Измеряя Субстрат-Независимый Young Модуль Трудных Шинелей для Магнитных Средств Используя Nano Индентер

Сеном Дженнифера и Брайан Кроуфордом

Содержание

Обзор Трудных Шинелей
Модель Сен-Кроуфорда
Экспириментально Метод
Результаты и Обсуждение
Заключения
Справки
О Технологиях Agilent

Обзор Трудных Шинелей

В дисководах жесткого диска, цифровая информация хранится и восстановлена магнитно «прочитанной головкой» что мухы над диском в пределах 10 нанометров своей поверхности. Диаграмма 1 фотоснимок прочитанной головки и жёсткого диска совместно. Для того чтобы защитить магнитный материал в котором информация хранится, трудная шинель (которая может быть как тонко как как раз немного нанометров) прикладной к поверхности. Трудная шинель защищает основной материал путем действуя оба как смазка и механически барьер.

Диаграмма 1. Интерьер дисковода жесткого диска, Поле Matt авторского права.

Изготовления Жесткого Диска сильно заинтересованы в измерять механически свойства таких шинелей для того чтобы приобрести знание для улучшения продукта; оборудованное вмятие вытекло как метод выбора для делать эти измерения. Потому Что покрытие настолько тонко, однако, результаты вмятия для шинели неизбежно более низки чем истинные стоимости. То есть, некоторая из деформации от испытания вмятия приспособлено материалом под покрытием интереса, который делает покрытие показаться более уступчивым чем он фактически.

Без любого влияния поправка на основного материала, одно смотрит на компромисс между неопределенностью и ошибкой. На очень малых смещениях, ошибка должная к влиянию субстрата может быть мала, но неопределенность большие должные к поверхностной шершавости, изменениям подсказки, вибрации, температурным колебаниям, Etc. По Мере Того Как глубина вмятия увеличивает, неопределенность уменьшает, только ошибка должная к увеличениям влияния субстрата. Таким Образом, цель этой работы была приложить аналитическаяо модель к анализу трудных покрытий испытанных оборудованным вмятием для того чтобы получить Young модуль фильма самостоятельно.

Такая модель недавно была введена и была подтвержена через анализ небесконечн-элемента [1]. Превращено Технологиями Agilent, она названа модель «Сен-Кроуфорда».

Модель Сен-Кроуфорда

Модель Сен-Кроуфорда обеспечивает аналитически середины учета влияния субстрата на измеренном модуле [1]. Здесь, мы просто суммируем свои детали путем представлять входные сигналы и выход модели.

Входные Сигналы к модели:

  • Ясный (субстрат-трогнутый) Young модуль как измерено методом Оливера-Pharr [2]
  • Толщина Фильма
  • Коэффициент Poisson фильма
  • Young модуль субстрата
  • Коэффициент Poisson субстрата

Выход модели субстрат-независимый Young модуль фильма. Заметьте что хотя коэффициенты Poisson фильма и субстрата оба необходимых входного сигнала, выход модели довольно нечувствителен к этим параметрам.

В этой работе, мы испытали и проанализировали 2 образца обеспеченного Технологией Seagate, главное изготовление дисководов жесткого диска. Образцы были произведены для оценивать модель Сен-Кроуфорда для влияния субстрата. Как таковой, покрытия испытанные в этой работе были существенно толщине чем шинели для фактического жёсткого диска. Также, покрытия были депозированы на кремнии вернее чем магнитные средства. Эти упрощения позволенные для неукоснительной оценки модели потому что (1) влияние субстрата было небольшим на малых глубинах и (2) свойства субстрата были известный.

Экспириментально Метод

2 фильма (SiC) кремни-карбида на кремнии были испытаны; толщина первого фильма была 150 nm и толщина второго фильма была 300 nm. Фильмы SiC были депозированы на основные субстраты кремния используя промышленную систему PVD оборудованную с плоскостным магнетроном sputter источник и чисто цель кремни-карбида 99,99%. Для этих образцов, значение 170 GPa было использовано для Young модуля субстрата.

Фильмы SiC были испытаны в лаборатории Agilent при Индентер G200 Agilent Nano используя Непрерывный вариант Измерения Жесткости и DCM возглавляет приспособлено с индентером Berkovich. Результаты были достиганы используя Измерение Жесткости G-Серий DCM метода испытания Agilent NanoSuite «Непрерывное для Тонких Фильмов». Этот метод испытания снабжает модель Сен-Кроуфорда для того чтобы достигнуть субстрат-независимых измерений Young модуля.

Он должен быть замечен что этот метод не исправляет измерения твердости для влияния субстрата. Однако, измерения твердости вообще более менее чувствительны к влиянию субстрата потому что размер пластичного поля гораздо малее чем размер эластичного поля. Даже когда существенная разница между твердостью фильма и твердостью субстрата, твердость измеренная на 20% из толщины фильма обычно обнародует незначительному влиянию субстрата.

Индентеры Agilent Nano выбор индустрии для тонкопленочный испытывать точно из-за варианта Измерения Жесткости Agilent Непрерывного, который измеряет эластичную жесткость контакта (S) динамически. С Непрерывным вариантом Измерения Жесткости, каждое испытание вмятия возвращает полные профили глубины Young модуля и твердости. Используя этот вариант, 10 испытаний были выполнены на каждом образце. Нагрузка была проконтролирована таким что тариф нагрузки разделенный нагрузкой (P' /P) остал постоянн на 0.05/sec; нагрузка была прекращена на глубине проникания 200 nm или большой. Частота возбуждения была 75 Hz и амплитуда возбуждения была проконтролирована таким что амплитуда смещения остала постоянн на 1 nm.

Результаты и Обсуждение

Результаты суммированы в Диаграмме 2 выставках Таблицы 1. прогрессирование эластичного анализа для 2 образцов.

Сводка Таблицы 1. экспириментально результатов для покрытий SiC на кремнии. Истинный Young модуль фильма (Ef) около 25% более высокое чем ясный Young модуль (Ea) когда глубина вмятия 20% из толщины фильма.

Диаграмма 2. Аналитически последовательность для 2 образцов SiC на модуле показа Si (a) ясном (повлиянный на субстрат) как функция проникания индентера, (b) ясный модуль и модуль фильма как функция normalized проникания индентера, и значения (c) на 20% из толщины фильма. Заметьте что внутри (a) и (b), след для каждого образца представляет средний всех испытаний по тот образец. Для ясности, адвокатские сословия ошибки spanning одно стандартное отступление показаны только на диаграмме в виде вертикальных полос (c).

На Диаграмму 2a показано ясный Young модуль достиганный стандартным анализом как функция глубины вмятия. Как предположено, Young модуль для более тонкого образца распадается более быстро как функция глубины. Диаграмма выставки 2b и ясный Young модуль (твердые символы) и Young модуль фильма самостоятельно (открытые символы) прокладывать курс как функция normalized глубины вмятия.

Факт что 2 образца смотрят точного такой при прокладке курса этому путю говорит нам что влияние субстрата зависит сильно на normalized глубине вмятия. Модуль фильма высчитанный согласно модели Сен-Кроуфорда постоянн вне к больше чем 30% из толщины фильма. Окончательно, на Диаграмму 2c показано модули измеренные на 20% из толщины фильма при адвокатские сословия ошибки spanning одно стандартное отступление. На этой normalized глубине, модуль фильма около 25% более высокое чем ясный модуль.

Хотя эти фильмы толщины по отношению к фактическим шинелям жёсткого диска, они настолько не толщины о аннулируют пользу модели Сен-Кроуфорда. То есть, нет достаточно отмелой глубины вмятия для которой результаты соответствуют тем возвращенным моделью Сен-Кроуфорда на 20% из толщины фильма. В действительности, в пределах верхние 5 nm, эти фильмы обнародуют значительно более низкому Young модулю. В результате, ясный модуль никогда не достигает значения возвращенного моделью Сен-Кроуфорда на 20% из толщины фильма. Для самого тонкого фильма, максимальное значение ясного Young модуля 249 GPa происходит на глубине проникания только 9,8 nm, тогда как модель Сен-Кроуфорда возвращает Young модуль 284 GPa на глубине проникания 30 nm.

Даже если эти фильмы были совершенно равномерные сквозными их толщина, увеличение ошибки и неопределенности с уменьшая глубиной вмятия должной к совмещенным влияниям поверхностной шершавости, аномалии подсказки, относящий к окружающей среде шум, Надежность Etc. и увеличение повторимости с глубиной вмятия. Положено просто, более лучшее измерить свойства на 30 nm чем на 10 nm. Модель Сен-Кроуфорда увеличивает глубины на которых субстрат-независимые измерения Young модуля могут быть сделаны, таким образом уменьшить ошибка и неопределенность.

Диаграмма 3 результаты выставок для твердости. Эти результаты не были отрегулированы для влияния субстрата, но как предположено, никакая регулировка не необходима. Твердость достигает свое плато на около 20% из толщины фильма.

Диаграмма 3. Аналитически последовательность для 2 образцов SiC на твердости показа Si (a) как функция проникания индентера, твердость (b) как функция normalized проникания индентера, и значения (c) на 20% из толщины фильма. В этих результатах, не было определено влияние субстрата, но такая бухгалтерия кажется ненужной потому что твердость достигает свое плато на около 20% из толщины фильма. Заметьте что внутри (a) и (b), след для каждого образца представляет средний всех испытаний по тот образец. Для ясности, адвокатские сословия ошибки spanning одно стандартное отступление показаны только на диаграмме в виде вертикальных полос (c).

Для трудных материалов, важно вспомнить что твердость определена по мере того как среднее давление контакта, или нагрузка разделенная площадью контакта под нагрузкой: H = pm = P/A. Когда контакт существенно эластичн, Hertzian модель контакта говорит нам что среднее давление (pm) идет как квадратный корень смещения. Поэтому, мы не должны быть удивлены что измеренная твердость (что мы определяли как pm) идет до нул по мере того как смещение идет до нул. Это просто значит что на этих малых смещениях, контакт существенно эластичн и поэтому сообщенная «твердость» имеет немногую, котор нужно сделать с пластичными свойствами фильма.

Заключения

Индентер G200 Agilent Nano с головкой DCM выбор индустрии для этих измерений из-за своих высокой точности, скорости, и легкия в использовании, так же, как из-за своего Непрерывного варианта Измерения Жесткости, который поставляет свойства как непрерывная функция глубины проникания. В этой работе, ПО Исследователя Agilent NanoSuite было использовано для того чтобы снабдить аналитическаяо модель которое определяет влияние субстрата на измерении Young модуля. Методы Испытания с этим анализом теперь доступны к клиентам с ПО Профессионала Agilent NanoSuite.

Иметь модель которая определяет влияние субстрата на Young модуле позволяет несколько практически преимуществ:

  • Сообщенные модули для фильма самостоятельно
  • Меньше влияния пользователя потому что ряд глубины для расчетливых модулей не должен быть выбран «глазом»
  • Меньше неопределенности потому что результаты получены на более глубоких глубинах проникания

Измерения твердости не были отрегулированы для влияния субстрата, но никакая такая регулировка не была необходима; для этих образцов, твердость достигает свое плато на около 20% из толщины фильма. Это как предположено потому что размер пластичного поля более мал чем размер эластичного поля. Таким Образом, когда испытывая подобные материалы с методом испытания который снабжает модель Сен-Кроуфорда, и Young модуль и твердость должны быть получены на глубине вмятия которая 20% из толщины фильма.

Справки

[1] J.L. Сено, «Новая модель для измерять субстрат-независимый Young модуль тонких фильмов оборудованным вмятием,» примечание по применению Технологий Agilent (2010).

[2] W.C. Оливер и G.M. Pharr, «Улучшенный метод для определять твердость и модуль пластичности используя нагрузку и смещение воспринимая эксперименты по вмятия,» J. Mater. Res. 7(6): 1564-1583 (1992).

[3] J.L. Сено, «Введение к оборудованному испытанию вмятия,» Экспириментально Методы 33(6): 66-72 (2009).

[4] J.L. Сено, P. Agee, и НАПРИМЕР Херберт, «Непрерывное измерение жесткости во время оборудованного испытания вмятия,» Экспириментально Методы 34(3): 86-94 (2010).

[5] H. Gao, C. - H. Chiu, и J. Ли, «Эластичный контакт против моделирования вмятия multi-наслоенных материалов,» Int. J. Твердые Тела Составляют 29:2471-2492 (1992).

О Технологиях Agilent

Аппаратуры нанотехнологии Технологий Agilent препятствуют вам изображение, манипулируют, и характеризуют большое разнообразие nanoscale поведени-электрическое, химическое, биологическое, молекулярное, и атомное. Наше растущее собрание аппаратур, вспомогательного оборудования, ПО, обслуживаний и потребляемых веществ нанотехнологии может показать ключи вам нужно понять мир nanoscale.

Технологии Agilent предлагают широкий диапазон высокоточных атомных микроскопов усилия (AFM) для того чтобы отвечать ваши уникально потребностямы исследования. Аппаратуры Agilent сильно конфигурируемые позволяют вам расширить возможности системы по мере того как ваши потребности происходят. Системы температуры Agilent ведущие в отрасли относящие к окружающей среде и жидкий регулировать включают главную жидкость и мягкое воображение материалов. Применения включают материальную науку, электрохимию, полимер и применения наук о жизни.

Источник: Технологии Agilent

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Технологии Agilent

Date Added: Apr 28, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:17

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit