Metodă și dispozitiv pentru testarea la aderență a straturilor subțiri

Aderenta la substrat este o proprietate mecanica a straturilor subtiri dependenta de:

- caracterul legaturilor si structura materialului din zona regiunii interfaciale;

- proprietatile morfologice, microstructurale si de deformatie ale materialelor stratului si substratului;

tensiunea (interna sau aplicata) ce actioneaza asupra sistemului strat-substrat.

Factorii, prin care poate fi influentata aderenta, sunt: natura (tipul) metodei de depunere si regimul de lucru utilizat, rugozitatea si pregatirea suprafetei substratului in vederea depunerii, grosimea stratului depus, tratamentele post-depunere, difuzia speciilor reactive la interfata dependenta de timp si conditii de mediu.

Fig 1.1 Variatia fortei de interactiune (a) si a energiei de legatura (b) in functie de distanta dintre doi atomi

Fig 1.2 Aderenta prin blocare mecanica

In general, se presupune ca fortele de coeziune din solidele omogene sunt, totodata, responsabile si de obtinerea aderentei la suprafata de separatie dintre doua faze solide. La scara interatomica sau intermoleculara, exista atat legaturi fizice (provenite din fortele Van der Vaals), cat si legaturi chimice (provenite din fortele de valenta). Pentru interactiunile fizice, energia de legatura este ~0,1eV (<10 kJ/mol), iar pentru cele chimice, mult mai mare, ~10 eV (900-1000 kJ/mol). Din figura 1.1, insa, se poate vedea ca nici energia de legatura si nici forta maxima de legatura nu ofera o descriere completa a acestor interactiuni: forta maxima se obtine pentru o distanta mai mare decat cea corespunzatoare starii de echilibru, iar energia de legatura, data de aria de sub curba fortei, poate avea aceeasi valoare pentru sisteme cu forte maxime de legatura mult diferite; de asemenea, chiar in conditiile in care legaturile interatomice sunt slabe, aderenta poate sa fie buna, datorita unor legaturi macroscopice puternice la interfata, realizate prin blocare (ancorare) mecanica, sub actiunea fortelor electrostatice sau prin interdifuzie controlata.

O arie de contact marita inseamna mai multe legaturi interfaciale. De aceea, pentru aceeasi arie aparenta, pe un substrat mai rugos poate fi obtinuta o aderenta mai mare. Pe baza acestei constatari a fost dezvoltat modelul blocarii mecanice, unde, insa, cresterea aderentei este obtinuta si ca efect al geometriei cavitatilor (adancimea, raza si unghiul format cu interfata) generate pe suprafata substratului, figura 1.2, in care se gaseste blocat stratul depus. Astfel, daca sistemul strat-substrat este supus unei forte normale de smulgere, zonele (A) ale interfetei vor fi intinse, iar zonele (B) comprimate, fara sa se produca ruperea. Aceasta ar putea sa apara in sectiunile slabite ale stratului sau/si substratului din cauza deformarii si depasirii rezistentei lor la rupere. In acest caz, este evidenta si influenta defectelor preexistente pe suprafata substratului, care nu au putut fi indepartate la etapa de pregatire, anterioara depunerii, aspect confirmat de rezultatele experimentale proprii.

Metoda aleasa, pentru depunerea stratului metalic de interes trebuie sa fie compatibila cu aceasta geometrie, in sensul ca metalul sa umple complet cavitatile si sa fie asigurate, astfel, o arie interfaciala marita si o solidarizare reciproca strat-substrat mai buna.Depunerea chimica (autocatalitica fara curent), urmata de o depunere electrochimica, pentru cresterea grosimii stratului la valoarea necesara, indeplineste conditia ceruta. In schimb, in cazul evaporarii in vid, geometria indicata poate inrautati aderenta (si celelalte proprietati ale stratuliu depus), intrucat, din cauza autoumbririi, vor exista zone ale substratului neacoperite sau vor fi induse tensiuni suplimentare in strat, prin cresterea nivelului defectelor structurale (noduri vacante in retea). De exemplu, a fost constatata o imbunatatire semnificativa a aderentei straturilor subtiri de depuse pe substrat de ceramica de alumina de inalta puritate (99,5%), slefhit si recopt in aer la l400o-1500- C , ca efect al modificarii compozitiei in stratul superficial prin segregarea impuritatilor de Ca si Si. Aspectul influentei modificarilor in chimia suprafetei substratului a fost pus in evidenta si in cadrul cercetarilor proprii la analiza cu raze X a straturilor subtiri de Al, Cr, Ti/PET asperizat, prin cresterea numarului centrelor active pe care incepe germinatia (crestere indicata de existenta cristalitelor cu dimensiuni mai mici), fata de suportul neasperizat.

Componenta electrostatica a fortei de aderenta provine din schimbul de sarcini electrice si stratul electric dublu astfel format la interfata strat-substrat. Transportul de sarcini electrice este determinat de structurile electronice ale materialelor stratului si substratului si poate fi influentat prin parametrii de lucru in cazul metodelor de depunere asistate de plasma si care folosesc polarizarea substratului; este posibil astfel un anumit control al aderentei electrostatice, concomitent cu controlul microstructurii si tensiunilor reziduale in stratul depus.

Pentru sistemul metal-polimer, transferul de sarcina (de la metal la polimer) este responsabil si cu formarea legaturilor (de natura chimica) la interfata. Acest aspect a fost c

1.Ionascu Georgeta, Utilizarea tehnologiilor cu structuri de straturi subtiri in mecanica fina si mecatronica, Ed. Printech, Bucuresti 2004;

2.Adriana Sandu, Marin Sandu, Mircea Gavan, Metode si programe pentru calculul structurilor elastice, Ed. Printech, 2003;

3.*** COSMOS M, Finite Element System, User Guide, 1995;

4.Buzdugan Gh., coordonator, indrumar de calcul in ingineria mecanica, Ed. Tehnica, 1996

5.Georgeta Ionascu, Catalin Picu, Simona Antonescu, Gheorghe Moraru, Tehnologii de mecanica fina pentru produsele din industria electronica, Litografia IPB Bucuresti 1992

6.Marin Sandu, Adriana Sandu, Captoare cu traductoare rezistive, Ed. Printech Bucuresti 1999

7.Constantin Micu, Constantin Bucsan, Lucian Bogatu, Aparate si sisteme de masurare - indrumar de laborator, Ed. Printech Bucuresti 2002

8.Traian Demian, Elemente constructive de mecanica fina, Ed. Didactica si Pedagogica Bucuresti 1980