DE19802716C2 - Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten. Mit dem Verfahren können an dünnen Schichten insbesondere die Streckgrenze, die Zugfestigkeit, die Bruchzähigkeit und der E-Modul bestimmt werden.

Die Bestimmung von Festigkeits- und Zähigkeitsparametern von dünnen Schichten ist Gegenstand einer Vielzahl von Arbeiten. Ein umfassender Überblick über bisherige Methoden zur Schichtcharakterisierung sowie deren Vor- und Nachteile wird gegeben in F. R. Brotzen, Mechanical testing of thin films. Int. Mater. Rev., 39 (1994) 24-44.

Den bekannten Bestimmungsverfahren liegt das prinzipielle Problem der Eliminierung des Substrateinflusses von den Schichteigenschaften der dünnen Schichten zugrunde. So liegen die Schwierigkeiten entweder in aufwendigen Präparationen von echt freistehenden Schichten, die aber auch schwierig zu handhaben sind, oder in aufwendigen Meßtechniken, verbunden mit komplizierten Berechnungen der Schichteigenschaften. So werden Streckgrenze und Zugfestigkeit von dünnen freistehenden Schichten im uniaxialen Zugversuch, beim biaxialen Bulgetest oder mittels Mikrobiegebalkenversuch ermittelt. Die Bruchzähigkeit als Schichteigenschaft wird an Schicht-Substrat- Verbunden hauptsächlich mittels Mikroindentertechnik aber auch mittels Biegebalkenuntersuchungen bestimmt.

Bei der Mikromechanik werden die Probendimensionen so stark reduziert, daß Substrat- und Schichtdicke in die gleiche Größenordnung kommen, so daß der Schichteinfluß extrahierbar ist.

So wird dieses Verfahren beispielsweise zur Präparation von Mikrobiegebalken für die Bestimmung des E-Moduls, der Spannung und Dehnung einer Schicht eingesetzt (J.-A. Schweitz, Mech. Characterization of Thin Films by Miccromechanical Techniques. MRS Bull., July (1992) Seite 34 bis 36). Dabei werden, um den Schicht- vom Sustrateinfluß zu eliminieren, zwei Belastungsmessungen - vor und nach der Beschichtung - voneinander subtrahiert.

Solche Differenzbildungsverfahren sind bereits langzeitig bekannt, z. B. zur Bestimmung der Festigkeit eines unbekannten Materials mit Hilfe der eines bekannten (Pat. Abstr. of Japan, P-191 (1983) Vol. 7, Nr. 90, JP 58-15139 (A)).

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Bestimmung des E-Moduls einer Schicht besteht auch in der Präparation einer Probenserie mit gestuftem Mehrschichtaufbau (WO 98/00698 A1).

Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen zweigeteilte Trägerkörper verwendet werden, z. B. zur Spannungskonzentration und damit definierten Rißeinleitung bei Biegebelastung von Keramikproben (Pat. Abstr. of Japan, P-1796 (1994) Vol. 18, Nr. 478, JP 6-160259 (A)), oder bei der Ermittlung der Zugfestigkeit von dünnen Einzelfasern, wobei diese auf einen zweigeteilten Trägerstreifen aufgeklebt sind (DE 38 15 425 A1). Freistehende dünne Schichten entstehen üblicherweise durch Ätztechniken, wie z. B. auch eine T-förmige Teststruktur zur Messung von Schichteigenschaften (DE 41 34 896 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten, insbesondere zur Bestimmung der Streckgrenze, der Zugfestigkeit, der Bruchzähigkeit und des E-Moduls, bei dem die zu untersuchende Schicht auf einen Trägerkörper abgeschieden wird, zu entwickeln, das einen relativ geringen Präparationsaufwand erfordert, mit einfachen Meßmitteln durchführbar ist und die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Festigkeits- und Zähigkeitsparameter ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in zwei Varianten durchführbar.

Entsprechend der einen Variante wird der Trägerkörper für die zu untersuchende Schicht mit einem Ermüdungsanriß versehen. Danach wird die zu untersuchende Schicht auf dem Trägerkörper über dem Ermüdungsanriß abgeschieden. Dann wird der beschichtete Trägerkörper mit einem Biegemoment derart belastet, daß auf die den Ermüdungsanriß bedeckende Schicht eine Zugbelastung ausgeübt wird, wobei gleichzeitig Kraft-Weg- Messungen und Rißaufweitungsmessungen am biegebelasteten Trägerkörper mit anfänglich intakter und mit zerissener Schicht durchgeführt werden. Die Meßergebnisse werden einer Differenzbildung unterzogen.

Gemäß der anderen Variante wird der Trägerkörper für die zu untersuchende Schicht aus zwei flächig aneinander gedrückten Trägerkörperteilen zusammengesetzt und danach die zu untersuchende Schicht auf dem Trägerkörper über der Trennfläche zwischen den Trägerkörperteilen abgeschieden. Der beschichtete Trägerkörper wird mit einem Hebelmoment derart belastet, daß auf die die Trennstelle bedeckende Schicht eine Zugbelastung ausgeübt wird, wobei gleichzeitig Kraft-Weg-Messungen und Rißaufweitungsmessungen am belasteten Trägerkörper durchgeführt werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Rißstarterkerb bei dem mit dem Ermüdungsanriß versehenen Trägerkörper vor dem Beschichten mit der zu untersuchenden Schicht durch Ausdrehen eines Halbrundkerbs beseitigt.

Zweckmäßig ist es auch, wenn bei dem mit dem Ermüdungsanriß versehenen Trägerkörper eine auf Grund des Rißschließeffektes im entlasteten Zustand verbleibende Rißöffnung durch eine Schraubverbindung beseitigt wird, die erst nach dem Beschichten mit der zu untersuchenden Schicht wieder entfernt wird.

Bei dem aus zwei Teilen zusammengesetzten Trägerkörper werden die Trägerkörperteile mittels einer Schraubverbindung formschlüssig und fest zusammengedrückt und erst nach dem Beschichten mit der zu untersuchenden Schicht wieder entfernt. Hierbei sollte vorteilhaft eine Schraubverbindung verwendet werden, die aus dem gleichen Werkstoff, wie die Trägerkörperteile besteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, daß der Präparationsaufwand zur Vorbereitung der Messungen vergleichsweise gering ist. Für die Bestimmung der Schichteigenschaften sind außerdem in vorteilhafter Weise relativ einfache Meßmethoden und Meßmittel einsetzbar. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Bestimmung mehrerer Festigkeits- und Zähigkeitsparameter der zu untersuchenden dünnen Schicht bei nur einer Messung. Während bei der Indentermethode vorzugsweise nur die Zähigkeit von spröden Schichten gemessen werden kann, gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die Messung der Bruchzähigkeit sowohl von spröden als auch von zähen Schichten.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der speziellen Präparation des zu beschichtenden Trägerkörpers, indem dieser nicht kompakt ist, sondern eine gezielt eingebrachte Materialtrennung in seiner Mitte aufweist. Die Trennung kann sich teilweise oder vollständig über den Querschnitt des Trägerkörpers erstrecken. Die Trennstelle muß aber die Bedingung erfüllen, daß diese im unbelasteten Zustand des Trägerkörpers vollständig geschlossen ist. Eine derartige Materialtrennung wird durch den Ermüdungsanriß erreicht, wobei infolge des Reststeges eine teilweise Trennung realisiert wird.

Eine vollständige Trennung ist möglich, indem die zwei Trägerkörperhälften so präpariert werden, daß ein vollkommen dichtes Zusammenschließen der beiden Hälften erfolgt.

Das belastete Schichtsegment ist der den Ermüdungsriß bzw. die Trennfläche bedeckende, extrem schmale Schichtstreifen, der als freistehend zu betrachten ist. Das bedeutet die Realisierung einer mikromechanischen Komponente auf einer makromechanischen Probe.

Die Materialtrennung hat zum Ziel, die Steifigkeit des Trägerkörpers so stark zu verringern, daß sie in Größenordnung der Schichtsteifigkeit kommt oder sogar darunter. Während bei einem beschichteten kompakten Trägerkörper die Steifigkeit des Trägerkörpers die der Schicht völlig überdeckt, ist im Falle der erfindungsgemäßen Materialtrennung infolge der Erniedrigung der Trägerkörpersteifigkeit eine Separierung des Schichteinflusses und damit meßtechnische Erfassung der Schichteigenschaften möglich. Bei der teilweisen Trennung durch einen Ermüdungsanriß sollte dieser im Interesse der Steifigkeitsverringerung möglichst lang sein. Bei der vollständigen Materialtrennung wird die Trägerkörpersteifigkeit gleich Null.

Diesem gewünschten Effekt der Steifigkeitsverringerung steht allerdings entgegen, daß die Materialtrennung eine Störung für die Schichtabscheidung darstellt. Damit die Beeinflussung der Schichtabscheidung vernachlässigbar ist, muß die Störung so gering wie möglich sein. Das bedeutet, daß die Trennstelle im Grundzustand des Trägerkörpers und speziell beim Beschichten absolut dicht schließen muß. Dieses dichte Schließen wird erfindungsgemäß durch die Schraubverbindung längs durch den Trägerkörper realisiert. Dadurch wird sichergestellt, daß der Beschichtungsprozeß an der Trennstelle nicht oder nur unbedeutend beeinflußt wird, so daß eine Bedeckung der Trennstelle durch die Schicht erfolgt. Diese gleichmäßige, fehlerfreie Beschichtung der Trennstelle ist wichtig für den Erfolg des Verfahrens. Nach der Beschichtung wird die Schraubverbindung vor dem eigentlichen Meßprozeß wieder entfernt, damit die Steifigkeitsverringerung der Trennstelle wirksam wird.

Bei der Messung werden der präparierte und beschichtete Trägerkörper einer Biegebelastung unterzogen. Dabei wird die Schicht vor der sich öffnenden Trennstelle gedehnt. In diesem sehr schmalen Bereich kann die Schicht als freistehend betrachtet werden. Nach der anfänglich elastischen Dehnung reißt die Schicht definiert in diesem Bereich. Die Schicht reißt zuerst an der auf Dehnung belasteten Stirnseite des Trägerkörpers, danach an den beiden Seitenflächen. Aus der Differenz zweier Kraft-Weg-Messungen während und nach dem Schichtriß läßt sich der Schichteinfluß vom Substrateinfluß separieren. Die erste Messung erfaßt Schicht- und Substrateinfluß gemeinsam, während die zweite Messung nur den Substrateinfluß liefert. Als Differenz ergibt sich die Kraft, die auf die Schicht wirkt. Im Falle der Verwendung eines zweiteiligen Trägerkörpers kann die zweite Messung sogar entfallen, da der Trägerkörpereinfluß praktisch Null ist.

Aus den Meßergebnissen der Biegebelastung lassen sich unter Berücksichtigung der Schichtdicke sowohl elastische Eigenschaften, als auch Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte der Schicht gewinnen: So läßt sich aus dem linearen Anstieg der Kraft-Weg-Kurve und der zugehörigen Aufweitung der Trennstelle an der Stirnseite der statische E-Modul der Schicht ableiten. Aus der auf die Schicht wirkenden Kraft an der Stirnseite kann die Festigkeit der Schicht (Streckgrenze und Zugfestigkeit) bestimmt werden. Aus der kritischen Schichtkraft und der entsprechenden Nachgiebigkeitsänderung sowie der zugehörigen Schichtrißlängenänderung bei Schichtriß an den Längsseiten läßt sich die Bruchzähigkeit der Schicht ableiten.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: ein einteiliger Trägerkörper mit einem Ermüdungsanriß in den Stufen seiner Präparation mit der zu untersuchenden Schicht,

Fig. 2: der schematische Verlauf der bei der Belastung von beschichteten ein- und zweiteiligen Trägerkörpern zu erwartenden Kraft-Weg-Kurve,

Fig. 3: ein zweiteiliger Trägerkörper in den Stufen seiner Präparation mit der zu untersuchenden Schicht und dessen Belastung.

Beispiel 1

Hierbei wird gemäß Fig. 1 ein aus hochfestem Stahl bestehender einteiliger Trägerkörper 1 der Abmessung 10 × 20 × 100 mm³ zunächst mit einem Ermüdungsanriß versehen. Zu dessen Herstellung wird in den Trägerkörper 1 ein Kerb als Rißstarter eingebracht (Fig. 1a)). Ausgehend von dem Kerb wird in üblicher Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Resonanzermüdungsapparatur, der Ermüdungsanriß erzeugt. Dabei erfolgt die letzte Phase der Anrißerzeugung unter Lastabsenkung, damit keine übermäßige plastische Verformung erfolgt und der Riß im entspannten Zustand voll geschlossen ist. Anschließend wird der als Rißstarter dienende Kerb mittels Ausdrehen oder elektroerosiv zu einer Halbrundmulde ausgearbeitet, an deren Oberfläche dann ein scharfer und weitgehend geschlossener Anriß mündet (Fig. 1b)). Danach wird der Trägerkörper 1 allseitig feingeschliffen und mit dem zu untersuchenden Werkstoff beschichtet (Fig. 1c)).

Die Verwendung des Trägerkörpers mit Ermüdungsanriß hat gegenüber der im nachfolgenden Beispiel 2 dargestellten Verfahrensweise der Anwendung eines Trägerkörpers mit vollständiger Trennung den Vorteil, daß auf Grund der bestehenden Restverbindung zwischen den beiden Trägerteilen diese zwangsweise fluchten. Nachteilig sind aber die noch verbliebene Steifigkeit des Trägerkörpers und der mit der rauhen Ermüdungsbruchfläche verbundene Rißschließeffekt. Jedoch lassen sich diese Nachteile bei der nachfolgenden Messung und Auswertung weitgehend kompensieren.

Beim Belastungsversuch z. B. mittels 3-Punkt-Biegung wird der beschichtete Trägerkörper 1 mit einem Biegemoment belastet.

Dabei wirkt auf die den Anriß bedeckende Schicht 2 eine Zugbelastung. Das Biegemoment M ergibt sich aus der Kraft F, die über die Länge L auf den Trägerkörper 1 wirkt. Die Messung wird als Laststeigerung beginnend bei der Belastung Null mit einer sehr geringen Steigerungsrate durchgeführt. Die Laststeigerung erfolgt zweckmäßigerweise weggesteuert. Gemessen wird die Kraft F als Funktion der Durchbiegung des Trägerkörpers bzw. der Wegänderung s. Zusätzlich werden die Rißöffnung der Trennstelle in der Mulde des Trägerkörpers 1 mittels Dehnungsaufnehmer und die Schichtrißlänge a_Sch an den Seitenflächen des Trägerkörpers 1 z. B. optisch gemessen.

Die zu erwartenden Kraft-Weg-Verläufe sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Bei der ersten Belastung F1 wird die Schicht 2, ausgehend vom intakten Zustand sukzessive bis zur Länge des Anrisses zerrissen. Die Kurve F1 enthält den Schichteinfluß, der mit zunehmendem Schichtriß abnimmt, und den Substrateinfluß. Bei der zweiten Belastung F2 mit zerrissener Schicht enthält die Kurve nur noch den Substrateinfluß. Darin sind die Reststeifigkeit des Trägerkörpers und das Rißschließen, das sich in einer anfänglichen Kurvenkrümmung ausdrückt, enthalten.

Die auf die Schicht wirkende Kraft F_Sch ergibt sich rechnerisch aus der Differenz der beiden Kurven F1 und F2 (Fig. 2, unterste Kurve). Damit bei der Differenzbildung der Substrateinfluß möglichst vollständig eliminiert wird, müssen die beiden Messungen unter möglichst gleichen Bedingungen durchgeführt werden.

Aus der Kraft F_Sch am Ende des elastischen Bereiches bzw. dem Kraftmaximum beim Zerreißen der Schicht in der Mulde lassen sich die Streckgrenze R_e bzw. die Zugfestigkeit R_m der Schicht bestimmen. Aus der Kraft F_Sch beim Schichtriß an den Seitenflächen des Trägerkörpers 1 sowie der korrespondierenden Schichtrißlänge a_Sch = f(s) ist die Bruchzähigkeit K_c der Schicht bestimmbar. Aus dem linearen Anstieg der F_Sch-Kurve und der zusätzlich zu messenden Rißaufweitung v über der Trennstelle in der Mulde des Trägerköpers 1 ist der E-Modul der Schicht 2 bestimmbar.

Beispiel 2

Zur Anwendung eines zweiteiligen Trägerkörpers wird zur Probenpräparation gemäß Fig. 3a) zunächst aus Stahl ein prismatischer Trägerkörper 3 hergestellt. Dieser wird für die spätere Aufnahme einer Zylinderkopfschraube längs durchbohrt und an dem einen Ende der Bohrung mit Gewinde versehen. Danach wird der Trägerkörper 3 in der Mitte gerade und rechtwinklig in zwei Trägerkörperhälften 3a und 3b getrennt. Die Oberflächen der beiden Trennflächen 4 müssen eine sehr hohe Güte aufweisen. Dazu werden die Trennflächen 4 mit höchster Genauigkeit geschliffen. Sie müssen absolut eben sein und sollen eine Rauheit < 0,1 µm besitzen.

Danach werden die beiden Trägerkörperhälften 3a und 3b mit den beiden glatten Trennflächen 4, die sauber, trocken und entmagnetisiert sein müssen, fest mit einer Zylinderkopfschraube 5, die aus dem gleichen Stahl wie der Trägerkörper 3 besteht, zusammengeschraubt (Fig. 3b)). Dadurch werden die Trennflächen 4 formschlüssig und dicht aneinandergepreßt, so daß der Trägerkörper 3 äußerlich wieder als kompakt erscheint. Die Schraubverbindung bleibt bis nach der Beschichtung bestehen. Anschließend wird der Trägerkörper 3 geschliffen. Die Oberflächengüte soll dem Beschichtungsprozeß genügen. Im vorliegenden Fall wird mit einer Körnung 500 bis 1000 gearbeitet. Nach dem Schleifen empfiehlt sich eine optische Qualitätskontrolle speziell der Trennstelle mit dem Mikroskop.

Danach wird auf dem verschraubten Trägerkörper 3 auf seiner Stirnseite 6 und den Längsseiten 7 die Schicht 8 abgeschieden, deren mechanische Eigenschaften bestimmt werden soll (Fig. 3c)). Nach der Beschichtung wird optisch überprüft, ob eine fehlerfreie Bedeckung der Trennstelle durch die Schicht 8 gegeben ist.

Schließlich wird der Belastungsversuch durchgeführt. Dazu wird zunächst die Schraube 5 entfernt. Beim Entfernen der Schraube 5 darf die Schicht 8 an der Trennstelle nicht vorbelastet und beschädigt werden. Um dies zu gewährleisten, wird zweckmäßigerweise eine geeignete Einspannvorrichtung verwendet. Beim Belastungsversuch z. B. mittels 3-Punkt-Biegung wird der Trägerkörper 3 mit einem Biegemoment M belastet (Fig. 3d)). Dabei wirkt auf die die Trennstelle bedeckende Schicht eine Zugbelastung. Das Biegemoment M ergibt sich aus der Kraft F, die über die Länge L auf den Trägerkörper 3 wirkt. Die Messung wird als Laststeigerung beginnend bei der Belastung Null mit einer sehr geringen Steigerungsrate durchgeführt. Die Laststeigerung erfolgt zweckmäßigerweise weggesteuert. Gemessen wird die Kraft F als Funktion der Probendurchbiegung bzw. der Wegänderung s. Zusätzlich werden die Rißöffnung v der Trennstelle an der Stirnseite 6 des Trägerkörpers 3 mittels Rißaufweitungsaufnehmer und die Schichtrißlänge a_Sch an der Längsseite 7 z. B. optisch gemessen.

Es ist nur ein Belastungsversuch erforderlich, da der Substrateinfluß gleich Null ist. Die gemessene Kraft F ist somit gleich der auf die Schicht wirkenden Kraft F_Sch, d. h., es wird die unterste Kurve von Fig. 2 direkt gemessen.

Aus der Kraft F_Sch am Ende des elastischen Bereiches bzw. dem Kraftmaximum beim Zerreißen der Schicht an der Stirnseite 6 lassen sich die Streckgrenze R_e bzw. die Zugfestigkeit R_m der Schicht bestimmen. Aus der Kraft F_Sch beim Schichtriß an den Längsseiten 7 sowie der korrespondierenden Schichtrißlänge a_Sch = f(s) ist die Bruchzähigkeit K_c der Schicht bestimmbar. Aus dem linearen Anstieg der F_sch-Kurve und der zusätzlich zu messenden Rißaufweitung v über der Trennstelle an der Stirnseite 6 des Trägerköpers 3 ist der E-Modul der Schicht 8 bestimmbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten, insbesondere zur Bestimmung der Streckgrenze, der Zugfestigkeit, der Bruchzähigkeit und des E-Moduls, indem die zu untersuchende Schicht (2) auf einen Trägerkörper (1) über einem vorher im Trägerkörper (1) erzeugten Ermüdungsanriß abgeschieden und danach der beschichtete Trägerkörper (1) mit einem Biegemoment derart belastet wird, daß auf die den Ermüdungsanriß bedeckende Schicht (2) eine Zugbelastung ausgeübt wird, wobei gleichzeitig Kraft-Weg-Messungen und Rißaufweitungsmessungen am biegebelasteten Trägerkörper (1) mit anfänglich intakter und mit zerissener Schicht (2) durchgeführt und die Meßergebnisse einer Differenzbildung unterzogen werden.

2. Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten, insbesondere zur Bestimmung der Streckgrenze, der Zugfestigkeit, der Bruchzähigkeit und des E-Moduls, indem die zu untersuchende Schicht (8) auf einen Trägerkörper (3), der aus zwei flächig aneinander gedrückten Trägerkörperteilen (3a; 3b) zusammengesetzt ist, über der Trennfläche zwischen den Trägerkörperteilen (3a; 3b) abgeschieden wird, und indem danach der beschichtete Trägerkörper (3) mit einem Hebelmoment derart belastet wird, daß auf die die Trennstelle bedeckende Schicht (8) eine Zugbelastung ausgeübt wird, wobei gleichzeitig Kraft-Weg- Messungen und Rißaufweitungsmessungen am belasteten Trägerkörper (3) durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rißstarterkerb im Trägerkörper (1) vor dem Beschichten mit der zu untersuchenden Schicht (2) durch Ausdrehen eines Halbrundkerbs beseitigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Trägerkörper (1) auf Grund des Rißschließeffektes im entlasteten Zustand verbleibende Rißöffnung durch eine Schraubverbindung beseitigt wird, die erst nach dem Beschichten mit der zu untersuchenden Schicht (2) wieder entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörperteile (3a; 3b) des Trägerkörpers (3) mittels einer Schraubverbindung (5) formschlüssig und fest zusammengedrückt werden, die erst nach dem Beschichten mit der zu untersuchenden Schicht wieder entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schraubverbindung (5) verwendet wird, die aus dem gleichen Werkstoff, wie die Trägerkörperteile (3a; 3b) besteht.