(57)【要約】  この発明は、マイクロまたはナノマシンの組を用いて、金属材料、ポリマー材料、セラミック材料、炭素ベースの材料、およびシリコンベースの材料などの材料からなるマイクロスケールおよびナノスケールの梁、膜または多層に機械的応力および／または歪みを付与して、機械的応力および／または歪みを求めるための方法ならびに装置を提供する。本発明はまた、このようなナノまたはマイクロ構造のさまざまな特性または状態、とりわけ機械的特性を導き出して修正するための方法、およびナノまたはマイクロ構造が被る外部刺激を測定するための方法を提供する。
2010518410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造（４）に応力および／または歪みを付与して、少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造（４）に付与された応力および／または歪みを求めるためのシステムであって、
基板（１）と、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）とを備える装置を備え、
前記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）は、前記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）の一部が支えなしで立つことができるように前記基板（１）に直接的または間接的に取付けられ、前記システムはさらに、
前記基準ナノまたはマイクロ構造における応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように、前記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に、または前記基板に、外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるための手段（７，８）を備える、システム。
【請求項２】
かけられた外部機械的荷重は、未知の強度を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムは、前記試験ナノまたはマイクロ構造に対する前記かけられた外部機械的荷重への応答に基づいて、前記試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段をさらに備える、請求項１から２のいずれかに記載のシステム。
【請求項４】
外部機械的荷重をかけるための前記手段（７，８，１０）は、前記試験ナノまたはマイクロ構造に対する前記かけられた外部機械的荷重を可逆的にかけることができる、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重をかけるための前記手段（７，８，１０）は、磁気的、機械的、静電気、電磁気的、光学的、音響的、熱的、化学的、構造的、核の、もしくは量子手段、またはそれらの組合せである、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
基板はメッシュ構造（２５）を備える、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
試料ナノまたはマイクロ構造に１つ以上の刺激を加えるための、および／または、機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な刺激、状態および／または特性からなるリストから選択される試料ナノまたはマイクロ構造の１つ以上の状態または特性を測定するための１つ以上の手段をさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、
−いずれの基準ナノまたはマイクロ構造（３，５）とも分離した１つ以上の自由な試料ナノまたはマイクロ構造（６）、および／または
−いずれの試料ナノまたはマイクロ構造（４，６）とも分離した１つ以上の自由な基準ナノまたはマイクロ構造（５）、および／または
−１つ以上の二重クランプ梁を備える、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、カーソル（１３，１４，１５，１６）を備える、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、圧電抵抗素子（１７）を備える、請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、一方が試験ナノまたはマイクロ構造とともに移動し、他方が自由なナノまたはマイクロ構造にまたは基板（９）に直接的または間接的に固定される少なくとも２つの電極（１８）を備える、請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
試料ナノまたはマイクロ構造（４）は、断面縮小部、および／または１つ以上の切欠（１８）、および／または１つ以上の穴（１９）、および／または１つ以上の亀裂（２０）を備える、請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
装置は、試料ナノまたはマイクロ構造（４）に取付けられ、かつ、牽引、せん断、圧縮、亀裂伝播または二軸牽引測定において前記試料ナノまたはマイクロ構造（４）を試験するように配置された少なくとも２つの基準ナノまたはマイクロ構造（３）を備える、請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記基板は、犠牲部または層（２）を備え、前記ナノまたはマイクロ構造は、犠牲部または層（２）を除去すると自由になることができる、請求項１から１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記システムは、前記寸法および／または歪み情報から、ならびに／または機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な状態および特性からなるリストから選択される試料ナノまたはマイクロ構造の状態および／または特性の測定から、前記試料ナノまたはマイクロ構造の１つ以上の物理的状態または特性を導き出すためのプロセッサをさらに備える、請求項１から１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６】
前記寸法および／または歪み情報の関数として、ならびに／または機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な状態および特性からなるリストから選択される１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の状態および／または特性の測定の関数として、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に外部からかけられた前記応力を適合させるためのコントローラをさらに備える、請求項１から１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
試料ナノまたはマイクロ構造（４）の特徴付けを支援するための方法であって、
−１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）に直接的または間接的に取付けられた１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）を備える１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるステップを備え、
１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）は、基板に対して支えなしで立つように基板に直接的または間接的に取付けられ、
前記外部機械的荷重は、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造における引起された応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるようにかけられる、方法。
【請求項１８】
前記方法は、試験ナノまたはマイクロ構造に対する前記付与された応力および／または歪みへの応答に基づいて、１つ以上の試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するステップを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記方法は、
−試料ナノおよびマイクロ構造に１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、化学的、音響的、構造的、核の、または量子力学的刺激を加えるステップ、および／または
−１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、化学的、音響的、構造的、核の、または量子力学的な状態または特性を求めるステップをさらに備える、請求項１７から１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、前記寸法および／または応力情報から、ならびに／または１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造上で測定された１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、化学的、音響的、構造的、核の、または量子力学的な状態または特性から、１つ以上の物理的またはマルチフィジックス特性を導き出すステップをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記方法は、応力および／または歪みを外部から付与する前記ステップの前に、基板上の犠牲層および／または基板の犠牲部を除去するステップをさらに備え、前記１つ以上の試料および／または基準ナノまたはマイクロ構造は、支えなしで立っている１つ以上の試料および／または基準ナノまたはマイクロ構造を得るために位置決めされる、請求項１７から２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記方法は、前記寸法および／または歪み情報の関数として、ならびに／または機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な状態および特性からなるリストから選択される試料ナノまたはマイクロ構造の状態および／または特性の前記測定の関数として、前記試験ナノまたはマイクロ構造に付与された前記応力および／または歪みを制御するステップをさらに備える、請求項１７から２１に記載の方法。
【請求項２３】
試料ナノまたはマイクロ構造に応力および／または歪みを付与して、試料ナノまたはマイクロ構造の応力および／または歪みを求めるためのシステムを製造する方法であって、
−基板（１）を取得して、１つ以上の基準（３）ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つことができるように前記基板（１）に前記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）を直接的または間接的に取付けることによって装置を形成するステップを備え、前記１つ以上の基準（３）ナノまたはマイクロ構造は、前記１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成し、前記方法はさらに、
−基準ナノまたはマイクロ構造において引起された応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように前記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるための１つ以上の手段（７，８，１０）を設けるステップを備える、方法。
【請求項２４】
前記方法は、前記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に対する前記かけられた外部機械的荷重への応答に基づいて、前記試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段を設けるステップを備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）を特徴付けるための装置であって、
−犠牲部または層（２）を備える基板（１）と、
−１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準（３）ナノまたはマイクロ構造とを備え、前記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）は、前記１つ以上の基準（３）ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つように、または前
記任意の犠牲部または層（２）が除去される場合には支えなしで立つであろうように、前記基板（１）に直接的または間接的に取付けられ、
前記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造は、１つ以上の基準ナノ、マイクロ構造において結果として生じる応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように直接的または間接的にかけられた外部機械的荷重を被るように適合される、装置。
【請求項２６】
１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に加えられた応力および／または歪みを求めるための方法であって、
−基板と、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造とを備える装置を取得するステップを備え、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が基板に対して支えなしで立つことができるように基板に直接的または間接的に取付けられ、前記方法はさらに、
−１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造のヤング率関連情報を取得するステップと、
−基準ナノまたはマイクロ構造における応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように装置に外部機械的荷重を被らせるステップと、
−前記試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造（４）の寸法および／または応力情報を導き出すステップと、
−前記寸法および／または応力情報ならびに前記ヤング率関連情報から、前記試料ナノまたはマイクロ構造に加えられた応力および／または歪みを導き出すステップとを備える、方法。
【請求項２７】
試料ナノおよびマイクロ構造に対する化学的、熱的、電気的、光学的、音響的、または核の刺激の強度を求めるための方法であって、
−基板と、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造とを備える装置を取得するステップを備え、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、前記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が基板に対して支えなしで立つことができるように基板に直接的または間接的に取付けられ、前記方法はさらに、
−前記刺激への応力または歪みの依存性に関する情報を取得するステップと、
−外部機械的荷重をかけるステップと、
−前記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、光学的、化学的、音響的、または核の刺激を被らせるステップと、
−前記１つ以上の試料および／または基準および／または試験ナノおよびマイクロ構造から寸法および／または応力情報を提供するための前記手段から寸法および／または応力情報を直接的または間接的に導き出すステップと、
−前記寸法情報から、前記かけられた外部機械的荷重、ならびに前記刺激への応力または歪みの依存性に関する前記情報、ならびに前記１つ以上の試料ナノおよびマイクロ構造に対する前記刺激の強度を導き出すステップとを備える、方法。
【請求項２８】
試料ナノおよびマイクロ構造に対する化学的、熱的、電気的、光学的、音響的、または核の刺激の強度を求めるためのセンサであって、
−請求項１から１６のいずれかに記載の、少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造（４）に応力および／または歪みを付与して、少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造（４）に付与された応力および／または歪みを求めるためのシステムと、
−前記刺激への応力または歪みの依存性に関する情報を取得するための手段と、
−前記試料に１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、光学的、化学的、音響的、または核の刺激を被らせるための手段と、
−前記１つ以上の試料および／または基準および／または試験ナノおよびマイクロ構造
から寸法および／または応力情報を提供するための前記手段から寸法および／または応力情報を直接的または間接的に導き出し、前記寸法情報から、前記付与された応力および／または歪み、ならびに前記刺激への応力または歪みの依存性に関する前記情報、ならびに前記試料ナノおよびマイクロ構造に対する前記刺激の強度を導き出すための手段とを備える、センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、マイクロおよびナノスケール測定システムおよび技術の分野、ならびにマイクロおよびナノ作製技術に関する。本発明は特に、ナノまたはマイクロ構造に機械的応力および／または歪みを付与して、ナノまたはマイクロ構造における機械的応力および／または歪みを求めるための方法、装置およびシステムに関する。このようなナノまたはマイクロ構造は、たとえば、薄膜、細い梁および薄い多層であり得る。本発明はまた、このようなナノまたはマイクロ構造のさまざまな特性または状態、とりわけ機械的特性を導き出して修正するための方法に関する。この発明は、材料生産産業およびマイクロエレクトロニクスで利用され、表面処理および機能化のために利用される。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
マイクロまたはナノスケール寸法を有する材料および構造は、従来のマクロスケールの構成要素のようには挙動しない。サブミクロン構造の機械的特性は、マイクロおよびナノシステムの設計に非常に影響を及ぼす重大なサイズ効果を示す。たとえば、マイクロエレクトロニクスおよびマイクロ電気機械システム（後者は、通常、ＭＥＭＳと称される）または薄い単層もしくは多層コーティングで日常的に用いられるものなどの薄膜または細い梁は、特性の、寸法および欠陥構造へのある特定の依存性を示し得て、上記薄膜の構造的完全性および信頼性に対してサイズ依存性の悪影響を及ぼし、結果として、耐用期間を通して薄膜を含む構成要素の信頼性に対してサイズ依存性の悪影響を及ぼす。
【０００３】
さらに、機械的応力下の材料は、多くの場合、応力を受けていない材料と比較して、異なる電気的、化学的、および概して物理的特性を有する。これはバルク材料で観察することができるが、マイクロおよびナノ構造は新しい挙動を示すことが見込まれる。マイクロおよびナノスケールの材料標本に機械的応力または歪みを制御された方法で導入し、材料標本における機械的応力または歪みを求めることは、いくつかの理由で非常に困難である。その理由とは、このようなサイズの標本が取扱を通じて容易に損傷を受けること、このようなサイズの標本を位置決めして、標本の軸に沿って均一な荷重を確保することが困難であること、標本は器具の取手に取付けるのが困難であること、多くの場合不十分な荷重分解能が存在すること、およびデータ縮約公式（data reduction formula）が精密な寸法測定に極度に敏感であること、である。
【０００４】
薄膜、細い梁または薄い多層、すなわち少なくとも１つのマイクロまたはナノスケール寸法を含む構造に応力および／または歪みを付与して、薄膜、細い梁または薄い多層に加えられた応力および／または歪みを求めるための、信頼性がありかつ費用対効果の高い方法および装置、ならびに連続的な荷重下で応力および／または歪みの発生を求めるための、信頼性がありかつ費用対効果の高い方法および装置が必要である。（金属材料、ポリマー材料、セラミック材料、たとえばそれらの中の酸化物または窒化物、カーボンナノチューブなどの炭素ベースの材料、ならびにシリコンおよび他の半導体ベースの材料、ならびに生物材料などの）マイクロおよびナノスケール材料の対象の機械的特性として、ヤング率、降伏強さ、引張り強さ、破壊強度および破壊靭性があるが、それらに限定されない。対象の他の特性として、動力学および吸収の大きさおよび機械的応力下での材料による化学元素の吸収などの結合された化学的特性、または導体における電子移動度、圧電抵抗、圧電気などの応力が制御された電気的特性などがある。このような方法および装置は、製造中に品質管理を行なうこと、またはよりよい装置の設計に鑑みて材料のよりよい知識を
得ること、または応力下の材料の新しい特性を用いる新しい工業プロセスを設計することを助け、したがって、センサタイプの用途に至ることができる。かけられた応力に付加的な刺激の存在下でまたは刺激がない状態で、小さな材料試料、すなわち薄膜、細い梁および薄い多層などの１０μｍよりも小さい少なくとも１つの寸法を有する材料試料に機械的荷重をかけて、小さな材料試料に対する機械的荷重を求めるための既存の方法を改善する必要が依然として当該技術分野に存在する。刺激の例は、化学的、光学的、熱的、電気的、光学的、化学的、音響的、もしくは核の刺激、または他の物理的変化である。特に、これらの方法をより多用途に、より精密に、より信頼性のあるものに、より単純に、およびより費用対効果を高く、ならびにデータ縮約手順においてより強固にする必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、マイクロおよび／またはナノサイズの材料内部に応力および／または歪みを付与して、マイクロおよび／またはナノサイズの材料内部の応力および／または歪みを求めるための優れた方法およびシステムを提供することである。本発明に係る実施例の利点は、マイクロおよび／またはナノサイズの材料に応力および／または歪みを付与して、マイクロおよび／またはナノサイズの材料における応力および／または歪みを求めるための信頼性のある方法およびシステムが得られることである。本発明に係る実施例の利点は、マイクロおよび／またはナノサイズの材料の機械的特性を求めるための単純なおよび／または費用対効果の高い方法およびシステムが得られることである。本発明に係る実施例の利点は、機械的応力下でマイクロおよび／またはナノサイズの材料の物理的／材料特性を求めるまたは修正するための精密なおよび／または正確な方法およびシステムが得られることである。本発明はまた、実施例においては、化学的、光学的、熱的、電気的、光学的、化学的、音響的、または核の刺激のためのセンサに関する。本発明の実施例に係るいくつかのセンサは、単純で、費用対効果が高く、信頼性があり、精密な、および／または正確なセンサである。
【０００６】
本発明のいくつかの実施例は、驚いたことに、マイクロまたはナノ作製技術の可能性を用いることによって、マイクロメートルおよびナノメートルスケールの膜、梁、多層および体積要素の機械的試験のアプローチの変化を有利に活用できる。
【０００７】
本発明は、少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造に応力および／または歪みを付与して、少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造に付与された応力および／または歪みを求めるためのシステムであって、
基板と、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造とを備える装置を備え、上記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、上記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つことができるように上記基板に直接的または間接的に取付けられ、上記システムはさらに、
上記基準ナノまたはマイクロ構造における応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように、上記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に、または上記基板に、外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるための手段を備える、システムに関する。
【０００８】
少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造は、１つの試料ナノまたはマイクロ構造である場合もあれば、複数の試料ナノまたはマイクロ構造である場合もある。外部機械的荷重は、外部からかけられる、すなわち外部供給源を用いて引起される機械的荷重であってもよい。外部機械的荷重は、複数の試料ナノまたはマイクロ構造に同時にかけられてもよい。
【０００９】
１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、公知の機械的剛性を有していてもよい。代替的に、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の機械的剛性は、たとえば較正手順中に導き出すことが可能であってもよい。１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の機械的剛性は、ナノまたはマイクロ構造として与えられた較正材料との比較から導き出されてもよい。
【００１０】
かけられた外部機械的荷重は、未知の強度を有していてもよい。
試験ナノまたはマイクロ構造に加えられた、かけられた外部機械的荷重は、試料ナノまたはマイクロ構造に加えられた、かけられた外部機械的荷重が、外部機械的荷重をかけるための上記手段から上記基準ナノまたはマイクロ構造および／または上記基板に加えられた応力の選択された一部分であるようなものであってもよい。
【００１１】
本発明に係る実施例の利点は、加えられる外力を知る必要がないことである。本発明に係る実施例の利点は、たとえば用いられた材料の剛性の比率によって、外部機械的荷重をかけるための手段からの歪みを増幅する可能性があることである。本発明に係る実施例の利点は、基板に加えられた荷重を分ける可能性があることである。本発明に係る実施例の利点は、同時に多くの装置に歪みおよび応力を付与するおよびまたは同時に多くの装置への歪みおよび応力を求める可能性があることである。
【００１２】
本発明に係る実施例の利点は、測定を外部から制御できる、たとえば加えられた力をユーザが制御できる方法およびシステムを提供できることである。本発明に係る実施例の利点は、幅広い範囲の材料における試料ナノまたはマイクロ構造を特徴付けるために用いることができる方法およびシステムを提供することである。本発明に係る実施例の利点は、試料構造を１つ以上の基準構造に結び付けることによって、長さの変化を導き出すための手段として機能する目的、および外部応力を試料構造に結合するための手段として機能する目的を１つ以上の基準が実現できることである。
【００１３】
上記システムは、上記試験ナノまたはマイクロ構造に対する上記かけられた外部機械的荷重への応答に基づいて、上記試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段をさらに備えていてもよい。
【００１４】
外部機械的荷重をかけるための手段は、上記試験ナノまたはマイクロ構造に対する上記外部機械的荷重を可逆的にかけてもよい。本発明に係る実施例の利点は、疲労試験を行なうための方法およびシステムを提供できることである。
【００１５】
上記試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重をかけるための手段は、磁気的、機械的、静電気、電磁気的、光学的、音響的、熱的、化学的、構造的、核の、もしくは量子手段、またはそれらの組合せであってもよい。本発明に係る実施例の利点は、機械的に荷重をかけるべき材料から独立した、すなわち機械的に荷重をかけるべき材料に厳しい要件を課す、外部機械的荷重、たとえば応力をかけるための手段を用いることができることである。本発明に係る実施例の利点は、マルチフィジックス（multi-physics）特性を調査できることである。
【００１６】
基準ナノまたはマイクロ構造の長さは、試料ナノまたはマイクロ構造の長さの２倍から１００倍の間であってもよい。本発明の実施例の利点は、優れた精度で測定結果を得ることができることである。
【００１７】
基板はメッシュ構造を備えていてもよい。本発明に係る実施例の利点は、メッシュを用いると、外力／変位を容易に加えることができ、高いレベルの基板の歪みを得ることがで
きることである。
【００１８】
基準ナノまたはマイクロ構造および／または上記試料ナノまたはマイクロ構造は、内部応力を備えていてもよい。本発明に係る実施例の利点は、特定の堆積手順または温度不整合によって引起される内部応力をこれらが考慮に入れることができ、したがって、求められた物理的特性の精度が結果的に高まることである。
【００１９】
上記システムは、試料ナノまたはマイクロ構造に１つ以上の刺激を加えるための、および／または、機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な刺激、状態および／または特性からなるリストから選択される試料ナノまたはマイクロ構造の１つ以上の状態または特性を測定するための１つ以上の手段を備えていてもよい。本発明に係る実施例の利点は、多用途のシステムを得ることができ、材料の複数の物理的特性に関する情報も提供できることである。
【００２０】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段は、いずれの基準ナノまたはマイクロ構造とも分離した１つ以上の自由な試料ナノまたはマイクロ構造、および／または、いずれの試料ナノまたはマイクロ構造とも分離した１つ以上の自由な基準ナノまたはマイクロ構造、および／または、１つ以上の二重クランプ梁を備えていてもよい。本発明に係る実施例の利点は、試料ナノまたはマイクロ構造における長さの正確な変動を導き出すことができることである。
【００２１】
上記試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重をかけるための手段は、１つ以上の静電気マイクロマシンを備えていてもよい。
【００２２】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段は、カーソルを備えていてもよい。このようなカーソルは、位置を指し示すまたは導き出すために用いられてもよい。本発明に係る実施例の利点は、カーソルが周期的構造を備え得ることである。本発明に係る実施例の利点は、カーソルおよび任意に周期的な構造が、取得された寸法情報の精度の改善を支援することである。
【００２３】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段は、圧電抵抗素子を備えていてもよい。本発明に係る実施例の利点は、寸法情報を提供するための手段が試験手順のより容易な自動化を可能にし得ることである。
【００２４】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段は、一方が試験ナノまたはマイクロ構造とともに移動し、他方が自由なナノまたはマイクロ構造にまたは基板に直接的または間接的に固定される少なくとも２つの電極を備えていてもよい。本発明の実施例に係る実施例の利点は、これらが寸法変動の容量性判断を可能にし、したがって、試験手順のより容易な自動化を可能にすることである。
【００２５】
試料ナノまたはマイクロ構造は、断面縮小部、および／または１つ以上の切欠、および／または１つ以上の穴、および／または１つ以上の亀裂を備えていてもよい。本発明に係る実施例の利点は、断面の縮小が試料端部における摂動の影響の低減または回避を可能にすることである。本発明に係る実施例の利点は、切欠き、穴または亀裂を設けることによって、不均質な条件での試験が可能になることである。
【００２６】
装置は、試料ナノまたはマイクロ構造に取付けられ、かつ、牽引、せん断、圧縮、亀裂伝播または二軸牽引測定において上記試料ナノまたはマイクロ構造を試験するように配置された少なくとも２つの基準ナノまたはマイクロ構造を備えていてもよい。本発明に係る実施例の利点は、システムが多用途であり、異なるタイプの応力または歪みを測定できる
ことである。
【００２７】
基板は、犠牲部または層を備えていてもよく、ナノまたはマイクロ構造は、犠牲部または層を除去すると自由になることができる。本発明に係る実施例の利点は、使用前に、システムが固く、損傷を被りにくいことである。
【００２８】
上記システムは、上記寸法および／または歪み情報から、ならびに／または機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な状態および特性からなるリストから選択される１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の状態および／または特性の測定から、上記１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の１つ以上の物理的状態または特性を導き出すためのプロセッサをさらに備えていてもよい。
【００２９】
上記寸法および／または歪み情報の関数として、ならびに／または機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な状態および特性からなるリストから選択される１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の状態および／または特性の測定の関数として、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に対する上記外部からかけられた機械的荷重を適合させるためのコントローラをさらに備えていてもよい。
【００３０】
本発明は、また、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の特徴付けを支援するための方法であって、
１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付けられた１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造を備える１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるステップを備え、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、基板に対して支えなしで立つように基板に直接的または間接的に取付けられ、上記外部機械的荷重は、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造における引起された応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるようにかけられる、方法に関する。
【００３１】
上記方法は、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に対する上記かけられた外部機械的荷重への応答に基づいて、１つ以上の試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するステップを備えていてもよい。
【００３２】
上記方法は、試料ナノおよびマイクロ構造に１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、化学的、音響的、構造的、核の、または量子力学的刺激を加えるステップ、および／または、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、化学的、音響的、構造的、核の、または量子力学的な状態または特性を求めるステップをさらに備えていてもよい。
【００３３】
上記方法は、上記寸法および／または応力情報から、ならびに／または１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造上で測定された１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、化学的、音響的、構造的、核の、または量子力学的な状態または特性から、１つ以上の物理的またはマルチフィジックス特性を導き出すステップをさらに備えていてもよい。導き出された物理的特性は、たとえば、構造における歪みまたはそこから導き出された物理的特性であってもよい。この方法は任意に、上記歪みに関連して１つ以上の物理的特性を導き出すステップを備えていてもよい。
【００３４】
上記方法は、外部機械的荷重をかける上記ステップの前に、基板上の犠牲層および／または基板の犠牲部を除去するステップをさらに備えていてもよく、上記１つ以上の試料および／または基準ナノまたはマイクロ構造は、支えなしで立っている１つ以上の試料およ
び／または基準ナノまたはマイクロ構造を得るために位置決めされる。
【００３５】
上記方法は、上記寸法および／または歪み情報の関数として、ならびに／または機械的、電気的、光学的、化学的、音響的、熱的、構造的、核の、および量子力学的な状態および特性からなるリストから選択される試料ナノまたはマイクロ構造の状態および／または特性の上記測定の関数として、上記試験ナノまたはマイクロ構造に付与された上記応力および／または歪みを制御するステップをさらに備えていてもよい。
【００３６】
本発明は、また、試料ナノまたはマイクロ構造に応力および／または歪みを付与して、試料ナノまたはマイクロ構造の応力および／または歪みを求めるためのシステムを製造する方法であって、
−基板を取得して、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つことができるように上記基板に上記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造を直接的または間接的に取付けることによって装置を形成するステップを備え、上記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、上記１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成し、上記方法はさらに、
−１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造において引起された応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように上記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるための１つ以上の手段を設けるステップを備える、方法に関する。この方法は、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つことができるように上記１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造を設けるステップを備えていてもよい。
【００３７】
上記方法は、上記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に対する上記かけられた外部機械的荷重への応答に基づいて、上記１つ以上の試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための手段を設けるステップを備えていてもよい。
【００３８】
製造方法は任意に、試料ナノおよびマイクロ構造に１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、光学的、化学的、音響的、または核の刺激を加えるための手段を設けるステップを備えていてもよい。製造方法は任意に、試料ナノおよびマイクロ構造と任意の刺激との相互作用から導き出された１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、音響的、または核の影響を求めるための手段を設けるステップを備えていてもよい。製造方法は任意に、上記試料および基準ナノまたはマイクロ構造に関する寸法情報を提供するための手段から得られた寸法情報の関数で、装置にかけられた応力を適合させるためのコントローラを設けるステップを備えていてもよい。
【００３９】
本発明は、また、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造を特徴付けるための装置であって、
犠牲部または層を備える基板と、
１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造とを備え、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、上記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つように、または上記任意の犠牲部または層がたとえば上記部分の下方から除去される場合には支えなしで立つであろうように、上記基板に取付けられ、
上記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造は、１つ以上の基準ナノ、マイクロ構造において結果として生じる応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように直接的または間接的にかけられた外部機械的荷重を被るように適合さ
れる、装置に関する。
【００４０】
本発明は、また、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に加えられた応力および／または歪みを求めるための方法であって、
基板と、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造とを備える装置を取得するステップを備え、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が基板に対して支えなしで立つことができるように基板に直接的または間接的に取付けられ、上記方法はさらに、
１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造のヤング率関連情報を取得するステップと、
基準ナノまたはマイクロ構造における応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように装置に外部機械的荷重を被らせるステップと、
上記試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造の寸法および／または応力情報を導き出すステップと、
上記寸法および／または応力情報ならびに上記ヤング率関連情報から、上記１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に加えられた応力および／または歪みを導き出すステップとを備える、方法に関する。
【００４１】
本発明は、また、１つ以上の試料ナノおよびマイクロ構造に対する化学的、熱的、電気的、光学的、音響的、または核の刺激の強度を求めるための方法であって、
基板と、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造とを備える装置を取得するステップを備え、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が基板に対して支えなしで立つことができるように基板に直接的または間接的に取付けられ、上記方法はさらに、
上記刺激への応力または歪みの依存性に関する情報を取得するステップと、
外部機械的荷重をかけるステップと、
上記試料に１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、光学的、化学的、音響的、または核の刺激を被らせるステップと、
上記試料および／または基準および／または試験ナノおよびマイクロ構造から寸法および／または応力情報を提供するための上記手段から寸法および／または応力情報を直接的または間接的に導き出すステップと、
上記寸法情報から、上記付与された応力および／または歪み、ならびに上記刺激への応力または歪みの依存性に関する上記情報、ならびに上記１つ以上の試料ナノおよびマイクロ構造に対する上記刺激の強度を導き出すステップとを備える、方法に関する。
【００４２】
本発明は、さらに、試料ナノおよびマイクロ構造に対する化学的、熱的、電気的、光学的、音響的、または核の刺激の強度を求めるためのセンサであって、
少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造に応力および／または歪みを付与して、少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造に付与された応力および／または歪みを求めるための上述のシステムと、
上記刺激への応力または歪みの依存性に関する情報を取得するための手段と、
上記試料に１つ以上の化学的、光学的、熱的、電気的、光学的、化学的、音響的、または核の刺激を被らせるための手段と、
上記試料および／または基準および／または試験ナノおよびマイクロ構造から寸法および／または応力情報を提供するための上記手段から寸法および／または応力情報を直接的または間接的に導き出し、上記寸法情報から、上記付与された応力および／または歪み、ならびに上記刺激への応力または歪みの依存性に関する上記情報、ならびに上記１つ以上の試料ナノおよびマイクロ構造に対する上記刺激の強度を導き出すための手段とを備える、センサに関する。
【００４３】
本発明には、いくつかの実施例において、１つ以上の以下の利点もある。
本発明は、システムにかけられている応力を変更することによって、機械的荷重条件を容易に変更する可能性を提供し得る。
【００４４】
本発明は、同じ試料、たとえば同じ金属膜またはナノチューブ上で完全な応力−歪み試験を行なう可能性を提供し得る。したがって、非常に困難である／費用がかかる多くの試験構造の設置は不要である。
【００４５】
さまざまな寸法の構造上で試験を繰返すことは不要であり、これは、基板（たとえば、ウェーハ）に対する表面要件が低くなるという利点を有し、したがって、コストが低くなる。
【００４６】
外部荷重は、公知のものである必要はなく、大きくすることができる。
この発明の特定のおよび好ましい局面について、添付の独立クレームおよび従属クレームに記載する。従属クレームの特徴は、特許請求の範囲に明確に記載されているように独立クレームの特徴および他の従属クレームの特徴と組合せられてもよいだけでなく、適宜それらと組合せられてもよい。
【００４７】
本発明の上記のおよび他の特質、特徴および利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかになり、添付の図面は例としてこの発明の原理を示している。この説明は、この発明の範囲を限定することなく、単に例示の目的で与えられている。以下で引用される参照図は添付の図面を参照する。
【００４８】
それぞれの図の中で、同じ参照符号は同じまたは類似の要素を指す。
発明の詳細な説明
特定の実施例に関しておよびある特定の図面を参照して、本発明について説明するが、この発明はそれに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載される図面は、概略的であるに過ぎず、非限定的である。図中、いくつかの要素のサイズは、例示の目的で誇張されている場合があり、一定の比例に応じて描かれていない場合がある。寸法および相対的寸法は、この発明の実施のための実際の縮小には対応していない。
【００４９】
さらに、説明および特許請求の範囲の中の第１、第２、第３などの用語は、類似の要素を区別するために用いられており、必ずしも時間的に、空間的に、序列化して、またはその他の態様で順序を説明するために用いられているわけではない。そのように用いられる用語は適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される発明の実施例は、本明細書に記載されるまたは例示される順序とは他の順序での動作が可能であることを理解すべきである。
【００５０】
なお、特許請求の範囲の中で用いられる「備える」という用語は、その後に列挙される手段に限定されると解釈されるべきではなく、他の要素またはステップを排除するものではない。したがって、記載される特徴、完全体、ステップまたは構成要素の存在を、言及されるとおりに特定すると解釈されるが、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップもしくは構成要素、またはそれらの群の存在または追加を除外するものではない。したがって、「手段ＡおよびＢを備える装置」という表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなる装置に限定されるべきではない。この表現の範囲は、本発明に関して、単に関連する装置の構成要素がＡおよびＢであることを意味している。
【００５１】
同様に、これもまた特許請求の範囲の中で用いられる「結合された」または「接続され
た」または「取付けられた」という用語は、直接的な接続のみに限定されると解釈されるべきではないことに注意すべきである。「結合された」または「接続された」または「取付けられた」は、２つ以上の要素が直接的な物理的または電気的接触状態にあること、または２つ以上の要素が互いに直接接触していないが、依然として互いに協働または相互作用していることを意味し得る。
【００５２】
同様に、これもまた特許請求の範囲の中で用いられる「または（or）」という用語は、「排他的or」であると解釈されるべきではないことに注意すべきである。
【００５３】
本明細書全体を通じて「一実施例」または「実施例」に言及することは、その実施例に関連して記載される特定の特徴、構造または特質が本発明の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味している。同様に、この発明の例示的な実施例の説明の中で、この発明のさまざまな特徴は時にはその単一の実施例、図または説明の中ではグループ化されるが、これは、クレームされる発明が、各クレームにはっきりと記載されている特徴よりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではないことを理解すべきである。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、独創的局面が単一の前述の開示された実施例のすべての特徴に存在するとは言えない。さらに、本明細書に記載されるいくつかの実施例は、いくつかの特徴を含んでいるが、他の実施例に含まれる他の特徴を含んでおらず、当業者によって理解されるであろうように、異なる実施例の特徴の組合せは、この発明の範囲内であることが意図されており、異なる実施例を形成する。たとえば、以下の特許請求の範囲の中では、クレームされるいずれの実施例もいずれの組合せでも用いることができる。
【００５４】
さらに、いくつかの実施例は、コンピュータシステムのプロセッサによってまたは機能を実行する他の手段によって実現できる方法または方法の要素の組合せとして本明細書では記載されている。したがって、プロセッサは、このような方法または方法の要素を実行するための必要な命令とともに、方法または方法の要素を実行するための手段を形成する。さらに、装置実施例の、本明細書に記載される要素は、この発明を実行する目的で要素が行なう機能を実行するための手段の一例である。
【００５５】
以下の用語は、単にこの発明の理解を手助けするために提供されている。本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「応力をかけるべき材料」または「材料試料」という用語は、（１）機械的応答を特徴付ける目的で、および／または（２）試料が他の化学的または物理的変化（温度、音、電場、磁場、化学物質の存在、核反応、光などの刺激）を被るときに機械的状態または特性の変化を修正および特徴付ける目的で、および／または（３）変化した電子移動度、化学種の吸収能、核反応の速度、減衰特性、相変態、誘電特性、圧電抵抗係数などの応力下での材料または構造状態または特性の変化を特徴付ける目的で、機械的応力および／または歪みを引起したい任意の材料を指す。応力をかけるべき材料の例として、金属、シリコンおよび他の半導体材料、セラミックス、ポリマー、生物材料、ならびにとりわけ上記の材料のいくつかの層でできた多層があるが、それらに限定されない。
【００５６】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「基準材料」という用語は、ヤング率Ｅrefが公知である材料を指す。基準材料の例として、ポリシリコン、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ3Ｎ４、ＷＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｗ、Ｂ4Ｃ、Ｔｉ、ダイヤモンドなどがあるが、それらに限定されない。メリットの第１の要因は、作製方法の変化に対するヤング率の恒常性によって与えられ得る。有利に、弾性異方性が低い単相材料を用いてもよい。メリットの第２の要因は、依然として弾性があるほどに基準材料の降伏応力が大きいこと（または、および、類似して、硬度が大きいこと）であり得る。メリットの第３の要因は、多くの化学薬剤に対する優れたエッチング選択性であり得る。メリットの第４の
要因は、基準材料のヤング率が、機械的荷重に加えて試験材料にかけられた化学的または物理的影響（すなわち、刺激）によって公知のように影響を受けないまたは影響を受けること、換言すれば、上記刺激に対するヤング率の（したがって、応力または歪みの）依存性が公知であることであり得る。なお、この発明のいくつかの実施例では、基準材料は、応力をかけるべき材料と同じ性質および組成からなっている可能性がある。
【００５７】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「試料ナノまたはマイクロ構造」または単に「試料構造」という用語は、少なくとも１つの寸法がマイクロまたはナノメートル範囲にある、応力をかけるべき材料でできた固体物体を指す。少なくとも１つの寸法は、たとえば、１０μｍから１ｎｍまでの範囲の厚みを有していてもよい。典型的な試料ナノまたはマイクロ構造は梁である。「基準ナノまたはマイクロ構造」または単に「基準構造」という用語は、上述のものと同じ寸法限界を有するが、基準材料でできており、より一般的には、その剛性が公知である固体物体を指す。本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「試験ナノまたはマイクロ構造」または単に「試験構造」という用語は、ともに接続された試料ナノまたはマイクロ構造と基準ナノまたはマイクロ構造との組合せを指す。本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「接続点」または「接続領域」という用語は、試験ナノまたはマイクロ構造において試料ナノまたはマイクロ構造および基準ナノまたはマイクロ構造が接続される点または領域を指す。
【００５８】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「始動点」または「始動領域」という用語は、ナノまたはマイクロ構造（たとえば、試料または基準）が基板、犠牲層、または外部機械的荷重を加えるための手段に直接的または間接的に接続される、または接続されることができる点または領域を指す。
【００５９】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「自由な試料ナノまたはマイクロ構造」または単に「自由な試料構造」という用語は、基準ナノまたはマイクロ構造に接続されていない試料ナノまたはマイクロ構造を指す。「自由な基準ナノまたはマイクロ構造」または単に「自由な基準構造」という用語は、試料ナノまたはマイクロ構造に接続されていない基準ナノまたはマイクロ構造を指す。「自由な試料ナノまたはマイクロ構造の端点」または「自由な試料ナノまたはマイクロ構造の端部領域」という用語は、試料ナノまたはマイクロ構造および基準ナノまたはマイクロ構造が接続される場合に試料ナノまたはマイクロ構造が基準ナノまたはマイクロ構造と交わるであろう点または領域を指す。「自由な基準ナノまたはマイクロ構造の端点」または「自由な基準ナノまたはマイクロ構造の端部領域」という用語は、基準ナノまたはマイクロ構造および試料ナノまたはマイクロ構造が接続される場合に基準ナノまたはマイクロ構造が試料ナノまたはマイクロ構造と交わるであろう点または領域を指す。
【００６０】
「二重クランプ梁」という用語は、両端で基板に接続される梁を指し、この梁は、試料材料、基準材料または基板と同じまたは異なる材料からなっている可能性がある。
【００６１】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「犠牲層」という用語は、基板と、（たとえば試験ナノまたはマイクロ構造、自由な基準ナノまたはマイクロ構造、または自由な試料ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁などの）１つ以上のナノまたはマイクロ構造との間に任意に設置される材料の層を指す。本発明のいくつかの実施例では、この層は、（たとえば試験ナノまたはマイクロ構造、自由な試料ナノまたはマイクロ構造、および自由な基準ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁などの）１つ以上のナノまたはマイクロ構造を解放するために除去される（たとえば、溶融される、またはエッチングされてなくなる、または溶解してなくなる）ことを意図している。犠牲層のための材料の例として、一般的公式ＳｉＯ2の材料、シリコン（たとえば、アモル
ファスシリコン、結晶シリコン、ポリシリコン、多孔質シリコン）、タングステン、当該技術分野において公知のレジスト材料、除去可能なポリマー材料（たとえば、ポリイミド）、水溶性の塩などがあるが、それらに限定されない。犠牲層は好ましくは、ナノまたはマイクロ構造（たとえば、試験ナノまたはマイクロ構造、試料ナノまたはマイクロ構造、および基準ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁）を損傷することなく特定の溶液中で除去できる（たとえば、エッチングされてなくなる）材料である。本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「犠牲部」という用語は、本発明のいくつかの実施例では、ナノまたはマイクロ構造（たとえば、試験ナノまたはマイクロ構造、試料ナノまたはマイクロ構造、および基準ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁）を損傷することなく特定の溶液中で除去される（たとえば、エッチングされてなくなる）ことを意図する基板の一部を指す。
【００６２】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「基板」という用語は、任意の犠牲層、ナノまたはマイクロ構造（たとえば、試験ナノまたはマイクロ構造、自由な基準ナノまたはマイクロ構造、および自由な試料ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁）を適用できる任意の材料を指す。基板のメリットの第１の要因は、非常に平坦であることである。基板のメリットの第２の要因は、故障なくある量の変形を可能にすることである。基板の例として、半導体材料、たとえばシリコン、ゲルマニウム、（たとえばＧａＡｓまたはＩｎＰなどの）ＩＩＩ−Ｖ族材料、アルミナ、ガラス、石英、（たとえば鋼などの）金属、ポリマー材料（たとえば、多くの場合テフロン（登録商標）として知られているＰＴＦＥ）などがあるが、それらに限定されない。
【００６３】
いくつかの実施例では、「深いエッチング」は、基板の厚み全体を通る１つ以上の穴を作り出す。いくつかの実施例では、これらの穴は、マイクロ構造の解放前に、マイクロ構造の解放と同時に、またはマイクロ構造の解放後に作られる。穴は、たとえば透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope）（ＴＥＭ）で試料マイクロ構造を調べるのに役立ち得る。いくつかの実施例では、穴は、トラスのような構造に繋がる四角形または六角形である。いくつかの実施例では、基板の残りの部分の一部は、湾曲部または「板ばね」構造を備える。いくつかの実施例では、基板の１つ以上の穴の上方に１つ以上のマイクロ構造が設置されるか、または、マイクロ構造の下方に穴が機械加工される。いくつかの実施例では、１つ以上のマイクロ構造は基板の残りの部分に結合される。これは有利である。なぜなら、基板に加えられた外力および／または変位が、マイクロ構造に到達する前にたとえば１０分の１以上に縮小できるためであり、より小さなマイクロ構造よりも大きな基板に外力および／または変位を加えることがより容易であるためであり、基板が破壊なくより大きな歪みを被ることができるためである。
【００６４】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「エッチング手順」という用語は、ナノまたはマイクロ構造（たとえば、試験ナノまたはマイクロ構造、自由な基準ナノまたはマイクロ構造、および自由な試料ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁）を解放するために用いられる方法論を指す。好ましくは、エッチングステップ中、犠牲層は、ナノまたはマイクロ構造（たとえば、試験ナノまたはマイクロ構造、自由な基準ナノまたはマイクロ構造、および自由な試料ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁）を腐食させることなく除去される（または、犠牲層を用いない場合には、基板の犠牲部が除去される）。エッチング策の例は、とりわけ、二酸化シリコンをエッチングするための（液相または気相下の）フッ化水素酸ベースの溶液；ポリシリコン、シリコンまたはアモルファスシリコンをエッチングするためのテトラメチルアンモニウム水酸化物（Tetramethylammonium hydroxide）（ＴＭＡＨ）ベースの溶液；タングステンをエッチングするための過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）；ドープされたシリコンまたはポリシリコンをエッチングするためのフッ化水素酸／硝酸／酢酸混合物（hydrofluoric acid/nitric acid/acetic acid mixture）（ＨＮＡ）ベースの溶液；フォトレジストなどのポリマーをエッチン
グするための溶媒のような溶液；水溶性の層（たとえば、ゼラチンのような層または塩）を溶解するための水溶液（たとえば、水）；単結晶シリコン、アモルファスシリコンまたはポリシリコンをエッチングするための六フッ化硫黄（ＳＦ6）；シリコンベースの材料を等方的にエッチングするための二フッ化キセノン（ＸｅＦ2）を含むが、それらに限定されない。
【００６５】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「解放」という用語は、解放されるべき実体（たとえば、試験ナノまたはマイクロ構造、自由な基準ナノまたはマイクロ構造、および自由な試料ナノまたはマイクロ構造、または二重クランプ梁）に隣接するところから基板の大半（または、犠牲層が存在する場合にはこのような層）を除去する動作を指す。係止点として、解放されるべき実体の下にこの基板のごく一部（または犠牲層）を残しておくことは都合がよい。
【００６６】
本明細書で用いられるように、および特に明記しない限り、「電気機械的特性」という用語は、機械的特性（たとえば、ヤング率）または状態（たとえば、歪み）に対する電流または電場の影響、および電気的特性（たとえば、伝導性、超伝導性）または状態（たとえば、電流勾配）に対する機械的応力／歪みの影響の両方を指す。「光学機械的特性」という用語は、機械的特性（たとえば、ヤング率）または状態（たとえば、歪み）に対する電磁放射（たとえば、光またはレーザビーム）の影響、および／または光学的特性（たとえば、屈折率）に対する機械的応力／歪みの影響を指す。「化学機械的特性」という用語は、機械的特性（たとえば、降伏応力）または状態（たとえば、歪み）に対する化学種の存在の影響、および化学的特性（反応性、吸収作用、…）または状態（たとえば、吸収勾配）に対する機械的応力／歪みの影響の両方を指す。「熱機械的特性」という用語は、機械的特性（たとえば、降伏応力）または状態（たとえば、歪み）に対する温度の影響、および熱特性（たとえば、熱容量、熱伝導性）または状態（たとえば、温度）に対する機械的応力／歪みの影響の両方を指す。「構造機械的特性」という用語は、機械的特性（たとえば、ヤング率、歪み硬化能、破壊応力）または状態（たとえば、歪み）に対する材料構造の変化（相変態、重合の度合）の影響、および材料の構造（たとえば、結晶構造の変化、結晶化、相混和性の変化）に対する機械的応力／歪みの影響の両方を指す。「核−機械的特性」という用語は、機械的特性（たとえば、降伏応力）または状態（たとえば、歪み）に対する核反応の影響、および核特性（たとえば、核反応の速度）に対する機械的応力／歪みの影響の両方を指す。「マルチフィジックス特性」という用語は、機械的特性（たとえば、降伏応力）または状態（たとえば、応力）に対する任意の条件（たとえば、刺激）の影響、および任意の材料特性または状態に対する機械的応力／歪みの影響の両方を指す。マルチフィジックス特性の例として、音響機械的特性または磁気機械的特性があるが、それらに限定されない。したがって、マルチフィジックス特性は、システムの２つの物理的特性の組合せを指してもよい。
【００６７】
ここで、この発明のいくつかの実施例の詳細な説明によって、この発明について説明する。この発明の他の実施例は、この発明の真の精神または技術的教示から逸脱することなく、当業者の知識に従って構成されることができ、この発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることは明らかである。
【００６８】
第１の局面において、本発明は、１つ以上のナノまたはマイクロサイズの試料に応力および歪みを付与して、１つ以上のナノまたはマイクロサイズの試料における応力および歪みを求めるためのシステムに関する。このようなシステムは、たとえば、マイクロまたはナノ張力計であってもよい。このシステムは、マイクロまたはナノサイズの材料試料の取扱、調査または処理に好適である。このシステムは、基板を備える装置を備える。基板は、シリコン、アルミナ、ゲルマニウム、ガラス、セラミック、有機ポリマー、ＩＩＩ−Ｖ族材料および金属からなる群から選択される１つ以上の材料を備えていてもよいが、この
発明はそれに限定されない。たとえば変形システムとも称される機械的荷重を加えるためのさらなる手段で支援される装置が、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造に機械的荷重をかけて、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造の機械的荷重を測定するために用いられてもよい。
【００６９】
この機能を実現するために、本発明の実施例に係る装置は、少なくとも１つの基準ナノまたはマイクロ構造を備える。基準ナノまたはマイクロ構造は、試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付け可能であって、試験ナノまたはマイクロ構造を形成する。１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造は、上記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の各々の一部が支えなしで立つことができるように直接的または間接的に基板に取付けられてもよい。このことは、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つこと、または犠牲部もしくは層が上記部分の下方から除去される場合には支えなしで立つであろうということを含んでいてもよい。基板の上方に支えなしで立っている基準ナノまたはマイクロ構造を取付けるための有利な方法は、上に横たわっている基準ナノまたはマイクロ構造を自由にするために除去されることができる犠牲部または層を備える基板を用いることに頼る。本発明の実施例では、基板は、したがって、最初に１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造を埋め込む犠牲部または層を備えていてもよい。たとえば、基板は、エッチングなどであるがそれに限定されない任意の手段によって除去できる部分を有していてもよい。本発明の実施例では、基板は、犠牲層、すなわちエッチングなどであるがそれに限定されない何らかの手段によって除去できる層によって覆われていてもよい。犠牲層は、たとえば、化学もしくは物理蒸着によってまたはその他の手段によって基板の上に作られてもよい。代替的にまたはこれに加えて、基準ナノまたはマイクロ構造は、（たとえば、気体−液体−固体機構を用いて、シリコン、カーボンナノチューブなどのある特定の材料からなるナノワイヤを成長させることによって）支えなしで立つように基準ナノまたはマイクロ構造を成長させることによって、または、たとえばナノ操作およびナノワイヤの取付けなどの当業者にとって周知のさまざまなナノまたはマイクロ技術処理によって基準ナノまたはマイクロ構造を取付けることによって、得られてもよい。示されるように、基準ナノまたはマイクロ構造は、直接的または間接的に基板に取付けられることができる。直接的に基板に取付けられるとは、基準ナノまたはマイクロ構造が基板との接触および取付点を有することを意味している。間接的に基板に取付けられるとは、基準ナノまたはマイクロ構造が基板との接触点を持たないが、基板に取付けられた別の構造自体（たとえば、任意の犠牲層の部分であり、上記部分は除去または消去されることを意図していない）との接触点を有することを意味している。
【００７０】
本発明の実施例では、この装置は、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造を備えていてもよく、これらの１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造のうちの少なくとも１つは、一方では１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造のうちの１つに直接的または間接的に取付けられ、他方では基板、または任意の犠牲層の、除去または消去されることを意図していない部分に直接的または間接的に取付けられる。試料ナノまたはマイクロ構造および基準ナノまたはマイクロ構造のアセンブリは、試験ナノまたはマイクロ構造を形成する。試料ナノまたはマイクロ構造および基準ナノまたはマイクロ構造は、同一の断面を有している場合もあれば、２つの異なる幅および／または厚みを有する２つの断面を有している場合もある。試料ナノまたはマイクロ構造は、基板または他の構造に取付けられてもよく、少なくとも１つの基準ナノまたはマイクロ構造について説明したのと同様にまたは類似して、支えなしで立つことができる部分を有していてもよい。
【００７１】
この装置はさらに、基準ナノまたはマイクロ構造に直接的に接続されていない１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造、および／または試料ナノまたはマイクロ構造に直接的に接続されていない１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造を備えていてもよい。これらのマイクロ構造は、自由なナノまたはマイクロ構造と称することができ、基板または消去さ
れない犠牲層の部分に直接的または間接的に取付けられてもよい。それらの自由なナノまたはマイクロ構造は、自由でない対応部で生じるであろう寸法変化を容易に測定できるという目的を有し得る。したがって、自由なナノまたはマイクロ構造の長さは、試験ナノまたはマイクロ構造に存在する対応する対応部と同じであってもよい。ナノまたはマイクロ構造は異なる形状を有することができる。本発明の実施例では、試験ナノまたはマイクロ構造内で生じるであろう寸法変化の測定を容易にする目的で、たとえばカーソルを備える二重クランプ梁などの二重クランプナノまたはマイクロ構造を用いることができる。それらの二重クランプ梁（図１Ｂに示される２２）は、基準材料または試験試料材料または座屈（圧縮力のある材料）もしくは破壊（伸張性のある材料）に繋がり得る過剰な内部応力を示さないその他の種類の材料で作られることができる。
【００７２】
この装置において提供される１つ以上のナノまたはマイクロ構造は、試料ナノまたはマイクロ構造の応力および／または歪みを評価するためのツールとして用いられてもよい。
【００７３】
試験ナノおよびマイクロ構造、したがって試料ナノおよびマイクロ構造は、始動点または領域を介して試験ナノおよびマイクロ構造全体に加えられた変形、または基板に加えられた変形によって、機械的荷重を被ってもよい。本発明に係る実施例では、このシステムは、したがって、試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重、たとえば応力および／または歪みを付与するための手段を備える。いくつかの実施例では、試料に取付けられた基準ナノおよびマイクロ構造は、試験試料に適用される変形増幅器の働きをし得る。実施例では、外部機械的荷重をかけるための手段は、可逆的に上記機械的荷重をかけることができる。これによって、たとえば試料ナノまたはマイクロ構造の疲労特性を試験することが可能である。代替的にまたはこれに加えて、外部機械的荷重をかけるための手段は、機械的、静電気、磁気または電磁気、熱的、化学的、または構造的手段であってもよい。
【００７４】
この発明の実施例では、基準構造は１つ以上の梁でできている。別の実施例では、基準構造は、解放後および／または加えられた外部機械的荷重下で基本的に均質な伸張性のあるまたは圧縮力のある応力および／または歪みを有する１つ以上の梁でできている。「基本的に均質な」とは、正確さを失うことなく構造の機械的挙動を均質であるようにモデリングできることを意味している。基本的に均質な構造の一例は、図９に示されるような「犬の骨（dog bone）」の形である。基本的に均質な応力および／または歪みを有する基準ナノまたはマイクロ構造の利点は、変位または歪みの測定からその歪み場を導き出すことができることである。基本的に均質な応力および／または歪みを有する基準ナノまたはマイクロ構造の別の利点は、歪みまたは寸法変化情報および基準材料のヤング率の知識から、より一般的には、基準ナノまたはマイクロ構造の剛性から応力場を容易に導き出すことができることである。
【００７５】
この発明の一実施例では、試料ナノまたはマイクロ構造に対する機械的荷重は、基準ナノまたはマイクロ構造に対する荷重の公知の一部分であり、この一部分は、基準ナノまたはマイクロ構造の剛性と試料ナノまたはマイクロ構造の剛性との選択された比率に関連する。この発明の利点は、上記比率を適切に選択することによって、試験ナノまたはマイクロ構造に加えられた外部機械的荷重を試料ナノまたはマイクロ構造上で必要なレベルに拡大または縮小できることである。
【００７６】
この手段によってかけられた外部機械的荷重の厳密な値を直接知る必要はない。試料ナノおよびマイクロ構造、ならびに／または基準ナノおよびマイクロ構造、ならびに／または試験ナノおよびマイクロ構造、ならびに／または二重クランプ梁の寸法変化または歪みレベルを直接的または間接的に知っていることで十分である。
【００７７】
導入される外部機械的荷重の実施例の一例として、巨視的変形マシンの使用を検討する
ことができ、この巨視的変形マシンは、基板全体を引張り、いくつかの試験ナノまたはマイクロ構造によって被覆され、それによって装置に、したがって中に含まれる試験ナノまたはマイクロ構造および試料ナノまたはマイクロ構造にも外部応力をかける。装置または基板は、外部応力を加えるための装置または基板を把持するための把持手段とともに適合されてもよい。基板は、脆化しにくいように準備されることができる。基板に外部機械的荷重を加える利点は、上記機械的荷重を大きくできることである。この発明の利点は、この発明の一実施例では、試験ナノまたはマイクロ構造に対する機械的荷重が、基板に加えられた荷重のごく一部分であり、この一部分は、試験ナノまたはマイクロ構造の長さと、上記基板に荷重を加えるための手段の始動点間の距離との選択された比率に関連する。
【００７８】
静電気手段によって導入される機械的荷重の実施例の一例として、試験ナノまたはマイクロ構造の一方の側に直接的または間接的に取付けられて、それを引張る静電気アクチュエータの使用を検討できる。
【００７９】
圧電手段によって導入される機械的荷重の実施例の一例として、電流下で試験ナノまたはマイクロ構造に変形を引起すことになる圧電材料に試験マイクロ構造を直接的または間接的に接続できる。
【００８０】
電磁手段によって導入される機械的荷重の実施例の一例として、電磁場の影響下で動く材料に試験マイクロ構造を直接的または間接的に接続することを検討できる。このような材料は、たとえば、磁石である場合もあれば、電流ワイヤである場合もある。
【００８１】
化学的手段によって導入される機械的荷重の実施例の一例として、各試験ナノまたはマイクロ構造の変形に繋がる、液体による基板全体の膨張を検討できる。
【００８２】
熱的手段によって導入される機械的荷重の実施例の一例として、熱駆動アクチュエータに各試験ナノまたはマイクロ構造を接続することを検討できる。熱的手段によって導入される機械的荷重の実施例の別の例として、加熱部もしくは冷却部または基板すべてを検討できる。
【００８３】
構造的変化によって導入される機械的荷重の実施例の一例として、温度変化の下で試験構造に変形を引起すことになる形状記憶合金材料に各試験ナノまたはマイクロ構造を接続することを検討できる。
【００８４】
いくつかの実施例では、基板、試験マイクロまたはナノ構造は、牽引測定のために配置されてもよい。いくつかの実施例では、試験ナノまたはマイクロ構造は、圧縮測定のために配置されてもよい。さらに他の実施例では、試験ナノまたはマイクロ構造は、せん断測定のために配置されてもよい。
【００８５】
このシステムは、試料ナノまたはマイクロ構造についての寸法情報を提供するため、たとえば試験マイクロまたはナノ構造内の１つ以上の寸法変化を求めるために用いられてもよい。たとえば試料の機械的特性などの異なる特性は、提供された寸法情報から導き出すことが可能であってもよい。典型的に、たとえば歪みおよび／または応力などの物理的特性は、寸法情報から直接推論されてもよい。一実施例では、異なる測定された寸法変化についての歪みおよび／または応力の知識によって、任意に破壊歪みまでの応力−歪み曲線を生成することが可能である。本発明の実施例に従って、このシステムは、したがって、１つ以上の試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造および／または二重クランプ梁についての寸法および／または歪み情報を提供するための直接的または間接的手段を備えていてもよい。寸法および／または情報を提供するための手段は、たとえば、基準マークまたはスケーリングを設けることを備えていてもよく、この基準マ
ークまたはスケーリングによって、基準マークまたはスケーリングに対する、たとえば端点または接続点などのマイクロ構造における基準点の相対的または絶対的変化を導き出すことが可能である。寸法変化を導き出すための手段は、少なくとも１つの自由なナノまたはマイクロ構造を備えていてもよく、試験ナノまたはマイクロ構造内の基準構造が自由な基準ナノまたはマイクロ構造よりも大きな寸法変化を有するか小さな寸法変化を有するかを導き出すことが可能になり、したがって相対的な寸法情報を提供する。このような自由なナノまたはマイクロ構造は、試験ナノまたはマイクロ構造に加えることができる外部応力を被らないナノまたはマイクロ構造であってもよい。同様に、寸法変化を導き出すための手段はさらに、自由な試料マイクロ構造を備えていてもよく、試験ナノまたはマイクロ構造内の試料構造が自由な試料マイクロ構造よりも大きな寸法変化を有するか小さな寸法変化を有するかを導き出すことが可能になり、したがって相対的な寸法情報を提供する。このシステムは、加えられた応力と組合せて、寸法変化から、ナノまたはマイクロ構造材料を特徴付ける物理的特性を導き出すように適合されてもよい。寸法変化を導き出すためのシステムはまた、いくつかの実施例では、たとえばカメラ、光学検出器、顕微鏡などのこのような変化を検出するための光源および検出システムである場合もあれば、光源および検出システムを備えている場合もある。この情報に基づいてこのような物理的特性を求めるためのプロセッサが設けられてもよい。このようなプロセッサは、予め定められたアルゴリズムに基づいて、ニューラルネットワークに従って、予め定められた規則を用いてなどで、動作してもよい。プロセッサは、自動的なおよび／または自動化された態様で物理的特性情報を取得することを可能にし得る。このようなプロセッサはまた、システムに外付けされていてもよく、すなわちシステムの一部でなくてもよい。プロセッサは、対象の物理的特性を算出するための算出ユニットを備えていてもよい。
【００８６】
さまざまな物理的手段によって試験ナノまたはマイクロ構造に変形／応力を付与することに加えて、試料ナノまたはマイクロ構造は、さらなる刺激によってさまざまな物理的または化学的なさらなる影響を被る可能性がある。試料ナノまたはマイクロ構造の応力／歪み状態は、さらなる刺激によって変化し得る。試料の周囲、特に基準マイクロおよびナノ構造に対するさらなる刺激の起こり得る影響は好ましくは、独立して分かっているか、無視できるほどのものであるか、回避される。このような刺激を加えるために、本発明の実施例は、このような刺激を加えるための手段を備えていてもよい。化学的刺激は、たとえば、反応物の存在下で試料ナノまたはマイクロ構造を設置するという形態を取ってもよく、その結果、（パラジウム層への水素の吸収などの）試料構造の中で応力を引起す化学反応または吸収が起こる。物理的刺激は、光学的、電気的、磁気的、熱的、核の、および音響的刺激を含むが、それらに限定されない。光学的刺激は、たとえば、試料ナノまたはマイクロ構造上にレーザビームを送るという形態を取ってもよく、その結果、応力を修正する光学的相互作用が起こる。音響的刺激は、たとえば、試料材料に音波を作り出すという形態を取ってもよい。熱的刺激は、たとえば、局所加熱によって試料ナノまたはマイクロ構造の温度を変化させるという形態を取ってもよい。核刺激は、たとえば、試料にさまざまな種類の粒子を打ち込むという形態を取ってもよい。
【００８７】
実施例では、このシステムはさらに、基板に全体的にかけられた、または試験マイクロもしくはナノ構造または試料マイクロもしくはナノ構造に局所的にかけられたさらなる電気的、光学的、化学的、音響的、熱力学的、構造的、核の、または量子力学的刺激を求める（または、モデリングによって推論する）ための手段を備えていてもよい。例として、それに限定されない本発明の実施例では、電気的特性を求めるための手段が設けられてもよい。一実施例では、１つ以上の試料マイクロまたはナノ構造が、電気接続点に接続されたループに機械加工され、試料ナノまたはマイクロ構造の伝導性の測定を可能にする。代替的にまたはこれに加えて、光学センサ、化学的特性のための検出器、音響センサ、熱センサなどが設けられてもよい。
【００８８】
一実施例では、この装置は、試料に付与されたいくつかの電気的、光学的、化学的、音響的、熱力学的、構造的、核の、または量子力学的条件についての１つ以上の寸法変化を求めるために用いられてもよく、マルチフィジックス特性を求めることを可能にする。他の実施例では、マルチフィジックス状態または特性は、寸法変化毎に、したがって応力または歪み機械的条件毎に測定され、マルチフィジックス特性を求めることを可能にする。
【００８９】
この技術で測定できる特性は、弾性率、降伏応力、破壊応力、歪み硬化能、歪み速度感受性、耐疲労性、極限引張り応力、くびれにおける歪み、弾性または塑性座屈荷重に対する耐性、破壊歪み、破壊靭性、ＪＲ曲線、破壊の基本作用、耐疲労性（ｄａ／ｄｎ対ｄＫ曲線またはヴェーラー曲線）、ならびに環境条件下でのこれらすべての特性、ならびに結合された電気機械的、光学機械的、化学機械的、音響機械的、熱機械的、構造機械的、核機械的、および／または量子力学的特性を含むが、それらに限定されない。
【００９０】
この発明の実施例では、同一のおよび／または異なる寸法を有する多数の基本マシンが用いられる。これによって、大型の１組のナノまたはマイクロ構造を用いて、有効な結果（有効な設計範囲には常にナノまたはマイクロ構造が存在する）、ならびに／または統計学的に代表的なデータ、ならびに／または異なる形状および荷重条件に関連する結果を生成することが可能である。
【００９１】
この発明のさらなる局面において、このシステムは、応力をかけるべき材料の環境において、電気的、光学的、化学的、音響的、熱力学的、構造的、核の、または量子力学的条件を導き出すためのセンサとして用いられる。
【００９２】
さらなる局面において、本発明は、試料ナノまたはマイクロ構造を特徴付けるための装置を製造する方法に関し、この方法は、基板を取得するステップと、たとえば犠牲部または層の除去後に１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つようにまたは支えなしで立つことができるように上記試験ナノまたはマイクロ構造を基板に取付けるステップとを備える。基板を取得するステップは、任意の好適な方法で行なわれてもよく、すなわち、好適な基板を取得するまたは基板を準備するステップを備えていてもよい。
【００９３】
この方法はさらに、上記試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重をかけるための１つ以上の手段を設けるステップを備えていてもよく、上記外部機械的荷重は、機械的、電磁気的、光学的、化学的、音響的、熱力学的、構造的、核の、または量子力学的手段などの手段によって上記マイクロまたはナノ構造に外部から加えられる。この手段は、外部機械的荷重を加えるための任意の好適なタイプの手段であってもよい。一実施例では、外部機械的荷重をかけるための手段は機械的手段であり、それによって、たとえば装置を把持するための把持手段が装置に設けられ、外部応力を加える。別の実施例では、これは、マイクロ構造、装置または物体に磁力または電気力を加えるための磁場または電場生成器であってもよく、マイクロ構造、装置または物体は、充電可能であり、またはマイクロ構造上で機械力に変換され得る間接的な電気力をその上で引起すために、マイクロ構造、装置または物体を通して電流を送ることができる。
【００９４】
この方法はさらに、上記１つ以上の試料および／または基準ナノまたはマイクロ構造、ならびに／または試験構造、ならびに／または二重クランプ梁のうちの少なくとも１つに関する直接的または間接的な寸法または応力情報を提供するための手段を設けるステップを備えていてもよい。このことは、引起された応力下での機械的変化が公知である基準構造を設けるステップ、目盛りに対する試験ナノまたはマイクロ構造の点の移動量を測定することができるようにするために基板上にスケーリングを設けるステップなどを備えていてもよい。他の実施例では、このことは、実際に寸法情報を求めるための光源および検出
システムを設けるステップを備えていてもよい。
【００９５】
ナノまたはマイクロ構造の特徴付けを支援するための装置またはシステムが試験ナノまたはマイクロ構造（それ自身は、基準ナノまたはマイクロ構造、試料ナノまたはマイクロ構造を備える）と犠牲層とを備える本発明の実施例では、基板はその上に３つの層を有する状態で準備される。この実施例では、犠牲層は（化学もしくは物理蒸着によってまたはその他の手段によって）基板の上に作られ、公知のヤング率を有する基準材料の層は（化学もしくは物理蒸着によってまたはその他の手段によって）犠牲層の上に作られる。基準材料の層は、堆積中にまたは堆積後のリソグラフィ手段によって基準ナノまたはマイクロ構造にパターニングされる。典型的な基準ナノまたはマイクロ構造は、長い梁であり、すなわち一方向の寸法が他方向の寸法よりも実質的に大きい特徴である。試料ナノまたはマイクロ構造は、一方では基準ナノまたはマイクロ構造に接続され、他方では犠牲層または基板に接続されるように（化学もしくは物理蒸着によってまたはその他の手段によって）作られる。ナノまたはマイクロ構造は、犠牲層を除去することによって、少なくとも部分的に自由にすることができる。代替的にまたはこれに加えて、ナノまたはマイクロ構造はまた、他の技術を用いて、たとえば基板上に直接ナノワイヤ、ナノチューブなどを成長させることによって作られてもよい。代替的にまたはこれに加えて、ナノまたはマイクロ構造はまた、他の技術を用いて、たとえばナノワイヤ、ナノチューブなどを成長させて、後にそのナノワイヤ、ナノチューブなどを基板に取付けることによって作られてもよい。典型的な試料ナノまたはマイクロ構造は、長い梁であり、すなわち一方向の寸法が他方向の寸法よりも実質的に大きい特徴である。試料ナノまたはマイクロ構造は、たとえばリソグラフィ手段によって、堆積中または堆積後にパターニングされる。一実施例では、試料マイクロまたはナノ構造は、基準マイクロまたはナノ構造の前に作られる。
【００９６】
本発明の実施例では、多くの基本試験ナノまたはマイクロ構造（たとえば、１０個以上、さらには１００個以上）が基板上に構築されてもよく、各々は基準ナノまたはマイクロ構造および／または試料ナノまたはマイクロ構造の特定の寸法（たとえば、長さ、幅、厚み）を有する。試料ナノまたはマイクロ構造の形状（まっすぐな梁、切欠き付き梁、穴を有する試料）も変更可能である。
【００９７】
試験ナノまたはマイクロ構造に含まれる基準ナノまたはマイクロ構造と好ましくは同じ寸法の自由な基準ナノまたはマイクロ構造は、基準ナノまたはマイクロ構造を作るために用いられるプロセスに続いて作られることができ、唯一の相違点は、この場合には基準ナノまたはマイクロ構造に取付けられる試料ナノまたはマイクロ構造がないことである。同様に、試験ナノまたはマイクロ構造に含まれる試料ナノまたはマイクロ構造と好ましくは同じ寸法の自由な試料ナノまたはマイクロ構造は、試料ナノまたはマイクロ構造を作るために用いられるプロセスに続いて作られることができる。唯一の相違点は、この場合には自由な試料ナノまたはマイクロ構造に取付けられる基準ナノまたはマイクロ構造がないことである。
【００９８】
自由なナノまたはマイクロ構造を生成するために犠牲層を活用する本発明の一実施例では、さまざまな構造がエッチング流体（たとえば、エッチング溶液またはガス）によって、すなわちマイクロ構造を自由にするためにマイクロ構造（たとえば、試験ナノまたはマイクロ構造、および／または自由な基準ナノまたはマイクロ構造、および／または自由な試料ナノまたはマイクロ構造、および／または二重クランプナノまたはマイクロ構造）の下に位置する基板または犠牲層の一部を除去することによって、化学的におよび／または物理的に解放される。液体溶液または気溶体に基づくエッチング法の性質は、犠牲層および／または基板、基準材料、および応力をかけるべき材料の性質に依存する。
【００９９】
場合によっては、さまざまなナノまたはマイクロ構造が堆積プロセスによって発生する
大小さまざまの内部応力および／または内部応力勾配を有することが起こり得る。一旦自由になると、試験ナノまたはマイクロ構造における接続点は、上記内部応力または内部応力勾配に起因して、面内および／または面外に移動し得る。同様に、自由な基準ナノまたはマイクロ構造および自由な試料ナノまたはマイクロ構造の端点は、面内および／または面外に移動し得る。これらの変位は、もしあれば、内部応力および／または内部応力勾配を推論するために、基板に対して相対的に測定できる。内部応力および／または内部応力勾配を求めるための他の技術は、当業者にとって公知である。この応力および／または応力勾配の知識は、重要であれば、その後の計算で用いられてもよい。
【０１００】
さらなる局面において、本発明は、１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造を特徴付ける（たとえば、１つ以上の物理的特性を求める）ための方法に関する。この方法は、本発明の第１の局面に係る実施例において上述のシステムを用いて行なわれてもよいが、この発明はそれに限定されない。このような方法は、試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付けられた基準ナノまたはマイクロ構造を備える試験ナノまたはマイクロ構造に外部応力および／または歪みを付与するステップを備えていてもよい。基準ナノまたはマイクロ構造は、基板に対して支えなしで立つように基板に直接的または間接的に取付けられる。この方法はさらに、上記応力および／または歪みを付与することに対する応答に基づいて、試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するステップを備える。例示として、例示的な方法の標準的な任意のステップについてより詳細に説明する。
【０１０１】
この方法は、試料ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的に取付けられた基準ナノまたはマイクロ構造を備える試験ナノまたはマイクロ構造を有する装置を取得するステップを備えていてもよい。基準ナノまたはマイクロ構造は、基板に対して支えなしで立つように基板に直接的または間接的に取付けられる。このことは、たとえば既製のシステムを取得することによるものである場合もあれば、たとえばこの説明に記載される任意の関連の実施例に従って基板を製造することによるものである場合もある。場合によっては、犠牲部または層が除去されていない基板が、ナノおよび／またはマイクロ構造を取得するために用いられる場合には、この方法はさらに、犠牲部または層を除去するステップを備えていてもよい。
【０１０２】
この方法は、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に加えられた外部機械的荷重を装置にかけるステップを備える。外部機械的荷重を加えるステップは、たとえば機械的、電気的、音響的、磁気的、化学的、熱的、光学的、構造的、核の、量子力学的、もしくは他の手段、またはそれらの組合せによって、任意の好適な方法で行なわれてもよい。実施例では、この方法はさらに、（たとえば、１つ以上の刺激下で）１つ以上の特定の物理的条件で試料ナノまたはマイクロ構造を設置するステップを備えていてもよい。このような特定の物理的条件の例は、電気的、磁気的、化学的、熱的、光学的、構造的、核の、量子力学的、もしくは他の条件、またはそれらの組合せである。試料ナノまたはマイクロ構造は、異なる荷重構成下で応力をかけられることができる。試験構成を「均質な条件」と「不均質な条件」とに分けることができる。均質な試験条件とは、試料ナノまたはマイクロ構造の１つの明確な断面内で応力および／または歪み場が均質である試料ナノまたはマイクロ構造を指す。例は、単軸引張り、単軸圧縮、二軸引張りまたはせん断下で変形した試料ナノまたはマイクロ構造である。不均質な試験条件とは、応力および／または歪み勾配に繋がる形状特徴を含む試料ナノまたはマイクロ構造を指す。機械的荷重は、試験ナノまたはマイクロ構造に直接的または間接的にかけられてもよい。機械的荷重は、基板およびそのナノまたはマイクロ構造の全体的な歪み、または、自由な試料ナノまたはマイクロ構造および自由な基準ナノまたはマイクロ構造に対してではなく始動点を介して試験ナノまたはマイクロ構造に対して局所的に直接付与された歪みのいずれかであり得る。
【０１０３】
この方法はまた、寸法情報を提供するための手段から寸法情報を取得するステップを備える。たとえば、この方法は、１つ以上のナノまたはマイクロ構造のうちの少なくとも１つの寸法情報を導き出して、それに基づいてナノまたはマイクロ材料の物理的特性を導き出すステップを備えていてもよい。求められた特性は、１つ以上の機械的、および／または電気機械的、および／または光学機械的、および／または化学機械的、および／または音響機械的、および／または熱機械的、および／または構造機械的、および／または核機械的、および／または量子力学的特性であってもよい。寸法情報を取得するステップは、試料ナノまたはマイクロ構造が予め定められた方向に自由な試料マイクロ構造よりも多く変化しているか少なく変化しているかを導き出すステップを備えていてもよく、基準マイクロ構造が予め定められた方向に自由な基準マイクロ構造よりも多く変化しているか少なく変化しているかを導き出すステップを備えていてもよく、基準マイクロ構造または試料マイクロ構造の予め定められた方向への寸法変動を求めるステップを備えていてもよい、などである。たとえば、均質な荷重条件の場合、機械的データの抽出は、１つ以上の寸法変化を求めることを含んでいてもよい。マイクロ構造が外部歪み下にあるときのナノまたはマイクロ構造における自由点または接続点の変位は、ナノまたはマイクロ構造が外部機械的荷重下にないときのナノまたはマイクロ構造における自由点または接続点の位置に対して測定されてもよく、したがって、寸法変化を導き出すことも可能にする。いくつかの実施例では、このことは、基準ナノまたはマイクロ構造の自由点について、および／または試料ナノまたはマイクロ構造の自由点について、および／または試験ナノまたはマイクロ構造の試料と基準部との接続点についてなされてもよい。
【０１０４】
寸法情報を取得するステップはまた、試料ナノまたはマイクロ構造を、同じ形状を有する公知の材料の別のナノまたはマイクロ構造と比較することによってなされてもよい。特に、公知の材料は、試料と同じであってもよいが、わずかに異なる条件で生産され得る。特に、比較は、マイクロおよびナノ構造の両方が応力によって壊れたかどうかを確認することに限定されてもよい。これは、生産プロセスの品質管理の点で特に有利である。
【０１０５】
基準ナノまたはマイクロ構造についても変位を求めることによって寸法情報を取得することにより、構造に加えられた厳密な力を知ることなく物理的特性を求めることが可能である。これらの測定は、たとえば基準ナノまたはマイクロ構造における歪みなどの物理的特性の値を提供し、基準材料のヤング率の知識から、基準ナノまたはマイクロ構造の引起された応力を与える。試料ナノまたはマイクロ構造における応力は、負荷平衡から、ならびに任意に基準および試料ナノまたはマイクロ構造の断面の知識から直接推論される。いくつかの実施例では、試験ナノまたはマイクロ構造における接続点の変位は、自由な基準ナノまたはマイクロ構造の端点に対して測定されてもよい。このような寸法変動の相対的な測定はまた、寸法変化の差を求めることを可能にする。
【０１０６】
代替的に、変位の測定は、基準構造上で測定することなく、試料ナノまたはマイクロ構造について行なわれてもよく、それによって、公知の加えられた力のサイズと組合せられた寸法変化から物理的特性を導き出すことができる。
【０１０７】
より一般的には、導き出された寸法変動から、引起された応力を導き出すことができ、試料ナノまたはマイクロ構造における歪みの値が取得されてもよい。したがって、各試料ナノまたはマイクロ構造における応力および歪みを推論することができ、応力をかけるべき材料の応力歪み曲線のある１点としてグラフに表わすことができる。電気的、物理的、光学的、化学的、音響的、熱力学的、構造的、核の、または量子力学的特性などの応力下の材料の他の特性は、伝統的な手段によって測定されることができ、応力の強度に関連付けられることができる。
【０１０８】
したがって、外部荷重を増大させることによって、破壊歪みまでの完全な応力歪み曲線
を生成することができる。均質な荷重タイプとは無関係に、すなわちたとえば単軸引張りせん断荷重であろうと、圧縮であろうと、二軸荷重であろうと、原理は同じである。これらすべての場合において、応力および／または歪みは、寸法変化および／または歪み測定から直接的または間接的に抽出されてもよい。化学的荷重（たとえば、装置を特定の化学的環境に晒すこと）、熱的荷重（たとえば、装置を異なる温度に晒すこと）、光学的荷重（たとえば、装置をレーザビームに晒すこと）、構造的荷重（たとえば、装置を相変化に晒すこと）、核荷重（たとえば、装置を核崩壊、核分裂または核融合反応に晒すこと）、または量子力学的荷重（たとえば、装置を特定のビームに晒すこと）などの他の荷重タイプも適用できる。
【０１０９】
不均質な荷重条件の場合、形状タイプに応じて、異なる種類の寸法変化測定を行なうことができる。たとえば、切欠きを開けること、穴の寸法を変更すること、亀裂開口変位である。完全な歪み場を求めるためにデジタル画像相関も利用することができる。
【０１１０】
測定を行なうために、基準ナノまたはマイクロ構造は好ましくは、試験試料に付与された歪みを増幅するのに十分に長い。試料ナノまたはマイクロ構造は、変位測定技術の分解能が十分に正確であるようにするのに十分に長くなければならない。基準マイクロまたはナノ構造は、試料マイクロまたはナノ構造の剛性に対して大きすぎない剛性（ヤング率との断面面積の積）を有していなければならない。そうでなければ、応力を求める精度が劣ることになる。寸法が異なる（絶対的長さおよび断面積の比率が異なる）多くの試験ナノまたはマイクロ構造を単一の基板上に作製することによって、応力をかけるべき材料の異なる選択肢およびそれらの厚みについて同じ構成を用いることが可能になり得る。このような場合、設計基準を守る試験ナノまたはマイクロ構造のサブセットが常に存在することになる。
【０１１１】
この発明のさらなる局面において、このシステムは、１つ以上の所望の電気機械的、光学機械的、化学機械的、音響機械的、熱機械的、構造機械的、核機械的、または量子力学的特性を有する試料材料を取得するために、試験ナノまたはマイクロ構造、したがって試料ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重を加えるための１つ以上の手段を有する。この発明のいくつかの実施例では、機構は、たとえば安全上の理由で、上記外部機械的荷重を加えるための１つ以上の手段を素早くオフにすることができる。この発明の一実施例では、１つ以上のサーボ機構は、応力をかけるべき材料の所望の特性または状態を維持するために、１つ以上のマイクロ構造の変位を監視し、上記外部機械的荷重を加えるための１つ以上の手段を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１Ａ】本発明の実施例に係る、試験試料に応力および／または歪みを付与して、試験試料に加えられた応力および／または歪みを求めるための例示的な方法の異なるステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の概略図である。
【図１Ｂ】本発明の別の実施例に係る、試験試料に応力および／または歪みを付与して、試験試料に加えられた応力および／または歪みを求めるための例示的な方法の異なるステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の概略図である。
【図２（ａ）】本発明の実施例に係るマイクロまたはナノ構造の概略図を表わす。
【図２（ｂ）】本発明の実施例に係るマイクロまたはナノ構造の概略図を表わす。
【図３】本発明の実施例に係る基板上のマイクロまたはナノ構造の上面図を概略的に表わす。
【図４】本発明の実施例に係る基板上のマイクロまたはナノ構造の上面図を概略的に表わす。
【図５Ａ（ａ）】本発明の実施例に係る荷重前のアセンブリ基板−基準ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図５Ａ（ｂ）】本発明の実施例に係る荷重後のアセンブリ基板−基準ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図５Ｂ（ａ）】本発明の実施例に係る荷重前の装置の上面図を概略的に表わす。
【図５Ｂ（ｂ）】本発明の実施例に係る荷重後の装置の上面図を概略的に表わす。
【図６Ａ（ａ）】本発明の別の実施例に係る荷重前のアセンブリ基板−基準ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図６Ａ（ｂ）】本発明の別の実施例に係る荷重後のアセンブリ基板−基準ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図６Ｂ（ａ）】本発明の実施例に係る荷重前の装置の上面図を概略的に表わす。
【図６Ｂ（ｂ）】本発明の実施例に係る荷重後の装置の上面図を概略的に表わす。
【図７（ａ）】本発明の実施例に係る荷重前の試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図７（ｂ）】本発明の実施例に係る荷重後の試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図８（ａ）】本発明の別の実施例に係る荷重前の試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図８（ｂ）】本発明の別の実施例に係る荷重後の試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図８（ｃ）】本発明の実施例に係る荷重前の試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図８（ｄ）】本発明の実施例に係る荷重後の試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図９】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図１０】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図１１】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図１２】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造の上面図を概略的に表わす。
【図１３】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造を示す写真である。
【図１４】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造を示す写真である。
【図１５】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造を示す写真である。
【図１６】本発明の実施例に係る試験ナノまたはマイクロ構造を示す写真である。
【図１７】本発明の実施例に係るシステムの上部図を概略的に示す。
【図１８】本発明の別の実施例に係るシステムの上部図を概略的に示す。
【図１９】本発明の実施例に係る、基板の破壊なく大きな歪みを付与することができるようにするためにトラス格子タイプの構造を有する基板の上部図を概略的に示す。
【図２０】本発明の実施例に係る、試料に外部機械的荷重を加えるための手段として用いられる静電気マイクロマシンを示す。
【発明を実施するための形態】
【０１１３】
上記の一般的原理に基づいて、ここで、図１〜図２０を参照して、本発明のいくつかの特定の実施例および例について説明するが、本発明はそれに限定されない。
【０１１４】
本発明の１つの特定の実施例では、マイクロまたはナノマシンは、さまざまなナノまたはマイクロ構造が単純な梁でできている引張り試験マシンである。例示的なシステムの原理が図１Ａに要約されている。図１Ａは、例示の目的で、前のセクションに記載された定義を具体的な例示的な構成に関連付けることも可能にする。図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）には、本発明の実施例に係るシステムが概略的に表わされている。装置に外
部機械的荷重をかけるための手段は、矢印（８）によって概念的に表わされている。図１Ａ（ａ）には、一端において基板（１）の係止部に取付けられ、かつ、犠牲層（図示せず）の上に載っている自由な試料ナノまたはマイクロ構造（６）（ここでは、梁）を備える本発明に係る装置が表わされている。ここでは試料ナノまたはマイクロ構造（４）および基準ナノまたはマイクロ構造（３）からなる試験ナノまたはマイクロ構造も表わされている。図１Ａ（ａ）の下部には、自由な基準ナノまたはマイクロ構造（５）も表わされている。この特定の実施例では、基準ナノまたはマイクロ構造（３）の初期長Ｌ01は、自由な基準ナノまたはマイクロ構造（５）の長さに等しい。この特定の実施例では、試料ナノまたはマイクロ構造（４）の初期長Ｌ02は、自由な試料マイクロ構造（６）の長さに等しい。図１Ａ（ｂ）は、解放後の、すなわち犠牲層がエッチングされてなくなった後の同じこの装置を表わしている。内部応力に起因して、自由なナノまたはマイクロ構造に対する試験ナノまたはマイクロ構造の構成要素の小さな変位Δｕ1BLおよびΔｕ2BLが生じる可能性があり、これらは二重矢印によって示されている。「ＢＬ」という文字は、それらの変位が「荷重前に」、すなわち、たとえば装置に応力をかける前に測定されることを意味する。図１Ａ（ｃ）は、外部機械的荷重（８）が装置に加えられ、全長が増大すると正である合計変位Δｕをもたらす状況を示している。変位Δｕ1ALおよびΔｕ2ALも示されている。「ＡＬ」は、ここでは、「荷重後」のことである。
【０１１５】
図１Ｂ（ａ）、図１Ｂ（ｂ）および図１Ｂ（ｃ）には、本発明の別の実施例に係るシステムが概略的に表わされている。装置に外部機械的荷重をかけるための手段は、基板に全体的に変形を課そうと、より局所的に変形を課そうと、矢印（８）によって概念的に表わされる。図１Ｂ（ａ）には、一端において基板（１）の係止部に取付けられ、かつ、犠牲層（図示せず）の上に載っている自由な基準ナノまたはマイクロ構造（５）（ここでは、梁）を備える本発明に係る装置が表わされている。ここでは基準ナノまたはマイクロ構造（３）および試料ナノまたはマイクロ構造（４）からなる試験ナノまたはマイクロ構造も表わされている。両端で基板に取付けられた二重クランプ梁（２２）も表わされている。それらの二重クランプ梁（２２）は、基準材料、または試験試料材料、または座屈（圧縮性のある材料）もしくは破壊（伸張性のある材料）に繋がり得る過剰な内部応力を示さないその他の種類の材料で作られることができる。この特定の実施例では、基準ナノまたはマイクロ構造（３）の初期長Ｌ01は、自由な基準ナノまたはマイクロ構造（５）の長さに等しい。試料ナノまたはマイクロ構造（４）の初期長はＬ02で示される。図１Ｂ（ｂ）は、解放後の、すなわち犠牲層がエッチングされてなくなった後の同じこの装置を表わしている。固定された梁に対する自由な基準ナノまたはマイクロ構造の小さな変位Δｕ3BLは、固有の内部応力に起因して起こり得る。「ＢＬ」という文字は、この変位が「荷重前」、すなわち、たとえば装置に外部応力をかける前に測定されることを意味する。変位Δｕ3BLは、基準ナノまたはマイクロ構造が収縮すると負であると定義される。変位Δｕ3BLは、以下のように基準材料内に存在する（起こり得る内部応力によって生じる）不整合歪みε1misの抽出を可能にする。
【０１１６】
【数１】
2010518410.tif 000003
【０１１７】
別の実施例では、不整合歪みは、当業者に公知のウェーハ湾曲法（ストーニー法）などの他の方法のために、または他のマイクロまたはナノ構造で、求められることができる。また、試験試料材料ε2misに関連する起こり得る不整合歪みは、１つの上記の方法を用いて得られることができる。
【０１１８】
図２（ａ）に概略的に示されているように、本発明の特定の実施例では、犠牲層（２）
と公知のヤング率Ｅrefを有する基準材料の層（３）とが、基板（１）（典型的には、堅くて厚い基板、たとえばＳｉ、鋼、ガラス）上に連続的に堆積または接着される。この発明のこの実施例では、犠牲層（２）は基板の全表面を覆っている。図２（ｂ）に示されるこの発明の別の特定の実施例では、犠牲層（２）は、好ましくは研磨された溝を備える予めパターニングされた基板（１）上に堆積させられ、犠牲層（２）の存在を特定の領域に限定する。これは有利である。なぜなら、ナノまたはマイクロ構造の係止具が形状的によりよく規定され、その結果、歪み場がより均質になり、寸法の測定がより精密になるためである。破線で丸く囲まれた部分は、基準ナノまたはマイクロ構造（３）および試料ナノまたはマイクロ構造（４）が基板（１）に取付けられる係止領域を示す。この発明の別の実施例では、基板が直接犠牲層の役割を果たす。本発明の一実施例では、基準材料の堆積後、基準材料（３）のリソグラフィがなされる。次いで、基準ナノまたはマイクロ構造（３）、たとえば異なる長さおよび幅の梁を作るために、基準材料（３）がエッチングされる。エッチングステップ後に、応力をかけるべき材料（４）を（たとえば、蒸発、スパッタリング、電気めっき、スピンコーティング、化学または物理蒸着、原子層堆積などによって）堆積させてもよい。この発明の一実施例では、リソグラフィおよびエッチングは、試料ナノまたはマイクロ構造を作るために行なわれる。本発明の別の実施例では、マイクログリッドを用いるために、試料ナノまたはマイクロ構造は最終的なパターン（形状および寸法）を有する状態で直接堆積させられる。別の実施例では、まず、フォトリソグラフィおよびエッチングによって厚いレジスト層を堆積させてパターニングし、次いで、応力をかけるべき材料をレジスト上に堆積させる。レジストを除去すると、その上にある応力をかけるべき材料も除去され、レジストがない応力をかけるべき材料のみが残る（「リフトオフ」プロセス）。本発明の別の実施例では、基準材料（３）の前に、応力をかけるべき材料（４）を堆積させる。図２（ａ）および図２（ｂ）の下側は、基準材料（３）および応力をかけるべき材料（４）の堆積ならびにリソグラフィ後に得られた試験ナノまたはマイクロ構造を示している。この発明の別の実施例では、試料ナノまたはマイクロ構造（４）は、余分な基準試料の堆積およびパターニングにかかわるすべてのステップを回避する基準ナノまたはマイクロ構造の役割を果たす（そのヤング率が公知である場合）。その場合、基準ナノまたはマイクロ構造と試料ナノまたはマイクロ構造は、同じ材料で作られ、単一の実体を形成し得る。好ましい特徴として、試料ナノまたはマイクロ構造（４）が基準試料（３）の役割を果たすとき、試験ナノまたはマイクロ構造の形状は、依然として図１Ａおよび図１Ｂおよび図２の概略図によって示され、２つの異なる幅または厚みを有する２つの断面を含み得る。これらの断面は、たとえばリソグラフィによってまたはマイクログリッドを用いることによって得られることができる。図１Ａまたは図１Ｂの実施例において求めることができる物理的特性の一例は、応力−歪み曲線、たとえば破壊歪みまでの完全な応力−歪み曲線である。
【０１１９】
この発明の一実施例では、犠牲層はエッチングされてなくなる。別の実施例では、犠牲層を堆積させず、ナノまたはマイクロ構造を直接基板上に堆積させ、ナノまたはマイクロ構造の下方の基板をエッチングすることによってナノまたはマイクロ構造は解放される。
【０１２０】
図１Ａ（ｃ）および図１Ｂ（ｃ）は、外部変形（８）が装置に加えられ、合計変位Δｕおよび試験マイクロまたはナノ構造に付与された関連の歪みεsubをもたらす状況を示している。εsubは以下に等しい。
【０１２１】
【数２】
2010518410.tif 000004
【０１２２】
ここで、Ｌ0＝Ｌ01＋Ｌ02である。この発明の一実施例では、全体的な変形εsubが基板
（１）に付与される。円形ウェーハタイプの基板（１）の場合の図示として、図３および図４を参照されたい。全体的な変形に繋がる外部機械的荷重をかけるために異なる手段を用いることができ、全体的な変形は、巨視的な引張り荷重段階、二軸荷重段階、湾曲段階、またはたとえば液体による膨張のための基板の拡張などであるがそれらに限定されない。多くの試験ナノまたはマイクロ構造が基板上に作製される実施例では、試験ナノまたはマイクロ構造はすべて、基板に加えられた全歪みを受ける。加えられた歪みは、好ましくは、試験ナノまたはマイクロ構造の方向と整列する。本発明の実施例では（図１８参照）、試験ナノまたはマイクロ構造（３，４）に外部機械的荷重をかけるための手段は、長い導電性梁（１０）を備え、この長い導電性梁（１０）は、交流または直流電流（Ｉ）の存在下でおよび右方向に極性を帯びた磁場Ｂの作用下で、ローレンツ力のために変位を発生させることになる。それによって、磁場の適切な方向は、マイクロ構造の長さ方向にローレンツ力が作用するようなものであってもよい。ローレンツ力は、式：Ｆ＝Ｉ*Ｂ*Ｌによって計算することができ、ここで、Ｆは単位がニュートンのローレンツ力であり、Ｂは単位がテスラの磁場であり、Ｉは単位がアンペアの電流であり、Ｌは導線の長さである。たとえば、ローレンツ力は、応力／歪み対を求めて、たとえば試料ナノまたはマイクロ構造のヤング率を計算することを可能にする。局所的な変位を加えるためのこの発明の別の特定の実施例は、たとえばマイクロ構造に接続された帯電した物体または帯電したマイクロ構造に静電場を加えることによって静電気荷重を用いることに頼る。上記試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重をかけるための手段の働きをし得るマイクロ構造の例が図１７および図２０に示されている。図１７では、固定マイクロ構造２４と可動基板マイクロ構造部１との電位差が試験マイクロ構造（３，４）に外部応力および／または歪みを付与する。図２０では、上記試験ナノまたはマイクロ構造に機械的荷重を外部からかけるための手段として静電気マイクロマシンが用いられる。静電気マイクロマシンは、可動マイクロ構造（２８）がばね（２６）によって取付けられた基板（１）の固定（係止）部を備える。可動マイクロ構造（２８）は、上記固定マイクロ構造（２７）と上記可動マイクロ構造（２８）との電位差が、上記試験ナノまたはマイクロ構造に機械的荷重を外部からかけるための手段として機能することになる可動マイクロ構造（２８）の移動を引起すであろうように、固定マイクロ構造（２７）に対して相対的に設置される。
【０１２３】
一実施例では、式（２）によって規定される歪みεsubは、以下のように図１Ｂｃに規定される変位Δｕ3AL（慣例により、図１Ｂｃにあるように、観察されるとΔｕ3ALは負である）の測定によって求めることができる。
【０１２４】
【数３】
2010518410.tif 000005
【０１２５】
基板に直接加えられた歪みに対応する別の実施例では、歪みεsubは、基板に加えられた歪みに等しく、この基板に加えられた歪みは、たとえば基板に取付けられた歪みゲージによって、または正確なナノメートル位置決めテーブルを用いて、または伸び計によって、標準的な巨視的機械的荷重法に特有の、この歪みを付与するために用いられる技術に関連する標準的な手順から評価することができる。別の実施例では、変位Δｕは、基板上の固定点に対して直接測定されることができる。当業者は、Δｕ1ALなどの他の寸法および／または歪み変化から歪みεsubを推論できる。
【０１２６】
試料ナノまたはマイクロ構造は、異なる形状を有することができ、異なる荷重構成下で応力をかけられることができる。試験構成を「均質な条件」と「不均質な条件」とに分けることができる。均質な試験条件とは、試料の１つの明確な断面内で応力および／または
歪み場が均質である試料を指す。単軸引張り、単軸圧縮、二軸引張りまたはせん断下で変形した試料が例として挙げられる。不均質な試験条件とは、応力および／または歪み勾配に繋がる形状特徴を含む試料を指す。
【０１２７】
均質な荷重条件下での試料ナノまたはマイクロ構造の機械的応答の分析には、試験ナノまたはマイクロ構造（すなわち、それを構成する基準ナノまたはマイクロ構造および／または試料ナノまたはマイクロ構造）に課された寸法変化を求めることが必要である。単軸引張り試験の原理について以下で説明する。他の均質な条件（せん断、二軸荷重、圧縮）の分析は非常に類似しており、詳細が変わるだけである。
【０１２８】
この発明の一実施例では、試料ナノまたはマイクロ構造への荷重条件、すなわち力および全体的な変形を求めることには、２つの相対的変位の測定が必要である。この発明の一実施例では、相対的変位Δｕ1ALおよびΔｕ2AL（図１Ａ参照）またはΔｕ3ALおよびΔｕ4AL（図１Ｂ参照）は、直接的な微視的観察または他の間接的な手段から測定される。この発明の別の実施例では、相対的変位ΔｕおよびΔｕ2AL（図１Ａ参照）またはΔｕおよびΔｕ4AL（図１Ｂ参照）は、直接的な微視的観察または他の間接的な手段から測定される。この発明の別の実施例では、相対的変位ΔｕおよびΔｕ1AL（図１Ａ参照）またはΔｕおよびΔｕ3AL（図１Ｂ参照）は、直接的な微視的観察または他の間接的な手段から測定される。この発明の別の実施例では、上で説明したように、εsubが独立して公知であるときには、Δｕ1ALまたはΔｕ2ALまたはΔｕ3AL、Δｕ4ALのみが直接的な微視的間接または他の間接的な手段から測定される。この発明の別の実施例では、試料の起こり得る内部応力によって生じる起こり得る不整合歪みε2misを量化するために、前に規定された実施例に自由な試料マイクロまたはナノ構造が追加される。この発明の別の実施例では、自由な基準ナノまたはマイクロ構造および可能な自由な試料ナノまたはマイクロ構造は、試験ナノまたはマイクロ構造を構成する基準ナノまたはマイクロ構造および試料ナノまたはマイクロ構造とは元のサイズがそれぞれに異なっており、それに従って測定を適合させなければならない。この発明の一実施例では、試験ナノまたはマイクロ構造の接続点、自由な基準ナノまたはマイクロ構造の端点、および自由な試料ナノまたはマイクロ構造の端点は、カーソル（１３）または（１４）などの変位測定ツールを備えている（図５Ａおよび図５Ｂ参照）。この発明の別の実施例では、カーソルは、周期的構造を用いて変位測定の精度を上げるより複雑な構造（１６）または（１５）である（この光学抽出技術についての詳細は、Ｐ．サンド（P. Sandoz）、Ｊ．Ｃ．ラヴァサード（J. C. Ravassard）、Ｓ．デンベレー（S. Dembele）およびＡ．ジャネックス（A. Janex）による「移動標的の高精度位置測定のための位相敏感視覚技術（Phase sensitive vision technique for high accuracy position measurement of moving targets）」ＩＥＥＥ Trans. Instrum. Meas. ４９、８６７−８７２（２０００）に記載されている）（図６Ａおよび図６Ｂ参照）。この発明の別の実施例では、カーソルは、試験ナノまたはマイクロ構造の係止具（１）に位置する１つ以上の圧電抵抗素子（１７）に置き換えられる（係止具における歪み下で、通常ポリシリコンである圧電抵抗材料ループの抵抗、変化、次いで変位は、この抵抗Ｒの変化を求めることによって記録されることができ、基準抵抗値を取得するために、類似の圧電抵抗材料ループが、自由な試料構造および／または自由な基準構造の係止具に設置されてもよい）。図７を参照されたい。または、カーソルは、図８に示されるように１つ以上の容量性ナノまたはマイクロ構造に置き換えられる。その最後の事例では、ナノまたはマイクロ構造の変位は、一方がナノまたはマイクロ構造とともに動き、他方が係止具（９）に固定される２つの電極（１８）間の容量性結合変化によって検知される。解放電極の移動方向は、固定電���に対して垂直である可能性もあれば（図８（ｂ）、電極間の間隔を変更することによるキャパシタンス値の変化）、平行である可能性もある（図８（ｄ）、電極（１８）間の結合面積を変更することによるキャパシタンス値の変化）。完全に自動化された手順は、同じチップ上に電子回路とともにこの発明のマイクロまたはナノマシンを集積できるために、容易に実行でき、これはＭＥＭＳの基本的な考え方である。
【０１２９】
別の実施例では、カーソル、周期的構造、圧電抵抗素子、または容量性素子などであるがそれらに限定されない寸法情報を直接的または間接的に導き出すための１つ以上の手段を備える中間構造によって、試料および基準構造が結合される。
【０１３０】
歪みεsubが試験マイクロまたはナノ構造および変形していない基板のみに加えられる別の実施例では、さまざまな変位は、試料マイクロ構造と基準マイクロ構造との接続点付近の基板上に設置された点に対して測定される。
【０１３１】
全歪みは、試料の長さの変化へのすべての寄与でできている。（たとえば、基板の熱膨張係数と試料ナノまたはマイクロ構造の熱膨張係数との間の不整合に起因して）歪みが内部歪みおよび機械的歪みのみでできている場合には、機械的歪みは、全歪みと内部歪みとの差として得られることができる。
【０１３２】
【数４】
2010518410.tif 000006
【０１３３】
【数５】
2010518410.tif 000007
【０１３４】
ここで、
・Ｌ01は、基準ナノまたはマイクロ構造の（解放前の）初期長である。
【０１３５】
・Ｌ02は、試料ナノまたはマイクロ構造の（解放前の）初期長である。この長さは、試料端部における摂動の影響を回避するために断面縮小部が用いられる場合には、試料の全長よりも小さい可能性がある（図９は、長さＬ02の定義を有する、単軸引張りに用いられるいわゆる「犬の骨」形状を示す）。
【０１３６】
・Δｕ4ALは、試験試料が長くなると正である。
・Ｓrefは、基準試料の断面積である。
【０１３７】
・Ｓ2は、試料ナノまたはマイクロ構造の断面積である。
・基準材料が、ヤング率Ｅrefによって特徴付けられる線形弾性材料として挙動すると仮定された。
【０１３８】
・機械的歪みおよび内部歪み以外に全歪みへの寄与はないと仮定された。たとえば圧電歪みなどの他の寄与が存在すると、それも内部歪みなどについての式に導入すべきである。
【０１３９】
第１の非常に近い近似として、試料ナノまたはマイクロ構造の断面積ＳSは、初期断面積ＳS0に等しいと見なされることができる。試料ナノまたはマイクロ構造における歪みが典型的に５％よりも大きくなると、この近似の質は悪化する。その場合は、体積保存の仮定に基づく以下の公式を用いることによって値を補正した方がよい。
【０１４０】
【数６】
2010518410.tif 000008
【０１４１】
この公式を有する断面の誤差は、通常は、材料ではめったに起こらない変形中に強い体積変化（数％）が生じる場合を除いて、１％よりも小さくなる。弾性（通常非常に小さい）または体積圧縮率に関連する断面の変化を考慮に入れるために、より正確な補正を用いることができる。
【０１４２】
同じ補正は、基準試料の断面積に対してなされることができ、そこでは、通常、歪みは試験試料における歪みよりもはるかに小さいままである。
【０１４３】
基準ナノまたはマイクロ構造（たとえば、梁）の長さは、好ましくは、加えられた最大歪みεsubがたとえば基板の脆性のために限定されるときに、または基準マイクロまたはナノ構造に課され得る最大値がたとえばその脆性のために限定されるので、変形増幅器の働きをするのに十分に大きい。試験ナノまたはマイクロ構造における基準ナノまたはマイクロ構造の長さは、好ましくは、試験ナノまたはマイクロ構造における試料ナノまたはマイクロ構造の長さの少なくとも２倍であり、試料の長さの１００倍、さらにはそれ以上であり得る。絶対長の観点からいえば、精密な測定には、測定技術の分解能に対して第１の変位Δｕ4ALが十分に大きくなるようにするのに十分に長い試料マイクロまたはナノ構造を有することが必要である。有効な測定には、εsubの測定の精度が優れている、好ましくは精度が１０％よりもよいこと、より好ましくは精度が３％よりもよいことが必要である。εsubがΔｕ3ALの測定から導き出される場合（式（３）参照）、全長Ｌ01は好ましくは、測定技術の分解能に対して第１の変位Δｕ3ALが十分に大きくなるようにするのに十分に長い。試料ナノまたはマイクロ構造は、好ましくは、測定技術の分解能に対して変位Δｕ4ALが十分に大きくなるほど堅くない。試料ナノまたはマイクロ構造は、好ましくは、変位Δｕ4ALが自由な基準試料応答に近くならないほどコンプライアンスを持っていない。典型的に、試料構造は、好ましくは基準構造の剛性の１０〜９０％の間の剛性を有し、好ましくは２０〜８０％の間の剛性を有する。寸法が異なる（絶対長および断面積の比率が異なる）多くの試験ナノまたはマイクロ構造を単一の基板上に作製することによって、材料試料および材料試料の厚みの異なる選択肢について同じ構成を用いることができる。このように、寸法が異なる多くの試験ナノまたはマイクロ構造を単一の基板上に作製することにより、設計基準を守る試験ナノまたはマイクロ構造のサブセットが存在することになる可能性が増す。
【０１４４】
上述のデータ縮約は好ましくは、表面上の膜の存在が基板の大幅な変形を引起さない（すなわち、０．０１％未満）ように厚い基板とともに用いられる。
【０１４５】
十分に制御されたＥrefを有するためには、ＷおよびＡｌなどの弾性異方性が最小である単相材料が基準材料にとって好ましい。基準材料は、好ましくは、塑性的に変形する材料では、初期の塑性変形を回避するための大きな降伏応力および大きな破壊応力を有する。データ縮約スキームは、基準試料が可塑性を帯びる普通でない場合に適合されることができる。これには、（この技術またはその他の技術を用いて）先の測定によって基準材料
の塑性応答を知ることが必要であり、または基準材料および試験材料が同じであるこの発明の実施例の場合には、加えられた変形の初期段階で同じ試験中になされた測定を用いることが必要である。
【０１４６】
場合によっては、試験ナノまたはマイクロ構造内には大きな応力勾配が存在する場合がある。その場合、試験ナノまたはマイクロ構造は面外に移動し、関連する変位を精密に求めることが困難になる。影響が限られている場合には、当業者にとって周知の補正手順を確立することができる。なお、この問題は、残留応力勾配を含むプレート上での通例の巨視的試験でも発生する。
【０１４７】
不均質な荷重条件の場合、形状に応じて異なる種類の変位測定を行なうことができる。たとえば、切欠きを開けること、穴の寸法を変更すること、亀裂（２０）開口変位をとりわけ用いることができる。完全な歪み場を求めるためにデジタル画像相関も利用することができる。代替的に、局所的な応力および／または歪み値を抽出するために近似の解または数値シミュレーションを用いることができる。
【０１４８】
形状が穴（１９）（図１１参照）、亀裂（２０）（図１２参照）、切欠き（１８）（図１０参照）を含む場合、歪み場は均質ではなく、試料ナノまたはマイクロ構造に加えられた全体的な変形から局所的な歪み場を抽出するためには数値シミュレーションが必要である。
【０１４９】
一実施例では、付与された変形εsubを変更することによって試料ナノまたはマイクロ構造を故障するまで歪ませることができる。それによって、試験ナノまたはマイクロ構造毎に、均質な荷重条件について故障までの応力歪み曲線を生成することができ、不均質な荷重条件について故障までの応力歪み場の発生を引起すことができる。試験は中断しながら行なうことができ、各歪み増分後に変位の測定を可能にする。代替的に、試験は連続的に行なうことができ、連続的な電気式変位測定が必要になる。その場合、基板に加えられた荷重速度は、歪み速度感受性の影響に対処するために変えられることができ、疲労特性を見るために繰返し荷重を加えることができる。別の実施例では、余分な外部変位が１つだけ基板に加えられ、いくつかの基本マシンが基準ナノまたはマイクロ構造および／または試料ナノまたはマイクロ構造の長さだけ異なっている状態で、異なる歪みが各試料ナノまたはマイクロ構造に加えられ、試験ナノまたはマイクロ構造毎に、均質な荷重条件について故障までの応力歪み曲線を生成することができ、不均質な荷重条件について故障までの応力歪み場の発生を引起すことができる。
【０１５０】
上記の原理を根幹として、この発明に係るいくつかのタイプのマイクロおよびナノマシンは、異なるタイプの機械的および／または電気機械的特性の測定に鑑みて作られることができる。これらのマイクロおよびナノマシンはすべて、１つ以上の直接的または間接的な変位もしくは歪み測定技術と組合せられた、上で説明した１つ以上の解放方法に頼ることができ、１つ以上の直接的または間接的な変位もしくは歪み測定技術は、物理的条件（刺激）を加えるための１つ以上の方法と任意に組合せられた外部応力を加えるための１つ以上の方法と組合せられ、物理的条件（刺激）を加えるための１つ以上の方法は、物理的状態または特性を求めるための１つ以上の方法と任意に組合せられる。原則的に、すべての組合せが可能である。この発明に従って作られることができるマイクロおよびナノマシンの如何なる制限も暗示することなく、図９〜図１６をそれぞれ参照して、測定されるべき特性のタイプのための以下の実施例の各々についてここで詳述する。
【０１５１】
図９〜図１２は、本発明の実施例に係る引張りマイクロまたはナノマシンの構造原理の上面図を示す。図９は、接続領域における故障のリスクを回避する、単軸引張り試験のためのいわゆる「犬の骨」形状を示す。異なる試料縮小量を課すことができる。計算で用い
られた関連の試料ナノまたはマイクロ構造の長さＬ02は、図に示されるように適合されるべきである。図１０は、引張り試験のための切欠き付き試料ナノまたはマイクロ構造を示す。これは、不均質な変形場の一例である。多数の切欠きおよび他の切欠きのサイズを有する他の構成を作ることができる。図１１は、穴（１９）を有する試料ナノまたはマイクロ構造試料を示す。これは、不均質な変形場の一例である。多数の穴を含む他の構成、さまざまなサイズ、形状および配置を有する他の構成を作ることができる。図１２は、引張り試験のための亀裂の入った試料ナノまたはマイクロ構造試料を示す。これは、不均質な変形場の一例である。多数の亀裂または傾斜した亀裂を有する他の構成を作ることができる。
【０１５２】
図１３は、本発明の実施例に係る圧縮マイクロまたはナノマシンの原理の上面図を示し、（４）は試料ナノまたはマイクロ構造を示している。基準ナノまたはマイクロ構造は数字（３）で表記されている。
【０１５３】
図１４は、本発明の実施例に係るせん断マイクロまたはナノマシンの原理の上面図を示す。３つの基準ナノまたはマイクロ構造（３）の間に挟まれた２つの試料ナノまたはマイクロ構造（４）が図式化されている。したがって、ナノまたはマイクロ構造は対称であり、データ縮約をより容易にする。
【０１５４】
図１５は、本発明の実施例に係るいわゆる二重片持ち梁マイクロまたはナノマシンの構造原理の上面図を示す。
【０１５５】
図１６は、本発明の実施例に係るいわゆる二軸試験マイクロまたはナノマシンの構造原理の上面図を示す。この具体的な事例では、試験ナノまたはマイクロ構造に対する変位は、２つの異なる方向に付与されなければならない。
【０１５６】
図１９は、本発明の特定の実施例に係る装置を示し、図１９では、装置が発生させる外部機械力および／または変位は、格子またはメッシュ構造（２５）によって縮小される。これによって、力を加えることがより容易になる。これは、長すぎる基準梁を用いて変形を増大させないようにする必要性も回避しながら脆い基板により多くの歪みを付与することができる方法でもある。
【０１５７】
本明細書において上述したように、この発明の１つの任意の特徴は、試験ナノまたはマイクロ構造の解放、すなわち基準ナノまたはマイクロ構造および試料ナノまたはマイクロ構造の解放をもたらすステップである。一旦すべての堆積およびリソグラフィステップが行なわれると、構造全体が解放される。実施例では、構造の解放は、梁の下方に設置された犠牲層を消去することによって行なわれる。別の実施例では、それは、構造を解放するために消去される基板自体の一部である。この解放は、応力をかけるべき材料のエッチングと同時に行なわれてもよい。梁を基板上に直接堆積させる場合には、構造全体は、梁の下方の基板の一部をエッチングすることによって解放される。適切なエッチングとは、エッチング物質が、応力をかけるべき材料に対する選択性に従って選択されることを意味する。エッチング物質の適切な選択は、当業者の一般的知識の範囲内である。たとえば、濃縮フッ化水素酸はアルミニウムをエッチングしないこと、ＴＭＡＨ溶液は、二酸化シリコンまたは窒化シリコンを腐食させることなく、ドープされていないＳｉまたはポリシリコンをエッチングすること、ＳＦ６プラズマは、マイクロエレクトロニクスで用いられる材料の大半を損傷せずに、ポリマー、溶媒に溶解したポリマーを腐食させることなく、Ｓｉをエッチングすることなどが知られている。エッチングによる基板の犠牲部の除去は、局所的なドーピングまたは基板への素子の注入によって容易になり得る。
【０１５８】
このように構造を解放することによって、基準ナノまたはマイクロ構造および試料ナノ
またはマイクロ構造はもはやどこにも載っていない状態になる。必要であれば、特定の状況下で、すなわち材料の特定の組合せの場合に、基板と解放された構造との間に認められ得る接着効果は、試料の超臨界乾燥によって、たとえばいわゆる「臨界点乾燥機」を活用することによって、回避されてもよい。
【０１５９】
この発明のマイクロおよびナノマシンの概念の単純さのおかげで、この発明のマイクロおよびナノマシンの製造プロセスは単純明快であり、信頼性がある。その最も単純なバージョンでは、完全なマイクロ作製プロセスには、機械的特性の精密な測定のために動作し得るナノまたはマイクロ構造を構築するために、３つの膜堆積および２つのフォトリソグラフィステップしか必要ではない。
【０１６０】
その単純さおよび有効性に鑑みて、本発明は大きな範囲の試料ナノまたはマイクロ構造に幅広く適用可能であり、試料ナノまたはマイクロ構造の各々の厚み、幅および形状は幅広い範囲にわたる。
【０１６１】
この発明を実行するために試料として用いることができる薄膜材料および超薄膜材料は、以下のものを含むが、それらに限定されない：
アルミニウム、パラジウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、ニッケルなどであるがそれらに限定されない金属および金属合金
さまざまな等級のシリコンチップ、シリコンカーバイドなどであるがそれらに限定されないシリコンベースの材料
ゲルマニウムベースの材料
カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ、カーバイドなどであるがそれらに限定されない炭素ベースの材料、および
ポリアニリン、ポリピロール、ポリエチレンテレフタレート／ポリアニリン複合物、およびそれらの酸をドープしたバージョンなどであるがそれらに限定されないポリマーベースの材料、特に導電性ポリマー。
【０１６２】
上述の層でできた多層
本発明は、構造の層の数が如何なるものであっても、各層の厚みが如何なるものであっても、単層薄膜および超薄膜ならびに多層膜に幅広く適用可能である。この発明の方法および装置に係る、応力をかけるべき薄層膜または超薄層膜の厚みの範囲は、好ましくは約１ｎｍから約１０μｍの範囲であり、より好ましくは約５ｎｍから約２μｍの範囲であり、最も好ましくは約５０ｎｍから約１μｍの範囲である。
【０１６３】
したがって、この発明の概念は必ずしも１つの複雑なマシンに焦点を合わせているわけではなく、いくつかの実施例では、単一の基板上で多数の基本試験ナノまたはマイクロ構造を用いて完全な実験室を生成することに関連する。これによって、大型の１組のナノまたはマイクロ構造を用いて、有効な結果（多くの場合、有効な設計範囲にはナノまたはマイクロ構造が存在する）、統計学的に代表的なデータ、異なる形状および荷重条件に関連する結果を生成することが可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図８（ｃ）】
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【図８（ｄ）】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年10月15日(2009.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）を特徴付けるための装置であって、
−犠牲部または層（２）を任意に備える基板（１）と、
−１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）に直接的または間接的に取付け可能であって、１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造を形成する１つ以上の基準（３）ナノまたはマイクロ構造とを備え、前記１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）は、前記１つ以上の基準（３）ナノまたはマイクロ構造の一部が支えなしで立つように、または前記任意の犠牲部または層（２）が除去される場合には支えなしで立つであろうように、前記基板（１）に直接的または間接的に取付けられ、
前記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造は、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造において結果として生じる応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように直接的または間接的にかけられた外部機械的荷重を被るように適合され、
基準ナノまたはマイクロ構造の長さは、試料ナノまたはマイクロ構造の長さの少なくとも２倍である、装置。
【請求項２】
少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造（４）に応力および／または歪みを付与して、少なくとも１つの試料ナノまたはマイクロ構造（４）に付与された応力および／または歪みを求めるためのシステムであって、
−請求項１に記載の装置と、
−前記基準ナノまたはマイクロ構造における応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるように、前記１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に、または前記基板に、外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるための手段（７，８）とを備え、
基準ナノまたはマイクロ構造の長さは、試料ナノまたはマイクロ構造の長さの少なくとも２倍である、システム。
【請求項３】
前記システムは、前記試験ナノまたはマイクロ構造に対する前記かけられた外部機械的荷重への応答に基づいて、前記試料および／または基準および／または試験ナノまたはマイクロ構造に関する寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための
手段をさらに備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
外部機械的荷重をかけるための前記手段（７，８，１０）は、前記試験ナノまたはマイクロ構造に対する前記かけられた外部機械的荷重を可逆的にかけることができ、および／または
前記試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重をかけるための前記手段（７，８，１０）は、磁気的、機械的、静電気、電磁気的、光学的、音響的、熱的、化学的、構造的、核の、もしくは量子手段、またはそれらの組合せである、請求項２または請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、
−いずれの基準ナノまたはマイクロ構造（３，５）とも分離した１つ以上の自由な試料ナノまたはマイクロ構造（６）、および／または
−いずれの試料ナノまたはマイクロ構造（４，６）とも分離した１つ以上の自由な基準ナノまたはマイクロ構造（５）、および／または
−１つ以上の二重クランプ梁を備え、および／または
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、カーソル（１３，１４，１５，１６）を備え、および／または
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、圧電抵抗素子（１７）を備え、および／または
寸法および／または歪み情報を直接的または間接的に提供するための前記手段は、一方が試験ナノまたはマイクロ構造とともに移動し、他方が自由なナノまたはマイクロ構造にまたは基板（９）に直接的または間接的に固定される少なくとも２つの電極（１８）を備える、請求項３または請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
試料ナノまたはマイクロ構造（４）は、断面縮小部、および／または１つ以上の切欠（１８）、および／または１つ以上の穴（１９）、および／または１つ以上の亀裂（２０）を備える、請求項２から５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
試料ナノまたはマイクロ構造（４）の特徴付けを支援するための方法であって、
−１つ以上の試料ナノまたはマイクロ構造（４）に直接的または間接的に取付けられた１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）を備える１つ以上の試験ナノまたはマイクロ構造に外部機械的荷重を直接的または間接的にかけるステップを備え、
１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造（３）は、基板に対して支えなしで立つように基板に直接的または間接的に取付けられ、
前記外部機械的荷重は、１つ以上の基準ナノまたはマイクロ構造における引起された応力および／または歪みが基本的に均一に圧縮力があるかまたは伸張性があるようにかけられ、基準ナノまたはマイクロ構造の長さは、試料ナノまたはマイクロ構造の長さの少なくとも２倍である、方法。
【国際調査報告】
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