OPIS USZKODZEŃ WARSTWY DLC I PODŁOŻA Si

2-2009
TRIBOLOGIA
173
Anna PIĄTKOWSKA*
OPIS USZKODZEŃ WARSTWY DLC I PODŁOŻA
Si W BADANIACH MIKROTWARDOŚCI
Z REJESTRACJĄ SYGNAŁU EA
DESCRIPTION OF DAMAGES OF THE DLC LAYER
ON THE Si SUBSTRATE WITH REGISTRATION
OF AE SIGNAL
Słowa kluczowe:
mikrotwardość, pop-in, emisja akustyczna, DLC
Key-words:
microindentation, pop-in, acoustic emission, DLC
Streszczenie
W pracy przedstawione zostały wyniki pomiarów mikrotwardości
z wgłębnikiem Vickersa. Badania przeprowadzono na układzie warstwa
DLC – podłoże krzemowe. Jednocześnie z pomiarem mikrotwardości
realizowany był zapis generowanych sygnałów emisji akustycznej. Wyniki mikrotwardości w postaci wykresów sił obciążania-odciążania oraz
*
Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, 01-919Warszawa, ul. Wólczyńska
133; tel. 022 835-3041, wew. 122; mail: [email protected]
174
TRIBOLOGIA
2-2009
charakterystyki czasowe sygnałów EA były porównywane ze zdjęciami
SEM odcisków wgłębnika. W pomiarach zaobserwowano efekt „pop-in”, który korelował z występowaniem impulsów EA. Zwiększenie nacisków obciążenia skutkowało zwiększeniem uszkodzenia i odzwierciedlało się większą liczbą impulsów EA. Cienka warstwa DLC zwiększyła
odporność na uszkodzenia.
WPROWADZENIE
Badania twardości są istotnymi pomiarami w określaniu cech materiałów.
Twardość jest nie tylko miarą odporności materiału na odkształcenia trwałe
powstające pod wpływem skupionych sił działających na małą powierzchnię. Odzwierciedla ona także strukturę badanego materiału oraz w przypadku układu warstwa–podłoże jego właściwości i cechy strukturalne.
Skomputeryzowane systemy pomiarowe automatycznie wyznaczają
wartość twardości z zarejestrowanych danych. W zakresie pomiarów mikro- i nanotwardości najczęściej obliczenia są realizowane według metody Olivier-Pharr’ea. Wyznaczane wartości twardości oraz modułu sprężystości wzdłużnej są bardzo wrażliwe na wszelkie zakłócenia. Wpływ
czynników zewnętrznych jest przewidywalny i można go wyeliminować.
Natomiast zjawiska zachodzące podczas pomiaru, wynikające z zachowania się materiału pod wpływem bardzo dużych nacisków mogą zaburzyć pomiar. W następstwie wyniki nie będą tylko związane z elastycznym i plastycznym odkształceniem materiału.
Zastosowanie podczas obciążania i odciążania wgłębnika jednoczesnego pomiaru sygnałów emisji akustycznych może pozwolić na lepsze
poznanie zjawisk zachodzących podczas badania twardości oraz dokładną interpretację uzyskanych wyników, jak np. zachodzenie efektów pile-up, pop-in, pękania i rozwarstwienia materiału.
Rejestrowanie sygnałów EA jest skutecznym sposobem wykrywania
powstawania pęknięć i autorzy publikacji [L. 1] stwierdzają, iż możliwe
jest związanie energii kruchego pękania z identyfikacją pęknięcia. Szczególnie podatne na pękanie są materiały ceramiczne. Przykład wyników
[L. 2] uzyskanych w efekcie mikrotwardości w materiale kompozytowym
ZrO2 i Al2O3 wskazuje także na możliwość, za pomocą analizy sygnałów
EA, identyfikacji w jakiej fazie materiału następuje lokalne pęknięcie. Analiza sygnałów EA [L. 3] umożliwiła porównanie adhezji warstw diamentowych w zależności od rodzaju podłoża oraz wniosła informacje o uszko-
2-2009
TRIBOLOGIA
175
dzeniach układu warstwa–podłoże, z uwzględnieniem ich propagacji. Badania warstw DLC o grubości 12 µm pod znacznymi obciążeniami maksymalnymi przedstawiono w [L. 4]. Sygnały emisji akustycznej EA służyły do
identyfikacji rodzaju uszkodzenia: pęknięcia spiralnego i kołowego, których
pojawienie się związane zostało z wielkością naprężeń pod wgłębnikiem.
Z przedstawionych przykładów wynika, iż możliwe jest wykorzystanie generowanych sygnałów EA podczas badań twardości do oceny zachodzących zjawisk. Autorzy głównie oceniają rodzaj i miejsce powstania uszkodzenia. Jako materiały badawcze najczęściej są wykorzystywane systemy warstwa–podłoże, w których jeden z elementów musi być
materiałem kruchym i/lub twardym, żeby podczas pomiaru twardości
wystąpiło generowanie sygnału EA o amplitudzie wystarczająco dużej,
aby został zarejestrowany przez czujniki emisji akustycznej.
OPIS BADAŃ
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań, wykonane na próbkach
z warstwą DLC o grubości 650 nm, osadzoną metodą rozpylania katodowego na wypolerowanym podłożu krzemowym. Grubość płytki krzemowej wynosiła 500 µm.
Pomiary emisji akustycznej wykonywano z zastosowaniem czujnika piezoelektrycznego, rejestrującym sygnały EA w zakresie 60 kHz–2,5 MHz.
Czujnik umocowany był na powierzchni próbki w odległości około
15 mm od źródła sygnału EA.
Badania mikrotwardosci układu: DLC-Si wykonane zostały przy
dwóch wartościach maksymalnej siły nacisku: 500 mN oraz 1000 mN,
a dla podłoża Si wykonana została seria pomiarów z maksymalnymi obciążeniami: 300 mN, 500 mN, 800 mN i 1000 mN.
WYNIKI BADAŃ
Ze względu na bardzo małą grubość warstwy DLC i znaczący wpływ
podłoża Si przy przyjętych warunkach pomiarów mikrotwardości, w niniejszej pracy nie są analizowane wartości liczbowe twardości. Interpretowane zostały zmiany krzywej obciążania-odciążania pomiaru mikrotwardości, zmiany głębokości (położenia wgłębnika) w funkcji czasu
oraz występowanie impulsów sygnałów EA i ich parametrów. Wyniki te
zostały porównane i ocenione z nawiązaniem do obrazów odcisków, zobrazowanych z użyciem skaningowego mikroskopu elektronowego.
176
TRIBOLOGIA
2-2009
Rysunek 1 przedstawia wyniki pomiarów na próbce z warstwą DLC
przy maksymalnym obciążeniu wgłębnika 500 mN.
Rys. 1. Wyniki pomiaru mikrotwardości na próbce z warstwą DLC przy obciążeniu
500 mN: a) zmiany siły obciążania-odciążania w funkcji przemieszczania,
b) zmiany położenia wgłębnika oraz amplituda sygnałów EA w funkcji czasu
Fig. 1. The results of microindentation on DLC layer for 500 mN load: a) load- displacement curve, b) displacement of indenter and AE time signals
Podczas pomiaru siła obciążająca narasta liniowo w funkcji czasu.
Przedstawienie jej w funkcji głębokości zagłębienia wgłębnika pozwala
na określenie odpowiedzi materiału na skupione obciążenie. Zmiana kąta
nachylenia tej krzywej lub jej nieciągłość świadczą o pewnych zdarzeniach mających miejsce podczas pomiaru. Na Rysunku 1a strzałkami
z kolejnymi numerami zaznaczone zostały nieciągłości krzywej obciążania, tzw. „pop-in”. Ich źródłem mogą być pustki materiałowe, pęknięcie, rozwarstwienie. Maksymalne zagłębienie wgłębnika przy obciążeniu 500 mN wynosi 1,8 µm, a omawiane efekty zachodzą na głębokości
przekraczającej grubość warstwy DLC.
2-2009
TRIBOLOGIA
177
Czas trwania efektu „pop-in” jest bardzo krótki, stąd jego identyfikacja na krzywej głębokość–czas (Rys. 1b) jest bardzo utrudniona i niezbędna jest wcześniejsza analiza krzywej obciążania. Strzałki na Rysunku 1b wskazują odpowiednio cztery „pop-in’y”, których pojawienie
się jest zbieżne z występowaniem impulsów sygnału EA. Główne impulsy EA są rejestrowane tylko na etapie obciążania, ostatni impuls EA
związany jest z usunięciem wgłębnika. Z wykresów przedstawionych na
Rysunku 1 wynika, iż zasadnicza aktywność akustyczna nastąpiła przy
uszkadzaniu podłoża Si. Prawdopodobnie pierwszy zarejestrowany impuls EA, w około 22 s pomiaru, pochodził od interfejsu DLC-Si. W sumie, podczas pomiaru twardości zarejestrowano 10 impulsów EA, a maksymalna amplituda impulsu wynosiła 0,021 V.
Wyniki pomiarów mikrotwardości przy obciążeniu 1000 mN przedstawia Rysunek 2.
Rys. 2. Wyniki pomiarów mikrotwardości i sygnału EA na próbce z warstwa
DLC, przy obciążeniu 1000 mN: a) wykres sił obciążającej-odciążającej,
b) zmiana głębokości położenia wgłębnika oraz amplituda sygnałów EA
w funkcji czasu, fragment wykresu
Fig. 2. The results of microindentation on DLC layer for 1000mN load: a) loaddisplacement curve, b) displacement of indenter and AE time signals, part of
graph
178
TRIBOLOGIA
2-2009
Dwukrotne zwiększenie maksymalnej siły obciążającej – nie wywołało zwiększenia liczby efektów „pop-in”. Na Rysunku 2a strzałkami
zaznaczone zostały trzy efekty „pop-in”, które wystąpiły w krzemowym
podłożu. Każdemu „pop-in” można przypisać wystąpienie impulsu sygnału EA (Rys. 2b). Pierwszy impuls EA zarejestrowany został, gdy położenie wgłębnika osiągnęło ok. 550 nm od powierzchni, czyli mógł być
związany z uszkadzaniem warstwy DLC. Zaobserwowano, iż przy
zwiększonym obciążeniu wzrosła liczba zarejestrowanych impulsów EA,
a ich maksymalna amplituda wynosiła 0,025 V.
W pracy podjęto próbę charakteryzowania sygnałów EA poprzez wyznaczenie ich charakterystyki czasowo-częstotliwościowej STFT (Short
Time Fourier Transform). Sygnały EA generowane z głębokości warstwy DLC mają takie samo widmo STFT, jak te generowane z podłoża.
Wyznaczone zostało, iż największe amplitudy mają sygnały o częstotliwościach w zakresie 100–350 KHz oraz 550–800 kHz.
Do oceny pomiaru istotne jest porównanie odcisków mikrotwardości
i ich analiza pod względem intensywności uszkodzeń oraz liczby efektów
„pop-in” i generowanych sygnałów EA. Rysunek 3 przedstawia obrazy
SEM śladów po pomiarze mikrotwardości.
Rys. 3. Zdjęcia SEM odcisków po pomiarze mikrotwardości z maksymalną siłą
obciążającą: a) 500 mN, b) 1000 mN
Fig. 3. SEM images of the indentation prints for maximal load: a) 500 mN, b) 1000 mN
Na podstawie zdjęć SEM przedstawionych na Rysunku 3a można
stwierdzić, że przy obciążeniu wgłębnika do 500 mN nastąpiło oderwanie
warstwy wierzchniej oraz plastyczna deformacja w obrębie podłoża.
Uszkodzenie, w postaci zerwanej warstwy, ma kształt koła o średnicy
ok. 22,34 µm. Pod dwukrotnie większym obciążeniem, uszkodzenia są
dużo intensywniejsze. Zdjęcie SEM na Rysunku 3b przedstawia ślad
2-2009
TRIBOLOGIA
179
z bardzo wykruszonymi i popękanymi ściankami. Warstwa DLC jest zerwana w obrębie koła o średnicy 32,34 µm i widoczne są pęknięcia podłoża zachodzące aż pod warstwę wierzchnią.
Dla porównania wpływu warstwy DLC na przebieg pomiaru twardości wykonane zostały badania mikrotwardości podłoża Si. Wyniki pomiarów przedstawia Rysunek 4.
Rys. 4. Wyniki pomiarów mikrotwardości i sygnału EA na próbce Si, przy obciążeniu 500 mN: a) wykres sił obciążającej-odciążającej, b) zmiana głębokości położenia wgłębnika oraz amplituda sygnałów EA w funkcji czasu,
c) zdjęcie SEM odcisku
Fig. 4. The results of microindentation and AE signal on Si sample for 500 mN load:
a) load-displacement curve, b) displacement of indenter and AE time signals,
c) SEM image of indentation print
We wszystkich pomiarach mikrotwardości podłoża, także z obciążeniem maksymalnym 1000 mN efekt „pop-in” był bardzo znikomy. Na
przedstawionym na Rysunku 4a wykresie dwa krótkotrwałe „pop-in’y”
zostały zidentyfikowane i określono (Rys. 4b) towarzyszące im impulsy
EA. Na początku zagłębiania rejestrowana jest duża aktywność emisji
180
TRIBOLOGIA
2-2009
akustycznej, w miarę postępu pomiaru liczba impulsów EA zmniejsza
się, a ich maksymalna amplituda wynosi 0,4 V. Obraz SEM (Rys. 4c),
uwidacznia intensywne uszkodzenie powierzchni z głębokimi pęknięciami, które doprowadziły do oderwania dużych fragmentów materiału.
Wielkość uszkodzenia powierzchni ma kształt koła o średnicy ok. 18 µm.
Porównując wyniki pomiarów wykonanych na warstwach DLC i na
próbkach krzemowych obserwuje się, że pomimo bardzo małej grubości
warstwa DLC wzmacnia odporność powierzchni na skupione naciski występujące podczas badania mikrotwardości. Intensywność uszkodzeń jest
skorelowana z liczbą oraz amplitudą zarejestrowanych sygnałów EA. Zerwanie warstwy DLC prawdopodobnie uwidacznia się w postaci pierwszego impulsu EA. W stosunku do innych impulsów o podobnej amplitudzie,
jego czas trwania jest ponaddwukrotnie dłuższy i wynosi 0,56 ms. Uszkodzeniu podłoża Si towarzyszy generowanie impulsów EA o 16-krotnie
większych amplitudach niż zarejestrowane dla układu DLC-Si. Występowanie sygnałów o pośrednich amplitudach może być związane z pęknięciami wewnętrznymi i/lub tarciem oraz przemieszczaniem fragmentów
oderwanego materiału. Z danych pomiarów emisji akustycznej obliczone
zostały widma częstotliwościowe kolejnych generowanych sygnałów EA.
Pierwsze generowane impulsy są o częstotliwości 150–300 kHz. Z kolei te
o największej amplitudzie, charakteryzują się także częstotliwością w zakresie 600–900 kHz. Widma częstotliwościowe zarówno impulsów generowanych w układzie DLC-Si, jak i z podłoża są podobne, co może wynikać z propagacji sygnału w takim samym materiale, który prawdopodobnie
stanowi filtr sygnałów EA.
WNIOSKI
Zastosowanie równoczesnych pomiarów sygnałów emisji akustycznej
w zakresie 60 kHz do 2,5 MHz pozwala na identyfikację powstawania
uszkodzeń warstwy oraz podłoża. Analiza parametrów impulsów: amplitudy oraz czasu trwania oraz ich częstotliwości występowania w trakcie
pomiaru mikrotwardości jest dobrą metodą do jakościowego określenia
stopnia uszkodzenia i deformacji odcisku po wgłębniku. Poprzez porównanie sygnałów EA pochodzących z podłoża i z układu warstwa–podłoże
możliwe jest także określenie pierwszych oznak uszkadzania podłoża lub
delaminacji warstwy. W badaniach uzyskano powiązanie impulsów EA
z efektami „pop-in”, ujawnionymi na wykresie siła obciążająca-głębo-
2-2009
TRIBOLOGIA
181
kość. W niniejszych badaniach można stwierdzić, iż źródłem efektów
„pop-in” są pęknięcia materiału podłoża.
Badania mikrotwardości zostały wykonane w Instytucie Mechaniki
Precyzyjnej w Warszawie, w Laboratorium Warstwy Wierzchniej. Dziękuję Pani dr inż. Irenie Pokorskiej za umożliwienie ich wykonania.
LITERATURA
1. Stebut von J., Lapostolle F., Bucsa M., Vallen H.: Acoustic emission monitoring of single cracking events and associated damage mechanism analysis in
indentation and scratch testing, Surface and Coating Technology 116–119,
1999, 160–171.
2. From P.S., Pyrz R., Clausen B., Nielsen E.: Indentation and acoustic emission in filtration processed platelet reinforced ceramics, Material Science
and Engineering A197, 1995 231–236.
3. Fan Qi H., Gracio J., Ali N., Pereira E.: Comparison of the adhesion of diamond films deposited on different materials, Diamond and Related Materials 10, 2001, 797–802.
4. Yonezu A., Liu L., Chen X.: Analysis on spiral crack in thick diamond-like
carbon film subjected to spherical contact loading, Material Science and
Engineering A, 496, 2008, 67–76.
Recenzent:
Jerzy KORYCKI
Summary
This paper presents the results of the measurements of microindentation using Vickers’ indenter. The research was carried out with the
following system: the DLC (Diamond Like Carbon) layer deposited
on silicon substrate. At the same time, the measurements of microindentation acoustic emission signals were recorded. The results of
microindentation forces in the form of load-displacement curves and
registered AE-time characteristics of the AE signals were compared
with the SEM images of indentation. During the measurements,
"pop-in" effects were observed as discontinuities of the loading
curve, which correlate with AE impulses. A rise of the maximal load
resulted in the increase of damage and caused multiplication of AE
pulses. Due to the fact the DLC layer was thin, most AE pulses were
generated during the damaging of Si substrate. The thin layer of
DLC increased mechanical resistance to damage.
182
TRIBOLOGIA
2-2009