JPH02120645A - 表面特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ，産業上の利用分野 この発明は固定表面や薄膜の力学特性を測定する装置に
関する。

Ｂ．従来の技術 たとえば真空蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等
によって製造した金属、無機物などの薄膜について、膜
と基板との付着力　特にこの付着力の指標ともなる摩擦
係数、硬度、表面粗さなどの特性を適確に測定すること
か要求される。

この要求に応える薄膜の付着力測定方法として引き倒し
法があるが、一定強度以上の付着力を持つ薄膜には適用
できない．そのため強付着力の薄膜試料の測定には圧痕
法や引掻き法があるが微小領域での薄膜測定には不向き
である。

このようなことから最近、加振される接触針を試料表面
に接触させ、摩擦力に対応する振動の大きさを検出し、
この検出値の大きさ等から表面の力学特性を測定する方
法が提案されている。

Ｃ．発明が解決しようとする課題 しかしながら、この新しく提案されている測定技術は、
接触針が微動機構によって試料表面に一定の力で接触さ
せるものであり、特に摩擦係数などを求めるのに大きな
要素となる押付力については、その精度を高めることが
不可能であり再現性も悪い。

Ｄ．課題を解決するための手段 この発明が提供する測定装置は、微動機構を採用せず、
一定の負荷で付勢する負荷機構を設けたものである。

Ｅ０作用 負荷機構は、その負荷を調整できるととらに所望値を再
現できる。

Ｆ　実施例 以下、図面に示す実施例にしたがって　この発明を説明
する。

第１図はこの発明による測定装置の全体を理解１〜やす
く模式的に示す図で、Ａが測定本体部、Ｃが計測制御部
、Ｒか記録部である。

まず測定本体部Ａについて、その構成を説明すると、１
は測定本体枠で下方には試料Ｔ、Ｐを載置する移動台３
．４が昇降台２上に載架される形で設置されている。そ
して上方枠部には、この発明の要部である測定負荷部り
と加振部Ｂはカートリッジ１７を介して接触針２０を試
料ＴＦ）に接触させつつ作動し、測定を行なう部分で詳
細は後述するが、この上方枠部にはまた測定結果の試料
ＴＩ）を観察するための光学系にも並設されている。こ
のＳは接眼レンズ、Ｔは対物レンズである。

さて前記したとおり、接触針２０はカートリッジ１７に
保持されており、このカー１−リｌジ１７が加振部Ｂと
Ｊ！１１定負荷部りによって一定の負荷で試料′ｒＰ側
には勢されつつ加振されるようになっているのである。

この場合、この発明はこの測定負荷部Ｉ−に特徴を有す
るが、図示例では電子天びんの原理による電磁力方式の
負荷機構が示されている。

すなわち６は本体側１側に固設された電磁用コイルで７
がコア（鉄心）である、この鉄心７は支点Ｅを中心に揺
動自在なレバー８の一端に連結されており、またレバー
８の他端には負荷板９が連結されている。そして、この
負荷板９の下方にはロドセル１０を介して加振部Ｂの固
定枠１１が連接されて構成されている。そし°Ｃ１さら
にこの電磁用コイル６には計測制御部Ｃから所要の電力
が供給されるようになっているとともに、ロードセル１
０からの負荷値は電気信号として出力されて、これら計
測制御部Ｃに入力されるようになっている。

この点は第４図からも明らかなとおりである。

したがってロードセル１０からの出力信号によりフィー
ドバック制御し７ながらコイル６への電力供給を調整す
ることにより一定の負荷を設定することができるし、ま
た定速で負荷を増減制御することもできる。

このような負荷機構によって接触針２０を試料ＴＰに対
して一定の負荷を与えながら付勢するようになっている
が、接触針２０による特性検出ｌｊ！ｉｔｓは第２図、
第３図に示すとおりである。

第２図は加振機構のみを取り出して模式的に示している
が、１１が前述のとおりロードセル１０に連接される固
定枠で、接触針２０を保持するカートリッジ１１はこの
固定枠１１の下方部に板バネ（弾性体）１３を介して取
り付けられている。この画板バネ１３の上端は取付板１
４で連結されているが、この取付板１４には連結枠１５
を介してコイル体１６が連結されている。このコイル体
１６は固定枠１１の両側に固定された永久磁石１２と協
働するムービングコイルａ！ｌ構′５：構成し、したが
って、このコイル体１６のコイルに対し計測制御部Ｃか
ら交流が印加されるとコイル体１６に振動が与えられ取
付板１４に垂設されｆ′、二カートリンジ１７も欝右に
振動する。

このようにして接触針２０か加振されるわけであるか、
接触針２０が試料ＴＰに一定の負荷で付勢されつつ加振
されるとき、試料１゛Ｐにおける薄膜の（＝１着力など
の力学特性が測定されるわけであるが、そｔしは第３図
に示す検出機構により行なわれる。すなわち第３図はカ
ートリ；Ｉジ１７の先端部を模式的でかつ斜視的に示す
図で、図において１７が力ｌ・リッジでありＨはカート
リッジ１７を着脱可能に保持する保持杆であり、取付板
１４に植設されている。

接触針２０はカートす・ソジ１７に対し、支持部Ｚで揺
動自在に支持されたレバー１８の先端に保持されている
。このレバー１８の他端にはマグネットＭが付設されて
いて、レバー１８が支持部Ｚを中心に揺動してマグネフ
トＭが左右に振れると、これ？検出コイル１９が検知し
電気信号として出力する。

さて以上のような構成において試料ＴＰの表面の！ヤ擦
特性とか薄膜の付着力の測定はつぎのとおり行なわれる
。カートリッジ１７と接触針２０は加振機構によって第
３図矢印方向に加振される。この場合カートリッジ１１
の強制振動に応じて接触針２０は、試料ＴＰに一定の負
荷で付勢されているものの引きずられて動く。

しかし振動の極限の付近では針２０は動きを止め逆方向
に働く復元力が摩擦力を上回るまでの開停止する。

他方カートリッジ１７は加振をつづけるからレバ１８と
カートリッジ１７との相対的変位がコイル１９にて検出
される。この検出信号は第４図にも示すとおり計測制御
部Ｃに入力されるようになっており、この信号値で特性
の測定が行なわれるのである。この場合ロードセル１０
からの荷重値も重要な要素となる。

具体的には摩擦係数と付着力はつぎの形で測定される。

１）摩擦係数の測定 摩擦力（Ｐ−Ｗ）がレバー１８の最大復元力（ｋｘ。

）より大きくなった時、接触針２０の動きはカートリッ
ジの強制振動に追随していかなくなり、力トリッジュ出
力電圧が飽和してしまう、よってカドリッジ出力電圧が
飽和する荷重Ｗｓがわかれば、１ｆ擦係数は ｋ　：保持杆の水平バネ定数 で求められる。

２）付着力の測定 薄膜などにこの装置を用いると、付着力を測定すること
ができる。荷重を増していくと、薄膜に破壊を生じる。

この破壊された膜の破片などによりカートリッジ出力電
圧にノイズ状の信号を与える。よってこの信号変化によ
り剥離時の荷重（ＷＣ）を知ることができる。

付着力の決定には、Ｂｅｎｊａｆｆｉｉｎ　ａｎｄ　Ｗ
ｅａｖｅｒノ式ここで、Ｆは付着力、Ｈはブリイ・ル硬
さ、ＷＣは剥離の臨界荷重、Ｒはスタイラスの半径であ
る。

なお、付着力はＢｅｎｊａｍ＋ｎ　ａｎｄ　ｗｅａｖｅ
ｒの式のような単純な式あられせないという指摘もある
が、試験条件の異なるデ〜りを比較検討するための便宜
としてこの式で求める。

測定において、試料ＴＰを水平（Ｙ軸）方向に変位させ
ることによって時間の経過ごとにおける摩擦力とか付着
力の変化を記録計Ｒにて記録することができる。この場
合、試料ＴＰはＹ軸径動台４がモータ５によって台３に
対して変位させられる。すなわちモータ５の回転により
、ねじ送り別槽が作動し移動台３が紙面垂直方向に変位
する。

なお、具体的な測定操作は第５図に示すようなフローチ
ャートにしたがって行なわれる。

この発明の特徴は以上のとおりであるが、上記ならびに
図示例に限定されるものではなく、種々の変形実施例を
も包含するものである。特に負荷機構について図示例で
は電子天びんの原理でレバー８を使用し、電磁力にて負
荷する方式としたが天びん方式でなく直接的に電磁力を
作用させるようにしてもよいし、電磁力以外の負荷方式
でもよい。たとえば、電歪素子を使用して負荷力を発生
させるようにしてもよい、また加振機構について図示例
はムービングコイル方式としたが、その他のあらゆる加
振機構を採用でき、たとえば弾性体支持でスピーカによ
り加させる方式としてもよいしあるいは電歪素子を使用
してもよい、接触針（スタイラス）の支持構造、検出機
構も図示例に限定されるものではない。

さらに、負荷の方式として接触針を上方から付勢させる
形のみでなく、下方の移動台の方を動かせる形とするこ
とできる。

この発明はこれらすべての変形例を包含する。

Ｇ１発明の効果 この発明が提供する表面特性測定装置は、以上詳述した
とおりであるから、負荷機構の採用により接触針による
試料への負荷を自由に制御でき、種々の特性測定が可能
となるという大きな特徴を有する。また負荷機構の採用
により負荷値の精度を高め、再現性を良好ならしめるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による測定装置全体の構成を模式的に
示す図、第２図、第３図は測定装置の構成要素の一部を
拡大して示す図、第４図は電気回路図、第５図はフロー
チャート図である。 Ａ・・・測定本体部、Ｃ・・・計測制御部、Ｒ・・・記
録部、Ｂ・・・加振部、Ｌ・・・測定負荷部、Ｅ・・・
支持部、Ｍ・・・マグネット、 １・・・測定本体部、３．４・・・移動台、５・・・モ
ータ、６・・・コイル、７・・・鉄心、８・・・レバ９
・・・負荷板、１０・・・ロードセル、１１・・・固定
枠、１２・・・永久磁石、１３・・・板バネ、１７・・
・カートリッジ、１８・・・レバー、１９・・・コイル
、２０−・・接触針特許出願人　株式会社　島　津　製
　作　所代理人　弁理士　武　石　端　彦　・　′−に
、ノ内Ｊ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）先端が試料表面に接触する接触針と、この接触針
   を加振させる加振機構と、接触針を前記試料表面に一定
   の負荷で接触させる負荷機構と、加振時の接触針の試料
   に対する摩擦力に対応する振動の大きさを検出する検出
   手段とを具備し、この検出手段の出力によって試料表面
   の力学特性を測定することを特徴とする表面特性測定装
   置。