JPH09218142A - 材料試験デバイス、材料試験装置および材料試験方法 - Google Patents
材料試験デバイス、材料試験装置および材料試験方法Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/20—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady bending forces
-
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- G01N2203/026—Specifications of the specimen
- G01N2203/0286—Miniature specimen; Testing on microregions of a specimen
Abstract
(57)【要約】
【課題】 微小試験片に触れることなく引張試験を行う
ための方式を実現する。 【解決手段】 機械的特性を測定すべき試験片２と、試
験片２に接続する回転レバー３と、回転レバー３の弾性
支持部として作用する一対のトーションバー４と、試験
片２とトーションバー４の剛体支持部として機能し、外
形枠を形成するフレーム５から材料試験デバイス１を構
成し、回転レバー３の一端に垂直荷重Ｗを加えることに
より、試験片２に矢印Ａ−Ａの方向の単軸引張力を与え
て、試験片２の機械的特性を測定する。試験片２はフレ
ーム５および回転レバー３と一体的に形成されているた
め、試験片２に直接触れずに、容易にその機械的物性値
を測定することができる。
ための方式を実現する。 【解決手段】 機械的特性を測定すべき試験片２と、試
験片２に接続する回転レバー３と、回転レバー３の弾性
支持部として作用する一対のトーションバー４と、試験
片２とトーションバー４の剛体支持部として機能し、外
形枠を形成するフレーム５から材料試験デバイス１を構
成し、回転レバー３の一端に垂直荷重Ｗを加えることに
より、試験片２に矢印Ａ−Ａの方向の単軸引張力を与え
て、試験片２の機械的特性を測定する。試験片２はフレ
ーム５および回転レバー３と一体的に形成されているた
め、試験片２に直接触れずに、容易にその機械的物性値
を測定することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜状の微細な材
料に応力を加えてその材料の機械的特性を試験するため
の材料試験デバイスと、その試験のための材料試験装置
およびその材料試験方法に関する。
料に応力を加えてその材料の機械的特性を試験するため
の材料試験デバイスと、その試験のための材料試験装置
およびその材料試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体の微細加工技術、例えばフォトリ
ソグラフィ、エッチング、薄膜形成技術等を用いて大き
さ数十〜百μm の機械的な構造体を製作し、これをセン
サ・光学素子・機械デバイスに応用しようとするMEMS
(Micro-Electro-Mechanical Systems) 、あるいはマイ
クロマシンの研究が盛んに行われている。このような新
しいデバイスにおいては、従来の鉄鋼等の金属材料に代
わって、構造材料として単結晶シリコンやその表面に形
成される酸化膜、窒化膜等が用いられる。
ソグラフィ、エッチング、薄膜形成技術等を用いて大き
さ数十〜百μm の機械的な構造体を製作し、これをセン
サ・光学素子・機械デバイスに応用しようとするMEMS
(Micro-Electro-Mechanical Systems) 、あるいはマイ
クロマシンの研究が盛んに行われている。このような新
しいデバイスにおいては、従来の鉄鋼等の金属材料に代
わって、構造材料として単結晶シリコンやその表面に形
成される酸化膜、窒化膜等が用いられる。
【０００３】これらの材料の弾性率、降伏応力等の機械
的特性は、上記の MEMS デバイスの機能を左右する重要
な要素であるが、一方で、これらの薄膜の機械的性質は
その製造工程で大きく変化することが知られており、そ
の測定・評価方法の重要性が叫ばれている。
的特性は、上記の MEMS デバイスの機能を左右する重要
な要素であるが、一方で、これらの薄膜の機械的性質は
その製造工程で大きく変化することが知られており、そ
の測定・評価方法の重要性が叫ばれている。
【０００４】従来提案されている測定・評価方法として
は、薄膜でダイヤフラムを作りこれに気圧を加えたとき
のダイヤフラムの膨出量を測定する方法、圧子を試験片
に押し込む微小硬度計を用いる方法、あるいは微小引張
試験片を製作しそれを引張り試験機に取付けて引張る方
法等がある。
は、薄膜でダイヤフラムを作りこれに気圧を加えたとき
のダイヤフラムの膨出量を測定する方法、圧子を試験片
に押し込む微小硬度計を用いる方法、あるいは微小引張
試験片を製作しそれを引張り試験機に取付けて引張る方
法等がある。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
のダイヤフラムの膨出量を測定する方法では、弾性率は
測定できるが降伏応力は測れない。また、圧子を試験片
に押し込む微小硬度計は延性金属では降伏応力を評価す
る簡便な方法だが、シリコンとその化合物のような脆性
材料では適用が難しい。
のダイヤフラムの膨出量を測定する方法では、弾性率は
測定できるが降伏応力は測れない。また、圧子を試験片
に押し込む微小硬度計は延性金属では降伏応力を評価す
る簡便な方法だが、シリコンとその化合物のような脆性
材料では適用が難しい。
【０００６】引張試験機による方法は、機械的特性を評
価する上で最も望ましい試験方法の一つであるが、微小
で壊れやすい試験片を引張試験機にチャッキングまたは
接着するさいに脆い試験片を壊してしまう、また、試験
片の軸と引張りの軸が一致せずに曲げ応力が加わってし
まう、等の問題点がある。さらに、ゲ−ジ長の短い試験
片の伸びによる変位が小さくて、歪みの測定精度が悪い
という問題もある。
価する上で最も望ましい試験方法の一つであるが、微小
で壊れやすい試験片を引張試験機にチャッキングまたは
接着するさいに脆い試験片を壊してしまう、また、試験
片の軸と引張りの軸が一致せずに曲げ応力が加わってし
まう、等の問題点がある。さらに、ゲ−ジ長の短い試験
片の伸びによる変位が小さくて、歪みの測定精度が悪い
という問題もある。
【０００７】本発明は上に述べた従来技術による引張り
試験の問題点、すなわち、（１）壊れやすい試験片を引
張り試験機に取付けることが難しい、（２）ゲ−ジ長の
短い試験片の伸びによる変位が小さくて歪みの測定精度
が悪い、と言う２点を解消することを目的とする。
試験の問題点、すなわち、（１）壊れやすい試験片を引
張り試験機に取付けることが難しい、（２）ゲ−ジ長の
短い試験片の伸びによる変位が小さくて歪みの測定精度
が悪い、と言う２点を解消することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は、微小試験片に触れることなく引張試
験を行うために、材料試験デバイスに試験片を一体的に
形成することとしている。また本発明は、上記材料試験
デバイスに垂直荷重を加えることにより試験片に単軸引
張力を与える機能を持つ材料試験装置としている。さら
に本発明は、上記材料試験デバイスにより、試験片に直
接触れることなしに単軸引張り応力を加え、試験片を構
成する材料の機械的特性を測定・評価する材料試験方法
としている。
ために、本発明は、微小試験片に触れることなく引張試
験を行うために、材料試験デバイスに試験片を一体的に
形成することとしている。また本発明は、上記材料試験
デバイスに垂直荷重を加えることにより試験片に単軸引
張力を与える機能を持つ材料試験装置としている。さら
に本発明は、上記材料試験デバイスにより、試験片に直
接触れることなしに単軸引張り応力を加え、試験片を構
成する材料の機械的特性を測定・評価する材料試験方法
としている。
【０００９】そして、これら本発明によれば、試験片自
体を試験機に直接取り付けなくてもよくなるため、試験
片を引張り試験機へ取り付ける際の上記諸問題を解消
し、しかも測定精度を向上させることができる。
体を試験機に直接取り付けなくてもよくなるため、試験
片を引張り試験機へ取り付ける際の上記諸問題を解消
し、しかも測定精度を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、試験片と、この試験片
に所定の応力を印加する回転レバーと、回転レバーの変
位を弾性的に支持する弾性支持部と、試験片と弾性支持
部を剛体的に支持する剛体支持部から材料試験用デバイ
スを構成したものである。
に所定の応力を印加する回転レバーと、回転レバーの変
位を弾性的に支持する弾性支持部と、試験片と弾性支持
部を剛体的に支持する剛体支持部から材料試験用デバイ
スを構成したものである。
【００１１】そして、試験片と、回転レバーと、弾性支
持部と、剛体支持部とを一体的にシリコン単結晶で構成
すれば、シリコン単結晶の機械的物性値を測定できる。
また試験片を、シリコン単結晶以外の被試験材料からな
る薄膜、例えばシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜
等のシリコン化合物膜あるいは、金属メッキ膜、多結晶
シリコン膜、その他ＣＶＤ、スパッタ、蒸着などの工程
で形成した一般的な薄膜とすることもできる。この場合
は、その試験片をシリコン単結晶で構成された剛体支持
部と回転レバーの間に懸架して形成することにより材料
試験デバイスが構成できる。
持部と、剛体支持部とを一体的にシリコン単結晶で構成
すれば、シリコン単結晶の機械的物性値を測定できる。
また試験片を、シリコン単結晶以外の被試験材料からな
る薄膜、例えばシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜
等のシリコン化合物膜あるいは、金属メッキ膜、多結晶
シリコン膜、その他ＣＶＤ、スパッタ、蒸着などの工程
で形成した一般的な薄膜とすることもできる。この場合
は、その試験片をシリコン単結晶で構成された剛体支持
部と回転レバーの間に懸架して形成することにより材料
試験デバイスが構成できる。
【００１２】本発明の材料試験装置としては、上記材料
試験用デバイスと、回転レバーに荷重を加え試験片に単
軸引張力を与えるための荷重付加機構と、回転レバーの
回転を検出するための回転検出機構を有する構成とす
る。さらに本発明の材料試験デバイスを用いた材料試験
方法は、回転レバーに荷重を加えることにより試験片に
単軸引張力を与える工程と、回転レバーの回転を検出す
ることにより回転レバーの荷重点の変位を求める工程
と、回転レバーの荷重点の変位から試験片の伸び量を算
出する工程と、回転レバーに加えた荷重から弾性支持部
の変形トルクを差し引くことにより試験片に加わる引張
力を算出する工程と、算出された試験片の伸び量と引張
力から試験片の材料の機械的物性値を求める工程とを有
する方法とすればよい。
試験用デバイスと、回転レバーに荷重を加え試験片に単
軸引張力を与えるための荷重付加機構と、回転レバーの
回転を検出するための回転検出機構を有する構成とす
る。さらに本発明の材料試験デバイスを用いた材料試験
方法は、回転レバーに荷重を加えることにより試験片に
単軸引張力を与える工程と、回転レバーの回転を検出す
ることにより回転レバーの荷重点の変位を求める工程
と、回転レバーの荷重点の変位から試験片の伸び量を算
出する工程と、回転レバーに加えた荷重から弾性支持部
の変形トルクを差し引くことにより試験片に加わる引張
力を算出する工程と、算出された試験片の伸び量と引張
力から試験片の材料の機械的物性値を求める工程とを有
する方法とすればよい。
【００１３】なお、一部の機械的特性のみ、例えば破断
伸びひずみ、あるいは破断応力だけを測定したい場合に
は、上記工程の一部を適宜選択すればよいことは明らか
である。これら材料試験デバイス、材料試験装置および
材料試験方法による新しい方式の微小単軸引張試験法に
よって、引張り試験片と荷重付加機構とを同一のシリコ
ンウェハ上に一体化し、試験片に直接触れることなしに
単軸引張り応力を加えることができる。またこの荷重付
加機構は試験片の一端の伸び変位を拡大する機構を内蔵
するため、伸び変位を拡大して検出することを可能にし
た。従って、本発明により微小材料あるいは脆性材料の
機械的物性値を容易にかつ精度よく測定・評価すること
が可能となる。
伸びひずみ、あるいは破断応力だけを測定したい場合に
は、上記工程の一部を適宜選択すればよいことは明らか
である。これら材料試験デバイス、材料試験装置および
材料試験方法による新しい方式の微小単軸引張試験法に
よって、引張り試験片と荷重付加機構とを同一のシリコ
ンウェハ上に一体化し、試験片に直接触れることなしに
単軸引張り応力を加えることができる。またこの荷重付
加機構は試験片の一端の伸び変位を拡大する機構を内蔵
するため、伸び変位を拡大して検出することを可能にし
た。従って、本発明により微小材料あるいは脆性材料の
機械的物性値を容易にかつ精度よく測定・評価すること
が可能となる。
【００１４】
【実施例】以下に、本発明を実施例によって詳細に説明
する。図１は、本発明による材料試験デバイス１の一例
を示す斜視図である。材料試験デバイス１は、機械的特
性を測定すべき試験片２と、試験片２に接続する回転レ
バー３と、回転レバー３の弾性支持部として作用する一
対のトーションバー４と、試験片２とトーションバー４
の剛体支持部として機能し、材料試験デバイス１の外形
枠を形成するフレーム５からなっている。この材料試験
デバイス１全体は、例えばシリコン単結晶で一体に形成
されている。
する。図１は、本発明による材料試験デバイス１の一例
を示す斜視図である。材料試験デバイス１は、機械的特
性を測定すべき試験片２と、試験片２に接続する回転レ
バー３と、回転レバー３の弾性支持部として作用する一
対のトーションバー４と、試験片２とトーションバー４
の剛体支持部として機能し、材料試験デバイス１の外形
枠を形成するフレーム５からなっている。この材料試験
デバイス１全体は、例えばシリコン単結晶で一体に形成
されている。
【００１５】この材料試験デバイス１は、回転レバー３
の一端に垂直荷重Ｗを加えることにより、試験片２に矢
印Ａ−Ａの方向の単軸引張力を与えて、試験片２の機械
的特性を測定するものである。試験片２はフレーム５お
よび回転レバー３と一体的に形成されているため、フレ
ーム２を固定するのみでよく、試験片２に直接触れる必
要が無いためチャッキングや接着が難しい試験片でも、
容易にその機械的特性を測定することができる。
の一端に垂直荷重Ｗを加えることにより、試験片２に矢
印Ａ−Ａの方向の単軸引張力を与えて、試験片２の機械
的特性を測定するものである。試験片２はフレーム５お
よび回転レバー３と一体的に形成されているため、フレ
ーム２を固定するのみでよく、試験片２に直接触れる必
要が無いためチャッキングや接着が難しい試験片でも、
容易にその機械的特性を測定することができる。
【００１６】図２は、垂直荷重Ｗによって試験片２に単
軸引張力が作用する様子を示す断面図である。回転レバ
ー３の一端に垂直荷重Ｗを加えると、回転レバー３がト
ーションバー４の幾何学的な中心軸６のまわりに回転
し、試験片２に矢印Ａ−Ａの方向の単軸引張力を与え
る。加えた垂直荷重Ｗによるモーメントが、トーション
バー４の反力と、試験片２の反力（水平方向の引張力）
によるモーメントの和と静的につり合っている。
軸引張力が作用する様子を示す断面図である。回転レバ
ー３の一端に垂直荷重Ｗを加えると、回転レバー３がト
ーションバー４の幾何学的な中心軸６のまわりに回転
し、試験片２に矢印Ａ−Ａの方向の単軸引張力を与え
る。加えた垂直荷重Ｗによるモーメントが、トーション
バー４の反力と、試験片２の反力（水平方向の引張力）
によるモーメントの和と静的につり合っている。
【００１７】試験片２に加わる引張力は、トーションバ
ー４のトルク−回転角特性を試験後に評価して差し引く
ことにより算出される。一方、試験片２に加わる歪み
は、回転レバー３の荷重点の変位ａから算出される。シ
リコン単結晶を試験片として引張り試験を実施した際
の、回転レバーに加えた荷重Ｗと、荷重点の垂直方向の
変位ａの測定結果を図３に示す。回転レバーの荷重点を
押し下げる変位ａの増加に伴って、荷重Ｗは図中の実線
のように直線的に増加する。Ｐ点で試験片が引張りによ
って破断した後、荷重は急激に減少してトーションバー
のねじりトルクに要する荷重のみになる。
ー４のトルク−回転角特性を試験後に評価して差し引く
ことにより算出される。一方、試験片２に加わる歪み
は、回転レバー３の荷重点の変位ａから算出される。シ
リコン単結晶を試験片として引張り試験を実施した際
の、回転レバーに加えた荷重Ｗと、荷重点の垂直方向の
変位ａの測定結果を図３に示す。回転レバーの荷重点を
押し下げる変位ａの増加に伴って、荷重Ｗは図中の実線
のように直線的に増加する。Ｐ点で試験片が引張りによ
って破断した後、荷重は急激に減少してトーションバー
のねじりトルクに要する荷重のみになる。
【００１８】試験片の破断後に測定することができるト
ーションバー単独の変位−荷重特性は、図中の破線のよ
うになり、このトーションバーのねじりトルクに要する
荷重Ｗｔを、試験片の破断前の変位−荷重特性から差し
引けば、試験片に実際に加わった引張り荷重Ｗｎと変位
ａの関係を計算することができる。
ーションバー単独の変位−荷重特性は、図中の破線のよ
うになり、このトーションバーのねじりトルクに要する
荷重Ｗｔを、試験片の破断前の変位−荷重特性から差し
引けば、試験片に実際に加わった引張り荷重Ｗｎと変位
ａの関係を計算することができる。
【００１９】例えば、図３において回転レバーの端部の
変位がａ１点にあるときの試験片に加わる応力ｓと歪み
ｅは以下の計算式で求められる。 応力 ｓ＝（Ｗｎ×Ｒ）／（Ａ×ｄ） 歪み ｅ＝（ａ１×ｄ）／（Ｌ×Ｒ） ここに、 Ｗｎ：回転レバーの荷重Ｗからトーションバーのねじり
トルクに要する荷重Ｗｔを差し引いた荷重、 Ｒ ：トーションバーの回転中心と回転レバーの荷重点
の水平方向（図４のＸ方向）の距離、 Ａ ：試験片の断面積、 ｄ ：トーションバーの回転中心と試験片の軸との垂直
方向（図４のＺ方向）の距離、 ａ１：回転レバーの荷重点の押し下げ変位、 Ｌ ：試験片の長さ、 である。
変位がａ１点にあるときの試験片に加わる応力ｓと歪み
ｅは以下の計算式で求められる。 応力 ｓ＝（Ｗｎ×Ｒ）／（Ａ×ｄ） 歪み ｅ＝（ａ１×ｄ）／（Ｌ×Ｒ） ここに、 Ｗｎ：回転レバーの荷重Ｗからトーションバーのねじり
トルクに要する荷重Ｗｔを差し引いた荷重、 Ｒ ：トーションバーの回転中心と回転レバーの荷重点
の水平方向（図４のＸ方向）の距離、 Ａ ：試験片の断面積、 ｄ ：トーションバーの回転中心と試験片の軸との垂直
方向（図４のＺ方向）の距離、 ａ１：回転レバーの荷重点の押し下げ変位、 Ｌ ：試験片の長さ、 である。
【００２０】上の歪みｅの値に関する式から分かるよう
に、本発明による材料試験デバイスでは一般にＲとｄの
値の比が大きい構造となっているので、回転レバーの変
位ａが比較的に大きい値において、小さな歪みが計測で
きるような構成になっている。すなわち、この材料試験
デバイスは試験片の伸び変位を拡大する機構を内蔵して
いることを意味する。
に、本発明による材料試験デバイスでは一般にＲとｄの
値の比が大きい構造となっているので、回転レバーの変
位ａが比較的に大きい値において、小さな歪みが計測で
きるような構成になっている。すなわち、この材料試験
デバイスは試験片の伸び変位を拡大する機構を内蔵して
いることを意味する。
【００２１】次に、引張り試験片に単軸引張応力が加え
られるための条件を、トーションバーの位置、形状に関
連して述べる。 （１）トーションバーの位置 図２に示したように、トーションバー４の幾何学的中心
軸６は、引張り試験片の一端の真下に位置することが望
ましい。図４（ａ）のように、トーションバー４の幾何
学的な中心軸６が引張り試験片２の一端の真下にない場
合には、試験片２の一端が回転レバー３の回転にともな
って上下に変位するので、試験片２に不都合な曲げ応力
が加わってしまう。よってトーションバー４の中心軸６
は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線上に位置するように設定す
る。
られるための条件を、トーションバーの位置、形状に関
連して述べる。 （１）トーションバーの位置 図２に示したように、トーションバー４の幾何学的中心
軸６は、引張り試験片の一端の真下に位置することが望
ましい。図４（ａ）のように、トーションバー４の幾何
学的な中心軸６が引張り試験片２の一端の真下にない場
合には、試験片２の一端が回転レバー３の回転にともな
って上下に変位するので、試験片２に不都合な曲げ応力
が加わってしまう。よってトーションバー４の中心軸６
は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線上に位置するように設定す
る。
【００２２】（２）トーションバーの断面寸法 トーションバー４はねじり剛性が小さく、曲げ剛性が大
きくなければならない。図４のＸ方向の曲げ剛性が低い
場合には、図４（ｂ）に示すようにトーションバー４に
Ｘ方向の変位Ｕｘが生じ、引張り試験片に十分正確な引
張り変位λを加えることが出来なくなってしまう。一
方、図４のＺ方向の曲げ剛性が低い場合には図４（ｃ）
に示すようにトーションバー４にＺ方向の変位Ｕｚが生
じ、試験片に曲げ応力が加わってしまうため、この場合
も十分な引張り変位λを加えることができない。。ただ
し、図５のようにトーションバー４の直下をナイフエッ
ジ１０で支持することによって、Ｚ方向の曲げ剛性の小
さいことは問題にならなくなる。したがって、このよう
な支持方式を取れば、トーションバー４の断面形状は偏
平な断面を持つことが望ましい。
きくなければならない。図４のＸ方向の曲げ剛性が低い
場合には、図４（ｂ）に示すようにトーションバー４に
Ｘ方向の変位Ｕｘが生じ、引張り試験片に十分正確な引
張り変位λを加えることが出来なくなってしまう。一
方、図４のＺ方向の曲げ剛性が低い場合には図４（ｃ）
に示すようにトーションバー４にＺ方向の変位Ｕｚが生
じ、試験片に曲げ応力が加わってしまうため、この場合
も十分な引張り変位λを加えることができない。。ただ
し、図５のようにトーションバー４の直下をナイフエッ
ジ１０で支持することによって、Ｚ方向の曲げ剛性の小
さいことは問題にならなくなる。したがって、このよう
な支持方式を取れば、トーションバー４の断面形状は偏
平な断面を持つことが望ましい。
【００２３】ここで、代表的な材料試験デバイスの諸寸
法の例を以下に記す。 外形枠 ： 縦１２mm×横１２mm×厚さ４００μm 試験片 ： 厚さ５〜２０μm 、幅５０〜３００μm 、長さ１mm トーションバー ： 厚さ２００〜３００μm 、幅４００〜１２００μm 回転レバー ： 幅３mm×長さ５mm×厚さ４００μm 上記のような引張り試験用の材料試験デバイスはシリコ
ンのマイクロマシニング技術によって精密かつ再現性よ
く製作される。製作法を以下に説明する。ここでは、図
６（ａ）、（ｂ）に示すような形状の材料試験デバイス
を、単結晶シリコンウエハから製作する方法を例にとっ
て以下に述べる。図６（ａ）は、材料試験デバイスを表
から見た図であり、図６（ｂ）は裏から見た図である。
法の例を以下に記す。 外形枠 ： 縦１２mm×横１２mm×厚さ４００μm 試験片 ： 厚さ５〜２０μm 、幅５０〜３００μm 、長さ１mm トーションバー ： 厚さ２００〜３００μm 、幅４００〜１２００μm 回転レバー ： 幅３mm×長さ５mm×厚さ４００μm 上記のような引張り試験用の材料試験デバイスはシリコ
ンのマイクロマシニング技術によって精密かつ再現性よ
く製作される。製作法を以下に説明する。ここでは、図
６（ａ）、（ｂ）に示すような形状の材料試験デバイス
を、単結晶シリコンウエハから製作する方法を例にとっ
て以下に述べる。図６（ａ）は、材料試験デバイスを表
から見た図であり、図６（ｂ）は裏から見た図である。
【００２４】材料試験デバイスは単結晶シリコンウエハ
をKOH 水溶液を用いた化学的異方性エッチングで加工す
ることによって製作される。図７（ａ）〜（ｎ）はその
工程を示したもので、図７（ａ）〜（ｇ）は、図６の試
験片２を含む部分であるＣ−Ｃの断面での工程を示し、
図７（ｈ）〜（ｎ）は、図６のトーションバー４を含む
部分であるＤ−Ｄの断面での工程を示している。
をKOH 水溶液を用いた化学的異方性エッチングで加工す
ることによって製作される。図７（ａ）〜（ｎ）はその
工程を示したもので、図７（ａ）〜（ｇ）は、図６の試
験片２を含む部分であるＣ−Ｃの断面での工程を示し、
図７（ｈ）〜（ｎ）は、図６のトーションバー４を含む
部分であるＤ−Ｄの断面での工程を示している。
【００２５】デバイスの素材としては単結晶シリコンウ
ェハ（面方位：｛100 ｝、厚さ:400μm)を用い、エッチ
ング加工の際のマスク材料にはシリコンの熱酸化膜( 厚
さ：0.6 〜2.2 μm)を用いた。まず第１熱酸化工程でシ
リコンウエハ１５の表面に熱酸化膜１６を形成し、その
熱酸化膜を図７（ａ）、（ｈ）のように所定の形状に除
去する。
ェハ（面方位：｛100 ｝、厚さ:400μm)を用い、エッチ
ング加工の際のマスク材料にはシリコンの熱酸化膜( 厚
さ：0.6 〜2.2 μm)を用いた。まず第１熱酸化工程でシ
リコンウエハ１５の表面に熱酸化膜１６を形成し、その
熱酸化膜を図７（ａ）、（ｈ）のように所定の形状に除
去する。
【００２６】図７（ｂ）、（ｉ）の第１エッチング工程
で、試験片のプロファイル１７を決定する。次いで第２
の熱酸化工程でシリコン表面にふたたび熱酸化膜１８を
形成し、その熱酸化膜を図７（ｃ）、（ｊ）のように所
定の形状に除去する。
で、試験片のプロファイル１７を決定する。次いで第２
の熱酸化工程でシリコン表面にふたたび熱酸化膜１８を
形成し、その熱酸化膜を図７（ｃ）、（ｊ）のように所
定の形状に除去する。
【００２７】図７（ｄ）、（ｋ）の第２エッチング工程
で、エッチング部分１４がトーションバーの厚さになる
までエッチングする。その際、試験片のプロファイル１
７は酸化膜マスク１８で保護する。さらに第３の熱酸化
工程でシリコン表面にまた熱酸化膜１９を形成し、その
熱酸化膜を図７（ｅ）、（ｌ）のように所定の形状に除
去する。
で、エッチング部分１４がトーションバーの厚さになる
までエッチングする。その際、試験片のプロファイル１
７は酸化膜マスク１８で保護する。さらに第３の熱酸化
工程でシリコン表面にまた熱酸化膜１９を形成し、その
熱酸化膜を図７（ｅ）、（ｌ）のように所定の形状に除
去する。
【００２８】図７（ｆ）、（ｍ）の第３エッチング工程
で、トーションバー４のプロファイルを形成するために
裏側からエッチングする。ここでのエッチング量が、試
験片２の厚さを決定する。図７（ｇ）、（ｎ）が完成し
た材料試験デバイスの各断面を示すものであり、試験片
２とトーションバー４がそれぞれ所定のプロファイルお
よび厚さに、再現性良く形成することができる。
で、トーションバー４のプロファイルを形成するために
裏側からエッチングする。ここでのエッチング量が、試
験片２の厚さを決定する。図７（ｇ）、（ｎ）が完成し
た材料試験デバイスの各断面を示すものであり、試験片
２とトーションバー４がそれぞれ所定のプロファイルお
よび厚さに、再現性良く形成することができる。
【００２９】もし、引張る材料をシリコン酸化膜あるい
は、シリコン窒化膜としたい場合、デバイスの試験片に
相当する部分の上面にこれらの膜を形成しておけば、上
記の第３エッチングで試験片の下部の単結晶シリコンを
完全に除去してしまうことによって、これらの膜だけが
試験片として回転レバーと支持枠の間に懸架する形で形
成される。その理由は、これらの薄膜がKOH のエッチン
グに対して耐性を持つからである。
は、シリコン窒化膜としたい場合、デバイスの試験片に
相当する部分の上面にこれらの膜を形成しておけば、上
記の第３エッチングで試験片の下部の単結晶シリコンを
完全に除去してしまうことによって、これらの膜だけが
試験片として回転レバーと支持枠の間に懸架する形で形
成される。その理由は、これらの薄膜がKOH のエッチン
グに対して耐性を持つからである。
【００３０】KOH のエッチングに対して耐性を持つ他の
材料、例えばニッケルをメッキした膜を試験片とする場
合も、第３エッチングに先立って試験片に相当する部分
の上面にスパッタ、蒸着などの工程でこれらの膜を形成
した後、第３エッチングで試験片に相当する部分の単結
晶シリコンを完全に除去すれば、同様に材料試験デバイ
スが形成できる。
材料、例えばニッケルをメッキした膜を試験片とする場
合も、第３エッチングに先立って試験片に相当する部分
の上面にスパッタ、蒸着などの工程でこれらの膜を形成
した後、第３エッチングで試験片に相当する部分の単結
晶シリコンを完全に除去すれば、同様に材料試験デバイ
スが形成できる。
【００３１】また、被試験材料がKOH のエッチングに対
して耐性を持たない材料、例えば多結晶シリコン膜の場
合には、その膜を上下からエッチング耐性のある第３の
材料で保護した後、単結晶シリコンのエッチングを行
い、最後に第３の材料を選択的に除去すればよい。第３
の材料としては、シリコン酸化膜、窒化膜、ニッケル膜
等が適している。
して耐性を持たない材料、例えば多結晶シリコン膜の場
合には、その膜を上下からエッチング耐性のある第３の
材料で保護した後、単結晶シリコンのエッチングを行
い、最後に第３の材料を選択的に除去すればよい。第３
の材料としては、シリコン酸化膜、窒化膜、ニッケル膜
等が適している。
【００３２】上述した引張試験のための材料試験装置及
び材料試験方法を図８および図９にそれぞれ示す。図８
において、材料試験デバイス１はＸ−Ｙ−Ｚ−θステー
ジ２１上に載置されている。材料試験デバイス１の回転
レバー３に垂直荷重を加えるのは、平行板バネ２２の先
端に取付けられた針２３である。平行板バネ２２はその
付け根をＺステージ２４に固定されており、Ｚステージ
２４を適宜上下させることにより、平行板バネ２２の変
位量に相当する荷重を回転レバー３に加えることができ
る。この針２３により加えられる荷重と、荷重点の垂直
方向の変位を検出すれば、試験片２に加わる応力及び歪
みが計算できる。
び材料試験方法を図８および図９にそれぞれ示す。図８
において、材料試験デバイス１はＸ−Ｙ−Ｚ−θステー
ジ２１上に載置されている。材料試験デバイス１の回転
レバー３に垂直荷重を加えるのは、平行板バネ２２の先
端に取付けられた針２３である。平行板バネ２２はその
付け根をＺステージ２４に固定されており、Ｚステージ
２４を適宜上下させることにより、平行板バネ２２の変
位量に相当する荷重を回転レバー３に加えることができ
る。この針２３により加えられる荷重と、荷重点の垂直
方向の変位を検出すれば、試験片２に加わる応力及び歪
みが計算できる。
【００３３】荷重点の変位はレーザ測長計２５で直接測
定され、一方、荷重は平行板バネ２２の変位量から算出
される。平行板バネ２２の変位量はその付け根と先端の
上下移動量Ｚ０、Ｚ１をそれぞれ測定し、その差をとる
ことによって計算される。トーションバー４のねじり剛
性は、トーションバー４の形状からも計算が可能だが、
正確には、試験片２が引張りによって破断した後、トー
ションバー４のトルク−回転角特性を、再び平行板バネ
２２先端の針２３で回転レバー３に荷重を加えることに
よって評価することにより求めることができる。
定され、一方、荷重は平行板バネ２２の変位量から算出
される。平行板バネ２２の変位量はその付け根と先端の
上下移動量Ｚ０、Ｚ１をそれぞれ測定し、その差をとる
ことによって計算される。トーションバー４のねじり剛
性は、トーションバー４の形状からも計算が可能だが、
正確には、試験片２が引張りによって破断した後、トー
ションバー４のトルク−回転角特性を、再び平行板バネ
２２先端の針２３で回転レバー３に荷重を加えることに
よって評価することにより求めることができる。
【００３４】なお、試験片の伸びの検出には、上記のレ
バーの押し下げ量を検出する方法のほか、回転レバーの
表面にレーザ光を照射して「光てこ」の原理でレバーの
回転角度を測定し、この値から試験片の伸び変位を計算
することもできる。いずれにせよ、本発明の材料試験デ
バイスと材料試験装置を用いると、一般に脆性材料で伸
び歪みの小さい薄膜材料に対して正確に機械的物性値を
測定することができる。
バーの押し下げ量を検出する方法のほか、回転レバーの
表面にレーザ光を照射して「光てこ」の原理でレバーの
回転角度を測定し、この値から試験片の伸び変位を計算
することもできる。いずれにせよ、本発明の材料試験デ
バイスと材料試験装置を用いると、一般に脆性材料で伸
び歪みの小さい薄膜材料に対して正確に機械的物性値を
測定することができる。
【００３５】図９は、上記のような材料試験装置により
材料の機械的物性値を求める手順を示すフローチャート
である。ステップ１０１（以下Ｓ１０１と言う）で平行
板バネ２２の付け根と先端の上下移動量Ｚ０、Ｚ１をそ
れぞれ計測する。
材料の機械的物性値を求める手順を示すフローチャート
である。ステップ１０１（以下Ｓ１０１と言う）で平行
板バネ２２の付け根と先端の上下移動量Ｚ０、Ｚ１をそ
れぞれ計測する。
【００３６】Ｓ１０２で、計測値Ｚ１から回転レバー３
の荷重点の変位を求める。Ｓ１０３で、回転レバー３の
荷重点の変位から、てこの原理による計算を行い、Ｓ１
０４で試験片２の伸びを算出する。Ｓ１０５で、計測値
Ｚ０、Ｚ１から平行板バネ２２の変形量を求め、Ｓ１０
６で針２３により回転レバー３に加えた荷重を算出す
る。
の荷重点の変位を求める。Ｓ１０３で、回転レバー３の
荷重点の変位から、てこの原理による計算を行い、Ｓ１
０４で試験片２の伸びを算出する。Ｓ１０５で、計測値
Ｚ０、Ｚ１から平行板バネ２２の変形量を求め、Ｓ１０
６で針２３により回転レバー３に加えた荷重を算出す
る。
【００３７】Ｓ１０７で、回転レバー３に加えた荷重か
ら、トーションバー４によるねじれトルクによる成分を
さしひき、Ｓ１０８で試験片２に加わる引張力を算出す
る。Ｓ１０４で算出した試験片２の伸びと、Ｓ１０８で
算出した試験片２に加わる引張力から、Ｓ１０９により
試験片２に加わる応力と歪みを計算し、その結果からＳ
１１０で試験材料の機械的物性値を決定する。
ら、トーションバー４によるねじれトルクによる成分を
さしひき、Ｓ１０８で試験片２に加わる引張力を算出す
る。Ｓ１０４で算出した試験片２の伸びと、Ｓ１０８で
算出した試験片２に加わる引張力から、Ｓ１０９により
試験片２に加わる応力と歪みを計算し、その結果からＳ
１１０で試験材料の機械的物性値を決定する。
【００３８】以上が、本発明による材料試験方法の手順
である。Ｓ１０１の計測値を求めるステップおよび、Ｓ
１０５の変形量を求めるステップは、荷重を加える手段
が変われば、その手段に応じて適宜変更し得るものであ
る。以上述べたように、本発明による新しい引張試験の
利点は、以下の三点にある。
である。Ｓ１０１の計測値を求めるステップおよび、Ｓ
１０５の変形量を求めるステップは、荷重を加える手段
が変われば、その手段に応じて適宜変更し得るものであ
る。以上述べたように、本発明による新しい引張試験の
利点は、以下の三点にある。
【００３９】（１） ウェハ上に形成した微小で壊れや
すい試験片のマニピュレーションの必要が無い。 （２） 微小試験片の一端の変位は、てこの原理より、
荷重点（レバー端）変位として拡大されて検出される。 （３） 試験片の材質として、単結晶シリコンの他ウェ
ハ表面に形成したさまざまな薄膜材料を対象とすること
ができる。
すい試験片のマニピュレーションの必要が無い。 （２） 微小試験片の一端の変位は、てこの原理より、
荷重点（レバー端）変位として拡大されて検出される。 （３） 試験片の材質として、単結晶シリコンの他ウェ
ハ表面に形成したさまざまな薄膜材料を対象とすること
ができる。
【００４０】さらにこのようなデバイスを使えば、シリ
コンウエハ表面に形成するさまざまな薄膜材料の機械的
物性値、とくに降伏応力、引張り強さ、弾性定数などに
とどまらず、繰り返し荷重を加えることによって疲労に
関する試験を実施することができる。また、膜を試験片
として製作した後、膜にイオン打ち込み、熱処理等のプ
ロセスを与えて、それによる回転レバーの回転を測定す
ることにより、膜に伸縮が生じたことも検出できる。
コンウエハ表面に形成するさまざまな薄膜材料の機械的
物性値、とくに降伏応力、引張り強さ、弾性定数などに
とどまらず、繰り返し荷重を加えることによって疲労に
関する試験を実施することができる。また、膜を試験片
として製作した後、膜にイオン打ち込み、熱処理等のプ
ロセスを与えて、それによる回転レバーの回転を測定す
ることにより、膜に伸縮が生じたことも検出できる。
【００４１】一方、膜に一定の引張り応力を加えたまま
膜材料の組織変化を観察するなど、薄膜材料に一定の応
力を加えたまま膜の変化を観察する手段としても使え
る。このときには、この応力付加機構と観察手段として
例えば超音波顕微鏡システム、ラマン分光測定システム
などを組み合わせればよい。
膜材料の組織変化を観察するなど、薄膜材料に一定の応
力を加えたまま膜の変化を観察する手段としても使え
る。このときには、この応力付加機構と観察手段として
例えば超音波顕微鏡システム、ラマン分光測定システム
などを組み合わせればよい。
【００４２】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によって以
下の効果が得られる。 （１） ウェハ上に形成した微小で壊れやすい試験片の
マニピュレーションの必要が無い。 （２） 微小試験片の一端の変位は、てこの原理より、
荷重点( レバー端) 変位として拡大されて検出される。 （３） 試験片の材質として、単結晶シリコンの他ウェ
ハ表面に形成したさまざまな薄膜材料を対象とすること
ができる。 （４） 引張り試験のほかに薄膜の疲労試験ができる。 （５） 薄膜材料に一定の引張り応力を加えた状態で薄
膜の変化を観察できる。
下の効果が得られる。 （１） ウェハ上に形成した微小で壊れやすい試験片の
マニピュレーションの必要が無い。 （２） 微小試験片の一端の変位は、てこの原理より、
荷重点( レバー端) 変位として拡大されて検出される。 （３） 試験片の材質として、単結晶シリコンの他ウェ
ハ表面に形成したさまざまな薄膜材料を対象とすること
ができる。 （４） 引張り試験のほかに薄膜の疲労試験ができる。 （５） 薄膜材料に一定の引張り応力を加えた状態で薄
膜の変化を観察できる。
【図１】本発明の材料試験デバイスの実施例を示す斜視
図である。
図である。
【図２】本発明の材料試験デバイスの作用を示す断面図
である。
である。
【図３】本発明の材料試験デバイスによる荷重点変位と
荷重の関係を示す図である。
荷重の関係を示す図である。
【図４】本発明の材料試験デバイスのトーションバーの
位置と試験片の曲げ変形の関係を示す断面図であり、
（ａ）はトーションバーの軸の中心が試験片の一端の真
下に無い場合、（ｂ）はトーションバーのＸ方向の曲げ
剛性が小さい場合、（ｃ）はトーションバーのＺ方向の
曲げ剛性が小さい場合の図である。
位置と試験片の曲げ変形の関係を示す断面図であり、
（ａ）はトーションバーの軸の中心が試験片の一端の真
下に無い場合、（ｂ）はトーションバーのＸ方向の曲げ
剛性が小さい場合、（ｃ）はトーションバーのＺ方向の
曲げ剛性が小さい場合の図である。
【図５】本発明の材料試験デバイスのトーションバーの
支持方法の一例を示す断面図である。
支持方法の一例を示す断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の材料試験デバイスを表面から
見た図、（ｂ）は裏面から見た図である。
見た図、（ｂ）は裏面から見た図である。
【図７】本発明の材料試験デバイスの加工工程を示す図
であり、（ａ）〜（ｇ）は断面Ｃ−Ｃにおける各工程を
示す図、（ｈ）〜（ｎ）は断面Ｄ−Ｄにおける各工程を
示す図である。
であり、（ａ）〜（ｇ）は断面Ｃ−Ｃにおける各工程を
示す図、（ｈ）〜（ｎ）は断面Ｄ−Ｄにおける各工程を
示す図である。
【図８】本発明の材料試験装置の実施例を示す斜視図で
ある。
ある。
【図９】本発明の材料試験方法の実施例を示す工程図で
ある。
ある。
１ 材料試験デバイス ２ 試験片 ３ 回転レバー ４ トーションバー ５ フレーム ６ トーションバーの中心 １０ ナイフエッジ １５ シリコンウエハ １６、１８、１９ 熱酸化膜 ２１ Ｘ−Ｙ−Ｚ−θステージ ２２ 平行板バネ ２３ 針 ２４ Ｚステージ ２５ レーザ測長計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 式田 光宏 愛知県名古屋市名東区藤森２−231アトラ ス107号室
Claims (5)
- 【請求項１】 試験片と、前記試験片に所定の応力を印
加する回転レバーと、前記回転レバーの変位を弾性的に
支持する弾性支持部と、前記試験片と前記弾性支持部を
剛体的に支持する剛体支持部から構成されたことを特徴
とする材料試験用デバイス。 - 【請求項２】 前記試験片と、前記回転レバーと、前記
弾性支持部と、前記剛体支持部とが、一体的にシリコン
単結晶で構成された請求項１記載の材料試験デバイス。 - 【請求項３】 前記回転レバーと、前記弾性支持部と、
前記剛体支持部とが、一体的にシリコン単結晶で構成さ
れ、前記試験片は前記剛体支持部と前記回転レバーの間
に懸架された被試験材料からなる薄膜で形成された請求
項１記載の材料試験デバイス。 - 【請求項４】 試験片と、前記試験片に所定の応力を印
加する回転レバーと、前記回転レバーの変位を弾性的に
支持する弾性支持部と、前記試験片と前記弾性支持部を
剛体的に支持する剛体支持部から構成された材料試験用
デバイスと、 前記回転レバーに荷重を加え前記試験片に単軸引張力を
与えるための荷重付加機構と、 前記回転レバーの回転を検出するための回転検出機構を
備えて成ることを特徴とする材料試験装置。 - 【請求項５】 試験片と、前記試験片に所定の応力を印
加する回転レバーと、前記回転レバーの変位を弾性的に
支持する弾性支持部と、前記試験片と前記弾性支持部を
剛体的に支持する剛体支持部から構成された材料試験用
デバイスを用いた材料試験方法において、 前記回転レバーに荷重を加えることにより前記試験片に
単軸引張力を与える工程と、 前記回転レバーの回転を検出することにより前記回転レ
バーの荷重点の変位を求める工程と、 前記回転レバーの荷重点の変位から前記試験片の伸び量
を算出する工程と、 前記回転レバーに加えた荷重から前記弾性支持部の変形
トルクを差し引くことにより前記試験片に加わる引張力
を算出する工程と、 算出された前記試験片の伸び量と引張力から前記試験片
の材料の機械的物性値を求める工程とを有することを特
徴とする材料試験方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8022860A JP2844181B2 (ja) | 1996-02-08 | 1996-02-08 | 材料試験デバイス、材料試験装置および材料試験方法 |
| DE19703271A DE19703271B4 (de) | 1996-02-08 | 1997-01-29 | Materialprüfvorrichtung, Materialprüfgerät und Materialprüfverfahren |
| US08/797,548 US5869768A (en) | 1996-02-08 | 1997-02-07 | Material testing device, material testing apparatus and material testing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8022860A JP2844181B2 (ja) | 1996-02-08 | 1996-02-08 | 材料試験デバイス、材料試験装置および材料試験方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09218142A true JPH09218142A (ja) | 1997-08-19 |
| JP2844181B2 JP2844181B2 (ja) | 1999-01-06 |
Family
ID=12094478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8022860A Expired - Lifetime JP2844181B2 (ja) | 1996-02-08 | 1996-02-08 | 材料試験デバイス、材料試験装置および材料試験方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5869768A (ja) |
| JP (1) | JP2844181B2 (ja) |
| DE (1) | DE19703271B4 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19919030A1 (de) * | 1999-04-27 | 2000-11-16 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Materialdaten von Mikrostrukturen |
| JP2004102249A (ja) * | 2002-07-19 | 2004-04-02 | Canon Inc | マイクロ可動体 |
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