Het Meten van de Modulus van substraat-Onafhankelijke Jongelui van Harde Overjassen voor Magnetische Media die Nano Indenter Gebruiken

Door Jennifer Hay en Bryan Crawford
Gesponsord door Keysight Technologies

Inhoudstafel

Overzicht van Harde Overjassen
Het Model hooi-Crawford
Experimentele Methode
Resultaten en Bespreking
Conclusies
Verwijzingen
Ongeveer Technologieën Keysight

Overzicht van Harde Overjassen

In harde schijfaandrijving, wordt de digitale informatie opgeslagen en magnetisch door een „gelezen hoofd“ teruggewonnen dat over de schijf binnen tientallen nanometers van zijn oppervlakte vliegt. Figuur 1 is samen een foto van een gelezen hoofd en een harde schijf.

Om het magnetische materiaal te beschermen waarin de informatie wordt opgeslagen, wordt een harde overjas (die zo dun kan zijn zoals enkel een paar nanometers) toegepast op de oppervlakte. De harde overjas beschermt het onderliggende materiaal door acteren allebei als smeermiddel en mechanische barrière.

Figuur 1. Binnenland van een harde schijfaandrijving, auteursrecht Mat Gebied.

De fabrikanten van de Harde Schijf zijn scherp geinteresseerd in het meten van de mechanische eigenschappen van dergelijke overjassen om kennis voor het productverbetering te bereiken; de van instrumenten voorzien inkeping is als techniek van keus voor het maken van deze metingen te voorschijn gekomen. Omdat de deklaag, echter zo dun is, zijn de inkepingsresultaten voor de overjas onvermijdelijk lager dan de ware waarden. Namelijk wordt enkele misvorming van de inkepingstest aangepast door het materiaal onder de deklaag van belang, die de deklaag maakt volgzamer lijken dan het eigenlijk is.

Zonder enige correctie voor invloed van het onderliggende materiaal, ziet men een compromis tussen onzekerheid en fout onder ogen. Bij zeer kleine verplaatsingen, kan de fout toe te schrijven aan de substraatinvloed klein zijn, maar de onzekerheid is grotere toe te schrijven aan oppervlakteruwheid, uiteindevariaties, trilling, temperatuurvariaties, enz. Aangezien de inkepingsdiepte stijgt, vermindert de onzekerheid, maar de fout toe te schrijven aan substraatinvloed stijgt. Aldus, was het doel van dit werk een analitisch model op de analyse van harde deklagen toe te passen die door van instrumenten voorzien inkeping worden getest de modulus van de Jongelui van de alleen film te verkrijgen.

Zulk een model werd onlangs geïntroduceerd en werd geverifieerd via eindig-elementenanalyse [1]. Ontwikkeld door Keysight Technologies, wordt het bedoeld als model „hooi-Crawford“.

Het Model hooi-Crawford

Het model hooi-Crawford verstrekt een analitisch middel om van substraatinvloed op gemeten modulus [1] rekenschap te geven. Hier, zullen wij eenvoudig zijn details door de input en de output van het model voor te stellen samenvatten.

Input aan het model:

  • Modulus de van de duidelijke (substraat-beïnvloede) Jongelui zoals die door de methode oliver-Pharr wordt gemeten [2]
  • De dikte van de Film
  • Poisson verhouding van de film
  • De modulus van Jongelui van het substraat
  • Poisson verhouding van het substraat

De output van het model is de modulus van de substraat-onafhankelijke Jongelui van de film. Merk op dat hoewel de Poisson verhoudingen van de film en het substraat beide vereiste input zijn, de output van het model aan deze parameters eerder ongevoelig is.

In dit werk, testten wij en analyseerden twee die steekproeven door de Technologie van Seagate, een belangrijke fabrikant worden verstrekt van harde schijfaandrijving. De steekproeven werden geproduceerd voor de evaluatie van het model hooi-Crawford voor substraatinvloed. Als dusdanig, waren de deklagen in dit werk worden getest wezenlijk dikker dan overjassen voor een daadwerkelijke harde schijf die. Ook, werden de deklagen gedeponeerd op silicium eerder dan magnetische media. Deze vereenvoudigingen stonden voor een strenge evaluatie van het model toe omdat (1) de substraatinvloed bij ondiepe diepten licht was en (2) de substraateigenschappen waren goed - het geweten.

Experimentele Methode

Twee werden de silicium-carbide (SiC) films op silicium getest; de dikte van de eerste film was 150 NM en de dikte van de tweede film was 300 NM. De sic films werden gedeponeerd op eerste siliciumsubstraten gebruikend een industrieel die systeem PVD met een vlakmagnetron wordt uitgerust sputteren bron en zuiver een silicium-carbide 99.99% doel. Voor deze steekproeven, werd een waarde van 170 GPa gebruikt voor de modulus van de Jongelui van het substraat.

De sic films werden in een laboratorium Keysight met Keysight Nano Indenter G200 getest de Ononderbroken die optie van de Meting van de Stijfheid en een hoofd DCM gebruiken die met indenter Berkovich wordt gepast. De Resultaten werden bereikt gebruikend de testmethode van Keysight NanoSuite „g-Reeksen DCM Ononderbroken Meting van de Stijfheid voor Dunne Films“. Deze testmethode voert het model hooi-Crawford uit om substraat-onafhankelijke metingen van de modulus van Jongelui te bereiken.

Men zou moeten opmerken dat deze methode geen metingen van hardheid voor substraatinvloed verbetert. Nochtans, zijn de hardheidsmetingen over het algemeen minder gevoelig voor substraatinvloed omdat de omvang van het plastic gebied veel kleiner is dan de omvang van het elastische gebied. Zelfs wanneer er een wezenlijk die verschil tussen filmhardheid en substraathardheid is, vertoont de hardheid bij 20% van de filmdikte wordt gemeten gewoonlijk te verwaarlozen substraatinvloed.

Nano zijn Indenters van Keysight de de industriekeus voor het thin-film testen precies wegens optie van de Meting van de Stijfheid van Keysight de Ononderbroken geweest, die elastische contactstijfheid (s) dynamisch meet. Met de Ononderbroken optie van de Meting van de Stijfheid, keert elke inkepingstest volledige diepteprofielen van de modulus en de hardheid van Jongelui terug. Gebruikend deze optie, werden tien tests uitgevoerd op elke steekproef. De Lading werd gecontroleerd dusdanig dat het ladingstarief door de lading (P' /P) wordt verdeeld bij 0.05/sec die constant bleef; de lading werd geëindigd bij een penetratiediepte van 200 NM of groter. De opwindingsfrequentie was 75 Herz en de opwindingsomvang werd gecontroleerd dusdanig dat de verplaatsingsomvang bij 1 NM constant bleef.

Resultaten en Bespreking

De Resultaten worden samengevat in Lijst 1. Figuur 2 toont de vooruitgang van elastische analyse voor de twee steekproeven.

Lijst 1. Samenvatting van experimentele resultaten voor sic deklagen op silicium. De modulus van de ware Jongelui van de film (e)f is 25% ongeveer hoger dan de modulus van de duidelijke Jongelui (e)a wanneer de inkepingsdiepte 20% van de filmdikte is.

Figuur 2. Analytische opeenvolging voor de twee steekproeven van sic op Si die (a) duidelijke (beïnvloed substraat) tonen modulus als functie van indenter penetratie, (b) duidelijke modulus en filmmodulus als functie van genormaliseerde indenter penetratie, en (c) waarden bij 20% van filmdikte. Merk op dat in (a) en (b), het spoor voor elke steekproef het gemiddelde alle tests aangaande die steekproef vertegenwoordigt. Voor duidelijkheid, worden de foutenbars die één standaardafwijking overspannen getoond slechts op de grafiek (c).

Het Cijfer 2a toont de modulus van de duidelijke Jongelui bereikte door standaardanalyse als functie van inkepingsdiepte. Zoals verwacht, rot de modulus van de Jongelui voor de dunnere steekproef sneller als functie van diepte. Het Cijfer 2b toont zowel de modulus van de duidelijke Jongelui (stevige symbolen) en de modulus van de Jongelui van de film alleen (open die symbolen) als functie van genormaliseerde inkepingsdiepte in kaart wordt gebracht.

Het feit dat de twee steekproeven precies het zelfde wanneer in kaart gebracht deze manier kijken vertelt ons dat de substraatinvloed sterk van genormaliseerde inkepingsdiepte afhangt. De filmmodulus volgens het model hooi-Crawford wordt berekend is constant uit aan meer dan 30% van de filmdikte die. Tot Slot die toont het Cijfer 2c modulussen bij 20% van de filmdikte worden gemeten met foutenbars die één standaardafwijking overspannen. Bij deze genormaliseerde diepte, is de filmmodulus 25% ongeveer hoger dan de duidelijke modulus.

Hoewel deze films met betrekking tot daadwerkelijke harde schijfoverjassen dik zijn, zijn zij niet zo dik om het nut van het model te niet te doen hooi-Crawford. Namelijk is er geen voldoende ondiepe inkepingsdiepte waarvoor de resultaten die teruggekeerd door het model hooi-Crawford bij 20% van de filmdikte aanpassen. In feite, binnen hoogste 5 NM, vertonen deze films een modulus van beduidend lagere Jongelui. Dientengevolge die, bereikt de duidelijke modulus nooit de waarde door het model hooi-Crawford bij 20% van de filmdikte is teruggekeerd. Voor de dunste film, komt de maximumwaarde van de modulus van duidelijke Jongelui van 249 GPa bij een penetratiediepte voor van slechts 9.8 NM, terwijl het model hooi-Crawford een modulus van Jongelui van 284 GPa bij een penetratiediepte van 30 NM terugkeert.

Zelfs als deze films door hun dikte volkomen eenvormig waren, fout en onzekerheidsverhoging met dalende inkepingsdiepte toe te schrijven aan de gecombineerde gevolgen van oppervlakteruwheid, uiteindeanomalieën, milieulawaai, enz.Betrouwbaarheid en herhaalbaarheidsverhoging met inkepingsdiepte. Eenvoudig Gezet, is het beter om eigenschappen bij 30 NM dan bij 10 NM te meten. Het model hooi-Crawford verhoogt de diepten waarbij de substraat-onafhankelijke metingen van de modulus van Jongelui gemaakte, zo dalende fout en onzekerheid kunnen zijn.

Figuur 3 toont resultaten voor hardheid. Deze resultaten zijn niet aangepast substraatinvloed, maar zoals verwacht, is geen aanpassing noodzakelijk. De hardheid bereikt zijn plateau bij ongeveer 20% van de filmdikte.

Figuur 3. Analytische opeenvolging voor de twee steekproeven van sic op Si die (a) hardheid als functie van indenter penetratie tonen, (b) hardheid als functie van genormaliseerde indenter penetratie, en (c) waarden bij 20% van filmdikte. In deze resultaten, is de substraatinvloed niet rekenschap gegeven van, maar dergelijke boekhouding schijnt onnodig omdat de hardheid zijn plateau bij ongeveer 20% van de filmdikte bereikt. Merk op dat in (a) en (b), het spoor voor elke steekproef het gemiddelde alle tests aangaande die steekproef vertegenwoordigt. Voor duidelijkheid, worden de foutenbars die één standaardafwijking overspannen getoond slechts op de grafiek (c).

Voor harde materialen, is het belangrijk om te herinneren dat de hardheid als gemiddelde die druk van het contact wordt gedefinieerd, of lading door contactgebied onder lading wordt verdeeld: H = pm = P/A. Wanneer het contact wezenlijk elastisch is, vertelt het Draadloze contactmodel ons dat de gemiddelde druk (p)m als vierkantswortel van verplaatsing gaat. Daarom zouden wij niet moeten worden verrast dat de gemeten hardheid (die wij als p)m hebben gedefinieerd naar nul gaat aangezien de verplaatsing naar nul gaat. Dit betekent eenvoudig dat bij deze kleine verplaatsingen, het contact wezenlijk elastisch is en zodat de gemelde „hardheid“ weinig heeft met de plastic eigenschappen van de film te doen.

Conclusies

Keysight Nano Indenter G200 met een hoofd DCM is de de industriekeus voor deze metingen wegens zijn hoge precisie, snelheid, en handigheid, evenals wegens zijn Ononderbroken optie van de Meting van de Stijfheid, die eigenschappen als ononderbroken functie van penetratiediepte levert. In dit werk, werd de software van de Ontdekkingsreiziger van Keysight NanoSuite gebruikt om een analitisch model uit te voeren dat van substraatinvloed op de meting van de modulus van Jongelui rekenschap geeft. De testmethodes met deze analyse zijn nu beschikbaar aan klanten met de Professionele software van Keysight NanoSuite.

Het Hebben van een model dat van substraatinvloed op de modulus rekenschap geeft van Jongelui veroorlooft zich verscheidene praktische voordelen:

  • De Gemelde modulussen zijn voor de alleen film
  • Minder gebruikersinvloed omdat de dieptewaaier voor het berekenen modulussen niet „door oog“ moet worden geselecteerd
  • Minder onzekerheid omdat de resultaten bij diepere penetratiediepten worden verkregen

De Metingen van hardheid werden niet aangepast substraatinvloed, maar geen dergelijke aanpassing was noodzakelijk; voor deze steekproeven, bereikt de hardheid zijn plateau bij ongeveer 20% van de filmdikte. Dit is als gedacht omdat de omvang van het plastic gebied kleiner is dan de omvang van het elastische gebied. Aldus, wanneer het testen van gelijkaardige materialen met een testmethode die het model hooi-Crawford, zowel de modulus van de Jongelui als hardheid uitvoert bij een inkepingsdiepte zou moeten worden verkregen die 20% van de filmdikte is.

Verwijzingen

[1] J.L. Hooi, een „nieuw model voor het meten van de modulus van substraat-onafhankelijke Jongelui van dunne films door van instrumenten voorzien inkeping,“ de toepassingsnota van Technologieën Keysight (2010).

[2] W.C. Oliver en G.M. Pharr, een „Betere techniek om hardheid en het elastische modulus gebruiken te bepalen laden en verplaatsing het ontdekken inkepingsexperimenten,“ J. Mater. Onderzoek. 7(6): 1564-1583 (1992).

[3] J.L. Hooi, „Inleiding aan het van instrumenten voorzien inkeping testen,“ Experimentele Technieken 33(6): 66-72 (2009).

[4] J.L. Hooi, P. Agee, en B.V. Herbert, „Ononderbroken stijfheidsmeting tijdens het van instrumenten voorzien inkeping testen,“ Experimentele Technieken 34(3): 86-94 (2010).

[5] H. Gao, C. - H. Chiu, en J. Lee, „Elastisch contact tegenover inkeping modellering van multi-layered materialen,“ Int. J. Structuren 29:24712492 van Vaste Lichamen (1992).

Ongeveer Technologieën Keysight

Keysight is een globale elektronische van de metingstechnologie en markt leider die de metingservaring van zijn klanten door innovatie helpen om te zetten in draadloze, modulaire, en softwareoplossingen. Keysight verleent elektronische metingsinstrumenten en systemen en verwante die software, van het softwareontwerp hulpmiddelen en de diensten in het ontwerp, de ontwikkeling, de vervaardiging, de installatie, de plaatsing en de verrichting van elektronische apparatuur worden gebruikt. De Informatie over Keysight is beschikbaar in www.keysight.com.

Bron: De Technologieën van Keysight

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Technologieën Keysight

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

Last Update: 16. December 2014 07:32

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit