マルチプローブを用いた変位量測定装置及びそれを用いた変位量測定方法
【課題】 微小試験片に張力を加えた際の変位量を高精度に測定することができる変位量測定装置及び変位量測定方法を提供すること。
【解決手段】先端部にチップ（Ｔ）が形成された第１及び第２カンチレバー（１１、１２）を有するマルチプローブ（１）と、第１及び第２カンチレバー（１１、１２）の形状変化を検出する検出部と、マルチプローブ（１）を走査させるスキャナと、スキャナを制御する制御部と、試験片（２）に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置であって、複数の凸部（２２）が等間隔に表面に形成された試験片（２）に対して引張機構によって張力を加える前後で、制御部がスキャナを制御し、マルチプローブ（１）を用いて、凸部（２２）が配列された方向に沿って試験片（２）の表面を所定距離走査し、検出部が、チップ（Ｔ）の位置変位による第１及び第２カンチレバー（１１、１２）の形状変化から試験片（２）の表面の高さ情報を取得する。
【解決手段】先端部にチップ（Ｔ）が形成された第１及び第２カンチレバー（１１、１２）を有するマルチプローブ（１）と、第１及び第２カンチレバー（１１、１２）の形状変化を検出する検出部と、マルチプローブ（１）を走査させるスキャナと、スキャナを制御する制御部と、試験片（２）に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置であって、複数の凸部（２２）が等間隔に表面に形成された試験片（２）に対して引張機構によって張力を加える前後で、制御部がスキャナを制御し、マルチプローブ（１）を用いて、凸部（２２）が配列された方向に沿って試験片（２）の表面を所定距離走査し、検出部が、チップ（Ｔ）の位置変位による第１及び第２カンチレバー（１１、１２）の形状変化から試験片（２）の表面の高さ情報を取得する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小試験片に引張負荷を加えた際の試験片の変位量をマルチプローブを用いて測定する変位量測定装置及びそれを用いた変位量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロテクノロジ、ナノテクノロジの発達により、マイクロメートル又はナノメートルオーダーの寸法の材料を利用した超小型センサやマイクロマシン、ナノマシンの実現が期待されている。これらの微小寸法の構造体の設計においては、微小寸法の材料の引張特性などの力学特性を高精度で測定、評価することが必要である。
【０００３】
下記特許文献１には、微小試験片の力学的特性を評価するためのマイクロ材料試験装置が開示されている。下記特許文献１のマイクロ材料試験装置では、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ部に備えたアクチュエータによって微小試験片に対して引張り又は圧縮荷重を加え、微小試験片の歪み量を走査型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定することができる。従って、試験片に加えた応力と測定された歪みとを用いて、力学特性を表すヤング率及びポアッソン比を求めることができる。
【特許文献１】特開２００３−２０７４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、変位量の測定精度の向上には、長い距離に関する変位量を測定することが有効である。例えば引張試験の場合、引っ張る方向に沿って比較的離れた２点を試験片上に定めて、その２点間の距離の荷重による変化を測定することが望ましい。上記特許文献１のマイクロ材料試験装置を用いて、試験片上の比較的長い２点間距離を測定対象とする場合、その２点を含む広範囲を１つのプローブで走査しなければならない。実際の試験では、引張荷重を変化させる毎に、この広範囲の走査を繰り返す必要があり、測定に時間がかかる問題がある。
【０００５】
また、通常ディジタルデータとして測定されるので、１走査方向の測定データ数（例えば２５６、５１２など）が決まっており、走査距離が長くなるほど解像度が低下する問題がある。
【０００６】
また、プローブの移動距離が長くなると、繰り返し測定時の移動量の再現性が悪化し、測定精度が低下する問題がある。特に、ピエゾ素子を用いたスキャナでプローブの位置を制御する場合、ピエゾ素子によるクリープやヒステリシスによって、走査距離が長くなるほど再現性がより悪くなる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、微小試験片に引張負荷を加えた際の試験片の変位量を、マルチプローブを用いて高精度且つ効率的に測定することができる変位量測定装置及びそれを用いた変位量測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【０００９】
即ち、本発明に係る変位量測定方法は、所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、前記マルチプローブを走査させるスキャナと、該スキャナを制御する制御部と、試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置を用いた変位量測定方法であって、複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に張力を加えない状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第１ステップと、前記マルチプローブを前記走査を開始する前の位置に復帰させる第２ステップと、前記試験片に前記引張機構により張力を加えた状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を前記所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第３ステップと、前記第１及び第３ステップで、前記第１カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第１の値として算出する第４ステップと、前記第１及び第３ステップで、前記第２カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第２の値として算出する第５ステップと、前記第１の値及び前記第２の値の差の絶対値を、試験片の変位量として決定する第６ステップとを含むことを特徴としている。
【００１０】
前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で走査し、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することができる。
【００１１】
また、前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【００１２】
また、前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【００１３】
また、前記マルチプローブを走査させる前記所定距離が、隣接する前記凸部間の距離の１倍以上２倍以下の範囲の距離であり、前記スキャナが、ピエゾ素子を用いて前記マルチプローブを走査させることができる。
【００１４】
また、前記検出部が、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を、光てこ及びピエゾ素子の何れか一方を用いて検出することができる。
【００１５】
本発明に係る変位量測定装置は、所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、前記マルチプローブを走査させるスキャナと、該スキャナを制御する制御部と、試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置であって、複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に対して前記引張機構によって張力を加える前後で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得することを特徴としている。
【００１６】
前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で前記走査を行い、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することができる。
【００１７】
また、前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【００１８】
また、前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、試験片の広い範囲にわたって走査する必要がなく、試験片に形成した複数の凸部の間隔程度の比較的短い距離を走査すればよいので、効率的な測定が可能となる。
【００２０】
また、プローブを走査する距離が短いので、ピエゾ素子を用いたスキャナを使用して繰り返し測定を行っても測定精度が低下することがない。
【００２１】
また、２つのカンチレバーのうち、一方のカンチレバーのみを位置制御してＡＦＭ測定すれば、同時に他方のカンチレバーによってもＡＦＭ測定が可能となるので、プローブの制御が簡単になる。
【００２２】
また、試験片が傾斜していた場合、測定前に試験片からの距離が大きかった方のカンチレバーを位置制御の対象とするので、他方のカンチレバーのチップを試験片に常に接触させてＡＦＭ測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る変位量測定装置の概略構成を示すブロック図である。本変位量測定装置は、走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope）と記す）の一種である原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope））と記す）を基本とする装置であって、先鋭なチップが形成された２つのカンチレバーを有するマルチプローブ１と、ステージ３の上に配置された試験片２を保持し、これに張力を加える引張機構３と、マルチプローブ１が取り付けられた検出部４と、マルチプローブ１及び検出部４の３次元位置を変化させるスキャナ５と、検出部４からの信号に応じてスキャナ５を制御する制御部６とを備えている。
【００２４】
図２は、図１に示したマルチプローブ１及び試験片２の形状を示す斜視図である。マルチプローブ１は、先鋭なチップＴが形成された２つのカンチレバー１１、１２を備えている。試験片２は、引張試験の対象であるブリッジ部２１と、ブリッジ部２１の上に等間隔で、ほぼ同じ高さに形成された複数の凸部２２とを備えている。便宜上、凸部２２の間を凹部２３とする。２つのカンチレバー１１、１２のチップＴは、複数の凸部２２が配列された方向に沿って、試験片２の上方に配置される。寸法の一例を示せば、２つのカンチレバー１１、１２の間隔Ｌ０は約０．６ｍｍであり、ブリッジ部２１は、長さが約３ｍｍ、幅が約０．３ｍｍ、厚さが約０．０２ｍｍである。また、凸部２２は、幅Ｗ及び間隔Ｐが約１０〜２０μｍ、長さＤが約１０〜３００μｍ、高さＨが約１００〜２００ｎｍであり、複数の凸部２２が形成されている領域の長さは約１００〜１０００μｍである。
【００２５】
本変位量測定装置を用いた測定の概要を説明すれば次の通りである。試験片に張力を加える前後で、ＡＦＭの原理に基づいて試験片の表面形状を測定し、得られたＡＦＭ画像から張力による試験片の変位量を求める。スキャナ５は、制御部６からの制御信号によって制御され、検出部４に取り付けられたマルチプローブ１の位置を３次元的に変化させる。例えば、制御部６がスキャナ４を制御して、マルチプローブ１を観測対象の試験片表面に近づけると、カンチレバー１１、１２の先端部の先鋭なチップＴが試験片から原子間力による影響を受け、カンチレバー１１、１２が撓む。このカンチレバー１１、１２の変形を、検出部４が検出する。そして、制御部６はスキャナ５を制御して、マルチプローブ１のＸＹ座標を変化させながら、検出部４から受信する観測信号が一定レベルになるようにマルチプローブ１のＺ軸方向の位置を変化させる。これによって、各ＸＹ座標の点に対するＺ軸方向の制御量として、試験片表面の３次元形状を得ることができる。ＡＦＭによる試験片表面の観測方法には、上記したノンコンタクトモード以外にもコンタクトモード、タッピングモードなど種々の観測方法があるが、周知であるので詳細説明を省略する。
【００２６】
次に、本変位量測定装置を用いて、試験片２に張力を加えた場合の変位量を測定する方法を詳細に説明する。ここでは、３次元座標軸を図２に示した方向に取り、カンチレバー１１に関する検出信号を用いてマルチプローブのＺ軸方向の位置を制御し、ＡＦＭ測定するとする。
【００２７】
まず、試験片２に張力を加えていない状態で、マルチプローブ１を用いて、試験片２の表面、即ち凸部２２及び凹部２３からなる形状をＡＦＭ測定する。具体的には、制御部６がスキャナ５を制御して、マルチプローブ１のＺ軸方向（試験片２の高さ方向）の位置を制御しながらＸ軸方向（ビーム部２１の長手方向）に所定距離ΔＬだけ走査し、カンチレバー１１、１２を用いてＡＦＭ測定する。マルチプローブ１の位置のＺ軸方向の制御には、制御部６が、カンチレバー１１のチップＴが試験片２に接触することによるカンチレバー１１の変形に応じた測定信号を検出部４から受信し、この信号が一定になるように、マルチプローブ１の位置をＺ軸方向に制御することで行う。即ち、本変位量測定装置において、カンチレバー１１によるノンコンタクトモードでのＡＦＭ測定と、カンチレバー１２によるコンタクトモードでのＡＦＭ測定を同時に行う。このとき、カンチレバー１２が常に試験片２に接触してＡＦＭ測定可能となるようにすることが必要である。これは、例えば、一定とするカンチレバー１１による検出信号の値を適切に設定（即ち、試験片表面とカンチレバー１１のチップＴとの距離を適切に設定）することや、マルチプローブ１全体をカンチレバー１２の方向に所定の角度傾斜させて、カンチレバー１２のチップＴと試験片との接触を確実にすることによって実現できる。カンチレバー１１、１２の各々のチップＴのＺ軸方向の変化の測定は、レーザー光線をカンチレバーに照射してその形状変化を観測する「光てこ」による方法、カンチレバーの変形に応じてピエゾ素子を変形させ、その発生電圧として検出する方法など、周知の種々の方法を使用することができる。
【００２８】
図３には、カンチレバー１１、１２が試験片２の表面を走査するときの位置関係と、ＡＦＭ測定結果とを示している。図３の（ｂ）は、それぞれのカンチレバー１１、１２によって得られたＡＦＭ測定結果を画像化したものであり、試験片２の表面の凹凸形状（高さ情報）を示している。高さ情報を得ることができる幅は、カンチレバー１１、１２を走査した距離ΔＬと等しく、それらの間の表面情報は得られない。
【００２９】
次に、制御部６がスキャナ５を制御してマルチプローブ１を元の位置に復帰させる。
【００３０】
その後、試験片２に所定の張力を加えた状態で、上記と同様に、マルチプローブ１を走査してＡＦＭ測定を行う。図３の（ｃ）は、張力を受けて試験片２のブリッジ部２１がＸ軸方向に伸長した状態を示す断面図であり、（ｄ）は、この状態で得られたＡＦＭ測定結果を画像化したものであり、試験片２の表面の凹凸形状（高さ情報）を示している。
【００３１】
以上によって、図３の（ｂ）、（ｄ）に示したように、カンチレバー１１、１２の間隔Ｌ０とほぼ等しい距離だけ離れた２つの第１凸部２２ａ及び第２凸部２２ｂの立ち下りエッジＥ１、Ｅ２に関するＸ軸方法の位置情報が得られる。従って、張力を加える前後の、立ち下りエッジＥ１の変位量Δ１及び立ち下りエッジＥ２の変位量Δ２を用いて、試験片２に張力を加えたときの変位量は｜Δ２−Δ１｜で求められる。張力を加える前の立ち下りエッジＥ１、Ｅ２間の距離をＬ０＋αとすると、このときの変位率は、｜Δ２−Δ１｜／（Ｌ０＋α）で求められる。ここで、αは、２つのカンチレバー１１、１２間の距離Ｌ０と立ち下りエッジＥ１、Ｅ２間の距離との差であり、Ｌ０に比べて十分に小さいとすれば、｜Δ２−Δ１｜／（Ｌ０＋α）≒｜Δ２−Δ１｜／Ｌ０と近似できる。
【００３２】
必要に応じて、試験片２に加える張力を変化させる毎に、スキャナ５によってマルチプローブ１を元の位置に復帰させた後、マルチプローブ１を走査してＡＦＭ測定を行い、試験片２の変位量を測定することができる。これによって、試験片上の長い距離（例えばＬ０）を走査することなく、隣接する凸部２２（又は凹部２３）の間隔程度の距離（ΔＬ）を走査するだけで、試験片２の変位量及び変位率を高精度に求めることができる。
【００３３】
図４は、本変位量測定装置に装着される前の試験片の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の平面図におけるIII−III線に沿った断面図である。図４に示した試験片２は、両側が比較的大きく欠損された幅Ｗ２の狭いブリッジ部２１が中央付近に形成され、ブリッジ部２１の上に、等間隔に配置され、ほぼ同じ高さの複数の凸部２２が形成されている。図４の試験片には、２つの孔部２４がブリッジ部２１の両側に設けられており、これらの孔部２４が変位量測定装置の引張機構３のチャック（図示せず）に係合されて、試験片２が変位量測定装置に固定される。また、図４の試験片２は、試験片２の取り扱いを容易にするために、破損防止用フレーム部２５を備えているが、試験片２が変位量測定装置に固定された後、計測を行う前に破損防止用フレーム部２５は切断される。
【００３４】
図４において縮尺は一定ではなく、特に（ｂ）においては、横方向に比較して縦方向を拡大して表示している。図４の試験片２は、例えば、全長Ｌ１が約２７ｍｍ、全幅Ｗ１が約１３ｍｍ、全厚ｔ１が約０．５ｍｍ、ブリッジ部の長さＬ２が約３ｍｍ、幅Ｗ２が約０．３ｍｍ、厚さｔ２が約０．０２ｍｍである。
【００３５】
図４に示したマイクロスケールの試験片２は、フォトリソグラフィ、エッチングなどによる周知の半導体プロセスを用いて製造することができる。従って、試験片２は、半導体プロセスで試験片２上に凸部２２を等間隔に形成することができる材料であればよく、例えば、シリコン、ＤＬＣ（Diamond-like Carbon）、パーマロイなど種々の薄膜を試験片とすることができる。
【００３６】
上記ではマルチプローブの１つのカンチレバー（例えばカンチレバー１１）に関する検出信号を用いてマルチプローブ１のＺ軸方向の位置を制御する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、マルチプローブ１のＺ軸方向の位置を制御せずにＸ軸方向に走査し、ＡＦＭ測定してもよい。このとき、カンチレバー１１、１２のチップＴは、ＡＦＭにより試験片２の表面形状を測定可能なように、試験片２の表面に常に接触していることが必要である。そのためには、例えば、カンチレバー１１、１２のチップＴが試験片２に対して常に、試験片２を損傷しない程度に十分に微弱な力を加えるように、マルチプローブ１のＺ軸方向の位置を設定すればよい。
【００３７】
また、機構が複雑になるが、カンチレバー１１、１２の位置をそれぞれ独立にＺ軸方向に制御する機構を備え、カンチレバー１１、１２によって、例えばタッピングモードまたはノンコンタクトモードでＡＦＭ測定してもよい。
【００３８】
また、試験片２が図５に示したようにマルチプローブに対して傾斜している場合には、一方のカンチレバー（図５ではカンチレバー１１）のチップが試験片２に接していても、他方（カンチレバー１２）のチップＴが試験片２から離れた状態になる。この場合には、試験片２からチップＴがより離れている方のカンチレバー（カンチレバー１２）に関する検出信号を用いて、マルチプローブのＺ軸方法の位置を制御してＡＦＭ測定する。これによって、他方のカンチレバー（カンチレバー１１）のチップは常に試験片２に接触することになるので、他方のカンチレバー（カンチレバー１１）を用いてコンタクトモードでＡＦＭ測定を行うことができる。
【００３９】
この場合、最初に、２つのカンチレバー１１、１２のうち、何れの検出信号をマルチプローブのＺ軸方向の位置制御に使用するかを決定することが必要になる。これは、例えば、マルチプローブ１を試験片に近づけながら、カンチレバー１１、１２の各々に関する検出信号を観測することによって、容易に判断できる。即ち、最初に検出信号が変化した方のカンチレバーが試験片に近く、後から検出信号が変化した方のカンチレバーは試験片から遠かったことが分かる。従って、後から検出信号が変化した方のカンチレバー（図５ではカンチレバー１２）からの検出信号を用いてマルチプローブ１のＺ軸方向の位置を制御し、カンチレバー１１、１２を用いてＡＦＭ測定を行う。
【００４０】
また、何れか一方のカンチレバーに関する検出信号を用いて、マルチプローブのＺ軸方向の位置を制御しながらＸ軸方向に短い距離を走査し、予備的にＡＦＭ測定を行うことによっても、何れのカンチレバーが試験片から遠いかを判断することができる。即ち、この予備的なＡＦＭ測定の結果、何れか一方のカンチレバーの検出信号に変化が無かった場合、そのカンチレバーが試験表面から離れていることが分かる。従って、実際の測定では、予備的なＡＦＭ測定で検出信号の変化がなかった方のカンチレバー（図５ではカンチレバー１２）に関する検出信号を用いてマルチプローブのＺ軸方向の位置を制御し、カンチレバー１１、１２を用いてＡＦＭ測定を行えばよい。
【００４１】
このとき、２つのカンチレバーの変形の検出方法として、周知の光てこを用いる方法、ピエゾ素子を用いる方法などの何れを使用してもよい。２つのカンチレバーの各々の変形をピエゾ素子を用いて検知する方法を採用すれば、上記したカンチレバー１１、１２と試験片との接触の順序を、それら同じピエゾ素子を用いて検出することができ、装置の構成を簡単にすることができる。また、２つのカンチレバーの各々の変形を光てこによる方法を用いて検出し、それら同じ光てこを用いて試験片との接触順序を判断してもよい。
【００４２】
また、上記した試験片の各部の寸法及びＸ軸方向の走査距離は、一例でありこれらに限定されない。例えば、凸部２２の間隔ＷやＸ軸方向の走査距離ΔＬは、試験片のヤング率及び測定時に試験片に加える張力を考慮して適切に決定すればよい。また、凸部２２の高さＨは、凸部２２を形成する前の試験片２の表面の凹凸に対して、明確に凸部２２のエッジをＡＦＭによって観測できる高さであればよい。
【００４３】
また、マルチプローブのカンチレバーの数は２つに限定されず、３つ以上のカンチレバーを平行に備えていてもよい。
【００４４】
また、上記では、対応する凸部２２（凹部２３）の立ち下りエッジのＸ軸方向の変位を測定したが、立ち上がりエッジの変位を測定してもよい。
【００４５】
また、上記ではＡＦＭを用いる場合を説明したが、これに限定されず、摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）、フォースモジュレーション顕微鏡（Force Modulation Microscope、ＦＭＭ）、静電気力顕微鏡、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）など種々の走査型プローブ顕微鏡に上記したマルチプローブを適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態に係る変位量測定装置の概要を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る変位量測定装置のマルチプローブ及び試験片を示す斜視図である。
【図３】図１に示した変位量測定装置を用いた測定方法を説明する断面図である。
【図４】試験片の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図５】試験片が傾斜している場合のマルチプローブの制御方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ マルチプローブ
２ 試験片
３ 引張機構
４ 検出部
５ スキャナ
６ 制御部
１１、１２ カンチレバー
２１ ブリッジ部
２２、２２ａ、２２ｂ 凸部
２３ 凹部
２４ 孔部
２５ 破損防止用フレーム部
Ｔ チップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小試験片に引張負荷を加えた際の試験片の変位量をマルチプローブを用いて測定する変位量測定装置及びそれを用いた変位量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロテクノロジ、ナノテクノロジの発達により、マイクロメートル又はナノメートルオーダーの寸法の材料を利用した超小型センサやマイクロマシン、ナノマシンの実現が期待されている。これらの微小寸法の構造体の設計においては、微小寸法の材料の引張特性などの力学特性を高精度で測定、評価することが必要である。
【０００３】
下記特許文献１には、微小試験片の力学的特性を評価するためのマイクロ材料試験装置が開示されている。下記特許文献１のマイクロ材料試験装置では、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ部に備えたアクチュエータによって微小試験片に対して引張り又は圧縮荷重を加え、微小試験片の歪み量を走査型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定することができる。従って、試験片に加えた応力と測定された歪みとを用いて、力学特性を表すヤング率及びポアッソン比を求めることができる。
【特許文献１】特開２００３−２０７４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、変位量の測定精度の向上には、長い距離に関する変位量を測定することが有効である。例えば引張試験の場合、引っ張る方向に沿って比較的離れた２点を試験片上に定めて、その２点間の距離の荷重による変化を測定することが望ましい。上記特許文献１のマイクロ材料試験装置を用いて、試験片上の比較的長い２点間距離を測定対象とする場合、その２点を含む広範囲を１つのプローブで走査しなければならない。実際の試験では、引張荷重を変化させる毎に、この広範囲の走査を繰り返す必要があり、測定に時間がかかる問題がある。
【０００５】
また、通常ディジタルデータとして測定されるので、１走査方向の測定データ数（例えば２５６、５１２など）が決まっており、走査距離が長くなるほど解像度が低下する問題がある。
【０００６】
また、プローブの移動距離が長くなると、繰り返し測定時の移動量の再現性が悪化し、測定精度が低下する問題がある。特に、ピエゾ素子を用いたスキャナでプローブの位置を制御する場合、ピエゾ素子によるクリープやヒステリシスによって、走査距離が長くなるほど再現性がより悪くなる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、微小試験片に引張負荷を加えた際の試験片の変位量を、マルチプローブを用いて高精度且つ効率的に測定することができる変位量測定装置及びそれを用いた変位量測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【０００９】
即ち、本発明に係る変位量測定方法は、所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、前記マルチプローブを走査させるスキャナと、該スキャナを制御する制御部と、試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置を用いた変位量測定方法であって、複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に張力を加えない状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第１ステップと、前記マルチプローブを前記走査を開始する前の位置に復帰させる第２ステップと、前記試験片に前記引張機構により張力を加えた状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を前記所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第３ステップと、前記第１及び第３ステップで、前記第１カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第１の値として算出する第４ステップと、前記第１及び第３ステップで、前記第２カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第２の値として算出する第５ステップと、前記第１の値及び前記第２の値の差の絶対値を、試験片の変位量として決定する第６ステップとを含むことを特徴としている。
【００１０】
前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で走査し、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することができる。
【００１１】
また、前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【００１２】
また、前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【００１３】
また、前記マルチプローブを走査させる前記所定距離が、隣接する前記凸部間の距離の１倍以上２倍以下の範囲の距離であり、前記スキャナが、ピエゾ素子を用いて前記マルチプローブを走査させることができる。
【００１４】
また、前記検出部が、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を、光てこ及びピエゾ素子の何れか一方を用いて検出することができる。
【００１５】
本発明に係る変位量測定装置は、所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、前記マルチプローブを走査させるスキャナと、該スキャナを制御する制御部と、試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置であって、複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に対して前記引張機構によって張力を加える前後で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得することを特徴としている。
【００１６】
前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で前記走査を行い、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することができる。
【００１７】
また、前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【００１８】
また、前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、試験片の広い範囲にわたって走査する必要がなく、試験片に形成した複数の凸部の間隔程度の比較的短い距離を走査すればよいので、効率的な測定が可能となる。
【００２０】
また、プローブを走査する距離が短いので、ピエゾ素子を用いたスキャナを使用して繰り返し測定を行っても測定精度が低下することがない。
【００２１】
また、２つのカンチレバーのうち、一方のカンチレバーのみを位置制御してＡＦＭ測定すれば、同時に他方のカンチレバーによってもＡＦＭ測定が可能となるので、プローブの制御が簡単になる。
【００２２】
また、試験片が傾斜していた場合、測定前に試験片からの距離が大きかった方のカンチレバーを位置制御の対象とするので、他方のカンチレバーのチップを試験片に常に接触させてＡＦＭ測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る変位量測定装置の概略構成を示すブロック図である。本変位量測定装置は、走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope）と記す）の一種である原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope））と記す）を基本とする装置であって、先鋭なチップが形成された２つのカンチレバーを有するマルチプローブ１と、ステージ３の上に配置された試験片２を保持し、これに張力を加える引張機構３と、マルチプローブ１が取り付けられた検出部４と、マルチプローブ１及び検出部４の３次元位置を変化させるスキャナ５と、検出部４からの信号に応じてスキャナ５を制御する制御部６とを備えている。
【００２４】
図２は、図１に示したマルチプローブ１及び試験片２の形状を示す斜視図である。マルチプローブ１は、先鋭なチップＴが形成された２つのカンチレバー１１、１２を備えている。試験片２は、引張試験の対象であるブリッジ部２１と、ブリッジ部２１の上に等間隔で、ほぼ同じ高さに形成された複数の凸部２２とを備えている。便宜上、凸部２２の間を凹部２３とする。２つのカンチレバー１１、１２のチップＴは、複数の凸部２２が配列された方向に沿って、試験片２の上方に配置される。寸法の一例を示せば、２つのカンチレバー１１、１２の間隔Ｌ０は約０．６ｍｍであり、ブリッジ部２１は、長さが約３ｍｍ、幅が約０．３ｍｍ、厚さが約０．０２ｍｍである。また、凸部２２は、幅Ｗ及び間隔Ｐが約１０〜２０μｍ、長さＤが約１０〜３００μｍ、高さＨが約１００〜２００ｎｍであり、複数の凸部２２が形成されている領域の長さは約１００〜１０００μｍである。
【００２５】
本変位量測定装置を用いた測定の概要を説明すれば次の通りである。試験片に張力を加える前後で、ＡＦＭの原理に基づいて試験片の表面形状を測定し、得られたＡＦＭ画像から張力による試験片の変位量を求める。スキャナ５は、制御部６からの制御信号によって制御され、検出部４に取り付けられたマルチプローブ１の位置を３次元的に変化させる。例えば、制御部６がスキャナ４を制御して、マルチプローブ１を観測対象の試験片表面に近づけると、カンチレバー１１、１２の先端部の先鋭なチップＴが試験片から原子間力による影響を受け、カンチレバー１１、１２が撓む。このカンチレバー１１、１２の変形を、検出部４が検出する。そして、制御部６はスキャナ５を制御して、マルチプローブ１のＸＹ座標を変化させながら、検出部４から受信する観測信号が一定レベルになるようにマルチプローブ１のＺ軸方向の位置を変化させる。これによって、各ＸＹ座標の点に対するＺ軸方向の制御量として、試験片表面の３次元形状を得ることができる。ＡＦＭによる試験片表面の観測方法には、上記したノンコンタクトモード以外にもコンタクトモード、タッピングモードなど種々の観測方法があるが、周知であるので詳細説明を省略する。
【００２６】
次に、本変位量測定装置を用いて、試験片２に張力を加えた場合の変位量を測定する方法を詳細に説明する。ここでは、３次元座標軸を図２に示した方向に取り、カンチレバー１１に関する検出信号を用いてマルチプローブのＺ軸方向の位置を制御し、ＡＦＭ測定するとする。
【００２７】
まず、試験片２に張力を加えていない状態で、マルチプローブ１を用いて、試験片２の表面、即ち凸部２２及び凹部２３からなる形状をＡＦＭ測定する。具体的には、制御部６がスキャナ５を制御して、マルチプローブ１のＺ軸方向（試験片２の高さ方向）の位置を制御しながらＸ軸方向（ビーム部２１の長手方向）に所定距離ΔＬだけ走査し、カンチレバー１１、１２を用いてＡＦＭ測定する。マルチプローブ１の位置のＺ軸方向の制御には、制御部６が、カンチレバー１１のチップＴが試験片２に接触することによるカンチレバー１１の変形に応じた測定信号を検出部４から受信し、この信号が一定になるように、マルチプローブ１の位置をＺ軸方向に制御することで行う。即ち、本変位量測定装置において、カンチレバー１１によるノンコンタクトモードでのＡＦＭ測定と、カンチレバー１２によるコンタクトモードでのＡＦＭ測定を同時に行う。このとき、カンチレバー１２が常に試験片２に接触してＡＦＭ測定可能となるようにすることが必要である。これは、例えば、一定とするカンチレバー１１による検出信号の値を適切に設定（即ち、試験片表面とカンチレバー１１のチップＴとの距離を適切に設定）することや、マルチプローブ１全体をカンチレバー１２の方向に所定の角度傾斜させて、カンチレバー１２のチップＴと試験片との接触を確実にすることによって実現できる。カンチレバー１１、１２の各々のチップＴのＺ軸方向の変化の測定は、レーザー光線をカンチレバーに照射してその形状変化を観測する「光てこ」による方法、カンチレバーの変形に応じてピエゾ素子を変形させ、その発生電圧として検出する方法など、周知の種々の方法を使用することができる。
【００２８】
図３には、カンチレバー１１、１２が試験片２の表面を走査するときの位置関係と、ＡＦＭ測定結果とを示している。図３の（ｂ）は、それぞれのカンチレバー１１、１２によって得られたＡＦＭ測定結果を画像化したものであり、試験片２の表面の凹凸形状（高さ情報）を示している。高さ情報を得ることができる幅は、カンチレバー１１、１２を走査した距離ΔＬと等しく、それらの間の表面情報は得られない。
【００２９】
次に、制御部６がスキャナ５を制御してマルチプローブ１を元の位置に復帰させる。
【００３０】
その後、試験片２に所定の張力を加えた状態で、上記と同様に、マルチプローブ１を走査してＡＦＭ測定を行う。図３の（ｃ）は、張力を受けて試験片２のブリッジ部２１がＸ軸方向に伸長した状態を示す断面図であり、（ｄ）は、この状態で得られたＡＦＭ測定結果を画像化したものであり、試験片２の表面の凹凸形状（高さ情報）を示している。
【００３１】
以上によって、図３の（ｂ）、（ｄ）に示したように、カンチレバー１１、１２の間隔Ｌ０とほぼ等しい距離だけ離れた２つの第１凸部２２ａ及び第２凸部２２ｂの立ち下りエッジＥ１、Ｅ２に関するＸ軸方法の位置情報が得られる。従って、張力を加える前後の、立ち下りエッジＥ１の変位量Δ１及び立ち下りエッジＥ２の変位量Δ２を用いて、試験片２に張力を加えたときの変位量は｜Δ２−Δ１｜で求められる。張力を加える前の立ち下りエッジＥ１、Ｅ２間の距離をＬ０＋αとすると、このときの変位率は、｜Δ２−Δ１｜／（Ｌ０＋α）で求められる。ここで、αは、２つのカンチレバー１１、１２間の距離Ｌ０と立ち下りエッジＥ１、Ｅ２間の距離との差であり、Ｌ０に比べて十分に小さいとすれば、｜Δ２−Δ１｜／（Ｌ０＋α）≒｜Δ２−Δ１｜／Ｌ０と近似できる。
【００３２】
必要に応じて、試験片２に加える張力を変化させる毎に、スキャナ５によってマルチプローブ１を元の位置に復帰させた後、マルチプローブ１を走査してＡＦＭ測定を行い、試験片２の変位量を測定することができる。これによって、試験片上の長い距離（例えばＬ０）を走査することなく、隣接する凸部２２（又は凹部２３）の間隔程度の距離（ΔＬ）を走査するだけで、試験片２の変位量及び変位率を高精度に求めることができる。
【００３３】
図４は、本変位量測定装置に装着される前の試験片の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の平面図におけるIII−III線に沿った断面図である。図４に示した試験片２は、両側が比較的大きく欠損された幅Ｗ２の狭いブリッジ部２１が中央付近に形成され、ブリッジ部２１の上に、等間隔に配置され、ほぼ同じ高さの複数の凸部２２が形成されている。図４の試験片には、２つの孔部２４がブリッジ部２１の両側に設けられており、これらの孔部２４が変位量測定装置の引張機構３のチャック（図示せず）に係合されて、試験片２が変位量測定装置に固定される。また、図４の試験片２は、試験片２の取り扱いを容易にするために、破損防止用フレーム部２５を備えているが、試験片２が変位量測定装置に固定された後、計測を行う前に破損防止用フレーム部２５は切断される。
【００３４】
図４において縮尺は一定ではなく、特に（ｂ）においては、横方向に比較して縦方向を拡大して表示している。図４の試験片２は、例えば、全長Ｌ１が約２７ｍｍ、全幅Ｗ１が約１３ｍｍ、全厚ｔ１が約０．５ｍｍ、ブリッジ部の長さＬ２が約３ｍｍ、幅Ｗ２が約０．３ｍｍ、厚さｔ２が約０．０２ｍｍである。
【００３５】
図４に示したマイクロスケールの試験片２は、フォトリソグラフィ、エッチングなどによる周知の半導体プロセスを用いて製造することができる。従って、試験片２は、半導体プロセスで試験片２上に凸部２２を等間隔に形成することができる材料であればよく、例えば、シリコン、ＤＬＣ（Diamond-like Carbon）、パーマロイなど種々の薄膜を試験片とすることができる。
【００３６】
上記ではマルチプローブの１つのカンチレバー（例えばカンチレバー１１）に関する検出信号を用いてマルチプローブ１のＺ軸方向の位置を制御する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、マルチプローブ１のＺ軸方向の位置を制御せずにＸ軸方向に走査し、ＡＦＭ測定してもよい。このとき、カンチレバー１１、１２のチップＴは、ＡＦＭにより試験片２の表面形状を測定可能なように、試験片２の表面に常に接触していることが必要である。そのためには、例えば、カンチレバー１１、１２のチップＴが試験片２に対して常に、試験片２を損傷しない程度に十分に微弱な力を加えるように、マルチプローブ１のＺ軸方向の位置を設定すればよい。
【００３７】
また、機構が複雑になるが、カンチレバー１１、１２の位置をそれぞれ独立にＺ軸方向に制御する機構を備え、カンチレバー１１、１２によって、例えばタッピングモードまたはノンコンタクトモードでＡＦＭ測定してもよい。
【００３８】
また、試験片２が図５に示したようにマルチプローブに対して傾斜している場合には、一方のカンチレバー（図５ではカンチレバー１１）のチップが試験片２に接していても、他方（カンチレバー１２）のチップＴが試験片２から離れた状態になる。この場合には、試験片２からチップＴがより離れている方のカンチレバー（カンチレバー１２）に関する検出信号を用いて、マルチプローブのＺ軸方法の位置を制御してＡＦＭ測定する。これによって、他方のカンチレバー（カンチレバー１１）のチップは常に試験片２に接触することになるので、他方のカンチレバー（カンチレバー１１）を用いてコンタクトモードでＡＦＭ測定を行うことができる。
【００３９】
この場合、最初に、２つのカンチレバー１１、１２のうち、何れの検出信号をマルチプローブのＺ軸方向の位置制御に使用するかを決定することが必要になる。これは、例えば、マルチプローブ１を試験片に近づけながら、カンチレバー１１、１２の各々に関する検出信号を観測することによって、容易に判断できる。即ち、最初に検出信号が変化した方のカンチレバーが試験片に近く、後から検出信号が変化した方のカンチレバーは試験片から遠かったことが分かる。従って、後から検出信号が変化した方のカンチレバー（図５ではカンチレバー１２）からの検出信号を用いてマルチプローブ１のＺ軸方向の位置を制御し、カンチレバー１１、１２を用いてＡＦＭ測定を行う。
【００４０】
また、何れか一方のカンチレバーに関する検出信号を用いて、マルチプローブのＺ軸方向の位置を制御しながらＸ軸方向に短い距離を走査し、予備的にＡＦＭ測定を行うことによっても、何れのカンチレバーが試験片から遠いかを判断することができる。即ち、この予備的なＡＦＭ測定の結果、何れか一方のカンチレバーの検出信号に変化が無かった場合、そのカンチレバーが試験表面から離れていることが分かる。従って、実際の測定では、予備的なＡＦＭ測定で検出信号の変化がなかった方のカンチレバー（図５ではカンチレバー１２）に関する検出信号を用いてマルチプローブのＺ軸方向の位置を制御し、カンチレバー１１、１２を用いてＡＦＭ測定を行えばよい。
【００４１】
このとき、２つのカンチレバーの変形の検出方法として、周知の光てこを用いる方法、ピエゾ素子を用いる方法などの何れを使用してもよい。２つのカンチレバーの各々の変形をピエゾ素子を用いて検知する方法を採用すれば、上記したカンチレバー１１、１２と試験片との接触の順序を、それら同じピエゾ素子を用いて検出することができ、装置の構成を簡単にすることができる。また、２つのカンチレバーの各々の変形を光てこによる方法を用いて検出し、それら同じ光てこを用いて試験片との接触順序を判断してもよい。
【００４２】
また、上記した試験片の各部の寸法及びＸ軸方向の走査距離は、一例でありこれらに限定されない。例えば、凸部２２の間隔ＷやＸ軸方向の走査距離ΔＬは、試験片のヤング率及び測定時に試験片に加える張力を考慮して適切に決定すればよい。また、凸部２２の高さＨは、凸部２２を形成する前の試験片２の表面の凹凸に対して、明確に凸部２２のエッジをＡＦＭによって観測できる高さであればよい。
【００４３】
また、マルチプローブのカンチレバーの数は２つに限定されず、３つ以上のカンチレバーを平行に備えていてもよい。
【００４４】
また、上記では、対応する凸部２２（凹部２３）の立ち下りエッジのＸ軸方向の変位を測定したが、立ち上がりエッジの変位を測定してもよい。
【００４５】
また、上記ではＡＦＭを用いる場合を説明したが、これに限定されず、摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）、フォースモジュレーション顕微鏡（Force Modulation Microscope、ＦＭＭ）、静電気力顕微鏡、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）など種々の走査型プローブ顕微鏡に上記したマルチプローブを適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態に係る変位量測定装置の概要を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る変位量測定装置のマルチプローブ及び試験片を示す斜視図である。
【図３】図１に示した変位量測定装置を用いた測定方法を説明する断面図である。
【図４】試験片の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図５】試験片が傾斜している場合のマルチプローブの制御方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ マルチプローブ
２ 試験片
３ 引張機構
４ 検出部
５ スキャナ
６ 制御部
１１、１２ カンチレバー
２１ ブリッジ部
２２、２２ａ、２２ｂ 凸部
２３ 凹部
２４ 孔部
２５ 破損防止用フレーム部
Ｔ チップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、
各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、
前記マルチプローブを走査させるスキャナと、
該スキャナを制御する制御部と、
試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置を用いた変位量測定方法であって、
複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に張力を加えない状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第１ステップと、
前記マルチプローブを前記走査を開始する前の位置に復帰させる第２ステップと、
前記試験片に前記引張機構により張力を加えた状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を前記所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第３ステップと、
前記第１及び第３ステップで、前記第１カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第１の値として算出する第４ステップと、
前記第１及び第３ステップで、前記第２カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第２の値として算出する第５ステップと、
前記第１の値及び前記第２の値の差の絶対値を、試験片の変位量として決定する第６ステップとを含むことを特徴とする変位量測定方法。
【請求項２】
前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で走査し、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することを特徴とする請求項１に記載の変位量測定方法。
【請求項３】
前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項１に記載の変位量測定方法。
【請求項４】
前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項３に記載の変位量測定方法。
【請求項５】
前記マルチプローブを走査させる前記所定距離が、隣接する前記凸部間の距離の１倍以上２倍以下の範囲の距離であり、
前記スキャナが、ピエゾ素子を用いて前記マルチプローブを走査させることを特徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載の変位量測定方法。
【請求項６】
前記検出部が、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を、光てこ及びピエゾ素子の何れか一方を用いて検出することを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載の変位量測定方法。
【請求項７】
所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、
各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、
前記マルチプローブを走査させるスキャナと、
該スキャナを制御する制御部と、
試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置であって、
複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に対して前記引張機構によって張力を加える前後で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得することを特徴とする変位量測定装置。
【請求項８】
前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で前記走査を行い、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することを特徴とする請求項７に記載の変位量測定装置。
【請求項９】
前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項７に記載の変位量測定装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項９に記載の変位量測定装置。
【請求項１】
所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、
各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、
前記マルチプローブを走査させるスキャナと、
該スキャナを制御する制御部と、
試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置を用いた変位量測定方法であって、
複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に張力を加えない状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第１ステップと、
前記マルチプローブを前記走査を開始する前の位置に復帰させる第２ステップと、
前記試験片に前記引張機構により張力を加えた状態で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を前記所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得する第３ステップと、
前記第１及び第３ステップで、前記第１カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第１の値として算出する第４ステップと、
前記第１及び第３ステップで、前記第２カンチレバーの形状変化によって得られた高さ情報から、対応する凸部のエッジの変位量を第２の値として算出する第５ステップと、
前記第１の値及び前記第２の値の差の絶対値を、試験片の変位量として決定する第６ステップとを含むことを特徴とする変位量測定方法。
【請求項２】
前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で走査し、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することを特徴とする請求項１に記載の変位量測定方法。
【請求項３】
前記第１及び第３ステップにおいて、前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項１に記載の変位量測定方法。
【請求項４】
前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項３に記載の変位量測定方法。
【請求項５】
前記マルチプローブを走査させる前記所定距離が、隣接する前記凸部間の距離の１倍以上２倍以下の範囲の距離であり、
前記スキャナが、ピエゾ素子を用いて前記マルチプローブを走査させることを特徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載の変位量測定方法。
【請求項６】
前記検出部が、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を、光てこ及びピエゾ素子の何れか一方を用いて検出することを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載の変位量測定方法。
【請求項７】
所定の間隔で平行に配置され、各々の先端部にチップが形成された第１カンチレバー及び第２カンチレバーを有するマルチプローブと、
各々の前記第１及び第２カンチレバーの形状変化を検出する検出部と、
前記マルチプローブを走査させるスキャナと、
該スキャナを制御する制御部と、
試験片に張力を加える引張機構とを備えた変位量測定装置であって、
複数の凸部が等間隔に表面に形成された試験片に対して前記引張機構によって張力を加える前後で、前記制御部が前記スキャナを制御し、前記マルチプローブを用いて、前記凸部が配列された方向に沿って前記表面を所定距離走査し、前記検出部が、前記チップの位置変位による前記第１及び第２カンチレバーの形状変化から、前記表面の高さ情報を取得することを特徴とする変位量測定装置。
【請求項８】
前記第１及び第２カンチレバーの前記チップが前記試験片の表面に常に接触した状態で前記走査を行い、前記第１及び第２カンチレバーの形状変化をＡＦＭの原理によって検出することを特徴とする請求項７に記載の変位量測定装置。
【請求項９】
前記第１及び第２カンチレバーのうち、一方のカンチレバーのチップが前記試験片の表面に接触した状態を維持し、且つ、他方のカンチレバーのチップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による前記他方のカンチレバーの形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記試験片の表面の高さ方向に前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項７に記載の変位量測定装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２カンチレバーのうち、前記マルチプローブを前記試験片の表面に近づけていった場合に、前記試験片の表面に後から接触するカンチレバーに関して、チップと前記試験片の表面との間に生じる原子間力による形状変化に応じた検出信号が一定の値になるように、前記マルチプローブの位置を制御しながら、前記走査を行うことを特徴とする請求項９に記載の変位量測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−４６９７４（Ｐ２００７−４６９７４Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３０５６７（Ｐ２００５−２３０５６７）
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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