(57)【要約】  二次元ナノインデンテーション計測装置であり、第１方向に沿い第１力を付与する第１アクチュエータと、第１方向に直交する第２方向に沿い第２力を付与する第２アクチュエータとを有する。第１長尺部材の第１端を第１アクチュエータに装着し、第２端には、標本表面に当接する圧子チップを装着する。第２長尺部材の第１端を第２アクチュエータに装着し、第２端を第１長尺部材の第２端に連結する。第１長尺部材は第１方向に沿いリジッド、第２方向に沿いコンプライアントであり、第２長尺部材は第２方向に沿いリジッド、第１方向に沿いコンプライアントである。第１力を、第１長尺部材を通じ第１方向に沿い圧子チップに付与し、第２力を、第２長尺部材を通じ第２方向に沿い圧子チップに付与する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材標本の表面に対するナノインデンテーション計測を行う二次元ナノインデンテーション計測装置であって、
リジッドフレームと、
前記リジッドフレームに装着されており、第１方向に沿い第１力を付与するよう動作させうる第１アクチュエータと、
第１方向に対し平行配置された第１長さ寸法及びその第１方向に直交する第３方向に対し平行配置された第１幅寸法を有する第１長尺部材であり、
第１アクチュエータに装着された第１端、並びに
その第１端から空間的に隔たる第２端、
を有する第１長尺部材と、
第１長尺部材の第２端に連結されており、前記素材標本の表面に当接するよう動作させうる圧子チップと、
前記リジッドフレームに装着されており、第１方向に直交する第２方向に沿い第２力を付与するよう動作させうる第２アクチュエータと、
第２方向に対し平行配置された第２長さ寸法及び第３方向に対し平行配置された第２幅寸法を有する第２長尺部材であり、
第２アクチュエータに装着された第１端、並びに
その第１端から空間的に隔て第１長尺部材の第２端に連結された第２端、
を有する第２長尺部材と、
を備え、
第１力が、第１長尺部材を通じ第１方向に沿い前記圧子チップに付与され、
第２力が、第２長尺部材を通じ第２方向に沿い前記圧子チップに付与される装置。
【請求項２】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１及び第２長尺部材のプロファイル形状が長方形、卵形、楕円形、三角形又は四辺形である二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１及び第２長尺部材の断面形状が長方形、卵形、楕円形、三角形又は四辺形である二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項４】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１及び第２長尺部材が中実構造又はトラス様構造である二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項５】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１長尺部材が第１及び第３方向に沿いリジッド、第２方向に沿いコンプライアントであり、第２長尺部材が第２及び第３方向に沿いリジッド、第１方向に沿いコンプライアントである二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１長さ寸法対第１幅寸法の比率が約４：１、第２長さ寸法対第２幅寸法の比率が約４：１である二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項７】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１長さ寸法が約２０ｍｍである二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項８】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１幅寸法が約５ｍｍである二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項９】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第２長さ寸法が約２０ｍｍである二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第２幅寸法が約５ｍｍである二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１及び第２長尺部材それぞれの厚みが約０．２ｍｍである二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１長尺部材が第１厚み寸法、第２長尺部材が第２厚み寸法を有し、第１長さ寸法対第１厚み寸法の比率が少なくとも約１００：１、第２長さ寸法対第２厚み寸法の比率が少なくとも約１００：１である二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の二次元ナノインデンテーション計測装置であって、第１及び第２長尺部材がシリカ、シリコーン及びインバー（商標）のうち一種類又は複数種類で形成された二次元ナノインデンテーション計測装置。
【請求項１４】
素材標本の表面における圧子チップの接触面積を、二次元ナノインデンテーション計測装置を用い判別する方法であって、
（ａ）前記素材標本の表面に対し垂直な第１方向に沿いその素材標本の表面の方に前記圧子チップを動かすことで、その圧子チップを前記接触面積に亘りその素材標本の表面に接触させるステップであり、第１長尺部材を通じ第１アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップであり、第１長尺部材が、第１アクチュエータに連結された第１端及び前記圧子チップに連結された第２端を有すると共に、第１方向に対し平行配置された第１長さ寸法及びその第１方向に直交する第３方向に対し平行配置された第１幅寸法を有するものであるステップと、
（ｂ）前記素材標本の表面に前記圧子チップを接触させつつ、その素材標本の表面に対し平行で第１方向に対し垂直な第２方向に沿いその圧子チップを振動させるステップであり、第２長尺部材を通じ第２アクチュエータから側方振動力を伝達させることでその圧子チップの振動を達成するステップであり、第２長尺部材が、第２アクチュエータに連結された第１端及び前記圧子チップに連結された第２端を有すると共に、第２方向に対し平行配置された第２長さ寸法及び第３方向に対し平行配置された第２幅寸法を有するものであるステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）を実行しつつ前記素材標本の側方スティフネスを計測するステップと、
（ｄ）前記圧子チップと前記素材標本の表面との接触面積を、ＳＬをその素材標本の側方スティフネスでありステップ（ｃ）にて計測されたもの、Ｇｅｆｆをその素材標本の既知な剪断剛性率、Ａをその圧子チップの接触面積とする
【数１】
2021511509.tif 000005
に依拠し計算するステップと、
を有する方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、第１長尺部材が第１及び第３方向に沿いリジッド、第２方向に沿いコンプライアントであり、第２長尺部材が第２及び第３方向に沿いリジッド、第１方向に沿いコンプライアントである方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、第１長さ寸法対第１幅寸法の比率が約４：１、第２長さ寸法対第２幅寸法の比率が約４：１である方法。
【請求項１７】
薄膜素材標本の特性を、二次元ナノインデンテーション計測装置を用い計測する方法であって、
（ａ）前記薄膜素材標本の表面に対し垂直な第１方向に沿いその薄膜素材標本の表面の方に前記二次元ナノインデンテーション計測装置の圧子チップを動かすことで、その圧子チップをその薄膜素材標本の表面に接触させるステップであり、第１長尺部材を通じ第１アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップであり、第１長尺部材が、第１アクチュエータに連結された第１端及び前記圧子チップに連結された第２端を有すると共に、第１方向に対し平行配置された第１長さ寸法及びその第１方向に直交する第３方向に対し平行配置された第１幅寸法を有するものであるステップと、
（ｂ）前記薄膜素材標本の表面に前記圧子チップを接触させつつ、その薄膜素材標本の表面に対し平行で第１方向に対し垂直な第２方向に沿いその圧子チップを動かすステップであり、第２長尺部材を通じ第２アクチュエータから側方力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップであり、第２長尺部材が、第２アクチュエータに連結された第１端及び前記圧子チップに連結された第２端を有すると共に、第２方向に対し平行配置された第２長さ寸法及び第３方向に対し平行配置された第２幅寸法を有するものであるステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）を実行しつつ前記薄膜素材標本の一通り又は複数通りの特性を計測するステップと、
を有する方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、ステップ（ｃ）にて、基板上における前記薄膜素材標本の強さを計測する方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、第１長尺部材が第１及び第３方向に沿いリジッド、第２方向に沿いコンプライアントであり、第２長尺部材が第２及び第３方向に沿いリジッド、第１方向に沿いコンプライアントである方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の方法であって、第１長さ寸法対第１幅寸法の比率が約４：１、第２長さ寸法対第２幅寸法の比率が約４：１である方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノインデンテーション（極微圧入）計測の分野に関する。より具体的には、本発明は、素材標本に対する垂直力及び側方力の印加により素材の機械特性を計測するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願）
本願は、「二次元ナノインデンテーション装置及び方法」(Apparatus and Method for Two Dimensional Nanoindentation)と題する２０１８年１月１９日付米国仮特許出願第６２／６１９４８６号に基づき優先権を主張するものであるので、参照によりその全容を本願に繰り入れるものとする。
【０００３】
ナノインデンテーションプローブ・薄膜素材間接触計測によりその素材の表面特性、例えばスティフネス、降伏強さ、クリープ抵抗、応力緩和、係数、破壊靭性及び疲労に関する有意な情報を提供することができる。
【０００４】
幾つかの既知なナノインデンテーション計測システム、例えば特許文献１に記載のそれによれば、インデンテーションプローブ・標本素材間機械接合部の弾性応答を連続計測することができる。この種のシステムでは、そのプローブに直接的な力を印加しそれを強めることでその接合部への負荷を増やすのと同時に、比較的小振幅な振動力を印加することでその接合部への負荷を交番的に増減させる。その振動力が印加されたことに起因するプローブの変位の振幅及び位相を連続計測することで、その接合部のスティフネスについて継続的な指示値が提供される。
【０００５】
幾つかの計測システム、例えば特許文献２に記載のそれによれば、多次元表面力学計測を行うことができる。この種のシステムでは、複数個の長尺部材が互いに直交配列され且つカプラにより一体結合され、更にそのカプラにインデンテーションプローブが連結される。それら長尺部材に印加される力により、その表面に対し垂直な方向に沿ったプローブの動きや、その表面に対し平行な一通り又は複数通りの方向に沿ったそれが引き起こされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４８４８１４１号明細書
【特許文献２】米国特許第６６４０４５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの既知システムを二次元計測向けに構築及び校正するのは容易でない。特許文献２に記載のシステムでは、（直交する方向それぞれに沿い１個ずつ）３個の要素が必要であり、同システムを動作可能とするにはそれらを適正に整列させねばならない。それら３個の要素のうち１個を用いれば運動軸のうち１本を単純に不動化する（それにより二次元システムを作成する）ことができるとはいえ、他の二軸を適正に動作させるには３個目の要素を設け整列させねばならない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従来技術の制限事項を克服するため、本願記載の諸実施形態では、二次元計測を行うのに長尺要素が２本しか要らないようにしている。三要素システムと比べ、本願記載の二要素システムは高性能及び低コストで以て構築でき、その静特性及び動特性を大変容易に定量すること、ひいてはより正確にモデル化することができる。それら二要素の幾何は、直交する二方向に沿いそれらがリジッド（堅固）となり直交する第３の方向に沿いコンプライアント（柔順）となるよう、選択される。幾つかの好適実施形態では、それら要素が、自部材平面内の二方向に沿いリジッドで第３方向沿い折り曲げに対しコンプライアントな、薄手の長尺部材とされる。
【０００９】
本願記載の好適諸実施形態では、素材標本の表面に対するナノインデンテーション計測を行う二次元ナノインデンテーション計測装置が提供される。本装置は、リジッドフレームに装着された第１及び第２アクチュエータであり、第１方向に沿い第１力を付与するよう動作させうる第１アクチュエータと、その第１方向に直交する第２方向に沿い第２力を付与するよう動作させうる第２アクチュエータと、を有する。第１アクチュエータには、第１方向に対し平行配置された第１長さ寸法と、その第１方向に直交する第３方向に対し平行配置された第１幅寸法と、を有する第１長尺部材を装着する。第１長尺部材は、第１アクチュエータに装着された第１端と、その第１端から空間的に隔たる第２端と、を有する。第１長尺部材の第２端には圧子チップを連結する。その圧子チップを、素材標本の表面に当接するよう動作させることができる。第２長尺部材は、第２方向に対し平行配置された第２長さ寸法と、第３方向に対し平行配置された第２幅寸法と、を有する。第２長尺部材は、第２アクチュエータに装着された第１端と、その第１端から空間的に隔て第１長尺部材の第２端に連結された第２端と、を有する。第１力は、第１長尺部材を通じ第１方向に沿い圧子チップに付与され、第２力は、第２長尺部材を通じ第２方向に沿い圧子チップに付与される。
【００１０】
幾つかの実施形態では、第１及び第２長尺部材のプロファイル形状が長方形、卵形、楕円形、三角形又は四辺形とされる。
【００１１】
幾つかの実施形態では、第１及び第２長尺部材の断面形状が長方形、卵形、楕円形、三角形又は四辺形とされる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、第１及び第２長尺部材が中実構造又はトラス様構造とされる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、第１長尺部材が第１及び第３方向に沿いリジッド、第２方向に沿いコンプライアントなものとされ、第２長尺部材が第２及び第３方向に沿いリジッド、第１方向に沿いコンプライアントなものとされる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、第１長さ寸法対第１幅寸法の比率が約４：１、第２長さ寸法対第２幅寸法の比率が約４：１とされる。
【００１５】
幾つかの実施形態では、第１及び第２長さ寸法が約２０ｍｍ、第１及び第２幅寸法が約５ｍｍとされる。
【００１６】
幾つかの実施形態では、第１及び第２長尺部材それぞれの厚みが約０．２ｍｍとされる。
【００１７】
幾つかの実施形態では、第１及び第２長尺部材の長さ対厚み比が少なくとも約１００：１とされる。
【００１８】
幾つかの実施形態では、第１及び第２長尺部材がシリカ、シリコーン及びインバー（不変鋼；商標）で形成される。
【００１９】
他態様に係り、素材標本の表面における圧子チップの接触面積を、前記二次元ナノインデンテーション計測装置を用い判別する方法が、本願に記載される。ある好適実施形態に係る方法は、
（ａ）素材標本の表面に対し垂直な第１方向に沿いその素材標本の表面の方に圧子チップを動かすことで、その圧子チップを前記接触面積に亘りその素材標本の表面に接触させるステップであり、第１長尺部材を通じ第１アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップと、
（ｂ）素材標本の表面に圧子チップを接触させつつ、その素材標本の表面に対し平行で第１方向に対し垂直な第２方向に沿いその圧子チップを振動させるステップであり、第２長尺部材を通じ第２アクチュエータから側方振動力を伝達させることでその圧子チップの振動を達成するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）を実行しつつ素材標本の側方スティフネスを計測するステップと、
（ｄ）圧子チップと素材標本の表面との接触面積を、ＳＬをその素材標本の側方スティフネスでありステップ（ｃ）にて計測されたもの、Ｇｅｆｆをその素材標本の既知な剪断剛性率、Ａをその圧子チップの接触面積とする
【数１】
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に依拠し計算するステップと、
を有する。
【００２０】
他態様に係り、薄膜素材標本の特性を、前記二次元ナノインデンテーション計測装置を用い計測する方法が、本願に記載される。ある好適実施形態に係る方法は、
（ａ）薄膜素材標本の表面に対し垂直な第１方向に沿いその薄膜素材標本の表面の方に二次元ナノインデンテーション計測装置の圧子チップを動かすことで、その圧子チップをその薄膜素材標本の表面に接触させるステップであり、第１長尺部材を通じ第１アクチュエータから垂直力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップと、
（ｂ）薄膜素材標本の表面に圧子チップを接触させつつ、その薄膜素材標本の表面に対し平行で第１方向に対し垂直な第２方向に沿いその圧子チップを動かすステップであり、第２長尺部材を通じ第２アクチュエータから側方力を伝達させることでその圧子チップの動きを達成するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）を実行しつつ薄膜素材標本の一通り又は複数通りの特性を計測するステップと、
を有する。
【００２１】
本発明の他の諸実施形態は、詳細記述と併せ以下の図面を参照することで明らかとなろう；図中、その細部をより明瞭に示すため諸要素が忠実縮尺で示されておらず、また幾つかの図面を通じ同様の参照符号で同様の部材が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】素材標本に対する一次元ナノインデンテーション計測を行う従来型ナノインデンテーション装置を示す図である。
【図２】図１に示したナノインデンテーション装置の力学的要素の模式的描写を示す図である。
【図３】動的スティフネス計測時の負荷力対時間グラフを示す図である。
【図４】図１に示した一次元計測システムに関し、励振負荷力の振動周波数と動的コンプライアンスとの間の関係を示す図である。
【図５】素材標本に対する二次元ナノインデンテーション計測を行うナノインデンテーション装置を示す図である。
【図６】素材標本に対する二次元ナノインデンテーション計測を行うナノインデンテーション装置を示す図である。
【図７】図５及び図６に示した二次元ナノインデンテーション装置に備わる長尺部材の好適寸法を示す図である。
【図８Ａ】図５及び図６に示した二次元ナノインデンテーション装置の単純梁モデルを示す図である。
【図８Ｂ】図５及び図６に示した二次元ナノインデンテーション装置の単純梁モデルを、あるバイブレーションモードに関し示す図である。
【図８Ｃ】図５及び図６に示した二次元ナノインデンテーション装置の単純梁モデルを、別のバイブレーションモードに関し示す図である。
【図９】図８Ａの単純梁モデルであり一軸固定されたものに関し、実験によるコンプライアンスデータとモデルによるコンプライアンスデータとを比較する図である。
【図１０】図８Ａの単純梁モデルであり軸が固定されていないものに関し、実験によるコンプライアンスデータとモデルによるコンプライアンスデータとを比較する図である。
【図１１Ａ】側方運動抜きでプローブチップが標本表面と接触する際の標本内最大剪断応力深度を示す図である。
【図１１Ｂ】側方運動込みでプローブチップが標本表面と接触する際の標本内最大剪断応力深度の違いを示す図である。
【図１２】圧子チップにより標本の表面に作り出された窪みの接触面積を示す図である。
【図１３】二次元ナノインデンテーション計測装置と通信する計測コンピュータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１に、素材標本に対する一次元ナノインデンテーション計測を行う標準的なナノインデンテーション装置を示す。本装置は、標本に対し垂直な方向に沿い圧子チップを動かす電磁アクチュエータを有している。そのアクチュエータは、コンピュータ制御可変電流源からの電流により駆動されるコイル／磁石アセンブリを有している。そのコイル／磁石アセンブリにより、標本の表面に対し垂直な方向に沿い圧子カラムの一次元運動が引き起こされる。圧子カラムは、標本の表面に対し垂直でない方向全てに沿いその運動を制約する一対の板ばねにより、支持されている。垂直方向に沿った圧子カラムの下方運動により、圧子チップを標本の表面に当接させる。圧子カラムの運動は静電容量型変位ゲージにより計測される。図２に、図１に示したナノインデンテーション装置の力学的要素の模式的描写を示す。
【００２４】
図３中のグラフに示す如く、標本の動的スティフネス計測を果たすには、圧子チップをその標本の表面に当接させ、垂直負荷力を徐々に強め（ローディング）、そしてその垂直負荷力を徐々に弱めればよい（アンローディング）。同時に、比較的小さな振動励振力を印加することで、そのチップが標本に当接する接合部を交番的にローディング及びアンローディングすればよい。その励振力の振動周波数は０．５Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲内とすればよい。この計測技術を用いたスティフネスの計算が特許文献１に記載されているので、参照によりその全容を本願に繰り入れることにする。
【００２５】
図４に、図１に示した一次元計測システムに関し、その励振力の振動周波数と、動的コンプライアンス（ｈ０／Ｆ０）との間の関係の一例を示す。実線は減衰（ダンピング）調和振動モデルであり、円は計測された動的コンプライアンス値を表している。
【００２６】
二次元ナノインデンテーション計測装置１０の好適実施形態を図５及び図６に示す。本装置は、リジッドフレーム１１に装着されており相直交する向きを有する２個のアクチュエータ１２ａ及び１２ｂを有しており、そのアクチュエータそれぞれが図１に示したそれ等の諸部材を備えている。アクチュエータ１２ａは長尺部材１４ａの近位端に連結されている。その長尺部材１４ａの遠位端には圧子チップ１６が装着されている。アクチュエータ１２ｂは長尺部材１４ｂの近位端に連結されており、その長尺部材１４ｂの遠位端が圧子チップ１６に連結されている。
【００２７】
幾つかの実施形態では、長尺部材１４ｂの遠位端が、圧子チップ１６への直接装着により圧子チップ１６に連結される。他の諸実施形態では、長尺部材１４ｂの遠位端が、圧子チップ１６が装着される長尺部材１４ａの遠位端への装着を通じ間接的に、圧子チップ１６に連結される。このように、本発明の諸実施形態が、長尺部材１４ａ及び１４ｂの遠位端に圧子チップ１６を装着するための具体的構造如何に限定されないことを、お察し頂けよう。
【００２８】
好適諸実施形態では、アクチュエータ１２ａが長尺部材１４ａを通じ圧子チップ１６に垂直力を印加し、アクチュエータ１２ｂが長尺部材１４ｂを通じ圧子チップ１６に側方力を印加する。その垂直力印加により、圧子チップ１６が、標本保持ステージ２０に装着されている標本１８の表面に接触する。好適諸実施形態では、その標本保持ステージ２０に備わる１個又は複数個のアクチュエータにより、標本１８が圧子チップ１６に対し側方に動かされる。
【００２９】
本願中の用語「垂直力」はｙ方向に沿い印加される力のことであり、図６中に矢印２２ａで示す如く標本１８の表面に対し垂直である。「側方力」はｘ方向に沿い印加される力のことであり、矢印２２ｂで示す如く標本１８の表面に対し平行である。幾つかの実施形態では側方力がｚ方向沿いでもよい。
【００３０】
図５〜図７に示した実施形態での長尺部材１４ａ及び１４ｂは長方形プレートであったが、部材１４ａ及び１４ｂはどのような長尺形状でもよく、例えば卵形、楕円形、三角形又は四辺形とすることができる。また、部材１４ａ及び１４ｂの断面は長方形、三角形、四辺形、卵形、楕円形その他の形状とすればよい。更に、部材１４ａ及び１４ｂは中実構造又はトラス様構造とすることができる。一般に、長尺部材１４ａ及び１４ｂの全体形状は、長尺部材１４ａがｙ方向及びｚ方向に沿いリジッド、ｘ方向に沿いコンプライアントとなり、且つ長尺部材１４ｂがｘ方向及びｚ方向に沿いリジッド、ｙ方向に沿いコンプライアントとなるよう選択する。
【００３１】
ある好適実施形態では長尺部材１４ａ及び１４ｂがシリカで形成されるが、他の諸実施形態では他の諸素材、例えばシリコーン及びインバー（商標）が用いられることもあろう。それら部材に用いられる素材として好ましいのは、（１）諸力に対するその応答が弾性的であり撓んでいるときのエネルギ損失が小さく、（２）低質量であり、且つ（３）温度変化に関連した形状変化が小さいものである。
【００３２】
図７に示すように、ある例示的実施形態に係る長尺部材１４ａ及び１４ｂの好適寸法は、約２０ｍｍの長さ（Ｌ）、約５ｍｍの幅（Ｗ）及び約０．２ｍｍの厚み（Ｔ）となる。ある好適実施形態では、その長さ対幅比（Ｌ／Ｗ）が約４対１とされる。長さ対厚み比（Ｌ／Ｔ）は、少なくとも１００対１とするのが望ましい。これら好適比率であれば長尺部材１４ａがｙ方向及びｚ方向に沿いリジッド、ｘ方向に沿いコンプライアントとなる。同様にして、長尺部材１４ｂがｘ方向及びｚ方向に沿いリジッド、ｙ方向に沿いコンプライアントとなる。これらの好適比率は、諸寸法全ての最小化と相俟ち、動的計測に必要な低質量をもたらすものである。その目的に関わる何れの梁の特性も、梁の曲げについての何らかの標準的試験を用い、容易に計算することができる。
【００３３】
図８Ａに示すように、二次元ナノインデンテーション装置１０の単純梁モデルを用いることで、アクチュエータ１２ａ及び１２ｂにより垂直力及び側方力が印加された際の同装置の諸部材での振れを、可視化することができる。図８Ｂ及び図８Ｃに示したのは本装置１０の構造にて生じる変形であり、これら二通りの変形幾何を用いることで、１４０Ｈｚ及び２１１Ｈｚなる二通りの共鳴周波数を予測することができる。それら共鳴周波数により、図１０に示すコンプライアンス曲線にピークが生じている。二軸のうち一軸を不動化すると、図９に示すように本システムは一次元システムへと立ち戻る。
【００３４】
［側方スティフネスに基づく膜特性の判別］
図５及び図６に示した二次元ナノインデンテーション装置１０によりもたらされる長所の一つは、薄膜の表面特性計測における正確度向上である。図１１Ａに示すように、圧子チップによる素材標本への垂直力の印加を、そのチップの側方運動抜きで行うと、その標本における最大剪断応力が、その標本の表面下、かなりの深度で発生する。最大剪断応力深度は、一般に、その圧子チップの表面のうち、標本表面と接触するところの半径に比例する。他方、図１１Ｂに示すように、それと同じ圧子プローブチップによる同じ素材標本への同じ垂直力の印加を、そのチップの側方運動付で行うと、その標本における最大剪断応力が、その標本の表面にかなり近いところで発生する。表面付近における標本の特性、例えば基板上にある膜の強さが興味対象である場合、最大剪断応力がその表面により近いところにあるから、その結果には、その基板のそれを超えてその膜の特性が反映されよう。
【００３５】
［側方スティフネスに基づくプローブ接触面積の計算］
二次元ナノインデンテーション装置１０によりもたらされるもう一つの長所は、圧子チップ１６により標本１８の表面に作り出された窪みの接触面積を計算できることである。図１２に描かれている好適方法によれば、その表面における標本素材の側方スティフネスに基づきチップ接触面積（Ａ）を決定することができる。その側方スティフネスは、長尺部材１４ｂを通じアクチュエータ１２ｂにより供給される振動側方力によって、矢印２２ｂで示される方向に沿い側方に圧子チップを振動させながら、計測される。接触力学由来の基礎等式が明言するところによれば、接触部の垂直スティフネスは、その接触部を構築している素材の実効弾性率と、その接触部の接触面積の平方根とに比例する。この等式は、ナノインデンテーション学にてルーチン的に用いられている。同様の関係が、側方スティフネス、その素材の剪断剛性率、並びにその接触面積の平方根の間に存しており、それを
【数２】
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と表すことができる。式中、ＳＬはその素材の側方スティフネス、Ｇｅｆｆはその素材の既知な剪断剛性率、Ａはプローブチップ接触面積である。その素材の剪断剛性率が分かっていれば、この等式を用い、プローブチップ・素材標本間に存する接触エリアを特定することができる。ある好適実施形態では、上掲の等式に依拠する接触面積Ａの計算が、図１３に示す如く計測装置１０と通信する計測コンピュータ２４上で実行されるソフトウェアにより、実行される。
【００３６】
図５及び図６に示した計測装置の他の用途としては、
・標本の表面に接する方向に沿った力・変位間位相差の計測、
・標本の表面に接する方向に沿った散逸過程によるエネルギ損失の計測、
・ポアソン比の計測、
・静止摩擦係数及び動摩擦係数の計測、例えば結晶性シリカでのそれ、
・ナノフレッティング実験、
・高度に制御されたスクラッチ試験及び摩擦ループ実験、
・薄膜の拘束側方変形の計測、並びに
・２本の直交する計測軸に沿った同時的なプローブの同期又は非同期運動による、それら二軸での別々の計測目標の同時達成、
がある。
【００３７】
本発明の好適諸実施形態についての上掲の記述は、例証及び記述を目的として提示されたものである。それらは、開示されているものと寸分たがわない形態以外を排除し又はその形態に本発明を限定することを、意図してはいない。上掲の教示に照らし自明な修正や変形を施すことができる。諸実施形態は、本発明の諸原理及びその実際的用途についての最良の描像を提供し、それにより本件技術分野に習熟した者（いわゆる当業者）が様々な実施形態にて且つ特定の想定用途に適した様々な修正込みで本発明を利用できるようにすることをもくろんで、選択され記述されている。そうした修正及び変形は全て本発明の技術的範囲内にある。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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