POROVNÁNÍ CHOVÁNÍ PŘI INDENTAČNÍM PROCESU NAMÁHÁNÍ SYSTÉMŮ S TENKÝMI VRSTVAMI PACVD

Transkript

1 POROVNÁNÍ CHOVÁNÍ PŘI INDENTAČNÍM PROCESU NAMÁHÁNÍ SYSTÉMŮ S TENKÝMI VRSTVAMI PACVD COMPARISON OF BEHAVIOUR DURING INDENTATION STRESS OF SYSTEMS WITH PACVD THIN FILMS Ivo Štěpánek a, Kateřina Macháčková a, Denisa Netušilová a František Černý b, Slavomír Hořejš c a Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz b ČVUT v Praze, Technická 4, Praha 6, ČR, fcerny@cvut.cz c VUHŽ a.s.,, Dobrá, ČR, horejs@vuhz.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá porovnáním mechanického chování a odolnosti vybraných systémů tenká vrstva základní materiál při indentačních zkouškách. Hodnoceny jsou různé systémy s tenkými vrstvami připravenými nízkoteplotní metodou PACVD. Metody hodnocení jsou statická indentační zkouška s různou velikostí normálového zatížení a vrypová indentační zkouška. Systémy jsou velmi rozličné mechanické odolnosti, velmi různé tloušťky vrstev, s různým charakterem porušení. Zvolené metody byly modifikovány pro zachycení malých rozdílů a pro studium velmi málo odolných materiálových systémů pro možnost zachycení vzájemných rozdílů. The paper is devoted by comparison of mechanical behaviour and resistivity of selected sytems thin films basic material during indentation stress. There are evaluated different systems thin films - substrate. Thin films was deposited by low temperature PACVD method. The method for evaluation are statical indentation tests with diffferent range of values of normal forces and scratch indentation test. The systems thin film substrate has very different mechanical resistivity, very different thickness and different kind of failures. The evaluated method was modificated for catching small differences and for evaluation less resistant materials systems. 1. ÚVOD V tomto příspěvku je zaměřen pohled na studium vybraných systémů tenká vrstva substrát vytvořených při řešení projektu indentačními zkouškami a analýzu chování těchto systémů při indentačním namáhání a rozvoji porušování vlivem těchto indentačních způsobů namáhání. Indentační zkoušky, které byly použity jsou vrypová indentační zkouška, statická indentační zkouška při různých velikostech normálových sil [1] a nanoindentační zkouška [2]. Při indentačních zkouškách byly voleny různé druhy indentorů, které způsobují jiný druh namáhání povrchu materiálových systémů [3] a dávají možnost zmírnit agresivitu indentace, zvýšit agresivitu indentace, zjemnit hodnocení, vyvolat různá druhy namáhání apod. Cílem hodnocení a rozvoje metodik analýz je porovnat studované systémy tenká vrstva substrát, nalézt rozdíly i v případě méně odolných systémů a určovat druhy porušení a jejich příčiny. 1

2 2. VRYPOVÁ INDENTAČNÍ ZKOUŠKA Nejvíce namáhány jsou systémy vrypovou indentační zkouškou. Měření byla provedena v modu s proměnnou normálovou silou působící na indentor od minimální normálové síly 0 N až po maximální sílu 40 N při konstantním nárůstu její velikosti. Při vrypové zkoušce se vzorek pohybuje konstantní rychlostí pod indentorem. Tato zkouška dává komplexní a složitý proces namáhání povrchu. Ovšem je často problém od sebe oddělit několik druhů namáhání a nalézt hlavní příčiny vzniku porušení a prvotnost porušení. Výsledné morfologie vrypů na vybraných vzorcích jsou uvedeny níže (obr. 1 a 2). Hodnocení byla provedena na sadách vzorků , 643, 654, , 713, 714, , 716, , 710, 711. Obr. 1: Zdokumentovaná morfologie provedených vrypů se zvýrazněním porušení uvnitř a v okolí vrypů pomocí Nomarského DIC. Měření postupně na vzorcích 642, 643 a 654. (první část), Měření postupně na vzorcích 712, 713 a 714. (druhá část) Normálová síla je zde od 0 N do cca 40 N. 2

3 Obr. 2: Zdokumentovaná morfologie provedených vrypů se zvýrazněním porušení uvnitř a v okolí vrypů pomocí Nomarského DIC. Měření postupně na vzorcích 715 a 716. (první část), Měření postupně na vzorcích 709, 710 a 711. (druhá část) Normálová síla je zde od 0 N do cca 40 N. Z průběhu porušení první serie vzorků v okolí a uvnitř vrypů je patrno (obr. 1), že i když jsou všechny tři systémy připraveny za srovnatelných deposičních podmínek, přesto jsou výrazné rozdíly v chování povrchů všech tří systémů. Toto může být dáno vlivem dalších makro či mikro parametrů procesu deposice, které nebyly při deposici zaznamenány. Předpokládáme, že stav povrchu základního materiálu před deposicí, drsnost, tepelné zpracování, modifikace povrchových vrstev předdeposičními procesy, jsou stejné. Rozdíly mohou být dány např. rozdílnou geometrií při deposici. Rozdíly jsou patrny již od samého začátku vrypu rozdílnou velikosti kohezivního porušování, největší je na vzorku 654 a nejjemnější na vzorku 643 (obr. 1 první část). S rostoucí normálovou silou je patrno, že na vzorku 654 dochází k výraznému trhání vrstvy uvnitř vrypu, kdežto u vzorku 642 je uvnitř vrypu povrch hladší. Též charakter porušení je jiný. U vzorku 642 je menšího rozsahu ale formou pozvolnějšího porušení s většími šupinami praskání. U vzorku 643 jsou šupiny menší ale velmi zhuštěné. U vzorku 654 je celkově porušení menší v porovnání s oběma vzorky. Z obrázků je ovšem patrno, že u všech vzorků vypadal povrch před vrypovou zkouškou rozdílně vzhledem k morfologii a drsnosti, což může též ovlivnit průběh porušení při vrypové zkoušce. Další tři vzorky jsou opět vytvořeny za srovnatelných podmínek, přesto jsou vidět rozdíly v porušování vrypovou zkouškou (obr. 1 druhá část). Zde jsou rozdíly méně patrné, což je dáno zejména rozdílnou tloušťkou vrstev první serie a druhé serie. V prvém případě je tloušťka vrstev větší. Porušení jde opět již od začátku vrypů. Vzorek 714 má porušení podobné jako vzorek 654. Porušení je jen menšího rozsahu. Z počátku vrypu je více odolný 3

4 vzorek 712 než 713, ovšem s rostoucí normálovou silou dochází k větší expanzi porušení na vzorku 713 a s dalším růstem normálové síly dokonce překračuje i velikost porušení na vzorku 714. K vysvětlení by bylo potřeba znát mnohem více parametrů deposičního procesu, např. mohlo dojít k větší modifikaci čí degradaci základního materiálu pod povrchovou vrstvou vlivem deposičního procesu. Při malých normálových silách má nejvýhodnější vlastnosti vzorek 713, při vysokých normálových silách naopak vzorek 712. Porušení je zejména kohezivním praskáním povrchových vrstev většinou zasahujících až do základního materiálu. Na třetí serii vzorků je rozdíl nejvýraznější (obr. 2 první část). Opět jsou pro oba vzorky srovnatelné deposiční parametry. Porušení na začátku vrypu je menší než u předcházejících seriích ovšem rychle narůstá. Charakter porušení je u obou vzorků podobný ovšem mnohem větší plocha porušení je na vzorku 715. Vzhledem k velmi malé tloušťce se projevuje i výrazné porušení samotného povrchu základního materiálu. Poslední zde uvedená serie vzorků za srovnatelných podmínek připravených opět ukazuje na rozdíly (obr. 2 druhá část). Jemnější kohezivní porušení mají povrchy vzorků 710 a 711. Vzorek 710 ukazuje na výraznější porušení uvnitř vrypu, kdežto vzorek 711 má porušení výraznější na kraji vrypu, toto kohezivní porušení s rostoucí normálovou silou se rozrůstá a zasahuje stále hlouběji do vnitřku vrypu. Vzorek 711 se porušuje nejvíce s velmi rychlým nárůstem kohezivního praskání jak povrchových vrstev tak hlubších vrstev základního materiálu. Ukazuje se, že povrch základního materiálu pod povrchovou vrstvou je křehký a silně podléhá porušení vrypovou zkouškou. je patrné i velké rozšiřování vrypové stopy, což je též dáno vlastnostmi podpovrchových vrstev základního materiálu. 3. STATICKÁ INDENTACE V druhé části experimentů byly provedeny statické indentace stejným indentorem jako u vrypové indentaci. Byly provedeny indentace s maximálními silami 30 N, 60 N a 90 N a studovány vtisky po těchto indentacích, deformace v okolí vtisků, porušení uvnitř a na kraji vtisků. Při těchto indentačních zkouškách je omezeno namáhání proti komplexnímu u vrypové indentaci a lze vyloučit některé faktory ovlivňující výsledky hodnocení. Níže jsou uvedeny soulepy fotografií morfologií vtisků provedených na stejných seriích vzorků jako při vrypové indentaci (obr. 3 a 4). Přehledový soulep morfologií vtisků postupně při maximálním zatížení 30 N, 60 N a 90 N (sloupce) pro vzorky 642, 643 a 654 (řádky). Obr. 3: Soulep detailů morfologií vtisků postupně při maximálním zatížení 30 N, 60 N a 90 N pro vzorky 642, 643 a 654 (první část) a pro vzorky 712, 713 a 714 (druhá část). 4

5 Obr. 4: Soulep detailů morfologií vtisků postupně při maximálním zatížení 30 N, 60 N a 90 N pro vzorky 715 a 716 (první část) a pro vzorky 709, 710 a 711 (druhá část). Z výsledků vtisků statických je patrný obdobný rozdíl v porušování systémů tenká vrstva substrát jako u vrypové zkoušky. Při malé normálové síle 30 N není patrno porušení u vzorku 642, kdežto u vzorku 654 je porušení již poměrně rozsáhlé s odtržením vrstvy až do základního materiálu (obr. 3). U vzorku 642 je v detailním pohledu patrno propadnutí tenké vrstvy v okolí vtisku. Nejvíce se porušuje systém 654. Z druhé serie vtisků je vidět opět (obr. 3 druhá část), že porušení adhezivně kohezivního charakeru je největšího rozsahu, ač menšího než u prvního souboru vzorků, u vzorku 714 a nejmenší porušení je u vzorku 712. Detailní pohled ukazuje na obdobný charakter u všech třech vzorků jen rozdílného rozsahu. Při zatížení 30 N se vzorky 712 a 713 neporušily. Z výsledků vtisků na vzorcích 715 a 716 je patrno (obr. 4 první část), že porušení při 30 N je jen drobné na vzorku 715 a na vzorku 716 patrno není, což je rozdílné proti vrypové zkoušce. Při vyšším zatížení porušení roste na vzorku 715, ale charakter je podobný jako u vzorků v předchozích seriích. Vzorek 716 ukazuje jen deformaci a propadnutí jemnějšího charakteru v okolí vtisku. V poslední serii vtisků je patrný na první pohled rozdíl ve velikosti vtisků (obr. 4 druhá část). U vzorku 709 je velikost vtisků mnohem větší než u dalších dvou i v porovnání se vzorky z ostatních serií i charakter porušení je výrazně jiný. Vzorek 710 ukazuje již malé porušení při 30 N s praskáním vrstvy až do základního materiálu, expanze porušení je ovšem menší než v ostatních seriích. U vzorku 711 je při 30 N jen drobné kohezivní praskání, s rostoucím zatížením vrstva na kraji vtisku se propadá a při 90 N vyvolává i adhezivně kohezivní odlupování vrstvy. 4. NANOINDENTACE Další indetační zkouškou, která byla využita je nanoindntační zkouška, která nám dává možnost stanovovat základní mechanické vlastnosti ale i chování povrchu tenkovrstvých systémů při indentační zkoušce. Proti předchozím zkouškám je tato indentace při velmi malých normálových silách, tím dochází k malé hloubce proniknutí indenotru, k malé deformaci, jsou hodnoceny jen povrchové vrstvy apod. Na druhou stranu lze hodnotit i velmi málo odolné systémy povrchových vrstev a hledat mezi nimi rozdíly. Jako indentor byl použit Vickersův jehlan, což na druhou stranu může působit jako drastičtější namáhání vzhledem k ostré hraně a tím iniciaci trhlin. Je možno sledovat, zda dochází k iniciaci a šíření trhlin 5

6 vlivem indentace. Byla provedena měření při dvou různých velikostech normálových sil a to 200 g pro hodnocení v hloubkách až do povrchových vrstev základního materiálu a 25 g pro hodnocení v hloubkách přechodu přes rozhranní mezi vrstvou a základním mateiálem. Níže jsou uvedeny indentační křivky změřené na jednotlivých sadách vzorků při velikosti maximálního normálového zatížení 200 g (obr. 5 a 6). Obr. 5: Indentační křivky získané z měření na vzorkách 642, 643, 654 s maximálním normálovým zatížením 200 g. (černá 642, modrá 643, červená 654) a na vzorkách 712, 713, 714 s maximálním normálovým zatížením 200 g. (černá 712, modrá 713, červená 714) Obr. 6: Indentační křivky získané z měření na vzorkách 715, 716 s maximálním normálovým zatížením 200 g. (černá 715, modrá 716) a na vzorkách 709, 710, 711 s maximálním normálovým zatížením 200 g. (černá 709, modrá 710, červená 711) Z indentačních křivek získaných z měření na prvé serii vzorků je patrno (obr. 5 - první), že dochází při pronikání indentoru do hloubky k praskání povrchových vrstev při měření s maximálním zatížením 200 g, což je vidět ze schodů na křivkách. Nejvýraznější to je na vzorku 654, kde je zaznamenána i největší plastická deformace. Menší stupně podobného charakteru jsou vidět na křivkách ze vzorku 643. Nejméně výrazné to je na vzorku 642. Při nastavení maximálního zatížení 25 g je patrno jen jemné zvlnění křivek, ale porušení je patrno z výraznější plastické deformace. Ve druhé serii vzorků jsou drobné stupně zaznamenány jen u vzorku 714 při indentační křivce s maximálním zatížením 200 g (obr. 5 - druhý), výraznější plastická deformace je patrna na vzorkách 713 a 714. Na indentačních křivkách s maximálním zatížením 25 g není patrno porušení, nepravidelné náběhy křivek jsou dány morfologií povrchu. 6

7 Ve třetí serii vzorků z průběhu indentačních přivek při obou maximálních zatížení jak 200 g tak 25 g není patrno porušení hladkosti křivek (obr. 6 - první). V poslední serii měření je patrno především výrazné porušení a proniknutí indentoru do větší hloubky a výraznější plastická deformace u vorku 709 (obr. 6 - druhý), což ukazuje na změnu povrchových vlastností základního materiálu vlivem deposičního procesu a nebo na rozdílné vlastnosti substrátu u tohoto vzorku před deposičním procesem. 5. HODNOCENÍ VTISKŮ PO NANOINDENTACI Po nanoindentačním měření byly provedené vtisky v povrchových vrstvách studovány pod světelným mikroskopem se zvýtrazněním pomocí Nomarského DIC. Bylo studováno porušení i při takto malých normálových silách a šíření trhlin v okolí vtisků. Níže jsou uvedeny soulepy morfologií vtisků provedených na uvedených seriích vzorků (obr. 7 a 8). Obr. 7: Soulep detailů morfologií vtisků vytvořených při zatížení 200 g pro vzorky 642, 643 a 654 (v řádcích) a pro vzorky 712, 713 a 714. Obr. 8: Soulep detailů morfologií vtisků vytvořených při zatížení 200 g pro vzorky 715 a 716 a pro vzorky 709, 710 a 711 Ze soulepu vtisků získaných z nanoindentačního měření je patrno, že i při takto malých normálových zatížení se tyto systémy vrstva substrát výrazně porušují, dochází k praskání a prolamování povrchových vrstev na některých vzorkách. V prvé serii vzorků je patrno, že praskání v okolí vtisků odráží výše diskutované průběhy indentačních křivek (obr. 7 - první). Nejvíce praská povrch vzorku 654, méně 643 a nejmenší i když stále velké je na povrchu 642, což ovšem již v křivkách zachyceno nebylo. Při zatížení 25 g porušení již není výrazné, jen na vzorku 643 jsou patrny jemné trhlinky vedoucí z vrcholů vtisků. 7

8 Druhá serie vtisků ukazuje na to (obr. 7 - druhý), že povrch vzorku 714 se celý v oblasti vtisků odlupuje, na vzorku 713 je též velké odlupování povrchových vrstev ale menšího rozsahu. U vzorku 712 jsou patrny iniciace lokálním praskání vlivem jednotlivých vtisků. Při menším zatížení 25 g jsou patrny trhliny od vtisků na vzorku 714. Třetí serie vtisků ukazuje (obr. 8 první) na prolamování povrchových vrstev s menším odlupováním v jejich okolí. Oba vzorky se zde jeví podobně jak 715 tak 716. Při nižším zatížení je výraznější prolamování povrchu na vzorku 716 a jen drobné na povrchu vzorku 715. Poslední serie ukazuje (obr. 8 - druhý) nejkontrastnější rozdíly v chování při nanoindentačním namáhání. Vzorek 709 ukazuje na povrchu v okolí vtisků drobné deformace a porušení, ale velikost vtisků je postatně větší, jak již bylo uvedeno. Vzorek 710 se silně porušuje deformací a propadáním vrstvy a jejím praskáním až do substrátu. Na vzorku 711 je porušení výrazně menší ale stále dobře patrné. 6. ZÁVĚR Indentační zkoušky vrypové a statické s velice rozdílnými velikostmi působících normálových sil dávají možnost citlivého rozlišení i malých rozdílů v chování systémů tenká vrstva substrát tímto charakterem namáhání. Vrypová zkouška je komplexní zkouška, poměrně drastická ve standardním použití. Při použití proměnné normálové síly je v jednom vrypu zachyceno chování při různých normálových silách, povrch je zatěžován deformací, porušením podpovrchových vrstev základního materiálu apod., dále je zatěžován zejména třením indentoru o povrch systému a dalšími faktory. V komplexnosti lze mezi sebou jednotlivé systémy výborně porovnat. Pro nalezení příčin a jemných rozdílů je dobré hodnocení doplňovat statickou indentační zkouškou s volbou různých indentorů a velikosti normálových zatížení. Statické indentace vyvolává namáhání povrchu menším množstvím činitelů a lze lépe usuzovat na příčinny vzniku porušení. Ještě jemnější rozlišení je dosahováno nanoindentační zkouškou, kde jsou rozdíly zachyceny jak v průběhu indentačních křivek tak v porušení v okolí vtisků indentací vytvořených. Pomocí indentačních metod s různou velikostí normálového zatížení a volbou různých druhů indentorů lze s výhodou hodnotit velice rozdílné tenkovrstvé systémy, méně odolné systémy i vysoce odolné systémy a dát do souvislosti jemné rozdíly v deposičních parametrech. Je možné zachytit nereprodukovatelnosti deposice při správném započtením vlivů ovlivňujících průběh indentačních měření zejména nanoindentace. Literatura Příspěvek je prezentován v rámci řešení projektu č. FT-TA/ 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., Conversion of analytic methods from microindentation evaluation to the nanoindentation evaluation of special materials, sborník mezinárodní konference Matrib 2003, str , Chorvatsko Vela Luka 2003, 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