(57)【要約】【課題】試料表面に形成された圧子による圧痕に、カンチレバーを位置合わせする困難な作業を不要とし、圧痕を原子間力顕微鏡により容易に観察することのできるＡＦＭ機能付き超微小硬度計を提供する。【解決手段】負荷ステージ２に、圧子３とカンチレバー４を同時に取り付け可能とするとともに、負荷ステージ２に対する圧子３とカンチレバー４の取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づき、試料ステージ１に対して圧子３およびカンチレバー４を互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を設けることにより、圧子３による圧痕上に自動的にカンチレバー４を移動させることを可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定試料の表面に圧子を微小荷重のもとに押圧して押し込み、その押し込み量の計測結果から被測定試料の硬度を求める超微小硬度計に、被測定試料の表面をカンチレバーで走査し、その試料表面の３次元形状を観察する原子間力顕微鏡としての機能を持たせてなるＡＦＭ機能付き超微小硬度計であって、
上記試料ステージに、原子間力顕微鏡のカンチレバーの走査を可能とすべく互いに直交する３軸方向に微動させる微動機構が設けられている一方、
互いに直交する３軸方向への移動機構を備え、かつ、上記圧子とその負荷用ピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージが、当該圧子および負荷用ピエゾアクチュエータと上記カンチレバーとを同時に取り付けることが可能に構成されているとともに、
その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づいて、上記試料ステージに対して圧子およびカンチレバーを互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を備えていることを特徴とするＡＦＭ機能付き超微小硬度計。
【請求項２】
上記位置決め手段が、試料ステージに穿たれた透孔を介して上記負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光をレーザ光の照射方向に直交する平面上で複数箇所において検出する複数の光センサと、その各光センサの出力から圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判定する判定手段と、その圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置していると判定された時点における上記負荷ステージの移動機構による座標を記憶する記憶手段と、その記憶手段の内容にしたがって上記負荷ステージの移動機構を駆動する制御手段によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＡＦＭ機能付き超微小硬度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の微小領域の硬さを測定するための超微小硬度計に、材料の表面を観察するための原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の機能を持たせた、ＡＦＭ機能付き超微小硬度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば基板上の薄膜の硬さなど、微小な領域における材料の硬さを測定するための硬度計として、超微小硬度計と称される硬度計が知られている。この超微小硬度計は、被測定材料の表面に三角錐状に研磨されたダイアモンドからなる微小な圧子を０．２ｇ程度以下の微小な押圧力のもとに押し込み、圧子の変位を検出してその押し込み量を求め、その押し込み量から被測定材料の硬さを求める。また、この種の硬度計においては、圧子により押圧された試料表面を観察する機能を有したものが多く、その観察には通常は光学顕微鏡が用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、近年、このような超微小硬度計に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の機能を持たせて、試料表面をより高倍率で観察できるようにしたものも実用化されている。このようなＡＦＭ機能付きの超微小硬度計においては、従来、本格的なＡＦＭ像を得るためには、試料表面を押圧するための圧子およびその取り付け部材などの周辺部材の全体を、カンチレバーおよびその取り付け部材などと交換する必要がある。
【０００４】
【特許文献１】
特公平６−２５７２１号公報（第１−２頁，図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧子およびその周辺部材ごとカンチレバーおよびその周辺部材と交換することによりＡＦＭとしての機能を発揮させる従来のＡＦＭ機能付き超微小硬度計では、圧子による圧痕位置にカンチレバーを持ってくるにはサブミクロンオーダーの位置決めが必要である関係上、その位置合わせのための作業が困難で面倒であるという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、試料表面に形成された圧子による圧痕にカンチレバーを位置合わせする困難な作業を不要とし、利便性に富んだＡＦＭ機能付き超微小硬度計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のＡＦＭ機能付き超微小硬度計は、被測定試料の表面に圧子を微小荷重のもとに押圧して押し込み、その押し込み量の計測結果から被測定試料の硬度を求める超微小硬度計に、被測定試料の表面をカンチレバーで走査し、その試料表面の３次元形状を観察する原子間力顕微鏡としての機能を持たせてなるＡＦＭ機能付き超微小硬度計であって、上記試料ステージに、原子間力顕微鏡のカンチレバーの走査を可能とすべく互いに直交する３軸方向に微動させる微動機構が設けられている一方、互いに直交する３軸方向への移動機構を備え、かつ、上記圧子とその負荷用ピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージが、当該圧子および負荷用ピエゾアクチュエータと上記カンチレバーとを同時に取り付けることが可能に構成されているとともに、その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を計測し、その計測結果に基づいて、上記試料ステージに対して圧子およびカンチレバーを互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。
【０００８】
ここで、本発明においては、上記位置決め手段の具体的構成としは、試料ステージに穿たれた透孔を介して上記負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光をレーザ光の照射方向に直交する平面上で複数箇所において検出する複数の光センサと、その各光センサの出力から圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判定する判定手段と、その圧子またはカンチレバーがレーザ光の光軸上に位置していると判定された時点における上記負荷ステージの移動機構による座標を記憶する記憶手段と、その記憶手段の内容にしたがって上記負荷ステージの移動機構を駆動する制御手段を備えた構成（請求項２）を採用することができる。
【０００９】
本発明は、圧子とカンチレバーとを交換するのではなく、圧子とその負荷用のピエゾアクチュエータが取り付けられる負荷ステージに、カンチレバーをも同時に取り付けられるように構成し、その圧子とカンチレバーとを試料ステージに対して同じ位置に位置決めする位置決め手段を設けることによって、所期の目的を達成しようとするものてある。
【００１０】
すなわち、本発明において、互いに直交する３軸方向への移動機構を備えた負荷ステージを、圧子とその負荷用のピエゾアクチュエータと併せてカンチレバーをも同時に取り付け可能に構成し、この負荷ステージにこれら両者を取り付けた状態において、圧子とカンチレバーとの取り付け位置の差を計測して、その計測結果に基づいて、これら圧子およびカンチレバーを試料ステージに対して互いに同じ位置に位置決めする位置決め手段を設ける。これにより、被測定試料を試料ステージ上に搭載してその表面に圧子を押し込んで硬度を測定した後、自動的にその圧痕の位置にカンチレバーを移動させることが可能となる。
【００１１】
圧子とカンチレバーを同じ位置に位置決めするための具体的構成は、特に限定されるものではないが、請求項２に係る発明の構成を好適に採用することができる。すなわち、試料ステージ側から負荷ステージ側に向けてレーザ光を照射する照射光学系を設け、そのレーザ光の圧子またはカンチレバーの先端による反射光を、レーザ光の光軸に直交する平面上の複数の位置に置かれた複数の光センサで検出することにより、圧子またはカンチレバーレバーがレーザ光の光軸上に位置しているか否かを判別することができる。従って、被測定試料を試料ステージに搭載する前に、圧子をレーザ光の光軸上に位置させ、その状態における負荷ステージの移動機構による座標を記憶しておく。同様に、カンチレバーについても、レーザ光の光軸上に位置させ、その状態における負荷ステージの移動機構による座標記憶しておく。これにより、圧子とカンチレバーの負荷ステージに対する相対的な取り付け位置の正確な差を記憶したことになり、圧子による試料表面の押圧後、記憶内容に従って負荷ステージを移動させることにより、圧子による圧痕上に正確にカンチレバーを位置させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、要部の機械的構成を表す模式的正面図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図であり、図２は図１における機械的構成部分の模式的左側面図である。
【００１３】
試料ステージ１は、ピエゾ素子をアクチュエータとして互いに直交するｘ，ｙおよびｚ軸方向に微動する微動機構１１と一体に形成されており、この試料ステージ１および微動機構１１は、粗動機構１２の駆動によりｘ，ｙ，ｚ軸方向に粗動する。
【００１４】
負荷ステージ２は、パルスモータ等を駆動源とする移動機構２１の駆動によってｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動する。この負荷ステージ２には、持ち出し部材２２が試料ステージ１の上方に向けて伸びており、この持ち出し部材２２の先端下方に、負荷用ピエゾアクチュエータ３１を介して圧子保持部材３２が取り付けられ、この圧子保持部材３２の下面に圧子３が固着されている。負荷用ピエゾアクチュエータ３１を駆動することにより、圧子３がｚ軸方向に変位し、試料ステージ２上の被測定試料（図示せず）の表面に押し込まれる。また、この持ち出し部材２２の下面には、負荷用ピエゾアクチュエータ３１に隣接して取り付けられた支持部材４１を介してカンチレバー４が装着されている。このカンチレバー４の先端にＡＦＭ機能のための先の尖った探針が取り付けられている。
【００１５】
負荷ステージ２の持ち出し部材２２の上方には、圧子保持部材３２の上面またはカンチレバー４の上面にレーザ光を照射して得られる反射光を取り込み、その照射対象物の微小変位を計測するレーザ変位計５が設けられている。このレーザ変位計５は、光臨界角センサ、あるいはレーザ光の干渉を利用したものが用いられ、その出力はアンプ５ａによって増幅された後、ＣＰＵを主体とする制御装置６に取り込まれる。
【００１６】
この制御装置６は、前記した試料ステージ１の微動機構１１、粗動機構１２、負荷ステージの移動機構２１、および負荷用ピエゾアクチュエータ３１に対する駆動制御信号についても、それぞれに対応するドライバ（図示せず）を介して供給する。そして、この制御装置６はデータ処理や画像処理等を行うパーソナルコンピュータ７に接続されており、このパーソナルコンピュータ７との間でデータを授受しつつ、試料ステージ１上の被測定試料の表面に圧子３を押し込んで、レーザ変位計５による圧子３の変位計測結果からその押し込み量を求めて、被測定試料の硬度を求める超微小硬度計としての動作と、圧子３の押し込みにより生じた圧痕の近傍をカンチレバー４で走査するよう、試料ステージ１の微動機構１１をｘ，ｙ軸方向に微動させつつ、レーザ変位計５によるカンチレバー４のｚ軸方向への変位計測結果に応じて微動機構１１をｚ軸方向に微動させ、そのｘ，ｙおよびｚ軸方向への刻々の微動量から、試料表面のＡＦＭ像を表示器７ａに表示する原子間力顕微鏡としての動作とを選択的に実行することができるようにプログラムされている。
【００１７】
さて、前記した試料ステージ１とその微動機構１１の内部には、図３にその模式的縦断面図を示すように、半導体レーザなどのレーザ光源８が配置されており、このレーザ光源８は鉛直上方に向けてレーザ光を照射し、そのレーザ光は、試料ステージ１とその微動機構１１の中央部に形成された貫通孔１３を介して負荷ステージ２の持ち出し部材２２の下面に向かうように構成されている。また、試料ステージ１の周囲には、貫通孔１３を中心として複数個の光センサ９が配置されている。この各光センサ８の出力は、それぞれに対応するアンプ９ａ（図１において１個のみ図示）を介して制御装置６に取り込まれる。
【００１８】
以上の本発明の実施の形態は、以下に示す手順並びに動作により、被測定試料の表面に圧子３を押し付けた位置に、カンチレバー４の探針部を自動的に位置決めすることができる。
【００１９】
すなわち、試料ステージ１に被測定試料を載せる前に、負荷ステージ２の移動機構２１を駆動して圧子３を試料ステージ１の略中央にまで移動させる。このとき、図４に示すように、レーザ光源８からのレーザ光が貫通孔１３を介して圧子３に照射され、その散乱・反射光の一部が周囲の複数の光センサ９に入射する。圧子３の中心がレーザ光の光軸上に位置していない状態では、各光センサ９への入射光量にはアンバランスが生じており、圧子３の中心が光軸上に位置している状態では各光センサ９への入射光量がバランス状態となる。制御装置６では、各光センサ９への入射光量がよりバランスをとれた状態となるように、自動的に負荷ステージ２の移動機構２１を駆動制御する。そして、各光センサ９への入射光量のバランスがとれた時点で、そのときの移動機構２１の座標を記憶する。なお、圧子３は三角錐形状であるため、圧子３の中心がレーザ光軸上に位置している状態においては、厳密には各光センサ９への入射は、３方向への光量が均等となり、この点を考慮する必要がある。
【００２０】
また、カンチレバー４についても、試料ステージ１の中央にまで大まかに移動させた後、各光センサ９によるレーザ光の探針からの反射光の検出結果が均等となるように上記と同等の手法により負荷ステージ２の移動機構２１を自動的に駆動制御してレーザ光軸上に位置決めし、その時点における移動機構２１の座標を記憶する。ここで、圧子３およびカンチレバー４のいずれについても、超微小硬度計およびＡＦＭの実際の動作時に被測定試料表面の精密な検出動作が行われるので、ｚ軸方向への厳密な位置合わせは不要であり、ｘ，ｙ軸方向への座標を記憶すればよい。
【００２１】
以上の動作を終了した後、被測定試料を試料ステージ１上に載せ、超微小硬度計としての動作を実行し、被測定試料表面に圧子３を押し込み、その硬度を計測する。
【００２２】
その後、キーボード等から指令を付与することにより、カンチレバー４の位置決め動作を実行する。この動作においては、上記した圧子３とカンチレバー４のレーザ光軸上への位置決め状態におけるそれぞれの座標の記憶内容から、これら両者の負荷ステージ２に対する取り付け位置の差、つまり負荷ステージ２上での相対的な位置関係が明らかになっているので、その差の分だけ移動機構２１を駆動することにより、圧子３による圧痕上にカンチレバー４を正確に位置決めすることができる。その状態で、ＡＦＭとしての動作を実行することにより、直ちに圧痕位置でのＡＦＭ像を取得することができる。
【００２３】
ここで、レーザ光軸上への圧子３およびカンチレバー４の位置決め精度は、レーザ波長、貫通孔１３の大きさ、光センサ９の精度等によって変更することが可能であるが、一例として、半導体レーザを試料ステージ１に組み込み、１５度ごとの角度で光センサ９を配置すれば、１μｍ以下の精度で位置合わせが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷ステージに圧子とカンチレバーを同時に取り付けることを可能とするとともに、その負荷ステージに対する圧子とカンチレバーの取り付け位置の差を正確に計測して、その計測結果に基づいて圧子とカンチレバーを試料ステージに対して同じ位置に自動的に位置決めすることができるので、圧子とカンチレバーとを取り替える場合に比して、面倒で困難な位置合わせ作業を行うことなく、超微小硬度計の圧子による圧痕の精細なＡＦＭ像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式的正面図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】図１における機械的構成部分の模式的左側面図である。
【図３】本発明の実施の形態における試料ステージ１の近傍の模式的縦断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における圧子３ないしはカンチレバー４の先端にレーザ光を照射したときの散乱・反射光の説明図である。
【符号の説明】
１  試料ステージ
１１  微動機構
１２  粗動機構
１３  貫通孔
２  負荷ステージ
２１  移動機構
２２  持ち出し部材
３  圧子
３１  負荷用ピエゾアクチュエータ
３２  圧子保持部材
４  カンチレバー
４１  支持部材
５  レーザ変位計
６  制御装置
７  パーソナルコンピュータ
８  レーザ光源
９  光センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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