Microstructural and film thickness effects on the thermomechanical behavior of thin Au films

Abstract

The thermomechanical behavior of thin metal films depends strongly on the film thickness, the film microstructure and the surface state. The latter becomes important at elevated temperatures, where diffusion controls the stress evolution. Au provides the unique opportunity to investigate this effect because of its chemical inertness. Au films between 57 and 1738 nm with two different microstructures: (i) typically columnar grained films with grain sizes on the order of the film thickness and (ii) atypical films with non-columnar grains exhibiting thermally stable fine grain sizes (100 to 200 nm) were sputter-deposited and examined. Thus, film thickness and grain size effects on the mechanical properties could be separated, which is normally not possible and has been hardly studied. Room temperature plasticity was accomplished by dislocation glide and, as expected, the finer grained films exhibited more hardening and higher total stresses. The smallest dimension was found to determine the strength of the material. At elevated temperatures, all films relaxed by diffusional creep. For columnar Au films, parallel glide dislocations were observed the first time by transmission electron microscopy. Consequently, the thermomechanical behavior of these films was discussed in light of constrained diffusional creep. Non-columnar films could additionally relax local compressive stresses by hillock formation. The requirements to form hillocks were analyzed with respect to the unusual microstructure. The network of interconnected horizontal grain boundaries providing for the necessary long-range diffusive material transport was found to be the major precondition.

Das thermomechanische Verhalten dünner Metallschichten hängt sehr stark von der Schichtdicke, der Schichtmikrostruktur und der Oberfläche ab. Die Beschaffenheit letzterer ist vor allem für diffusionskontrollierte Verformung wichtig. Au bietet die einzigartige Möglichkeit dies zu untersuchten, da es chemisch inert ist. Au Schichten zwischen 57 und 1738 nm wurden mit zwei verschiedenen Mikrostrukturen hergestellt: (i) typische, kolumnare Schichten, deren Korngröße ungefähr der Schichtdicke entsprach und (ii) untypische, nicht kolumnare Schichten, deren kleine Körner (100 bis 200 nm) thermisch stabil waren. Die Schichtdicken- und Korngrößeneffekte auf das thermomechanische Verhalten konnten somit getrennt betrachtet werden. Dies ist normalerweise nicht möglich und wurde daher auch noch kaum untersucht. Bei Raumtemperatur ist Versetzungsgleiten der dominierende Verformungsmechanismus. Daher zeigten die feinkörnigen Schichten wie erwartet mehr Verfestigung und höhere Spannungen. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die kleinste Dimension festigkeitsbestimmend ist Bei höheren Temperaturen haben sich allen Schichten durch Diffusionskriechen verformt. Im Falle kolumnarer Au Schichten konnten erstmals parallele Gleitversetzungen im Transmissionselektronenmikroskop gefunden werden. Folglich wurde das thermomechanische Verhalten dieser Schichten mit Hinblick auf eingeengtes Diffusionskriechen diskutiert. In den nicht kolumnaren Schichten wurden die Spannungen zusätzlich lokal durch Hügelbildung relaxiert. Die Voraussetzungen für Hügelbildung wurden unter Einbeziehung der ungewöhnlichen Mikrostruktur diskutiert. Ein Netzwerk horizontaler Korngrenzen parallel zur Schichtebene war die wesentliche Voraussetzung für weit reichenden Materialtransport.