JP3855089B2

JP3855089B2 - Coating thin film strength evaluation method

Info

Publication number: JP3855089B2
Application number: JP31297699A
Authority: JP
Inventors: 庄司神谷; 昭徳井上; 浩樹木村
Original assignee: 株式会社東北テクノアーチ
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2019-11-02
Also published as: JP2001133393A

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、基材上に形成されたコーティング薄膜の強度、特には該コーティング薄膜自体の機械的強度並びに前記基材に対する密着強度を客観的な数値として評価することのできるコーティング薄膜の強度評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コーティング薄膜、例えばダイヤモンド薄膜等の高硬度薄膜は、その硬度が高いことから切削工具の刃先に用いられる超硬合金の摩耗を低減させるとともに、切削におけるオイルレス化を実現させる技術として着目され、これらダイヤモンド薄膜等は、その形成技術であるＣＶＤ法や気相プラズマ法の薄膜形成技術の発展により、前記超硬合金にとどまらず簡便に種々の基材に形成可能となって、その応用範囲が拡大してきている。
【０００３】
このため、これらコーティング薄膜が形成される製品の設計および管理においては、これらコーティング薄膜の強度評価を客観的に実施できる評価方法が重要となってきている。
【０００４】
これらコーティング膜の強度を評価する手法として、その厚みが比較的厚いコーティング膜である場合には、通常の構造材料に関して適用可能な強度評価手法をそのまま用いることが可能である。例えば、１００μｍを超える厚さを有するダイヤモンドコーティング膜の強度（じん性）をコンパクトテンション試験片（構造材料のじん性計測のための標準試験片の１つ）により計測した例が報告されているが、これらの手法では、前記１００μｍ以下、特に前述のＣＶＤ法や気相プラズマ法等により形成される数μｍ程度の薄膜の強度（じん性）を正確に測定、評価することは不可能である。
【０００５】
また、これらコーティング薄膜の強度、特に基材との界面じん性について評価する手法として、延性に富む金属基板、例えば金等にコーティング薄膜を形成し、該金属基板を塑性変形させてコーティング薄膜の基材との界面じん性を評価したものがあるが、この場合においては、前記のように基材が限定されてしまい、実際にコーティング薄膜が形成される基材による評価は不可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来においては、これらコーティング薄膜の膜自体の強度や基材との密着強度等の各強度を客観的に評価できる方法が存在しないことから、これらコーティング薄膜が形成される製品の設計等においては、種々の条件によりコーティング薄膜が形成された各サンプルの特性をそれぞれ評価し、目的の特性が得られる形成条件を試行錯誤により探し出すことが実施されており、これら製品設計等においては、多大の労力や時間を要してしまうという問題があった。
【０００７】
よって、本発明は上記した問題点に着目してなされたもので、前記のようなコーティング薄膜の膜自体の強度や基材との密着強度等の各強度を客観的に評価できるコーティング薄膜の強度評価方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記した問題を解決するために、本発明のコーティング薄膜の強度評価方法は、基材表面に所定の方法により形成されたコーティング薄膜の強度評価方法であって、前記コーティング薄膜層単体を前記基材の端面より適宜な長さ突出するようにひさし状に加工するとともに、該ひさし状に突出したコーティング薄膜層に該膜面に対して少なくとも垂直方向の荷重を適宜印加し、前記コーティング薄膜の前記基材からの剥離またはコーティング薄膜層の破断における前記荷重の変化とき裂進展量との関係に基づいてコーティング薄膜の密着強度またはコーティング薄膜自体の強度を評価することを特徴としている。
この特徴によれば、前記コーティング薄膜が形成された基材がどのような基材であっても、コーティング薄膜の膜自体の強度や基材との密着強度等の各強度を客観的に評価できるようになり、前述のような製品設計等における労力や時間を大幅に低減することが可能となる。
【０００９】
本発明のコーティング薄膜の強度評価方法は、前記コーティング薄膜の硬度が前記基材の硬度よりも高い場合において前記コーティング薄膜層単体をひさし状に加工する手法が、コーティング薄膜が形成された前記基材の端面に研磨材を適宜な荷重にて当接して研磨する研磨手法であることが好ましい。
このようにすれば、研磨材を基材の端面に適宜な荷重にて当接して研磨するのみで、簡便に前記コーティング薄膜のひさしを得ることができる。
【００１０】
本発明のコーティング薄膜の強度評価方法は、前記コーティング薄膜層単体をひさし状に加工する手法が、前記基材を優先的にエッチング可能な薬剤またはレーザー光によるエッチングであることが好ましい。
このようにすれば、例え前記コーティング薄膜が曲率を有する基材上に形成されていても、コーティング薄膜を破損することなく前記ひさし状の加工を良好に実施することができる。
【００１１】
本発明のコーティング薄膜の強度評価方法は、前記垂直方向の荷重印加時において、前記コーティング薄膜の膜面に対して水平方向で、かつ該膜面方向に向かう荷重を印加することが好ましい。
このようにすれば、前記コーティング薄膜に荷重を印加する押圧子が、コーティング薄膜から脱落することを防止できるようになる。
【００１２】
本発明のコーティング薄膜の強度評価方法は、前記ひさし状としたコーティング薄膜に、適宜な長さの切り込みを形成し、少なくとも該切り込みの一方側において前記垂直方向の荷重を適宜印加することが好ましい。
このようにすれば、前記基材との密着力に伴うじん性に影響されることなく、コーティング薄膜自体の機械的強度（じん性）を評価できるようになるばかりか、き裂の進行方向が所定の方向にほぼ安定して生成するようになるため、より正確な評価が可能となる。
【００１３】
本発明のコーティング薄膜の強度評価方法は、前記各強度を特定する手法が、前記コーティング薄膜と基材またはコーティング薄膜自体におけるき裂の進展状況の有限要素法による模擬式を作成し、き裂前縁における前記各強度の各値を前記模擬式に入力し、前記にて測定された荷重とき裂進展量との関係とほぼ一致する前記入力値を各強度とすることが好ましい。
このようにすれば、き裂を生じたコーティング薄膜の幅や形状等に依存することなく、各強度を客観的な数値にて評価することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本実施例１におけるコーティング薄膜の強度評価方法に用いた試料の作成状況を示す断面図であり、図２は、本実施例１における前記試料を用いたコーティング薄膜の強度評価方法の測定状況を示す図である。
【００１６】
まず、本実施例１に使用する試料１としては、切削工具等に広く使用されているタングステンカーバイト・コバルト合金の超硬チップ基材２の表面に、ダイヤモンド薄膜３を蒸着雰囲気中に適宜メタンガスを存在させた状態にてＣＶＤ法により所定厚みに形成したものを使用し、本実施例１では前記ダイヤモンド薄膜３の厚みをほぼ１２μｍとしており、これら試料１は実際に製品として使用されるものと同一の条件にて形成されたものまたは製品そのものの一部を使用することができる。
【００１７】
これら試料１は、タングステンカーバイト・コバルト合金の超硬チップ基材２よりもダイヤモンド薄膜３が硬いことから、図１に示すように、前記ダイヤモンド薄膜３が形成された前記合金基材２の端面１３に、研磨材、特に本実施例では前述のように薄膜が最も硬いダイヤモンド薄膜３であるため、その表面にダイヤモンド砥粒を適宜塗布した金属板（本実施例では銅板）から成る研磨材を、研磨により生成するダイヤモンド薄膜３のひさし４が、著しく破損しないような適宜な荷重にて当接させて研磨することで、ダイヤモンド薄膜３が研磨される研磨量と合金基材２が研磨される研磨量とに差が生じ、硬度の低い合金基材２が多く研磨されて、ダイヤモンド薄膜３のひさし４が形成される。
【００１８】
これらひさし４を形成する手法を、前記のように合金基材２の端面１３に研磨材を当接して研磨することは、簡便にてひさしを形成することが可能となることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらひさしを形成する手法は、使用する基材２や薄膜３の材質や、必要とされるひさしの長さ等により適宜に選択すれば良く、例えば前記超硬チップ基材２をダイヤモンド薄膜３が形成されていない面側より、その端部の所定長さに渡ってダイヤモンドペーストにて研磨することで得ても良いし、後述する実施例２のように、エッチング等により形成するようにしても良い。
【００１９】
これら形成されるひさし４の長さは、この長さが小さいと、該ひさし４に後述する針材５の先端が係止されにくくなり、この長さが大きいと、前記超硬チップ基材２の研磨による除去処理に長い時間を要してしまうことから、前記ひさし４に針材５の先端が良好に係止される適宜な長さとすれば良い。
【００２０】
また、これらひさし４を形成する手法は、前記のダイヤモンドペーストによる研磨に限定されるものではなく、前記薄膜がチタンナイトライド（ＴｉＮ）等のセラミック等である場合には、これら形成される薄膜より柔らかくかつ基材を研磨可能な適宜な研磨材を使用すれば良い。
【００２１】
更には、これらひさし４を形成する手法として、前記ダイヤモンド薄膜３やチタンナイトライド（ＴｉＮ）等のセラミック薄膜等の薄膜を溶解せずに、超硬チップ基材２等の基材のみを優先的に溶解する溶液を用いて基材のみを選択的にエッチングにて除去しても良く、更にはこれら基材の除去をＹＡＧレーザーやエキシマレーザーを用いて実施したり、これら各手法や前記研磨手法等を適宜に組み合わせて使用しても良い。
【００２２】
このようにして形成されたひさし４には、図２に示すように、その下方側より針材５の先端が前記ひさし４に係止されるように配置され、該針材５は、針材５に加えられる水平並びに垂直方向の各力（荷重）の大きさを個々に検出可能なロードセル６を介して前記針材５を水平並びに垂直方向に移動させるＸ−Ｙテーブル１０に取付けられている。尚、本実施例では前記のように、基材２を固定して針材５をＸ−Ｙテーブル１０にて移動しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記針材５を前記ロードセル６を介して固定し、基材２をＸ−Ｙテーブルに取付けて移動させるようにしても良い。
【００２３】
本実施例１では前記針材５としてダイヤモンド針を用いているが、このように針材の材質をダイヤモンドとすることは、硬質な薄膜を対象とした計測においても、針先がつぶれることがなく、針材交換の手間等を低減できることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら針材５の材質をその他のものとしても良く、これら材質は前記薄膜の材質や厚み等により適宜に選択すれば良い。
【００２４】
前記Ｘ−Ｙテーブル１０の移動により、前記針材５にひさし４を上方へ押し上げる力Ｆｙと、針材５を前記超硬チップ基材２の端面１３に押しつける前記ダイヤモンド薄膜３の膜面と水平方向の力Ｆｘを適宜印加可能とされ、該針材５を介して前記ひさし４に印加された各方向の力（荷重）の大きさの時間変化が、前記ロードセル６にて検出され、レコーダ７に記録される。
【００２５】
この際、前記ダイヤモンド薄膜３の上面に設けられたＣＣＤイメージセンサ８により、ダイヤモンド薄膜３と超硬チップ基材２との間に生成する各経過時間毎のき裂の長さが測定され、レコーダ９に記録される。このようにＣＣＤイメージセンサ８によるき裂の長さ測定は、自動にて測定が実施できることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらき裂の長さを各経過時間毎に測定者が顕微鏡等により測定してプロットするようにしても良い。
【００２６】
また、本実施例１では前述のように、ダイヤモンド薄膜３の膜面に水平方向の荷重Ｆｘを適宜に印加しているが、このようにすることは、前記針材５とひさし４との係合が外れにくく、垂直方向の荷重Ｆｙの印加によるひさし４の変形により針材５が脱落することを適宜防止できるようになることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記ひさし４の変形量が少なく、針材５が脱落する可能性が低い場合には、これら水平方向の荷重Ｆｘを印加せずとも良い。
【００２７】
これら荷重の印加の状況を、図３のチャートを参考に説明すると、まず前記垂直方向の荷重Ｆｙの印加の前に、予め水平方向に所定の荷重Ｆｘを印加しておき、該荷重Ｆｘは測定中においてほぼ一定となるようにしておく。
【００２８】
前記水平方向の荷重Ｆｘが所定の荷重にほぼ達した後、前記垂直方向の荷重印加を開始し、該印加荷重を徐々に大きくしていく。
【００２９】
該印加荷重の大きさが増大するにつれて、ダイヤモンド薄膜３と超硬チップ基材２との界面にき裂が進展し、やがて図４に示すように、ダイヤモンド薄膜３が破断して脱落する。これらダイヤモンド薄膜３が脱落した後も荷重Ｆｙを測定することで、該荷重Ｆｙの大きさが前記針材５と超硬チップ基材２の端面１３との摩擦による抵抗Ｆｒに相当することから、このＦｒの大きさを特定することができ、前記き裂が進展において印加した荷重Ｆｙより該抵抗Ｆｒの大きさを差し引くことにより、実際にひさし４に印加された実荷重の大きさを算出することができる。
【００３０】
これらの測定結果より、前記荷重Ｆｙより抵抗Ｆｒを減じた実荷重と、き裂進展長さとの関係を図３のようにして把握することができる。
【００３１】
これらひさし４に印加した実荷重とき裂進展長さとの関係は、図５に示す有限要素モデルを一例とする有限要素法により、各き裂進展長さ位置における荷重とじん性（破断発生時におけるエネルギ解放率の限界値）との関係を以下の式より求めることができる。
【数式１】

【００３２】
但し、Ｆ＝Ｆ_０＋ｆＰ，Δ＝Δ_０＋δＰであって、Ｆはき裂前縁の節点反力、Δはこれを解放した際に生じる節点の相対変位を示す。また、ΔＡは、この節点の解放により進展したき裂面積を示す。
【００３３】
前記式において、節点力Ｆおよび節点変位Ｐは、残留応力による寄与分Ｆ_０，Δ_０と外荷重による寄与分ｆＰ，δＰとから成り、後者は一般に外荷重Ｐに比例する。Ｆ_０，Δ_０および外荷重の寄与分に対する係数ｆ，δは、複数の荷重（例えばＰ＝０とＰ＝１）において有限要素法により、前記節点反力Ｆ、変位Δを求めることで、各き裂長さ（き裂前縁位置）において算出することができる。これら有限要素法により得られたＦ_０，Δ_０，ｆ，δの各値と、前記数式１の左辺に仮定したじん性値Ｇを代入して、荷重Ｐに関して式を解くことで、各き裂長さにおける荷重が特定されるようになる。
【００３４】
このように、き裂前縁におけるじん性（Ｊ／ｍ^２）として適宜な数値を仮定することにより、該仮定値におけるき裂進展長さと荷重との関係を逆に算出することができ、これら前記図５に示す有限要素モデルにおける有限要素法においてき裂前縁におけるじん性として１０Ｊ／ｍ^２、１５Ｊ／ｍ^２、２０Ｊ／ｍ^２の各値を与えた際のき裂進展長さと荷重との関係、並びに前記にて実測したき裂進展長さと荷重との関係とを示したグラフを図６に示す。
【００３５】
これら仮定された複数の値の各じん性におけるき裂進展長さと荷重との関係と、実測されたき裂進展長さと荷重との関係とから、実測値が前記じん性仮定値の１０〜１５Ｊ／ｍ^２の間に位置することから、測定に供された前記ダイヤモンド薄膜３の剥離におけるじん性の大きさはおよそ１２〜１４Ｊ／ｍ^２程度であると特定でき、評価することができる。
【００３６】
これら評価において、より高精度の評価を行いたい場合には、前記にて仮定したじん性値をより細かな数値幅にて変化させ、測定結果に最も近い計算結果が得られるじん性値を求めるようにすれば良い。
【００３７】
この場合、実験結果を入力として与え、繰り返し計算を実施して計算結果を測定結果に対して最適化し、仮定するじん性が収束する値を評価結果とする方法としても良い。
【００３８】
また、これら繰り返しの計算に際しては、予めいくつかのじん性値について有限要素法等により計算を実施して該計算結果をデータベース化し、形状変化や中間のじん性値についてこれらを補間する等の手法を行えば、計測を行う度に有限要素法に伴う多大な計算を行うことを回避して、迅速な評価を実施することもできる。
【００３９】
（実施例２）
本実施例２の試料は、前記実施例が基材と薄膜との密着強度を評価したが、本実施例２では、薄膜自体の強度の評価を行う例を示す。
【００４０】
本実施例２の試料１’は、前記実施例１の試料１が基材として超硬チップ基材２を用いていたのに対し、本実施例２では基材として単結晶シリコンから成るシリコンウエハ基板を使用し、該シリコンウエハ基板上に実施例１と同様の手法にてダイヤモンド薄膜３が形成されたものを使用している。
【００４１】
これら試料１’も、図７に示すように、前記シリコンウエハ基板の端面より突出するダイヤモンド薄膜３のひさし４が、フッ酸＋硝酸水溶液による選択性エッチングにより形成されており、該ひさし４の端部位置には、集束イオンビーム（ＦＩＢ）により、所定の長さの切り込みであるノッチ１１が形成されている。
【００４２】
これらノッチ１１の形状や長さ等は、後述する荷重の印加により、該ノッチ１１に繋がるようにき裂１２の生成がなされるようになるものであれば良く、特に限定されるものではない。また、本実施例では該ノッチ１１を集束イオンビーム（ＦＩＢ）により形成しているが、これらＦＩＢによる形成手法は該ノッチ１１を非接触により形成でき、前記ひさし４が破断することがないことから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらノッチ１１の形成方法を他の手法としても良く、更には、これらノッチ１１の形成を前記選択性エッチングの前に事前に実施するようにしても良い。
【００４３】
また、これらノッチ１１を形成する位置としては、本実施例のようにひさし４の端部位置に限定されるものではなく、例えば図１０に示すように、ひさし４とシリコンウエハ基板との境界領域に、該シリコンウエハ基板の端面に沿って形成するようにしても良い。
【００４４】
このようにして形成された前記ノッチ１１の周辺位置、本実施例では図７の「Ｘ」で示す前記ノッチ１１の両側位置において、所定の金属針を用いて同一垂直方向（下方）にほぼ等しい荷重をかけ、前記実施例１の界面き裂の場合と同様に、荷重印加において進展したき裂１２の進展長さとの関係を、前記実施例１と同様に測定する。
【００４５】
本実施例では、前記のように前記ノッチ１１の両側位置において同一垂直方向（下方）にほぼ等しい荷重を印加しているが、これら荷重の印加方法はこれに限定されるものではなく、図１１（ａ）に示すように、前記ノッチ１１を開く方向の荷重を印加したり、図１１（ｂ）に示すように、前記ノッチ１１の両側位置において異なる垂直方向に荷重を印加しても良い。
【００４６】
しかしながら、前記ノッチ１１を開く方向の荷重を印加するには、少なくともノッチ１１の片方のダイヤモンド薄膜３を、水平方向に引っ張ることができるようにする必要があり、これら引っ張りを行うために前記ノッチ１１内にワイヤ等を挿入すること等は非常に困難であり、測定の操作性が低下してしまうし、前記のようにノッチ１１の両側位置において異なる垂直方向に荷重を印加する場合は、荷重により生成するき裂１２のき裂面に、該荷重によりひさし４が変形することで摩擦が生じるようになり、これら摩擦が測定に悪影響を及ぼす場合が生じることから、前記のようにノッチ１１の両側位置において同一垂直方向（下方）にほぼ等しい荷重を印加することで、前記の操作性の低下やき裂１２のき裂面に変位による摩擦が生じることをほぼ無くすことができることから好ましい。
【００４７】
これらひさし４部分において前記ノッチ１１より進展するき裂１２の進展長さと前記荷重との関係は、前記実施例１と同様に該ひさし４部分（ダイヤモンド薄膜内）のみの有限要素モデルを用いて有限要素法による計算にて模擬式を得ることができ、その模擬式による荷重５.１×１０^−３Ｎ（５０ｍｇｆ）、膜厚２μｍにおける計算例を図８に示す。
【００４８】
これら前記有限要素法を用いたき裂１２の進展長さと前記荷重との関係式に、前記実施例１と同様にじん性として適宜な数値を仮定して代入することにより、該仮定値におけるき裂進展長さと荷重との関係を図９に示すように、算出することができ、これら仮定したじん性値によるき裂進展長さと荷重との関係と、前記実測したき裂進展長さと荷重との関係とを比較することにより、測定に供したダイヤモンド薄膜自体の強度であるじん性値を評価することができるようになる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態を図面により前記各実施例にて説明してきたが、本発明はこれら各実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれることは言うまでもない。
【００５０】
また、前記各実施例においては、き裂進展状況の模擬式を有限要素法にて得ているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら模擬式を境界要素法や差分法等の他の方法にて得ても良い。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は次の効果を奏する。
【００５２】
（ａ）請求項１の発明によれば、前記コーティング薄膜が形成された基材がどのような基材であっても、コーティング薄膜の膜自体の強度や基材との密着強度等の各強度を客観的に評価できるようになり、前述のような製品設計等における労力や時間を大幅に低減することが可能となる。
【００５３】
（ｂ）請求項２の発明によれば、このようにすれば、研磨材を基材の端面に適宜な荷重にて当接して研磨するのみで、簡便に前記コーティング薄膜のひさしを得ることができる。
【００５４】
（ｃ）請求項３の発明によれば、例え前記コーティング薄膜が曲率を有する基材上に形成されていても、コーティング薄膜を破損することなく前記ひさし状の加工を良好に実施することができる。
【００５５】
（ｄ）請求項４の発明によれば、前記コーティング薄膜に荷重を印加する押圧子が、コーティング薄膜から脱落することを防止できるようになる。
【００５６】
（ｅ）請求項５の発明によれば、前記基材との密着力に伴うじん性に影響されることなく、コーティング薄膜自体の機械的強度（じん性）を評価できるようになるばかりか、き裂の進行方向が所定の方向にほぼ安定して生成するようになるため、より正確な評価が可能となる。
【００５７】
（ｆ）請求項６の発明によれば、き裂を生じたコーティング薄膜の幅や形状等に依存することなく、各強度を客観的な数値にて評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に用いた試料を示す側断面図である。
【図２】本発明の実施例１において実施した測定状況を示す図である。
【図３】本発明の実施例１において測定した測定結果のグラフを例示する図である。
【図４】本発明の実施例１において測定後の試料を示す上面図である。
【図５】本発明の実施例１において用いた有限要素モデルを示す図である。
【図６】本発明の実施例１において有限要素法にて求めたき裂進展長さと荷重との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例２において用いた試料を示す上面図である。
【図８】本発明の実施例２の試料におけるき裂長さとじん性との関係の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例２において有限要素法にて求めたき裂進展長さと荷重との関係を示す図である。
【図１０】本発明のその他の形態の試料を示す上面図である。
【図１１】本発明のその他の荷重印加の形態を示す図である。
【符号の説明】
ｌ試料
２超硬チップ基材
３ダイヤモンド薄膜
４ひさし
５針材
６ロードセル
７レコーダ
８ＣＣＤイメージセンサ
９レコーダ
１０Ｘ−Ｙテーブル
１１ノッチ
１２き裂
１３端面（基材）[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a coating thin film strength evaluation method capable of evaluating the strength of a coating thin film formed on a substrate, in particular, the mechanical strength of the coating thin film itself and the adhesion strength to the substrate as objective numerical values. About.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-hardness thin films such as coating thin films, such as diamond thin films, have attracted attention as a technology that reduces the wear of cemented carbide used for cutting tool edges and realizes oil-less cutting. These diamond thin films can be easily formed on various base materials, not limited to the cemented carbide, by the development of thin film formation techniques such as CVD and vapor phase plasma processes. Is expanding.
[0003]
For this reason, in the design and management of products on which these coating thin films are formed, an evaluation method capable of objectively evaluating the strength of these coating thin films has become important.
[0004]
As a method for evaluating the strength of these coating films, when the thickness is a relatively thick coating film, a strength evaluation method applicable to ordinary structural materials can be used as it is. For example, an example in which the strength (toughness) of a diamond coating film having a thickness exceeding 100 μm is measured with a compact tension test piece (one of standard test pieces for measuring the toughness of structural materials) has been reported. In these methods, it is impossible to accurately measure and evaluate the strength (toughness) of a thin film of 100 μm or less, particularly about several μm formed by the above-described CVD method or vapor phase plasma method.
[0005]
In addition, as a method for evaluating the strength of these coating thin films, particularly the interface toughness with the base material, a coating thin film is formed on a metal substrate having a high ductility, such as gold, and the metal substrate is plastically deformed to form a base of the coating thin film. In some cases, the toughness of the interface with the material is evaluated. In this case, however, the base material is limited as described above, and evaluation using a base material on which a coating thin film is actually formed is impossible.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, conventionally, there is no method for objectively evaluating the strengths of these coating thin films such as the strength of the coating itself and the adhesion strength with the base material. Etc., the characteristics of each sample on which the coating thin film was formed under various conditions were evaluated, and the formation conditions for obtaining the desired characteristics were found by trial and error. In these product designs, There was a problem that much labor and time were required.
[0007]
Therefore, the present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and the strength of the coating thin film that can objectively evaluate each strength such as the strength of the coating thin film itself and the adhesion strength with the substrate as described above. The purpose is to provide an evaluation method.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the coating thin film strength evaluation method of the present invention is a coating thin film strength evaluation method formed on a substrate surface by a predetermined method, and the coating thin film layer alone is used as the base material. The coating thin film layer is projected into an appropriate length so as to protrude from the end surface of the coating film, and at least a load in a direction perpendicular to the film surface is appropriately applied to the coating thin film layer protruding in the eaves shape, thereby It is characterized in that the adhesion strength of the coating thin film or the strength of the coating thin film itself is evaluated based on the relationship between the change of the load and the amount of crack propagation in the peeling from the material or the breaking of the coating thin film layer.
According to this feature, regardless of the substrate on which the coating thin film is formed, each strength such as the strength of the coating thin film itself and the adhesion strength with the substrate can be objectively evaluated. As a result, it is possible to significantly reduce labor and time in the product design as described above.
[0009]
The method for evaluating the strength of the coating thin film according to the present invention is a method in which the coating thin film layer is processed in the form of an eaves when the hardness of the coating thin film is higher than the hardness of the substrate. It is preferable to use a polishing method in which an abrasive is brought into contact with the end surface of the substrate with an appropriate load for polishing.
If it does in this way, the eaves of the said coating thin film can be obtained easily only by abutting and grinding | polishing an abrasive | polishing material on the end surface of a base material with a suitable load.
[0010]
In the method for evaluating the strength of the coating thin film of the present invention, it is preferable that the method of processing the coating thin film layer alone in an eaves form is etching with a chemical capable of preferentially etching the substrate or laser light.
In this way, even if the coating thin film is formed on a substrate having a curvature, the eaves-like processing can be favorably performed without damaging the coating thin film.
[0011]
In the method for evaluating the strength of the coating thin film of the present invention, it is preferable to apply a load in the horizontal direction and toward the film surface of the coating thin film when applying the load in the vertical direction.
If it does in this way, it will become possible to prevent that the presser which applies a load to the coating thin film falls off from the coating thin film.
[0012]
In the method for evaluating the strength of the coating thin film of the present invention, it is preferable that a cut having an appropriate length is formed in the eaves-like coating thin film and the load in the vertical direction is appropriately applied at least on one side of the cut.
In this way, the mechanical strength (toughness) of the coating thin film itself can be evaluated without being affected by the toughness associated with the adhesion to the substrate, and the direction of crack propagation can be determined. Since it is generated almost stably in a predetermined direction, more accurate evaluation is possible.
[0013]
In the strength evaluation method for a coating thin film of the present invention, the method for specifying each strength is to create a simulation formula by the finite element method of the progress of cracks in the coating thin film and the substrate or the coating thin film itself, It is preferable that each value of each strength at the edge is input to the simulation formula, and the input value that substantially coincides with the relationship between the load and the crack propagation amount measured above is used as each strength.
In this way, each strength can be evaluated with an objective numerical value without depending on the width, shape, etc. of the coating thin film in which the crack has occurred.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a preparation state of a sample used in the coating thin film strength evaluation method in Example 1, and FIG. 2 shows a coating thin film strength evaluation method using the sample in Example 1. It is a figure which shows a measurement condition.
[0016]
First, as a sample 1 used in Example 1, a methane gas is appropriately added to a diamond thin film 3 on a surface of a tungsten carbide / cobalt alloy cemented carbide base material 2 widely used for a cutting tool or the like in a vapor deposition atmosphere. In the present example 1, the diamond thin film 3 has a thickness of approximately 12 μm, and the sample 1 is actually used as a product. A part formed under the same conditions or a part of the product itself can be used.
[0017]
Since the diamond thin film 3 is harder than the tungsten carbide / cobalt alloy cemented carbide chip base material 2 in these samples 1, the end face of the alloy base material 2 on which the diamond thin film 3 is formed as shown in FIG. 13. Since the thin film is the hardest diamond thin film 3 as described above in the present embodiment, in particular, in this embodiment, an abrasive made of a metal plate (copper plate in the present embodiment) appropriately coated with diamond abrasive grains on its surface. When the eaves 4 of the diamond thin film 3 generated by polishing is brought into contact with an appropriate load so as not to be remarkably damaged, the polishing amount of the diamond thin film 3 and the alloy substrate 2 are polished. A difference occurs in the polishing amount, and the alloy base 2 having a low hardness is polished to form the eaves 4 of the diamond thin film 3.
[0018]
As for the method for forming the eaves 4, it is preferable that the abrasive is brought into contact with the end surface 13 of the alloy base material 2 as described above because the eaves can be easily formed. The invention is not limited to this, and the method for forming the eaves may be appropriately selected depending on the material of the base material 2 and the thin film 3 to be used, the length of the eaves required, etc. The cemented carbide chip substrate 2 may be obtained by polishing with a diamond paste over a predetermined length at the end from the surface side where the diamond thin film 3 is not formed, as in Example 2 described later. In addition, it may be formed by etching or the like.
[0019]
As for the length of the eaves 4 to be formed, if the length is small, the tip of a needle material 5 to be described later is not easily locked to the eaves 4, and if the length is large, the carbide tip base material 2 Since the removal process by polishing requires a long time, the length of the needle material 5 may be set to an appropriate length so that the tip 4 of the eaves 4 can be satisfactorily locked.
[0020]
Further, the method of forming the eaves 4 is not limited to the polishing using the diamond paste, and when the thin film is a ceramic such as titanium nitride (TiN), the thin film is formed by using these thin films. An appropriate abrasive that is soft and capable of polishing the substrate may be used.
[0021]
Furthermore, as a method for forming the eaves 4, only the base material such as the carbide chip base material 2 is preferentially dissolved without dissolving the thin film such as the diamond thin film 3 or the ceramic thin film such as titanium nitride (TiN). Only the base material may be selectively removed by etching using a solution that dissolves in the substrate, and further, the base material is removed using a YAG laser or an excimer laser, or each of these methods or the polishing method described above. Etc. may be used in appropriate combinations.
[0022]
As shown in FIG. 2, the eaves 4 formed in this way is arranged so that the tip of the needle material 5 is locked to the eaves 4 from the lower side thereof. 5 is attached to an XY table 10 for moving the needle material 5 in the horizontal and vertical directions via a load cell 6 capable of individually detecting the magnitude of each force (load) in the horizontal and vertical directions. . In the present embodiment, the base material 2 is fixed and the needle material 5 is moved on the XY table 10 as described above, but the present invention is not limited to this, and the needle material is not limited thereto. 5 may be fixed via the load cell 6, and the base material 2 may be attached to the XY table and moved.
[0023]
In the first embodiment, a diamond needle is used as the needle material 5. However, when the needle material is made of diamond in this way, the needle tip is not crushed even in measurement for a hard thin film. However, the present invention is not limited to this, because it is possible to reduce the trouble of replacing the needle material, but the material of the needle material 5 may be other materials, such as the material and thickness of the thin film. May be selected as appropriate.
[0024]
By the movement of the XY table 10, a force Fy that pushes the eaves 4 upward on the needle material 5 and a film surface of the diamond thin film 3 that presses the needle material 5 against the end surface 13 of the cemented carbide chip substrate 2. A direction force Fx can be appropriately applied, and a time change in the magnitude of the force (load) in each direction applied to the eaves 4 via the needle material 5 is detected by the load cell 6, and the recorder 7 To be recorded.
[0025]
At this time, the CCD image sensor 8 provided on the upper surface of the diamond thin film 3 measures the length of the crack generated for each elapsed time between the diamond thin film 3 and the cemented carbide chip substrate 2, and the recorder 9 is recorded. As described above, the crack length measurement by the CCD image sensor 8 is preferable because the measurement can be automatically performed. However, the present invention is not limited to this, and the crack length is determined for each elapsed time. Alternatively, the measurer may measure and plot with a microscope or the like.
[0026]
In the first embodiment, as described above, the horizontal load Fx is appropriately applied to the film surface of the diamond thin film 3. However, this is because the needle material 5 and the eaves 4 are related to each other. Although it is preferable that the needle material 5 can be prevented from falling off due to deformation of the eaves 4 due to application of the vertical load Fy, the present invention is not limited to this. When the amount of deformation of the eaves 4 is small and the possibility that the needle material 5 will drop off is low, it is not necessary to apply these horizontal loads Fx.
[0027]
The state of application of these loads will be described with reference to the chart of FIG. 3. First, a predetermined load Fx is applied in advance in the horizontal direction before the application of the vertical load Fy, and the load Fx is measured. Keep it almost constant inside.
[0028]
After the horizontal load Fx almost reaches a predetermined load, the vertical load application is started and the applied load is gradually increased.
[0029]
As the magnitude of the applied load increases, a crack develops at the interface between the diamond thin film 3 and the cemented carbide substrate 2 and eventually the diamond thin film 3 breaks and falls off as shown in FIG. By measuring the load Fy even after the diamond thin film 3 has fallen off, the magnitude of the load Fy corresponds to the resistance Fr caused by friction between the needle material 5 and the end face 13 of the cemented carbide substrate 2. The magnitude of this Fr can be specified, and the magnitude of the actual load actually applied to the eaves 4 is calculated by subtracting the magnitude of the resistance Fr from the load Fy applied in the crack propagation. be able to.
[0030]
From these measurement results, the relationship between the actual load obtained by subtracting the resistance Fr from the load Fy and the crack growth length can be grasped as shown in FIG.
[0031]
The relationship between the actual load applied to the eaves 4 and the crack growth length is determined by the finite element method using the finite element model shown in FIG. 5 as an example. The relationship with the limit value of the energy release rate can be obtained from the following equation.
[Formula 1]

[0032]
However, F = F ₀ + fP, Δ = Δ ₀ + δP, where F is a nodal reaction force at the crack leading edge, and Δ is a relative displacement of the nodal point generated when this is released. Further, ΔA indicates a crack area that has developed due to the release of the node.
[0033]
In the above equation, the nodal force F and the nodal displacement P are composed of contributions F ₀ and Δ ₀ due to residual stress and contributions fP and δP due to external loads, and the latter is generally proportional to the external load P. The coefficients f and δ for the contribution of F ₀ , Δ ₀ and the external load are obtained by obtaining the nodal reaction force F and the displacement Δ by a finite element method at a plurality of loads (for example, P = 0 and P = 1). It can be calculated at each crack length (crack leading edge position). Each value of F ₀ , Δ ₀ , f, δ obtained by these finite element methods and the assumed toughness value G in the left side of Equation 1 are substituted, and each equation is solved for the load P by solving each equation. The load at the crack length is specified.
[0034]
Thus, by assuming an appropriate numerical value as the toughness (J / m ² ) at the crack leading edge, the relationship between the crack growth length and the load at the assumed value can be calculated in reverse. In the finite element method in the finite element model shown in FIG. 5, the crack growth length and load when the values of 10 J / m ² , 15 J / m ² , and 20 J / m ² are given as the toughness at the crack leading edge. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the above and the relationship between the crack growth length and the load actually measured.
[0035]
Based on the relationship between the crack growth length and the load at each of these assumed multiple toughness values and the relationship between the actually measured crack growth length and the load, the measured value is 10 to 15 J / of the toughness assumption value. Since it is located between m ^2, the toughness in peeling of the diamond thin film 3 subjected to the measurement can be specified and evaluated to be about 12 to 14 J / m ² .
[0036]
In these evaluations, if it is desired to perform a more accurate evaluation, the toughness value assumed above is changed within a finer numerical range, and a toughness value that provides a calculation result closest to the measurement result is obtained. You can do that.
[0037]
In this case, an experimental result may be given as an input, repeated calculation may be performed to optimize the calculation result with respect to the measurement result, and a value at which the assumed toughness converges may be used as the evaluation result.
[0038]
In addition, when performing these repetitive calculations, some toughness values are calculated in advance by a finite element method or the like, the calculation results are made into a database, and these are interpolated for shape changes or intermediate toughness values. If this is performed, it is possible to avoid a large amount of calculation associated with the finite element method every time measurement is performed, and to perform a quick evaluation.
[0039]
(Example 2)
As for the sample of this Example 2, although the said Example evaluated the adhesive strength of a base material and a thin film, in this Example 2, the example which evaluates the intensity | strength of thin film itself is shown.
[0040]
Sample 1 ′ of Example 2 is a silicon wafer made of single crystal silicon as the substrate in Example 2, whereas Sample 1 of Example 1 uses a cemented carbide chip substrate 2 as the substrate. A substrate is used in which a diamond thin film 3 is formed on the silicon wafer substrate by the same method as in the first embodiment.
[0041]
7, the eaves 4 of the diamond thin film 3 protruding from the end face of the silicon wafer substrate are also formed by selective etching using a hydrofluoric acid + nitric acid aqueous solution, as shown in FIG. A notch 11 having a predetermined length is formed by a focused ion beam (FIB) at the part position.
[0042]
The shape, length, and the like of the notches 11 are not particularly limited as long as the cracks 12 are generated so as to be connected to the notches 11 by applying a load described later. In this embodiment, the notch 11 is formed by a focused ion beam (FIB). However, the forming method using these FIBs can form the notch 11 in a non-contact manner, and the eaves 4 do not break. Although the present invention is not limited to this, the method of forming these notches 11 may be another method, and further, the formation of these notches 11 is performed in advance before the selective etching. Anyway.
[0043]
Further, the positions where these notches 11 are formed are not limited to the end positions of the eaves 4 as in the present embodiment. For example, as shown in FIG. 10, the boundary region between the eaves 4 and the silicon wafer substrate is formed. Further, it may be formed along the end surface of the silicon wafer substrate.
[0044]
In the peripheral position of the notch 11 formed in this way, in this embodiment, at the both side positions of the notch 11 indicated by “X” in FIG. 7, it is substantially equal in the same vertical direction (downward) using a predetermined metal needle. In the same manner as in the case of the interface crack in the first embodiment, a relationship is applied to the growth length of the crack 12 that has propagated in the load application in the same manner as in the first embodiment.
[0045]
In the present embodiment, substantially equal loads are applied in the same vertical direction (downward) at both side positions of the notch 11 as described above, but the method of applying these loads is not limited to this. As shown in (a), a load in the direction of opening the notch 11 may be applied, or as shown in FIG. 11 (b), a load may be applied in different vertical directions at both side positions of the notch 11.
[0046]
However, in order to apply a load in the direction in which the notch 11 is opened, at least one of the diamond thin films 3 of the notch 11 needs to be able to be pulled in the horizontal direction. It is very difficult to insert a wire or the like in the inside, and the operability of measurement is deteriorated. When a load is applied in different vertical directions at both side positions of the notch 11 as described above, Friction is generated on the crack surface of the generated crack 12 by the deformation of the eaves 4 due to the load, and the friction may adversely affect the measurement. By applying a substantially equal load in the same vertical direction (downward) at the position, the operability is lowered and friction due to displacement occurs on the crack surface of the crack 12. It preferred because it can be substantially eliminated and.
[0047]
The relationship between the extension length of the crack 12 that propagates from the notch 11 and the load in these four eaves portions is finite using the finite element model of only the four eaves portion (in the diamond thin film) as in the first embodiment. A simulation formula can be obtained by calculation by the element method, and a calculation example with a load of 5.1 × 10 ⁻³ N (50 mgf) and a film thickness of 2 μm by the simulation formula is shown in FIG.
[0048]
By substituting an appropriate numerical value as the toughness in the relational expression between the growth length of the crack 12 using the finite element method and the load, as in the first embodiment, the crack growth at the assumed value is obtained. The relationship between the length and the load can be calculated as shown in FIG. 9, and the relationship between the crack growth length and the load according to these assumed toughness values, and the relationship between the actually measured crack growth length and the load. , The toughness value, which is the strength of the diamond thin film itself subjected to the measurement, can be evaluated.
[0049]
The embodiments of the present invention have been described with reference to the above-described examples. However, the present invention is not limited to these examples, and there are changes and additions within the scope of the present invention. However, it goes without saying that it is included in the present invention.
[0050]
Further, in each of the above-described embodiments, the simulation formula of the crack propagation status is obtained by the finite element method, but the present invention is not limited to this, and these simulation formulas are used for the boundary element method, the difference method, etc. Other methods may be used.
[0051]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects.
[0052]
(A) According to the invention of claim 1, regardless of the substrate on which the coating thin film is formed, each strength such as the strength of the coating thin film itself and the adhesion strength with the substrate Can be objectively evaluated, and the labor and time in the product design as described above can be greatly reduced.
[0053]
(B) According to the invention of claim 2, in this way, it is possible to easily obtain the eaves of the coating thin film only by polishing the abrasive by abutting the end face of the substrate with an appropriate load. it can.
[0054]
(C) According to invention of Claim 3, even if the said coating thin film is formed on the base material which has a curvature, the said eaves-like process can be favorably implemented, without damaging a coating thin film. .
[0055]
(D) According to invention of Claim 4, it becomes possible to prevent the pressing element for applying a load to the coating thin film from falling off the coating thin film.
[0056]
(E) According to the invention of claim 5, the mechanical strength (toughness) of the coating thin film itself can be evaluated without being affected by the toughness associated with the adhesion with the substrate. Since the crack traveling direction is generated almost stably in a predetermined direction, more accurate evaluation is possible.
[0057]
(F) According to the invention of claim 6, each strength can be evaluated by an objective numerical value without depending on the width or shape of the coating thin film in which the crack has occurred.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view showing a sample used in Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a measurement situation performed in Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a graph of measurement results measured in Example 1 of the present invention.
FIG. 4 is a top view showing a sample after measurement in Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a finite element model used in Example 1 of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the crack growth length and the load obtained by the finite element method in Example 1 of the present invention.
FIG. 7 is a top view showing a sample used in Example 2 of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between crack length and toughness in the sample of Example 2 of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a crack growth length and a load obtained by a finite element method in Example 2 of the present invention.
FIG. 10 is a top view showing a sample according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing another load application mode of the present invention.
[Explanation of symbols]
l Sample 2 Carbide chip base material 3 Diamond thin film 4 Eaves 5 Needle material 6 Load cell 7 Recorder 8 CCD image sensor 9 Recorder 10 XY table 11 Notch 12 Crack 13 End face (base material)

Claims

A method for evaluating the strength of a coating thin film formed on a surface of a substrate by a predetermined method, wherein the coating thin film layer is processed into an eaves shape so as to project an appropriate length from an end surface of the substrate, and the eaves A load that is at least perpendicular to the film surface is appropriately applied to the coating thin film layer protruding in a shape, and the change in the load and the amount of crack propagation in the peeling of the coating thin film from the base material or the breaking of the coating thin film layer The strength evaluation method of a coating thin film characterized by evaluating the adhesion strength of the coating thin film or the strength of the coating thin film itself based on the relationship.

In the case where the hardness of the coating thin film is higher than the hardness of the substrate, the technique of processing the coating thin film layer alone into an eaves shape is performed by applying an abrasive to the end surface of the substrate on which the coating thin film is formed with an appropriate load. The method for evaluating the strength of a coating thin film according to claim 1, wherein the method is a polishing method that abuts and polishes.

The method for evaluating the strength of a coating thin film according to claim 1, wherein the method of processing the single coating thin film layer into an eaves is etching with a chemical capable of preferentially etching the substrate or laser light.

The method for evaluating the strength of a coating thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein, when applying the load in the vertical direction, a load is applied in a direction horizontal to the film surface of the coating thin film and toward the film surface direction. .

The strength of the coating thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein a cut having an appropriate length is formed in the eaves-like coating thin film, and the vertical load is appropriately applied at least on one side of the cut. Evaluation methods.

The method of specifying each strength is to create a simulation formula by the finite element method of the progress of cracks in the coating thin film and the base material or the coating thin film itself, and to simulate each value of the strength at the crack leading edge. The coating thin film strength evaluation method according to any one of claims 1 to 5, wherein each strength is set to an input value that is input to an equation and substantially coincides with a relationship between a load and a crack growth amount measured in the above.