Tenké vrstvy

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