VLIV VYBRANÝCH PARAMETRŮ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU NA VLASTNOSTI A CHOVÁNÍ SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT THE INFLUENCES OF SELECTED PARAMETERS OF TECHNOLOGICAL PROCESS ON PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF SYSTEMS THIN FILM - SUBSTRATE Ivo Štěpánek a, Josef Fait b, Jaroslav Číp c a Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz b PILSEN TOOLS, Tylova 57, 316 00 Plzeň, ČR, fait@pilsentools.cz c CzechCoating, Dolní Bečva 20, 756 55 Dolní Bečva, ČR, j.cip@czechcoating.cz Příspěvek se zabývá hodnocením vlivu vybraných parametrů technologického procesu deposice tenkých vrstev na výsledné vlastnosti a chování systémů tenká vrstva základní materiál. Soustředěná pozornost je na zjištění možností v rozlišení rozdílů ve vlastnostech a chování tenkovrstvých systémů indentačními zkouškami s rozdílnou velikostí normálového zatížení ale i rozdílného způsobu zatěžování povrchových vrstev materiálových systémů. V některých případech jsou totiž rozdíly patrné velmi dobře v jiných případech až při detailnějším komplexním vyhodnocení výsledků. Analyzovány byly tenkovrstvé systémy s tenkými vrstvami vytvořenými nízkonapěťovým reaktivním obloukovým odpařováním ve vakuu. Sledované změny parametrů byly typ vrstvy, předpětí při deposici, mezivrstva a příprava před samotným deposičním procesem. The paper is devoted by evaluation of influence of selected parameters of technology process of deposition thin films on final properties and behaviour of systems thin film substrate. The main attention is on evaluation of possibility to find very small differences of properties and behaviour of thin film systems by indentation tests with different value of normal force and different kind of loading of thin films of material systems. In some case differences are very good analysed, in other cases differences are given after more detail complex analyses of results. There are analysed thin film systems with thin films created by low voltage reactive arc evaporation in vacuum. There are analysed influences of kind of thin films, bias voltage, interlayers and preparing before deposition process. 1. ÚVOD V současné době v rozvoji tenkovrstvých technologií je soustředěná pozornost na vývoj a aplikace nových druhů tenkých vrstev co do chemického složení, strukturních vlastností a rozvrstvení v multivrstvu, gradientní vrstvu, multi nanovrstvu apod. Mnohdy ovšem nemusí být samotné technologické parametry optimální. Optimalizací lze dosáhnout výraznějších úspěchů. Existuje celá řada deposičních parametrů, které ovlivňují výsledné vlastnosti a chování tenkovrstvých systémů a to jak v oblasti makroparametrů tak v oblasti mikroparametrů [1]. Některé parametry je možné řídit, u jiných lze pouze kontrolovat stav a počítat s jejich vlivem. Vyhodnocení vlivů jednotlivých parametrů je velice důležité, ale záleží silně též na metodách hodnocení. Jednou z nejkomplexnějších je vrypová indentace a statická indentace v širokém rozsahu normálového zatížení, kde lze vyhodnocovat nejen základní vlastnosti ale i chování v průběhu indentačního namáhání [2]. 2. VRYPOVÁ INDENTACE Předně byla provedena na vzorkách systémů tenká vrstva základní materiál s tenkými vrstvami vytvořenými při změně vybraných deposičních parametrů vrypová indentace pro zjištění porušování systémů s tenkými vrstvami při tomto druhu namáhání a zjištění rozdílů pro výběr optimálnější deposičních podmínek. Vrypová indentace byla provedena s proměnnou normálovou silou od 0 N do
80 N s diamantovým indentorem Rockwellova typu. Morfologie porušení vrypovou indentací na vzorkách je na obr. 1 a obr. 2. Obr. 1: Morfologie porušení po vrypové indentaci na vzorkách 943-30, 943-SK, 956-30, 956-SK, 5706-30, 5706-SK, 5732-30 a 5732-SK. Vliv chemického složení TiAlN TiAlSiN V případě vlivu chemického složení byly studovány tenkovrstvé systémy TiAlN a TiAlSiN s ostatními podmínkami srovnatelnými. Při vrypové zkoušce dochází dříve k porušení uvnitř vrypu na systémech bez Si. Na druhou stranu na okraji vrypu je patrno více křehkého porušení na systémech s Si. Zpevnění povrchu je výraznější. Vliv předpětí při deposičním procesu Vyšší předpětí má kladný vliv. Posouvá se vznik prvního porušení při vrypové indentaci uvnitř i na okraji vrypu v případě SK substrátu. Je patrno větší zpevnění povrchových vrstev po deposici s vyšším předpětím na základním materiálu. Porušení na okraji vrypu je v případě vyššího předpětí drobnější. Vliv mezivrstvy na rozhranní tenká vrstva základní materiál Studované mezivrstvy jsou TiN a CrN, následně byla nanesená tenká vrstva TiAlN za srovnatelných podmínek. Z vrypové indentace je patrno, že porušení uvnitř i na okraji vrypu vzniká později na systémech s mezivrstvou CrN. Zpevnění povrchu je srovnatelné.
Obr. 2: Srovnání morfologie porušení vrypovou indentací mezi vzorky 943-30, 943-SK, 5706-30, 5706-SK, EXON-30 a EXON-SK. Vliv iontového čištění EXON Iontovým čistěním EXON dochází k většímu zpevnění povrchových vrstev základního materiálu. Porušení při vrypové indentaci je výrazně menší ač dochází na okraji vrypu ke křehkému praskání. Vliv je výraznější na substrátu SK (menší porušení). Zpevnění je výraznější v případě substrátu z rychlořezné oceli. 3. AKUSTICKÁ EMISE A KOEFICIENT TŘENÍ Při vrypové indentaci s proměnnou normálovou silou byl současně prováděn záznam průběhu akustické emise v závislosti na působící normálové síle (obr. 3 a obr. 5) a záznam tečné síly v závislosti na normálové síle (obr. 4 a obr. 6).
Obr. 3: Závislost akustické emise na normálové síle Vliv chemického složení TiAlN TiAlSiN Obr. 4: Závislost koeficientu tření na normálové síle Z AE je patrno, že porušení vzniká dříve na systému bez Si ovšem signál AE je následně větší na vzorku s Si, což ukazuje na větší křehkost povrchových vrstev s Si. Z koeficientu tření plyne větší zpevnění při přítomnosti Si. Vliv předpětí při deposičním procesu V projevu akustické emise jsou výraznější rozdíly v případě substrátu SK. Vzorek s vyšším předpětím na substrátu z rychlořezné oceli vykazuje vyšší křehkost porušení. Dříve se ukazuje porušení v případě substrátu SK. Koeficient tření ukazuje na vyšší zpevnění při větším předpětí při deposici.
Vliv mezivrstvy na rozhranní tenká vrstva základní materiál Z průběhu signálu akustické emise je patrný dřívější růst signálu na vzorku s CrN mezivrstvou na substrátu z rychlořezné oceli, což může být dáno vyšší křehkostí mezivrstev CrN. V případě substrátu SK je rozdíl výraznější ve prospěch CrN mezivrstvy. Z průběhu koeficientu tření je patrno dřívější porušení na vzorku s TiN mezivrstvou v případě substrátu z rychlořezné oceli. V druhém případě nejsou výraznější rozdíly. Zpevnění povrchových vrstev systémů s tenkými vrstvami z nanoindentace vychází větší pro případ mezivrstev TiN, což může být ovlivněno ne zcela srovnatelnými podmínkami deposičního procesu. Obr. 5: Průběh signálu akustické emise ve srovnání se vzorky EXON Obr. 6: Průběh koeficientu tření emise ve srovnání se vzorky EXON
Vliv iontového čištění EXON Akustická emise odráží ve svém průběhu nárust křehkosti. Z koeficientu tření je patrno nejvyšší zpevnění povrchových vrstev na vzorku EXON-SK. Podobně vzorek EXON-30 proti ostatním vzorkách se substrátem 19830 ukazuje nejmenší zvlnění na průběhu koeficientu tření a nejvyšší zpevnění povrchu. 4. NANOINDENTAČNÍ MĚŘENÍ Vzorky se systémy tenká vrstva základní materiál s tenkými vrstvami vytvořenými s rozdílnými deposičními parametry byly dále podrobeny hodnocení nanoindentační zkouškou. Pro měření byl použit mod 2 tedy záznam indentačních křivek v průběhu zatěžování, v časové prodlevě a v průběhu odlehčování. Byla použita maximální zatížení 200 g pro hodnocení základního materialu pod tenkou vrstvou, 25 g pro hodnocení přechodu mezi tenkou vrstvou a substrátem (obr. 7 a obr. 9) a 5 g pro hodnocení tenké vrstvy (obr. 8 a obr. 10). Obr. 7: Indentační křivky s maximálním zatížením 200 g a 25 g Vliv chemického složení TiAlN TiAlSiN Obr. 8: Indentační křivky s maximálním zatížením 5 g Z nanoindentace vyplývá při nejvyšším zatížení zpevnění povrchových vrstev Si příměsí na substrátu z rychlořezné oceli, v případě SK rozdíl není výrazný. Vyšší elastičnost je na vzorkách bez Si. Z hlediska nanotvrdosti při nejmenším zatížení vychází nejvyšší nanotvrdost na vzorku s Si ovšem na SK základním materiálu. Na základním materiálu z rychlořezné oceli je nanotvrdost srovnatelná v obou případech. Z výsledků cyklické nanoindentace vyplývá, že větší zpevňování povrchových vrstev při cyklické indentaci je na vzorkách bez Si, což odpovídá vyšší houževnatosti proti vzorkám s Si. Při menším zatížení je patrno větší zpevnění povrchovou vrstvou a tudíž větší odolnost na vrstvách s Si zejména na substrátu z rychlořezné oceli. Na SK je zachycena podobnost obou systémů.
Vliv předpětí při deposičním procesu Z nanoindentace při nejvyšším zatížení je patrný růst zpevňování povrchových vrstev s růstem předpětí při deposici zejména na substrátu z rychlořezné oceli. Na samotnou tenkou vrstvu má předpětí kladný vliv v obou případech substrátů, tedy růst nanotvrdosti. Z cyklické nanoindentace s nejvyšším zatížením se ukazuje vyšší odolnost proti vnikání indentoru na substrátu z rychlořezné oceli s růstem předpětí při deposici. Na substrátu SK výraznější změny nejsou patrny. Vliv mezivrstvy na rozhranní tenká vrstva základní materiál Samotná tenká vrstva ukazuje vyšší nanotvrdost na mezivrstvě CrN. Cyklická nanoindentace při vyšším zatížení ukazuje podobný výsledek jako jednoduchá nanoindentace se stejným maximálním zatížením. Cyklická nanoindentace při menším zatížení ukazuje na rozvrstvení vlastností dílčím zhuštěním a uvolněním na substrátu z rychlořezné oceli s mezivrstvou CrN. V případě substrátu SK je zpevnění povrchových vrstev vyšší na mezivrstvě CrN. Obr. 9: Indentační křivky s maximálním zatížením 200 g a 25 g Obr. 10: Indentační křivky s maximálním zatížením 5 g Vliv iontového čištění EXON Růst zpevnění je též patrný z nanoindentačních měření zejména v případě základního materiálu z rychlořezné oceli. Též samotná tenká vrstva vykazuje růst nanotvrdosti při aplikaci EXON. Vzhledem k větší tvrdosti ale tím křehkosti povrchových vrstev dochází při cyklické nanoindentaci zpočátku k výraznějšímu pronikání, až později je více bráněno pronikání indentoru. Při nižším zatížení je již odolnost vyšší a nejmenší zatížení odráží vyšší křehkost na substrátu SK. 5. ZÁVĚR V rámci tohoto příspěvku byl prezentován vliv vybraných technologických parametrů na vlastnosti a chování systémů tenká vrstva základní materiál. Jedním z nejdůležitějších parametrů je samotný základní materiál a příprava jeho povrchu před deposičním procesem. Významný vliv mají přidané
příměsi do jednodušších tenkovrstvých systémů ale je vždy otázkou, zda jsou žádány spíše vyšší tvrdosti a to na úkor křehkosti a nebo zachování vyšší houževnatosti. Velice důležitá je příprava rozhranní mezi tenkou vrstvou a základním materiálem výběrem vhodné mezivrstvy a přípravou povrchu substrátu iontovým bombardem. Energii dopadajících částic a tím jejich zakotvení silně ovlivňují parametry předpětí při deposici a pracovní tlak. Velice důležité je ovšem porovnávat změny vlivem různých deposičních parametrů nejen na základě jednoduchých vlastností ale i chování v průběhu různých druhů namáhání i samotným procesem vnikání indentorů různých geometrických i materiálových charakteristik a zvoleným rozsahem normálového zatížení. Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MPO, č. projektu FT-TA4/082. Literatura 1. ŠTĚPÁNEK, I., Correlation between deposition parameters and method for evaluation properties and behaviour system of thin film - substrate, sborník mezinárodní konference Matrib 2000 Vela Luka Chorvatsko 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 953-7040-10-0