Residual stress mapping by micro X-ray diffraction: Application to the study of thin film buckling

Abstract

: Thin films deposited by Physical Vapour Deposition techniques on substrates generally exhibit large residual stresses which may be responsible of spontaneous detachment of the film from its substrate and in the case of compressive stresses, thin film buckling. Although these effects are undesirable for future applications, one may take benefit of it for thin film mechanical properties investigation. Since the 80's, a lot of theoretical works have been done to develop mechanical models with the aim to get a better understanding of driven mechanisms giving rise to this phenomenon and thus to propose solutions to avoid such problems. Nevertheless, only a few experimental works have been done on this subject to support these theoretical results and nothing concerning local stress/strain measurement mainly because of the small dimension of the buckling (few tenth µm). This paper deals with the application of micro beam x-ray diffraction available on synchrotron radiation sources for stress/strain mapping analysis of gold thin film buckling.Résumé : Les films minces déposés par des techniques de dépôt physique sous vide sur substrats présentent généralement des contraintes résiduelles très élevées qui peuvent être responsables du délaminage spontané du film et dans le cas de contraintes de compression, de l'apparition de cloques. Bien que ces décollements soient indésirables pour les applications technologiques futures, ils peuvent être mis à profit pour analyser les propriétés mécaniques locales dans ces systèmes. Depuis le début des années 80, un grand nombre d'études théoriques ont permis de développer des modèles dans le soucis de mieux comprendre ces phénomènes de flambage. Néanmoins, la validation de ces modèles repose sur une confrontation avec des études expérimentales qui demeurent jusqu'à présent très rares. Ainsi, les champs de déformations associés à ces structures de décollements n'ont pas été déterminés du fait principalement de la faible taille des objets à analyser (quelques dizaines de microns). Cet article présente les premières expériences de diffraction des rayons X en micro faisceau réalisées sur une source de rayonnement synchrotron pour cartographier les déformations/contraintes associées à une cloque sur un film d'or.

Scanning X-ray microdiffraction with submicrometer white beam for strain/stress and orientation mapping in thin films

“…The analysis of the powder ring pattern can be fully automated in a similar way to the analysis of the white-beam Laue patterns, and strain/stress maps of thin ®lms would be a natural output of monochromatic mSXRD. This technique is currently under development at the ALS (Goudeau et al, 2002).…”

Analysis of the full stress tensor in a micropillar: Ability of and difficulties arising during synchrotron based μLaue diffraction

“…Examples comprise the stress measurements during thermal cycling of an Al film [21], local stresses in a buckled W film [22,23], full stress tensor measurements in micro-electro-mechanical-systems (MEMS) [24] or of ion-implanted UO 2 [25]. Also in the field of semi-conductors Laue diffraction was employed to probe local strains controlling the optical properties [26].…”

Macro Stress Mapping on Thin Film Buckling

“…In this paper we use micro beam X-ray diffraction (µ-XRD) available on synchrotron radiation sources as a local probe (spatial) for stress/strain analysis of gold thin film buckling [6,7].…”