JP2008175725A - 薄膜状材料のポアソン比測定方法とそのための測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用しようとする薄膜状材料のポアソン比を正確に測定することができる測定方法と測定装置とを提供することを目的とする。
【解決手段】ポアソン比を求めようとする薄膜状材料１の表面上にオプティカルフラット１１を配置し、この状態において、該薄膜状材料１に曲げ応力のみが作用するように加重し、この加重した状態において前記オプティカルフラット１１を通して視認される双曲線状の干渉縞の該双曲線が薄膜状材料の幅方向の仮想軸Ｙとなす角θを計測し、このθと（１）式とを用いて、該薄膜状材料１のポアソン比を得る。
【数１】

【選択図】 図２

Description

本願発明は、ＭＥＭＳ（「マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム」の略語、マイクロデバイス又はマイクロマシンとも呼ばれる場合がある）又は電子デバイス等の材料として使用される薄膜状材料のポアソン比を測定するための測定方法と測定装置に関する。

近年、ＭＥＭＳ及び電子デバイス等の材料として薄膜状材料が用いられている。かかる薄膜状材料は、一般に、０．１μｍ〜２００μｍの厚み寸法を有し、かかる厚み寸法が小さいほど、コンパクト（微小）なＭＥＭＳや集積率が高いＩＣチップ等を実現することができ、性能向上へとつながる。
材料のポアソン比はヤング率と並んで構造体設計に用いられる材料定数である。しかしながら、実験技術の困難さから多くの薄膜状材料のポアソン比は未知である。このため、薄膜状材料から成るＭＥＭＳ等の強度設計をおこなう場合には、材料便覧や設計便覧等に記載されている、バルク材のポアソン比を代用しているのが現状である。

ところで、前記強度設計は薄膜状材料とバルク材との物性が等しいとみなしておこなわれているが、材料が薄膜の状態になると内部構造等の相違により物性が異なる場合があるため、前記材料便覧等に記載されているバルク材のポアソン比の数値を、その薄膜状材料のポアソン比として適用することは適切ではない。つまり、この材料便覧等に記載されているポアソン比の数値をそのまま適用した強度設計では、正確な強度設計とはならなず、従って、設計強度以下の応力で損傷を受けたり、あるいは耐久期間内に破壊してしまう危険性を生じることとなる。

本発明は、このような現況に鑑みて、使用しようとする薄膜状材料のポアソン比を正確に測定することができる測定方法と測定装置とを提供することを目的とする。

なお、本発明者及び出願人は、前述のような薄膜状材料のポアソン比を測定する先行技術は不知である。

本発明にかかるポアソン比の測定方法は、ポアソン比を求めようとする薄膜状材料の表面上にオプティカルフラットを配置し、この状態において、該薄膜状材料に曲げ応力のみが作用するように加重し、この加重した状態において前記オプティカルフラットを通して視認される双曲線状の干渉縞の該双曲線が薄膜状材料の幅方向の仮想軸Ｙとなす角θを計測し、このθと下記の（１）式とを用いて、該薄膜状材料のポアソン比を得ることを特徴とする。なお、（１）式において、νはポアソン比を表す。

そして、前述のように構成された本測定方法によれば、製品等に使用しようとする薄膜状材料自体を用いて測定することができるため、正確にその薄膜状材料のポアソン比を得ることが可能となる。本測定方法は、薄膜状材料の種類に関係なくおこなうことができ、該薄膜状材料のポアソン比を正確に測定することができる。

また、前記測定方法において、前記薄膜状材料の両端から長手方向に延びるようにローディング・レバーを延設するとともに、該ローディング・レバーの薄膜状材料との連結端部にトーション・バーを設け、該トーション・バーを介してローディング・レバーをフレーム側に支持せしめ、該トーション・バーから該ローディング・レバーの長手方向に離間した位置で且つ幅方向中央の該ローディング・レバー上の位置を押圧部材で押圧することによって、前記薄膜状材料に曲げ応力のみが作用するようにすると、正確なポアソン比を得ることができる測定方法となる。

また、本発明にかかるポアソン比の測定装置は、
ポアソン比を求めようとする薄膜状材料と、
前記薄膜状材料の各端部にそれぞれ連結され長手方向に延設された各ローディング・レバーと、
前記ローディング・レバーの前記薄膜状材料との連結端部に一端が連結され、該ローディング・レバーの幅方向に延設されたトーション・バーと、
前記トーション・バーの他端と連結され、該トーション・バーを介して前記ローディング・レバーを支持するフレームと、
前記ローディング・レバーの前記トーション・バーとの連結部分から反薄膜状材料側へ偏位した位置の表面に先端が当接して該ローディング・レバーを押圧する押圧部材と、
前記薄膜状材料の表面上に配置されるオプティカルフラットとを備えている。

そして、かかる測定装置によると、前記押圧部材によってローディング・レバーを押圧すると、押圧されたローディング・レバーは、前記トーション・バーを中心に回動して、該押圧に起因して前記薄膜状材料に曲げモーメントのみを作用させることができる。そして、かかる曲げモーメントを受けて曲がった薄膜状材料の表面上には歪み（図１０の歪み状態を参照）が発生し、この歪みは前記オプティカルフラットを介して双曲線状の干渉縞（図９参照）として視認することができる。そして、かかる干渉縞の双曲線が薄膜状材料の幅方向の仮想軸Ｙとなす角θを計測することにより、また、前記（１）式を用いることによって、この薄膜状材料の正確なポアソン比を容易に得ることが可能となる。

また、前記測定装置において、前記測定装置が、前記オプティカルフラットを介して、前記薄膜状材料に単色光を照射する光照射装置と、該オプティカルフラットを介して前記薄膜状材料の表面を視認することができるオプティカル・マイクロスコープとを、さらに備えることが、測定装置として望ましい構成となる。

また、前記測定装置において、前記薄膜状材料が、１枚の板をフォトリソグラフィ及びエッチング加工を実施することにより、前記ローディング・レバー、トーション・バー、フレームと共に一体に成形されていると、各構成間の連結部分における構成に起因する好ましくない影響を排除した、さらに正確なポアソン比を計測することができる構成となる。

本発明にかかる薄膜状材料のポアソン比の計測方法によれば、薄膜状材料さえ製作できれば、薄膜引張試験機等のような複雑な試験装置を必要とせず、比較的簡単に該薄膜状材料の正確なポアソン比を得ることができる。

また、本発明にかかる薄膜状材料のポアソン比の計測装置によれば、薄膜状材料の正確なポアソン比を比較的容易に得ることができる。

以下、本発明の実施形態にかかる薄膜状材料の計測方法と計測装置について、図面を参照しながら、具体的に説明する。

図１は本発明の実施形態にかかる薄膜状材料のポアソン比測定装置の概略構成を示す概略側面図、図２は薄膜状材料とローディング・レバーとこれらとフレームを連結するトーション・バーを示す斜視図である。

図２において、１は薄膜状材料、２はローディング・レバー、３はトーション・バー、４はフレームである。この実施形態では、前記薄膜状材料１、ローディング・レバー２、トーション・バー３、フレーム４は、１枚のシリコン板をフォトリソグラフィとエッチング加工により、一体のものとして、成形されている。材質的には組織の均一性が高い単結晶のシリコン板が用いることによって、この実施形態による測定装置と測定方法を用いて得たこの薄膜状材料のポアソン比の値が、既知の単結晶のシリコン材のポアソン比に一致するか否か比較できるようにしている。また、このように１枚のシリコン板から、前記各構成を一体のものとして得るようにしているのは、前記フレーム４やトーション・バー３等が前記薄膜状素材１と異なる材質のもので構成し、後で各構成を連結すると、連結部分での剛性の変化や剛性の不均一による好ましくない影響が生じる可能性があるが、かかる好ましくない影響を排除しようとしたものである。しかし、勿論、前記連結部分を適切に構成して、各構成を別々に製作してこれらを連結した構成としてもよい。

そして、本発明にかかる測定装置や測定方法は、前記薄膜状材料１の厚さが、一般的に好ましくは、１μｍ〜１００μｍ程度の範囲で適用できると考えられるが、現在考えられる最大範囲として、０．１μｍ〜２００μｍ程度の範囲のものに適用できるものと思われる。しかし、より広範囲において適用できる可能性はある。

そして、この薄膜状材料１及びローディング・レバー２、トーション・バー３、フレーム４は、図４に図示するように、シリコン素材１ａの表面等に酸化シリコン被膜１ｂを形成した所定平面寸法を具備した板状材料Ｂを、図５〜図８の各図に図示する加工状態とその加工プロセスを示す如く、前述したフォトリソグラフィとエッチング加工を複数回繰り返すことにより、図２に図示するように各構成が一体のものとなっている。しかし、他の加工手法を用いても良いことはいうまでもない。なお、図５〜図８において、厚み方向に肉厚中央部側で幅広になるテーパ状に図示されているが、これらは理解し易くするために実際の場合に比べて誇張して図示されている。

そして、このように前記薄膜状材料１、ローディング・レバー２、トーション・バー３とを一体に具備したフレーム４は、図１に図示するように、台座９を介して、本測定装置Ａのテーブル６上に固定される。かかる固定された状態において、前記薄膜状材料１、ローディング・レバー２、トーション・バー３は、該ローディング・レバー２が図１において白抜き矢印Ｐ（図２において実線の矢印Ｐ）に図示する方向にニードル状の押圧部材５によって押圧されることにより、後述する軸芯３ｃを中心に偏位することが可能な状態となっている。

ところで、前記薄膜状材料１の長手方向（図２のＸ方向参照）のそれぞれの端１ｅは、前記ローディング・レバー２の一端２ａと一体に連結されており、また、該ローディング・レバー２の他端２ｂは自由端となっている。
また、前記ローディング・レバー２の前記薄膜状素材１と連結されているそれぞれの端、つまり前記一端２ａのそれぞれ側面には、該ローディング・レバー２の幅方向（図２のＹ方向参照）に長手方向が向くような状態で、前記トーション・バー３がそれぞれ配置されている。つまり、１つのローディング・レバー２は、それぞれの前記一端２ａの両側面に前記トーション・バー３が配置されている。また、それぞれのトーション・バー３の他端３ｂは、前記フレーム４の内側端面４ａに一体に連結されている。
また、前記トーション・バー３の一端３ａと前記ローディング・レバー２との連結部分は、該トーション・バー３の軸芯３ｃが該ローディング・レバー２の一端２ａに一致するような状態で連結されている。つまり、図３に図示するように、該ローディング・レバー２の自由端である前記他端２ｂよりの部分が押圧された場合には、該トーション・バー３の軸芯３ｃを中心に、該押圧力に応じて所定角度だけ、つまり、図１，図３において右側のローディング・レバー２は時計方向に、左側のローディング・レバー２は反時計方向に、それぞれ回動するように構成されている。図３において、押圧後の変形状態を実線で、押圧前の状態を二点鎖線で表している。
また、前記フレーム４は、この実施形態の場合、ローディング・レバー２に加えられる押圧力に対して十分高い剛性を具備するために、図２に図示するように長方形の枠状の形態を有している。しかし、所定以上の剛性を具備していれば、必ずしもこのような長方形の枠状の形態をしている必要はない。

そして、この実施形態では、前記トーション・バー３は、図３に図示する如く横断面（長手方向に直交する方向の断面）が矩形状の形態をしているが、これに限定されるものでなく、例えば、横断面の形状が、円形、楕円形状、あるいは多角形状であってもよい。

そして、前記薄膜状材料１のポアソン比を測定する場合には、図１に図示するように、本測定装置Ａの前記台座９上に前記フレーム４が載置且つ固定され、図１あるいは図３に図示するように、前記ローディング・レバー２の前記一端２ａから他端２ｂ側に左右同じ寸法だけ偏位した位置で且つ該ローディング・レバー２の幅方向の中心位置（図２参照）に、先端が尖状になったニードル状の押圧部材５の先端を接触させて左右等しい力で押圧する。このような押圧はこの測定装置Ａでは、前記押圧部材５を先端に取着した上下、左右及び前後に移動可能になった可動デバイス１４（可動機構：Ｘ-Ｙ-Ｚステージとも呼ばれる）によっておこなわれるよう構成されている。この可動デバイス１４の移動は、コンピュータにより動作されるように構成しても、あるいはオペレータがダイヤルメータ等の測定器具を視認しながら左右の移動距離（変位量）が等しくおこなうようにしてもよい。
ところで、前記押圧の程度は、前記ローディング・レバー２が前記トーション・バー３の軸芯３ｃを中心に所定程度回動することができる程度であればよい。つまり、このように所定程度ローディング・レバー２が回動することによって、前記薄膜状材料１に曲げ応力のみが作用し、該曲げ応力に起因して前記薄膜状材料１の表面に歪み（図１０参照）が生ずるようにするためである。また、前記押圧部材５は、正確に押圧力が所定の位置に加重できるものであれば、先端が尖状になったニードル状のものに限定されるものでなく、先端が前記薄膜状材料１の幅方向に寸法を有する「平たがね形状」になったもの、あるいは球体状（半球体状）になったものであってもよい。

そして、前記薄膜状材料１の上方には、オプティカルフラット１１を、該薄膜状材料１の表面とオプティカルフラット１１の底面とが対面するような状態で配置する。このオプティカルフラット１１は、後述する干渉縞（図９参照）が鮮明に視認できるように、前記薄膜状材料１の表面に対して、近接しあるいは離間することが可能に、つまり図１において上下方向に移動可能に配置されている。また、前記オプティカルフラット１１の上下方向の移動は、可動デバイス（昇降機構）１６によっておこなわれるよう構成されている。この可動デバイス１６の移動も、コンピュータにより動作されるように構成しても、あるいはオペレータが視認しながらおこなうように構成されていてもよい。

また、図１に示す如く、前記オプティカルフラット１１の上方には、オプティカル・マイクロスコープ１２と、単色光を照射する光照射装置１３が配置されている。この光照射装置１３は、この実施形態の場合、５４６ｎｍの波長の単色光を照射できるものが用いられている。照射する光は、波長が一定の単色光であればよいが、干渉縞の数は光の波長に依存するため、可能な範囲でなるべく短波長の単色光を用いることが望ましい。
前記オプティカルフラット１１は、この実施形態の場合、均一な厚さ寸法で且つ面精度が３１．６４ｎｍ（公称値）のものが用いられている。しかし、前記波長や面精度等に関する各数値は、この発明の実施形態の単なる一実施例を示す値であり、この数値に限定されるものではない。

そして、前記光照射装置１３からオプティカルフラット１１に向けて単色光（偏光）を照射すると、前述のように曲げ応力を受けて図１０に図示する如くに歪みを生じている薄膜状材料１は、該単色光の照射により、前記オプティカルフラット１１の上方から視認して、図９に図示するような双曲線状の干渉縞Ｃを生じさせる。この干渉縞Ｃは、等高線状に歪み、つまり応力の大きさの変化によって等高線状の縞模様が形成されているものである。なお、前記オプティカルフラット１１を前記可動デバイス１６を用いて上下に位置調整することによって、オプティカル・マイクロスコープ１２の焦点を合わせて、前記干渉縞Ｃはより鮮明に視認することができるようになる。
そして、前記干渉縞Ｃは、この実施形態では、前記オプティカル・マイクロスコープ１２に付設されているカメラ１５（図１参照）により、画像データとしてコンピューターに取り込み、図９に図示するように、この干渉縞の双曲線が薄膜状材料の幅方向の仮想軸Ｙとなす角θを計測する。なお、図９において、Ｙの方向は図２において図示する薄膜状材料１の幅方向を示すＹ方向と同じである。

そして、前記得られた角θを、下記の（１）式に代入することによって、この薄膜状材料１のポアソン比「ν」を得ることができる。

このように得られた単結晶のシリコン材のポアソン比は、この実施形態にかかる測定装置を用いた測定方法によると、０．０６２８となる。この値と、前記材料便覧や設計便覧等に記載されている既知の単結晶のシリコン材のポアソン比０．０６４と比べると、概ね等しくなっている。なお、前記この測定により得られたポアソン比は、本発明者の実験によると、前記ローディング・レバー２の偏位量、換言すると前記押圧力の強さの変化にあまり影響を受けないことが判っている。

このように、比較的、簡単に、薄膜状材料１のポアソン比を正確に測定することが可能となる。

ところで、前述のように、干渉縞の画像データをコンピューターに取り込んで前記角θを得るのに代えて、他の手法、例えば、前記マイクロスコープ１２上の干渉縞Ｃに重複するよう仮想軸Ｙと角θを計測する目盛りが表れるように光学的に構成すること等によって、角θを求めてもよい。あるいは、前記マイクロスコープ１２に付設したカメラ１５で撮影した写真を基に、実験者等が手作業で前記角度θを測定してもよい。

また、前記ローディング・レバー２の押圧程度は、前述したようにその大きさにあまり影響されないことから、特に所定の値の応力が必要となる訳ではなく、前記干渉縞を生じさせる程度であれば、つまり前記ローディング・レバー２が変位する程度であればよい。従って、この押圧力の点に関しては、極めてラフな状態でも、所望の正確なポアソン比を得ることができる点において、本発明にかかる計測方法は優れており、従って、計測装置Ａも正確に定まった押圧力（例えば、５ｋｇｆ等の定まった押圧力）を加えることができる構成が必須の要件となることはない。しかし、左右のローディング・レバー２に等しい押圧力が作用するよう構成することが望まれる。
また、前記薄膜状材料１に曲げ応力のみが作用する、つまり、純曲げ応力Ｍ（図３参照）のみが作用するように構成することは、本測定において必要な要件となる。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものでなく、当業者が自明の範囲において、適宜変更した形態で実施することができることは言うまでもない。

本発明にかかる薄膜状材料のポアソン比測定方法及び計測装置は、ＭＥＭＳや電子デバイス等の材料として使用される薄膜状材料等のポアソン比の測定に利用することができる。

本発明の実施形態にかかる薄膜状材料のポアソン比測定装置の概略構成を示す概略側面図である。 薄膜状材料とローディング・レバーとこれらとフレームを連結するトーション・バーを示す斜視図である。 図２に図示される薄膜状材料等に曲げ応力が作用した状態での図III-III矢視断面図である。 図２に示す薄膜状材料、ローディング・レバー、トーション・バー、フレームを加工して得るための単結晶のシリコン板の構成を示す側面図である。 図４に示すシリコン板から図２に示す膜状材料、ローディング・レバー、トーション・バー、フレームを製造する第１の加工工程での加工後の状態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は（ａ）のｃ-ｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のｄ-ｄ矢視断面図、（ｅ）は（ａ）のｅ-ｅ矢視断面図である。 図４に示すシリコン板から図２に示す膜状材料、ローディング・レバー、トーション・バー、フレームを製造する第２の加工工程での加工後の状態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は（ａ）のｃ-ｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のｄ-ｄ矢視断面図、（ｅ）は（ａ）のｅ-ｅ矢視断面図である。 図４に示すシリコン板から図２に示す膜状材料、ローディング・レバー、トーション・バー、フレームを製造する第３の加工工程での加工後の状態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は（ａ）のｃ-ｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のｄ-ｄ矢視断面図、（ｅ）は（ａ）のｅ-ｅ矢視断面図である。 図４に示すシリコン板から図２に示す膜状材料、ローディング・レバー、トーション・バー、フレームを製造する第４の加工工程での加工後の状態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は（ａ）のｃ-ｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のｄ-ｄ矢視断面図、（ｅ）は（ａ）のｅ-ｅ矢視断面図である。 視認できる、双曲線状の干渉縞と薄膜状材料の幅方向の仮想軸Ｙとなす角θを表した図である。 薄膜状材料が両端側に純曲げ応力を受けて変形した状態（歪み状態）と図９のＹ方向を概念的に示す斜視図である。

符号の説明

Ａ…測定装置
１…薄膜状材料
２…ローディング・レバー
３…トーション・バー
４…フレーム
１１…オプティカルフラット

Claims (5)

1. ポアソン比を求めようとする薄膜状材料の表面上にオプティカルフラットを配置し、この状態において、該薄膜状材料に曲げ応力のみが作用するように加重し、この加重した状態において前記オプティカルフラットを通して視認される双曲線状の干渉縞の該双曲線が薄膜状材料の幅方向の仮想軸Ｙとなす角θを計測し、このθと下記の（１）式とを用いて、該薄膜状材料のポアソン比を得ることを特徴とする薄膜状材料のポアソン比測定方法。なお、（１）式において、νはポアソン比を表す。
   

   
2. 前記薄膜状材料の両端から長手方向に延びるようにローディング・レバーを延設するとともに、該ローディング・レバーの薄膜状材料との連結端部にトーション・バーを設け、該トーション・バーを介してローディング・レバーをフレーム側に支持せしめ、
   該トーション・バーから該ローディング・レバーの長手方向に離間した位置で且つ幅方向中央の該ローディング・レバー上の位置を押圧部材で押圧することによって、
   前記薄膜状材料に曲げ応力のみが作用するようにした請求項１記載の測定方法。
3. 請求項１又は２記載の測定方法を実行するための測定装置であって、前記測定装置は、
   ポアソン比を求めようとする薄膜状材料と、
   前記薄膜状材料の各端部にそれぞれ連結され長手方向に延設された各ローディング・レバーと、
   前記ローディング・レバーの前記薄膜状材料との連結端部に一端が連結され、該ローディング・レバーの幅方向に延設されたトーション・バーと、
   前記トーション・バーの他端と連結され、該トーション・バーを介して前記ローディング・レバーを支持するフレームと、
   前記ローディング・レバーの前記トーション・バーとの連結部分から反薄膜状材料側へ偏位した位置の表面に先端が当接して該ローディング・レバーを押圧する押圧部材と、
   前記薄膜状材料の表面上に配置されるオプティカルフラットとを備えていることを特徴とする。
4. 前記測定装置が、前記オプティカルフラットを介して、前記薄膜状材料に単色光を照射する光照射装置と、該オプティカルフラットを介して前記薄膜状材料の表面を視認することができるオプティカル・マイクロスコープとを、さらに備える請求項３記載の測定装置。
5. 前記薄膜状材料が、１枚の板をフォトリソグラフィ及びエッチング加工を実施することにより、前記ローディング・レバー、トーション・バー、フレームと共に一体に成形されていることを特徴とする請求項３または４記載の計測装置。

Images