COMPARISON OF SYSTEM THIN FILM SUBSTRATE WITH VERY DIFFERENT RESISTANCE DURING INDENTATION TESTS. Matyáš Novák, Ivo Štěpánek

Transkript

1 POROVNÁNÍ SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT S VELICE ROZDÍLNOU ODOLNOSTÍ PŘI INDENTAČNÍCH ZKOUŠKÁCH COMPARISON OF SYSTEM THIN FILM SUBSTRATE WITH VERY DIFFERENT RESISTANCE DURING INDENTATION TESTS Matyáš Novák, Ivo Štěpánek Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá hodnocením vlastností a chování systémů tenká vrstva základní materiál s velice rozdílnou odolností vůči mechanickému namáhání. Cílem příspěvku je porovnání vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát připravených metodou PA CVD. Výsledky napomáhají k postupné optimalizaci deposičních parametrů a studiu vlivu jednotlivých deposičních parametrů na výsledné chování tenkovrstvých systémů. Studovány jsou tenké vrstvy TiN a TiCN s velice rozdílnou tloušťkou a její homogenitou přes vzorek. The paper is devoted by evaluation of properties and behaviour of systems thin film substrate with very different resistivity to mechanical stress. The goal of paper is comparison of properties and behaviour of systems thin film substrate prepared by PA CVD method deposition. The result help step by step optimalisation of deposition parameters and analysis of influence deposition parameters on resulted behaviour of thin films systems. There are study thin films TiN and TiCN with very different thickness and homogeneity across sample. 1. ÚVOD Deposice tenkých vrstev různými technologiemi vyžadují stále důkladnou optimalizaci technologických procesů. Pro hodnocení vlastností a chování systémů tenká vrstva základní materiál existuje řada analytických metod. Analytické metody hodnocení mají svá omezení použitelnosti. Hodnocení tvrdosti a mikrotvrdosti je důležité, též i odolnost proti indentaci a proti rozvoji porušení v okolí stop po indentačních měření [1]. Při postupné optimalizaci deposičních parametrů je potřeba hodnotit i málo odolné systémy materiálů a přesto najít rozdíly ve vlastnostech a chování pro vyhodnocení vlivů deposičních parametrů, přestože odolnost není stále dostačující [2]. 2. VRYPOVÁ INDENTAČNÍ ZKOUŠKA Byla provedena hodnocení vrypovou indentační zkouškou sady vzorků, které se liší určitými deposičními parametry. Tenké vrstvy byly připraveny metodou nízkoteplotního povlakování chemickou deposicí PA CVD. Tenké vrstvy se velmi liší jak v tloušťce tenké vrstvy, tak v mechanické odolnosti. Vrypová indentační zkouška byla provedeny na přístroji CSEM REVETEST. Parametry měření byly nastaveny na proměnnou normálovou sílu s konstantním nárůstem její velikosti. Hodnota normálové síly se pohybovala od 0 N do 80 N. Použitý indentor byl diamantový hrot Rockwellova typu s poloměrem zakřivení špičky indentoru 0.2 mm. Níže na obr. 1 jsou uvedeny morfologie vrypů provedených v površích ve vybraných systémech tenká vrstva základní materiál. Studovány jsou zde vzorky s tenkými vrstvami připravenými PA CVD technologií s označením vzorků G1, G2, G3, G4a (zde měřeno na dvou různých místech 1 a 2), G4b (opět měřeno na místě 1 a 2), G5a a G5b.

2 METAL 2008 Obr. 1: Morfologie vrypů v systémech s označením vzorků postupně G1, G2, G3, G4a (zde měřeno na dvou různých místech 1 a 2), G4b (opět měřeno na místě 1 a 2), G5a a G5b. Na obr. 1 je uveden souhrn všech vrypů pro možnost porovnání vzniku a průběhu porušení s rostoucí normálovou silou na různých systémech s tenkými vrstvami s označením postupně z leva G1, G2, G3, G4a(1 a 2), G4b (1 a 2), G5a a G5b. Na první pohled jsou patrné rozdíly. Nejjemnější porušení je na vzorku G2, pak na G1, GB, G3. Největší porušení je patrno na vzorkách G4 A i B a navíc vzorky nemají homogenní vrstvy a vlastnosti se liší v různých místech vzorku. Velikost porušení u jednotlivých vzorků je výrazně ovlivněna i tloušťkou tenké vrstvy. Vzorek G2 má nejmenší tloušťku. Nemusí to být ovšem pravidlem. Vzorek G3 má větší tloušťku než vzorky G5A a G5B, přesto odolnost má větší. Co se týče vzniku prvních porušení, jsou vzorky všechny podobné, rozdílná je expanze porušení a velikost porušení a charakter porušení. Obr. 2: Souhrn průběhů signálu akustické emise Na obr. 2 je souhrn průběhů signálu akustické emise na všech vzorkách, podle změn deposičních parametrů je možné usuzovat na změny. Lze též říci, že signál akustické emise závisí na tloušťce povrchové vrstvy jednak z pohledu jejího porušování a jednak z pohledu zpevnění povrchu substrátu.

3 Obr. 3: Souhrn průběhů koeficientu tření Podobně průběh signálu koeficientu tření (obr. 3) pro všechny vzorky souhrnně. Změny lze vysvětlovat podobně jako v případě akustické emise a dále koeficient tření narůstá z důvodu hlubšího proniknutí do materiálového systému a mění se s rostoucím podílem třecí plochy substrátu. 3. STATICKÁ INDENTACE Jako další měření byla provedena statická indentace na výše uvedených vzorkách opět na přístroji scratch tester, ale v režimu statické indentace. Cílem těchto měření je zjemnění zkoušky a omezení složitého namáhání povrchu pro další rozlišení rozdílů mezi systémy tenká vrstva substrát. Parametry měření byly normálové zatížení postupně 30 N, 60 N a 90 N. Použitý indentor diamantový hrot Rockwellova typu s poloměrem zakřivení špičky hrotu 0.2 mm. Obr. 4: Morfologie vtisků v systémech s označením vzorků postupně G1, G2, G3, G4a (zde měřeno na dvou různých místech 1 a 2), G4b (opět měřeno na místě 1 a 2), G5a a G5b.

4 Na obr. 4 je uveden pro přehlednost soulep obrázku ze všech vzorků, je patrný vznik a rozvoj porušení s rostoucí normálovou silou. Vzorek 4a a 4b nemají chování stejné po celé ploše vzorku. Dochází k velkému propadání vrstvy na všech místech, ovšem velikost porušení se liší, jak bylo uvedeno výše. Menší porušení je pak na vzorku 5b a 5a. Vzorek 5a má výrazně větší vtisky, což je dáno teplotním ovlivněním povrchu substrátu deposicí. Podobně jako výše. Zde je soulep vtisků při větším zvětšení. Můžeme pozorovat rozdíly mezi vzorky 1, 2 a 3 díky zvětšení pro detailní hodnocení. U vzorku 1 je jen nepatrné kohezivní porušení na okraji vtisku, u vzorku 2 vznikají kruhové trhliny směrem od vtisku vrásněním povrchu a u vzorku 3 je výraznější adhezivně kohezivní praskání. 4. NANOINDENTACE Měření nanoindentační byla provedena třemi hodnotami maximálního normálového zatížení a to 200 g, 25 g a 2 g pro zachycení změn v samotném základním materiálu, pro zachycení vlivů na rozhranní a pro zachycení vlastností a chování samotných povrchových vrstev. Obr. 5: Souhrn indentačních křivek s maximálním zatížením 200 g Na obr. 5 je uveden souhrn indentačních křivek při 200 g pro všechny vzorky a různá měřená místa. Na první pohled je zřejmá modifikace povrchu vlivem teploty deposice na vzorku 5a a pravděpodobně i částečně na vzorku 4a, kde vliv bude mít též výrazné porušení. Naopak největší zpevnění povrchu je u vzorku 5 b a pak jsou již vzorky podobné s drobnými rozdíly jak je patrno z obr.5. Obr. 6: Souhrn indentačních křivek s maximálním zatížením 25 g Na obr. 5 jsou průběhy indentačních křivek při 25 g zatížení. Tento souhrn ukazuje podobný výsledkem jako při 200 g. Nejnižší tvrdost ukazuje povrch na vzorku 5a a současně nejvýraznější plastickou deformaci. Druhým extrémem je vzorek 5b.

5 Obr. 7: Souhrn indentačních křivek s maximálním zatížením 2 g Ze souhrnu indentačních křivek při 2 g (obr. 7) je zřejmý rozdílný charakter chování vzorku 4b na místě 2. Vzhledem ke složité morfologii dochází k praskání povrchu a to se projevuje výraznou plastickou deformací na indentační křivce. Ostatní průběhy se těžko srovnávají, neboť jsou při tomto zatížení silně ovlivněny stavem povrchu a jeho morfologií. Obr. 8: Souhrn indentačních křivek s maximálním zatížením 2 g detailní pohled Na obr. 8 jsou uvedeny v detailu indentační křivky všech vzorků bez vzorku 4b2. Jsou patrny rozdíly v elasticko plastickém chování vrstvy, ale může být dáno porušováním povrchových vrstev. Výraznější plastická deformace je např. u vzorku 1 a 3. Nejvyšší tvrdost samotné vrstvy se zde jeví u vzorku 5a. 5. TLOUŠŤKA TENKÝCH VRSTEV A CHEMICKÉ SLOŽENÍ Tloušťka tenkých vrstev byla měřena jednak kalotestem a jednak současně s hloubkovým profilem chemického složení pomocí GDOES. Obr. 9. Hloubkový profil chemického složení pro vzorek 1.

6 Hloubkový profil má homogenní průběh přes tloušťku vrstvy u vzorku 1 (obr. 9). U Ti je patrno lokální maximum a naopak u N lokální ač nepatrné minimum. Tloušťka z těchto měření vychází cca kolem 1.5 mikrometru. Obr. 10. Hloubkový profil chemického složení pro vzorek 2. Vzorek 2 ukazuje z těchto měření velmi malou tloušťku okolo 200 nm (obr. 10), spíše to ukazuje na špatné podmínky pro zapálení doutnavého výboje při analýze vzhledem ke stavu povrchu, neboť dochází k rychlému poklesu Ti ale i N a kolísání C. Obr. 11. Hloubkový profil chemického složení pro vzorek 3. Průběh na vzorku 3 je podobný jako na vzorku 1 (obr. 11), nepatrný rozdíl je v průběhu N na rozhranní. Tloušťka je též cca kolem 1.5 mikrometru z tohoto měření. Obr. 12. Hloubkový profil chemického složení pro vzorek 4a. Průběh na vzorku 4a je výrazně jiný (obr. 12). Zde není lokální minimum N. Ti má změnu charakteru poklesu kolem cca 1.2 mikrometru hloubky. Tloušťka je větší cca kolem 1.7 mikrometru.

7 Obr. 13. Hloubkový profil chemického složení pro vzorek 4b. Podobný průběh jako na vzorku 4a je i na 4b (obr. 13), jen změna poklesu je pozvolnější. Tloušťka je podobná. Je nutno ovšem poukázat na to (i u vzorku 4a), že tloušťka je průměrovaná přes určitou oblast vzorku, neboť se ukázala z měření rtg fluorescenční analýzou nehomogenní po ploše vzorku. Obr. 14. Hloubkový profil chemického složení pro vzorek 5a. Na vzorku 5a není průběh Ti homogenní přes tloušťku (obr. 14), má lokální maximum při hloubce cca 0.4 mikrometru. Z průběhu N a C je patrno, že se chemické složení mění, N ubývá, rozhranní je širší, což je dáno tepelným ovlivněním substrátu deposicí. Tím jde hůře určit tloušťku, je cca kolem 1.3 mikrometru. Obr. 15. Hloubkový profil chemického složení pro vzorek 5b. Vzorek 5b (obr. 15) ukazuje pozvolnější pokles Ti než u 5a, rozhranní je užší, ale stále širší než u vzorků 1,2,3 a 4. Změny C a N jsou podobné. Tloušťka je cca v rozmezí 1.3 až 1.4 mikrometru

8 Obr. 16. Hloubkový profil chemického složení pro všechny vzorky na srovnání. Zde je uveden (obr. 16) souhrn hloubkových profilů pro srovnání. Nejmenší tloušťka je u vzorků 1 a 3 (nepočítaje 2, spíše lze usuzovat na náběh výboje při analýze), největší je pak u vzorků 4. Homogenní průběh je u vzorků 4, 1 a 3. Široké rozhranní je u vzorků ZÁVĚR Byly provedeny analýzy sady vzorků indentačními zkouškami a pomocí GDOES. Byly zjištěny výrazné rozdíly mezi vzorky. Rozdíly v chování během indentace jsou v případě rozdílných tlouštek tenkých vrstev. Bylo zjištěno např., že vzorky 4a a 4b mají nehomogenní vlastnosti přes plochu vzorku a to jak co se týče tloušťky tak co se týče mechanických vlastností a chování. Vzorek 5a byl deposičním procesem teplotně ovlivněn a změnily se povrchové vlastnosti substrátu. Vzorek 5b má podobné vlastnosti a chování, ale nedošlo k tak výraznému ovlivnění. Rozdíly v chování jsou též i dle způsobu namáhání statickou indentací rozdílnými indentory a vrypovou indnetací při různých velikostech normálového zatížení. Vzorky se liší výrazně i původní morfologií povrchu, což ovlivňuje průběh analýz. Podle tloušťky a průběhu na rozhranní se mění i chování v průběhu indentace. Nejodolnějšími systémy se jeví systémy na vzorkách 5b, 3 a 1 ač u všech vzniká porušení již u malých normálových sil při vrypové zkoušce a povrchy na nich se chovají rozdílně s rozdílným charakterem porušení. Co se týče statické indentace pak má nejlepší chování systém na vzorku 1, což ale může být dáno například tím, že se porušení výrazně neprojeví vzhledem k tloušťce. Příspěvek je presentován v rámci řešení projektu č. FT-TA4/082 Literatura 1. 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 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