Измерение перемещений в нанотехнологиях

Метрология
Измерение перемещений в нанотехнологии.
Содержание.
1. Введение.
2. Нанометрология.
3. Продвижение линейной шкалы в нанометровый диапазон.
4. История развития метрологии линейных измерений.
5. Первичный эталон единицы длины.
6. Интферометрия – основа измерения длины.
7. Нанометрология линейных измерений и измерений перемещений.
8. Заключение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Три таких измерителя, встроенные в эталонную трехмерную лазерную интерферометрическую систему измерений наноперемещений, выполняют измерения перемещений по 3-м координатам (рис. 4). Однако лазерный интерферометрический измеритель наноперемещений имеет и самостоятельное значение. Его назначение заключается в измерении линейных перемещений в реальном масштабе времени, в том числе калибровке систем сканирования и позиционирования в микро- и нанотехнологии, точном машиностроении, микромеханике, робототехнике, растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии. Диапазон измерений перемещений составляет 1 нм÷10 мм, дискретность отсчета 0.1 нм. Абсолютная погрешность измерений лежит в диапазоне 0.5÷3 нм при максимальном значении скорости перемещения 3 мм/с.
В реальной практике измерения геометрических параметров объектов в нанометровой области проводятся с помощью растровых электронных (РЭМ) и сканирующих зондовых (СЗМ) микроскопов, расположенных у потребителя. Для обеспечения единства измерений необходимо проводить калибровку этих сложных измерительных устройств по эталонным образцам мерам малой длины, выполненным в виде рельефных шаговых структур с заданными шириной, высотой (глубиной) и формой профиля.
Важнейшей задачей метрологического обеспечения линейных измерений в нанометровом диапазоне является создание вещественных носителей размера мер с программируемо заданным нанорельефом поверхности, обеспечивающих калибровку средств измерений с наивысшей точностью. В настоящее время в разных странах используются разные линейные меры. Все они применяются для калибровки растровых электронных и атомно-силовых (АСМ) микроскопов. Однако только одна из них, разработанная в Научно-исследовательском центре по изучению свойств поверхности и вакуума, имеет в качестве аттестуемого элемента ширину линии и только с помощью этой меры возможно осуществлять наряду с калибровкой увеличения и измерение диаметра электронного зонда РЭМ, а в случае атомносиловых микроскопов еще и радиусы острий зондов (кантилеверов), линейности шкал и неортогональности сканеров. Именно такие трех мерные меры малой длины – материальные носители размера, позволяющие осуществлять комплексную калибровку и контроль основных параметров растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов, предназначены для перевода этих сложных устройств из разряда устройств для визуализации исследуемого объекта в разряд средств измерений, т. е. в разряд приборов для измерений линейных размеров объектов исследования, обеспечивающих привязку измеряемых величин в нанометровой области к Первичному эталону единицы длины метру.
Общий вид меры представлен на рис. 5. Мера состоит из 5 групп шаговых структур по 3 структуры в каждой (рис. 5 б). На рис.5 в приведено изображение одной из шаговых структур. Структура состоит из 11 канавок с трапециевидным профилем в кремнии. Боковые стенки канавок соответствуют кристаллографическим плоскостям кремния {111}, а дно канавки и верх выступа – плоскостям {100}. Высокое качество меры демонстрируют изображения сколов шаговой структуры в РЭМ (рис. 6) и трехмерные изображения элементов структуры в АСМ (рис. 7).
Рисунок 5. Микрофотографии меры – эталона сравнения, выполненные на РЭМ при разных увеличениях.
Рисунок 6. Изображение в РЭМ сколов меры с разными высотами и ширинами выступов. (а) – верх выступа 520 нм, низ канавки 560 нм, высота структуры 650 нм. (б) – верх выступа 110 нм, низ канавки 260 нм, высота структуры 1150 нм. (в) – верх выступа 30 нм, высота структуры 320 нм.
Рисунок 7. Изображения отдельных элементов меры с разными ширинами и высотами выступов, полученные на АСМ. (а) – верх выступа 520 нм, низ канавки 560 нм, высота структуры 650 нм. (б) – верх выступа 110 нм, низ канавки 260 нм, высота структуры 1150 нм. (в) – верх выступа 30 нм, высота структуры 320 нм.
Аттестация меры осуществляется на эталонной трехмерной интерферометрической системе измерений наноперемещений, представленной выше. Аттестуются шаг меры и размеры верхних и нижних оснований выступов и канавок (ширина линии), а также высота (глубина) рельефа. Отметим, что аттестация ширины линии проводится впервые в мире. При одном и том же шаге структуры возможно изготовление меры с ширинами линии в диапазоне 10 ÷1500 нм и высотой рельефа 100 ÷ 1500 нм.
Меры позволяют по одному изображению меры в растровом электронном микроскопе (даже по одному сигналу), что очень важно для контроля технологических процессов, осуществить калибровку микроскопа (определить увеличение микроскопа, линейность его шкал и диаметр его электронного зонда). Кроме того, при необходимости подтверждения правильности измерений можно осуществить контроль параметров растрового электронного микроскопа непосредственно в самом процессе проведения измерений размеров исследуемого объекта, что является дополнительной гарантией высокого качества измерений.
Мера позволяет легко автоматизировать линейные измерения на РЭМ и создавать на основе растровых электронных микроскопов автоматизированные измерительные комплексы. Ряд таких комплексов уже существует. В частности, такой автоматизированный комплекс линейных измерений в области размеров 30 нм ÷ 100 мкм создан в НИЦПВ на основе растрового электронного микроскопа JSM-6460LV.
Аналогичным образом по заданным параметрам меры производится калибровка и контроль таких характеристик атомно-силовых микроскопов, как цена деления и линейность шкал по всем трем координатам, ортогональность систем сканирования, радиус острия зонда (кантилевера), настройка параметров и выход микроскопа в рабочий режим.
Развитие нанотехнологии ужесточает требования к измерительным системам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями. Все это требует серьезного отношения к вопросу обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне.
Растровый электронный и сканирующий зондовый микроскопы только тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры будут соответствующим образом аттестовываться, калиброваться и контролироваться, причем последнее непосредственно в процессе измерений. Трехмерные меры – материальные носители размера – своеобразный мост между объектом измерений и эталоном метра, являются идеальным средством для осуществления таких операций.
Непреложно одно, что культура измерений требует того, чтобы любой растровый электронный или сканирующий зондовый микроскоп, независимо от того, где он находится – в научной или промышленной лаборатории, в учебном заведении или участвует в технологическом процессе, должен быть укомплектован мерами, обеспечивающими калибровку и контроль параметров этого сложного устройства. Только тогда измерения, производимые на нем, могут претендовать на достоверность.
Кроме того, использование методов и средств калибровки и аттестации растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов производителями соответствующих приборов позволит им создавать новые приборы с лучшими характеристиками, которые в свою очередь позволят продвинуться дальше на пути развития нанотехнологии.
8. Заключение.
Развитие нанотехнологии, широкое внедрение ее достижений в науку, технику, производство, обеспечение качества продукции немыслимы без опережающего развития методов и средств измерений. Если невозможно измерить, то нельзя сделать. Эта фраза характеризует развитие любой отрасли. Опережающее развитие метрологического обеспечения нанотехнологий и, в первую очередь, обеспечение единства линейных измерений в нано- и прилегающим к нему диапазонах основа основ нанометрологии, один из основных факторов успешного развития нанотехнологии главной составляющей экономического развития общества в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. International Organization for Standardization. // www.iso.org.
2. Postek M.T. Nanometer . Scale Metrology // Proceedings of SPIE. 2002. V. 4608. P. 84.96.
3. Тодуа П.А., и др. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазонах и их внедрение в микроэлектронику и нанотехнологию. // Микросистемная техника. 2004. № 1. С. 38.44. № 2. С. 24.39. № 3. С. 25.32.
International Organization for Standardization. // www.iso.org
Postek M.T. Nanometer . Scale Metrology // Proceedings of SPIE. 2002.V. 4608. P. 84.96.
Тодуа П.А., и др. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазонах и их внедрение в микроэлектронику и нанотехнологию. // Микросистемная техника. 2004. № 1. С. 38.44. № 2. С. 24.39. № 3. С. 25.32.
17
14