The initial stages of the formation of holes and hillocks in thin films under equal biaxial stress

• Published in: Acta metallurgica et materialia 1995-12, Vol.43 (12), p.4289-4300
• Main Author: GENIN, F. Y
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Applied sciences; Condensed matter: structure, mechanical and thermal properties; Exact sciences and technology; Metals. Metallurgy; Physics; Structure and morphology; thickness; Surfaces and interfaces; thin films and whiskers (structure and nonelectronic properties); Thin film structure and morphology
• ISSN: 0956-7151; 1873-2879
• DOI: 10.1016/0956-7151(95)00132-F

The theory of thermal grooving under stress is extended to explain the formation of holes and hillocks in very thin films undergoing thermal cycling. Previous experimental work and attempts to model holes and hillocks are first reviewed. A theoretical model based on the review is then developed to quantify the surface topological evolution at triple junctions in thin films with large columnar grains. The surface profiles are computed for various applied stresses and angles of intersecting grain boundaries, and the model is applied to describe a 120° triple junction in a Cu thin film through an annealing cycle from room temperature to 325°C. The simulation, which uses experimentally determined stress and materials property data, illustrates how this model can predict the failure of films undergoing a given thermal cycle. La théorie du sillonnement thermique sous contraintes est étendue afin d'expliquer la formation de trous et de bosses dans les structures minces après recuit thermique. Les travaux antérieurs sont d'abord passés en revue. Un modèle théorique est ensuite développé pour expliquer quantitativement la croissance de ces perturbations morphologiques aux jonctions triples dans les couches minces à grains de large taille. Les profils des surfaces sont calculés pour diverses contraintes appliquées et en fonction de l'angle d'intersection entre joints de grain. Le modèle est appliqué dans le cas d'une couche mince de Cu subissant un recuit à 325°C. Les calculs qui utilisent les valeurs expérimentales des contraintes dans la structure et les données des propriétés des matériaux illustrent la possibilité de prédire la rupture d'une couche mince selon le cycle thermique qui lui est imposé. Die Theorie des thermischen Ätzens unter Spannung wird erweitert, um die Bildung von Löchern und Spitzen bei zyklischer thermischer Behandlung zu erklären. Zunächst wird ein Überblick über bisherige experimentelle Arbeiten und Modellierungsversuche der Löcher und Spitzen gegeben. Ausgehend von diesem überblick wird ein Modell entwickelt, um die oberflächentopologische Entwicklung an Tripelkorngrenzen dünner Schichten mit säulenförmigen Körnern quantitativ zu beschreiben. Die Oberflächenprofile werden für unterschiedliche Spannungen und Korngrenzen berechnet und das Modell zur Beschreibung einer 120° Tripelkorngrenze in einer dünnen Cu Schicht beschrieben, die von Raumtemperatur bis 325°C erfuhr. Zur Simulation werden experimentelle Materialdaten verwendet. Die Simulat