Fatigue behavior of sub-micron silver and copper films

Ermudung gilt als wichtige Versagensursachen makroskopischer metallischer Bauteile. Das Ermudungsverhalten in dunnen Metallschichten und miniaturisierten Bauteilen, wie sie in der Mikroelektronik oder Mikrosystemtechnik eingesetzt werden, ist bisher jedoch kaum untersucht worden. Fur Abmessungen im Mikrometerbereich kann aber ein anderes Verhalten als in Massivmaterial erwartet werden, da das geringe Materialvolumen die Ausbildung typischer Ermudungs-Versetzungsstrukturen nicht zulast. Im Rahmen dieser Arbeit werden Ermudungsschadigung und die dafur verantwortlichen Mechanismen charakterisiert. Im besonderen wird auf die Einflusse von Schichtdicke und Korngrose eingegangen. Das Ermudungsverhalten wurde anhand von 0.2 - 1.5 µm dicken Ag Schichten auf SiO2- und 0.4 - 3 µm dicken Cu Schichten auf Polyimid-Substrat untersucht. Die Schichten wurden mit Mikrobalkenbiegung und in Zugversuchen zyklisch verformt. Nach der Ermudungsbelastung wurden an der Oberflache der Schichten Extrusionen gefunden, die jenen in Massivmaterial gleichen. Unterhalb der Extrusionen, nahe der Grenzflache zwischen Schicht und Substrat, wurden Poren beobachtet. Die Entstehung von Extrusionen und Poren wurde qualitativ mit Hilfe eines Modells erklart, das Mechanismen aus der Ermudung von Massivmaterial mit den Einschrankungen, die eine dunne Schicht auf die Versetzungsbewegung ausubt, verbindet. Die Lebensdauer der Schichten nahm mit zunehmender Belastung ab. Daruber hinaus waren dunnere Schichten ermudungsbestandiger und wiesen weniger, kleinere Extrusionen als dicke Schichten auf. Die Nukleation von Poren wurde durch geringe Schichtdicke und/oder Korngrose behindert. Diese Beobachtung kann durch Diffusionsprozesse und das Ausheilen von Leerstellen an der freien Oberflache oder an Korngrenzen erklart. Diese Untersuchungen werfen einerseits ein neues Licht auf ein klassisches Materialphanomen; andererseits schaffen sie Grundlagen fur den zuverlassigen Einsatz von Dunnschichtsystemen. Fatigue compromises the reliability of macroscopic metallic components utilized in a variety of technological applications. However, the fatigue behavior of thin metal films and small-scale components used in microelectronics and mechanical microdevices has yet to be explored in detail. The fatigue behavior in (sub)micron thin films is likely to differ from that in bulk material, since the volume necessary for the formation of dislocation structures typical of cyclic deformation is larger than that available in thin films. The microscopic processes responsible for fatigue are, therefore, affected by the thin film dimensions and microstructure. This work focused on the characterization of such mechanisms and the resulting fatigue damage. In particular, the effect of grain size and/or film thickness were investigated. The fatigue behavior of 0.2-1.5 µm thick, Ag films on SiO2 and 0.4-3.0 µm thick,Cu films on polyimide substrates was investigated. The films were tested using cantilever microbeam deflection and cyclic tensile testing. Extrusions similar to those observed in bulk material were found at the Ag and Cu film surfaces after cyclic loading. Voids observed beneath the extrusions, at the film-substrate interface, contributed significantly to thin film failure. The occurrence of these extrusions and voids was qualitatively explained by a model that combines mechanisms of bulk fatigue with the constraints exerted on dislocations by thin film dimensions. Fatigue lifetime decreased with increasing cyclic amplitude. Moreover, thin films were more fatigue resistant and contained fewer, smaller extrusions than thicker films. We found that a small thickness and/or grain size inhibits void nucleation. This observation is explained in terms of vacancy diffusion and annihilation at free surfaces or grain boundaries. These investigations shine a new light on a well-known phenomenon and provide a basis for designing thin film devices against cyclic loading.