划痕法综合评定膜基结合力.pdf

真空科学与技术学报 a_删S E J OU RN A L O F V AC U U M S C 皿NC E A N D T E C H NO L O G Y 第 2 9 卷第 2期 2 O O 9 年 3、4 月 划痕法综合评定膜基结合力 瞿全炎，邱万奇 曾德长H 刘正义(1 华南理工大学材料科学与工程学院、金属材料科学与工程系广州5 1 0 6 4 0；2 广东省特种设备检测院广州5 1 0 6 5 5)M e a s u r e me n t o f Ti N Fi l m S u b s t r a t e I n t e r f a c i a l Ad h e s i o n b y S c r a t c h i n g Q u Q u a n y a n 1,2,Q i u Wanq i ，Z e n g D e c h a n g 卜，L i u Z h e n g y i (1 觚 o fM a d Ma te n k S d e o a n d E n g n e e r n g，S c h o o l ofMut e r a s S c e n c e a n d ，S o u t h C h n a ofT e c h n o o g y，Ql 嘞u 5 1 0 6 4 0，C h n a；2 C u a n g d o n g I n s t i t u t e ofS p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o n，G u o 2 o l t，5 1 0 6 5 5，C h n a)Ab s t r a c t T h e Ti N fil ms we r e d e p o s i t e d b y v a c u u m mu l t i a r c i o n p l a t i n g o n WC Co s u bs t r a t e Th e s c r a t c h t r a c k s m a d e t h a m i c ro s c r a t c h t e s t e r(M S T)w e r e c h a r a c t e ri z e d v i t h a n o p t i c a l m i c ro s c o p e a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c ro sco p e (S E M)T h e a d h e s i o n a t t h e i n t e r f a c e o f t l e T i N fi l m s a n d the s ubs t r a t e w e r e t h e n e v a l u a t e d b y c al c u l a t i n g the a C O U S t i c e mi s s i o n an d f r i c ti o n al f o r c e d a t a o b t a i n ed wi t h the MS T an d the o p t i c a l i ma g e s an d S EM mi c mg r a p h s o fthe s c r a t c h e s r e s ult s s h o w that n e i the r a c o us t i c e mi s s i o n s p e c t r a n o r f ric t i o n f o r c e c u r v e c a n e x c l u s i v e l y d e t e r m i n e the a d h e s i o n s t r e n g t h；the c ri ti c al l o a d and the i n t e r f a c i al a d h e s i o n C an o n l y b e p r e c i s e l y e v alu a t ed b y c o m b i n i n g the a c o ust i c e mi s s i o n s p e c t r a the f r i c ti o n for c e c u r v e an d the S c r a t c h t r u c k mo r p h o l o g i e s I 1 1 e me a s u r e d r e s ult wi th the Ms T a g r e e s we l l wi th t 1 a t o b t a i n e d wi t l 1 WS-9 2 s c r a t c h t e s t e r Ke y wo r d s S c r a t c h t e s t；Adh e s i o n s t r e n g t h；Ev alu a t i o n；W C Co Ti N 摘要用划痕实验探索了综合表征膜基结合力的方法。在瑞士 C S M仪器的微划痕测试仪(M i c r o-S c r a t c h T e s t e r，MS T划痕 仪)对真空多弧离子镀设备制备的WC C o T i N膜基结合力进行划痕实验，系统地介绍了如何利用 M S T划痕仪所测的声发射数 据、摩擦力数据及光学、电子扫描划痕形貌来综合评定膜基结合力，并用 WS-9 2划痕仪对评定结果进行验证。评定结果表明，单一的声发射图谱或摩擦力曲线不能准确判定膜基结合力的表征值临界载荷，声发射图谱、摩擦力曲线与划痕形貌综合评定 临界载荷结果才可信。WS-9 2划痕仪测量的结果验证了 M S T划痕仪评定结果的准确性。关键词划痕试验结合力 综合评定WC C o T i N 中图分类号：T B 3 4 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2-7 1 2 6(2 0 0 9)0 2。1 8 4-0 4 膜 基结 合力 是硬 质薄 膜非 常重 要 的力 学性 能 1，膜基结合力表征是其研究 的重要环节_ 2 J。用 于膜基结合力表征 的方法有 划痕法、拉伸法、弯 曲 法、刮剥法、胶带剥离法、摩擦法、超声波法等l_ 3 j。划痕法是表征膜基结合力最广泛、也是研究最多的 种方法。众多学者对划痕 的弹塑性变形理论模 型 、划痕失效形式 、影响临界载荷大小的内部 因素(划痕速度、加载速率、压头直径与磨损情况等)与外部因素(基体硬度、薄膜厚度、薄膜表面粗糙度、膜与压头摩擦 因子等)。J 进行 了研究，对于解释 膜基结合失效及临界载荷大小，做出了很大的贡献。划痕法表征膜基结合 力的关键是如何 判定临界载 荷，在文献 8 中提到可以用划痕试验所获得的声发 射数据、摩擦力或划痕深度及划痕形貌来评定临界 载荷。在文献 1 1 中采用声发射图谱与摩擦力曲线 分析了临界载荷，但没有用划痕形貌分析临界载荷；文献 1 2 分别将 出现裂纹处的加载载荷定义为低临 界载荷，而在薄膜完全剥落时定义为高临界载荷。收稿 日期：2 0 0 8-0 3-0 7 基金项 目：国家 自然科 学基金广东省联合基金重点项 目(N o U 0 7 3 4 0 0 1)、国家 自然科基 金(N o 5 0 8 7 4 0 5 0)、广东省科技计 划(N o 2 0 0 7 B 0 1 0 6 0 0 0 4 3，2 0 0 6 A 1 1 0 0 2 0 0 1，N o 2 0 0 7 B O l O 6 0 0(X)及广州市科技计划(N o 2 0 0 6 Z 2 1 3 0 1 3 1，N o 2 0 0 6 B 2-D O 1 2 1与 N o 2 0 0 6 Z 3 一 D 0 2 8 1)的资助*联 系人：T e l F a x：(0 2 0)8 7 1 1 1 2 7 8；E-m a i l：m e d c z e n g s c u t e d u c a 第 2期 瞿全炎等：划痕法综合评定膜基结合力 研究者在利用划痕数据来判定临界载荷的准则各不 一致，导致划痕试验判定膜基结合力的结果存在差 异。本研究用瑞士 C S M仪器的微划痕测试仪(M i e r o S c r a t c h T e s t e r，MS T划痕仪)对多弧离子镀设备 制 备的 WC C o T i N膜基结合力进行表征，系统地介绍 了如何利用 MS T划痕仪所测的声发射数据、摩擦力 数据及光学、电子扫描划痕形貌来综合评定膜基结 合力，为膜基结合力评定提供一个准确可信的准则。l 实验 1 1 样品 本研究在 A I P-0 1型真空多弧离子镀膜机一个 装有磁过滤器 的单靶 上、分别在磁过滤 电流 3 0 A、3 5 A、4 0 A、4 5 A下制备了 WC C o T i N膜基 A、B、C、D四个号的样品。1 2 划痕试验 本研究采用了瑞士 M S T划痕仪进行结合力评 定，并采用国产中科凯华科技有 限公 司的 WS 9 2划 痕仪对结合力评定进行验证。M S T 戈 痕仪在测试过 程中，可 以采集声发射信号和切 向摩擦力，还可观察 划痕形貌。在 MS T划痕仪上所用参数如下。压头：R o c k w e l l 型，金刚石，曲率半径 1 0 0 t m a，锥 角 1 2 0。；加载范围：0 2 8 N；加载方式：线性步进；加载速度：9 3 2 3 3 3 m N m i n；划痕长度：3 m m。WS 一 9 2划痕仪的法 向加载载荷范 围较大，为 0 1 0 0 N，加 载 用 的金 刚石 压 头 尖 端 曲率 半 径 R=2 oog m，锥角为 1 2 0 o；在测试过程 中只能采集声发射 信号。2 膜基结合力分析 在金刚石压头沿着薄膜表面线性加载法向载荷 的过程中，薄膜会出现微裂纹、破裂、从基体剥离、塑 性失效(犁沟)等(以下称之为结合失效)。当薄膜 出 现结合失效时，声发射信号峰会突然增强，然而干扰 声信号、弧离子镀薄膜中大颗粒的存在等也可能产 生声发射信号峰，因而出现声发射信号峰值处的法 向载荷可作为临界载荷的初步评定值。当摩擦 因子 为常量时，摩擦力 一法向载荷 曲线为直线；当划痕过 程中膜基结合失效时，摩擦因子发生变化，摩擦力突 然变大或变小，在曲线上 出现“拐点”，但“拐点”也会 出现在大颗粒等异常位置加载处。在 M S T划痕仪 上，采用光学显微镜可 以跟踪观察声发射信号峰或“拐点”处的划痕形貌，用 于修正临界载荷。本研究 采用声发射强度突然变化、切 向摩擦力变化拐点及 划痕形貌三种方法综合评定临界 荷。2 1 声发射强度突变时的临界载荷 图 1 是不 同磁过滤 电流下沉积 的 T i N膜样品，在 Ms T划痕仪划痕过程的声 发射 图谱。从 图可见，根据纵坐标的声发射信号峰值所对应的横坐标，初 步判 定 A、B样 品 的 T i N膜 的 临 界 载 荷 分 别 为 2 6 2 N、2 8 N。但 C样品与 D样品的各存在三处声发 射信 号峰值，分 别对 应 的横 坐 标为 2 4 4 N、2 5 4 N、2 6 3 N与 9 7 N、2 5 O N、2 7 3 N。声发射图谱存在多个 峰值，声发射强度的突变异常问题在后面讨论。图 1 WC C o T i N膜基划痕声发射图谱 F i g 1 Ac o u s t i c e mi s s i o n s p e c t r a o f v a r i o us T i N fi l ms o n W C-C o s u b s t r a t e d u r i n g s c r a t c h t e s t 2 2 切向摩擦力变化时的临界载荷 图 2(a)是用 M S T划痕仪测量 A样品而画出的 摩擦力 法向加载载荷曲线。在横坐标显示的法向 加载载荷 2 6 8 N处出现 了摩擦力“拐点”，“拐点”就 是 A号样 品的临界载荷。这 比声发射技术所判定 的值 2 6 2 N大 0 6 N，两者相差 2 2 2 3，一致 性 比较好。因此可以认为在 MS T划痕仪中，既可用 声发射强度突变，也可用摩擦力大小突变 时的临界 载荷表征膜基结合力。B、c、D样 品法 向加载载荷 摩擦力 曲线变化趋 势基本相同，图 2(b)为 B号样品的曲线，可以作为 三个样品的代表 曲线。从 图可知，摩擦力基本为线 性增大，不出现拐点，因而判定此三个样 品的临界载 荷为 2 8 N(仪器极 限值)或大于 2 8 N。真空科学与技术学报 第 2 9 卷 图2 样品 A和 B在划痕过程中法向载荷 摩擦力曲线 F i g 2 F r i c t i o n a l f o r c e V S n o r m a l f o r c e c u n e s f o r(a)s p e c i m e n A a n d(b)s p e c i m e n B d u ri n g s c r a t c h t e s t 2 3 划痕形貌修正临界载荷 A号样品声发射 图谱 上只有一个峰值，相对应 的法 向加载载荷为 2 6 2 N，图 3(a)为此处 的划痕形 貌，压头已划至基体(如箭头所指)，由于薄膜的韧性 好，没有碎裂。临界载荷正如前面所判定 的 2 6 2 N，就是 A号样 品的膜基结合力表征值。图 3(b)为 B 样品在法 向加载载荷达 到仪器极 限 2 8 N时划痕尾 的光学显微镜形貌象，从 图可知，压头没有划破 薄 膜，膜基结合力高，在 MS T划痕仪允许加载 范围最 大值薄膜都没有被划破，说明在前面用声发射或摩 擦力图谱所确定的 B 样品膜基结合力(超过 2 8 N)是 可信 的。c和 D样品的声发射强度突变峰值有多个，峰 值相距很大(峰值所对应的临界载荷相差大)，显然 有异常，异常情况下划痕的形貌显示在 图 3(c)和图 3(d)。正如前面所述，C和 D样 品的声发射强度突 变峰值都是 3个。在光学显微下分别观察 c样 品在 2 4 4 N时第 一个 峰 值 相对 应 的划 痕 形 貌、D样 品 9 7 N时的第一个峰值 相对应 的划痕形 貌。从 图 3 (c)可见，就 C样品而言，在划痕相应位置出现孔洞(如箭头所指)，在孔洞的周围，T i N膜完好，孔洞本 身的形貌相似大颗粒留下的痕迹。由此可以断定，因金刚石压头在此犁起一颗大颗粒时发出的声波而 出现了第一个峰值(此时法向加载载荷为 2 4 4 N)，它不代表膜基结合力；同样的理由，第二个峰值(2 5 4 N)和第三个峰值(2 6 3 N)也不代表膜基结合 力。从划痕形貌判断，C样品的 的膜基结合 力大于 2 8 N。再讨论 D号样品的三个峰值。从图 3(d)可 见，第一个峰值对应 的法向载荷是 9 7 N，相对应 的 划痕形貌如 图 3(d)箭头所指，犁起更粗颗粒，显然 第一个峰值对应相应的横坐标(9 7 N)不代表膜基 结合力，从划痕形貌来看，第二个峰值的临界载荷才 是膜基结合力(2 5 N)。从上述划痕形貌 的分析结果来看，出现声发射 突变或摩擦力“拐点”的法向载荷不一定就是临界载 荷，常会出现异常情况。对异常峰值或拐点的判别，除观察划痕形貌外，还可看声波强度(峰值)强弱，一 般说，金刚石压头划破整个膜，声 波强度(峰值)很 高；如果薄膜局部破损，如 图 3(c)和图 3(d)只是犁 起粗颗粒，声信号的强度很弱或较弱。当在 同一个 样品的声发射谱线上出现两个或两个 以上弱峰，肯 定发生了异常，及 时作 出判断，采取重做或用显微镜 观察分析划痕的形貌，以便修正。一 图 3 划痕光学形貌(2 0 0)(a)A样 品 2 6 2 N处；(b)B 样品划痕尾处；(c)c样品 2 4 4 N处；(d)D样 品 9 7 N处 Fi g 3 o o t i m o r p h o l o g i e s(2 0 0)o f s c r a t c h i n g t r a c k s f o r (a)s p e c i m e n A a t n o r ma l fo r c e o f 2 6 2 N，(b)s p e c i m e n B at th e t r a c k e n d，(c)s p e c i m e n C at th e n o r m a l f o r c e o f 2 4 4 N，a n d(d)s p e c ime n D a t t h e n o r m a l l o a d 0 f9 7N 根据声发射图谱与摩擦力曲线，结合划痕形貌 修正结果，对膜基结合力进行综合评定。以 c号样 品为例，在图 1中的声发射 曲线 C上存在 3处声发 射突变，M S T划痕仪 附件光学显微镜形貌观察结果 表明均为颗粒剥落(第 1 处见图 3(c)，表明此三处 声发射突变的法向载荷值均不代表膜基结合力表征 值，临界载荷应等于或大于2 8 N；摩擦力曲线判定的 临界载荷值也为 2 8 N或大于 2 8 N，故综合评定 C号 样的膜基临界载荷至少为 2 8 N。经综合评定，A、B、第 2 期 瞿全炎等：划痕法综合评定膜基结合力 1 8 7 c、D样品膜基结合力表征值临界载荷为 2 6 2、2 8 0、2 8 0、2 5 ON。2 4 M _ fi r划痕仪与 WS 9 2划痕仪测量结果比较 本研究制备的 A、B、c、D四个样 品用 V I S T划痕 仪测量的临界载荷(膜基结合力)在 2 5 0 2 8 O N；而史新伟使用 WS 9 2型划痕仪测得膜基结合力达 9 0 N 1 3。两者的数值相差很大，但有可比性，应弄清 两者之间的关系。文献 1 4 认 为，划痕法测 临界载 荷，其数值与压头曲率半径平方成正比。M S T划痕 仪用 的压 头曲率半 径为 l O O p a n，WS 一 9 2型仪 所用压 头曲率半径为 2 0 0 t t m，可 以算出，若 MS T测得临界载 荷值是 2 8 N，则相当 WS-9 2 划痕仪测得的临界载荷 值是 l 1 2 N。图 4 样品 C 在 WS-9 2 划痕仪上的声发射图谱 r i g 4 Ac o u s t i c e mi s s i o n s p e e t n ma o f s p e c i me n C o b t a i n e d 0 13W S-9 2 s c r a t c ht e s t e r 图 5 样品 C在 WS-9 2划痕仪上的划痕尾形貌 F i g 5 S E N mo r p h o l o g y o f a s c r a t c h t r a c k e n d o b t a i n e d O N W S-9 2 s c r a t c h t e s t e r f o r s p e c i me n C 采用 WS 9 2 型仪对膜基结合力进行验证，用 c 样品在 WS 一 9 2 仪上划痕，声发射图谱见图4，划痕尾 部的 S E M形貌见图 5，从 图 4可见，直到 WS 一 9 2仪的 极限(1 o o N)都无发射强度 峰值 出现；从 图 5可以看 出，划痕的形貌完整无任何破损 的痕迹，可以断定 C 样品的膜基结合力表征值临界载荷大于 1 0 0 N，这与 上述换算值 1 1 2 N相吻合。样品 B、c的临界载荷评定值均 已经超出了 M S T划痕仪测试极限值(或大于 1 0 0 N)，但还可 比较 两个试样 的优 良程度，用显微镜来观察划痕的完整 程度，可推测样品 c比 B的结合性能更好，仍有待 进一步测定。3 结论 划痕法只采用声发射 图谱或摩擦力曲线不能准 确地表征膜基结合力，将声发射图谱、摩擦力曲线与 划痕形貌三者综合评定膜基结 合力，结果更加准确 可信。用 M S T 划痕仪的声发射图谱与摩擦力曲线分 析了wc C o T i N膜基结合力表征临界载荷，并用划 痕形貌进行修正，并用 WS 9 2型仪进行划痕试验对 比，结果与 l V I S T划痕仪 的结果 吻合，验证 了划痕法 综合评定膜基结合力的可信性。参考文献 1 田晶泽，夏立芳 真空科学与技术学报，1 9 9 9，1 9(4)：2 9 6 3 0 0 2 齐 峰，王志浩，张 琦，等 真空科学与技术学报，2 O O 6，2 6(5)：3 6 8 3 7 1 3 龚朝阳，罗学涛，张颖，等 真空，2 O O 6，4 3(5)：1 9 2 2 4 V a U i J J V a c S e i T e e h A，1 9 8 6，4(6)：3 O O 7 3 0 1 4 5 B u me t t P J，R i e k e r b y D S I t t i n S o l i d F i l m s，1 9 8 8，1 5 7：2 3 3 25 4 6 L a w n B R，E v a n s A G，Ma r s h a l l D B，e t a 1 J A m C e r a m S o c，1 9 8 0，6 3(9-1 0)：5 7 4 5 8 1 【7 j B u l l S J，B e r a s e t e g u i E G T r i b o l I n t，2 O O 6，3 9：9 9 1 1 4 8 R a n d a l l N X，F a v a r o G，F r a n k e l C H，e t a t S u r f C o a t T e e h n o l，2 0 0 1，1 3 7：1 4 6 1 5 1 9 Wi t t l i n g M，B e n d a v i d A，M a r ti n P J，e t a 1 T h i n S o l i d F i l m s，1 9 95，2 7 0：2 8 32 88 【1 0 j S t e i n m a n n P A，T a r d y Y，I-I i n t e r m a n n H E，e t a t T h i n S o l i d F i l ms，1 9 8 7，1 5 4：3 3 33 4 9 1 1 O v e r V -c，P h a r r G M J M a t e r R e s，1 9 9 2，3 7(6)：1 5 6 4 1 2 S，S u nD，F uY，e t a 1 T h i n S o li d F i l m s，2 O O 4，4 4 7 4 4 8：4 6 24 6 7 1 3 x w P r e p a r a t i o n a n d P r o p e r ti e s s t u d y o f s u p e r fi n e T i N a n d mu h i-l a y e r T i N fi l ms G u a l O l l _ S o u t h C h i n a U n i v e r s i 一 o f T e c h n o l o g y，2 O O 4 1 4 A h n J，Mi t t a l K L，Ma e Q u e e n R H，e t a t P h i l a d e l p h i a，P A，US A：A S TM，P h i l a d e l p h i a，P a，1 9 7 8 茸州 莹 0 一 一 d q o o 叠确 f l o。1