Адгезионные свойства тонких пленок и методы их измерения Содержание Введение........................................................................ 1 Влияние подложки на пленку...............................................2 Методы контроля адгезии ...................................................3 Методы отрыва и отслаивания .............................................4 Метод крацевания ............................................................ 7 Метод перпендикулярных рисок ......................................... 8 Метод штифтов ............................................................... 10 Метод истирания ............................................................. 11 Прочие механические методы ............................................. 12 Вывод ........................................................................... 13 Введение Рис.1. — пленка SiC, полученная на поверхности Si(111), (пленка, ”висящая“ над полостями подобно мосту); [3] Одной из важнейших характеристик покрытий является прочность их сцепления с подложкой. В большинстве работ по получению пленок изучаются не только их структура, фазовый состав, механические характеристики и т.д., но и адгезионные свойства. Для изучения и измерения прочности сцепления покрытий с основой разработаны разнообразные качественные, полуколичественные и количественные методы. Качественные методы позволяют различить только высокое и низкое сцепление, пол укол ичественные дают оценку, например по 3- или 4-балльной шкале. С помощью количественных методов сцепление определяется в единицах какой-либо системы, например СИ. 1 Влияние подложки на характеристики пленки При плохой адгезии пленка не садится на подложку или легко удаляется. Это возможно при загрязнении подложки или при наличии остаточных газов при напылении. Несоответствие параметров решетки пленки и подложки приводит к искажению структуры растущей пленки; Разные коэффициенты линейного расширения пленки и подложки могут приводить к искажению кристаллической структуры и пластическому течению пленки вплоть до ее разрушения. Сильная шероховатость, волнистость подложки, наличие в ней пор и трещин могут привести к росту дефектной пленки 2 Методы контроля адгезии Адгезия зависит от природы контактирующих веществ, свойств их поверхности и площади контакта. Адгезия определяется силами межмолекулярного притяжения, в том числе силами Ван-дер-Ваальса, дипольным взаимодействием и т.д. Очень часто образуются химические связи между адгезивом и субстратом либо происходит взаимная диффузия адгезива и субстрата. В этом случае образуется переходной слой, т.е. адгезия переходит в когезию Применяемые в промышленности методы контроля прочности сцепления основаны на таких методиках как крацевание, изгиб, растяжение, нанесение сетки царапин и т.д. 3 Методы отрыва и отслаивания В зависимости от прочности адгезионных связей может наблюдаться адгезионный отрыв (отрывается целиком покрытие), когезионный отрыв (разрывается покрытие или подложка), смешанный адгезионно-когезионный отрыв (частично отслаивается покрытие и частично разрушается адгезив или субстрат). Рис.3. а – метод отрыва по нормали, б – метод последовательного отрыва нормальной силой, в – тангенциальной силой, г – сдвиг покрытия относительно подложки. 4 Рис. 4. Использование цилиндрического стержня при отслаивании покрытия Недостатком метода отслаивания является то, что часть энергии тратится на пластическую деформацию отрываемого покрытия, и поэтому результат измерений зависит от толщины и свойств осадка. Избежать этой погрешности можно, применяя метод отрыва через цилиндрический валик (рис.4.). Тогда можно предварительно определить усилие, связанное с такой деформацией, выполнив измерения на образце с адгезией, близкой к нулю, и в дальнейшем эту силу вычитать из получаемых результатов. Подобный подход сложно реализовать при измерении адгезии тонких (до 100мкм) пленок. В некоторых случаях можно вырастить пленку до такой толщины, а потом математически учесть ее толщину. 5 Методы отслаивания, по-видимому, в большинстве случаев дают более реальную оценку адгезии, чем методы отрыва, так как в действительности даже и при отрыве по площади этот процесс все же идет по определенным линиям — сначала возникают «пузырьки» между оторванной частью осадка и основой, и дальнейший отрыв идет по границам этих пузырьков. Максимальная регистрируемая при этом сила просто пропорциональна максимальной длине всей указанной границы (эта длина сначала возрастает, а на некотором этапе начинает уменьшаться, достигая нуля в момент полного отрыва). Поскольку фактическая длина линии отрыва в разных случаях различна, то результаты, полученные методами отрыва и отслаивания, не всегда сопоставимы. 6 Метод крацевания Данный метод предполагает полировку покрытия путем кратковременного (не менее 15с [4]) с помощью полировального круга с применением полировальной пасты либо крацевание поверхности проволочными щетками. Применяется для пленок 10-30 мкм. Показателем высокой адгезии является отсутствие вздутий на покрытии или локальных отслаиваний. Иногда для этой цели достаточно сильно потереть поверхность покрытия цилиндрическим металлическим стержнем. Наиболее подходящий метод выбирают исходя из конфигурации изделия и условий его эксплуатации. 7 Метод перпендикулярных рисок Рис. 5. Устройство для определения адгезионных свойств покрытий методом царапания Для более тонких покрытий (до 10 мкм) используют метод нанесения сетки взаимно перпендикулярных рисок (царапин), причем риски наносят острым инструментом так, чтобы покрытие было прорезано насквозь. После этого проверяют отсутствие отслаивания полученных прямоугольников. При определении адгезии методом царапанья происходит прорыв плёнки до обнажения подложки и отслоения покрытия. Для количественной оценки прочности сцепления необходимо точное измерение величины критической нагрузки, приводящей к разрыву плёнки. 8 Рис. 4. Структура пленки Ti на стекле после испытаний при различных нагрузках на индентор: а – малая нагрузка, б – большая нагрузка. [2] Рис. 5. Зависимость адгезии пленки Ti на стекле от толщины покрытия [2] Рис. 6. Зависимость адгезии от отношения He/Ti [2] 9 Метод штифтов Рис. 7. Определение прочности сцепления покрытий методом штифтов: 1 – штифт, 2 – матрица (подложка), 3 – покрытие. Для определения адгезионной прочности покрытий методом отрыва без применения клеевых соединений и пайки используют метод штифтов. Суть этого метода состоит в следующем. В конусообразное отверстие матрицы свободно помещают штифт конусообразной формы (рис. 7). После этого одновременно на торец штифта и поверхность матрицы наносят покрытие. Для определения адгезионной прочности к штифту прикладывают силу. Под действием этой силы происходит отрыв одной части пленки от торцевой поверхности штифта, в то время как другая ее часть служит своеобразной опорой. 10 Метод истирания Метод истирания пленки основан на удалении пленки потоком мелких частиц SiC, падающих с известной высоты. Определяют степень удаления пленки и рассчитывают адгезию. 11 Прочие механические методы Определение адгезии при изгибе пленки с подложкой до удаления пленки; Сдавливание подложки; Удар по пленке; Вдавливание до момента растрескивания пленки; Образование вздутий; Метод перегрузок; Отрыв пленки от подложки с помощью ультразвука; Нагрев и отпуск. 12 Вывод Даже в случае когда выращенная пленка плотно прилегает к поверхности подложки возможны случаи, когда при относительно небольшом усилии она будет легко удаляться. Поэтому на каждом этапе производства (по крайней мере для не отработанных технологий) стоит проводить измерения величины адгезии, хотя бы качественными методами, не требующих больших время- и трудозатрат. Однако стоит помнить, что различные количественные методы могут дать различные результаты. Поскольку фактическая длина линии отрыва в разных случаях различна, то результаты, полученные методами отрыва и отслаивания, не всегда сопоставимы. 13 Спасибо за просмотр! Гапич Д.И. РМС7-81, РЭФ [email protected] 7 семестр Использованная литература [1] ФИЗИКА ТОНКИХ ПЛЕНОК [Электронный ресурс] URL: https://www.tstu.ru/book/elib2/pdf/2013/makarchuk.pdf [2] АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, НАНЕСЁННЫХ НА СТЕКЛО МЕТОДОМ ИОННО-СТИМУЛИРОВАННОГО ОСАЖДЕНИЯ [Электронный ресурс] URL: https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2009_4/article_2009_4_298.pdf [3] http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/40674 [4] ГОСТ 9.302-88 [5]АДГЕЗИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ [Электронный ресурс] URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/98847/8Lunev.pdf?sequence=1 [6] Физико-химические основы технологических процессов и обработки конструкционных материалов [Электронный ресурс] URL: https://studref.com/376982/tehnika/fizikohimicheskie_osnovy_tehnologicheskih_protsessov_i_obrabotki_konstruktsionnyh_mate rialov [7] Синтез эпитаксиальных пленок карбида кремния методом замещения атомов в кристаллической решетке кремния [Электронный ресурс] URL: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/40674 [8] ФИЗИКА ТОНКИХ ПЛЕНОК [Электронный ресурс] URL: https://www.tstu.ru/book/elib2/pdf/2013/makarchuk.pdf [9] Теория и практика электроосаждения металлов [Электронный ресурс] URL: https://ozlib.com/821556/tehnika/teoriya_i_praktika_elektroosazhdeniya_metallov
