Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7331
Fatigue Behavior of Thin Cu Films: Film Thickness and
Interface Effects
Dong Wang
Abstract
The mechanical properties of thin metal films are strongly
influenced by size through the films thickness and grain size. The best known
example of a length scale effect in film mechanical properties is the increase
in yield stress with decreasing film thickness or grain size. This effect is
usually attributed to the inhibition of dislocation motion and nucleation in small
volumes. In addition, previous work indicates a length scale effect on fatigue
behavior in thin Cu films. Therefore, this study will present a systematic
investigation of the effect of length scale on fatigue life and damage
formation in thin Cu films at both room temperature and 200°C and with and
without surrounding Ta layers.
Fatigue testing of Cu films with thicknesses between 50 nm
and 3.0 μm on Kapton substrate has been
performed and the fatigue damage has been investigated using scanning electron
and ion beam microscopy. It is observed that the extrusions decrease in number
and size with decreasing film thickness or grain size, while the cracks
increase in number. The fatigue life is also clearly influenced by size in that
a higher strain range or more cycles are required in thinner films to form
damage and cause failure. This transition in damage morphology and fatigue life
with length scale is explained by a transition in mechanism from dislocation controlled
plasticity in the thicker films to cracking along interfaces and boundaries in
the thinner films. In order to gain better insight into the deformation
mechanisms, synchrotron diffraction studies were performed on the thin films
during cyclic loading.
The fatigue damage of the Cu films loaded at 200°C is similar
to that at room temperature, except that the extrusions are more rounded and
the grain boundary grooves are larger. This indicates that diffusion processes
play an important role during fatigue damage formation and likely account for
the clearly reduced fatigue life at 200°C.
The presence of surrounding Ta layers has a clear influence
on the fatigue behavior of the Cu films. A Ta under-layer does not change much
in the Cu film fatigue behavior, but a Ta overlayer leads to a dramatic
improvement in fatigue life in the thicker Cu films. This is likely due to the
observed inhibition of extrusion formation by the presence of the over-layer. In
contrast, the Ta over-layer has little effect on the fatigue life of the thinner
Cu films. This is presumably an indication that the Ta over-layer does not
influence crack formation and is consistent with the transition to failure by
crack growth in the thinner films.
Ermüdungsverhalten
dünner Cu-Schichten: Größeneffekte und Grenzflächeneffekte
Zusammenfassung
Größeneffekte in Bezug
auf die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen zeigen sich an vielen
Stellen. Ein prominentes Beispiel ist die Zunahme der Fließspannung dünner
Metallschichten mit Abnahme der Schichtdicke. Diese wird in der Regel durch
eine Behinderung der Versetzungsbewegung und limitierte Versetzungsbildung in
eingeschränkten Dimensionen erklärt. Darüber hinaus wurde auch ein Größeneffekt
für das Ermüdungsverhalten dünner Metallschichten gefunden. Im Rahmen der
vorgelegten Arbeit sollte deshalb das Ermüdungsverhalten dünner Cu-Schichten
systematisch in Bezug auf Lebensdauer und Schädigung in Abhängigkeit von der
Schichtdicke (50 nm bis 3,0 μm) bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen
sowie der Einfluss einer Deckschicht untersucht werden.
Die mikroskopischen
Arbeiten, die mithilfe der Rasterelektronen- und Focused Ion Beam-Mikroskopie
durchgeführt wurden, zeigen, dass sich die Schädigungsmorphologie in Abhängigkeit
von der Schichtdicke deutlich verändert, und zwar nimmt die Zahl und die Größe
von Extrusionen, die sich durch die zyklische Verformung bilden, mit Abnahme
der Schichtdicke und Korngröße ab. Auf der anderen Seite wurden mehr Risse in
den dünneren Schichten beobachtet. Der Größeneffekt auf die Lebensdauer ist
ebenfalls sehr deutlich ausgeprägt. Es wurde nachgewiesen, dass deutlich höhere
Dehnungsamplitude aufgebracht werden müssen um in dünneren Schichten eine
Schädigung zu erzeugen. Auf Grund der Änderung in der Schädigungsmorphologie
und der Lebensdauer, wird ein Wechsel im Ermüdungsmechanismus von
versetzungsgetragener Extrusionsbildung zu einer Rissbildung an existierenden
Defekten vorgeschlagen. Um hier einen besseren Einblick in das Verformungsverhalten
zu erlangen, wurden Röntgenmessungen an einer Synchrotronquelle durchgeführt.
Des Weiteren wurde
beobachtet, dass das Ermüdungsverhalten der dünnen Cu-Schichten bei 200°C
ähnlich ist wie bei Raumtemperatur, aber Extrusionen weniger scharfe Kanten
aufweisen und an Korngrenzen Furchen entstehen. Das deutet darauf hin, dass
Diffusionsprozesse eine wichtige Rolle bei der Schädigungsentstehung spielen,
wobei die Lebensdauer deutlich reduziert ist.
Auch eine
Ta-Deckschicht hat einen offensichtlichen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten der
Cu-Schichten. Mit der Ta-Deckschicht werden in einer 1 μm dicken
Ta/Cu/Ta-Schicht weniger und kleinere Extrusionen als in Cu-Schichten gleicher
Dicke beobachtet. Dabei wird die Lebensdauer dramatisch erhöht. Dieser Effekt
ist für die Lebensdauer eines Ta/Cu/Ta Schichtstapel mit 100 nm dicken Cu weit
weniger ausgeprägt, da vermutlich die Extrusionsbildung hier eine viel kleinere
Rolle spielt und die Lebensdauer durch Rissbildung bestimmt wird. Diese
Beobachtungen sind in Einklang mit dem vorgeschlagenen Mechanismuswechsel.
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