Dünnfilmschichten haben generell andere mechanische Eigenschaften als die gleichen Materialien in der Masse. Die Bestimmung der Bruchspannung von Dünnfilmschichten ist besonders schwierig, da klassische mechanische Ansätze nicht verwendet werden können. In diesem Projekt haben wir eine Methode entwickelt, um die Bruchfestigkeit von Dünnfilmen zu ermitteln, indem wir gekerbte, beidseitig eingespannte Mikro-Balken (DCBs) verwenden.
Während der Fertigung erfahren Bauteile Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten (CTE) ihrer Materialien. Bei Veränderungen der Temperatur neigen Materialien dazu, sich auszudehnen oder zu schrumpfen, und der Zusammenhang zwischen Verformung und Temperaturdifferenz wird durch den CTE beschrieben. Wenn ein Bauteil aus unterschiedlichen Materialien besteht, dehnen sich die Materialien bei Temperaturänderungen unterschiedlich aus, wodurch innere Spannungen entstehen. Ein Bauteil bricht, wenn seine Spannung eine bestimmte Grenze, die „Bruchspannung“, überschreitet. Bei spröden Materialien ist diese nicht scharf abgrenzbar: Sie streut um einen Mittelwert, der mit abnehmender Probengröße zunimmt. Die Erklärung ergibt sich aus der Bruchentstehung bei spröden Werkstoffen, bei denen das Versagen einer mikroskopischen Schwachstelle im Sinne eines "weakest-link mechanism" den makroskopischen Bruch auslöst. Der Probengrößeneffekt basiert dabei auf der zunehmenden Wahrscheinlichkeit größerer Proben, eine noch schwächere Stelle zu beinhalten. Mit einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion wie etwa einer Weibull-Verteilung kann die streuende Bruchwahrscheinlichkeit gut beschrieben werden.
Die entwickelte Methode ist die folgende: Zunächst werden DCBs entworfen, bei denen die zu erwartenden Spannungen bei Veränderungen der Temperatur unterschiedlich sind. Unterschiedlich lange und breite Balken mit Kerben verschiedener Größe und Form im mittleren Abschnitt der Balken werden verwendet. Die maximale Spannung bei diesen Strukturen ist im Kerbgrund lokalisiert und seine Intensität ist direkt proportional zum Kerbradius. Zur Herstellung der DCBs werden auch unterschiedliche Materialien verwendet, um die Materialabhängigkeit zu testen. Hunderte von DCBs jeder Art werden dann einer starken Abkühlung ausgesetzt und alle Strukturen werden auf Bruch untersucht. Gleichzeitig werden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulationen der gleichen Dünnschichtstrukturen durchgeführt und die maximale Spannung an der Kerbspitze ermittelt. Die Bruchwahrscheinlichkeit jedes DCB-Typs wird berechnet und mit der maximalen Spannung in dieser Struktur korreliert, die mit FEM-Simulationen berechnet wurde. Hier wird das Integral der Oberflächenspannung als bessere Schätzung der Spannung verwendet, die das Material nicht in einem Punkt, sondern in der Region nahe der Kerbe erfährt. Die Bruchwahrscheinlichkeit als Funktion dieser Spannung wird durch eine Weibull-Verteilung gut dargestellt.
Wirkungen und Effekte
Die Methode kann als Prozesskontrollmonitor (Process Control Monitor, kurz PCM) eingesetzt werden, um prozessbedingte Schwankungen der Eigenspannung oder der Festigkeit des Dünnschichtmaterials anhand der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Reihe von DCBs desselben Materials zu bewerten, die als Sonden auf dem Wafer positioniert sind. Das Verfahren erfordert die Fähigkeit, Finite-Elemente-Modelle der DCBs zu generieren und die Strukturen herzustellen.
