JPH03122545A - 強度物性試験方法及び試験装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜および複合材料の機械的性質を計測するた
めの装置および計測方法に関する。

〔従来の技術〕

従来より、薄膜の機械的性質は、基板から薄膜のみをは
く離させて引張試験で評価する方法、基板にあけた穴の
上に薄膜を形成したものに空気圧力によって応力を負荷
する方法、微小変位・荷重の測定可能な曲げ試験機によ
り変位・荷重の関係を基板ごと測定し、薄膜の物性をこ
れより分離する方法等により測定されてきた１曲げ試験
による評価法については、応用物理第５６巻第７号（１
９８７年）９１９ページから９２０ページまでにおいて
説明されている。

ここでは微小変位計測可能な３点曲げ試験機を用いて薄
膜のヤング率を測定している。まず、薄膜を形成してい
ない基板のみの曲げ試験を行う。

ここで９曲げ変形における変位δｌと荷重Ｗの関係式。

δ五＝Ｋ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・（１）ＩＩｉ が成り立つことになる。この式において断面２次モーメ
ントＩｉ、比例定数には試験方法、基板形状より求めら
れるので、基板のヤング率Ｅ１を算出することができる
。

次に基板の片面に薄膜を形成した試験片の曲げ試験を行
う。この場合、試験片を薄膜と基板との合わせはりとし
て考えると、 δ２＝Ｋ　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
２）ＥＩＩｔ＋ＥｚＩｚ が成り立つ。ここで比例定数には曲げ試験治具寸法、試
験片寸法より決定される。ここで基板と薄膜の断面２次
モーメントＩｆ、Ｉ２は 　２ ・・・（４） で表される。ただし、ここで基板の厚さを６１幅をす、
薄膜の膜厚をｈ２とし、微小項は無視した。

δ工 として求められる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では基板上に薄膜を形成した試験片と基板
のみの２回について曲げ試験を別々に行う必要があり、
試験に多くの時間を費さねばならなかった。

さらに、薄膜はそれ自身が受けた熱履歴により大幅に機
械的性質が変化することが知られている。

この熱履歴による機械的性質変化を計測する際には基板
のみの試験を行なう場合でも薄膜を形成した試験片と同
様な熱履歴を持たせねばならなず、厳密な温度管理が必
要であった。

また、基板上に薄膜を形成した試験片と基板のみのそれ
ぞれについて別々に行う曲げ試験では、それぞれ機械的
、物理的な外乱、すなわち振動や温度のゆらぎ等の影響
の有無や程度が全く異なるので、測定精度はその分低下
することになる。

本発明の目的は機械的性質の測定において外乱の少ない
測定系を得ることにある。

本発明の他の目的は薄膜の機械的性質のｆｌｌｌｌ定に
おいて熱履歴のばらつきの少ない測定系を得ることにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、基板上に薄膜を形成した試
験片と基板のみの２つの機械的性質測定試験を同じ加熱
炉もしくは恒湿槽の中で同時に行ない、測定時に出力さ
れる特定の信号の差動出力を機械的性質の算出に用いる
ようにしたものである。

〔作用〕

基板上に薄膜を形成した試験片に対する曲げ試験を基板
のみに対する曲げ試験を同一環境中で、同一時刻に測定
し、両試験片についての出力信号をリアルタイムで比較
することにより、振動、温度ゆらぎ等外乱を城内とする
出力信号の誤差を互いに打消すことができる。たとえば
、試験片と試験片変位計測部との距離が５０ｍｍであり
、これを鋼で支持すると仮定する。温度ゆらぎ１℃の性
能を有する炉中では、同じ変位を測定するとしても、測
定する時刻により、変位計測部の熱膨張分最大約０．６
μｍのばらつき（誤差）が検出されることになる。２つ
の試験片について測定し、比較すると、ばらつきの程度
は２倍となり、最大１．２μｍの誤差が生ずる。しかし
、本発明では、測定する時刻が同じであるから、両試験
片における熱膨張に起因する変位の検出誤差は全く同じ
となる。

よって両試験片からの出力信号を比較することににより
誤差を打消すことができる。

さらに１両試験片とも同じ雰囲気中、同じ温度で同じ時
間だけ保持されているので、両者の熱履歴を同じにでき
る。また１両試験片の試験を同時に行えることから、試
験時間は従来の約半分となった。

〔実施例〕

次に本発明の一実施例について、図面を用いて具体的に
説明する。

第２図は本発明の一実施例による薄膜強度ｊＩｇ定用試
用試験片式図である。この第２図に示すように基板１と
しては数十から数百μｍの１１３さを持つ板を用い、こ
の基板１の両面に同じ厚さの薄１換２を形成することに
よって作製される。基板１の両面に薄膜を形成すること
により、製膜時の残留応力に起因する基板のそりを防止
することができるので、曲げ試験時にこのための誤差を
なくすことができ高精度な測定が可能である。

第１図は本発明の一実施例による薄膜強度測定装置であ
る。基板測定用曲げ試験装置９と薄膜付基板測定用曲げ
試験装置１０は同一の温度環境。

振動環境下に置くために恒温槽３の中に設置されている
。さらに、高精度な微小送り可能な送り装［４により、
１，２両試験装置に同時に同じ変位を与えることができ
る。このとき、荷重点のたわみは送り量に等しいので、
送り装置から信号として取り出すことができる。負荷時
のそれぞれの荷重は、変位を一定に保つように制御しな
がら荷重検出のできる２個の電子荷重計５で計測する。

この２個の電子荷重計の差動信号と、荷重点での試験片
のたわみから薄膜のヤング率を求めることができる。

まず、基板の曲げ試験における荷重とたわみの関係式（
１）と薄膜付基板の曲げ試験における荷重とたわみの関
係式（２）より、薄膜のヤング率Ｅ２は、 と求められる０本装置ではδ工＝６２であることから Ｅｘ＝　　　　　　（Ｆｚ　　Ｆｚ）　　　　　　　　
　・・・（４）Ｉ２δ１ と表せる。よって荷重点のたわみ、すなわち送り量と検
出された荷重の差よりヤング率が求められる。ここでＫ
は試験方法、および試験片と試験治具の寸法より決定さ
れる定数、工２は薄膜の断面二次モーメントであり基板
の両面に同じ膜厚の薄膜を形成した場合は試験片８の寸
法より求められる。

本実施例によれば、同一雰囲気中において同時刻に基板
のみとＨ膜付基板の２種類の試験を行えるので、振動お
よび温度ゆらぎに対して両試験とも同様の影響を受ける
ことになる。よって両荷重計の出力の差動信号を用いて
ヤング率を算出することにより、この外乱の影響を小さ
くすることができ、測定精度の向上が画れる。さらに、
両試験片とも同じ温度環境下にあるため、熱履歴が等し
くできる。また、両試験片の試験を同時に行えることか
ら測定時間が短かくてすむ。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果を奏する。

すなわち基板のみと薄膜付基板の２つの曲げ試験を同一
雰囲気、温度、振動環境下で同時に行い、両試験におけ
る出力の差動信号を取ることにより、誤差を打ち消すこ
とができるので外乱のある環境下でも高精度な測定がで
きる。

また、両試験片は常時、同＃囲気、同温度中にあるため
、両試験片の熱履歴が全く等しくできる。

さらに１両試験片についての曲げ試験を同時に行うこと
ができるため、測定時間が短かくて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で用いた試験装置の縦断面概
念図、第２図は本発明の一実施例で用いた薄膜付試験片
の概念図である。 １・・・基板、２・・・簿膜、３・・・恒温槽、４・・
・送り装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄膜強度評価用試験装置において、温度調節可能で
   ある同一容器内に２つ以上の曲げ試験装置を持ち、かつ
   同一時刻に試験が行えることを特徴とする強度物性試験
   装置。 ２、薄膜強度評価方法において、温度調節可能である同
   一容器内に２つ以上の曲げ試験装置を用いて同一時刻に
   試験を行うことを特徴とする強度物性試験方法。 ３、同一の容器内で基板のみと基板両面に薄膜を付着さ
   せた試験片の２種類の曲げ試験が同時に行え、かつ、そ
   れぞれの荷重が比較できることを特徴とする強度物性試
   験装置。