(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧子と、
前記圧子が配設されたカンチレバーと、
該カンチレバーに歪みを与える負荷手段と、
試料を保持する載置台と、
前記圧子の変位を測定して変位信号を出力する変位計とを備え、
前記試料表面に圧子を押し込み、該圧子の押込力と押込深さとに基づいて前記試料の物性値を測定するに先立って、前記圧子と前記試料とが接触した接触点を測定開始位置とする表面硬さ測定装置であって、
前記測定開始位置を設定するため、前記圧子を基準位置に設定して前記載置台を上昇させ、前記変位計の変位信号の出力変化を判定して前記圧子が前記試料に接触したことを検出する検出制御手段を備えたことを特徴とする表面硬さ測定装置。
【請求項２】
前記基準位置は前記変位計の変位信号の出力がゼロの位置であり、
前記検出制御手段は、前記載置台を第１の移動量ずつ上方へ移動させ、前記変位信号がゼロから変化したときに該載置台の上方への移動を停止し、該載置台を該停止位置から第２の移動量降下させ、降下させた方向の鉛直方向に載置台を移動させて接触点探索初期位置に設定することを特徴とする請求項１記載の表面硬さ測定装置。
【請求項３】
前記基準位置は、前記圧子を所定量前記載置台側に移動して前記変位計から変位信号を出力させた位置であり、前記載置台を前記第１の移動量より小さい第３の移動量ずつ上昇させ、前記変位信号が変化したときに前記載置台を停止し、該停止位置を前記圧子が前記試料に接触した位置として検出し、前記接触した位置を前記測定開始位置とすることを特徴とする請求項２記載の表面硬さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の表面硬度などの物性値を測定する表面硬さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、試料のビッカース硬さ、ヌープ硬さなどを測定する表面硬さ測定装置が知られているが、とくに、半導体デバイスや磁気ディスクなど基板上に形成した軟質の薄膜やバルク材の局所や極表面の硬度を測定するためには、試験荷重が非常に小さい微小硬度計などの表面硬さ測定装置が用いられている。
【０００３】
このような表面硬さ測定装置においては、圧子はカンチレバーに取り付けられ、圧電素子などにより圧子を載置台に載置された試料に向けて移動し、圧子が試料に接触した時点からの圧子の上方への変位を光学的変位測定計あるいは静電容量変位計などの非接触型の変位計により、μｍあるいはｎｍのオーダーで測定するとともに、圧子から試料に加えられる荷重を、圧子の変位とカンチレバーのばね定数により演算し、これにより試料の硬度を測定するものである。
【０００４】
ここで、圧子の試料への接触は以下のようにして検出している。すなわち、圧子が試料に接触する前と後とでは、圧子の移動速度が変化するものである。したがって、図５に示すように、経過時間に対する圧子の変位をプロットし、速度変化前の点Ｑ１，Ｑ２を結ぶ直線Ｌ１と、速度変化後の点Ｑ１０，Ｑ２０とを結ぶ直線Ｌ２との交点Ｘ０を求め、この点Ｘ０を圧子が試料に接触した点として検出する。
そして、この接触点を検出後、圧子を所定の負荷測度にて降下させる一方、圧子による負荷を検出して所定の設定荷重となるまでその負荷速度にて圧子を降下させて試料に圧痕を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように圧子と試料との接触点を検出するものにおいては、圧子と試料とが接触した後に上記図５に示す点Ｑ１０，Ｑ２０の２点を検出して接触点を求めるものであるため、実際には接触時から遅れて測定を開始することとなってしまう。
本発明の目的は、圧子と試料との接触後直ちに測定を開始することができる表面硬さ測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１および図２を参照して説明すると、請求項１の発明は、圧子４と、圧子４が配設されたカンチレバー３と、カンチレバー３に歪みを与える負荷手段１７と、試料Ｔを保持する載置台２０と、圧子４の変位を測定して変位信号を出力する変位計１１とを備え、試料Ｔ表面に圧子４を押し込み、該圧子４の押込力と押込深さとに基づいて前記試料の物性値を測定するに先立って、圧子４と試料Ｔとが接触した接触点を測定開始位置とする表面硬さ測定装置に適用され、測定開始位置を設定するため、圧子４を基準位置に設定して載置台２０を上昇させ、変位計１１の変位信号の出力変化を判定して圧子４が試料Ｔに接触したことを検出する検出制御手段３０を備えたことにより上記目的を達成する。
【０００７】
請求項２の発明は、基準位置は変位計１１の変位信号の出力がゼロの位置であり、検出制御手段３０は、載置台２０を第１の移動量ずつ上方へ移動させ、変位信号がゼロから変化したときに載置台２０の上方への移動を停止し、載置台２０を該停止位置から第２の移動量降下させ、降下させた方向の鉛直方向に載置台を移動させて接触点探索初期位置に設定するものである。
【０００８】
請求項３の発明は、基準位置は、圧子４を所定量載置台２０側に移動して変位計１１から変位信号を出力させた位置であり、載置台２０を第１の移動量より小さい第３の移動量ずつ上昇させ、変位信号が変化したときに載置台２０を停止し、停止位置を圧子４が試料Ｔに接触した位置として検出し、接触した位置を測定開始位置とする。
【０００９】
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。
【００１０】
【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は本実施の形態に係る表面硬さ測定装置における負荷機構の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る表面硬さ測定装置の負荷機構６は、コ字状の負荷機構本体８に形成された貫通孔８Ａに変位計アジャスト機構９が取り付けられており、変位計アジャスト機構９には、不図示の移動機構により負荷軸Ｚ方向に往復移動するプランジャ１０が取り付けられている。負荷機構本体８の下部８Ｂの上面には試料Ｔを載置するための載置台２０が取り付けられている。載置台２０は不図示の移動機構により負荷軸Ｚ方向および２次元方向（紙面に垂直なＸ方向および紙面左右方向であるＹ方向）に移動可能とされており、とくに負荷軸Ｚ方向においてはピエゾアクチュエータ２１により微小変位可能とされている。また、載置台２０は磁力により試料Ｔを保持可能とされている。プランジャ１０の先端は下面に変位計１１が固定された変位計取付部１２に当接している。変位計取付部１２はばね１３により図１の上方に付勢されており、これにより、プランジャ１０の上下移動に伴って変位計１１が負荷軸Ｚ方向に沿って上下に移動する。
【００１１】
負荷機構６の図１における左方には、フレーム１４内に取り付けられたピエゾアクチュエータ１７が設けられている。ピエゾアクチュエータ１７の上端は、球座１５を介してねじ１６により負荷機構本体８に固定されており、下端にはフレーム２が取り付けられている。フレーム２には板ばねからなる両持ち式のカンチレバー３を介して圧子４が取り付けられている。フレーム１４はピエゾアクチュエータ１７を通電すると負荷軸Ｚ方向に伸び、通電を遮断すると負荷軸Ｚ方向に縮む。これにより、フレーム２に取り付けられた圧子４が、ピエゾアクチュエータ１７の変位に応じて負荷軸Ｚ方向に沿って上下に移動する。また、フレーム１４にはピエゾアクチュエータ１７の変位を測定するためのゲージ（不図示）が貼付されている。
【００１２】
次いで、本実施の形態の動作について説明する。図２は本実施の形態に係る表面硬さ測定装置における処理部の構成を示すブロック図、図３および図４は本実施の形態の動作を説明するフローチャートである。図２に示すように、処理部は、ＣＰＵ３０とメモリ３１とからなる。ＣＰＵ３０には、上述したピエゾアクチュエータ１７，２１および変位計１１が接続されている。
まず、ステップＳ１において載置台２０の上面に試料Ｔを載置する。そして、不図示の光学顕微鏡により試料Ｔの表面にピントを合わせる。ステップＳ３においては載置台２０の移動の際の安全のために載置台２０を一旦下降させ、ステップＳ４において載置台２０をＸＹ方向に移動して試料Ｔを圧子４の下方に移動する。なお、上記ステップＳ１〜ステップＳ４はＣＰＵ３０により行われるものではなく、使用者が載置台２０を手動にて駆動することにより行うものである。
【００１３】
次のステップＳ５において、載置台２０のピエゾアクチュエータ２１を駆動して、載置台２０を１ステップ（例えば２１ｎｍ）上方へ移動する。ステップＳ６においては、試料Ｔが圧子４に接触して変位計１１から変位信号が出力されたか否かが判断される。ステップＳ６が否定された場合は、ステップＳ５に戻ってステップＳ５およびステップＳ６の処理を繰り返す。ステップＳ６が肯定された場合は、ステップＳ７において変位計１１から変位信号が出力された時点における載置台２０のＺ方向の位置を初期位置として記憶する。次のステップＳ８においては、載置台２０を５μｍ下降して試料Ｔを圧子４から離反させ、ステップＳ９において載置台２０をＸＹ方向に例えば２０μｍ移動して、上記ステップＳ６における圧子４と試料Ｔとの接触により試料Ｔに形成された圧痕の位置を圧子４の下方から移動させる。そして、ステップＳ１０において、カンチレバー３を１ステップ（例えば１ｎｍ）下方へ移動する。この状態においては、変位計１１からの出力は、初期位置から１ｎｍ下降した位置となる。
【００１４】
次のステップＳ１１（図４参照）においては、圧子４と試料Ｔとの接触を検出するために、載置台２０を１ステップ（例えば１ｎｍ）上方へ移動する。そして次のステップＳ１２において、カンチレバー３が１ｎｍの変位から変位したか否かを変位計１１から出力される変位信号により判断する。ステップＳ１２が否定された場合は、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１およびステップＳ１２の処理を繰り返す。ステップＳ１２が肯定された場合は、この時点において圧子４が試料Ｔに接触したものとして、次のステップＳ１３において、ピエゾアクチュエータ１７を予め定められた負荷速度に応じて伸長する。また、ステップＳ１３において変位計１１のゼロリセットも行われる。そして、ステップＳ１４において、変位計１１の出力が正、負あるいはゼロのいずれであるかが判断される。
【００１５】
ステップＳ１４において変位計１１の出力が正、すなわち、圧子４が試料Ｔに押圧されてカンチレバー３が上方へ変位している場合は、ピエゾアクチュエータ１７の伸びに拘わらずＺ方向の位置が変位しないように、ステップＳ１５において載置台２０を下降するよう載置台２０をフィードバック制御する。ステップＳ１４において変位計１１の出力がゼロの場合は、ステップＳ１６において載置台２０を停止する。ステップＳ１４において変位計１１の出力が負の場合は、変位計１１の出力が正の場合とは逆にステップＳ１７において載置台２０を上昇する。このように、載置台２０のＺ方向への移動をフィードバック制御することにより、カンチレバー３に加えられる歪みは負荷速度に対応した値を保つことができる。
【００１６】
そして、ステップＳ１８において、圧子４の保持時間や最大荷重などの予め定められた試験条件に達したか否かが判断される。すなわち、圧子４が試料Ｔに当接してからの変位量を変位計１１により計測するとともに、ＣＰＵ３０によりこの変位量とカンチレバー３のばね定数との積を算出し、試料Ｔへの負荷を演算する。そして、演算された負荷が予め定められた最大荷重となり、あるいは所定の荷重にて予め定められた所定時間保持されると、予め定められた試験条件に達したものとしてステップＳ１８が肯定される。一方、ステップＳ１８が否定された場合は、ステップＳ１３に戻り、ステップＳ１３〜ステップＳ１７の処理を繰り返す。
【００１７】
このようにして、試料Ｔへの圧子４による負荷が終了した後、ピエゾアクチュエータ１７への通電を遮断して圧子４を試料Ｔから離れる方向に移動し、試料Ｔへの負荷を終了する。そして、圧子４による圧痕が形成された試料Ｔを載置台２０から取り外し、別に設けられた顕微鏡などにより圧痕の形状を計測し、この形状と上記演算装置により演算された試料Ｔへの負荷とにより試料Ｔの硬度を演算する。そして、試験結果のデータをステップＳ１９においてメモリ３１に保存して処理を終了する。
【００１８】
このように、圧子４と試料Ｔの表面とが接触する前に、カンチレバー３を下降して圧子４に変位を与えて試験を開始すると、上述したフィードバック制御により圧子４の変位を元に戻そうとするため、載置台２０は上昇する。そして、試料Ｔが圧子４に接触して荷重を生じると、カンチレバー３に歪みを生じ、圧子４の位置が変化するため、この変位を変位計１１により検出して試料Ｔと圧子４とが接触したことを検出することができる。
したがって、本実施の形態においては、従来の表面硬さ測定装置のように、実際に圧子４と試料Ｔとが接触してからしばらくたった後に測定を始めるものと比較して、圧子４と試料Ｔとが接触してから直ちに計測を始めることができるため、つまり、圧子４と試料Ｔとが接触した位置を測定開始位置とすることができるため、試料Ｔの硬さを正確に測定することができる。
【００１９】
なお、上記実施の形態においては、ＣＰＵ３０において、上記図３および図４に示すフローチャートにしたがって処理を行うようにしているが、上述したフィードバック制御を行う回路を設け、この回路によりハード的に処理を行うようにしてもよい。
また、上記実施の形態においては、カンチレバー３を両持ち式としているが、片持ち式であってもよい。
【００２０】
以上の実施の形態と請求項との対応において、ピエゾアクチュエータ１７が負荷手段を、ＣＰＵ３０が検出制御手段を構成する。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、変位計の変位信号の出力変化を判定し、圧子が試料に接触したことを検出するようにしたため、従来のように、圧子が試料に接触した前後の圧子の速度の変化を示す直線を求め、この直線の交点を圧子と試料との接触点とするものと比較して、圧子と試料との接触後に、直ちに硬度の測定を開始することができ、つまり、圧子４と試料Ｔとが接触した位置を測定開始位置とすることができ、より正確に試料の硬度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る表面硬さ測定装置の負荷機構の構成を示す図
【図２】本実施の形態に係る表面硬さ測定装置における処理部の構成を示すブロック図
【図３】本実施の形態において行われる処理を示すフローチャート（その１）
【図４】本実施の形態において行われる処理を示すフローチャート（その２）
【図５】圧子と試料との接触点を求める従来例を説明するための図
【符号の説明】
３    カンチレバー
４    圧子
６    負荷機構
１１    変位計
１７，２１    ピエゾアクチュエータ
２０    載置台
３０    ＣＰＵ
３１    メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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