JP2005201908A - Micro material testing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a micromaterial testing apparatus for measuring the mechanical properties of a micromaterial, for example, its mechanical properties with high accuracy, and a mechanical property evaluation method using the same.
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。 Advances in semiconductor processing technology have led to higher integration and higher performance of electronic devices used in micromachines, etc. In order to improve the reliability of these micro devices, high-precision mechanical characteristics are required. It is important to measure and evaluate. In addition, in order to evaluate the mechanical properties of silicon-based micromaterials configured as protective films and functional thin films for these devices, it is necessary to measure the properties of the devices under minute dimensions and apply the data obtained in the design to these devices. is there. However, this silicon-based micromaterial, such as a semiconductor silicon-based thin film or a diamond-like carbon thin film (DLC), has a very small dimensional configuration, and it is extremely difficult to evaluate its mechanical characteristics with high accuracy.
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。 Conventionally, the bimetal method, the vibration lead method, etc. have been proposed as methods for measuring the mechanical properties of these micromaterials, but the bimetal method has to assume the Poisson's ratio when determining the Young's modulus. There is a problem, and in the vibration reed method, Young's modulus can be measured accurately, but Poisson's ratio cannot be measured. In contrast, the tensile test method is also an effective test method for Poisson's ratio measurement, but because there is a limit on the sample size, highly accurate strain measurement is possible for this type of ultra-small sample. There was a disadvantage that it was not possible.
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。 In addition, silicon-based thin film materials, diamond-like carbon thin films (DLC), which are used as protective films and functional thin films for electronic parts and the like and cannot retain their shapes, and polymer thin films for micromachines are described above. In order to evaluate this thin film material, it is necessary to evaluate it by computer simulation using physical property values of other materials.
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。 Thus, with the conventional technology, the mechanical properties of micromaterials cannot be measured with high accuracy, and the reliability of measured values cannot be expected, especially for thin film materials that cannot retain their shape by themselves. There was a problem.
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を提供する。 The present invention is to solve the above-mentioned problems in response to the nanotechnology era, and provides a micromaterial testing apparatus that can directly measure and evaluate the mechanical properties of micromaterials in their original form with high accuracy.
本発明に係るマイクロ材料試験装置は、走査型プローブ顕微鏡のステージ部に、少なくとも互いに平行な複数の凹凸ラインを有する微小ラインパターンを表面に付設した微小試験片を載置する手段と、この載置された微小試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷するアクチュエータと、このアクチュエータにより試験片に負荷された荷重を検出する手段と、微小ラインパターンの表面上においてプローブ又はステージ部の双方又は一方をXYZ軸方向に走査するスキャナと、アクチュエータによって試験片に荷重を負荷した状態でスキャナを走査して、微小ラインパターンとプローブとの間の機械・電磁気相互作用から微小試験片の歪を計測する手段とを備え、荷重検出手段と歪計測手段との出力から微小試験片のヤング率を算出する。 The micromaterial testing apparatus according to the present invention includes a means for mounting a micro test piece having a micro line pattern having at least a plurality of concavo-convex lines parallel to each other on the surface of a stage portion of a scanning probe microscope, An actuator for applying a tensile or compressive load to the micro-test specimen formed, a means for detecting the load applied to the test specimen by the actuator, and / or a probe or stage part on the surface of the micro-line pattern. A scanner that scans in the XYZ-axis direction, and a means that measures the strain of the micro test piece from the mechanical / electromagnetic interaction between the micro line pattern and the probe by scanning the scanner with a load applied to the test piece by the actuator The Young's modulus of the minute test piece is calculated from the outputs of the load detection means and the strain measurement means.
好ましくは、微小ラインパターンが格子状に形成したラインパターンであり、歪計測手段が微小試験片の縦歪と横歪とを共に計測する手段であって、微小試験片のヤング率及びポアソン比の双方を算出する。 Preferably, the micro line pattern is a line pattern formed in a lattice shape, and the strain measuring means measures both the longitudinal strain and the lateral strain of the micro test piece, and the Young's modulus and Poisson's ratio of the micro test piece are measured. Both are calculated.
更に好ましくは、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。 More preferably, the actuator has two functions for fine movement and coarse movement.
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、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。 According to the conventional technique, as described above, the mechanical characteristics of the micromaterial used in the micromachine or the like cannot be accurately measured. However, according to the present invention, the mechanical properties of the micromaterial can be directly measured and evaluated with high accuracy in its original form. By measuring the mechanical characteristics with high accuracy, it can be used in a very wide range such as designing a micromachine using a micromaterial, designing and simulating a device / electronic component coated with a micromaterial thin film.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, a tensile load is applied to the sample and the mechanical properties of the sample are measured. However, it is also possible to measure by applying a compressive load in the same manner.
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。 First, a method for measuring the mechanical properties of a sample using one embodiment of the micromaterial testing apparatus according to the first invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, this example is referred to as a first example. FIG. 1 is an explanatory diagram of the first embodiment. In this embodiment, the sample for measuring the mechanical properties is a micro thin film material such as a semiconductor silicon thin film or a compound semiconductor thin film, and the shape is maintained even when used in a micromachine or the like.
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。
In FIG. 1,
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。
In the present embodiment, the
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。
First, when a tensile load P is applied to the
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23,23’’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。
In this embodiment, the distortion of the
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。
In this embodiment, an atomic force acting between the
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。
Then, the stress σ, the longitudinal strain ε, and the lateral strain ε ′ measured as described above are substituted into the following
E=σ/ε ・・・・(式1) E = σ / ε (Equation 1)
ν=−(ε’/ε) ・・・・(式2) ν = − (ε ′ / ε) (Equation 2)
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。
A specific example of the
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。
2A is a plan view of the
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。
The
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20μm、ライン部13の厚みt’が200nm(0.0002mm)と極めて微小なパターン構造と成っている。
Further, the
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。
Next, the
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32’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。
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。
次に、第二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、この実施例を第二実施例という。図5は、この第二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(DLC)、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、上記した第一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。
Next, a method for measuring the mechanical properties of a sample using one embodiment of the micromaterial testing apparatus according to the second invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, this example is referred to as a second example. FIG. 5 is an explanatory diagram of the second embodiment. In this embodiment, the
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。
In this embodiment, the description of the same configuration as in the first embodiment is omitted. As shown in FIG. 5, the
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11’と基板11との合成ヤング率E1+2を演算する。
First, in the same manner as in the first embodiment, the tensile load P is applied to the
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E1+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。
The previously measured Young's modulus E 2 of the
E1+2 =σ/ε ・・・・(式3) E 1 + 2 = σ / ε (Equation 3)
E1+2 =(t1・E1+t2・E2)/(t1+t2) ・・・・(式4) E 1 + 2 = (t 1 · E 1 + t 2 · E 2 ) / (t 1 + t 2 ) (Equation 4)
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。
Since the
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。
The
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。
The depth h of the
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。
Further, the area A ′ of the
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22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。
In the apparatus in the two embodiments described above, the
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
DESCRIPTION OF
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JP2005044388A JP2005201908A (en) | 2005-02-21 | 2005-02-21 | Micro material testing apparatus |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007285725A (en) * | 2006-04-12 | 2007-11-01 | Nissan Arc Ltd | Measuring method of thin-film poisson ratio, and measuring instrument thereof |
JP2019527820A (en) * | 2016-07-01 | 2019-10-03 | イリノイ トゥール ワークス インコーポレイティド | Integrated system and method for in-situ three-axis scanning and detection of defects in an object under static and repeated tests |
-
2005
- 2005-02-21 JP JP2005044388A patent/JP2005201908A/en active Pending
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