DE10020042A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen, bei der an sich bekannte Klebebänder mit jeweils bekannter Klebkraft eingesetzt werden. Mit der Vorrichtung sollen die subjektiven Einflüsse bei der Bestimmung der Haftfestigkeit vermieden und vergleich- und reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Druckfeder in einem Gehäuse aufgenommen und gehalten, deren Federkraft auf eine Befestigungsplatte, an der ein Klebeband befestigt ist, wirkt. Die Befestigungsplatte ist ebenfalls im Gehäuse in Federkraftrichtung bewegbar geführt. Das Gehäuse mit der Befestigungsplatte und dem Klebeband kann auf das eingespannte beschichtete Substrat aufgesetzt werden, wobei ausschließlich eine definierte Federkraft auf das Klebeband und die Beschichtung wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestim­ mung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufge­ brachten Beschichtungen, bei der an sich bekannte Klebebänder mit jeweils bekannter Klebkraft einge­ setzt werden. Sie ist insbesondere zur Bestimmung und Kontrolle der Haftfestigkeit von kleinflächigen Be­ schichtungen geeignet. Bei den auf Substraten aufge­ brachten Schichten kann es sich um relativ dünne im Nano- bzw. Mykrometerbereich handeln, die insbesonde­ re mit herkömmlichen Dünnschichttechniken ausgebildet worden sind. Die Schichten können auf anorganischen und organischen Substraten aufgebracht und aus Metal­ len und Nichtmetallen, wie z. B. Oxiden und Carbiden gebildet sein.

Die beschichteten Substrate können in den verschie­ densten Anwendungsgebieten eingesetzt werden, wie dies beispielsweise Optik und Halbleitertechnik sind.

Üblicherweise wird die Haftung dünner Schichten im Bereich der Optik mit dem Tape-Test nach ISO 9211 ge­ prüft. Dabei werden Klebebänder mit bekannten Dimen­ sionen, nämlich einer Breite von 12 mm und einer Länge von 30 bis 40 mm, nach dem Aufkleben wieder manu­ ell abgerissen, wobei das Abreißen langsam oder schnell gemäß der oben genannten Norm erfolgen soll. Solche Klebebänder können mit jeweils unterschiedli­ cher, aber definierter Klebkraft käuflich erworben werden, so werden beispielsweise Klebebänder mit ei­ ner Klebkraft auf Stahl von 9,8 N bezogen auf eine Breite von 25 mm eingesetzt.

Neben der Klebkraft der Klebebänder hat aber auch die Anpresskraft, mit der die Klebebänder auf die Be­ schichtung aufgedrückt und außerdem die Abzugsrich­ tung und die Abzugsgeschwindigkeit Einfluss auf das Testergebnis.

Bei der herkömmlichen Vorgehensweise gemäß dem ge­ normten Tape-Test kann jedoch der subjektive Einfluss der unterschiedlichen Testpersonen nicht vermieden werden, so dass die so gewonnenen Ergebnisse nicht ohne weiteres vergleich-, reproduzierbar und fehler­ frei sind. Dabei müssen diese Bewertungsfehler in Kauf genommen werden oder über einen erhöhten Prüf­ aufwand, mit einer großen Testanzahl und mit mög­ lichst unterschiedlichen Testpersonen zumindest ver­ ringert werden.

Neben den bereits genannten Einflussgrößen spielt aber auch die Größe der geprüften Fläche eine Rolle. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die zu prüfen­ de Beschichtungsfläche nicht wesentlich größer als die angeklebte Fläche des Klebebandes ist.

Im Bereich von mikroelektronischen und mikrooptischen Anwendungen besteht jedoch sehr oft das Erfordernis, dass sehr kleine beschichtete Flächen geprüft werden müssen, so dass bei herkömmlichem Vorgehen entspre­ chend große Messfehler auftreten.

Für die Bestimmung der Haftfestigkeit an relativ dicken Schichten wird der Stirnzugversuch nach DIN 582 eingesetzt. Für diesen Stirnzugversuch sind un­ terschiedliche Versuchsanordnungen bekannt.

Insbesondere bei der Prüfung und Bestimmung der Haft­ festigkeit von dünnen Schichten unterhalb 1 µm können keine Klebebänder mit lösungsmittelhaltigen Klebstof­ fen eingesetzt werden, da unkontrollierbare Wechsel­ wirkungen auftreten können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die subjektiven Einflüsse bei der Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen vermieden und mit denen vergleich- und reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrich­ tung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, können mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen erreicht werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die an sich bekannten Klebebänder eingesetzt, wobei die je­ weilige Klebkraft des verwendeten Klebebandes auf das Beschichtungsmaterial abgestimmt werden sollte.

Gegenüber dem bekannten Tape-Test kann ein solches Klebeband auf die Beschichtung mit definierter und konstanter Kraft aufgepresst werden und es wird ein gleichmäßiger und vollständiger Kontakt, der zu prü­ fenden Fläche mit dem Klebeband sicher gestellt.

Erreicht wird dies, indem die Anpresskraft aus­ schließlich mittels einer Druckfeder, deren Feder­ kraft bekannt ist, erfolgt. Die Druckfeder ist in einem Gehäuse aufgenommen und in diesem gehalten. Die Federkraft der Druckfeder wirkt auf eine Befesti­ gungsplatte, an der das jeweils verwendete Klebeband befestigt ist. Diese Befestigungsplatte ist ebenfalls im Gehäuse in einer Führung gehalten, so dass sie in Federkraftrichtung bewegt werden kann. Das Gehäuse wird während der Bestimmung auf das beschichtete und fest eingespannte Substrat aufgesetzt. Dabei ist das Gehäuse oder andere Einrichtungen so gestaltet, dass für das Anpressen des an der Befestigungsplatte befe­ stigten Klebebandes ausschließlich die Federkraft der Druckfeder wirkt und andere Kraftkomponenten, wie beispielsweise die masseabhängigen Gravikationskraft­ komponenten ausgeschlossen sind.

Da die Federkraft bekannt, bzw. definiert einstellbar ist, können reproduzierbare Mess- bzw. Prüfergebnisse nach dem Abreißen des Klebebandes von der beschichte­ ten Oberfläche des Substrates durch optische bzw. visuelle Beurteilung des Anteils der beschädigten Fläche erhalten werden.

Die jeweilige Einstellung der Federkraft der verwen­ deten Druckfeder kann in einfacher Form mittels einer ebenfalls am Gehäuse vorhandenen Einstellschraube, mit der die Vorspannung der Druckfeder durch Herein- bzw. Herausschrauben beeinflusst werden kann, er­ reicht werden.

Die verwendete Druckfeder kann günstigerweise eine progressive bzw. eine degressive Federkennlinie auf­ weisen und dadurch die gewünschte Einstellgenauigkeit der jeweiligen Federkraft berücksichtigt werden.

Selbstverständlich können auch unterschiedliche Druckfedern mit unterschiedlichen Federkonstanten verwendet werden, die je nach dem Anwendungsfall ein­ fach ausgetauscht werden können.

Mit Hilfe mindestens eines Anschlags, mit dem das Gehäuse mit einem Abstand von der Oberfläche des Sub­ strates, also von der Beschichtung gehalten ist, kann gesichert werden, dass ausschließlich die Federkraft der Druckfeder das Anpressen des verwendeten Klebe­ bandes auf die zu prüfende Fläche bewirkt.

Bei der Durchführung der Bestimmung von Haftfestig­ keiten sollten die beschichtete Fläche des Substrates und die Befestigungsplatte, zumindest jedoch der Teil der Befestigungsplatte, an dem der wirksame Teil des verwendeten Klebebandes befestigt ist, parallel zu­ einander ausgerichtet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass auch die beim Stand der Technik vorhandenen Nachteile während des Abrissvor­ gangs des aufgeklebten Klebebandes beseitigt werden können.

Hierzu wird ein Hebel mit zwei Hebelarmen, jeweils jenseits von einer Drehachse eingesetzt. Die Drehach­ se sollte dabei ebenfalls parallel zur beschichteten Fläche und der entsprechenden Fläche des Befesti­ gungselementes ausgerichtet sein. Die beiden Hebelarme des Hebels müssen nicht zwangsläufig gleichlang sein. An einem der Hebelarme ist das bereits be­ schriebene Gehäuse mit den wesentlichen Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung befestigt. Am entgegen­ gesetzten Hebelarm ist eine Gegenmasse befestigt.

Beim Anpressen des verwendeten Klebebandes wird das Gehäuse mittels einem Anschlag, der unterhalb dieses Hebelarmes, auf einer Grundplatte der Vorrichtung angeordnet ist, definiert gehalten, so dass die Ei­ genmasse des Gehäuses mit den daran befestigten Ele­ menten und der Masseanteil des Hebelarmes keinen Ein­ fluss auf die Anpresskräfte des Klebebandes haben. Zum Anpressen des Klebebandes kann daher ohne weite­ res der Hebel um die Drehachse entsprechend ver­ schwenkt werden, bis der Anschlag ein weiteres Ver­ schwenken verhindert. Zum Abreißen genügt es, den Hebel einfach frei zu geben und die an der anderen Seite befestigte Gegenmasse bewirkt ein definiertes Zurückschwenken und ein gleichzeitiges Abreißen des vorab angepressten und aufgeklebten Klebebandes. Da die Masse der Gegenmasse und der wirksame Hebelarm bekannt sind, erfolgt auch das Abreißen des Klebeban­ des ebenfalls unter definierten, reproduzierbaren Bedingungen.

Diese Bedingungen können einmal durch die Verwendung unterschiedlicher Gegenmassen, aber auch durch Ver­ änderung des Abstandes einer am Hebelarm befestigten Gegenmasse in Bezug zur Drehachse variiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es außer­ dem günstig sein, zwischen der Druckfeder und der Befestigungsplatte im Gehäuse einen ebenfalls in Fe­ derkraftrichtung geführten Stößel anzuordnen, über den die Federkraft und der Weg auf die Befestigungs­ platte übertragen werden kann.

Die Befestigungsplatte kann in einer im Gehäuse aus­ gebildeten T-Nut gehalten sein, mit der ein Heraus­ fallen der Befestigungsplatte in abgehobener Stellung verhindert werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Be­ stimmung der Haftfestigkeit auch auf sehr kleinen Flächen durchgeführt werden, wobei die Mindestgröße der zu prüfenden Fläche ≧ 0,5 mm² sein sollte. Nach erfolgter Kalibrierung der Vorrichtung und insbeson­ dere der kraftübertragenden Komponenten (Druckfeder, Gegenmasse) mit hoher Reproduzierbarkeit an einer großen Anzahl von Proben durchgeführt werden, so dass sie ohne weiteres in der Qualitätskontrolle einsetz­ bar ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Bei­ spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch das in Fig. 1 gezeigte Beispiel und

Fig. 3 das Detail X aus Fig. 2 in einer Vergröße­ rung.

Das in Fig. 1 gezeigte Beispiel einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung verwendet eine Grundplatte 1, auf der die Elemente zum Anpressen und Abreißen eines Klebebandes auf bzw. von einer beschichteten Fläche befestigt sind.

Dabei sind ein Prüfkopf 5 und eine Gegenmasse 7 an einem Hebel 4, der um die Drehachse 6 verschwenkbar ist, befestigt. Unterhalb des Prüfkopfes 5 ist der Substrathalter 2 auf der Grundplatte befestigt. Das Substrat 12 wird mit einer Schraubklemme 3 befestigt.

Zum Anpressen eines Klebebandes wird der Hebel 4 um die Drehachse 6 soweit verschwenkt, bis der Hebelarm 4' die obere Stirnfläche des Anschlags 13, der eben­ falls an der Grundplatte 1 befestigt und unterhalb des Hebelarms 4' angeordnet ist, bewährt. Dadurch wird erreicht, dass ausschließlich das Anpressen des Klebebandes mit der Federkraft der Druckfeder 9, die in einem Gehäuse 8 im Prüfkopf 5 geführt und vorge­ spannt gehalten ist (siehe Fig. 2), bewirkt wird. Die Federkraft der Druckfeder 9 wird über den eben­ falls im Gehäuse 8 geführten Stößel 11 und der Befe­ stigungsplatte 10 für das Klebeband übertragen und das Klebeband flächig, gleichmäßig auf die Beschich­ tung des Substrates 12 gepresst.

Wie besonders in Fig. 3 deutlich erkennbar, ist die Befestigungsplatte 10 in einer T-Nut 14 des Gehäuses 8 gehalten und kann lediglich in Federkraftwirkung hin- und herbewegt werden, wobei die T-Nut 14 das Herausfallen der Befestigungsplatte 10 verhindert.

Nach dem definierten Anpressen des verwendeten Klebe­ bandes wir die Schwenkbewegung des Hebels 4 freigege­ ben und infolge der Gegenmasse 7 wird das definiert vorab angeklebte Klebeband ebenfalls definiert und reproduzierbar wieder abgerissen, so dass nach Ent­ nahme des Substrates 12 aus der Vorrichtung die Beur­ teilung des Anteils der entsprechend beschädigten Fläche der Beschichtung erfolgen kann.

Da die Lagerkräfte der Drehachse 6 vernachlässigbar klein sind, wird die Abrissbewegung allein durch die Masse bzw. den wirksamen Hebelarm der Gegenmasse 7 bestimmt.

Die Gegenmasse 7 ist bei diesem Beispiel am Hebelarm 4" in einer Längsnut 15 geführt und kann in ver­ schiedenen Stellungen arretiert werden, so dass die Abzugsgeschwindigkeiten bzw. Abzugsbedingungen defi­ niert verändert werden können.

Wie insbesondere in Fig. 2 erkennbar, ist die Druck­ feder 9 im Gehäuse 8 mittels der Einstellschraube 16 gehalten und kann definiert vorgespannt werden, so dass das Anpressen mit einer bekannten Federkraft erfolgt. Die Federkraft wird zwar über den Stößel 11 punktuell auf die Befestigungsplatte 10 übertragen, sie wirkt aber über die gesamte Fläche in gleichmäßig verteilter Form. Durch die Führung der Befestigungs­ platte 10 im Gehäuse, auch mit Hilfe der T-Nut 14 wird erreicht, dass sich die Flächen beim Anpressen exakt parallel aufeinanderlegen und das Klebeband gleichmäßig angedrückt wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wurde zur Bestim­ mung der Haftfestigkeit von Goldschichten auf einer 1 mm² großen Fläche eingesetzt. Diese Goldschichten sollten eine Adhäsionskraft von 5 N aufweisen. Nach dem Einspannen eines entsprechend beschichteten Sub­ strates 12, wobei die beschichtete Fläche horizontal und parallel zur Befestigungsplatte 10 in ihrer Prüf­ stellung ausgerichtet sein sollte, wurde ein Klebe­ band Tesa 4973, das für die Abzugskraft von 5 N ge­ eignet ist, eingesetzt. Vor dem Anpressen wurde die Druckkraft der Druckfeder 9 auf 10 N eingestellt.

Vorab sollten die verwendeten Klebebänder mit Hilfe einer an sich bekannten Stirnabzugsmaschine auf ihre tatsächliche Klebkraft am Beschichtungsmaterial über­ prüft werden, wobei die jeweilige Größe der beschich­ teten Fläche mit der Fläche des zu prüfenden Substra­ tes 12 übereinstimmen sollte.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Haftfestigkeit von auf Substraten aufgebrachten Beschichtungen mit einem Klebeband bekannter Klebkraft, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckfeder (9) in einem Gehäuse (8) aufgenommen und gehalten ist, deren Federkraft auf eine Befestigungsplatte (10), an der ein Klebeband befestigt ist, wirkt und die Befesti­ gungsplatte (10) im Gehäuse (8) in Federkraft­ richtung bewegbar geführt ist, dabei das Gehäuse (8) mit Befestigungsplatte (10) und Klebeband auf das eingespannte beschichtete Substrat (12) so aufgesetzt ist, dass ausschließlich eine de­ finierte Federkraft auf Klebeband und Beschich­ tung wirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Druckfeder (9) einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft mit­ tels einer Einstellschraube einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (9) eine progressive oder degressive Federkennlinie hat.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) mittels mindestens eines Anschlags (13) in einem Abstand vom Substrat (12) gehalten ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Fläche des Substrates (12) und die Befestigungs­ platte (10) parallel zueinander ausgerichtet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) an einem Hebelarm (4') eines um eine Drehachse (6) verschwenkbaren Hebels (4) und am anderen Hebel­ arm (4") eine Gegenmasse (7) befestigt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Gegenmasse (7) zur Drehachse (6) veränderbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlag (13) unterhalb des Hebelarms (4'), an dem das Gehäuse (8) befestigt ist, angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Druckfeder (9) und Befestigungsplatte (10) ein Stößel (11) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungs­ platte (10) in einer T-Nut (14) gehalten ist.