Fracture Toughness of Freestanding Metallic Thin Films Studied by Bulge Testing

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 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.