Elektromagnetische und thermomechanische Charakterisierung und Zuverlässigkeitsbewertung

Skalenübergreifende Eigenspannungsanalyse in nanoskopischen Dünnschichtaufbauten

© Fraunhofer ENAS
Das für lokale Messungen im makro- und mikroskopischen Dimensionsbereich genutzte Verfahren skaliert den makroskopischen Bulge-Test in mikrotechnische Größenordnungen.
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Multiskalenkonzept.

In modernen Technologien spielen dünne Schichten und Mehrschichtaufbauten häufig eine wichtige strukturelle und funktionelle Rolle. Derartige dünne Schichtaufbauten unterliegen in der Regel Eigenspannungen, die Schädigungs- und Versagensprozesse zur Folge haben können. Im Wesentlichen setzen sich Eigenspannungen aus zwei Komponenten zusammen: Thermischen und intrinsischen Spannungen. Sie treten in allen Skalen auf, von der Makro- zur Mikro- und Nano-Skala. Dabei unterscheiden sich Eigenspannungen von dünnen Schichten und Bulkmaterial deutlich. Die mechanischen Eigenschaften von dünnen Schichten sind sogar von der Schichtdicke und dem Herstellungsprozess abhängig. Die Kenntnis und gezielte Beeinflussung von Eigenspannungen ist für die Zuverlässigkeit und Robustheit der Systeme von wesentlicher Bedeutung.

Für hochlokale, richtungsauflösende Eigenspannungsanalyse an Oberflächenschichten und Schichtstapeln wird das fibDAC-Verfahren eingesetzt. Für lokale Messungen im makro- und mikroskopischen Dimensionsbereich wird ein Verfahren genutzt, das den makroskopischen Bulge-Test in mikrotechnische Größenordnungen skaliert. Für die Deformationserfassung kommt hierbei ein Chromatischer Sensor zum Einsatz. Analog zum Bulge-Test werden die Materialparameter durch Parameteridentifikation an theoretisch berechneten Vergleichsverformungen abgeglichen (analytische Lösungen, FEM).
Das multiskalige Konzept, welches im Projekt NanoEis+ in Kooperation mit der CWM entwickelt wurde, ist in der Lage sowohl die globalen Eigenschaften der Untersuchungsobjekte zu bewerten, als auch lokale Inhomogenitäten und komplexe Eigenspannungsverteilungen zu erfassen und damit alle eigenspannungsbezogenen Einflüsse auf Funktionalität und Versagensverhalten adäquat zu berücksichtigen.

Projekt: NanoEIS+ gefördert durch VDI/VDE, in Kooperation mit CWM, FKZ: 13XP5002B