Vezbe Iz Inzenjerstva Povrsina

Inenjerstvo povrina - Vebe

veba 1 Uvod Osnovne osobine povrinskih prevlaka / modifikovanih slojeva i njihova karakterizacija (metode njihovog ispitivanja)

UVOD cilj inenjerstva povrina ojaavanje povrinskog sloja radnog predmeta

zato je ojaavanje povrina bitno: povrina je mesto uzroka otkaza u velikoj veini sluajeva realne eksploatacije (praktino svim sluajevima), kako preoptereenja tako i zamora kod optereenja (naroito dinamikih): najvei zatezni naponi se javljaju na povrini svi kontakti sa okolinom se ostvaruju preko povrine, gde se javlja bar jedno od: -habanje -hemijske reakcije sa okolinom, koje su praktino uvek degradirajue (agresivno dejstvo okoline, kod elika korozija, oksidacija, razugljenienje...) -maksimalne temperature i temperaturne razlike, termookovi Koje se to osobine radnog predmeta mogu popraviti? Sve gore navedene: -dinamika vrstoa (prevlake ne popravljaju, ve samo modifikovane povrine) -otpornost na habanje -hemijska otpornost -termika otpornost ta su povrinske prevlake, a ta modifikovani slojevi (predavanja)

PREVLAKA Nanoenje sloja novog materijala (prevlake) na povrinu radnog predmeta (podlogu supstrat) Ojaavanje vri novi materijal svojim novim (superiornim) osobinama

Zavisno od tipa, prevlake su superiorne u poveanju otpornosti na habanje, hemijska dejstva i termika dejstva okoline

1


MODIFIKOVANI SLOJ Uvoenje hemijskog elementa u povrinski sloj radnog predmeta Ojaavanje se postie stvaranjem: -takastih greaka (intersticijali, vakansije) -linijskih greaka (dislokacije) -novim fazama (nova jedinjenja, promena ureenja (kod jonske implantacije)...)

Najvei efekat, zavisno od tipa sloja: poveanje dinamike izdrljivosti, zatim habanja, pa hemijske inertnosti i zanemarljivo termike otpornosti.

prevlaka interfejs (interface) supstrat

modifikovani sloj

postupci dobijanja prevlaka / povrinskih slojeva (predavanja)PREVLAKE Prvobitni postupci: galvanizacija Sada: depozicija u plazmi: PVD CVD (ovo su dve osnovne grupe koje obuhvataju niz postupaka, uglavnom zavisno od vrste plazme i dr.) IBAD (depozicija potpomognuta jonskim snopom) MODIFIKOVANI SLOJEVI Prvobitni postupci: termika obrada (termohemijski postupci, povrinsko kaljenje) termomehanika obrada difuziona metalizacija povrinsko plastino deformisanje Sada: termohemijski i termodifuzioni postupci u plazmi implantacija jona u povrinu supstrata (radnog premeta)

2


PLAZMA TEHNOLOGIJEZa vreme primenjenog elektrinog polja joni se kreu prema katodi. U uskom polju pored katode, gde je elektrino polje najjae, oni dobijaju veliko ubrzanje. Ova zona intenzivnog elektrinog polja je zona katodnog pada ili Crook-ov tamni prostor. Pri sudaru sa katodom, upadni joni gube oko 9597% svoje kinetike energije u vidu toplote, gube svoj naboj i odbijaju se ili implantiraju u povrinu katode. Za vreme sudara mali deo incidentne energije jona se predaje atomima katode. Ako je ta energija dovoljno velika da raskine energiju veze reetke, atomi katode e biti izbaeni sa povrine katode - taj proces se naziva spaterovanje. Broj atoma odvojenih incidentnim jonima se poveava sa potencijalom katode, i ovaj efekat e prevladavati u odnosu na efekat implantacije za potencijal od 5 keV. Pratea pojava spaterovanju je emisija sekundarnih elektrona sa katode. Oni se ubrzavaju kroz katodni pad u pravcu anode. U toku njihovog kretanja, mnogi e se sudariti sa neutralnim atomima i molekulima, prouzrokovajui disocijaciju, ekscitaciju i jonizaciju. Broj incidentnih jona se na taj nain poveava i tinjavo pranjenje postaje samoodravajue. Kada se elektroni u ekscitovanim atomima vrate na osnovni nivo,

3


PVD procesi zasnovani na isparavanjuU osnovi, PVD ureaj sa isparavanjem stvara direktno metalnu paru pri DC ili RF tinjavom pranjenju, formiranom oko katode. Osnovni izgled ureaja je prikazan na slici. Na poetku se vakumska komora prazni pomou difuzionih pumpi (10-6 mbar) i zatim puni sa istim argonom (99.999%), pri emu se dostie pritisak od 10-2 do 10-3 mbar. Tinjavo pranjenje se zatim inicira, primenom DC ili RF naponom na katodi (od -500 do -5000 V). Kada se substrat adekvatno oisti spaterovanjem i kada dostigne potrebnu temperaturu, uvodi se metalna para u tinjavo pranjenje sa podesnog mesta. Nedostatak tehnologije sa elektronskim snopom je to mora da se formira vakum nivoa 10-4 mbar. Zbog toga se elektronski snop, koji se koristi u ureajima sa isparavanjem, nalazi u posebno vakumiranoj komori, neposredno do komore za depoziciju. Elektronski snop se usmerava u glavnu komoru pomou magnetnog polja tako da udara u povrinu materijala za isparavanje. Upravljanjem pravca magnetnog polja, elektronski snop moe da se usmerava tako da prelazi po celoj povrini mete i na taj nain uniformno troi izvor

Plazma termodifuzioni procesi Procesi plazma termodifuzione (termo-hemijske) obrade u vakumu se primenjuju za poveanje povrinske tvrdoe elinih materijala. Prednost ovoga postupka je to tehnologija procesa prua mogunost za kontrolu povrinskog sloja i njegovog faznog sastava. Faze koje se javljaju pri nitriranju u povrinskom sloju odgovaraju Fe-N faznom dijagramu, a to su -Fe4N faza, sa povrinski centriranom kubnom reetkom, i -Fe2-3N faza sa heksagonalnom reetkom. Faza , poveava otpornost na dinamika optereenja i poveava vrstou mainskih delova, dok faza ima veu otpornost na habanje i nii koeficijent trenja. Zbog razliitih kristalnih struktura, sa stanovita radnih karakteristika, pogodnije je formiranje monofaznog nitriranog sloja. Kontrola faznog satava sa moe ostvariti kontrolom koncentracije azota u atmosferi, temperaturom obrade, totalnim pritiskom u ureaju ali i izborom osnovnog materijala.

4


Koncept formiranja kompozitnih struktura Za vreme hlaenja sa temperature plazma deponovanja na sobnu temperaturu, zbog razliitog termikog koeficijenta irenja izmeu sloja i osnovnog materijala nastaje jedan termiki nesklad. Istraivanja tog fenomena su pokazala da zbog toga nastaju termika naprezanja. Zbog toga je potrebno formirati osnovu ispod prevlake koja e spreiti deformaciju osnovnog materijala. U nekim sluajevima treba da sprei i stvaranje inicijalne pukotine i njen dalji rast. Kao najznaajniji postupak modifikacije povrinskog sloja pokazao se kombinovani postupak plazma nitriranja i plazma depozicije tvrdih prevlaka (dupleks). Ovakav tip prevlaka je posebno znaajan u sluaju veih specifinih optereenja kada problem habanja ne mogu da ree PVD prevlake. Takoe se vrlo znaajno moe poveati kapacitet noseeg optereenja sa dupleks prevlakom. Slian efekat se moe ostvariti i sa vieslojnim prevlakama, pri emu se stvara vie graninih povrina paralelnih sa povrinom osnovnog materijala i one pretstavljaju barijeru za kretanje dislokacija i poveavaju vrstou i tvrdou prevlaka. Kombinovanje procesa plazma nitriranja i plazma depozicije je omoguilo primenu tvrdih prevlaka i na podlogama ije mehanike osobine ograniavaju poboljanje tribolokih osobina. Rast i osobine tvrdih prevlaka u velikoj meri zavise od karakteristika faza formiranih na podlozi sa nitriranim slojem. Kao mogue faze javljaju se -Fe2-3N i -Fe4N. Viefazne prevlake mogu da ispolje odreene nedostatke, kao to su:

-Razliiti moduli elastinosti: pokazuju sklonost za formiranje pukotina -Razlika u elektrohemijskom potencijalu individualnih faza: mogu da prouzrokuju koroziju. Pri formiranju kompozitnog sloja od velikog znaaja je stvaranje odgovarajue athezije izmeu prevlake i osnovnog materijala, koja garantuje odgovarajuu funkcionalnu upotrebu. Kako je proces plazma nitriranja difuzioni proces, problem athezije ne postoji kod nitriranih slojeva.

Tokom difuzije azota u povrinski sloj materijala, dolazi do formiranja dve karakteristine zone: zone jedinjenja zone difuzije Difuziona zona ima dobru ilavost i pokazuje dobru otpornost na zamor i plastinu deformaciju. Ako se zona jedinjenja, koja ima dobru otpornost na habanje, zameni pogodnom tvrdom prevlakom, mogu se postii izvanredna triboloka svojstva.

5


Depozicija podrana jonskim snopom IBADTehnologije bazirane na fizikoj depoziciji iz parne faze (PVD), imaju znaajan uticaj na kvalitet razliitih vrsta proizvoda, kao to su alati, delovi u vazduhoplovnoj i automobilskoj industriji itd. Meutim, mnogobrojni parametri procesa depozicije ne mogu da se kontroliu i menjanju nazavisno. Ovo ini sam proces nerazumljivim a optimizacija procesa je vrlo oteana. Mnoge potencijalne primene prevlaka su zbog toga limitirane. Postupak kod kojeg je izbegnuta meuzavisnost parametara, je postupak depozicije u vakuumu, podran jonskim snopom (Ion beam assisted deposition), kod kojeg se povrina filma u toku depozicije bombarduje (kontinualno ili povremeno) sa jonskim snopom iz posebnog izvora jona, prikazano na slici. Poslednjih nekoliko godina je ispitivano i dokazano da se athezija, struktura i otpornost prevlake, na razliitim osnovnim materijalima, ovim postupkom moe poboljati. Posebna pogodnost ovog postupka je mogunost deponovanja prevlake na niim temperaturama i veom brzinom depozicije nego to su to omoguavale konvencionalne PVD tehnologije.

Zbog toga su IBAD postupci doiveli veliku ekspanziju u industrijskoj primeni, posebno u oblasti povrinskog inenjerstva, a postupak se pokazao kao nezamenljiv tamo gde se trae biokompatibilnost, u sluaju implantacije bio materijala. Za IBAD postupak mogu se koristiti razliite vrste konfiguracije. Kao tipian ureaj moe se smatrati sistem sa dva odvojena izvora jona. Jedan izvor jona slui za bombardovanje mete i izaziva njeno isparavanje, dok se drugim izvorom jona direktno bombarduje povrina osnovnog materijala odnosno rastui film. Jonsko bombardovanje je kljuni faktor za kontrolisanje osobina prevlaka kod IBAD postupka. U toku deponovanja prevlake postoji mogunost za nezavisnu kontrolu sledeih parametara procesa: Energija jona Upadni ugao Pritisak gasa Intenzitet jona Nivo isparavanja

Najee se vri deponovanje TiN. Drugi nitridi su takoe od reaktivnih prelaznih metala kao to su: Cr, Zr, Ta ali i drugi elementi kao to su: Al, Si, B, C itd. Titan pokazuje najveu reaktivnost sa gasovima od svih prelaznih metala, dok TiN ima visoku tvrdou, visoku taku topljenja, hemijsku stabilnost, elektrinu provodnost i dekorativnu boju.

6


Jonska implantacijaKarakteristike trenja i habanja tvrdih prevlaka su pre svega zavisne od mehanikih, fizikih i hemijskih osobina kontaktnih povrina. Jonska implantacija je tehnika koja moe da promeni sastav, mikrostrukturu i osobine povrine i oblasti oko povrine i zbog toga ima znaajnu ulogu u tribologiji, posebno u sluaju gde su oteenja i odvajanje materijala, zbog habanja, na dubini koja je mala u poreenju sa debljinom implantiranog sloja. Pri jonskoj implantaciji dejstvo na povrinu osnovnog materijala se ostvaruje direktnim bombardovanjem sa jonima visoke energije, tako da oni prodiru u reetku osnovnog materijala. Joni za implantaciju se dobijaju u viestepenom procesu u sistemu koji je ematski prikazan na slici. Pri jonskoj implantaciji sa velikim energijama, formiraju se razliite metastabilne ili amorfne faze u povrinskom regionu. Kod metalnih jedinjenja, zbog jonske implantacije, se formiraju nove faze zbog prerasporeivanja atoma. Visokim dozama jonske implantacije, moe da se modifikuje povrina materijala do dubine nekoliko stotina nanometara - ovaj fenomen se naziva dubinski efekat.

7


OSNOVNE OSOBINE PREVLAKA / MODIFIKOVANIH POVRINA11.Fazni sastav

22. Debljina i gustina prevlake 3. Morfologija povrine 4. Mehanike osobine 4.1. Young-ov modul elastinosti 4.2. Tvrdoa 4.3. Triboloke osobine 4.4. Athezija 4.5. Unutranji naponi 5. Optika svojstva 6. Elektrine osobine 7. Elektrohemijske osobine 8. Ostale osobine

Podloga a)3 3 3 Podloga

3 4

1 2 2 2 4

b) Karakteristine zone sistema prevlaka / podloga na kojima je potrebno vriti merenja a) Jednoslojna prevlaka (prevlaka sa jednim filmom). b) Vieslojna prevlaka: 1 je spoljna povrina prevlake; 2', 2' i 2''' su slojevi (filmovi); 3' je interfejs podloge i prevlake, a 3'' interfejs slojeva u prevlaci; 4 je podloga (supstrat).

METODE ISPITIVANJA OSNOVNIH OSOBINA PREVLAKA / MODIFIKOVANIH SLOJEVA Metode ispitivanja se mogu podeliti prema tome: koja se osobina ispituje ime se vri ispitivanje Prema ,,mernom elementu koji je u kontaktu sa uzorkom, ispitivanja se mogu podeliti na: ispitivanja mehanikim (makro) telima (utiskivai i ,,pin-ovi za merenje tvrdoe i odreivanje otpornosti na habanje) ispitivanja elementarnim esticama: X-zracima fotonima elektronima jonima kombinovana ispitivanja (npr. kod AFM (Atomic Force Microscopy) se koriste prizma i fotoni: odreuje se hrapavost ili nano/piko tvrdoa merenjem skretanja laserke svetlosti reflektovane od nosaa prizme)

8


1.Ispitivanje faznog sastava Fazni sastav se ispituje u sve etiri zone sa Slike. Kod faznog sastava se uglavnom ispituju -hemijski sastav, -tekstura, -parametri reetke, -veliina i oblik zrna. Neke od metoda ispitivanja su sledee: XRD (X- ray diffractometry: difraktometrija X- zraka) i verzije GXRD (glancing angle XRD: XRD sa malim upadnim uglom), BBXRD (Bragg Brentanno XRD). XPS (X- ray photoelectron spectroscopy: spektroskopija fotoelektrona dobijenih X- zracima) Ramanova spektroskopija. TEM (transmission electron microscopy: trensmisiona elektronska mikroskopija). SEM (scanning electron microscopy: skening elektronska mikroskopija). AES (Auger electron spectroscopy: Oeova elektronska spektroskopija), i varijante SAM (scanning Auger microscopy: skening Oeova mikroskopija), AES depth profile (Oeov profil po dubini). Ispitivanje faznog sastava (nastavak): EELS (electron energy loss spectroscopy: spektroskopija gubitka energije elektrona) sa varijntama Low energy EELS (niskoenergijski EELS), High energy EELS. WDX (wavelength dispersive X- ray analysis: analiza talasne duine rasutih Xzraka). EDS / EDX (energy dispersive spectroscopy / energy dispersive X- ray analysis: spektroskopija energije ili analiza energije rasutih X- zraka). NSS (neutron scattering studies: studija rasejanja neutrona). NRA (nuclear reaction analysis: analiza nuklearnih reakcija (jezgara atoma)). SE (spectroscopic ellipsometry: spektroskopska elipsometrija). GDOES (glow discharge optical emission spectroscopy: spektroskopija optike emisije tinjavog pranjenja). RBS (Rutherford backscattering spectrometry: Raderfordova spektrometrija povratnih elektrona). SIMS (secondary ion mass spectrometry: masena spektroskopija sekundarnih jona). Osim nabrojanih, koriste se i mnoge druge metode.

9


2. Odreivanje debljine i gustine prevlake 2.1. Debljina: SEM (scanning electron microscopy: skening elektronska mikroskopija) (koristi se na prelomu). Kalotest. SE (spectroscopic ellipsometry). 2.2. Gustina: Kombinacija RBS i profilometrije. Tehnike uronjavanja. Ultrazvuni povrinski talasi. EELS ili XPS (plasmon energy). PAS (positron annihilation spectroscopy).

3. Ispitivanje morfologije povrine AFM (atomic force microscopy). NOP (noncontact optical profiler: bezkontaktni optiki profiler). SP (stylus profiler: profiler sa iglom (kontaktni)). SEM STM (scanning tunnelig microscopy).

4. Ispitivanje mehanikih osobina 4.1. Young-ov modul elastinosti: Ultrazvuni povrinski talas. AFM modifikovan (tj. u modu) za nano- i piko- utiskivanje.

4.2. Tvrdoa (mikrotvrdoa i nano/piko tvrdoa): Koriste se dijamantske prizme za utiskivanje: Vickers, Knoop, Berkovich, Nano/piko utiskivai (uz AFM), najee Berkovich-evi. U novije vreme se tei odreivanje mikrotvrdoe preko Young-ovog modula elastinosti (H= 0.1 E), poto se kod direktnog merenja tvrdoe javlja problem uticaja podloge (supstrata) na rezultate. 4.3. Triboloke osobine Koeficijent trenja: FFM (friction force microscopy: mikroskopija frikcione sile, zapravo AFM u reimu rada gde se pored vertikalne meri i poprena sila).

10


Preko senzora za merenje sile u ravni kontakta pri testovima habanja, najee kod ,,pin-on-disc metode. Habanje: postoji mnogo ema sa mnogo podvarijanti u okviru svake eme. Neke od najeih su: ,,Pin-on-disc (klizanje osovinice po disku), negde se naziva i ,,pin-on-plate. ,,Pin-on-ring (osovinica po prstenu). ,,Ball-on-disc (klizanje kugle po disku). ,,Disc-on-ring. ,,Scratch test (test zaparavanjem). Koristi se uz SEM, AFM ili neku drugu metodu za karakterizaciju povrinske morfologije. 4.4. Athezija ,,Scratch test (test zaparavanjem). Koristi se uz AES (akustinu emisiju signala). Utiskivanje prizme (utiskivaa za merenje tvrdoe). Metodi direktnog odvajanja prevlake. Metod istezanja. Akustino ispitivanje. Ispitivanje pomou lasera. Lasersko - akustino ispitivanje. 4.5. Unutranji naponi XRD (najee). Metode zabuivanja rupa (,,hole drilling method). 5. Optika svojstva Transmisiona merenja (TEM npr.) kod transparentnih uzoraka. Refleksiona merenja (npr. SEM) kod neprozranih uzoraka.

6. Elektrine osobine Uglavnom se mere I/V karakteristike. 7. Elektrohemijske osobine (uglavnom antikorozivne) Habanje u raznim reagensima. Nagrizanja. Merenja promene kapacitivnosti nakon potapanja u razna sredstva. 8. Ostale osobine Poto je otkrie prevlaka dalo mogunosti njihove primene u specijalnim uslovima, u tim sluajevima vane mogu biti i neke osobine za koje inae nema interesa. NAPOMENA: Ovo nije konaan spisak, ni osobina, niti metoda za karakterizaciju.

11


veba 2ODREIVANJE DEBLJINE PREVLAKE direktne metode odreivanja debljine prevlake (na samoj prevlaci) indirektne metode odreivanja debljine prevlake

DIREKTNE METODE

OPTIKE METODE METODE UKLANJANJA EL. MAG. METODE METODE SA POVRATNIM SIGNALOM EKSITACIONE METODE

METALOGRAFIJA SEM PROFILOMETAR KALOTEST

12


SEM Scanning Electron Microscope

SEM

SEM slika TiN sloja

SEM slika CdTe sloja raenog na substratu temperature 60 C

keV. Nekoliko elektromagnetnih soiva zatim fokusira fini spot na uzorku, veliine 2 do 10 nm. Na slici je prikazano samo jedno elektromagnetno soivo, ali u stvarnim konstrukcijama postoji nekoliko. Spot se skenira preko uzorka skenirajuim namotajima, dok detektori mere odgovarajua zraenja. Uveana slika se stvara u katodnoj cevi tako to se jaina emisije elektrona iz katode katodne cevi regulie signalima iz detektora, a struja kroz namotaje za skeniranje snopa elektrona preko ekrana katodne cevi je proporcionalna struji kroz namotaje za skeniranje elektrona preko uzorka. Uveanje mikroskopa je zapravo odnos veliine slike katodne cevi i skenirane povrine uzorka. Mogunost razlaganja SEM-a je prema tome njegova mogunost postizanja to manjeg spota elektrona na uzorku. Normalna rezolucija je 5 do 100 nm, dok je kod najmodernijih ak oko 1nm, to je uveanje 200 000 do 300 000 puta.

Elektronski izvor stvara snop elektrona energija do oko 40

13


SEM mikroskopi mogu davati dva tipa slike: - Snimak sekundarnih elektrona (SE image). On daje isto topografiju povrine sa dobrom predstavom prostornosti (dubinom slike). Za snimanje sekundarnih elektrona nije potrebna nikakva priprema osim odmaivanja i suenja uzoraka, a kod elektroneprovodnih uzoraka (biljke, insekti i sl.) na njihovu povrinu se mora deponovati tanak sloj metala, obino zlata. - Snimak povratno rasejanih elektrona (BSE image), koji daje zbirni uticaj topografije i lokalnog hemijskog sastava. Radi eliminisanja uticaja topografije za povrinu uzoraka je neophodno da bude ravna i ispolirana. - Na slici je dat snimak iste povrine u dva oblika. Gornji prikazuje topografiju habane povrine posle testa na zaparavanje (scratch test), na kojoj su vidljiva mesta otkinute prevlake. Donja predstavlja snimak BSE, a poto povrina nije ravna i ispolirana, prikazuje zajedno i topografiju i razliku srednjeg atomskog broja (hemijskog sastava) u okviru povrine skenirajueg elektronskog spota. I pored sloenog uticaja topografije i hemijskog sastava na slici pod b, poredei je sa sl. a, moe se zakljuiti da ,,fleke na povrini ne predstavljaju samo odlomljene delie prevlake ve i pohabani materijal pina koji je vrio zaparavanje, utisnut u prevlaku. KALOTEST (CALOTEST) veoma jeftina oprema jednostavnost postupka

relativno pouzdan metod (dobra uporedivost rezultata) Koristi se elina kugla 25.4 mm (1) premazana pastom sa dijamantskim esticama granulacije 1 m Rotacijom kugle prevlaka se na mestu kontakta abrazivno haba i uklanja. Prostorno, trag habanja ima oblik kalote. U pogledu normalno na povrinu prevlake, trag habanja se projektuje u dva koncentrina kruga. Krug veeg prenika predstavlja presek kalote i povrine filma, a krug manjeg prenika presek kalote i povrine supstrata. Debljina prevlake se odreuje na osnovu ove projekcije.

14


Principijelna ema odreivanja debljine kalotestom

ELINA KUGLA

DIJAMANTSKA PASTA

POGONSKO VRATILO

UZORAKIzgled traga habanja

1 23456

TiN/TiCN vieslojna prevlaka 1 = 920 nm 2 = 240 nm 3 = 750 nm 4 = 320 nm 5 = 750 nm 6 = 860 nm

15


Izraunavanje debljine prevlake na osnovu ,,x i ,,y dimenzija traga habanjaDepresija u obliku sfere se formira na povrini uzorka. Pomou mikroskopa su izmereni unutranji i spoljanji prenik formiranog kratera. Debljina prevlake se odreuje pomou sledeeg izraza:

E=

XY Dkugle

prevlaka substrat

Industrijski kalotestSpecifine geometrije uzoraka

16


TiB2DE BL JI NA PR EV LA KE [ m]

d.c

TiB2 r.f.

TiAlN d.c.

poreenje debljine tri razliite prevlake, izmerene u tri razliite laboratorije u svetu

INDIREKTNE METODE MERENJE MASE KVARCNI KRISTAL

Nisu pouzdane metode MERENJE MASE ,,ex-situ metod merenja - Meri se masa uzorka pre i posle depozicije. - Uzimanjem u obzir povrinu prekrivenu prevlakom i srednju specifinu gustinu prevlake, odreuje se debljina. Veoma neprecizan metod: zavisi od preciznosti ostalih merenja: mase uzorka, povrine prevlake, gustine prevlake gustina prevlake varira po debljini filma esto ni debljina filma nije uniformna

17


KVARCNI KRISTAL ,,in-situ metod merenja debljine prevlake Na jednu polovinu kristala se deponuje prevlaka a na drugu ne i poreenjem elektrinih svojstava ta dva tela se vrlo tano odreuje debljina prevlake. Primer uslova rada jednog takvog ureaja Koristi se kvarcni kristal prevuen zlatom Preko oscilatora se pobuuje oscilovanje kvarca Radni opseg frekvencije oscilovanja kvarca je od 6 do 5 MHz Poveanjem debljine prevlake umanjuje se frekvencija oscilovanja.

Princip merenja debljine: promenu frekvencije oscilovanja za istu pobudu, ureaj pretvara u debljinu. Padom frekvencije oscilovanja ispod radnog opsega ureaj prijavljuje otkaz mernog kristala. Za konkretni kristal, to odgovara debljini naparenog Ti od oko 10 k (1 m). Reenje za prevlake vee debljine: vie senzorskih glava sa zaklonima (shutter-i)... Neophodni uslovi za precizno odreivanje debljine prevlake: Ispravno postavljanje senzorske glave (svaki ureaj ima uputstvo za montiranje): poloaj u odnosu na izvor pare i zaklonjenost od svih izvora koji dovode do promene frekvencije oscilovanja kristala (toplota, elektrina i magnetna polja...). Potovanje zahtevanih uslova okoline za ureaj (npr. temperatura: 10 do 40 C, vlanost: manja od 30 %, nadmorska visina: 1000 m, zagaenost vazduha: nivo 2.). Potovanje opsega radnih uslova za sam kvarc (npr. (-40) do 110 C, protok vode za hlaenje 0.5 L/minut ). Ispravno kalibrisanje.

Rezime: ovo je samo metod za orijentaciono praenje rasta filma u toku depozicije. Kod depozicija u plazmi postoji niz tekoa za pravilno montiranje senzorske glave. Montaa je pogodna u komorama za depoziciju podranu jonskim snopom.

18


senzorska glava kvarcnog kristala POREENJE DEBLJINE PREVLAKA MERENE RAZLIITIM METODAMA

DE BL JIN A PR EV LA KE [ m]

KALOTEST SEM MER.MASE PROFILOMETRIJA

19


RAVNOMERNOST DEBLJINE PREVLAKA Prevlake deponovane na supstrat plazma tehnikom se odlikuju velikom ravnomernou debljine. Smatra se da je ta uniformnost posledica irenja metalne pare usled mnogobrojnih sudara na svom putu od izvora do supstrata. Od posebne vanosti je odnos debljine prevlake na prednjoj i zadnjoj povrini supstrata. Mnogobrojna ispitivanja su ukazala na uticaj velikog broja faktora, kao to su: pritisak gasa, povrina supstrata, geometrija supstrata, veliina depozicije, relativni odnos supstrata i komore za depoziciju itd. Debljina prevlake utie i na kvalitet prevlake Na slici je prikazan uticaj debljine prevlake na povrinsku hrapavost prevlake.

veba 3TVRDOA PREVLAKE predstavlja otpornost na lokalnu plastinu deformaciju. osnovna osobina koja se ispituje kod svih povrinskih prevlaka koje se koriste u mainstvu:

najbolje oslikava vrstou materijala u uslovima habanja (tvrdnja proistie iz injenice da se realni kontakt izmeu povrina ostvaruje po neravninama koje podseaju na geometriju utiskivaa za odreivanje tvrdoe) koristi se za kontrolu kvaliteta u uhodanoj proizvodnji (poto se mogu napraviti veze sa drugim osobinama, ija je karakterizacija relativno sloenija u odnosu na merenje tvrdoe)

20


Konvencionalna indentacija

x = 50 m

Makro oblast 2N < F < 30kN Mikro oblast 2N < F ; h > 200nm Nano oblast h < 200nm Utiskivai su uglavnom od dijamanta, osim kod nanoutiskivaa (utiskivaa sa optereenjem u nanonjutnima), gde se zbog problema oko poliranja dijamanta i hrapavosti otrice, pored dijamanta koristi Si3N4

Sl.1: Vrh prizme kod AFM (atomic force microscope). Gore je prikazana prizma od Si3N4, a dole dijamantska prizma.

21


Tvrdoa se odreuje na osnovu: veliine otiska (klasine metode): ,,ex situ metode, Sl. 2a, Sl. 2b ili direktnim merenjem pomeranja utiskivaa: ,,in situ metode, Sl.10 Prema geometriji vrha, utiskivai se dele na: Vickers-ov, Sl. 2a, Knoop-ov, Sl. 2b i Berkovich-ev, Sl. 2c

Svaki tip utiskivaa se koristi za odreeni opseg optereenja prema tome koliki otisak ostavljaju ili kakva je geometrija vrha utiskivaa.Najee koriene su Vickersova i Knoopova tvrdoa koje koriste optereenja od 10g do 500g. Geometrija: Sl. 2a.

Tvrdoa se kod utiskivanja Vikersovom prizmom izraava na osnovu veliine otiska utiskivaa (klasine metode):

H = 1.854Sl. 2a: Geometrija Vikersovog utiskivaa

F d2

gde su F (N), d (mm)

22


Za manja optereenja se obino koristi Knoop-ov utiskiva, poto ostavlja otisak vee irine, te ga je lake meriti. U literaturi prezentiraju rezultati i sa optereenjima jednakim kao kod utiskivanja Vikersove prizme (u gramima). Geometrija: Sl. 2b. Tvrdoa se kod utiskivanja Knoop-ovom prizmom izraava na osnovu veliine otiska utiskivaa (klasine metode): Sl. 2b: Geometrija Knoopovog utiskivaa

H = 1.423

F wl

gde su F (N), w, l (mm)

Berkovich-ev utiskiva se koristi za najmanja optereenja, tzv. nano- i piko-utikivanja. Geometrija: Sl. 2c.

Berkovievi utiskivai se ne koriste za najmanja optereenja zbog veliine otiska, poto nano- i piko-utiskivai ne mere otisak ve direkno pomeranje, nego zbog najvee preciznosti geometrije vrha

Sl. 2c: Geometrija Berkovievog utiskivaa. To je trostrana prizma gde je svaka stranica u odnosu na zajednicku osu pod 65. Slika predstavlja negativ otiska.

23


Na slici su prikazani negetivi otisaka Berkovievog (levo) i Vikersovog (desno) utiskivaa. Vidi se plii otisak koji daje Berkoviev utiskiva (1.5 nasprem 3.5 m), ali je i osnova manja (6 nasprem 20 m). To znai da Berkoviev utiskiva ne daje manji otisak od Vikersovog.

Ap (vickers) = Ap (berkovich)

Ista h

Primeri testera za tvrdou

Analogni tester za Vikers, Brinel i Knoop sa dodacima za mikro i makro optereenja

Digitalni tester sa malim optereenjima za Vikers, Brinel i Knoop. Dijapazon optreenja HV 0.1 - HV 30

24


Poreenje konvencionalnih tvrdoa

25


Problem uticaja supstrata na izmerenu tvrdou (koliko izmerenoj vrednosti doprinosi supstrat, a koliko sama prevlaka)

Sl.4: Klasina zavisnost izmerene tvrdoe od optereenja primenjenog na utiskiva

=> sa porastom optereenja poveava se uticaj supstrata na izmerenu vrednost tvrdoe Na Sl.4 nedostaje deo krive sa malim optereenjima, koji je grubo predstavljen tangentom na ordinatu. Inae, postoji veliko ,,bacanje rezultata u ovoj oblasti. Za sada postoje dva prilaza za aproksimaciju dela krive sa malim optereenjima zavisnosti tvrdoa / optereenje: prvi je prema Sl. 5, drugi je prema Slikama 7 i 8

26


OBLASTI: (0)-elastina deformacija prevlake (Ia)-dominantne elastinoplastine deformacije u prevlaci (Ib)-plastino-elastine deformacije u prevlaci uz poetak prenoenja deformacija na supstrat (IIa)-uticaj prevlake i supstrata - prevlaka puca (IIb)-dominantni uticaj osnovnog materijala (III)-potpuni uticaj supstrata

Sl.5: Izgled zavisnosti izmerene tvrdoe i optereenja pri utiskivanju, izraenog preko relativne dubine utiskivanja. ematski je prikazan proces nastajanja pukotina u prevlaci i prenoenje optereenja sa prevlake na supstrat irenjem plastine zone supstrata.

Pri utiskivanju prizmi, optereenje se preko prevlake prenosi i na supstrat, tako da vrednosti tvrdoe u veoj ili manjoj meri doprinosi i supstrat, a ne sama prevlaka, Slike 4 i 5. Zbog toga izmerena tvrdoa ne predstavlja tvrdou prevlake, ve sistema prevlaka/supstrat koji se moe tretirati kao kompozit. Upravo zato se ovako izmerena tvrdoa naziva i ,,kompozitna tvrdoa (Hcomp). Za ukljuivanje uticaja supstrata u izmerenu tvrdou, mnogi autori koriste princip smee. Postoji vie naina za izraunavanje tvrdoe prevlake na osnovu izmerene ,,kompozitne tvrdoe. Jedan je preko povrina koje nose optereenje (v. Sl. 6):

A AC HC + S HS A A gde je (Hcomp) izmerena tvrdoa, a (HC) i (HS) tvrdoe prevlake i supstrata. (A) je projekcija ukupne povrine utiskivanja, (AC) i (AS) projekcije povrine prevlake, odnosno supstrata, koje nose optereenje utiskivanja. Projekcije se odnose na ravan normalnu na pravac dejstva utiskivaa, to se vidi na Sl.6, gde su povrine (AC) i (AS) prikazane onako kako su definisane u formuli. H comp =

27


Drugi nain je preko deformisanih zapremina (v. Sl. 6):

H comp =

VC V HC + S 3 H S V V

gde je

V = VC + 3 VS

(VC) i (VS) su definisane kao na Sl.6. () je empirijski koeficijent koji uzima u obzir promenu zapremine mekeg supstrata (VS) zbog ogranienja u njenom irenju koje namee tvra prevlaka. Ovaj nain je nastao modelovanjem oblasti ispod utiskivaa kao hemisfere i za supstrat meki od prevlake. Sl.6: ematski prikaz deformisanih oblasti prevlake i supstrata: - odnos noseih povrina za pravilo meavine prevlaka/supstrat, - odreivanje deformisanih zapremina kod pravila meavine prevlaka/supstrat.

Na slici su Ap i Aom povrine prevlake i osnovnog materijala izloene pritisku a Vp i Vom su deformisane zapremine prevlake i osnovnog materijala.

Na osnovu principa smee i analize utroka rada pri utiskivanju prizme, neki naunici predlau sledei izraz za kompozitnu tvrdou:

H comp = H S +

HC H S 1+ k 2

gde je () relativna dubina utiskivanja, a (k) je bezdimenzioni parametar koji karakterie oblik ponaanja kompozita (prevlaka/supstrat) pri utiskivanju prizme.

28


Zakljuak za prilaz prema Sl.5:Da bi se to vie eliminisao uticaj podloge na izmerenu tvrdou prevlake, optereenje treba biti tako podeeno da dubina utiskivanja iznosi maksimalno 5% do 10% od debljine prevlake. Meutim, i sa malim dubinama utiskivanja dobijenim nanoutiskivanjem, i dalje postoji uticaj supstrata, a merodavnost izmerene tvrdoe dovodi u pitanje veliki udeo elastinih deformacija, tzv. ,,efekat veliine otiska (ISE: the indentation size effect).

Maximalna dubina prodiranja, hm

hm 10% hfilmDebljina prevlake, hfilm

Prevlaka Substrat

Elastina Deformacija

Drugi prilaz odreivanju tvrdoe same prevlake: U nekoj oblasti primenjenog optereenja ne postoji promena izmerene tvrdoe sa promenom optereenja.

Sl.7: Vrednost tvrdoe i relativne dubine utiskivanja u zavisnosti od optereenja kod TiB filma debljine 4 m.

Sl.8: Vrednosti tvrdoe u zavisnosti od optereenja (koje predstavlja i relativnu dubinu utiskivanja) za tri razliite prevlake.

29


Na Sl.7 se vidi da je za optereenje 50 do 175 mN vrednost izmerene tvrdoe praktino nezavisna od primenjenog optereenja. Sa Slike se vidi da ovaj dijapazon odgovara dubini utiskivanja od 8% do 16% od debljine prevlake.

Zakljuak za ovakav prilaz: pored maksimalne vrednosti relativne dubine utiskivanja (prethodno se tvrdi da je to 10% debljine prevlake), ovde se predlae da treba postojati i minimalna vrednost vrednosti minimalnih i maksimalnih vrednosti RID (relative indentation depth) za supertvrde prevlake su neto vee nego kod tvrdih prevlaka (za jednu supertvrdu prevlaku sa Sl.7 se vidi da je taj opseg 8 do 16%).

Razlike koje bi se dobile u izmerenim vrednostima za tvrdou prevlake primenom ova dva prilaza:

Prilaz 1 - dubina utiskivanja iznosi maksimalno 5% do 10% od debljine prevlake Prilaz 2 - pored maksimalne vrednosti relativne dubine utiskivanja treba postojati i minimalna vrednost gde je:Sl. 9. Zavisnost tvrdoa/relativna dubina utiskivanja za TiN film prema prvom prilazu. Tvrdoa iznosi oko 39.5GPa. Strelicom je oznacena realnija vrednost tvrdoe od 32 GPa koja bi se dobila razmatranjem prema prilazu 2.

maksimalna dubina utiskivanjat debljina prevlake

30


,,in situ merenje tvrdoedubina otiska se meri direktno, za vreme utiskivanja. Uglavnom se koriste mala optereenja (N, nN i pN), dakle mere se: mikro, nano i piko tvrdoe.

Sl. 10: ema ureaja za merenje tvrdoe,,in situ

Odreivanje nano tvrdoeZa odreivanje tvrdoe nanoutiskivanjem koriste se NHT (Nano Hardness Tester) ureaji, iji ematski opis moe da se vidi na slici. Ovi ureaji omoguuju merenje tvrdoe pri dubinama prodiranja od svega 15 nm, pored tvrdoe mogu se koristiti za odreivanje modula elastinosti, ilavosti loma, otpornosti na zamor i puzanje Prikazana ema predstavlja novije reenje koje ukljuuje referentni prsten koji omoguava merenje dubine prodiranja od gornje povrine uzorka, to ima niz prednosti: velika tanost merenja dubine prodiranja, kratko vreme merenja, zanemarljiva termalna odstupanja, zatita zone merenja od struje vazduha i akustinih smetnji, zatita mernog pipka (utiskivaa) od mehanikih oteenja.

31


Za odreivanje nano tvrdoe prevlaka koriste se postupci nanoutiskivanja. Kod ovih postupaka vrh utiskivaa odreene geometrije utiskuje se promenjivom silom u povrinu materijala. Sila se prvo poveava do neke maksimalne vrednosti Pmax, a zatim se vri rastereenje do delimine ili potpune relaksacije materijala. U toku utiskivanja meri se vrednost prodiranja pri primenjenoj sili, ime se dobijaju krive optereenja-rastereenja kao na slici hm-najvea dubina hc-dubina kontakta hf-dubina krajnjeg otiska

I

II

Oblast I predstavlja rad utroen na plastinu deformaciju uzorka, a oblast II rad elastinog vraanja materijala nakon rastereenja

Sl.11: Tipian izgled krive optereenje pomeranje utiskivaa kod merenja in-situ.

Dubine : hm-najvea dubina, hc-dubina kontakta i hf-dubina krajnjeg otiska, prikazane su na slici 12., koja predstavlja ematski prikaz profila otiska pod najveim optereenjem i profila otiska nakon rastereenja.

Slika 12. ematski prikaz profila povrine pri utiskivanju

32


Kod postupka nanoutiskivanja se ne meri otisak kao kod konvencionalnih postupaka, ve se tvrdoa odreuje direktno na osnovu krive optereenja-rastereenja. Najee koriena metoda analize ove krive poznata je pod nazivom Oliver-Far (Pharr) metoda. Prema ovoj metodi tvrdoa (H) se odreuje na osnovu sledeeg izraza:

H=

Pmax A

gde su: Pmax najvea sila, A projekcija kontaktne povrine.

U tabeli 3.2.1 dati su izrazi za odreivanje projekcije kontaktne povrine za razliite vrste utiskivaa Projekcija kontaktne Utiskiva Faktor povrine Lopta Berkovi Vikers Knup Ugao kocke Konus

A 2 Rhc

0.75 0.72 (0.75) 0.72

2 A = 3 3hc tan 2 2 A = 4hc tan 2

2 A = 2hc tan 1 tan 2 0.72

A = 3 3hc 2 tan 2 2 A = hc tan 2

0.72 0.72

- Dati izrazi podrazumevaju savrenu geometriju utiskivaa, meutim najee dolazi do zaobljenja vrha utiskivaa koje se uzima u obzir proirenjem datih izraza. - U proirenim izrazima javlja se veliki broj konstanti koje opisuju odstupanje od savrene geometrije, ije odreivanje je relativno teko, meutim, primenom izraza iz tablice 3.2.1 dobijaju se zadovoljavajui rezultati, pa se oni najee koriste. - Ovi izrazi pokazuju da se projekcija kontaktne povrine odreuje direktno na osnovu dubine kontakta hc. - Dubina kontakta zavisi od kontaktne krutosti S, najveeg optereenja Pmax, najvee dubine prodiranja hm i geometrije utiskivaa izraene preko faktora - Izraz za odreivanje kontakne dubine glasi:

hc = hm

Pmax S

- Ovim postupkom rezultati se dobijaju brzo i jednostavno, dubina kontakta se odreuje krajnje jednostavno, na osnovu izmerene najvee dubine i dubine otiska nakon rastereenja.

33


Na slici je prikazan profil utiskivanja za razliite dubine utiskivanja.

Slika Profil razliitih dubina utiskivanja

Primer: Zlatne ice spojene za integrisano kolo4000 3500 3000 2500

Pad

Ball

Neck

Wire

H (MPa)

2000 1500 1000 500 0 0 5 10 15 20 25

Indentation number150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25

Pad

Ball

Neck

Wire

E (GPa)

Indentation Number

34


U zavisnosti koji se otisak (dubina utiskivanja) meri, definiu se univerzalna tvrdoa (HU).

tvrdoa (H) i

Tvrdoa se odreuje na osnovu veliine otiska (dijagonale kod ex-situ ili dubine utiskivanja kod in-situ merenja) nakon prestanka optereenja i elastinog vraanja otiska, tako da je odgovarajua dubina otiska priblino jednaka (ht), Sl.11:H= F (26.43 ht )2

Podseanje: veliina otiska je: kod merenja ex-situ: dijagonale otiska Kod merenja in-situ: dubina utiskivanja Univerzalna tvrdoa se odreuje na osnovu dubine utiskivanja prizme pod optereenjem (dakle samo kod in-situ merenja). Izmerena dubina otiska u ovom sluaju je (hm), Sl.11:

HU =

F (26.43 hm )2

Tvrdoa se odreuje na osnovu samo plastine deformacije, dok se univerzalna tvrdoa odreuje na osnovu elastine i plastine (ukupne) deformacije prevlake. Jasno je da (HU) ima manju vrednost od (H).REZIME

Postoji vie faktora zbog kojih se vrednost izmerene tvrdoe treba uzeti sa rezervom, upravo zbog toga to se esto daje samo vrednost tvrdoe bez podataka o okolnostima pod kojim je dobijena. Najvaniji od tih faktora su: Takaste greke u materijalu i dislokacije, pogotovo nakupine dislokacija. Veliina zrna, koja ima uticaj zbog dejstva granice zrna (koje se sastoje od nakupina greaka). Uticaj granice je izraeniji kod manje veliine zrna. Nehomogenosti u prevlaci, poto utiskivanje u zone sa razliitim nejednakostima (hemijskim, orijentacionim, koncentracijama greaka, ...) daje razliite rezultate. Uticaj supstrata. U literaturi se navodi da izmerena vrednost tvrdoe sistema prevlaka/supstrat (to se uvek zapravo i meri) zavisi i od ilavosti prevlake i njene athezije za supstrat. Takozvani efekat veliine otiska. Iz kratkog prikaza se vidi da izraenost problema elastinog vraanja nakon utiskivanja, kao i opseg optimalnih optereanja zavise od vrste prevlake. U literaturi se navodi da optimalna vrednost relativne dubine utiskivanja zavisi i od debljine prevlake i da za razliite grupe prevlaka ima drugaiji uticaj.

Sve to govori o delikatnosti odreivanja korektne vrednosti tvrdoe same prevlake, problema za koji se naizgled moe initi da je trivijalan.

35


veba 4OSTALE MEHANIKE OSOBINE

Jangov (Young) modul elastinosti (E) Modul elastinosti je vana karakteristika prevlake, ima snaan uticaj na kontaktno polje napona, odvajanje prevlake, lom prevlake i zaostale napone u prevlaci. Metode odreivanja modula elastinosti: Metoda vibracione ipke (vibration rod method) Metoda vibracione membrane (vibrating membrane method) Metoda stvaranja ispupenja (bulge test) Metoda savijanja ipke (beam bending method) Metoda utiskivanja (indentation test) Metoda stvaranja elastinih talasa u povrinskom regionu (elastic wave generation method) - Metoda zatezanja (tensile test)

I druge... povrinski akustini talasi (surface acoustic waves, SAW), Sl. 1. Laserski talasi se usmeravaju na povrinu uzorka. - Prolazei u dubinu uzorka njihova amplituda jenjava i oni se gase. - Dubina prodiranja ovih talasa ne treba biti vea od debljine prevlake, te se stoga koriste visoke frekvencije (sa poveanjem frekvencije opada dubina prodiranja). - Brzina zvunih talasa, koji se pri tome stvaraju, zavisi od Young-ovog modula elastinosti (E), Poisson-ovog koeficijenta () i gustine materijala ().Sl. 1

- Meri se brzina zvunog talasa u zavisnosti od frekvencije laserskog zraka. - Pod uslovom da su ostala dva parametra poznata ( i ), moe se odrediti modul elastinosti (E).

- Ova metoda se takoe preporuuje i kao nedestruktivni postupak za ocenuathezije prevlake.

36


Odreivanje modula elastinosti nanoutiskivanjem Oliver-Phar

-

Koristi se ista kriva optereenja-rastereenja kao za odreivanje tvrdoe Standardne metode za analizu krive optereenja-rastereenja su razvijene pre svega za odreivanje mehanikih osobina neprevuenih elemenata. Rezultati utiskivanja pokazuju sloenu funkcionalnu zavisnost od elastinih i plastinih osobina prevlake i supstrata, stoga se pri merenju osobina prevlake dobijaju osobine sistema prevlaka-supstrat. U poreenju sa tvrdoom, uticaj supstrata na modul elastinosti je mnogo vei i primetan je na manjim dubinama utiskivanja (ak i za vrednosti h/t

Documents

Vezbe Iz Inzenjerstva Povrsina