COMPARISON OF THIN FILM SYSTEMS WITH VERY DIFFERENT RESISTIVITY DURING INDENTATION TESTS. Matyáš Novák, Ivo Štěpánek

Transkript

1 POROVNÁNÍ VELMI ROZDÍLNĚ ODOLNÝCH SYSTÉMŮ S TENKÝMI VRSTVAMI POMOCÍ INDENTAČNÍCH ZKOUŠEK COMPARISON OF THIN FILM SYSTEMS WITH VERY DIFFERENT RESISTIVITY DURING INDENTATION TESTS Matyáš Novák, Ivo Štěpánek Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá hodnocením systémů tenká vrstva substrát připravených s použitím různých technologických procesů pro vytvoření tenkých vrstev. Tyto systémy mají velmi rozdílnou odolnost, a proto byla činnost zaměřena na optimalizaci analytických metod a jejich rozšíření pro hodnocení jak méně odolných systémů tenká vrstva substrát tak více odolných systémů. Tenké vrstvy byly připraveny technologiemi PVD, CVD a PA CVD. Základním materiálem byla rychlořezná ocel Použité a optimalizované analytické metody byly vnikací zkoušky statické a vnikací zkoušky vrypové s použitím různých velikostí normálových sil a různých druhů indentačních těles. The paper is devoted by evaluation of systems thin film substrate prepared by different technology process for deposition thin films. These systems have very different resistance and therefore there is prepared optimalisation of analytical method and expansion for using for evaluation both systems less and more resistance systems. Thin films was prepared by PVD, CVD and PA CVD technology process of deposition. Basic material was made from HSS. Used and optimalised analytical method was static indentation and scratch indentation with different value of normal forces and with using different type of indentors. 1. ÚVOD Různé aplikace tenkovrstvých systémů pro zlepšení různých povrchových vlastností např. mechanické vlastnosti a chování, optické vlastnosti, chemické vlastnosti apod. potřebují v celé řadě případů studium komplexního souboru vlastností a chování ač s rozdílným důrazem. V jiných případech je potřeba analyzovat i velmi rozdílně odolné systémy tenká vrstva základní materiál [1] z důvodů nalezení rozdílů v závislosti na různých parametrech ovlivňujících finální vlastnosti tenkovrstvých systémů případně změny vlastností a chování vlivem degradačních procesů [2]. Z tohoto důvodu je nutno přizpůsobovat a optimalizovat analytické metody pro tyto potřeby. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Experimentální práce je zaměřena jednak na porovnání různých systémů připravených rozdílnými technologiemi se zaměřením zařazení technologie PA CVD jako přechodu mezi CVD a PVD a jednak na studium vlastností a chování velmi rozdílně odolných systémů tenká vrstva substrát v rámci optimalizace PA CVD vrstev. 3. VRYPOVÁ INDENTACE Pro hodnocení adhezivně kohezivního chování byla provedena vrypová indentace na scratch testeru. Indentace byla provedena diamantovým indentorem Rockwellova typu s poloměrem zakřivení špičky 0.2 mm. Měření bylo provedeno s proměnnou normálovou silou od 0 do 80 N s konstantním nárůstem hodnoty normálové síly a konstantní rychlostí se pohybujícím stolkem. Byla zdokumentována morfologie porušení. Dále jsou uvedeny průběhy signálu akustické emise a tečné síly v závislosti na normálové síle.

2 METAL 2009 Obr. 1: Morfologie porušení uvnitř a v okolí vrypů pro systémy s PA CVD vrstvami připravenými různými parametry. Postupně jsou na obr. 1 vzorky s označením g6a, g6b, g7a, g7b, g8a, g8b, g9a, g10a, g11a, a g12a. Souhrnně lze říci, že vzorky g6a a b, vzorek g8a a g9a mají podobné chování a projevuje se hlavně kohezivní porušení jemného charakteru u substrátu. Vzorek g8b a g11a mají tepelně ovlivněný substrát, což se projevuje na porušení, výraznější je na vzorku g11a, neboť zde je tenká vrstva větší tloušťky. Vzorky g7a a b mají kohezivní porušení substrátu nižší. Vzorky g10a a g12a mají patrný vliv povrchové vrstvy, porušení vrstvy je poměrně rychlé, ale povrchy systémů jsou odolnější než u g11a. Obr. 2: Průběhy závislosti akustické emise a tečné síly na velikosti normálové síly pro vzorky s PA CVD vrstvou. Obr. 2 ukazuje pro přehlednost souhrn průběhů akustické emise a tečné síly pro výše uvedené systémy. Jsou patrné rozdíly ve velikosti normálové síly pro růst signálu pro některé vzorky.

3 METAL 2009 Obr. 3: Části morfologie vrypů pro systémy tenká vrstva substrát připravenými CVD, 3-mi metodami PA CVD a PVD technologiemi. Na obr. 3 je uveden souhrn vrypů pro systémy postupně s vrstvou CVD, s vrstvou PA CVD 1, s vrstvou PA CVD 2, s vrstvou PA CVD 3 a PVD vrstvou. Záznam vrypů je rozdělen na několik částí. Zde jsou uvedeny pro pozorování rozdílů významnější části s normálovou silou od 40 do 60 N a od 60 do 80 N. Místa pod sebou odpovídají stejné normálové síle. Při malém zatížení kromě prvního a posledního systému se nejméně porušuje systém čtvrtý, i když jemná porušení se mohou ztrácet v drsném povrchu. Nejlépe čitelné porušení je na systému třetím. Druhý systém má jemná porušení zpočátku, vytrácející se v drsném povrchu. Je patrný růst deformace, srovnávání drsnosti třením a pak se již objevuje praskání na kraji vrypu. U třetího systému se hned ze začátku objevují na kraji a uvnitř vrypu drobná porušení, která jsou dána již původním narušením povrchu částicemi asi od deposičního procesu. Brzy se však objevuje i silné odlupování vrstvy kohezivním praskáním ale až do základního materiálu. Při dalším růstu zatížení u druhého systému expanduje porušení na kraji vrypu, uvnitř vrypu jsou nerovnosti srovnány a je již silně sedřená vrstva třením indentoru o povrch. Třetí systém rychle rozšiřuje křehká kohezivní praskání podél kraje vrypu a začíná se odhalovat substrát uvnitř vrypu. S růstem zatížení začíná křehce praskat i vrstva na čtvrtém systému ač s opoždením proti třetímu. Začíná porušení odlupováním až do substrátu na dně vrypu, které postupně zasahuje až do krajů vrypu. Třetí systém s rostoucí hloubkou proniknutí omezuje šíření porušení na kraji vrypu. Na dně se třením vrstva postupně odebírá. Podobně se chová i čtvrtý systém ač s jiným charakterem kohezivního praskání na kraji vrypu, kam se porušení s růstem síly přesunuje, tedy přesněji jeho šíření, neb na dně již je porušení v povrchu substrátu. Tento charakter pokračuje s dalším růstem zatížení u třetího a čtvrtého systému snižováním šíření porušení na kraji vrypu s růstem hloubky proniknutí indentoru. Druhý systém opět rozšiřuje porušení na kraji vrypu do větší vzdálenosti.

4 4. KALOTESTOVÁ HODNOCENÍ Jsou použita jako vhodný doplněk pro získání představy o rozvrstvení systému a abrazivní odolnosti. Obr. 4: Kaloty na různých systémech vrstva substrát z CVD, PA CVD a PVD technologií Na obr. 4 je uveden souhrn kalot postupně v systémech s tenkou vrtvou CVD, vrstvou PA CVD 1, s vrstvou PA CVD 2, PA CVD 3 a PVD vrstvou. Jsou zde patrna silná porušení u systému třetího a čtvrtého uvnitř mezikruží, tudíž zejména ve vrstvě. Druhý systém se hodnotí hůře, neboť je silně ovlivněn drsností povrchu, což ovlivňuje i tvar kalot a jejich čitelnost. Více je porušen systém s PA CVD 2 vrstvou. 5. STATICKÁ INDENTACE Dále jsou uvedeny morfologie porušení a deformace v okolí a uvnitř vtisků provedených stejným indentorem jako vrypová indentace s normálovými silami 30 N, 60 N a 90 N. Zde se vylučuje z vlivu tření pohybem indentoru a namahání pnutím vyvolaným pohybem indentoru. Na obr. 5. jsou postupně vzorky na řádcích g6a, g6b, g7a, g7b, g8a, g8b, g9a, g10a, g11a a g12a a sloupce zatížení 30 N, 60 N a 90 N. První 2 a 7-mý vzorek ukazují jemné kohezivní porušení. 3-tí až 5-tý ještě jemnější kohezivní porušení, u vzorků 3-tího a 4-tého je výraznější deformace v okolí vtisku. 6-tý a 10-tý ukazují na tepelné ovlivnění substrátu, u vzorku 10- tého navíc silné adhezivní odlupování tenké vrstvy. 8-mý ukazuje adhezivní odlupování až při maximální normálové síle, 9-tý se porušuje adhezivně kohezivně již od malých normálových sil.

5 Obr. 5: Vtisky ze statické indentace na systémech s PA CVD vrstvou. 6. NANOINDENTAČNÍ MĚŘENÍ Nanoindentační měření bylo provedeno při 3 různých maximálních normálových silách a to 200 g (více či méně vlastnosti substrátu pod povrchovou vrstvou), 25 g (zejména zasahuje pravděpodobně tak cca do rozhranní vrstva - substrát) a 2 g (vlastnosti povrchových vrstev buď substrátu a nebo vrstvy v závislosti na tloušťce vrstvy a její odolnosti).

6 Obr. 6: Indentační křivky s maximálním normálovým zatížením 200 g na systémech PA CVD. Na obr. 6 jsou uvedeny souhrny indentačních křivek při maximálním zatížení 200 g pro všechny vzorky pro možnost přesnějšího srovnání. Nejvýraznější změny jsou na vzorkách g8b a g11a, kde je výrazný rozdíl v nanotvrdosti ze sklonu indentačních křivek a výraznější plastická deformace. Obr. 7: Indentační křivky s maximálním normálovým zatížením 25 g na systémech PA CVD. Na obr. 7. jsou podobně uvedeny souhrny indentačních křivek při maximálním zatížení 25 g. Opět nejvýraznější rozdíly mají vzorky g11a a g8b dále pak vzorky g8a a g12a v nanotvrdosti ze sklonu a rozdílu poměru elastické a plastické deformace. Obr. 8: Indentační křivky s maximálním normálovým zatížením 2 g na systémech PA CVD.

7 Na obr. 8 jsou uvedeny souhrny indentačních křivek při maximálním zatížení 2 g pro přehlednost srovnání vzorků mezi sebou pro možnost porovnání rozdílů v nanotvrdosti ze sklonu, neboť náběhy jsou ovlivněny složitou morfologií a je možné usuzovat na rozdíly v poměru elastické a plastické deformace. Obr. 9: Indentační křivky s maximálním normálovým zatížením 200 g na systémech CVD, PA CVD a PVD. Na obr. 9 je uveden souhrn ukázek nanoindentačních křivek s maximálním zatížením 200 g ze všech sledovaných systémů tenká vrstva substrát pro srovnání CVD, PA CVD a PVD. Vysvětlivky jsou v obrázku uvedeny (v klasické vysokoteplotní CVD, d, r a n (PA CVD 1 2 3) a p je PVD). Ze souhrnu indentačních křivek s maximálním zatížení 200 g je patrno, že tloušťka tenké vrstvy TiCN (CVD) je již poměrně velká a tudíž je její vliv mnohem výraznější, je patrný i na průběh indentační křivky i při tomto maximálním zatížení. Nejnižší vliv na chování při této indentaci je patrný u systému s DLC tenkou vrstvou, což může být dáno jak malou tloušťkou tenké vrstvy tak její výraznější elastickou deformací. Obr. 10: Indentační křivky s maximálním normálovým zatížením 25 g na systémech CVD, PA CVD a PVD. Na obr. 10 je uvedený souhrn indentačních křivek z měření jednotlivých systémů tenká vrstva substrát s maximálním zatížením 25 g. Předně je zde patrno, že měření je stále výrazně ovlivněno vlastnostmi a chováním základního materiálu. Výrazněji se zde však již projevují tenké vrstvy na povrchu. Nejvýraznější zpevnění povrchu je patrné vrstvou TiCN (CVD), což je dáno zejména velkou tloušťkou vrstvy, ale i tenkou vrstvou PVD, ač tloušťka této tenké vrstvy je poměrně malá ve srovnání s některými jinými. Opět jsou tyto křivky hladké bez známek adhezivně kohezivního porušení. Začíná se ukazovat rozdíl elastické a plastické deformace, nejvýrazněji u vrstvy CVD opět zejména z důvodu její velké tloušťky.

8 Obr. 11: Indentační křivky s maximálním normálovým zatížením 2 g na systémech CVD, PA CVD a PVD. V tomto souhrnu (obr. 11) jsou uvedeny indentační křivky s maximálním zatížením 2 g na všech výše uvedených systémech tenká vrstva substrát. Sklon ukazuje na změny nanotvrdosti a rozdíl mezi zatěžovací a odlehčovací částí ukazuje na změny elastické a plastické deformace. Opět je patrné, že největší sklon je u indentačních křivek na klasickém CVD a PVD. 7. ZÁVĚR Zjišťování srovnání rozdílů v mechanických vlastnostech a chování systémů tenká vrstva základní materiál s připravenými tenkými vrstvami z různých technologických procesů deposice tenkých vrstev lze provádět komplexním pohledem na výsledky vrypové indentace a nejen na základě nalezení kritických sil, které jsou silně nevypovídající v celé řadě případů. Na druhou stranu je vrypová indentace silně vypovídající zkouška o vlastnostech a chování jak systémů tenká vrstva základní materiál tak povrchů samotných substrátu po přípravných procesech před deposicí vrstev. Vrypovou indentací lze s výhodou porovnávat mezi sebou i velmi málo odolné i vysoce odolné systémy tenká vrstva substrát jak z pohledu povrchových vrstev tak z pohledu základního materiálu. Z výsledků plyne, že každá z metod, CVD a PVD má své výhody a prozatím se nepodařilo využít výhod CVD a PVD ve spojení ve vrstvách PA CVD. Vrypová indentace silně napomáhá optimalizaci deposičních procesů PA CVD i v případě prozatímní přípravy málo odolných systémů tenká vrstva substrát. Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MPO, č. projektu FT-TA4/082. Literatura 1. ŠTĚPÁNEK, I., MACHÁČKOVÁ, K.: Complex evaluation of mechanical properties and behaviour of high and low resistivity systems thin film substrate by indentation tests. Sborník Matrib 2006, Chorvatsko 2006, ISBN JAČKOVÁ, K., ŠTĚPÁNEK, I., Changing of surface mechanical properties by modification of surface with electrochemical stress and corrosive action in real time, sborník mezinárodní konference Matrib 2003, str , Chorvatsko Vela Luka 2003, ISBN