanismen aus der Ermüdung von Massivmaterial mit den Einschränkungen, die eine dünne Schicht auf die Versetzungsbewegung ausübt, verbindet. Die Lebensdauer der Schichten nahm mit zunehmender Belastung ab. Darüber hinaus waren dünnere Schichten ermüdungsbeständiger und wiesen weniger, kleinere Extrusionen als dicke Schichten auf. Die Nukleation von Poren wurde durch geringe Schichtdicke und/oder Korngröße behindert. Diese Beobachtung kann durch Diffusionsprozesse und das Ausheilen von Leerstellen an der freien Oberfläche oder an Korngrenzen erklärt. Diese Untersuchungen werfen einerseits ein neues Licht auf ein klassisches Materialphänomen; andererseits schaffen sie Grundlagen für den zuverlässigen Einsatz von Dünnschichtsystemen.

Fatigue compromises the reliability of macroscopic metallic components utilized in a variety of technological applications. However, the fatigue behavior of thin metal films and small-scale components used in microelectronics and mechanical microdevices has yet to be explored in detail. The fatigue behavior in (sub)micron thin films is likely to differ from that in bulk material, since the volume necessary for the formation of dislocation structures typical of cyclic deformation is larger than that available in thin films. The microscopic processes responsible for fatigue are, therefore, affected by the thin film dimensions and microstructure. This work focused on the characterization of such mechanisms and the resulting fatigue damage. In particular, the effect of grain size and/or film thickness were investigated. The fatigue behavior of 0.2-1.5 µm thick, Ag films on SiO2 and 0.4-3.0 µm thick,Cu films on polyimide substrates was investigated. The films were tested using cantilever microbeam deflection and cyclic tensile testing. Extrusions similar to those observed in bulk material were found at the Ag and Cu film surfaces after cyclic loading. Voids observed beneath the extrusions, at the film-substrate interface, contributed significantly to thin film failure. The occurrence of these extrusions and voids was qualitatively explained by a model that combines mechanisms of bulk fatigue with the constraints exerted on dislocations by thin film dimensions. Fatigue lifetime decreased with increasing cyclic amplitude. Moreover, thin films were more fatigue resistant and contained fewer, smaller extrusions than thicker films. We found that a small thickness and/or grain size inhibits void nucleation. This observation is explained in terms of vacancy diffusion and annihilation at free surfaces or grain boundaries. These investigations shine a new light on a well-known phenomenon and provide a basis for designing thin film devices against cyclic loading.