(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材に薄膜を形成した複合材料を対象とし、残留内部応力を含む前記複合材料の試験片に引張り応力を加えて歪み測定する引張り試験機と、引張り応力が加わった状態で前記薄膜に生じる亀裂を観測して画像化する顕微像観察手段と、前記試験片に含まれる残留内部応力を測定する計測手段と、前記引張り試験機から得られる引張り応力および歪みの測定データ，前記顕微像観察手段から得られる亀裂の形状データおよび前記計測手段から得られる残留内部応力の計測データを総合的に処理して前記薄膜の強度を算出する演算手段とを設けることを特徴とする薄膜強度評価装置。
【請求項２】
前記演算手段は、引張り応力の印加に対する亀裂の発生の依存性に基づいて前記薄膜の破壊強度を演算する際に、前記残留内部応力の影響を除く補正を行なって前記薄膜の真の臨界応力を算出するものである請求項１に記載の薄膜強度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材上に形成される適宜厚みの薄膜に関する強度評価装置に係り、特に残留内部応力の影響を除外した薄膜の真の臨界応力を算出するに好適な薄膜強度評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の成膜技術の急速な進歩により、各産業界において高分子などからなる展延性の基材（フイルム）上に、セラミックスなどからなる脆性の薄膜を形成した複合材料が数多く使用されている。この種の複合材料に一般的に共通する問題点として薄膜が脆性のために使用時の変形に対して容易に破壊し易いことである。そのため、作成された複合材料の薄膜の破壊強度を正確に測定および評価することが前記複合材料の作成上不可欠となっている。この測定および評価方法は薄膜の厚みが広範囲に渡るため、すべてのものに適用されるものが必要である。
【０００３】
以上の要請に応じて従来より行なわれている薄膜強度評価方法としては、まず、バルク材料と同様に引張り試験によって強度評価するものが挙げられる。然し乍ら、この方法は基材から分離し得る比較的厚い薄膜に対して適用されるものである。薄膜の厚みが薄い場合には基材から薄膜を分離しないで引張り試験を行ない基材込みの強度を測定した後、基材のみの引張り強度を求めて前記測定値から基材のみの強度を差し引いて薄膜自体の強度を推定する方法がとられていた。然し乍ら、これでは測定精度が十分でない。
【０００４】
一方、基材から薄膜を分離しないでそのまま引張り試験を行ない、光学顕微鏡，電子顕微鏡，走査型プローブ顕微鏡等により薄膜の破壊自体をイメージ化し、その破壊パターンにより薄膜強度を推定する試みが行なわれていた。この方法は、例えば、「Ｐ．Ｈ．Ｗｏｊｃｉｅｃｈｏｗｓｋｉ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓ  Ｍｅｎｄｏｌｉａ：〃Ｆｒａｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ  ｉｎ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  Ａｄｈｅｒｉｎｇ  ｔｏ  Ｈｉｇｈ−Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ〃，ＰＨＹＳＩＣＳ  ＯＦ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ  Ｖｏｌ．１６（ＡＣＡＤＥＭＩＣ  ＰＲＥＳＳ，ＩＮＣ．，１９９２），ｐ．２７１」の文献に示されている。このものは所謂〃Ｓｈｅａｒ  ｌａｇ  ｍｏｄｅｌ〃を用いて説明されるものである。
【０００５】
即ち、図８に示すように、膜厚ｂの基材２上に形成された膜厚ｄの薄膜１にＦの引張力が作用すると、薄膜１内にσＸＸの引張り応力が発生すると共に基材２と薄膜１との間にτＩのせん断応力が作用する。薄膜１が既に幅Ｌに破断されてセグメント化されると仮定し、この状態で幅Ｌのセグメント化された薄膜１の中央に作用する応力σＦは前記τＩの幅方向の積分値で表わされ、そのσＦの値が薄膜の臨界応力σＦＣを越えたときに薄膜は更にＬ／２にセグメント化される。以下、同様のセグメント化が繰り返し行なわれる。以上のことを数式で表わすと（１）式のようになる。
σＦ＝σ（Ｌ，σＣ，ＥＦ，ＥＳ，ｄ，ｂ）・・・（１）
ここでσＣは引張り応力である。また、ＥＦ，ＥＳは薄膜１および基材２のヤング率である。以上の（１）式においてσＦの値が薄膜１の臨界応力σＦＣに達した場合（亀裂破壊が生じた時）のσＣを測定すると、臨界応力σＦＣは薄膜１においてＬ長にかかわらず一定のためσＦＣ＝σＦＩ＝σ（Ｌ，σＣ１，ＥＦ，ＥＳ，ｄ，ｂ）＝σＦ２＝σ（Ｌ／２，σＣ１，ＥＦ，ＥＳ，ｄ，ｂ）となり、実測データのＬ，σＣ１およびσＣ２に基づいて臨界応力σＦＣを算出することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
然し乍ら、前記のＳｈｅａｒ  ｌａｇ  ｍｏｄｅｌを用いた臨界応力の算出の場合には薄膜１に働く残留応力の影響が考慮されていない。基材２上に薄膜１を成膜する場合、基材の温度をあまり上げると基材２にダメージを与える。そのため、比較的低温状態で成膜が行なわれる。従って、薄膜１には残留内部応力が残る。以上のことから、薄膜強度を正確に評価するには残留内部応力のファクタを取り除いて真の臨界応力を求めることが要請される。
【０００７】
本発明は、以上の要請に鑑みて考えられたものであり、薄膜に残留内部応力が存在していても薄膜の破壊強度が測定でき、残留内部応力の影響を補正した真の臨界応力を正確に求め得る薄膜強度評価装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の目的を達成するために、基材に薄膜を形成した複合材料を対象とし、残留内部応力を含む前記複合材料の試験片に引張り応力を加えて歪み測定する引張り試験機と、引張り応力が加わった状態で前記薄膜に生じる亀裂を観測して画像化する顕微像観察手段と、前記試験片に含まれる残留内部応力を測定する計測手段と、前記引張り試験機から得られる引張り応力および歪みの測定データ，前記顕微像観察手段から得られる亀裂の形状データおよび前記計測手段から得られる残留内部応力の計測データを総合的に処理して前記薄膜の強度を算出する演算手段とを設けてなる薄膜強度評価装置を構成するものである。また、前記演算手段は、引張り応力の印加に対する亀裂の発生の依存性に基づいて前記薄膜の破壊強度を演算する際に、前記残留内部応力の影響を除く補正を行なって前記薄膜の真の臨界応力を算出する薄膜強度評価装置を特徴とするものである。
【０００９】
本発明は、図１に示すように基材２上に薄膜１を形成した複合材料３を引張り、引張り応力と歪みを測定する引張り試験機４と、引張り応力が加わった状態で薄膜１に生ずる亀裂を観測して画像化する顕微像観察手段５と、薄膜内の残留応力を測定する計測手段６および演算手段７等からなる。引張り試験機４からは引張り応力（σＣ）や歪みεのデータが演算手段７に入力され、顕微像観察手段５からは薄膜１の亀裂セグメントの幅Ｌや、クラック数等のデータが演算手段７に入力され、計測手段６からは試験片の反りδのデータが演算手段７に入力される。演算手段７は次の（２）式，（３）式，（４）式等により臨界応力σＦを演算する。
【００１０】
まず、薄膜１の破壊が観測される以前の引張り試験において応力σＣおよび歪εＣが測定される。応力σＣと薄膜１のヤング率ＥＦとの間には（２）式の関係式が成立する。
σＣ（ｂ＋ｄ）＝ＥＦ（εＳ−σＦＩ／ＥＦ）ｄ＋ＥＳεＳｂ・・・（２）
ここでεＳは基材２の歪みであり、σＦＩは薄膜１の残留内部応力である。
【００１１】
一方、残留内部応力σＳＩは（３）式により求められる。
σＦＩ＝ＥＳｂ２δ／３（１−νＳ）Ｋ２ｄ・・・（３）
ここでνＳは基材２のポアソン比を表わし、Ｋは反りδの測定における基材２の自由長を示す。反りδは図２に示した計測手段６により測定される。図２において試験片の複合材料３を定盤８上に密着するように一端側を固定し、他端を自由にすると成膜時に発生した残留内部応力に比例するカールが生じ、反りδは変位測定手段９により容易に測定される。以上により残留内部応力σＦＩが求められる。
【００１２】
（３）式によってσＦＩが求められると（２）式によりＥＦの値が求められる。一方、臨界応力σＦの値は本発明による次の一般関係式（４ａ）に基づき、Ｌ，σＣ，σＦＩ，ＥＦ等の測定データを代入することにより算出される。次式（４ａ）と従来の関係式（１）を比較すれば明らかなように、本発明では薄膜の臨界応力σＦを算出するため新規に補正因子として残留内部応力σＦＩが導入されている。
σＦ＝σ（Ｌ，σＣ，σＦＩ，ＥＳ，ＥＦ，ｄ，ｂ）・・・（４ａ）
具体的には後に説明するが、前記一般式（４ａ）を具体化した以下の（４）式によりσＦ（Ｌ／２）の臨界応力が求められる。
【００１３】
【数１】
0003562070.tif 000002
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る薄膜強度評価装置を図面を参照して詳述する。まず、図３により薄膜強度評価装置の具体的構成について説明する。まず、引張り試験機４を説明する。基材２上に薄膜１を形成した試験片の複合材料３はＸステージ１０上に載置され、ロードセル１１を介して引張り力を受ける。複合材料３に応じた引張り応力は電圧計１２を介して電圧データとして演算手段７の解析・制御用計算機７ａに入力される。また、複合材料の歪みはステージコントローラ１３を介し、その変位データとして解析・制御用計算機７ａに入力される。
【００１５】
一方、顕微像観察手段５は図示のようにＣＣＤカメラ１４，ＴＶモニタ１５，ビデオタイマー１６等からなり、コントローラ１７を介し薄膜１に生じたクラック数や幅Ｌのデータがクラック数カウント機構１８を介し、解析・制御用計算機７ａに入力される。なお、本例では薄膜１の破壊を観測，イメージ化するための手段として電子顕微鏡，走査プローブ顕微鏡等を用いてもよい。
【００１６】
計測手段６は本例では薄膜残留応力測定機構６ａからなり、図２に示したものが適用される。この薄膜残留応力測定機構６ａからは反りδ等の測定データが解析・制御用計算機７ａに入力される。
【００１７】
本例に使用される複合材料３の試験片としては、図４に示すように、１２［μｍ）の厚みのＰＥＴフイルムの基材２ａ上に６６００［Å］，２２００［Å］，１２００［Å］，７５０［Å］のＳＩＯＸ薄膜１ａを蒸着した４種類のものが適用された。複合材料３ａの４種の試験片について夫々図３の薄膜強度評価装置を用いて引張り試験を行なった。図５は１２００［Å］の試験片についてのクラック１９の発生状態を示すものである。即ち、この試験片の場合には引張り率０．７５［％］から引張り方向に対して垂直なクラック破壊が観察され、引張り率の増加に伴ってクラック数１９の本数も増加した。次に、ＰＥＴフイルム３ａのみについて引張り試験を行ない、ＥＳの値を求めた。また、前記したように、複合材料３ａの薄膜１ａが破壊されない以前については前記（２）式が成立し、これからＥＦを求めることができる。なお、その前に（３）式に従ってσＦＩを求めている。σＦＩやＥＦが求められると（４）式により臨界応力σＦを算出することができる。図７は以上のようにして前記の各厚みの薄膜１ａに対して求めたＥＦおよびσＦＩの計算結果であり、図６は（４）式によって求めたσＦ−σＣ線図である。
【００１８】
図６において厚み６６００［Å］の試験片については＋印で示すようにａ１の位置で最初のクラックが発生し、順次ａ２，ａ３・・・とクラックが発生していることが示されている。また、２２００［Å］の試験片については●印で示すようにｂ１で最初のクラックが生じ、順次ｂ２，ｂ３・・・とクラックが発生する。同様に１２００［Å］の試験片は▲印で示すように最初のクラックがｃ１で生じ、順次ｃ２，ｃ３・・・とクラックが発性し、７５０［Å］の試験片は■印で示すように最初のクラックがｄ１で生じ、順次ｄ２，ｄ３・・・とクラックが発生することが示されている。
【００１９】
図６に示すように、クラック発生時、薄膜セグメントの中心にかかっている応力は、セグメントの長さＬ（すなわちクラックの本数の逆数に比例）が変わっても理論から予測される通りほぼ一定な値、約２００〜３００Ｍｐａ程度でありこの値が膜の臨界応力であることがわかる。また、この値はＳＩＯＸ膜の厚みが変わっても理論通りほぼ同じ値であることもわかる。但し、全体応力が８０Ｍｐａ以上の領域では基材ＰＥＴフイルムは降伏領域であり、通常の弾性解析が使えないため、どの試料についても一定値から外れる傾向にある。以上の結果から、本発明によれば、薄膜１に残留内部応力が存在していても脆性薄膜／延性基材の構成からなる複合材料３の薄膜１の破壊強度を正確に推定することができる。
【００２０】
最後に（４）式の導出方法を説明する。薄膜１に働く引張り応力は基材２と薄膜１との境界に働くＳｈｅａｒ  Ｓｔｒｅｓｓの積分で表わされるが、その時、基材２にはクラックが入る以前に基材２に働いた応力に加え、薄膜１にクラックが入ったことにより、それまで薄膜１に働いていた力に対応した付加応力△σＳがかかる。この△σＳは残留内部応力を考えた場合は（５）式で表わされる。
ｄ（△σＳ）／ｄｘ＝Ｈ（△ＶＳ−△ＶＦ）・・・（５）
ここで△ＶＳ，△ＶＦは薄膜１にクラックが生じたことによる基材２と薄膜１における変位の付加分であり（６）式，（７）式で表わされる。
△ＶＳ＝ＶＳ−ＶＳｎｃ・・・（６）
△ＶＦ＝ＶＦ−ＶＦｎｃ・・・（７）
ここでＶＳｎｃ，ＶＦｎｃはクラックが入る前における基材２と薄膜１の変位である。
【００２１】
次に、（５）式を基にして薄膜１のセグメントの中心にかかる応力σＦ（Ｌ／２）を導出する。まず、（５）式を微分すると（８）式になる。
ｄ２（△σＳ）／ｄｘ２＝（ｄ（１ｎＨ）／ｄｘ）・ｄ（△σＳ）／ｄｘ＋Ｈ（ｄ△Ｖｓ／ｄｘ−ｄ△ＶＦ／ｄｘ）・・・（８）
（８）式の右辺２項目の括弧の中を計算するために（９）式乃至（１２）式の変数を導入する。
【００２２】
【数２】
0003562070.tif 000003
【００２３】
前式で△がついた量はクラックが生じたことによる付加分であり、ｎｃの添え字はクラックが無いとした時の値である。また、（９）式は前出の基材２内での応力の付加分の基材２内でのＺ方向（ｘ方向の垂直方向）についての平均値を表わす。以下、モデルを簡略化するため（５）式中の△σＳもこの平均値で置き換える。同様に（１１）式中の△εＳも基材２内での歪みの平均値を表わす。（９）式乃至（１２）式を用いて（８）式の右辺２項目を変形すると（１３）式，（１４）式になる。
【００２４】
【数３】
0003562070.tif 000004
【００２５】
Ｓｈｅａｒ  ｌａｇ  ｍｏｄｅｌから臨界応力σＦ（ｘ）は（１５）式になり、前記の（１４）式は（１６）式，（１７）式を用いて次の（１８）式のようになる。
【００２６】
【数４】
0003562070.tif 000005
【００２７】
（１３）式および（１８）式により（８）式の右辺２項目は（１９）式のようになり、次に示すφ，ε″値を（１９）式に代入し（２０）式が求められ、（８）式は（２１）式のようになる。
【００２８】
【数５】
0003562070.tif 000006
【００２９】
（２１）式の微分方程式を直接解くには有限要素法などの数値的なアプローチが必要なため、ここではＨのＸ依存性を無視して近似計算を行なう。これにより（２１）式は次の（２２）式となり、次の境界条件を入れると（２３）式のようになる。
【００３０】
【数６】
0003562070.tif 000007
【００３１】
次に（２３）式を（１７）式に代入すると（２４）式が求められる。
【００３２】
【数７】
0003562070.tif 000008
【００３３】
次に、Ｈの具体的な表式を求める。まず、基材２内で薄膜１との境界での値に等しい一定のＳｈｅａｒ  Ｓｔｒｅｓｓを仮定する。
ｄ（△ｗ）／ｄｚ＝τｘｙ／ＧＳ＝τＩ／ＧＳ・・・（２５）
基材２と薄膜１との境界近傍ではクラックが生じることによって加わる変位の付加分は△ｗ＝△ＶＦであるが、Ｚ＝−ｂ／２では次の（２６）式となり、引続き（２７）式（２８）式が求められる。
【００３４】
【数８】
0003562070.tif 000009
【００３５】
最後に（２８）式を（２４）式に代入することにより（４）式が求められσＦ（Ｌ／２）を求めることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜に残留内部応力が存在している場合についても脆性薄膜／延性基材の構成からなる複合材料の薄膜の強度を正確に推定することができる。これにより、薄膜の開発プロセスにおける材料解析や評価の高能率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜強度評価装置の基本構成図。
【図２】残留内部応力を求めるための計測手段により反りδを求める際の概要構成を示す模式図。
【図３】本発明に係る薄膜強度評価装置の具体例を示す構成図。
【図４】本発明に係る薄膜強度評価装置により強度評価される数種類の複合材料を示す拡大断面図。
【図５】本発明に係る薄膜強度評価装置における引張り試験によって薄膜に生じたクラックを示す平面図。
【図６】本発明に係る薄膜強度評価装置によって求めた引張り応力σＣと薄膜の臨界応力σＦとの関係を示す線図。
【図７】本発明に係る薄膜強度評価装置によって求めた各薄膜試料ごとのＥＦ（ヤング率）とσＦＩ（残留内部応力）との算出結果を示す表図。
【図８】Ｓｈｅｃｒ  ｌａｇ  ｍｏｄｅｌを示す線図。
【符号の説明】
１    薄膜
１ａ  薄膜
２    基材
３    複合材料
４    引張り試験機
５    顕微像観察手段
６    計測手段
６ａ  薄膜残留応力測定機構
７    演算手段
７ａ  解析・制御用計算機
８    定盤
９    変位測定手段
１０  Ｘステージ
１１  ロードセル
１２  電圧計
１３  ステージコントローラ
１４  ＣＣＤカメラ
１５  ＴＶモニタ
１６  ビデオタイマ
１７  コントローラ
１８  クラック数カウント機構
１９  クラック
【図１】
0003562070.tif 000010
【図２】
0003562070.tif 000011
【図３】
0003562070.tif 000012
【図４】
0003562070.tif 000013
【図５】
0003562070.tif 000014
【図６】
0003562070.tif 000015
【図７】
0003562070.tif 000016
【図８】
0003562070.tif 000017