Fatigue of Al thin films at ultra high frequencies

Abstract

Ultra high-cycle fatigue at frequencies in the GHz regime leads to a characteristic void and extrusion formation in patterned metal thin films. Resulting from the microstructural damage formation a significant degradation in form of a shift of the resonance frequency and failures by short circuits in Surface Acoustic Wave (SAW) test devices take place. To study fatigue at ultra high cycles, SAW test devices were used to test continuous and patterned Al thin films at ultra high frequencies. For stress amplitudes as low as 14 MPa lifetime measurements showed no fatigue limit for 400 nm Al thin films. The resulting damage sites appeared in regions of cyclic stress concentration as identified by Finite Element Analysis. In situ measurements revealed that the characteristic extrusion/void formation mechanism operates on a short time scale. The post-test analysis of microstructural changes reveals extrusion and void formation concentrated at grain boundaries. This finding and the observed grain growth indicates a high material flux at the grain boundaries induced by the cyclic load. Quantitative analysis also shows a correlation between extrusion density and electrical devices performance. This direct correlation shows a functional agreement with a common theory on the influence of crack density on intrinsic stresses in thin metal films. Advanced Finite Element (FEM) calculations simulate very well the sensitivity of the resonance frequency to damage structure in interconnects such as cracks, voids and extrusions. The experimentally observed linear correlation between damage density and frequency shift is reproduced by the FEM model. The estimation of the short circuit probability from the extrusion length distribution revealed an exponential dependency on the electrode distance. The observed damage formation is explained by the combined action of dislocation motion and stress-induced diffusion processes.

Ermüdung in dünnen Metallschichten bei ultra-hohen Frequenzen (GHz) führt zu einer charakteristischen Poren- und Extrusionsbildung. Durch die mikrostrukturelle Schädigung kommt es zu einer messbaren Beeinträchtigung der Eigenschaften von Oberflächenwellen-(OFW)-Bauteilen, die sich in Form von Verschiebungen in der Resonanzfrequenz als auch in Form von Ausfällen durch Kurzschlüsse äußern. Um Ermüdung von strukturierten und unstrukturierten Al-Schichten (420 nm) bei ultra hohen Frequenzen zu untersuchen wurden OFW-Teststrukturen verwendet. Lebensdauermessungen mit diesen Schichten haben ergeben, dass selbst bei Spannungsamplituden von nur 14 MPa kein Ermüdungslimit auftritt. Der Vergleich mit Finiten Elemente Simulationen (FEM) zeigte, dass die resultierende Schädigung bevorzugt an den Stellen hoher zyklischer Spannungen zu finden ist. In situ Messungen haben gezeigt, dass die Bildung der Poren und Extrusionen innerhalb kurzer Zeit passiert. Die Mikrostrukturanalyse nach der Belastung zeigt, dass sich die Schädigung hauptsächlich an den Korngrenzen abspielt. Dieser Befund und das beobachtete Kornwachstum deuten auf einen starken Materialfluss an der Korngrenze hin. Quantitative Analysen der Schädigung haben gezeigt, dass die Defektdichte und die Verschiebung der Resonanzfrequenz direkt miteinander korrelieren. Dieser funktionelle Zusammenhang konnte mit einer Theorie, die sich mit dem Einfluss der Rissdichte auf intrinsische Spannungen in metallischen Schichten beschäftigt, erklärt werden. Um einen besseres Verständnis für den Spannungszustand in der Metallisierung und den Einfluss der unterschiedlichen Schädigungsstrukturen auf die Resonanzfrequenz der Bauteile zu bekommen, wurden FEM-Simulationen durchgeführt, die den Schädigungseinfluss sehr gut wiedergeben. Die beobachtete Schädigungsbildung kann anhand eines Modells, das auf der Kombination von Versetzungsbewegung und spannungsinduzierten Diffusionsprozessen basiert, erklärt werden.