Dünnschichtplastizität und Wechselwirkung von Gitterversetzungen mit der Film/Substrat Grenzfläche

Abstract

Die Gefüge und das thermomechanische Spannungsverhalten von 100-2000 nm dicken epitaktischen und polykristallinen Cu Schichten auf (0001)-alpha-Al2O3 Substraten, die in Ultrahochvakuum hergestellt und bei 600 °C ausgelagert wurden, wurden untersucht. Epitaktische Schichten zeigen zwei {111} zwillingsorientierte Domänen mit einer Domänengröße, die mehr als das 30-fache der Schichtdicke beträgt, während die lognormal verteilte Korngröße der ebenfalls {111} orientierten polykristallinen Schichten nur das 1-2-fache der Schichtdicke aufweist. Dieser Unterschied in den Gefügen macht sich bei dem Verformungsverhalten der beiden Schichtgruppen bemerkbar. Bei hohen Temperaturen werden die Spannungen in polykristallinen Schichten durch Diffusionsplastizität an den Korngrenzen abgebaut. Dagegen ist das plastische Verformen der epitaktischen Schichten unabhängig von der Temperatur immer auf Versetzungsplastizität zurückzuführen. Fließspannungen bei Raumtemperatur nehmen in epitaktischen und polykristallinen Schichten mit abnehmender Schichtdicke zu. Aufgrund ihrer großen Domänen sind epitaktische Schichten jedoch weicher als polykristalline Schichten gleicher Schichtdicke. Allerdings sind die Fließspannungswerte der epitaktischen Schichten größer als Vorhersagen durch ein Modell, das eine Einengung der Versetzungsbewegung durch die Schichtdicke annimmt. Diese Diskrepanz liegt in Zwillingsgrenzen begründet, die parallel zur Schicht-Substratgrenzfläche verlaufen und die Versetzungsbewegung in der Schicht zusätzlich einengen, ähnlich wie die Schicht-Substratgrenzfläche selbst. Diese Einengung der Versetzungsbewegung in dünnen Schichten durch Grenzflächen führt zu den erhöhten Fließspannungswerten.

The microstructure and thermomechanical stress evolution of 100-2000 nm thick epitaxial und polycrystalline Cu films deposited on (0001)-alpha-Al2O3 substrates at ultra-high vacuum were studied after annealing at 600°C. Epitaxial Cu films revealed {111} oriented twin variants 30 times larger than the film thickness. In contrast, the {111} textured polycrystalline films exhibited a typical lognormal grain size distribution with a mean grain size 1-2 times larger than the film thickness. These different Cu microstructures lead to different plastic deformation mechanisms. Grain boundary diffusional processes prevailed at high temperatures for the polycrystalline Cu films, while plasticity was dominated by dislocation mechanisms in the epitaxial Cu films at both room and high temperatures. RT flow stresses, governed by dislocation plasticity for both the epitaxial und polycrystalline films, increased with decreasing film thickness. However, lower flow stresses were observed for the epitaxial Cu films than the polycrystalline films because of the extremely large domain size compared to the film thickness. Nevertheless, the measured epitaxial film flow stresses were higher than the values predicted by a model based upon the constraint of dislocations by the film thickness. This discrepancy is explained by the presence of twin boundaries parallel to the film/substrate interface, which provide an additional constraint to dislocation motion. The present work demonstrates that interface confined dislocations lead to high flow stresses.