Development of mechanical characterization methods for thin films and interfaces - “God created matter, surfaces were invented by devil” – Wolfgang Pauli

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Koskinen, Jari, Prof., Department of Chemistry and Materials Science, Aalto University, Finland
dc.contributor.author Aav (Lyytinen), Jussi
dc.date.accessioned 2019-08-07T09:01:26Z
dc.date.available 2019-08-07T09:01:26Z
dc.date.issued 2019
dc.identifier.isbn 978-952-60-8655-2 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8654-5 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/39593
dc.description.abstract Probably the most important thin film characteristic is its' adhesion to the used substrate. It is very important to understand the fundamental mechanics of adhesion-related failures, and by having suitable characterization methods to detect any problems as early as possible. Tailored or correctly conducted quantitative analysis of adhesion is required for building reliable devices. In many conventional test methods significant loading to the substrate is applied which can result in problems especially with brittle substrates where the substrate can break before the film is delaminated. The characterization of interfacial mechanical properties of increasingly thinner films is challenging with many practical shortcomings and thus method development is needed. In this thesis, three measurement methods where the loading to the substrate is minimized are presented and demonstrated for the interfacial and mechanical testing of especially atomic layer deposited (ALD) thin films. (i) Microelectromechanical system (MEMS) test chip assisted shaft-loaded blister testing through a hole in the substrate to the backside of the thin film, (ii) microrobotic manipulation of embedded microspheres using lateral loading mostly to the thin film and to the interface and (iii) a combination of nanoscratch and scanning nanowear for minimized interaction volume of loading to the substrate. The relationship between adhesion and cohesion as competing processes during film/substrate failure is shown. When the film-interface-substrate system is under loading the energy will dissipate through the path of least resistance. This will happen either (i) through plastic deformation of the coating/substrate, (ii) film fracture (decohesion) or (iii) delamination (de-adhesion) of the film. Usually, however the energy is dissipated as a combination of these three different mechanisms, unless some of the mechanisms is dominant in the energy release. The presented characterization methods are mostly generic, and can be applied for the evaluation of mechanical and interfacial properties, such as adhesion, between practically any materials of choice with some limitations. Compared to some of the existing methods, the quantitative nature of these characterization methods enables a more in-depth possibility for the analysis, understanding, tuning and improvement of the properties of the thin films and processes aiding in maintaining and improving product and process quality. The main outcome of this thesis is that the authors have demonstrated the potential and versatility of especially the MEMS test structures and microrobotic testing systems, either on their own or as a combination as a solution to developing new tailored interfacial and mechanical characterization methods for current and future needs of research and the industry. en
dc.description.abstract Ohutkalvojen ja pinnoitteiden todennäköisesti tärkein ominaisuus on niiden adheesio käytettyyn substraattiin. Jotta voidaan havaita adheesioon liittyviä ongelmia mahdollisimman nopeasti, on erittäin tärkeää ymmärtää kiinnipysyvyyteen vaikuttavat tekijät. Lisäksi tarvitaan soveltuvia kvantitatiivisia karakterisointimenetelmiä, jotta voidaan rakentaa luotettavia laitteita. Monissa perinteisissä testausmenetelmissä substraattiin kohdistetaan merkittävää kuormitusta, joka voi johtaa ongelmiin, kuten substraatin hajoamiseen ennen pinnoitteen irtoamista erityisesti hauraiden substraattien tapauksessa. Yhä ohuempien pinnoitteiden ja näiden rajapintojen mekaanisten ominaisuuksien karakterisointi on haastavaa ja näiden tutkimiseksi tarvitaan menetelmäkehitystä. Tässä väitöskirjassa esitellään kolme pinnoitteiden ja rajapintojen mekaanista mittausmenetelmää, joissa substraattiin kohdistuva kuormitus on minimoitu. Menetelmät soveltuvat erityisesti atomikerroskasvatettujen (ALD) pinnoitteiden tutkimiseen: (i) Mikroelektromekaanisia menetelmiä (MEMS) hyödyntävä palkki-kuormitettu rakkulakoe, jossa ohutkalvon kuormitus tapahtuu takaapäin substraatissa olevan reiän läpi, (ii) mikrorobotiikka hyödyntävä ohutkalvon sisään upotettujen mikropallojen sivuttainen kuormituskoe ja (iii) yhdistetty nanonaarmutus- ja pyyhkäisevä nanokulutuskoe, jossa substraattiin kohdistuvan kuormituksen vuorovaikutustilavuus on minimoitu. Adheesion ja koheesion suhde kilpailevina prosesseina ohutkalvojen ja substraatin murtuessa osoitetaan: kun systeemiä kuormitetaan, energia vapautuu sieltä missä vastustus on pienin. Tämä tapahtuu joko (i) plastisena muodonmuutoksena, (ii) pinnoitteen murtumisena tai (iii) delaminaationa. Usein systeemiin kohdistettu kuormitus relaksoituu yhdistelmänä näitä kolmea mekanismia ellei joku mekanismi ole dominoiva. Esitellyt karakterisointimenetelmät ovat enimmäkseen geneerisiä ja niitä voidaan soveltaa lähes minkä tahansa materiaalien välisten rajapintojen ja mekaanisten ominaisuuksien, kuten adheesion, tutkimiseen tietyin rajoituksin. Näiden menetelmien kvantitatiivinen luonne mahdollistaa ohutkalvojen ja rajapintojen ominaisuuksien syvällisemmän ymmärryksen, jotta voidaan kehittää parempia pinnoitteita sekä näitä hyödyntävien tuotteiden ja prosessien laatua. Väitöskirjan tärkein anti on uusien potentiaalisten ja monipuolisten tutkimusmenetelmien esittely. Erityisesti MEMS testirakenteet joko yksinään tai yhdistettynä mikroroboottisiin testausjärjestelmiin voivat olla ratkaisu kehitettäessä uusia räätälöityjä mekaanisia karakterisointimenetelmiä täyttämään teollisuuden ja tutkimuksen nykyisiä ja tulevia tarpeita. fi
dc.format.extent 84 + app. 60
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 136/2019
dc.relation.haspart [Publication 1]: Maria Berdova, Jussi Lyytinen, Kestutis Grigoras, Anu Baby, Lauri Kilpi, Helena Ronkainen, Sami Franssila, Jari Koskinen. Characterization of thin film adhesion by MEMS shaft-loading blister testing, Journal of Vacuum Science & Technology A, 2013, 31, 031102, Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201609163825. DOI: 10.1116/1.4801921
dc.relation.haspart [Publication 2]: Jussi Lyytinen, Maria Berdova, Sami Franssila, Jari Koskinen. Adhesion Testing of Atomic Layer Deposited TiO2 on Glass Substrate by the Use of Embedded SiO2 Microspheres, Journal of Vacuum Science and Technology A, 2014, 32, 01A102. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201609083755. DOI: 10.1116/1.4827197
dc.relation.haspart [Publication 3]: Oili M.E. Ylivaara, Xuwen Liu, Lauri Kilpi, Jussi Lyytinen, Dieter Schneider, Mikko Laitinen, Jaakko Julin, Saima Ali, Sakari Sintonen, Maria Berdova, Eero Haimi, Timo Sajavaara, Helena Ronkainen, Harri Lipsanen, Jari Koskinen, Simo-Pekka Hannula, Riikka L. Puurunen. Aluminum oxide from trimethylaluminum and water by atomic layer deposition: The temperature dependence of residual stress, elastic modulus, hardness and adhesion, Thin Solid Films, 2014, 552, 3, 124-135. DOI: 10.1016/j.tsf.2013.11.112
dc.relation.haspart [Publication 4]: Jussi Lyytinen, Maria Berdova, Petri Hirvonen, Xuwen Liu, Sami Franssila, Quan Zhou and Jari Koskinen. Interfacial mechanical testing of atomic layer deposited TiO2 and Al2O3 on silicon substrate by the use of embedded SiO2 microspheres, RSC Advances, 2014, 4(70), 37320–37328. DOI: 10.1039/C4RA05807K
dc.relation.haspart [Publication 5]: Jussi Lyytinen, Xuwen Liu, Oili M. E. Ylivaara, Sakari Sintonen, Ajai Iyer, Saima Ali, Jaakko Julin, Harri Lipsanen, Timo Sajavaara, Riikka L. Puurunen, Jari Koskinen. Nanotribological, nanomechanicaland interfacial characterization of Atomic Layer Deposited TiO2 on a silicon substrate, Wear, 2015, 342-343, 270-278. DOI: 10.1016/j.wear.2015.09.001
dc.subject.other Chemistry en
dc.title Development of mechanical characterization methods for thin films and interfaces - “God created matter, surfaces were invented by devil” – Wolfgang Pauli en
dc.title Mekaanisten karakterisointimenetelmien kehitys ohutkalvoille ja rajapinnoille fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Materiaalitekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Materials Science and Engineering en
dc.subject.keyword mechanical characterization en
dc.subject.keyword thin films en
dc.subject.keyword interfaces en
dc.subject.keyword ALD en
dc.subject.keyword mekaaniset karakterisointimenetelmät fi
dc.subject.keyword ohutkalvot fi
dc.subject.keyword pinnoitteet fi
dc.subject.keyword rajapinnat fi
dc.subject.keyword ALD fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8655-2
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Koskinen, Jari, Prof., Department of Chemistry and Materials Science, Aalto University, Finland
dc.opn Hjort, Klas, Prof., Uppsala University, Sweden
dc.contributor.lab Physical characteristics of surfaces and interfaces en
dc.rev Bright, Victor M., Prof., University of Colorado, USA
dc.rev Kattelus, Hannu, Dr., Okmetic Oy, Finland
dc.date.defence 2019-09-06


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account