Mechanical Properties of Thin Films Studied by Bulge Testing

Beschreibung

Dünnschichten sind komplexe Systeme, die im Vergleich zu Bulk-Proben bemerkenswerte mechanische Eigenschaften aufweisen. Dabei ist die Zunahme der Festigkeit mit abnehmender Schichtdicke der meistuntersuchte Größeneffekt. Die meisten Erkenntnisse an freistehenden Membranen wurden anhand des Bulge Tests gewonnen. In dieser Arbeit wurde diese Technik weiterentwickelt, um die Untersuchung der Bruchzähigkeit, des zeitabhängigen Verhaltens und der Ermüdungseigenschaften dünner Schichten zu ermöglichen. Es wurden sowohl ex-situ als auch in-situ Experimente in einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt, wodurch genaue Messungen der Materialkennwerte sowie Erkenntnisse über die darunterliegenden Mechanismen erlangt wurden. Die neuen Methoden wurden auf LPCVD SiNx und PVD Gold mit Schichtdicken zwischen 30 und 400 nm angewandt. Die Eigenschaften des amorphen SiNx sind von der Schichtdicke unabhängig. Es wird zudem gezeigt, dass die gemessene Bruchzähigkeit bei einem Wechsel von einem ebenen Dehnungszustand zu einem ebenen Spannungszustand gleich bleibt. Die kristallinen Goldschichten zeigen hingegen ausgeprägte Größeneffekte. Das Verhalten der freistehenden Dünnschichten weicht von dem der Dünnschichten auf SiNx-Substrat ab. Bei kleiner Schichtdicke zeigen die freistehende Goldschichten eine enorme Abnahme der Bruchzähigkeit, eine deutliche Zunahme der Dehnratenabhängigkeit und ein beträchtliches „Ratcheting“. Eine mögliche Erklärung hierfür ist neben der nanokristallinen Mikrostruktur auch Korngrenzgleiten, welches bei allen Versuchen an der Oberfläche beobachtet wurde. Der gemessene Spannungsexponent legt nahe, dass dieser noch wenig untersuchte Mechanismus versetzungskontrolliert ist. Korngrenzgleiten findet vermutlich nur wegen der stängelförmigen Mikrostruktur statt, welche die Verschiebung der Körner aus der Schichtebene nur begrenzt behindert. Gold-Dünnschichten auf SiNx-Substrat besitzen eine höhere Festigkeit als die entsprechenden freistehenden Membranen. Im Gegensatz dazu ist deren Dehnratenabhängigkeit viel niedriger, weil sie ausschließlich von der nanokristallinen Mikrostruktur verursacht wird. Durch die gute Haftung auf dem Substrat wird das Korngrenzgleiten verhindert, weshalb die Effekte während der Dehnratenwechsel-, Kriech- und Ermüdungsversuche schwächer sind.