JP2003207432A - マイクロ材料試験装置及びこれによる力学特性評価方法 - Google Patents
マイクロ材料試験装置及びこれによる力学特性評価方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 マイクロ材料の力学特性を原形のまま直接高
精度に測定し、評価できるマイクロ材料試験装置及びこ
れによる力学特性評価方法を提供する。 【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡２の試料ステージ
部に、微小試験片１に対して引張り又は圧縮荷重を負荷
するためのアクチュエータと、これによる微小試験片１
への負荷を検出する手段とを備えた微小引張り・圧縮試
験機構３を装備し、引張り又は圧縮負荷による試験片１
の微小歪を走査型プローブ顕微鏡２の試料表面観測系を
利用して測定する。
精度に測定し、評価できるマイクロ材料試験装置及びこ
れによる力学特性評価方法を提供する。 【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡２の試料ステージ
部に、微小試験片１に対して引張り又は圧縮荷重を負荷
するためのアクチュエータと、これによる微小試験片１
への負荷を検出する手段とを備えた微小引張り・圧縮試
験機構３を装備し、引張り又は圧縮負荷による試験片１
の微小歪を走査型プローブ顕微鏡２の試料表面観測系を
利用して測定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ材料の機械的
性質、例えばその力学特性を高精度に測定するマイクロ
材料試験装置及びこれによる力学特性評価方法に関す
る。
性質、例えばその力学特性を高精度に測定するマイクロ
材料試験装置及びこれによる力学特性評価方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体加工技術の進歩によりマイクロマ
シン等に用いられる電子デバイスの高集積化、高性能化
が進んでいるが、これに伴ってこれらマイクロデバイス
の信頼性を向上するためには、その力学特性を高精度に
測定評価することが重要である。又これらデバイスの保
護膜や機能性薄膜として構成されるシリコン系マイクロ
材料の力学特性を評価するには、そのデバイスを微小寸
法下でその性質を測定し、これによるデータを設計に適
用する必要がある。しかし、このシリコン系マイクロ材
料、例えば半導体シリコン系薄膜やダイヤモンドライク
カーボン薄膜（ＤＬＣ）等は、寸法構成が極めて小さ
く、その力学特性を高精度に評価することは極めて難し
い。
シン等に用いられる電子デバイスの高集積化、高性能化
が進んでいるが、これに伴ってこれらマイクロデバイス
の信頼性を向上するためには、その力学特性を高精度に
測定評価することが重要である。又これらデバイスの保
護膜や機能性薄膜として構成されるシリコン系マイクロ
材料の力学特性を評価するには、そのデバイスを微小寸
法下でその性質を測定し、これによるデータを設計に適
用する必要がある。しかし、このシリコン系マイクロ材
料、例えば半導体シリコン系薄膜やダイヤモンドライク
カーボン薄膜（ＤＬＣ）等は、寸法構成が極めて小さ
く、その力学特性を高精度に評価することは極めて難し
い。
【０００３】従来、これらマイクロ材料の力学特性を測
定する方法として、バイメタル法や振動リード法等が提
案されているが、バイメタル法はヤング率を決定する際
にポアソン比を仮定しなければならないため信頼性に問
題があり、又振動リード法では、ヤング率は正確に測定
できるがポアソン比を測定することができない。これに
対し、引張り試験法は、ポアソン比の測定に対しても有
効な試験法であるが、試料寸法に制限があるため、この
種の超微小試料に対しては高精度な歪み測定ができない
という欠点があった。
定する方法として、バイメタル法や振動リード法等が提
案されているが、バイメタル法はヤング率を決定する際
にポアソン比を仮定しなければならないため信頼性に問
題があり、又振動リード法では、ヤング率は正確に測定
できるがポアソン比を測定することができない。これに
対し、引張り試験法は、ポアソン比の測定に対しても有
効な試験法であるが、試料寸法に制限があるため、この
種の超微小試料に対しては高精度な歪み測定ができない
という欠点があった。
【０００４】又、電子部品等の保護膜や機能性薄膜とし
て用いられ、それ自体では形状を保持することができな
いシリコン系薄膜材料やダイヤモンドライクカーボン薄
膜（ＤＬＣ）、及びマイクロマシン用高分子薄膜等に関
しては、上記の測定方法で力学特性を測定することがで
きず、この薄膜材料を評価するためには、他の材料の物
性値を用いてコンピュータシュミレーションによって評
価しなければならない。
て用いられ、それ自体では形状を保持することができな
いシリコン系薄膜材料やダイヤモンドライクカーボン薄
膜（ＤＬＣ）、及びマイクロマシン用高分子薄膜等に関
しては、上記の測定方法で力学特性を測定することがで
きず、この薄膜材料を評価するためには、他の材料の物
性値を用いてコンピュータシュミレーションによって評
価しなければならない。
【０００５】このように、従来の技術では、マイクロ材
料の力学特性を高精度に測定することできず、特にそれ
自体では形状を保持することができない薄膜材料に関し
ては、測定値の信頼性が期待できないなどの問題があっ
た。
料の力学特性を高精度に測定することできず、特にそれ
自体では形状を保持することができない薄膜材料に関し
ては、測定値の信頼性が期待できないなどの問題があっ
た。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ナノテクノ
ロジー時代に対応して上記の問題点を解決するためのも
ので、マイクロ材料の力学特性を原形のまま直接高精度
に測定し、評価できるマイクロ材料試験装置及びこれに
よるマイクロ材料の力学特性評価方法を提供する。
ロジー時代に対応して上記の問題点を解決するためのも
ので、マイクロ材料の力学特性を原形のまま直接高精度
に測定し、評価できるマイクロ材料試験装置及びこれに
よるマイクロ材料の力学特性評価方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のマイクロ材料試
験装置は、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ部に、
微小試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷するため
のアクチュエータと、これによる微小試験片への負荷を
検出する手段とを備えた微小引張り・圧縮試験機構を装
備し、引張り又は圧縮負荷による試験片の微小歪を走査
型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定する
ことを特徴とする。好ましくは、アクチュエータが、微
動用と粗動用の２つの機能を併せ備えている。
験装置は、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ部に、
微小試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷するため
のアクチュエータと、これによる微小試験片への負荷を
検出する手段とを備えた微小引張り・圧縮試験機構を装
備し、引張り又は圧縮負荷による試験片の微小歪を走査
型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定する
ことを特徴とする。好ましくは、アクチュエータが、微
動用と粗動用の２つの機能を併せ備えている。
【０００８】又、別の発明のマイクロ材料試験装置で
は、走査型プローブ顕微鏡のプローブの先端部を硬質の
尖鋭圧子とし、試料ステージ部に載置した薄膜試料に対
して前記圧子を介して押し込み荷重を負荷する手段と、
この押し込み荷重を検出する手段とを顕微鏡の試料室に
併せ設け、前記押し込み荷重による試料の圧痕の深さを
走査型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定
することを特徴とする。好ましくは、圧痕の面積を測定
する面積測定手段を備え、圧子がダイヤモンドから成っ
ている。
は、走査型プローブ顕微鏡のプローブの先端部を硬質の
尖鋭圧子とし、試料ステージ部に載置した薄膜試料に対
して前記圧子を介して押し込み荷重を負荷する手段と、
この押し込み荷重を検出する手段とを顕微鏡の試料室に
併せ設け、前記押し込み荷重による試料の圧痕の深さを
走査型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定
することを特徴とする。好ましくは、圧痕の面積を測定
する面積測定手段を備え、圧子がダイヤモンドから成っ
ている。
【０００９】更に、本発明のマイクロ材料の力学的評価
方法では、前記のマイクロ材料試験装置によって試験片
に引張り又は圧縮荷重を負荷する操作と、試験片に押し
込み荷重を負荷する操作とを正順又は逆順に行い、試験
片の微小歪と圧痕深さとを、走査型プローブ顕微鏡の試
料表面観測系を利用して計測し、この計測値によって試
験片のヤング率及びポアソン比の一方又は双方を演算す
ることを特徴とする。
方法では、前記のマイクロ材料試験装置によって試験片
に引張り又は圧縮荷重を負荷する操作と、試験片に押し
込み荷重を負荷する操作とを正順又は逆順に行い、試験
片の微小歪と圧痕深さとを、走査型プローブ顕微鏡の試
料表面観測系を利用して計測し、この計測値によって試
験片のヤング率及びポアソン比の一方又は双方を演算す
ることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施例を説明する。この実施例では、試料に引張り荷
重を負荷して試料の力学特性を測定する例であるが、同
様に圧縮荷重を負荷して測定することも可能である。
の実施例を説明する。この実施例では、試料に引張り荷
重を負荷して試料の力学特性を測定する例であるが、同
様に圧縮荷重を負荷して測定することも可能である。
【００１１】先ず、第一発明によるマイクロ材料試験装
置の一実施例を用いて、試料の力学特性を測定する方法
を、図１に基づいて説明する。以下、この実施例を第一
実施例という。図１は、この第一実施例の説明図を示
す。この実施例において、力学特性を測定する試料は、
例えば半導体シリコン系薄膜や化合物半導体薄膜等のマ
イクロ薄膜材料で、マイクロマシン等に使用する際の微
小な寸法構成でも形状が保持されるものである。
置の一実施例を用いて、試料の力学特性を測定する方法
を、図１に基づいて説明する。以下、この実施例を第一
実施例という。図１は、この第一実施例の説明図を示
す。この実施例において、力学特性を測定する試料は、
例えば半導体シリコン系薄膜や化合物半導体薄膜等のマ
イクロ薄膜材料で、マイクロマシン等に使用する際の微
小な寸法構成でも形状が保持されるものである。
【００１２】図１において、２は走査型プローブ顕微鏡
の筐体の一部を模擬的に示したものである。この実施例
は、プローブ（探針）２１と試験片１との間に作用する
原子間力を検出することによって試料表面の形状を超精
密に測定する。原子間力顕微鏡に本発明を適用した例で
ある。この例では、ボイスコイルアクチュエータ２３，
２３’，２３’’によるスキャナ２２を用い、このスキ
ャナ２２の下方に取り付けたカンチレバー２４によって
プローブ２１が片持ち支持されており、スキャナ２２を
走査してプローブ２１を三次元（ＸＹＺ軸）方向に精密
走査する。尚、ピエゾ式スキャナを利用してもプローブ
の走査が可能であることは当然である。
の筐体の一部を模擬的に示したものである。この実施例
は、プローブ（探針）２１と試験片１との間に作用する
原子間力を検出することによって試料表面の形状を超精
密に測定する。原子間力顕微鏡に本発明を適用した例で
ある。この例では、ボイスコイルアクチュエータ２３，
２３’，２３’’によるスキャナ２２を用い、このスキ
ャナ２２の下方に取り付けたカンチレバー２４によって
プローブ２１が片持ち支持されており、スキャナ２２を
走査してプローブ２１を三次元（ＸＹＺ軸）方向に精密
走査する。尚、ピエゾ式スキャナを利用してもプローブ
の走査が可能であることは当然である。
【００１３】本実施例では、このプローブ２１の下方の
試料ステージ部に装備される微小引張り試験機構３を装
備し、この機構３上に試験片１が固着されている。試験
片１は微小幅のブリッジ部１１を備え、このブリッジ部
１１の表面には標点となる微小な格子状のラインパター
ン１２が設けられている。
試料ステージ部に装備される微小引張り試験機構３を装
備し、この機構３上に試験片１が固着されている。試験
片１は微小幅のブリッジ部１１を備え、このブリッジ部
１１の表面には標点となる微小な格子状のラインパター
ン１２が設けられている。
【００１４】先ず、微小引張り試験機構３で試験片１に
引張り荷重Ｐを負荷することによって、ブリッジ部１１
に応力σが発生する。この状態でラインパターン１２の
変化を走査型プローブ顕微鏡２の試料表面観測系で観察
することにより、引張り荷重Ｐによる試験片１の微小な
縦歪みε及び横歪みε’を測定する。この際、引張り荷
重Ｐを負荷すると同時にラインパターン１２を観察する
ことにより、ブリッジ部１１の縦歪みε及び横歪みε’
を素早く、且つ精密に測定可能である。
引張り荷重Ｐを負荷することによって、ブリッジ部１１
に応力σが発生する。この状態でラインパターン１２の
変化を走査型プローブ顕微鏡２の試料表面観測系で観察
することにより、引張り荷重Ｐによる試験片１の微小な
縦歪みε及び横歪みε’を測定する。この際、引張り荷
重Ｐを負荷すると同時にラインパターン１２を観察する
ことにより、ブリッジ部１１の縦歪みε及び横歪みε’
を素早く、且つ精密に測定可能である。
【００１５】この実施例において、走査型プローブ顕微
鏡２による微小試料のブリッジ部１１の歪は、以下の手
順によって測定される。スキャナ２２の走査により、プ
ローブ２１が試験片１のブリッジ部１１表面に載置さ
れ、この状態においてプローブ２１をスキャナ２３，２
３’’によってＸＹ方向に走査し、この間プローブ２１
と試験片１との間に作用する原子間力が一定となるよう
に、スキャナ２２のＺ軸方向の走査を制御する。これに
よるＸＹ軸方向の位置に対応したＺ軸方向のフィードバ
ック量をスキャナ２２の出力電圧として検出し、これを
演算装置を介して三次元画像として画面上に出力するこ
とによりブリッジ部１１表面、即ちラインパターン１２
の変化を観察する。
鏡２による微小試料のブリッジ部１１の歪は、以下の手
順によって測定される。スキャナ２２の走査により、プ
ローブ２１が試験片１のブリッジ部１１表面に載置さ
れ、この状態においてプローブ２１をスキャナ２３，２
３’’によってＸＹ方向に走査し、この間プローブ２１
と試験片１との間に作用する原子間力が一定となるよう
に、スキャナ２２のＺ軸方向の走査を制御する。これに
よるＸＹ軸方向の位置に対応したＺ軸方向のフィードバ
ック量をスキャナ２２の出力電圧として検出し、これを
演算装置を介して三次元画像として画面上に出力するこ
とによりブリッジ部１１表面、即ちラインパターン１２
の変化を観察する。
【００１６】この実施例では、プローブ２１と試験片１
との間に作用する原子間力を利用しているが、プローブ
２１と試験片１との間に作用するトンネル電流、磁気力
等の機械・電磁気相互作用を利用してフィードバック量
を取り込み、ラインパターン１２の歪を測定・検出する
ことも可能である。
との間に作用する原子間力を利用しているが、プローブ
２１と試験片１との間に作用するトンネル電流、磁気力
等の機械・電磁気相互作用を利用してフィードバック量
を取り込み、ラインパターン１２の歪を測定・検出する
ことも可能である。
【００１７】そして、上記により測定した応力σ、縦歪
みε及び横歪みε’を下記の式１及び式２に代入して、
試料の力学特性であるヤング率Ｅ及びポアソン比νを演
算する。
みε及び横歪みε’を下記の式１及び式２に代入して、
試料の力学特性であるヤング率Ｅ及びポアソン比νを演
算する。
【００１８】Ｅ＝σ／ε ・・・・（式１）
【００１９】ν＝−（ε’／ε） ・・・・（式２）
【００２０】試験片１の具体例を図２及び図３に基づい
て説明する。この試験片１は、例えば半導体シリコン系
薄膜や化合物半導体薄膜等のシリコン系マイクロ材料
で、マイクロマシン等に使用する際の微小な構成寸法で
も形状が保持される。
て説明する。この試験片１は、例えば半導体シリコン系
薄膜や化合物半導体薄膜等のシリコン系マイクロ材料
で、マイクロマシン等に使用する際の微小な構成寸法で
も形状が保持される。
【００２１】図２Ａは試験片１の平面図を、Ｂはライン
パターン１２の拡大斜視図を示す。図２Ａに示すよう
に、試験片１は全体寸法構成として、例えば長さＬ１が
２７ｍｍ、幅Ｗ１が１３ｍｍ、そして厚みが０．５ｍｍ
のものであり、その中央部分に比較的大きな空間部１０
が設けられ、この空間部１０を掛け渡す微小幅のブリッ
ジ部１１が設けられている。
パターン１２の拡大斜視図を示す。図２Ａに示すよう
に、試験片１は全体寸法構成として、例えば長さＬ１が
２７ｍｍ、幅Ｗ１が１３ｍｍ、そして厚みが０．５ｍｍ
のものであり、その中央部分に比較的大きな空間部１０
が設けられ、この空間部１０を掛け渡す微小幅のブリッ
ジ部１１が設けられている。
【００２２】このブリッジ部１１は、試料の力学特性を
測定する対象部分で、その寸法は、この試料を実際に使
用する際の寸法であり、図２Ａ及び図３に示すように、
例えば長さＬ２が３ｍｍ、幅Ｗ２が０．３ｍｍ、厚みｔ
が２０μｍ（０．０２ｍｍ）であって、その表面中央に
は標点となる微小な格子状のラインパターン１２が設け
られている。図３は、ブリッジ部１１の拡大斜視図を示
す。
測定する対象部分で、その寸法は、この試料を実際に使
用する際の寸法であり、図２Ａ及び図３に示すように、
例えば長さＬ２が３ｍｍ、幅Ｗ２が０．３ｍｍ、厚みｔ
が２０μｍ（０．０２ｍｍ）であって、その表面中央に
は標点となる微小な格子状のラインパターン１２が設け
られている。図３は、ブリッジ部１１の拡大斜視図を示
す。
【００２３】又、この試験片１には、後述する引張り試
験のためのチャックに係合する孔部１４，１４’が両端
側に設けられており、この孔部１４，１４’は３ｍｍ角
程度である。図２Ｂに示すように、このラインパターン
１２は、ライン部１３とその間隔の寸法Ｗ３が２０μ
ｍ、ライン部１３の厚みｔ’が２００ｎｍ（０．０００
２ｍｍ）と極めて微小なパターン構造と成っている。
験のためのチャックに係合する孔部１４，１４’が両端
側に設けられており、この孔部１４，１４’は３ｍｍ角
程度である。図２Ｂに示すように、このラインパターン
１２は、ライン部１３とその間隔の寸法Ｗ３が２０μ
ｍ、ライン部１３の厚みｔ’が２００ｎｍ（０．０００
２ｍｍ）と極めて微小なパターン構造と成っている。
【００２４】次に、走査型プローブ顕微鏡２の試料ステ
ージ部に装備される引張り試験機構３について図４に基
づいて説明する。図４は、引張り試験機構３の平面図を
示す。この引張り試験機構３は、試験片１を保持するチ
ャック部３０，３０’を備えており、この上面には試験
片１の孔部１４，１４’に係合する突状部３１，３１’
を具備している。このチャック部３０，３０’は、走査
型プローブ顕微鏡２のための試料ステージ部の機能を含
むものである。
ージ部に装備される引張り試験機構３について図４に基
づいて説明する。図４は、引張り試験機構３の平面図を
示す。この引張り試験機構３は、試験片１を保持するチ
ャック部３０，３０’を備えており、この上面には試験
片１の孔部１４，１４’に係合する突状部３１，３１’
を具備している。このチャック部３０，３０’は、走査
型プローブ顕微鏡２のための試料ステージ部の機能を含
むものである。
【００２５】３２，３２’は、この試験片１にチャック
部３０を介して引張り荷重を負荷するための圧電素子ア
クチュエータで、チャック部３０に超微動を与える微動
用アクチュエータ３２と、大きく移動させる粗動用アク
チュエータ３２’であり、試験片１の力学特性によって
又は測定目的に応じて微動用アクチュエータ３２と粗動
用アクチュエータ３２’を使い分ける。即ち、強度が高
い試験片１を測定する際には粗動用アクチュエータ３
２’を、強度が低い試験片１を測定する際には微動用ア
クチュエータ３２を用いる。
部３０を介して引張り荷重を負荷するための圧電素子ア
クチュエータで、チャック部３０に超微動を与える微動
用アクチュエータ３２と、大きく移動させる粗動用アク
チュエータ３２’であり、試験片１の力学特性によって
又は測定目的に応じて微動用アクチュエータ３２と粗動
用アクチュエータ３２’を使い分ける。即ち、強度が高
い試験片１を測定する際には粗動用アクチュエータ３
２’を、強度が低い試験片１を測定する際には微動用ア
クチュエータ３２を用いる。
【００２６】３３は試験片１のブリッジ部１１への引張
り荷重Ｐを検出するロードセルであって、３４は差動変
位計である。この引張り試験機構３を使用する際には、
突状部３１，３１’に試験片１の孔部１４，１４’を係
合し、アクチュエータ３２，３２’を操作することによ
り、チャック部３０が移動してブリッジ部１１を軸方向
に引張る。
り荷重Ｐを検出するロードセルであって、３４は差動変
位計である。この引張り試験機構３を使用する際には、
突状部３１，３１’に試験片１の孔部１４，１４’を係
合し、アクチュエータ３２，３２’を操作することによ
り、チャック部３０が移動してブリッジ部１１を軸方向
に引張る。
【００２７】次に、第２発明によるマイクロ材料試験装
置の一実施例を用いた試料の力学特性を測定する方法
を、図５に基づいて説明する。以下、この実施例を第２
実施例という。図５は、この第２実施例の説明図を示
す。この実施例において、力学特性を測定する試験片１
は、例えばダイヤモンドライクカーボン薄膜（ＤＬ
Ｃ）、マイクロマシン用高分子薄膜等のマイクロ材料で
ある。この実施例は、上記した第１実施例では測定でき
ない試料を測定可能にしたものである。即ち、マイクロ
マシン等で使用する際には、積層状の保護膜や機能性薄
膜として用いられるものであり、それ自体では形状が保
持されない。
置の一実施例を用いた試料の力学特性を測定する方法
を、図５に基づいて説明する。以下、この実施例を第２
実施例という。図５は、この第２実施例の説明図を示
す。この実施例において、力学特性を測定する試験片１
は、例えばダイヤモンドライクカーボン薄膜（ＤＬ
Ｃ）、マイクロマシン用高分子薄膜等のマイクロ材料で
ある。この実施例は、上記した第１実施例では測定でき
ない試料を測定可能にしたものである。即ち、マイクロ
マシン等で使用する際には、積層状の保護膜や機能性薄
膜として用いられるものであり、それ自体では形状が保
持されない。
【００２８】この実施例において、上記の第一実施例と
同様の構成に関しては説明を省略する。図５に示すよう
に、試験片１のブリッジ部１１を基板とし、その表面に
試料１１’を載置しており、走査型プローブ顕微鏡２の
プローブ２１の先端部を硬質の尖鋭圧子とし、好ましく
はダイヤモンド圧子とする。
同様の構成に関しては説明を省略する。図５に示すよう
に、試験片１のブリッジ部１１を基板とし、その表面に
試料１１’を載置しており、走査型プローブ顕微鏡２の
プローブ２１の先端部を硬質の尖鋭圧子とし、好ましく
はダイヤモンド圧子とする。
【００２９】先ず、上記の第一実施例と同様に、微小引
張り試験機構３でブリッジ部１１に引張り荷重Ｐを負荷
することにより、試料１１’の縦歪みεと応力σを求
め、これらを下記の式３に代入することにより、試料１
１’と基板１１との合成ヤング率Ｅ１＋２を演算する。
張り試験機構３でブリッジ部１１に引張り荷重Ｐを負荷
することにより、試料１１’の縦歪みεと応力σを求
め、これらを下記の式３に代入することにより、試料１
１’と基板１１との合成ヤング率Ｅ１＋２を演算する。
【００３０】そして、基板１１のヤング率Ｅ２を第一実
施例で予め測定し、合成ヤング率Ｅ １＋２、図６に示す
試料１１’の厚みｔ１、及び基板１１の厚みｔ２を下記
の式４に代入して、試料１１’のヤング率Ｅ１を演算す
る。図６は、ブリッジ部１１及び試料１１’の拡大斜視
図を示す。この実施例の試料１１’の厚み寸法ｔ１は
０．３μｍであり、その他の寸法構成は第一実施例と同
一である。
施例で予め測定し、合成ヤング率Ｅ １＋２、図６に示す
試料１１’の厚みｔ１、及び基板１１の厚みｔ２を下記
の式４に代入して、試料１１’のヤング率Ｅ１を演算す
る。図６は、ブリッジ部１１及び試料１１’の拡大斜視
図を示す。この実施例の試料１１’の厚み寸法ｔ１は
０．３μｍであり、その他の寸法構成は第一実施例と同
一である。
【００３１】Ｅ１＋２ ＝σ／ε ・・・・（式３）
【００３２】
Ｅ１＋２ ＝（ｔ１・Ｅ１＋ｔ２・Ｅ２）／（ｔ１＋ｔ２） ・・・・（式４
）
【００３３】この実施例に用いる試料１１’は、非常に
薄いため、引張り荷重Ｐを負荷した際の上面と下面の形
状が異なり、第一実施例と同様の方法では横歪みε’を
測定することができない。そこで、以下に説明する方法
を実施する。
薄いため、引張り荷重Ｐを負荷した際の上面と下面の形
状が異なり、第一実施例と同様の方法では横歪みε’を
測定することができない。そこで、以下に説明する方法
を実施する。
【００３４】走査型プローブ顕微鏡２のスキャナ２２を
Ｚ軸方向に走査して、プローブ２１の先端を試料１１’
に押し込み、その押込み荷重Ｐ’と、それによって形成
された試料１１’表面の圧痕５０の深さｈとを測定す
る。この実施例では、信頼性を高めるために押込み試験
を４回実施しており、４回目に実施した試験曲線７０の
傾き（ｄＰ’／ｄｈ）７１を図７から決定する。図７
は、押込み荷重Ｐ’とその押込み量ｈとの関係を示すグ
ラフである。
Ｚ軸方向に走査して、プローブ２１の先端を試料１１’
に押し込み、その押込み荷重Ｐ’と、それによって形成
された試料１１’表面の圧痕５０の深さｈとを測定す
る。この実施例では、信頼性を高めるために押込み試験
を４回実施しており、４回目に実施した試験曲線７０の
傾き（ｄＰ’／ｄｈ）７１を図７から決定する。図７
は、押込み荷重Ｐ’とその押込み量ｈとの関係を示すグ
ラフである。
【００３５】尚、この圧痕５０の深さｈは、押込み荷重
Ｐ’を負荷した状態で、レーザーダイオード２５から照
射するレーザービーム２７をカンチレバー２４に当て、
反射したビーム２７’をフォトディテクター２６で感知
して測定する。そして、押し込み荷重Ｐ’は、カンチレ
バー２４のバネ定数と撓み量から算出される。
Ｐ’を負荷した状態で、レーザーダイオード２５から照
射するレーザービーム２７をカンチレバー２４に当て、
反射したビーム２７’をフォトディテクター２６で感知
して測定する。そして、押し込み荷重Ｐ’は、カンチレ
バー２４のバネ定数と撓み量から算出される。
【００３６】更に、この圧痕５０の面積Ａ’を面積測定
手段により測定する。この面積測定手段は、例えば圧痕
５０を走査型プローブ顕微鏡２を用いて画像処理し、こ
の画像から面積Ａ’を計測するソフトから成っている。
そして、傾き（ｄｈ／ｄＰ’）と面積Ａ’を下記の式５
に代入し、圧子（ダイヤモンド製）２１と試料１１’と
の合成ヤング率Ｅｒを算出する。そして、この合成ヤン
グ率Ｅｒ、上記から導いた試料１１’のヤング率Ｅ１、
予め測定した圧子のポアソン比νｉとヤング率Ｅｉを下
記の式６に代入して試料１１’のポアソン比ν１を演算
する。
手段により測定する。この面積測定手段は、例えば圧痕
５０を走査型プローブ顕微鏡２を用いて画像処理し、こ
の画像から面積Ａ’を計測するソフトから成っている。
そして、傾き（ｄｈ／ｄＰ’）と面積Ａ’を下記の式５
に代入し、圧子（ダイヤモンド製）２１と試料１１’と
の合成ヤング率Ｅｒを算出する。そして、この合成ヤン
グ率Ｅｒ、上記から導いた試料１１’のヤング率Ｅ１、
予め測定した圧子のポアソン比νｉとヤング率Ｅｉを下
記の式６に代入して試料１１’のポアソン比ν１を演算
する。
【００３７】
【式５】
【００３８】
【式６】
【００３９】上記した２つの実施例における装置では、
走査型プローブ顕微鏡２のスキャナ２２がプローブ２１
を走査するものであるが、試料ステージ部をスキャナ２
２が走査するものであっても良く、その場合でも本発明
の効果を得ることは当然である。
走査型プローブ顕微鏡２のスキャナ２２がプローブ２１
を走査するものであるが、試料ステージ部をスキャナ２
２が走査するものであっても良く、その場合でも本発明
の効果を得ることは当然である。
【００４０】
【発明の効果】従来の技術によれば、上述した通り、マ
イクロマシン等に用いられるマイクロ材料の力学特性を
正確に測定することができない。しかし、本発明によれ
ば、上記の説明の通り、マイクロ材料の力学特性を原形
のまま直接高精度に測定し、評価できる。そして、この
力学特性を高精度に測定することによって、マイクロ材
料を用いたマイクロマシンの設計、マイクロ材料薄膜で
コーティングした機器・電子部品の設計及びシュミレー
ションをする際など極めて広範囲に利用することができ
る。
イクロマシン等に用いられるマイクロ材料の力学特性を
正確に測定することができない。しかし、本発明によれ
ば、上記の説明の通り、マイクロ材料の力学特性を原形
のまま直接高精度に測定し、評価できる。そして、この
力学特性を高精度に測定することによって、マイクロ材
料を用いたマイクロマシンの設計、マイクロ材料薄膜で
コーティングした機器・電子部品の設計及びシュミレー
ションをする際など極めて広範囲に利用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例の説明図を示す。
【図２】試験片の説明図を示す。
【図３】第一実施例のブリッジ部の拡大図を示す。
【図４】引張り試験機構の平面図を示す。
【図５】第２実施例の説明図を示す。
【図６】第２実施例のブリッジ部及び試料の拡大図を示
す。
す。
【図７】押込み荷重Ｐ’と押込み量ｈとの関係のグラフ
を示す。
を示す。
１ 試験片
２ 走査型プローブ顕微鏡
３ 微小引張り試験機構
２１ プローブ
３２ アクチュエータ
５０ 圧痕
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｇ０１Ｎ 13/10 Ｇ０１Ｎ 13/10 Ｆ
// Ｇ０１Ｎ 13/16 13/16 Ａ
Ｆターム(参考） 2F069 AA43 AA60 AA68 BB40 GG01
GG04 GG07 GG18 GG52 GG62
HH05 HH30 JJ07 JJ25 LL03
PP04 RR03 RR05
2G061 AA01 AA02 BA07 CB20 EA03
EA04 EB10
Claims (6)
- 【請求項１】 走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ部
に、微小試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する
ためのアクチュエータと、これによる微小試験片への負
荷を検出する手段とを備えた微小引張り・圧縮試験機構
を装備し、引張り又は圧縮負荷による試験片の微小歪を
走査型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定
することを特徴とするマイクロ材料試験装置。 - 【請求項２】 前記アクチュエータが、微動用と粗動用
の２つの機能を併せ備えていることを特徴とする請求項
１に記載のマイクロ材料試験装置。 - 【請求項３】 走査型プローブ顕微鏡のプローブの先端
部を硬質の尖鋭圧子とし、試料ステージ部に載置した薄
膜試料に対して前記圧子を介して押し込み荷重を負荷す
る手段と、この押し込み荷重を検出する手段とを顕微鏡
の試料室に併せ設け、前記押し込み荷重による試料の圧
痕の深さを走査型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利
用して測定することを特徴とするマイクロ材料試験装
置。 - 【請求項４】 前記圧痕の面積を測定する面積測定手段
を備えたことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ材
料試験装置。 - 【請求項５】 前記圧子がダイヤモンドから成ることを
特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロ材料試験装
置。 - 【請求項６】 請求項１のマイクロ材料試験装置によっ
て試験片に引張り又は圧縮荷重を負荷する操作と、請求
項３のマイクロ材料試験装置によって試験片に押し込み
荷重を負荷する操作とを正順又は逆順に行い、試験片の
微小歪と圧痕深さとを、走査型プローブ顕微鏡の試料表
面観測系を利用して計測し、この計測値によって試験片
のヤング率及びポアソン比の一方又は双方を演算するこ
とを特徴とするマイクロ材料の力学特性評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002006252A JP3675406B2 (ja) | 2002-01-15 | 2002-01-15 | マイクロ材料試験装置及びこれによる力学特性評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002006252A JP3675406B2 (ja) | 2002-01-15 | 2002-01-15 | マイクロ材料試験装置及びこれによる力学特性評価方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005044388A Division JP2005201908A (ja) | 2005-02-21 | 2005-02-21 | マイクロ材料試験装置 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003207432A true JP2003207432A (ja) | 2003-07-25 |
| JP2003207432A5 JP2003207432A5 (ja) | 2005-06-30 |
| JP3675406B2 JP3675406B2 (ja) | 2005-07-27 |
Family
ID=27645074
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3675406B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006075810A1 (en) * | 2005-01-17 | 2006-07-20 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Micro material tester |
| JP2008039530A (ja) * | 2006-08-03 | 2008-02-21 | Okayama Univ | ひずみ測定方法及びひずみ測定装置 |
| JP2009156725A (ja) * | 2007-12-27 | 2009-07-16 | Hyogo Prefecture | 薄膜試験片構造体、その製造方法、その引張試験方法及び引張試験装置 |
| JP2012052885A (ja) * | 2010-08-31 | 2012-03-15 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | 固体物質試料の極表面弾性率の測定方法及びそれを用いた樹脂表面の対膜接着性評価方法 |
| CN103760019A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-30 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 原子力显微镜配套用卧式材料拉伸压缩试验机 |
| US8844367B2 (en) | 2010-06-02 | 2014-09-30 | Kumamoto University | Micromaterial strain measurement apparatus and method therefor |
| JP2015179018A (ja) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | 株式会社Ihi | 応力測定装置及び応力測定方法 |
| CN107121107A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-09-01 | 华中科技大学 | 一种薄膜张力测量装置及方法 |
-
2002
- 2002-01-15 JP JP2002006252A patent/JP3675406B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| WO2006075810A1 (en) * | 2005-01-17 | 2006-07-20 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Micro material tester |
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| US8844367B2 (en) | 2010-06-02 | 2014-09-30 | Kumamoto University | Micromaterial strain measurement apparatus and method therefor |
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| CN103760019A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-30 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 原子力显微镜配套用卧式材料拉伸压缩试验机 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3675406B2 (ja) | 2005-07-27 |
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