(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位制御により圧子を一定位置に保持する圧子保持手段および試料を微小振動させながら圧子に接近させる微動機構を備え、圧子位置を検出する変位測定装置の出力から試料を微小振動させる発振器の周波数成分のみを抽出することにより試料が圧子に接触するゼロ点を検出するゼロ点検出手段を設けたことを特徴とする微小硬さ試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜やマイクロマシン等の力学的特性評価において、硬さ圧子を数ナノメートル程度の深さまで試料に押し込むことにより、試料の硬さや弾性率を求める装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微小硬さ試験では、主にダイヤモンドで作られた先鋭な硬さ圧子を試料に圧入して、圧入に必要な荷重と圧入深さから硬さを求める。従来の微小硬さ試験では、図５に示す荷重制御により圧子１を試料２に圧入して、このときの圧子変位を高感度の変位測定装置５で計測する手法が一般的である。硬さ試験は、予め粗動機構４により試料を圧子に十分に近づけた状態でおこなう。荷重制御をおこなうため、フォースコイル１０に流す電流を力発生回路１６により単調増加させる。フォースコイル１０に流す電流が増加すると、磁石１１との間で生じる下向きの電磁気力が増加し、フォースコイル１０による下向きの力とバネ系１２の歪みによる上向きの力が平衡する位置まで圧子１は下降する。さらにフォースコイル１０に流す電流を増加させていくと圧子１は試料２に圧入され、このとき加えた電流と圧子の位置を連続的に計測して、圧入過程を測定する。圧子１が試料２とどの位置で接触するかは、試料２の初期設置ごとに異なるため、バネ系１２の作動点は試験ごとに変化する。このため、フォースコイル１０に流す電流から試験片への圧入荷重評価する際には、圧子１を支えるバネ系１２の歪み量を補正する必要があり、圧入量が数十nm程度の微小試験では、バネ系１２の非線形性による影響が測定誤差となる。
【０００３】
また、ゼロ点の検出については、図6（a）に示すように外部雑音の影響を受けた変位測定装置の信号から、ロ−パスフィルタにより図6（b）に示す低周波成分を抽出し、圧子と試料が接触したことによる変位速度の減少からゼロ点を検出する。変位曲線の変化は僅かであるため、ゼロ点と思われる点の両側曲線をそれぞれ直線で近似して、２つの直線の交点をゼロ点とする手法も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ゼロ点の決め方には任意性が大きく、直線で近似することの誤差も少なくない。そこで、本発明の目的は、圧子を一定の位置に保つ変位制御と新たな微動機構を設けることにより、試料を特定周波数で微小振動させながら圧子に近づけ、変位測定装置からの信号を特定周波数で同調増幅することにより、圧子と試料が僅かに接触したゼロ点を背景雑音に影響されることなく、高精度に検出することを特長とするゼロ点検出を提供する。さらに、従来法では荷重制御であるため圧子位置が時々刻々変化し、これにともない圧子を支えるバネ系の歪み量が変化するため、バネ系の非線形性や圧子の動きによる摩擦が荷重測定の誤差となる欠点があった。
【０００５】
本発明は、圧子位置の信号を基にフォースコイルに流す電流を制御し、試料が圧子に及ぼす力とフォースコイルによる逆方向の力を平衡させ、圧子の位置が常に一定に保たれるような変位制御を構成することにより、バネ系の作動点変化のない硬さ測定を特長とする高精度ゼロ点検出型微小硬さ試験機を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の微小硬さ試験機は、変位制御により圧子を一定位置に保持する圧子保持手段および試料を微小振動させながら圧子に接近させる微動機構を備え、圧子位置を検出する変位測定装置からの特定周波数成分を抽出して試料が圧子に接触するゼロ点を検出するゼロ点検出手段を設けたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態を示す概略構成図であって、圧子１は、バネ系１２により弾性的に支持されており、圧子１の上部に巻装されたフォースコイル１０に流れる電流と磁石１１の磁力との作用で下向きの力を受けるようになっている。圧子１は先鋭なダイヤモンド圧子が用いられることが多い。また、圧子１の変位は変位測定装置５により測定され、その変位信号は増幅器６を介して変位制御回路９に入力される。
硬さ測定の対象である試料２は、粗動機構４上に設けられた微動機構３上に載置される。粗動機構４は、試料２を圧子１近傍まで素早く近づけるためのものであり、また、微動機構３は、試料２を低速度で圧子１に接触させ、さらに圧接させるためのものである。
微動機構３には、発振器８より発振される周波数ｆの微小振動が印加されるようになっており、また、この発振器８の出力は、同調増幅器7おいて上記した変位測定装置５の出力と狭帯域で増幅される。１３はレーザ干渉計であり、圧子１と試料２との距離を測定するものである。
【０００８】
微動機構３の上に置かれた試料２は微動機構により圧子１方向へ持ち上がる。このとき発振器８により微動機構３を周波数ｆで微小振動させる。圧子１の変位は、変位測定装置５により計測され、増幅器６により適切に増幅されて変位信号となる。この変位信号が、常に一定となるように変位制御回路９によってフォースコイル１０に流す電流が制御される。このクローズループを閉じることにより、試料２と圧子１の接触に係わらず圧子１位置は変化しない。試料２が圧子１に近づき圧子１に接触すると、圧子１の位置は振動数ｆで変調され、変位測定装置５の出力となる。このとき、振動周波数ｆを増幅器６や変位制御回路９の時定数よりも十分高く設定すれば、フォースコイルに流す電流が振動数ｆで変調されることはない。変位測定装置５の出力と発振器８の出力を同調増幅器７により狭帯域で増幅することにより、変位測定装置５の出力から周波数ｆに相当する信号成分を検出し、極めて感度良くゼロ点の検出を行うことができる。
【０００９】
次に、微動機構３により、さらに試料２を圧子１方向に近づけ圧子１を試料２内に圧入する。圧入にともなって、圧子１は上方へ移動しようとするが、この動きを相殺するようにフォースコイル１０の電流が変化するため、圧子１は常に一定位置に保たれる。これにより圧子１への荷重量はフォースコイル１０に流す電流から計測可能となる。また、圧入深さをレーザ干渉計１３や変位測定装置５と類似した計測器により、圧子表面の変位量から求めることができる。
【００１０】
微動機構３は例えば圧電アクチュエータで実現され、図２に示す装置構成により駆動される。すなわち、電圧発生器１４からの単調増加電圧と発振器８からの電圧を、加算器１５を通して微動機構３に加えることにより、試料２を微小振動させながら、ほぼ一定速度で圧子１に接近させる。このときの微小振動の振幅が、測定誤差に影響しない数nm以下となるよう発振器８の電圧を設定する。試料２が圧子１に接触すると、試料２の振動は圧子１に伝わり変位測定装置５によって検出される。変位測定装置５には極めて高感度の容量型センサ等を利用する。  本発明では、圧子１位置は不動であるため、容量センサ等のダイナミックレンジを大きくする必要がない。このため、感度を極限まで高めることが可能である。
【００１１】
変位測定装置５からの信号は変換器１６により電圧に変換され、例えばロックインアンプのような同調増幅器７に入力され、同様に発振器８からの信号も参照信号として入力される。一般に、容量型センサ等の出力信号は、外乱電気ノイズ、振動ノイズを含みS/Nは高くない。ここでは、発振器８の周波数ｆ成分だけを選択的に抽出することにより、外部ノイズに影響されることなく高感度の検出が可能である。ロックインアンプ等を用いれば、数ｐｍ程度の検出感度を実現することができる。（吉田齋藤：キャパシタンス法による微小変位の測定、固体物理、Vol．17,No．9（1982）,P27−32）
【００１２】
図３に信号波形の概念を示す。図（a）が変位測定器からの生信号に相当するものであり、大きな外部ノイズを含むことが多い。図（b）は同調増幅後の波形であり、ｆ成分だけを抽出することにより、試料２と圧子１が接触する前の信号レベルはゼロであり、接触後急速に立ち上がる波形が有られる。得られた波形の包絡線を図（c）に示す。包絡線の二次近似線が横軸（時間軸）と交わる点がゼロ点（接触のタイミング）に相当する。
【００１３】
図４に本発明で硬さ試験を行う際の制御ブロック図を示す。圧子１の目標位置信号は、例えば試験機のバネ系１２が歪みを受けないような安定な作動点を選択して定める。次に、実際の圧子１位置との差分をとり、残差信号を積分してフォースコイル１０に流れる電流を駆動し、圧子１にかかる力Ｆ１を制御する。これにより、試験機の力学特性を反映して圧子位置が変化し、残差信号がゼロとなったところで積分値は一定となり、フォースコイル１０に流れる電流も−定となるため、圧子１は圧子目標位置で保持される。次に、試験片が圧子１に接触することにより、制御系に外乱として外部から力Ｆ２が加わる。この場合も、図４に示すクローズループにより、力Ｆ１が適切に制御され、圧子位置はもとの状態に保たれる。制御系の動特性と比較して外乱Ｆ２の変化を十分遅く設定することにより（ゆっくり圧子に試料を圧入することにより）、定常残差を発生させることなく制御が可能である。
【００１４】
以上、本発明を図面に記載された実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記した実施形態だけでなく、特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限りどのようでも実施することができる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、従来不可能であった高精度のゼロ点検出が可能となり、また硬さ試験の圧子位置が一定不変であるため、試験機のバネ系に起因する誤差の影響を受けにくく、高精度の硬さ試験を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる装置の全体概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる微動機構と同調増幅の信号処理系を示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる同調増幅の信号とゼロ点検出のアルゴリズムを示す概念図である。
【図４】変位制御の制御ループを示すブロック図である。
【図５】従来の微小硬さ試験機の全体概略構成を示す正面図である。
【図６】従来のゼロ点検出のアルゴリズムを示す概念図である。
【符号の説明】
１  圧子
２  試料
３  微動機構
４  粗動機構
５  変位測定装置
６  増幅器
７  同調増幅器
８  発振器
９  変位制御回路
１０  フォースコイル
１１  磁石
１２  バネ系
１３  レーザ干渉計
１４  電圧発生器
１５  加算器
１６  変換器
【図１】
0003731047.tif 000002
【図２】
0003731047.tif 000003
【図３】
0003731047.tif 000004
【図４】
0003731047.tif 000005
【図５】
0003731047.tif 000006
【図６】
0003731047.tif 000007