ZASTOSOWANIE MIKROSKOPU SI ATOMOWYCH DO BADANIA W ASNOŒCI TARCIOWYCH ULTRACIENKICH POW OK

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 49 Jadwiga JANOWSKA*, Zenobia R ANEK-BOROCH*, Magdalena EKWIÑSKA* ZASTOSOWANIE MIKROSKOPU SI ATOMOWYCH DO BADANIA W ASNOŒCI TARCIOWYCH ULTRACIENKICH POW OK APPLICATION OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE TO STUDY FRICTIONAL PROPERTIES OF ULTRATHIN FILMS S³owa kluczowe Mikroskop si³ atomowych, topografia powierzchni, pow³oki wytwarzane technik¹ elektroplazmow¹ Keywords Atomic force microscope, topography, films deposited by electroplasma technique Streszczenie W referacie przedstawiono zastosowanie mikroskopu si³ atomowych do zbadania w³asnoœci tarciowych ultracienkich pow³ok wytworzonych tech- * Warsaw University of Technology, Institute of Micromechanics and Photonics, ul. Œw. Andrzeja Boboli 8, Warszawa, Poland Tel. +48(22) , Fax

2 50 T R I B O L O G I A nik¹ elektroplazmow¹ oraz wp³ywu prowadzenia procesu osadzania warstw (zmiana temperatury pod³o a) na w³asnoœci uzyskanych pow³ok. WSTÊP Mikroskopy si³ atomowych AFM stosowane s¹ do badania w³asnoœci powierzchni materia³ów w skali nanometrycznej [L. 1]. U ywane s¹ g³ównie do obrazowania topografii badanej powierzchni. Mikroskop si³ atomowych z opcj¹ pomiaru si³y poprzecznej, znajduj¹cy siê w Laboratorium Mikrotribologii Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki Politechniki Warszawskiej, pozwala nie tylko na tworzenie trójwymiarowych obrazów topografii badanej próbki, poprzez pomiar si³y normalnej, ale równie na wyznaczenie si³y tarcia, któr¹ w mikroskali wyra a sk³adowa si³y poprzecznej. Na skutek si³y poprzecznej (si³y tarcia), powsta³ej miêdzy ig³¹ mikroskopu si³ atomowych a badan¹ warstw¹ podczas ruchu ostrza nad próbk¹ w trakcie skanowania powierzchni, nastêpuje skrêcenie cantilevera. Skrêcenie belki pomiarowej mo e byæ wywo³ane zmian¹ nachylenia zbocza tarasu mikronierównoœci powierzchni próbki lub/i niejednorodnoœci¹ w³aœciwoœci tarciowych badanego materia³u (Rys. 1). Rys. 1. LFM (Lateral Force Microscope) skrêcenie cantilevera wywo³ane: (A) zmian¹ si³y tarcia na skutek zmian w³asnoœci materia³u; (B) wyst¹pieniem tarasów Fig. 1. LFM (Lateral Force Microscope) torsion of the cantilever caused by: A. Variations of friction force caused by changes of material properties B. Variations of surface topography

3 T R I B O L O G I A 51 Aby rozdzieliæ te dwa efekty nale y prowadziæ jednoczeœnie pomiar odkszta³cenia beleczki pomiarowej zarówno w p³aszczyÿnie pionowej (obraz topograficzny AFM) jak i poziomej. Si³y styczne nie s¹ zale ne od kierunku skanowania a kontrast pomiêdzy uzyskiwanymi obrazami rozk³adu si³ poprzecznych odzwierciedla pochylenie mikronierównoœci wzd³u osi ox. W niniejszym referacie przedstawiono zastosowanie mikroskopu si³ atomowych do zbadania w³asnoœci tarciowych ultracienkich pow³ok wytworzonych technik¹ elektroplazmow¹ [L. 2, 3] oraz wp³ywu prowadzenia procesu osadzania warstw (zmiana temperatury pod³o a) na w³asnoœci uzyskanych pow³ok. ULTRACIENKIE POW OKI WYTWARZANE TECHNIK ELEKTROPLAZMOW Procesy chemiczne zachodz¹ce pod dzia³aniem plazmy nierównowagowej s¹ szeroko stosowanie do powierzchniowej obróbki metali i tworzyw organicznych, w procesach wytwarzania obwodów scalonych, ogniw s³onecznych, pow³ok uszczelniaj¹cych foliê z polimerów oraz warstw przeciwodblaskowych na elementach optyki [L. 4]. W ostatnich latach zaobserwowano wzrost zainteresowania pow³okami krzemoorganicznymi otrzymywanymi metod¹ PE-CVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Na Wydziale Chemii PW prowadzono prace nad procesem osadzania cienkich pow³ok z heksametylodisiloksanu. Pow³oki wytwarzano w wy³adowaniu barierowym, pod ciœnieniem atmosferycznym, w reaktorze z zewnêtrzn¹ elektrod¹ wysokonapiêciow¹. Otrzymano, miêdzy innymi, cienkie warstwy zwi¹zków krzemu z heksametylodisiloksanu (HMDSO) stosuj¹c mieszaninê HMDSO+Ar+NH 3 (40%). Warstwy nanoszono na monokryszta³ krzemu (100). W procesie wytwarzania pow³ok zmieniano temperaturê pod³o a. BADANIE NANOTARCIA ULTRACIENKICH POW OK WYTWORZONYCH TECHNIK ELEKTROPLAZMOW Badane próbki Zbadano w³asnoœci tarciowe dwóch ultracienkich pow³ok wytworzonych technik¹ elektroplazmow¹ [L. 2, 3]. Próbki, oznaczone symbolami 047 i 046, wykonano na Wydziale Chemii PW. Analizê chemiczn¹ otrzyma-

4 52 T R I B O L O G I A nych pow³ok przeprowadzono za pomoc¹ spektrometru UDS Braga z mikrosond¹ elektronow¹ firmy Cameca. W Tabeli 1 przedstawiono warunki prowadzenia procesu osadzania badanych pow³ok i ich w³aœciwoœci. Tabela 1. Pow³oki osadzane z HMDSO + Ar + NH 3 (40%) warunki prowadzenia procesu osadzania pow³ok, w³aœciwoœci pow³ok Table 1. The films deposited from the mixture of HMDSO+Ar+NH 3 (40%) experimental conditions of process of deposition and films properties Oznaczenie próbki Mieszanina gazowa: HMDSO [ppm] 2640 Amoniak [%] 40 Argon [%] Reszta Reszta Temperatura [ o C] Czas osadzania [min] Napiêcie miêdzyszczytowe [kv] 15,7 13,5 Gruboœæ [nm] Szybkoœæ osadzania pow³oki [nm/min] Wspó³czynnik refrakcji 1,26 1,44 Widmo FTIR (pasma absorpcji) Si-O-Si Si-CH 3 Si-O-Si Si-CH 3 PRÓBKA 047 Pow³oka naniesiona technik¹ elektroplazmow¹ na pod³o e krzemu monokrystalicznego (100). Osadzona z mieszaniny HMDSO+NH 3 +Ar (heksametylodisiloksan + amoniak + argon) przy temperaturze pod³o a 150 C. Ca³kowita gruboœæ naniesionej pow³oki, zmierzona elipsometrem, wynosi³a 40 nm. PRÓBKA 046 Pow³oka naniesiona technik¹ elektroplazmow¹ na pod³o e krzemu monokrystalicznego (100). Osadzona z mieszaniny HMDSO+NH 3 +Ar (heksametylodisiloksan + amoniak + argon) przy temperaturze pod³o a 300 C. Ca³kowita gruboœæ naniesionej pow³oki, zmierzona elipsometrem, wynosi³a 63 nm. Warunki prowadzenia badañ Obrazowanie topografii i rozk³adu si³y poprzecznej przeprowadzono przy wykorzystaniu kontaktowego modu pracy (Topography/Fl) mikroskopu si³ atomowych z opcj¹ pomiaru si³y poprzecznej (Laboratorium Mikrotribo-

5 T R I B O L O G I A 53 logii Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki PW) [L. 5]. Do badañ zastosowano cantilevery oznaczone symbolami MS-06AU typ B (firmy Park Scientific Instruments USA) oraz SCS12 typ F (firmy NT-MDT Co Rosja). Doœwiadczenia przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych w atmosferze powietrza, przy ciœnieniu atmosferycznym, temperaturze pokojowej 22 C ±0,5 C, przy wilgotnoœci 50% ±5%. Forma przedstawienia wyników badañ W wyniku przeprowadzonych pomiarów otrzymano rozk³ad topografii oraz si³y poprzecznej na badanej powierzchni. Wyniki badañ przedstawiono w postaci p³askiego (2D) i przestrzennego (3D) obrazu topografii próbki oraz dwuwymiarowego (2D) obrazu rozk³adu si³y poprzecznej. Przedstawiono tak e przekroje poprzeczne profilu topograficznego i odpowiadaj¹ce im wykresy si³y poprzecznej oraz histogram obrazu topografii i rozk³adu si³y tarcia (si³y poprzecznej). Z obrazów 2D i 3D usuniêto szumy (zastosowano filtr median). Dyskusja i wnioski Ultracienkie pow³oki osadzane z mieszaniny gazów HMDSO+ Ar + NH 3 (40%) w temperaturach 150 C i 300 C (próbka 047 i 046) okaza³y siê trudne w badaniach ze wzglêdu na bogat¹ strukturê (bardzo du e utkanie tarasów i ich wp³yw na wyznaczane si³y poprzeczne) oraz ze wzglêdu na prawdopodobieñstwo zale noœci w³asnoœci tarciowych od miejsca badañ (inne we wg³êbieniach inne na wypiêtrzeniu tarasów mikronierównoœci). Na wykresie si³y poprzecznej, dla powierzchni o jednolitych, homogenicznych w³aœciwoœciach tarciowych i tarasowej strukturze mikronierównoœci, wyst¹pi¹ skokowe zmiany wartoœci si³y poprzecznej na progach tarasów. Po przejœciu progu tarasu wartoœæ si³y poprzecznej wróci do poprzedniej wartoœci, takiej samej jak na innych homogenicznych czêœciach próbki. W przypadku próbki niehomogenicznej zmiana si³y poprzecznej bêdzie niezale na od zmian topografii powierzchni próbki i bêdzie opisywaæ w³asnoœci tarciowe materia³u. Badania ultracienkich pow³ok wytworzonych technik¹ elektroplazmow¹ przeprowadzone by³y kilkakrotnie (w kilku ró nych miejscach próbki) z wykorzystaniem wielu obszarów skanowania (od nm nm do 510 nm 510 nm). Najmniejszy obszar skanowania wynika³ nie z ograniczenia sprzêtowego lecz z w³asnoœci badanej pow³oki.

6 54 T R I B O L O G I A Badania zosta³y wykonane przy skanie w kierunku +x i x. Kierunek skanowania nie mia³ wp³ywu na otrzymane wyniki badañ. Na Rysunkach 2 6 przedstawiono topografie badanej pow³oki 047, przyk³adowe rozk³ady si³y poprzecznej na skanowanej powierzchni, przyk³adowe przekroje poprzeczne topografii powierzchni i odpowiadaj¹ce im zmiany wartoœci si³y poprzecznej. a) Rys. 2. Próbka 047: a) topografia powierzchni pow³oki (2D), rozk³ad si³y poprzecznej Fig. 2. Sample 047 a. Surface topography of film (2D); b. Distribution of lateral force

7 T R I B O L O G I A 55 a) Rys. 3. Próbka 047 Topografia powierzchni pow³oki: a) przekrój, histogram Fig. 3. Sample 047 Surface topography of film a. cross section; b. histogram a) Rys. 4. Próbka 047 Rozk³ad si³y poprzecznej: a) przekrój, histogram Fig. 4. Sample 047 Distribution of lateral force a. cross section; b. histogram

8 56 T R I B O L O G I A a) Rys. 5. Próbka 04: a) topografia powierzchni pow³oki (2D), rozk³ad si³y poprzecznej Fig. 5. Sample 047. a. Surface topography of film (2D); b. Distribution of lateral force Po porównaniu przekroju poprzecznego topografii badanej powierzchni z odpowiadaj¹cym mu przekrojem rozk³adu si³y poprzecznej i analizie histogramu rozk³adu si³y poprzecznej mo na stwierdziæ, e zmiany wartoœci si³y poprzecznej Fl (Rys. 4a i Rys. 6 s¹ zwi¹zane ze zmian¹ w³asnoœci tarciowych na powierzchni próbki 047.

9 T R I B O L O G I A 57 Pow³oka, wytwarzana technik¹ elektroplazmow¹, osadzana z mieszaniny HMDSO+Ar+NH 3 (40%) przy temperaturze pod³o a 150 C (próbka 047) ma inne w³asnoœci tarciowe na wzniesieniach i inne we wg³êbieniach tarasów mikronierównoœci powierzchni. Niejednorodnoœæ w³asnoœci tarciowych powierzchni próbki 047 zwi¹zana jest z procesem osadzania pow³oki pow³oka zawiera substancje organiczne. Mniej jednoznaczne wyniki otrzymano w przypadku badania w³asnoœci tarciowych pow³oki osadzanej z mieszaniny HMDSO+Ar+NH 3 przy temperaturze pod³o a 300 C (próbka 046). Na Rysunkach 7 9 przedstawiono topografiê badanej pow³oki 046, rozk³ad si³y poprzecznej na skanowanej powierzchni, przyk³adowy przekrój poprzeczny topografii powierzchni i odpowiadaj¹ce mu zmiany wartoœci si³y poprzecznej. Otrzymane przekroje poprzeczne topografii badanej powierzchni i odpowiadaj¹ce im zmiany wartoœci si³y poprzecznej oraz histogramy rozk³adu si³y poprzecznej œwiadcz¹, e na powierzchni pow³oki osadzanej z mieszaniny HMDSO+NH3+Ar przy temperaturze pod³o a 300 C (próbka 046) dominuj¹ struktury o jednorodnych w³asnoœciach tarciowych. Zmiaa) Rys. 6. Próbka 047: a) topografia powierzchni przekrój, rozk³ad si³y poprzecznej przekrój Fig. 6. Sample 047. a. Surface topography of film cross section; b. Distribution of lateral force cross section

10 58 T R I B O L O G I A a) Rys. 7. Próbka 046: a) topografia powierzchni pow³oki (2D), rozk³ad si³y poprzecznej Fig. 7. Sample 046. a. Surface topography of film (2D); b. Distribution of lateral force

11 T R I B O L O G I A 59 a) Rys. 8. Próbka 046 Topografia powierzchni pow³oki: a) przekrój, histogram Fig. 8. Sample 046 Surface topography of film. a. cross section; b. histogram a) Rys. 9. Próbka 046 Rozk³ad si³y poprzecznej: a) przekrój, histogram Fig. 9. Sample Distribution of lateral force. a. cross section; b. histogram

12 60 T R I B O L O G I A ny wartoœci si³y poprzecznej Fl (Rys. 9a) zale ¹ od zmian profilu topograficznego powierzchni próbki 046. Otrzymane, przy pomocy mikroskopu si³ atomowych, wyniki badañ w³asnoœci tarciowych ultracienkich pow³ok wytwarzanych technik¹ elektroplazmow¹ (próbka 047 i 046) potwierdza analiza chemiczna przeprowadzona za pomoc¹ spektrometru UDS Braga z mikrosond¹ elektronow¹ firmy Cameca. Widma FTIR pow³ok osadzonych z mieszaniny HMDSO+Ar+NH 3 (40%) przedstawiono na Rys. 10. Rys.10. Widmo FTIR pow³ok osadzanych z mieszaniny HMDSO+Ar+NH 3 (40%) w temperaturze 150 C (próbka 047) i 300 C (próbka 047) Fig. 10. FTIR spectrum of films deposited from mixture of HMDSO + Ar + NH 3 (40%) at temperature of C (sample 047) and of C (sample 046) Pow³oki otrzymane przy temperaturze pod³o a 150 C (próbka 047) zawieraj¹ nieznaczne iloœci domieszek organicznych odpowiadaj¹cych pasmom Si-CH cm -1, 1261 cm -1 i 843 cm -1 (Rys. 10). Intensywnoœæ tych pasm maleje wraz ze wzrostem temperatury osadzania pow³oki. Pow³oka 046, osadzana przy wy szej temperaturze (300 C), zawiera mniej substancji organicznych o czym œwiadczy brak pasma o liczbie falowej 2964 cm -1 oraz s³absze pasmo 1269 cm -1 w widmie FTIR.

13 T R I B O L O G I A 61 PODSUMOWANIE Temperatura osadzania pow³ok z mieszaniny HMDSO+Ar+NH 3 (40%) wp³ywa na zawartoœæ substancji organicznych w pow³oce, tym samym na uzyskiwane topografie badanych powierzchni i ich w³asnoœci tarciowe. Pow³oka osadzana przy temperaturze pod³o a 150 C (próbka 047) zawiera substancje organiczne, które powoduj¹ niejednorodny rozk³ad w³asnoœci tarciowych na badanej powierzchni. Pow³oka osadzana przy temperaturze pod³o a 300 C (próbka 046) zawiera bardzo ma³o substancji organicznych, charakteryzuje siê jednorodnym rozk³adem w³asnoœci tarciowych na ca³ej powierzchni. LITERATURA 1. Bushan B.: Handbook of Micro/Nanotribology, 2 nd ed., CRC Press, Boca Raton Misiak M., Rymuza Z., R anek-boroch Z., Schmidt-Sza³owski K., Janowska J.: The Effects of Deposition and Test Conditions on Nanomechanical Behaviour of Ultrathin Films Produced by PECVD Process at Atmospheric Pressure. 3 rd International Colloquium Micro-Tribology 2001, Jastarnia R anek-boroch Z., Janowska J., Dudziñski K., Schmidt-Sza³owski K.: Thin Films of Silicon Compounds Deposited by Filamentary Barrier-Discharge. 15 th International Symposium on Plasma Chemistry, vol. V, s , Orleans, France Schmidt-Sza³owski K, Fabianowski W., Sentek J., R anek Boroch Z.: Pow³oki nieorganiczne wytwarzane technik¹ elektroplazmow¹. Przemys³ chemiczny 77/7, s Janowska J.: Raport tematu Badanie nanotarcia ultracienkich pow³ok, IMiF PW, Warszawa Summary Recenzent: Ryszard MARCZAK Atomic Force Microscopes (AFM) are used mainly to study surface topography. AFM with the possibility to measure lateral force in the Laboratory of Microtribology of the Institute of Micromechanics and

14 62 T R I B O L O G I A Photonics of the Warsaw University of Technology enables during scanning the measurement of the lateral force between the tip of the cantilever and the tested surface. The lateral force is representative of the micro-scale friction. The paper presents the results of the application of this microscope to study frictional properties of the ultrathin films deposited on silicon by electroplasma technique. The films were deposited under various substrate s temperatures (sample C, sample C) to study the effect of temperature on the frictional properties of the films.