PVD硬質涂層的工業生產-品檢中，通常關心涂層厚度、硬度和附著力等三個主要指標。而對殘余應力這個隱性指標從生產的角度很少被特別關注，但和以上三個指標是密切相關的。

1   需求和問題

簡單的來說，涂層厚度各有利弊，薄鋒利度好，厚耐磨性好（如下圖）。所以對耐磨壽命要求高的場合，大家為什么想著如何提高薄膜厚度來提高耐磨壽命。這里涉及一個量級問題：簡單的看對一個成熟膜系，涂層本身性能提高20%是很難的一件事情，但是涂層厚度假如提高一倍，即使性能保持相同，壽命提高100%是相對容易達到的（當然壞處是直接沉積成本也會有增加），盡管如此，取舍之后這樣對很多要求耐磨壽命的場合還是合適的。

但是涂層一厚，比如對電弧硬質涂層上~4-5微米量級，濺射的稍厚一些（為什么是這個厚度量級？），也會帶來涂層附著力的問題（如cemecon下圖所示，它解釋了邏輯，但沒有解釋量級）。

解決方案大概要么是增加基材和涂層的結合力（采用各種物理和化學不同手段結合），要么是調控工藝參數-成分（降低）殘余應力，增加厚度。比如如德國cemecon的超氮涂層方案（如下圖）。

2   為什么選擇調控內應力？

對常規膜系的PVD硬質涂層，為什么電弧涂層大概超過3-4微米這個量級就會面臨附著力問題？可以毛毛估一下：附著問題大概就是涂層和基材處剪切力大于膜基結合力，所以失效了。下圖所示：剪切力F=σ*S（殘余應力*涂層截面積），以PVD硬質涂層的典型殘余應力值~2-4GPa算，當涂層厚度大概~3-5微米左右，假如按劃痕寬~1mm量級，算出來大概剪切力是~10-20N的量級。我們大概知道常規PVD硬質涂層的劃痕附著力典型值也是在~30-80N的量級。因此，這從量級上解釋了PVD硬質涂層厚度的典型值，以及從內應力調節來實現膜厚調控的空間大概是在~2-10倍量級（當然同時需要考慮和取舍適當內應力和硬度的耦合關系）。

所以當膜基結合力實際已經空間不大的情況下（比如受離子源刻蝕能力限制），好些廠家在內應力調控這方面來做文章。一是有調控量級空間，二是實際操作上方便工藝參數去調節實現（比如偏壓等）。

3   殘余應力測量問題

按理說XRD測內應力是塊體的常規方法，但是針對現在越來越多元或梯度化合物的涂層來說，存在一些實際問題：很難找對于成分的標樣或準確的計算參數比如楊氏模量等，這樣帶入參數的不真實，導致相應計算值發散和不夠準確。

所以另一種適用于硬質涂層常規的方法就是基于Stoney公式的曲率法。簡單的說就是光杠桿放大原理（如下圖所示）。

針對PVD硬質涂層殘余應力測量，我們大概分析了一下需求：內應力范圍大概是上百MPa-10GPa量級，也就是說偏大區間的內應力應用情況。然后主要考量了幾個方面：

A     操作簡單、傻瓜。所以我們做了一個全自動測量方案，操作軟件方面也在繼續迭代5-6個版本，改掉之前版本不爽的（比如界面用詞不夠簡潔）；

B     適應性好?？紤]實際硬質涂層鍍膜中經常用不銹鋼基片，必然是很難如硅片是平整的，因此我們采用對減模式消除基片原始曲率的影響（通過測試樣片的自動掃描找中定位），這是相對同類產品是比較獨特的，不能只測平整硅片；

C     性價比高，可靠型好，售后省事。這點考量導致看起來我們的儀器方案有點傻大笨粗的感覺。比如可以選擇用CMOS相機直接測量可以做的很小巧，但是對樣品振動會比較敏感和定位操作方面帶來不便和對應誤差。

最后閑聊一點關于儀器風格的看法：

老毛子設備，傻大笨粗。從技術和商業的角度來說，這是存在一定合理性的。當技術上做不到很精準的時候，以材料和結構的高余量來降低技術量級風險和復雜性，而重工業設備領域相對來說不是價格敏感型，也可以承受這個材料和結構成本的增加。

德國設備技術能力上可以實現高精準和高余量來實現高質量品質，同時商業上同時可以高價格來補償自洽。日本儀器設備同樣后來做到技術上的高精準，但受限于當年作為跟進者品牌價格上的弱勢，因而選擇精益和性價比路線。所以是能力和無奈的一種選擇，然后這種形象和路線也在這個歷程中被強化。

美國設備儀器的風格有點多變和參差不齊，但整體上來說是講究簡單有效和跨界融合。我們選擇什么？這是蠻值得思考的。

因此，要想同時照顧各個方面都需要對應的代價，所以最后就定位于做成一個針對硬質涂層的“殘疾版”應力儀。當然好聽些也叫定制版的應力儀：）。

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