<<
>>

Измерение адгезии, осноранное на определении твердости пленки

Данный метод является разновидностью метода скрайбирования. Исследование процесса скрайбирования показало, что практически во всех случаях пленка на краях царапин отслаивается.

Величина отслоения зависит от природы материалов пленки и подложки, а также от вида иглы. Само по себе явление отслаивания под воздействием вдавливаемого индентера и есть разрушение адгезионного взаимодействия системы пленка-—подложка. Это позволяет использовать для измерения адгезионной прочности приборы, с помощью которых определяется микротвердость..

Детально метод определения адгезионной прочности посредством измерения микротвердости рассмотрен в [42]. При вдавливании в образец концентрического индентера возникает сложное поле напряжений, включающее тангенциальную составляющую, параллельную поверхности раздела пленка — держатель. После измерения вздутия пленки, образующегося вокруг центра вдавли

вания, можно определить энергию адгезии и силу сцепления пленки с подложкой:

(36gt;

(37gt;.

где F—адгезионная прочность, Н; P — нагрузка на индентер, H;. d — диагональ пирамиды, мкм; ip — половина угла между гранями пирамиды, рад; / — диаметр вздутия, мкм; е — энергия адгезии, Дж • см"2. Формула (37) справедлива при вдавливании пирамиды Викерса с углом между гранями, равным 136°.

Выражение              представляет              собой              среднее значение:

(38)

где Е\ и E2 — модули упругости материалов пленки и подложки; Vi и V2 — их коэффициенты Пуассона.

Найденная сила F сарвнивалась с силой, измеренной по методу нормального отрыва для напыленных пленок различных окислов. Разница не превышала 7%.

По-видимому, выводы [42] распространяются лишь на окисные пленки.

Для других типов покрытий связь между адгезионной прочностью и твердостью вдавливания прослеживается не всегда.

12. Метод отслаивания

Этот метод определения адгезионной прочности заключается в измерении силы, необходимой для отслаивания полосы пленки, или в вычислении работы, затрачиваемой на отслаивание пленки, заданной площади. Метод может быть реализован двумя путями. Во-первых, если пленка достаточно толстая и гибкая, то сила отрыва может прикладываться непосредственно к отслаиваемой

Рис. 11. Различные варианты метода отслаивания:

а, в, г, е — для твердых подложек; б, д — для гибких подложек (варианты в, е не требуют специальной кинематики для фиксации угла отрыва)

пленке. Во-вторых, если пленка тонкая или хрупкая, то можно нанести на образец дополнительное покрытие. Это реализуется электролитическим наращиванием или вакуумным напылением на исследуемую пленку, или наложением на нее клейкой ленты. В последнем случае метод именуется «скотч-тест».

Варианты метода представлены на рис. 11. Сила отрыва может прикладываться перпендикулярно пленке (а), подложке (б), под некоторым углом (г), вдоль подложки (в) и (е). Варианты метода отслаивания (б) и (5) могут использоваться для определения сцепления пленок с гибкими: подложками.

Измеряемая сила отрыва должна быть отнесена к единице ширины пленки:

F=Fofbj              (39)

где F0—измеряемая сила, Н; b — ширина пленки, м; F — адгезионная прочность, измеряемая при приложении силы отслаивания перпендикулярно подложке, Н*м-1.

Удельная работа отслаивания W определяется из соотношения W=F0h/Sy              (40)

где h — перемещение              конца              пленки              в              процессе              отрыва,              м;              5 =

= CLXbi а и b — длина и              ширина              отрываемой              полоски пленки,              м.

Следует отметить, что в некоторых случаях длина отрываемой пенки не равна перемещению конца плевки h. Это происходит по двум причинам:              из-за наличия радиуса кривизны отрываемой

пленки и вследствие удлинения полоски пленки на Aa под действием силы F0. С учетом этих замечаний

h — а + Aa- a cos а = а (I — cos а) + Да,              (41)

где а — угол между направлением отрыва и плоскостью подложки.

Тогда работа отрыва с учетом упругих свойств пленки равна W0Tp ^              + а (I — cos а)]/5.              (42)

Если Aa = 0, то без учета удлинения пленки работа отрыва

^отр = /7OTp (I — cos a)/b.              (43)

Если сила направлена по нормали к подложке, то соотношение {43) переходит в (39).              *

Иногда процесс отслаивания производят путем навешивания на пленку грузов массой т. В этом случае работа отрыва

W =Jnghfab1              (44)

Tjieg — ускорение свободного падения.

При измерении адгезионной прочности методом отслаивания следует различать работу отрыва и работу разрушения адгезионных связей. Работа, затрачиваемая на разрушение адгезионных связей, зависит только от природы граничной области между пленкой и подложкой, а работа отрыва зависит еще и от условий отрыва-скорости отслаивания, давления окружающей атмосферы, угла приложения силы и др. При проведении измерений следует максимально уменьшать влияние указанных параметров отрыва, 48

а также следить, чтобы они были постоянными при проведении всего цикла измерений.

Различие между работой адгезии и работой отслаивания порождает зависимость работы отслаивания от угла отрыва. При уменьшении угла между направлением силы отрыва и плоскостью подложки работа отслаивания возрастает. Это происходит вследствие изменения поля механических напряжений у края трещины расслоения. При малых углах отслаивания в области кончика тре- щинЦ происходит увеличение зоны пластического течения, что увеличивает работу отрыва.

Приведенные выше формулы (39) — (44) не учитывают влияния скорости отрыва на измеряемые значения силы и работы отслаивания. Процесс отслаивания сопровождается затратой работы на деформацию пленки, причем эти затраты растут с увеличением скорости отрыва. В большинстве случаев работа отслаивания пропорциональна логарифму скорости. Возрастание работы отслаивания пленки металла от стеклянной подложки при увеличении скорости отрыва можно проследить по рис. 12.


He всегда зависимость работы отслаивания от скорости имеет простую логарифмическую форму. На рис. 13 представлена полученная авторами данной книги функция силы отрыва от скорости при отслаивании тонкопленочной структуры хром — медь. На графике можно увидеть два интервала, характеризуемые слабой зависимостью силы от скорости отрыва, которые следует использовать при измерении адгезионной прочности. Иногда отмечается очень сложный характер зависимости силы отрыва от скорости. Например, при отслаивании многослойной пленочной структуры сложный вид отрыва возникает вследствие того, что при разных скоростях отрыва расслоение происходит между различными материалами. При исследовании адгезии тонкопленочной структуры ванадий — медь при малой скорости отрыва разрушение происходит между подложкой и ванадием, а при большой скорости — между ванадием и медью.

На работу отслаивания влияет давление окружающей атмосферы. Значение работы отслаивания уменьшается в присутствии

кислорода либо паров воды при этом влияние паров воды сказывается сильнее. Работа отрыва не зависит от давления при вакууме более 13 Па. Аналогичные измерения, проведенные с пленками меди, серебра и золота, нанесенными на натриевое и боро- силикатное стекла и кварц, показали, что высокая прочность адгезии наблюдается, если пленка отрывается в глубоком вакууме- Оказалось возможным установить связь между давлением, при котором увеличивается адгезионная прочность, и скоростью отры- ва пленки. Показано, что работа по отслаиванию определяет скорость, с которой атомы газа попадают в трещину, возникающую между пленкой и подложкой при отрьгве. В настоящее время нет общепринятого объяснения данному явлению. Влияние давления окружающих газов на адгезию может быть объяснено в рамках электростатической теории адгезии [43], предполагающей наличие, двойного электрического слоя между пленкой и подложкой. При отслаивании пленки в атмосфере могут возникать различные формы электрических разрядов, в результате чего уменьшается поверхностная плотность зарядов на пленке и подложке и в конечном счете уменьшается работа отслаивания.

Практика использования метода. Приложить силу отслаивания непосредственно к самой пленке можно только при достаточной ее толщине. Затруднительно производить отслаивание медной пленки с подслоем хрома, если толщина меди менее 2 мкм. При малой адгезионной прочности удается отслаивать и более тонкие пленки. Нижний предел толщины, при котором возможно отслаивание золотых пленок от стеклянных подложек, составляет 150 нм. Пленочные образцы для определения адгезионной прочности методом отслаивания должны приготавливаться особенно тщательно,, так как дефекты на поверхности пленки (пылинки, микрокапли, испаряемого металла) могут привести к ее разрыву во1 время измерения.

Зачастую в процессе отрыва угол а меняет свое значение, это влияет на измеряемые величины силы и работы. В ряде случаев применима методика измерения адгезионной прочности отслаиванием, в которой угол а фиксируется с помощью валика, прокаты-

Рис. 14. Схема устройства для измерения адгезионной прочности методом отслаивания при постоянном угле приложения внешней силы [44]

I — валик; 2 — вал двигателя; 3 — пленка; 4 — подложка

ваемош по поверхности пленкй. При использовании данной методики необходимо исключить влияние движущегося валика на процесс измерения F0тр. В [44] неизменность угла отрыва а обеспечивалась системой блоков. Схема устройства представлена на рис. 14. В процессе измерения угол ф менялся от 40 до 90°, в та

же время угол а оставался постоянным. Сила отрыва измерялась с помощью валика, жестко связанного с измерителем силы, сигнал с которого поступал на самописец. Оригинальная методика измерения адгезионной прочности отслаиванием, обеспечивающая постоянство угла отрыва а, предложена в [45]. Неизменный угол обеспечивался горизонтальным перемещением подложки со скоростью отрыва пленки. Для точного совпадения скоростей подложки и пленки перемещения осуществлялись по системе механических передач от единого вращающегося вала. Таким образом достигалось постоянство угла отрыва пленки а при любой частоте вращения вала электродвигателя.

Метод отслаивания, применяемый для измерения адгезионной прочности пленок, нанесенных на гибкую подложку, продемонстрирован на рис. 11,е. Данный метод также обеспечивает постоянство угла отрыва. При реализации этого метода важное значение приобретает способ закрепления гибкой подложки. Удобно применять клейкую ленту, при помощи которой гибкая подложка с нанесенной пленкой прикрепляется к жесткой пластине.

Трудной задачей, возникающей при реализации метода отслаивания, является обеспечение начального отрыва пленки для зажима ее края в систему для измерения силы. Для начального отрыва пленки может применяться клейкая лента, но, очевидно, применение ее возможно в случае незначительного сцепления пленки с подложкой, например при определении работы адгезии золота к стеклу [44].

При высоких значениях адгезионной прочности для начального отрыва пленки применяют специальные меры. Так, при исследовании адгезии пленок, допускающих приварку, начальный отрыв может осуществляться термокомпрессионным соединением.

Начальное отделение пленки от подложки можно осуществить с помощью отрыва плоского латунного штифта, припаянного к пленке. Отслаивание пленок золота, серебра, никеля и меди можно производить непосредственно, другие же пленочные материалы требуют нанесения дополнительного паяемого покрытия вакуумным напылением или электролитическим осаждением. Следует учитывать, что нанесение дополнительных пленок может исказить измеряемое значение адгезионной прочности.

Для отделения края пленок, очень прочно связанных с подложкой, можно применить искусственное уменьшение адгезии на месте зацепления. Для этого по кромке подложки предварительно наносится дополнительный подслой из материала, имеющего низкую адгезию, после чего- на всю площадь подложки наносится исследуемое покрытие. Толщина дополнительного подслоя должна быть малой (не более десятых долей микрометра) для исключения разрыва пленки в процессе отслаивания gt;на образовавшейся ступеньке. Для оценки адгезионной прочности вакуумных покрытий возможно предварительное напыление меди в качестве неадгезионного подслоя. При исследовании вакуумно-осажденных тонкопленочных структур, таких как адгезионный подслой — провод

никовый слой, возможно использование для начального отрыва пленки затенение края подложки при напылении адгезионного подслоя. В этом случае толстый проводниковый слой, лишенный адгезионного подслоя, не сцепляется с подложкой и легко отделяется от нее иголкой [46].

Модификацией метода отслаивания является отделение пленки от подложки при помощи клейкой ленты (скотч-тест). Лента приклеивается к пленке и вместе с ней отрывается от поверхности подложки. Применяемая на практике клейкая лента обеспечивает прочность прикрепления к поверхности примерно 0,4 Дж/м2. Преимущества данного метода заключаются в малых затратах времени на измерение и в возможности определения адгезионной прочности очень тонких пленок. К недостаткам относятся искажение результатов измерения вследствие деформации клейкой ленты, а также невозможность применения метода для пленок, прочно сцепленных с подложкой.

B1 ряде случаев отслаивание с помощью клейкой ленты (скотч- тест) использовалось для исследования адгезионной прочности тонкопленочных структур Ta—Au; Si—Au; SiO2—Au; GeO2—Au; Cr—Au и Cr2O3—Au, напыленных на стекло и окисленный кремний. При испытаниях наблюдались различные степени отслаивания— как полное удаление пленки, так и частичное. Отмечена значительная зависимость адгезионной прочности от времени выдержки образцов после напыления.

Анализ напряжений отрыва. При применении метода отслаивания возникает вопрос о нахождении значений механических напряжений в точке расслоения. По ним можно определить удельную силу адгезии. Необходимо также учесть влияние толщины пленки и механических констант материалов на измеряемое значение силы отслаивания. Полный теоретический анализ напряженного состояния, возникающего в процессе отслаивания, затруднителен. С приемлемой степенью приближения возможно определе-


Рис. 15. Отрыв от твердой подложки клейкой ленты (скотч-тест) (а) и распределение нормальных напряжений на границе раздела клей —образец (точка О совпадает с точкой начала расслоения) (б)

0

ние поля механических напряжений при отслаивании пленки клейкой лентой. Схема отрыва показана на рис. 15,а. Многими авторами задача решалась при следующих условиях: подложка считалась абсолютно твердой, лента — гибкой; структура лента — клей представляется мо'делью гибкой пластины на упругом основании;

разрушение клея происходит в том случае, если растягивающее напряжение в нем превышает некоторое критическое значение; размеры ленты по обе стороны от точки разрушения предполагаются достаточно большими; в начальном состоянии лента свободна от напряжений.

При этих условиях распределение напряжений отрыва имеет вид, показанный на рис. 15,6. Можно показать, что практически важное значение максимального напряжения в точке расслоения:

(45)

где P — сила отрыва, составляющая угол а с плоскостью подложки, Н; у и E — модули-упругости материалов клея и ленты соответственно, Па; 'P — ширина отслаиваемой полоски пленки, м; I — момент инерции ленты относительно средней линии, м4; а — толщина слоя клея, м.

В экспериментах часто производится отрыв под углом 90°. В этом случае

.              (46)

Данное выражение устанавливает связь между силой сцепления пленки с подложкой при отрыве лентой. Уравнения справедливы, если толщина ленты много больше толщины пленки, что выполняется на практике. Кроме того, выражения (45), (46) дают возможность сравнить результаты измерения адгезионной прочности методом нормального отрыва и методом отслаивания.

Анализ модели отслаивания с учетом вязкоупругости клеевого слоя выполнен в [47]. Показано, что при фиксированных свойствах клеевого слоя его жесткость зависит от скорости деформации и увеличивается с ростом последней. В результате даже при постоянной прочности клея усилие отрыва падает с ростом скорости отрыва. Если же фиксировать деформацию разрушения, то сила отрыва представляет собой произведение двух величин, одна из которых — напряжение разрушения — возрастает, а другая — размер области концентрации напряжений — падает с ростом скорости. .Вследствие этого в последнем случае нужно учитывать конкретные параметры задачи.

Намного сложней является случай, если сила отрыва прикладывается непосредственно к самой пленке без использования клейкой ленты. При использовании пленочных покрытий, таких как золото, медь, алюминий и других, необходимо решать задачу, связанную с упруго-пластическими деформациями, а это вызывает большие затруднения. Сложно применять и численные методы, которые при более простой задаче позволяют найти решение, учитывающее упруго-пластические деформации материалов с желаемой степенью точности.

В [48] представлено исследование упрощенного случая отрыва пленки,; учитывающее ее пластичность. Рассмотренная модель процесса отрыва предполагала, что пластичность пленки проявляется

53

'В существовании излома на графике зависимости кривизны пленки от прикладываемого к ней момента в отличие от чисто линейной зависимости в случае упругой деформации. Значение момента, соответствующего точке излома, определялось из экспериментов с материалом пленки. Подложка рассматривалась как упругое основание, характеризующееся линейной связью между приложенной силой и смещением в,' малой окрестности, включающей любую точку ее поверхности. В результате решения данной задачи было получено максимальное значение механических напряжений на границе раздела между пленкой и подложкой, обусловливающих адгезионное разрушение. Найденное значение механических напряжений выражается как функция приложенной силы отрыва, толщины и ширины отрываемой полоски пленки, а также механических констант материалов.

Когда метод отслаивания применяется к металлизированным полимерным подложкам, то учитывается текучесть материала, которая приводит к сложным зависимостям силы отслаивания от скорости отрыва. В частности, при постоянной скорости отрыва могут наблюдаться осцилляции силы отслаивания.

Несмотря на недостаточную ясность теоретических аспектов метода отслаивания и трудность нахождения связи меж)ду максимальным напряжением отрыва и прикладываемой силой Py метод отслаивания по сравнению с другими методами контроля прочности сцепления пленок обладает значительным преимуществом. Оно заключается в том, что структура пленка — подложка в процессе измерения не претерпевает никакой обработки (термической, воздействия агрессивных сред), что характерно для метода нормального отрыва. Другими словами, сила отрыва функционально зависит только от параметров нанесения пленки и не искажается в процессе измерения. Это делает данный метод незаменимым в процессах контроля качества очистки подложек и правильности выбора технологических параметров нанесения пленок.

<< | >>
Источник: Углов А. А. и др.. Адгезионная способность пленок.—М.: Радио и связь,. — 104 с.. 1987

Еще по теме Измерение адгезии, осноранное на определении твердости пленки:

  1. Влияние на адгезию дефектов на границе пленки и подложки
  2. 2.2.1 Определение устойчивости двусторонней пленки вина
  3. Глава первая. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АДГЕЗИИ
  4. О ТВЕРДОСТИ И ЖИДКОСТИ
  5. О твердости (rigiditas) материи в противоположность жидкости §
  6. Общая характеристика параметров, влияющих на адгезию
  7. Расчет напряжений в системе пленка — подложка
  8. Напряженное состояние граничной области между! пленкой и подложкой
  9. Неразрушающие методы измерения адгезионной прочности
  10. Другие разрушающие методы измерения адгезионной прочности
  11. Измерения
  12. Измерения человека
  13. Качественные измерения
  14. Материальное измерение
  15. Стандартная погрешность измерения
  16. Измерения в экономике
  17. 3.4.2. Социологическое измерение
  18. Б. Амбивалентности жмзни в историческом измерении
  19. 2.2. Техника измерения температуры тела
  20. Измерения, сферы, степени