Grenzflächen-dominiertes Ermüdungsverhalten dünner Schichten

Mikroelektronik, Mikrosysteme (MEMS), Wärmedämmschichten und Korrosionsschutz bestehen alle aus Dünnschichten auf Substraten, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Wiederholte Lasten induzieren verschiedene Mechanismen, die zum Versagen des Bauteils oder der Beschichtung führen. Das Versagen von Dünnschichten umfasst plastische Verformung, Extrusionsbildung, Rissbildung oder Delaminierung. Ein dominierender Parameter der kontrolliert wie die Dünnschicht versagt, aber bisher noch nicht untersucht wurde, ist die Art der Grenzfläche die sich zwischen der Schicht und dem Substrat bildet. Die Art der Grenzfläche kann durch das Substrat beschrieben werden. Eine auf einem starren Keramik- oder Metallsubstrat abgeschiedene Schicht erzeugt beispielsweise eine harte Grenzfläche eine und auf einem nachgiebigen Polymersubstrat abgeschiedene Schicht erzeugt eine weiche Grenzfläche. Die dritte Art der Grenzfläche, ist das Fehlen einer Grenzfläche, also ein freistehender Film. Um das Versagen der verschiedenen Dünnschichten und Grenzflächen zu untersuchen, wird die zyklische Belastung mit neuesten in-situ-Techniken durchgeführt, die die direkte Beobachtung des Versagens ermöglichen. Die Verwendung von anspruchsvollen mikromechanischen Prüfverfahren wie Ausbuchtungsprüfung, Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie, ermöglicht Mechanismen direkt zu beobachten, so wie zum Beispiel Kornwachstum, Versetzungsstapel die zu Extrusionen führen oder Rissbildung. Mit einer gründlichen und systematischen Untersuchung der grenzflächendominierten Ermüdung werden grenzflächenspezifische Mechanismen identifiziert, die zum Versagen führen. Das erworbene Wissen über Versagensmechanismen kann verwendet werden, um Mechanismus-basierte Modelle für das Dünnschichtversagen zu erarbeitenumdamitverbesserte Konstruktionskriterienfür ermüdungsbeständige Dünnschichtanwendungen zu entwerfen.

Mikroelektronische Komponenten, mikroelektromechanische Systeme, Wärmedämmschichten und Korrosionsschutz bestehen aus dünnen Schichten auf Substraten, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Wiederholte Belastungen lösen verschiedene Mechanismen aus, die zum Versagen des Bauteils oder der Beschichtung führen. Zum Versagen dünner Schichten gehören plastische Verformung, Extrusionsbildung, Rissbildung oder Delamination. Ein entscheidender Parameter, der das Versagen einer dünnen Schicht steuert, wurde im Rahmen des Projekts untersucht: die Art der Grenzfläche, die sich zwischen der Schicht und dem Substrat bildet (keine, weich, hart). Um die Rolle der Grenzfläche für das Versagen zu untersuchen, werden zyklische Belastungen mit fortschrittlichen In-situ-Techniken durchgeführt, die die Beobachtung des Versagens ermöglichen. Hochentwickelte mikromechanische Prüfverfahren, einschließlich Bulgeversuchen, elektrischer In-situ-Widerstandsmessungen und Transmissionselektronenmikroskopie, wurden eingesetzt, um Kornwachstum, Versetzungsbewegungen und Rissbildung zu beobachten. Das Team entwickelte eine neue Methode zur Beobachtung von Verformungsprozessen in freistehenden Filmen (ohne Grenzfläche) mit einer Kombination aus Bulgeversuchen und Transmissionselektronenmikroskopie. Die weichen und harten Grenzflächen (Au-Polyimid, Au-Cr-Polyimid) wurden mit elektrischem Widerstand untersucht. Allein anhand des elektrischen Signals können Risse in den Filmen nachgewiesen werden. Die neu gewonnenen Erkenntnisse über die Versagensmechanismen werden genutzt, um verbesserte Designkriterien für ermüdungsbeständige Dünnschichtanwendungen zu entwickeln.