Thin metal films with thickness well below 1μm are widely used as functional and structural elements in microelectronic devices and large-scale integrated
circuits including thin-film solar cells, electrical sensors and electronic textiles. Decreasing dimensions of micro-electronic and micro-mechanical devices have motivated research on the micro- and nano-scale mechanical behavior of materials. Much work has gone into characterizing the mechanical behavior of thin metal films and observed that the mechanical properties of thin-films are very different from those of bulk counterparts.
Conventional mechanical testing methods used for bulk materials have difficulty in obtaining precise stress-strain curves for thin films and capturing size-dependence. Thus, much attention has been directed to experimentally measure the mechanical properties of thin films by a variety of techniques and to model their behavior using phenomenological continuum plasticity constitutive relations and discrete dislocation descriptions of plastic flow.
In this thesis, we introduce a novel experimental technique based on the membrane deflection experiment (MDE) for resistively heated specimens to investigate the stress-strain behavior of thin films at elevated temperatures. Specimens were designed to have homogeneous strain at the gage section when a line load is applied at the middle of the span and to have uniform temperature distribution at the gage section. Finite element method (FEM) simulation were performed to ensure the
assumptions made for mechanical modeling and to estimate the temperature profile of the gage section. Through this method, we were available to obtain repeatable stress-strain curves of 0.5um and 1um thick Cu thin films at elevated temperatures.
Motivated by the research of metal thin film on elevated temperature, we''ve also built a new tester which enables in-situ SEM tensile testing of metal thin films while observing the microstructure change. For in-situ SEM testing, a micro heater is designed which consists of tungsten heating layer and a free standing metal thin film. FEM simulation was used to estimate the temperature profile during joule heating of the heating layer which showed uniform temperature distribution in the metal thin film. Micro heater is successfully fabricated and mounted on the tensile tester. In-situ SEM testing of the micro heater shows the microstructure of the film without the electron beam interfering with the displacement signals.
Observation of the microstructure of the metal thin film is very important to understand the mechanism of the deformation and failure of metal thin films. In this context, we introduce our novel in-situ TEM technique to characterize the dislocation structure during tensile straining caused by heating a metal thin film
freestanding on top of two Si islands attached to a Cu TEM grid. Using this technique, TEM image of freestanding 80, 200 nm Al film and films with TiN passivation layers are observed and compared.
Recent experiments on Cu sputter-deposited onto polyimide (PI) substrates showed elongations over 50% without severe fracture of the Cu film. Freestanding films, by contrast, typically rupture at strains below a few percent. These studies showed that a ductile metal film on a polymer substrate fails through a mechanism in which the co-evolution of strain localization in the film and debonding of the film from the substrate leads to crack formation. This thesis will show that Ag films evaporated onto acrylic-primer-coated PET substrates can be stretched more than 70% without significant increase in resistance, even without any heat treatment to stabilize the microstructure.
For long term reliability assessment of an operating device, it is essential that the electrical resistance of the metal interconnect remain stable during service otherwise the device might lose function. Therefore, the fatigue life of a metallization line should be determined by considering the electrical
resistance change during cyclic deformation. This thesis will demonstrate a simple criterion to decide the fatigue life of the polymer-supported metal thin film by observing the electrical resistance. We will also introduce two modes of failure, one corresponding to traditional fatigue failure and one similar to ductile failure which was observed during uniaxial stretching. Based on these failure modes, we will demonstrate that the fatigue behavior of thin metal films differs depending on the adhesion between the metal film and the polymer substrate. The fatigue behavior of films with various film thickness, pre-stretch, sample widths and strain ranges are shown and discussed. Films with large pre-stretch shows shorter fatigue life induced by strain localization (films thicker than 100 nm) or
crack formation (100 nm film). Effect of length-scale on the fatigue life is also demonstrated related with the strain range of the test. We observed ‘smaller the better’ behavior for films subjected to total strain of Δεt = 1.0% while the opposite result appears when the total strain increases to 2.0%. Our experiment result is described by Coffin-Manson relationship and a failure mechanism map is drawn based on our experiment. Design suggestions are made considering large stretchability and long term reliability.
최근 두께 1μm 이하의 금속 박막은 미세기전 소자 및 thin-film solar cells, electrical sensors, electronic textiles 등을 비롯한 대면적 IC 구조에서 기능적 요소로 다양하게 사용되고 있다. 또한micro-electronic, micro-mechanical 소자에서 금속 박막의 두께가 감소하면서 micro, nano 단위의 금속 박막의 거동에 관한 연구가 각광을 받게 되었다. 이러한 분야에서 수행된 연구를 통해 우리는 박막의 기계적 성질이 bulk 재료의 성질과 다른 거동을 보임을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 각광을 받고 있는 금속 박막의 기계적 거동에 관해서 관심을 갖고 접근하였으며 박막의 물성 측정을 위해서는 bulk에서 전통적으로 사용했던 실험 방법으로는 정확한 값을 측정하기 어려운 관계로 새로운 실험 방법을 개발하기 위해 힘썼다.
본 논문에서는 membrane deflection experiment (MDE)를 활용하여 다양한 온도 조건에서 금속 박막의 응력-변형률 곡선을 구하는 실험 방법을 개발하였으며 FEM을 활용하여 시편 게이지 내에서 변형률과 온도 분포가 균일한 시편을 디자인하였다. 개발된 실험 방법 및 시편을 이용하여 0.5, 1μm 두께의 Cu 박막에 대한 실험을 다양한 온도 조건에서 수행하는데 성공하였다. 또한 MDE를 활용한 실험 방법의 경우 FEM을 이용한 온도 측정에서 어려움이 발생하는 것을 발견하여 더 쉽게 실험할 수 있는 방법을 개발하기 위해 힘쓴 결과 SEM 내부에서 실험이 가능한 미소 인장 시험기를 개발하는데 성공하였다. SEM 내부에서 heating을 하기 위한 micro heater를 MEMS 공정을 활용하여 제작하였으며 이를 통해 SEM 내부의 진공 조건 하에서 금속 박막의 기계적 거동을 관찰할 수 있는 방법을 개발하였다. 제작된 micro heater를 활용하여 SEM 내부에서 변형률 값이 정확하게 측정 됨을 확인하였으며 추후에 다양한 온도 조건에서 응력-변형률 곡선을 측정할 예정이다. 금속 박막의 기계적 거동의 mechanism을 정확하게 규명하기 위해서는 거동 중의 박막의 microstructure에 대한 정보가 필수적이며 이를 위해 흔히 사용되는 기술이 TEM이다.
본 논문에서는 TEM 내부에서 금속 박막에 인장을 가할 수 있는 간단한 방법을 개발하였으며 이를 활용하여 MEMS 공정으로 제작된 금속 박막을 TEM 내부에서 관찰하는데 성공 하였다. TEM 내부에서 80, 200 nm 두께의 Al 박막을 관찰하였으며 이를 통해 Al 박막 내에 nano 두께의 twin boundary가 존재함을 확인하였고 dislocation 또한 관찰하였다.
또한 TiN passivation layer가 있는 시편의 경우에는 정확한 관찰을 위해 단면 관찰을 위한 공정이 필요함을 알게 되었다. 최근 PI 위에 증착된 Cu 박막의 연구에서는 유연 기판 위에 놓인 금속 구조물의 변형 및 failure 특성이 금속 구조물 자체의 ailure mechanism에 커다란 영향을 받음을 밝
혀냈다. 즉, 취성 금속 구조물의 경우에는 failure가 일어나기 전에 아주 작은 strain에만 견딜 수 있는 반면 금속 구조물이 연성을 띠는 경우에는 기판이 strain localization을 방해하고 이로 인해 큰 변형률까지 견딜 수 있다는 메커니즘을 찾아내었다. 또한 기판과 금속 구조물 사이의 계면 adhesion이 강할 경우 이러한 현상이 두드러지며 50% strain 까지도 failure가 일어나지 않을 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 PET 위에 증착된 Ag 박막의 경우에는 adhesion이 강한 경우 특별한 열처리 없이도 failure 없이 70% 이상 인장할 수 있음을 보여주었다. 유연 기판 위에 증착된 금속 구조물의 장기적 신뢰성을 분석하기 위해서는 피로 거동에 관한 연구가 필수적이다. 또한 실제 소자에 사용되는 금속 구조물의 신뢰성 평가를 위해서는 금속 구조물의 failure와 전기적 특성을 연관 짓는 것이 중요하다. 본 논문에서는 PET 위에 증착된 Ag 박막의 피로 거동을 연구하였으며 전기적 특성을 이용한 피로 수명 측정 방법을 제안하였다. 이를 위해 금속 박막의 microstructure와 저항 증가를 비교하였으며 25% 저항 증가가 발생하는 시점에 박막 두께 방향으로 crack이 진전되면서 박막 길이 방향으로 crack이 빠르게 진전되기 시작함을 확인하였다. 또한 pre-stretch가 있는 박막의 경우에 두 가지 failure mode (피로 거동에서 흔히 보이는
extrusion/intrusion에 의한 failure와 금속 박막의 연성 파괴에서 보이는 necking과 debonding) 가 함께 관찰 됨을 확인하였다. 또한 다양한 실험 조건 (박막 두께, pre-stretch, 박막 너비, 변형률 폭)에 대해서 실험을 수행하였으며 이를 바탕으로 각각의 인자가 유연 기판 위의 금속의 피로 거동에 미치는 영향에 대해서 분석하였다. 금속박막의 피로 거동의 경우에 다른 연구자의 결과와 달리 항상 얇은 금속이 유리한 것이 아니라 변형률 폭에 따라서 박막의 파괴 mechanism이 달라질 수 있음을 확인하였다.
흥미롭게도 본 연구 결과를 Coffin-Manson 관계식을 이용하여 정리하는데 성공하였으며 실험 결과를 바탕으로 다양한 조건에서 금속 박막의 failure map 을 그리는데 성공하였다. 유연 기판 위의 금속 박막의 기계적 거동에 관한 실험 결과를 바탕으로 large stretchability와 장기적 신뢰성을 모두 만족하기 위해서는 1) 강한 adhesion, 2) 200 ~ 400nm 의 박막 두께, 3) 작은 pre-stretch 그리고 4) 안정하고 균등한 microstructure가 요구됨을 제안하였다.
