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試料膨張・収縮量計測システムおよび試料膨張・収縮量計測方法 新技術説明会

国内特許コード P09S000233
整理番号 P2004-131
掲載日 2009年10月30日
出願番号 特願2007-522342
登録番号 特許第4759748号
出願日 平成18年6月21日(2006.6.21)
登録日 平成23年6月17日(2011.6.17)
国際出願番号 JP2006312427
国際公開番号 WO2006137448
国際出願日 平成18年6月21日(2006.6.21)
国際公開日 平成18年12月28日(2006.12.28)
優先権データ
  • 特願2005-181145 (2005.6.21) JP
発明者
  • 三浦 誠司
  • 岡 和彦
  • 毛利 哲夫
  • 大久保 賢二
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 試料膨張・収縮量計測システムおよび試料膨張・収縮量計測方法 新技術説明会
発明の概要

微小サイズの試験片からより正確な熱膨張を計測可能とし、MEMSデバイスへの応用を可能とする熱膨張量計測システムを提供する。 試料台(11)および傾斜半透鏡(12)の一方の端部に試料(10)を挟持し、例えば、加熱炉(13)内で一点の昇温速度で加熱したときに、試料台(11)および傾斜半透鏡(12)の間で生じる干渉光を共焦点走査型レーザー顕微鏡により観察する。これによって、試料(10)の加熱に伴う膨張によって傾斜半透鏡(12)の傾斜角度が変化するので干渉縞間隔も変化する。この干渉縞間隔の変化を高精細に測定することで、これを基準として試料(10)の熱膨張量をより正確に計測することができる。

従来技術、競合技術の概要

MEMS(micro electro-mechanical system)デバイスは、IT、バイオ・医療分野をはじめとして多くの科学技術分野への応用を通じて、将来、我国にとって重要な基板技術の一つとなるものと期待されている。その実現には材料の選択(最適な弾性率、強度の組合せ等)並びに、その加工法の選択が極めて重要であるが、必要な物性値が巨視的な測定で得られた場合と同一であるとして設計することは必ずしも妥当ではない。


MEMSデバイスの一例としては、基板上に形成させた薄膜から半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術で三次元の微小構造体を作製することが想定されている。このため作製される部材の寸法は、薄膜の厚さを基本とするサイズ、すなわちサブミクロンからミクロン程度の寸法となるが、このような薄膜の物性は作製プロセス(スパッタ、メッキ、エッチング条件等)に大きく依存する。


特にプロセス中の欠陥導入に関しては、通常サイズでは問題とならないようなマイクロメートルオーダーやナノメートルオーダーの欠陥が微小部材の物性には大きな影響を与える。このことは、対応するバルク材料(通常寸法材料)の物性から薄膜の物性を推定することが不可能もしくは著しく困難であることを意味している。


一般に、機械の設計においては、要求される性能を満たすために様々な材料を組み合わせて構成し使用する。その検討過程では組み合わされる個々の材料の物性が十分に知られていることが必要となる。MEMSデバイスの設計においては、まだ選択した作製方法によって材料の物性が決まってくるのが現状である。しかし、より広範な材料や作製方法から最適なものを選択するためには、個々の材料の微小サイズの試験片の物性を簡便な方法で計測できる手法を確立することが強く望まれる。かかる手法の確立により、将来的には、例えば、材料と作製方法の両面から検索することが可能なデータベースの構築等によって、より広範な材料や作製方法から最適なものを選択することが可能となる。


特に、材料の物性の中でも、温度変化に伴う寸法変化は、MEMSデバイスの設計においては、非常に重要な物性である。すなわち、MEMSデバイスのような微小な部品からなるシステムでは、わずかな熱流や通電加熱の導入によって大きな温度上昇とそれに伴う熱膨張が起こる。そのため、均一でない熱膨張量を有する部品で構成される構造では、わずかな熱や電力による部品間の熱膨張の差が大きな弾性応力の原因となり、力学的な不安定要因となり得る。


このように、そのサイズに比べて大きな熱流に晒される微小構造物は、上述したMEMSに限らず、発光ダイオードや無機ELや有機ELのような発光素子、LSIなどの電子部品、高温材料における遮熱・耐酸化コーティング被膜等のように多岐にわたって存在する。このような微小構造物においては、例えば、基盤となる物質と機能を発揮する物質との熱膨張量の差は、弾性・塑性ひずみを引き起こすことになる。このようなひずみは、上記微小構造物の物性や作動原理にも大きな影響を与えるだけでなく、微細構造物の力学的破壊に至ることもある。


したがって、かかる微小構造物において、より最適な熱膨張量を有する材料を選択するためには、個々の材料の微小サイズの試験片の熱膨張量を簡便な方法で計測できる手法を確立することが強く望まれる。


しかし、このような微小サイズの試験片に対する熱膨張量の直接測定は、試験片の小ささゆえ非常に困難である。一般的な熱膨張測定装置では、数mmないし20mm程度のサイズの試料を用い、10ミクロン程度の変位をトランスデューサで測定し、その試料の熱膨張量を得ることはできる。しかしこの方法では、一般的な機械設計に必要な熱膨張量や物性研究には十分なデータを得ることはできても、トランスデューサの測定精度が低いため、目的とする微小サイズの試料の熱膨張量を測定することは不可能である。また、かかる通常の熱膨張測定装置では、試料温度の均一性の確保が難しい。


微小サイズの試験片において熱膨張を測定する技術については、これまでにいくつかが提案されており、一部は実用化されている。かかる技術としては、X線回折により格子定数の温度依存性を計測する技術(非特許文献1)や、基盤の湾曲を高精度で測定する技術(非特許文献2)、薄膜多結晶シリコンの熱膨張係数を測定するマイクロゲージセンサー(非特許文献3)等を挙げることができる。また、レーザーを利用した熱膨張の測定技術としては、マイケルソン干渉計を応用した技術も知られている。

【非特許文献1】S.Raju et al.,Journal of Nuclear Materials,Vol.325,18-25(2004)
【非特許文献2】H.Toda et al.,Journal of Applied Physics,Vol.87,4189-4193(2000)
【非特許文献3】Jung-Hun Chae et al.,Sensors and Actuators,Vol.75,222-229(1999)

産業上の利用分野

本発明は、微小サイズの試験片の膨張量および/または収縮量を計測可能とする試料膨張・収縮量計測システムおよび試料膨張・収縮量計測方法に関するものであり、特に、微小サイズの試験片の熱膨張量および/または熱収縮量を計測可能とする熱膨張・収縮量計測システムおよび試料膨張・収縮量計測方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】 平滑な表面を有しており、当該表面の一方の端部側に試料を載置する試料台と、
平板状であり、一方の端部の下面に上記試料台上の試料が接するとともに、他方の端部が上記試料台の表面における他方の端部側に接した状態で、上記表面に対して傾斜して設けられる透光板部材と、
少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気から選ばれる少なくともいずれか一つの条件を変化させ、他の条件を一定に維持することを可能とする試料条件変化手段と、
顕微鏡手段とを備えており、
上記顕微鏡手段では、試料に対する上記条件の変化に伴う膨張または収縮によって透光板部材の傾斜角度が変化することにより生ずる、上記試料台および透光板部材の間における光の干渉縞の変化を観察し、この干渉縞の変化を基準として試料の膨張量および/または収縮量を計測することを特徴とする試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項2】 上記試料条件変化手段が、少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料を加熱または冷却可能とする試料温度変化手段であって、
温度変化に伴う試料の熱膨張量および/または熱収縮量を計測する熱膨張・収縮量計測システムである請求項1に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項3】 上記試料条件変化手段は、試料に加えて、当該試料を挟持する試料台および透光板部材に対して温度、湿度、圧力および雰囲気から選ばれる少なくとも何れか1つの条件を変化させ、他の条件を一定に維持することを可能とすることを特徴とする請求項1または2に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項4】 請求項1または2に記載の試料膨張・収縮量計測システムにおいて、上記試料条件変化手段に代えて、
少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気を一定に維持することを可能とする試料条件維持手段を備え、
上記顕微鏡手段では、試料の上記条件維持下での経時的な膨張または収縮によって透光板部材の傾斜角度が変化することにより生ずる、上記試料台および透光板部材の間における光の干渉縞の変化を観察し、この干渉縞の変化を基準として試料の膨張量および/または収縮量を計測することを特徴とする試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項5】 上記試料条件維持手段は、試料に加えて、当該試料を挟持する試料台および透光板部材に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気を一定に維持することを可能とすることを特徴とする請求項4に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項6】 さらに、システムの稼動に伴って、試料台および透光板部材、並びにこれらに挟持される試料に生ずる振動を防止または除去する防振・除振手段を備えていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項7】 さらに、上記顕微鏡手段により観察される画像を記録する画像記録手段を備えていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項8】 さらに、上記顕微鏡手段により観察される画像を記録する画像記録手段と、
当該画像記録手段により記録された画像情報を解析する画像解析手段とを備えており、
上記画像記録手段に記録された観察画像から、干渉縞の経時的な変化を画像解析手段により解析することで、試料の膨張量および/または収縮量を数値化することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項9】 上記画像解析手段では、干渉縞の移動および干渉縞の間隔変化の少なくとも一方に基づいて、試料の膨張量および/または収縮量を数値化することを特徴とする請求項8に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項10】 上記顕微鏡手段は、画像記録手段に記録される観察画像において少なくとも干渉縞の本数が50~300本の範囲内となるような範囲で、当該干渉縞の変化を観察することを特徴とする請求項7ないし9の何れか1項に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項11】 上記顕微鏡手段が、共焦点走査型レーザー顕微鏡であることを特徴とする請求項1ないし10の何れか1項に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項12】 さらに、上記試料、試料台および透光板部材を外部と隔離された密閉状態で、かつ、これらを試料条件変化手段または試料条件維持手段により条件をそれぞれ変化または維持するように収容する試料収容手段と、上記試料収容手段の内部にガス若しくは液体を導入可能とする雰囲気導入手段、または、上記試料収容手段の内部を真空にする真空手段を備えていることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項13】 標準物質と、
平滑な表面を有しており、試料と、上記標準物質とを載置する試料台と、
平板状であり、上記試料台および上記標準物質とそれぞれ異なる端部の下面において接し、且つ、上記試料台および上記試料とそれぞれ異なる端部の下面において接するように設けられている少なくとも一枚の透光板部材と、
少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料および上記標準物質に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気から選ばれる少なくともいずれか一つの条件を変化させ、他の条件を一定に維持することを可能とする試料条件変化手段と、
顕微鏡手段とを備えており、
上記条件の変化に伴う上記標準物質の膨張率は予め求められており、
かつ、上記顕微鏡手段では、試料および上記標準物質に対する上記条件の変化に伴う膨張または収縮によって透光板部材の傾斜角度が変化することにより生ずる、上記試料台および透光板部材の間における、試料に関する光の干渉縞の変化と、
上記標準物質に関する光の干渉縞の変化とを観察し、これらの干渉縞の変化を基準として試料の膨張量および/または収縮量を計測することを特徴とする試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項14】 上記透光板部材は、三角形状であり、当該透光板部材の各端部の下面において、上記試料台、上記標準物質、および上記試料にそれぞれ接しており、
かつ、上記顕微鏡手段では、上記試料の膨張または収縮に起因する上記透光板部材の傾斜角度の変化、および、上記標準物質の膨張または収縮に起因する上記透光板部材の傾斜角度の変化のそれぞれによって生ずる、上記試料台および透光板部材の間における光の干渉縞の変化を観察し、比較することを特徴とする請求項13に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項15】 上記試料膨張・収縮量計測システムは、2枚の上記透光板部材を備え、
第1の透光板部材は、一方の端部の下面において、上記試料台と接し、他方の端部の下面において、上記試料と接しており、
第2の透光板部材は、一方の端部の下面において、上記試料台と接し、他方の端部の下面において、上記標準物質と接しており、
かつ、上記顕微鏡手段では、上記試料の膨張または収縮に起因する上記第1の透光板部材の傾斜角度の変化によって生ずる、上記試料台および上記第1の透光板部材の間における光の干渉縞の変化、および、上記標準物質の膨張または収縮に起因する上記第2の透光板部材の傾斜角度の変化によって生ずる、上記試料台および上記第2の透光板部材の間における光の干渉縞の変化、を観察し比較することを特徴とする請求項13に記載の試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項16】 標準物質と、
平滑な表面を有しており、試料と、上記標準物質とを載置する試料台と、
平板状であり、上記試料および上記標準物質とそれぞれ異なる端部の下面において接するように設けられている透光板部材と、
少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料および上記標準物質に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気から選ばれる少なくともいずれか一つの条件を変化させ、他の条件を一定に維持することを可能とする試料条件変化手段と、
顕微鏡手段とを備えており、
上記条件の変化に伴う上記標準物質の膨張率は予め求められており、
かつ、上記顕微鏡手段では、試料および上記標準物質に対する上記条件の変化に伴う膨張または収縮によって透光板部材の傾斜角度が変化することにより生ずる、上記試料台および透光板部材の間における光の干渉縞の変化を観察し、この干渉縞の変化を基準として試料の膨張量および/または収縮量を計測することを特徴とする試料膨張・収縮量計測システム。
【請求項17】 平滑な表面を有している試料台上に、試料を載置する工程と、
平板状の透光板部材を、異なる端部の下面において上記試料台の表面、および上記試料に接するように、上記表面に対して傾斜して設置する工程と、
少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気から選ばれる少なくともいずれか一つの条件を変化させ、他の条件を一定に維持すると同時に、試料に対する上記条件の変化に伴う膨張または収縮によって透光板部材の傾斜角度が変化することにより生ずる、上記試料台および透光板部材の間における光の干渉縞の変化を観察する工程と、
上記観察された干渉縞の変化を基準として、試料の膨張量および/または収縮量を計測する工程とを含むことを特徴とする試料膨張・収縮量計測方法。
【請求項18】 平滑な表面を有している試料台上に、試料を載置する工程と、
平板状の透光板部材を、異なる端部の下面において上記試料台の表面、および上記試料に接するように、上記表面に対して傾斜して設置する工程と、
少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気を一定に維持しながら、上記顕微鏡手段では、試料の上記条件維持下での経時的な膨張または収縮によって透光板部材の傾斜角度が変化することにより生ずる、上記試料台および透光板部材の間における光の干渉縞の変化を観察する工程と、
上記観察された干渉縞の変化を基準として、試料の膨張量および/または収縮量を計測する工程とを含むことを特徴とする試料膨張・収縮量計測方法。
【請求項19】平滑な表面を有している試料台上に、試料と、標準物質とを載置する工程と、
少なくとも一枚の平板状の透光板部材を上記試料台および上記標準物質とそれぞれ異なる端部の下面において接し、且つ、上記試料台および上記試料とそれぞれ異なる端部の下面において接するように設置する工程と、
少なくとも試料台の表面と透光板部材の下面との間に挟持された状態にある試料および上記標準物質に対して、温度、湿度、圧力および雰囲気から選ばれる少なくともいずれか一つの条件を変化させ、他の条件を一定に維持すると同時に、試料および上記標準物質に対する上記条件の変化に伴う膨張または収縮によって透光板部材の傾斜角度が変化することにより生ずる、上記試料台および透光板部材の間における、試料に関する光の干渉縞の変化と、上記標準物質に関する光の干渉縞の変化とを観察する工程と、
上記観察された干渉縞の変化を基準として、試料の膨張量および/または収縮量を計測する工程とを含み、
かつ、上記条件の変化に伴う上記標準物質の膨張率は予め求められていることを特徴とする試料膨張・収縮量計測方法。
【請求項20】 上記観察された干渉縞の変化を基準として、試料の膨張量および/または収縮量を計測する工程は、干渉縞の本数を数え、一定長さ当たりの干渉縞の本数の変化から試料膨張・収縮量を算出する工程であることを特徴とする請求項17ないし19のいずれか1項に記載の試料膨張・収縮量計測方法。
【請求項21】 上記観察された干渉縞の変化を基準として、試料の膨張量および/または収縮量を計測する工程は、フーリエ変換法により、上記干渉縞を観察した領域上の点において干渉縞の位相を求め、これを用いて得られる上記干渉縞を観察した領域における位相の分布に基づいて試料膨張・収縮量を算出する工程であることを特徴とする請求項17ないし19のいずれか1項に記載の試料膨張・収縮量計測方法。
産業区分
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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