Ausscheidungshärtung dünner Al-0,6Si-0,6Ge-Schichten: Studie zur Übertragbarkeit eines Massivmaterial-Legierungskonzeptes

Abstract

Die Entwicklung neuer und leistungsfähiger Produkte setzt in vielen Technologiebereichen die fortschreitende Miniaturisierung von Systemkomponenten voraus. Viele der im makroskopischen Bereich bewährten Materialien versagen jedoch im Submikrometermaßstab. Am Beispiel der erstmalig hergestellten dünnen Al-0,6at-Si-0,6at-Ge-Schichten wurde untersucht, ob das an Massivlegierungen entwickelte Konzept der Ausscheidungshärtung auf dünne Legierungsschichten übertragbar ist. Zum Vergleich wurden auch Al-Schichten sowie das Al-Si-Ge- bzw. Al-Massivmaterial charakterisiert. Während das Al-Si-Ge-Massivmaterial sich wie eine ausscheidungsgehärtete Legierung verhält, weisen die Schichten mehrere Besonderheiten auf, die z. T. erstmalig bei Al-Legierungsschichten beobachtet wurden: 1. eine {110}-Textur 2. die vollständige Spannungsrelaxation bei hohen Temperaturen 3. eine stark beschleunigte Ausscheidungsreaktion. Die Ursache dafür scheint die beobachtete Ge-Segregation zur Grenz- bzw. Schichtoberfläche zu sein, die zu einer teilweisen Wiederausscheidung bei der Abkühlung nach der Homogenisierung führt. Wie die Ausscheidungskinetik zeigt, wirken die bereits vorhandenen Ausscheidungen als Keime für ein zweidimensionales, diffusionskontrolliertes Ausscheidungswachstum während der Alterung. Trotz der dadurch groben Ausscheidungsverteilung weisen Al-Si-Ge-Schichten eine ca. doppelt so grosse Nanohärte auf wie Al-Schichten mit gleicher Schichtdicke und Korngrösse. Die Ausscheidungshärtung ist prinzipiell auch in dünnen Schichten wirksam. Das Aushärtungspotential wird jedoch nur teilweise ausgeschöpft, da dünne Schichten eine starke Tendenz zur heterogenen Keimbildung aufweisen. Durch die Segregation von Elementen zur Grenz-/Schichtoberfläche können die Textur, das Ausscheidungsverhalten und die mechanischen Eigenschaften dünner Schichten gezielt beeinflusst werden, welches bei der Entwicklung ausscheidungsgehärteter Dünnschichtlegierungen besonders berücksichtigt werden muss.

In many technologies, the development of new high performance products depends on the continuing miniaturization of system components. However, many proven materials and engineering principles fail in the submicrometer length scale. In this study, the extent to which concepts developed to understand precipitation hardening in bulk materials can be applied to thin films was examined. Thin Al-0.6at-Si-0.6at-Ge films were made for the first time and were compared with pure Al films as well as Al-Si-Ge bulk alloys. While the Al-Si-Ge bulk material behaved like a typical precipitation-hardened alloy, Al-Si-Ge films showed a number of unusual behaviors, some of which have not been observed previously. These include: 1) development of a {110} texture, 2) complete stress relaxation at high temperatures, and 3) strongly accelerated precipitation reactions. These behaviors all appear to result from segregation of Ge to the interface and the free surface, which leads to partial reprecipitation during cooling after a homogenization heat treatment. An analysis of the precipitation kinetics following the Johnson-Mehl-Avrami method shows that these precipitates then act as nuclei for two-dimensional diffusion-controlled precipitate growth during ageing. Despite the coarse precipitate distribution that results, the Al-Si-Ge films show a nanohardness that is about twice that of a pure Al film with the same thickness and grain size. Precipitation hardening is thus, in principle, also effective in alloy thin films. However, the hardening potential is only partially realized since thin films show a strong tendency to heterogeneous nucleation. A number of reasons for this are discussed. The segregation of elements to interfaces and to the free surface can be used to influence the texture and precipitation behavior to obtain particular mechanical properties. The enhanced nucleation must be given particular attention in the development of precipitation hardened thin films.