JPH11258131A - 微小材料試験装置 - Google Patents
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Abstract
た、薄膜材料の隔離強度を測定することができる微小材
料試験装置を提供し、微小材料を安定して保持すること
ができる微小材料の固定方法を提供する。 【解決手段】 原子間力顕微鏡が備えるカンチレバー、
移動手段、及び変位検出手段4,5,6,7において、
カンチレバーを試験部材S1により形成し、移動手段を
カンチレバーに荷重を印加する荷重印加手段2,3と
し、変位検出手段によってカンチレバー(試験部材S
1)の変位を検出し、荷重量、及び変位量に基づいて試
験部材の材料試験を行う。通常、試料の形状に応じてカ
ンチレバーあるいは試料を移動させるための移動手段
を、試験部材に荷重を印加する荷重印加手段として使用
する。これによって、試験部材に対して微小な変位や荷
重を与えることができる。
Description
し、特に、マイクロマシンやLSIなどの半導体デバイ
ス等に用いられる超微小材料や極薄膜材料の材料試験を
行う微小材料試験装置に関する。
験部材に荷重を印加することによって変位させ、引っ張
り試験,圧縮試験,曲げ試験,ねじり試験等の、材料強
度試験を行っている。従来より用いられる材料試験装置
は、荷重を印加する荷重印加手段として、空気圧,油
圧,モータ,ソレノイド等の駆動機構を使用している。
備える空気圧,油圧,モータ,ソレノイド等を用いた駆
動手段は、印加する荷重量や変位量を微小に制御するこ
とが困難である。そのため、微小な荷重を印加したり、
微小な変位を与えることが難しく、微小材料の強度を正
確に測定することができず、微小材料試験には適さない
という問題がある。
る試験部材は、ある程度の厚さを備えるブロック材であ
る。そのため、従来の材料試験装置は、薄膜のみに付加
荷重を印加して薄膜の剥離強度を評価することができな
いという問題点もある。
は、試験部材を機械的に挟む把持機構によって試験部材
の固定を行っているが、試験部材が微小材料の場合に
は、この機械的な把持機構では試験部材を安定して保持
することができないという問題もある。
解決し、微小材料の強度を測定することができる微小材
料試験装置を提供することを目的とし、また、薄膜材料
の隔離強度を測定することができる微小材料試験装置を
提供することを他の目的とし、さらに、微小材料を安定
して保持することができる微小材料の保持方法を提供す
ることを目的とする。
度試験を行う微小材料試験装置、及び該微小材料を確実
に保持する保持方法であり、原子間力顕微鏡が備える形
状測定のためにプローブを微小量だけ移動させる機構
を、材料試験のために微小材料を微小変位させたり、微
小荷重を印加する手段として転用するものである。
対する微小変位や微小荷重の印加形態によって2つの態
様を備え、さらに、微小材料が薄膜である場合の態様を
備える。
力顕微鏡が備えるカンチレバー、移動手段、及び変位検
出手段において、カンチレバーを試験部材により形成
し、移動手段をカンチレバーに荷重を印加する荷重印加
手段とし、変位検出手段によってカンチレバーの変位を
検出し、荷重量、及び変位量に基づいて試験部材の材料
試験を行う装置である。
力顕微鏡でカンチレバーの部分を試験部材とし、試料の
部分を試料台とする構成であり、通常、試料の形状に応
じてカンチレバーあるいは試料を移動させるための移動
手段を、試験部材に荷重を印加する荷重印加手段として
使用する。これによって、試験部材に対して微小な変位
や荷重を与えることができる。
原子間力顕微鏡が備えるカンチレバー、移動手段、及び
変位検出手段において、移動手段及びカンチレバーを試
験部材に荷重を印加する荷重印加手段とし、変位検出手
段によってカンチレバーの変位を検出し、荷重量、及び
変位量に基づいて試験部材の材料試験を行う装置であ
る。
力顕微鏡でカンチレバーの部分を試験部材に荷重を与え
る部材とする構成であり、通常、試料の形状に応じてカ
ンチレバーあるいは試料を移動させるための移動手段
を、試験部材に荷重を印加する荷重印加手段として使用
する。これによって、試験部材に対して微小な変位や荷
重を与えることができる。
原子間力顕微鏡が備えるカンチレバー、移動手段、及び
変位検出手段において、移動手段及びカンチレバーを薄
膜試験部材に荷重を印加する荷重印加手段とし、変位検
出手段によってカンチレバーの変位を検出し、荷重量、
及び変位量に基づいて薄膜試験部材の剥離試験を行う装
置である。
力顕微鏡でカンチレバーの部分を薄膜試験部材に張力を
与える部材とする構成であり、通常、試料の形状に応じ
てカンチレバーあるいは試料を移動させるための移動手
段を、薄膜試験部材に張力を与える荷重印加手段として
使用する。これによって、薄膜試験部材に対して引っ張
り方向の微小な変位や荷重を与えることができる。
鏡において試料とカンチレバーとの位置を相対的に変位
させる機構であり、たとえば、圧電素子を用いた3次元
アクチュエータとすることができる。
求めることができる。試験部材への荷重量は、変位量と
縦弾性係数から推定し、微小材料の破壊強度を評価する
ことができる。また、圧電素子を用いた3次元アクチュ
エータによって荷重印加手段を構成する場合には、あら
かじめ印加電圧と発生する荷重との関係を求めておくこ
とによって、印加する電圧から印加荷重を推定すること
ができる。
や有限要素法を用いて試験部材内部の応力を評価するこ
ともできる。
の印加方向、及び試験部材の配置によって、引っ張り試
験,圧縮試験,曲げ試験,ねじり試験等の各種試験を行
うことができる。
て、材料試験の試験内容によっては、カンチレバーを微
小材料に固定する必要がある。この場合に、本発明は、
カンチレバーと該カンチレバーと接触する微小部材との
間に通電し、該通電による発熱によって、微小部材のカ
ンチレバーとの接触部分を溶融させ、該溶融によってカ
ンチレバーの微小部材への固定を行う。これによって、
微小材料を無理なく安定して固定することができる。
参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の微小材料
試験装置を適用することができる原子間力顕微鏡の一構
成例を示す概略ブロック図である。原子間力顕微鏡(A
FM)は、探針及び探針を支持するカンチレバーと、こ
のカンチレバーの曲がりを検出する変位測定系とを備
え、探針と試料との間の原子間力(引力または斥力)を
検出し、この原子間力が一定となるように制御すること
によって、試料表面の形状を観察するものである。図1
において、原子間力顕微鏡は、3次元アクチュエータ2
上に配置された試料Sに対してカンチレバー1を対向さ
せ、このカンチレバー1の変位を光源4,光学系5a,
5b,受光部6,及び制御部7で検出する。
態様について図2〜図10,図12,図13を用いて説
明する。なお、図2〜図4は3つの態様の概略を説明す
るための図であり、図5〜図7は第1の態様を説明する
ための概略図であり、図8〜図10は第2の態様を説明
するための概略図であり、図12〜図13は第3の態様
を説明するための概略図である。また、図11,図14
はカンチレバーの微小部材への固定を説明するための概
略図である。
は、図2に示すように、原子間力顕微鏡でカンチレバー
の部分を試験部材S1とし、試料の部分を試料台8とす
る構成である。試料台8を支持する3次元アクチュエー
タ2及び試験部材S1を支持する支持部3は、試験部材
S1に荷重を印加する荷重印加手段を構成する。また、
光源4,光学系5a,5b,受光部6,及び制御部7
は、変位検出手段を構成する。
重を印加することによって、圧縮,引っ張り,曲げ,ね
じり等の変形を生じさせる。変位検出手段は、この試験
部材S1の変位を検出する。処理手段10は、荷重印加
手段が印加する荷重量や変位検出手段が検出する変位量
を演算等によって求める。
は、図3に示すように、試験部材S2に対して、原子間
力顕微鏡のカンチレバー1の部分を荷重印加部として作
用させる構成である。また、試験部材S2を支持する3
次元アクチュエータ2及びカンチレバー1を支持する支
持部3は、カンチレバー1とともに試験部材S2に荷重
を印加する荷重印加手段を構成する。また、光源4,光
学系5a,5b,受光部6,及び制御部7は、変位検出
手段を構成する。
重を印加することによって、曲げ,ねじり等の変形を生
じさせる。変位検出手段は、この試験部材S2の変位を
検出する。処理手段10は、荷重印加手段が印加する荷
重量や変位検出手段が検出する変位量を演算等によって
求める。
態様は、試験部材として薄膜を用い、この薄膜試験部材
の剥離試験を行うものであり、図4に示すように、薄膜
試験部材S3に対して、原子間力顕微鏡のカンチレバー
1の部分を荷重印加部として作用させる構成である。ま
た、3次元アクチュエータ2,及びカンチレバー1を支
持する支持部3は、剥離試験部材S2に引っ張り荷重を
印加する荷重印加手段を構成する。また、光源4,光学
系5a,5b,受光部6,及び制御部7は、変位検出手
段を構成する。
に引っ張り荷重を印加することによって、薄膜部分はベ
ース部10から剥離する。変位検出手段は、この剥離試
験部材S3の変位を観察し、剥離状態を検出する。処理
手段10は、荷重印加手段が印加する荷重量や変位検出
手段が検出する変位量から、剥離強度を演算等によって
求める。
を用いて構成することができ、光源4は半導体レーザー
を用いることができ、光学系5a,5bは,ビームスプ
リッタやミラーやレンズ系を用いることができ、受光部
6はフォトダイオードを用いることができる。
図5〜図7を用いて説明する。第1の態様によれば、圧
縮,引っ張り試験や曲げ試験やねじり試験、クリープ試
験、及びこれらの疲労試験を行うことができる。
している。図5において、カンチレバーを試験部材S1
とし、3次元アクチュエータ2あるいは支持部3を駆動
することによって、該試験部材S1を試料台8側に向か
って、あるいは試料台8側から離れる方向に移動させる
ことによって試験部材S1に荷重を印加し、圧縮試験あ
るいは引っ張り試験を行う。なお、この試験では、試験
部材S1を試料台8にあらかじめ固定しておく。
変位検出手段、あるいは、支持部3に設置したひずみゲ
ージ等の変位検出素子11により求めることができる。
変位量と縦弾性係数から推定し、微小材料の破壊強度を
評価することができる。また、圧電素子を用いた3次元
アクチュエータによって荷重印加手段を構成する場合に
は、あらかじめ印加電圧と発生する荷重との関係を求め
ておくことによって、印加する電圧から印加荷重を推定
することができる。また、測定した変位量を用いて、は
り理論や有限要素法を用いて試験部材内部の応力を評価
することもできる。
図6において、カンチレバーを試験部材S1とし、3次
元アクチュエータ2あるいは支持部3を駆動することに
よって、該試験部材S1を試料台8側に向かって、ある
いは試料台8側から離れる方向に移動させることによっ
て試験部材S1に荷重を印加して湾曲させ、曲げ試験を
行う。なお、この試験では、試験部材S1を試料台8に
あらかじめ固定しておく。
に示す変位検出手段により求めることができる。また、
試験部材S1に印加する荷重量は、圧電素子を用いた3
次元アクチュエータによって荷重印加手段を構成する場
合には、あらかじめ印加電圧と発生する荷重との関係を
求めておくことによって、印加する電圧から印加荷重を
推定することができる。また、測定した変位量を用い
て、はり理論や有限要素法を用いて試験部材内部の応力
を評価することもできる。なお、この曲げ試験では、曲
げられた試験部材S1の一方の側は圧縮変形し、他方は
引っ張り変形となり、この圧縮変形あるいは引っ張り変
形を測定することによって、圧縮,引っ張り強度を評価
することができる。
る。図7において、カンチレバーを試験部材S1とし、
3次元アクチュエータ2あるいは支持部3を駆動するこ
とによって該試験部材S1を試料台8側に対して回転さ
せる、これによって、試験部材S1の軸方向と直交する
方向にねじりモーメントを印加してねじり試験を行う。
なお、このねじり試験では、試験部材S1を試料台8に
あらかじめ固定しておく。
2に示す変位検出手段により求めることができる。ま
た、試験部材S1に印加する荷重量は、圧電素子を用い
た3次元アクチュエータによって荷重印加手段を構成す
る場合には、あらかじめ印加電圧と発生する荷重との関
係を求めておくことによって、印加する電圧から印加荷
重を推定することができる。また、測定した変位量を用
いて、はり理論や有限要素法を用いて試験部材内部の応
力を評価することもできる。
図8〜図10を用いて説明する。第2の態様によれば、
曲げ試験やねじり試験、クリープ試験、及びこれらの疲
労試験を行うことができる。
図8において、試験部材S2を3次元アクチュエータ2
上に支持し、カンチレバー1を当接させる。この状態
で、3次元アクチュエータ2あるいは支持部3を駆動
し、カンチレバー1を試験部材S2を試料台8側に向か
って押し下げる。あるいは、試験部材S2に対してカン
チレバー1と試料台8を固定した状態で、カンチレバー
1を試料台8側から離れる方向に移動させる。これによ
って試験部材S2に荷重を印加して湾曲させ、曲げ試験
を行う。
に示す変位検出手段により求めることができる。また、
試験部材S2に印加する荷重量は、圧電素子を用いた3
次元アクチュエータによって荷重印加手段を構成する場
合には、あらかじめ印加電圧と発生する荷重との関係を
求めておくことによって、印加する電圧から印加荷重を
推定することができる。また、測定した変位量を用い
て、はり理論や有限要素法を用いて試験部材内部の応力
を評価することもできる。
のである。この構成例では、試験部材S2の一端を試料
台8に固定し、他端をカンチレバー1で押圧あるいは引
くことによって曲げ変形を起こさせるものである。検出
量及び荷重量の検出は前記図8の構成例と同様に行うこ
とができる。
る。図10(a)において、試験部材S2の上部を支持
部3で固定し、3次元アクチュエータ2を回転駆動する
ことによって、試験部材S2を試料台8側に対して回転
させることによって試験部材S2に軸方向に対して直交
する方向に荷重を印加してねじり、ねじり試験を行う。
また、図10(b)に示すように、試験部材S2の上部
を対向配置する2つの支持部3で固定し、試験部材S2
に両側から荷重を印加してねじりモーメントを加える構
成とすることもできる。
3に示す変位検出手段により求めることができる。ま
た、試験部材S2に印加する荷重量は、圧電素子を用い
た3次元アクチュエータによって荷重印加手段を構成す
る場合には、あらかじめ印加電圧と発生する荷重との関
係を求めておくことによって、印加する電圧から印加荷
重を推定することができる。また、測定した変位量を用
いて、はり理論や有限要素法を用いて試験部材内部の応
力を評価することもできる。
験部材S2に固定する固定方法を説明する。図11
(a)において、試験部材S2として低融点金属を用
い、この表面にカンチレバー1のヘッド部12を接近さ
せて接触させる。接触させた後、図11(b)に示すよ
うに、カンチレバーと試験部材S2との通電して、接触
部分を加熱させ、溶融させる(図中の13)。この溶融
によって、図11(c)に示すように、カンチレバー1
は、そのヘッド部12が試験部材S2と結合する(図中
の14)。
料の場合であっても、良好な固定を行うことができる。
なお、この固定において、試験部材S2をあらかじめ余
熱し、また、ヘッド部12にぬれ性の良い物質をコーテ
ィングすることによって、より良好に固定を行うことが
できる。
試験を行う場合を示している。図12において、ベース
部8上に薄膜が形成された試験部材S3に対してカンチ
レバー1と試料台8を固定し、3次元アクチュエータ2
あるいは支持部3を駆動することによって、試験部材S
3を試料台8側から離れる方向に移動させることによっ
て試験部材S3の薄膜部分に引っ張り荷重を印加し、剥
離試験を行う。
位検出手段により求め、また、試験部材S3に印加する
荷重量は、圧電素子を用いた3次元アクチュエータによ
って荷重印加手段を構成する場合には、あらかじめ印加
電圧と発生する荷重との関係を求めておくことによっ
て、印加する電圧から印加荷重を推定することができ
る。
剥離したことを検出することができる。このときの荷重
から剥離時の荷重を検出することができる。カンチレバ
ーと試験部材S3との接着は接着剤を用いて行うことが
できる。図14(a)に示すように、カンチレバー1の
ヘッド部に接着剤21を塗布し、図14(b)に示すよ
うに、試験部材S3の薄膜部分に密着させ、接着剤を固
化させる(図中の22)。この接着の後、図14(c)
に示すように、カンチレバー1を移動させて、剥離試験
を行う。薄膜は剥離して剥離部分24が形成されると、
急激な変位が観察され、剥離を検出することができる。
加することによって、疲労試験を行うことができる。本
発明に実施の形態によれば、原子間力顕微鏡が備える構
成を転用することができる。また、小型で汎用性のある
試験装置を構成することができる。
試験装置によれば、微小材料の強度を測定することがで
きる。また、薄膜材料の隔離強度を測定することができ
る。さらに、本発明の微小材料の固定方法によれば、微
小材料を安定して保持することができる。
きる原子間力顕微鏡の一構成例を示す概略ブロック図で
ある。
を説明するための図である。
を説明するための図である。
を説明するための図である。
するための概略図である。
するための概略図である。
するための概略図である。
するための概略図である。
するための概略図である。
明するための概略図である。
ための概略図である。
明するための概略図である。
明するための概略図である。
ための概略図である。
エータ、3…支持部、4…光源、5…光学系、6…受光
部、7…制御部、8…試料台、9…ベース部、11…ひ
ずみ検出素子。
Claims (4)
- 【請求項1】 原子間力顕微鏡が備えるカンチレバー、
移動手段、及び変位検出手段において、前記カンチレバ
ーを試験部材により形成し、前記移動手段をカンチレバ
ーに荷重を印加する荷重印加手段とし、前記変位検出手
段によってカンチレバーの変位を検出し、前記荷重量、
及び変位量に基づいて試験部材の材料試験を行う微小材
料試験装置。 - 【請求項2】 原子間力顕微鏡が備えるカンチレバー、
移動手段、及び変位検出手段において、前記移動手段及
びカンチレバーを試験部材に荷重を印加する荷重印加手
段とし、前記変位検出手段によってカンチレバーの変位
を検出し、前記荷重量、及び変位量に基づいて試験部材
の材料試験を行う微小材料試験装置。 - 【請求項3】 原子間力顕微鏡が備えるカンチレバー、
移動手段、及び変位検出手段において、前記移動手段及
びカンチレバーを薄膜試験部材に荷重を印加する荷重印
加手段とし、前記変位検出手段によってカンチレバーの
変位を検出し、前記荷重量、及び変位量に基づいて薄膜
試験部材の剥離試験を行う微小材料試験装置。 - 【請求項4】 カンチレバーと該カンチレバーと接触す
る微小部材との間に通電し、該通電による発熱によっ
て、微小部材のカンチレバーとの接触部分を溶融させ、
該溶融によってカンチレバーを微小部材に固定する、微
小材料の固定方法。
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