JPH10185802A

JPH10185802A - 表面特性評価装置

Info

Publication number: JPH10185802A
Application number: JP34367796A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Shimura; 健一志村; Kazuhiro Baba; 和宏馬場
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 1998-07-14
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: JP2853687B2

Abstract

(57)【要約】【課題】試料表面の凝着力を精度よく測定する。【解決手段】ばね８は両端が支持体７のばね固定部７
ａに固定されており、試料５の測定面５ａに対面する位
置に配設されている。ばね８の測定面５ａに対向する面
の中心部に、圧子９が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面特性評価装置
に関する。さらに詳しくは、固体試料表面の凝着力を測
定する表面特性評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ギア装置や軸受装置などの機械的な摺動
を伴う機構において、物体同士の接触界面での凝着現象
に起因する摩擦は、装置の信頼性や性能、さらには寿命
を左右する要因の一つである。例えば、ギア装置や軸受
装置の摩擦はエネルギの損失を生じさせ、さらには接触
面の摩耗を生じさせるので装置の寿命を短くする。ま
た、金属の塑性加工における材料と工具の摩擦、すなわ
ち凝着現象は、加工表面の仕上げを左右する。一方、リ
レー装置などの接触機構においても、接触面間の凝着力
はリレー動作時の負荷となり、また、接点劣化の原因と
もなる。

【０００３】このように、凝着現象は基盤技術のあらゆ
る領域で重要な要素となっており、さらに近年では、磁
気記録装置やマイクロマシンなどの先端技術分野におい
て、微小荷重や微小領域での凝着現象の解明が重要にな
っている。

【０００４】従来は、固体間の凝着現象の測定装置とし
て、例えば特開平５−２９６９１８号公報に示されるよ
うな、金属材料からなる２つの試料を適宜な荷重で接触
させた後に直線運動によって摺動させ、そのときの摩擦
力と荷重から凝着係数を算出する凝着力測定装置が用い
られていた。

【０００５】また、特開平３−２３８３４２号公報等に
は、マイクロニュートンオーダーの微小な凝着力を微小
領域で測定するための装置として、表面特性評価装置が
示されている。以下に、従来の表面特性評価装置を図面
を用いて説明する。

【０００６】図１２は、従来の表面特性評価装置の全体
構成を示す斜視図である。図１２に示すように、従来の
表面特性評価装置は、試料１０５が載置される固定台１
０４を有する試料固定部１０１と、試料１０５に接触さ
せる圧子１０７を支持する圧子支持部１０２と、圧子支
持部１０２の変位を測定する変位センサ１０３とにより
構成されている。

【０００７】試料固定部１０１において、試料１０５は
固定台１０４の上に測定面１０５ａが水平になるように
載置される。固定台１０４には移動手段（不図示）が設
けられており、試料１０５の測定面１０５ａに垂直な方
向に移動可能になっている。

【０００８】圧子支持部１０２は、一端部がベース（不
図示）に固定され、自由端部が測定面１０５ａに垂直に
弾性変形するばね１０６と、ばね１０６の測定面１０５
ａに対向する面に設けられている圧子１０７とから構成
されている。圧子１０７はダイヤモンドが角錐形状に形
成されたものであり、その先端の半径はサブミクロンオ
ーダーに仕上げられている。なお、圧子１０７は測定面
１０５ａの上方に位置するように配設されている。

【０００９】変位センサ１０３は、ばね１０６の自由端
における圧子１０７の、測定面１０５ａに垂直な方向の
変位を検出するための変位検出手段であり、ばね１０６
の自由端の上方に設けられている。

【００１０】以下に、この従来の表面特性評価装置によ
る凝着力の測定方法を説明する。

【００１１】まず最初に、固定台１０４を上昇させて試
料１０５の測定面１０５ａを圧子１０７に接触させ、ば
ね１０６の自由端の位置を変位センサ１０３にて検出す
る。その後、測定面１０５ａに塑性変形を生じない程度
の力で圧子１０７を試料１０５に押し付ける。

【００１２】次に、固定台１０４を徐々に下降させる
が、圧子１０７と測定面１０５ａとの間に作用している
凝着力によって圧子１０７が試料１０５に付着している
ので、圧子１０７は試料１０５から離反せず、ばね１０
６は測定面１０５ａ側にたわむ。さらに固定台１０４を
下降させると、ばね１０６の復元力が前記の凝着力を超
えて、圧子１０７が試料１０５から離反する。このとき
のばね１０６の自由端の変位を変位センサ１０３で検出
することにより、圧子１０７が測定面１０５ａに接触し
た位置から離反した位置までのばね１０６の自由端のた
わみ量が測定され、ばね１０６のたわみ量とばね定数か
ら圧子１０７と測定面１０５ａに作用する凝着力が算出
される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
５−２９６９１８号公報に示されるような凝着力測定装
置では、試料の摺動は振幅がミリメートルオーダーの直
線往復運動によって行われ、さらに試料同士の接触面積
も平方ミリメートルオーダーを必要とする。従って、微
小領域の凝着力の測定が行えず、また、測定面の凝着力
に分布がある試料でも平均化した凝着力しか測定できな
かった。

【００１４】一方、特開平３−２３８３４２号公報等に
示される表面特性評価装置では、圧子の先端が極めて鋭
利に形成されているので微小領域の凝着力の測定を行え
るが、ばねは一端のみで支持されて圧子はばねの自由端
に固定されている構造であるため、圧子を試料から引き
離す際に、ばねの変形に伴って圧子が測定面に対して次
第に傾いていく。このとき、圧子の先端が測定面に接触
する箇所が変化するため、接触面積が一定に保たれなく
なるので、凝着力を精度よく測定できなかった。また、
圧子の先端が錐状であるため圧子と測定面は点接触とな
り、正確な接触面積を知ることができず、接触している
圧子と試料を引き離すのに必要な単位接触面積当りの凝
着力を定量的に評価することができなかった。

【００１５】以上の理由により、測定される凝着力の値
は普遍性を有さないので、異なる圧子を用いて同一の試
料を測定した場合の凝着力の比較を行うことができず、
あるいは、同一の圧子を用いて異なる試料を測定した場
合であっても凝着力の比較をすることができなかった。

【００１６】そこで本発明は、凝着力を精度よく測定す
ることができる表面特性評価装置を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の表面特性評価装置は、試料の測定面に対面
して配置され、前記測定面に垂直な方向に弾性変形可能
に固定されたばね部材と、前記ばね部材の前記測定面に
対向する面に設けられた圧子と、前記測定面に垂直な方
向の前記圧子の変位を検出する変位検出手段とを有する
表面特性評価装置において、前記ばね部材は両端部が支
持され、前記圧子は前記ばね部材の中心部に設けられて
いる。

【００１８】上記の通り構成された本発明では、ばね部
材は両端部が支持され、その中心部に圧子が設けられて
いるので、圧子はばね部材のたわみ量が変化しても常に
測定面と平行に保たれる最大たわみ点に設けられている
ことになる。その結果、ばね部材にたわみが生じても圧
子の先端面が測定面に対して傾くことはなく、圧子の先
端面と試料の測定面との接触面積は常に一定に保たれ
る。

【００１９】また、前記圧子の先端面を前記測定面に対
して平行な平面に形成することにより、先端面を測定面
に接触させたときの接触面積は、先端面の面積とほぼ等
しくなるため、例えば複数の試料を測定した場合でも、
先端面と測定面の接触面積はいずれも一定に保たれる。

【００２０】さらに、前記圧子の先端面の面積を規定さ
れた面積に形成することにより、面積は既知の値になる
ため、単位面積当りの凝着力が定量的に容易に測定され
る。

【００２１】さらには、前記面積を平方マイクロメート
ルオーダー以下に形成することにより、測定面の微小領
域での凝着力の測定が可能になる。

【００２２】前記変位検出手段として、前記ばね部材の
上方に設置された光学的変位センサを用いることによ
り、ばねのたわみ量を測定する際に、変位検出手段がば
ねに接触することがない。

【００２３】また、前記変位検出手段として、前記ばね
部材の前記圧子が設けられている面と反対側の面に設け
られた圧電体薄膜を用いることにより、ばね部材の上方
に設けられる変位センサが不要になり、ばね部材の上方
空間から構造物がなくなるので、ばね部材の上方からの
顕微鏡等による観察が容易になる。

【００２４】さらには、前記ばね部材は支持体に固定さ
れるとともに、前記試料は固定台上に載置され、前記支
持体を前記測定面に垂直な方向および水平な方向に移動
させるピエゾ素子、あるいは、前記固定台を前記測定面
に垂直な方向および水平な方向に移動させるピエゾ素子
のうち、少なくともいずれか一方を有することにより、
ピエゾ素子に印加する電圧を一定にすることで、測定開
始前に圧子が試料に押し付けられる力が一定になるため
測定の初期条件が一定になり、また、ピエゾ素子はナノ
メートルオーダーの精度で制御されることから、微小な
移動操作を繰り返すことにより、圧子と試料を引き離す
際に圧子が試料から離反する位置がより正確に検出され
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２６】（第１の実施形態）図１は、本発明の表面
特性評価装置の第１の実施形態の全体構成を示す斜視図
である。

【００２７】図１に示すように、本実施形態の表面特性
評価装置は、試料５が載置される固定台４を有する試料
固定部１と、試料５に接触させる圧子９を支持する圧子
支持部２と、圧子９の変位を測定するための変位検出手
段である変位センサ３とにより構成されている。

【００２８】試料固定部１は、ベース（不図示）に取り
付けられているステージ６の上に固定台４が設けられた
構成となっており、試料５は固定台４の上に測定面５ａ
が水平になるように載置される。なお、ステージ６には
移動手段（不図示）が設けられており、測定面５ａに垂
直な方向および水平な方向に移動可能である。

【００２９】圧子支持部２は、後方の端部がベース（不
図示）に取り付けられ、先端部に二股状のばね固定部７
ａが形成されている支持体７と、これら２つのばね固定
部７ａに両端が支持されているばね８と、ばね８の測定
面５ａに対向する面の中心部に設けられている圧子９と
から構成されている。また、支持体７にも移動手段（不
図示）が設けられており、圧子支持部２は測定面５ａに
垂直な方向に移動可能である。なお、圧子９は測定面５
ａの上方に位置するように配設されている。

【００３０】変位センサ３は、検出部がばね８の中心部
の上方、すなわち圧子９の上方に位置するように、ばね
８の上方に設けられている。変位センサ３には、光学的
変位センサなどの、ばね８に接触せずに変位を検出する
ことができるセンサを用いることが望ましい。

【００３１】次に、ばね８および圧子９の詳細を図２お
よび図３を用いて説明する。図２は図１に示したばね８
の底面図、図３は図１に示したばね８の正面図である。

【００３２】図２に示すように、本実施形態で用いられ
るばね８には、その長手方向に２本の平行なくり抜き部
８ａが設けられており、これらくり抜き部８ａの間に圧
子９が固定されている。例えば、支持体７の二股状のば
ね固定部７ａが相互にねじれていたり段差があるなどの
理由で、ばね８をばね固定部７ａに固定した際に初期応
力が発生した場合でも、くり抜き部８ａによって初期応
力が低減されるため、くり抜き部８ａのない単純な板ば
ねが用いられる場合に比べて正確な測定ができる。

【００３３】また、図２および図３に示すように、圧子
９は面積が正確に規定されて形成されている先端面９ａ
を有し、ばね８が支持体７に取り付けられたときに先端
面９ａが試料５の測定面５ａと平行になるように、ばね
８の底面の中心部に設けられている。ばね８のばね定数
および先端面９ａの面積は、測定される試料５の凝着
力、要求される測定精度、測定領域の大きさなどによっ
て設定されるが、通常は、ばね定数はニュートン／メー
トル（Ｎ／ｍ）のオーダーあるいはそれ以下に設定さ
れ、先端面９ａの面積は平方マイクロメートルオーダー
あるいはそれ以下に設定される。

【００３４】以下に、本実施形態の表面特性評価装置に
よる凝着力の測定方法を説明する。

【００３５】まず最初に、ステージ６の上昇あるいは支
持体７の下降の少なくとも一方の操作によって測定面５
ａを圧子９の先端面９ａに接触させ、このときのばね８
の中心部の位置を変位センサ３にて検出する。その後、
測定面５ａに塑性変形を生じない程度の力で圧子９を試
料５に押し付ける。なお、圧子９の先端面９ａは測定面
５ａに対して平行に設けられているので、先端面９ａと
測定面５ａの接触面積は、規定の面積に形成されている
先端面９ａの面積とほぼ等しくなる。

【００３６】次に、ステージ６を徐々に下降させるが、
圧子９の先端面９ａと測定面５ａとの間に作用している
凝着力によって圧子９が試料５に付着しているので、測
定面５ａが圧子９と接触したときの位置よりも下降して
も圧子９は試料５から離反せず、図４に示すように、ば
ね８は測定面５ａ側にたわむ。ここで、圧子９はばね８
の中心部に固定されているが、ばね８はその両端がばね
固定部７ａに支持されているので、圧子９が固定されて
いる位置はばね８の最大たわみ点８ｂとなる。この最大
たわみ点８ｂは、ばね８のたわみ量が変化しても常に測
定面５ａに平行に保たれるので、その結果、ばね８の変
形に伴って圧子９の先端面９ａが測定面５ａに対して傾
いていくことはなく、先端面９ａと測定面５ａとの接触
面積は常に一定に保たれる。

【００３７】さらにステージ６を下降させると、ばね８
の復元力が凝着力を超えて圧子９が試料５から離反する
が、このときのばね８の中心部の変位を変位センサ３で
検出することにより、圧子９が試料５に接触した位置か
ら離反した位置までのばね８の中心部のたわみ量が測定
され、ばね８のたわみ量とばね定数から圧子９の先端面
９ａと測定面５ａに作用する凝着力が算出される。

【００３８】また、ステージ６を測定面５ａに水平な方
向に少しづつ移動させつつ凝着力を測定する操作を繰り
返すことで、測定面５ａの微小領域での凝着力の分布を
測定することができる。

【００３９】以上のように、ばね８の両端が支持体７に
支持され、圧子９がばね８の中心部に設けられているた
め、ばね８のたわみに応じて前記の先端面９ａと試料５
の測定面５ａとの接触面積が変化することがないので、
凝着力を精度よく測定することができる。

【００４０】さらに、先端面９ａは試料５の測定面５ａ
に平行に設けられているので、先端面９ａと測定面５ａ
の接触面積が一定に保たれるため、例えば複数の試料を
測定した場合でも、先端面９ａと測定面５ａの接触面積
はいずれも一定に保つことができる。

【００４１】また、圧子９の先端面９ａの面積が正確に
規定されて設けられているので、面積は既知の値となる
ため、単位面積当りの凝着力を定量的に容易に測定でき
る。

【００４２】さらには、圧子９の先端面９ａの面積が平
方マイクロメートルオーダー以下に形成されていること
で、微小領域の凝着力の測定が可能になり、測定面５ａ
の微小領域での凝着力の分布を測定することができる。

【００４３】変位センサ３には光学的変位センサが用い
られているので、ばね８のたわみ量を測定する際に、変
位センサ３がばね８に接触することがない。そのため、
ばね８のたわみ量を測定する際に、ばね８に不要な外力
が加えられることがないため、ばね８のたわみ量を正確
に測定することができる。

【００４４】ばね８の素材はステンレス鋼などが好適に
用いられるが、それに限られず、他にも弾性が高く微細
加工が容易な金属やシリコン系の材料を用いることがで
きる。特に、シリコン系の材料を用いる場合には、フォ
トリソグラフィー技術を利用することで、ばね８と圧子
９を極めて微小に、かつ高精度で一体成形することがで
きる。

【００４５】本実施形態での圧子９には、角錐の先端を
平面に形成したものを用いたが、先端面９ａの面積が正
確に規定されて形成されていれば、圧子９の形状は角錐
状、円錐状の他、例えば円柱、角柱などの柱状に形成し
てもよい。さらに、圧子９を任意の材料で形成したり、
先端面９ａに任意の材料の薄膜を形成すれば、様々な物
質を組合せて形成された圧子９で凝着力を測定できるの
で、素材の異なる試料５に応じて最適な圧子９を選択す
ることができる。また、本実施形態では、測定面５ａの
微小領域での凝着力の分布を測定するために、先端面９
ａの面積が平方マイクロメートルオーダー以下に形成さ
れているが、微小領域での凝着力の分布を測定する必要
がない場合には先端面９ａの面積を微小に形成する必要
がなく、例えば平方ミリメートル程度のオーダーで形成
してもよい。

【００４６】また、本実施形態の表面特性評価装置は、
標準液体を試料表面に滴下してその接触角から固体の表
面自由エネルギーを測定するような方法と異なり、液体
を利用しないので、真空中や任意の気体中、さらには液
体中でも凝着力を測定することができる。

【００４７】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について図面を参照して説明する。図５は本発
明の表面特性評価装置の第２の実施形態の全体構成を示
す斜視図である。

【００４８】図５に示すように、本実施形態では、ベー
ス（不図示）に取り付けられている取付支持具１０と支
持体７との間に、印加電圧に応じて測定面５ａに垂直な
方向に伸縮する第１のピエゾ素子１１が設けられ、ステ
ージ６と固定台４との間には、印加電圧に応じて測定面
５ａに垂直な方向に伸縮し、かつ上面部１２ａが測定面
５ａに水平な方向に変位する第２のピエゾ素子１２が設
けられている。これらのピエゾ素子１１、１２の伸縮量
および変位量は、ナノメートルオーダーの精度で制御す
ることができる。なお、取付支持具１０は、試料５の測
定面５ａに垂直な方向に移動可能となるように設けられ
ている。その他の構成は第１の実施形態と同様であるの
でその説明は省略し、図５において第１の実施形態と同
様の構成については図１と同じ符号を付している。

【００４９】ここで、図６を用いて、第２のピエゾ素子
１２の構造について簡単に説明する。

【００５０】垂直方向および水平方向に変位するピエゾ
素子、すなわち３次元的に変位するピエゾ素子は、走査
型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）などに広く用いられており、その代表例としてはト
ライポッド型やチューブ型が挙げられる。本実施形態で
は、第２のピエゾ素子１２にチューブ型のピエゾ素子を
用いている。

【００５１】図６に示すように、第２のピエゾ素子１２
の外周面および内周面には、Ｘ軸電極１２ｂ、Ｙ軸電極
１２ｃ、Ｚ軸電極１２ｄが設けられている。Ｘ軸電極１
２ｂおよびＹ軸電極１２ｃに印加する電圧を制御すれ
ば、第２のピエゾ素子１２の上面部１２ａをＸ−Ｙ方向
（すなわち、測定面５ａに水平な方向）に自在に変位さ
せることができる。また、Ｚ軸電極１２ｄに電圧を印加
することにより、第２のピエゾ素子１２をＺ軸方向（す
なわち、測定面５ａに垂直な方向）に伸縮させることが
できる。このようにして、第２のピエゾ素子１２を測定
面５ａに垂直な方向に伸縮させ、かつ第２のピエゾ素子
１２の上面部１２ａを測定面５ａに水平な方向に変位さ
せることができる。

【００５２】本実施形態の表面特性評価装置による凝着
力の測定では、ステージ６の上昇あるいは取付支持具１
０の下降の少なくとも一方の操作によって測定面５ａを
圧子９の先端面９ａに接触させる。その後、第１のピエ
ゾ素子１１と第２のピエゾ素子１２の少なくとも一方に
規定の電圧を印加することにより、ピエゾ素子を測定面
５ａに垂直な方向に伸長させることで、圧子９が試料５
に一定の力で押し付けられる。また、各ピエゾ素子１
１、１２はナノメートルオーダーの精度で制御されるの
で、微小な移動操作を繰り返すことにより、圧子９ａと
試料５ａを引き離す際に圧子９が試料５から離反する位
置がより正確に検出される。

【００５３】このように、本実施形態の表面特性評価装
置によれば、測定開始前に圧子９が試料５に押し付けら
れる力が一定であるので、測定の初期条件が一定にな
り、複数の試料５を測定した場合における各測定値の比
較結果の信頼性が向上する。

【００５４】また、圧子９が試料５から離反する位置が
より正確に検出されることに伴って、ばね８のたわみ量
もより正確に測定されるので、凝着力をより正確に測定
することができる。

【００５５】さらに、第２のピエゾ素子１２の上面部１
２ａを測定面５ａに水平な方向に変位させることによ
り、試料固定部１は測定面５ａに水平な方向に高精度で
移動されるので、測定面５ａでの凝着力の分布を高分解
能で測定することができる。

【００５６】なお、本実施形態においては、第２のピエ
ゾ素子１２のみによって試料５を測定面５ａに垂直な方
向および水平な方向に移動させ、試料５と圧子９の相対
位置を変位させることができるので、第１のピエゾ素子
１１を省略してもよい。また、支持体７を測定面５ａに
垂直な方向および水平な方向に移動可能とする機能を第
１のピエゾ素子１１に具備させれば、上記とは逆に第２
のピエゾ素子１２を省略することができる。

【００５７】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態について図７から図１０を参照して説明する。
図７は本発明の表面特性評価装置の第３の実施形態の全
体構成を示す斜視図であり、図８は図７に示したばね８
の上面図、図９は図７に示したばね８の底面図、図１０
は図７に示したばね８の正面図である。

【００５８】図７および図８に示すように、ばね８の上
面には圧電体薄膜１３が装着されている。圧電体薄膜１
３は、歪み量に応じて電気抵抗が変化し、その電気抵抗
を測定することでばね８のたわみ量が測定されるもので
あり、そのため、本実施形態では変位センサは不要であ
る。その他の構成は第１の実施形態と同様であるのでそ
の説明は省略し、図７から図１０において第１の実施形
態と同様の構成については図１と同じ符号を付してい
る。

【００５９】圧電体薄膜１３は、形状に歪みが生じると
その歪み量に応じて電気抵抗が変化する性質を有するた
め、その電気抵抗の変化を計測することでばね８のたわ
み量が測定される。このたわみ量とばね定数により凝着
力が求められるが、本実施形態におけるばね８のばね定
数には、ばね８単独での値ではなく、圧電体薄膜１３が
装着された状態でのばね８のばね定数が用いられる。

【００６０】以上のように、ばね８のたわみ量をばね８
自身に装着された圧電体薄膜１３によって測定するため
変位センサの使用が不要になり、ばね８の上方空間の構
造物がなくなるので、上方からの顕微鏡等による観察が
容易になる。そのため、例えば測定面５ａが単一平面で
ない場合であっても、凝着力の測定箇所を顕微鏡観察に
よって決定し、さらに圧子９を測定面５ａに接触させる
操作等を顕微鏡観察下で行うことができる。これによ
り、測定操作中に誤って圧子９や試料５を破損するおそ
れを低減することができ、また、測定面５ａの画像を記
録することもできる。

【００６１】なお、図８および図１０に示すように、本
実施形態における圧電体薄膜１３は、ばね８の表面のた
わみが生じる部分、すなわち２箇所のくり抜き部８ａで
挟まれている部分の全体に設けられているが、ばね８の
たわみ量に対する圧電体薄膜１３の歪み量が相関関係を
有するように設けられるのであれば、圧電体薄膜１３を
ばね８の表面のたわみが生じる部分全体に設ける必要は
なく、圧電体薄膜１３をより小型化してもよいし、線状
等に設けてもよい。

【００６２】なお、圧電体薄膜１３には歪みが生じるこ
とによって電気抵抗が変化する素材が用いられ、たとえ
ばシリコンなどがその１例に挙げられる。

【００６３】また、図１１に示すように、圧電体薄膜１
３を第２の実施形態で説明したピエゾ素子１１、１２
（図５参照）を有する表面特性評価装置に組み合せて使
用してもよい。これにより、顕微鏡観察下での高精度な
凝着力の測定を行うことができる。なお、第１のピエゾ
素子１１あるいは第２のピエゾ素子１２の一方のみによ
って試料５と圧子９の相対位置を変位させることができ
る理由から、第１のピエゾ素子１１あるいは第２のピエ
ゾ素子１２の一方を省略してもよいことは、第２の実施
形態で説明した通りである。

【００６４】

【実施例】次に、図１に示した表面特性評価装置の実施
例について説明する。

【００６５】本実施例の表面特性評価装置は、ばね８の
素材にステンレス鋼を用いて、ばね８の板厚を１０μ
ｍ、板幅を０．２ｍｍ、板長を４ｍｍとすることで、ば
ね８のばね定数が２Ｎ／ｍとなるように設定した。一
方、圧子９の素材にはシリコンを用い、先端面９ａが結
晶面の（１００）面となるようにし、かつ面積を０．１
μｍ²に加工し、さらに先端面９ａを窒化した。また、
変位センサ３には、ばね８の上面に光を垂直に入射して
入射光と反射光の干渉効果から変位を検出する光学的変
位センサを用いた。

【００６６】この表面特性評価装置を用いて、シリコ
ン、窒化シリコン、酸化シリコンの３種類の試料５の凝
着力を測定したところ、圧子９の先端面９ａ（窒化シリ
コン）との単位接触面積当りの凝着力は、シリコンが
１．７ＭＰａ、窒化シリコンが２．４ＭＰａ、酸化シリ
コンが７．２ＭＰａであった。また、測定面５ａの凝着
力の分布は認められなかった。比較のために、シリコ
ン、窒化シリコン、酸化シリコンの表面に標準液体を滴
下し、その液体接触角から表面自由エネルギーを算出
し、さらに幾何平均則を用いて算出した窒化シリコンと
の凝着エネルギーの結果は、シリコン、窒化シリコン、
酸化シリコンの順に大きく、本実施例の測定結果は表面
自由エネルギーから算出した結果と一致した。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面特性
評価装置は、ばね部材の両端が支持体に支持され、圧子
がばね部材の中心部に設けられていることにより、試料
表面の凝着力を精度よく測定することができる。

【００６８】また、圧子の先端面を測定面に対して平行
な平面に形成することにより、例えば複数の試料を測定
した場合でも、先端面と測定面の接触面積はいずれも一
定に保つことができる。

【００６９】さらに、圧子の先端面の面積を規定された
面積に形成することにより、前記面積は既知の値になる
ので、単位面積当りの凝着力を定量的に容易に測定する
ことができる。

【００７０】さらには、圧子の先端面の面積を平方マイ
クロメートルオーダー以下に形成することで、微小領域
の凝着力の測定が可能になり、測定面の微小領域での凝
着力の分布を測定することができる。

【００７１】変位検出手段として、ばね部材の上方に設
置された光学的変位センサを用いることにより、ばね部
材のたわみ量を測定する際に変位検出手段がばね部材に
接触することがない。そのため、ばね部材のたわみ量を
測定する際にばね部材に不要な外力が加えられることが
ないので、ばね部材のたわみ量を正確に測定することが
できる。

【００７２】また、変位検出手段として、ばね部材の圧
子が設けられている面と反対側の面に設けられた圧電体
薄膜を用いることにより、上方からの顕微鏡等による観
察が容易になり、測定操作中に誤って圧子や試料を破損
するおそれを低減することができ、また、測定面の画像
を記録することもできる。

【００７３】さらに、圧子と試料の相対位置を変位させ
るための移動手段としてピエゾ素子を有することによ
り、測定開始前に圧子が試料に押し付けられる力が一定
になるため、測定の初期条件が一定になり、複数の試料
を測定した場合における各測定値の比較結果の信頼性が
向上する。また、ピエゾ素子はナノメートルオーダーの
精度で制御されることから、圧子が試料から離反する位
置がより正確に検出されるので、ばね部材のたわみ量も
より正確に測定され、凝着力を一層正確に測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面特性評価装置の第１の実施形態の
全体構成を示す斜視図である。

【図２】図１に示したばねの底面図である。

【図３】図１に示したばねの正面図である。

【図４】本発明の表面特性評価装置の第１の実施形態を
ばねにたわみが生じている状態で示す拡大正面図であ
る。

【図５】本発明の表面特性評価装置の第２の実施形態の
全体構成を示す斜視図である。

【図６】図５に示した第２のピエゾ素子の構成を示す斜
視図である。

【図７】本発明の表面特性評価装置の第３の実施形態の
全体構成を示す斜視図である。

【図８】図７に示したばねの上面図である。

【図９】図７に示したばねの底面図である。

【図１０】図７に示したばねの正面図である。

【図１１】本発明の表面特性評価装置の第３の実施形態
の応用例の全体構成を示す斜視図である。

【図１２】従来の表面特性評価装置の全体構成を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１試料固定部２圧子支持部３変位センサ４固定台５試料５ａ測定面６ステージ７支持体７ａばね固定部８ばね８ａくり抜き部８ｂ最大たわみ点９圧子９ａ先端面１０取付支持具１１第１のピエゾ素子１２第２のピエゾ素子１２ａ上面部１２ｂＸ軸電極１２ｃＹ軸電極１２ｄＺ軸電極１３圧電体薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の測定面に対面して配置され、前記
測定面に垂直な方向に弾性変形可能に固定されたばね部
材と、前記ばね部材の前記測定面に対向する面に設けら
れた圧子と、前記測定面に垂直な方向の前記圧子の変位
を検出する変位検出手段とを有する表面特性評価装置に
おいて、前記ばね部材は両端部が支持され、前記圧子は前記ばね
部材の中心部に設けられていることを特徴とする表面特
性評価装置。
【請求項２】前記圧子の先端面は、前記測定面に対し
て平行な平面に形成されている請求項１記載の表面特性
評価装置。
【請求項３】前記圧子の先端面の面積は、規定された
面積に形成されている請求項１または２記載の表面特性
評価装置。
【請求項４】前記面積は、平方マイクロメートルオー
ダー以下に形成されている請求項３記載の表面特性評価
装置。
【請求項５】前記変位検出手段は、前記ばね部材の上
方に設置された光学的変位センサである請求項１から４
のいずれか１項記載の表面特性評価装置。
【請求項６】前記変位検出手段は、前記ばね部材の前
記圧子が設けられている面と反対側の面に設けられた圧
電体薄膜である請求項１から４のいずれか１項記載の表
面特性評価装置。
【請求項７】前記ばね部材は支持体に固定されるとと
もに、前記試料は固定台上に載置され、前記支持体を前
記測定面に垂直な方向および水平な方向に移動させるピ
エゾ素子、あるいは、前記固定台を前記測定面に垂直な
方向および水平な方向に移動させるピエゾ素子のうち、
少なくともいずれか一方を有する請求項１から６のいず
れか１項記載の表面特性評価装置。