JP2004271318A - Afm機能付き超微小硬度計 - Google Patents
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Abstract
【課題】試料表面に形成された圧子による圧痕に、カンチレバーを位置合わせする困難な作業を不要とし、圧痕を原子間力顕微鏡により容易に観察することのできるAFM機能付き超微小硬度計を提供する。
【解決手段】負荷ステージ2に、圧子3とカンチレバー4を同時に取り付け可能とするとともに、負荷ステージ2に対する圧子3とカンチレバー4の取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づき、試料ステージ1に対して圧子3およびカンチレバー4を互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を設けることにより、圧子3による圧痕上に自動的にカンチレバー4を移動させることを可能とする。
【選択図】 図1
【解決手段】負荷ステージ2に、圧子3とカンチレバー4を同時に取り付け可能とするとともに、負荷ステージ2に対する圧子3とカンチレバー4の取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づき、試料ステージ1に対して圧子3およびカンチレバー4を互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を設けることにより、圧子3による圧痕上に自動的にカンチレバー4を移動させることを可能とする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の微小領域の硬さを測定するための超微小硬度計に、材料の表面を観察するための原子間力顕微鏡(AFM)の機能を持たせた、AFM機能付き超微小硬度計に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば基板上の薄膜の硬さなど、微小な領域における材料の硬さを測定するための硬度計として、超微小硬度計と称される硬度計が知られている。この超微小硬度計は、被測定材料の表面に三角錐状に研磨されたダイアモンドからなる微小な圧子を0.2g程度以下の微小な押圧力のもとに押し込み、圧子の変位を検出してその押し込み量を求め、その押し込み量から被測定材料の硬さを求める。また、この種の硬度計においては、圧子により押圧された試料表面を観察する機能を有したものが多く、その観察には通常は光学顕微鏡が用いられている(例えば特許文献1参照)。
【0003】
また、近年、このような超微小硬度計に原子間力顕微鏡(AFM)の機能を持たせて、試料表面をより高倍率で観察できるようにしたものも実用化されている。このようなAFM機能付きの超微小硬度計においては、従来、本格的なAFM像を得るためには、試料表面を押圧するための圧子およびその取り付け部材などの周辺部材の全体を、カンチレバーおよびその取り付け部材などと交換する必要がある。
【0004】
【特許文献1】
特公平6−25721号公報(第1−2頁,図1)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧子およびその周辺部材ごとカンチレバーおよびその周辺部材と交換することによりAFMとしての機能を発揮させる従来のAFM機能付き超微小硬度計では、圧子による圧痕位置にカンチレバーを持ってくるにはサブミクロンオーダーの位置決めが必要である関係上、その位置合わせのための作業が困難で面倒であるという問題がある。
【0006】
本発明の目的は、試料表面に形成された圧子による圧痕にカンチレバーを位置合わせする困難な作業を不要とし、利便性に富んだAFM機能付き超微小硬度計を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のAFM機能付き超微小硬度計は、被測定試料の表面に圧子を微小荷重のもとに押圧して押し込み、その押し込み量の計測結果から被測定試料の硬度を求める超微小硬度計に、被測定試料の表面をカンチレバーで走査し、その試料表面の3次元形状を観察する原子間力顕微鏡としての機能を持たせてなるAFM機能付き超微小硬度計であって、上記試料ステージに、原子間力顕微鏡のカンチレバーの走査を可能とすべく互いに直交する3軸方向に微動させる微動機構が設けられている一方、互いに直交する3軸方向への移動機構を備え、かつ、上記圧子とその負荷用ピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージが、当該圧子および負荷用ピエゾアクチュエータと上記カンチレバーとを同時に取り付けることが可能に構成されているとともに、その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づいて、上記試料ステージに対して圧子およびカンチレバーを互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を備えていることによって特徴づけられる(請求項1)。
【0008】
ここで、本発明においては、上記位置決め手段の具体的構成としは、試料ステージに穿たれた透孔を介して上記負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光をレーザ光の照射方向に直交する平面上で複数箇所において検出する複数の光センサと、その各光センサの出力から圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判定する判定手段と、その圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置していると判定された時点における上記負荷ステージの移動機構による座標を記憶する記憶手段と、その記憶手段の内容にしたがって上記負荷ステージの移動機構を駆動する制御手段を備えた構成(請求項2)を採用することができる。
【0009】
本発明は、圧子とカンチレバーとを交換するのではなく、圧子とその負荷用のピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージに、カンチレバーをも同時に取り付けられるように構成し、その圧子とカンチレバーとを試料ステージに対して同じ位置に位置決めする位置決め手段を設けることによって、所期の目的を達成しようとするものてある。
【0010】
すなわち、本発明において、互いに直交する3軸方向への移動機構を備えた負荷ステージを、圧子とその負荷用のピエゾアクチュエータと併せてカンチレバーをも同時に取り付け可能に構成し、この負荷ステージにこれら両者を取り付けた状態において、圧子とカンチレバーとの取り付け位置の差を計測して、その計測結果に基づいて、これら圧子およびカンチレバーを試料ステージに対して互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を設ける。これにより、被測定試料を試料ステージ上に搭載してその表面に圧子を押し込んで硬度を測定した後、自動的にその圧痕の位置にカンチレバーを移動させることが可能となる。
【0011】
圧子とカンチレバーを同じ位置に位置決めするための具体的構成は、特に限定されるものではないが、請求項2に係る発明の構成を好適に採用することができる。すなわち、試料ステージ側から負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系を設け、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光を、レーザ光の光軸に直交する平面上の複数の位置に置かれた複数の光センサで検出することにより、圧子またはカンチレバーレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判別することができる。従って、被測定試料を試料ステージに搭載する前に、圧子をレーザ光の光軸上に位置させ、その状態における負荷ステージの移動機構による座標を記憶しておく。同様に、カンチレバーについても、レーザ光の光軸上に位置させ、その状態における負荷ステージの移動機構による座標記憶しておく。これにより、圧子とカンチレバーの負荷ステージに対する相対的な取り付け位置の正確な差を記憶したことになり、圧子による試料表面の押圧後、記憶内容に従って負荷ステージを移動させることにより、圧子による圧痕上に正確にカンチレバーを位置させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施の形態の構成図で、要部の機械的構成を表す模式的正面図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図であり、図2は図1における機械的構成部分の模式的左側面図である。
【0013】
試料ステージ1は、ピエゾ素子をアクチュエータとして互いに直交するx,yおよびz軸方向に微動する微動機構11と一体に形成されており、この試料ステージ1および微動機構11は、粗動機構12の駆動によりx,y,z軸方向に粗動する。
【0014】
負荷ステージ2は、パルスモータ等を駆動源とする移動機構21の駆動によってx,y,z軸方向に移動する。この負荷ステージ2には、持ち出し部材22が試料ステージ1の上方に向けて伸びており、この持ち出し部材22の先端下方に、負荷用ピエゾアクチュエータ31を介して圧子保持部材32が取り付けられ、この圧子保持部材32の下面に圧子3が固着されている。負荷用ピエゾアクチュエータ31を駆動することにより、圧子3がz軸方向に変位し、試料ステージ2上の被測定試料(図示せず)の表面に押し込まれる。また、この持ち出し部材22の下面には、負荷用ピエゾアクチュエータ31に隣接して取り付けられた支持部材41を介してカンチレバー4が装着されている。このカンチレバー4の先端にAFM機能のための先の尖った探針が取り付けられている。
【0015】
負荷ステージ2の持ち出し部材22の上方には、圧子保持部材32の上面またはカンチレバー4の上面にレーザ光を照射して得られる反射光を取り込み、その照射対象物の微小変位を計測するレーザ変位計5が設けられている。このレーザ変位計5は、光臨界角センサ、あるいはレーザ光の干渉を利用したものが用いられ、その出力はアンプ5aによって増幅された後、CPUを主体とする制御装置6に取り込まれる。
【0016】
この制御装置6は、前記した試料ステージ1の微動機構11、粗動機構12、負荷ステージの移動機構21、および負荷用ピエゾアクチュエータ31に対する駆動制御信号についても、それぞれに対応するドライバ(図示せず)を介して供給する。そして、この制御装置6はデータ処理や画像処理等を行うパーソナルコンピュータ7に接続されており、このパーソナルコンピュータ7との間でデータを授受しつつ、試料ステージ1上の被測定試料の表面に圧子3を押し込んで、レーザ変位計5による圧子3の変位計測結果からその押し込み量を求めて、被測定試料の硬度を求める超微小硬度計としての動作と、圧子3の押し込みにより生じた圧痕の近傍をカンチレバー4で走査するよう、試料ステージ1の微動機構11をx,y軸方向に微動させつつ、レーザ変位計5によるカンチレバー4のz軸方向への変位計測結果に応じて微動機構11をz軸方向に微動させ、そのx,yおよびz軸方向への刻々の微動量から、試料表面のAFM像を表示器7aに表示する原子間力顕微鏡としての動作とを選択的に実行することができるようにプログラムされている。
【0017】
さて、前記した試料ステージ1とその微動機構11の内部には、図3にその模式的縦断面図を示すように、半導体レーザなどのレーザ光源8が配置されており、このレーザ光源8は鉛直上方に向けてレーザ光を照射し、そのレーザ光は、試料ステージ1とその微動機構11の中央部に形成された貫通孔13を介して負荷ステージ2の持ち出し部材22の下面に向かうように構成されている。また、試料ステージ1の周囲には、貫通孔13を中心として複数個の光センサ9が配置されている。この各光センサ8の出力は、それぞれに対応するアンプ9a(図1において1個のみ図示)を介して制御装置6に取り込まれる。
【0018】
以上の本発明の実施の形態は、以下に示す手順並びに動作により、被測定試料の表面に圧子3を押し付けた位置に、カンチレバー4の探針部を自動的に位置決めすることができる。
【0019】
すなわち、試料ステージ1に被測定試料を載せる前に、負荷ステージ2の移動機構21を駆動して圧子3を試料ステージ1の略中央にまで移動させる。このとき、図4に示すように、レーザ光源8からのレーザ光が貫通孔13を介して圧子3に照射され、その散乱・反射光の一部が周囲の複数の光センサ9に入射する。圧子3の中心がレーザ光の光軸上に位置していない状態では、各光センサ9への入射光量にはアンバランスが生じており、圧子3の中心が光軸上に位置している状態では各光センサ9への入射光量がバランス状態となる。制御装置6では、各光センサ9への入射光量がよりバランスをとれた状態となるように、自動的に負荷ステージ2の移動機構21を駆動制御する。そして、各光センサ9への入射光量のバランスがとれた時点で、そのときの移動機構21の座標を記憶する。なお、圧子3は三角錐形状であるため、圧子3の中心がレーザ光軸上に位置している状態においては、厳密には各光センサ9への入射は、3方向への光量が均等となり、この点を考慮する必要がある。
【0020】
また、カンチレバー4についても、試料ステージ1の中央にまで大まかに移動させた後、各光センサ9によるレーザ光の探針からの反射光の検出結果が均等となるように上記と同等の手法により負荷ステージ2の移動機構21を自動的に駆動制御してレーザ光軸上に位置決めし、その時点における移動機構21の座標を記憶する。ここで、圧子3およびカンチレバー4のいずれについても、超微小硬度計およびAFMの実際の動作時に被測定試料表面の精密な検出動作が行われるので、z軸方向への厳密な位置合わせは不要であり、x,y軸方向への座標を記憶すればよい。
【0021】
以上の動作を終了した後、被測定試料を試料ステージ1上に載せ、超微小硬度計としての動作を実行し、被測定試料表面に圧子3を押し込み、その硬度を計測する。
【0022】
その後、キーボード等から指令を付与することにより、カンチレバー4の位置決め動作を実行する。この動作においては、上記した圧子3とカンチレバー4のレーザ光軸上への位置決め状態におけるそれぞれの座標の記憶内容から、これら両者の負荷ステージ2に対する取り付け位置の差、つまり負荷ステージ2上での相対的な位置関係が明らかになっているので、その差の分だけ移動機構21を駆動することにより、圧子3による圧痕上にカンチレバー4を正確に位置決めすることができる。その状態で、AFMとしての動作を実行することにより、直ちに圧痕位置でのAFM像を取得することができる。
【0023】
ここで、レーザ光軸上への圧子3およびカンチレバー4の位置決め精度は、レーザ波長、貫通孔13の大きさ、光センサ9の精度等によって変更することが可能であるが、一例として、半導体レーザを試料ステージ1に組み込み、15度ごとの角度で光センサ9を配置すれば、1μm以下の精度で位置合わせが可能となる。
【0024】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷ステージに圧子とカンチレバーを同時に取り付けることを可能とするとともに、その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を正確に計測して、その計測結果に基づいて圧子とカンチレバーを試料ステージに対して同じ位置に自動的に位置決めすることができるので、圧子とカンチレバーとを取り替える場合に比して、面倒で困難な位置合わせ作業を行うことなく、超微小硬度計の圧子による圧痕の精細なAFM像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式的正面図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図2】図1における機械的構成部分の模式的左側面図である。
【図3】本発明の実施の形態における試料ステージ1の近傍の模式的縦断面図である。
【図4】本発明の実施の形態における圧子3ないしはカンチレバー4の先端にレーザ光を照射したときの散乱・反射光の説明図である。
【符号の説明】
1 試料ステージ
11 微動機構
12 粗動機構
13 貫通孔
2 負荷ステージ
21 移動機構
22 持ち出し部材
3 圧子
31 負荷用ピエゾアクチュエータ
32 圧子保持部材
4 カンチレバー
41 支持部材
5 レーザ変位計
6 制御装置
7 パーソナルコンピュータ
8 レーザ光源
9 光センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の微小領域の硬さを測定するための超微小硬度計に、材料の表面を観察するための原子間力顕微鏡(AFM)の機能を持たせた、AFM機能付き超微小硬度計に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば基板上の薄膜の硬さなど、微小な領域における材料の硬さを測定するための硬度計として、超微小硬度計と称される硬度計が知られている。この超微小硬度計は、被測定材料の表面に三角錐状に研磨されたダイアモンドからなる微小な圧子を0.2g程度以下の微小な押圧力のもとに押し込み、圧子の変位を検出してその押し込み量を求め、その押し込み量から被測定材料の硬さを求める。また、この種の硬度計においては、圧子により押圧された試料表面を観察する機能を有したものが多く、その観察には通常は光学顕微鏡が用いられている(例えば特許文献1参照)。
【0003】
また、近年、このような超微小硬度計に原子間力顕微鏡(AFM)の機能を持たせて、試料表面をより高倍率で観察できるようにしたものも実用化されている。このようなAFM機能付きの超微小硬度計においては、従来、本格的なAFM像を得るためには、試料表面を押圧するための圧子およびその取り付け部材などの周辺部材の全体を、カンチレバーおよびその取り付け部材などと交換する必要がある。
【0004】
【特許文献1】
特公平6−25721号公報(第1−2頁,図1)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧子およびその周辺部材ごとカンチレバーおよびその周辺部材と交換することによりAFMとしての機能を発揮させる従来のAFM機能付き超微小硬度計では、圧子による圧痕位置にカンチレバーを持ってくるにはサブミクロンオーダーの位置決めが必要である関係上、その位置合わせのための作業が困難で面倒であるという問題がある。
【0006】
本発明の目的は、試料表面に形成された圧子による圧痕にカンチレバーを位置合わせする困難な作業を不要とし、利便性に富んだAFM機能付き超微小硬度計を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のAFM機能付き超微小硬度計は、被測定試料の表面に圧子を微小荷重のもとに押圧して押し込み、その押し込み量の計測結果から被測定試料の硬度を求める超微小硬度計に、被測定試料の表面をカンチレバーで走査し、その試料表面の3次元形状を観察する原子間力顕微鏡としての機能を持たせてなるAFM機能付き超微小硬度計であって、上記試料ステージに、原子間力顕微鏡のカンチレバーの走査を可能とすべく互いに直交する3軸方向に微動させる微動機構が設けられている一方、互いに直交する3軸方向への移動機構を備え、かつ、上記圧子とその負荷用ピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージが、当該圧子および負荷用ピエゾアクチュエータと上記カンチレバーとを同時に取り付けることが可能に構成されているとともに、その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づいて、上記試料ステージに対して圧子およびカンチレバーを互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を備えていることによって特徴づけられる(請求項1)。
【0008】
ここで、本発明においては、上記位置決め手段の具体的構成としは、試料ステージに穿たれた透孔を介して上記負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光をレーザ光の照射方向に直交する平面上で複数箇所において検出する複数の光センサと、その各光センサの出力から圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判定する判定手段と、その圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置していると判定された時点における上記負荷ステージの移動機構による座標を記憶する記憶手段と、その記憶手段の内容にしたがって上記負荷ステージの移動機構を駆動する制御手段を備えた構成(請求項2)を採用することができる。
【0009】
本発明は、圧子とカンチレバーとを交換するのではなく、圧子とその負荷用のピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージに、カンチレバーをも同時に取り付けられるように構成し、その圧子とカンチレバーとを試料ステージに対して同じ位置に位置決めする位置決め手段を設けることによって、所期の目的を達成しようとするものてある。
【0010】
すなわち、本発明において、互いに直交する3軸方向への移動機構を備えた負荷ステージを、圧子とその負荷用のピエゾアクチュエータと併せてカンチレバーをも同時に取り付け可能に構成し、この負荷ステージにこれら両者を取り付けた状態において、圧子とカンチレバーとの取り付け位置の差を計測して、その計測結果に基づいて、これら圧子およびカンチレバーを試料ステージに対して互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を設ける。これにより、被測定試料を試料ステージ上に搭載してその表面に圧子を押し込んで硬度を測定した後、自動的にその圧痕の位置にカンチレバーを移動させることが可能となる。
【0011】
圧子とカンチレバーを同じ位置に位置決めするための具体的構成は、特に限定されるものではないが、請求項2に係る発明の構成を好適に採用することができる。すなわち、試料ステージ側から負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系を設け、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光を、レーザ光の光軸に直交する平面上の複数の位置に置かれた複数の光センサで検出することにより、圧子またはカンチレバーレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判別することができる。従って、被測定試料を試料ステージに搭載する前に、圧子をレーザ光の光軸上に位置させ、その状態における負荷ステージの移動機構による座標を記憶しておく。同様に、カンチレバーについても、レーザ光の光軸上に位置させ、その状態における負荷ステージの移動機構による座標記憶しておく。これにより、圧子とカンチレバーの負荷ステージに対する相対的な取り付け位置の正確な差を記憶したことになり、圧子による試料表面の押圧後、記憶内容に従って負荷ステージを移動させることにより、圧子による圧痕上に正確にカンチレバーを位置させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施の形態の構成図で、要部の機械的構成を表す模式的正面図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図であり、図2は図1における機械的構成部分の模式的左側面図である。
【0013】
試料ステージ1は、ピエゾ素子をアクチュエータとして互いに直交するx,yおよびz軸方向に微動する微動機構11と一体に形成されており、この試料ステージ1および微動機構11は、粗動機構12の駆動によりx,y,z軸方向に粗動する。
【0014】
負荷ステージ2は、パルスモータ等を駆動源とする移動機構21の駆動によってx,y,z軸方向に移動する。この負荷ステージ2には、持ち出し部材22が試料ステージ1の上方に向けて伸びており、この持ち出し部材22の先端下方に、負荷用ピエゾアクチュエータ31を介して圧子保持部材32が取り付けられ、この圧子保持部材32の下面に圧子3が固着されている。負荷用ピエゾアクチュエータ31を駆動することにより、圧子3がz軸方向に変位し、試料ステージ2上の被測定試料(図示せず)の表面に押し込まれる。また、この持ち出し部材22の下面には、負荷用ピエゾアクチュエータ31に隣接して取り付けられた支持部材41を介してカンチレバー4が装着されている。このカンチレバー4の先端にAFM機能のための先の尖った探針が取り付けられている。
【0015】
負荷ステージ2の持ち出し部材22の上方には、圧子保持部材32の上面またはカンチレバー4の上面にレーザ光を照射して得られる反射光を取り込み、その照射対象物の微小変位を計測するレーザ変位計5が設けられている。このレーザ変位計5は、光臨界角センサ、あるいはレーザ光の干渉を利用したものが用いられ、その出力はアンプ5aによって増幅された後、CPUを主体とする制御装置6に取り込まれる。
【0016】
この制御装置6は、前記した試料ステージ1の微動機構11、粗動機構12、負荷ステージの移動機構21、および負荷用ピエゾアクチュエータ31に対する駆動制御信号についても、それぞれに対応するドライバ(図示せず)を介して供給する。そして、この制御装置6はデータ処理や画像処理等を行うパーソナルコンピュータ7に接続されており、このパーソナルコンピュータ7との間でデータを授受しつつ、試料ステージ1上の被測定試料の表面に圧子3を押し込んで、レーザ変位計5による圧子3の変位計測結果からその押し込み量を求めて、被測定試料の硬度を求める超微小硬度計としての動作と、圧子3の押し込みにより生じた圧痕の近傍をカンチレバー4で走査するよう、試料ステージ1の微動機構11をx,y軸方向に微動させつつ、レーザ変位計5によるカンチレバー4のz軸方向への変位計測結果に応じて微動機構11をz軸方向に微動させ、そのx,yおよびz軸方向への刻々の微動量から、試料表面のAFM像を表示器7aに表示する原子間力顕微鏡としての動作とを選択的に実行することができるようにプログラムされている。
【0017】
さて、前記した試料ステージ1とその微動機構11の内部には、図3にその模式的縦断面図を示すように、半導体レーザなどのレーザ光源8が配置されており、このレーザ光源8は鉛直上方に向けてレーザ光を照射し、そのレーザ光は、試料ステージ1とその微動機構11の中央部に形成された貫通孔13を介して負荷ステージ2の持ち出し部材22の下面に向かうように構成されている。また、試料ステージ1の周囲には、貫通孔13を中心として複数個の光センサ9が配置されている。この各光センサ8の出力は、それぞれに対応するアンプ9a(図1において1個のみ図示)を介して制御装置6に取り込まれる。
【0018】
以上の本発明の実施の形態は、以下に示す手順並びに動作により、被測定試料の表面に圧子3を押し付けた位置に、カンチレバー4の探針部を自動的に位置決めすることができる。
【0019】
すなわち、試料ステージ1に被測定試料を載せる前に、負荷ステージ2の移動機構21を駆動して圧子3を試料ステージ1の略中央にまで移動させる。このとき、図4に示すように、レーザ光源8からのレーザ光が貫通孔13を介して圧子3に照射され、その散乱・反射光の一部が周囲の複数の光センサ9に入射する。圧子3の中心がレーザ光の光軸上に位置していない状態では、各光センサ9への入射光量にはアンバランスが生じており、圧子3の中心が光軸上に位置している状態では各光センサ9への入射光量がバランス状態となる。制御装置6では、各光センサ9への入射光量がよりバランスをとれた状態となるように、自動的に負荷ステージ2の移動機構21を駆動制御する。そして、各光センサ9への入射光量のバランスがとれた時点で、そのときの移動機構21の座標を記憶する。なお、圧子3は三角錐形状であるため、圧子3の中心がレーザ光軸上に位置している状態においては、厳密には各光センサ9への入射は、3方向への光量が均等となり、この点を考慮する必要がある。
【0020】
また、カンチレバー4についても、試料ステージ1の中央にまで大まかに移動させた後、各光センサ9によるレーザ光の探針からの反射光の検出結果が均等となるように上記と同等の手法により負荷ステージ2の移動機構21を自動的に駆動制御してレーザ光軸上に位置決めし、その時点における移動機構21の座標を記憶する。ここで、圧子3およびカンチレバー4のいずれについても、超微小硬度計およびAFMの実際の動作時に被測定試料表面の精密な検出動作が行われるので、z軸方向への厳密な位置合わせは不要であり、x,y軸方向への座標を記憶すればよい。
【0021】
以上の動作を終了した後、被測定試料を試料ステージ1上に載せ、超微小硬度計としての動作を実行し、被測定試料表面に圧子3を押し込み、その硬度を計測する。
【0022】
その後、キーボード等から指令を付与することにより、カンチレバー4の位置決め動作を実行する。この動作においては、上記した圧子3とカンチレバー4のレーザ光軸上への位置決め状態におけるそれぞれの座標の記憶内容から、これら両者の負荷ステージ2に対する取り付け位置の差、つまり負荷ステージ2上での相対的な位置関係が明らかになっているので、その差の分だけ移動機構21を駆動することにより、圧子3による圧痕上にカンチレバー4を正確に位置決めすることができる。その状態で、AFMとしての動作を実行することにより、直ちに圧痕位置でのAFM像を取得することができる。
【0023】
ここで、レーザ光軸上への圧子3およびカンチレバー4の位置決め精度は、レーザ波長、貫通孔13の大きさ、光センサ9の精度等によって変更することが可能であるが、一例として、半導体レーザを試料ステージ1に組み込み、15度ごとの角度で光センサ9を配置すれば、1μm以下の精度で位置合わせが可能となる。
【0024】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷ステージに圧子とカンチレバーを同時に取り付けることを可能とするとともに、その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を正確に計測して、その計測結果に基づいて圧子とカンチレバーを試料ステージに対して同じ位置に自動的に位置決めすることができるので、圧子とカンチレバーとを取り替える場合に比して、面倒で困難な位置合わせ作業を行うことなく、超微小硬度計の圧子による圧痕の精細なAFM像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式的正面図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図2】図1における機械的構成部分の模式的左側面図である。
【図3】本発明の実施の形態における試料ステージ1の近傍の模式的縦断面図である。
【図4】本発明の実施の形態における圧子3ないしはカンチレバー4の先端にレーザ光を照射したときの散乱・反射光の説明図である。
【符号の説明】
1 試料ステージ
11 微動機構
12 粗動機構
13 貫通孔
2 負荷ステージ
21 移動機構
22 持ち出し部材
3 圧子
31 負荷用ピエゾアクチュエータ
32 圧子保持部材
4 カンチレバー
41 支持部材
5 レーザ変位計
6 制御装置
7 パーソナルコンピュータ
8 レーザ光源
9 光センサ
Claims (2)
- 被測定試料の表面に圧子を微小荷重のもとに押圧して押し込み、その押し込み量の計測結果から被測定試料の硬度を求める超微小硬度計に、被測定試料の表面をカンチレバーで走査し、その試料表面の3次元形状を観察する原子間力顕微鏡としての機能を持たせてなるAFM機能付き超微小硬度計であって、
上記試料ステージに、原子間力顕微鏡のカンチレバーの走査を可能とすべく互いに直交する3軸方向に微動させる微動機構が設けられている一方、
互いに直交する3軸方向への移動機構を備え、かつ、上記圧子とその負荷用ピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージが、当該圧子および負荷用ピエゾアクチュエータと上記カンチレバーとを同時に取り付けることが可能に構成されているとともに、
その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づいて、上記試料ステージに対して圧子およびカンチレバーを互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を備えていることを特徴とするAFM機能付き超微小硬度計。 - 上記位置決め手段が、試料ステージに穿たれた透孔を介して上記負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光をレーザ光の照射方向に直交する平面上で複数箇所において検出する複数の光センサと、その各光センサの出力から圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判定する判定手段と、その圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置していると判定された時点における上記負荷ステージの移動機構による座標を記憶する記憶手段と、その記憶手段の内容にしたがって上記負荷ステージの移動機構を駆動する制御手段によって構成されていることを特徴とする請求項1に記載のAFM機能付き超微小硬度計。
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WO2017125466A1 (en) | 2016-01-19 | 2017-07-27 | Anton Paar Tritec Sa | Sample holder arrangement |
-
2003
- 2003-03-07 JP JP2003061730A patent/JP2004271318A/ja not_active Withdrawn
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