TY - BOOK

T1 - Mikrostrukturelle Analyse von thermomechanisch verformten und ermüdeten Al Schichten

AU - Heinz, Walther

N1 - nicht gesperrt

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - Die Hauptaufgabe dieser Arbeit war es mit Hilfe von thermomechanischen Versuchen zum Verständnis der mechanischen Eigenschaften dünner Schichten bei thermischer Belastung beizutragen. Zu diesem Zweck wurden Al Schichten mit unterschiedlichen Schichtdicken, Korngrößen und Texturen oftmalig thermomechanisch zykliert und isotherme Relaxationsmessungen in der Abkühlphase durchgeführt, und die Mikrostruktur charakterisiert. Im ersten Teil der Arbeit werden die Aufheiz- und Abkühlkurven von unterschiedlichen Al Schichtsystemen untersucht. Es wurden Schichtdicken bis 2μm von fein- und grobkörnigen Al Schichten auf Si Substraten, sowie epitaktischen Al Schichten auf α-Al2O3 Substraten analysiert. Die Proben zeigen dabei aufgrund der Mikrostruktur ein unterschiedliches Verhalten in den Spannungs-Temperatur Messungen. Das grobkörnige polykristalline Schichtsystem zeigt eine Spannungs-Temperatur Hysterese, die gewöhnlich für unpassivierte Schichten erwartet wird. Das feinkörnige polykristalline und das epitaktische Schichtsystem hingegen weisen ein für Schichten mit Passivierungsschicht erwartetes Verhalten in der Spannungs-Temperatur Hysterese auf. Mit Hilfe theoretischer Überlegungen lassen sich die Spannungs-Temperatur Hysteresekurven als Versetzungs- oder Diffusionstyp klassifizieren. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit thermomechanischen Ermüdungsversuchen und dem Einfluss der Mikrostruktur auf die Ausbildung der Schädigungsphänomene. Polykristalline Schichten weisen aufgrund ihrer amorphen Grenzfläche Schädigungsphänomene auf, die durch Versetzungswechselwirkungen an der amorphen Grenzfläche erklärt werden können. Bei den polykristallinen Schichten ist auch ein schichtdickenabhängiges Verhalten ersichtlich. Ab einer Schichtdicke ≥600nm zeigen sich dabei schwere Schädigungen an der Oberfläche nach 10000 thermischen Zyklen. An Schichten mit kleineren Schichtdicken sind hingegen noch keine Anzeichen einer Schädigung ersichtlich. Die Textur spielt eine große Rolle im Verhalten der thermomechanisch ermüdeten Schichten. Während epitaktische Schichten, weder an der Oberfläche noch in der Textur einen Einfluss auf die thermomechanische Ermüdung aufweisen, zeigen die polykristallinen Schichten eine Wechsel ihrer anfänglichen (111) Orientierung in Richtung einer (112) Orientierung. Die Gitterrotation konnte nicht nur nach 10000 thermischen Zyklen nachgewiesen werden, sondern bereits nach mehreren Einzelzyklen an Körnern einer 600nm dicken Schicht. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit isothermen Relaxationsmessungen während der Abkühlphase eines Spannungs-Temperaturzyklus. Dabei konnten Aktivierungsenergien und Aktivierungsvolumina ermittelt werden. Es zeigt sich aus den Messdaten, dass bis zu einer Temperatur von 250°C ein hinderniskontrolliertes Gleiten der dominierende Relaxationsmechanismus ist. Bei 250°C kommt es zu einer Änderung des Verformungsmechanismus. Oberhalb dieser Temperatur weisen die Werte auf einen diffusionskontrollierten Mechanismus hin. Aufgrund der bestimmten Aktivierungsenergie von ca. 0.3eV liegt entweder Grenzflächendiffusion oder ein Doppelkinkenmechanismus vor.

AB - Die Hauptaufgabe dieser Arbeit war es mit Hilfe von thermomechanischen Versuchen zum Verständnis der mechanischen Eigenschaften dünner Schichten bei thermischer Belastung beizutragen. Zu diesem Zweck wurden Al Schichten mit unterschiedlichen Schichtdicken, Korngrößen und Texturen oftmalig thermomechanisch zykliert und isotherme Relaxationsmessungen in der Abkühlphase durchgeführt, und die Mikrostruktur charakterisiert. Im ersten Teil der Arbeit werden die Aufheiz- und Abkühlkurven von unterschiedlichen Al Schichtsystemen untersucht. Es wurden Schichtdicken bis 2μm von fein- und grobkörnigen Al Schichten auf Si Substraten, sowie epitaktischen Al Schichten auf α-Al2O3 Substraten analysiert. Die Proben zeigen dabei aufgrund der Mikrostruktur ein unterschiedliches Verhalten in den Spannungs-Temperatur Messungen. Das grobkörnige polykristalline Schichtsystem zeigt eine Spannungs-Temperatur Hysterese, die gewöhnlich für unpassivierte Schichten erwartet wird. Das feinkörnige polykristalline und das epitaktische Schichtsystem hingegen weisen ein für Schichten mit Passivierungsschicht erwartetes Verhalten in der Spannungs-Temperatur Hysterese auf. Mit Hilfe theoretischer Überlegungen lassen sich die Spannungs-Temperatur Hysteresekurven als Versetzungs- oder Diffusionstyp klassifizieren. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit thermomechanischen Ermüdungsversuchen und dem Einfluss der Mikrostruktur auf die Ausbildung der Schädigungsphänomene. Polykristalline Schichten weisen aufgrund ihrer amorphen Grenzfläche Schädigungsphänomene auf, die durch Versetzungswechselwirkungen an der amorphen Grenzfläche erklärt werden können. Bei den polykristallinen Schichten ist auch ein schichtdickenabhängiges Verhalten ersichtlich. Ab einer Schichtdicke ≥600nm zeigen sich dabei schwere Schädigungen an der Oberfläche nach 10000 thermischen Zyklen. An Schichten mit kleineren Schichtdicken sind hingegen noch keine Anzeichen einer Schädigung ersichtlich. Die Textur spielt eine große Rolle im Verhalten der thermomechanisch ermüdeten Schichten. Während epitaktische Schichten, weder an der Oberfläche noch in der Textur einen Einfluss auf die thermomechanische Ermüdung aufweisen, zeigen die polykristallinen Schichten eine Wechsel ihrer anfänglichen (111) Orientierung in Richtung einer (112) Orientierung. Die Gitterrotation konnte nicht nur nach 10000 thermischen Zyklen nachgewiesen werden, sondern bereits nach mehreren Einzelzyklen an Körnern einer 600nm dicken Schicht. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit isothermen Relaxationsmessungen während der Abkühlphase eines Spannungs-Temperaturzyklus. Dabei konnten Aktivierungsenergien und Aktivierungsvolumina ermittelt werden. Es zeigt sich aus den Messdaten, dass bis zu einer Temperatur von 250°C ein hinderniskontrolliertes Gleiten der dominierende Relaxationsmechanismus ist. Bei 250°C kommt es zu einer Änderung des Verformungsmechanismus. Oberhalb dieser Temperatur weisen die Werte auf einen diffusionskontrollierten Mechanismus hin. Aufgrund der bestimmten Aktivierungsenergie von ca. 0.3eV liegt entweder Grenzflächendiffusion oder ein Doppelkinkenmechanismus vor.

KW - Aluminum thin films

KW - Wafer curvature technique

KW - SEM

KW - EBSD

KW - polycrystallin

KW - epitaxial

KW - Activation energies

KW - Activation volumes

KW - Thermal fatigue

KW - Isothermal relaxation

KW - Lattice rotation

KW - Aluminium Schicht

KW - Thermomechanische Ermüdung

KW - EBSD

KW - REM

KW - isotherme Relaxation

KW - Aktivierungsenergie

KW - epitaktisch

KW - polykristallin

KW - Wafer Curvature Technik

KW - Substratkrümmungs Messtechnik

KW - Aktivierungsvolumen

KW - Gitterrotation

M3 - Dissertation

ER -