Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 7

Так в 2001 году в России организован концерн «Наноиндустрия», в комплекс задач которого входят и вопросы нанометрологии.Очерчен и круг направлений его деятельности:• разработка рабочего эталона (установки высшей точности) на базеприборов нанометрового диапазона с интерференционными и другимидатчиками перемещений;• разработка комплекса параметрических мер для калибровки приборов нанометрового диапазона, а также для передачи размера единицы длины в нанометровом диапазоне от первичного эталона к рабочему;• разработка Государственной поверочной схемы для передачи размеров единицы длины от государственного исходного эталона к рабочимсредствам измерений;• разработка алгоритмов и программного обеспечения для выполненияизмерений и анализа погрешностей результатов измерений;• разработка нормативно-технической документации, включая методику испытаний и поверки средств измерений на приборах нанометровогодиапазона геометрических параметров двух- и трехмерных наноструктур;33• законодательное оформление разработанного рабочего эталона в качестве Государственного рабочего эталона в области измерений нанометрового диапазона;• организация работ по международному сличению мер линейныхразмеров;• создание Центра нанометрологии и нанодиагностики.Линейные измерения в этой области длин производятся с помощьюновых, созданных во второй половине ХХ века приборов, – зондовых микроскопов (оптических ближнего поля, растровых электронных, сканирующих туннельных и атомно-силовых), обладающих высоким разрешением.Для того чтобы превратить эти приборы в средства измерений, необходимо осуществлять их калибровку с абсолютной привязкой к Первичномуэталону длины – метру.

Традиционная схема такой привязки со многимиступенями (разрядами промежуточных эталонов) для этого не годится –слишком большая потеря точности на промежуточных уровнях. Необходима новая схема, в которой устраняются некоторые промежуточныеуровни. Лучше всего оставить один уровень – одну меру малой длины, которая обладала бы свойствами, связывающими ее с первичным эталоном ис рабочими средствами измерений.Таким образом, концептуально нанометрология базируется на метрологическом комплексе, в основе которого растровая электронная и сканирующая зондовая микроскопия, лазерная интерферометрия и рентгеновская дифрактометрия, обеспечивающие воспроизведение и передачу единицы измерения от эталона до рабочего нанометрового диапазона.Переход к измерениям длин в диапазоне 1 – 1000 нм потребовалпринципиально новых решений с кардинальным пересмотром традиционных подходов.

Для этого необходимо выполнить фундаментальные исследования механизмов формирования изображения объекта на рабочем средстве измерений; максимально сократить многоступенчатость структурнойсхемы передачи размера единицы длины от первичного эталона к рабочимсредствам измерений; разработать новые алгоритмы измерений и соответствующее им математическое обеспечение, которые позволили бы учитывать взаимодействия зонда рабочих средств измерений с измеряемым объектом; создать новую меру малой длины, выполненную в виде рельефнойшаговой структуры с заданной формой профиля ее элемента, обладающуюсвойствами, аналогичными свойствам вторичного эталона длины и изме34ряемого объекта.

Именно такие трехмерные меры малой длины – материальные носители размера – необходимы не только для самой калибровкиперечисленных зондовых микроскопов, но и для подтверждения достоверности результатов измерения линейных размеров элементов реальных объектов, изображения которых регистрируются в микроскопах.Частично данные работы впервые выполнены в России коллективомавторов [9] в Институте общей физики Российской Академии наук (ИОФРАН) им. А.М. Прохорова.

При этом созданы:• методология обеспечения единства измерений в диапазоне длин от1 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 мкм;• 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 элементовсверхбольших интегральных микросхем (СБИС) и пакет компьютерныхпрограмм для автоматизации таких измерений.Полученные результаты прошли международные сличения и былиуспешно применены в условиях производства СБИС и на предприятиях,производящих приборы и аппаратуру для нанотехнологии.

Испытания показали, что выполняемые измерения уже сейчас соответствуют метрологическим требованиям, изложенным в Международной программе развитияполупроводниковой промышленности вплоть до 2018 года.Метрология является количественным базисом стандартизации исертификации. Стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур нанотехнологий, подлежащих измерениям, –весьма непростая и трудоемкая задача, особенно при межотраслевом имеждисциплинарном характере нанотехнологий, различной терминологиии различных исследовательских и измерительных приемах и методах.

Кэтой же проблеме примыкает необходимость стандартизации терминов иопределений в нанотехнологиях для обеспечения общения и взаимопонимания различных групп исследователей не только внутри одной страны, нои в рамках междисциплинарного и международного обмена информацией.Закономерное следствие этого – необходимость аттестованных и стандар35тизованных методик выполнения измерений, а также методик калибровкии поверки средств измерений, применяемых в нанотехнологиях.Особый аспект стандартизации – решение задач обеспечения здоровья и безопасности операторов технологических процессов и лиц, взаимодействующих с продукцией нанотехнологий на всех этапах ее производства, испытаний, исследований и применений, а также экологической безопасности окружающей среды.Сертификация – это подтверждение соответствия параметров исвойств объектов, материалов и структур, технологических процессов, атакже инструментальной и измерительной базы требованиям техническихрегламентов, стандартов и иных нормативных документов.36Глава 2.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕНАНОМЕТРОЛОГИИ2.1. Методы и средства интерференционных измеренийВ сферу измерений в наноиндустрии входят методы и средства дляоценки параметров нанообъектов, а также характеристик самого измерительного оборудования, используемого в нанотехнологиях. Особое внимание уделяется созданию и поддержанию в рабочем состоянии эталоннойбазы и поверочно-калибровочному парку используемых средств измерений.Рис. 2.1.

Базовые направления науки и техники для формирования нанометрологииВ целом методы и средства нанометрологии обусловлены ее связью сразличными направлениями науки и техники (рис. 2.1).Приборы для особо точных измерений, как правило, предполагаютинтерференционные методы измерений, которые базируются на волновойприроде света. Свет является одним из видов электромагнитных колебаний. Каждый световой поток в течение определенного промежутка времени, достаточного для наблюдения, состоит из большого числа m волн.

Вотличие от радиоволн световые волны имеют большую частоту, а, следовательно, при одной и той же скорости распространения электромагнитных колебаний и световых волн имеют меньшую длину λ волны (см. нижерис. 2.2, а).Длина волны зависит от источника, излучающего свет. Человеческийглаз воспринимает небольшую часть длин волн. Совокупность этих волнобразует видимый спектр. Совместное действие всех длин волн видимого37спектра вызывает ощущение белого света. Цвета, составляющие белыйсвет, можно получить на спектре путем разложения белого света, т.е. пропусканием его через оптическую призму.Существуют источники, излучающие свет с волнами всех длин (непрерывный спектр), и источники, излучающие определенные длины волн, т.е.воспроизводящиетолькоотдельные линии спектра(линейчатый спектр).

Поддействием света, радиоактивного, рентгеновскогои лазерного излучений,электрического поля и многих других видов воздействий атомы (молекулы, ионы) входят в возбужденноесостояние с повышеннойэнергией. При снятии этоговозбуждениянекоторыевещества (газы, жидкости итвердые тела) начинаютРис. 2.2. Интерференция света: L1 – серия волн 1;светиться. Это явление свеL1′ – серия волн 1'; Lп – длина перекрытия; Δ L –чения называют люминисразность хода серий волн 1 и 1'ценцией. В зависимости отдлительности свечения различают кратковременную – флуоресценцию идлительную люминисценцию – фосфоресценцию.В специальном случае, известном как резонансная флуоресценция,и поглощаемое, и испускаемое излучения обладают одинаковой энергией,длиной волны и частотой.При резонансном электромагнитном излучении, испускаемом системой связанных зарядов (например атомов), его частота совпадает с частотой возбуждающего света.Немецкий физик Рудольф Мёссбауэр в 1958 году добился резонансной флуоресценции гамма-лучей (гамма-излучение – это коротковолновоеэлектромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10 м, возникающеепри распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц материи).