Bestimmung der Adhäsionsenergie von Metall- und Polymerfilmen auf verschiedenen Substraten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt "Bestimmung der Adhäsionsenergie von Metall- und Polymerfilmen auf verschiedenen Substraten" hatte die Untersuchung der Haftung verschiedener Materialien in der Form dünner Schichten auf ihren Substraten zum Ziel. Dünne Schichten sind weit verbreitet in der Mikroelektronik, Maschinenbau etc. als Schutz- und elektrisch leitende Materialien. Dabei sind gute Haftungseigenschaften solcher Materialien von großer Bedeutung für die Funktionsfähigkeit dieser Systeme. Die Adhäsionsenergie ist eine fundamentale Größe und Maß für die Haftung zwischen zwei Materialien, die durch die konventionelle Methoden nur qualitativ (Peel test, Pull off test, Scotch tape test) zu bestimmen ist. Zur quantitativen Bestimmung der Adhäsionsenergien werden weiterhin verlässliche Methoden gesucht. Im Rahmen dieses Projektes sollte eine Methode der kontrollierten Schichtablösung für die quantitative Bestimmung der Adhäsionsenergie entwickelt werden und die Grenzen der Anwendbarkeit ermittelt werden Die Idee dieser Methode ist die Erzeugung hoher Kompressionsspannungen in den metallischen Schichten durch die Wasserstoffbeladung. Dabei wird die elastische Energie der Schichten erhöht und dies führt bei Überwindung der Adhäsionsenergie zwischen der Schicht und dem Substrat zur Schichtablösung und Spannungsrelaxation. Der Beginn der Schichtablösung kann als Maß für die Bestimmung der Haftenergie verwendet werden und wird durch einen kritischen Parameter (kritische Wasserstoffkonzentration, kritische mechanische Spannung) bestimmt. Die Wasserstoffbeladung der metallischen Schichten erfolgte in der Regel elektrochemisch aus einem Elektrolyt. Das erlaubt kontrollierte Beladung bestimmter Mengen von Wasserstoffatomen nach dem Faradayschen Gesetz und die genaue Bestimmung der kritischen Parameter. Besondere Bedeutung wurde in diesem Projekt folgenden Punkten gewidmet: a) Messungen zur Bestimmung der optimalen kritischen Parameter und der Schichtdicke für die Ermittlung der Haftenergie verschiedener Materialien auf Polycarbonat(PC)- und Saphirsubstraten, b) Prüfung der Reproduzierbarkeit der Herstellung von Grenzflächen, c) Untersuchung der Rissbildungsortes und Geometrie der Falten für die Haftenergiebestimmung nach der Theorie von Gille und Rau. Für Fe, Nb, Mo, Cr und Pd auf PC und Nb auf Saphir wurden nach der vorgeschlagenen Methode Adhäsionsenergien bestimmt. Es zeigte sich, dass sauerstoffaffine Metalle an der Grenzfläche mit Restsauerstoff im PC reagieren, was zur deutlichen Verschlechterung der Adhäsion führt. So wurden für diese Materialkombinationen sehr kleine Adhäsionsenergien gemessen. Vergleichend zur diesen Methode wurden die Adhäsionsenergien nach der Theorie von Gille und Rau aus der Faltengeometrie bestimmt. Dafür wurde die Faltenmorphologie durch die Weißlicht- Interferenzmikroskopie ausgemessen. Die Ergebnisse beider Methoden bei der Bestimmung der Adhäsionsenergien stimmen gut überein. Bei diesen Messungen hat sich gezeigt, dass Faltenmorphologien (durch plastische Prozesse) massiv von der idealen Form abweichen können. Diese Abweichungen führen zu starken Schwankungen in den ermittelten Energien nach der Methode von Gille und Rau. Grenzen der Einsatzfähigkeit der hier vorgestellten neuen Methode mit Nb als aktiver Schicht wurden ermittelt. So können Adhäsionsenergien von Materialkombinationen mit extrem schwacher bzw. extrem starker Adhäsion bislang nicht bestimmt werden. Massive plastische Verformung und Rissbildung in der aktiven Schicht führen zur Abweichung vom zugrunde liegenden idealen Modell, bei sehr dünnen Schichten wirkt sich die, im Modell vernachlässigte, materialschützende Pd-Deckschicht aus. Für Nb als aktive Schicht liegt die optimale Schichtdicke zwischen 100 nm und 1 μm, bei einer Pd-Deckschichtdicke von etwa 10 nm. Die Wahl der optimalen Substratdicke basiert auf deren Steifigkeit: Substrate sollten sich durch die entstehenden mechanischen Spannungen lateral nicht dehnen. Bei den Untersuchungen hat sich zudem gezeigt, dass in Polymersubstraten bei der Enthaftung der Metalldeckschicht interessante lokale Relaxationen auftreten, die die Bestimmung der kritischen Spannung durch Biegebalkenmessungen erschwert. Die optische Methode erweist sich in diesen Fällen als zuveerlässigerer. Lokale Enthaftungsprozesse durch Einzelfaltenbildung konnte in Biegebalkenmessungen sichtbar gemacht werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, wie empfindlich einige quantitative Methoden zur Bestimmungen von Adhäsionsenergien auf verschiedenste Randparameter reagieren. Die vorgeschlagene, neue Methode erweist sich im Rahmen ihrer Anwendbarkeit als sehr aussichtsreich, deutlich stabilere Daten für Adhäsionsenergien zu liefern. Die untersuchte Methode für die Bestimmung der Adhäsionsenergie zwischen metallischen Schichten und Substraten kann in ihren Grenzen erfolgreich in Wissenschaft und Industrie eingesetzt werden. Die Vorteile dieser Methode sind die quantitative Bestimmung der Adhäsionsenergie. Dabei wird die metallische Schicht nicht zerstört. Das einfache mathematische Model erlaubt eine einfache Berechnung und Interpretation der Ergebnisse. Die gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse für die gleichen Material/Substrat Kombinationen belegt, dass gleiche Hafteigenschaften verlässlich ermittelt werden können. Die Methode kann mittels eines einfachen Aufbaus ausgeführt werden, so dass keine teueren Investitionen für die Bestimmung der Adhäsionsenergie notwendig sind. Mit der Bestimmung des optimalen Einsatzbereiches der vorgeschlagenen Methode haben wir die Möglichkeit zur experimentellen Bestimmung einer Vielzahl von Adhäsionsenergien verschiedener Materialkombinationen eröffnet. Industriell könnte die Methode, wie unten dargestellt, zur Optimierung von Materialkombinationen eingesetzt werden –in Industriezweigen, wo im Produkt eine bestimmte Adhäsionsenergie gewünscht wird. Für weitere künftige Untersuchungen mit dieser Methode wäre es interessant, den Einfluss von an der Grenzfläche segregierten Wasserstoffatomen auf die Adhäsionsenergie zu klären. Für Cu//Al2O3 wurde ein haftungsschwächender Effekt einer drittel Monolage von Wasserstoffatomen an der Grenzfläche auf 33% gegenüber der wasserstofffreien Grenzfläche berichtet. Der Effekt kann ausgeschlossen werden, wenn eine für Wasserstoff nichtpermeable Schicht zwischen der auf die Haftungseigenschaften zu untersuchenden Schicht und der Schicht, die Wasserstoff absorbiert, aufgedampft wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Haftung von Nb-Filmen auf Polymersubstraten. DPG-Tagung, Dresden, 2003
Eugen Nikitin, Martin Dornheim, Reiner Kirchheim und Astrid Pundt
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Adhesion energy measurement by means of hydrogen loading. Metal-Hydrogen Conference, (2004)
E. Nikitin, R. Kirchheim, A. Pundt
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Adhesion of metal films on polymer substrates determined by a hydrogen loading method. DPG-Tagung, Regensburg, (2004)
Eugen Nikitin, Reiner Kirchheim und Astrid Pundt
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“Adhesion energy between metal films and polymers obtained by studying buckling induced by hydrogen loading“. Acta Materialia 52 1579–1587 (2004)
A. Pundt, E. Nikitin, P. Pekarski, R. Kirchheim
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„Hydrogen-induced changes in nanocrystalline Nb films“. Hamburger Synchrotron Labor Annual Report 245-246 (2004)
J. Cížek, E. Nikitin, K. Nörthemann, S. Wagner, C. Bähtz, M. Knapp, A. Pundt
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Adhesion energy measurement by means of hydrogen loading. Gordon Research Conferences (2005)
E. Nikitin, R. Kirchheim, A. Pundt
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Determination of adhesion energies by using hydrogen loading. DPG-Tagung, Berlin, 2005
Eugen Nikitin, Astrid Pundt and Reiner Kirchheim
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Nanoskalige Metall-Wasserstoff-Systeme. Habilitation, Göttingen: Universitätsverlag (2005)
A. Pundt
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„Determination of adhesion energies by means of hydrogen loading”. Journal of Alloys and Compounds 404–406 477-480 (2005)
E. Nikitin, R. Kirchheim, A. Pundt
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“Hydrogen in metals: microstructural aspects“. Annual Review Materials Research 36 555-608 (2006)
A. Pundt, R. Kirchheim
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"Positron annihilation of hydrogen trapping at open-volume defects: Comparison of nanocrystalline and epitaxial Nb thin films”. Journal of Alloys and Compounds 446, 484 (2007)
Cizek, J., Prochazka, I., Danis, S., Melikhova, O., Vlach, M., Zaludova, N., Brauer, G., Anwand, W., Mücklich, A., Gemma, R., Nikitin, E., Kirchheim, R., Pundt, A.
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Adhesion energy measurements by means of white-light microscopy and controlledbuckling technique. DPG-Tagung, Regensburg, (2007)
Eugen Nikitin, Astrid Pundt, and Reiner Kirchheim
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“Adhesion-energy measurements by means of white-light interferometry and controlled- buckling technique”. Scripta Materialia 57 889–892 (2007)
Astrid Pundt, Lutz Brekerbohm, Jan Niehues, Peter-J. Wilbrandt, Eugen Nikitin
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“Defect studies of hydrogen loaded Nb: Bulk metals and thin films”. Physica Status Solidi (C) 4, 3485 (2007)
Cizek, J.; Prochazka, I.; Danis, S.; Vlach, M.; Zaludova, N.; Brauer, G.; Anwand, W.; Mücklich, A.; Gemma, R.; Nikitin, E.; Kirchheim, R.; Pundt, A.
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“Hydrogen-induced buckling of Pd films studied by positron annihilation”. Applied Surface Science 255 241-245 (2008)
J. Cizek , I. Prochazka, M. Vlach, N. Zaludova, S. Danis, P. Dobron, E. Nikitin, R. Gemma, R. Kirchheim, A. Pundt
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„Controlled delamination of metal films by hydrogen loading”. Dissertation, Universität Göttingen, (2008)
Eugen Nikitin
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“Hydrogen-vacancy complexes in electron-irradiated niobium”. PHYSICAL REVIEW B 79, 054108 (2009)
Jakub Čížek, Ivan Procházka, and Stanislav Daniš, Gerhard Brauer and Wolfgang Anwand, Ryota Gemma, Eugen Nikitin, Reiner Kirchheim, and Astrid Pundt, Rinat K. Islamgaliev
