一款适用于硬质涂层的“残疾版”薄膜应力仪

发布日期:2017-02-07

PVD硬质涂层的工业生产-品检中,通常关心涂层厚度、硬度和附着力等三个主要指标。而对残余应力这个隐性指标从生产的角度很少被特别关注,但和以上三个指标是密切相关的。


1   需求和问题


简单的来说,涂层厚度各有利弊,薄锋利度好,厚耐磨性好(如下图)。所以对耐磨寿命要求高的场合,大家为什么想着如何提高薄膜厚度来提高耐磨寿命。这里涉及一个量级问题:简单的看对一个成熟膜系,涂层本身性能提高20%是很难的一件事情,但是涂层厚度假如提高一倍,即使性能保持相同,寿命提高100%是相对容易达到的(当然坏处是直接沉积成本也会有增加),尽管如此,取舍之后这样对很多要求耐磨寿命的场合还是合适的。



但是涂层一厚,比如对电弧硬质涂层上~4-5微米量级,溅射的稍厚一些(为什么是这个厚度量级?),也会带来涂层附着力的问题(如cemecon下图所示,它解释了逻辑,但没有解释量级)。


解决方案大概要么是增加基材和涂层的结合力(采用各种物理和化学不同手段结合),要么是调控工艺参数-成分(降低)残余应力,增加厚度。比如如德国cemecon的超氮涂层方案(如下图)。


2   为什么选择调控内应力?


对常规膜系的PVD硬质涂层,为什么电弧涂层大概超过3-4微米这个量级就会面临附着力问题?可以毛毛估一下:附着问题大概就是涂层和基材处剪切力大于膜基结合力,所以失效了。下图所示:剪切力F=σ*S(残余应力*涂层截面积),以PVD硬质涂层的典型残余应力值~2-4GPa算,当涂层厚度大概~3-5微米左右,假如按划痕宽~1mm量级,算出来大概剪切力是~10-20N的量级。我们大概知道常规PVD硬质涂层的划痕附着力典型值也是在~30-80N的量级。因此,这从量级上解释了PVD硬质涂层厚度的典型值,以及从内应力调节来实现膜厚调控的空间大概是在~2-10倍量级(当然同时需要考虑和取舍适当内应力和硬度的耦合关系)。


所以当膜基结合力实际已经空间不大的情况下(比如受离子源刻蚀能力限制),好些厂家在内应力调控这方面来做文章。一是有调控量级空间,二是实际操作上方便工艺参数去调节实现(比如偏压等)。


3   残余应力测量问题


按理说XRD测内应力是块体的常规方法,但是针对现在越来越多元或梯度化合物的涂层来说,存在一些实际问题:很难找对于成分的标样或准确的计算参数比如杨氏模量等,这样带入参数的不真实,导致相应计算值发散和不够准确。


所以另一种适用于硬质涂层常规的方法就是基于Stoney公式的曲率法。简单的说就是光杠杆放大原理(如下图所示)。


针对PVD硬质涂层残余应力测量,我们大概分析了一下需求:内应力范围大概是上百MPa-10GPa量级,也就是说偏大区间的内应力应用情况。然后主要考量了几个方面:


A     操作简单、傻瓜。所以我们做了一个全自动测量方案,操作软件方面也在继续迭代5-6个版本,改掉之前版本不爽的(比如界面用词不够简洁);


B     适应性好。考虑实际硬质涂层镀膜中经常用不锈钢基片,必然是很难如硅片是平整的,因此我们采用对减模式消除基片原始曲率的影响(通过测试样片的自动扫描找中定位),这是相对同类产品是比较独特的,不能测平整硅片;


C     性价比高,可靠型好,售后省事。这点考量导致看起来我们的仪器方案有点傻大笨粗的感觉。比如可以选择用CMOS相机直接测量可以做的很小巧,但是对样品振动会比较敏感和定位操作方面带来不便和对应误差。


最后闲聊一点关于仪器风格的看法:


老毛子设备,傻大笨粗。从技术和商业的角度来说,这是存在一定合理性的。当技术上做不到很精准的时候,以材料和结构的高余量来降低技术量级风险和复杂性,而重工业设备领域相对来说不是价格敏感型,也可以承受这个材料和结构成本的增加。


德国设备技术能力上可以实现高精准和高余量来实现高质量品质,同时商业上同时可以高价格来补偿自洽。日本仪器设备同样后来做到技术上的高精准,但受限于当年作为跟进者品牌价格上的弱势,因而选择精益和性价比路线。所以是能力和无奈的一种选择,然后这种形象和路线也在这个历程中被强化。


美国设备仪器的风格有点多变和参差不齐,但整体上来说是讲究简单有效和跨界融合。我们选择什么?这是蛮值得思考的。


因此,要想同时照顾各个方面都需要对应的代价,所以最后就定位于做成一个针对硬质涂层的“残疾版”应力仪。当然好听些也叫定制版的应力仪:)。




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