JP5879621B2 - 微小材料ひずみ計測装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小材料ひずみ計測装置及びその方法に関する。

近年、主にシリコン基板に対して行うフォトリソグラフィ技術、薄膜成形技術、及びエッチング技術などの半導体微細加工技術により、機械・電子・光・化学などの複合機能を一体化した微小構造体が製作されるようになってきている。当該微小構造体は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスと呼ばれ、アクチュエータ、圧力センサ、温度センサ、加速度センサ、角加速度センサ等に適用されている。これらＭＥＭＳデバイスでは基板上に形成されたサブミクロンからミクロンオーダの薄膜を基本的な要素部材としている。サブミクロンからミクロンオーダの薄膜はバルク材と材料特性が異なる可能性があり、機械的性質（弾性率、強度、破壊靭性、疲労特性など）について当該薄膜材料を直接的に評価する必要がある。そこで、機械的性質の評価のために、たとえば特許文献１に示す微小材料ひずみ計測装置が提案されている。

特許文献１においては、引張応力または圧縮応力による微小材料の変形を走査型プローブ顕微鏡で計測するとしている。具体的には、微小材料の表面に標点となる微小な格子状ラインパターンを設けて、その標点の変化を走査型プローブ顕微鏡で計測することで、微小な変形を計測可能としている。

特開２００３−２０７４３２号公報

しかしながら、特許文献１においては微小材料に標点を設けている。このため、標点を設ける際に微小材料表面に傷がつき、微小材料が計測の前段階で破壊に至るおそれがある。また、走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーはほとんど接触した状態で計測をするため、その位置調整が難しく、極めて整った計測環境を必要とする。更には、その測定時間も領域をいわば点で走査することが必要となるので、その領域も狭く、その狭い領域であっても測定には膨大な時間を必要とする。

このようなことを回避するのに、標点を設けずに、微小材料を固定している２つのチャック部の間の距離をそのまま用いて引張応力または圧縮応力と当該距離との関係を求めることが提案されている。また、標点を設ける場合でも、微小材料の変形に及ぼす影響を極力小さくし、且つ材質の変性を生じさせないように配慮して塗料等で標点を付ける。そして、非接触で計測するためにＣＣＤカメラ等で標点を撮影してその標点の移動量からひずみを求めようとすることも提案されている。しかし、いずれであっても、計測対象が微小材料であるがゆえに、引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に求めることは困難と考えられる。

なお、微小材料の不規則な表面形状にレーザを照射して、そのレーザの散乱光による干渉パターン（スペックルパターン）の変化から引張応力または圧縮応力によるひずみを求める方法も考えられる。しかし、スペックルパターンは表面形状を直接的に表したものではなく、不規則な表面形状の特徴に基づくものである。このため、微小材料にあっては、必要とされる分解能が確保できるとは限らない。そして、引張応力または圧縮応力で微小材料の表面の起伏が変化した際には、初期状態で標点としていたスペックルパターンが変化したり、観察していた視野からスペックルパターンが消失したりするおそれがある。即ち、スペックルパターンを用いても、計測対象が微小材料であるがゆえに、引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に求めることは困難と考えられる。

そこで、本発明は、前記問題点を解決するべくなされたもので、微小材料に対して非接触でありながら引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に計測可能とする微小材料ひずみ計測装置及びその方法を提供することを課題とする。

本発明は、微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測するひずみ発生部と、該ひずみによる該微小材料の変形を計測する計測部と、を有する微小材料ひずみ計測装置であって、前記計測部に、前記微小材料の計測対象領域を照射する白色光源と、該白色光源で照射された該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を検出する２次元光電センサと、該干渉光を該２次元光電センサに受光させるとともに前記参照鏡を備える第１対物レンズと、該第１対物レンズの光軸方向で該第１対物レンズとの位置関係が一定とされるとともに該第１対物レンズと一緒に移動されることで自身の焦点位置が該２次元光電センサにおける前記計測対象領域の結像状態から自動調整され且つ光軸上の該第１対物レンズと入れ替え可能な第２対物レンズと、該光軸方向における相対的な走査で前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から該計測対象領域の３次元形状を測定するとともに、該３次元形状に基づいて該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である標点を複数定め且つ該複数の標点間の距離を計測する画像処理装置と、を備え、且つ、前記ひずみ発生部に、前記微小部材を保持するための２つのチャック部と、該２つのチャック部の一方を支持し前記引張応力または圧縮応力を計測する応力検出手段と、該２つのチャック部の距離を変化させることで前記ひずみを発生させる移動機構と、を備え、前記自動調整された前記第２対物レンズの位置に従い前記第１対物レンズの光軸上の位置が初期的に定められ、該移動機構により前記ひずみを前記微小材料に発生させた際には、前記応力検出手段によって計測された前記引張応力または圧縮応力と、前記初期的に定められた位置から前記第１対物レンズが前記光軸方向で相対的に走査されることで、前記ひずみで変化した前記複数の標点が見失われることなく追従して特定されて計測された該複数の標点間の距離とに基づいて、前記引張応力また圧縮応力に対する前記ひずみが計測されることにより、上記課題を解決したものである。

本発明は、計測部に、白色光源と、測定光と参照光とによって形成される干渉光を検出する２次元光電センサと、干渉光を２次元光電センサに受光させる第１対物レンズと、画像処理装置と、を備えている。そして、第１対物レンズは微小材料に対してその光軸方向に相対的に走査される。即ち、上記構成部材で走査型の白色干渉計（後述）が構成される。このため、第１対物レンズの視野（点ではなく面）が一度に計測されるので、計測対象領域の計測時間を従来よりも短縮することができる。そして、画像処理装置で、干渉光のコントラストが最大となる第１対物レンズの位置から計測対象領域の３次元形状を測定するので、計測対象領域の３次元形状を高い分解能で迅速に求めることができる。このため、マイクロレベルでの微小材料の計測対象領域の変形挙動をその場観察することができる。このとき、微小材料と計測部とは非接触であるので微小材料の取り扱いを従来よりも容易に行うことができる。また、白色干渉計で得られるのは直接的な計測対象領域の３次元形状であって、表面形状（３次元形状）に基づく散乱光による干渉パターン（スペックパターン）とは異なる。即ち、標点を微小材料に描かずとも、白色干渉計の画像処理装置では、計測対象領域内の表面形状の所定の位置を直接的に標点と設定でき、標点間の位置を計測することができる。そして、白色干渉計ではその所定の位置を含めて計測対象領域の表面形状を計測する。このため、ひずみ発生部の移動機構によりひずみを微小材料に発生させた際には、標点の位置が高さを含めて変化してもその変化を連続して計測することができる。即ち、設定された標点を見失うことなく追従して特定できるので、変化する標点間の距離を安定して計測することが可能である。仮に、初期状態で設定した標点が計測対象領域からはずれても、計測対象領域内に収まる位置を標点として適切に設定することができる。同時に、ひずみ発生部の応力検出手段によって微小材料に加わる引張応力または圧縮応力が計測されることから、引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に計測することが可能となる。

このため、ＭＥＭＳデバイスのための薄膜材料の引張強さ試験方法が日本工業規格として制定（ＪＩＳ Ｃ５６３０−２、３；平成２１年３月２０日制定）されているが、本発明により該試験方法に準拠したひずみ計測を行うことができる。

なお、変化する標点間の位置からひずみを求める際には、公称ひずみを求めてもよいが、前記ひずみが該ひずみのない状態の前記複数の標点間の距離と、ひずみを付加したのちの該複数の標点間の距離と、から求められる真ひずみとされていることが好ましい。その場合には、ひずみが微小ひずみである場合に限られず、計測対象領域に大きな変形が伴ってもひずみを高精度に求めることが可能となる。

なお、標点は２以上あれば標点間の距離を求めることができるが、前記複数の標点は、３以上とされていてもよい。この場合には、計測対象領域でひずみを分布として求めることができる。このため、計測対象領域内でのひずみの分布を表面形状と関連させて評価できるので、微小材料のより詳しい機械的性質を把握することができる。

なお、前記計測部に、前記第１対物レンズの光軸方向で該第１対物レンズとの位置関係が一定とされるとともに該第１対物レンズと一緒に移動されることで自身の焦点位置が前記２次元光電センサにおける前記計測対象領域の結像状態から自動調整され且つ光軸上の該第１対物レンズと入れ替え可能な第２対物レンズを備えているので、第１対物レンズの計測対象領域への焦点位置合わせを迅速に行うことができる。同時に、第２対物レンズにて、計測対象領域の状態観察を行うことが可能となる。更に、微小材料の光軸方向に対する傾き機能がなくても、上記第２対物レンズの焦点位置の自動調整機能により、相応の速度で３次元形状の測定が可能となる。

なお、更に、前記計測部に前記微小材料を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備える場合には、微小材料をひずみ発生部に保持する際に微小材料を加工途中としておき、微小材料を保持後に計測対象となる最終的な形状に微小材料を加工することができる。すると、保持の際には計測対象領域への機械的な応力集中を防止できるので、保持の際に微小材料が破壊されることを効果的に防ぐことができる。そして、レーザを用いた非接触状態で微小材料を加工するので、当該加工の際の計測対象領域への影響を最小限にすることができる。結果的に微小材料の保持の段階で微小材料を損なうことを防止することができる。

なお、前記２つのチャック部のうち、一方の該チャック部が他方に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている場合には、微小材料を保持する際に、チャック部の位置を３軸方向で調整できる。このため、保持の際に微小材料にかかる応力を極力少なくすることができるので、ひずみと応力との関係をより正確に計測可能となるとともに、微小材料の保持の際の破壊を回避することもできる。

なお、更に、前記ひずみ発生部が、前記光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、該光軸方向に対して傾斜可能とされている場合には、ひずみ発生部に保持される微小材料の計測対象領域を第１対物レンズの光軸上に迅速に調整することができる。同時に、微小材料の計測対象領域の傾きを予め少なくしておくことができる（水平状態）。このため、光軸方向における第１対物レンズの走査回数を低減できるので、計測対象領域の３次元形状をより高速に測定することができる。また、第１対物レンズの視野よりも広く計測対象領域を設定して３次元形状の測定を行う際には、第２対物レンズの焦点位置の自動調整機能との相乗効果により、計測対象領域すべての表面形状を追従性よく、連続的に計測することが可能となる。

なお、本発明は、微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測し、該ひずみによる該微小材料の変形を計測することでひずみを求める微小材料ひずみ計測方法であって、前記微小材料を保持する工程と、光軸上で第２対物レンズを移動させ該微小材料の計測対象領域の結像状態から該第２対物レンズの焦点位置を自動調整し、該第２対物レンズと一緒に光軸方向に移動され該第２対物レンズと一定の位置関係を有し参照鏡を備える第１対物レンズと該第２対物レンズとを入れ替え、該第２対物レンズの光軸上の位置に従い前記第１対物レンズの位置を初期的に定める工程と、保持された該微小材料に前記ひずみを発生させるとともに前記引張応力または圧縮応力を計測する工程と、該ひずみが付与された微小材料の計測対象領域に白色光源で光を照射する工程と、該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された前記参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を、前記第１対物レンズで２次元光電センサに受光させる工程と、前記第１対物レンズを前記初期的に定められた位置からその光軸方向で相対的に走査し前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から前記計測対象領域の３次元形状を測定する工程と、測定された該３次元形状に基づいて、前記ひずみで変化した該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である複数の標点を見失うことなく追従して特定し、該複数の標点間の距離を計測する工程と、得られた該複数の標点間の距離及び前記引張応力または圧縮応力に基づいて、該引張応力または圧縮応力に対する前記ひずみが計測される工程と、を含むことを特徴とする微小材料ひずみ計測方法と捉えることもできる。

なお、本発明は、前記微小材料ひずみ計測方法において、一定速度で前記微小材料を変形させることで前記引張応力または圧縮応力を連続的に該微小材料に加える工程を含む場合には、該一定速度が所定のひずみ速度であれば、微小材料の変形によって生じる熱的な平衡状態を一定に保つことができる。このため、より精度の高い計測を実現することができる。また、ひずみ速度（変形速度）によっては引張応力または圧縮応力が異なる場合であっても、該一定速度の所定のひずみ速度であれば、引張応力または圧縮応力をより正確に求めることが可能となる。

本発明によれば、微小材料に対して非接触でありながら引張応力または圧縮応力に対するひずみが正確に計測可能となる。

本発明の実施形態の一例が適用された微小材料ひずみ計測装置の全体斜視図 微小材料の一例を示す斜視図（Ａ）、（Ｂ）と拡大上面図（Ｃ） 微小材料が保持されるひずみ発生部を示す斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ） 計測部における白色干渉計の概略構成を示す模式図 微小材料ひずみ計測方法の計測工程を示すフローチャートを示す図 測定対象領域の３次元形状の一例を示す鳥瞰図（Ａ）とＺ方向における等高線図（Ｂ） チャック間の距離を一定の変位で変化させた際の標点の変化の一例を示す模式図

以下、本発明を実施するための好ましい形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１〜図３に示されるように、本発明の実施形態に係る微小材料ひずみ計測装置１００は、位置調整部１１４とひずみ発生部１３０と計測部１５０とを備える。位置調整部１１４は、微小材料１０２の計測対象領域１０８の位置調整をするためのものであり、ベースプレート１０２上に固定されている。ひずみ発生部１３０は、微小材料１０２に引張応力または圧縮応力を加えて微小材料１０２にひずみを発生させるとともに引張応力または圧縮応力を計測する。計測部１５０は、ひずみによる微小材料１０２の変形を計測する。

以下、各構成について、図１〜図４を用いて詳細に説明する。なお、以下では引張応力のみを対象として説明する。

前記微小材料１０２は、図２（Ａ）の破線部分である図２（Ｃ）に示す如く、支持ベース１０４と支持ベース１０４上に成膜された薄膜１０６とからなる。図２（Ｃ）に示される微小材料１０２の主要部分は、後述する平行部１０４Ｃの長さと幅とが１ｍｍ以下とされている。薄膜１０６の部分だけが計測対象となるので、薄膜１０６の計測結果は、支持ベース１０４と薄膜１０６の成膜された微小材料１０２の計測結果と支持ベース１０４のみの計測結果とから求められる。

支持ベース１０４の両端には、後述するひずみ発生部１３０のチャック部１３４、１３６に保持されるつかみ部１０４Ａが設けられている。２つのつかみ部１０４Ａの間には、曲率Ｒでつかみ部１０４Ａの幅を減少させる肩部１０４Ｂを介して、平行部１０４Ｃが設けられている。平行部１０４Ｃの長さＬｃは、平行部１０４Ｃの幅ｂの２．５倍以上とされている。平行部１０４Ｃの例えば中央部分には、図２（Ｃ）に示す如く、計測対象領域１０８を設けることができる。この計測対象領域１０８は、後述する第１対物レンズ１６６による視野と一致されており、１００μｍ角程度とされている。なお、計測対象領域は、第１対物レンズ１６６による視野よりも広く、Ｙ方向では幅ｂで、伸縮方向（Ｘ方向）では平行部１０４Ｃの長さＬｃの８０％以下で且つ幅ｂの２倍以上の長さとされていてもよい（例えば、計測対象領域が、第１対物レンズ１６６による視野より広くされ、２つの肩部１０４Ｂの近傍まで広がっていてもよい）。その際には、前述のＪＩＳで望まれている２つの標点をその計測対象領域内に設けることも可能となる。薄膜１０６は少なくとも計測対象領域１０８の全面を覆うように設けられている。支持ベース１０４はシリコンなどであり、薄膜１０６はシリコン膜や酸化シリコン膜や窒化シリコンなどである。なお、標点は、計測対象領域１０８における変位を計測する上で、基準となる位置をいう。また、符号ａは薄膜１０６の膜厚であり、符号Ｓは薄膜１０６の平行部１０４Ｃにおける断面積である。

前記位置調整部１１４は、図１に示す如く、Ｙステージ１１６とＸステージ１１８とθステージ１２０とβステージ１２２とαステージ１２４とを備える。Ｙステージ１１６は図示せぬ防振機構上に配置されたベースプレート１１０上に固定されている。Ｘステージ１１８はＹステージ１１６とは直交してＹステージ１１６上に固定されている。即ち、Ｙステージ１１６とＸステージ１１８とにより、αステージ１２４上に固定されるひずみ発生部１３０を光軸方向に直交する面内（ＸＹ方向）で移動可能としている。θステージ１２０は、光軸方向（Ｚ方向）に回転軸を持ち、Ｘステージ１１８上に固定されている。αステージ１２４、βステージ１２２はそれぞれ、光軸方向（Ｚ方向）に対してその表面を傾斜させるゴニオステージである。βステージ１２２がθステージ１２０上に固定され、αステージ１２４がβステージ１２２の傾斜回転軸と直交するようにβステージ１２２に固定されている。このため、θステージ１２０とβステージ１２２とαステージ１２４により、αステージ１２４に固定されるひずみ発生部１３０は、自在に光軸方向に対して傾斜可能とされている。

前記ひずみ発生部１３０は、αステージ１２４上に固定されている。ひずみ発生部１３０は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、ベースプレート１３２上に２つのチャック部１３４、１３６とＹステージ１３８と微動Ｘステージ１４０（移動機構）とＸステージ１４２とＺステージ１４４とロードセル１４６とを備えている。ベースプレート１３２上にＹステージ１３８が固定され、その上に微動Ｘステージ１４０が固定されている。そして、その上に、チャック部１３４が設けられている。微動Ｘステージ１４０は、引張応力を微小材料１０２に加えるためのものであり、駆動源として圧電素子（たとえばＰＺＴ）を用いている。このため、微動Ｘステージ１４０は、たとえば１０ｎｍの精度で制御可能とされている。一方、Ｙステージ１３８とは所定の距離をおいて、Ｘステージ１４２がベースプレート１３２に固定され、その上にＺステージ１４４が固定されている。微動Ｘステージ１４０に対峙するＺステージ１４４の面にはロードセル１４６（応力検出手段）が固定され、その上にチャック部１３６が設けられている。ロードセル１４６は、ひずみゲージ式のロードセルであり、動的応力と静的応力の両方を検出（計測または測定）することが可能である。具体的には、たとえばロードセル１４６の検出分解能は２００μＮで、最大許容荷重が約２Ｎとされている。荷重の測定では、測定できる荷重の５％よりも高い精度が保証されている。チャック部１３４、１３６には微小材料１０２のつかみ部１０４Ａが保持される。即ち、ひずみ発生部１３０は、微小材料１０２を保持するための２つのチャック部１３４、１３６を備え、一方のチャック部１３４（１３６）が他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている。なお、２つのチャック部１３４、１３６には、それぞれ上面から微小材料１０２のつかみ部１０４Ａを押さえるための平板形状の止め部材１３４Ａ、１３６Ａが設けられている。

前記計測部１５０は、図１に示す如く、ベースプレート１１０上から垂直に立ちあがるブラケット１１２に固定されている。計測部１５０は、Ｚステージ１５２と鏡筒１５４と白色光源１５６とスライダ１６２と微動Ｚステージ１６４と第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とＣＣＤカメラ１７０（２次元光電センサ）とを有する。

Ｚステージ１５２は、ブラケット１１２に固定されて、その可動部分に鏡筒１５４を固定している。本実施形態では、Ｚステージ１５２のストロークは５０ｍｍとされている。鏡筒１５４には、落射照明部１５４Ａが設けられ、その上部に白色光源１５６が取り付けられている。白色光源１５６は、微小材料１０２の計測対象領域１０８を照射するのに用いられている。白色光源１５６は、白色ＬＥＤであるが、ある程度スペクトルに広がりのある、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）などであってもよい。

鏡筒１５４には、図４に示す如く、その内部に反射ミラー１５８とハーフミラー１６０とを備える。反射ミラー１５８とハーフミラー１６０とは、白色光源１５６から出射された光を光軸Ｏの上に導くことができる。

鏡筒１５４のひずみ発生部１３０に対峙する下部には、スライダ１６２を介して第１対物レンズ１６６、第２対物レンズ１６８が取り付けられている。スライダ１６２は、第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とをＹ方向移動させることで、光軸方向（Ｚ方向）において位置を変えずに図４に示す光軸Ｏの上に第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とを入れ替え可能としている。即ち、光軸方向で第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８との位置関係が一定とされている。第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とは光軸方向（Ｚ方向）で焦点位置が一致している。第２対物レンズ１６８はＺステージ１５２との組み合わせにより、第２対物レンズ１６８の焦点位置が、後述するＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整される。このため、第２対物レンズ１６８の焦点位置が自動調整された状態で、第２対物レンズ１６８をスライダ１６２で第１対物レンズ１６６と入れ替えるだけで、第１対物レンズ１６６の焦点位置合わせが完了する。

第１対物レンズ１６６とスライダ１６２との間には微動Ｚステージ１６４が配置されている。微動Ｚステージ１６４は、第１対物レンズ１６６をその光軸方向（Ｚ方向）で走査することができる。微動Ｚステージ１６４は、駆動源として圧電素子（たとえばＰＺＴ）を用いて、０．１ｎｍの分解能で制御可能とされている。第１対物レンズ１６６は、図４に示す如く、そのホルダ１６６Ａの内部に、レンズ１６６Ｂとハーフミラー１６６Ｃと参照鏡１６６Ｄをと有し、ミラウ型干渉光学系を構成する。ハーフミラー１６６Ｃと参照鏡１６６Ｄとは光軸Ｏ上に配置されている。即ち、ハーフミラー１６６Ｃは、レンズ１６６Ｂから出射された光を分岐させる。そして、参照鏡１６６Ｄは、その分岐された光を反射して参照光を形成する。一方、ハーフミラー１６６Ｃを通過した計測対象領域１０８からの光は測定光を形成する。第２対物レンズ１６８は、計測対象領域１０８の観測、及び第１対物レンズ１６６の焦点位置を初期的に決定するために用いられる。なお、本実施形態では、第１対物レンズ１６６、第２対物レンズ１６８の倍率はそれぞれ、５０倍、２０倍である。このため、ＣＣＤカメラ１７０の１画素の大きさとの関係から第１対物レンズ１６６による水平分解能はサブミクロンとされている。

鏡筒１５４の上部には、ＣＣＤカメラ１７０を取り付けている。ＣＣＤカメラ１７０は、第１対物レンズ１６６または第２対物レンズ１６８からの光を受光する２次元光電センサである。即ち、白色光源１５６と第１対物レンズ１６６とで、白色干渉光がＣＣＤカメラ１７０の受光面に形成される。即ち、計測部１５０は微動Ｚステージ１６４を用いることで、走査型の白色干渉計を構成している。白色干渉計の原理を、図４を用いて以下に説明する。

白色光源１５６から出た光は、鏡筒１５４の落射照明部１５４Ａを通過し、反射ミラー１５８、ハーフミラー１６０で光軸Ｏに一致させられ、第１対物レンズ１６６に入射する。第１対物レンズ１６６のレンズ１６６Ｂから出射した光は、ホルダ１６６Ａ内のハーフミラー１６６Ｃで分岐される。分岐されなかった光は、ハーフミラー１６６Ｃを透過して計測対象領域１０８を照射する。計測対象領域１０８で散乱された光（白色光源１５６で照射された計測対象領域１０８からの光である測定光）は、再び第１対物レンズ１６６のハーフミラー１６６Ｃに入射する。一方、ハーフミラー１６６Ｃで分岐された光は、ホルダ１６６内の参照鏡１６６Ｄで反射されて、ハーフミラー１６６Ｃで再び反射される（白色光源１５６から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光）。同時に、測定光と参照光とは、ハーフミラー１６６Ｃで重ね合わせられ、共にレンズ１６６ＢでＣＣＤカメラ１７０の受光面上に結像されて、２次元干渉パターン（干渉光）を形成する（第１対物レンズ１６６で干渉光をＣＣＤカメラ１７０に受光させる）。この２次元干渉パターンは、測定光と参照光との光路長の差によって生じている。白色光源１５６はある程度のスペクトル幅を有しているため、可干渉性が少ない（コヒーレント長が短い）。このため、光軸方向における２次元干渉パターンの現れる範囲は狭く、光路長が一致する位置でコントラスト最大の干渉画像（明暗パターン）を得ることができる。つまり、ＣＣＤカメラ１７０の各画素毎にコントラスト最大となるように第１対物レンズ１６６を微小材料１０２に対して光軸方向で相対的に走査する。すると、ＣＣＤカメラ１７０の出力から、即ち前記干渉画像（干渉光）のコントラストが最大となる第１対物レンズ１６６の光軸方向（Ｚ方向）の位置から、計測対象領域１０８のＺ方向の高さを求めることができる（３次元形状の測定）。第１対物レンズ１６６の走査は、微動Ｚステージ１６４によりなされる。なお、白色光では、単一のスペクトルを用いる場合よりも干渉パターンの現れる範囲が狭いので、高い分解能で計測対象領域１０８の３次元形状を測定することができる。

ＣＣＤカメラ１７０には、図示せぬ画像処理装置が接続されている。画像処理装置は、微動Ｚステージ１６４の位置信号により、ＣＣＤカメラ１７０の各画素におけるＺ方向の高さを求めることができる。このため、画像処理装置において、上述した計測対象領域１０８の３次元形状を測定することができる。また、画像処理装置は、得られた計測対象領域１０８の３次元形状に基づいて計測対象領域１０８内で２つの標点を定め、それをチャック部１３４、１３６間の距離が変化する毎に２つの標点間の距離を計測する。本実施形態では、ひずみのない状態で計測対象領域１０８の３次元形状を求めた際に、２つの標点が計測対象領域１０８内のＸ方向で、Ｚ方向の最小高さを挟んだ２つのＺ方向の最大高さの位置を標点としている。これにより、ひずみ値として０．１％以下の測定（計測）を確保している。また、画像処理装置は、以下に示す真ひずみεｔと応力σとの関係を求めて、図示せぬモニタなどに出力することができる。なお、モニタには、第１対物レンズ１６６による２次元干渉パターンや測定された３次元形状画像や第２対物レンズ１６８で観察される計測対象領域１０８の実体的な画像を表示することができる。

真ひずみεｔは、符号Ｌ０をひずみのない初期の状態の標点間の距離、符号Ｌ１をひずみを付加したのちの標点間の距離とすると、２つの標点間の距離から式（１）で求めることができる。
εｔ＝ｌｎ（Ｌ１／Ｌ０） （１）

また、応力σは、計測対象領域１０８における薄膜１０６の断面積をＳ（＝平行部の幅ｂ＊薄膜の厚みａ）として、チャック部１３４、１３６間にかかる引張応力をＬｄとすると、式（２）で求めることができる。
σ＝Ｌｄ／Ｓ （２）

ここで、公称応力σｆを求める場合には断面積Ｓとしてひずみのない初期状態の断面積を用い、真応力σｔを求める場合には断面積Ｓとしてひずむ毎に変化する断面積を用いればよい。

なお、図示しないが計測部１５０の鏡筒１５４には、微小材料１０２を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部が備えられている。このため、αステージ１２４上のひずみ発生部１３０に保持された微小材料１０２を、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８の位置調整により、レーザ加工部の光軸上に移動させることができる。レーザ加工部では、加工途中の微小材料１０２にレーザを照射することで、計測対象となる最終的な微小材料１０２に成形加工する。

次に、本実施形態の微小材料ひずみ計測装置１００によるひずみ計測方法について、図５を用いて微小材料１０２の作製段階から説明する。

まず、微小材料１０２を作製する（ステップＳ２）。具体的には、図２（Ｂ）で示す如く、薄膜１０６を支持する支持ベース１０４の平行部１０４Ｃを形成する。このとき、肩部１０４Ｂで応力集中が生じないようにその曲率半径Ｒは十分大きくし、且つ、肩部１０４Ｂをできる限りなめらかに形成する。そして、支持ベース１０４は補強部１０４Ｄを残した形態とする。そして、支持ベース１０４全体を計測対象となる薄膜１０６を形成する装置に配置させて、計測すべき膜厚ａを形成する。なお、この膜厚ａは、薄膜形成時において測定が行われ、その精度は５％以内でなされている。

次に、微小材料１０２を保持する（ステップＳ４）。具体的には、薄膜１０６が形成された図２（Ｂ）の支持ベース１０４を、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すひずみ発生部１３０のチャック部１３４、１３６に固定する。微小材料１０２の２つのつかみ部１０４Ａの位置に２つのチャック部１３４、１３６が来るように、Ｙステージ１３８、Ｘステージ１４２、Ｚステージ１４４を調整する。そして、止め部材１３４Ａ、１３６Ａを外した状態のチャック部１３４、１３６に微小材料１０２を配置させる。そして、止め部材１３４Ａ、１３６Ａでつかみ部１０４Ａを仮止めする。このとき、ロードセル１４６で検出される荷重をゼロにするように、Ｙステージ１３８、Ｘステージ１４２、Ｚステージ１４４の微調整を行う。即ち、一方のチャック部１３４（１３６）を他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に調整する。荷重がゼロとなった時点で、止め部材１３４Ａ、１３６Ａでつかみ部１０４Ａを固定して、同時にＹステージ１３８、Ｘステージ１４２、Ｚステージ１４４もその状態で固定する。なお、本実施形態では、止め部材１３４Ａ、１３６Ａはチャック部１３４、１３６にねじ止めされるので、そのねじの回転量で、つかみ部１０４Ａにかかる力を調整することができる。

次に、微小材料１０２の支持ベース１０４の補強部１０４Ｄを切断する（ステップＳ６）。具体的には、計測部１５０のレーザ加工部の光軸上に、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８により微小材料１０２の補強部１０４Ｄを移動させ、補強部１０４Ｄをレーザで切断する。即ち、加工途中の微小材料１０２にレーザを照射することで、図２（Ａ）で示す計測対象となる最終的な微小材料１０２に成形加工する。このため、微小材料１０２を保持する際には補強部１０４Ｄの存在により微小材料１０２を破壊から保護し、微小材料１０２の計測の段階では計測対象領域１０８の計測を高精度に行うことが可能となる。

次に、微小材料１０２の位置調整を行う（ステップＳ８）。具体的には、図１に示す位置調整部１１４で、ひずみ発生部１３０を所定の位置に移動させる。即ち、ひずみ発生部１３０に保持された微小材料１０２の計測対象領域１０８を、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８を用いて光軸Ｏに直交する面内で移動させて光軸上Ｏに移動させる。そして、θステージ１２０、βステージ１２２、αステージ１２４により、微小材料１０２の薄膜１０６の水平度を調整する。即ち、微小材料１０２を光軸方向に対して傾斜させる。そして、保持された微小材料１０２の計測対象領域１０８に白色光源１５６で光を照射する。そして、Ｚステージ１５２を用いて第２対物レンズ１６８の焦点位置を、ＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整する。そして、計測対象領域１０８を第２対物レンズ１６８で観察して、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８で計測対象領域１０８の位置を定める。そして、スライダ１６２を動かし第１対物レンズ１６６を光軸Ｏ上に配置させる。この時点で、第１対物レンズ１６６の焦点位置に計測対象領域１０８の表面がくる。

そして、微小材料１０２の３次元形状を測定する。具体的には、計測対象領域１０８からの測定光と白色光源１５６から分岐された光で照射された参照鏡１６６Ｄからの参照光とによって形成される干渉光を、第１対物レンズ１６６でＣＣＤカメラ１７０に受光させる。そして、微動Ｚステージ１６４を用いて、第１対物レンズ１６６を微小材料１０２に対して光軸方向に相対的に走査する。そして、ＣＣＤカメラ１７０の画素毎に白色干渉によるコントラスト最大となるＺ方向位置を求めることで、ＣＣＤカメラ１７０の出力から、即ち干渉光のコントラストが最大となる第１対物レンズ１６６の位置から、計測対象領域１０８の３次元形状を測定する。計測対象領域１０８の３次元形状は、ＣＣＤカメラの１７０の各画素の計測対象領域１０８のＺ方向の高さを示す数値として求められる。即ち、当該数値がそれぞれＣＣＤカメラの１７０の視野を想定したマトリックス状に測定されることで、計測対象領域１０８の３次元形状が求められる。なお、その３次元形状を視認する際には、表計算ソフトなどを使用し、当該数値の大小に基づき色分け表示、等高図表示（図６（Ｂ））、または鳥瞰図表示（図６（Ａ））することで、容易に計測対象領域１０８の３次元形状が把握できる。このため、後述する標点を定めることも容易であり、且つその標点が変化しても容易に追従して特定することができる。

そして、測定された３次元形状から、微小材料１０２の表面が平均して水平となるように、θステージ１２０、βステージ１２２、αステージ１２４で、微小材料１０２の計測対象領域１０８の水平度を調整する。測定精度などに応じた所定の水平度が得られるまで、必要に応じて微小材料１０２の３次元形状の測定と微小材料１０２の水平度の調整を繰り返す。このことによって、正確に微小材料１０２を配置でき、従来に比べてひずみ計測自体の信頼性を向上させることができる。

次に、ひずみを与える前の段階の微小材料１０２の初期３次元形状の測定を行う（ステップＳ１０）。なお、３次元形状の測定は上述の如く行う。このとき、微小材料１０２の平行部１０４Ｃの幅ｂなども計測しておく。なお、この工程は、微小材料１０２の位置調整工程の一環で行ってもよい。

次に、チャック部１３４、１３６の間に一定の変位（たとえば数百ｎｍ〜数μｍ）を与えて、微小材料１０２に引張応力を付与する（ステップＳ１２）。即ち、保持された微小材料１０２にひずみを発生させるとともに引張応力を計測する。そして一時停止する。このときの引張速度はひずみ速度で０．０１／秒以下で行うことが望ましい。

次に、微小材料１０２の計測対象領域１０８の３次元形状を求める（ステップＳ１４）。なお、３次元形状の測定は上述の如く行う。３次元形状を測定したのち、再びチャック部１３４、１３６の間に一定の変位を与えて、微小材料１０２に引張応力を付与する（ステップＳ１２）。これを、チャック部１３４、１３６の間が所定の距離Ｌｔｌとなるまで行う。たとえば、計測回数ｎは数十回行うこととしてもよい。

次に、チャック部１３４、１３６間が所定の距離Ｌｔｌとなったところで、チャック部１３４、１３６の移動を停止させる。そして、一定の変位毎に得られた３次元形状から、計測対象領域１０８内の２つの位置を標点として定め、ひずみで変化した標点を見失うことなく追従して特定し、その標点間の距離をおのおの計測する（ステップＳ１８）。標点Ｐは、計測対象領域１０８のうちの特定の領域（図６（Ａ）、（Ｂ）で示す領域）に着目してその特定の領域の３次元形状を示す数値のうちで最も大きな値としている（最も小さい値でもよい）。ここでは、計測対象領域１０８の２つの肩部１０４Ｂに最も近い領域を当該特定の領域としてそれぞれ設けている。そして、ここでの特定の領域は第１対物レンズ１６６の視野と一致されている。このため、チャック部１３４、１３６の間の一定の変位毎に得られる特定の領域の３次元形状全体を把握することができるので、標点の位置や値が変化してもその変化に拘わらず標点の位置を追跡することが容易である。

次に、標点間の距離から式（１）、（２）に基づき、真ひずみεｔと応力σの算出を行う（ステップＳ２０）。その際に、計測回数ｉのときの標点間の距離Ｌｉと測定回数ｉ＋１のときの標点間の距離Ｌｉ＋１からひずみ増分を求め、すべてのひずみ増分を合計して真ひずみεｔを求める（真ひずみεｔにおけるひずみ増分は式（１）でそれぞれ、距離Ｌｉを距離Ｌ０の代わりに、距離Ｌｉ＋１を距離Ｌ１の代わりに代入することで求められる）。図７では、微小領域１０２の２つの肩部１０４Ｂの近傍（特定の領域）にそれぞれ標点Ｐ１、Ｐ２を設けたひずみのない初期の状態（図７（Ａ）；標点間の距離Ｌ０）と、一定の変位によりひずみが付加されたのちの標点Ｐ１、Ｐ２のそれぞれ変化した状態（図７（Ｂ）〜図７（Ｇ））を示している。なお、図７（Ｇ）では、標点Ｐ１、Ｐ２間で微小材料１０２が破断している（破線の丸で囲まれた破断領域ＦＡ）。このため、その直前の図７（Ｆ）までの真ひずみεｔを求めることができる。したがって、たとえ標点と認識した位置が、最終的な計測回数ｎで計測対象領域１０８から外れた場合でも、外れる前までのひずみ増分から真ひずみεｔを求めることができる。即ち、真ひずみεｔを安定して求めることができる。得られた真ひずみεｔと応力σとの関係はモニタなどで出力される。なお、本実施形態では、計測対象は微小材料１０２のうちの薄膜１０６である。このため、上記一連のひずみ計測を、支持ベース１０４だけと、薄膜１０６の成膜された支持ベース１０４とに行う。そして、その２つの評価結果から、薄膜１０６だけについて真ひずみεｔと応力σとの関係を求めることとなる。

本実施形態は、計測部１５０に、白色光源１５６と第１対物レンズ１６６とＣＣＤカメラ１７０と、画像処理装置と、を備えている。そして、第１対物レンズ１６６は微小材料１０２に対してその光軸方向（Ｚ方向）に相対的に走査される。即ち、上記構成部材で走査型の白色干渉計が構成される。このため、第１対物レンズ１６６の視野（点ではなく面）が一度に計測されるので、計測対象領域１０８の計測時間を従来よりも短縮することができる。そして、画像処理装置で、干渉光のコントラストが最大となる第１対物レンズ１６６の位置から計測対象領域１０８の３次元形状を測定するので、微小材料１０２の３次元形状を高い分解能で迅速に求めることができる。このため、マイクロレベルでの微小材料１０２の計測対象領域１０８の変形挙動をその場観察することができる。このとき、微小材料１０２と計測部１５０とは非接触であるので微小材料１０２の取り扱いを従来よりも容易に行うことができる。また、白色干渉計で得られるのは直接的な計測対象領域１０８の３次元形状であって、表面形状（３次元形状）に基づく散乱光による干渉パターン（スペックパターン）とは異なる。即ち、標点を微小材料１０２に描かずとも、白色干渉計の画像処理装置では、計測対象領域１０８内の表面形状の所定の位置を直接的に標点と設定でき、標点間の位置を計測することができる。そして、白色干渉計ではその所定の位置を含めて計測対象領域１０８の表面形状を計測する。このため、ひずみ発生部１３０の微動Ｘステージ１４０によりひずみを微小材料１０２に発生させた際には、標点の位置が高さを含めて変化してもその変化を連続して計測することができる。即ち、設定された標点を見失うことなく追従して特定できるので、変化する標点間の距離を安定して計測することが可能である。仮に、初期状態で設定した標点が計測対象領域からはずれても、計測対象領域内に収まる位置を標点として適切に設定することができる。同時に、ひずみ発生部１３０のロードセル１４６によって微小材料１０２に加わる引張応力が計測されることから、引張応力に対するひずみを正確に計測することが可能となる。

このため、ＭＥＭＳデバイスのための薄膜材料の引張強さ試験方法が日本工業規格として制定（ＪＩＳ Ｃ５６３０−２、３；平成２１年３月２０日制定）されているが、本実施形態により該試験方法に準拠したひずみ計測を行うことができる。

また、ひずみεがひずみεのない初期の状態の２つの標点間の距離Ｌ０と、ひずみεを付加したのちの２つの標点間の距離Ｌ１と、から求められる真ひずみεｔとされている。このため、ひずみεが微小ひずみである場合に限られず、計測対象領域１０８に大きな変形が伴ってもひずみεを高精度に求めることが可能である。

また、更に、計測部１５０に、光軸方向で第１対物レンズ１６６と焦点位置が同じ位置（位置関係が一定）とされるとともに自身の焦点位置がＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整される第２対物レンズ１６８を備えている。このため、第１対物レンズ１６６の計測対象領域１０８への焦点位置合わせを極めて迅速に行うことができる。同時に、第２対物レンズ１６８にて、計測対象領域１０８の状態観察を行うことが可能となる。更に、微小材料１０２の光軸方向に対する傾き機能がない若しくは十分でなくても、第２対物レンズ１６８の焦点位置の自動調整機能により、相応の精度で３次元形状の測定が可能となる。

また、更に、計測部１５０に微小材料１０２を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備えている。このため、微小材料１０２をチャック部１３４、１３６に保持する際に微小材料１０２を加工途中としておき、微小材料１０２を保持後に計測対象となる最終的な形状に微小材料１０２を加工することができる。即ち、微小材料１０２の保持の際には補強部１０４Ｄを備えて計測対象領域１０８への機械的応力の集中を効果的に防止し、保持の後に補強部１０４Ｄを切断することができる。このため、保持の際には微小材料１０２が破壊されることを効果的に防ぐことができる。そして、レーザを用いた非接触状態で微小材料１０２を加工するので、当該加工の際の計測対象領域１０８への影響を最小限にすることができる。結果的に微小材料１０２の保持の段階で微小材料１０２を損なうことを防止することができる。

また、２つのチャック部１３４、１３６のうち、一方のチャック部１３４（１３６）が他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている。このため、微小材料１０２を保持する際に、チャック部１３４、１３６の位置を３軸方向で調整できる。即ち、保持の際に微小材料１０２にかかる応力を極力少なくすることができるので、ひずみと応力との関係をより正確に計測可能となるとともに、微小材料１０２の保持の際の破壊を回避することもできる。

また、更に、ひずみ発生部１３０は、光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、光軸方向に対して傾斜可能とされている。このため、ひずみ発生部１３０に保持される微小材料１０２の計測対象領域１０８を第１対物レンズ１６６の光軸上に迅速に調整することができる。同時に、微小材料１０２の計測対象領域１０８の傾きを予め少なくしておくことができる（水平状態）。このため、光軸方向における第１対物レンズ１６６の走査回数を低減できる。このため、計測対象領域１０８の３次元形状をより高速で計測することができる。なお、第１対物レンズ１６６の視野よりも広く計測対象領域を設定して３次元形状の測定を行う際には、Ｙステージ１１６とＸステージ１１８との組み合わせと、第２対物レンズ１６８の焦点位置の自動調整機能との相乗効果により、計測対象領域すべての表面形状を追従性よく、連続的に計測することが可能となる。

また、本実施形態においては、チャック１３４、１３６間に一定の変位を与えて微小材料１０２に引張応力を付与し一時停止してから、３次元形状測定を行っている。このため、一定の変位毎に確実に標点間の距離を求めることができるので、上記一定の変位量を細かく設定することで真ひずみと応力との関係を詳細に求めることが可能である。

即ち、本実施形態によれば、微小材料１０２に対して非接触でありながら引張応力に対するひずみが正確に計測可能となる。

本発明について本実施形態を挙げて説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

本実施形態においては、引張応力について説明したが、本発明は引張応力だけに限定されるものではない。応力の向きを変えるだけで同じ技術思想のもとに、圧縮応力やせん断応力によるひずみに対しても同様に適用することができる。

また、本実施形態においては、計測対象が単一の薄膜１０６であり、支持ベース１０４と一緒に評価を行ったが、本発明はこれに限定されない。たとえば薄膜が計測対象領域のみで自立した状態としてもよい。この場合は、より高精度なひずみを計測することが可能となる。また、薄膜が多層膜構造を有する薄膜であってもよい。その場合には、２次元的なひずみ分布を求めることで、たとえばその多層膜構造に起因する特異組織（層状組織あるいは析出物などを含有する組織など）の近傍におけるひずみ分布を求めることが可能となる。つまり、多層膜構造を有する薄膜に対しては分布を求められるということで、ＭＥＭＳへの多層膜構造の適用における新たなプロセス提案・改善や歩留まり改善を図ることが可能となる。

また、本実施形態においては、３次元形状の計測回数ごとの標点間の距離を求めて、真ひずみεｔを求めていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、最初の標点間の距離Ｌ０と最終的に得られるｎ番目の標点間の距離Ｌｎ（＝Ｌ１）とから、式（１）を用いて真ひずみεｔを求めてもよい（図７（Ａ）と図７（Ｆ）で示される状態の標点間の距離だけを用いる場合に該当）。その場合にはｎ番目までの累積される誤差は少なくなるので、真ひずみεｔを誤差を少なく求めることが可能となる。

また、本実施形態においては、ひずみεを式（１）で求められる真ひずみεｔとしたが、本発明はこれに限定されず、公称ひずみεｆでもよい。公称ひずみεｆは、符号Ｌ０をひずみのない初期の状態の標点間の距離、符号Ｌ１をひずみを付加したのちの標点間の距離とすると、以下の式（３）で示す如く求めることができる。公称ひずみεｆは、計算量も少なく高速に求めることができ、微小ひずみの領域であれば、応力とひずみとの関係を正確に求めることが可能である。
εｆ＝（Ｌ１−Ｌ０）／Ｌ０ （３）

また、本実施形態においては、ひずみのない状態で計測対象領域１０８の３次元形状を求めた際に、２つの標点が計測対象領域１０８内のＸ方向で、Ｚ方向の最小高さを挟んだ２つのＺ方向の最大高さの位置を標点としていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、２つの標点を選択するにしても、表面形状のうねりの周波数特性から特徴的な場所を特定してそこを標点として決定してもよい。また、標点は計測対象領域内の３つ以上の位置を標点として定め、標点間の距離を計測してひずみが求められてもよい。この場合には、計測対象領域でひずみを分布として求めることができる。このため、計測対象領域内でのひずみの分布を表面形状と関連させて評価できるので、微小材料のより詳しい機械的性質を把握することができる。

また、本実施形態においては、計測部１５０に、第１対物レンズ１６６と自身の焦点位置が光軸方向で一致しているとともに自身の焦点位置がＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整される第２対物レンズ１６８を備えていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば第１対物レンズと第２対物レンズとが光軸方向で焦点位置が異なっても、その位置関係が一定であれば、第１対物レンズの微小部材への焦点位置合わせを迅速に行うことができる。

また、本実施形態においては、更に、計測部１５０に微小材料１０２を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備えていたが、本発明はこれに限定されない。レーザ加工部を備えず、補強部がすでに切断された状態で、ひずみ発生部に微小材料を保持してもよい。この場合には、レーザ加工部がないので、装置をより低コストにすることができる。なお、微小材料の加工としては、他に放電加工や化学的な加工、集束イオンビーム加工、電子ビーム加工などを用いてもよい。

また、本実施形態においては、ひずみ発生部１３０に、微小材料１０２を保持するための２つのチャック部１３４、１３６を備え、一方のチャック部１３４（１３６）が他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされていた。そして、微小材料１０２の保持には止め部材１３４、１３６が用いられていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、止め部材を用いずに単に接着剤などで固定してもよい。その際には、接着剤の硬化特性に応じてチャック部の位置を調整して微小材料の保持状態を調整することができる。あるいは、上記３軸方向で相対的にチャック部が調整可能でなくてもよい。その場合には、部品点数を少なくでき、装置のより低コスト化を促進することができる。

また、本実施形態においては、更に、ひずみ発生部１３０は、光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、光軸方向に対して傾斜可能とされていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、ひずみ発生部は、光軸方向に直交する面内で移動可能されているだけでもよい。この場合には、微小材料の傾き調整を不要とすることができる。このため、微小材料の調整工数を少なくでき、且つ部品点数を低減できるので、装置をより低コストとすることができる。あるいは、ひずみ発生部は、光軸方向に対して傾斜可能とされているだけでもよい。この場合には、微小領域の形状測定は高速で高精度でありながら部品点数を低減できるので、装置をより低コストとすることができる。あるいは、ひずみ発生部は、光軸方向に直交する面内で移動可能とされず、且つ、光軸方向に対して傾斜可能とされていなくてもよい。その場合には、更に部品点数を低減できるので装置を更に低コストとすることができる。

また、本実施形態においては、チャック１３４、１３６間に一定の変位を与えて微小材料１０２に引張応力を付与し一時停止し、３次元形状の測定を行っていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、一定速度で微小材料を変形させることで引張応力または圧縮応力を連続的に微小材料に加えてもよい。その場合には、該一定速度が所定のひずみ速度（たとえば、０．０１／秒以下）であれば、微小材料の変形によって生じる熱的な平衡状態を一定に保つことができる。このため、より精度の高い計測を実現することができる。また、ひずみ速度（変形速度）によっては引張応力または圧縮応力が異なる場合（たとえば、高温変形や鉛などの室温変形で観測されるような場合）であっても、該一定速度の所定のひずみ速度であれば、引張応力または圧縮応力をより正確に求めることが可能となる。

本発明は、ＭＥＭＳデバイスの開発及び製造、金属及びセラミックス、ポリマーを含むＭＥＭＳ材料の開発及び製造等のための、サブミクロンからミクロン領域の薄膜材料の機械的特性の評価に利用することができる。

本出願は、２０１０年６月２日に出願された日本国特許出願第２０１０−１２７１０９号に基づく優先権を主張する。当該出願のすべての内容はこの明細書中に参照により援用されている。

１００…微小材料ひずみ計測装置
１０２…微小材料
１０４…支持ベース
１０４Ａ…つかみ部
１０４Ｂ…肩部
１０４Ｃ…平行部
１０４Ｄ…補強部
１０６…薄膜
１０８…計測対象領域
１１０、１３２…ベースプレート
１１２…ブラケット
１１４…位置調整部
１１６、１３８…Ｙステージ
１１８、１４２…Ｘステージ
１２０…θステージ
１２２…βステージ
１２４…αステージ
１３０…ひずみ発生部
１３４、１３６…チャック部
１４０…微動Ｘステージ
１４４、１５２…Ｚステージ
１４６…ロードセル
１５０…計測部
１５４…鏡筒
１５６…白色光源
１５８…反射ミラー
１６０、１６６Ｃ…ハーフミラー
１６２…スライダ
１６４…微動Ｚステージ
１６６…第１対物レンズ
１６６Ａ…ホルダ
１６６Ｂ…レンズ
１６６Ｄ…参照鏡
１６８…第２対物レンズ
１７０…ＣＣＤカメラ

Claims (8)

1. 微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測するひずみ発生部と、該ひずみによる該微小材料の変形を計測する計測部と、を有する微小材料ひずみ計測装置であって、
   前記計測部に、前記微小材料の計測対象領域を照射する白色光源と、該白色光源で照射された該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を検出する２次元光電センサと、該干渉光を該２次元光電センサに受光させるとともに前記参照鏡を備える第１対物レンズと、該第１対物レンズの光軸方向で該第１対物レンズとの位置関係が一定とされるとともに該第１対物レンズと一緒に移動されることで自身の焦点位置が該２次元光電センサにおける前記計測対象領域の結像状態から自動調整され且つ光軸上の該第１対物レンズと入れ替え可能な第２対物レンズと、該光軸方向における相対的な走査で前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から前記計測対象領域の３次元形状を測定するとともに、該３次元形状に基づいて該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である標点を複数定め且つ該複数の標点間の距離を計測する画像処理装置と、を備え、且つ、
   前記ひずみ発生部に、前記微小部材を保持するための２つのチャック部と、該２つのチャック部の一方を支持し前記引張応力または圧縮応力を計測する応力検出手段と、該２つのチャック部の距離を変化させることで前記ひずみを発生させる移動機構と、を備え、
   前記自動調整された前記第２対物レンズの位置に従い前記第１対物レンズの光軸上の位置が初期的に定められ、該移動機構により前記ひずみを前記微小材料に発生させた際には、前記応力検出手段によって計測された前記引張応力または圧縮応力と、前記初期的に定められた位置から前記第１対物レンズが前記光軸方向で相対的に走査されることで、前記ひずみで変化した前記複数の標点が見失われることなく追従して特定されて計測された該複数の標点間の距離とに基づいて、前記引張応力また圧縮応力に対する前記ひずみが計測される
   ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
2. 請求項１において、
   前記ひずみは、該ひずみのない状態の前記複数の標点間の距離と、該ひずみを付加したのちの該複数の標点間の距離と、から求められる真ひずみとされる
   ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
3. 請求項１または２において、
   前記複数の標点は、３以上とされている
   ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、更に、
   前記計測部に前記微小材料を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備える
   ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記２つのチャック部のうち、一方の該チャック部が他方に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている
   ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、更に、
   前記ひずみ発生部は、前記光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、該光軸方向に対して傾斜可能とされている
   ことを特徴とする微小ひずみ計測装置。
7. 微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測し、該ひずみによる該微小材料の変形を計測することでひずみを求める微小材料ひずみ計測方法であって、
   前記微小材料を保持する工程と、
   光軸上で第２対物レンズを移動させ該微小材料の計測対象領域の結像状態から該第２対物レンズの焦点位置を自動調整し、該第２対物レンズと一緒に光軸方向に移動され該第２対物レンズと一定の位置関係を有し参照鏡を備える第１対物レンズと該第２対物レンズとを入れ替え、該第２対物レンズの光軸上の位置に従い前記第１対物レンズの位置を初期的に定める工程と、
   保持された該微小材料に前記ひずみを発生させるとともに前記引張応力または圧縮応力を計測する工程と、
   該ひずみが付与された微小材料の計測対象領域に白色光源で光を照射する工程と、
   該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された前記参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を、前記第１対物レンズで２次元光電センサに受光させる工程と、
   前記第１対物レンズを前記初期的に定められた位置からその光軸方向で相対的に走査し前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から前記計測対象領域の３次元形状を測定する工程と、
   測定された該３次元形状に基づいて、前記ひずみで変化した該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である複数の標点を見失うことなく追従して特定し、該複数の標点間の距離を計測する工程と、
   得られた該複数の標点間の距離及び前記引張応力または圧縮応力に基づいて、該引張応力または圧縮応力に対する前記ひずみが計測される工程と、
   を含むことを特徴とする微小材料ひずみ計測方法。
8. 請求項７において、
   一定速度で前記微小材料を変形させることで前記引張応力または圧縮応力を連続的に該微小材料に加える工程を含む
   ことを特徴とする微小材料ひずみ計測方法。