Plastická deformace tenkých vrstev Miroslav Cieslar katedra fyziky kovů MFF UK Habilitační přednáška Praha,

Obsah Úvod Typy mechanických zkoušek Biaxiální bulge test samonosných tenkých vrstev pro MEMS Plastická deformace čistého hliníku Vliv teploty na plastickou deformaci Al-Zn- Mg-Cu slitin ● Závěr

Tenké vrstvy v běžném životě

Další využití Povrchové úpravy nástrojů (DLC vrstvy, nitridy, karbidy) Katalyzátory

MEMS Miniaturní testovací zařízení Parní stroj - písty

Nutnost mechanických zkoušek Nelze jednoduše použít výsledků známých z objemových vzorků Významně se projeví vliv povrchů Vysoké požadavky na spolehlivost

Typy mechanických zkoušek Tenké vrstvy na substrátu ● Tepelné cyklování (biaxiální deformace) ● Nanoindentace (tvrdost, Youngův modul) ● Microbeam bending (ohyb, únava)

Tenké vrstvy na substrátech Tepelné cyklování (wafer curvature) Residuální napětí, biaxiální deformace, interakce dislokací s povrchem, …

Tenké vrstvy na substrátech Nanoindentace Tvrdost, Youngův modul, scratch test, …

Tenké vrstvy na substrátech Microbeam bending Ohyb, únava, …

Typy mechanických zkoušek Samonosné tenké vrstvy ● Tahová zkouška (problémy s přípravou vzorků, detekce) ● Microbeam bending (litografické metody přípravy vzorků) ● Biaxiální bulge test

Použití kovových samonosných tenkých vrstev Mikro a nano elektromechanická zařízení Mikro (nano) pumpy Mikro (nano) ventilátory Mikro (nano) vypínače Mikro (nano) zrcadla Multiaxiální namáhání - komplexní mechanický test

Model kulového vrchlíku Biaxialní bulge test

Schéma zařízení pro plastickou deformaci tenkých samonosných vrstev (EPFL, Lausanne)

Vyčerpání pracovní komory Napuštění inertním plynem Deformační testy při teplotách < 800°C Zkoušky s konstantní rychlostí posuvu pracovního pístu Creepové zkouškyÚnavová zkouška při creepu

Napařovací zařízení Filmy připravené magnetronovou depozicí na skleněný substrát potažený tenkou vrstvou fotorezistu.

Biaxiální deformace tenkých Al filmů Hall-Petch vztah  ~d -1/2 Před vlastními experimenty filmy vyžíhány při 450 °C.

Mikrostruktura d = 4.4  m,  ~1% d = 1.1  m,  ~1% d = 0.55  m,  ~0.5%

Vliv deformační teploty 110 °C 240 °C d = 1.1  m,  ~1%

Plastická deformace samonosných Al-Zn-Mg-Cu filmů 4  m tenké filmy Před vlastními experimenty filmy vyžíhány při 350 °C. AFM

Plastická deformace při různých deformačních teplotách Výsledky interpretovány na základě modelu kulového vrchlíku

Teplotní závislost meze R p nm Výchozí stav T D =120 °C

Struktura filmu před a po deformaci AFM

Zpracování výsledků Nevýhoda modelu kulového vrchlíku: ● Nepočítá s přítomností zbytkových napětí (residual stress  0 ) ● Napětí ve všech místech vzorku je ekvibiaxiální - u hrany okénka to však je čistý ohyb, dál od hrany převládá rovinný tah, ve středu je napětí biaxiální. Nelze jednoduše analyticky řešit

Metoda konečných prvků (FEM) Pro oblast elastické deformace lze spočítat: FEM: Model kulového vrchlíku:

Analýza metodou konečných prvků Rozdělení napětí v Al-Zn-Mg-Cu 4  m filmu deformovaném při 200 °C. Křivky spočítané pro 5 hodnot tlaku jako funkce vzdálenosti od okraje okénka.

Analýza metodou konečných prvků Rozdělení deformace v Al-Zn-Mg-Cu 4  m filmu deformovaném při 200 °C. Křivky spočítané pro 5 hodnot tlaku jako funkce vzdálenosti od okraje okénka.

FEM pro Al 1.1  m deformovaném při pokojové teplotě Srovnáni pro element vzorku přesně na vrcholku

Závěr Biaxiální bulge test lze použít pro charakterizaci elastických a plastických vlastností samonosných tenkých vrstev Deformačním mechanismem při plastické deformaci slitiny Al-Zn-Mg-Cu jsou pokluzy po hranicích zrn, v případě čistého hliníku to je dislokační mechanismus řídící se Hallovým-Petchovým zákonem K určení přesných hodnot skutečných napětí a deformací v různých částech vzorku je nutno použít metody konečných prvků