JPH116790A - 表面特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体表面や母材表面に形成した薄膜の特性を
測定する表面特性測定装置において、装置を大型化する
ことなく薄膜の微小な剥離を検出する。 【解決手段】 接触針２を試料Ｔの表面に接触させ、負
荷機構３により負荷を増加させつつ試料ＴをＡ方向に移
動する。接触針２の上面には反射鏡１２が設けられてお
り、反射鏡１２にレーザ光源１３よりレーザ光を照射
し、この反射光を検出器１４により検出する。検出器１
４は矢印Ｂ方向に検出素子がアレイ状に配されている。
試料Ｔの薄膜の剥離などにより接触針２が上下方向に変
位すると、反射光の検出器１４への入射位置が変動する
ため、この入射位置の変動を接触針２の変位として検出
する。検出結果は、荷重と接触針変位の関係としてＣＲ
Ｔ１１に表示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体表面や薄膜の
力学特性などを測定する表面特性測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば真空蒸着法、スパッタ法、プラズ
マＣＶＤ法等によって製造した金属、無機質などの薄膜
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測定す
る表面特性測定装置が知られている。

【０００３】このような表面特性測定装置においては、
試料表面に接触針を接触させ、接触針の負荷を増加させ
ながら試料表面を一方向に移動し、薄膜が母材から剥離
したことを検出するものである。このような表面特性測
定装置における検出手段としては、例えば音響素子（ア
コースティックエミッション）を使用して薄膜が剥離し
た際の音を検出するもの、あるいは接触針を保持する保
持レバーに歪みセンサを設けておき、この保持レバーの
歪みを検出するものなどが提案されている。また、接触
針を低周波で加振しつつ試料表面を一方向に移動し、接
触針と試料表面との摩擦力に対応する振動出力を検出
し、この検出出力の大きさおよび波形を測定することに
より表面特性を測定する測定装置が提案されている。こ
の装置によれば、接触針の負荷を増加しながら接触針を
加振すると振動出力は増大し、薄膜が母材から剥離した
場合は高周波雑音波形が発生するため、これにより剥離
が生じたことを検知することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような音響素子や歪みセンサを用いた装置において
は、剥離による音を発生させたり歪みを発生させたりす
る必要があるため、接触針に対して非常に大きな負荷が
必要となり、その結果、大きな剥離を検出することはで
きるが、膜厚が薄い場合などのような微小な剥離を精度
よく検出することができなかった。また、接触針を加振
する装置においては、接触針を振動させつつ試料を移動
させるという複雑な機構が必要となるため、装置が大型
化かつ複雑化してコストおよび小型化の点で問題があ
る。

【０００５】本発明の目的は、装置を大型化することな
く、微小な剥離をも検出することができる表面特性測定
装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
を参照して説明すると、請求項１の発明は、試料Ｔを載
置する試料台４と、試料台４を所定方向に移動する移動
手段５と、試料台４に載置された試料表面に接触する接
触針２と、接触針２に負荷を与える負荷手段３と、試料
Ｔに対する接触針２の上下方向の変位を検出する検出手
段６とを備えた表面特性測定装置に適用され、検出手段
６は、接触針２に設けられた反射部材１２と、反射部材
１２に向けてレーザ光を発するレーザ光源１３と、レー
ザ光の反射部材１２における反射光を受光する位置に配
され、接触針２の変位に応じて変動する反射光の入射位
置に基づいて接触針２の変位を検出する光検出器１４と
からなる。

【０００７】請求項２の発明は、試料Ｔを載置する試料
台４と、試料台４を所定方向に移動する移動手段５と、
試料台４に載置された試料表面に接触する接触針２と、
接触針２に負荷を与える負荷手段３と、試料Ｔに対する
接触針２の上下方向の変位を検出する検出手段６とを備
えた表面特性測定装置に適用され、検出手段６は、接触
針２に設けられた反射部材１２と、反射部材１２に向け
てレーザ光を発するレーザ光源１３と、レーザ光の反射
部材１２における反射光を受光する位置に配された光検
出器１４と、接触針２の変位に応じて変動する光検出器
１４への反射光の入射位置が一定となるように試料台４
を上下方向に移動させ、試料台４の移動量に基づいて接
触針２の変位を検出する変位検出器とからなることによ
り上記目的を達成する。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態に
係る表面特性測定装置の構成を模式的に示す図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る表面特性測定装
置は、弾性部材からなるカンチレバー１の先端に取り付
けられた接触針２と、カンチレバー１に取り付けられて
接触針２を負荷する負荷機構３と、表面に薄膜が形成さ
れた試料Ｔを保持する試料台４と、試料Ｔを矢印Ａ方向
に移動させるためのステージ５と、接触針２の変位を検
出する検出部６と、ステージ５を駆動するためのドライ
バ７と、負荷機構３を駆動するためのドライバ９と、検
出部６の検出信号を増幅するためのアンプ８と、ドライ
バ７，９の駆動を制御すると共にアンプ８からの信号を
処理するためのＣＰＵなどからなる制御回路１０と、制
御回路１０からの指令により試料Ｔに対する負荷と接触
針２の変位との関係を表示するためのＣＲＴ１１とから
なる。接触針２の上面には反射鏡１２が取り付けられて
いる。なお、カンチレバー１の上面そのものに反射領域
を形成してもよい。負荷機構３はピエゾアクチュエータ
からなる。

【００１０】検出部６は、接触針２の反射鏡１２に向け
てレーザ光を発するレーザ光源１３と、レーザ光の反射
鏡１２における反射光を受光してその受光位置を検出す
るための検出器１４とからなる。検出器１４は矢印Ｂ方
向に複数の検出素子がライン状に配設されたＣＣＤライ
ンセンサや、入射位置に応じた一対の信号を出力する光
位置検出素子（ＰＳＤ）を用いることができる。

【００１１】そして、接触針２を試料Ｔに接触させた状
態において、負荷機構３により接触針２を負荷すると、
カンチレバー１が負荷により撓み、反射鏡１２の反射角
度が変化する。そしてこの反射角度の変化により反射光
の検出器１４への入射位置が変化する。本実施の形態に
おいては、この反射光の検出器１４への照射位置の変化
を検出することにより、試料Ｔにおける薄膜の剥離の状
態を検出するものである。

【００１２】次いで、本実施の形態の動作について説明
する。まず、試料台４により試料Ｔを保持し、負荷機構
３を駆動して接触針２を試料Ｔに接触させる。そしてス
テージ５を矢印Ａ方向に駆動すると共に、負荷機構３に
より負荷荷重を徐々に増加させる。これにより、カンチ
レバー１が撓んで接触針２が変位し、反射鏡１２の反射
角度が徐々に変化するため、検出器１４における反射光
の入射位置が変化する。この際、試料Ｔの薄膜が剥離さ
れなければ、試料Ｔへの負荷荷重と接触針２の変位との
関係は図２に示すように直線的に変化するものとなる。

【００１３】このようにして試験を行っている最中に、
図４に示すように試料Ｔの薄膜１５に剥離が生じると、
接触針２は薄膜１５の表面における位置Ｐ１から、剥離
した薄膜１５の表面である位置Ｐ２に移動する。このよ
うに、接触針２の位置が移動すると反射鏡１２の位置も
移動して、検出器１４における反射光の入射位置が変動
する。このため、検出器１４において得られる検出信号
が変動して、図３の箇所Ａ、箇所Ｂに示すように、試料
Ｔへの負荷荷重と接触針２の変位との関係に変動が生じ
る。

【００１４】したがって、負荷機構３および検出器１４
からの検出信号をＣＲＴ１１に表示することにより、図
３に示すような負荷荷重を接触針の変位との関係を得る
ことができ、これにより、剥離を生じた箇所と剥離を生
じたときの負荷荷重との関係を正確に対応づけることが
できる。また、音響素子や歪みセンサを使用する装置の
ように大きな負荷を作用させる必要もないため、微小な
剥離をも正確に検出することができる。さらに、接触針
を振動させる装置と比較して接触針を振動させつつ試料
を移動させる複雑な機構が不要となり、簡易な構成によ
り低コストで装置を構成することができる。

【００１５】なお、上記実施の形態においては、ステー
ジ５を矢印Ａ方向に移動させることにより、接触針２に
対して試料Ｔを移動させて、比較的大きなオーダー（ｍ
ｍ単位）にて試料Ｔを移動させているが、さらに微小な
オーダー（例えばμ単位）にて試験を行う場合には、ス
テージ５に代えて、図５に示すようなピエゾ式微小移動
装置２０を設けてもよい。微小移動装置２０は、試料台
４の全体を上下動させるための上下ピエゾアクチュエー
タ（以下ＰＺＴとする）２３と、上下ＰＺＴ２３上に設
けられた第１および第２のＰＺＴ２１，２２とからな
る。そして、試験を行う場合には、接触針２を試料Ｔに
接触させ、第１のＰＺＴ２１を矢印Ｃ方向に、第２のＰ
ＺＴ２２を矢印Ｄ方向にそれぞれ駆動させる。この際、
試料Ｔは図５の反時計回り方向に回転するため、試料Ｔ
と接触針２との接触点は上方へ移動しようとするが、上
下ＰＺＴ２３を駆動して接触点の高さを一定とする。こ
れにより、試料Ｔは接触針２に対して矢印Ａ方向に非常
に微小なオーダーで移動する。したがって、図１に示す
装置よりも微小なオーダーにて試験を行うことができ
る。この場合、負荷機構３をピエゾ素子とすることが好
ましい。

【００１６】また、図５の装置において、検出器１４上
の反射光入射位置が一定となるように、上下ＰＺＴ２３
により接触針２の位置を一定高さに保持し、この上下Ｐ
ＺＴ２３への入力信号をモニタして剥離を検出すること
ができる。すなわち、剥離が起きる前は、上下ＰＺＴ２
３の入力信号により接触針２の膜への入れ込みの程度が
わかり、剥離が起きると上下ＰＺＴ２３の入力信号が不
規則になる。このような検出方式を採用すると、図４の
装置と比較して検出器１４の検出長さを短くすることが
できる。

【００１７】また、上記実施の形態においては、本発明
の表面特性測定装置を引っかき試験機として使用してい
るが、負荷機構３による負荷を変動させることなく一定
として試料Ｔを移動し、接触針２の上下方向の変位を測
定することにより、表面粗さ測定装置としても本発明の
表面特性測定装置を使用することができる。

【００１８】以上の実施の形態と請求項との対応におい
て、反射鏡１２が反射部材を、検出器１４が光検出器を
構成する。

【００１９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、薄膜や固体表面の特性を測定するに際し、接触針
の変位をレーザ光により非接触にて検出するようにした
ため、接触針に対して大きな負荷が不要となり、これに
より小さな剥離をも精度よく検出することができる。ま
た、接触針を振動させるための複雑な機構が不要となる
ため、装置を簡易にかつ小型に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る表面特性測定装置の
構成を模式的に示す図

【図２】負荷荷重と接触針の変位との関係を示す図

【図３】負荷荷重と接触針の変位との関係を示す図

【図４】薄膜が剥離された状態を示す図

【図５】試料を移動させるための他の機構を示す図

【符号の説明】

１ カンチレバー ２ 接触針 ３ 負荷機構 ４ 試料台 ５ ステージ ６ 検出部 ７，９ ドライバ ８ アンプ １０ 制御回路 １１ ＣＲＴ １２ 反射鏡 １３ レーザ光源 １４ 検出器 ２１，２２，２３ ＰＺＴ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を載置する試料台と、該試料台を所
   定方向に移動する移動手段と、前記試料台に載置された
   試料表面に接触する接触針と、該接触針に負荷を与える
   負荷手段と、前記試料に対する前記接触針の上下方向の
   変位を検出する検出手段とを備えた表面特性測定装置に
   おいて、 前記検出手段は、前記接触針に設けられた反射部材と、 該反射部材に向けてレーザ光を発するレーザ光源と、 前記レーザ光の前記反射部材における反射光を受光する
   位置に配され、前記接触針の変位に応じて変動する前記
   反射光の入射位置に基づいて前記接触針の変位を検出す
   る光検出器とからなることを特徴とする表面特性測定装
   置。
2. 【請求項２】 試料を載置する試料台と、該試料台を所
   定方向に移動する移動手段と、前記試料台に載置された
   試料表面に接触する接触針と、該接触針に負荷を与える
   負荷手段と、前記試料に対する前記接触針の上下方向の
   変位を検出する検出手段とを備えた表面特性測定装置に
   おいて、 前記検出手段は、前記接触針に設けられた反射部材と、 該反射部材に向けてレーザ光を発するレーザ光源と、 前記レーザ光の前記反射部材における反射光を受光する
   位置に配された光検出器と、 前記接触針の変位に応じて変動する前記光検出器への前
   記反射光の入射位置が一定となるように前記試料台を上
   下方向に移動させ、該試料台の移動量に基づいて前記接
   触針の変位を検出する変位検出器とからなることを特徴
   とする表面特性測定装置。