Plasticity and fatigue of miniaturized Cu structures

Titel in Übersetzung: Plastizität und Ermüdung von miniaturisierten Kupferstrukturen

Alexander Christoph Wimmer

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Dünnschichten spielen eine wichtige Rolle in Bauelementen wie mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Metallische Filme, beispielsweise Cu, transportieren den elektrischen Strom zwischen den Halbleiterstrukturen und dienen bei entsprechender Dicke als Wärmesenke für die thermische Energie, generiert durch Joulesche Erwärmung. Während der Lebensdauer von miniaturisierten Cu-Strukturen müssen diese mehrere Milliarden thermischen Zyklen standhalten, welche Risse und einen frühzeitigen Ausfall verursachen können, wenn die Festigkeit des Metalls nicht ausreichend ist. In der vorliegenden Arbeit werden die mechanischen Eigenschaften von Cu-Dünnschichten mit unterschiedlicher Korngröße untersucht, um Einblick in die Verformungsmechanismen zu bekommen, um dadurch eine Lebensdauervorhersage und eine Optimierung der Materialeigenschaften zu ermöglichen. Miniaturisierte Zug- und Biegeproben wurden mittels eines fotolithographischen Prozesses hergestellt und in einer mikromechanischen Apparatur getestet, wobei die Experimente überwiegend im Rasterelektronenmikroskop (SEM) durchgeführt wurden.
Für die Untersuchung der statischen mechanischen Eigenschaften, wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung, wurden Zugversuche zwischen 143 und 873 K durchgeführt. In diesen Experimenten wurden Aktivierungsenergien und –volumina ermittelt, wodurch in Folge die zugrundeliegenden Verformungsmechanismen bestimmt werden konnten. Die Experimente bei erhöhten Temperaturen zeigten eine Versprödung im Material mit 2.7 µm Korngröße. Chemische Analysen und Berechnungen zu Segregation, Korngrenzenfestigkeit und Diffusion zeigten als Ursache für die Versprödung die Segregation von nichtmetallischen Elementen an die Korngrenze.
Da für praktische Anwendungen vor allem die dynamischen Eigenschaften von Interesse sind, wurden zyklische Kriechexperimente (Ratcheting) zwischen 293 und 673 K durchgeführt, wobei die gleichen Verformungsmechanismen wie im Zugversuch gefunden wurden. Die Lebensdauer, welche stark von der Kriechdehnung pro Zyklus abhängt, konnte durch ein modifiziertes Basquin-Gesetz beschrieben werden. Da in Cu-Mikrostrukturen, welche in Bauelementen Verwendung finden, das Verhältnis von Maximal- zu Minimalspannung meist negativ ist, wurden ebenfalls Biegeversuche durchgeführt, um einen alternierenden Spannungszustand zu erreichen. Im Gegensatz zu den Ratcheting-Experimenten zeigte sich in den Biegeversuchen eine deutliche Ausbildung von Extrusionen und Intrusionen auf der Probenoberfläche sowie eine Zellstruktur im Probeninneren.
Durch Anwendung von Elektronenrückstreubeugung (EBSD) während der statischen und dynamischen Versuche konnte die Entwicklung der Dichte an geometrisch notwendigen Versetzungen (GND) und die Mikrostrukturentwicklung der Oberflächenkörner, welche das Verformungsverhalten in mikromechanischen Experimenten bestimmen, untersucht werden. Das Verformungsverhalten der Probenoberfläche, aufgenommen mittels in situ SEM, die gemessene GND Dichte sowie die abgeleiteten Aktivierungsenergien und –volumina verdeutlichten eine Verformung basierend auf Versetzungsplastizität. Nichtsdestotrotz, mit abnehmender Korngröße steigt der Einfluss von Diffusion bei erhöhten Temperaturen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in Form von vier Publikationen angefügt. Publikation A berichtet über Korngrenzenversprödung, welche im statischen Zugversuch zwischen 293 und 673 K gefunden wurde. Publikation B erläutert das Verformungsverhalten in statischen und dynamischen Zug-Zug-Versuchen bei Raumtemperatur, Publikation C erweitert diese Messungen durch Versuche im bisher unerreichten Temperaturbereich von 143 bis 873 K. Schließlich werden in Publikation D Biegeversuche bei Raumtemperatur, unter Zuhilfenahme von EBSD während des Experiments, behandelt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass das Mikrostrukturdesign eine ambivalente Wirkung hat, da sich der Einfluss der Mikrostruktur mit der Temperatur ändert.
Titel in ÜbersetzungPlastizität und Ermüdung von miniaturisierten Kupferstrukturen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Dehm, Gerhard, Betreuer (intern)
  • Clemens, Helmut, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2014

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Plastizität
  • Ermüdung
  • Mikrozugversuch

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