JP2551931B2 - 薄膜硬度測定器 - Google Patents

薄膜硬度測定器

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JP2551931B2
JP2551931B2 JP60033840A JP3384085A JP2551931B2 JP 2551931 B2 JP2551931 B2 JP 2551931B2 JP 60033840 A JP60033840 A JP 60033840A JP 3384085 A JP3384085 A JP 3384085A JP 2551931 B2 JP2551931 B2 JP 2551931B2
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/42Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid
    • GPHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は極く表面層あるいは薄膜の微小硬度を測定す
る微小硬度測定機に関する。
(従来技術とその問題点) 近年、産業上重要となってきている薄膜の機械特性の
1つとして硬度を測定する装置が種々考案されてきた。
例えばブレティン・オブ・ザ・ジャパニーズ・ソサエ
ティ・オブ・プレシジョン・エンジニアリング(Bull.J
ap.Soc.Prec.Eng.,3,1(1968)13)3巻,1号,1968年,13
頁に記載されている様な装置は平衡型の天秤を用いて片
方のはりを電磁石により上下させて他方に取り付けた圧
子を試料に押し付けて圧こんを観察するものがあるが圧
こんを観察することおよび電磁石を使用していることか
ら荷重の精度は0.1gと精度が悪く膜厚0.1μm程度の薄
膜の硬度を測定することは困難である。
また固体物理,8巻,5号,1973年,29頁−33頁に記載され
ている様な装置はストレインゲージに取り付けられた圧
子を電流計の指針によって力を加えて圧子を試料表面に
押しつけると同時に圧子に取り付けられた電気容量式の
変位計を用いて押し込み量を測定するものがあるが、圧
子と試料の接触を検出することが困難な上、電流計の指
針を使って荷重を加えていることから設定荷重を変えて
複数回の試験を行なわなければならず、また押し込み荷
重の精度が悪い。また変位検出の精度も0.01μmと0.1
μmレベルの膜厚の硬度測定には精度が不足である。
またジャール・オブ・フィジクス・E:サイエンス・イ
ンスツルメント(J.Phys.E:Sci,Instrum.,vol 15,1982,
119−122)15巻,1982年,119頁−122頁に記載されている
様な装置は、静電気力によって圧子を試料に押し付け、
圧子に取り付けた電気容量式の変位計により押し込み深
さを測定しているが、荷重の精度が1mgと悪く、圧子と
試料の接触を精度良く検出することも困難であり、デー
タの信頼性に問題が有る。また変位測定に用いた電気容
量式変位計の電荷による力が荷重の測定値に影響を与え
る。また空気中の湿度により容量の変化を受け易く装置
の環境も制御する必要があり、装置は複雑で信頼性に劣
る。
本発明の目的は荷重および変位の両測定において高精
度の値が得られ、0.1μmレベルの薄膜の硬度を高精度
で求めることが出来る微小硬度計を提供することにあ
る。
(発明の構成) 本発明は鏡がおかれた試料皿を具備した電子天秤から
なる荷重変換器と、該荷重変換器の上方に設けられた圧
子と、前記荷重変換器に対面して位置し前記圧子を前記
試料皿の上の試料に押し込む圧電アクチュエータからな
る押し込み駆動器と、該押し込み駆動器下部に前記圧子
を固定し、該圧子と一体となって動くように連結された
光ファイバーからの光を前記鏡に反射させ戻り光の強度
より前記試料皿に載せられた試料と前記圧子との変位を
測定する光変位センサーと、一定速度で前記圧子を前記
試料に押し込むべく前記圧電アクチュエータからなる押
し込み駆動器を制御する制御機構とからなり、前記荷重
変換器の出力と前記光変位センサーの出力とから押し込
み荷重と押し込み深さからなる曲線を求め該曲線の勾配
から薄膜が被覆された試料の硬度を測定することを特徴
とする薄膜硬度測定器である。
(構成の詳細な説明) 次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。第1図
は本発明の微小硬度計の一実施例を表わす図で、試料1
は荷重変換器として用いられる電子天秤2の試料皿3の
上に乗せられている。先端が半径0.1μmにイオンミリ
ングによって仕上げられた圧子として用いる三角錐ダイ
アモンド圧子4は押し込み駆動器として用いられる圧電
アクチュエータ5により試料面に押し込まれる。圧子4
に取付けられた変位計として用いられるフォトニックプ
ローブ7(商品名)からの光8は皿3に乗せられた鏡6
に反射して該プローブ7に戻り、プローブと鏡の変位す
なわち、圧子の試料に対する押し込め量が測定される。
なおこの場合、鏡の代りに試料自身を用いることもでき
る。圧子による押し込み荷重は試料が乗せられた電子天
秤で測定される。
第2図は本発明の微小硬度計の一実施例を示すブロッ
ク図でパーソナルコンピュータ9からの制御信号をデジ
タル/アナログ変換器10,定電圧電源11および電圧増巾
器12を介して圧電アクチュエータ5に加えることにより
駆動制御を行なう。押し込みによる荷重の信号は電子天
秤2からデジタル信号として直接パーソナルコンピュー
タ9を通してX−Yプロッタ13のY軸に加えられるかま
たはデジタル/アナログ変換器14を通してX−Yレコー
ダ15のY軸に加えられる。押し込み深さはフォトニック
プローブ7からの光をフォトニックセンサ16(商品名,
米国フォトニクス社製)で検出することによって測定さ
れ、その信号はアナログ信号として直接X−Yレコーダ
15のX軸に加えられるかまたはアナログ/デジタル変換
器17からパーソナルコンピュータ9を通してX−Yプロ
ッタ13のX軸に加えられる。
前記の例で荷重変換器として用いた電子天秤2の精度
は0.1μgまで使用することが出来るが、通常のプラス
チック又は金属材料であれば0.01mgの精度で実用上十分
である。圧子4と試料1との接触は0.1μgまでの精度
で検出可能である。
前記フォトニックプローブ又はフォトニックセンサー
は鏡6として金又は銀をスパッタリング又は蒸着により
ガラス板に被覆したものを用いれば変位量0.004μmま
で検出することが出来る。なお試料自身を用いることも
できる。
たとえばダイアモンド圧子4は先端が一点になる様に
三角錐が用いられる。頂角は出来るだけ小さい方が好ま
しいが、加工の歩止りから80゜程度が適当である。先端
は研磨だれにより大きな曲率半径を持つので、0.01〜0.
1μmの半径に仕上げる為にアルゴンイオンによるイオ
ンエッチング法を用いる。
微小硬度計は荷重を加える駆動系と、変位検出部が一
体となって動き、かつそれらと荷重検出部は独立になっ
ている為、駆動系のヒステリシスには全く影響されな
い。また変位検出部に光を用いているので、変位検出が
荷重検出に影響を与えることもない。また荷重検出部に
電子天秤を用いることによりきわめて高精度の荷重検出
能を有することが出来る。また駆動系に圧電アクチュエ
ータを用いることにより、毎秒1nmから毎秒100nm程度の
範囲で±1nm程度きわめて微小な押し込み量を制御する
ことが出来る。
また本発明に用いられる荷重変換器には前述の電子天
秤以外にも平衡型化学天秤、動ひずみ型荷重変換器(ス
トレインゲージ)なども用いることが出来るが精度およ
び取扱いの簡便さを考えると電子天秤が最も適してい
る。電子天秤は測定試料の荷重による天秤の平衡からの
ずれをフオトダイオード/フォトセンサ等で検出し、先
の平衡位置へ天秤を電磁石により戻す時に必要な電圧か
ら荷重に換算するもので、極めて感度が良く0.1μgま
で検出が可能である。
また本発明に用いられる変位計としては、静電容量の
変位、電磁誘導(リアクタンス)の変化、磁界の変化な
どを利用する変位計も使用することが出来るが変位測定
に際し、荷重がかかることにより精度が悪いことおよび
空気中の湿度の影響を受け易い。また光干渉計を利用し
た変位計も有るが、0.01μm程度の変位を測定するには
変位計と被測定物の間を極めて近づけなければならず非
接触で測定することは困難である。そこで最も適してい
る変位計は以下説明するフオトニックセンサ(商品名,
米国フオトニクス社製)である。フオトニックセンサは
光ケーブルからの光を被測定物に反射させ、戻り光の強
度により変位を検出するもので、非接触でしかも被測定
物に力などの影響を与えずに高精度に変位を測定するこ
とが出来る。また本発明に用いられる押し込み駆動器と
しては電磁石による電磁気力を用いるもの油圧又は空気
圧を用いるもの等も使用することが出来るが圧子の微小
な変位を精度良く制御することは難しい。また静電力を
利用するものもあるが空気中の湿度の影響を受け易く制
御がきわめて難しい。そこで最も適した押し込み駆動器
は圧電アクチュエータである。圧電アクチュエータはピ
エゾ素子の積層体からなっており印加電圧を変えること
により全体が伸縮する。
実施例 次に実施例により本発明を詳細に説明する。
(実施例1) 10ミリ角のガラス板上に錫を0.17μmスパッタリング
法により被覆して試料1を作製した。この試料を第1
図、第2図に示した微小硬度計で硬度を測定した。ここ
で用いた電子天秤は荷重精度10μgでありフオトニック
プローブの変位精度40Åであった。ここで圧電アクチュ
エータによる押し込み速度は毎秒7nmで行なった。この
結果X−Yレコーダ上に描かれた荷重−押込み深さ曲線
は第3図の様であり、錫の膜厚まで圧子が押し込まれる
と、ガラス基板の硬度の為に曲線の勾配は急峻となる。
この図より錫の押し込み硬度は1.953×106g/cm2であっ
た。
(実施例2) 実施例1と同様にして但し、ガラス板上にコバルトを
0.18μmスパッタリング法により被覆して試料1を作製
した。得られた荷重−押し込み深さ曲線は第4図の様で
あり、コバルトの膜厚まで圧子が押込まれると曲線が変
化する。この図よりコバルトの押し込み硬度は2.249×1
08g/cm2であった。
(発明の効果) 実施例1および2で示す様にきわめて高精度で硬度の
変化する所を検出出来、その硬度を求めることが出来る
ことが分る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の微小硬度計の一実施例の構造を示す
図、第2図は微小硬度計のブロック図の例を示す図、第
3図,第4図は押込み荷重−押し込み深さ曲線図。 図において、1,試料、2,電子天秤、3,試料皿、4,ダイア
モンド圧子、5,圧電アクチュエータ、6,鏡、7,フオトニ
ックプローブ、8,光、9,パーソナルコンピュータ、10,
デジタル/アナログ変換器、11,定電圧電源、12,電圧増
巾器、13,X−Yプロッタ、14,デジタル/アナログ変換
器、15,X−Yレコーダ、16,フオトニックセンサ、17,ア
ナログ/デジタル変換器である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鏡がおかれた試料皿を具備した電子天秤か
    らなる荷重変換器と、該荷重変換器の上方に設けられた
    圧子と、前記荷重変換器に対面して位置し前記圧子を前
    記試料皿の上の試料に押し込む圧電アクチュエータから
    なる押し込み駆動器と、該押し込み駆動器下部に前記圧
    子を固定し、該圧子と一体となって動くように連結され
    た光ファイバーからの光を前記鏡に反射させ戻り光の強
    度より前記試料皿に載せられた試料と前記圧子との変位
    を測定する光変位センサーと、一定速度で前記圧子を前
    記試料に押し込むべく前記圧電アクチュエータからなる
    押し込み駆動器を制御する制御機構とからなり、前記荷
    重変換器の出力と前記光変位センサーの出力とから押し
    込み荷重と押し込み深さからなる曲線を求め該曲線の勾
    配から薄膜が被覆された試料の硬度を測定することを特
    徴とする薄膜硬度測定器。
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