Thermal fatigue of Cu thin films

Abstract

Fatigue is a process in which materials are damaged by the effect of cyclic mechanical loads. This phenomenon has been extensively studied in bulk metals, but up to now only little is known about fatigue of metals with small length scales. In this work the behaviour of small Cu structures under alternating thermal and mechanical loads has been investigated. It was found that the small structures exhibited different fatigue damage evolution mechanisms and were far more resistant to failure than bulk materials. Structures with a thickness of 300 nm developed regions of severe surface damage that were similar in some respects to the damage formed in bulk metals. Just as in bulk metals, the damage was caused by dislocation activity. However, a number of new damage processes were observed in the 300 nm thick structures, including twin dissolution, and facetted grain growth. The strong dependence of this new damage on grain orientation revealed that the detailed dislocation interactions and reaction products play a crucial role in damage formation. The structures with a thickness of 100 nm exhibited a completely different damage morphology, in that the damage appeared to be formed by extensive surface and boundary diffusion rather than by dislocation activity. This is believed to be the result of the suppression of dislocation activity at small length scales. The 100 nm thick structures also exhibited longer fatigue lives than the 300 nm thick structures, and both were more reliable than fine-grained and large-grained bulk Cu. The enhanced reliability is partly due to larger yield stresses in the thin films, but is also due to a second size effect in the mechanical behaviour, namely that thin films can accommodate higher plastic strains before failure.

Die mechanische Ermüdung ist ein Prozess, bei dem Werkstoffe durch die Einwirkung wechselnder mechanischer Belastungen geschädigt werden. Ermüdung wurde in der Vergangenheit intensiv an Massivmaterialien untersucht, jedoch bis heute ist nur wenig bekannt über die Ermüdung von Mikromaterialien. In der vorliegenden Arbeit wurde das Verhalten von kleinen Cu Strukturen unter wechselnder thermischer und mechanischer Belastung untersucht. Dabei zeigte sich, dass in kleinen Materialien andere Schädigungsmechanismen als in Massivmaterialien auftreten, und dass diese Materialien weitaus widerstandsfähiger gegenüber mechanischer Ermüdung sind. In Teststrukturen mit Schichtdicken von 300 nm wurden Veränderungen der Oberfläche gefunden, die wahrscheinlich auf Versetzungsaktivität zurückzuführen sind. Neben einigen von Massivproben bekannten Phänomenen konnten auch neue Schädigungsprozesse identifiziert werden. So wurde beispielsweise die Auflösung von Zwillingen und ein facettiertes Kornwachstum beobachtet. Die starke Abhängigkeit dieser neuartigen Schädigung von der Kornorientierung weist darauf hin, dass Versetzungswechselwirkung und die entstehenden Reaktionsprodukte eine entscheidende Rolle für die Schadensbildung einnehmen. Strukturen mit einer Dicke von 100 nm wiesen ein gegenüber dickeren Filmen ein unterschiedliches Schädigungsverhalten auf. Die Schädigung dieser Filme beruht anscheinend auf Oberflächen- und Korngrenzdiffusion und nicht wie die der dickeren Filme auf Versetzungsaktivität. Dies ist möglicherweise ein Ergebnis der Unterdrückung der Versetzungsaktivität in kleinen Abmessungen. Im Vergleich zu 300 nm dicken Proben wiesen Proben mit 100 nm Dicke, vermutlich durch den anderen Schädigungsmechanismus, deutlich höhere Lebensdauern auf. Die gegenüber Massivmaterial erhöhte Lebensdauer beider Filmdicken liegt einerseits an der höheren Festigkeit der dünnen Filme, aber auch daran, dass dünne Filme höhere kumulative plastische Dehnungen aufnehmen können.