Quantification of the material inhomogeneity effect in thin metallic film stacks

Titel in Übersetzung: Quantifizierung vom Effekt der Materialinhomogenitäten in dünnen metallischen Schichtsystemen

Darjan Kozic

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von dünnen metalischen Schichtsystemen. Dies beinhaltet Untersuchungen der Materialsysteme in Bezug auf ihre intrinsischen Eigenschaften, interne Belastungen und die Reaktion auf externe Belastungen. Druck- und Zugeigenspannungen in dünnen Schichten beeinflussen die Zuverlässigkeit von mikroelektronischen Komponenten. Eigenspannungen können sowohl einen negativen als auch einen positiven Effekt auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Strukturen haben. In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, mit der man die Eigenspannungen in dünnen Schichten effektiv bestimmen kann. Um dies zu realisieren, werden mikromechanische Experimente und Rechenmethoden kombiniert. Experimentelle Ergebnisse der sogenannten Ion beam Layer Removal Methode werden herangezogen, um invers die Eigenspannungen numerisch, mit Hilfe von Finite Elemente Simulationen, oder analytisch, nach der Euler-Bernoulli Balkentheorie, zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass die Eigenspannungen in verschiedenen dünnen Schichtsystemen mit hoher Genauigkeit lokal aufgelöst werden können. Das Materialverhalten von dünnen Schichten ist durch ihre Dicke und Mikrostruktur bestimmt. Da die untersuchten Materialien nanokristallin sind, kann das Fließ- und Verfestigungsverhalten mit einem klassischen Zugang abgeleitet werden. Dabei wird das Kraft-Verschiebungs Verhalten aus sphärischen Nanoindentierungsexperimenten in einer Optimierungsroutine – die an eine Finite Elemente Analyse gekoppelt ist – benutzt, um die Fließkurve der dünnen Schichten numerisch zu bestimmen, wobei die Eigenspannungen mitberücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass sich das Fließverhalten von miniaturisierten Materialien von dem der makroskopischen oder Bulk-Materialien unterscheidet. Um das Bruchverhalten in den dünnen Schichtsystemen zu beschreiben, wird das Konzept der Configurational Forces herangezogen. Das Hauptaugenmerk liegt besonders in der Untersuchung vom Einfluss der Eigenspannungen und des Materialverhaltens auf die risstreibende Kraft. Ein Riss kann von einer Grenzfläche abgeschirmt oder angezogen werden. Die Auswirkung auf die risstreibende Kraft wird durch den Grenzflächeninhomogenitätsterm beschrieben. Der Sprung der Eigenspannungen an den Grenzflächen macht einen zusätzlichen Beitrag zu diesem Term aus. Weiters beeinflusst der Eigenspannungsgradient innerhalb der Schichten die risstreibende Kraft. Dieser Beitrag zur risstreibenden Kraft ist durch den Gradiententerm gegeben. Das mechanische Verhalten von Dünnschichtkomponenten trägt wesentlich zur Leistungsfähigkeit und Lebensspanne von Highend-Mikroelektronikgeräten bei. Das in dieser Arbeit präsentierte Konzept stellt einWerkzeug für die Charakterisierung von Dünnschichtsystemen dar, welches in der Designkette von Komponenten eingesetzt werden kann.
Titel in ÜbersetzungQuantifizierung vom Effekt der Materialinhomogenitäten in dünnen metallischen Schichtsystemen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Kiener, Daniel, Beurteiler B (intern)
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2017

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Mechanische Eigenschaften
  • Eigenspannungen
  • Materialverhalten
  • Risstreibende Kraft
  • Finite Elemente
  • Configurational Force Concept

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