Browsing by Author "Schwaiger, Ruth"

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Fatigue behavior of sub-micron silver and copper films
(2001) Schwaiger, Ruth; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)
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.