(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張試験に用いられる薄膜試験片構造体であって、
試験対象部及びそれに連続する荷重伝達部が設けられた薄膜試験片と、
前記薄膜試験片の前記試験対象部を除いた少なくとも一部を支持する支持部材とを備え、
前記支持部材は、前記荷重伝達部に接合された試験片支持部と、前記薄膜試験片と離隔した周囲に配置されたフレーム部と、前記試験片支持部を前記フレーム部に対して引張方向に相対変位可能に連結する連結部とを有していることを特徴とする薄膜試験片構造体。
【請求項２】
前記荷重伝達部は、前記試験対象部から二軸方向に延在している請求項１に記載の薄膜試験片構造体。
【請求項３】
前記連結部は、前記荷重伝達部の軸方向を挟んだ両側に対称に設けられている請求項１又は２に記載の薄膜試験片構造体。
【請求項４】
前記連結部は、前記試験片支持部を前記フレーム部に対して弾性的に連結する弾性連結部からなる請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜試験片構造体。
【請求項５】
前記弾性連結部は、前記試験片支持部と前記フレーム部と同一材料で一体的に形成され且つ平面視で葛折状に形成されたバネ線状体からなる請求項４に記載の薄膜試験片構造体。
【請求項６】
前記バネ線状体は、前記薄膜試験片及び前記支持部材の平面方向の幅よりも、前記平面に直交する方向の厚みが大きくなっている請求項５に記載の薄膜試験片構造体。
【請求項７】
前記荷重伝達部及び前記試験片支持部には、それらを貫通する係合孔が形成されている  請求項１乃至６のいずれかに記載の薄膜試験片構造体。
【請求項８】
前記フレーム部の前記試験対象部近傍に前記薄膜試験片と同一平面を形成する層が設けられており、該層の外端縁に前記薄膜試験片と対向するマークが形成されている請求項１乃至７のいずれかに記載の薄膜試験片構造体。
【請求項９】
引張試験に用いられる薄膜試験片構造体の製造方法であって、
腐食可能な材料からなる未エッチング基板の一面側に、試験対象部及びそれに連続する荷重伝達部が設けられた薄膜試験片を形成する工程と、
前記未エッチング基板の他面側に平面視で前記試験対象部を除いた少なくとも一部に所要形状の防食処理を施す工程と、
前記未エッチング基板に対して他面側からエッチングを行うことにより、前記荷重伝達部に接合された試験片支持部と、平面視で前記薄膜試験片と離隔した周囲に配置されたフレーム部と、前記試験片支持部を前記フレーム部に対して引張方向に相対変位可能に連結する連結部とを有する支持部材を形成する工程とを備えていることを特徴とする薄膜試験片構造体の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の薄膜試験片構造体を引張試験するための方法であって、
前記薄膜試験片構造体の前記荷重伝達部及び前記試験片支持部に引張力を付与して、第１回目の引張荷重及び変位を計測し、
前記薄膜試験片構造体の前記試験対象部の破断後に、前記第１回目と同一条件にて再び前記荷重伝達部及び前記試験片支持部に引張力を付与して、第２回目の引張荷重及び変位を計測し、
前記第１回目に計測された引張荷重及び変位から、前記第２回目に計測された引張荷重及び変位をそれぞれ引き算することを特徴とする引張試験方法。
【請求項１１】
請求項１乃至８のいずれかに記載の薄膜試験片構造体を引張試験するための装置であって、
前記薄膜試験片構造体の前記支持部材の前記フレーム部が設置される設置台と、
前記薄膜試験片構造体の前記荷重伝達部に引張荷重を伝達する引張荷重伝達部材と、
前記引張荷重伝達部材を移動させるための動力を発生する駆動装置と、
前記駆動装置からの動力を前記引張荷重伝達部材に伝達する動力伝達機構と、
前記引張荷重伝達部材に負荷される荷重を計測する荷重計測装置と、
前記引張荷重伝達部材の変位を計測する変位計測装置とを備えていることを特徴とする引張試験装置。
【請求項１２】
前記引張荷重伝達部材は、前記薄膜試験片構造体に二軸方向の引張力を付与する構成である請求項１１に記載の引張試験装置。
【請求項１３】
前記引張荷重伝達部材は、基部と、前記基部から突出して前記薄膜試験片構造体の前記係合孔に挿入される係合突起とを有し、
前記設置台は、複数の平坦な設置面を有する一体品からなり、
前記引張荷重伝達部材の前記基部は、前記設置面を含む平面よりも下方に位置し、
前記引張荷重伝達部材の前記係合突起は、前記設置面を含む平面よりも上方に突出している請求項１１又は１２に記載の引張試験装置。
【請求項１４】
前記引張荷重伝達部材は、前記設置台から離反する方向に延出しており、
前記駆動装置は、前記引張荷重伝達部材の下方に配置され、前記動力伝達機構を介して前記引張荷重伝達部材に接続されている請求項１１乃至１３のいずれかに記載の引張試験装置。
【請求項１５】
前記動力伝達機構は、前記駆動装置からの駆動力が作用する力点と、前記引張荷重伝達部材に駆動力を伝達する作用点と、テコの原理により前記作用点における変位を前記力点における変位よりも増加させるための支点とを有している請求項１２乃至１４のいずれかに記載の引張試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引張試験に用いる薄膜試験片構造体、その製造方法、その引張試験方法及び引張試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシン(Micro Electro Mechanical System：MEMS)や半導体部品などのマイクロデバイスは、薄膜などの微小な部材から構成されている。これらマシン及びデバイスの性能や信頼性を向上させるためには、薄膜材料の使用寸法下における機械的・電気的特性を十分に把握したうえで設計を行うことが重要になる。電気的特性については、これまでも比較的多く調べられてきたが、機械的特性については、その試験技術の困難性から未だ明らかになっていないものが多いのが現状である。機械的特性を評価する代表的な手法としては引張試験が挙げられ、薄膜材料を対象とした引張試験は、一軸引張負荷を試験片に加えたときの抵抗荷重と変位を読み取り、試験片のヤング率、破壊強度、降伏応力等を求めるものが殆どである。
【特許文献１】特開２００７−１６３２５７号公報
【特許文献２】特開平６−１０９６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、一軸引張試験における試験片の変形挙動は、二軸以上の多軸応力下と同一であるとは考え難い。通常、マイクロマシン及びマイクロデバイスに用いられるマイクロ・ナノレベルの厚みを有する微小な構造体は、異種材料による積層構造を有しているものが多く、大部分が多軸応力条件下にあり、一軸応力条件下で存在している構造体は極めて限定される。よって、この微小な構造体から構成される製品の信頼性設計を行うためには、薄膜材料の変形挙動について、一軸応力条件下だけでなく多軸応力条件下においても十分把握できるようにすることが急務となっている。
【０００４】
例えば、特許文献１及び２では、ゴム板などの試験片をつかみ具により把持した状態でＸ−Ｙ方向に引っ張る二軸引張試験機が提案されている。しかしながら、これらの二軸引張試験機は、微小な薄膜材料を対象としたものではないため、厚みがマイクロ・ナノレベルの剛性が極めて低い薄膜材料を試験片として適用しても、薄膜試験片が捩れて正しい位置及び姿勢に保たれないために精度良い試験結果が得られず、最悪の場合には薄膜試験片が破れてしまうという問題が生じることとなる。
【０００５】
そこで本発明は、薄膜材料からなる試験片を用いて精度良く引張試験を行うことができるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る薄膜試験片構造体は、引張試験に用いられる薄膜試験片構造体であって、試験対象部及びそれに連続する荷重伝達部が設けられた薄膜試験片と、前記薄膜試験片の前記試験対象部を除いた少なくとも一部を支持する支持部材とを備え、前記支持部材は、前記荷重伝達部に接合された試験片支持部と、前記薄膜試験片と離隔した周囲に配置されたフレーム部と、前記試験片支持部を前記フレーム部に対して引張方向に相対変位可能に接続する接続部とを有していることを特徴とする。
【０００７】
前記構成によれば、薄膜試験片の荷重伝達部に支持部材の試験片支持部が接合されており、かつ、その試験片支持部が連結部によりフレーム部に対して引張方向に相対変位可能に連結されているので、薄膜試験片は、その引張方向の変位が許容されながらも捩れにくい構成となっている。したがって、薄膜材料からなる試験片を用いて正しい位置及び姿勢を安定保持しながら精度良く引張試験を行うことが可能となる。また、薄膜試験片は支持部材により安定して保持されているので、薄膜試験片のハンドリングが容易になり、薄膜試験片のハンドリング中における破損も防止することが可能となる。
【０００８】
前記荷重伝達部は、前記試験対象部から二軸方向に延在していてもよい。
【０００９】
前記構成によれば、試験対象部に二軸方向の引張力を付与することができるので、安定して二軸引張試験を行うことが可能となる。
【００１０】
前記連結部は、前記荷重伝達部の軸方向を挟んだ両側に対称に設けられていてもよい。
【００１１】
前記構成によれば、荷重伝達部の軸方向を挟んだ対となる連結部が対称であることにより、薄膜試験片の位置及び姿勢が軸方向に対して対称に保たれるので、安定した状態で精度良く引張試験を行うことができる。
【００１２】
前記連結部は、前記試験片支持部を前記フレーム部に対して弾性的に連結する弾性連結部からなる構成であってもよい。
【００１３】
前記構成によれば、連結部は、薄膜試験片の捩れ等を防止しながらも、試験片支持部のフレーム部に対する引張方向の相対変位を好適に許容することが可能となる。
【００１４】
前記弾性連結部は、前記試験片支持部と前記フレーム部と同一材料で一体的に形成され且つ平面視で葛折状に形成されたバネ線状体からなっていてもよい。
【００１５】
前記構成によれば、弾性連結部をバネ線状に形成することで、試験片支持部及びフレーム部と同一材料で弾性連結部を一体的に形成しながらも、一方向に相対変位可能な弾性連結部を容易に設けることが可能となる。
【００１６】
前記荷重伝達部及び前記試験片支持部には、それらを貫通する係合孔が形成されていてもよい。
【００１７】
前記バネ線状体は、前記薄膜試験片及び前記支持部材の平面方向の幅よりも、前記平面に直交する方向の厚みが大きくなっていてもよい。
【００１８】
前記構成によれば、バネ線状体は、薄膜試験片及び支持部材の平面方向に直交する方向である厚み方向の剛性が高くなるので、バネ線状体が前記平面に対して面外方向に変形するのを抑制することができ、薄膜試験片が捩れることを好適に防止すること可能となる。
【００１９】
前記構成によれば、薄膜試験片を掴まなくても、係合孔に引張試験装置側の突起を挿入すれば、薄膜試験片に引張力を付与することができるので、薄膜試験片の捩れ等を防止することが可能となる。
【００２０】
前記フレーム部の前記試験対象部近傍に前記薄膜試験片と同一平面を形成する層が設けられており、該層の外端縁に前記薄膜試験片と対向するマークが形成されていてもよい。
【００２１】
前記構成によれば、マーク位置を撮影画像上で認識すること等により、薄膜試験片の変位状態を視覚的かつ定量的に把握することが可能となる。
【００２２】
本発明の薄膜試験片構造体の製造方法は、引張試験に用いられる薄膜試験片構造体の製造方法であって、腐食可能な材料からなる未エッチング基板の一面側に、試験対象部及びそれに連続する荷重伝達部が設けられた薄膜試験片を形成する工程と、前記未エッチング基板の他面側に平面視で前記試験対象部を除いた少なくとも一部に所要形状の防食処理を施す工程と、前記未エッチング基板に対して他面側からエッチングを行うことにより、前記荷重伝達部に接合された試験片支持部と、平面視で前記薄膜試験片と離隔した周囲に配置されたフレーム部と、前記試験片支持部を前記フレーム部に対して引張方向に相対変位可能に連結する連結部とを有する支持部材を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
前記製造方法によれば、薄膜試験片構造体を微細かつ高精度に製造することができる。また、その製造された薄膜試験片構造体は、薄膜試験片の荷重伝達部に支持部材の試験片支持部が接合されており、かつ、その試験片支持部が連結部によりフレーム部に連結されているので、薄膜試験片は、捩れにくく正しい位置及び姿勢に安定して保持される。したがって、薄膜材料からなる試験片を用いて精度良く引張試験を行うことが可能となる。また、薄膜試験片は支持部材により安定して保持されているので、薄膜試験片のハンドリングが容易になり、薄膜試験片のハンドリング中における破損も防止することが可能となる。
【００２４】
本発明の引張試験方法は、前記薄膜試験片構造体を引張試験するための方法であって、前記薄膜試験片構造体の前記荷重伝達部及び前記試験片支持部に引張力を付与して、第１回目の引張荷重及び変位を計測し、前記薄膜試験片構造体の前記試験対象部の破断後に、前記第１回目と同一条件にて再び前記荷重伝達部及び前記試験片支持部に引張力を付与して、第２回目の引張荷重及び変位を計測し、前記第１回目に計測された引張荷重及び変位から、前記第２回目に計測された引張荷重及び変位をそれぞれ引き算することを特徴とする。
【００２５】
前記方法によれば、薄膜試験片を支持部材が接合された状態で安定して引っ張ることができ、かつ、薄膜試験片の破断後に支持部材による影響を除外した薄膜試験片の引張特性（引張荷重及び変位）を求めることが可能となる。
【００２６】
本発明の引張試験装置は、前記薄膜試験片構造体を引張試験するための装置であって、前記薄膜試験片構造体の前記支持部材の前記フレーム部が設置される設置台と、前記薄膜試験片構造体の前記荷重伝達部に引張荷重を伝達する引張荷重伝達部材と、前記引張荷重伝達部材を移動させるための動力を発生する駆動装置と、前記駆動装置からの動力を前記引張荷重伝達部材に伝達する動力伝達機構と、前記引張荷重伝達部材に負荷される荷重を計測する荷重計測装置と、前記引張荷重伝達部材の変位を計測する変位計測装置とを備えていることを特徴とする。
【００２７】
前記構成によれば、前述した薄膜試験片構造体の支持部材のフレーム部を設置台に設置し、薄膜試験片構造体の荷重伝達部に引張力を付与して、それに伴って生じる薄膜試験片構造体からの反力（引張荷重）及び変位を精度良く計測することが可能となる。
【００２８】
前記引張荷重伝達部材は、前記薄膜試験片構造体に二軸方向の引張力を付与する構成であってもよい。
【００２９】
前記構成によれば、薄膜試験片構造体に対して二軸方向に引張試験を行うことができる。
【００３０】
前記引張荷重伝達部材は、基部と、前記基部から突出して前記薄膜試験片構造体の前記係合孔に挿入される係合突起とを有し、前記設置台は、複数の平坦な設置面を有する一体品からなり、前記引張荷重伝達部材の前記基部は、前記設置面を含む平面よりも下方に位置し、前記引張荷重伝達部材の前記係合突起は、前記設置面を含む平面よりも上方に突出してもよい。
【００３１】
前記構成によれば、設置台の設置面に載せられた薄膜試験片構造体の係合孔に係合突起が挿入された状態で、引張荷重伝達部材の基部は薄膜試験片構造体に当接しないため、引張荷重伝達部材の平坦度が十分でない場合でも、薄膜試験片構造体を正しい位置及び姿勢に保つことができる。また、設置台は一体品からなるので、引張試験装置を試験場所にセッティングする際に設置面の平坦度を調整する手間も省くことができる。
【００３２】
前記引張荷重伝達部材は、前記設置台から離反する方向に延出しており、前記駆動装置は、前記引張荷重伝達部材の下方に配置され、前記動力伝達機構を介して前記引張荷重伝達部材に接続されていてもよい。
【００３３】
前記構成によれば、駆動装置が引張荷重伝達部材の下方に配置されているので、引張荷重伝達部材に対して引張方向に直列配置する場合に比べて、装置全体をコンパクト化することができる。
【００３４】
前記動力伝達機構は、前記駆動装置からの駆動力が作用する力点と、前記引張荷重伝達部材に駆動力を伝達する作用点と、テコの原理により前記作用点における変位を前記力点における変位よりも増加させるための支点とを有していてもよい。
【００３５】
前記構成によれば、駆動装置により発生する変位が動力伝達機構により増幅されるので、駆動装置により発生する変位が小さくても、引張荷重伝達部材を大きく変位させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
以上の説明から明らかなように、本発明の薄膜試験片構造体によれば、薄膜材料からなる試験片を用いて精度良く引張試験を行うことができると共に、薄膜試験片のハンドリング中における破損も防止することができる。また、本発明の薄膜試験片構造体の製造方法によれば、薄膜試験片構造体を微細かつ高精度に製造することができる。また、本発明の引張試験方法によれば、薄膜試験片を支持部材が接合された状態で安定して引っ張ることができ、かつ、薄膜試験片の破断後に支持部材による影響を除外した薄膜試験片の引張特性を求めることが可能となる。また、本発明の引張試験装置によれば、薄膜試験片構造体の支持部材のフレーム部を設置台に設置し、薄膜試験片構造体の荷重伝達部に引張力を付与して、引張荷重及び変位を精度良く計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００３８】
［薄膜試験片構造体の構成］
図１は本発明の実施形態に係る薄膜試験片構造体１を示す斜視図である。図２は薄膜試験片構造体１の平面図である。図３は図２のIII−III線断面図である。図４は薄膜試験片構造体１の弾性連結部及びその近傍を表す拡大斜視図である。なお、図２では、理解し易さのために、後述する薄膜試験片２と支持部材３とにそれぞれ異なるハッチングを付している。図１〜４に示すように、薄膜試験片構造体１は、試験対象部２ａ及びそれに連続する荷重伝達部２ｂが設けられた薄膜試験片２と、薄膜試験片２の試験対象部２ａを除いて荷重伝達部２ｂを支持する支持部材３とを備えており、二軸引張試験に用いられるものである。
【００３９】
薄膜試験片２は、膜厚が１〜２μｍの金属（例えば、アルミニウム）からなる薄膜である。試験対象部２ａは、平面視で四角形状となっている。荷重伝達部２ｂは、試験対象部２ａに連続して四方（Ｘ−Ｙ方向）に延出する第１延在部２ｃと、第１延在部２ｃに連続して第１延在部２ｃよりも広い幅である第２延在部２ｄと、第２延在部２ｄに連続して中心に係合孔５を有する平面視で四角枠形状の係合枠部２ｅとを有している。即ち、荷重伝達部２ｂは、試験対象部２ａから二軸方向に延出するように二対設けられている。
【００４０】
支持部材３は、板厚が１００〜３００μｍの単結晶シリコン板６の上下面に、膜厚が０．５〜１．５μｍのシリコン酸化膜７，８を形成した薄板からなり、薄膜試験片２よりも肉厚が大きくなっている。支持部材３は、薄膜試験片２の荷重伝達部２ｂの下面に接合された試験片支持部３ａと、薄膜試験片２と離隔した周囲に配置された四角枠状のフレーム部３ｃと、試験片支持部３ａをフレーム部３ｃに対して相対変位可能に連結する弾性連結部３ｄ，３ｅ（連結部）とを有している。試験片支持部３ａには、係合枠部２ｅの係合孔５と連通する係合孔５が形成されている。また、試験片支持部３ａには、試験対象部２ａから離反する方向にブラケット部３ｂが突出している。
【００４１】
係合孔５よりも試験対象部２ａから離反する外側において、ブラケット部３ｂとフレーム部３ｃとが弾性連結部３ｄにより連結されており、かつ、係合孔５よりも試験対象部２ａに近接する内側において、試験片支持部３ａの第２延在部２ｄに対応する部分とフレーム部３ｃとが弾性連結部３ｅにより連結されている。弾性連結部３ｄ，３ｅは、平面視で葛折状に形成されたバネ線状体からなり、引張方向に伸縮可能となっている。即ち、弾性連結部３ｄ，３ｅは、試験片支持部３ａがフレーム部３ｃに対して引張方向に相対変位できるように弾性変形する構成となっている。
【００４２】
弾性連結部３ｄ，３ｅは、薄膜試験片構造体１の平面内において、試験片支持部３ａ及びブラケット部３ｂから引張方向に直交する方向に向けて両側に延出し、その両側にあるフレーム部３ｃに連結されている。そして、弾性連結部３ｄ，３ｅは、荷重伝達部２ｂの軸方向を挟んだ両側に対称に設けられている。また、弾性連結部３ｄ，３ｅを構成するバネ線状体は、薄膜試験片構造体１の平面方向の幅Ｗよりも、それに直交する方向の厚みＴが大きくなっている。
【００４３】
図５は薄膜試験片構造体１の試験対象部２ａ及びその近傍を表す拡大平面図である。図１，２及び５に示すように、支持部材３のフレーム部３ｃの上面の一部には、試験対象部２ａの近傍において薄膜試験片２と同一平面を形成するダミー薄膜層４が形成されている。このダミー薄膜層４は、薄膜試験片２と同一材料及び同一肉厚で形成されている。薄膜試験片２の第２延在部２ｄにおける第１延在部２ｃ近傍の外端縁には、ダミー薄膜層４に向けて平面視で先細り形状の小さなマークが突出している。ダミー薄膜層４の外端縁には、そのマーク２ｄ１と対向する平面視で先細り形状のマーク４ａが突出している。さらに、薄膜試験片２の第１延在部２ｃには、それぞれ平面視で先細り形状のマーク２ｃ１が突出している。即ち、ダミー薄膜層４のマーク４ａと薄膜試験片２のマーク２ｃ１，２ｄ１とにより薄膜試験片２の状態を撮影画像上でも認識できるようになっている。また、薄膜試験片２の第２延在部２ｃ及びダミー薄膜層４の所定位置には、膜厚計測用の穴２ｃ２，４ｂが形成されている。
【００４４】
［薄膜試験片構造体の製造手順］
図６は（ａ）〜（ｆ）は薄膜試験片構造体１の製造手順を説明する断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、腐食可能な材料からなる未エッチング基板として、所定厚さ（例えば、２００μｍ）の単結晶シリコン板６を用意し、その上下面に熱酸化により所定厚さ（例えば、１μｍ）のシリコン酸化膜７，８を形成する。次いで、図６（ｂ）に示すように、スパッタリングによりアルミニウムを薄膜試験片２となるパターン形状に所定厚さ（例えば、２μｍ）で成膜する。次いで、図６（ｃ）に示すように、その上下面に金属（例えば、クロム）を所定厚さ（例えば、０．１μｍ）で成膜し、保護膜９，１０を形成する。但し、この保護膜９，１０は金属でなくてもよい。
【００４５】
次いで、図６（ｄ）に示すように、下面側の保護膜１０及びシリコン酸化膜８をウェットエッチングにより所定形状に形成し、そのエッチング後の保護膜１０及びシリコン酸化膜８を防食マスクとして下面側からドライエッチングを行い、単結晶シリコン板６を所定形状に形成する。次いで、図６（ｅ）に示すように、上面側のシリコン酸化膜７を下面側からのウェットエッチングにより所定形状に形成する。最後に、図６（ｆ）に示すように、上面側の保護膜９をウェットエッチングにより除去し、前述した薄膜試験片構造体１が完成する。
【００４６】
［引張試験システムの構成］
図７は本発明の実施形態に係る引張試験装置２０を有する引張試験システム３０を模式的に示した全体図である。図７に示すように、引張試験システム３０は、後述するように、ピエゾアクチュエータ３５、ロードセル３７及び差動トランス３８を有する引張試験装置２０を備えている。ピエゾアクチュエータ３５は、ピエゾコントローラ２１及びＡ／Ｄ変換器２４を介してコンピュータ２５に接続されている。ロードセル３７は、ロードセルアンプ２２及びＡ／Ｄ変換器２４を介してコンピュータ２５に接続されている。差動トランス３８は、差動トランスアンプ２３及びＡ／Ｄ変換器２４を介してコンピュータ２５に接続されている。また、コンピュータ２５には、引張試験装置２０に設置された薄膜試験片構造体１（図１参照）を上方から撮影するＣＣＤカメラ２６が接続されている。
【００４７】
［引張試験装置の構成］
図８は本発明の実施形態に係る引張試験装置２０を示す斜視図である。図８に示すように、引張試験装置２０は、平面視で四角形状からなる土台３１と、その上に設置される平面視で略四角形状かつ断面視で逆凹形状のハウジング３２とを有している。ハウジング３２は、ハウジング本体部３２ａと、動力伝達機構３６と、動力伝達機構３６をハウジング本体部３２ａに対して相対変位可能に接続する接続バネ部４７，４８とを一体的に有しており、ハウジング本体部３２ａの四つの隅部には配線導入口３２ｂが開口している。
【００４８】
ハウジング本体部３２ａには、薄膜試験片構造体１（図１参照）の支持部材３のフレーム部３ｃが設置される設置台３３が取り付けられている。設置台３３の近傍には、薄膜試験片構造体１（図１参照）の荷重伝達部２ｂに引張荷重を伝達する４つの引張荷重伝達部材３４が設けられている。各引張荷重伝達部材３４は、それぞれ荷重計測装置であるロードセル３７を介して動力伝達機構３６に接続されている。動力伝達機構３６は、それぞれ引張荷重伝達部材３４の下方に隠れて配置された駆動装置であるピエゾアクチュエータ３５（図１１参照）に接続されている。引張荷重伝達部材３４には、引張荷重伝達部材３４の変位を計測するためにハウジング本体部３２ａに取り付けられた変位計測装置である差動トランス３８（LVDT：Linear Variable Differential Transformer）が接続されている。
【００４９】
即ち、引張試験装置２０では、４つのピエゾアクチュエータ３５の動力が動力伝達機構３６及びロードセル３７を介してそれぞれ引張荷重伝達部材３４に伝達されることで、薄膜試験片構造体１（図１参照）にＸ−Ｙ方向の二軸の引張力が負荷される。そして、その際、各々の引張荷重伝達部材３４に負荷される荷重がそれぞれロードセル３７で計測されると共に、各々の引張荷重伝達部材３４の変位がそれぞれ差動トランス３８で計測される構成となっている。
【００５０】
図９は引張試験装置２０の設置台３３及びその近傍を表す拡大斜視図である。図９に示すように、ハウジング本体部３２ａの中央には平面視で四角形状の設置台用凹部３２ｃが設けられており、その凹部３２ｃに平面視で四角形状の設置台３３が収容配置されている。設置台３３は、一体品からなり、その上面３３ａがハウジング本体部３２ａよりも上方に位置している。設置台３３の上面３３ａには、中心から四方（Ｘ−Ｙ方向）に一定幅で延びる定幅溝部３３ｂと、その定幅溝部３３ｂから幅が広がるように引張方向に延びる拡幅溝部３３ｃとが形成されている。設置台３３の上面３３ａにおける定幅溝部３３ｂに隣接する部分には、薄膜試験片構造体１（図１参照）を設置するための平面視四角形状の平坦な設置面３３ｄが若干上方に突出した状態で設けられている。
【００５１】
引張荷重伝達部材３４は、基部３４ａと、基部３４ａから上方に突出して薄膜試験片構造体１（図１参照）の係合孔５に挿入される係合突起３４ｂとを有している。基部３４ａは、係合突起３４ｂが設けられて設置台３３の定幅溝部３３ｂに収容配置される小幅部３４ｃと、設置台３３の拡幅溝部３３ｃに収容配置される拡幅部３４ｄと、拡幅部３４ｄから設置台３３より離反する引張方向に延在する大幅部３４ｅとを有している。基部３４ａは、設置面３３ｄを含む水平面よりも下方に位置しており、係合突起３４ｂは、設置面３３ｄを含む水平面よりも上方に突出している。
【００５２】
図１０は引張試験装置２０の動力伝達機構３６及びその近傍を表す拡大斜視図である。図１１は引張試験装置２０の動力伝達機構３６及びその近傍を表す拡大平面図である。なお、図１１では、理解し易さのためにハウジング本体部３２ａにハッチングを付している。図１０及び１１に示すように、動力伝達機構３６は、引張荷重伝達部材３４の下方に配置されたピエゾアクチュエータ３５の出力部３５ａから動力を受ける変位増幅部４４と、ロードセル３７が固定されるロードセル固定部４６と、変位増幅部４４をロードセル固定部４６に接続する中継部となる作用点部４５とを有している。動力伝達機構３６で囲まれた内側空間には、土台３１（図８参照）に固定されるハウジング本体部３２の一部であって、差動トランス固定具３９が固定される固定壁部３２ｄが配置されている。差動トランス固定具３９は、下側固定部材４１と上側固定部材４２とで差動トランス３８を挟持固定しており、その差動トランス３８が連結軸４３を介して引張荷重伝達部材３４に連結されている。
【００５３】
図１１に示すように、動力伝達機構３６の変位増幅部４４は、ピエゾアクチュエータ３５の出力部３５ａにより引張方向（引張荷重伝達部材３４が移動する軸方向）に向けて押圧される力点部４４ａを有している。力点部４４ａには、引張方向に延びる一対の第１縦延在部４４ｂが接続されている。各第１縦延在部４４ｂには、引張方向に直交する方向に互いに離反するように延びる一対の第１横延在部４４ｃが接続されている。第１横延在部４４ｃは、固定壁部３２ｄに若干の隙間をあけて配置されている。その第１横延在部４４ｃの力点部４４ａ寄りには、固定壁部３２ｄとブリッジ状に接続される第１支点部４４ｄが設けられている。
【００５４】
各第１横延在部４４ｃの離反側の端部には、引張方向と逆方向（図１１における上方向）に延びる一対の第２縦延在部４４ｅが接続されている。各第２縦延在部４４ｅには、引張方向に直交する方向に互いに近接するように延びる一対の第２横延在部４４ｆが接続されている。第２横延在部４４ｆは、固定壁部３２ｄに若干の隙間をあけて配置されており、第２横延在部４４ｆの第２縦延在部４４ｅ寄りには、固定壁部３２ｄとブリッジ状に接続される第２支点部４４ｇが設けられている。各第２横延在部４４ｆの近接側の端部は、作用点部４５を介してロードセル固定部４６に接続されている。即ち、作用点部４５が変位増幅部４４の出力部分となり、変位増幅部４４からロードセル固定部４６への動力伝達を中継している。また、変位増幅部４４は、二対の支点部４４ｄ，４４ｇを有しており、引張方向に直交する方向に長い形状となっている。ロードセル固定部４６は、その前後が接続バネ部４７，４８により相対変位可能にハウジング本体部３２ａに連結されている。接続バネ部４７，４８は、平面視で蛇行形状に形成されており、引張方向に伸縮可能となっている。また、動力伝達機構３６では、第１縦延在部４４ｂ、第１支点部４４ｄ、第２縦延在部４４ｅ、第２支点部４４ｇ及び作用点部４５において、その隣接する部分に切り込みを設けることで、引張方向からずれる方向の変位を許容している。
【００５５】
このように、動力伝達機構３６は、引張方向を挟んだ一対の動力伝達経路で動力を伝達する構成であり、その一対の動力伝達経路は引張荷重伝達部材３４の引張方向の中心軸線を挟んで対称に形成されている。つまり、動力伝達機構３６は、引張荷重伝達部材３４の引張方向の中心軸線を挟んで対称であるので、仮に、第１縦延在部４４ｂ、第１支点部４４ｄ、第２縦延在部４４ｅ、第２支点部４４ｇ及び作用点部４５の各所で引張方向からずれる変位が発生しても、それらの合成力が自動的に引張方向に一致するように構成されている。
【００５６】
次に、動力伝達機構３６の動作について説明する。なお、図１１に示した矢印の長さは変位の大きさを意味している。図１１に示すように、まず、ピエゾアクチュエータ３５の出力部３５ａが、変位増幅部４４の力点部４４ａを引張方向に押圧する。そうすると、一対の第１縦延在部４４ｂが引張方向に沿って変位し、第１支点部４４ｄを支点としたテコの原理により、各第１横延在部４４ｃの離反側の端部の引張方向の変位量が増幅され、それに接続された第２縦延在部４４ｅが引張方向と逆方向に変位する。そして、第２横延在部４４ｆの離反側の端部が引張方向と逆方向に変位し、第２支点部４４ｇを支点としたテコの原理により、各第２横延在部４４ｅの近接側の端部の引張方向の変位量がさらに増幅され、それに接続された作用点部４５が引張方向に変位し、ロードセル固定部４６が引張方向に大きく変位する。つまり、変形量が数十μｍと小さいピエゾアクチュエータ３５を用いても、変位増幅部４４により変位量を４倍程度にまで増幅させることができる。
【００５７】
［引張試験装置の組立］
次に、引張試験装置２０の構造の理解のために、その組み立てについて簡単に説明する。図１２〜１６は、引張試験装置２０の組み立ての第１〜５工程を説明する斜視図である。まず、図１２に示すように、土台３１を作業台（図示せず）に配置する。土台３１は、平板部３１ａと、平板部３１ａの中央部分で上方に突出する四角筒部３１ｄとを有している。平板部３１ａには、その所要箇所にハウジング３２等を固定するためのネジ穴３１ｂが設けられていると共に、その四隅に作業台（図示せず）への取付用のネジ穴３１ｃが設けられている。四角筒部３１ｄには、その４つの壁面にピエゾアクチュエータ３５を取り付けるための取付孔３１ｅが設けられている。
【００５８】
次いで、図１３に示すように、土台３１の各取付孔３１ｅにそれぞれ４つのピエゾアクチュエータ３５を固定治具３５ｂを介して取り付ける。次いで、図１４に示すように、土台３１に上方からハウジング３２を取り付ける。ハウジング３２のハウジング本体部３２ａの中央部分には、設置台３３を収容配置する設置台用凹部３２ｃ、ロードセル３７を固定するロードセル用凹部３２ｇ、及び、差動トランス固定具３９を固定する差動トランス固定具用凹部３２ｈが設けられている。設置台用凹部３２ｃの中心には開口３２ｆが形成されている。また、ロードセル用凹部３２ｇと差動トランス固定具用凹部３２ｈとの間には連続する開口３２ｊが形成されている。ハウジング３２の側壁の四隅には、配線導入口３２ｂが設けられている。また、ハウジング３２には、土台３１のネジ穴３１ｂに連通するネジ穴３２ｋが設けられている。
【００５９】
次いで、図１５に示すように、ロードセル用凹部３２ｇにロードセル３７を固定すると共に、差動トランス固定具用凹部３２ｈに差動トランス固定具３９の下側固定部材４１を固定する。次いで、図１６に示すように、設置台用凹部３２ｃに設置台３３を収容配置し、引張荷重伝達部材３４をロードセル３７の上面側の荷重検知部（図示せず）に固定し、引張荷重伝達部材３４の小幅部３４ｃを設置台３３の定幅溝部３３ｂに収容配置する。また、引張荷重伝達部材３４に接続された差動トランス３８を下側固定部材４１上に配置して、上側固定部材４２を下側固定部材４１に固定することで、差動トランス３８をハウジング３２に対して固定する。最後に、図８に示したように、ハウジング３２を土台３１に対してネジ５０で固定して完成する。
【００６０】
［引張試験方法］
次に、薄膜試験片構造体１を引張試験装置２０により引張試験する際の方法について説明する。まず、引張試験装置２０の設置台３３（図９参照）に薄膜試験片構造体１（図１参照）を設置し、薄膜試験片構造体１の係合孔５に引張試験装置２０の係合突起３４ｂを挿入する。この際、薄膜試験片構造体１は、設置台３３の設置面３３ｄに支持され、引張荷重伝達部材３４の基部３４ａは薄膜試験片構造体１に接触していない。その状態から、ピエゾアクチュエータ３５（図１１参照）を駆動させることで、その出力部３５ａが動力伝達機構３６の変位増幅部４４の力点部４４ａを押圧し、力点部４４ａが引張方向に変位する。そうすると、変位増幅部４４により作用点部４５の変位が力点部４４ａの変位よりも大きくなるように増幅される。そして、作用点部４５と一体的に移動するロードセル固定部４６（図１１参照）がロードセル３７を介して引張荷重伝達部材３４を引張方向に変位させる。これにより、引張荷重伝達部材３４の係合突起３４ｂに係合孔５で係合された薄膜試験片２が支持部材３（図１参照）と共に引っ張られる。その際、薄膜試験片２及び支持部材３からの反力である引張荷重がロードセル３７（図１１参照）で検出されると共に、薄膜試験片２及び支持部材３の変位が差動トランス３８（図１１参照）で検出される。
【００６１】
二軸引張試験では、引張荷重の大きさにかかわらず試験片の中央部が移動してはならないが、この引張試験装置２０によれば、ピエゾアクチュエータ３５、ロードセル３７及び差動トランス３８を４セット設けているため、引張荷重及び変位をモニタリングしながら引張試験を行うことができ、薄膜試験片２の試験対象部２ａの中央部の位置を一定に保つことが可能となる。また、引張試験中にＣＣＤカメラ２６（図７参照）により撮影された薄膜試験片２を上方からの画像をコンピュータ２５で画像解析することで、薄膜試験片２の試験対象部２ａの中央部の位置を一定に保つようにしてもよい。
【００６２】
そして、薄膜試験片２の試験対象部２ａが破断するまで第１回目の引張試験を実施し、その際における引張荷重及び変位のデータをコンピュータ２５に保存する。次に、薄膜試験片２が破断した状態で第１回目と同一条件にて第２回目の引張試験を実施し、その際における引張荷重及び変位のデータをコンピュータ２５に保存する。
【００６３】
図１７は薄膜試験片２に関する引張荷重と変位との関係を算出する方法を説明するグラフである。図１７に示すように、薄膜試験片２の破断前における第１回目の引張荷重及び変位のデータは、薄膜試験片２と支持部材３とを合わせたものに関するデータであり、弾性連結部３ｄ，３ｅの影響が含まれている。薄膜試験片２の破断後における第２回目の引張荷重及び変位のデータは、支持部材３のみに関するデータである。そして、薄膜試験片２の破断前における第１回目の引張荷重及び変位から、薄膜試験片２の破断後における第２回目の引張荷重及び変位をそれぞれ引き算することで、薄膜試験片２のみに関する引張荷重及び変位のデータ（図１７の斜線部分）を求める。こうすれば、薄膜試験片２を支持部材３が接合された状態で安定して引っ張ることができ、かつ、薄膜試験片２の破断後に支持部材３による影響を除外した薄膜試験片２のみの引張特性を求めることが可能となる。
【００６４】
図１８は薄膜試験片構造体１を引張試験装置２０により二軸引張試験した際の引張荷重と変位との関係を示す第１実施例のグラフである。図１９は薄膜試験片構造体１を引張試験装置２０により二軸引張試験した際の引張荷重と変位との関係を示す第２実施例のグラフである。なお、図１８及び１９中、白丸プロットがアルミニウムからなる薄膜試験片２の破断前の引張試験結果であり、実線が薄膜試験片２の破断後の引張試験結果である。また、図１８及び２０中、ＣＨ−１とＣＨ−３はＸ方向における引張試験結果を示し、ＣＨ−２とＣＨ−４はＹ方向における引張試験結果を示している。
【００６５】
図１８では、ピエゾアクチュエータ３５の出力はＣＨ−１からＣＨ−４まで全て０．０９３［Ｎ］で同一であり、引張荷重及び変位の値は全て同一となっている。図１９では、ピエゾアクチュエータ３５の出力はＣＨ−１及びＣＨ−３が０．０８６［Ｎ］で、ＣＨ−２及びＣＨ−４が０．０２５［Ｎ］である。図１８のグラフでは、ＣＨ−１からＣＨ−４まで同じような出力結果となっており、図１９のグラフでは、ＣＨ−１及びＣＨ−３の出力結果とＣＨ−２及びＣＨ−４の出力結果とが相違している。
これらのグラフにより、二軸引張条件下における各方向の引張荷重及び変位の状態を的確に把握できることが分かる。
【００６６】
図２０は薄膜試験片構造体１を引張試験装置２０により二軸引張試験した際の降伏応力を示すグラフである。なお、図２０のグラフ中のＸ軸上のプロット及びＹ軸上のプロットは、一軸引張試験における降伏応力を意味している。図２０に示すように、二軸引張試験によれば、一軸引張試験から得られるＸ軸上及びＹ軸上のプロットをＸ−Ｙ方向に延ばした点線から外れた値が得られている。このことは、二軸引張試験を行ったことで初めて得られた知見であり、薄膜材料評価に対する本発明の有効性が認められる。
【００６７】
［薄膜試験片構造体の作用効果］
本実施形態の薄膜試験片構造体１によれば、薄膜試験片２の荷重伝達部２ｂに支持部材３の試験片支持部３ａが接合されており、かつ、その試験片支持部３ａが弾性連結部３ｄ，３ｅによりフレーム部３ｃに連結されているので、薄膜試験片２は、捩れにくく正しい位置及び姿勢に安定して保持される。したがって、薄膜材料からなる試験片を用いて精度良く引張試験を行うことが可能となる。また、薄膜試験片２は支持部材３により安定して保持されているので、薄膜試験片２のハンドリングが容易になり、薄膜試験片２のハンドリング中における破損も防止することが可能となる。
【００６８】
さらに、弾性連結部３ｄ，３ｅは、試験片支持部３ａがフレーム部３ｃに対して引張方向に変位するように撓むので、引張方向とは異なる方向の相対変位を抑制して薄膜試験片２の捩れ等を防止しながらも、試験片支持部のフレーム部に対する相対変位をフレキシブルに許容することが可能となる。また、係合孔５に引張試験装置２０側の係合突起３４ｂを挿入すれば、薄膜試験片２を掴まなくても薄膜試験片２に引張力を付与することができるので、薄膜試験片２の捩れ等を防止することが可能となる。
【００６９】
さらに、支持部材３を構成する単結晶シリコン板６と金属からなる薄膜試験片２との間にはシリコン酸化膜７が介在しているので、薄膜試験片２を構成する金属が、単結晶シリコン板６の内部に拡散して物性変化すること防止することができる。また、フレーム部３ｃの試験対象部２ａの近傍にダミー薄膜層４が形成され、その外端縁に薄膜試験片２のマーク２ｃ１と対向するマーク４ａが形成されているので、マーク２ｃ１，４ａの位置を撮影画像上で認識すること等により、薄膜試験片２の変位状態を視覚的に把握することが可能となる。
【００７０】
［引張試験装置の作用効果］
本実施形態の引張試験装置２０によれば、薄膜試験片構造体１の支持部材３のフレーム部３ｃを設置台３３に設置し、薄膜試験片構造体１の荷重伝達部２ｂに二軸引張力を付与して、引張荷重及び変位を精度良く計測することが可能となる。また、設置台３３の設置面３３ｄに載せられた薄膜試験片構造体１の係合孔５に係合突起３４ｂが挿入された状態で、引張荷重伝達部材３４の基部３４ａは薄膜試験片構造体１に当接しないため、引張荷重伝達部材３４の平坦度が十分でない場合でも、薄膜試験片構造体１を正しい位置及び姿勢に保つことができる。また、設置台３３は一体品からなるので、引張試験装置２０を試験場所にセッティングする際に設置面３３ｄの平坦度を調整する手間も省くことができる。
【００７１】
さらに、ピエゾアクチュエータ３５は、ハウジング３２内における引張荷重伝達部材３４の下方に配置されているので、引張荷重伝達部材３４に対して引張方向に直列配置する場合に比べて、装置全体をコンパクト化することができる。また、ピエゾアクチュエータ３５により発生する変位が動力伝達機構３６の変位増幅部４４により増幅されるので、ピエゾアクチュエータ３５により発生する変位が小さくても、引張荷重伝達部材３４を大きく変位させることが可能となる。さらに、変位増幅部４４は、複数の支点部４４ｄ，４４ｇを有しており、引張方向に直交する方向に長い形状となっているので、引張荷重伝達部材３４が移動する方向における動力伝達機構３６が占有するスペースを低減することができ、装置全体をコンパクト化することができる。
【００７２】
また、動力伝達機構３６の一対の動力伝達経路は、引張荷重伝達部材３４の引張方向の中心軸線を挟んで対称に形成されているので、個々の各動力伝達経路の変位方向が軸方向に完全に一致しなくても、両方の動力伝達経路による合成力の方向を軸方向と一致させることが可能となる。さらに、動力伝達機構３６は、接続バネ部４７、４８を介してハウジング本体部３２ａに相対変位可能に接続され、ハウジング３２の一部として一体形成されているので、部品点数を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明に係る薄膜試験片構造体、その製造方法、その引張試験方法及び引張試験装置は、前述した効果の意義を発揮できるマイクロマシンやマイクロデバイス等の様々な分野に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜試験片構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示す薄膜試験片構造体の平面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】図１に示す薄膜試験片構造体の弾性連結部及びその近傍を表す拡大斜視図である。
【図５】図１に示す薄膜試験片構造体の試験対象部及びその近傍を表す拡大平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は薄膜試験片構造体の製造手順を説明する断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る引張試験装置を有する引張試験システムを模式的に示した全体図である。
【図８】本発明の実施形態に係る引張試験装置を示す斜視図である。
【図９】図８に示す引張試験装置の設置台及びその近傍を表す拡大斜視図である。
【図１０】図８に示す引張試験装置の動力伝達機構及びその近傍を表す拡大斜視図である。
【図１１】図８に示す引張試験装置の動力伝達機構及びその近傍を表す拡大平面図である。
【図１２】図８に示す引張試験装置の組み立ての第１工程を説明する斜視図である。
【図１３】図８に示す引張試験装置の組み立ての第２工程を説明する斜視図である。
【図１４】図８に示す引張試験装置の組み立ての第３工程を説明する斜視図である。
【図１５】図８に示す引張試験装置の組み立ての第４工程を説明する斜視図である。
【図１６】図８に示す引張試験装置の組み立ての第５工程を説明する斜視図である。
【図１７】薄膜試験片に関する引張荷重と変位との関係を算出する方法を説明するグラフである。
【図１８】図１の薄膜試験片構造体を図８の引張試験装置により二軸引張試験した際の引張荷重と変位との関係を示す第１実施例のグラフである。
【図１９】図１の薄膜試験片構造体を図８の引張試験装置により二軸引張試験した際の引張荷重と変位との関係を示す第２実施例のグラフである。
【図２０】図１の薄膜試験片構造体を図８の引張試験装置により二軸引張試験した際の降伏応力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７５】
１  薄膜試験片構造体
２  薄膜試験片
２ａ  試験対象部
２ｂ  荷重伝達部
２ｃ１，２ｄ１，４ａ  マーク
３  支持部材
３ａ  試験片支持部
３ｃ  フレーム部
３ｄ，３ｅ  弾性連結部（連結部）
５  係合孔
６  単結晶シリコン板
７  シリコン酸化膜
２０  引張試験装置
３２  ハウジング
３２ａ  ハウジング本体部
３３  設置台
３３ｄ  設置面
３４  引張荷重伝達部材
３４ａ  基部
３４ｂ  係合突起
３５  ピエゾアクチュエータ（駆動装置）
３６  動力伝達機構
３７  ロードセル（荷重計測装置）
３８  差動トランス（変位計測装置）
４４  変位増幅部
４４ａ  力点部
４４ｄ，４４ｇ  支点部
４５  作用点部
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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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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