薄膜材料は半導体、コーティング、エネルギー貯蔵、医療設備、光起電力などの分野に広く応用され、その性能と信頼性は界面結合強度に高度に依存している。ストリップ実験やマイクロスクラッチ試験などの従来の測定方法は、試験モードの設定や材料特性に制約されることが多く、界面結合エネルギーの定量的な特性化を実現することは困難である。そのため、オックスフォード大学出身のShatha博士らはナノインデンテーションとナノスクラッチの2つの方法を用いて、シリコン基板上の異なる厚さのタングステンコーティングの界面はく離挙動を系統的に研究し、そして有限要素シミュレーションを通じてエネルギー計算を補正し、界面エネルギーの定量評価を実現するために新しい構想と方法の支持を提供した。

本文はシリコン基板上にマグネトロンスパッタリングによって製造された異なる厚さ（1.5μmと1.9μm）のタングステンコーティングを用い、ナノインデンテーションとスクラッチ試験を行った。ナノインデンテーション試験はBerkovich圧子を用いて、50 ~ 400 mNの低負荷区間と100 ~ 1000 mNの高負荷区間でそれぞれインデンテーション実験を行い、52、104、260 mN/sの3種類の負荷速度を設定して歪率の影響を研究した。ナノスクラッチ試験も同様にBerkovich圧子を用いて、それぞれ「エッジ前方」と「前方」の2つの方向で、0-70 mN線形法線荷重下でスクラッチ実験を行い、スクラッチ長は250μm、時間は30秒に設定した。

図1厚さの異なるフィルム（左：1.5µm、右：1.9µm）の3種類の打痕破壊段階SEM画像：（a−b）塑性変形、（c−d）界面分離、（e−f）コーティングクラック

図2厚さの異なるフィルム（左：1.5µm、右：1.9µm）の押込力−変位曲線：（a−b）低荷重、（c−d）高荷重

図3厚さの異なるフィルム（上：1.5µm、下：1.9µm）の非可逆仕事（Wirr）の垂直荷重による変化

走査電子顕微鏡による圧痕形態の観察により、タングステン−シリコン薄膜は圧痕過程において典型的な三段階破壊挙動を呈していることが分かった：初期段階は塑性変形と表面径方向亀裂の発生（図1（a−b））、荷重が増加するにつれて、界面はく離段階に入り、環状ドラムパックを形成する（図1（c−d））、最終段階で薄膜破砕が発生した（図1（e−f））。対応する荷重−変位曲線は、低荷重条件下で曲線が平滑であることを示し、高荷重条件下では明らかな突然変異が現れ、対応するフィルムの破砕過程（図2）。界面分離エネルギーを定量化するために、Malzbenderエネルギー分析法を用いて、各段階の不可逆仕事（Wirr）を線形外挿し、総Wirrを塑性仕事（Wp）、分離仕事（Wd）と破砕仕事（Wf）に分解した。しかし、従来の線形外挿法では、荷重に応じて塑性仕事が常に線形成長を維持していると誤って仮定しており、インデンテーション深さが増加した場合の軟質基板の塑性変形寄与は無視されている。圧入深さが大きくなるにつれて、基板の塑性散逸エネルギーは誤って界面分離仕事に計上され、分離エネルギーが著しく過大評価されることになった。この誤差を避けるために、本文は界面がはく離しない有限要素シミュレーションを展開し、フィルムシステムの塑性仕事に対して補正を行い、基板変形の干渉を効果的に排除した（図4）。加えて、異なる荷重速度でのナノインデンテーション試験結果を比較することにより、インデンテーション力−変位曲線はインデンテーション形態と基本的に一致しており、また、ピーリングエネルギー測定結果の差が小さいことが分かった（表1）。

図4 FEM（界面分離なし）補正後の第1、2段階のWd

図5厚さの異なるフィルム（上：1.5µm、下：1.9µm）のナノスクラッチ試験結果：（a）表面形態SEM画像、（b）法線荷重と摩擦係数の時間的変化

ナノスクラッチ試験では、コーティングは臨界荷重に達すると突然破砕し、摩擦係数の突然変異を伴う（図5）。Laugierモデルを用いて臨界荷重を界面結合強度に変換し、弾性力学に基づくひずみエネルギー放出率基本理論、分離エネルギーを計算する。結果により、スクラッチ試験で得られたリフトオフエネルギーは試験パラメータの影響を受けて顕著である：法線荷重とスクラッチ長さの比（dL/dx）の上昇は臨界荷重の増大とリフトオフエネルギーの低下をもたらす（表2）、「エッジ前方」の圧子方向は「前方」よりも高い臨界荷重とスプリットエネルギーを測定する（表3）。スクラッチ法は異なる試料間の比較研究に用いることができるが、その結果は薄膜破壊エネルギーを含むためにナノインデンテーション結果より一般的に高く、試験条件に極めて敏感であるため、定量評価には限界がある。

表1異なる荷重速度におけるナノインデンテーションによるはく離エネルギー測定の変化

表2異なるスクラッチパラメータにおけるナノスクラッチによるはく離エネルギー測定の変化

表3異なるヘッド角度におけるナノスクラッチによるはく離エネルギー測定の変化

2種類の方法を総合的に比較し、ナノインデンテーション結合有限要素補正は安定、定量的な界面エネルギーデータを提供することができ、しかも負荷速度に敏感ではなく、良好な信頼性を示した、一方、ナノスクラッチは実際の摩擦状況を効果的にシミュレーションすることができるが、エネルギー成分が複雑でパラメータ依存性が強いため、定性または半定量的な研究ツールとして適している。この基礎の上で、更に靱性透明コーティング（例えばPC）に対して研究を展開することができて、その場の観測と荷重曲線を結合して、界面のはく離とコーティング本体の破断過程を区別して、臨界荷重の識別の正確性を高めて、比較的に正確な界面のはく離エネルギーを得ることができます。