Spannungsrelaxation und Kriechanalyse an temperaturbeständigen Dünnschichtmaterialien auf CTGS Substraten

• Antragstellerin: Dr. Gayatri Rane, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273892103

Das Verständnis der thermo-mechanischen Vorgänge in Schicht-Substrat-Verbunden bei hohen Temperaturen ist von fundamentalem Interesse auf dem Gebiet der Materialforschung und entscheidend für die Erhöhung der Betriebstemperatur, der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer von moderner Oberflächenwellen(Surface Acoustic Wave, SAW)-Bauelementen für Hochtemperaturanwendungen. Über entsprechende Grundlagenuntersuchungen an hochschmelzenden kubisch-raumzentrierten Dünnschichtmaterialien, die für die Metallelektroden der Interdigitalwandler auf piezoelektrischen Substraten oberhalb 350°C eingesetzt werden, ist in der Literatur nichts bekannt. Hauptziel des vorliegenden Projekts sind deshalb experimentelle und theoretische Untersuchungen zu den Eigenspannungszuständen und dem Relaxationsverhalten von gesputterten, metallischen Dünnschichtsystemen aus W und Mo auf Ca3TaGa3Si2O14-Substraten (Catangasit, CTGS) bei hohen Temperaturen. CTGS ist ein relativ neues, piezoelektrisches Material hoher thermischer Stabilität, weshalb es insbesondere für innovative, drahtlose SAW-Temperatursensoren für den Hochtemperaturbereich besonders geeignet ist. Die geplanten Untersuchungen betreffen das thermo-mechanische Verhalten der Schicht-Substrat-Verbunde, da die zu erwartenden Erkenntnisse entscheidend sind für das Verständnis des Betriebs- bzw. Schädigungsverhaltens solcher SAW-Sensoren im Hochtemperaturbereich. Dazu werden Grundlagenuntersuchungen an den Schicht-Substrat-Verbunden bezüglich Eigenspannungen und Relaxationsverhalten während des Schichtwachstums und Heizzyklen bis 700°C mithilfe der laserbasierten Substratkrümmungsmethode (Biegebalken) durchgeführt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Korrelation von Eigenspannungen und Schädigungsverhalten mit der Mikrostruktur der Schichten, da für nanokristalline Schichten (mittlere Korngröße <100nm) und hohe Temperaturen dieser Zusammenhang bislang nicht untersucht wurde. Deshalb wird neben dem Verhalten des Schicht-Substrat-Verbundes und des Substrats insbesondere die Schicht mittels verschiedener Dünnschichtmethoden wie Röntgenbeugung (XRD), Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie SEM, TEM), Fokussierte Ionenstrahlmikroskopie (FIB), Rasterkraftmikroskopie (AFM) sowie hochauflösender Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) charakterisiert. Ziel ist das fundamentale Verständnis der im Schicht-Substrat-Verbund ablaufenden Deformations- und Kriechprozesse als Funktion der Abscheidebedingungen bzw. der Eigenspannungen und der Temperatur und deren Beschreibung durch ein geeignetes Modell auf Basis der Arbeiten von W. Nix, C.V. Thompson sowie H. Gao et al..

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Herbert Balke; Professor Dr.-Ing. Jürgen Eckert; Professor Dr.-Ing. Eric Jan Mittemeijer; Dr. Lutz Wilde; Dr. Andreas Winkler