JP7049465B2 - 二次元ナノインデンテーション装置及び方法 - Google Patents
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Description
本願は、「二次元ナノインデンテーション装置及び方法」(Apparatus and Method for Two Dimensional Nanoindentation)と題する2018年1月19日付米国仮特許出願第62/619486号に基づき優先権を主張するものであるので、参照によりその全容を本願に繰り入れるものとする。
(a)素材標本の表面に対し垂直な第1方向に沿いその素材標本の表面の方に圧子チップを動かすことで、その圧子チップを前記接触面積に亘りその素材標本の表面に接触させるステップであり、第1長尺部材を通じ第1アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップと、
(b)素材標本の表面に圧子チップを接触させつつ、その素材標本の表面に対し平行で第1方向に対し垂直な第2方向に沿いその圧子チップを振動させるステップであり、第2長尺部材を通じ第2アクチュエータから側方振動力を伝達させることでその圧子チップの振動を達成するステップと、
(c)ステップ(b)を実行しつつ素材標本の側方スティフネスを計測するステップと、
(d)圧子チップと素材標本の表面との接触面積を、SLをその素材標本の側方スティフネスでありステップ(c)にて計測されたもの、Geffをその素材標本の既知な剪断剛性率、Aをその圧子チップの接触面積とする
を有する。
(a)薄膜素材標本の表面に対し垂直な第1方向に沿いその薄膜素材標本の表面の方に二次元ナノインデンテーション計測装置の圧子チップを動かすことで、その圧子チップをその薄膜素材標本の表面に接触させるステップであり、第1長尺部材を通じ第1アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップと、
(b)薄膜素材標本の表面に圧子チップを接触させつつ、その薄膜素材標本の表面に対し平行で第1方向に対し垂直な第2方向に沿いその圧子チップを動かすステップであり、第2長尺部材を通じ第2アクチュエータから側方力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップと、
(c)ステップ(b)を実行しつつ薄膜素材標本の一通り又は複数通りの特性を計測するステップと、
を有する。
図5及び図6に示した二次元ナノインデンテーション装置10によりもたらされる長所の一つは、薄膜の表面特性計測における正確度向上である。図11Aに示すように、圧子チップによる素材標本への垂直力の印加を、そのチップの側方運動抜きで行うと、その標本における最大剪断応力が、その標本の表面下、かなりの深度で発生する。最大剪断応力深度は、一般に、その圧子チップの表面のうち、標本表面と接触するところの半径に比例する。他方、図11Bに示すように、それと同じ圧子プローブチップによる同じ素材標本への同じ垂直力の印加を、そのチップの側方運動付で行うと、その標本における最大剪断応力が、その標本の表面にかなり近いところで発生する。表面付近における標本の特性、例えば基板上にある膜の強さが興味対象である場合、最大剪断応力がその表面により近いところにあるから、その結果には、その基板のそれを超えてその膜の特性が反映されよう。
二次元ナノインデンテーション装置10によりもたらされるもう一つの長所は、圧子チップ16により標本18の表面に作り出された窪みの接触面積を計算できることである。図12に描かれている好適方法によれば、その表面における標本素材の側方スティフネスに基づきチップ接触面積(A)を決定することができる。その側方スティフネスは、長尺部材14bを通じアクチュエータ12bにより供給される振動側方力によって、矢印22bで示される方向に沿い側方に圧子チップを振動させながら、計測される。接触力学由来の基礎等式が明言するところによれば、接触部の垂直スティフネスは、その接触部を構築している素材の実効弾性率と、その接触部の接触面積の平方根とに比例する。この等式は、ナノインデンテーション学にてルーチン的に用いられている。同様の関係が、側方スティフネス、その素材の剪断剛性率、並びにその接触面積の平方根の間に存しており、それを
・標本の表面に接する方向に沿った力・変位間位相差の計測、
・標本の表面に接する方向に沿った散逸過程によるエネルギ損失の計測、
・ポアソン比の計測、
・静止摩擦係数及び動摩擦係数の計測、例えば結晶性シリカでのそれ、
・ナノフレッティング実験、
・高度に制御されたスクラッチ試験及び摩擦ループ実験、
・薄膜の拘束側方変形の計測、並びに
・2本の直交する計測軸に沿った同時的なプローブの同期又は非同期運動による、それら二軸での別々の計測目標の同時達成、
がある。
Claims (21)
- 素材標本の表面に対するナノインデンテーション計測を行う二次元ナノインデンテーション計測装置であって、
リジッドフレームと、
前記リジッドフレームに装着されており、前記素材標本の表面に垂直な第1方向に沿い第1力を付与するよう動作させうる第1アクチュエータと、
第1方向に対し平行配置された第1長さ寸法及びその第1方向に直交する第3方向に対し平行配置された第1幅寸法を有し、前記第1及び第3方向に直交する第2方向よりも前記第1及び第3方向に沿って、よりリジッドである第1長尺部材であり、
第1アクチュエータに装着された第1端、並びに
その第1端から空間的に隔たる第2端、
を有する第1長尺部材と、
第1長尺部材の第2端に連結されており、前記素材標本の表面に当接するよう動作させうる圧子チップと、
前記リジッドフレームに装着されており、前記第2方向に沿い第2力を付与するよう動作させうる第2アクチュエータと、
第2方向に対し平行配置された第2長さ寸法及び第3方向に対し平行配置された第2幅寸法を有する第2長尺部材であり、
第2アクチュエータに装着された第1端、並びに
その第1端から空間的に隔て第1長尺部材の第2端に連結された第2端、
を有する第2長尺部材と、
を備え、
第1力が、第1長尺部材を通じ第1方向に沿い前記圧子チップに付与され、
第2力が、第2長尺部材を通じ第2方向に沿い前記圧子チップに付与される装置。 - 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1及び第2長尺部材のプロファイル形状が長方形、卵形、楕円形、三角形又は四辺形である二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1及び第2長尺部材の断面形状が長方形、卵形、楕円形、三角形又は四辺形である二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1及び第2長尺部材が中実構造又はトラス様構造である二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第2長尺部材が、前記第1方向よりも、前記第2及び第3方向に沿って、よりリジッドである二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1長さ寸法対第1幅寸法の比率が約4:1、第2長さ寸法対第2幅寸法の比率が約4:1である二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1長さ寸法が約20mmである二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1幅寸法が約5mmである二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第2長さ寸法が約20mmである二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第2幅寸法が約5mmである二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1及び第2長尺部材それぞれの厚みが約0.2mmである二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1長尺部材が第1厚み寸法、第2長尺部材が第2厚み寸法を有し、第1長さ寸法対第1厚み寸法の比率が少なくとも約100:1、第2長さ寸法対第2厚み寸法の比率が少なくとも約100:1である二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 請求項1に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第1及び第2長尺部材がシリカ、シリコン及びインバ-(商標)のうち一種類又は複数種類で形成された二次元ナノインデンテーション計測装置。
- 素材標本の表面における圧子チップの接触面積を、二次元ナノインデンテーション計測装置を用い判別する方法であって、
(a)前記素材標本の表面に対し垂直な第1方向に沿いその素材標本の表面の方に前記圧子チップを動かすことで、その圧子チップを前記接触面積に亘りその素材標本の表面に接触させるステップであり、第1長尺部材を通じ第1アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップであり、第1長尺部材が、第1アクチュエータに連結された第1端及び前記圧子チップに連結された第2端を有すると共に、第1方向に対し平行配置された第1長さ寸法及びその第1方向に直交する第3方向に対し平行配置された第1幅寸法を有するものであるステップと、
(b)前記素材標本の表面に前記圧子チップを接触させつつ、前記素材標本の表面に平行で第1方向に対し垂直な第2方向に沿いその圧子チップを振動させるステップであり、第2長尺部材を通じ第2アクチュエータから側方振動力を伝達させることでその圧子チップの振動を達成するステップであり、第2長尺部材が、第2アクチュエータに連結された第1端及び前記圧子チップに連結された第2端を有すると共に、第2方向に対し平行配置された第2長さ寸法及び第3方向に対し平行配置された第2幅寸法を有するものであるステップと、
(c)ステップ(b)を実行しつつ前記素材標本の側方スティフネスを計測するステップと、
(d)前記圧子チップと前記素材標本の表面との接触面積を、SLをその素材標本の側方スティフネスでありステップ(c)にて計測されたもの、Geffをその素材標本の既知な剪断剛性率、Aをその圧子チップの接触面積とする
を有する方法。 - 請求項14に記載の方法であって、第1長尺部材が第1及び第3方向に沿いリジッド、第2方向に沿いコンプライアントであり、第2長尺部材が第2及び第3方向に沿いリジッド、第1方向に沿いコンプライアントである方法。
- 請求項14に記載の方法であって、第1長さ寸法対第1幅寸法の比率が約4:1、第2長さ寸法対第2幅寸法の比率が約4:1である方法。
- 薄膜素材標本の特性を、二次元ナノインデンテーション計測装置を用い計測する方法であって、
(a)前記薄膜素材標本の表面に対し垂直な第1方向に沿いその薄膜素材標本の表面の方に前記二次元ナノインデンテーション計測装置の圧子チップを動かすことで、その圧子チップをその薄膜素材標本の表面に接触させるステップであり、第1長尺部材を通じ第1アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップであり、第1長尺部材が、第1アクチュエータに連結された第1端及び前記圧子チップに連結された第2端を有すると共に、第1方向に対し平行配置された第1長さ寸法及びその第1方向に直交する第3方向に対し平行配置された第1幅寸法を有し、第1長尺部材が、前記第1及び第3方向に直交する第2方向よりも、前記第1及び第3方向に沿って、よりリジッドであるものであるステップと、
(b)前記薄膜素材標本の表面に前記圧子チップを接触させつつ、前記第2方向に沿いその圧子チップを動かすステップであり、第2長尺部材を通じ第2アクチュエータから側方力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップであり、第2長尺部材が、第2アクチュエータに連結された第1端及び前記圧子チップに連結された第2端を有すると共に、第2方向に対し平行配置された第2長さ寸法及び第3方向に対し平行配置された第2幅寸法を有するものであるステップと、
(c)ステップ(b)を実行しつつ前記薄膜素材標本の一通り又は複数通りの特性を計測するステップと、
を有する方法。 - 請求項17に記載の方法であって、ステップ(c)にて、基板上における前記薄膜素材標本の強さを計測する方法。
- 請求項17に記載の方法であって、第2長尺部材が第2及び第3方向に沿いリジッド、第1方向に沿いコンプライアントである方法。
- 請求項17に記載の方法であって、第1長さ寸法対第1幅寸法の比率が約4:1、第2長さ寸法対第2幅寸法の比率が約4:1である方法。
- 素材標本の表面に対するナノインデンテーション計測を行う二次元ナノインデンテーション計測装置であって、
リジッドフレームと、
前記リジッドフレームに装着されており、前記素材標本の表面に垂直な第1方向に沿い第1力を付与するよう動作させうる第1アクチュエータと、
第1方向に対し平行配置された第1長さ寸法と、その第1方向に直交する第3方向に対し平行配置された第1幅寸法と、第1及び第3方向に直交する第2方向に対し平行配置された第1厚み寸法を有し、前記第1幅寸法が前記第1厚み寸法よりも大きい、第1長尺部材であり、
第1アクチュエータに装着された第1端、並びに
その第1端から空間的に隔たる第2端、
を有する第1長尺部材と、
第1長尺部材の第2端に連結されており、前記素材標本の表面に当接するよう動作させうる圧子チップと、
前記リジッドフレームに装着されており、前記第2方向に沿い第2力を付与するよう動作させうる第2アクチュエータと、
第2方向に対し平行配置された第2長さ寸法と、第3方向に対し平行配置された第2幅寸法と、第1方向に対し平行配置された第2厚み寸法と、を有し、前記第2幅寸法が前記第2厚み寸法よりも大きい、第2長尺部材であり、
第2アクチュエータに装着された第1端、並びに
その第1端から空間的に隔て第1長尺部材の第2端に連結された第2端、
を有する第2長尺部材と、
を備え、
第1力が、第1長尺部材を通じ第1方向に沿い前記圧子チップに付与され、
第2力が、第2長尺部材を通じ第2方向に沿い前記圧子チップに付与される装置。
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