VLIV DRUHU TECHNOLOGIE IONTOVÉHO BOMBARDU NA VLASTNOSTI A CHOVÁNÍ SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT

Transkript

1 VLIV DRUHU TECHNOLOGIE IONTOVÉHO BOMBARDU NA VLASTNOSTI A CHOVÁNÍ SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT INFLUENCE OF KIND OF TECHNOLOGY OF IONT BOMBARDMENT ON PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF SYSTEMS THIN FILM - SUBSTRATE Ivo ŠTĚPÁNEK a, Ondřej BAROCH a, Miloslav KESL b, Josef FAIT b, Jaroslav ČÍP c,daniel BOHÁČ c Abstrakt a Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz b PILSEN TOOLS, Tylova 57, Plzeň, ČR, fait@pilsentools.cz c CzechCoating, Dolní Bečva 20, Dolní Bečva, ČR, j.cip@czechcoating.cz Příspěvek se zabývá vlivem různých technologií iontového bombardu před deposičním procesem na vlastnosti a chování systémů tenká vrstva základní materiál. Různé parametry iontového bombardu a různé druhy technologických procesů iontového bombardu ovlivňují přípravu rozhranní tenká vrstva základní materiál, tvorba různých mezivrstev ovlivňuje navázání tenké vrstvy k základnímu materiálu. Vlastnosti a chování tenkovrstvých systémů jsou hodnoceny zejména pomocí indentačních zkoušek vrypových a nanoindentace. Tloušťkové charakteristiky jsou zjišťovány pomocí kalotestu a rtg fluorescenční analýzy. Tenké vrstvy byly vytvořeny nízkonapěťovým reaktivním obloukovým odpařováním ve vakuu. Abstract The paper is devoted by study of influence of different technology iont bombardment process before deposition process on properties and behaviour of systems thin film basic material. Different parameters and different kind of technology process of iont bombardment influence creation interface between thin film and basic material, the creation of different interlayers influence connection of thin film and basic material. The properties and behaviour thin film systems are evaluated at the first by scratch indentation and nanoindentation. The thickness characteristic are analysed by calotest and x-ray fluorescent method. Thin films are deposited by low voltage reactive arc evaporation in vacuum. 1. ÚVOD Technologický proces deposice tenkých vrstev ale i modifikace povrchu základních materiálů je ovlivněn celou řadou makro a mikroparametrů [1], které můžeme či nemůžeme řídit ale je pořebné alespoň vědět o jejich vlivu na výsledné vlastnosti a chování systémů tenká vrstva základní materiál. Jední z nejdůležitějších parametrů je základní materiál a jeho příprava před samotným deposičním procesem. Přípravou základního materiálu se dosahuje tvorba rozhranní mezi tenkou vrstvou a základním materiálem [2]. Důležité je čištění povrchu chemickou cestou a následně čištění iontovým bombardem, kterým lze dosahovat očištění, implantaci iontů do povrchových vrstev a deposici tenkých mezivrstev. Pro tvorbu rozhranní je následně důležité vytvoření přechodu mezivrstvami [3]. 2. VLIV METODY IONTOVÉHO BOMBARDU Byla provedena příprava povrchu před deposicí pomocí dvou různých metod iontového bombardu a to novým způsobem na dvou různých základních materiálech (WC a HSS) a standardní metodou na základním materiálu WC. Byla provedena vrypová indentační zkouška na scratch testeru v modu proměnné normálové síly v rozmezí normálových sil 0 N až 80 N s konstatní rychlostí rostoucí hodnotou normálové síly a konstatní

2 rychlostí pohybu vzorku pod indentorem. Po provedení vrypové indentace byla zdokumentována morfologie porušení vrypovým testem přes světelný materiálografický mikroskop se zvýrazněním porušení pomocí polarizace a Nomarského diferenciálního kontrastu (obr. 1). V průběhu vrypové indentace byla zaznamenána závislosti signálu akustické emise na působicí normálové síle (obr. 2) a závislost koeficientu tření v závislosti na normálové síle (obr. 3). Vrypová indentace byla provedena s použitím diamantového indentoru Rockwellova typu s poloměrem zakřivení špičky hrotu 0,2 mm. Obr. 1: Morfologie povrchů po vrypové indentaci postupně vzorků EXON-HSS, EXON-WC a TiAlN-WC. Rozsah normálové síly 0 N až 40 N. Na obr. 1 je soulep morfologie celých stop po vrypové indentaci postupně na systémech tenká vrstva základní materiál s modifikací povrchu EXON na HSS substrátu a WC substrátu a na systému TiAlN-WC se standardní metodou iontového bombardu. Normálová síla je od 0 N do 40 N. Na začátku vrypu na vzorkách EXON není patrno výraznější porušení. Naproti tomu vzorek s TiAlN vykazuje jemná porušení uvnitř vrypu již na začátku. S rostoucí normálovou silou dochází po nahromadění pnutí pohybem indentoru po povrchu k výraznějšímu porušení adhezivně kohezivního charakteru. Kolem 30 N dochází k silnému rozvoji porušení jak uvnitř vrypu tak kohezivního charakteru na okraji vrypu. Vzorky EXON se chovají podobně. Vyšší odolnost vykazuje systém EXON-WC. Na vzorku EXON dochází při vyšší normálové síle k drobnému porušení kohezivního charakteru na okraji vrypu. S dalším růstem normálového zatížení jsou patrny rozdíly mezi všemi třemi vzorky. Nejmenší odolnost ukazuje třetí systém, kde dochází k silnému kohezivnímu praskání na okraji vrypu a uvnitř vrypu je patrno silné sedření povrchu. S růstem normálového zatížení dochází k rozšiřování vrypu a pronikání indentoru do větší hloubky, což způsobuje, že nedochází k expanzi kohezivního porušení vlivem pnutí působícího ve větší

3 hloubce systému. Vzorek první s dalším růstem normálové síly ukazuje růst opotřebení uvnitř stopy vrypu a vznik kohezivního porušení, které je menšího charakteru než na vzorku třetím. Kohezivní porušení s růstem normálového zatížení zvolna roste. Šířka vrypu je zde největší vzhledem k nižší tvrdosti substrátu. Obr. 2: Průběh signálu akustické emise Obr. 3: Průběh koeficientu tření Průběh signálu akustické emise v závislosti na normálové síle (obr. 2) potvrzuje vznik a rozvoj porušení z morfologie vrypů. První porušení vzniká na vzorku třetím vzhledem k vyšší křehkosti povrchové vrstvy TiAlN, proto dochází k růstu, i když porušení ještě není výraznějšího charakteru. První vzorek ukazuje křehké porušení od 30 N zatížení a výrazněji se zvyšuje kolem 40 N zatížení. Nejnižší signál akustické emise ukazuje vzorek druhý a odráží jemná kohezivní porušení z morfologie vrypů. Akustická emise se projevuje výrazněji, i když porušení jsou jen drobného charakteru, což odráží vyšší tvrdost tenké vrstvy i základního materiálu. Průběh koeficientu tření v závislosti na normálové síle (obr. 3) je v korelaci s morfologií porušení nejnižší a nejustálenější na vzorku druhém. Drobné zakmitávání je patrno na vzorku prvním, což odpovídá jemnému trhání na dně vrypu. Koeficient tření je větší než na vzorku druhém vzhledem k větší šířce vrypu a většímu proniknutí indentoru. Kolem 70 N zatížení je patrný nárůst odpovídající úplnému sedření na dně vrypu do základního materiálu. Na vzorku třetím jsou patrny výrazné zákmity na průběhu odrážející porušování povrchových vrstev materiálového systému. Přes zákmity koeficient tření narůstá a zákmity se zmenšují vlivem hlubšího proniknutí indentoru. 3. VLIV PARAMETRŮ IONTOVÉHO BOMBARDU Dále byl sledován vliv předpětí při deposičním procesu na substrát. Tento parametr je opět velice významný a ovlivňuje mnoho mikroparametrů deposičního procesu. Byly použity standardní deposiční podmínky a podmínky zvýšeného napětí při deposici proti standardním. Průběh vlivu napětí ovšem nemusí být lineární a tak samozřejmě nemusí tento vliv korespondovat vlivu napětí v obecné rovině. První vzorek má tzv. podmínky zvýšeného napětí při deposici a druhý standardní podmínky deposičního procesu.

4 Obr. 4: Morfologie povrchu po vrypové indentaci první vzorek má zvýšené předpětí, druhý vzorek standardní předpětí. Rozsah normálové síly od 0 N do 40 N. Na první pohled je patrný veliký rozdíl v odolnosti systémů při vrypové zkoušce (obr. 4). Na začátku vrypu jsou systémy podobné. Již kolem 20 N normálového zatížení první systém začíná silně praskat po okraji vrypu. Povrch je velice křehký pravděpodobně vznikem velkého pnutí v povrchové vrstvě při deposičním procesu. Křehké porušení se s dalším růstem normálového zatížení silně rozšiřuje do okolí vrypu. Obr. 5: Průběh signálu akustické emise Obr. 6: Průběh koeficientu tření první vzorek má zvýšené předpětí, druhý vzorek standardní předpětí.

5 Průběh signálu akustické emise na systémech získaných s rozdílným předpětím na substrátu během deposičního procesu ukazují určitou podobnost obou průběhů (obr. 5). Oba průběhy se zejména liší v počátečních hodnotách, když začíná vznikat a šířit se adhezivně kohezivní porušení křehkého charakteru vyvolávající signál akustické emise. Zatímco první vzorek ukazuje první projevy kolem hodnoty již 10 N, druhý vzorek ukazuje první projevy signálu akustické emise kolem hodnoty 30 N normálového zatížení. Průběh koeficientu tření v závislosti na působící proměnné normálové síle ukazuje podobnost průběhu od začátku vrypu až do hodnot cca 47 N (obr. 6), kde se začíná větev odpovídající vzorku 9 silně odchylovat od větve odpovídající vzorku 12. Je to dáno větším rozšiřováním porušení a deformace vlivem vrypové zkoušky a tím roste koeficient tření. 4. VLIV MEZIVRSTVY Další rozhranní může být tvořeno mezivrstvami vytvářenými buď implantací pod povrch substrátu a nebo deposicí tenké vrstvy na povrch případně modifikací povrchových vrstev. Jednou z metod může být nitridace. Zpevněním povrchu základního materiálu lze vytvořit lepší přechod od substrátu k tenké vrstvě s vyšší mikrotvrdostí. Na povrch substrátu z oceli s nižší tvrdostí byla aplikována nitridace a následně provedena deposice tenké vrstvy. Vzorky byly dále podrobeny vrypové indentaci za srovnatelných podmínek jako výše uvedené vzorky. Na první pohled je patrno (obr. 7), 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 20h), kdežto vzorky po deposici tenkých vrstev mají strukturu povrchu jemnozrnou. 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 na dalším 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 20h nitridace jsou tato drobná porušení jemnější, což ukazuje na lepší přilnavost na povrch 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.

6 Obr. 7: Vrypy postupně 6h nitridace bez TiN, 6h s TiN, 20h bez TiN a 20h s TiN, normálová síla 40 N až 80 N standardní hrot. Obr. 8: Průběhy signálů akustické emise Obr. 9: Průběhy koeficientu tření Průběhy akustické emise potvrzují výše uvedené u morfologie (obr. 8). 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 20h nitridace bez vrstvy ovšem s posunutím k vyšším normálovým silám kolem 40 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 Průběhy tření ukazují poněkud jiný výsledek (obr. 9) a to, že vyšší tření je na povrchu s tenkou vrstvou, což je pravděpodobně dáno tím, že jemné prasklinky kladou větší odpor pohybu indentoru a vyžadují větší tečnou sílu k odtržení, čím větší je odolnost. Otázkou je navíc hloubka proniknutí indentoru, která může být rozdílná vlivem modifikace povrchových vrstev před deposičními procesy a deposičními procesy. Vzorky byly dále podrobeny hodnocení pomocí nanoindentoru. Hodnocení všech systémů probíhalo modem 2 při zatěžování, v časové prodlevě při maximálním zatížení a při odlehčování. Byly zaznamenány indentační křivky při třech různých hodnotách maximálního zatížení a to 200 g, 25 g a 5 g pro zachycení jak modifikace podpovrchových vrstev základního materiálu, tak chování v blízkosti rozhranní a nakonec pro zachycení povrchových vlastností a chování. Obr. 10: Indentační křivky s maximálním zatížením 200 g. Z průběhů indentačních křivek na obr. 10 je patrno větší zpevnění povrchu na vzorkách s 20h nitridací. Vzorek s tenkou vrstvou ukazuje se substrátem 20h nitridace zpevnění povrchu i tenkou vrstvou. Toto se neukazuje na vzorku 6h, což může být dáno menší odolností proti porušení povrchu, jak je patrno z vrypové indentace. Obr. 11: Indentační křivky s maximálním zatížením 25 g. V případě nižšího zatížení (obr. 11) se ukazuje podobnost ve zpevnění povrchových vrstev tenkou vrstvou. Na druhou stranu delší nitridace zapříčiňuje nižší tvrdost povrchových vrstev.

8 Obr. 12: Indentační křivky s maximálním zatížením 5 g. U indentačních křivek obr. 12 je zřejmé, že povrchové vrstvy substrátu 20h mají vyšší tvrdost než 6h. Tenké vrstvy vykazují zvýšení tvrdosti povrchových vrstev. Vyšší tvrdost ukazuje vrstva na substrátu 6h, což vysvětluje křehkou podobu porušení na okraji vrypu většího rozsahu než na vzorku 20h. Může to být dáno i podmínkami úpravy povrchu před deposicí a vlivem deposičního procesu na tyto povrchy. 5. ZÁVĚR Z výsledků je patrno, že rozdílné technologie iontového bombardu jako procesu pro očištění povrchu substrátu před deposičním procesem, ohřevu na deposiční teplotu a vytvoření rozhranní mezi tenkou vrstvou a substrátem výrazně ovlivňují konečný výsledek ve vlastnostech a chování systémů tenká vrstva substrát jak z pohledu adhezivně kohezivního chování tak tvrdosti a elastickoplastického chování. Využití iontového bombardu během růstu tenké vrstvy je též velice významné a ovlivňuje odolnost proti procesu namáhání vrypovou indentací tak, že posouvá vznik a vývoj porušení k vyšším normálovým silám. V neposlední řadě se ukázalo, že pro aplikaci tenkých tvrdých otěruvzdorných vrstev na základní materiály s nižší tvrdostí je vhodné nejdřívě realizovat zpevnění povrchových vrstev např. nitridačním procesem. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MPO, č. projektu FT-TA4/082. LITERATURA [1] I.Stepanek, Correlation between deposition parameters and method for evaluation properties and behaviour system of thin film - substrate, proceedings of conference Matrib 2000 Vela Luka Croatia 2000 [2] 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 [3] ŠTĚPÁNEK, I., Evaluation of mechanical behaviour very different kind of material and thickness of films, sborník mezinárodní konference Matrib 2002, str , Chorvatsko Vela Luka 2002, ISBN