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超薄膜スクラッチ試験機
本機は旧型機です。
超薄膜スクラッチ試験機の測定原理
印加荷重と密着強度の関係(ベンジャミンアンドウェバの計算式)
超薄膜スクラッチ試験機で採用しているマイクロスクラッチ試験法はスクラッチ試験法の測定原理をさらに高感度化し、ナノレベルの膜厚の膜に対応した試験方法です。従来のスクラッチ試験法では一定の曲率半径を持つ硬い(ダイヤモンド)圧子を薄膜表面に押付け(図1)、荷重を増加させながら引っ掻き、薄膜の剥離が生じる荷重値(臨界荷重値)を計測します。圧子を押し付けながらスクラッチした時に界面に作用するずり応力(図1中のF)が密着強度を上回った時に界面剥離が生じます。圧子が試料に加える垂直方向の荷重をW・基材のブリネル硬度をH・圧子の曲率半径をRとすると、界面に働くずり応力Ｆは以下のベンジャミンアンドウェバの計算式で表されます。
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上記の式において荷重値Wに剥離が生じた時の荷重値を用いれば、得られるずり応力はそのまま薄膜の密着強度(密着力・付着力)に置き換えることができることとなります。
超薄膜スクラッチ試験機における薄膜の剥離を検出する機構
このスクラッチ法を更に高感度化されたマイクロスクラッチ試験法は図2に示すように、レコード針のカートリッジの検出機構を用い、カンチレバーの先端にダイヤモンド針が付いていることが最大の特徴です。針の等価質量が極めて小さいため、針が薄膜の上を走査する際に薄膜表面の微小な変化を高感度に捉えられます。針先の振動はカンチレバーを通してカートリッジ内部で電気信号に変換されます。この変換構造を持つカートリッジは直流信号を出力できないため、カートリッジを強制的に水平に励振させることによって交流信号を作り出します。マイクロスクラッチ試験機はこのような検出機構を用いるため、針の微小振動を感度良く電気信号に変換できますが、センサの構造上の理由からスクラッチ試験法のように大きな荷重を掛けることはできず、試験範囲は1mN〜1N程度となります。ただし、針先の先端径は5μm〜100μmの範囲で選択できるため、薄膜表面にかける圧力にはかなりの自由度があります。ダイヤモンド圧子の針径は測定試料によって最適な径を選択します。
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