(57)【要約】【課題】試験力−カートリッジ出力のグラフ上の点と、試験後の試料表面との位置とを、極めて容易に対応させることのできる表面特性測定装置を提供する。【解決手段】表示器１２に試験力−カートリッジ出力のグラフＧと、試験後の試料表面のカメラ９による画像Ｐを併せて表示するとともに、そのグラフＧ上の任意の点を指定することにより、その指定点に対応する試料表面の位置が画像の中央等の特定位置に位置するように、ステージ駆動機構７を自動的に制御する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カートリッジに揺動可能に支持されたレバーの先端に固着された接触針を、試料ステージ上の試料表面に押し付けた状態で、カートリッジを試料表面に沿った一定の方向に振動させるとともに、接触針の試料表面に対する押し付け力を増大させつつ、試料ステージを試料の表面に沿い、かつ、上記振動方向に直交する方向に移動させ、カートリッジに対する接触針の上記振動方向への相対変位を刻々と計測し、その計測結果と上記押し付け力との関係のグラフを表示器に表示するとともに、試料ステージを移動させて試料を接触針の下方と表面観察用のカメラとの間で移動させる駆動機構を備えた表面特性測定装置において、
試験後に試料表面を上記カメラの下方に位置させた状態で、上記表示器は、そのカメラにより撮影される試料表面の画像を、試験により得られた上記グラフと同一画面上に表示するよう構成されているとともに、その表示されたグラフ上での任意の点を指定することにより、その指定点に対応する試料表面の位置が上記画像の特定位置に位置するように上記駆動機構を制御する制御手段を備えていることを特徴とする表面特性測定装置。
【請求項２】
上記観察用カメラが接触針の配設位置に対して試験中における上記試料ステージの移動方向に所定の距離だけ離れた位置に配設され、かつ、上記駆動機構が試験中に試料ステージを移動させる機構と兼用されているとともに、その駆動機構による試料ステージの位置を検出するエンコーダと、そのエンコーダによる試験中の試料ステージの刻々の位置情報を上記押し付け力と関連付けて記憶する記憶手段を有し、上記制御手段は、その記憶手段の内容に基づいて、上記表示器に表示されているグラフ上での指定点に対応する試料表面の位置を上記カメラの視野中の特定位置に位置決めするよう駆動機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の表面特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面の摩擦特性や、薄膜の基材に対する付着力を評価する、いわゆるスクラッチテスタと称される表面特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料表面の摩擦特性や、薄膜の薄膜の基材に対する付着力を評価する装置として、スクラッチテスタと称される表面特性測定装置が知られている（特許第１８３６１９２号参照）。
【０００３】
この表面特性測定装置においては、カートリッジに揺動自在に支持されたレバーの先端に固着された接触針を、試料ステージ上に載せられた試料表面に押し付けた状態で、カートリッジを試料表面に沿って一定の方向に振動させ、徐々に接触針の試料表面に対する押し付け力（以下、試験力と称する）を増大させつつ、試料ステージを試料表面に沿い、かつ、カートリッジの振動方向に直交する方向に一定の速度で移動させる。
【０００４】
カートリッジは、図３にその構成例を模式的に透視図で示すように、カートリッジ本体１ａに対してラバー１ｂを介して揺動自在に支持されたレバー１ｃの先端に接触針１ｄを固着するとともに、レバー１ｃの基端にはマグネット１ｅを固着する一方、カートリッジ本体１ａ内に検出コイル１ｆを配置し、その検出コイル１ｆによって、カートリッジの振動方向（ｘ方向）へのレバー１ｃの揺動、つまりカートリッジ本体１ａに対する接触針１ｄの相対変位を検出できるように構成されている。
【０００５】
上記したように、このようなカートリッジ１を試料Ｗの表面に沿った一定のｘ方向に振動させ、接触針による試験力Ｆを増大させながら、カートリッジ１をｘ方向に直交するｙ方向に移動させていくと、試料Ｗの表面と接触針１ｄとの間には、試料Ｗの表面特性と、試験力Ｆの大きさに応じた摩擦力が作用し、そのため、レバー１ｃを介してカートリッジ本体１ａに対して揺動自在に支持されている接触針１ｄが、カートリッジ１の振動に対して遅れを生じる。この遅れ、つまりカートリッジ本体１ａに対する接触針の振動方向（ｘ方向）への相対変位が、検出コイル１ｆによって刻々と検出され、その刻々の計測結果（以下、カートリッジ出力と称する）と試験力Ｆとの関係が、図４に例示するグラフとして求められる。
【０００６】
また、この種の測定装置においては、試験後の試料表面を観察すべく、接触針を保持するカートリッジに隣接して、ＣＣＤ等の観察用カメラを配置し、駆動機構により、試料ステージ上の試料をカートリッジの下方と観察用カメラの下方との間で移動させることができるようにしているものが実用化されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上の表面特性測定装置により、薄膜の付着力を測定するに際しては薄膜が剥離するまで試験を継続するのであるが、薄膜の剥離は、カートリッジに対する接触針の振動方向への相対変位と試験力との関係のグラフから推察することができる。すなわち、図４に例示した試験力−カートリッジ出力のグラフにおいて、カートリッジ出力が大きく変動している点が薄膜の剥離が生じた点と推察することができる。
【０００８】
しかしながら、薄膜の剥離は、最終的には試料表面を観察して実際に剥離の発生を確認する必要があり、このとき、グラフ上の点が試料表面のどの位置に相当するのかを確認しにくいという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、試験力−カートリッジ出力のグラフ上の点と、試験後の試料表面の位置とを、極めて容易に対応させることのできる表面特性測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の表面特性測定装置は、カートリッジに揺動可能に支持されたレバーの先端に固着された接触針を試料ステージ上の試料表面に押し付けた状態で、カートリッジを試料表面に沿った一定の方向に振動させるとともに、接触針の試料表面に対する押し付け力を増大させつつ、試料ステージを試料の表面に沿い、かつ、上記振動方向に直交する方向に移動させ、カートリッジに対する接触針の上記振動方向への相対変位を刻々と計測し、その計測結果（カートリッジ出力）と上記押し付け力との関係のグラフを表示器に表示するとともに、試料ステージを移動させて試料を接触針の下方と表面観察用のカメラの下方のいずれかに位置させる駆動機構を備えた表面特性測定装置において、試験後に試料表面を上記カメラの下方に位置させた状態で、上記表示器は、そのカメラにより撮影される試料表面の画像を、試験により得られた上記グラフと同一画面上に表示するよう構成されているとともに、その表示されたグラフ上での任意の点を指定することにより、その指定点に対応する試料表面の位置が上記画像の特定位置に位置するように上記駆動機構を制御する制御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）。
【００１１】
ここで、本発明におけるより具体的で好適な構成として、上記観察用カメラが接触針の配設位置に対して試験中における上記試料ステージの移動方向に所定の距離だけ離れた位置に配設され、かつ、上記駆動機構が試験中に試料ステージを移動させる機構と兼用されているとともに、その駆動機構による試料ステージの位置を検出するエンコーダと、そのエンコーダによる試験中の試料ステージの刻々の位置情報を上記押し付け力と関連付けて記憶する記憶手段を有し、上記制御手段は、その記憶手段の内容に基づいて、上記表示器に表示されているグラフ上での指定点に対応する試料表面の位置を上記カメラの視野中の特定位置に位置決めするよう駆動機構を制御する構成（請求項２）を採用することができる。
【００１２】
本発明は、試験により得られる試験力−カートリッジ出力のグラフを表示する表示器に、観察用カメラによる試料表面の画像を併せて表示するとともに、その表示器に表示されているグラフ上の任意の点を指定することにより、試料ステージを移動させる駆動機構を自動的に駆動して、その点に対応する試料表面の位置を画像上の特定位置、例えば画像中央にくるようにすることで、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１３】
すなわち、試験力を増大させながら試料ステージを移動させるこの種の測定装置においては、試験力と試験中の試料ステージの位置とは一意的な対応関係を有する。従って、試験力−カートリッジ出力のグラフ上での任意の点と、その点に対応する試験中における試料ステージの位置、つまり接触針による試料表面のスクラッチ位置との関係は、試験力をパラメータとして用いることにより容易に把握することができる。従って、上記したグラフの任意の点を指定することによって、そのグラフ上の点が得られた時点で接触針が接触していた試料表面の位置を、観察用カメラの例えば視野中心に位置決めすることができ、グラフ上の任意の点と試料表面の位置とを容易に対応させることができる。
【００１４】
請求項２に係る発明のように、観察用カメラと接触針との位置関係を、上記したｙ方向に所定の距離を隔てた関係とし、試験中に試料ステージをｙ方向に移動させる機構を、試料ステージを観察用カメラの下方に移動させる駆動機構と兼用させることにより、試料ステージの刻々の位置を検出するエンコーダと、試験中におけるその刻々の検出結果を試験力と対応させて記憶する記憶手段を設け、グラフ上の指定点に対応する試験力から記憶手段の内容を読み出して駆動機構をｙ方向に移動させるだけで、容易に目的を達成することができる。
【００１５】
【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全体構成図で、機械的構成を表す模式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。
【００１６】
カートリッジ１は、図３に示した従来のものと同等の構成を有し、カートリッジ本体１ａに対して揺動可能に支持されたレバー（図示せず）の先端に、接触針１ｄを下向きに固着しており、また、同様にして試料Ｗの表面と接触針１ｄとの摩擦によるカートリッジ本体１ａに対する接触針１ｄの刻々の相対変位の検出信号（カートリッジ出力）を出力する。このカートリッジ１は保持桿２を介して加振部３に取り付けられている。加振部３は、永久磁石が作る静磁場中にコイルを可動に配したムービングコイル方式の加振機構を有するものであって、加振信号の供給によりカートリッジ１を水平面に沿った一定の方向（ｘ方向）に振動させることができる。
【００１７】
加振部３は、ｚ軸モータ４ａを駆動源とする負荷機構４に支持されており、この負荷機構４の駆動により、加振部３ごとカートリッジ１並びに接触針１ｄを鉛直方向（ｚ方向）に移動させ、試料ステージ５上に載せられている試料Ｗの表面に接触針１ｄを押し付けることができる。この押し付け力、つまり試験力は、ロードセル６によって検出される。
【００１８】
試料Ｗは、特性を評価すべき表面を上向きにして、その表面が水平面に沿うように試料ステージ５上に搭載される。この試料ステージ５は、ｙ軸モータ７ａを駆動源とするステージ駆動機構７により、水平面に沿い、かつ、カートリッジ１の加振方向であるｘ方向に直交する方向（ｙ方向）に移動できるようになっている。この試料ステージ５のｙ方向への位置は、エンコーダ８によって検出される。
【００１９】
負荷機構４に隣接して、試料表面観察用のＣＣＤカメラ９が配設されている。
このＣＣＤカメラ９の視野中心は、接触針１ｄの中心に対してｙ方向に所定の距離Ｌだけ離れた位置とされている。試料ステージ７をｙ方向に移動させる試料ステージ駆動機構７のストロークは、試料ＷがこのＣＣＤカメラ９の直下に位置する状態までをも含んでいる。
【００２０】
前記した加振部３の加振信号は、ＣＰＵを主体とする制御装置１０から供給される。また、負荷機構４のｚ軸モータ４ａおよびステージ駆動機構７のｙ軸モータ７ａの駆動制御信号についても、制御装置１０からそれぞれのモータドライバ（図示略）を介して供給される。そして、この制御装置１０はパーソナルコンピュータ１１と接続されている。
【００２１】
パーソナルコンピュータ１１は、制御装置１０を接続するためのＰＩ／Ｏボード１１ａと、ロードセル６による試験力の検出信号およびカートリッジ１からの出力（カートリッジ出力）をデジタル化して刻々とサンプリングするためのＡ／Ｄボード１１ｂ、更にはＣＣＤカメラ９からの映像データを取り込むためのキャプチャーボード１１ｃを含んでいる。
【００２２】
そして、このパーソナルコンピュータ１１は、試験中に刻々と取り込まれる試験力とカートリッジ出力との関係を表すグラフを表示器１２に表示し、また、試験後にステージ駆動機構７により試料ＷをＣＣＤカメラ９の直下に移動させたときには、そのＣＣＤカメラ９により撮影される試料表面の画像をグラフとともに表示器１２の同じ画面上に表示する。そして、その表示器１２の画面に表示されているグラフ上の任意の点をマウス１３によって指定することにより、後で詳述するように、制御装置１０を介してステージ駆動機構７を自動的に制御して指定された点に対応する試料表面の位置をＣＣＤカメラ９による画像の中央に位置させるプログラムがインストールされている。
【００２３】
以上の本発明の実施の形態は、試験中においては、制御装置１０からの各部への駆動制御信号により、接触針１ｄを試料ステージ５上の試料Ｗの表面に押し付けた状態で、カートリッジ１をｘ方向に一定の振幅で振動させながら、試験力を一定の速度で増大させると同時に、試料ステージ５を一定の速度でｙ方向に移動させる。その間、ロードセル６による試験力の検出出力とカートリッジ出力を刻々と取り込み、表示器１２に試験力−カートリッジ出力のグラフを表示する。同時に、エンコーダ８の出力を取り込んで、刻々の試験力の検出値に対応させて試料ステージ５のｙ方向位置情報をメモリに記憶する。
【００２４】
試験終了後、ステージ駆動機構７を駆動して試料ステージ５上の試料ＷをＣＣＤカメラ９の直下にまで移動させると、そのＣＣＤカメラ９による試料表面の撮影画像が、試験力−カートリッジ出力のグラフとともに表示器１２の同一の画面上に表示される。図２にその表示器１２による表示例を示す。この例において、Ｇは試験力−カートリッジ出力のグラフであり、ＰはＣＣＤカメラ９による試料表面の撮影画像である。グラフＧの表示領域には、マウス１３の操作によって当該グラフＧ上で移動するマーカＭが設けられている。また、試料Ｗの撮影画面Ｐには、その中央位置を表すマーカｍが表示されている。
【００２５】
この表示状態において、マーカＭを移動させてグラフＧ上の任意の点を指定すると、パーソナルコンピュータ１１では、指定されたグラフ上の点での試験力を読み込み、試験中にメモリに記憶している試験力と試料ステージ５のｙ方向位置情報との関係から、指定された点の試験力に対応する試料ステージ５のｙ方向位置情報を読み出す。その読み出し結果が例えば試料ステージ５の原点位置からＳの位置であったとし、試料ステージ５のｙ方向座標を図１において左向きを正の向きにとっているとしたとき、パーソナルコンピュータ１１は、試料ステージ５がＰ＋Ｌに移動するように制御装置１０を介してステージ駆動機構７を駆動制御する。
【００２６】
これにより、マーカＭで指定されたグラフＧ上の点が得られた時点において接触針１ｄが押し付けられていた試料Ｗ上の位置が、ＣＣＤカメラ９の視野中心に位置することになり、従って、試料表面の撮影画像Ｐにおいては、グラフＧ上で指定された点に対応する試料表面の位置が、マーカｍが表示されている画像中央に位置した状態となる。従って、オペレータはグラフＧ上の任意の点と、その点に対応する試料表面の位置とを極めて容易に知ることができ，グラフＧの各点における試料表面の状態を簡単かつ確実に観察することができる。
【００２７】
また、本発明の実施の形態における表示器１２による他の表示形態として、指令の付与により、試験開始時点における試料Ｗの表面の位置がＣＣＤカメラ９の視野中心に位置するように試料ステージ５を位置決めした後、試料ステージ５を試験時と同じ向きに一定の速度で移動させると同時に、それに対応させてグラフＧ上のマーカＭを自動的にグラフＧに沿わせて移動させることもできる。これにより、表示器１２の画面上では、グラフＧに沿ってマーカＭが移動していくのと連動して、刻々のマーカＭの位置に対応する試料表面の位置が撮影画像Ｐの中央に位置するように画像Ｐが変化していくことになり、試験の開始から終了までを通じて、接触針１ｄによるスクラッチ位置とグラフＧとの関係を把握することができる。
【００２８】
なお、以上の実施の形態においては、グラフＧ上で指定された点に対応する試料表面の位置が、画像Ｐの中心にくるように試料ステージ５を制御した例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、指定点に対応する試料表面の位置が画像Ｐ上において例えばマーカ等により認識可能な特定の位置にくるように制御してもよいことは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、試験力−カートリッジ出力のグラフを表示する表示器の同じ画面上に、試料表面を観察するためのカメラによる試料表面の撮影画像を表示するとともに、その画面に表示されているグラフ上の任意の点を指定することによって、その指定された点に対応する試料表面の位置が、カメラによる撮影画像上の中央等の特定の位置に位置するように試料ステージを自動的に移動させるので、グラフの各点と試料表面の位置との対応関係を極めて容易に把握することができ、特に、薄膜の付着力の評価試験等に当たって、グラフ上の点と薄膜の剥離との関係を容易に確認することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成図で、機械的構成を表す模式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】本発明の実施の形態における表示器１２による表示画面の例の説明図である。
【図３】表面特性測定装置に用いられるカートリッジの構成例を模式的に示す透視図である。
【図４】表面特性測定装置により得られる試験力−カートリッジ出力の例を示すグラフである。
【符号の説明】
１　カートリッジ
１ａ　カートリッジ本体
１ｄ　接触針
２　保持桿
３　加振部
４　負荷機構
５　試料ステージ
６　ロードセル
７　ステージ駆動機構
８　エンコーダ
９　ＣＣＤカメラ
１０　制御装置
１１　パーソナルコンピュータ
１２　表示器
１３　マウス
Ｇ　試験力−カートリッジ出力のグラフ
Ｍ　マーカ
Ｐ　試料表面の撮影画像
Ｗ　試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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