Module De Young Substrat-Indépendant de Mesure des Pardessus Durs pour des Supports Magnétiques Utilisant un Pénétrateur Nano

Par le Foin et le Bryan Crawford de Jennifer
Parrainé par des Technologies de Keysight

Table des matières

Synthèse des Pardessus Durs
Le Modèle de Foin-Crawford
Méthode Expérimentale
Résultats et Discussion
Conclusions
Références
Au Sujet des Technologies de Keysight

Synthèse des Pardessus Durs

Dans les lecteurs de disque dur, les informations numériques sont stockées et recherchées par magnétisme par « une tête de lecture » que des mouches au-dessus du disque dans des dizaines de nanomètres de sa surface. Le Schéma 1 est une photo d'une tête de lecture et d'un disque dur ensemble.

Pour protéger le matériau magnétique en lequel l'information est stockée, un pardessus dur (qui peut être aussi légèrement que juste quelques nanomètres) est appliqué à la surface. Le pardessus dur protège le matériau fondamental par agissant les deux comme un lubrifiant et un barrage mécanique.

Le Schéma 1. Intérieur d'un lecteur de disque dur, Zone de Matt de droit d'auteur.

Les constructeurs de Disque dur sont profondément intéressés à mesurer les propriétés mécaniques de tels pardessus afin d'acquérir des connaissances pour l'amélioration de produit ; l'indentation équipée a apparu comme technique de choix pour effectuer ces mesures. Puisque la couche est tellement légèrement, cependant, les résultats d'indentation pour le pardessus sont inévitablement inférieurs aux valeurs vrai. C'est-à-dire, une partie de la déformation du test d'indentation est facilitée par le matériau sous la couche d'intérêt, qui effectue la couche sembler plus conforme qu'il est réellement.

Sans n'importe quelle correction pour l'influence du matériau fondamental, on fait face à une compromission entre l'incertitude et l'erreur. Aux déplacements très petits, l'erreur due à l'influence de substrat peut être petite, mais l'incertitude est due plus grand à l'aspérité, aux variations d'extrémité, à la vibration, aux variations de la température, Etc. À Mesure Que la profondeur d'indentation augmente, l'incertitude diminue, mais l'erreur due à l'influence de substrat augmente. Ainsi, le but de ce travail était d'appliquer un modèle analytique à l'analyse des couches dures testées par l'indentation équipée afin d'obtenir le module De Young seul du film.

Un Tel modèle a été récent introduit et vérifié par l'intermédiaire de l'analyse de fini-élément [1]. Développé par des Technologies de Keysight, il est mentionné comme le modèle de « Foin-Crawford ».

Le Modèle de Foin-Crawford

Le modèle de Foin-Crawford fournit des moyens analytiques de représenter l'influence de substrat sur le module mesuré [1]. Ici, nous récapitulerons simplement ses petits groupes en présentant les entrées et sorties du modèle.

Puissances D'entrée au modèle :

  • Le module De Young (substrat-affecté) apparent comme mesuré par la méthode d'Oliver-Pharr [2]
  • Épaisseur de Film
  • Le coefficient de Poisson Du film
  • Module De Young du substrat
  • Le coefficient de Poisson Du substrat

La sortie du modèle est le module De Young substrat-indépendant du film. Notez que bien que les coefficients de Poisson Du film et du substrat soient les deux puissances d'entrée exigées, la sortie du modèle est plutôt peu sensible à ces paramètres.

Dans ce travail, nous avons testé et avons analysé deux échantillons fournis par Technologie de Seagate, un principal constructeur de lecteurs de disque dur. Les échantillons ont été produits afin d'évaluer le modèle de Foin-Crawford pour l'influence de substrat. En soi, les couches testées dans ce travail étaient sensiblement plus épaisses que des pardessus pour un disque dur réel. En Outre, les couches ont été déposées sur le silicium plutôt que des supports magnétiques. Ces simplifications permises pour une évaluation rigoureuse du modèle parce que (1) l'influence de substrat était mince aux profondeurs et (2) les propriétés de substrat étaient réputées.

Méthode Expérimentale

Deux films (SiC) de silicium-carbure sur le silicium ont été testés ; l'épaisseur du premier film était 150 nanomètre et l'épaisseur du deuxième film était 300 nanomètre. Les films de Code indicatif de sujet ont été déposés sur les substrats de silicium principaux utilisant un système de l'industriel PVD équipé d'un magnétron planaire pulvérisent la source et un objectif pur du silicium-carbure 99,99%. Pour ces échantillons, une valeur de 170 GPa a été utilisée pour le module De Young du substrat.

Les films de Code indicatif de sujet ont été testés dans un laboratoire de Keysight avec un Pénétrateur Nano G200 de Keysight employant l'option Continue de Mesure de Raideur et un DCM se dirige équipé d'un pénétrateur de Berkovich. Des Résultats ont été réalisés utilisant la Mesure Continue de Raideur de la G-Suite DCM de méthode de test de Keysight NanoSuite « pour des Films Minces ». Cette méthode de test met en application le modèle de Foin-Crawford pour réaliser des mesures substrat-indépendantes du module De Young.

Il convient noter que cette méthode ne rectifie pas des mesures de dureté pour l'influence de substrat. Cependant, les mesures de dureté sont généralement moins sensibles à l'influence de substrat parce que l'ampleur de la zone en plastique est beaucoup plus petite que l'ampleur de la zone élastique. Même lorsqu'il y a une différence substantielle entre la dureté de film et la dureté de substrat, la dureté mesurée à 20% de l'épaisseur de film manifeste habituellement l'influence négligeable de substrat.

Les Pénétrateurs Nanos de Keysight ont été le choix d'industrie pour le test en couche mince avec précision à cause de l'option Continue de Mesure de la Raideur de Keysight, qui mesure la raideur élastique de contact (s) dynamiquement. Avec l'option Continue de Mesure de Raideur, chaque test d'indentation renvoie des profils de profondeur complets du module De Young et de la dureté. Utilisant cette option, dix essais ont été réalisés sur chaque échantillon. La Charge a été réglée tels que le taux de chargement divisé par la charge (P' /P) est demeuré constant à 0.05/sec ; la charge a été mise fin à une profondeur de pénétration de 200 nanomètre ou plus grand. La fréquence d'excitation était de 75 Hertz et l'amplitude d'excitation a été réglée tels que l'amplitude de déplacement est demeurée constante à 1 nanomètre.

Résultats et Discussion

Des Résultats sont récapitulés sur le Schéma 2 expositions du Tableau 1. l'étape progressive de l'analyse élastique pour les deux échantillons.

Résumé du Tableau 1. des résultats expérimentaux pour des couches de Code indicatif de sujet sur le silicium. Le véritable module De Young du film (e)f est environ 25% plus élevé que le module De Young apparent (e)a quand la profondeur d'indentation est 20% de l'épaisseur de film.

Le Schéma 2. séquence Analytique pour les deux échantillons de Code indicatif de sujet sur le module apparent de l'apparence de SI (a) (substrat affecté) en fonction de la pénétration de pénétrateur, (b) module apparent et module de film en fonction de la pénétration normale de pénétrateur, et (c) valeurs à 20% d'épaisseur de film. Notez qu'en (a) et (b), la trace pour chaque échantillon représente la moyenne de tous les tests sur cet échantillon. Pour la clarté, des barres d'erreur enjambant un écart-type sont affichées seulement sur le diagramme à barres (c).

La Figure 2a affiche le module De Young apparent réalisé par analyse normale en fonction de la profondeur d'indentation. Comme prévu, le module De Young pour l'échantillon plus mince diminue plus rapidement en fonction de la profondeur. Figure expositions de 2b le module De Young apparent (symboles solides) et le module De Young seul du film (symboles ouverts) tracé en fonction de la profondeur normale d'indentation.

Le fait que les deux échantillons examinent exact la même chose une fois tracés cette voie nous indique que l'influence de substrat dépend fortement de la profondeur normale d'indentation. Le module de film prévu selon le modèle de Foin-Crawford est constant à l'extérieur à plus de 30% de l'épaisseur de film. En Conclusion, la Figure 2c affiche des modules mesurés à 20% de l'épaisseur de film avec des barres d'erreur enjambant un écart-type. À cette profondeur normale, le module de film est environ 25% plus élevé que le module apparent.

Bien Que ces films soient à pardessus réels relatifs épais de disque dur, ils ne sont pas aussi épais pour annulent l'utilité du modèle de Foin-Crawford. C'est-à-dire, il n'y a pas une profondeur suffisamment faible d'indentation pour laquelle les résultats apparient ceux retournés par le modèle de Foin-Crawford à 20% de l'épaisseur de film. En fait, dans les 5 principaux nanomètre, ces films manifestent un module De Young sensiblement inférieur. En conséquence, le module apparent ne réalise jamais la valeur retournée par le modèle de Foin-Crawford à 20% de l'épaisseur de film. Pour la couche la plus mince, la valeur maximale du module De Young apparent de 249 GPa se produit à une profondeur de pénétration seulement de 9,8 nanomètre, attendu que le modèle de Foin-Crawford renvoie un module De Young de 284 GPa à une profondeur de pénétration de 30 nanomètre.

Même si ces films étaient traversants parfaitement uniforme leur épaisseur, augmentation des erreurs et d'incertitude avec la profondeur décroissante d'indentation due aux effets combinés de l'aspérité, anomalies d'extrémité, pollution de l'environnement par le bruit, Fiabilité Etc. et augmentation de répétabilité avec la profondeur d'indentation. Mis simplement, il vaut mieux de mesurer des propriétés à 30 nanomètre qu'à 10 nanomètre. Le modèle de Foin-Crawford augmente les profondeurs auxquelles des mesures substrat-indépendantes du module De Young peuvent être effectuées, ainsi erreur et incertitude décroissantes.

Le Schéma 3 résultats d'expositions pour la dureté. Ces résultats n'ont pas été réglés à l'influence de substrat, mais comme prévu, aucun réglage n'est nécessaire. La dureté atteint son plateau à environ 20% de l'épaisseur de film.

Le Schéma 3. séquence Analytique pour les deux échantillons de Code indicatif de sujet sur la dureté de l'apparence de SI (a) en fonction de la pénétration de pénétrateur, (b) dureté en fonction de la pénétration normale de pénétrateur, et (c) valeurs à 20% d'épaisseur de film. Dans ces résultats, l'influence de substrat n'a pas été représentée, mais une telle journalisation semble inutile parce que la dureté atteint son plateau à environ 20% de l'épaisseur de film. Notez qu'en (a) et (b), la trace pour chaque échantillon représente la moyenne de tous les tests sur cet échantillon. Pour la clarté, des barres d'erreur enjambant un écart-type sont affichées seulement sur le diagramme à barres (c).

Pour les matériaux durs, il est important de se rappeler que la dureté est définie comme la moyenne pression du contact, ou charge divisée par zone de contact sous la charge : H = pm = P/A. Quand le contact est essentiellement élastique, le modèle Hertzien de contact nous indique que la moyenne pression (p)m va comme racine carrée de déplacement. Par Conséquent, nous ne devrions pas être étonnés que la dureté mesurée (ce que nous avons défini pendant que p)m va à zéro pendant que le déplacement va à zéro. Ceci signifie simplement qu'à ces petits déplacements, le contact est essentiellement élastique et ainsi la « dureté » enregistrée a peu à faire avec les propriétés en plastique du film.

Conclusions

Le Pénétrateur Nano G200 de Keysight avec une tête de DCM est le choix d'industrie pour ces mesures à cause de sa haute précision, vitesse, et simplicité d'utilisation, ainsi qu'à cause de son option Continue de Mesure de Raideur, qui fournit des propriétés comme fonctionnement continu de profondeur de pénétration. Dans ce travail, le logiciel d'Explorateur de Keysight NanoSuite a été employé pour mettre en application un modèle analytique qui représente l'influence de substrat sur la mesure du module De Young. Les méthodes de Test avec cette analyse sont maintenant à la disposition des abonnées avec le logiciel de Professionnel de Keysight NanoSuite.

Avoir un modèle qui représente l'influence de substrat sur le module De Young donne plusieurs avantages pratiques :

  • Les modules Enregistrés sont pour seul le film
  • Moins d'influence d'utilisateur parce que le domaine de profondeur pour les modules calculateurs ne doit pas être sélecté « par l'oeil »
  • Moins d'incertitude parce que des résultats sont obtenus à des profondeurs de pénétration plus profondes

Des Mesures de la dureté n'ont pas été réglées à l'influence de substrat, mais aucun un tel réglage n'était nécessaire ; pour ces échantillons, la dureté atteint son plateau à environ 20% de l'épaisseur de film. C'est comme prévu parce que l'ampleur de la zone en plastique est plus petite que l'ampleur de la zone élastique. Ainsi, quand des matériaux assimilés de test avec une méthode de test qui met en application le modèle de Foin-Crawford, le module De Young et dureté devraient être obtenus à une profondeur d'indentation qui est 20% de l'épaisseur de film.

Références

[1] J.L. Foin, « Un modèle neuf pour mesurer le module De Young substrat-indépendant des films minces par l'indentation équipée, » note d'application de Technologies de Keysight (2010).

[2] W.C. Oliver et G.M. Pharr, « Une technique améliorée pour déterminer le module de dureté et élastique utilisant la charge et déplacement sentant des expériences d'indentation, » J. Mater. Recherche. 7(6) : 1564-1583 (1992).

[3] J.L. Foin, « Introduction au test équipé d'indentation, » Techniques Expérimentales 33(6) : 66-72 (2009).

[4] J.L. Foin, P. Agee, et PAR EXEMPLE Herbert, « mesure Continue de raideur pendant le test équipé d'indentation, » Techniques Expérimentales 34(3) : 86-94 (2010).

[5] H. Gao, C. - H. Chiu, et J. Lee, « contact Élastique contre la modélisation d'indentation des matériaux multicouche, » International. J. Les Solides Structure 29:2471-2492 (1992).

Au Sujet des Technologies de Keysight

Keysight est une technologie et un leader de marché électroniques globaux de mesure aidant à transformer l'expérience de la mesure de ses abonnées par l'innovation dans sans fil, modulaire, et des solutions logicielles. Keysight fournit les instruments de mesure et les systèmes et les logiciels connexes, les outils de conception du logiciel électroniques et les services utilisés dans le design, le développement, la fabrication, l'installation, le déploiement et le fonctionnement du matériel électronique. Les Informations sur Keysight sont disponibles chez www.keysight.com.

Source : Technologies de Keysight

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Date Added: Apr 28, 2011 | Updated: Dec 16, 2014

Last Update: 16. December 2014 07:33

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