JP2006329955A

JP2006329955A - 熱特性測定装置、及び熱特性測定方法

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Publication number: JP2006329955A
Application number: JP2005157876A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Hata; 誠一秦; Junpei Sakurai; 淳平櫻井; Ryusuke Yamauchi; 隆介山内; Akira Shimokawabe; 明下河邉
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】金属ガラスの線膨張率、ガラス転移温度、及び結晶化開始温度などの熱特性を測定することにある。
【解決手段】既知の線膨張率の部材からなり、変形可能な梁部１と、梁部１の面に形成される試料薄膜３と、梁部１の温度を制御する温度制御装置と、梁部１の変形を測定する変位測定装置５と、を備え、梁部１の温度変化により梁部１と試料薄膜３のバイメタル効果による変形を測定する、熱特性測定装置、又は熱特性測定方法。

【選択図】図１

Description

本発明は、試料の線熱膨張率、過冷却液体域などの熱特性測定に関するものであり、特に、コンビナトリアルマテリアル技術に適した多数の試料の熱特性測定に関するものである。

従来の熱特性（過冷却液体域、線熱膨張率）の測定は、熱機械分析装置などで行われてきたが、試料は引張りが可能な程度のじん性を有することが要求され、例えば薄膜状で極少量で脆性材料などは測定が不可能であった。また、測定部は精密で複雑な機構を有しているため、高真空雰囲気にすることが、困難であり、酸化しやすい材料や８００℃以上の高温領域では、酸化の影響により検出が困難といった問題があった。また微小部の熱特性を測定する手段としては、走査型サーマル顕微鏡や特許文献１に開示されている装置などあるが、いずれも一点または一つの試料を測定するものであり、多点同時や、部分的にガラス転移を生じる材料の高速評価には不適であった。特に近年、研究が進んでいるコンビナトリアルマテリアル技術（多数の試料群を一度に製作し、高速評価する材料開発手法）に適した熱特性測定手段の開発が必要とされている。
特開平１０−２６１４７号公報

（１）本発明は、物質の熱特性を簡単に測定することにある。
（２）また、本発明は、物質の熱特性を多点同時に測定することにある。
（３）また、本発明は、薄膜状の微小な物質の熱特性を測定することにある。
（４）また、本発明は、金属ガラスの線膨張率、ガラス転移温度、及び結晶化開始温度の熱特性を測定することにある。
（５）また、本発明は、コンビナトリアルマテリアル技術に適した熱特性測定手段又は方法を提供することにある。

（１）本発明は、既知の線膨張率の部材からなり、変形可能な梁部と、梁部の面に形成される試料と、梁部の温度を制御する温度制御装置と、梁部の変形を測定する変位測定装置と、を備え、梁部の温度変化により梁部と試料のバイメタル効果による変形を測定する、熱特性測定装置にある。
（２）本発明は、変形可能で既知の線膨張率の梁部の面に試料を付着し、梁部の温度を変化させ、バイメタル効果による梁部の変形を測定する、熱特性測定方法にある。

（１）本発明は、物質の熱特性を簡単に測定することができる。
（２）また、本発明は物質の熱特性を多点同時に測定することができる。
（３）また、本発明は、薄膜状の物質の熱特性を測定することができる。
（４）また、本発明は、金属ガラスの線膨張率、ガラス転移温度、及び結晶化開始温度の熱特性を測定することができる。
（５）また、本発明は、コンビナトリアルマテリアル技術に適した熱特性測定手段又は方法を提供することができる。

（１）物質の熱特性測定
本発明の熱特性測定は、物質の線熱膨張率、過冷却液体域などの熱特性を、バイメタル効果を利用して測定するものである。この熱特性測定は、特に、多数のサンプル群を一度に製作し、高速評価するコンビナトリアルマテリアル技術に適するものである。

測定する物質は、例えば、ガラス転移を示すアモルファス物質（多くの酸化物ガラス、一部のアモルファス合金等）があり、室温では、弾性体であるが、昇温していくとガラス転移温度（Ｔｇ）以上で粘性体となり、およそ１０^１２Ｐａ・ｓの粘度を示す。さらに加熱を続けると、粘度の温度依存性により指数関数的に粘度が低下する。金属ガラスと呼ばれるアモルファス合金では、さらに昇温すると結晶化開始温度（Ｔｘ）直前では、１０^８〜１０^１０Ｐａ・ｓ程度の粘度を示す。さらに加熱し結晶化開始温度を超えると結晶化し、通常の多結晶金属となり弾性体となる。

熱膨張係数の既知な材質からなる梁部上に試料薄膜を成膜し、バイメタル構造を形成しておけば、温度の上昇に従って熱膨張係数の差によって変位を生じ、この変位を測定することで、試料薄膜の熱膨張係数を計測することができる。さらに試料薄膜がガラス転移を生じると粘性体となった試料薄膜の応力緩和により、粘度低下に伴い変位が元に戻る。さらに加熱を続け試料薄膜が結晶化を生じると、再び弾性体として熱膨張係数の差によって変位を生じる。この変位の変化を測定することで、試料薄膜の熱膨張係数、ガラス転移温度、及び結晶化開始温度を測定することができる。

（２）熱特性測定装置
熱特性測定装置は、変形可能な梁部と、梁部に試料を形成してバイメタル構造とした試料梁部と、梁部の温度を制御する温度制御装置と、梁部の変形を測定する変位測定装置と、を備えている。熱特性測定装置は、例えば図１のように、基板２上に梁材を形成し、梁材から梁部１が突出し、梁部１の下方の基板には、穴が形成されている。梁部１の上面に試料薄膜３を形成すれば、梁部１と試料薄膜３のバイメタル構造とすることができる。試料は、梁部以外の梁材の面に形成してもよい。梁部１の近くに図示しない温度制御装置を配置し、梁部の温度を温度測定装置で測定して、加熱したり、冷却する。温度制御装置は、昇温の場合は、加熱装置を使用し、温度を下げる場合、冷却装置を使用する。加熱装置、冷却装置、温度測定装置などが使用でき、これらは従来から様々なものがあり、適宜選択することができる。梁部１の温度を変化させて、バイメタル効果により梁部１の変形を変位測定装置５で測定する。このような構成にすると、基板２上に多数の梁部１を形成することができるので、熱特性測定装置は、多数の試料群を一度に製作でき、高速評価するコンビナトリアルマテリアル技術に適するものである。梁部１には、試料を形成しない参照梁部４を設けると、試料を形成した試料梁部（１と３）の変形を参照梁部４の変形を参照することにより、梁部１と試料薄膜３のバイメタル効果による変形以外のノイズを除去することができる。

（３）熱特性測定方法
熱特性測定方法は、熱特性（過冷却液体域、線熱膨張率）を測定したい試料薄膜３を、スパッタ法、蒸着法など既知の成膜方法により蒸着し、試料梁部（１と３）とする。この時、少なくもと１本の梁部には、マスキングを行い試料薄膜を成膜せず参照梁部４とすることが好ましい。この参照梁部４との変位の差分を測定することで、熱膨張などの影響を軽減できる。成膜した基板を、図示しないチャンバ内に入れ、雰囲気を制御した状態で、図示しない温度制御装置で加熱しながら試料梁部および参照梁部４の変位を、変位測定装置５で測定する。この時、加熱は昇温しつつ、矩形または正弦波状（図２参照）に温度の増減を繰り返しながら昇温することが望ましい。これにより、試料薄膜３やベースとなる梁部１内の内部応力など熱膨張以外の原因による昇温時のノイズ変位を軽減することができる。

この熱特性測定方法により、従来測定が困難な極少量の薄膜状や、脆い試料などの熱膨張係数、ガラス転移温度、結晶化開始温度を多点同時に測定することが可能となる。測定する物質をバイメタル構造にすることで、組成を変えた多数の試料を基板上に多数配置することができる。これにより、一度に試料の物性を測定でき、コンビナトリアルマテリアル技術に適している。

この熱特性測定方法において、梁部１上に成膜された試料薄膜３は、バイメタル構造となるために、温度の上昇に伴って、両者の熱膨張係数の差により熱膨張係数の小さい側へ、変位を生じる。さらに昇温を続けると、試料薄膜３がガラス転移を生じる物質である場合は、ガラス転移温度を超えた時点で、粘性の急激な低下を生じ、試料薄膜３中の内部応力が緩和され、梁部１の弾性により元（水平）に、戻り始める。さらに昇温を続けると粘性の低下に従って、戻る速度が増加する。試料薄膜３が、結晶化を生じる材料の場合は、昇温温度が結晶化開始温度を超えた時点で、試料薄膜３は、結晶質の弾性体となり再びバイメタル効果によって変位を生じ始める。この変位の変化を変位測定装置５で測定することで、試料薄膜３の熱膨張係数、ガラス転移温度、結晶化開始温度を測定することができる。変位の測定時には、参照梁部４の変位との差分を測定することで、昇温に伴う基板２の熱膨張や梁材や梁部１の内部応力緩和の影響を軽減することができる。さらに、加熱温度を周期的に変化させながら昇温することで、一度昇温、冷却を行った後に、変位を断続的に測定することで、試料薄膜３やベースとなる梁部１内の内部応力などに起因する昇温時のノイズ変位を軽減することができる。これらの計測は、変位測定装置５を多数配置すれば、多点同時に測定することが可能となる

（４）熱特性測定装置の実施例１
熱特性測定装置の具体的な例を図１を用いて説明する。基板２として厚さ３００μｍのシリコン基板を使用する。基板２上に、梁材として厚さ１μｍの窒化シリコンを形成する。梁材をパターニングして、長さ５００μｍ、幅１００μｍの片持ち梁（カンチレバー）の梁部１を多数形成する。図１では、梁部１を６個示している。試料薄膜３は、梁部１と協働してバイメタル効果が生じるように、梁部１を覆うように形成し、試料梁部を形成する。試料薄膜３は、約１μｍで成膜される。梁部の内、少なくとも一本は試料が成膜されない、参照梁部４とする。変位測定装置５としてレーザ発生装置と光テコ式変位センサを使用する。レーザ発生装置からの測定用レーザを各梁部１の先端部で反射し、反射光を光テコ式変位センサで受光し、梁部１の変形を測定する。図示しないが、梁部１の温度を制御する温度制御装置を配置する。温度測定装置は、加熱用として抵抗線加熱ヒータを使用でき、冷却用としてペルチェ素子を使用でき、温度の測定として温度測定装置である熱電対を使用できる。各梁部１に対して、変位測定装置と温度測定装置を設けるとよい。この状態で、熱特性測定装置を図示しない真空チャンバ内に設置し、真空中で毎分１０℃の一定速度で梁部を昇温する。この時の温度Ｔに対する試料梁部と参照梁部４との変位の差分をプロットすることで、線熱膨張係数、ガラス転移温度、及び結晶化開始温度を測定することができる。熱特性測定装置は、多数の試料梁部に、異なった成分の試料の薄膜を作成することができ、多数の試料群を一度に製作できるので、コンビナトリアルマテリアル技術に適している。

（５）熱特性測定装置の実施例２
熱特性測定装置の構成は、実施例１と同様であるが、梁部１の昇温を温度の増減を繰り返しながら行い、例えば図２に示したように行う。すなわち、温度を正弦波状に加熱、冷却を繰り返しながら昇温する。この時、一度加熱、冷却を行った後、再度昇温する領域、例えば、図２中のｔ_０〜ｔ_１、ｔ_２〜ｔ_３、ｔ_４〜ｔ_５、ｔ_６〜ｔ_７で例示される時間内で、温度Ｔに対する各試料梁部（１と３）と参照梁部４との変位の差分をプロットする。これにより、バイメタル効果以外の要因、例えば各試料薄膜３内の内部応力や基板２の変形などによる影響を低減することができる。参照梁部４を複数個、試料梁部と隣接して設けることにより、梁部１の環境を近づけることができる。それにより、バイメタル効果以外の要因による影響を更に低減することができる。

（６）熱特性測定装置の実施例３
図３に、熱特性測定装置の他の具体的な例を示す。基板１１として厚さ７００μｍの石英基板を使用する。基板１１上に、梁材として厚さ１μｍのアルミナ膜を形成する。アルミナ膜をパターニングして、梁材から突出し、基板１１の穴部を跨ぐ梁部１２を形成する。梁部１２は、両持ち梁構造となる。梁部１２上に試料薄膜１３を成膜し、試料梁部とする。

基板１１の上方に参照レンズ１４を配置し、図示しない公知の干渉計を用いることにより、梁部１２のたわみは、両持ち梁部上面の試料薄膜に生じる干渉縞の間隔から測定するができる。この時、基板１１全体の熱変形などは、基板上面に設けられた参照面１５の変形を、同じ干渉計にて同時に測定することで計測することができる。これにより、参照面１５の変形と試料薄膜１３の変形の差分をとることで、より正確に試料薄膜１３の変形を測定することができる。

熱特性測定装置の説明図熱特性測定の温度制御の説明図他の熱特性測定装置の説明図

符号の説明

１・・・梁部
２・・・基板
３・・・試料薄膜
４・・・参照梁部
５・・・変位測定装置
１１・・基板
１２・・梁部
１３・・試料
１４・・参照レンズ
１５・・参照面

Claims

既知の線膨張率の部材からなり、変形可能な梁部と、
梁部の面に形成される試料と、
梁部の温度を制御する温度制御装置と、
梁部の変形を測定する変位測定装置と、を備え
梁部の温度変化により梁部と試料のバイメタル効果による変形を測定する、熱特性測定装置。
請求項１に記載の熱特性測定装置において、
梁部を複数設け、各梁部の面にそれぞれ組成の異なる試料が形成してあり、複数種類の試料を一括して測定する、熱特性測定装置。
請求項１に記載の熱特性測定装置において、
複数の穴が形成された基板と、
基板の表面に配置された梁材と、を備え、
梁部は、梁材から延びて、基板の穴を一部覆うように複数形成され、
各梁部の面にそれぞれ組成の異なる試料が形成されており、複数種類の試料を一括して測定する、熱特性測定装置。
請求項１に記載の熱特性測定装置において、
試料を形成する試料梁部と試料を形成しない参照梁部とを備え、
参照梁部の変形を基準として、試料梁部の変形を測定する、熱特性測定装置。
請求項１に記載の熱特性測定装置において、
温度制御装置は、梁部の温度の増減を繰り返しながら、梁部を昇温する、熱特性測定装置。
変形可能で既知の線膨張率の梁部の面に試料を付着し、
梁部の温度を変化させ、
バイメタル効果による梁部の変形を測定する、熱特性測定方法。
請求項７に記載の熱特性測定方法において、
梁部を複数設け、各梁部の面にそれぞれ組成の異なる試料を付着し、梁部の温度を変化させ、複数種類の試料を一括して測定する、熱特性測定方法。
請求項７に記載の熱特性測定方法において、
梁部の温度の増減を繰り返しながら、梁部を昇温し、バイメタル効果による梁部の変形を測定する、熱特性測定方法。
請求項７に記載の熱特性測定方法において、
梁部を昇温してバイメタル効果による梁部の変形を測定し、試料の線熱膨張係数を求める、熱特性測定方法。
請求項７に記載の熱特性測定方法において、
梁部を昇温してバイメタル効果による梁部の変形を測定し、更に昇温して梁部の変形の戻りを測定し、梁部の温度からガラス転移温度を求める、熱特性測定方法。
請求項７に記載の熱特性測定方法において、
梁部を昇温してバイメタル効果による梁部の変形とその変形の戻りを測定し、更に梁部を昇温して再度バイメタル効果による梁部の変形を測定し、梁部の温度から結晶化開始温度を求める、熱特性測定方法。