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

Измерение перемещений в нанотехнологиях

В конце 20 – начале 21 веков на передний план развития выдвигаются высокие технологии, главными из которых являются микроэлектроника и нанотехнология. Микроэлектроника оперирует с элементами рельефа поверхности твердого тела, имеющими минимальные размеры (критические размеры – КР) менее сотни нанометров, и в ближайшие годы ожидается переход к десяткам нанометров, а нанотехнология оперирует с характерными размерами от сотен нанометров до десятых долей нанометра (расстояние между атомами в твердом теле). При этом необходимо учесть, что эволюция технологии микроэлектроники в нанометровую область опережает прогнозы аналитиков. Так, недавно появились сообщения о готовности передовых производителей микросхем к выпуску их по технологии 45 нм в самое ближайшее время, в то время как согласно Программе США, заканчивающейся в 2010 г., критические размеры 70 нм должны были быть достигнуты в 2010 г., а согласно Международной программе критические размеры 65 нм должны были быть достигнуты в 2007 г.
Эти обстоятельства подчеркивают необходимость решения проблемы создания методов и средств линейных измерений в нанометровом диапазоне и обеспечения единства таких измерений с абсолютной привязкой к Первичному эталону длины – метру.
4. История развития метрологии линейных измерений.
Научно-технический прогресс 19 века, углубляющиеся экономические, торговые и культурные связи между разными странами настоятельно потребовали не только ликвидации разнобоя в определении и применении единиц физических величин внутри каждой отдельно взятой страны, но и их унификации и создания на их основе единой и общей для всех стран гармоничной системы измерений.
20 мая 1875 г. в Париже 17 государств, в том числе и Россия, подписали Метрическую Конвенцию, в соответствии с которой метрическая система мер и весов была принята под покровительство этих государств, и тем самым ее развитие обрело межгосударственный статус.
На 1-й Генеральной конференции по мерам и весам в сентябре 1886 г. в Париже в качестве Международного эталона метра был избран платиново-иридиевый жезл (прототип), на внутренней поверхности которого были нанесены метки штрихи, расстояние между которыми соответствовало одной сорокамиллионной части длины земного меридиана, проходящего через Париж. Государства-участники Метрической конвенции получили по прототипу-эталону метра. Длина международного эталона метра, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Париже, была определена с неопределенностью 0.1 мкм (относительная неопределенность 10-7), а расхождение в длине национальных эталонов не превышала 0.2 мкм.
20 век потребовал большей точности измерений линейных размеров. Реальная возможность определения единицы длины – метра, через длину волны оптического излучения появилась лишь после фундаментальных работ американского физика Майкельсона по применению интерферометрии в линейных измерениях, выполненных в конце 19 века.
На 11-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. было принято новое определение метра, а именно: метр есть длина, равная 1650763.73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между 2p10 и 5d5 уровнями атома криптона – 86.
Переход от прототипа метра на эталонную длину волны излучения позволил:
– реализовать возможность воспроизведения единицы длины в различных лабораториях;
– повысить точность измерений более чем на порядок;
– обеспечить неуничтожимость эталона основной физической величины, т. е. возможность его воссоздания в случае утраты.
Использование монохроматического оптического излучения решило проблему воспроизведения и передачи размера единицы длины от эталона средствам измерений более низшего разряда в иерархии эталон – рабочие средства измерений с помощью оптических интерферометров для измерения концевых или штриховых мер – носителей размера.
5. Первичный эталон единицы длины.
Достижения фундаментальных и прикладных исследований в физике в 20 веке позволили создать новый Первичный эталон длины. В его основу легли три великих открытия 20 века.
Открытие и бурное развитие оптических квантовых генераторов источников монохроматического излучения с высокой степенью пространственной и временной когерентности привнесло в метрологию линейных измерений возможность перехода от линии излучения криптона-86 к излучению оптического квантового генератора, обладающего более высокой стабильностью и добротностью.
Прямые измерения частоты оптического излучения высокостабилизированного He-Ne лазера позволили определить скорость света c, исходя из соотношения
с=λυ,
где частота υ определена, исходя из эталона частоты, а длина волны λ – исходя из определения эталона метра.
Третьим заключительным открытием, легшим в основу нового первичного эталона длины, является постоянство скорости света в любой системе координат.
Вместо двух основных первичных эталонов (длина и время) решено использовать новые основные эталоны: скорость света и частота. Это позволило 17-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1983 г. принять в качестве неизменяемой фундаментальной константы значение скорости света в вакууме:
c = 299792458 м/с.
На этой же конференции метр был определен как длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/c секунды. На 9 Сессии консультативного комитета по длине в сентябре 1997 г. рекомендованные значения частоты и длины волны излучения He-Ne/J2 лазера, стабилизированного по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде, составили:
υ=473612214705 кГц,
λ=632.99139822 нм.
Первичный эталон метра, реализующий этот физический принцип, обеспечивает воспроизведение единицы длины метра с относительным среднеквадратичным отклонением (неопределенностью) 2х10-11. Таким образом, за промежуток времени немногим более 100 лет (активная жизнь трех поколений) точность эталона метра увеличилась более чем на четыре порядка (10 000 раз).
6. Интферометрия – основа измерения длины.
Новый Первичный эталон длины тесно связан с двумя физическими эффектами, осуществляющими передачу размера от первичного эталона к рабочим средствам измерений. Это дифракция и интерференция. Однако только интерференция позволяет осуществлять эту функцию во всех диапазонах длин, используемых человеком.
Измерения длины (линейные измерения) можно разбить на два диапазона: измерения больших длин (длина много больше длины волны излучения) и измерения малых длин (значения порядка и менее длины волны излучения). Диапазон измерений больших длин простирается от единиц-десятков микрометров и далее, включая метры, километры вплоть до длин, таких как: астрономическая единица длины (1.5х1011 м. расстояние от Земли до Солнца), световой год (9.5х1015 м. расстояние, которое свет пройдет за время, равное 365 земным суткам) и парсек (3.1х1016 м). Диапазон измерений малых длин простирается от единиц микрометра до нуля, который, впрочем, также недостижим, как ноль градусов Кельвина. Характерные размеры здесь: 10-6 метра – микрометр, 10-9 метра – нанометр, 10-10 метра ангстрем. Диаметр первой невозбужденной орбиты электрона в атоме водорода как раз составляет примерно один ангстрем.
Если использование интерферометрии в передаче размера единицы длины в области больших длин не встречает принципиальных трудностей и ограничено лишь пространственно-временной когерентностью источника эталонного излучения, то линейные измерения объектов, характеризующихся значениями размеров меньших и много меньших длины волны излучения, требуют принципиально нового подхода.
7. Нанометрология линейных измерений и измерений перемещений.
Нанометрология оперирует с наноразмерными объектами, что предопределяет необходимость решения первоочередной проблемы создания методов и средств линейных измерений в нанометровом диапазоне, а также обеспечения единства таких измерений с абсолютной привязкой к Первичному эталону метра.
Достижение предельных возможностей при измерениях длины в нанометровом диапазоне связано с использованием высокоразрешающих методов растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии в сочетании с лазерной интерферометрией и фазометрией при сохранении абсолютной привязки к Первичному эталону метра.
В результате длительных исследований в России с мировым приоритетом концептуально решена задача создания основ метрологического обеспечения измерений длины в диапазоне 1÷1000 нм. При этом созданы:
– методология обеспечения единства измерений в диапазоне длин от 1 нм до 1 мкм, основанная на принципах зондовой микроскопии и лазерной интерферометрии-фазометрии;
– эталонный комплекс средств измерений, обеспечивающий воспроизведение и передачу размера единицы длины в диапазоне 1 нм ÷ 1 мкм вещественным мерам длины с погрешностью 0.5 нм;
– новое поколение мер малой длины для калибровки средств измерений в диапазоне 1 нм ÷ 1 мкм, в том числе меры нанорельефа поверхности;
– методология и алгоритмы измерения параметров профиля элементов микро- и наноструктур и пакет компьютерных программ для автоматизации таких измерений.
В соответствии с концепцией обеспечения единства измерений длины передача размера единицы длины от Первичного эталона длины в нанометровый диапазон осуществляется эталонной трехмерной лазерной интерферометрической системой измерений наноперемещений. Эталонная система, созданная на основе атомно-силового микроскопа оригинальной конструкции и лазерных интерферометрических измерителей наноперемещений (схема эталонной системы показана на рис.3), предназначена для измерения
Рисунок 3. Схема эталонной трехмерной Рисунок 4. Лазерный интерферометрический лазерной интерферометрической системы измеритель наноперемещений.
измерений перемещений.
ЛИИН – лазерный интерференционный
измеритель наноперемещений.