JP6195948B2 - コムドライブを備えた２次元ｍｅｍｓトライボメータ - Google Patents

Description

関連出願の参照

本願は、参照によって本明細書に組み込まれている、２０１０年４月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／３３０１２０号の利益を主張するものである。

ナノインデンテーションは、試験サンプルの弾性係数及び硬度などの機械的性質を、例えば、小さな力及び高分解能の変位センサを用いて、定量的に測定する方法である。典型的には、ナノインデンテーションにおいて使用される力は、典型的な変位幅が１０μｍより小さく、ノイズレベルが典型的に１ｎｍ ｒｍｓ．より良い状態において、１０ｍＮより小さい。ナノインデンテーションでは、負荷の力と変位を測定することができるナノインデンターが使用されている。その力と変位のデータは、サンプルの機械的特性を測定するために使用される。このサンプル特性評価のために、ナノインデンターは、既知の形状及び既知の機械的特性を有する特徴付けられたチップと一体化されていなければならない。２次元の力及び変位の検出を備えたナノインデンターは、摩擦及び摩耗などの追加の機械的特性を測定するためのトライボロジー用途にナノトライボメータとして使用され得る。

ナノインデンテーション計測における重要な構成要素の１つは、電気入力を機械力に変換し、機械的変位を電気信号に変換する変換器である。うまく設計されたナノインデンター変換器は、例えば、力の範囲を拡大し、最大の力を大きくすることを含み、力の分解能及びシステム帯域幅を向上し、システムノイズを低減するなど、ナノインデンター特性の多くの態様を向上させることができる。

新たなナノインデンテーションアプリケーションの１つは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）内の定量的なその場でのナノメカニカル試験である。この試験方法は、定量的な機械データを測定している間、リアルタイムでサンプルの変形を観察することが可能である。そのような試験機能を実現するため、力を加えて変位を測定することが可能で、定量的な変換器が、ＴＥＭホルダーと一体化されているべきである。変換器の物理的大きさは、ＴＥＭホルダーの大きさによって制限されており、ＴＥＭのポールギャップに依存する。例えば、ＦＥＩ社によって製造されたＴＥＭホルダーは、４ｍｍの最大許容外径を有しており、小さいホルダー直径のいくつかのＴＥＭは、ＦＥＩ社のＴＥＭとＨｉｔａｃｈｉ社のＴＥＭと互換性を保つために、小さい変換器を必要とする。

上記の観点から、トライボメータの物理的大きさは、小さくされなければならない。より小さいトライボメータを作るために重要なことは、ＴＥＭ市場データから明らかであり、ＦＥＩ社及びＪＥＯＬ社がそれぞれ４０％の市場シェアを有し、その他が残り２０％を有する。より小さいトライボメータを作ることは、ＦＥＩ社及び他のいくつかのＴＥＭにその場でのナノトライボロジー試験機能の向上を可能にするであろう。ＭＥＭＳ技術は、性能要件を損なうことなくナノトライボメータを小型化することが可能な１つの技術である。

２００９年７月６日に出願され、本開示と同じ譲受人へ譲渡された、米国特許出願番号１２／４９７８３４（米国特許第８１６１８０３号）に記載されるように、１次元（１−Ｄ）ＭＥＭＳ変換器が開発されており、これらは参照によって本明細書に組み込まれている。しかしながら、そのようなＭＥＭＳ変換器は、単軸（例えば、１次元）、即ちインデンテーションの軸に沿った駆動及び検出を提供する。

米国特許第８１６１８０３号明細書（米国特許出願番号１２／４９７８３４） 米国特許第５５５３４８６号明細書 米国特許第５８６９７５１号明細書

一実施形態は、本体と、本体と関連して連結され、可動のプローブであって、取り外しできるインデンターチップを保持するプローブと、第１の微小機械コムドライブと、第２の微小機械コムドライブと、を含む、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ナノインデンター変換器を提供する。第１の微小機械コムドライブは、印加されたバイアス電圧に応じて、インデンテーション方向を含む、第１の軸に沿ってプローブを駆動するよう構成された複数の静電容量アクチュエータを備えたアクチュエータと、第１の軸に関連してプローブの位置をともに示す容量レベルを有する複数の差動容量センサを備えた変位センサと、を含む。第２の微小機械コムドライブは、印加されたバイアス電圧に応じて、第１の軸に垂直である、第２の軸に沿ってプローブを駆動するよう構成された複数の静電容量アクチュエータを備えたアクチュエータと、第２の軸に関連してプローブの位置をともに示す容量レベルを有する複数の差動容量センサを備えた変位センサと、を含む。各静電容量アクチュエータ及び各差動容量センサは電極コム対を備え、各電極コム対は本体に連結された固定電極コムとプローブに連結された可動電極コムとを含む。

一実施形態に係る２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器を用いたナノインデンテーション試験システムのブロック図である。 一実施形態に係る２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器の透視である。 一実施形態に係る、図２の２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器の分解図である。 一実施形態に係る、図２の２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器の上面図である。 一実施形態に係る静電アクチュエータコムの２つのセットを示す。 一実施形態に係る静電駆動コンデンサの詳細な性能説明を示す表１である。 一実施形態に係る検出コンデンサの差動静電容量検出スキームを示す。 一実施形態に係る上下軸、即ちＺ軸変位コンデンサの詳細な性能情報を示す表２である。 一実施形態に係るばね及びクラッシュプロテクタを示す図である。 一実施形態に係る２次元ＭＥＭＳ変換器の詳細な静的特性を示す表３である。 一実施形態に係る２次元ＭＥＭＳ変換器の動的特性を詳述する表４である。 一実施形態に係る２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器の製造工程を一般的に示すフロー図である。 一実施形態に係る制御スキームの模式図である。

以下の詳細な説明では、符号は、発明が実施され得る特定の実施形態の図として示される本明細書の一部を形成する添付図面に作成されている。この点において、方向用語、例えば、“正面”、“下面”、“前面”、“背面”、“先端”、“後端”などは、図の方向を示す参照として使用される。本発明の実施形態の構成要素は、多数の異なった向きに配置でき、方向用語は例示の目的のために使用され、決して限定されるものではない。他の実施形態が利用されてもよいし、構造的変更又は論理的変更が本発明の範囲を逸脱することなく行われてもよいことは理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に捉えることなく、本発明の範囲が添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書で記載された実施形態によると、微小機械コムドライブが、材料の表面特性を測定するためのナノインデンテーション試験を行うために備えられている。一実施形態によると、微小機械コムドライブは、インデンターチップを含む可動プローブの駆動のための静電アクチュエータとして構成された作動コムと、直交する２方向だけでなく角度のある回転方向における変位検出を提供するための変位センサとして構成された４つの検出コムを含む。

図１は、本開示に係る２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００を用いたナノメカニカル試験システム３０の一実施形態を一般的に示すブロック図である。２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００、それに実装されたインデンターチップ２０５を含んでいることに加えて、システム３０は、ナノインデンテーション及びナノスクラッチを経て試験されるため、表面３８を有する試験サンプル３６を保持するよう構成されたプラットフォーム３４と、インターフェイス４４を介してコンピュータ４２と通信するコントローラ４０を含んでいる。試験システム３０は、少なくともその場サンプル試験に適している。

一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、水平方向（ｘ及びｙ次元）に直交する垂直方向（ｚ次元）におけるインデンターチップ２０５の変位、及びプラットフォーム３４に関連する回転動作の変位を示す検出回路６０の容量信号５０を提供するよう構成されている。一実施形態によると、検出回路６０は、容量信号５０から電圧信号５１に変換する。一実施形態によると、コントローラ４０は、電圧信号５１をデジタル信号に変換し、デジタル信号をインターフェイス４４を介してコンピュータ４２に送る。一実施形態によると、これらのデジタル信号に基づいて、応用モジュール（例えば、ソフトウェア）は、デジタル駆動信号をコントローラ４０に送り、順番に、インデンターチップ２０５を駆動する又はプラットフォーム３４に関連してｚ軸に沿ってインデンターチップ２０５を所望の距離に移動させるため、デジタル駆動信号を微小機械コムドライブ１００に送られる駆動電圧信号５２に変換する。

一実施形態によると、コンピュータ４２の応用モジュール４６を通るコントローラ４０は、プラットフォーム３４に関連してインデンターチップ２０５の移動を制御するように構成され、最初の参照ポイントからのインデンターチップ２０５の変位を表す信号をインターフェイス４４を介してコンピュータ４２に送るよう構成されている。一実施形態によると、コントローラ４０は、駆動力を測定し、調整するよう構成されている。

一実施形態によると、応用モジュール４６は、プロセッサ４８によってアクセス可能で実行可能にされたメモリーシステム４７に格納された命令を備える。メモリーシステム４７は、例えば、ＲＡＭ、ハードディスク駆動装置、ＣＤ−ＲＯＭ駆動装置、ＤＶＤ駆動装置など、揮発性記憶装置及び不揮発性記憶装置のタイプをいくつでも備えてもよい。他の実施形態では、応用モジュール４６は、ハードウェアと、ファームウェアと、少なくとも本明細書で記載した機能を実行するよう構成されたソフトウェア要素とのいくつかの組み合わせを備えてもよい。

一実施形態によると、ナノメカニカル試験システム３０は、２次元ナノインデンター変換器１００及びそれに連結されたインデンターチップ２０５の３次元位置決めを可能にする、機械的ポジショナー６０とピエゾポジショナー６２を含む。一実施形態によると、ナノインデンター変換器１００及びインデンターチップ２０５の最初の位置決めは、機械的ポジショナー６０とピエゾポジショナーを介して行われ、インデンターチップ２０５の最後の位置決めと移動は、ナノインデンター変換器１００を介して行われる。

一実施形態によると、ナノメカニカル試験システム３０は、試験サンプル３６の表面３８を表示するイメージングデバイス７０をさらに含んでいる。一実施形態によると、イメージングデバイス７０は、試験領域のプロフィール、即ち形状を記憶又は測定することが可能な機器／デバイス、例えば、光学顕微鏡、表面形状測定装置、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、あるいは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、を備えており、サンプル３６の表面３８の画像を提供するように構成されている。

試験システム３０と類似し、本開示に係る微小機械コムドライブとインデンターチップとともに使用するよう構成されるのに適したシステムの例が、米国特許第５５５３４８６号及び米国特許第５８６９７５１号によって記載されており、どちらも本開示と同じ譲受人に譲渡されており、本明細書に参照によって組み込まれている。本開示に係る微小機械コムドライブとインデンターチップとともに使用するよう構成されるのに適したシステムの例が、米国ミネソタ州のミネアポリスのＨｙｓｉｔｒｏｎ社から商品名ＴｒｉｂｏＩｎｄｅｎｔｅｒで市販されている。

図２は、本開示の一実施形態に係る、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００を示す透視図であり、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００に取り付けられるように、取り外し可能なインデンターチップ２０５を示す。一実施形態によると、２次元ナノインデンター変換器１００は、本体１０２と、１対の前ばね１０６，１０８と１対の後ばね１１０，１１２によって本体１０２から支えられる可動プローブ１０４を含む。ばねは、可動プローブ１０４が、他の方向、例えば、Ｘ軸１１５に沿うなど、より容易に、インデンテーション方向１１６（図１の＋Ｚ方向）を含んだＺ軸（変位軸と呼ばれる）に沿って変位可能なように形成されている。

２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、第１の、即ちＺ軸の、微小機械コムドライブ１２０（上下コムドライブとも呼ばれる）と、第２の、即ちＸ軸の、微小機械コムドライブ１３０（横コムドライブとも呼ばれる）と、をさらに含む。第１の微小機械コムドライブ１２０は、第１及び第２の駆動コンデンサ１２２ａ、１２２ｂによって形成される駆動コンデンサ１２２（Ｚ軸アクチュエータと呼ばれる）と、第１及び第２の検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂによって形成される第１の変位コンデンサ１２６（＋Ｚ軸センサと呼ばれる）を有する変位センサコンデンサ１２４と、第３及び第４の検出コンデンサ１２８ａ、１２８ｂによって形成される第２の変位コンデンサ１２８（−Ｚ軸センサと呼ばれる）と、を含む。第２の微小機械コムドライブ１３０は、第１の駆動コンデンサ１３２ａ（＋Ｘ軸アクチュエータと呼ばれる）及び第２の駆動コンデンサ１３２ｂ（−Ｘ軸と呼ばれる）によって形成される駆動コンデンサ１３２（Ｘ軸アクチュエータと呼ばれる）と、第１の変位コンデンサ１３４ａ（＋Ｘ軸センサと呼ばれる）及び第２の変位コンデンサ１３４ｂ（−Ｘ軸センサと呼ばれる）とを有する変位センサコンデンサ１３４と、を含む。以下でより詳細に説明されるように、各駆動コンデンサ及び各検出コンデンサは、固定された又は可動の指又はコムを複数重ね合わせたコム形のコンデンサである。

また以下でより詳細に説明されるように、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、それがなければ可動の指又はコムのオーバートラベルによって生じるかもしれない、コムドライブ１２０、１３０のコム型コンデンサへの損傷を防止するため、可動プローブ１０４の変位を制限するよう構成された４つのクラッシュプロテクタ１６０，１６２、１６４、１６６をさらに含む。

図に示すように、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、長さ（Ｌ）と、幅（Ｗ）と、厚さ（Ｔ）を有する。一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、７．０ｍｍの長さ（Ｌ）、２．８ｍｍの幅（Ｗ）、０．３０ｍｍの厚さ（Ｔ）を有しており、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００が１次元ＭＥＭＳ変換器より５０μｍ薄い以外、寸法は１次元ＭＥＭＳのものと類似している。２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の外側寸法は、１次元ＭＥＭＳ変換器のものと同じであるかわずかに小さいので、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、機械的試験のための１次元ＭＥＭＳとともに使用する同じＴＥＭホルダー内に適合し得る。一実施形態によると、厚さＴ（例えば、０．３０ｍｍ）及び幅Ｗ（例えば、２．８ｍｍ）は、変換器をＴＥＭに収めるための限界寸法である。ＦＥＩ社のＴＥＭでは、最大許容厚さ及び最大許容幅は、ＴＥＭのポールギャップとＴＥＭホルダーの形状によって制限されており、それぞれ２．０ｍｍと４．０ｍｍである。２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の外側寸法は、そのようなＦＥＩ社のＴＥＭにそれを収めることができる。

一実施形態によると、動作の安定性向上のために、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、０．１ｍｍ×０．１ｍｍ×１．５ｍｍのインデンターチップ２０５を採用している。比較すると、一実施形態によると、１次元変換器は、０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×１．８ｍｍのインデンターチップを取り付けている。２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００のインデンターチップ２０５のさらに小さい寸法は、可動プローブ１０４の質量を減らすことによって、動的操作におけるその帯域幅を増大している。

図３は、一実施形態に係る、図１の２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器の分解図であり、インデンターチップ２０５を含んでいる。図２の態様によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の本体１０２は、基板２０４上に、３つの層、金属層２０１、デバイス層２０２，酸化層２０３を含む。

一実施形態によると、基板２０４は、ｐ型１００シリコンで構成される。一実施形態によると、基板２０４は、厚さ２５０μｍを有し、１００μｍの直径を有するインデンターチップ２０５だけでなく、インデンターチップ２０５を可動プローブ１０４に固定する数１０μｍの厚さのエポキシ層を収容するのに適している。

酸化層２０３は、基板２０４からデバイス層２０２を絶縁する。一実施形態によると、酸化層２０３は、１．５μｍの酸化層であって、許容可能なレベル（例えば、１ｐｆ）で寄生容量を保持し、製造コストを抑えている。

一実施形態によると、第１及び第２の微小機械コムドライブ１２０、１３０と、ばね１０６，１０８，１１０，１１２と、クラッシュプロテクタ１６０，１６２，１６４，１６６とは、デバイス層２０２から形成される。一実施形態によると、デバイス層２０２は、ｐ型（１００）シリコンで構成される。一実施形態によると、デバイス層２０２は、５０μｍの厚さである。一実施形態によると、デバイス層２０２の厚さは、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）製造法の要件に基づいて決定される。一実施形態によると、６μｍのフィーチャーがデバイス層上に形成され、これらのフィーチャーとデバイス層２０２の厚さのアスペクト比は１０：１であり、大きな誤差なくＤＲＩＥエッチング法を使用することが可能である。以下により詳細に記載するように、複数の電極が、様々なデバイス、例えば、インデンターチップ２０５、微小機械コムドライブ１２０，１３０への電気経路を提供するデバイス層２０２上に形成されている。

金属層２０１は、デバイス層２０２に置かれ、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の電気配線又は電極と、プリント板（ＰＣＢ）などの回路基板（図示なし）との電気的接続に使用される。一実施形態によると、金属層２０１は、金で構成されている。可動プローブ１０４は、デバイス層２０２、酸化層２０３、基板層２０４から形成される。

一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハを用いて微小機械にされる。一実施形態によると、高電導性を実現するために、高濃度のホウ素がドープされたｐ型シリコンウェハがデバイス層及び基板層に使用されている。一実施形態によると、ウェハの抵抗率は、０．００５−０．０２Ω・ｃｍである。一実施形態によると、上述したように、第１及び第２の微小機械コムドライブ１２０、１３０は、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術を用いて製造される。

一実施形態によると、基板層２０４は、インデンターチップ２０５を受け取るよう構成された溝２０６を形成するため、深くエッチング処理されている。一実施形態によると、基板層２０４の厚さは、インデンターチップ２０５だけでなく数１０μｍのエポキシ層（図示なし）を含めるため必要に応じて選ばれる。一実施形態によると、インデンターチップ２０５は、例えば、ダイヤモンドチップを備える。一実施形態によると、深堀り溝２０６は、基板２０４上に微細加工される。

深堀りで長い溝２０６は、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００に損傷を与えることなく、インデンターチップ２０５などのインデンターチップを取り付けることを可能にする。取り付け溝２０６の長くて細いという特徴は、インデンターチップ２０５をＺ軸１１４に一致させることに役立つ。一実施形態によると、溝２０６は開いた側と閉じた側があり、取り付け溝２０６の開いた側は、インデンターチップ２０５を取り付け後、エポキシを塗布することが可能である。一実施形態によると、インデンターチップ２０５は、エポキシを用いて取り付け溝２０６に取り付けられる。一実施形態によると、インデンターチップ２０５は、導電性エポキシを用いて取り付け溝２０６に取り付けられる。

インデンターチップ２０５と可動プローブ１０４との間の接触領域は、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の他の部分から絶縁されており、微小機械コムドライブ１２０，１３０を含んでいる。そのような電気的絶縁は、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器を電気測定及び電子顕微鏡のその場試験のアプリケーションに使用することができる。ナノインデンテーション中の電気測定は、電気測定変化とナノインデンテーションとの間の相関関係を提供する。電気的に絶縁された導電性インデンターチップ２０５はまた、その場電子顕微鏡試験に電子を放電するために使用され得る。

電子が充電されたインデンターチップは、大きな引力を引き起こすことができ、それはすぐに接触することをもたらし得る。インデンテーション荷重／無荷重曲線に引力を付加することによって測定データが歪められる理由から、このような蓄積した電子による引力は、望ましくない。したがって、電気的に絶縁された導電性先端を接地することによって電子を放電することは、現場の電子顕微鏡試験におけるアプリケーションのための２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の性能を向上させる。

図４は、本開示の一実施形態に係る、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の部分を示す上面図である。図４に示すように、及び以下の図５によって詳細に示すように、それぞれの第１及び第２のＺ軸駆動コンデンサ１２２ａ、１２２ｂと、第１及び第２のＺ軸検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂと、第３及び第４のＺ軸検出コンデンサ１２８ａ、１２８ｂと、第１及び第２のＸ軸駆動コンデンサ１３２ａ、１３２ｂと、第１及び第２のＸ軸検出コンデンサ１３４ａ、１３４ｂとは、複数の対又はセットのコムコンデンサを含み、各対のコムコンデンサの１つのコムは、本体１０２から延設された静止した固定電極コムであり、もう１つは可動プローブ１０４から延設された可動電極コムである。

一実施形態によると、図４によって示されるように、第１及び第２のＺ軸駆動コンデンサ１２２ａ及び１２２ｂのそれぞれは、Ｚ軸アクチュエータ１２２がＺ軸１１４に沿って可動プローブ１０４を駆動するための電極コム対を合計で２４個有するように１２個の電極コム対を有しており、第１、第２、第３、第４の検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂのそれぞれは、Ｚ軸センサコンデンサ１２４が可動プローブ１０４のＺ軸差動変位検出のための電極コム対を合計で６４個有するように１３個の電極コム対を有する。また、図４の実施形態によって示されるように、＋Ｘ軸駆動コンデンサ１３２ａ及び−Ｘ軸駆動コンデンサ１３２ｂのそれぞれは、Ｘ軸駆動コンデンサ１３２が、Ｘ軸１１６に沿って可動プローブ１３２の横方向駆動のための電極コム対を合計で２６個有するように、１３個の電極コム対を有しており、＋Ｘ軸検出コンデンサ１３４ａ及び−Ｘ軸検出コンデンサ１３４ｂのそれぞれは、Ｘ軸変位検出コンデンサ１３４が、可動プローブ１０４のＸ軸差動変位検出のための電極コム対を合計で２８個有するように、１４個の電極コム対を有している。一実施形態によると、図５によって以下に詳細に記述するように、各駆動電極コム対は、１３０μｍ×５０μｍの重ね合わせ領域を有し、各変位検出電極コム対は、３３０μｍ×５０μｍの重ね合わせ領域を有する。

図４にさらに示すように、複数の電極が、第１（Ｚ軸）及び第２（Ｘ軸）のコムドライブ１２０，１３０とインデンターチップ２０５との電気経路を提供するため、デバイス層２０２に形成されている。図４の実施形態によると、電極１７０は、ばね１１０、１１２及び可動プローブ１０４を介して第１、第２、第３、第４のＺ軸検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂの可動電極コムにまで延長している。電極１７１ａ及び１７１ｂは、第３及び第４のＺ軸検出コンデンサ１２８ａ、１２８ｂの固定電極コムにまで延長している。電極１７２ａ及び１７２ｂは、第１及び第２のＺ軸検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂの固定電極コムにまで延長している。電極１７３ａ及び１７３ｂは、第１及び第２の駆動コンデンサ１２２ａ、１２２ｂの固定電極コムにまで延長している。電極１７４ａ及び１７４ｂは、Ｘ軸駆動コンデンサ１３２ａ、１３２ｂの固定電極コムにまで延長している。電極１７５ａ及び１７５ｂは、Ｘ軸検出コンデンサ１３４ａ、１３４ｂの固定電極コムにまで延長しており、電極１７６は、ばね１０６及び可動プローブ１０４を介して、第１及び第２のＸ軸駆動コンデンサ１３２ａ、１３２ｂの可動電極コム、第１及び第２のＸ軸検出コンデンサ１３４ａ、１３４ｂの可動電極コムにまで延長している。電極１７７は、ばね１０８及び可動プローブ１０４を介して、インデンターチップ２０５にまで延長しており、電極１７８は接地接続の役割をしている。一実施形態によると、図３を参照すると、電極はデバイス層２０２の厚さ５０μｍを貫通する溝によって互いに別れている。

図５は、一実施形態に係る、コムドライブ１２０のＺ軸駆動コンデンサ１２２ｂの静電駆動コムコンデンサ１４０及び１４２の２つのセットを一般的に示す図である。駆動コンデンサ１２２ｂは、２つ以上の駆動コムコンデンサのセット（上記の図４を参照）を含んでいるが、説明を容易にするため、２つの駆動コムコンデンサのセット（例えば、１４０及び１４２）のみが、図５に示されている。なお、駆動コンデンサ１２２ｂに関して記載されているが、以下の記述は、Ｚ軸駆動コンデンサ１２２ａ、及びＸ軸駆動コンデンサ１３２ａ、１３２ｂに適用することに留意すべきである。

静電駆動コムコンデンサ１４０及び１４２のそれぞれは、本体１０２から延設して固定電極コム１４４、１４６と、可動プローブ１０４の横端にまで延設し、可動プローブ１０４とともに動く可動電極コム１４８，１５０を含んでいる。一実施形態によると、固定電極コム１４４と可動電極コム１４８との間の隙間１５２で示される小さい隙間は、可動電極コム１４８と固定電極コム１４６との間のより大きい隙間１５４より３倍小さい隙間距離を有する。一実施形態によると、固定電極コム１４４及び可動電極コム１４８にバイアスがかけられたとき、より小さい隙間１５２での静電力は、より大きい隙間１５４での静電力より９倍大きくなり、それによってインデンテーション方向１１６に可動プローブ１０４を引っ張る差動力が作成される。一実施形態によると、隙間１５２は、約１０μｍの隙間距離であり、隙間１５４は、約３０μｍの隙間距離である。

図５において、固定電極コムと可動電極コムとの間の重ね合わせ幅ｂは、１５６で示されている。さらに、静電駆動コンデンサ１４２を通る断面Ａ−Ａは、１５８で示すように、固定電極コム１４６と可動電極コム１５０との間の重ね合わせ高さｈを示す。

駆動コムコンデンサ１４０、１４２にバイアスがかかっておらず、そしてＭＥＭＳナノインデンター変換器１００が試験サンプルにかみ合っていないとき、駆動コムコンデンサ１４０，１４２は、それらの“ホーム”又は“ゼロ”の位置に示されている。そのようなものとして、図５によって示されるように、より大きい隙間１５４は、より小さい隙間１５２より３倍大きい隙間距離を有している（例えば、可動電極は、固定された電極間に等距離で配置されていない。）。

上述したように、可動プローブ１０４及びインデンターチップ２０５を駆動する、又は変位するため、固定電極と可動電極との間、例えば、固定電極コム１４４と可動電極コム１４８との間、に静電力を発生させるように、バイアス電圧が、駆動コンデンサ１２２ｂの静電駆動コムコンデンサ（同様に駆動コンデンサ１２２ａの静電駆動コムコンデンサ）に印加される。静電力は、いわゆるホーム位置に可動プローブ１０４を保持しようとするばね１０６，１０８，１１０、１１２からの反抗力に対抗して、インデンテーション方向１１６に可動プローブを動かす。一実施形態によると、バイアス電圧は、固定電極コム、例えば、固定電極コム１４４、１４６に印加され、一方、対応する可動電極コム、例えば、可動電極コム１４８，１５０は、バイアス電圧に関連して固定電圧、例えば、グランドとなる。

駆動コンデンサ１２２ｂは、印加されたバイアス電圧からもたらされる静電駆動コムコンデンサ（例えば、図４における静電駆動コムコンデンサ１４０、１４２）の各セットの容量の変化で発生する静電力を利用している。駆動コンデンサ１２２ｂの容量は、固定電極と可動電極との間の隙間を変化させることによって、又は固定電極と可動電極（例えば、図４の固定電極コム１４４及び可動電極コム１４８）の重ね合わせ領域を変化させることによって、変化させることができる。隙間変化の動作によって、２つの電極コム、例えば、固定電極コム１４４及び可動電極コム１４８、との間に発生した静電力は、以下の式１で表わすことができる：

ここで、Ｆ_ｄは方向を変化する隙間への静電力、εは誘電体誘電率、ｂは電極の重ね合わせ幅（図４参照）を表し、ｈは電極の重ね合わせ高さ（図４参照）、ｄは電極間の隙間（図４参照）、Ｖは印加される電圧又はバイアス電圧である。

一実施形態によると、上述した図３を参照すると、微小機械コムドライブ１２０、１３０の駆動コムコンデンサ及び検出コムコンデンサの電極コムは、デバイス層２０２を貫通するように形成された深溝によって電気的に絶縁される。一実施形態によると、以下の図４を参照すると、駆動コンデンサ１２０のコムコンデンサのプレート又は電極と検出コンデンサ１３０，１３２，１３４，１３６との間の重ね合わせ領域を調整するため、デバイス層２０２の厚さが調整される。例えば、重ね合わせ領域を増大させるため、デバイス層２０２の厚さを増大させてもよい。

一実施形態によると、微小機械コムドライブ１２０，１３０の駆動コンデンサ１２２，１３２は、上述したように、隙間閉鎖スキームによって、もしくは重ね合わせ領域変化スキーム（横操作とも呼ばれる）によって、操作できる。隙間閉鎖スキームに合致するように操作されたとき、駆動コンデンサ１２２，１３２は、隙間変化に関して大きい容量の変化を作ることによって、比較的大きな力を発生させることができるが、電極間の制限された隙間によって比較的小さい移動範囲となる。反対に、重ね合わせ領域変化スキームは、電極隙間によって移動が制限されないため、大きな移動範囲を有することができるが、隙間閉鎖駆動スキームと比較すると、大きな力を提供していない。ナノインデンテーションアプリケーションは、大きな移動範囲（例えば、１μｍの移動）を要求しないが、大きなインデンテーション力（例えば、５００μＮ）を要求することに留意する。そのようなものとして、一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、上述した隙間閉鎖駆動スキームを採用している。

一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、上述したように、上下軸、即ちＺ軸静電駆動コンデンサ１２２（第１及び第２の駆動コンデンサ１２２ａ、１２２ｂによって形成される）と、横方向軸、即ちＸ軸静電駆動コンデンサ１３２（第１及び第２の駆動コンデンサ１３２ａ、１３２ｂによって形成される）を採用している。一実施形態によると、駆動コンデンサ１２２によって提供される最大インデンテーション力（例えば、インデンテーション方向１１４のＺ方向）は、５５２μＮと推定され、１次元変換器によって提供される最大インデンテーション力の約半分である。一実施形態によると、第１及び第２のＸ軸駆動コンデンサ１３２ａ、１３２ｂによって可動プローブ１０４の各側面に提供される最大横力は、２２９μＮと推定される。この横力は、最大インデンテーション力が適用されているときでさえ、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器が側面摩擦係数を測定できるようにしている。

一実施形態によると、以下に詳細に記載されるように（図１２参照）、大きな移動距離は要求されないように、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、閉ループフィードバック制御スキームを使用して、ナル先端位置（インデンターチップが本体１０２に関連して可動プローブ１０４を“ホーム”位置に保って静止している）に操作している。一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器の移動制限は、ソフトウェア制御によって１μｍ以内に制限される（図１及び図１２参照）。

図６は、駆動コンデンサ１２２ａ、１２２ｂを介してＺ軸１１４に沿って上下駆動又は移動するよう提供される静電駆動コンデンサ１２２と、駆動コンデンサ１３２ａ、１３２ｂを介してＸ軸１１５に沿って横駆動又は移動するよう提供される静電駆動コンデンサ１３２の詳細な性能記述を示す表１である。表１において、公称隙間の絶縁破壊電圧は、パッシェンの法則を使用して推定されており、絶縁破壊電圧とは隙間と圧力の関数として説明される。推定された値は、周囲の条件の場合によるもので、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器が高真空中で操作されているとき、より高くなり得る。最大静電力は、絶縁破壊電圧に近い３００Ｖが印加されたときの場合に見積もられる。移動制限に関して、１０４の移動がクラッシュプロテクタを介して物理的に制限されることに留意する。

一実施形態によると、図７に関して以下に記載されるように、差動容量検出スキームが、Ｚ軸１１４に沿って可動プローブ１０４とインデンターチップ２０５のインデント、即ち上下変位とＸ軸１１５に沿った横変位を測定するように採用されている。可動プローブ１０４の移動は、本体１０２から延設される、静止、即ち固定電極コムと可動プローブ１０４から延設される可動電極コムとの間の容量変化と一致する。一般的に、可動プローブ１０４のナル、即ちホーム位置からの変位における変化は、可動電極コムと静止電極コムとの間の容量比に比例するセンサ電子機器の信号出力から測定される。

図７は、一実施形態に係る、微小機械コムドライブ１２０の検出コンデンサ１２４の検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂの構成及び電気的動作を一般的に示す概略図である。微小機械コムドライブ１２０の駆動コンデンサ１２２の静電駆動コムコンデンサ１２２ａ、１２２ｂと同様に、図５によって上記に示すように、検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂのそれぞれは、固定及び可動電極コムのセットを複数含んでいる。微小機械コムドライブ１２０の検出コンデンサ１２４のＺ軸検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂに関して記載されているが、以下の記載は、微小機械コムドライブ１３０のＸ軸検出コンデンサ１３４のＸ軸検出コンデンサ１３４ａ、１３４ｂにも同様に適用するのに留意する。

図の場合、各検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂは、コムコンデンサが３セットのみ有するものとして、図７に示されており（図４に示されるように１３セットではなく）、それぞれのセットは、本体に連結された固定された電極と可動プローブに連結され、共に変位可能な可動電極を有する。図７において、可動電極１８０は、検出コンデンサ１２６ａ、１２８ａによって分けられていることに留意し、そして可動電極１８２が検出コンデンサ１２６ｂ、１２８ｂによって分けられていることに留意する。

一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、可動プローブ１０４の変位を検出して測定する差動容量検出スキームを採用している。可動プローブ１０４が、例えば、バイアス電圧のアプリケーションから駆動コンデンサの固定電極コムに変位したとき、固定電極コムと各検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂの可動電極コムとの間の隙間は変化し、順番に各検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂの容量が変化する。

図７における各検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂの容量（例えば、各電極コム対の容量の合計）は、それぞれＣ_Ａ、Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｃ，Ｃ_Ｄで表される。容量値Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｃ，Ｃ_Ｄは、検出回路６０に提供される容量値Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｃ，Ｃ_Ｄを表す電気信号５０である（図１参照）。可動プローブ１０４がバイアスのかかっていない状態で、試験サンプルにかかっていないとき（例えば、可動プローブ１０４が“ホーム”位置にある）、これらの容量の既知の基準値に対する容量Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｃ，Ｃ_Ｄの値変化に基づいて、インデンテーション方向１１６（例えば、ｚ軸）、横方向（ｘ軸）、ｙ軸についての可動電極１０４の回転にける可動電極１０４の変位が測定され得る。

インデンテーション方向１１６における可動電極１０４の変位は、以下の式２で表される容量組み合わせ率（ＣＣＲ_Ｉ）に基づいて決定される：

可動電極１０４がインデンテーション方向１１６に移動したとき、（Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｄ）の合計は増加する一方、（Ｃ_Ｂ＋Ｃ_Ｃ）の合計は減少し、｛（Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｄ）−（Ｃ_Ｂ＋Ｃ_Ｃ）｝の増加をもたらす。したがって、ＣＣＲ_Ｉの値は、インデンテーション方向１１６（例えば、ｚ軸）における可動プローブ１０４の変位に比例した量によって、Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｃ，Ｃ_Ｄに対する既知の基準値を使用して決定されたＣＣＲ_Ｉの基準値に関連して増加する。

横方向（例えば、ｘ軸）の可動電極１０４の変位は、以下のように式３によって表される容量組み合わせ率（ＣＣＲ_Ｌ）に基づいて決定される。

可動プローブ１０４が横方向（ｘ軸）に移動するとき、（Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｂ）の合計が増加する一方、固定及び可動電極コムの重ね合わせ領域の変化によって（Ｃ_Ｃ＋Ｃ_Ｄ）の合計が減少し、｛（Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｂ）−（Ｃ_Ｃ＋Ｃ_Ｄ）｝の増加をもたらすように、検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂの可動電極コムは、固定電極コムに関連して横方向に移動する。したがって、ＣＣＲ_Ｌの値は、横方向（例えば、ｘ軸）における可動プローブ１０４の変位に比例した量によって、Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｃ，Ｃ_Ｄに対する既知の基準値を使用して決定されるＣＣＲ_Ｌの基準値に関連して増加する。

１８４で表される、ｙ軸についての可動電極１０４の回転移動は、以下の式４によって表される容量組み合わせ率（ＣＣＲ _Ｒ ）に基づいて決定される：

可動プローブ１０４が時計回りの方向に回転するとき、（Ｃ_Ｂ＋Ｃ_Ｄ）の合計が増加する一方、回転動作によって（Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｃ）の合計が減少し、｛（Ｃ_Ｂ＋Ｃ_Ｄ）−（Ｃ_Ａ＋Ｃ_Ｃ）｝の増加をもたらす。したがって、ＣＣＲ_Ｒの値が、可動プローブ１０４の角回転に比例した量によって、Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｃ，Ｃ_Ｄに対する既知の基準値を使用して決定される、ＣＣＲ_Ｌの基準値に関連して増加する。

単純な２極静電容量センサとは違って、上述した差動容量センサは、温度変化及び湿度変化などの周囲の変化にかかわらず、より正確な変位測定を提供する。これは、様々な環境条件におけるナノスケールで測定するアプリケーションのための差動検出スキームを活用することの大きな利点である。

図８は、第１の微小機械コムドライブ１２０の上下軸、即ちＺ軸変位コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂと、第２の微小機械コムドライブ１３０の横軸、即ちＸ軸変位コンデンサ１３４ａ、１３４ｂの詳細な性能情報を示す表２である。１ｐＦの寄生容量が変位検出コンデンサの非線形動作を推定するのに使用されているのに留意する。

上述したように、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、可動プローブ１０４のＺ軸の移動とＸ軸の移動の両方を検出する。上述したように、可動プローブ１０４は、ナル又はホーム位置で操作されるため、変位検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１３４ａ、１３４ｂは、ロングレンジの直線性を要求していない。これは、電極コム対間の隙間を減らし、それによって変位検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１３４ａ、１３４ｂの変位検出感度を上げている。一実施形態によると、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００は、検出コンデンサ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１３４ａ、１３４ｂ間に６μｍの隙間距離を有している。この隙間は、１次元ＭＥＭＳ変換器の一実施形態によって採用されている１０μｍの隙間距離より小さい。したがって、実際は操作方向への容量勾配である変位感度は、上下方向、即ちＺ方向が、１０ｆＦ／μｍの感度である１次元ＭＥＭＳ変換器のものより２倍感度が良いことを示している。一実施形態によると、横移動変位検出は、１次元ＭＥＭＳ変換器の上下移動検出のものより５０％感度が良い。そのような感度値は、各変位センサの変位スケール係数（検出回路からの信号出力に対する変位）に比例する。２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の高感度は、１次元ＭＥＭＳ変換器の電極コム間の隙間距離１０μｍに比べて、より小さい６μｍの隙間距離を用いて達成される。

図９は、一実施形態に係る後ばね１１０、１１２及び後ばねに最も近いクラッシュプロテクタ１６０を一般的に示す図である。一実施形態によると、ばね１１０，１１２によって示されるように、各ばね１０６，１０８，１１０，１１２は、インデンテーション方向１１６（Ｚ軸）における変位に対する剛性に比べて、横方向（Ｘ軸及びＹ軸）における変位に対してより大きい剛性を有する。したがって、各ばねは、Ｘ軸方向に沿って横方向に厚くて長い部分１９０と、インデンテーション方向に薄くて短い部分１９２を有する。そのようなばね設計は、そうでないとインデンテーション手順中の摩擦によって発生するであろうＸ軸方向及びＹ軸方向における変位軸１１４からの可動プローブ１０４のインデンターチップ２０５の転位を実質的に制限する。そのようなばね特性は、その場のＴＥＭナノインデンテーションにとって、特に、試験表面がインデンテーション方向に垂直でないときに重要である。

前述の通り、クラッシュプロテクタは、それがなければ操作ミスまたは手違いによって生じるかもしれない変換器及びコントローラ機器に対しての永久的な損傷をもたらし得る、微小機械コムドライブ１２０、１３０の固定電極コムと可動電極コムとの間で生じる接触を防止している。上述したように、一実施形態によると、クラッシュプロテクタ１６０，１６２，１６４，１６６は、デバイス層２０２に作成される（図３参照）。

一実施形態によると、図９におけるクラッシュプロテクタ１６０によって示されるように、隙間１９４が本体１０２と可動プローブ１０４との間のＺ軸（例えば、変位軸１１４の方向における図２参照）に沿って形成され、隙間１９６が本体１０２と可動プローブ１０４との間のＸ軸（横方向）に沿って形成される。一実施形態によると、隙間１９４、１９６は、駆動コンデンサ１２０の固定及び可動電極コムと検出コンデンサ１３０，１３２，１３４，１３６との間の隙間距離（例えば、図４に示す隙間１５２）より小さい隙間距離を有する。一実施形態によると、クラッシュプロテクタ１６０，１６２，１６４，１６６は、可動電極１０４の移動を、固定及び可動電極コム対との間で”クラッシュ”が生じる可能性がないように、電極コム対の最小隙間６μｍより小さい、３μｍに制限する。クラッシュプロテクタ間の接触は、クラッシュプロテクタの接触部が同じ電極であるとき、変換器に電気的影響を与えない。

２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の静的特性は、有限要素解析 を用いて評価される。一実施形態によると、上下（Ｚ軸）及び横（Ｘ軸）移動に対する剛性は、約２００Ｎ／ｍに決定されている。その剛性の値は、１次元変換器の経験に基づいて望ましいものである。ばねの剛性が大きすぎると、力の感度が下がるであろう。さらに、ばねの剛性が小さすぎることは、ばねの細い部分を製造するためのオーバーエッチングに起因するその場製作を減らしている。

図１０は、一実施形態に係る、２次元ＭＥＭＳ変換器１００の詳細な静的特性を示す表３である。横の剛性は、可動プローブ１０４ではなく、インデンターチップ２０５の変位とインデンターチップ２０５に加えられる力に基づいて推定されていることに留意する。横の剛性は、インデンターチップ２０５の長さ次第で変化する。表３に示された値は、インデンターチップ２０５が可動プローブ１０４から０．５ｍｍまで延設された配置を表す。

一実施形態によると、ばね１０６，１０８，１１０，１１２の応力解析が変位方向１１６におけるＺ軸１１４に沿って１μｍまで変位された可動プローブ１０４を用いて行われる。後ばね１１０、１１２上の１μｍの上下移動の最大応力は、２４ＭＰａであると測定されている。Ｘ軸１１５に沿って１μｍの横移動のため、前ばね１０６，１０８の最大応力は、２０ＭＰａであると測定されている。そのような応力は、７ＧＰａの単結晶シリコンの降伏強度よりはるかに小さい。そのような小さい応力は、１μｍの移動範囲で、２次元ＭＥＭＳ変換器１００が損傷を受けず、あらゆる塑性変形をせず、かつ、ばねが弾性変形を伴って直線性を維持することができることを示している。

ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の動的特性はまた、有限要素解析 を用いて調べられる。一実施形態によると、上下（Ｚ軸）方向に対する２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器の共振周波数は、３．２ｋＨｚであると測定されている。対応する動的モードは、上下方向に対する並進発振である。一実施形態によると、横方向に対する共振周波数は、４．１ｋＨｚであると測定されている。対応する動的モードは、横方向に対する回転発振である。

そのような共振周波数は、一般的に１ｋＨｚより低い共振周波数を有する他の既知の市販のＭＥＭＳではないトライボメータより高い。これらの高共振周波数は、同等の剛性を有しつつ、上下変換モードのためのより小さい質量と、横回転モードのためのより小さい慣性モーメントを使用することによって達成される。この高共振周波数又は高変換帯域幅は、より速い整定及びより良い制御性に寄与している。整定時間は、共振周波数に反比例して、

として表されることができ、ｔ_ｓは整定時間、Ｑはシステム品質係数、ｆ_ｎは共振周波数である。式によって示されるように、高周波数は整定時間をより短くする。

一実施形態によると、図１２を参照して以下に詳細に記載されるように、２次元ＭＥＭＳトライボメータ１００は、ナル位置で閉ループフィードバック制御を調整するインデンターチップ２０５を操作するように構成されている。この操作において、閉ループ制御における追従誤差は、測定誤差に追加される。より高い帯域幅及びより良い制御を有することは、制御追従誤差によって引き起こされる測定誤差を減らすための操作に重要である。

図１１は、一実施形態に係る、２次元ＭＥＭＳ変換器１００の詳細な動的特性である表４を示す。機械的品質係数は、１次元ＭＥＭＳ変換器の動的特性に基づいて作成される仮定値である。

一実施形態によると、１００μＮの摩擦力及び１３８μＮのバランス力（差動横センサ１３４がバランス力でゼロにされる）が２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００に加えられるとき、変位分布が測定される。評価結果は、横変位センサ１３４がバランスをとっているとき（例えば、センサはゼロを読んでいる）、インデンターチップ２０５が１３ｎｍの変位を有することを示している。横変位センサ１３４とインデンターチップ２０５の実際の移動との相違は、摩擦力とバランス力（制御力）とともにインデンターチップ２０５に負荷されるモーメントによって引き起こされる。この１３ｎｍ変位は、摩擦推定に対するばね力を負荷することによって、２．１μＮの摩擦過大評価（２．１％摩擦係数測定誤差）をもたらす。

ＴＥＭホルダーを回転することは、使用者が、より興味深く明確な材料構造形状及び動きを得るために異なる視野角で試験サンプルを調べることを可能にしている。最初の軸（アルファ傾斜）に沿った、そのような回転は、材料の調査には役に立つが、これは重力に起因する可動電極変位によって性能低下を引き起こし得る。この問題は、重い可動部品及び重力によって引き起こされる大きな変位を有するプローブにとってより深刻である。

２次元ＭＥＭＳトライボメータには、それは質量が小さく、重力によって引き起こされる変位が小さいので、アルファ傾斜操作が有利である。一実施形態によると、インデンターチップ１０５を含む可動電極の総推定質量は、０．５ｍｇである。３０度のアルファ傾斜で、トライボメータ上の重力は、先端をＸ軸に対して約１０ｎｍ移動させる。それをナル先端位置に引き戻すため、Ｘ軸アクチュエータは、２．４μＮのバランス力のみを加える必要がある。この２．４μＮのバランス力は、最大Ｘ軸力２９９μＮの１％より小さい。

図１２は、シリコンマイクロマシニング技術を用いて２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の製造工程２２０の一実施形態を一般的に示す工程フロー図である。工程２２０は、出発原料２２２で開始する。一実施形態によると、出発原料は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハで構成される。一実施形態によると、上述したように、高電導性を達成するため重ホウ素ドープｐ型シリコンウェハがデバイス層２０２及び基板層２０４に使用されていた。一実施形態によると、ウェハの抵抗率は、０．００５−０．０２Ω・ｃｍの範囲である。

２２４で、酸化物が基板層２０４の前面又は背面側に堆積される。２２６で、２２４に堆積した酸化物が、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、望ましい形状及び寸法の可動プローブ１０４を含んだパターンを有するマスク（フォトレジスト）を使用して、削られる。

２２８で、金属がデバイス層２０２に堆積され、望まれたパターンを有するマスクの形成及び深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によるデバイス層２０２のエッチングによって２３０に続く。２３２で、基板層２０４がそれらの背面側にパターン化された酸化物を介してエッチング（例えば、ＤＲＩＥ）される。２３４では、２２４で堆積された酸化層が取り除かれ、すでにエッチングされた基板層２０４を介して絶縁層２０３がエッチングされる。

図１３は、ナノトライボロジー試験中にナル又はホーム位置でインデンターチップ２０５を調整する及び保持するフィードバック制御モードを使用する２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００の操作のため、一実施形態に係る、閉ループ制御スキーム３００を一般的に示す概略図である。一実施形態によると、図示されるように、閉ループ制御スキーム３００は、Ｘ軸及びＺ軸ＰＩＤコントローラ３０２，３０４及びＸ軸及びＺ軸Ｑ−コントローラ３０６，３０８を含んでいる。

一実施形態によると、インデンターチップ２０５のナル位置を保持するため、Ｘ軸及びＺ軸の両方がゼロ基準入力３１０、３１２とともに閉ループ制御によってバランスの取れた位置に調整される。一実施形態によると、既定のＸ軸ピエゾ駆動、３１４で示されるように、開ループ操作とともにインデンターチップを横方向（例えば、Ｘ軸）に移動する。ピエゾ駆動中、インデンターチップ２０５の位置は、Ｘ軸アクチュエータ１３２及びＸ軸変位センサ１３４（図２参照）とともに、ＰＩＤコントローラ３０２を経由して、ＰＩＤ制御することによってゼロに調整される。

一実施形態によると、Ｑ−制御は、ＴＥＭ内部の小さいダンピングによって引き起こされる先端の振動を抑制するために実行される。Ｑ−制御は、３つの命令によってシステムダンピングを増加するデジタルダンピング制御アルゴリズムである。２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００で使用するために適したそのようなＱ−制御の例は、本出願と同じ譲受人に譲渡され、参照として本明細書に組み込まれている米国特許出願番号１２／４９８２３８によって記載されている。一実施形態によると、Ｑ−制御アルゴリズムは、周波数に依存する可変時間遅延を出力信号に提供する位相シフトの伝達関数を利用して統合されている。位相シフト信号は、適切なゲインとともにシステム入力に加えられる。システムダンピングは、ダンピングコントローラのゲインを調整することによって操作される。ダンピング制御の明らかな証拠及びＴＥＭ内部のより良い振動制御がダンピング制御された反応から観察される。実行されたＱ−制御は、様々な条件においてシステムダンピングを効果的に操作できる。このダンピング制御はまた、ＰＩＤ制御におけるサブシステムとして安定して機能する。

一実施形態によると、ゼロ位置のＺ軸変位調整は、Ｚ軸ピエゾアクチュエータ閉ループ制御によって行われる。既定のＺ軸変換器負荷３１６が、垂直力としてトライボロジー試験中に加えられる。また、Ｚ軸の振動を抑制するためのＱ−制御も実行される。サンプル（図１におけるサンプル３６）のスクラッチ試験のため、横力と等しいＸ軸変換器力と、垂直力と等しいＺ軸変換器力とを比較した値は、摩擦係数の値を提供する。２次元ＭＥＭＳトライボメータに加えられる力は、サンプルの反応と同じなので（ナル位置でばね力が加えられないと仮定して）、変換器力はＺ軸及びＸ軸に対するサンプル反応として記録される。一実施形態によると、図示されるように、２つのＱ−コントローラ３０６、３０８は、２つの異なった方向に実装され、同時に操作される。この同時のＱ−コントローラ操作は、それらの方向及び操作に対する振動モードが独立しており、互いに連結されていないことから、可能である。

一実施形態によると、キャリブレーションセットアップは、Ｈｙｓｉｔｒｏｎ社のナノインデントシステムを用いて構築されており、ステッピングモータ、ピエゾスキャナー、変換器、及びそれらのコントローラ機器と駆動ソフトウェアを有する。最も一般的なナノインデンテーション操作スキームである垂直操作の代わりに、システムは、ＴＥＭを配置するための空間を作るため水平操作に変更される。一実施形態によると、２次元トライボメータは、基準変換器でインデンターチップを押すことによって調整される。一実施形態によると、基準変換器は、レーザ干渉計較正ナノＤＭＡ変換器で構成される。先端を２つの中央プレートに維持することによって、それが水平に操作されるとき、ナノＤＭＡ変換器は、１つの中央プレートのみを有する変換器より良い安定性を有する。一実施形態によると、１ｍｍの直径のサファイア先端は、実行可能な接触領域を増やし、圧子の貫通によってキャリブレーション誤差を最小化するため、ＤＭＡ上に取り付けられる。

一実施形態によると、ＴＥＭホルダーには３軸のマイクロマニピュレータが取り付けられており、２次元ＭＥＭＳトライボメータはマニピュレータとともに変換器に大まかに近づけられている。一実施形態によると、一度、２次元ＭＥＭＳトライボメータの先端が基準変換器の先端（例えば、サファイア先端）から１ｍｍの距離内に配置されると、自動接近機構（例えば、Ｈｙｓｉｔｒｏｎ社の自動接近機構）が実行される。Ｈｙｓｉｔｒｏｎ社の自動接近機構は、ほんの数μＮの接触力で先端を安全に接触させることができる。接触させた後、基準変換器は、２次元ＭＥＭＳトライボメータを駆動する。両方の変換器からのセンサ出力は、そのときに記録される。上下及び横方向の変位センサと剛性の両方が、この方法で較正され得る。２次元ＭＥＭＳトライボメータは、周囲のノイズに対して比較的反応せず、それが小さな質量であり、重力で誘発される変位が小さいことから、そのようなキャリブレーションに非常に適している。

要約すれば、微小機械コムドライブを利用した微小２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器、例えば、微小機械コムドライブ１２０を利用した２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００（図２参照）が記載されている。本開示によって記載されたＭＥＭＳナノインデンター変換器は、電子顕微鏡だけでなく周囲条件にも使用され得る。ナノインデンターとその場ＴＥＭナノメカニカル試験器としてのすべての要件は、設計及び製造を通して考慮されており、開発された２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、例えば、物理的寸法、最大力、ばね剛性、力感度、動的帯域幅、移動範囲、及び材料制限などの要求仕様を満たす。ＭＥＭＳナノインデンター変換器及びＨｙｓｉｔｒｏｎ社の機器での実験結果は、優れた機器の互換性及び汎用性の高い機械的な試験機能を示している。インデンテーション、トポグラフィースキャン、及び動的試験機能は、繰り返し可能で頑丈なナノインデンター操作から証明されている。ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００はまた、様々なＴＥＭホルダーと物理的に統合でき、定量的なその場ＴＥＭナノメカニカル試験アプリケーションを大きい変換器のサイズによって妨げられる様々なＴＥＭに拡張する。本開示に係るＭＥＭＳナノインデンター変換器、例えば、２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器１００はまた、その場の機械的試験アプリケーションのためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡 ）に組み込むこともできる。

これらのアプリケーションに加えて、本開示に係る２次元ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、様々な機器と統合されることによって、様々なアプリケーションに活用することができる。例えば、その高帯域幅の動的特性とともに、ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、高速撮影及び高速モジュラスマッピングのために使用できる。高帯域幅特性は、また、高周波数ＤＭＡ試験機能を提供する。高い機械的品質係数とともに小さいダンピング特性は、ＭＥＭＳナノインデンター変換器が共振周波数近傍に操作されたとき、サンプルの相互作用に対する動的応答を敏感にし、サンプル表面に損傷を与えずにトポグラフィー測定のために使用できる。これは、柔らかいサンプル上のインデントの測定精度を高めるために特に有利である。

別の可能なアプリケーションは、その場の電気計測である。先端用の分割された電極線は、インデンテーションをしている間、電気的特性を測定するために使用できる。定量的なその場機械的試験におけるアプリケーションに加えて、その小さなサイズを利用して、ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、様々な精密機械、例えば、小型マニピュレータ、と統合でき、小さいスペースにおいて、機械的特性の検査及び表面改質ができる。

本明細書では特定の実施形態が図示され、記載されているが、本発明の範囲から逸脱せず、様々な代替および／または同等の機器が図示及び記載された特定の実施形態と置き換えられることは、当業者にとって理解できるであろう。この出願は、本明細書で述べられた特定の実施形態のあらゆる改変もしくは変形をカバーしようとしている。したがって、この発明は、特許請求の範囲及びそれと同等のものによってのみ制限されるものではない。

Claims (15)

1. 本体；
   前記本体に関連して連結され、可動のプローブであって、取り外し可能なインデンターチップを保持するプローブ；
   第１の駆動軸を有する第１のコムドライブ；および、
   前記第１の駆動軸と垂直である第２の駆動軸を有する第２のコムドライブ；
   を具備し、
   前記第１のコムドライブは、
   印加されたバイアス電圧に応じて、前記第１の駆動軸に沿って前記プローブを駆動するよう構成された複数の静電容量アクチュエータを備えたアクチュエータと、
   前記第１の駆動軸に沿って駆動する前記プローブの位置を表す容量レベルを有する複数の差動容量センサを備える変位センサと、
   を備え、
   前記アクチュエータの前記静電容量アクチュエータと、前記変位センサの前記差動容量センサとは、前記第１の駆動軸の両側に沿った平面に配置され、
   前記第２のコムドライブは、
   印加されたバイアス電圧に応じて、前記第２の駆動軸に沿って前記プローブを駆動するよう構成された複数の静電容量アクチュエータを備えたアクチュエータと、
   前記第２の駆動軸に沿って駆動する前記プローブの位置を表す容量レベルを有する複数の差動容量センサを備えた変位センサと、
   を備え、
   前記アクチュエータの全ての静電容量アクチュエータは、前記第２の駆動軸の第１の側に沿った平面に配置され、
   前記変位センサの全ての差動容量センサは、前記第２の駆動軸の前記第１の側に対して反対側の第２の側に沿った平面に配置され、
   各前記静電容量アクチュエータ及び各前記差動容量センサは電極コム対を備え、各電極コム対は前記本体に連結された固定電極コムと前記プローブに連結された可動電極コムを含む、ＭＥＭＳナノインデンター変換器。
2. 前記プローブは、複数の可撓ばねによって前記本体に連結された、請求項１に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
3. 前記ばねは、前記第１及び第２のコムドライブが無バイアス状態であり、前記インデンターチップが外部試験表面から外れているとき、前記プローブをナル位置に保持する、請求項２に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
4. 前記ばねは、前記第２の駆動軸に沿うのを含めて、前記第１の駆動軸に垂直な方向の移動に対する剛性より小さい、前記第１の駆動軸に沿った移動に対する剛性を備えた、請求項２に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
5. 前記第１のコムドライブの前記アクチュエータは、前記第１の駆動軸に沿って互いに向かい合って、かつ、前記プローブの両側に配置された第１の駆動コンデンサと第２の駆動コンデンサを備え、前記第１及び第２の駆動コンデンサの各前記静電容量アクチュエータの前記固定電極コムは前記本体から延設され、前記第１及び第２の駆動コンデンサの各前記静電容量アクチュエータの前記可動電極コムは前記プローブから延設された、請求項１に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
6. 前記第１のコムドライブの前記変位センサは、前記第１の駆動軸に沿って互いに向かい合って、かつ、前記プローブの両側に配置された第１の対の検出コンデンサと、前記第１の駆動軸に沿って互いに向かい合って、かつ、前記プローブの両側に配置された第２の対の検出コンデンサと、を備え、前記第１及び第２の対の各検出コンデンサの各前記差動容量センサの前記固定電極コムは前記本体から延設され、前記第１及び第２の対の検出コンデンサの各前記差動容量センサの前記可動電極コムは前記プローブから延設された、請求項１に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
7. 前記第１及び第２の対の検出コンデンサは、前記第１の駆動軸に沿って前記プローブの直線変位を示す容量レベルを共に提供する、請求項６に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
8. 前記第２のコムドライブの前記アクチュエータは、前記第２の駆動軸に沿って前記プローブの両側に配置された第１の駆動コンデンサと第２の駆動コンデンサを備え、前記第１及び第２の駆動コンデンサの各前記静電容量アクチュエータの前記固定電極コムは前記本体から延設され、前記第１及び第２の駆動コンデンサの各前記静電容量アクチュエータの前記可動電極コムは前記プローブから延設された、請求項１に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
9. 前記アクチュエータは、前記第２の駆動軸に沿って第１の方向に、及び前記第２の駆動軸に沿って前記第１の方向と反対の第２の方向に、前記プローブに力を加えるよう構成された、前記請求項８に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
10. 前記第２のコムドライブの前記変位センサは、前記第２の駆動軸に沿って前記プローブの両側に配置された第１及び第２の検出コンデンサを備え、前記第１及び第２の検出コンデンサの各前記差動容量センサの前記固定電極コムは前記本体から延設され、前記第１及び第２の対の検出コンデンサの各前記差動容量センサの前記可動電極コムは前記プローブから延設された、請求項１に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
11. 前記第１及び第２の検出コンデンサは、前記第２の駆動軸に沿った前記プローブの直線変位を示す容量レベルを共に提供する、請求項１０に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
12. 前記インデンターチップは、前記プローブから電気的に絶縁された、請求項１に記載のＭＥＭＳナノインデンター変換器。
13. サンプルを保持するためのホルダー；
    ＭＥＭＳナノインデンター変換器；および、
    コントローラ；
    を具備し、
    前記ＭＥＭＳナノインデンター変換器は、
    本体と、
    前記本体に関連して連結され、可動のプローブであって、取り外し可能なインデンターチップを保持するプローブと、
    第１の駆動軸を有する第１のコムドライブと、
    前記第１の駆動軸と垂直である第２の駆動軸を有する第２のコムドライブと、
    を備え、
    前記第１のコムドライブは、
    印加されたバイアス電圧に応じて、第１の駆動軸に沿って前記プローブを駆動するよう構成された複数の静電容量アクチュエータを備えたアクチュエータと、
    前記第１の駆動軸に沿って駆動する前記プローブの位置を表す容量レベルを有する複数の差動容量センサを備える変位センサと、
    を備え、
    前記アクチュエータの前記静電容量アクチュエータと前記変位センサの前記差動容量センサとは、前記第１の駆動軸の両側に沿った平面に配置され、
    前記第２のコムドライブは、
    印加されたバイアス電圧に応じて、前記第２の駆動軸に沿って前記プローブを駆動するよう構成された複数の静電容量アクチュエータを備えたアクチュエータと、
    前記第２の駆動軸に関連して前記プローブの位置を表す容量レベルを有する複数の差動容量センサを備えた変位センサと、
    を備え、
    前記アクチュエータの全ての静電容量アクチュエータは、前記第２の駆動軸の第１の側に沿った平面に配置され、
    前記変位センサの全ての差動容量センサは、前記第２の駆動軸の前記第１の側に対して反対側の第２の側に沿った平面に配置され、
    各前記静電容量アクチュエータ及び各前記差動容量センサは、電極コム対を備え、各電極コム対は、前記本体に連結された固定電極コムと前記プローブに連結された可動電極コムを含み、
    前記コントローラは、前記第１及び第２のコムドライブの前記変位センサによって得られる変位信号に基づいて、バイアス電圧を前記第１及び第２のコムドライブの前記アクチュエータに印加することによって、前記インデンターチップと共にサンプルに対して所望の力を与えるため、それに連結される前記インデンターチップと共に、前記第１及び第２の駆動軸に沿って、前記可動のプローブを駆動するよう構成された、ナノインデンテーション試験システム。
14. 前記ナノインデンテーション試験システムは、その場透過電子顕微鏡の機械的システムを備えた、請求項１３に記載のナノインデンテーション試験システム。
15. 前記コントローラは、ナノトライボロジー試験中、前記インデンターチップをナル位置で保持するためにＱ−制御及びＰＩＤ制御を活用する、請求項１３に記載のナノインデンテーション試験システム。

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