(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様からなる大スケール格子を規則的に配置し、
当該大スケール格子の格子模様の凹面と凸面に、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様からなる小スケール格子を観測する変形分布に対応して規則的に配置し、前記大スケール格子の高さは前記小スケール格子の高さよりも高いことを特徴とするマルチスケール立体格子。
【請求項２】
さらに、前記大スケール格子と小スケール格子の格子模様の凹面と凸面に、第２の格子サイズより小さい第３の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様からなる微小スケール格子を観測する変形分布に対応して規則的に配置し、前記微小スケール格子の高さは前記小スケール格子の高さよりも低いことを特徴とする請求項１に記載するマルチスケール立体格子。
【請求項３】
顕微鏡による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様とを、
各所定の空間周波数で規則的に均一格子点網に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と小スケール格子を構成したことを特徴とするマルチスケール立体格子。
【請求項４】
さらに、第２の格子サイズより小さい第３の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様を加え、第１と第２と第３の凹凸形状が形成する微小格子を所定の空間周波数で規則的に均一格子点網に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と小スケール格子と微小スケール格子を構成したことを特徴とする請求項３に記載するマルチスケール立体格子。
【請求項５】
変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール平面格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの格子点が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの格子点が形成する格子模様を観測する変形分布に対応して規則的に均一格子点網に配置して、
大スケール格子と小スケール格子を構成したことを特徴とするマルチスケール平面格子。
【請求項６】
さらに、第２の格子サイズより小さい第３の格子サイズの格子模様を加え、第１と第２と第３の格子を観測する変形分布に対応して規則的に均一格子点網に配置して、
大スケール格子と小スケール格子と微小スケール格子を構成したことを特徴とする請求項５に記載するマルチスケール平面格子。
【請求項７】
顕微鏡による変形分布を観測するための大スケール観測と中スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１と第２の格子サイズの中間であって段階的に変化させた複数の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様とを、均一格子点網に格子サイズについて降順次に昇順に交互に配置し、または観測する変形分布に対応して規則的に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と中間スケール格子と小スケール格子とを構成したことを特徴とするマルチスケール立体格子。
【請求項８】
変形分布を観測するための大スケール観測と中スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１と第２の格子サイズの中間であって段階的に変化させた複数の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様とを、均一格子点網に格子サイズについて降順次に昇順に交互に配置し、または観測する変形分布に対応して規則的に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と中間スケール格子と小スケール格子とを構成したことを特徴とするマルチスケール立体格子。
【請求項９】
変形分布を観測するための大スケール観測と中スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール平面格子であって、
材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの格子点が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの格子点が形成する格子模様と、第１と第２の格子サイズの中間であって段階的に変化させた複数の格子サイズの格子点が形成する格子模様とを、均一格子点網に格子サイズについて昇順次に降順に交互に配置し、または観測する変形分布に対応して規則的に配置して、
大スケール格子と中間スケール格子と小スケール格子とを構成したことを特徴とするマルチスケール平面格子。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のマルチスケール格子を用いて変形分布を解析することを特徴とする変位解析方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の変位解析方法を実行することを特徴とする変位解析装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項４、請求項７または請求項８のいずれか１項に記載するマルチスケール立体格子と同型または反転型のマルチスケール立体格子インプリント金型であって、平板状または円筒形状を有することを特徴とするマルチスケール立体格子インプリント金型。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項４、請求項７または請求項８のいずれか１項に記載するマルチスケール立体格子であって、薄板状に成型されて平板状またはテープ形状を有し、前記材料上に直接貼り付けられることを特徴とするマルチスケール立体格子。
【請求項１４】
請求項５乃至請求項６、または請求項９のいずれか１項に記載するマルチスケール平面格子であって、薄板状に成型されて平板状またはテープ形状を有し、前記材料上に直接貼り付けられることを特徴とするマルチスケール平面格子。
【請求項１５】
顕微鏡による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法であって、
レジストを所定の厚さに試料表面に塗布する工程と、
試料表面に第１の格子サイズの凹凸形状からなる小スケール格子を成形し得るナノインプリント型を介して紫外線を照射して、該レジスト表面に所定の厚さの小スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
該小スケール格子の凹凸形状を設けたレジスト表面にさらに第２の格子サイズの凹凸形状からなる大スケール格子を成形し得る大スケール格子のマスクをしてドライエッチングにより残レジストを等厚にミリングして、小スケール格子の凹凸形状に重ねて大スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
を含む事を特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
【請求項１６】
顕微鏡による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法であって、
試料表面に第１の格子サイズの凹凸形状からなる小スケール格子を成形し得る小スケール格子のマスクをしてドライエッチングにより、該試料表面に所定の厚さの小スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
該小スケール格子の凹凸形状を設けた試料表面にさらに第２の格子サイズの凹凸形状からなる大スケール格子を成形し得る大スケール格子のマスクをしてドライエッチングにより残レジストを等厚にミリングして、小スケール格子の凹凸形状に重ねて大スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
を含む事を特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
【請求項１７】
前記小スケール格子の凹凸形状に重ねて大スケール格子の凹凸形状を設けたレジスト表面にさらに第３の格子サイズの凹凸形状からなる極大スケール格子を成形し得る極大スケール格子のマスクをしてドライエッチングにより残レジストを等厚にミリングして、小スケール格子の凹凸形状と大スケール格子凹凸形状とに重ねて極大スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
を含む事を特徴とする請求項１５または請求項１６のいずれか１項に記載する大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
【請求項１８】
マルチスケール平面格子の作製方法であって、
試料表面にレジストを所定の厚さに塗布する工程と、
請求項５または請求項６のいずれか１項に記載するマルチスケール平面格子からなる画像パターンを用意する工程と、
電子ビームリソグラフィで該画像パターンを該レジストに前記所定の厚さに書き込む工程と、
を含むことを特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール平面格子の作製方法。
【請求項１９】
マルチスケール平面格子の作製方法であって、
試料表面にレジストを所定の厚さに塗布する工程と、
請求項９に記載するマルチスケール平面格子からなる画像パターンを用意する工程と、
電子ビームリソグラフィで該画像パターンを該レジストに前記所定の厚さに書き込む工程と、
を含むことを特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール平面格子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
サブナノスケールとミリスケールなどの組み合わせによる異なるスケールでの材料の変位、およびひずみ分布計測を実施するための異なるスケール寸法の規則格子パターンの設計・製造方法に関する発明で、材料の変位・ひずみ分布計測に寄与する技術である。
以降、変位分布、およびひずみ分布を変形分布と称する。
【０００２】
異なるスケールで変形分布を測定するニーズは材料・構造物の非破壊検査分野に限らず様々な産業分野で存在する。
【０００３】
（１）材料・構造物の力学的特性評価からのニーズ
材料・構造に荷重、熱、電気などを負荷することで変形を与えた際の微視的、および巨視的な変形挙動を同一試料で一度に観察できる技術があれば、材料・構造の変形を適当な対応策により総合的に制御することができ、力学的特性向上に繋がる。
（２）界面の変形・破壊挙動の解明からのニーズ
力学的特性が不連続になる界面での微視的、および巨視的な変形・破壊挙動を理解することで優れた力学的特性を有する界面設計に寄与する。
（３）金属、高分子、半導体、複合材料などの破壊形態の解析
材料の巨視的な変形観察から応力集中部の変形挙動が理解され、微視的観察から破壊機構が解明される。変形挙動や破壊機構を理解することで適宜対応策を施し壊れにくい材料を創製できる。
【背景技術】
【０００４】
材料の変形分布計測は、これまでにモアレ法(Moire Method)、格子法(Grid Method)、幾何学的位相解析(Geometric Phase Analysis：GPA)、デジタル画像相関法(Digital Image Correlation：DIC)、サンプリングモアレ法(Sampling Moire Method)などが利用されてきた。
これらの計測の分解能を決定するのはモアレ法やサンプリングモアレ法、GPAならば格子間隔、DICならスペックルサイズである。
従来技術(例えば、特許文献１)では格子間隔は一定で、スペックルサイズも同程度であったことから、変形量の分解能は一定であった。
【０００５】
そこで格子間隔を図１２に示すように局所的に変化させた格子(非特許文献１)を用いることでモアレ法により分解能の異なる変形分布解析が出来ると考えられる。
また特許文献２によれば、モアレ法用のミリスケールのグリッドパターンと画像相関法用のナノスケールのドットパターンを重ねたパターンを用いて、試料を変えることなく、スケールレベルが異なるひずみを計測できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８３１７０３号(物体の変位測定方法)
【特許文献２】特開２０１１−２７５２６号(歪み計測用パターン)
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Xie H.M., Li Y.J., Du H., Pan B., Luo Q., Gu C.Z., Jiang H.C. The Technique for Fabricating Submicron Moire Grating Using FIB Milling. Advanced Materials Research, 2008, 47-50: 710-713.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１２(ａ)、(ｂ)に示した格子パターンを用いた場合、格子間隔が大きい領域では、高い分解能の変形分布解析ができない問題がある。
一方、特許文献２に記載している方法では、ランダムなパターンと規則パターンを重ねているため、画像のコントラストがはっきりせず、計測精度の低下を招く問題がある。
【０００９】
本技術はマルチスケール格子を配置した全ての領域でマルチスケール格子に依存した異なる分解能と所定の精度を有する変形分布解析を実現するための格子パターンの設計と製造方法に関する技術である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の以下のタイプＩのマルチスケール格子は上の課題を解決できる。
（１）
顕微鏡(例えば、光学顕微鏡、レーザー(走査)顕微鏡、電子走査顕微鏡SEM、AFM、透過型TEMなどが挙げられる)による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様からなる大スケール格子を観測する変形分布に対応して規則的に配置し、
当該大スケール格子の格子模様の凹面と凸面に、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様からなる小スケール格子を規則的に配置したことを特徴とするマルチスケール立体格子。
（２）
さらに、前記大スケール格子と小スケール格子の格子模様の凹面と凸面に、第２の格子サイズより小さい第３の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様からなる微小スケール格子を観測する変形分布に対応して規則的に配置したことを特徴とする(１)に記載するマルチスケール立体格子。
【００１１】
本発明の以下のタイプIIのマルチスケール格子によっても上の課題を解決できる。
（３）
顕微鏡(例えば、光学顕微鏡、レーザー(走査)顕微鏡、電子走査顕微鏡SEM、AFM、透過型TEMなどが挙げられる)による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様とを、各所定の周波数で規則的に均一格子点網に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と小スケール格子を構成したことを特徴とするマルチスケール立体格子。
（４）
さらに、第２の格子サイズより小さい第３の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様を加え、第１と第２と第３の凹凸形状が形成する微小格子を所定の周波数で規則的に均一格子点網に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と小スケール格子と微小スケール格子を構成したことを特徴とする(３)に記載するマルチスケール立体格子。
（５）
変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール平面格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの格子点が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの格子点が形成する格子模様を観測する変形分布に対応して規則的に均一格子点網に配置して、
大スケール格子と小スケール格子を構成したことを特徴とするマルチスケール平面格子。
（６）
さらに、第２の格子サイズより小さい第３の格子サイズの格子模様を加え、第１と第２と第３の格子を観測する変形分布に対応して規則的に均一格子点網に配置して、
大スケール格子と小スケール格子と微小スケール格子を構成したことを特徴とする(５)に記載するマルチスケール平面格子。
【００１２】
本発明の以下のタイプIIIのマルチスケール格子によっても上の課題を解決できる。
（７）
顕微鏡(例えば、光学顕微鏡、レーザー(走査)顕微鏡、電子走査顕微鏡SEM、AFM、透過型TEMなどが挙げられる)による変形分布を観測するための大スケール観測と中スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１と第２の格子サイズの中間であって段階的に変化させた複数の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様とを、均一格子点網に格子サイズについて降順次に昇順に交互に配置し、または観測する変形分布に対応して規則的に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と中間スケール格子と小スケール格子とを構成したことを特徴とするマルチスケール立体格子。
（８）
変形分布を観測するための大スケール観測と中スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子であって、
基板上または材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様と、第１と第２の格子サイズの中間であって段階的に変化させた複数の格子サイズの凹凸形状が形成する格子模様とを、均一格子点網に格子サイズについて降順次に昇順に交互に配置し、または観測する変形分布に対応して規則的に配置して、
その凹凸形状について同一の標高面(頂部および谷部)を有する大スケール格子と中間スケール格子と小スケール格子とを構成したことを特徴とするマルチスケール立体格子。
（９）
変形分布を観測するための大スケール観測と中スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール平面格子であって、
材料上の所定の領域に、第１の格子サイズの格子点が形成する格子模様と、第１の格子サイズより小さい第２の格子サイズの格子点が形成する格子模様と、第１と第２の格子サイズの中間であって段階的に変化させた複数の格子サイズの格子点が形成する格子模様とを、均一格子点網に格子サイズについて昇順次に降順に交互に配置し、または観測する変形分布に対応して規則的に配置して、
大スケール格子と中間スケール格子と小スケール格子とを構成したことを特徴とするマルチスケール平面格子。
【００１３】
さらに本発明は、上述のマルチスケール格子を用いた変位解析方法、および、変位解析装置を提供し、マルチスケール格子のより使い易い形態として、インプリント金型、テープ状形態で提供できる。
（１０）
(１)乃至(９)のいずれかに記載のマルチスケール格子を用いて変形分布を解析することを特徴とする変位解析方法。
（１１）
(１０)に記載の変位解析方法を実行することを特徴とする変位解析装置。
（１２）
(１)乃至(４)、(７)または(８)のいずれかに記載するマルチスケール立体格子と同型または反転型のマルチスケール立体格子インプリント金型であって、平板状または円筒形状を有することを特徴とするマルチスケール立体格子インプリント金型。
（１３）
(１)乃至(４)、(７)または(８)のいずれかに記載するマルチスケール立体格子であって、薄板状に成型されて平板状またはテープ形状を有し、前記材料上に直接貼り付けられることを特徴とするマルチスケール立体格子。
（１４）
(５)乃至(６)、または(９)のいずれかに記載するマルチスケール平面格子であって、薄板状に成型されて平板状またはテープ形状を有し、前記材料上に直接貼り付けられることを特徴とするマルチスケール平面格子。
【００１４】
最後に本発明は、マルチスケール立体格子の作製方法を提供する。
（１５）
顕微鏡(例えば、光学顕微鏡、レーザー(走査)顕微鏡、電子走査顕微鏡SEM、AFM、透過型TEMなどが挙げられる)による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法であって、
レジストを所定の厚さに試料表面に塗布する工程と、
試料表面に第１の格子サイズの凹凸形状からなる小スケール格子を成形し得るナノインプリント型を介して紫外線を照射して、該レジスト表面に所定の厚さの小スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
該小スケール格子の凹凸形状を設けたレジスト表面にさらに第２の格子サイズの凹凸形状からなる大スケール格子を成形し得る大スケール格子のマスクをしてドライエッチングにより(例えば、アルゴンイオンビームを照射する)残レジストを等厚にミリングして、小スケール格子の凹凸形状に重ねて大スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
を含む事を特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
（１６）
顕微鏡(例えば、光学顕微鏡、レーザー(走査)顕微鏡、電子走査顕微鏡SEM、AFM、透過型TEMなどが挙げられる)による変形分布を観測するための大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法であって、
試料表面に第１の格子サイズの凹凸形状からなる小スケール格子を成形し得る小スケール格子のマスクをしてドライエッチングにより、該試料表面に所定の厚さの小スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
該小スケール格子の凹凸形状を設けた試料表面にさらに第２の格子サイズの凹凸形状からなる大スケール格子を成形し得る大スケール格子のマスクをしてドライエッチングにより(例えば、アルゴンイオンビームを照射する)残レジストを等厚にミリングして、小スケール格子の凹凸形状に重ねて大スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
を含む事を特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
(１５)および(１６)においては、小スケール格子と大スケール格子の作製順序は逆にすることもできる。
（１７）
前記小スケール格子の凹凸形状に重ねて大スケール格子の凹凸形状を設けたレジスト表面にさらに第３の格子サイズの凹凸形状からなる極大スケール格子を成形し得る極大スケール格子のマスクをしてドライエッチングより(例えば、アルゴンイオンビームを照射する)残レジストを等厚にミリングして、小スケール格子の凹凸形状と大スケール格子凹凸形状とに重ねて極大スケール格子の凹凸形状を設ける工程と、
を含む事を特徴とする(１５)または(１６)に記載する大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
極大スケール格子と小スケール格子と大スケール格子の作製順序は変更してもよい。
（１８）
マルチスケール立体格子の作製方法であって、
試料表面にレジストを所定の厚さに塗布する工程と、
(５)または(６)のいずれかに記載するマルチスケール平面格子からなる画像パターンを用意する工程と、
電子ビームリソグラフィで該画像パターンを該レジストに前記所定の厚さに書き込む工程と、
を含むことを特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
（１９）
マルチスケール立体格子の作製方法であって、
試料表面にレジストを所定の厚さに塗布する工程と、
(９)に記載するマルチスケール平面格子からなる画像パターンを用意する工程と、
電子ビームリソグラフィで該画像パターンを該レジストに前記所定の厚さに書き込む工程と、
を含むことを特徴とする大スケール観測と小スケール観測兼用のマルチスケール立体格子の作製方法。
【発明の効果】
【００１５】
異なる様々なスケールと分解能で材料の変形分布を計測することができ、
（１）巨視的観察から応力集中部を簡単に見つけることができ、微視的観察から破壊形態を詳細に知ることができることから材料の破壊に関して新たな知見を与える。
（２）サイズの異なる格子を共有することで、全領域で変形分布計測が可能である。
（３）大小の格子間隔の比率は自由に設計できることから要求に合わせた変位分布計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明におけるマルチスケール格子のパターン：(ａ)タイプＩ、(ｂ)タイプII、(ｃ)タイプIII
【図２】本発明におけるマルチスケール格子パターンの製造プロセス：(ａ)タイプＩ、(ｂ)タイプII、(ｃ)タイプIII
【図３】本発明のタイプ１のマルチスケール格子パターンの模式図。図中の黒、およびグレー色はそれぞれ深く、および浅くミリングする部分を表している。またグレー色のミリング部分で加工する形状は四角形または円形を選択できる。(ａ)、(ｂ)１方向の小さいスケール格子と１方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｃ)、(ｄ)１方向の小さいスケール格子と２方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｅ)、(ｆ)２方向の小さいスケール格子と１方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｇ)、(ｈ)、(ｉ)、(ｊ)２方向の小さいスケール格子と２方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｋ)３つのスケール格子(３つの異なる空間周波数の格子を共有したもの)の組み合わせ例、(ｌ)４つのスケール格子(４つの異なる空間周波数の格子を共有したもの)の組み合わせ例である。
【図４】本発明のタイプIIのマルチスケール格子パターンの模式図。(ａ)１方向の小さいスケール格子と１方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｂ)２方向の小さいスケール格子と１方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｃ)は(ｂ)の格子における明るさ(グレースケール)分布、(ｄ)、(ｅ)２方向の小さいスケール格子と２方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｆ)は(ｅ)の格子における明るさ(グレースケール)分布、(ｇ)３つのスケール格子(3つの異なる空間周波数の格子を共有したもの)の組み合わせ例、(ｈ)は(ｇ)の格子における明るさ(グレースケール)分布である。
【図５】本発明のタイプIIIのマルチスケール格子パターンの模式図。(ａ)１方向の小さいスケール格子と１方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｂ)２方向の小さいスケール格子と１方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｃ)は(ｂ)の格子における明るさ(グレースケール)分布、(ｄ)、(ｅ)２方向の小さいスケール格子と２方向の大きいスケール格子の組み合わせ、(ｆ)は(ｅ)の格子における明るさ(グレースケール)分布、(ｇ)３つのスケール格子(３つの異なる空間周波数の格子を共有したもの)の組み合わせ例、(ｈ)は(ｇ)の格子における明るさ(グレースケール)分布である。
【図６】製作した本発明のタイプＩのマルチスケール格子パターンのレーザー顕微鏡像。これはシリコンウェハ上にナノインプリントと40分間のアルゴンイオンビームミリングにより0.8ミクロン間隔の微細格子と120ミクロン間隔の格子を同時に含むマルチスケール格子パターンが形成されている。(ａ)低倍率で観察した120ミクロン間隔の格子画像、(ｂ)は(ａ)のＡ-Ａ部の断面形状であり、高さ方向の高低差による大きいスケールの格子模様(ミリングした孔)が形成されている。(ｃ)高倍率で観察したミリングした場所Ｂにおける0.8ミクロン間隔の格子画像、(ｄ)高倍率で観察したミリングしてない場所Ｃにおける0.8ミクロン間隔の格子画像である。
【図７】製作した本発明のタイプIIのマルチスケール格子パターンのレーザー顕微鏡像。ここでは２ミクロン間隔の２方向の微細格子と20ミクロン間隔の１方向の格子を同時に含むマルチスケール格子パターンをシリコンウェハ上に作製した。(ａ)高倍率の顕微鏡画像、(ｂ) 低倍率の顕微鏡画像である。
【図８】製作した本発明のタイプIIIのマルチスケール格子パターンのレーザー顕微鏡像。ここでは１ミクロン間隔の２方向の微細格子と20ミクロン間隔の２方向の格子を同時に含むマルチスケール格子パターンをシリコンウェハ上に作製した。(ａ)高倍率の顕微鏡画像、(ｂ)低倍率の顕微鏡画像である。
【図９】製作した本発明のタイプIIIのマルチスケール格子パターンのレーザー顕微鏡像。ここでは１ミクロン間隔の２方向の微細格子と20ミクロン間隔の１方向の格子を同時に含むマルチスケール格子パターンをシリコンウェハ上に作製した。(ａ)高倍率の顕微鏡画像、(ｂ)低倍率の顕微鏡画像である。
【図１０】製作した本発明のタイプIIIのマルチスケール格子パターンのレーザー顕微鏡像。ここでは１ミクロン間隔の２方向の微細格子と11ミクロン間隔の１方向の格子を同時に含むマルチスケール格子パターンをシリコンウェハ上に作製した。(ａ)高倍率の顕微鏡画像、(ｂ)低倍率の顕微鏡画像である。
【図１１】図６に示すタイプＩのマルチスケール格子から生成したサンプリングモアレ縞の例：(ａ)、(ｂ)120ミクロンの格子ピッチから生成された横と縦方向のそれぞれのモアレ縞、(ｃ)、(ｄ)ミリングされた領域内の0.8ミクロンの格子ピッチから生成された横と縦方向のそれぞれのモアレ縞である。
【図１２】既存の(２つの異なる空間周波数を有する)マルチスケール格子パターン：(ａ)タイプ１、(ｂ)タイプ２
【発明を実施するための形態】
【００１７】
巨視的、微視的な分解能を両立させるための新しい格子作製法を下記の通り提案する。本願で格子という場合は、３次元形状(厚さ・深さを有する２次元模様)、および２次元模様(厚さ・深さを有しない)を含むものとする。
また格子と言う場合は、各格子を言う場合と、全体としての格子模様(格子パターン)を言う場合がある。
各格子は、円形状、矩形状、または、線形状であってよい。
図１に本発明のマルチスケール格子の３タイプ：タイプＩ，タイプII，タイプIIIにおける典型的な格子模様を示した。
以下、各タイプのマルチスケール格子について図を用いて実施形態を簡単に説明する。
【００１８】
（タイプＩマルチスケール格子）
図２(ａ)に示すようにレジストを試料表面に塗布し、微細格子を加工したナノインプリント型を介して、紫外線を照射して、試料表面に微細格子の凹凸を設ける。
次に比較的大きな格子サイズのマスクを介して、ドライエッチングを用いて(例えば、アルゴンイオンビームを照射することで)レジストをミリングして、微細格子の凹凸に更に段差をつける３次元形状の格子パターンを作成する。
このような技術で図３(ａ)〜(ｌ)に示す格子パターンの製造が可能になる。
またさらに大きな第３の格子サイズのマスクを介して、同様の処理を行えば微細格子の載った比較的大きな格子の凹凸に更に段差をつける３次元形状の格子パターンを作成できる。
【００１９】
（タイプIIマルチスケール格子）
図４(ａ)、(ｂ)、(ｄ)、(ｅ)、(ｇ)に示すように均一格子間隔の中に二つの大きさの異なる格子を描き込んだ格子パターンである。
描画ソフトウェアでこのようなパターンを作成し、電子ビームリソグラフィなどの装置を用いて図２(ｂ)に示すように描画ソフトウェアで作成したパターン通りの格子をレジストに加工することができる。
タイプＩマルチスケール格子と異なり、このときは凹凸の高さは２段階しかない。
均一格子間隔とは、均一な格子点網(または均一格子網)における隣り合う格子点の距離が均一な事を言い、図４を例にとると、各図では各格子は格子点上に置かれて隣り合う格子点の距離はｐ1で示されている。
また同図では、同一サイズの格子はｐ1の整数倍(周波数)の格子点上に置かれている。
【００２０】
（タイプIIIマルチスケール格子）
図５(ａ)、(ｂ)、(ｄ)、(ｅ)、(ｇ)に示すように均一格子間隔の中に格子サイズを段階的に変化させた格子を描き込んだ格子パターンで、タイプII格子と同様に図２(ｂ)のように描画ソフトウェアでパターンを作成し、それをリソグラフィ装置に入れて格子パターンを作成することができる。
格子サイズを段階的に変化させる(グラデーション)ことで、位相解析における格子サイズの不連続な変化に起因する微小領域計測の誤差を抑制することができる。
【実施例１】
【００２１】
（タイプＩマルチスケール格子の製造と観察）
紫外線ナノインプリントレジストをシリコンウェハ上に塗布して、紫外線ナノインプリントリソグラフィとアルゴンイオンビームミリングを行い、図２(ａ)に示す格子製造工程を経て、図６に示す0.8ミクロン間隔の微細格子と120ミクロン間隔の格子を含むマルチスケール格子を製造した。
【００２２】
図６の左上は低倍率観察像(レンズ倍率は10ｘ)では、120ミクロン間隔の大きな格子しか観察できない。図６の左下はアルゴンイオンビームで削られた領域B、右下は削られていない領域Cの高倍率観察像(レンズ倍率は150ｘ)で、それぞれ0.8ミクロン間隔の微小格子が観察される。
【００２３】
120ミクロン間隔の格子はサンプリングモアレ法を用いて120nmの分解能で変形分布を評価する際に用いる。
【００２４】
また0.8ミクロン間隔の格子はサンプリングモアレ法から0.8nmの分解能で変形分布を評価する際に用いる。観察領域の大きさは観察するときの走査線数に依存する。
【００２５】
当実施例はマルチスケール立体格子を基板上に作製したが、ナノインプリントリソグラフィのための同型または反転型マルチスケール立体格子ナノインプリント金型として作製することができる(図２(ａ)最下段)。
【実施例２】
【００２６】
（タイプIIマルチスケール格子の製造と観察）
マスクレスリソグラフィの一種である電子ビームリソグラフィを利用して図２(ｂ)の方法に基づいてタイプIIのマルチスケール格子を作製した。
図４(ｂ)に示すような0.6ミクロン四方のドットサイズと1.4ミクロン四方のドットサイズでいずれも2ミクロンピッチ間隔を組み合わせた格子を図７に示す。
この場合、小さいピッチは2ミクロンの２次元格子であり、大きいピッチは20ミクロンの１次元格子である。
【００２７】
図７(ａ)は高倍率(レンズ倍率は100ｘ)のレーザー顕微鏡で撮影された画像であり、ピッチが2ミクロンの格子を観察することができた。
この場合、2nmの微小変位量を検出することができる。
図７(ｂ)は低倍率(レンズ倍率は20ｘ)のレーザー顕微鏡で撮影された画像を示す。
この場合、より広い領域の変形分布を計測することができる。
【００２８】
当実施例はマルチスケール格子を基板上に作製したが、同型または反転型マルチスケール格子インプリント金型として作製することができる(図２(ｂ)左側最下段)。
またマルチスケール格子インプリント金型は、平板状に作製して試料に押しつけて型抜きするだけでなく、図２(ｂ)左側最下段に示すように、円筒状に作製して回転させながら試料に押しつけて型抜きしてもよい。
【００２９】
さらに、本マルチスケール格子は、薄く成型し、平板状、または、テープ状とし、試料に直接貼り付けることができる。
また本マルチスケール格子は平面格子として作製し、同様にして、試料表面に作成し、または、試料に直接貼り付けてもよい。
【００３０】
当実施例は、サブミクロンからミクロンサイズの立体格子からミクロンスケールのマルチスケール立体格子を作成し顕微鏡画像を用いてナノスケールで変形計測を実施したが、より大きく目視可能なミリスケールからメートルスケールのマルチスケール立体格子または平面格子を作製してミクロンスケールからミリスケールの変形計測を実施することができる。
【実施例３】
【００３１】
（タイプIIIマルチスケール格子の製造と観察）
マスクレスリソグラフィの一種である電子ビームリソグラフィを利用して図２(c)の方法に基づいてタイプIIIのマルチスケール格子を作製した。
図５(ｅ)に示すような0.6、0.5、0.4ミクロンのドットがそれぞれ2、4、14個ずつ1ミクロン間隔で配置された２次元格子を図8に示す。
この場合、小さい格子間隔は1ミクロンであり、大きい格子間隔は20ミクロンである。
【００３２】
図８(ａ)は高倍率(レンズ倍率は150ｘ)のレーザー顕微鏡で撮影された画像であり、1ミクロンの格子を観察することができた。1ミクロン間隔の格子にサンプリングモアレ法(特許文献１)を用いれば、1nm程度の微小変形分布を測定できる。図８(ｂ)は低倍率(レンズ倍率は20x)のレーザー顕微鏡で撮影された画像を示す。
【００３３】
この20ミクロン間隔の格子を観察することで、1ミクロンの格子を観察する場合に比べて、20倍広い範囲で変形分布を解析できる。
【００３４】
同じ製造手法を用いて、図９(２方向に1ミクロン間隔の微小格子を、誌面水平方向に20ミクロン間隔の大きな格子を描いた)、図１０(二方向に1ミクロン間隔の微小格子を、誌面水平方向に10ミクロン間隔の大きな格子を描いた)に示すような格子間隔を調整した格子を比較的容易に作製することができた。
【００３５】
当実施例はマルチスケール格子を基板上に作製したが、同型または反転型マルチスケール格子インプリント金型として作製することができる(図２(ｂ)右側最下段)。
またマルチスケール格子インプリント金型は、平板状に作製して試料に押しつけて型抜きするだけでなく、図２(ｂ)右側最下段に示すように、円筒状に作製して回転させながら試料に押しつけて型抜きしてもよい。
【００３６】
さらに、マルチスケール格子は、薄く成型し、平板状、または、テープ状とし、試料に直接貼り付けることができる。
また本マルチスケール格子は平面格子として作製し、同様にして、試料表面に作成し、または、試料に直接貼り付けてもよい。
【００３７】
当実施例は、サブミクロンサイズの立体格子からミクロンスケールのマルチスケール立体格子を作成し顕微鏡画像を用いてナノスケールで変形計測を実施したが、より大きく目視可能なミリスケールからメートルスケールのマルチスケール立体格子または平面格子を作製してミクロンスケールからミリスケールの変形計測を実施することができる。
【実施例４】
【００３８】
（マルチスケールモアレ縞の生成）
図６に示したタイプＩマルチスケール格子を用いて生成したモアレ縞を図１１に示す。図１１の(ａ)、(ｂ)は120ミクロン間隔格子からそれぞれ水平方向、垂直方向から生成したモアレ縞である。図１１の(ｃ)、(ｄ)はミリングされた(削られた)領域の0.8ミクロン間隔格子からそれぞれ水平方向、垂直方向から生成したモアレ縞である。異なるスケールでの観察領域において、両方ともモアレ縞を生成することができた。
【００３９】
特許文献１に記載しているサンプリングモアレ法はモアレ縞の位相解析から材料の変形分布を定量評価することができる。本発明のマルチスケール格子を用いれば、顕微鏡の倍率を調整することで、サンプリングモアレ法を適用してメートルオーダーの広い範囲での変形分布から局部におけるナノオーダーの微小変形分布までを測定することができる。
本発明のマルチスケール格子の格子サイズ、格子形状(平面格子と立体格子)と格子模様、または規則性は、材料、観測する変形分布と評価する測定精度に応じて適宜設計すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
繊維強化複合材料、高分子材料、金属など様々な構造材料の力学的特性の改善において様々なスケール、分解能で変形分布を計測することが重要である。本技術はマルチスケールでの変形分布計測を可能にする技術で、先進構造材料のみならず、機械工学、電気工学、航空宇宙工学、材料科学、医学分野で利用されるナノスケールから目視できるスケールを含む材料・構造の変形挙動を解明するために寄与することができる。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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