Locally resolved deformation and fracture processes near interfaces

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Mit den immer kleiner werdenden Bausteinen moderner technischer Geräte, z.B. mikroelektronische Komponenten, wird die Untersuchung von Lebensdauer und Haltbarkeit durch die wesentlich höheren Spannungen bei tagtäglicher mechanischer oder thermischer Belastung immer anspruchsvoller. Insbesondere Grenzflächen zwischen zwei unterschiedlichen Materialien sind oft die Quelle für Geräteausfälle, beispielsweise aufgrund von Verlust der leitfähigen Eigenschaften oder durch Abplatzen von Schutzschichten. Daher wäre ein allgemeiner Ansatz zur Bestimmung der Grenzflächenbrucheigenschaften solcher miniaturisierten Systeme erstrebenswert. Für makroskopische Prüfungen wurden bereits verschiedene Methoden entwickelt, z.B. ’Brasil-nut’ Proben oder Vierpunktbiegeproben. Das Herunterskalieren solcher Techniken auf den Mikrometer- oder sogar Submikrometerbereich erweist sich jedoch als eine Herausforderung. Daher wurden spezielle Techniken entwickelt, die auf heute weit verbreiteten Nanoindentierungsgeräten basieren. Diese Techniken sowie die dazugehörigen Bewertungsschemata sind jedoch üblicherweise nur auf bestimmte Materialkombinationen anwendbar, mit der vorherrschenden Einschränkung, dass nur linear-elastische Verformung stattfindet. Da viele industriell relevante Materialkombinationen mindestens einen zur plastischen Verformung neigenden Bestandteil besitzen, z.B. Cu, Al oder verschiedene Polymere, ist ein neuer methodischer Ansatz, der Plastizität miteinbezieht, von großem Interesse. Diese Doktorarbeit präsentiert eine Studie zum Grenzflächenbruchverhalten eines Si-SiOx-WTi-Cu-Modellmaterialsystems, wie es üblicherweise in der Mikroelektronikindustrie zu finden ist, unter Verwendung neuartiger mikromechanischer Ansätze zur Berücksichtigung der Plastizität der Cu-Phase. Die Methodik basiert auf der gekerbten Mikro-Biegeprobengeometrie in Verbindung mit einer Signalgeber, der durch kontinuierlichen Steifigkeitsmessung zur stationären Bestimmung der Risslänge geeignet ist und in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) zur in situ-beobachtung während des Tests montiert ist. Die Arbeit umfasst die Untersuchung des mechanischen Versuchsaufbaus in der Vakuumkammer eines REM, die Entwicklung eines mathematischen Bewertungsrahmens auf Basis elastisch-plastischer bruchmechanischer Betrachtungen und schließlich die erfolgreiche Durchführung von Experimenten am Modellmaterialsystem. Experimente mit dem Fokus auf der Bestimmung der Brucheigenschaften der SiOx/WTi sowie der WTi/Cu Grenzfläche zeigten einen deutlichen Unterschied von rein spröder Grenzflächenspaltung bis hin zu ausgedehnter Rissspitzenplastizität ohne Rissausdehnung. Damit wurde erstmals die Anwendbarkeit der Technik zur Bestimmung bruchmechanischer Parameter in räumlich begrenzten heterogenen Strukturen bestätigt. Weitere Untersuchungen an Grenzflächen mit absichtlichem Kontakt zur Atmosphäre zeigten einen Übergang von der Rissspitzenplastizität zur Grenzflächenspaltung, was eine Schwächung der Grenzflächenkohäsion durch Sauerstoffanreicherung beweist. Weitere Untersuchungen an Grenzflächen mit absichtlichem Kontakt zur Atmosphäre zeigten einen Übergang von der Rissspitzenplastizität zur Grenzflächenspaltung, was eine Schwächung der Grenzflächenkohäsion durch Sauerstoffanreicherung beweist. In Verbindung mit analytischen Versetzungsplastizitätsmodellen wurde eine Verschiebung der lokalen Spannungskonzentrationsmoden vermutet, was zu einer abschließenden Studie führte, die sich auf das unterschiedliche Deformationsverhalten bei reiner Normal- oder Scherbelastung an der Grenzfläche, unter Verwendung von Transmissionsrasterelektronenmikroskopie, konzentrierte. Während normale Belastung zu rein duktilem Versagen in der Cu-Phase führte, offenbarte Scherbelastung die Entstehung und Ausdehnung eines Grenzflächenrisses. Zusammenfassend präsentiert diese Doktorarbeit ein detailliertes Bild der Gren

Details

Titel in ÜbersetzungOrtsaufgelöste Verformung und Bruch Prozesse in der Nähe von Grenzflächen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2021