EVALUATION OF INFLUENCE PREPARING OF SURFACE OF SUBSTRATE ON BEHAVIOUR OF SYSTEMS THIN FILM SUBSTRATE

Transkript

1 STUDIUM VLIVU PŘÍPRAVY POVRCHU SUBSTRÁTU NA CHOVÁNÍ SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT EVALUATION OF INFLUENCE PREPARING OF SURFACE OF SUBSTRATE ON BEHAVIOUR OF SYSTEMS THIN FILM SUBSTRATE Zdeněk Beneš, Ivo Štěpánek Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá hodnocením systémů tenká vrstva základní materiál z pohledu vlivu základního materiálu, jeho struktury, mechanických vlastností a zejména povrchových vlastností základního materiálu. Základní materiál je jedním z nejdůležitějších deposičních parametrů a zejména pak stav jeho povrchu před deposicí. Je sledován vliv přípravy povrchu na povrchové vlastnosti před deposicí a vliv stavu povrchu na celkové vlastnosti a chování systémů tenká vrstva substrát. Analýza vlastností a chování je prováděna zejména pomocí indentačních zkoušek statických a vrypových. Tenké vrstvy jsou připraveny různými metodami PVD na základním materiálu z rychlořezné oceli. The paper is devoted by evaluation of systems thin film basic material from point of view influence of basic material, its structure, mechanical properties and first of all surface properties of basic material. Basic material is one of the most important deposition parameters and especially surface properties before deposition. There is observed influence of preparing of surface on surface properties before depostion and influence surface properties of substrate on complex properties and behaviour of systems thin film substrate. The analysis of properties and behaviour is provided first of all by indentation tests statical and scratch. Thin films was prepared by different method PVD on basic material from HSS. 1. ÚVOD Rostoucí aplikace tenkovrstvých systémů vyžadují na základě studia konkrétních podmínek namáhání v praxi využít výhod vybrané technologie deposice a optimalizaci deposičních parametrů s přihlédnutím na tyto informace. Zejména je potřeba optimalizovat deposiční proces též na konkrétní základní materiál [1]. Základní materiál ale není důležitý jen z pohledu svých objemových vlastností ale zejména z pohledu stavu povrchu. Na druhou stranu lze říci, že právě základní materiál je jedním z velice důležitých deposičních parametrů, se kterým je nutno počítat [2]. Z tohoto důvodu je soustředěna pozornost na studium povrchových vlastností základního materiálu před deposičním procesem a vlivu stavu povrchu na deposiční proces. Vzhledem ke vzájemné provázanosti substrátu a tenké vrstvy a ve své podstatě nemožnosti oddělit vrstvu od substrátu mluvíme již řadu let o studiu celého systému tenká vrstva substrát. 2. VLIV ZÁKLADNÍHO MATERIÁLU Předně je zachycen vliv samotného základního materiálu na průběh vrypové indentace. Povrchové napětí dané vlivem metalografické přípravy zpevňuje povrchové vrstvy ale též vyvolává povrchovou tvrdost a tím křehkost, která se projeví v průběhu signálu akustické emise. Obr.1: Výřez vrypů oceli (nahoře substrát, pod ním systém tenká vrstva - substrát)

2 METAL 29 Na obr.1 je znatelná výraznější deformace okraje vrypu. Uvnitř vrypu základního materiálu jsou patrné deformační procesy s postupně se rozrůstajícím kohezivním porušováním. U systému tenká vrstva substrát oceli je patrné jemné kohezivní porušování na okraji vrypu. Toto porušení se vytváří až při vyšších hodnotách normálové síly. Deformace je opět znatelná. Adhezivní porušování není silné. Narušený matný povrch je dán přítomností makročástic ve vrstvě. Obr.2: Výřez vrypů slitiny VT6 (nahoře substrát, pod ním systém tenká vrstva - substrát) Další druh základního materiálu je slitina VT6 (obr. 2). Kohezivní porušení u substrátu slitiny VT6 jsou pozvolnější, většího charakteru. Ze systému tenká vrstva substrát je patrno, že systém odráží silně vlastnosti základního materiálu a jeho deformace vyvolává silnější kohezivní porušení než v předchozích případech. Obr.3 : Výřez soulepu vrypů v oceli (nahoře substrát, pod ním iontový bombard Ti 11, Ti 16, Ti 111, Zr 115 a Zr 126, jako poslední je vryp v systému tenká vrstva- substrát oceli 19 83) Na základě předběžných výsledků se experiment rozšířil o hodnocení vrypů provedených v povrchu základního materiálu 1983 po různých aplikacích iontových bombardů při deposičním procesu jako přípravné fáze pro samotnou deposici (obr.3). Při nižších energiích (Ti 11, Zr 115) se mění charakter porušení, uvnitř vrypu nedochází ke křehkému kohezivnímu porušení substrátu, což je dáno vytvořenou tenkou vrstvou materiálem katody a modifikací dopadajících iontů. Kohezivní porušení po kraji vrypu je jemnější, dochází ke změně deformace základního materiálu vrypovou zkouškou. Při vysokých energiích (Ti 111, Zr 126), vzhledem k parametrům iontového bombardu, které jsou nastavením srovnatelné se všemi experimenty, je čas modifikace povrchu mnohem nižší a povrch si výrazně zachovává vlastnosti základního materiálu, co se týče charakteru porušení a deformace. Změna porušení je v tomto případě však také patrná. Iontový bombard při středním záporném

3 předpětí (Ti 16) ukazuje modifikaci postupnou, jelikož charakter porušení ukazuje přechod mezi oběma výše uvedenými velikostmi energií. 3. MODIFIKACE HODNOCENÍ PODLE SUBSTRÁTU Podle druhu substrátu je potřeba volbou indentoru měnit hlavní charakter namáhání, a proto se přechází při hodnocení od indentoru s poloměrem zakřivení špičky.2 mm na např..5 mm. Tento přechod je vhodný zejména pro případy substrátů s menší tvrdostí (obr. 4 až 7) a nebo pro případy tenkých vrstev s menší odolností. U tvrdších substrátů a více odolných systémů se pak nerozvine porušení výrazněji (obr. 8 a 9). Pro méně odolné substráty je velký přínos zjemnění zkoušky, ovšem v případě substrátů s vyšší tvrdostí je zjemnění zajímavé až v případě cyklických vrypových zkoušek. Obr.4: Výřez vrypů v 125 hrotem ze slinutých karbidů,2 (nahoře leptáno, dole leštěno). Obr.5: Výřez vrypů v 125 hrotem ze slinutých karbidů,5 (nahoře leptáno, dole leštěno). Obr.6: Výřez vrypů v 1422 hrotem ze slinutých karbidů,2 (nahoře leptáno, dole leštěno). Obr.7: Výřez vrypů v 1422 hrotem ze slinutých karbidů,5 ( nahoře leptáno, dole leštěno).

4 Obr.8: Výřez vrypů v 1983 hrotem ze slinutých karbidů,2 ( nahoře leptáno, dole leštěno). Obr.9: Výřez vrypů v 1983 hrotem ze slinutých karbidů,5 ( nahoře leptáno, dole leštěno). Po provedení vrypové zkoušky je sledován vliv substrátu a jeho deformace vlivem vrypové indentace na různé charakteristiky. Jednou z hodnocených je šířka vrypu, která ukazuje na rozšiřování plastické deformace a zpevnění povrchových vrstev tenkou vrstvou. Šířka vrypu 45.1x[mm] s ubs trát, lept.,,2 s ubs trát, lept.,,5 s ubs trát, lept., SK,2 s ubs trát, lept., SK,5 s ubs trát, lešť.,,2 s ubs trát, lešť.,,5 s ubs trát, lešť., SK,2 s ubs trát, lešť., SK, Síla [N] Obr. 1: Znázornění šířky vrypu v substrátu 125.1x[mm] Síla [N] 75 Šířka vrypu 1422 substrát, leptán, hrot diamant, substrát, leptán, hrot diamant, substrát, leptán, hrot Slinutý karbid, substrát, leptán, hrot Slinutý karbid, substrát, leštěn, hrot diamant, substrát, leštěn, hrot diamant,5 Obr. 11: Znázornění šířky vrypu v substrátu substrát, leštěn, Šířka vrypu 45.1x[mm] Síla [N] 1983 substrát, leptán, hrot diamant, substrát, leptán, hrot diamant, substrát, leptán, hrot Slinutý karbid, substrát, leptán, hrot Slinutý karbid, substrát, leštěn, hrot diamant, substrát, leštěn, hrot diamant, substrát, leštěn, hrot slinutý karbid, substrát, leštěn, hrot slinutý karbid,5 Obr. 12: Znázornění šířky vrypu v substrátu 1983

5 Jak je patrno z výsledků na obr. 1 až 12 u materiálů s menší tvrdostí dochází k velkému růstu šířky deformace, kdežto u materiálu s vyšší tvrdostí dochází k poklesu růstu rychlosti a celkově k menší rychlosti deformace v závislosti na normálové síle. Další obr. 13 ukazuje na přínos tenké vrstvy pro zpevnění povrchu a zamezení šíření deformace. Šířka vrypu x[mm] depezice hrot diamant, depezice hrot diamant, depezice hrot slinutý karbid, depezice hrot slinutý karbid, Síla [N] Obr. 13: Znázornění šířky vrypu v systému tenká vrstva - substrát STATICKÁ INDENTACE Pro zjemnění indentačních zkoušek jsou voleny různé geometrie indentorů s větším poloměrem zakřivení špičky hrotu. Vrypová zkouška přidává komplexnější namáhání zejména v podobě tření a generaci pnutí vlivem pohybu indentoru po povrchu. Představu deformačního namáhání, iniciaci trhlin a porušení vlivem působení indentoru dávají i statické indentace s použitím indentorů specifikovaných výše. Násobení působení statické indentace je provedeno cyklickou indentací. Na obr.14 je patrný rozdíl v deformaci a šíření porušení na různých základních materiálech a výsledný dopad na chování systému vrstva substrát. Tenká vrstva zpevňuje ve všech případech povrch a zamezuje rozvoji deformace a kohezivního praskání substrátu. Na druhou stranu větší deformace substrátu s nižší tvrdostí zapříčiňuje šíření porušení tenké vrstvy. a) b) c) d) e) f) Obr. 14: Cyklické vtisky v substrátech materiálů: a) 125 vpravo leptáno, vlevo leštěno; b) 1422 vpravo leptáno, vlevo leštěno; c) 1983 vpravo leptáno, vlevo leštěno. Cyklické vtisky v systémech tenká vrstva - substrát materiálů: d) 125 e) 1422 f) 1983

6 5. VLIV ÚPRAVY POVRCHU Ovlivnění povrchu tryskacím procesem bylo sledováno na dvou systémech s podobnou tenkou vrstvou a stejným základním materiálem. Pouze byl jeden systém upraven procesem tryskání. Obr. 15: Vrypy na vzorkách lišících se tryskacím procesem Vzorky na obr. 15 na první pohled nevykazují výraznější rozdíly. Při bližším studiu můžeme pozorovat jen velmi malé rozdíly. Vzorek po mokrém pískování (první vzorek) má první porušení posunuto nepatrně k vyšším normálovým silám a kohezivní porušení na okraji vrypu je lehce menší než na vzorku prvním. Oba vzorky se s rostoucí normálovou silou začínají porušovat na okraji vrypu kohezivně vlivem křehkosti povrchové vrstvy. Uvnitř vrypu jsou zachycena jemné porušení podobného charakteru na obou vzorkách. Obr. 16: Závislosti akustické emise na normálové síle na vzorkách z obr. 15

7 Na obr. 16 je vyobrazen průběh signálu akustické emise v závislosti na normálové síle pro oba výše uvedené vzorky. Je patrno, že signál akustické emise začíná růst o něco dříve na povrchu pískovaném (4-8), což ukazuje na nepatrné zvýšení pnutí v povrchové vrstvě vlivem přípravy. Podobně to odráží větší zákmity v průběhu akustické emise v závislosti na normálové síle. Pokles signálu akustické emise s dalším růstem normálového zatížení ukazuje na hlubší pronikání indentoru a tím generaci pnutí vlivem vrypové zkoušky do větší hloubky a tak se křehká porušení na povrchu tolik neprojevují. 6. VLIV NITRIDACE Dalším faktorem ovlivňujícím povrch substrátu a tím podmínky pro deposici tenkých vrstev je jeho před úprava např. procesem nitridace. Byl zkoušen vliv samotné nitridace na povrchové vlastnosti a vliv nitridace na celkové chování systémů tenká vrstva substrát. Na obr. 17 jsou postupně vrypy 6h bez TiN, 6h s TiN, 2h bez TiN a 2h s TiN, normálová síla N až 4 N pro ocel tř. 14 standardní hrot. Na první pohled je patrno, že se liší zejména původní morfologie povrchů vzorků před vrypovou indentací, což může mít za následek rozdílné chování při vrypové indentaci. Vzorky po samotné nitridaci mají povrch narušený rýhami (oba jsou vcelku podobné po 6h i po 2h), kdežto vzorky po deposici tenkých vrstev mají strukturu povrchu jemnozrnnou. Vzorky po nitridaci bez vrstvy jsou porušovány zejména uvnitř vrypu třením. Na okraji je patrna jemná plastická deformace, která nevyvolává porušení na okraji vrypu. Nejvíce tedy dochází k trhání dna vrypu vlivem tření. V tomto duchu se chovají oba vzorky podobně. S rostoucí normálovou silou je patrno, že vzorek po nitridace 6h se na dně vrypu porušuje více a tudíž lze říci, že se zvyšuje odolnost vůči tření na dně vrypu. Tenká vrstva TiN zabraňuje výraznějšímu trhání dna vrypu. Na vzorkách s tenkou vrstvou je patrno jemné porušení na dně vrypu. Na vzorku po 2h nitridace jsou tato drobná porušení jemnější, což ukazuje na lepší přilnavost na povrchu po delší nitridaci. Na vzorkách s tenkou vrstvou se kromě porušení na dně vrypu ukazuje porušení na okraji, které vzniká vlivem plastické deformace substrátu pod tenkou vrstvou. Tato deformace působí napětím na povrchovou vrstvu a dochází k jejímu praskání na okraji vrypu. Charakter je podobný na obou vzorkách s tenkou vrstvou. Porušení na okraji vrypu se ukazuje později tudíž při vyšší normálové síle na vzorku s tenkou vrstvou vytvořenou po delší nitridaci. Obr. 17: Vrypy postupně 6h bez TiN, 6h s TiN, 2h bez TiN a 2h s TiN, normálová síla 4 N až 8 N pro ocel tř. 14 standardní hrot

8 Obr. 18: Průběhy akustické emise na vzorkách s vlivem nitridace Průběhy akustické emise potvrzují (obr. 18) řečené u morfologie. Nejvyšší odtrhávání na dně vrypu je na vzorku po 6h nitridace bez vrstvy a proto dochází postupně k růstu signálu akustické emise. Toto se ukazuje i na vzorku po 2h nitridace bez vrstvy ovšem s posunutím k vyšším normálovým silám kolem 4 N. Mnohem menší porušení i z akustické emise plynou pro vzorky s tenkými vrstvami. Zde nejsou zásadnější rozdíly. Je patrno, že kohezivní praskání na okraji vrypu nedává vznik výraznějších signálů akustické emise. 7. ZÁVĚR Základní materiál je jedním z nejdůležitějších deposičních parametrů. Základní materiál svoji strukturou a mechanickými vlastnostmi ovlivňuje adhezivně kohezivní porušování celého systému tenká vrstva substrát, ovlivňuje deformační procesy a tím iniciaci porušení povrchové vrstvy. Na druhou stranu tenká vrstva ve všech případech přináší zpevnění povrchu základního materiálu a brání iniciaci a šíření povrchových trhlin a kohezivnímu praskání substrátu u povrchu. Iontový bombard před deposičním procesem ovlivňuje povrchové vlastnosti substrátu, odstraňuje povrchové nečistoty, povrchové přechodové vrstvy vytvořené přípravnými procesy a vytváří přechodové mezivrstvy deposicí a implantací. Iontová implantace jak v samotné podobě zpevňuje povrchové vrstvy proti deformaci a porušení vyvolávané vrypovou indentací. S povrchovou vrstvou dochází k dalšímu zpevňování povrchových vrstev. Tenká vrstva opět dále zlepšuje povrchové vlastnosti a chování. Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MPO, č. projektu FT-TA4/82. Literatura 1. ŠTĚPÁNEK, I., Evaluation of mechanical behaviour very different kind of material and thickness of films, sborník mezinárodní konference Matrib 22, str , Chorvatsko Vela Luka 22, ISBN ŠTĚPÁNEK, I., Correlation between deposition parameters and method for evaluation properties and behaviour system of thin film - substrate, sborník mezinárodní konference Matrib 2 Vela Luka Chorvatsko 2