Fracture Toughness of Freestanding Metallic Thin Films Studied by Bulge Testing

Charakterisierung der Bruchzähigkeit freistehender metallischer Dünnschichten mittels Bulge‐Experimenten

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-98521
  • Metallic thin films are nowadays frequently used as key components in microelectronic and microelectromechanical systems, so that the functionalities of these systems often depend on the structural integrity of the incorporated thin films. As a result, the fracture toughness of thin films becomes a very important design parameter as it quantifies their resistance to crack propagation. This thesis explores why the fracture toughness of freestanding metallic thin films is surprisingly low in comparison to bulk metals and by which parameters it is affected. The fracture toughness of physical-vapor-deposited (PVD) freestanding metallic thin films was determined by bulge testing of previouslyMetallic thin films are nowadays frequently used as key components in microelectronic and microelectromechanical systems, so that the functionalities of these systems often depend on the structural integrity of the incorporated thin films. As a result, the fracture toughness of thin films becomes a very important design parameter as it quantifies their resistance to crack propagation. This thesis explores why the fracture toughness of freestanding metallic thin films is surprisingly low in comparison to bulk metals and by which parameters it is affected. The fracture toughness of physical-vapor-deposited (PVD) freestanding metallic thin films was determined by bulge testing of previously notched membranes. The investigated films comprise polycrystalline gold films of 50 nm to 350 nm thickness, single-crystalline and polycrystalline silver films, and solid-solution hardened Au-Ag films. Thus, the obtained data allow for a comprehensive comparison of the fracture toughness of films with various micro-structures and properties. Complementary insights into the fracture mechanisms are gained by in-situ observations of deformation and crack propagation in an atomic force microscope. An intrinsic thickness effect is found to be the reason for the generally low fracture toughness of metallic thin films. It is shown that the low fracture toughness is associated with an extremely small fracture process zone that can be traced back to out-of-plane components of plastic deformation that are by nature unconstrained in thin samples. For films with similar microstructure, a clear trend of increasing fracture toughness with increasing yield stress is revealed. This relationship is at first sight counterintuitive but can be accounted for by an increased resistance to local thinning in front of the crack tip which plays a decisive role in thin-film fracture. Based on these findings, suggestions are finally presented on how to improve the fracture toughness of metallic thin films.show moreshow less
  • Metallische Dünnschichten finden mittlerweile häufig Anwendung in der Mikroelektronik und in mikroelektromechanischen Systemen. Eine zentrale Anforderung an die Dünnschicht-Komponenten ist dabei ihre strukturelle Integrität, womit die Bruchzähigkeit metallischer Schichten, die deren Widerstand gegen Rissfortschritt quantitativ beschreibt, zur wichtigen Kenngröße wird. Diese Arbeit untersucht, weshalb die Bruchzähigkeit von freistehenden metallischen Dünnschichten im Vergleich zu makroskopischen Proben überraschend klein ist und durch welche Parameter sie beeinflusst wird. Dazu wurde die Bruchzähigkeit von freistehenden, durch physikalische Gasphasenabscheidung hergestelltenMetallische Dünnschichten finden mittlerweile häufig Anwendung in der Mikroelektronik und in mikroelektromechanischen Systemen. Eine zentrale Anforderung an die Dünnschicht-Komponenten ist dabei ihre strukturelle Integrität, womit die Bruchzähigkeit metallischer Schichten, die deren Widerstand gegen Rissfortschritt quantitativ beschreibt, zur wichtigen Kenngröße wird. Diese Arbeit untersucht, weshalb die Bruchzähigkeit von freistehenden metallischen Dünnschichten im Vergleich zu makroskopischen Proben überraschend klein ist und durch welche Parameter sie beeinflusst wird. Dazu wurde die Bruchzähigkeit von freistehenden, durch physikalische Gasphasenabscheidung hergestellten Dünnschichten bestimmt, indem Bulge-Experimente an Membranen mit je einem zuvor eingebrachten Schlitz durchgeführt wurden. Die untersuchten Membranen umfassen polykristalline Goldschichten mit einer Dicke von 50 nm bis 350 nm, ein- und polykristalline Silberschichten sowie Au-Ag-Mischkristallschichten. Damit wird eine breite Datenbasis gelegt, anhand derer Dünnschichten mit verschiedener Mikrostruktur und deutlich unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich ihrer Bruchzähigkeit verglichen werden können. Die quantitativen Messungen werden durch in-situ Beobachtungen im Rasterkraftmikroskop um Informationen zum Bruchmechanismus ergänzt. Ein intrinsischer Dickeneffekt kann als Grund für die generell niedrige Bruchzähigkeit von metallischen Dünnschichten bestätigt werden. Es wird gezeigt, dass der niedrige Widerstand gegen Rissausbreitung mit einer sehr kleinen plastischen Zone einhergeht, deren räumliche Begrenzung wiederum auf plastische Verformung aus der Schichtebene heraus zurückzuführen ist. Diese kann in freistehenden Schichten im Gegensatz zu makroskopischen Proben unbeeinträchtigt stattfinden. Für Schichten mit ähnlicher Mikrostruktur steigt die Bruchzähigkeit deutlich mit ansteigender Fließspannung an. Dies scheint zunächst überhaupt nicht intuitiv, kann aber dadurch erklärt werden, dass eine hohe Fließspannung einer lokalen Dickenabnahme, die beim Bruch von duktilen Dünnschichten eine entscheidende Rolle spielt, entgegenwirkt. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden zuletzt Vorschläge dazu gemacht, wie die Bruchzähigkeit von metallischen Dünnschichten verbessert werden kann.show moreshow less

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Metadaten
Author:Eva Preiß
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-98521
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-118-8
ISBN:978-3-96147-118-8
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (22)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Mathias Göken, Gerhard Dehm
Advisor:Mathias Göken
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Embargo Date:2018/07/30
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2018/01/25
Release Date:2018/07/30
Tag:Atomic force microscopy (AFM); Au-Ag solid solutions; Crack propagation; Fracture toughness; Freestanding thin films; Gold; Physical vapor deposition (PVD); Plane-strain bulge test; Silver; Single-crystalline films; Thickness effect
SWD-Keyword:Bulge-Test; Bruchzähigkeit; Dünnschichttechnik; Mikromechanik; Size-Effekt; Rissausbreitung
Pagenumber:ix, 158 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-117-1
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International