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In situ tensile testing at the limits of x-ray diffraction : a new synchrotron based technique
(2004) Böhm, Jochen; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)
Stress measurements in crystalline solids by diffraction techniques are limited so far by measuring time, gauge volume or penetration depth. To improve this situation, a new synchrotron-based X-ray diffraction technique allowing in situ tensile tests has been developed. This method is capable of producing non-destructive stress- and strain information at the limits of X-ray diffraction. A new procedure for data acquisition was established which accelerates the measurements by orders of magnitude (seconds or minutes compared to several hours per data point). The technique reported in this work uses high-energy synchrotron radiation which penetrates the bulk within the range of several millimeters. It is shown experimentally that even coarse-grain materials can be investigated if an enlarged experimental setup is used. Such a setup allows for performing fast in situ experiments with excellent time and strain resolution. High-temperature in situ tensile tests have been performed on a TiAl-based material. The method is capable of recording strains deep in the bulk as well as in ultrathin metallic films. A new approach is presented which uses tunable low-energy synchrotron radiation in combination with a CCD area detector. With this technique the evolution of the biaxial stress state in ultrathin film was measured during deformation with one single X-ray exposure per data point. In situ tensile tests were carried out on copper and gold films with film thicknesses below 100 nm. A high stress resolution in longitudinal- and transverse direction was achieved. The strain rate of tensile tests was increased at least by a factor of 6 compared to laboratory X-rays. The high-energy experiments were carried out at the Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB, Hamburg, Germany), low-energy X-rays were used at the dedicated MPI-MF beamline at ANKA (Angströmquelle Karlsruhe) located at the Forschungszentrum Karlsruhe (Germany).
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Legierungseinflüsse auf die Elektromigration in Submikrometer Aluminium-Leiterbahnen
(2001) Böhm, Jochen
In dieser Arbeit wurde der Einfluss von ionenimplantiertem Kupfer und Sauerstoff auf das Elektromigrationsverhalten von 0,5 µm breiten Aluminium-Leiterbahnen mit Bambusstruktur untersucht. Der Einfluss der Schädigung durch die Implantation wurde an Aluminiumproben untersucht, die mit Aluminium implantiert wurden. Die Messungen an diesen Proben zeigten keinen Unterschied im Vergleich zu Proben aus unimplantiertem Aluminium. Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop von ausgelagerten Proben ergaben ebenfalls keinerlei Hinweis auf Schädigung durch die Implantation von Kupfer oder Sauerstoff. Die Ionenimplantation hatte somit auch keinen Einfluss auf die Kornstruktur. Dieser Sachverhalt erlaubte die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichen Legierungszusätzen bei gleichzeitig unveränderter Mikrostruktur. Es wurde der elektrische Widerstand im Rasterelektronenmikroskop in-situ gemessen. Während der Elektromigration war in allen untersuchten Proben ein Materialabtrag beobachtbar, der nicht gleichmäßig erfolgte. Am Kathodenende der untersuchten Leiterbahnen waren Poren sowie Reste des Leiterbahnmaterials sichtbar, am Anodenende wurden Hügel und Whisker beobachtet. Das kritische Produkt von kurzen Leiterbahnen aus reinem Aluminium war kleiner als das bei den legierten Proben. Dies stimmt mit der Vorstellung überein, dass das kritische Produkt durch die mechanische Festigkeit des Leiterbahnmaterials bestimmt wird. Bei langen Leiterbahnen mit Reservoir-Ende war die Driftgeschwindigkeit der mit Kupfer und Sauerstoff implantierten Bahnen dagegen größer als bei unimplantierten Proben aus reinem Aluminium. In welchem Material die Driftgeschwindigkeit größer ist hängt daher von der Länge der Leiterbahn und von der angelegten Stromdichte ab. Der zeitabhängige Verlauf des Materialabtrags in kurzen Bahnen wurde mit einem neuen Modell beschrieben, das den Effekt des nicht gleichmäßigen Abtrags berücksichtigt.