WO2011152441A1 - 微小材料ひずみ計測装置及びその方法 - Google Patents

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WO2011152441A1
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measuring
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measurement target
objective lens
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和希 高島
雅亮 大津
松田　光弘
宏明 倉原
前田　英孝
忠弘 米倉
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国立大学法人 熊本大学
シグマ光機株式会社
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    • G01N2203/0647—Image analysis

Definitions

  • the present invention relates to a micromaterial strain measuring apparatus and method.
  • microstructures that integrate mechanical, electronic, optical, chemical, and other composite functions have been manufactured by semiconductor microfabrication technologies such as photolithography technology, thin film molding technology, and etching technology, which are mainly performed on silicon substrates. It is becoming.
  • the microstructure is called a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device, and is applied to actuators, pressure sensors, temperature sensors, acceleration sensors, angular acceleration sensors, and the like.
  • MEMS devices a submicron to micron order thin film formed on a substrate is used as a basic element member.
  • Submicron to micron order thin films may have different material properties from bulk materials, and it is necessary to directly evaluate the thin film materials for mechanical properties (elastic modulus, strength, fracture toughness, fatigue properties, etc.). Therefore, for the evaluation of mechanical properties, for example, a micromaterial strain measuring apparatus shown in Patent Document 1 has been proposed.
  • Patent Document 1 the deformation of a minute material due to tensile stress or compressive stress is measured with a scanning probe microscope. Specifically, a minute deformation can be measured by providing a minute grid-like line pattern serving as a mark on the surface of the minute material and measuring the change of the mark with a scanning probe microscope.
  • Patent Document 1 a mark is provided on a minute material. For this reason, there is a possibility that the surface of the fine material may be damaged when the mark is provided, and the fine material may be destroyed at the stage before measurement.
  • the cantilever used in the scanning probe microscope performs measurement in a state where it is almost in contact with the cantilever, it is difficult to adjust the position of the cantilever, and an extremely neat measurement environment is required.
  • the area is also narrow, and even if the area is narrow, a long time is required for measurement.
  • the relationship between the tensile stress or the compressive stress and the distance is obtained by using the distance between the two chuck portions fixing the minute material as it is without providing a mark.
  • the mark is marked with a paint or the like in consideration of minimizing the influence on the deformation of the minute material and preventing the material from being modified.
  • it has also been proposed to obtain a strain from the amount of movement of the target by photographing the target with a CCD camera or the like.
  • the measurement object is a minute material, it is considered difficult to accurately obtain the strain against the tensile stress or the compressive stress.
  • a method of obtaining a strain due to a tensile stress or a compressive stress from a change in an interference pattern (speckle pattern) due to the scattered light of the laser is also conceivable by irradiating an irregular surface shape of a minute material with a laser.
  • the speckle pattern is not a direct representation of the surface shape, but is based on irregular surface shape features. For this reason, in the case of minute materials, the required resolution cannot always be ensured.
  • the speckle pattern used as the reference point in the initial state changes, or the speckle pattern disappears from the observed field of view. There is a fear. That is, even if the speckle pattern is used, it is considered difficult to accurately obtain the strain with respect to the tensile stress or the compressive stress because the measurement object is a minute material.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and a micromaterial strain measuring apparatus and method capable of accurately measuring strain against tensile stress or compressive stress while being non-contact with the micromaterial. It is an issue to provide.
  • the present invention provides a strain generating unit that applies tensile stress or compressive stress to a minute material to generate strain in the minute material and measures the tensile stress or compressive stress, and measurement that measures deformation of the minute material due to the strain.
  • a fine material strain measuring apparatus having a white light source that irradiates the measurement target region of the fine material to the measurement unit, and a measurement that is light from the measurement target region irradiated by the white light source
  • a two-dimensional photoelectric sensor that detects interference light formed by light and reference light that is light from a reference mirror irradiated with light branched from the white light source, and the interference light is received by the two-dimensional photoelectric sensor
  • a first objective lens including the reference mirror and a position from the position of the first objective lens at which the contrast of the interference light is maximized by relative scanning in the optical axis direction of the first objective lens.
  • An image processing apparatus for measuring the two, and the strain generating part supports two chuck parts for holding the minute member, and supports one of the two chuck parts to apply the tensile stress or the compressive stress.
  • the tensile stress or compressive stress measured by the stress detection means and the first objective lens are relatively scanned in the direction of the optical axis, so that the plurality of marks changed by the strain are lost. Based on the distance between the gauge of the number of said plurality of measured it is identified to follow without Rukoto, by the strain is measured with respect to the tensile stress also compressive stress is obtained by solving the above problems.
  • a measurement unit includes a white light source, a two-dimensional photoelectric sensor that detects interference light formed by measurement light and reference light, a first objective lens that causes the two-dimensional photoelectric sensor to receive the interference light, and an image. And a processing device.
  • the first objective lens is scanned relative to the minute material in the optical axis direction. That is, a scanning white interferometer (described later) is configured by the above-described constituent members. For this reason, since the field of view (the surface, not the point) of the first objective lens is measured at a time, the measurement time of the measurement target region can be shortened compared to the conventional case.
  • the image processing apparatus measures the three-dimensional shape of the measurement target region from the position of the first objective lens where the contrast of the interference light is maximum, the three-dimensional shape of the measurement target region can be quickly obtained with high resolution. it can. For this reason, the deformation behavior of the measurement target region of the micromaterial at the micro level can be observed in situ. At this time, since the minute material and the measuring unit are not in contact with each other, the minute material can be handled more easily than in the past. Further, a white interferometer can obtain a three-dimensional shape of a direct measurement target region, which is different from an interference pattern (spec pattern) due to scattered light based on a surface shape (three-dimensional shape).
  • the image processing apparatus of the white interferometer can directly set the predetermined position of the surface shape in the measurement target region as the target point and measure the position between the target points. be able to.
  • the white interferometer measures the surface shape of the measurement target region including the predetermined position. For this reason, when the strain is generated in the minute material by the moving mechanism of the strain generating portion, even if the position of the gauge changes including the height, the change can be continuously measured. In other words, since it is possible to follow and specify without losing sight of the set mark, it is possible to stably measure the distance between the changing marks.
  • the position within the measurement target region can be appropriately set as the target.
  • the tensile stress or the compressive stress applied to the micromaterial is measured by the stress detecting means of the strain generating portion, it is possible to accurately measure the strain with respect to the tensile stress or the compressive stress.
  • JIS C5630-2, 3 established on March 20, 2009. Strain measurement conforming to can be performed.
  • the nominal strain when obtaining the strain from the position between the changing gauge points, the nominal strain may be obtained, but the distance between the gauge points in the state where the strain is not present and the strain are added. It is preferable that the true strain is obtained from the distance between the plurality of reference points. In this case, the strain is not limited to a very small strain, and the strain can be obtained with high accuracy even when the measurement target region is greatly deformed.
  • the distance between the marks can be obtained, but the plurality of marks may be three or more.
  • the strain can be obtained as a distribution in the measurement target region. For this reason, since the strain distribution in the measurement target region can be evaluated in relation to the surface shape, more detailed mechanical properties of the micromaterial can be grasped.
  • the measurement unit is configured so that the positional relationship with the first objective lens is constant in the optical axis direction, and its own focal position is automatically determined from the imaging state of the measurement target region in the two-dimensional photoelectric sensor.
  • the focal position of the first objective lens can be quickly adjusted to the measurement target region.
  • the state of the measurement target region can be observed with the second objective lens.
  • the automatic adjustment function of the focal position of the second objective lens enables measurement of a three-dimensional shape at a corresponding speed.
  • the micromaterial is placed in the middle of processing when the micromaterial is held in the strain generating unit, After holding, the fine material can be processed into a final shape to be measured. Then, since mechanical stress concentration on the measurement target region can be prevented at the time of holding, it is possible to effectively prevent the micromaterial from being destroyed at the time of holding. Then, since the minute material is processed in a non-contact state using a laser, the influence on the measurement target region at the time of the processing can be minimized. As a result, it is possible to prevent the fine material from being damaged at the stage of holding the fine material.
  • the chuck is used when holding the minute material.
  • the position of the part can be adjusted in three axial directions. For this reason, the stress applied to the minute material during holding can be reduced as much as possible, so that the relationship between strain and stress can be measured more accurately, and destruction during holding of the minute material can be avoided. it can.
  • the strain generating part is movable in a plane perpendicular to the optical axis direction and can be tilted with respect to the optical axis direction, the strain generating part is held by the strain generating part. It is possible to quickly adjust the measurement target region of the minute material on the optical axis of the first objective lens. At the same time, the inclination of the measurement target region of the minute material can be reduced in advance (horizontal state). For this reason, since the frequency
  • the entire measurement target region can be obtained by a synergistic effect with the automatic adjustment function of the focal position of the second objective lens. It becomes possible to continuously measure the surface shape with good followability.
  • the present invention applies a tensile stress or a compressive stress to a minute material to generate strain in the minute material, measures the tensile stress or compressive stress, and measures the deformation of the minute material due to the strain.
  • a method for measuring strain of a micromaterial comprising: a step of holding the micromaterial; a step of generating the strain in the held micromaterial and measuring the tensile stress or compressive stress; and the strain is applied.
  • Irradiating the measurement target region of the minute material with the white light source, and the reference light being the light from the reference mirror irradiated with the measurement light that is the light from the measurement target region and the light branched from the white light source A step of causing the two-dimensional photoelectric sensor to receive the interference light formed by the light with the first objective lens including the reference mirror, and relatively scanning the first objective lens in the optical axis direction.
  • a step of measuring the three-dimensional shape of the measurement target region from the position of the first objective lens at which the contrast of the interference light is maximized, and the measurement target changed by the strain based on the measured three-dimensional shape Tracking and specifying a plurality of reference points that are positions for reference in measuring displacement in a region without losing sight, measuring the distance between the plurality of reference points, and the obtained plurality of reference points And a step of measuring the strain with respect to the tensile stress or compressive stress based on the distance between them and the tensile stress or compressive stress.
  • the present invention includes a step of continuously applying the tensile stress or compressive stress to the micromaterial by deforming the micromaterial at a constant speed. Is a predetermined strain rate, the thermal equilibrium state caused by the deformation of the minute material can be kept constant. For this reason, measurement with higher accuracy can be realized. Further, even if the tensile stress or compressive stress differs depending on the strain rate (deformation rate), the tensile stress or compressive stress can be obtained more accurately if the predetermined strain rate is constant. .
  • FIG. 1 is an overall perspective view of a minute material strain measuring apparatus to which an example of an embodiment of the present invention is applied.
  • Schematic diagram showing the schematic configuration of the white interferometer in the measurement unit The figure which shows the flowchart which shows the measurement process of the minute material distortion measurement method
  • a bird's-eye view (A) showing an example of the three-dimensional shape of the measurement target region and a contour map in the Z direction
  • B Schematic diagram showing an example of changes in gauge points when the distance between chucks is changed at a constant displacement
  • the minute material strain measuring apparatus 100 includes a position adjusting unit 114, a strain generating unit 130, and a measuring unit 150.
  • the position adjustment unit 114 is for adjusting the position of the measurement target region 108 of the minute material 102 and is fixed on the base plate 102.
  • the strain generating unit 130 applies tensile stress or compressive stress to the micromaterial 102 to generate strain in the micromaterial 102 and measures the tensile stress or compressive stress.
  • the measuring unit 150 measures the deformation of the minute material 102 due to strain.
  • the fine material 102 includes a support base 104 and a thin film 106 formed on the support base 104 as shown in FIG. 2C, which is a broken line portion of FIG. 2A.
  • the main part of the minute material 102 shown in FIG. 2C has a length and a width of a parallel part 104C described later of 1 mm or less. Since only the portion of the thin film 106 is a measurement target, the measurement result of the thin film 106 is obtained from the measurement result of the support base 104 and the micromaterial 102 on which the thin film 106 is formed and the measurement result of only the support base 104.
  • a parallel portion 104C is provided between the two grip portions 104A via a shoulder portion 104B that reduces the width of the grip portion 104A with a curvature R.
  • the length Lc of the parallel portion 104C is set to be 2.5 times or more the width b of the parallel portion 104C.
  • a measurement target region 108 can be provided in the central portion of the parallel portion 104C as shown in FIG. This measurement target region 108 is coincident with a field of view by a first objective lens 166 described later, and is about 100 ⁇ m square.
  • the measurement target area is wider than the field of view of the first objective lens 166, has a width b in the Y direction, and is 80% or less of the length Lc of the parallel portion 104C in the expansion / contraction direction (X direction) and twice the width b.
  • the length may be the above length (for example, the measurement target region may be wider than the field of view of the first objective lens 166 and may extend to the vicinity of the two shoulder portions 104B). In that case, it is possible to provide two target points desired in the above-mentioned JIS in the measurement target region.
  • the thin film 106 is provided so as to cover at least the entire surface of the measurement target region 108.
  • the support base 104 is silicon or the like, and the thin film 106 is a silicon film, a silicon oxide film, silicon nitride, or the like.
  • the reference point is a reference position for measuring the displacement in the measurement target region 108.
  • symbol a is the film thickness of the thin film 106
  • symbol S is the cross-sectional area of the thin film 106 at the parallel portion 104C.
  • the position adjusting unit 114 includes a Y stage 116, an X stage 118, a ⁇ stage 120, a ⁇ stage 122, and an ⁇ stage 124 as shown in FIG.
  • the Y stage 116 is fixed on a base plate 110 disposed on a vibration isolation mechanism (not shown).
  • the X stage 118 is fixed on the Y stage 116 perpendicular to the Y stage 116.
  • the Y stage 116 and the X stage 118 allow the strain generator 130 fixed on the ⁇ stage 124 to be moved in a plane (XY direction) perpendicular to the optical axis direction.
  • the ⁇ stage 120 has a rotation axis in the optical axis direction (Z direction) and is fixed on the X stage 118.
  • Each of the ⁇ stage 124 and the ⁇ stage 122 is a gonio stage that inclines its surface with respect to the optical axis direction (Z direction).
  • the ⁇ stage 122 is fixed on the ⁇ stage 120, and the ⁇ stage 124 is fixed to the ⁇ stage 122 so as to be orthogonal to the tilt rotation axis of the ⁇ stage 122.
  • the strain generation unit 130 fixed to the ⁇ stage 124 can be freely tilted with respect to the optical axis direction by the ⁇ stage 120, the ⁇ stage 122, and the ⁇ stage 124.
  • the strain generator 130 is fixed on the ⁇ stage 124. As shown in FIGS. 3A and 3B, the strain generator 130 includes two chucks 134 and 136, a Y stage 138, a fine movement X stage 140 (moving mechanism), an X stage 142, and a Z stage on a base plate 132. 144 and a load cell 146. A Y stage 138 is fixed on the base plate 132, and a fine movement X stage 140 is fixed thereon. And the chuck
  • the fine movement X stage 140 is for applying a tensile stress to the fine material 102 and uses a piezoelectric element (for example, PZT) as a drive source.
  • a piezoelectric element for example, PZT
  • fine movement X stage 140 can be controlled with an accuracy of, for example, 10 nm.
  • the X stage 142 is fixed to the base plate 132 at a predetermined distance from the Y stage 138, and the Z stage 144 is fixed thereon.
  • a load cell 146 stress detection means
  • the load cell 146 is a strain gauge type load cell, and can detect (measure or measure) both dynamic stress and static stress. Specifically, for example, the detection resolution of the load cell 146 is 200 ⁇ N, and the maximum allowable load is about 2N.
  • the chuck portions 134 and 136 hold the grip portion 104 ⁇ / b> A of the minute material 102.
  • the strain generating unit 130 includes two chuck units 134 and 136 for holding the minute material 102, and one chuck unit 134 (136) is in a triaxial direction perpendicular to the other 136 (134). The position can be relatively adjusted.
  • the two chuck portions 134 and 136 are provided with flat plate-shaped stopper members 134A and 136A for pressing the grip portion 104A of the minute material 102 from the upper surface, respectively.
  • the measurement unit 150 is fixed to a bracket 112 that rises vertically from the base plate 110 as shown in FIG.
  • the measurement unit 150 includes a Z stage 152, a lens barrel 154, a white light source 156, a slider 162, a fine movement Z stage 164, a first objective lens 166, a second objective lens 168, and a CCD camera 170 (two-dimensional photoelectric sensor).
  • the Z stage 152 is fixed to the bracket 112, and the lens barrel 154 is fixed to the movable part thereof. In the present embodiment, the stroke of the Z stage 152 is 50 mm.
  • the lens barrel 154 is provided with an epi-illumination unit 154A, and a white light source 156 is attached to the upper part thereof.
  • the white light source 156 is used to irradiate the measurement target region 108 of the minute material 102.
  • the white light source 156 is a white LED, but may be a halogen lamp, a xenon lamp, a mercury lamp, a metal halide lamp, an SLD (super luminescence diode), or the like having a spectrum spread to some extent.
  • the lens barrel 154 includes a reflection mirror 158 and a half mirror 160 therein as shown in FIG.
  • the reflection mirror 158 and the half mirror 160 can guide the light emitted from the white light source 156 onto the optical axis O.
  • a first objective lens 166 and a second objective lens 168 are attached to the lower portion of the lens barrel 154 facing the strain generation unit 130 via a slider 162.
  • the slider 162 moves the first objective lens 166 and the second objective lens 168 in the Y direction, so that the position in the optical axis direction (Z direction) is not changed, and the first objective lens is placed on the optical axis O shown in FIG.
  • the lens 166 and the second objective lens 168 can be interchanged. That is, the positional relationship between the first objective lens 166 and the second objective lens 168 is constant in the optical axis direction.
  • the focal positions of the first objective lens 166 and the second objective lens 168 coincide with each other in the optical axis direction (Z direction).
  • the focal position of the second objective lens 168 is automatically adjusted from the imaging state of the measurement target region 108 in the CCD camera 170 described later. For this reason, when the focal position of the second objective lens 168 is automatically adjusted, the focal position alignment of the first objective lens 166 is completed simply by replacing the second objective lens 168 with the first objective lens 166 by the slider 162. .
  • a fine movement Z stage 164 is disposed between the first objective lens 166 and the slider 162.
  • Fine movement Z stage 164 can scan first objective lens 166 in the optical axis direction (Z direction).
  • Fine movement Z stage 164 can be controlled with a resolution of 0.1 nm using a piezoelectric element (for example, PZT) as a drive source.
  • the first objective lens 166 includes a lens 166B, a half mirror 166C, and a reference mirror 166D inside the holder 166A, and constitutes a Mirau type interference optical system.
  • the half mirror 166C and the reference mirror 166D are disposed on the optical axis O. That is, the half mirror 166C branches the light emitted from the lens 166B.
  • the reference mirror 166D reflects the branched light to form reference light.
  • the light from the measurement target region 108 that has passed through the half mirror 166C forms measurement light.
  • the second objective lens 168 is used to initially observe the measurement target region 108 and to determine the focal position of the first objective lens 166.
  • the magnifications of the first objective lens 166 and the second objective lens 168 are 50 times and 20 times, respectively. For this reason, the horizontal resolution by the first objective lens 166 is set to submicron from the relationship with the size of one pixel of the CCD camera 170.
  • a CCD camera 170 is attached to the top of the lens barrel 154.
  • the CCD camera 170 is a two-dimensional photoelectric sensor that receives light from the first objective lens 166 or the second objective lens 168. That is, the white light source 156 and the first objective lens 166 form white interference light on the light receiving surface of the CCD camera 170. That is, the measurement unit 150 uses a fine movement Z stage 164 to constitute a scanning white interferometer. The principle of the white interferometer will be described below with reference to FIG.
  • the light emitted from the white light source 156 passes through the epi-illumination unit 154A of the lens barrel 154, is made to coincide with the optical axis O by the reflection mirror 158 and the half mirror 160, and enters the first objective lens 166.
  • the light emitted from the lens 166B of the first objective lens 166 is branched by the half mirror 166C in the holder 166A.
  • the light that has not been branched passes through the half mirror 166C and irradiates the measurement target region 108.
  • the light scattered by the measurement target region 108 (measurement light from the measurement target region 108 irradiated by the white light source 156) is incident on the half mirror 166C of the first objective lens 166 again.
  • the light branched by the half mirror 166C is reflected by the reference mirror 166D in the holder 166 and reflected again by the half mirror 166C (light from the reference mirror irradiated with the light branched from the white light source 156). Is the reference light).
  • the measurement light and the reference light are overlapped by the half mirror 166C, and both are imaged on the light receiving surface of the CCD camera 170 by the lens 166B to form a two-dimensional interference pattern (interference light) (first objective).
  • the interference light is received by the CCD camera 170 by the lens 166).
  • This two-dimensional interference pattern is caused by a difference in optical path length between the measurement light and the reference light.
  • the white light source 156 Since the white light source 156 has a certain spectral width, the coherence is low (the coherent length is short). Therefore, the range in which the two-dimensional interference pattern appears in the optical axis direction is narrow, and an interference image (bright / dark pattern) with the maximum contrast can be obtained at a position where the optical path lengths match. That is, the first objective lens 166 is scanned relative to the minute material 102 in the optical axis direction so that the contrast is maximum for each pixel of the CCD camera 170.
  • the height of the measurement target region 108 in the Z direction is 3D shape measurement.
  • the scanning of the first objective lens 166 is performed by the fine movement Z stage 164. In white light, since the range in which the interference pattern appears is narrower than when a single spectrum is used, the three-dimensional shape of the measurement target region 108 can be measured with high resolution.
  • An image processing apparatus (not shown) is connected to the CCD camera 170.
  • the image processing apparatus can obtain the height of each pixel of the CCD camera 170 in the Z direction based on the position signal of the fine movement Z stage 164. For this reason, the image processing apparatus can measure the three-dimensional shape of the measurement target region 108 described above.
  • the image processing apparatus determines two reference points in the measurement target region 108 based on the obtained three-dimensional shape of the measurement target region 108, and sets the two points each time the distance between the chuck portions 134 and 136 changes. Measure the distance between two gauge points.
  • the image processing apparatus can obtain the relationship between the true strain ⁇ t and the stress ⁇ shown below and output the relationship to a monitor (not shown).
  • the monitor can display a two-dimensional interference pattern by the first objective lens 166, a measured three-dimensional shape image, and a substantial image of the measurement target region 108 observed by the second objective lens 168.
  • ⁇ Ld / S (2)
  • the cross-sectional area in the initial state without distortion is used as the cross-sectional area S
  • the true stress ⁇ t is obtained, the cross-sectional area that changes with each distortion may be used.
  • the lens barrel 154 of the measuring unit 150 is provided with a laser processing unit that irradiates a laser capable of processing the minute material 102. For this reason, the fine material 102 held by the strain generation unit 130 on the ⁇ stage 124 can be moved on the optical axis of the laser processing unit by adjusting the positions of the Y stage 116 and the X stage 118.
  • the final minute material 102 to be measured is molded by irradiating the minute material 102 being processed with laser.
  • the minute material 102 is produced (step S2). Specifically, as shown in FIG. 2B, a parallel portion 104C of the support base 104 that supports the thin film 106 is formed. At this time, the curvature radius R is sufficiently large so that stress concentration does not occur in the shoulder 104B, and the shoulder 104B is formed as smoothly as possible. And the support base 104 is made into the form which left the reinforcement part 104D. Then, the entire support base 104 is placed in an apparatus for forming the thin film 106 to be measured, and the film thickness a to be measured is formed. The film thickness a is measured at the time of thin film formation, and the accuracy is within 5%.
  • the minute material 102 is held (step S4). Specifically, the support base 104 in FIG. 2B on which the thin film 106 is formed is fixed to the chuck portions 134 and 136 of the strain generation unit 130 shown in FIGS. The Y stage 138, the X stage 142, and the Z stage 144 are adjusted so that the two chuck portions 134 and 136 come to the positions of the two grip portions 104A of the minute material 102. Then, the minute material 102 is placed on the chuck portions 134 and 136 with the stop members 134A and 136A removed. Then, the grip portion 104A is temporarily fixed by the stop members 134A and 136A.
  • the Y stage 138, the X stage 142, and the Z stage 144 are finely adjusted so that the load detected by the load cell 146 becomes zero. That is, one chuck part 134 (136) is relatively adjusted with respect to the other 136 (134) in three axial directions orthogonal to each other.
  • the gripping portion 104A is fixed by the stop members 134A and 136A, and at the same time, the Y stage 138, the X stage 142, and the Z stage 144 are also fixed in that state.
  • the stop members 134A and 136A are screwed to the chuck portions 134 and 136, the force applied to the grip portion 104A can be adjusted by the amount of rotation of the screws.
  • the reinforcing portion 104D of the support base 104 of the minute material 102 is cut (step S6). Specifically, the reinforcing part 104D of the micromaterial 102 is moved by the Y stage 116 and the X stage 118 on the optical axis of the laser processing part of the measuring part 150, and the reinforcing part 104D is cut with a laser.
  • the reinforcing part 104D of the micromaterial 102 is moved by the Y stage 116 and the X stage 118 on the optical axis of the laser processing part of the measuring part 150, and the reinforcing part 104D is cut with a laser.
  • the final minute material 102 to be measured shown in FIG. Therefore, when the minute material 102 is held, the minute material 102 is protected from destruction by the presence of the reinforcing portion 104D, and the measurement target region 108 can be measured with high accuracy at the measurement stage of the minute material 102.
  • the position adjustment unit 114 shown in FIG. 1 moves the strain generation unit 130 to a predetermined position. That is, the measurement target region 108 of the micromaterial 102 held by the strain generation unit 130 is moved on the optical axis O by moving it in a plane perpendicular to the optical axis O using the Y stage 116 and the X stage 118. Then, the level of the thin film 106 of the minute material 102 is adjusted by the ⁇ stage 120, the ⁇ stage 122, and the ⁇ stage 124. That is, the minute material 102 is inclined with respect to the optical axis direction.
  • the measurement target region 108 of the held minute material 102 is irradiated with light by the white light source 156.
  • the focal position of the second objective lens 168 is automatically adjusted from the imaging state of the measurement target region 108 in the CCD camera 170 using the Z stage 152.
  • the measurement target area 108 is observed with the second objective lens 168, and the position of the measurement target area 108 is determined with the Y stage 116 and the X stage 118.
  • the slider 162 is moved to place the first objective lens 166 on the optical axis O. At this time, the surface of the measurement target region 108 comes to the focal position of the first objective lens 166.
  • the three-dimensional shape of the minute material 102 is measured. Specifically, the interference light formed by the measurement light from the measurement target region 108 and the reference light from the reference mirror 166D irradiated with the light branched from the white light source 156 is converted into a CCD camera by the first objective lens 166. 170 receives light. Then, using the fine movement Z stage 164, the first objective lens 166 is scanned relative to the minute material 102 in the optical axis direction. Then, by obtaining the Z-direction position that maximizes the contrast due to white interference for each pixel of the CCD camera 170, measurement is performed from the output of the CCD camera 170, that is, from the position of the first objective lens 166 that maximizes the contrast of the interference light.
  • the three-dimensional shape of the target area 108 is measured.
  • the three-dimensional shape of the measurement target region 108 is obtained as a numerical value indicating the height in the Z direction of the measurement target region 108 of each pixel of the CCD camera 170. That is, the numerical values are measured in a matrix shape assuming the field of view of the CCD camera 170, whereby the three-dimensional shape of the measurement target region 108 is obtained.
  • spreadsheet software or the like is used, and color-coded display, contour map display (FIG. 6 (B)), or bird's-eye view display (FIG. 6 (A) is used. )).
  • the three-dimensional shape of the measurement target region 108 can be easily grasped. For this reason, it is easy to determine a reference point to be described later, and even if the reference point changes, it can be easily followed and specified.
  • the level of the measurement target region 108 of the micromaterial 102 is adjusted by the ⁇ stage 120, the ⁇ stage 122, and the ⁇ stage 124 so that the surface of the micromaterial 102 becomes horizontal on average. adjust.
  • the measurement of the three-dimensional shape of the micromaterial 102 and the adjustment of the horizontality of the micromaterial 102 are repeated as necessary until a predetermined level according to the measurement accuracy is obtained.
  • the fine material 102 can be accurately arranged, and the reliability of the strain measurement itself can be improved as compared with the conventional case.
  • step S10 the initial three-dimensional shape of the micromaterial 102 before the strain is applied is measured.
  • the three-dimensional shape is measured as described above.
  • the width b of the parallel portion 104C of the minute material 102 is also measured. Note that this step may be performed as part of the position adjustment step of the micromaterial 102.
  • a constant displacement for example, several hundred nm to several ⁇ m
  • a strain is generated in the held minute material 102 and a tensile stress is measured. Then pause. It is desirable that the tensile speed at this time is 0.01 / sec or less in terms of strain rate.
  • step S14 the three-dimensional shape of the measurement target region 108 of the minute material 102 is obtained (step S14).
  • the three-dimensional shape is measured as described above.
  • a predetermined displacement is again applied between the chuck portions 134 and 136 to apply a tensile stress to the micromaterial 102 (step S12). This is performed until the distance between the chuck portions 134 and 136 reaches a predetermined distance Ltl.
  • the number of measurements n may be several tens of times.
  • the reference point P is the largest value among the numerical values indicating the three-dimensional shape of the specific region by paying attention to the specific region (the region shown in FIGS. 6A and 6B) in the measurement target region 108. (The smallest value is acceptable).
  • the areas closest to the two shoulder portions 104B of the measurement target area 108 are provided as the specific areas, respectively.
  • the specific area coincides with the field of view of the first objective lens 166. For this reason, since the entire three-dimensional shape of the specific area obtained for each constant displacement between the chuck portions 134 and 136 can be grasped, even if the position or value of the gauge changes, regardless of the change. It is easy to track the position of the mark.
  • the true strain ⁇ t and the stress ⁇ are calculated from the distance between the gauge points based on the formulas (1) and (2) (step S20).
  • the strain increment is obtained from the distance Li between the gauge points at the measurement number i and the distance Li + 1 between the gauge points at the measurement time i + 1, and all the strain increments are summed to obtain the true strain ⁇ t (true
  • the strain increment at the strain ⁇ t is obtained by substituting the distance Li in place of the distance L0 and the distance Li + 1 in place of the distance L1 in the equation (1).
  • FIG. 7 an initial state without distortion in which the marks P1 and P2 are provided in the vicinity (specific area) of the two shoulders 104B of the minute area 102 (FIG.
  • FIG. 7B shows a state (FIGS. 7B to 7G) in which the reference points P1 and P2 are changed after the strain is applied by a certain displacement.
  • the minute material 102 is broken between the marks P1 and P2 (a broken area FA surrounded by a broken-line circle).
  • the true strain ⁇ t up to FIG. Therefore, even if the position recognized as the reference point deviates from the measurement target region 108 with the final measurement count n, the true strain ⁇ t can be obtained from the strain increment before deviating. That is, the true strain ⁇ t can be obtained stably.
  • the relationship between the obtained true strain ⁇ t and stress ⁇ is output by a monitor or the like.
  • the measurement target is the thin film 106 of the minute material 102.
  • the series of strain measurement is performed only on the support base 104 and the support base 104 on which the thin film 106 is formed. Then, from the two evaluation results, the relationship between the true strain ⁇ t and the stress ⁇ is obtained only for the thin film 106.
  • the measurement unit 150 includes a white light source 156, a first objective lens 166, a CCD camera 170, and an image processing device.
  • the first objective lens 166 is scanned relative to the minute material 102 in the optical axis direction (Z direction). That is, a scanning white interferometer is constituted by the above-described components. For this reason, since the field of view (the surface, not the point) of the first objective lens 166 is measured at once, the measurement time of the measurement target region 108 can be shortened compared to the conventional case.
  • the three-dimensional shape of the measurement target region 108 is measured from the position of the first objective lens 166 where the contrast of the interference light is maximized by the image processing apparatus, the three-dimensional shape of the minute material 102 is quickly obtained with high resolution. be able to. Therefore, the deformation behavior of the measurement target region 108 of the micromaterial 102 at the micro level can be observed in situ. At this time, since the minute material 102 and the measuring unit 150 are not in contact with each other, the minute material 102 can be handled more easily than in the past. Further, the white interferometer can obtain a direct three-dimensional shape of the measurement target region 108 and is different from an interference pattern (spec pattern) by scattered light based on the surface shape (three-dimensional shape).
  • the white interferometer image processing apparatus can directly set a predetermined position of the surface shape in the measurement target region 108 as a reference point without drawing the reference point on the minute material 102, and the position between the reference points can be set. It can be measured.
  • the white interferometer measures the surface shape of the measurement target region 108 including the predetermined position. For this reason, when the strain is generated in the minute material 102 by the fine movement X stage 140 of the strain generating unit 130, the change can be continuously measured even if the position of the gage changes including the height. it can. In other words, since it is possible to follow and specify without losing sight of the set mark, it is possible to stably measure the distance between the changing marks.
  • the position within the measurement target region can be appropriately set as the target.
  • the tensile stress applied to the micromaterial 102 is measured by the load cell 146 of the strain generating unit 130, the strain with respect to the tensile stress can be accurately measured.
  • JIS C5630-2, 3 established on March 20, 2009.
  • Strain measurement conforming to the method can be performed.
  • the strain ⁇ is the true strain ⁇ t obtained from the distance L0 between the two gauges in the initial state without the strain ⁇ and the distance L1 between the two gauges after adding the strain ⁇ . . Therefore, the strain ⁇ is not limited to a minute strain, and the strain ⁇ can be obtained with high accuracy even when the measurement target region 108 is greatly deformed.
  • the focus position of the measurement unit 150 is the same as that of the first objective lens 166 in the optical axis direction (the positional relationship is constant), and the focus position of the measurement unit 150 forms an image of the measurement target region 108 in the CCD camera 170.
  • a second objective lens 168 that is automatically adjusted from the state is provided. For this reason, the focal position of the first objective lens 166 to the measurement target region 108 can be very quickly performed. At the same time, it is possible to observe the state of the measurement target region 108 with the second objective lens 168. Furthermore, even if the tilting function of the minute material 102 with respect to the optical axis direction is not or insufficient, the automatic adjustment function of the focal position of the second objective lens 168 makes it possible to measure a three-dimensional shape with appropriate accuracy.
  • the measuring unit 150 is provided with a laser processing unit that irradiates a laser capable of processing the minute material 102. For this reason, when holding the minute material 102 on the chuck portions 134 and 136, the minute material 102 is left in the middle of processing, and after holding the minute material 102, the minute material 102 can be processed into a final shape to be measured. . That is, when holding the minute material 102, the reinforcing portion 104D is provided to effectively prevent the concentration of mechanical stress on the measurement target region 108, and the reinforcing portion 104D can be cut after the holding. For this reason, it is possible to effectively prevent the minute material 102 from being destroyed during the holding.
  • the minute material 102 is processed in a non-contact state using a laser, the influence on the measurement target region 108 at the time of the processing can be minimized. As a result, it is possible to prevent the fine material 102 from being damaged at the stage of holding the fine material 102.
  • the position of one chuck portion 134 (136) can be relatively adjusted in the three axial directions orthogonal to each other with respect to the other 136 (134). For this reason, when the minute material 102 is held, the positions of the chuck portions 134 and 136 can be adjusted in three axial directions. That is, since the stress applied to the micromaterial 102 during holding can be reduced as much as possible, the relationship between the strain and the stress can be measured more accurately, and breakage during holding of the micromaterial 102 can be avoided. You can also.
  • the strain generator 130 can be moved in a plane orthogonal to the optical axis direction and can be inclined with respect to the optical axis direction. For this reason, the measurement target region 108 of the minute material 102 held by the strain generation unit 130 can be quickly adjusted on the optical axis of the first objective lens 166. At the same time, the inclination of the measurement target region 108 of the minute material 102 can be reduced in advance (horizontal state). For this reason, the number of scans of the first objective lens 166 in the optical axis direction can be reduced. For this reason, the three-dimensional shape of the measurement target region 108 can be measured at a higher speed.
  • the combination of the Y stage 116 and the X stage 118 and the focal position of the second objective lens 168 are used.
  • a three-dimensional shape measurement is performed after applying a certain displacement between the chucks 134 and 136 to apply a tensile stress to the fine material 102 and temporarily stop. For this reason, since the distance between the gauge points can be obtained reliably for each fixed displacement, the relationship between the true strain and the stress can be determined in detail by finely setting the fixed displacement amount.
  • the strain against the tensile stress can be accurately measured while being in non-contact with the minute material 102.
  • the tensile stress has been described, but the present invention is not limited to the tensile stress. By changing the direction of the stress, it can be similarly applied to strains caused by compressive stress and shear stress based on the same technical idea.
  • the measurement target is the single thin film 106 and the evaluation is performed together with the support base 104.
  • the thin film may be independent only in the measurement target region. In this case, it is possible to measure a more accurate strain.
  • the thin film may be a thin film having a multilayer structure. In that case, by obtaining a two-dimensional strain distribution, for example, it is possible to obtain a strain distribution in the vicinity of a specific structure (such as a layered structure or a structure containing precipitates) due to the multilayer structure. Become. In other words, since a distribution is required for a thin film having a multilayer structure, a new process proposal / improvement and yield improvement in application of the multilayer structure to MEMS can be achieved.
  • the true strain ⁇ t is obtained by obtaining the distance between the gauge points for each measurement count of the three-dimensional shape, but the present invention is not limited to this.
  • the strain ⁇ is the true strain ⁇ t obtained by the equation (1), but the present invention is not limited to this and may be a nominal strain ⁇ f.
  • the nominal strain ⁇ f can be obtained as shown in the following equation (3), where L0 is the distance between the gauges in the initial state without distortion, and L1 is the distance between the gauges after the distortion is applied. it can.
  • the nominal strain ⁇ f can be obtained at a high speed with a small amount of calculation, and the relationship between the stress and the strain can be obtained accurately in the region of a minute strain.
  • ⁇ f (L1 ⁇ L0) / L0 (3)
  • the two reference points are in the X direction in the measurement target region 108 and sandwich the minimum height in the Z direction.
  • the position of the maximum height in the two Z directions is used as the benchmark, but the present invention is not limited to this.
  • a characteristic place may be specified from the frequency characteristics of the undulation of the surface shape and determined as the mark point.
  • the reference point may be determined by determining three or more positions in the measurement target region as reference points and measuring the distance between the reference points. In this case, the strain can be obtained as a distribution in the measurement target region. For this reason, since the strain distribution in the measurement target region can be evaluated in relation to the surface shape, more detailed mechanical properties of the micromaterial can be grasped.
  • the first objective lens 166 and its own focal position coincide with each other in the optical axis direction, and the own focal position is in the imaging state of the measurement target region 108 in the CCD camera 170.
  • the present invention is not limited to this.
  • the focal positions of the first objective lens and the second objective lens are different in the optical axis direction, if the positional relationship is constant, the focal position of the first objective lens can be quickly adjusted to the minute member. it can.
  • the second objective lens may not be provided. In that case, the number of parts can be reduced, and the cost of the apparatus can be further reduced.
  • the measurement unit 150 is further provided with a laser processing unit that irradiates a laser capable of processing the minute material 102, but the present invention is not limited to this. You may hold
  • processing of a minute material electric discharge processing, chemical processing, focused ion beam processing, electron beam processing, or the like may be used.
  • the strain generating unit 130 includes two chuck units 134 and 136 for holding the minute material 102, and one chuck unit 134 (136) is mutually connected to the other 136 (134). It was possible to relatively adjust the position in three orthogonal directions.
  • the holding members 134 and 136 are used to hold the minute material 102, but the present invention is not limited to this. For example, it may be simply fixed with an adhesive or the like without using the stopper member. In that case, the holding state of the minute material can be adjusted by adjusting the position of the chuck portion according to the curing characteristics of the adhesive. Alternatively, the chuck portion may not be relatively adjustable in the three axis directions. In that case, the number of parts can be reduced and cost reduction of the apparatus can be promoted.
  • the strain generator 130 is further movable in a plane orthogonal to the optical axis direction and can be tilted with respect to the optical axis direction. It is not limited to.
  • the strain generator may only be movable within a plane orthogonal to the optical axis direction. In this case, adjustment of the inclination of the minute material can be made unnecessary. For this reason, the man-hours for adjusting the fine material can be reduced and the number of parts can be reduced, so that the cost of the apparatus can be further reduced.
  • the strain generating unit may only be tiltable with respect to the optical axis direction.
  • the strain generation unit may not be movable within a plane orthogonal to the optical axis direction and may not be tiltable with respect to the optical axis direction. In that case, since the number of parts can be further reduced, the cost of the apparatus can be further reduced.
  • a certain displacement is applied between the chucks 134 and 136 to apply a tensile stress to the micromaterial 102 and temporarily stop to measure the three-dimensional shape.
  • the present invention is limited to this.
  • tensile stress or compressive stress may be continuously applied to the micromaterial by deforming the micromaterial at a constant speed.
  • the constant rate is a predetermined strain rate (for example, 0.01 / second or less)
  • the thermal equilibrium state caused by the deformation of the minute material can be kept constant. For this reason, measurement with higher accuracy can be realized.
  • the predetermined strain rate of the constant rate If so, it becomes possible to determine the tensile stress or the compressive stress more accurately.
  • the present invention can be used for the evaluation of mechanical properties of thin film materials in the sub-micron to micron range for the development and manufacture of MEMS devices, the development and manufacture of MEMS materials including metals and ceramics, and polymers.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Micromaterial distortion measuring device 102 ... Micromaterial 104 ... Support base 104A ... Grasp part 104B ... Shoulder part 104C ... Parallel part 104D ... Reinforcement part 106 ... Thin film 108 ... Measurement object area 110, 132 ... Base plate 112 ... Bracket 114 ... Position Adjusting part 116, 138 ... Y stage 118, 142 ... X stage 120 .... theta. Stage 122 .... beta. Stage 124 .... alpha. Stage 130 ... Strain generating part 134, 136 ... Chuck part 140 ... fine movement X stage 144, 152 ... Z stage 146 ... Load cell 150 ...
  • Measurement unit 154 Tube 156 ... White light source 158 ... Reflection mirror 160, 166C ... Half mirror 162 ... Slider 164 ... Fine motion Z stage 166 ... First objective lens 166A ... Holder 166B ... Lens 166D ... Reference mirror 16 ... The second objective lens 170 ... CCD camera

Abstract

　微小材料に対して非接触でありながら引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に計測可能となる。計測部１５０に、計測対象領域１０８からの測定光と参照鏡１６６Ｄからの参照光とによって形成される干渉光を検出するＣＣＤカメラ１７０と、参照鏡１６６Ｄを備える第１対物レンズ１６６と、干渉光のコントラストが最大となる第１対物レンズ１６６の位置から計測対象領域１０８の３次元形状を測定するとともに、３次元形状に基づく２つの標点間の距離を計測する画像処理装置と、を備え、且つ、ひずみ発生部１３０に、引張応力を計測するロードセル１４６と、ひずみを発生させる微動Ｘステージ１４０と、を備え、ひずみを微小材料１０２に発生させた際には、計測された引張応力と、ひずみで変化した２つの標点間の距離とに基づいて、引張応力に対するひずみが計測される。

Description

微小材料ひずみ計測装置及びその方法
　本発明は、微小材料ひずみ計測装置及びその方法に関する。
　近年、主にシリコン基板に対して行うフォトリソグラフィ技術、薄膜成形技術、及びエッチング技術などの半導体微細加工技術により、機械・電子・光・化学などの複合機能を一体化した微小構造体が製作されるようになってきている。当該微小構造体は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスと呼ばれ、アクチュエータ、圧力センサ、温度センサ、加速度センサ、角加速度センサ等に適用されている。これらＭＥＭＳデバイスでは基板上に形成されたサブミクロンからミクロンオーダの薄膜を基本的な要素部材としている。サブミクロンからミクロンオーダの薄膜はバルク材と材料特性が異なる可能性があり、機械的性質（弾性率、強度、破壊靭性、疲労特性など）について当該薄膜材料を直接的に評価する必要がある。そこで、機械的性質の評価のために、たとえば特許文献１に示す微小材料ひずみ計測装置が提案されている。
　特許文献１においては、引張応力または圧縮応力による微小材料の変形を走査型プローブ顕微鏡で計測するとしている。具体的には、微小材料の表面に標点となる微小な格子状ラインパターンを設けて、その標点の変化を走査型プローブ顕微鏡で計測することで、微小な変形を計測可能としている。
特開２００３－２０７４３２号公報
　しかしながら、特許文献１においては微小材料に標点を設けている。このため、標点を設ける際に微小材料表面に傷がつき、微小材料が計測の前段階で破壊に至るおそれがある。また、走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーはほとんど接触した状態で計測をするため、その位置調整が難しく、極めて整った計測環境を必要とする。更には、その測定時間も領域をいわば点で走査することが必要となるので、その領域も狭く、その狭い領域であっても測定には膨大な時間を必要とする。
　このようなことを回避するのに、標点を設けずに、微小材料を固定している２つのチャック部の間の距離をそのまま用いて引張応力または圧縮応力と当該距離との関係を求めることが提案されている。また、標点を設ける場合でも、微小材料の変形に及ぼす影響を極力小さくし、且つ材質の変性を生じさせないように配慮して塗料等で標点を付ける。そして、非接触で計測するためにＣＣＤカメラ等で標点を撮影してその標点の移動量からひずみを求めようとすることも提案されている。しかし、いずれであっても、計測対象が微小材料であるがゆえに、引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に求めることは困難と考えられる。
　なお、微小材料の不規則な表面形状にレーザを照射して、そのレーザの散乱光による干渉パターン（スペックルパターン）の変化から引張応力または圧縮応力によるひずみを求める方法も考えられる。しかし、スペックルパターンは表面形状を直接的に表したものではなく、不規則な表面形状の特徴に基づくものである。このため、微小材料にあっては、必要とされる分解能が確保できるとは限らない。そして、引張応力または圧縮応力で微小材料の表面の起伏が変化した際には、初期状態で標点としていたスペックルパターンが変化したり、観察していた視野からスペックルパターンが消失したりするおそれがある。即ち、スペックルパターンを用いても、計測対象が微小材料であるがゆえに、引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に求めることは困難と考えられる。
　そこで、本発明は、前記問題点を解決するべくなされたもので、微小材料に対して非接触でありながら引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に計測可能とする微小材料ひずみ計測装置及びその方法を提供することを課題とする。
　本発明は、微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測するひずみ発生部と、該ひずみによる該微小材料の変形を計測する計測部と、を有する微小材料ひずみ計測装置であって、前記計測部に、前記微小材料の計測対象領域を照射する白色光源と、該白色光源で照射された該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を検出する２次元光電センサと、該干渉光を該２次元光電センサに受光させるとともに前記参照鏡を備える第１対物レンズと、該第１対物レンズの光軸方向における相対的な走査で前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から前記計測対象領域の３次元形状を測定するとともに、該３次元形状に基づいて該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である標点を複数定め且つ該複数の標点間の距離を計測する画像処理装置と、を備え、且つ、前記ひずみ発生部に、前記微小部材を保持するための２つのチャック部と、該２つのチャック部の一方を支持し前記引張応力または圧縮応力を計測する応力検出手段と、該２つのチャック部の距離を変化させることで前記ひずみを発生させる移動機構と、を備え、該移動機構により前記ひずみを前記微小材料に発生させた際には、前記応力検出手段によって計測され前記引張応力または圧縮応力と、前記第１対物レンズが前記光軸方向で相対的に走査されることで、前記ひずみで変化した前記複数の標点が見失われることなく追従して特定されて計測された該複数の標点間の距離とに基づいて、前記引張応力また圧縮応力に対する前記ひずみが計測されることにより、上記課題を解決したものである。
　本発明は、計測部に、白色光源と、測定光と参照光とによって形成される干渉光を検出する２次元光電センサと、干渉光を２次元光電センサに受光させる第１対物レンズと、画像処理装置と、を備えている。そして、第１対物レンズは微小材料に対してその光軸方向に相対的に走査される。即ち、上記構成部材で走査型の白色干渉計（後述）が構成される。このため、第１対物レンズの視野（点ではなく面）が一度に計測されるので、計測対象領域の計測時間を従来よりも短縮することができる。そして、画像処理装置で、干渉光のコントラストが最大となる第１対物レンズの位置から計測対象領域の３次元形状を測定するので、計測対象領域の３次元形状を高い分解能で迅速に求めることができる。このため、マイクロレベルでの微小材料の計測対象領域の変形挙動をその場観察することができる。このとき、微小材料と計測部とは非接触であるので微小材料の取り扱いを従来よりも容易に行うことができる。また、白色干渉計で得られるのは直接的な計測対象領域の３次元形状であって、表面形状（３次元形状）に基づく散乱光による干渉パターン（スペックパターン）とは異なる。即ち、標点を微小材料に描かずとも、白色干渉計の画像処理装置では、計測対象領域内の表面形状の所定の位置を直接的に標点と設定でき、標点間の位置を計測することができる。そして、白色干渉計ではその所定の位置を含めて計測対象領域の表面形状を計測する。このため、ひずみ発生部の移動機構によりひずみを微小材料に発生させた際には、標点の位置が高さを含めて変化してもその変化を連続して計測することができる。即ち、設定された標点を見失うことなく追従して特定できるので、変化する標点間の距離を安定して計測することが可能である。仮に、初期状態で設定した標点が計測対象領域からはずれても、計測対象領域内に収まる位置を標点として適切に設定することができる。同時に、ひずみ発生部の応力検出手段によって微小材料に加わる引張応力または圧縮応力が計測されることから、引張応力または圧縮応力に対するひずみを正確に計測することが可能となる。
　このため、ＭＥＭＳデバイスのための薄膜材料の引張強さ試験方法が日本工業規格として制定（ＪＩＳ　Ｃ５６３０－２、３；平成２１年３月２０日制定）されているが、本発明により該試験方法に準拠したひずみ計測を行うことができる。
　なお、変化する標点間の位置からひずみを求める際には、公称ひずみを求めてもよいが、前記ひずみが該ひずみのない状態の前記複数の標点間の距離と、ひずみを付加したのちの該複数の標点間の距離と、から求められる真ひずみとされていることが好ましい。その場合には、ひずみが微小ひずみである場合に限られず、計測対象領域に大きな変形が伴ってもひずみを高精度に求めることが可能となる。
　なお、標点は２以上あれば標点間の距離を求めることができるが、前記複数の標点は、３以上とされていてもよい。この場合には、計測対象領域でひずみを分布として求めることができる。このため、計測対象領域内でのひずみの分布を表面形状と関連させて評価できるので、微小材料のより詳しい機械的性質を把握することができる。
　なお、更に、前記計測部に、前記光軸方向で前記第１対物レンズとの位置関係が一定とされるとともに自身の焦点位置が前記２次元光電センサにおける前記計測対象領域の結像状態から自動調整される第２対物レンズを備える場合には、第１対物レンズの計測対象領域への焦点位置合わせを迅速に行うことができる。同時に、第２対物レンズにて、計測対象領域の状態観察を行うことが可能となる。更に、微小材料の光軸方向に対する傾き機能がなくても、上記第２対物レンズの焦点位置の自動調整機能により、相応の速度で３次元形状の測定が可能となる。
　なお、更に、前記計測部に前記微小材料を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備える場合には、微小材料をひずみ発生部に保持する際に微小材料を加工途中としておき、微小材料を保持後に計測対象となる最終的な形状に微小材料を加工することができる。すると、保持の際には計測対象領域への機械的な応力集中を防止できるので、保持の際に微小材料が破壊されることを効果的に防ぐことができる。そして、レーザを用いた非接触状態で微小材料を加工するので、当該加工の際の計測対象領域への影響を最小限にすることができる。結果的に微小材料の保持の段階で微小材料を損なうことを防止することができる。
　なお、前記２つのチャック部のうち、一方の該チャック部が他方に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている場合には、微小材料を保持する際に、チャック部の位置を３軸方向で調整できる。このため、保持の際に微小材料にかかる応力を極力少なくすることができるので、ひずみと応力との関係をより正確に計測可能となるとともに、微小材料の保持の際の破壊を回避することもできる。
　なお、更に、前記ひずみ発生部が、前記光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、該光軸方向に対して傾斜可能とされている場合には、ひずみ発生部に保持される微小材料の計測対象領域を第１対物レンズの光軸上に迅速に調整することができる。同時に、微小材料の計測対象領域の傾きを予め少なくしておくことができる（水平状態）。このため、光軸方向における第１対物レンズの走査回数を低減できるので、計測対象領域の３次元形状をより高速に測定することができる。また、第１対物レンズの視野よりも広く計測対象領域を設定して３次元形状の測定を行う際には、第２対物レンズの焦点位置の自動調整機能との相乗効果により、計測対象領域すべての表面形状を追従性よく、連続的に計測することが可能となる。
　なお、本発明は、微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測し、該ひずみによる該微小材料の変形を計測することでひずみを求める微小材料ひずみ計測方法であって、前記微小材料を保持する工程と、保持された該微小材料に前記ひずみを発生させるとともに前記引張応力または圧縮応力を計測する工程と、該ひずみが付与された微小材料の計測対象領域に白色光源で光を照射する工程と、該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を、該参照鏡を備える第１対物レンズで２次元光電センサに受光させる工程と、前記第１対物レンズをその光軸方向で相対的に走査し前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から前記計測対象領域の３次元形状を測定する工程と、測定された該３次元形状に基づいて、前記ひずみで変化した該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である複数の標点を見失うことなく追従して特定し、該複数の標点間の距離を計測する工程と、得られた該複数の標点間の距離及び前記引張応力または圧縮応力に基づいて、該引張応力または圧縮応力に対する前記ひずみが計測される工程と、を含むことを特徴とする微小材料ひずみ計測方法と捉えることもできる。
　なお、本発明は、前記微小材料ひずみ計測方法において、一定速度で前記微小材料を変形させることで前記引張応力または圧縮応力を連続的に該微小材料に加える工程を含む場合には、該一定速度が所定のひずみ速度であれば、微小材料の変形によって生じる熱的な平衡状態を一定に保つことができる。このため、より精度の高い計測を実現することができる。また、ひずみ速度（変形速度）によっては引張応力または圧縮応力が異なる場合であっても、該一定速度の所定のひずみ速度であれば、引張応力または圧縮応力をより正確に求めることが可能となる。
　本発明によれば、微小材料に対して非接触でありながら引張応力または圧縮応力に対するひずみが正確に計測可能となる。
本発明の実施形態の一例が適用された微小材料ひずみ計測装置の全体斜視図 微小材料の一例を示す斜視図（Ａ）、（Ｂ）と拡大上面図（Ｃ） 微小材料が保持されるひずみ発生部を示す斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ） 計測部における白色干渉計の概略構成を示す模式図 微小材料ひずみ計測方法の計測工程を示すフローチャートを示す図 測定対象領域の３次元形状の一例を示す鳥瞰図（Ａ）とＺ方向における等高線図（Ｂ） チャック間の距離を一定の変位で変化させた際の標点の変化の一例を示す模式図
　以下、本発明を実施するための好ましい形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１～図３に示されるように、本発明の実施形態に係る微小材料ひずみ計測装置１００は、位置調整部１１４とひずみ発生部１３０と計測部１５０とを備える。位置調整部１１４は、微小材料１０２の計測対象領域１０８の位置調整をするためのものであり、ベースプレート１０２上に固定されている。ひずみ発生部１３０は、微小材料１０２に引張応力または圧縮応力を加えて微小材料１０２にひずみを発生させるとともに引張応力または圧縮応力を計測する。計測部１５０は、ひずみによる微小材料１０２の変形を計測する。
　以下、各構成について、図１～図４を用いて詳細に説明する。なお、以下では引張応力のみを対象として説明する。
　前記微小材料１０２は、図２（Ａ）の破線部分である図２（Ｃ）に示す如く、支持ベース１０４と支持ベース１０４上に成膜された薄膜１０６とからなる。図２（Ｃ）に示される微小材料１０２の主要部分は、後述する平行部１０４Ｃの長さと幅とが１ｍｍ以下とされている。薄膜１０６の部分だけが計測対象となるので、薄膜１０６の計測結果は、支持ベース１０４と薄膜１０６の成膜された微小材料１０２の計測結果と支持ベース１０４のみの計測結果とから求められる。
　支持ベース１０４の両端には、後述するひずみ発生部１３０のチャック部１３４、１３６に保持されるつかみ部１０４Ａが設けられている。２つのつかみ部１０４Ａの間には、曲率Ｒでつかみ部１０４Ａの幅を減少させる肩部１０４Ｂを介して、平行部１０４Ｃが設けられている。平行部１０４Ｃの長さＬｃは、平行部１０４Ｃの幅ｂの２．５倍以上とされている。平行部１０４Ｃの例えば中央部分には、図２（Ｃ）に示す如く、計測対象領域１０８を設けることができる。この計測対象領域１０８は、後述する第１対物レンズ１６６による視野と一致されており、１００μｍ角程度とされている。なお、計測対象領域は、第１対物レンズ１６６による視野よりも広く、Ｙ方向では幅ｂで、伸縮方向（Ｘ方向）では平行部１０４Ｃの長さＬｃの８０％以下で且つ幅ｂの２倍以上の長さとされていてもよい（例えば、計測対象領域が、第１対物レンズ１６６による視野より広くされ、２つの肩部１０４Ｂの近傍まで広がっていてもよい）。その際には、前述のＪＩＳで望まれている２つの標点をその計測対象領域内に設けることも可能となる。薄膜１０６は少なくとも計測対象領域１０８の全面を覆うように設けられている。支持ベース１０４はシリコンなどであり、薄膜１０６はシリコン膜や酸化シリコン膜や窒化シリコンなどである。なお、標点は、計測対象領域１０８における変位を計測する上で、基準となる位置をいう。また、符号ａは薄膜１０６の膜厚であり、符号Ｓは薄膜１０６の平行部１０４Ｃにおける断面積である。
　前記位置調整部１１４は、図１に示す如く、Ｙステージ１１６とＸステージ１１８とθステージ１２０とβステージ１２２とαステージ１２４とを備える。Ｙステージ１１６は図示せぬ防振機構上に配置されたベースプレート１１０上に固定されている。Ｘステージ１１８はＹステージ１１６とは直交してＹステージ１１６上に固定されている。即ち、Ｙステージ１１６とＸステージ１１８とにより、αステージ１２４上に固定されるひずみ発生部１３０を光軸方向に直交する面内（ＸＹ方向）で移動可能としている。θステージ１２０は、光軸方向（Ｚ方向）に回転軸を持ち、Ｘステージ１１８上に固定されている。αステージ１２４、βステージ１２２はそれぞれ、光軸方向（Ｚ方向）に対してその表面を傾斜させるゴニオステージである。βステージ１２２がθステージ１２０上に固定され、αステージ１２４がβステージ１２２の傾斜回転軸と直交するようにβステージ１２２に固定されている。このため、θステージ１２０とβステージ１２２とαステージ１２４により、αステージ１２４に固定されるひずみ発生部１３０は、自在に光軸方向に対して傾斜可能とされている。
　前記ひずみ発生部１３０は、αステージ１２４上に固定されている。ひずみ発生部１３０は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、ベースプレート１３２上に２つのチャック部１３４、１３６とＹステージ１３８と微動Ｘステージ１４０（移動機構）とＸステージ１４２とＺステージ１４４とロードセル１４６とを備えている。ベースプレート１３２上にＹステージ１３８が固定され、その上に微動Ｘステージ１４０が固定されている。そして、その上に、チャック部１３４が設けられている。微動Ｘステージ１４０は、引張応力を微小材料１０２に加えるためのものであり、駆動源として圧電素子（たとえばＰＺＴ）を用いている。このため、微動Ｘステージ１４０は、たとえば１０ｎｍの精度で制御可能とされている。一方、Ｙステージ１３８とは所定の距離をおいて、Ｘステージ１４２がベースプレート１３２に固定され、その上にＺステージ１４４が固定されている。微動Ｘステージ１４０に対峙するＺステージ１４４の面にはロードセル１４６（応力検出手段）が固定され、その上にチャック部１３６が設けられている。ロードセル１４６は、ひずみゲージ式のロードセルであり、動的応力と静的応力の両方を検出（計測または測定）することが可能である。具体的には、たとえばロードセル１４６の検出分解能は２００μＮで、最大許容荷重が約２Ｎとされている。荷重の測定では、測定できる荷重の５％よりも高い精度が保証されている。チャック部１３４、１３６には微小材料１０２のつかみ部１０４Ａが保持される。即ち、ひずみ発生部１３０は、微小材料１０２を保持するための２つのチャック部１３４、１３６を備え、一方のチャック部１３４（１３６）が他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている。なお、２つのチャック部１３４、１３６には、それぞれ上面から微小材料１０２のつかみ部１０４Ａを押さえるための平板形状の止め部材１３４Ａ、１３６Ａが設けられている。
　前記計測部１５０は、図１に示す如く、ベースプレート１１０上から垂直に立ちあがるブラケット１１２に固定されている。計測部１５０は、Ｚステージ１５２と鏡筒１５４と白色光源１５６とスライダ１６２と微動Ｚステージ１６４と第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とＣＣＤカメラ１７０（２次元光電センサ）とを有する。
　Ｚステージ１５２は、ブラケット１１２に固定されて、その可動部分に鏡筒１５４を固定している。本実施形態では、Ｚステージ１５２のストロークは５０ｍｍとされている。鏡筒１５４には、落射照明部１５４Ａが設けられ、その上部に白色光源１５６が取り付けられている。白色光源１５６は、微小材料１０２の計測対象領域１０８を照射するのに用いられている。白色光源１５６は、白色ＬＥＤであるが、ある程度スペクトルに広がりのある、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）などであってもよい。
　鏡筒１５４には、図４に示す如く、その内部に反射ミラー１５８とハーフミラー１６０とを備える。反射ミラー１５８とハーフミラー１６０とは、白色光源１５６から出射された光を光軸Ｏの上に導くことができる。
　鏡筒１５４のひずみ発生部１３０に対峙する下部には、スライダ１６２を介して第１対物レンズ１６６、第２対物レンズ１６８が取り付けられている。スライダ１６２は、第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とをＹ方向移動させることで、光軸方向（Ｚ方向）において位置を変えずに図４に示す光軸Ｏの上に第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とを入れ替え可能としている。即ち、光軸方向で第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８との位置関係が一定とされている。第１対物レンズ１６６と第２対物レンズ１６８とは光軸方向（Ｚ方向）で焦点位置が一致している。第２対物レンズ１６８はＺステージ１５２との組み合わせにより、第２対物レンズ１６８の焦点位置が、後述するＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整される。このため、第２対物レンズ１６８の焦点位置が自動調整された状態で、第２対物レンズ１６８をスライダ１６２で第１対物レンズ１６６と入れ替えるだけで、第１対物レンズ１６６の焦点位置合わせが完了する。
　第１対物レンズ１６６とスライダ１６２との間には微動Ｚステージ１６４が配置されている。微動Ｚステージ１６４は、第１対物レンズ１６６をその光軸方向（Ｚ方向）で走査することができる。微動Ｚステージ１６４は、駆動源として圧電素子（たとえばＰＺＴ）を用いて、０．１ｎｍの分解能で制御可能とされている。第１対物レンズ１６６は、図４に示す如く、そのホルダ１６６Ａの内部に、レンズ１６６Ｂとハーフミラー１６６Ｃと参照鏡１６６Ｄをと有し、ミラウ型干渉光学系を構成する。ハーフミラー１６６Ｃと参照鏡１６６Ｄとは光軸Ｏ上に配置されている。即ち、ハーフミラー１６６Ｃは、レンズ１６６Ｂから出射された光を分岐させる。そして、参照鏡１６６Ｄは、その分岐された光を反射して参照光を形成する。一方、ハーフミラー１６６Ｃを通過した計測対象領域１０８からの光は測定光を形成する。第２対物レンズ１６８は、計測対象領域１０８の観測、及び第１対物レンズ１６６の焦点位置を初期的に決定するために用いられる。なお、本実施形態では、第１対物レンズ１６６、第２対物レンズ１６８の倍率はそれぞれ、５０倍、２０倍である。このため、ＣＣＤカメラ１７０の１画素の大きさとの関係から第１対物レンズ１６６による水平分解能はサブミクロンとされている。
　鏡筒１５４の上部には、ＣＣＤカメラ１７０を取り付けている。ＣＣＤカメラ１７０は、第１対物レンズ１６６または第２対物レンズ１６８からの光を受光する２次元光電センサである。即ち、白色光源１５６と第１対物レンズ１６６とで、白色干渉光がＣＣＤカメラ１７０の受光面に形成される。即ち、計測部１５０は微動Ｚステージ１６４を用いることで、走査型の白色干渉計を構成している。白色干渉計の原理を、図４を用いて以下に説明する。
　白色光源１５６から出た光は、鏡筒１５４の落射照明部１５４Ａを通過し、反射ミラー１５８、ハーフミラー１６０で光軸Ｏに一致させられ、第１対物レンズ１６６に入射する。第１対物レンズ１６６のレンズ１６６Ｂから出射した光は、ホルダ１６６Ａ内のハーフミラー１６６Ｃで分岐される。分岐されなかった光は、ハーフミラー１６６Ｃを透過して計測対象領域１０８を照射する。計測対象領域１０８で散乱された光（白色光源１５６で照射された計測対象領域１０８からの光である測定光）は、再び第１対物レンズ１６６のハーフミラー１６６Ｃに入射する。一方、ハーフミラー１６６Ｃで分岐された光は、ホルダ１６６内の参照鏡１６６Ｄで反射されて、ハーフミラー１６６Ｃで再び反射される（白色光源１５６から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光）。同時に、測定光と参照光とは、ハーフミラー１６６Ｃで重ね合わせられ、共にレンズ１６６ＢでＣＣＤカメラ１７０の受光面上に結像されて、２次元干渉パターン（干渉光）を形成する（第１対物レンズ１６６で干渉光をＣＣＤカメラ１７０に受光させる）。この２次元干渉パターンは、測定光と参照光との光路長の差によって生じている。白色光源１５６はある程度のスペクトル幅を有しているため、可干渉性が少ない（コヒーレント長が短い）。このため、光軸方向における２次元干渉パターンの現れる範囲は狭く、光路長が一致する位置でコントラスト最大の干渉画像（明暗パターン）を得ることができる。つまり、ＣＣＤカメラ１７０の各画素毎にコントラスト最大となるように第１対物レンズ１６６を微小材料１０２に対して光軸方向で相対的に走査する。すると、ＣＣＤカメラ１７０の出力から、即ち前記干渉画像（干渉光）のコントラストが最大となる第１対物レンズ１６６の光軸方向（Ｚ方向）の位置から、計測対象領域１０８のＺ方向の高さを求めることができる（３次元形状の測定）。第１対物レンズ１６６の走査は、微動Ｚステージ１６４によりなされる。なお、白色光では、単一のスペクトルを用いる場合よりも干渉パターンの現れる範囲が狭いので、高い分解能で計測対象領域１０８の３次元形状を測定することができる。
　ＣＣＤカメラ１７０には、図示せぬ画像処理装置が接続されている。画像処理装置は、微動Ｚステージ１６４の位置信号により、ＣＣＤカメラ１７０の各画素におけるＺ方向の高さを求めることができる。このため、画像処理装置において、上述した計測対象領域１０８の３次元形状を測定することができる。また、画像処理装置は、得られた計測対象領域１０８の３次元形状に基づいて計測対象領域１０８内で２つの標点を定め、それをチャック部１３４、１３６間の距離が変化する毎に２つの標点間の距離を計測する。本実施形態では、ひずみのない状態で計測対象領域１０８の３次元形状を求めた際に、２つの標点が計測対象領域１０８内のＸ方向で、Ｚ方向の最小高さを挟んだ２つのＺ方向の最大高さの位置を標点としている。これにより、ひずみ値として０．１％以下の測定（計測）を確保している。また、画像処理装置は、以下に示す真ひずみεｔと応力σとの関係を求めて、図示せぬモニタなどに出力することができる。なお、モニタには、第１対物レンズ１６６による２次元干渉パターンや測定された３次元形状画像や第２対物レンズ１６８で観察される計測対象領域１０８の実体的な画像を表示することができる。
　真ひずみεｔは、符号Ｌ０をひずみのない初期の状態の標点間の距離、符号Ｌ１をひずみを付加したのちの標点間の距離とすると、２つの標点間の距離から式（１）で求めることができる。
　εｔ＝ｌｎ（Ｌ１／Ｌ０）　　　　（１）
　また、応力σは、計測対象領域１０８における薄膜１０６の断面積をＳ（＝平行部の幅ｂ＊薄膜の厚みａ）として、チャック部１３４、１３６間にかかる引張応力をＬｄとすると、式（２）で求めることができる。
　σ＝Ｌｄ／Ｓ　　　　　　　（２）
　ここで、公称応力σｆを求める場合には断面積Ｓとしてひずみのない初期状態の断面積を用い、真応力σｔを求める場合には断面積Ｓとしてひずむ毎に変化する断面積を用いればよい。
　なお、図示しないが計測部１５０の鏡筒１５４には、微小材料１０２を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部が備えられている。このため、αステージ１２４上のひずみ発生部１３０に保持された微小材料１０２を、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８の位置調整により、レーザ加工部の光軸上に移動させることができる。レーザ加工部では、加工途中の微小材料１０２にレーザを照射することで、計測対象となる最終的な微小材料１０２に成形加工する。
　次に、本実施形態の微小材料ひずみ計測装置１００によるひずみ計測方法について、図５を用いて微小材料１０２の作製段階から説明する。
　まず、微小材料１０２を作製する（ステップＳ２）。具体的には、図２（Ｂ）で示す如く、薄膜１０６を支持する支持ベース１０４の平行部１０４Ｃを形成する。このとき、肩部１０４Ｂで応力集中が生じないようにその曲率半径Ｒは十分大きくし、且つ、肩部１０４Ｂをできる限りなめらかに形成する。そして、支持ベース１０４は補強部１０４Ｄを残した形態とする。そして、支持ベース１０４全体を計測対象となる薄膜１０６を形成する装置に配置させて、計測すべき膜厚ａを形成する。なお、この膜厚ａは、薄膜形成時において測定が行われ、その精度は５％以内でなされている。
　次に、微小材料１０２を保持する（ステップＳ４）。具体的には、薄膜１０６が形成された図２（Ｂ）の支持ベース１０４を、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すひずみ発生部１３０のチャック部１３４、１３６に固定する。微小材料１０２の２つのつかみ部１０４Ａの位置に２つのチャック部１３４、１３６が来るように、Ｙステージ１３８、Ｘステージ１４２、Ｚステージ１４４を調整する。そして、止め部材１３４Ａ、１３６Ａを外した状態のチャック部１３４、１３６に微小材料１０２を配置させる。そして、止め部材１３４Ａ、１３６Ａでつかみ部１０４Ａを仮止めする。このとき、ロードセル１４６で検出される荷重をゼロにするように、Ｙステージ１３８、Ｘステージ１４２、Ｚステージ１４４の微調整を行う。即ち、一方のチャック部１３４（１３６）を他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に調整する。荷重がゼロとなった時点で、止め部材１３４Ａ、１３６Ａでつかみ部１０４Ａを固定して、同時にＹステージ１３８、Ｘステージ１４２、Ｚステージ１４４もその状態で固定する。なお、本実施形態では、止め部材１３４Ａ、１３６Ａはチャック部１３４、１３６にねじ止めされるので、そのねじの回転量で、つかみ部１０４Ａにかかる力を調整することができる。
　次に、微小材料１０２の支持ベース１０４の補強部１０４Ｄを切断する（ステップＳ６）。具体的には、計測部１５０のレーザ加工部の光軸上に、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８により微小材料１０２の補強部１０４Ｄを移動させ、補強部１０４Ｄをレーザで切断する。即ち、加工途中の微小材料１０２にレーザを照射することで、図２（Ａ）で示す計測対象となる最終的な微小材料１０２に成形加工する。このため、微小材料１０２を保持する際には補強部１０４Ｄの存在により微小材料１０２を破壊から保護し、微小材料１０２の計測の段階では計測対象領域１０８の計測を高精度に行うことが可能となる。
　次に、微小材料１０２の位置調整を行う（ステップＳ８）。具体的には、図１に示す位置調整部１１４で、ひずみ発生部１３０を所定の位置に移動させる。即ち、ひずみ発生部１３０に保持された微小材料１０２の計測対象領域１０８を、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８を用いて光軸Ｏに直交する面内で移動させて光軸上Ｏに移動させる。そして、θステージ１２０、βステージ１２２、αステージ１２４により、微小材料１０２の薄膜１０６の水平度を調整する。即ち、微小材料１０２を光軸方向に対して傾斜させる。そして、保持された微小材料１０２の計測対象領域１０８に白色光源１５６で光を照射する。そして、Ｚステージ１５２を用いて第２対物レンズ１６８の焦点位置を、ＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整する。そして、計測対象領域１０８を第２対物レンズ１６８で観察して、Ｙステージ１１６、Ｘステージ１１８で計測対象領域１０８の位置を定める。そして、スライダ１６２を動かし第１対物レンズ１６６を光軸Ｏ上に配置させる。この時点で、第１対物レンズ１６６の焦点位置に計測対象領域１０８の表面がくる。
　そして、微小材料１０２の３次元形状を測定する。具体的には、計測対象領域１０８からの測定光と白色光源１５６から分岐された光で照射された参照鏡１６６Ｄからの参照光とによって形成される干渉光を、第１対物レンズ１６６でＣＣＤカメラ１７０に受光させる。そして、微動Ｚステージ１６４を用いて、第１対物レンズ１６６を微小材料１０２に対して光軸方向に相対的に走査する。そして、ＣＣＤカメラ１７０の画素毎に白色干渉によるコントラスト最大となるＺ方向位置を求めることで、ＣＣＤカメラ１７０の出力から、即ち干渉光のコントラストが最大となる第１対物レンズ１６６の位置から、計測対象領域１０８の３次元形状を測定する。計測対象領域１０８の３次元形状は、ＣＣＤカメラの１７０の各画素の計測対象領域１０８のＺ方向の高さを示す数値として求められる。即ち、当該数値がそれぞれＣＣＤカメラの１７０の視野を想定したマトリックス状に測定されることで、計測対象領域１０８の３次元形状が求められる。なお、その３次元形状を視認する際には、表計算ソフトなどを使用し、当該数値の大小に基づき色分け表示、等高図表示（図６（Ｂ））、または鳥瞰図表示（図６（Ａ））することで、容易に計測対象領域１０８の３次元形状が把握できる。このため、後述する標点を定めることも容易であり、且つその標点が変化しても容易に追従して特定することができる。
　そして、測定された３次元形状から、微小材料１０２の表面が平均して水平となるように、θステージ１２０、βステージ１２２、αステージ１２４で、微小材料１０２の計測対象領域１０８の水平度を調整する。測定精度などに応じた所定の水平度が得られるまで、必要に応じて微小材料１０２の３次元形状の測定と微小材料１０２の水平度の調整を繰り返す。このことによって、正確に微小材料１０２を配置でき、従来に比べてひずみ計測自体の信頼性を向上させることができる。
　次に、ひずみを与える前の段階の微小材料１０２の初期３次元形状の測定を行う（ステップＳ１０）。なお、３次元形状の測定は上述の如く行う。このとき、微小材料１０２の平行部１０４Ｃの幅ｂなども計測しておく。なお、この工程は、微小材料１０２の位置調整工程の一環で行ってもよい。
　次に、チャック部１３４、１３６の間に一定の変位（たとえば数百ｎｍ～数μｍ）を与えて、微小材料１０２に引張応力を付与する（ステップＳ１２）。即ち、保持された微小材料１０２にひずみを発生させるとともに引張応力を計測する。そして一時停止する。このときの引張速度はひずみ速度で０．０１／秒以下で行うことが望ましい。
　次に、微小材料１０２の計測対象領域１０８の３次元形状を求める（ステップＳ１４）。なお、３次元形状の測定は上述の如く行う。３次元形状を測定したのち、再びチャック部１３４、１３６の間に一定の変位を与えて、微小材料１０２に引張応力を付与する（ステップＳ１２）。これを、チャック部１３４、１３６の間が所定の距離Ｌｔｌとなるまで行う。たとえば、計測回数ｎは数十回行うこととしてもよい。
　次に、チャック部１３４、１３６間が所定の距離Ｌｔｌとなったところで、チャック部１３４、１３６の移動を停止させる。そして、一定の変位毎に得られた３次元形状から、計測対象領域１０８内の２つの位置を標点として定め、ひずみで変化した標点を見失うことなく追従して特定し、その標点間の距離をおのおの計測する（ステップＳ１８）。標点Ｐは、計測対象領域１０８のうちの特定の領域（図６（Ａ）、（Ｂ）で示す領域）に着目してその特定の領域の３次元形状を示す数値のうちで最も大きな値としている（最も小さい値でもよい）。ここでは、計測対象領域１０８の２つの肩部１０４Ｂに最も近い領域を当該特定の領域としてそれぞれ設けている。そして、ここでの特定の領域は第１対物レンズ１６６の視野と一致されている。このため、チャック部１３４、１３６の間の一定の変位毎に得られる特定の領域の３次元形状全体を把握することができるので、標点の位置や値が変化してもその変化に拘わらず標点の位置を追跡することが容易である。
　次に、標点間の距離から式（１）、（２）に基づき、真ひずみεｔと応力σの算出を行う（ステップＳ２０）。その際に、計測回数ｉのときの標点間の距離Ｌｉと測定回数ｉ＋１のときの標点間の距離Ｌｉ＋１からひずみ増分を求め、すべてのひずみ増分を合計して真ひずみεｔを求める（真ひずみεｔにおけるひずみ増分は式（１）でそれぞれ、距離Ｌｉを距離Ｌ０の代わりに、距離Ｌｉ＋１を距離Ｌ１の代わりに代入することで求められる）。図７では、微小領域１０２の２つの肩部１０４Ｂの近傍（特定の領域）にそれぞれ標点Ｐ１、Ｐ２を設けたひずみのない初期の状態（図７（Ａ）；標点間の距離Ｌ０）と、一定の変位によりひずみが付加されたのちの標点Ｐ１、Ｐ２のそれぞれ変化した状態（図７（Ｂ）～図７（Ｇ））を示している。なお、図７（Ｇ）では、標点Ｐ１、Ｐ２間で微小材料１０２が破断している（破線の丸で囲まれた破断領域ＦＡ）。このため、その直前の図７（Ｆ）までの真ひずみεｔを求めることができる。したがって、たとえ標点と認識した位置が、最終的な計測回数ｎで計測対象領域１０８から外れた場合でも、外れる前までのひずみ増分から真ひずみεｔを求めることができる。即ち、真ひずみεｔを安定して求めることができる。得られた真ひずみεｔと応力σとの関係はモニタなどで出力される。なお、本実施形態では、計測対象は微小材料１０２のうちの薄膜１０６である。このため、上記一連のひずみ計測を、支持ベース１０４だけと、薄膜１０６の成膜された支持ベース１０４とに行う。そして、その２つの評価結果から、薄膜１０６だけについて真ひずみεｔと応力σとの関係を求めることとなる。
　本実施形態は、計測部１５０に、白色光源１５６と第１対物レンズ１６６とＣＣＤカメラ１７０と、画像処理装置と、を備えている。そして、第１対物レンズ１６６は微小材料１０２に対してその光軸方向（Ｚ方向）に相対的に走査される。即ち、上記構成部材で走査型の白色干渉計が構成される。このため、第１対物レンズ１６６の視野（点ではなく面）が一度に計測されるので、計測対象領域１０８の計測時間を従来よりも短縮することができる。そして、画像処理装置で、干渉光のコントラストが最大となる第１対物レンズ１６６の位置から計測対象領域１０８の３次元形状を測定するので、微小材料１０２の３次元形状を高い分解能で迅速に求めることができる。このため、マイクロレベルでの微小材料１０２の計測対象領域１０８の変形挙動をその場観察することができる。このとき、微小材料１０２と計測部１５０とは非接触であるので微小材料１０２の取り扱いを従来よりも容易に行うことができる。また、白色干渉計で得られるのは直接的な計測対象領域１０８の３次元形状であって、表面形状（３次元形状）に基づく散乱光による干渉パターン（スペックパターン）とは異なる。即ち、標点を微小材料１０２に描かずとも、白色干渉計の画像処理装置では、計測対象領域１０８内の表面形状の所定の位置を直接的に標点と設定でき、標点間の位置を計測することができる。そして、白色干渉計ではその所定の位置を含めて計測対象領域１０８の表面形状を計測する。このため、ひずみ発生部１３０の微動Ｘステージ１４０によりひずみを微小材料１０２に発生させた際には、標点の位置が高さを含めて変化してもその変化を連続して計測することができる。即ち、設定された標点を見失うことなく追従して特定できるので、変化する標点間の距離を安定して計測することが可能である。仮に、初期状態で設定した標点が計測対象領域からはずれても、計測対象領域内に収まる位置を標点として適切に設定することができる。同時に、ひずみ発生部１３０のロードセル１４６によって微小材料１０２に加わる引張応力が計測されることから、引張応力に対するひずみを正確に計測することが可能となる。
　このため、ＭＥＭＳデバイスのための薄膜材料の引張強さ試験方法が日本工業規格として制定（ＪＩＳ　Ｃ５６３０－２、３；平成２１年３月２０日制定）されているが、本実施形態により該試験方法に準拠したひずみ計測を行うことができる。
　また、ひずみεがひずみεのない初期の状態の２つの標点間の距離Ｌ０と、ひずみεを付加したのちの２つの標点間の距離Ｌ１と、から求められる真ひずみεｔとされている。このため、ひずみεが微小ひずみである場合に限られず、計測対象領域１０８に大きな変形が伴ってもひずみεを高精度に求めることが可能である。
　また、更に、計測部１５０に、光軸方向で第１対物レンズ１６６と焦点位置が同じ位置（位置関係が一定）とされるとともに自身の焦点位置がＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整される第２対物レンズ１６８を備えている。このため、第１対物レンズ１６６の計測対象領域１０８への焦点位置合わせを極めて迅速に行うことができる。同時に、第２対物レンズ１６８にて、計測対象領域１０８の状態観察を行うことが可能となる。更に、微小材料１０２の光軸方向に対する傾き機能がない若しくは十分でなくても、第２対物レンズ１６８の焦点位置の自動調整機能により、相応の精度で３次元形状の測定が可能となる。
　また、更に、計測部１５０に微小材料１０２を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備えている。このため、微小材料１０２をチャック部１３４、１３６に保持する際に微小材料１０２を加工途中としておき、微小材料１０２を保持後に計測対象となる最終的な形状に微小材料１０２を加工することができる。即ち、微小材料１０２の保持の際には補強部１０４Ｄを備えて計測対象領域１０８への機械的応力の集中を効果的に防止し、保持の後に補強部１０４Ｄを切断することができる。このため、保持の際には微小材料１０２が破壊されることを効果的に防ぐことができる。そして、レーザを用いた非接触状態で微小材料１０２を加工するので、当該加工の際の計測対象領域１０８への影響を最小限にすることができる。結果的に微小材料１０２の保持の段階で微小材料１０２を損なうことを防止することができる。
　また、２つのチャック部１３４、１３６のうち、一方のチャック部１３４（１３６）が他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている。このため、微小材料１０２を保持する際に、チャック部１３４、１３６の位置を３軸方向で調整できる。即ち、保持の際に微小材料１０２にかかる応力を極力少なくすることができるので、ひずみと応力との関係をより正確に計測可能となるとともに、微小材料１０２の保持の際の破壊を回避することもできる。
　また、更に、ひずみ発生部１３０は、光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、光軸方向に対して傾斜可能とされている。このため、ひずみ発生部１３０に保持される微小材料１０２の計測対象領域１０８を第１対物レンズ１６６の光軸上に迅速に調整することができる。同時に、微小材料１０２の計測対象領域１０８の傾きを予め少なくしておくことができる（水平状態）。このため、光軸方向における第１対物レンズ１６６の走査回数を低減できる。このため、計測対象領域１０８の３次元形状をより高速で計測することができる。なお、第１対物レンズ１６６の視野よりも広く計測対象領域を設定して３次元形状の測定を行う際には、Ｙステージ１１６とＸステージ１１８との組み合わせと、第２対物レンズ１６８の焦点位置の自動調整機能との相乗効果により、計測対象領域すべての表面形状を追従性よく、連続的に計測することが可能となる。
　また、本実施形態においては、チャック１３４、１３６間に一定の変位を与えて微小材料１０２に引張応力を付与し一時停止してから、３次元形状測定を行っている。このため、一定の変位毎に確実に標点間の距離を求めることができるので、上記一定の変位量を細かく設定することで真ひずみと応力との関係を詳細に求めることが可能である。
　即ち、本実施形態によれば、微小材料１０２に対して非接触でありながら引張応力に対するひずみが正確に計測可能となる。
　本発明について本実施形態を挙げて説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。
　本実施形態においては、引張応力について説明したが、本発明は引張応力だけに限定されるものではない。応力の向きを変えるだけで同じ技術思想のもとに、圧縮応力やせん断応力によるひずみに対しても同様に適用することができる。
　また、本実施形態においては、計測対象が単一の薄膜１０６であり、支持ベース１０４と一緒に評価を行ったが、本発明はこれに限定されない。たとえば薄膜が計測対象領域のみで自立した状態としてもよい。この場合は、より高精度なひずみを計測することが可能となる。また、薄膜が多層膜構造を有する薄膜であってもよい。その場合には、２次元的なひずみ分布を求めることで、たとえばその多層膜構造に起因する特異組織（層状組織あるいは析出物などを含有する組織など）の近傍におけるひずみ分布を求めることが可能となる。つまり、多層膜構造を有する薄膜に対しては分布を求められるということで、ＭＥＭＳへの多層膜構造の適用における新たなプロセス提案・改善や歩留まり改善を図ることが可能となる。
　また、本実施形態においては、３次元形状の計測回数ごとの標点間の距離を求めて、真ひずみεｔを求めていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、最初の標点間の距離Ｌ０と最終的に得られるｎ番目の標点間の距離Ｌｎ（＝Ｌ１）とから、式（１）を用いて真ひずみεｔを求めてもよい（図７（Ａ）と図７（Ｆ）で示される状態の標点間の距離だけを用いる場合に該当）。その場合にはｎ番目までの累積される誤差は少なくなるので、真ひずみεｔを誤差を少なく求めることが可能となる。
　また、本実施形態においては、ひずみεを式（１）で求められる真ひずみεｔとしたが、本発明はこれに限定されず、公称ひずみεｆでもよい。公称ひずみεｆは、符号Ｌ０をひずみのない初期の状態の標点間の距離、符号Ｌ１をひずみを付加したのちの標点間の距離とすると、以下の式（３）で示す如く求めることができる。公称ひずみεｆは、計算量も少なく高速に求めることができ、微小ひずみの領域であれば、応力とひずみとの関係を正確に求めることが可能である。
　　εｆ＝（Ｌ１－Ｌ０）／Ｌ０　　　　　　　　　　（３）
　また、本実施形態においては、ひずみのない状態で計測対象領域１０８の３次元形状を求めた際に、２つの標点が計測対象領域１０８内のＸ方向で、Ｚ方向の最小高さを挟んだ２つのＺ方向の最大高さの位置を標点としていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、２つの標点を選択するにしても、表面形状のうねりの周波数特性から特徴的な場所を特定してそこを標点として決定してもよい。また、標点は計測対象領域内の３つ以上の位置を標点として定め、標点間の距離を計測してひずみが求められてもよい。この場合には、計測対象領域でひずみを分布として求めることができる。このため、計測対象領域内でのひずみの分布を表面形状と関連させて評価できるので、微小材料のより詳しい機械的性質を把握することができる。
　また、本実施形態においては、計測部１５０に、第１対物レンズ１６６と自身の焦点位置が光軸方向で一致しているとともに自身の焦点位置がＣＣＤカメラ１７０における計測対象領域１０８の結像状態から自動調整される第２対物レンズ１６８を備えていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば第１対物レンズと第２対物レンズとが光軸方向で焦点位置が異なっても、その位置関係が一定であれば、第１対物レンズの微小部材への焦点位置合わせを迅速に行うことができる。あるいは、第２対物レンズを備えなくてもよい。その場合には、部品点数を少なくでき、装置をより低コストとすることができる。
　また、本実施形態においては、更に、計測部１５０に微小材料１０２を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備えていたが、本発明はこれに限定されない。レーザ加工部を備えず、補強部がすでに切断された状態で、ひずみ発生部に微小材料を保持してもよい。この場合には、レーザ加工部がないので、装置をより低コストにすることができる。なお、微小材料の加工としては、他に放電加工や化学的な加工、集束イオンビーム加工、電子ビーム加工などを用いてもよい。
　また、本実施形態においては、ひずみ発生部１３０に、微小材料１０２を保持するための２つのチャック部１３４、１３６を備え、一方のチャック部１３４（１３６）が他方１３６（１３４）に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされていた。そして、微小材料１０２の保持には止め部材１３４、１３６が用いられていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、止め部材を用いずに単に接着剤などで固定してもよい。その際には、接着剤の硬化特性に応じてチャック部の位置を調整して微小材料の保持状態を調整することができる。あるいは、上記３軸方向で相対的にチャック部が調整可能でなくてもよい。その場合には、部品点数を少なくでき、装置のより低コスト化を促進することができる。
　また、本実施形態においては、更に、ひずみ発生部１３０は、光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、光軸方向に対して傾斜可能とされていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、ひずみ発生部は、光軸方向に直交する面内で移動可能されているだけでもよい。この場合には、微小材料の傾き調整を不要とすることができる。このため、微小材料の調整工数を少なくでき、且つ部品点数を低減できるので、装置をより低コストとすることができる。あるいは、ひずみ発生部は、光軸方向に対して傾斜可能とされているだけでもよい。この場合には、微小領域の形状測定は高速で高精度でありながら部品点数を低減できるので、装置をより低コストとすることができる。あるいは、ひずみ発生部は、光軸方向に直交する面内で移動可能とされず、且つ、光軸方向に対して傾斜可能とされていなくてもよい。その場合には、更に部品点数を低減できるので装置を更に低コストとすることができる。
　また、本実施形態においては、チャック１３４、１３６間に一定の変位を与えて微小材料１０２に引張応力を付与し一時停止し、３次元形状の測定を行っていたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、一定速度で微小材料を変形させることで引張応力または圧縮応力を連続的に微小材料に加えてもよい。その場合には、該一定速度が所定のひずみ速度（たとえば、０．０１／秒以下）であれば、微小材料の変形によって生じる熱的な平衡状態を一定に保つことができる。このため、より精度の高い計測を実現することができる。また、ひずみ速度（変形速度）によっては引張応力または圧縮応力が異なる場合（たとえば、高温変形や鉛などの室温変形で観測されるような場合）であっても、該一定速度の所定のひずみ速度であれば、引張応力または圧縮応力をより正確に求めることが可能となる。
　本発明は、ＭＥＭＳデバイスの開発及び製造、金属及びセラミックス、ポリマーを含むＭＥＭＳ材料の開発及び製造等のための、サブミクロンからミクロン領域の薄膜材料の機械的特性の評価に利用することができる。
　本出願は、２０１０年６月２日に出願された日本国特許出願第２０１０－１２７１０９号に基づく優先権を主張する。当該出願のすべての内容はこの明細書中に参照により援用されている。
　１００…微小材料ひずみ計測装置
　１０２…微小材料
　１０４…支持ベース
　１０４Ａ…つかみ部
　１０４Ｂ…肩部
　１０４Ｃ…平行部
　１０４Ｄ…補強部
　１０６…薄膜
　１０８…計測対象領域
　１１０、１３２…ベースプレート
　１１２…ブラケット
　１１４…位置調整部
　１１６、１３８…Ｙステージ
　１１８、１４２…Ｘステージ
　１２０…θステージ
　１２２…βステージ
　１２４…αステージ
　１３０…ひずみ発生部
　１３４、１３６…チャック部
　１４０…微動Ｘステージ
　１４４、１５２…Ｚステージ
　１４６…ロードセル
　１５０…計測部
　１５４…鏡筒
　１５６…白色光源
　１５８…反射ミラー
　１６０、１６６Ｃ…ハーフミラー
　１６２…スライダ
　１６４…微動Ｚステージ
　１６６…第１対物レンズ
　１６６Ａ…ホルダ
　１６６Ｂ…レンズ
　１６６Ｄ…参照鏡
　１６８…第２対物レンズ
　１７０…ＣＣＤカメラ
 

Claims (9)

  1. 　微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測するひずみ発生部と、該ひずみによる該微小材料の変形を計測する計測部と、を有する微小材料ひずみ計測装置であって、
    　前記計測部に、前記微小材料の計測対象領域を照射する白色光源と、該白色光源で照射された該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を検出する２次元光電センサと、該干渉光を該２次元光電センサに受光させるとともに前記参照鏡を備える第１対物レンズと、該第１対物レンズの光軸方向における相対的な走査で前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から前記計測対象領域の３次元形状を測定するとともに、該３次元形状に基づいて該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である標点を複数定め且つ該複数の標点間の距離を計測する画像処理装置と、を備え、且つ、
    　前記ひずみ発生部に、前記微小部材を保持するための２つのチャック部と、該２つのチャック部の一方を支持し前記引張応力または圧縮応力を計測する応力検出手段と、該２つのチャック部の距離を変化させることで前記ひずみを発生させる移動機構と、を備え、
    　該移動機構により前記ひずみを前記微小材料に発生させた際には、前記応力検出手段によって計測された前記引張応力または圧縮応力と、前記第１対物レンズが前記光軸方向で相対的に走査されることで、前記ひずみで変化した前記複数の標点が見失われることなく追従して特定されて計測された該複数の標点間の距離とに基づいて、前記引張応力また圧縮応力に対する前記ひずみが計測される
    　ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記ひずみは、該ひずみのない状態の前記複数の標点間の距離と、該ひずみを付加したのちの該複数の標点間の距離と、から求められる真ひずみとされる
    　ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
  3. 　請求項１または２において、
    　前記複数の標点は、３以上とされている
    　ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
  4. 　請求項１乃至３のいずれかにおいて、更に、
    　前記計測部に、前記光軸方向で前記第１対物レンズとの位置関係が一定とされるとともに自身の焦点位置が前記２次元光電センサにおける前記計測対象領域の結像状態から自動調整される第２対物レンズを備える
    　ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかにおいて、更に、
    　前記計測部に前記微小材料を成形加工可能なレーザを照射するレーザ加工部を備える
    　ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
  6. 　請求項１乃至５のいずれかにおいて、
    　前記２つのチャック部のうち、一方の該チャック部が他方に対して互いに直交する３軸方向で相対的に位置調整可能とされている
    　ことを特徴とする微小材料ひずみ計測装置。
  7. 　請求項１乃至６のいずれかにおいて、更に、
    　前記ひずみ発生部は、前記光軸方向に直交する面内で移動可能とされ、且つ、該光軸方向に対して傾斜可能とされている
    　ことを特徴とする微小ひずみ計測装置。
  8. 　微小材料に引張応力または圧縮応力を加えて該微小材料にひずみを発生させるとともに該引張応力または圧縮応力を計測し、該ひずみによる該微小材料の変形を計測することでひずみを求める微小材料ひずみ計測方法であって、
    　前記微小材料を保持する工程と、
    　保持された該微小材料に前記ひずみを発生させるとともに前記引張応力または圧縮応力を計測する工程と、
    　該ひずみが付与された微小材料の計測対象領域に白色光源で光を照射する工程と、
    　該計測対象領域からの光である測定光と該白色光源から分岐された光で照射された参照鏡からの光である参照光とによって形成される干渉光を、該参照鏡を備える第１対物レンズで２次元光電センサに受光させる工程と、
    　前記第１対物レンズをその光軸方向で相対的に走査し前記干渉光のコントラストが最大となる該第１対物レンズの位置から前記計測対象領域の３次元形状を測定する工程と、
    　測定された該３次元形状に基づいて、前記ひずみで変化した該計測対象領域における変位を計測する上で基準となる位置である複数の標点を見失うことなく追従して特定し、該複数の標点間の距離を計測する工程と、
    　得られた該複数の標点間の距離及び前記引張応力または圧縮応力に基づいて、該引張応力または圧縮応力に対する前記ひずみが計測される工程と、
    　を含むことを特徴とする微小材料ひずみ計測方法。
  9. 　請求項８において、
    　一定速度で前記微小材料を変形させることで前記引張応力または圧縮応力を連続的に該微小材料に加える工程を含む
    　ことを特徴とする微小材料ひずみ計測方法。
     
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101835999B1 (ko) 2016-10-27 2018-03-08 국방과학연구소 광학적 접착 마이크로칩의 결합면 검사장치 및 이를 이용한 검사방법
CN107831301A (zh) * 2017-11-13 2018-03-23 戴承萍 一种测定电子陶瓷产品排胶效果的方法
CN112752963A (zh) * 2019-08-29 2021-05-04 汤浅系统机器株式会社 变形试验机
CN115121687A (zh) * 2022-07-21 2022-09-30 武汉理工大学 电冲击辅助轴承钢拉伸变形过程在线监测装置及方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012007062B4 (de) * 2012-04-03 2015-07-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur zerstörungsfreien quantitativen Bestimmung der Mikroeigenspannung II. und/oder III. Art
US9404842B2 (en) * 2013-08-15 2016-08-02 Apple Inc. Methodology and apparatus for testing conductive adhesive within antenna assembly
CN104089828A (zh) * 2014-06-24 2014-10-08 上海应用技术学院 多功能微构件拉伸仪
US10553623B2 (en) * 2017-04-20 2020-02-04 Applejack 199 L.P. Non-contact measurement of a stress in a film on a substrate
CN109850182B (zh) * 2018-10-31 2022-04-19 中国飞机强度研究所 一种新型三维位移测量装置及测量方法
CN112630046A (zh) * 2020-12-15 2021-04-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种高温材料性能测量方法及系统
CN113504138A (zh) * 2021-07-15 2021-10-15 太原理工大学 一种硅基mems多环境扭转疲劳特性测试系统及方法
CN114719747B (zh) * 2022-03-11 2023-06-16 华南理工大学 一种基于双光路的微位移视觉测量装置与方法
CN114689644B (zh) * 2022-03-29 2023-03-31 清华大学 高温环境参数测量方法及装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04346004A (ja) * 1991-05-24 1992-12-01 Meidensha Corp 変位測定装置
JPH08313422A (ja) * 1995-05-19 1996-11-29 Hoya Corp 薄膜特性評価装置
JPH09297009A (ja) * 1996-05-07 1997-11-18 Shimadzu Corp レーザ非接触歪み計
JP2000310518A (ja) * 1999-04-27 2000-11-07 Olympus Optical Co Ltd ３次元形状測定装置
JP2008216021A (ja) * 2007-03-02 2008-09-18 National Institute For Materials Science 薄膜のヤング率相当の機械特性の測定方法とそれに用いる装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4869110A (en) * 1988-06-16 1989-09-26 Systems Integration Technology, Inc. Laser strain extensometer for material testing
JP3679519B2 (ja) * 1995-09-14 2005-08-03 キヤノン株式会社 トンネル電流または微小力または磁気力検出用の微小ティップの製造方法、並びにその微小ティップを有するプローブの製造方法とそのプローブ、該プローブを有するプローブユニットと走査型プローブ顕微鏡及び情報記録再生装置
US6040900A (en) * 1996-07-01 2000-03-21 Cybernet Systems Corporation Compact fiber-optic electronic laser speckle pattern shearography
US5757473A (en) * 1996-11-13 1998-05-26 Noranda, Inc. Optical strain sensor for the measurement of microdeformations of surfaces
JP3834605B2 (ja) * 2001-01-15 2006-10-18 独立行政法人産業技術総合研究所 荷電粒子放出検出による材料評価方法および装置
JP3675406B2 (ja) 2002-01-15 2005-07-27 関西ティー・エル・オー株式会社 マイクロ材料試験装置及びこれによる力学特性評価方法
US7088455B1 (en) * 2002-04-08 2006-08-08 Providence Health Systems —Oregon Methods and apparatus for material evaluation using laser speckle
JP4933775B2 (ja) * 2005-12-02 2012-05-16 独立行政法人理化学研究所 微小表面形状測定プローブ
US7859653B2 (en) * 2006-08-31 2010-12-28 Lynntech, Inc. Detecting strain in birefringent materials using spectral polarimetry

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04346004A (ja) * 1991-05-24 1992-12-01 Meidensha Corp 変位測定装置
JPH08313422A (ja) * 1995-05-19 1996-11-29 Hoya Corp 薄膜特性評価装置
JPH09297009A (ja) * 1996-05-07 1997-11-18 Shimadzu Corp レーザ非接触歪み計
JP2000310518A (ja) * 1999-04-27 2000-11-07 Olympus Optical Co Ltd ３次元形状測定装置
JP2008216021A (ja) * 2007-03-02 2008-09-18 National Institute For Materials Science 薄膜のヤング率相当の機械特性の測定方法とそれに用いる装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAKASHI ICHINOMIYA ET AL.: "Laser Speckle ni yoru Hizumi Keisoku o Mochiita Usumaku Zairyo no Hippari Shiken", DAI 50 KAI NIPPON GAKUJUTSU KAIGI ZAIRYO KOGAKU RENGO KOENKAI RONBUNSHU, 13 December 2006 (2006-12-13), pages 118 - 119 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101835999B1 (ko) 2016-10-27 2018-03-08 국방과학연구소 광학적 접착 마이크로칩의 결합면 검사장치 및 이를 이용한 검사방법
CN107831301A (zh) * 2017-11-13 2018-03-23 戴承萍 一种测定电子陶瓷产品排胶效果的方法
CN112752963A (zh) * 2019-08-29 2021-05-04 汤浅系统机器株式会社 变形试验机
CN115121687A (zh) * 2022-07-21 2022-09-30 武汉理工大学 电冲击辅助轴承钢拉伸变形过程在线监测装置及方法

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JP5879621B2 (ja) 2016-03-08
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