Quantification of residual stresses and fracture toughness of ceramic multilayer thin films

Abstract

A prominent class of materials used as protective thin films for tools and surfaces exposed to challenging environments are transition metal nitrides. Despite their superior properties, such as high strength, thermal stability and resistance to corrosive attacks, their range of application is often limited due to a lack of intrinsic fracture toughness. Experimental studies revealed the great potential of a nanoscale multilayer arrangement to increase the crack growth resistance of nitride thin films. The aim of the present thesis is to identify the underlying mechanisms by means of con-tinuum mechanical modeling approaches. The performance and integrity of a multilayer thin film is strongly affected by the residual stresses present after the deposition process. Depending on their type — compressive or tensile — and their magnitude, these stresses can be either beneficial or lead to failure of the structure. The main emphasis of this thesis is placed on exploiting the effect of compressive residual stress fields for enhancing the apparent fracture toughness of inherently brittle nitride thin films. Synthesizing a film by sputter deposition allows to induce high compressive stresses by applying a negative bias voltage. The alternating stress fields in a free-standing TiN thin film, resulting from sequentially varying the bias voltage, are determined by an experimentally informed model based on Euler-Bernoulli beam theory. The crack growth resistance, evaluated for this stress state by a weight function approach, is in good agreement with experimental results of cantilever bending tests and exhibits a substantial increase compared to the intrinsic fracture toughness. The findings disclose the discrepancy between the measured structural behavior and the actual material properties of a multilayer film which potentially leads to a misinterpretation of respective fracture toughness measurements. Considering (semi-)coherently grown multilayer films, i.e. superlattices (SL), a major share of the residual stresses is attributed to the mismatch between the lattice parameters of the involved materials. Exceeding a critical layer thickness, the coherency stresses are partly relaxed by the formation of dislocations. An analytical model to estimate the dislocation density in a SL structure is presented, which leads to an interesting bilayer-period-dependency of the evolving coherency stresses. Their effect on the crack growth resistance is analytically examined, resulting in a bilayer-period-dependent apparent fracture toughness nicely matching experimentally observed trends. All calculated apparent fracture toughness values clearly exceed the intrinsic critical stress intensities of the constituting layer materials, demonstrating the importance of coherency stresses for an enhanced crack growth resistance. The model can be easily applied to different transition metal nitride combinations for predicting the most promising bilayer period. These results provide design guidelines for the deposition of SL films with an enhanced fracture toughness, allowing for a reduction of time consuming and expensive experimental parameter studies.

Zum Schutz von Werkzeugen und Oberflächen, die anspruchsvollen Umgebungen ausgesetzt sind, gehören Nitride der Übergangsmetalle zu den meistverwendeten Dünnschichtmaterialien. Trotz ihrer herausragenden Eigenschaften, wie hoher Festigkeit, thermischer Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen korrosive Beanspruchung, ist ihr Anwendungsbereich oft durch ihre geringe intrinsische Bruchzähigkeit limitiert. Experimentelle Untersuchungen weisen auf das große Potenzial einer Multilagenanordnung zur Steigerung des Widerstands gegen Risswachstum der nitridische Dünnschichten hin. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die zugrundeliegenden Mechanismen anhand kontinuumsmechanischer Modellierungsansätze zu identifizieren. Die Leistungsfähigkeit und Integrität einer Multilagenschicht wird stark von dem Eigenspannungszustand, der nach dem Herstellungsprozess in der Struktur herrscht, beeinflusst. Abhängig von ihrer Art — Druck oder Zug — und ihrer Größenordnung, können diese Spannungen entweder positive Auswirkungen haben oder auch zum Versagen des Materials führen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Nutzung des positiven Effekts von Druckspannungsfeldern auf das Bruchverhalten von spröden nitridischen Dünnschichten. Die Herstellung einer Schicht mittels Sputtern erlaubt das Einbringen von hohen Druckspannungen durch Anlegen einer negativen Biasspannung. Die alternierenden Spannungsfelder in einer freistehenden TiN-Schicht (nach Entfernen des Substratmaterials), die aus einer sequentiellen Variation der Biasspannung resultieren, werden mithilfe eines experimentell-informierten Modells nach der Euler-Bernoulli Balkentheorie ermittelt. Der Widerstand gegen Risswachstum wird mithilfe der Methode der Gewichtsfunktionen für den vorliegenden Spannungszustand evaluiert und zeigt eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Die Eigenspannungen führen zu einer wesentlichen Erhöhung der Bruchzähigkeit. Die erzielten Modellergebnisse veranschaulichen die Diskrepanz zwischen dem gemessenen Strukturverhalten und den eigentlichen Materialeigenschaften einer Multilagenschicht, welche potentiell zu einer Fehlinterpretation der entsprechenden Bruchzähigkeitsmessungen führt. Im Falle von (semi-)kohärent aufgewachsenen Multilagenschichten, sogenannten Superlattices (SL), ist ein Großteil der Eigenspannungen der Gitterdiskrepanz zwischen den beteiligten Materialien zuzuschreiben. Wird eine kritische Lagendicke überschritten, werden die Kohärenzspannungen teilweise durch das Bilden von Versetzungen abgebaut. In dieser Arbeit wird ein analytisches Modell zur Bestimmung der Versetzungsdichte in SL-Strukturen präsentiert. Die Ergebnisse für die entstehenden Kohärenzspannungen weisen eine interessante Abhängigkeit von der Bilayer-Periode auf. Ihr Einfluss auf das Bruchverhalten wird analytisch bestimmt und resultiert in einer wesentlichen Erhöhung der Bruchzähigkeit, welche ebenfalls von der Bilayer-Periode abhängt und sehr gut mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse belegen die wesentliche Rolle von Kohärenzspannungen für eine Steigerung der Bruchzähigkeit von Dünnschichten. Das präsentierte Modell kann auf unterschiedliche Materialkombinationen angewandt werden, um so jene Bilayer-Periode zu bestimmen, die theoretisch zu einer Maximierung des Widerstands gegen Risswachstum führt. Das Ergebnis kann als Designrichtlinie für die Herstellung von Superlattices mit erhöhter Bruchzähigkeit herangezogen werden und erlaubt somit eine Minimierung von zeit- und kostenaufwändigen experimentellen Parameterstudien.