JP5414585B2

JP5414585B2 - 薄膜剥離評価装置

Info

Publication number: JP5414585B2
Application number: JP2010061730A
Authority: JP
Inventors: 俊夫兵頭; 文修斎藤; 逸雄西山
Original assignee: ダイプラ・ウィンテス株式会社
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP2011007773A

Description

本発明は、薄膜剥離評価装置に関し、さらに詳しくは、基盤上に形成された薄膜の剥離強度を表す指標を得ることが出来る薄膜剥離評価装置に関する。

従来、基盤に形成された薄膜に対し垂直に硬い圧子を立て、連続的に荷重を増しながら圧子により薄膜を引っかく際に発生する荷電粒子を検出して薄膜の剥離強度を測定する薄膜材料特性計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−３４４２６４号公報

上記従来の薄膜剥離強度測定装置では、圧子により薄膜を引っかく設備に加えて、荷電粒子を検出するための設備が必要となり、装置が大がかりとなる問題点がある。
そこで、本発明の目的は、「圧子により薄膜を引っかく設備」に相当する設備だけで薄膜の剥離強度を表す指標を得ることが出来る薄膜剥離評価装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、基盤にコーティングした薄膜を切刃で剥離する剥離手段と、前記切刃に垂直荷重を加える制御手段と、垂直荷重および垂直位置を測定する測定手段と、垂直荷重を漸減しながら切刃の先端部を薄膜と基盤間の界面を移動させつつ垂直位置をモニターして垂直位置が薄膜表面方向に膜厚の十分の一以上変化した時の直前の垂直荷重を臨界垂直荷重として求める臨界垂直荷重取得手段とを具備したことを特徴とする薄膜剥離評価装置を提供する。
本発明の発明者らが鋭意研究したところ、切刃の先端部を薄膜と基盤間の界面を移動させつつ垂直荷重を漸減していると、ある垂直荷重で急に垂直位置が膜厚の十分の一以上変化する現象を発見した。そして、この現象を解析したところ、薄膜の剥離強度を表す指標として、この現象を生じた時の直前の垂直荷重を利用できることを見出し（理由は後述する）、本発明を完成した。
すなわち、上記第１の観点による薄膜剥離評価装置では、予め設定した垂直荷重で保護膜等の薄膜に切り込み、切刃が接着界面に到達すると、切刃はそれ以上は深く切り込まないで界面を滑り、薄膜を剥離し始める。そこで、薄膜を剥離しながら、垂直荷重を漸減させて垂直荷重と垂直位置をモニターする。そして、垂直位置が急減した時の直前の垂直荷重を臨界垂直荷重として求める。この臨界垂直荷重は、薄膜の剥離強度を表す指標として利用できる。
そして、荷電粒子を検出するための設備などは不要であり、「圧子により薄膜を引っかく設備」に相当する設備だけで薄膜の剥離強度を表す指標を得ることが出来る。なお、「圧子により薄膜を引っかく設備」に相当する設備としては、例えば特開２００６−３４９３９８号公報に開示された塗膜付着強度・剪断強度測定装置を利用できる。

第２の観点では、本発明は、基盤にコーティングした薄膜を切刃で剥離する剥離手段と、前記切刃に垂直荷重を加える制御手段と、垂直荷重および垂直位置および水平荷重を測定する測定手段と、垂直荷重を漸減しながら切刃の先端部を薄膜と基盤間の界面を移動させつつ垂直位置をモニターして垂直位置が薄膜表面方向に膜厚の十分の一以上変化した時の直前の垂直荷重を臨界垂直荷重として求めると共に水平荷重を臨界水平荷重として求める臨界垂直荷重・臨界水平荷重取得手段と、前記臨界垂直荷重および臨界水平荷重に基づいて剥離エネルギーを算出する剥離エネルギー算出手段とを具備したことを特徴とする薄膜剥離評価装置を提供する。
上記第２の観点による薄膜剥離評価装置で求められる剥離エネルギーは、薄膜の剥離強度を表す指標として利用できる（理由は後述する）。

第３の観点では、本発明は、上記第２の観点による薄膜剥離評価装置において、前記剥離エネルギー算出手段は、少なくとも２点の厚さｔが異なる薄膜について求めた臨界垂直荷重Ｆvcおよび臨界水平荷重Ｆhcに基づいて、

により、厚さｔが異なる薄膜についてのＲの値を求め、厚さｔ＝０におけるＲの値を推定し、それを剥離エネルギーとすることを特徴とする薄膜剥離評価装置を提供する。
上記第３の観点による薄膜剥離評価装置では、薄膜Ｃに塑性変形がある場合でも、剥離エネルギーＧを求めることが出来る（理由は後述する）。

本発明の薄膜剥離評価装置によれば、「圧子により薄膜を引っかく設備」に相当する設備だけで薄膜の剥離強度を表す指標を得ることが出来る。

実施例１に係る薄膜剥離評価装置を示す構成説明図である。実施例１に係る薄膜剥離評価装置の動作を示すフロー図である。測定中の垂直荷重の変化を示す例示図である。測定中の垂直位置の変化を示す例示図である。測定中の水平荷重の変化を示す例示図である。基盤からの垂直抗力が０でない場合の薄膜剥離状態を示す断面図である。基盤からの垂直抗力が０である場合の薄膜剥離状態を示す断面図である。切刃のすくい角および逃げ角を示す断面図である。実施例２に係る薄膜剥離評価装置の動作を示すフロー図である。薄膜の厚さに対するＲの値のグラフである。薄膜の厚さｔに対するＲの値のグラフから剥離エネルギーが求められることを示すグラフである。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１にかかる薄膜剥離評価装置１００の構成説明図である。
この薄膜剥離評価装置１００は、基台１と、第１辺２１を水平（ｘ方向）に保って基台１に支持され且つ第２辺２２を第１辺２１と平行を保って弾性変形しうる水平用弾性平行リング２と、第１辺３１を垂直（ｚ方向）に保って水平用弾性平行リング２の第２辺２２にスペーサ１２を介して支持され且つ第２辺３２を第１辺３１と平行を保って弾性変形しうる垂直用弾性平行リング３と、水平用弾性平行リング２の第２辺２２の一端に水平ロッド６ａを介し水平荷重Ｆｈを加えて水平用弾性平行リング２を弾性変形させるための水平用フォースコイル６と、垂直用弾性平行リング３の第２辺３２の一端に垂直ロッド７ａを介して垂直荷重Ｆｖを加えて垂直用弾性平行リング３を弾性変形させるための垂直用フォースコイル７と、水平変位量を測定するための水平位置センサ９と、垂直変位量を測定するための垂直位置センサ１１と、垂直用弾性平行リング３の第２辺３２に取り付けられた移動ヘッド４と、その移動ヘッド４の下端に取り付けられた切刃５と、水平面（ｘｙ面）内および垂直方向に移動可能なｘｙｚステージ１４と、試料Ａを固定するためにｘｙｚステージ１４に設置された試料ホルダ１５と、垂直荷重Ｆｖ＝０のときに移動ヘッド４や切刃５の重量で垂直用弾性平行リング３が弾性変形しないように移動ヘッド４や切刃５の重量を支えるための支点４１，天秤４２および重り４３と、出力インタフェース４０ａ，入力インタフェース４０ｂおよび制御部（パソコン）４０とを具備している。

ｘｙｚステージ１４を垂直方向および水平方向に移動することにより、切刃５が試料Ａに切り込み、試料Ａの薄膜を剥離する。

図２は、薄膜剥離評価装置１００による剥離強度評価処理の動作を示すフロー図である。
ステップＳ１では、操作者は、制御部４０に、切込み垂直荷重Ｆｖｘ，水平速度，切込み深さＤ，水平距離ｐ，垂直荷重初期値Ｆｖｏ，垂直荷重漸減値ｆを設定する。
これらパラメータの適当な値は、試行により求めることが出来る。すなわち、予め種々の試料について種々のパラメータ値で試行を繰り返し、試料に切り込んでいった切刃５が接着界面で滑るようになる適当な値を求めておき、評価する試料Ａと同種の試料について求めて置いたパラメータ値を設定すればよい。

ステップＳ２では、制御部４０は、設定された切込み垂直荷重Ｆｖｘおよび水平速度で試料Ａに切り込む。これは、図３に示す０−Ｌａの区間である。

ステップＳ３では、制御部４０は、実測した切刃５の深さの増大が、設定された切込み深さＤ程度で止まったか否か判定し、止まったことを確認したらステップＳ４へ進む。例えば図４に示す水平位置ＬａまではステップＳ３を継続し、水平位置ＬａでステップＳ４へ進む。
ステップＳ４では、制御部４０は、垂直荷重Ｆｖを「垂直荷重初期値Ｆｖｏ＋垂直荷重漸減値ｆ」に変更する。

ステップＳ５では、制御部４０は、垂直荷重Ｆｖを垂直荷重漸減値ｆだけ減らす。これは、図３に示すＬａ−「Ｌａ＋ｐ」の区間である。

ステップＳ６では、制御部４０は、水平距離ｐだけ進んだか否か判定し、進んでいないならステップＳ７へ進み、進んだならステップＳ５に戻る。例えば図４の位置「Ｌａ＋ｐ」や「Ｌａ＋２・ｐ」ではステップＳ５に戻る。

ステップＳ７では、制御部４０は、垂直位置が薄膜表面方向に膜厚の十分の一以上変化したか否か判定し、変化していないならステップＳ６に戻り、変化したならステップＳ８へ進む。例えば図４の位置「Ｌａ＋２・ｐ」の直後に垂直位置がδ≧「膜厚の十分の一」だけ変化したのでステップＳ８へ進む。

ステップＳ８では、制御部４０は、切刃５を停止する。

ステップＳ９では、制御部４０は、垂直位置が急減した時の直前の垂直荷重Ｆｖを臨界垂直荷重Ｆｖｃとして検出する。また、同じ時点での水平荷重Ｆｈを臨界水平荷重Ｆｈｃとして検出する。例えば図３の位置「Ｌａ＋２・ｐ」の直後の垂直加重「Ｆｖｏ−３・ｆ」を臨界垂直荷重Ｆｖｃとし、図５の位置「Ｌａ＋２・ｐ」の直後の水平加重を臨界垂直荷重Ｆｈｃとする。

ステップＳ１０では、剥離エネルギーＧを算出する。

ステップＳ１１では、臨界垂直荷重Ｆｖｃおよび剥離エネルギーＧを出力し、処理を終了する。

図３は測定中の垂直荷重Ｆｖの変化を示す例示図であり、図４は測定中の垂直位置の変化を示す例示図であり、図５は測定中の水平荷重Ｆｈの変化を示す例示図である。
この例における試料Ａは、鉄（ＳＰＣＣ）基盤の上にアクリル型カチオン電着塗料薄膜を厚さ２０μｍで接着したものである。切刃５の材質は窒化ホウ素で、刃幅１ｍｍ、すくい角α＝２０゜、逃げ角β＝１０゜である（図８参照）。
上限垂直荷重Ｆｖｘ＝１Ｎ、下限垂直荷重Ｆｖｎ＝０．１Ｎ、助走水平距離Ｌａ＝２００μｍ、測定時水平速度Ｖｈ＝１μｍ／秒，垂直荷重初期値Ｆｖｏ＝０．５Ｎ、スパン距離ｐ＝１００μｍ、漸減値ｆ＝０．１Ｎとした。
得られた臨界垂直荷重Ｆｖｃ＝０．３Ｎ、臨界水平荷重Ｆｈｃ＝１．２Ｎ、剥離エネルギーＧ＝１７０Ｊ／平方ｍｍであった。

実施例１の薄膜剥離評価装置１００によれば、「圧子により薄膜を引っかく設備」に相当する設備だけで薄膜の剥離強度を表す指標を得ることが出来る。

−臨界垂直荷重Ｆｖｃが薄膜Ｃの剥離強度を表す指標として利用できる理由−
図６は、試料Ａの基盤Ｂにコーティングした薄膜Ｃを切刃５により剥離しながら切り進んでいる状態を示す断面図である。
水平用フォースコイル６から加えている水平荷重Ｆｈと垂直用フォースコイル７から加えている垂直荷重Ｆｖの合力Ｒが切刃５から試料Ａに加わっている。
Ｒ＝Ｆｈ＋Ｆｖ …（１）
一方、試料Ａから切刃５には、薄膜Ｃおよび切りくずＤから切刃５のすくい面に垂直な力Ｆｎとすくい面に平行な力Ｆｆｒの合力Ｆｆｍ（＝Ｆｎ＋Ｆｆｒ）を受けると共に基盤Ｂから基盤Ｂに垂直な力Ｆｓｖと平行な力Ｆｓｈの合力Ｆｓｂ（＝Ｆｓｈ＋Ｆｓｖ）を受けている。つまり、これらの合力Ｒ’を受けている。
Ｒ’＝Ｆｆｍ＋Ｆｓｂ …（２）
定常的な剥離過程においては、合力Ｒと合力Ｒ’は、大きさが等しく、向きが反対で、釣り合っている。

図６における幾何学的関係から判るように、
Ｆｖ＝Ｆｆｒ・ｃｏｓα−Ｆｎ・ｓｉｎα＋Ｆｓｖ …（３）
である。数式（３）で、力の成分の記号は全て大きさ（正）を表すものとする。図６におけるＦｈとＦｖの矢印の向きを正方向とする。また、切刃５のすくい角をαとする。
垂直用フォースコイル７から加えている垂直荷重Ｆｖを漸減してゆくと、基盤Ｂから受ける基盤Ｂに垂直な力Ｆｓｖも漸減してゆき、ついにはＦｓｖ＝０になる。

図７は、Ｆｓｖ＝０になった時の状態を表している。この時の垂直荷重Ｆｖを臨界垂直荷重Ｆｖｃと呼ぶ。
Ｆｖｃ＝Ｆｆｒ・ｃｏｓα−Ｆｎ・ｓｉｎα …（４）
である。
数式（４）から判るように、臨界垂直荷重Ｆｖｃは、薄膜Ｃおよび切りくずＤから受ける力であり、薄膜Ｃの剥離強度を表す指標として利用することが出来る。

試料の膜厚が増加すると、剥離点における曲率は小さくなり、曲げモーメントも小さくなる。このため、切刃５のすくい角を適切に選べば、臨界垂直荷重Ｆｖｃは、接着力に依存し、膜厚に影響されなくなる。

−剥離エネルギーＧが薄膜Ｃの剥離強度を表す指標として利用できる理由−
図７の状態で、切刃５が一定速度で距離Ｘだけ進む間に定常的にする仕事Ｗは、水平荷重Ｆｈと距離Ｘの積である。また、この仕事Ｗは、薄膜Ｃの剥離に要するエネルギーと、切刃５のすくい面と薄膜Ｃおよび切りくずＤとの摩擦で失われるエネルギーと、薄膜Ｃおよび切りくずＤの塑性変形あるいは破断に要するエネルギーの和である。従って、
Ｗ＝Ｆｈ・Ｘ＝Ｇ・Ｘ・ｂ＋Ｆｆｒ・Ｘ＋ｂ・ｔ・Ｘ・Ｕｄ …（５）
である。数式（５）で、ｂは切刃５の刃幅、ｔは薄膜Ｃの厚さ、Ｇは薄膜Ｃの単位面積あたりの剥離に要する剥離エネルギー、Ｕｄは単位体積あたりの薄膜Ｃおよび切りくずＤの塑性変形あるいは破断に要するエネルギーである。

薄膜Ｃおよび切りくずＤの塑性変形がない場合、Ｕｄ＝０である。よって、剥離エネルギーＧは、数式（５）でＵｄ＝０とし、変形して、
Ｇ＝（Ｆｈ−Ｆｆｒ）／ｂ …（６）
で与えられる。

図７における幾何学的関係から判るように、

…（７）
である。数式（６）に数式（７）を適用すれば、

…（８）
となる。
数式（８）から判るように、剥離エネルギーＧは、薄膜Ｃおよび切りくずＤから受ける力であり、薄膜Ｃの剥離強度を表す指標として利用することが出来る。
数式（８）は、非常に好都合な式で、切刃５の材質により切りくずＤとの摩擦係数が違っても、薄膜Ｃおよび切りくずＤの塑性変形を無視できる限り、同じＧの値が得られる。なお、薄膜Ｃおよび切りくずＤが弾性体であったり、すくい角αが大きい場合は、薄膜Ｃおよび切りくずＤの塑性変形を無視できる。

−実施例２−
図９は、薄膜剥離評価装置１００による剥離エネルギー算出処理の動作を示すフロー図である。
ステップＰ１では、厚さｔの異なる２以上の薄膜Ｃについて、図２のステップＳ１〜Ｓ９により、それぞれの臨界垂直荷重Ｆｖｃおよび臨界水平荷重Ｆｈｃを検出する。

ステップＰ２では、厚さｔの異なる２以上の薄膜Ｃについてそれぞれ検出した臨界垂直荷重Ｆｖｃおよび臨界水平荷重Ｆｈｃより、次式の値Ｒを算出する。

…（９）

ステップＰ３では、最小自乗法などにより剥離エネルギーＧを算出する。すなわち、厚さｔに対する（９）式の値Ｒをグラフにすると図１０に示すようになる。このグラフを基に、図１１に示すように、最小自乗法などにより直線をフィッティングし、ｔ＝０でのＲの値を求める。このｔ＝０でのＲの値が剥離エネルギーＧになる。

ステップＰ４では、剥離エネルギーＧを出力し、処理を終了する。

−剥離エネルギーＧが求まる理由−
（６）〜（８）式では、塑性変形がない場合を想定してＵｄ＝０としたが、塑性変形があってＵｄ≠０の場合は、（６）〜（８）式における「Ｇ」を「Ｇ＋ｔ・Ｕｄ」と置けばよい。すると、（８）式は、

…（１０）
となる。
（１０）式の右辺の値は実測により求めうるので、例えば異なる厚さｔ１，ｔ２の薄膜Ｃ１，Ｃ２について実測すると、２つの右辺の値Ｒ１，Ｒ２が得られ、次式の連立方程式が得られる。
Ｇ＋ｔ１・Ｕｄ＝Ｒ１
Ｇ＋ｔ２・Ｕｄ＝Ｒ２
この連立方程式を解けば、
Ｇ＝（ｔ１・Ｒ２−ｔ２・Ｒ１）／（ｔ１−ｔ２） …（１０）
となり、剥離エネルギーＧを算出できる。
そして、３以上の異なる厚さｔの薄膜Ｃについて値Ｒを得た場合には、最小自乗法などにより直線をフィッティングし、ｔ＝０でのＲの値を求めれば（ｔ＝０でＧ＝Ｒとなる）、剥離エネルギーＧが得られる。

実施例２の薄膜剥離評価装置１００によれば、「圧子により薄膜を引っかく設備」に相当する設備だけで、薄膜Ｃに塑性変形があってＵｄ≠０の場合でも、剥離エネルギーＧを求めることが出来る。そして、この剥離エネルギーＧを薄膜Ｃの剥離強度を表す指標として利用することが出来る。
なお、ｔ＝０ということは、切刃５による切削が実質的には行われないということであるから、切刃５のすくい角αの影響も受けないということになる。

本発明の薄膜剥離評価装置は、例えば表面材料の機械的特性を調べるのに利用できる。

５切刃
６水平用フォースコイル
７垂直用フォースコイル
９水平位置センサ
１１垂直位置センサ
４０制御部
１００薄膜剥離評価装置
Ａ試料
Ｂ基盤
Ｃ薄膜

Claims

基盤にコーティングした薄膜を切刃で剥離する剥離手段と、前記切刃に垂直荷重を加える制御手段と、垂直荷重および垂直位置を測定する測定手段と、垂直荷重を漸減しながら切刃の先端部を薄膜と基盤間の界面を移動させつつ垂直位置をモニターして垂直位置が薄膜表面方向に膜厚の十分の一以上変化した時の直前の垂直荷重を臨界垂直荷重Ｆvcとして求める臨界垂直荷重取得手段とを具備したことを特徴とする薄膜剥離評価装置。
基盤にコーティングした薄膜を切刃で剥離する剥離手段と、前記切刃に垂直荷重を加える制御手段と、垂直荷重および垂直位置および水平荷重を測定する測定手段と、垂直荷重を漸減しながら切刃の先端部を薄膜と基盤間の界面を移動させつつ垂直位置をモニターして垂直位置が薄膜表面方向に膜厚の十分の一以上変化した時の直前の垂直荷重を臨界垂直荷重Ｆvcとして求めると共に水平荷重を臨界水平荷重Ｆhcとして求める臨界垂直荷重・臨界水平荷重取得手段と、前記臨界垂直荷重Ｆvcおよび臨界水平荷重Ｆhcに基づいて剥離エネルギーを算出する剥離エネルギー算出手段とを具備したことを特徴とする薄膜剥離評価装置。
請求項２に記載の薄膜剥離評価装置において、前記剥離エネルギー算出手段は、少なくとも２点の厚さｔが異なる薄膜について求めた臨界垂直荷重Ｆvcおよび臨界水平荷重Ｆhcに基づいて、

により、厚さｔが異なる薄膜についてのＲの値を求め、厚さｔ＝０におけるＲの値を推定し、それを剥離エネルギーとすることを特徴とする薄膜剥離評価装置。