JPH079363B2 - 表面機械特性測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は表面機械特性測定装置に関するもので、特に物
質の表面に対して、気体中、真空中を問わず、容易な操
作かつ高い分解能でその表面の特定位置における表面形
状、吸着力、摩擦力を測定できる装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 半導体、磁気記録媒体、光記録媒体などにおける表面の
欠陥や吸着物質は、これらの性能や歩留りに大きな影響
を与える。これらの欠陥はミクロン以下の大きさでも問
題になり、時には原子レベルの大きさのものでさえ欠陥
成長の原因として問題になることがある。これらは、表
面の凹凸、吸着力、摩擦力などの表面機械特性を測定す
ることにより観測することができる。

表面の凹凸を測定するもっとも一般的な測定器は、触針
を表面におしつけ表面をなぞる触針式表面粗さ計であ
る。これはてこ式のレバーの先端に触針をつけ、他端の
変位を電磁式変換器で検出するものである。

最近、非接触で表面の凹凸を光で検出する光式表面粗さ
計も用いられるようになった。

また高い面分解能を有する走査型電子顕微鏡がある。

さらに、鋭い針を表面にオングストロームオーダまで近
付け、その間に流れるトンネル電流を検出する走査トン
ネル顕微鏡が開発されている。

また、柔らかいばねで支持した鋭い針を表面に、オング
ストロームオーダまで近づけ、針と測定表面との作用力
によるばねのたわみを測定する原子間力顕微鏡も開発さ
れている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら前記触針式表面粗さ計においては、可動部
の重量は大きく、表面への押し付け荷重はミリグラムオ
ーダにしなければ針の「飛び」が生じてしまう。この荷
重に触針が耐えるためにはその先端半径はミクロンオー
ダにする必要がある。よってミクロン以下のピッチの微
細な凹凸は検出出来ない。さらにこの大きな荷重で表面
を損傷する危険もある。

また光式表面粗さ計は、表面を損傷する危険はないが、
光スポットの直径は１ミクロン以上あり、やはりミクロ
ン以下のピッチの微小凹凸の測定には分解能が不足であ
る。

また、走査型電子顕微鏡は高い面分解能を持っている
が、凹凸の高さを直接求めることは出来ない。しかも測
定は真空中で行われるため、吸着物質が散逸し正確な測
定が出来ないこともある。

さらに走査型トンネル顕微鏡においては、分解能は原子
レベルまで期待出来、空気中でも測定可能であるが、ト
ンネル電流を利用するかぎり表面は導体に限定されると
いう大きな欠点がある。

原子間力顕微鏡は表面は導体に限定されず測定が可能で
あるが、従来の原子間力顕微鏡では、ばねの変位測定を （ａ）トンネル電流による検知方法（G.Binnig,C.F.Qua
te,and Ch,Gerber:PHYSICAL REVIEW LETTERS,Vol.56
No.9（1986）p.930）もしくは （ｂ）レーザ干渉による検知方法（Y.Martin,Williams,
C,C.and H.K.Wickrasinghe:J.Appl.phys.Lett.,61（19
87）p.4723） で行っていた。上記（ａ）の方法では、トンネル電流を
検知するためには少くとも１ナノメートル程度に電極を
ばねの背面の導体表面に近づける必要がある。ところが
空気中の導体表面は、酸化や空気中の物質の吸着によっ
て絶縁層をしばしば形成しトンネル電流が流れなくなる
ことがある。この場合には電極は相手表面に接触し、前
記絶縁層を破壊した後ようやくトンネル電流が流れ始め
る（C.Mathew MATE,Ragnar ERLANDSSON,Gary M.McCL
ELLAND and Shirley CHIANG:Surface Science,208
（1989）p.473）。よって、トンネル電流による検知方
法には、電極を相手表面に極めて接近させねばならず、
電極が相手表面に衝突する危険が大きく、さらに電極や
相手表面に絶縁層が形成された場合には衝突が起こると
いう実用上大きな欠点があった。

また（ｂ）の方法では、光を離れた位置から照射できる
ため、（ａ）のトンネル電流による検知の電極のように
衝突の危険はないが、光学系が複雑かつ大型になってし
まう欠点があった。

表面を評価するためには、単に凹凸だけではなく、欠陥
分布などの表面の微視的な不均一性を知ることが重要で
ある。触針が固体表面に接触したときの吸着力には、固
体間の相互作用（河野彰夫：日本物理学会誌、第32巻
第７号（1977）、「マイクロアドヒージョンについて」
p.584）や固体表面に吸着した液体層と触針および固体
表面層の毛細管現象による吸着力（井本立也：日刊工業
新聞社、SCIENCE AND TECHNOLOGY「接着のはなし」
（1984）p.16）がある。これらの吸着力は固体表面の不
均一性により変化する。また、摩擦力の分布も同様に表
面の不均一性を反映する。このため、表面の吸着力や摩
擦力の分布を知ることは、表面の不均一性の評価に重要
なデータを提供するものである。

ばねの変位を、トンネル電流による検知方法以外に光干
渉による検知方法が公知になっているが、この装置は複
雑で、取扱も困難であるという欠点がある。

一般に吸着力は吸着面積に比例する。よってミクロン以
下の領域での吸着力の測定にはマイクログラムもしくは
それ以下の感度の力センサを必要とする。また、ミクロ
ン以下の面分解能で摩擦力分布を測定するためには、触
針の先端をサブミクロンもしくはそれ以下に鋭くする必
要がある。表面損傷をさけるためには荷重はミリグラム
をはるかに下回る軽荷重でなければならない。一般に摩
擦力は荷重に比例する。よって摩擦力の測定にはやはり
マイクログラムもしくはそれ以下の感度の力センサを必
要とする。このような高感度の力センサを吸着力や摩擦
力測定に適用することは従来困難であったため、吸着力
や摩擦力のミクロン以下の分布の測定はほとんど不可能
であった。

さらに、表面の特定位置における表面の形状、吸着力、
摩擦力を知る必要があるのに、従来の測定装置はすべて
１項目の測定しか出来ず前記目的には無力であった。

本発明の目的は、これら従来の測定装置の欠点を解消
し、物質の表面に対して、気体中、真空中を問わず、容
易な操作かつ高い分解能でその表面の特定位置における
表面形状、吸着力、及び摩擦力を測定できる簡単な構造
の表面機械特性測定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、表面の機械特性測定装置
を、 １） ばねの先端に触針を設置した軽量な触針ばね支持
機構 ２） ばねの変位を高感度に検出する球面静電容量プロ
ーブ ３） 球面静電容量プローブを微小な適正隙間でばねに
設定する位置調整機構 ４） 触針が測定表面を走査し、ばねが表面の凹凸にし
たがって変位しても、球面静電容量プローブとばねの隙
間をつねに一定にし、凹凸の測定範囲を拡大する調整制
御機構 ５） 測定表面の移動方向に作用する摩擦力を検出す
る、触針支持機構と同様の摩擦力検出ばね機構 ６） 摩擦力検出ばね機構の変位を高感度に検出する球
面静電容量プローブと該球面静電容量プローブを微小な
適正隙間でばねに設定する位置調整機構 ７） 摩擦力に応じた力を摩擦力検出ばね機構に摩擦力
と反対の方向に加え、該ばね機構の変位を零にする吸引
力発生制御機構 の手段により構成した。

（作用） 本発明を前記の通り構成したので、従来の測定装置の欠
点を解消し、物質の表面に対して、気体中、真空中を問
わず、容易な操作かつ高い分解能でその表面の特定位置
における表面形状、吸着力、及び摩擦力を測定できる簡
単な構造の表面機械特性測定装置を得ることができるの
である。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面にもとずいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の第１の実施例の側面図である。本実施
例では表面形状と吸着力を測定できる。

１は触針、２は板ばねである。触針１は板ばね２の先端
に固定されている。触針１の先端半径はサブミクロンの
分解能を得るのにサブミクロンもしくはそれ以下にす
る。板ばね２はたわみやすいものとし、例えば長さ10ミ
リメートル、幅１ミリメートル、厚さ数十ミクロンとす
れば100マイクログラム／ミクロン以下の剛性が得られ
る。

３は板ばね２への対向面が球面である球面静電容量プロ
ーブ、４はプローブ固定部、５はバイモルフである。球
面静電容量プローブ36は、プローブ固定部４を介して、
バイモルフ５の先端に固定されている。

６は積層ピエゾ素子である。板ばね２とバイモルフ５の
基部は積層ピエゾ素子６に固定されている。

以上前記触針１から６（以下同じ）の部品をあわせて測
定機構７が構成される。８は測定面である。15は電極で
ある。

以下前記の部品又は測定機構の駆動又は調整手段の図示
は省略している。次にこれを動作させるには、まず、触
針１と測定面８が離れた状態でバイモルフ５を図中矢印
ａの方向に駆動し、球面静電容量プローブ３と板ばね２
との隙間を適正に調整する。この隙間は微小であればあ
るほど板ばね２の変位の感度は良好となる。例えばナノ
メートル以下の感度を得るにはミクロンからサブミクロ
ンの隙間が望ましい。静電容量プローブの先端を平面に
して、板ばねと平行に設置すれば静電容量は大きくなる
が、ミクロンからサブミクロンの隙間を平行に設定する
ことは容易ではなく、プローブの先端平面がミクロンオ
ーダで傾いていても静電容量は大幅に減少し、かつ先端
表面が板ばねに接触する危険がある。これに対し、先端
が球面の場合、平行平面の場合より静電容量は小さくな
るが、プローブ軸と板ばね面が直角から傾いても、球面
と対向平面との静電容量はほとんど変化せず、また球面
加工は平面加工より容易に高精度の加工ができるという
利点がある。よって、球面静電容量プローブ３の板ばね
２への対向面は球面であるから板ばね２の面のうねりや
ねじれの影響による接触や感度不良を起こすことなく微
小隙間に容易に設定できる。

つぎに積層ピエゾ素子６を駆動し触針１を測定面８に接
触させる。接触は球面静電容量プローブ３の容量変化で
検知できる。さらに積層ピエゾ素子６を微小に駆動する
ことによって触針１の接触荷重を調整できる。

この状態で測定面８を図中ｂの矢印方向に動かすが、測
定機構７を図中ｃの破線の矢印方向に動かすと、触針１
は測定面８の凹凸にしたがって上下するから、これを球
面静電容量プローブ３で検出すれば表面形状が測定でき
る。この方法は測定面の凹凸が板ばね２と球面静電容量
プローブ３との隙間よりかなり小さいとき有効な方法で
ある。

測定面の凹凸が板ばね２と球面静電容量プローブ３との
隙間と同程度か大きいときには、測定中に板ばね２と球
面静電容量プローブ３との隙間を一定になるように積層
ピエゾ素子６を駆動制御し積層ピエゾ素子の駆動電圧を
もって測定面の凹凸を計測すればよい。

吸着力の測定では、まず球面静電容量プローブ３と板ば
ね２との隙間を適正に調整したのち、積層ピエゾ素子６
を駆動し触針１を測定面８に接触させる。つぎに積層ピ
エゾ素子６を触針１が測定面８から引き離される方向に
駆動する。板ばね２のたわみによる力が吸着より小さい
うちは板ばね２は表面に吸着されており、板ばね２と球
面静電容量プローブ３との隙間が大きくなるが、板ばね
２のたわみによる力が吸着力より大きくなった瞬間、板
ばね２は測定面８から離れ、荷重零の位置にもどる。こ
の動作での板ばね２の最大たわみが吸着力を示すことに
なる。この測定は１点づつの測定となるが、凹凸測定の
線に沿って多点測定すれば、凹凸と吸着力の相関が得ら
れる。

第２図は本発明の第２の実施例の側面図である。

この実施例では第１の実施例に摩擦力測定のための機構
を付加している。

９は平行ばねで、板ばね２と同様たわみやすいもので構
成する。平行ばね９の下部には第１の実施例で示した１
から５の部品が固定され、また上部には積層ピエゾ素子
６が固定され表面形状と吸着力測定を受け持つ。

３′は平行ばね９への対向面が球面である球面静電容量
プローブ、５′はバイモルフ、10は平行ばね９を吸引す
る電磁石、11は球面静電容量プローブ３′と電磁石10の
固定部である。球面静電容量プローブ３′と電磁石10は
固定部11を介して、バイモルフ５′の先端に固定されて
いる。以上の部品で測定機構７′が構成される。

これを動作させ、表面形状と吸着力を測定する方法は第
１の実施例とおなじであり、ここでは省略する。

摩擦力の測定では、まずバイモルフ５′を駆動し、球面
静電容量プローブ３′と平行ばね９との隙間を適正に調
整する。つぎに積層ピエゾ素子６を駆動し触針１を測定
面８に接触させる。さらに積層ピエゾ素子６を美粧に駆
動することによって触針１の接触荷重を調整できる。

この状態で測定面８を図中ｂの矢印方向に動かすか、測
定機構７′を図中ｃの破線の矢印方向に動かすと、平行
ばね９は測定面８と触針１の摩擦力により図中矢印ｄの
方向にたわむから、これを球面静電容量プローブ３′で
検出すれば摩擦力が測定できる。この方法は摩擦力が小
さく平行ばね４の変位が必要な面分解能以上のとき有効
な方法である。

摩擦力が大きく平行ばね９の変位が面分解能に無視でき
ない場合は、測定中に平行ばね９と球面静電容量プロー
ブ３′との隙間を摩擦力零のときと同じになるように電
磁石10を駆動制御し平行ばね９を吸引する。電磁石10の
吸引力は摩擦力と同じになるから、電磁石の駆動電流を
もって摩擦力を計測できる。

第３図は本発明の第３の実施例の側面図である。この実
施例は第２図の実施例と同様に摩擦力測定のための機構
を含んでおり、第２の実施例で用いたバイモルフの代わ
りに積層ピエゾ素子、板ばねと平行ばねの代わりにＬ形
ばねを用いたものである。動作は第２の実施例と同じで
ある。

12はＬ形ばねで、板ばね２と同様たわみやすいもので構
成する。Ｌ形ばね12の先端には触針１が固定されてい
る。３はＬ形ばね12への対向面が球面である球面静電容
量プローブ、４′はプローブ固定部、13は積層ピエゾ素
子である。球面静電容量プローブ３は、プローブ固定部
４′を介して、積層ピエゾ素子13の先端に固定されてい
る。

３′はＬ形ばね12への対向面が球面である球面静電容量
プローブ、13′は積層ピエゾ素子、10′はＬ形ばね12を
吸引する電磁石、11′は球面静電容量プローブ３′と電
磁石10′の固定部である。

球面静電容量プローブ３′と電磁石10′は固定部11′を
介して、積層ピエゾ素子13′の先端に固定されている。
６は積層ピエゾ素子である。以上の部品で測定機構７″
が構成される。

本発明の摩擦力の測定は表面形状と同時に行うことがで
き、凹凸と摩擦力の完全な相関を得ることができる。

なお、本発明の実施例では駆動素子として、積層ピエゾ
素子、バイモルフ、電磁石を例として示したが、それら
は実際の装置設計において適切に選ばれるものであっ
て、ほかの原理の駆動素子、たとえば、磁歪素子、静電
吸着板、リニアモータガイドなどを用いても本発明の効
果は失われない。また、板状ばねのかわりに棒状ばねを
用いても静電容量プローブが球面を有しており、容量変
化が検出できるため、この場合も本発明の効果は失われ
ない。

（発明の効果） 以上述べたごとく、本発明の請求項１〜３によれば、以
下のような効果をもち、従来装置では実現できなかっ
た、物質の表面に対して、気体中、真空中を問わず、容
易な操作かつ高い分解能でその表面の特定位置における
表面形状、吸着力、摩擦力を測定できる簡単な構造の表
面検査装置を実現できる。

１） 軽量な触針ばね機構による超軽荷重測定 ２） 球面静電容量プローブと、プローブとばねを微小
隙間に高精度に設定する位置調整機構による微少変位の
高感度検出 ３） 球面静電容量プローブとばねの隙間をつねに一定
にする調整制御機構による高精度広範囲測定 ４） 測定表面の移動方向に作用する摩擦力を検出す
る、触針支持機構と連結した摩擦力検出ばね機構による
表面形状と摩擦力の同時測定 ５） 摩擦力に応じた力を摩擦力検出ばね機構に摩擦力
と反対の方向に加え、該ばね機構の変位を零にする吸引
力発生制御機構による摩擦力の精密測定

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の側面図、第２図は本発
明の第２の実施例の１部切り欠き側面図、第３図は本発
明の第３の実施例の側面図である。 １……触針、２……板ばね、3,3′……球面静電容量プ
ローブ、4,4′……プローブ固定部、５……バイモル
フ、６……積層ピエゾ素子、7,7′,7″……測定機構、
８……測定面、９……平行ばね、10,10′……電磁石、1
1,11′……固定部、12……Ｌ形ばね、13,13′……積層
ピエゾ素子、15……電極、矢印a,b,c,d……方向。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面の機械特性を測定する装置において、
   ばねで支持した触針を表面に接触させ、表面の形状、吸
   着力、摩擦力のいずれかもしくはすべてをばねの変位に
   変換し、該ばねの変位を球面静電容量プローブで検出す
   る機構を具備するとともに、該球面静電容量プローブを
   ミクロンオーダもしくはそれ以下の隙間でばね表面へ設
   定する調整機構を具備することを特徴とする表面機械特
   性測定装置。
2. 【請求項２】ばねで支持した触針を測定表面に１ミリグ
   ラム以下の荷重で接触走行させ、表面の凹凸にそって変
   位するばねと、常に一定の隙間を球面静電容量プローブ
   が保持するよう調整機構を制御し、その制御信号から表
   面形状を検知することを特徴とする請求項１記載の表面
   機械特性測定装置。
3. 【請求項３】ばねで支持した触針を測定表面に接触走行
   させ、摩擦力によって変位するばねを摩擦力零の位置に
   もどるようにばねに力を加える機構を制御し、その制御
   信号から摩擦力を検知することを特徴とする請求項１記
   載の表面機械特性測定装置。