Tenké vrstvy
– aplikace – metody přípravy – hodnocení vlastností
Co je tenká vrstva? Srovnání tloušťek lidského vlasu a tenké vrstvy
Zdroj: http://resolution.umn.edu/MMS/Pro jectMICRO/Schools/
1 / 75
Co je tenká vrstva? • O tenké vrstvě můžeme hovořit, pokud se jedná o materiál o tloušťce od několika desítek nanometrů až po několik mikrometrů, který je vytvořený na základním materiálu tj. substrátu. • Tenké vrstvy se již řadu let používají k povrchovým úpravám různých substrátů. • Dnes existují široké možnosti použití tenkých vrstev například v elektrotechnickém průmyslu, strojírenství, energetice, dekorační technice atd. • Například velmi tvrdé diamantové vrstvy se nanášejí na řezné nástroje (vrtáky, frézky, pilky), což až několikanásobně zvyšuje jejich životnost. • Optické vrstvy se používají například k antireflexnímu pokrytí čoček, na interferenční filtry a k nanesení reflexních vrstev na zrcadla. • Kovovými vrstvami (Al, Au, Cu) se tvoří například kontakty na polovodičích a Schottkyho bariéry. 2 / 75
Aplikace tenkých vrstev • Pro své aplikace jsou velmi zajímavé i tenké vrstvy průhledné ve viditelné oblasti záření a přitom elektricky vodivé (In2O3, SnO2, ZnO, In2O3:Sn). • Lze je použít k povrchové úpravě skla či průhledných fólií jako odporové vrstvy sloužící k vyhřívání Jouleovym teplem, ke svádění nežádoucích elektrostatických nábojů z nevodivých povrchů, či jako transparentní elektrody k plochým zobrazovacím prvkům a k solárním článkům. • Důležitou aplikací těchto vrstev jsou kvalitní přední elektrody v plochých displejích, přes které musí být vidět zobrazovaná informace. • Takové transparentní elektrody se používají v plochých zobrazovacích prvcích založených na principu kapalných krystalů (LCD), plazmatu (PD) nebo elektroluminiscence (ELD) například v digitálních hodinkách, kalkulačkách, monitorech počítačů, měřicích přístrojích, hracích automatech atd.
3 / 75
Aplikace tenkých vrstev
4 / 75
Povlakování displeje vyrobeného z plastu 4 vrstvy- a to v jediném pracovním procesu: vrstva zajišťující přilnavost vrstva proti oděru vrstva antireflexní vrstva »očistná«, tzv. »easy-to clean«, která má i funkci estetickou. • Povlakování sklíček u brýlí, kde první vrstva má funkci ochrany před poškrábáním, druhá je antireflexní a třetí opět easy-to clean. • U PET lahví se současně s ochranným povlakem pořizuje i barevný dekor lahví.
FOTO: SCHOTT HICOTEC
5 / 75
Vrstva Rozhraní Substrát
Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém, neboť vrstva pro svoji tloušťku dosahuje společně se substrátem specifických vlastností a chování. Samotné tenké vrstvy mají na rozdíl od objemových materiálů rozdílné vlastnosti a to nejen z důvodů svojí tloušťky, ale i následkem depozičních procesů, které lze označit jako nerovnovážné a iniciující vznik metastabilních fází. 6 / 75
Pro zajištění požadovaných vlastností je nutné věnovat pozornost všem složkám tvořící
daný systém Otěruvzdorná vrstva Odolnost proti opotřebení Redukce tření Korozní odolnost Difúzní bariéra Tepelná bariéra
Mezivrstva Adheze Bariéra rozvoje trhlin Kompenzace diletace a pnutí Modifikace struktury a morfologie
Substrát Pevnost Tuhost Geometrie
7 / 75
Substrát – “podklad” tenké vrstvy Pokud deponujeme (nanášíme tenkou vrstvu na) řezný nástroj – frézu, vrták, vyměnitelnou břitovou destičku (VBD) atd. – je substrátem celý nástroj, respektive jeho povrch.
Povrch nástroje se nemůže deponovat ihned po výrobě nástroje (tak jak je), ale musí se na depozici speciálně připravit, aby se zaručila dokonalá adheze tenké vrstvy k substrátu
8 / 75
ADHEZE TENKÉ VRSTVY K SUBSTRÁTU - je velmi důležitou vlastností systému tenká vrstva – substrát - bez kvalitního ahezního spojení dochází k degradaci systému - jedním z dějů, které podstatně ovlivňují adhezi vrstvy jsou předdepoziční přípravy substrátu
Tenká vrstva Substrát 9 / 75
PŘEDDEPOZIČNÍ PŘÍPRAVY - PP Definice: Všechny procesy, které: - předcházejí vlastní depozici tenké vrstvy na nástroj - jakkoliv ovlivňují čistotu, morfologii a chemické složení povrchu substrátu
Podle druhu substrátu PP zahrnují tyto činnosti 1) Úprava řezných hran 2) Chemické čištění substrátu 3) Iontové čištení substrátu 4) V případě redepozice tenké vrstvy předchází pochodům 1 - 3 tzv. stripping – odpovlakování Všechny tyto procesy mají nezanedbatelný vliv na ADHEZI 10 / 75
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ ZE SLINUTÉHO KARBIDU - SK Hrany jsou po broušení otřepené, plné defektů
Hrana před opracováním Úpravou dochází k minimalizaci defektů a ostrých přechodů - v závislosti na zvolené technologii úpravy
Po omletí proudem skořápek 11 / 75
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK Před
Po otryskání kompozitními elastickými částicemi s abrazivem
12 / 75
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK Hrany jsou po broušení otřepené, plné defektů
Předtím
Technologie úpravy Tryskání kompozitních elastických částic s abrazivem
Po omletí proudem elastických částic s abrazivem 13 / 75
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK
Technologie 1) Proud vzduchu, který unáší abrazivní částice přírodní oxidy (minerální abraziva) kovová abraziva – např. broky – jsou vhodné na objemnější nástroje struska syntetická abraziva (na bázi Al2O3 a SiC) diamantový prášek
2) Kartáčování - ocelová pop různá tvrdá polymerní vlákna impregnovaná abrazivem (NAF – Nylon Abrasive Filament)
3) Finišování pomocí gumových disků nebo jiných elementů za přítomnosti abrazivního média (např. vápencové kaše)
14 / 75
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK
Technologie ad 1) Speciální technologie – AERO LAP Proud vzduchu unáší mokré měkké elastické částice s abrazivem
Rozdíl mezi upravou proudem tvrdých a měkkých částic 15 / 75
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Probíhá přímo v depoziční komoře 2 fáze – 1) čištení doutnavým výbojem – zdrojem iontů je ionizovaný plyn v komoře – Ar, H2, N2 2) čištění nízkonapěťovým el. obloukem – zdrojem iontů je “katodová skvrna” Ionty jsou urychlovány záporným předpětím na substrát
16 / 75
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Parametry bombardu BIAS – záporné předpětí přiložené na substrát ČAS – doba působení iontového čištění PRVEK použitý k bombardu plynné prvky – Ar, H2 – pro první fázi čištění, zvýšení obsahu H2 podle dosavadních poznatků přispívá ke snížení obsahu oxidických nečistot pevné prvky – Ti, Cr – pro druhou fázi - čím vyšší je teplota tavení tohoto prvku, tím nižší je výskyt makročástic ulpělých na povrchu po iontovém čištění
17 / 75
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD rychlořezné oceli Různé parametry = různé ovlivnění povrchu
Před bombardem
Po bombardu 18 / 75
Znečištěný substrát
Nečistoty na již očištěném povrchu nástroje před depozicí.
Zhoršená adheze vrstvy následkem nedokonalého očištění povrchu.
19 / 75
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Vliv bombardu na substrát - SK
20 / 75
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Vliv bombardu na substrát - SK
21 / 75
STRIPPING Proces, při kterém se tenká vrstva z použitého nástroje odstraňuje 1. Sundání vrstvy z nástroje působením chemických činidel 2. Přeostření nástroje (nutné pro degradaci břitu působením ch. činidel) 3. Depozice nové vrstvy $$ - finanční náklady na dopravu Nástroj na stripping Nástroj na přeostření Depoziční firma
Nástroj na depozici
Výrobce nástroje 22 / 75
STRIPPING rychlořezných ocelí (HSS) Odpovlakování nástrojů z rychlořezných ocelí nepředstavuje v současné době velký problém.
Používaná technologie - Anodické
rozpouštění
nástroj tvoří anodu, která se rozpouští v elektrolytu na bázi hydroxidů nebo volně v roztocích HNO3 , HF, H2O2 Postup strippingu lze sledovat měřením změny potenciálu vzhledem k referenční elektrodě v závislosti na době strippingu.
roztok KOH nebo NaOH
23 / 75
STRIPPING slinutých karbidů V současnosti je velkou výzvou - odpovlakování nástrojů ze slinutého
karbidu představuje chemický oříšek. Zatím není dosahováno uspokojivých výsledků – Redeponované vzorky vykazují výrazně horší vlastnosti.
Strukturní součásti tenké vrstvy (většinou na bázi nitridů a karbidů kovů) a stejně tak i karbidická zrna slinutého karbidu odolávají relativně dobře působení chemických činidel
x
Kobaltové pojivo je rozpouštědly intenzivně napadáno a dochází tak k narušení substrátu.
Kobaltové pojivo zrna 24 / 75
Typy vrstev: Monovrstva Monovrstva s „adhezní“ vrstvičkou Sendvičově řešená vrstva Nanostrukturovaná vrstva Nanokompozitní vrstva Gradientní vrstva
http://www.shm-cz.cz
25 / 75
Nanokompozitní vrstva • Nanokompozitní systém AlTiSiN tvořený základní vrstvou s vysokou tvrdostí a povrchovou vrstvou s vysokou tepelnou i chemickou stabilitou
• Nanokompozitní vrstva tvořená TiAlSiN a zakončená kluznou vrstvou s obsahem oxidů a uhlíku
http://www.shm-cz.cz
26 / 75
Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy Nanovrstevná struktura
100 nm
Zdroj: Pavel Holubář, Nová průmyslová technologie povlakování Přednáška Vrstvy a Povlaky 2003
Substrát
Schématický postup šíření trhliny multivrstevným systémem
27 / 75
Diamantové vrstvy •
K hlavním výhodám povlakovaných destiček patří větší rozsah výroby, nižší výrobní cena, pružná změna a větší složitost tvaru (např. utvářeč).
• Diamantový povlak má velmi malý koeficient tření, menší než např. teflon (nižší koeficient tření povlakové vrstvy se projeví ve zvýšení řezného výkonu nástroje), jeho tepelná vodivost je několikrát vyšší než tepelná vodivost mědi. • Předlisovaný utvářeč třísky umožňuje zvýšit používané řezné rychlosti. • K jejich největším nedostatkům patří nízká houževnatost, nejsou schopny odolávat mechanickým šokům, a proto nejsou vhodné pro hrubovací obrábění a přerušované řezy. • Ve srovnání s nepovlakovanými destičkami 10krát - 50krát vyšší životnost (závisí na obráběném materiálu a řezných podmínkách).
28 / 75
Teplotní přetížení nástroje – nejčastější příčina jeho poškození Vrstvy jako např. Al2O3 popř. AlTiN vytváří účinné tepelné bariéry
Lavinovitý otěr nástroje následkem tepelného i mechanického přetížení
Rozdělení odváděného tepla v závislosti na řezné rychlosti při obrábění oceli 29 / 75
Kluzné vrstvy
sp Ternární fázový diagram vazeb u a –C:H.
Srovnání koef. tření – kulička Al2O3 AlTiN Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3 MoS2
1,1
AlTiN
Vrstva na bázi uhlíku
1,0 0,9 0,8
koef. tření
0,7 0,6
Vrstva na bázi uhlíku
0,5 0,4 0,3 0,2
MoS2
0,1
Krystalografická mřížka MoS2
0,0 0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Dráha v km
30 / 75
V minulosti byla hlavní pozornost věnována ekonomice obrábění Hodnoty trvanlivosti T při limitním opotřebení VB=0,3 mm SK (v=38,52,63,80 m/min) TiN (v=54,64,72,80 m/min) TiN-TiP (v=50,60,70,80 m/min) TiAlN-AlP (v=48,57,68,77 m/min) TiAlSiN-alfa (v=52,62,73,80 m/min) TiAlSiN-beta (v=57,67,75,87 m/min)
250
Ra
Trvanlivost T (min)
200
150
100
50
0 40
50
60
Řezná rychlost v (m/min)
70
80
Ekonomická stránka je samozřejmostí, hlavní trend vývoje bude sledovat kvalitu, ekologický dopad a snadnou obnovitelnost nástrojů. 31 / 75
Tenké vrstvy TiAlSiN a CrAlSiN • Tyto nanokrystalické vrstvy se vyznačují především vyšší tvrdostí a vyšší odolností proti opotřebení i za vyšších teplot. • Obrábění těžkoobrobitelných materiálů je doprovázeno celou řadou jevů, které přímo či nepřímo ovlivňují řezný proces a celý systém stroj – nástroj – obrobek. • Při obrábění vrtáním je hlavním problémem odvod třísek a s tím i spojený odvod tepla z místa řezu. U vrtání za sucha nástroji ze slinutého karbidu, tak většina tepla zůstává v obrobku a v použitém nástroji. Teplo odvedené třískou tvoří jedinou možnost jak snížit teplotu v řezu. • Tím vznikají mnohem vyšší nároky na vhodně zvolený materiál nástroje a vhodně zvolenou tenkou otěruvzdornou vrstvu, jelikož nástroje s vrstvou jsou dlouhodobě vystaveny teplotám převyšujících i 500°C. • Navíc během řezného procesu vzniká a průběžně narůstá opotřebení funkčních ploch nástroje, které způsobuje změnu koeficientu tření k horšímu a dochází tak k dalšímu zvýšení řezné teploty. 32 / 75
• Je zřejmé, že druh a kvalita použité vrstvy má významný vliv na průběh obrábění. • S průběhem opotřebení je spojena i změna řezné síly. • Rozdíl v řezných silách mezi jednotlivými silami je způsoben koeficientem tření. • Změny ve velikosti namáhání nástroje a s tím souvisejícím namáhání vřetena stroje je možné dosáhnout použitím nových nanokrystalických tenkých otěruvzdorných vrstev. • Nejenom, že se sníží namáhání soustavy stroj – nástroj obrobek, ale použitím těchto vrstev se spotřebuje i mnohem méně práce potřebné na překonání plastických deformací.
33 / 75
Trend vývoje – požadavek na moderní nástroje s progresivními vrstvami: - Větší trvanlivost nástroje (využití v hromadné výrobě, automaty) - Obrobený povrch s vyšší kvalitou (lepší povrch při stejné ceně – vyšší kvalita) - Obrábění s minimálním množstvím procesní kapaliny (ekologie, cena, starosti s recyklací a skladováním) - Odstranění „starých“ vrstev z nástrojů SK bez nutnosti následného přeostření.
34 / 75
Depozice tenkých vrstev • Depozice vrstev se provádí jako finální operace na hotovém již tepelně zpracovaném substrátu. • Pro dobré adhezní vlastnosti musí být povrch substrátu před depozicí kovově čistý. • Dále je nutné před samotnou depozicí očistit povrch od organických a anorganických nečistot. • Při použití chemického čištění je nutné u všech technologií depozice mechanicky očistit povrch od makronečistot. • Při některých druzích depozic je možné provést čištění substrátu pomocí iontového bombardu.
35 / 75
Základní depoziční procesy 1050°C 950°C
Chemical Vapor Deposition CVD
750°C 10µm
CVD
10µm
PVD
Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition PACVD 500°C
Physical Vapor Deposition PVD 300°C
36 / 75
Za hlavní charakteristický rozdíl je brán způsob přípravy vrstvy, tj. z pevného terče u PVD metod a z plynu u CVD.
37 / 75
Chemické metody depozice vrstev CVD (Chemical Vapour Deposition) • Mezi výhody tohoto procesu patří vysoká odolnost vůči opotřebení. CVD proces je ekonomicky nejvýhodnější pro tvorbu silných vrstev a je také vhodný všude tam, kde je nutné povlakovat nepřístupné dutiny a drážky. • Nevýhodou je vysoká teplota při deponování, nemožnost dělat některé typy vrstev kombinací různých typů kovů (např.TiAlN). Dalším problémem je skutečnost, že při povlakování se hrany zaoblují (neboť se jedná tlustou vrstvu) a k procesu deponování je použito ekologicky problematických toxických chloridů kovů. • Tenká vrstva se na povrchu substrátu vytváří v důsledku chemických procesů probíhajících v objemu plazmatu a přímo na rozhraní mezi plazmatem a povrchem substrátu. Reakční složky jsou přiváděny v plynné fázi, za vysokých teplot se rozkládají a vrstva vzniká na povrchu substrátu heterogenní reakcí. 38 / 75
• CVD technologií lze připravit velmi rozmanité vrstvy kovů, polovodičů a různých chemických sloučenin buď v krystalickém či amorfním stavu, jež jsou vysoce čisté a mají požadované vlastnosti. Rovněž lze řídit stechiometrii v širokých mezích. • Výhodou jsou relativně nízké náklady na zařízení a řízení procesu. Z toho vyplývá vhodnost pro velkovýrobu i střední výrobu a slučitelnost s ostatními výrobními postupy. • Použití této metody je značně omezeno vysokou teplotou depozičního procesu (950 – 1050°C). V řadě případů, jako např. u nástrojů z rychlořezné oceli, nelze tuto metodu použít, protože depoziční teplota musí být nižší, aby při depozici nedošlo k tepelné degradaci základního materiálu (např. v případě nástrojů z rychlořezné oceli značně omezeno vysokou teplotou depozičního procesu, proto se používá především k depozici nástrojů ze slinutých karbidů).
39 / 75
Zdroj: http://www.trumpf.com
40 / 75
CVD technologie má několik nedostatků: 1. vysokou energetickou náročnost, 2. dlouhý pracovní cyklus 8-10 hodin, 3. ekologicky nevyhovující pracovní plynné směsi 4. tahová pnutí ve vrstvě (rozdílný koeficient tepelné roztažnosti)
Přednosti této depozice: vysoká teplotní stabilita vytvořených vrstev možnost vytvářet poměrně složité vrstvy a to nejen nitridu kovů (Al2O3, uhlíkové kluzné vrstvy, diamantové vrstvy) vysoká adheze vrstev a odolnost proti opotřebení, rovnoměrná tloušťka u tvarově složitých nástrojů a součástí V důsledku uvedených rozdílů ve vlastnostech jsou CVD vrstvy využívány především pro soustružení a frézování, zatímco PVD vrstvy jsou užívány tam, kde by byla trvanlivost v důsledku vydrolování a vysokých řezných sil nízká, např. při obrábění korozivzdorných ocelí. Vrstvy PVD jsou též užívány u nástrojů, které mají velmi pozitivní geometrii ostří (bez zaoblení), jako např. celokarbidové vrtáky a stopkové frézy. 41 / 75
Vedle konvenční metody CVD existují další upravené depoziční možnosti: • PECVD - Plasma Enhanced CVD, tzv. plazmaticky aktivovaná CVD metoda • MWPCVD - MicroWave PlasmA CVD, mikrovlnní plazmatická CVD metoda), která se od klasické CVD metody liší nízkými pracovními teplotami (běžně 600oC, podle některých údajů i méně, např. 480 560oC), přičemž nemění její princip. • Metoda PICVD (Plasma Impulse Chemical Vapour Deposition, chemické povlakování prostřednictvím srážení par za pomoci plazmového impulzu). Deponují se substráty z plastů jako jsou polyetylén, PC, PP a HDPE, a též sklovité povrchy ze SiO2 a TiO2. • Nízkotlaková depozice LPCVD • CVD za asistence laserového záření (LACVD) • Depozice indukovaná iontovým bombardem (IBICVD)
42 / 75
PECVD - CVD za použití plazmatu • Nejčastěji používanou depoziční metodou přípravy vrstev na bázi uhlíku je metoda CVD za použití plazmatu - PECVD. Metoda PECVD je založena na zvýšení energie plynné atmosféry v komoře pomocí její ionizace a aktivace v plazmatickém výboji. • Obecně se využívá vysokofrekvenčního výboje (Rf 100kHz – 40MHz) při tlacích 50 mTorr – 5 Torr (1 Torr = 133 Pa). Objemová koncentrace μe ~ μi ~ 109 – 1012 cm-3; střední kinetická energie εe = 1 – 10 eV. Takto energeticky výbojové prostředí je dostatečné k rozkladu molekul na různé složky – elektrony, ionty, atomy v základním a excitovaném stavu, volné radikály, atd. • Výsledným efektem chemických reakcí mezi těmito reaktivními molekulárními fragmenty je, že dochází k chemickým reakcím při mnohem nižších teplotách než u konvenčních CVD technik. • Takovéto chemicky aktivované plazma umožňuje snížit teplotu potřebnou pro vznik vrstvy na povrchu substrátu. Takže dříve vysokoteplotní reakce mohou úspěšně probíhat i na teplotně citlivých materiálech (substrátech). 43 / 75
PECVD - CVD za použití plazmatu • Hlavními výhodami tohoto typu povlakování jsou: významně nižší depoziční teploty než v případě CVD a přesnost depozice. • Za nevýhody lze považovat skutečnost, že tento druh povlakování jde jen obtížně použít pro povlakování dutin a drážek. • Plazma lze vytvořit pomocí vnějšího elektrického napájecího zdroje (nízkofrekvenční střídavé napětí, vysokofrekvenční střídavé napětí, stejnosměrné napětí, pulzní stejnosměrné napětí) nebo reaktivním plynem (např. C2H2, CH4).
44 / 75
Fyzikální metody depozice vrstev PVD (Physical Vapour Deposition) • Jedná se o ekologicky nejšetrnější metodu depozice vrstev, neboť zde není použito žádného nebezpečného materiálu a při procesu depozice se neuvolňují žádné toxické látky. • Dalšími výhodami PVD depozice jsou vysoká odolnost vrstev, nízký koeficient tření, možnost vytvořit velké množství různých druhů (kombinací) vrstev, malá a snadno reprodukovatelná tloušťka vrstev, možnost tvorby přesných tloušťek vrstev. • PVD proces se uskutečňuje v prostředí vysokého vakua při teplotách mezi 150 – 500°C. • Vysoká čistota procesu je dosažena tepelným odpařováním materiálu, jenž je použit k povlakování (z kovů jsou to například titan, chrom, nebo hliník), a také jeho bombardováním ionty (naprašování). Současně je vpuštěn aktivní plyn (např. dusík, nebo jiný plyn obsahující uhlík), který reaguje s kovovými parami, čímž se vytvoří chemická sloučenina. Tato sloučenina se následně deponuje na nástroj nebo součástku v podobě tenké, vysoce přilnavé vrstvy. 45 / 75
Fyzikální metody depozice vrstev PVD (Physical Vapour Deposition) • Technologie PVD mohou být použity pro vytváření tenkých vrstev nejen na nástrojích z rychlořezné oceli, součástkách z hliníku a plastů, ale dokonce i na velmi tenkých, pouze několik mikrometrů silných fóliích z PP, PE a dalších materiálů bez jejich tepelné degradace během depozice vrstvy. • Podstatou fyzikální depozice je vypařování materiálu (vytvářejícího vrstvu) ve vakuu nebo rozprašování ve výboji udržovaném za nízkých tlaků. Celý proces depozice může být obecně rozdělen do třech na sebe navazujících kroků: – převedení materiálu do plynné fáze, – transport par ze zdroje k substrátu, – vytváření vrstvy na povrchu substrátu.
Nejčastěji používané fyzikální metody jsou : – reaktivní naprašování – reaktivní napařování – reaktivní iontové plátování 46 / 75
Reaktivní napařování Je založeno na odpařování materiálu ve vakuu a na kondenzaci jeho par na substrátu. Odpařování terče lze provádět následujícími způsoby: a) elektronovým svazkem b) obloukovým výbojem c) pomocí laseru Odpařovaný terč se nachází v roztaveném stavu, proto musí být umístěn ve spodní části zařízení obr. Odpařování terče má řadu modifikací, které se od sebe vzájemně liší typem a parametry.
47 / 75
Reaktivní naprašování • Naprašování vrstev je založeno na rozprašování materiálu katody (terče) energetickými ionty a kondenzací částic odprášeného materiálu na substrátu. • Ionty pracovního plynu jsou urychlovány elektrickým polem a dopadají na povrch naprašovaného materiálu ve formě plochého nebo válcového terče (targetu). • Jejich účinkem jsou z povrchu vytrhávány atomy terče, které se často průchodem oblasti ionizovaného pracovního plynu samy ionizují a dopadají na povrch povlakovaných součástí. Rozprašování probíhá v přítomnosti plazmatu: a) bud' inertního plynu (chemicky nereaguje s látkou povlaku (obvykle se používá argon) )- depozice vrstev stejného složení jako má rozprašovaný terč b) nebo směsi inertního a reaktivního plynu - reaktivní depozice vrstev různých chemických sloučenin
48 / 75
Hlavními přednostmi naprašování proti napařování jsou: a) poměrně přesné přenesení složení slinutého terče do naprášené vrstvy b) homogenní depozice vrstev c) vlivem nepřítomnosti makročástic deponovaného kovu významně lesklý povrch.
49 / 75
Magnetronové naprašování • Metoda magnetronového naprašování je založena na rozprašování pevného terče, který je katodou, ionty pracovního plynu extrapolovanými z plazmatu doutnavého výboje, který je lokalizován pomocí magnetického pole v těsné blízkosti katody. • Elektrony plazmatu se zachycují v "tunelu"siločar magnetického pole a driftují podél tunelu, tím se značně prodlouží jejich dráha, zvýší počet srážek a vytvoří husté plazma. • Kladné ionty dopadají z plazmatu na terč. Částice rozprášeného terče prochází plazmatem směrem k substrátu, na kterém je záporné předpětí.
50 / 75
Magnetronové naprašování
Zdroj: www.vacgen.com
51 / 75
Faktory, kterými se liší techniky PVD a CVD 1. 2. 3. 4.
Druh zdroje deponovaných atomů (pevná látka, tavenina, plyn). Fyzikální mechanismy (odpařování nebo srážky) kterými atomy ze zdroje vstupují do plynné fáze. Prostředí sníženého tlaku, kterým jsou plynné částice transportovány. Obecná absence chemických reakcí v plynné fázi a na povrchu substrátu (výjimkou jsou reaktivní PVD procesy).
52 / 75
Další trendy depozic Depozice řezné keramiky CVD depozice vrstvy Ti(C,N)+ Al2O3+TiN Substrát – neoxidická keramika Si3N4 Al2O3 TiCN
Lom systému a hloubkový koncentrační profil pomocí analýzy GD-OES – na povrchu je nepatrná vrstva TiN, následuje „šedivá“ Al2O3 a TiCN na rozhraní 53 / 75
Inovace v povlakování plastů Metoda PICVD • Tato metoda se dnes už používá ve sklářství, hlavně při výrobě lékovek. Avšak potahy prováděné metodou PICVD jsou opatřovány i povrchy předmětů z plastových substrátů jako jsou PE, PC, PP a HDPE, a též sklovité povrchy ze SiO2 a TiO2.
Typické povlakování displeje vyrobeného z plastu PMMA opatřuje tento předmět čtyř-mi vrstvami, a to v jediném pracovním pro-cesu: vrstva zajišťující přilnavost vrstva proti oděru vrstva antireflexní vrstva »očistná«, tzv. »easy-to clean«, která má i funkci estetickou.
54 / 75
Depoziční procesy Vlastnosti vrstvy Adheze
1050°C 950°C
Teplotní stabilita
CVD
750°C
PACVD
500°C
PVD 300°C
Pnutí
55 / 75
Hodnocení vlastností tenkých vrstev • Optická emisní spektroskopie GD-OES • Vnikací metoda – „Mercedes test“ • Scratch test (vrypová zkouška) • Měření tloušťky – „kalotest“ • Tribologická zkouška – Metoda „PIN-on-DISC“ • Mikrotvrdost tenkých vrstev • Zkoušky řezivosti a trvanlivosti břitu nástroje 56 / 75
Optická emisní spektroskopie GD-OES (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) • Důležitou charakteristikou ovlivňující vlastnosti systému tenká vrstva-substrát je průběh koncentračního složení jednotlivých prvků v závislosti na hloubce od povrchu. • Analýza GD-OES (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) dovoluje stanovit nejen chemické složení elektricky vodivých objemových materiálů, ale i povrchové vrstvy, jako např. galvanické povlaky, tenké vrstvy nitridů kovů, cementační a nitridační vrstvy. • Při postupném odprašování vzorku vstupují do výboje atomy z jednotlivých hloubkových vrstev, čímž je možné sledovat závislost koncentrace prvků na analyzované hloubce. Výsledkem měření je koncentrační profil v závislosti na hloubce odprášení. Excitací atomů se získá záření o vlnové délce typické pro daný prvek, které je po výstupu z lampy analyzováno optickým spektrometrem. 57 / 75
Hloubkový koncentrační profil vrstvy TiAlSiN na substrátu z SK
58 / 75
Metody měření a hodnocení adhezívně kohezivního chování systémů tenká vrstva – substrát • Dobrá adheze vrstvy k substrátu je jedním z důležitých parametrů vrstvy charakterizující vlastnosti celého systému. Vnikací metoda – „Mercedes test“ patří mezi velmi rozšířené metody ke zjišťování kvality spojení mezi tenkou vrstvou a substrátem. Jedná se o nenáročnou metodu, při které je pnutí na rozhraní systému tenká vrstva-substrát způsobeno vtiskem, při statickém vtlačování indentoru. Iniciované napětí vyvolá na rozhraní vrstva-substrát vznik trhlinek, které se šíří k povrchu.
59 / 75
• Vyhodnocení vtisků se provádí přiřazením vtisků do jednotlivých kategorií (tříd) s adhezním číslem, které charakterizuje stupeň popraskání či odloupnutí vrstvy (viz obr.). • Předností vnikací metody je rychlost provedení spolu s minimálními nároky na měřící zařízení a možnost sledování chování systému přímo na zkoumaných řezných nástrojích nebo vzorcích s různou tvarovou plochou bez jinak nutné destrukce nástroje.
Hodnocení porušení okolí vtisku vytvořeného Rockwellovým indentorem při zatížení 1500N.
60 / 75
Porušení tenké vrstvy
Rozsáhlé adhezní porušení okolí vtisku.
Na okraji vtisku vzorku na substrátu ze slinutého karbidu došlo jen v několika malých lokalitách k adheznímu odloupnutí tenké vrstvy. Tyto lokality se navíc nalézají v místech s většími nerovnostmi povrchu. Stav povrchu-reliéf má vliv na adhezi tenké vrstvy k substrátu, a lze předpokládat, že se zvětšujícími se nerovnostmi, drsností povrchu se budou adhezivně-kohezivní vlastnosti zhoršovat. Dle způsobu hodnocení lze tento systém tenká vrstva-substrát ohodnotit jako A1/K2, což znamená malé adhezivně-kohezivní porušení. 61 / 75
Scratch test (vrypová zkouška)
62 / 75
• Scratch test je základní a nejrozšířenější zkouškou pro sledování adheze systému tenká vrstva – substrát. Tato metoda našla své uplatnění jako efektivní metoda kvalitativní kontroly. • Principem metody je plynulé zatěžování indentoru. Vzorek se pohybuje konstantní rychlostí horizontálně a indentor, který je zatěžován konstantní nebo plynule se zvyšující silou, proniká do povrchu vzorku při jeho pohybu a vytváří tak vryp. Tím se na rozhraní vrstva - substrát generuje pnutí, které při dosažení kritické hodnoty způsobí odtržení vrstvy od substrátu. Hodnota, při níž dojde k poškození vrstvy, se nazývá kritické zatížení Lc a je používána jako míra adheze dané vrstvy. • Přístroj zaznamenává průběh normálové Fn a tangenciální síly Ft působící na indentor, hodnoty koeficientu tření µ = Ft / Fn a signál akustické emise (AE- elastické vlny generované uvolněním energie vnitřně vázané ve struktuře materiálu). • Hodnotu kritického zatížení Lc, při níž dojde k porušení vrstvy, lze zjišťovat několika způsoby: pomocí připojeného optického mikroskopu, popř. pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu doplněné o zpracování zaznamenaných závislostí koeficientu tření a signálu akustické emise na normálovém zatížení.
63 / 75
Porušení systému tenká vrstva – substrát
64 / 75
Měření tloušťky – „kalotest“ • Tloušťku tenké vrstvy lze měřit pomocí mikroskopu na metalografickém příčném výbrusu nebo pomocí metody označované „kalotest“, která je používána pro rychlé a jednoduché stanovení tloušťky.
Schéma zařízení
• Princip metody – do vzorku vybrousí kulový vrchlík, který se na průmětu jeví jako mezikruží, obvykle se používá otáčející se ocelová kulička o průměru 25 mm potřená brusnou diamantovou pastou. Mikroskopickým proměřením průmětu důlku lze získat příslušné rozměry umožňující vypočítat tloušťku posuzované vrstvy. • Oblast použití je poměrně široká: 1 - 100 µm.
65 / 75
Stanovení tloušťky metodou „kalotest“
Kalota multivrstevného systému
66 / 75
Tribologická zkouška – Metoda „PIN-on-DISC“ Zařízení pro provádění testů metodou „PIN-on-DISC“ se nazývá tribometr. Princip měření: Měření „PIN-on-DISC“ spočívá ve vtlačování pevně uchyceného zkušebního tělíska (pinu) ve tvaru kuličky nebo hrotu z libovolného materiálu předem definovanou silou (zatížení 1 – 10 N) do zkušebního vzorku, který se otáčí danou rychlostí.
Princip tribometrického měření „ Ball (PIN)-on-DISC“.
67 / 75
Přímým výstupem měření je průběh koeficientu tření v závislosti na počtu cyklů. Dalšími hodnotami, které se při zjišťování tribologického chování tenkých vrstev sledují, jsou: – charakter opotřebení „PIN“ tělíska – adhezivní nebo abrazivní, – velikost opotřebení „PIN“ tělíska – charakter a velikost vytvořené tribologické stopy na vzorku
Tribologická stopa v multivrstevném systému.
68 / 75
Mikrotvrdost tenkých vrstev • Mikrotvrdost je jedna ze základních hodnot charakterizujících mechanické vlastnosti systému. Toto měření poskytuje informace o elastickém a plastickém chování materiálu v lokálním objemu. • Mikrotvrdost je v principu odpor materiálu proti lokální plastické deformaci, která je vyvolána zatěžováním indentoru. Zatížení indentoru se u mikrotvrdosti pohybuje maximálně do 2N. • Miktrotvrdost je tedy definována jako podíl velikosti zátěže L a velikosti plochy vtisku A:
H=
L [ kg ]
A [ mm
2
]
69 / 75
Měření mikrotvrdosti pomocí nanoindentoru •
Nanoindentory umožňují provádět měření při velmi nízkých zatíženích (desetiny gramu až ~ 10g). Po odlehčení tak v materiálu vyhodnocuje.
zůstává
vtisk,
který
se
•
Přístroj provádí podrobné měření hloubky proniknutí hrotu v průběhu jeho zatěžování i odlehčování.
•
Z těchto hodnot lze vypočítat nejen hodnotu mikrotvrdosti, ale i podíl elastické de a plastické dp deformace během zatěžovacího cyklu, což vyjadřuje tzv. faktor elastické návratnosti R = de / dp.
•
Z naměřených hodnot se vypočítají hodnoty mikrotvrdosti. Hodnoty jsou vynášeny do grafů závislosti hloubky proniknutí hrotu h [μm] na velikosti zatížení L [g].
•
Přístroj je řízen počítačem, který zaznamenává a zpracovává naměřené hodnoty. Významným přínosem při měření nanoindentorem je možnost výpočtu modulu pružnosti tenké vrstvy. 70 / 75
Výsledkem měření nanotvrdosti je závislost (indentační křivka obr.) okamžité hloubky proniknutí indentoru h v průběhu jeho zatěžování a odlehčování na velikosti zatížení působící na indentor L.
Schematické znázornění závislosti hloubky proniknutí hrotu na velikosti zatížení; hmax je hloubka proniknutí hrotu při maximálním zatížení, hf je hloubka proniknutí hrotu po odlehčení, S je sklon počátečního úseku odlehčovací křivky.
71 / 75
Zkoušky řezivosti a trvanlivosti břitu nástroje • S ohledem na použití tenkých vrstev na řezné nástroje je vhodné pro jejich optimální aplikaci znát zákonitosti a děje, které proces obrábění doprovází. • Trvanlivost nástroje je přímo závislá na povaze prováděné operace. • Nástroj – činné části se nesmí změnit natolik, aby řezný odpor způsobil nadměrné deformace nebo zničení nástroje, obrobku či stroje. • Dále pak nesmí dojít k takové změně tvaru, aby nebylo možné zajistit obrábění v dané toleranci obrobku nebo dodržet požadovanou drsnost povrchu.
⇒ Zkoušky řezivosti a trvanlivosti břitu nástroje
72 / 75
⇒ Přestože se dnes pro posouzení vlastností systému tenká vrstvasubstrát používají různé laboratorní metody, praktická zkouška řezáním (zkouška řezivosti) si stále udržuje svou nenahraditelnost. Zkouška trvanlivosti zachycuje v nejširším měřítku vliv mechanických a fyzikálních vlastností jednotlivých subjektů, účastnících se řezného procesu. • Zkoušky trvanlivosti jsou v podstatě nedílnou součástí zkoušek řezivosti řezného nástroje. • Princip zkoušky trvanlivosti spočívá v obrábění řezným nástrojem řeznými podmínkami předem určenými, až do doby, kdy je nástroj opotřeben - dáno velikostí přípustné hodnoty opotřebení.
73 / 75
Nárůstek na ostří, zasahující do čela i hřbetu břitu.
Porušení břitu břitové destičky
74 / 75
Detail nalepení materiálu na hřbetě nástroje v oblasti hranice opotřebení.
Poškození vrtáku v oblasti špičky. 75 / 75
Tenké vrstvy – otázky ke zkoušce 1) Co je tenká vrstva? Aplikace tenkých vrstev. 2) Vliv tenkých vrstev na průběh obrábění. 3) Jaký je trend vývoje a požadavky na nástroje s tenkými vrstvami? 4) Základní depoziční procesy. 5) Předdepoziční přípravy, úprava řezných hran, iontový bombard, stripping. 6) Chemická metoda depozice vrstev CVD. Metoda PECVD 7) Fyzikální metoda depozice vrstev PVD. Reaktivní naprašování, reaktivní napařování. 8) Faktory, kterými se liší techniky PVD a CVD. 9) Hodnocení vlastností tenkých vrstev – Optická emisní spektroskopie GD-OES, Vnikací metoda – „Mercedes test“, Scratch test (vrypová zkouška), Měření tloušťky – „kalotest“, Tribologická zkouška – Metoda „PIN-on-DISC“, Mikrotvrdost tenkých vrstev, Zkoušky řezivosti a trvanlivosti břitu nástroje
