Окрепилов В. - Стандартизация и метрология в нанотехнологиях (1027504), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Очевидно, что основная задача нанометрологии — проведение измерений в диапазоне от 1 до 100 нм (в настоящее время с точностью до 0,1 нм) и адаптация существующих или разработка новых методов изучения свойств нанообъектов как функции их размеров. Нанометрология охватывает измерение длины и определение размеров в нанометрическом диапазоне, а также измерение силы, 103 Таблица 9 Диапазон Физическая величина измерений Диапазон измерений Физическая величина Длина, м Масса, кг Доля примесей, 56 10 '«1О ' !о ' ! 1О н«10г 10«и«п!г Сила тока, А 1О-и«10' 10 п«10г Время,с Напряжение.
В !Оси«10Ю Температура, К Мощность, Вт 1 ЗгОО !о-и !о' 1 Оси«! 02 Давление, Па Индуктивность, Гн Расход, мцс 1О-' !Оп !Оги ! Емкость, Ф 'Плотность, кг/м' !о-' !о' 1О-г«!Оп Сопротивление, Ом Концентрация,см' 1Ои-»1он !о-' !ои Частота, Гц 105 массы„температуры, электрических, физико-химических и иных свойств нанообъектов. В табл, 9 приведены физические величины, подлежащие измерению в наноиндустрии (в частности, при производстве изделий микроэлектроники) [12Ц. В обзоре Европейского форума по нанотехнологиям, проходившего в июле 200б г., отмечается важность нанометрологии для развития нанотехнологий [137[: — нанотехнологии уже являются большим сектором промышленности, и ожидается, что они будут и далее развиваться быстрыми темпами; — точный контроль размеров объектов — ключевой вопрос нанотехнологий и науки о нанообъектах.
Размеры этих объектов менее 10 нм, и часто требуется точность до 0,1 нм. Для этого нужно разработать новые методы измерений; — технологии измерений, разработанные для традиционных материалов, во многих случаях не могут быть применимы к нано- структурам. Должны быть созданы специальные методики измерений лля наноструктур и наноматериалов. Невыполнение этого может привести к большим ошибкам при оценке результатов; — ученые и инженеры хотят исследовать новые физические явления, появляющиеся при уменьшении размеров систем до нано- метрических. Новые явления и свойства, возникающие при нанометрических размерах, требуют понимания и умения проводить измерения физических параметров очень малых объектов; — наноструктуры, под которыми понимается особое расположение атомов или частиц, приобретают новые, иногда довольно необычные формы.
Примерами могут служить фуллерены, наночастицы типа «ялро-оболочка», переплетенные нанотрубки, наноструктурные металлы. Это ставит новые задачи перед нано- метрологией; — должно быть создано новое оборудование для решения вышеуказанных задач; — нужно разработать стандарты, соответствующие технологическим достижениям и охватывающие все увеличивающуюся область применения наноструктур.
Таким образом, папометрология является очень важной областью исследований и разработок, объединяющей в себе возможности для открытий в фундаментальной науке и открывающей перспективы коммерческого применения. Основные различия между этими двумя направлениями нанометрологии (исследовательское и промышленное) касаются точности измерений, стоимости/эффективности типов параметров и условий, в которых происходят измерения.
В табл. 10 показаны эти основные различия. Метрологическое обеспечение работ в наносфере должно отвечать тем измерительным потребностям, которые вытекают из характера и масштаба проводимых работ [6Ц. Измерительные потребности — зто совокупность средств и методов измерений, обеспечивающих получение достоверных и признаваемых значений необходимых параметров и характеристик продукции на всех этапах жизненного цикла.
Как видно из представленного графика (рис. 40), измерительные потребности наиболее высоки на этапе исследований, так как здесь необходимы данные о свойствах, размерах, структуре и составе исследуемого обьекта, метрологическое обеспечение изготовления опытных образцов и исследований возможных рисков, связанных с нанообъектами. Таблица 10 Нанометрология исследовательская промышленная Требуется очень высокзя точность измерений Требуется высокая эффективность измерительных систем Количество измеренных параметров — как можно больше Количество измеренных параметров — минимально приемлемое Время и стоимость измерений— ие важно Время и стоимость измерений — ми- нимальные Важное значение играют условия окружающей среды Измерения проводятся в условиях производственного процесса (неблагоприятные условия, воздействие вибрации, загрязненный воздух и т. д.) 107 106 зим'"' Исследовательская н промышленная нанотехнологии Главным образом визуальные иаблю- Количественные параметры должны дения быть измерены сер з а лм Н гмч г э г цю гч~е Рис.
40. Распределение изиериюельных поюребностей и возиолсностей на этапах зкизненного цикла продукции оаг ~ и д лр а гы з з*ч г г ге Рис. 41. Распределение рабою по обеспечению единства измерений по эюапаи зкиэненного цикла продукции Для обеспечения выпуска конкурентоспособной нанопродукции необходимо законодательно подтвердить ее соответствие установленным требованиям по общепризнанным процедурам. Поэтому потребность в обеспечении единства измерений возрастает на стадии передачи продукции от производства к рынку 1рис. 41), Обзор методов измерений, применяемых в ианометрологии В настоящее время существует целый ряд методов получения информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне измерений.
Среди них сканирующая зондовая и электронная микроскопии, различные виды спектроскопии, рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс и другие. Основные методы измерений и измеряемые свойства нано- объектов приведены в табл.
11 161). Остановимся более подробно на описании основных методов, применяемых в нанометрологии. Таблица !1 Наименование метода Диапазон измерений Наименование метода Диапазон измерений Спектроскопия потерь энергии электронов (СПЭЭ) Глубина: < 200 нм; боковое разрешение: 1-100 нм Глубина: 0,5-5 нм боковое разрешение: 0,2-130 нм Атомно-силовая микроскопия (АСМ) или сками- рующая силовая микроскопия 0,1 мкм для более тяжелых атомов и 1 мкм для более ~(ССМ) ! ! легкмк элементов Глубина: нм мкм Рентгеновская аб- сорбционная спек- троскопия (РАС) Растровая элек- тронная микро- скопия (РЭМ) Глубина:1 нм- 5 мкм; боковое разреше ние; 1-20 нм Спектроскопия одиночныхмоле- кул (5М5) Глубина: 0,3-3 нм; боковое разрешение? 30 нм Электронная оже- спектроскопия (ЭОС) Глубина: 200 нм.
боковое рззреше ние: 2-20 нм Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) Поляризационная спектроскопия Раман- спектроскопия Глубина: 0,5- 1О нм; боковое разреше- ние: 5 нм-50 мкм троннаямикроскопия (РПЭМ) Разрешение 1ОО нм Сканирующая оп- тическая микро- скопия ближнего поля (СОМП) ческого анализа Сканирующая тун- Глубина; 1-5 нм, нельная микро- боковое разреше скопия (СТМ) ние: 2-10 нм Растроваяпросве- Глубина: 200 чивающая алек- боковое раз 2 20 Измеряемые свойства Топология, неровности поверхности, эластичность поверхности, размер зер- на, фрикционныехарактеристики, удельныемолекулярные взаимодейст- вия и магнитные характеристики по- верхности, общая плотность состояний (валентных) электронов до ферми- уровня на поверхности Трехмерная топология поверхности: размер, форма, неровности поверхно- сти, дефекты, электронные структуры и местная плотность состояний Топография: характеристики поверх- ности Морфология: форма и размер частиц Состав: элементы и соединения, из ко- торых состоит образец Кристаллографическая информация: расположение атомов Морфология: размер и форма частиц Кристаллографическая информация: обнаружение дефектов.
атомной шкалы Информация по составу элементы и соединения, из которых состоит образец и информация о присутствующих фазах (замер параметров кристаляической решетки) и ориентация образца труктурная, химическая и морфологическая информация Химические особенности и ориентаци- ннаяинформация Спектроскопия энергетической дисперсии рентге- новского излуче- ния Фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия (ФРС) или элек- тронная спектро- скопия для хими- Продоллсение шабл. 11 Измеряемые свойства Химический состав образцов, элек- тронная структура материалов, связи в кристаллах и на границе Концентрации каждого элемента в об- разце, идентификация осаждений в сплавах, активные фазы в катализато.
рах, элементарная сегрегация на грани- цах зерна, количественный состав мно- гокомпонентных фаз Структурная информация (связи, ко- ординация, количество) Индивидуальные функциональные ха- рактеристики молекулярных систем, такие как, например, перенос возбуж- дения, разделение заряда и флуорес- центные воздемствия Химический анализ; состав поверхностных слоев образцж атомные уровни Ориентация возбуждения и миссия; дипольные моменты переходов Химическая информация, концентрация примесей Вибрационная информация Химические элементы на поверхности, исследование уровня ядра !08 109 Окончание вобл )) Измеряемые свойства диапазон измерений Состав областей около поверхности материала, концентрация примесей Несколько атом- ых слоев прибли- ительно 1-3 нм Магнитные свойства ядер, идентификация индивгщузльных атомов в чистой молекуле и анализ состава неизвестных материалов, релаксация, мобильность и конформация функциональных молекул для интересующих Микроскопия «При изучении нанометрических размеров большую часть информации о создании устройств и материалов получают с помощью микроскопии.
Чтобы получить все больше информации о нанометре необходимо постоянное усовершенствование инструментов и оборудования. Используя такой подход можно получить представление о топологии или морфологии нанообъектов, но и определить другие параметры, такие как химический состав „прочность, проводимость и др. [61[. Сканирующая зондовая леикроекония (СЗМ) является стандартным инструментом научных и производственных лабораторий (например, испытания качества больших интегральных схем). Как уже отмечалось для работы с нанообъектами требуются новые технологии. СЗМ является одним из основных инструментов для работы с нанообъектами [111).
Существуют десятки различных конструкций на основе общего принципа СЗМ. Электрохимическая СЗМ, магнитно-силовая микроскопия, микроскопия силы трения и сканирующие автоматические оптические микроскопы являются наиболее распространенными видами сканирующей туннельной микроско- Таблица 12 „овиых методов и методик микроскопии Общие характеристики Наименование н л н я микроскопия(СТМ) Измерение рельефа поверхности при сканировании образца проводящим зондом, при этом система обратной связи поддерживает постоянной величину туннельного тока между зондами и поверхностью 1.1.
Метод постоянного тока (Сопыапг Спггепг щобе) Измерение рельефа поверхности при сканиро- вании образца проводящим зондом, при этом система обратной связи поддерживает постоян- ной величину туннельного тока между зондом и поверхностью и з-координата сканера поддер- живается постоянной 1.2. Метод постоянной высоты (Сопзгапг Не1квг мог)е) Измерение рельефа поверхности получается пу- тем поточечного измерения логарифмических изменений туннельного тока при изменении расстояния зонд-образец 1,З, Метод отображения работы выхода пии ( ,Ст~ 1) и ио силовой микроскопии (АСМ). Они позволяют делать изо ражен е11агь изо~бралсения рельефа поверхности и соотношение с ньати 3 изглчгескз«тчги паРаметРами с очень большим Увели- различными физичес чением в единицах от в единицах От мидлиметРовой До нанометРовой шк лы.
СЗМ обладает достаточно широким набором методик для вания поверхностей. Общим для всех методов является исследования иове хно наличие заостренн ие за'х'ренного ЭОНДа как ин ру нта раб с поверхностью о разцов. обРазцов. Суп(ествуют контактные, полуконтакт е и б нтактные методы, а также Различные режимы рабе р бесконт ди котор рых: туннельный Ре'ким, атомно-силовой режим, р спектроскопии и др. 'ю"ж и др. С помощью этих методик можно измерять не только ко топологию стру~~уры, но и множество специальн свойств, таких как , таких как модули Упругости, распределение различи веществ по повер тв по повеРхности, степень шероховатости поверхн рас предел деление ста ичесКОГО Заряда ОРИеНтацИЯ МагнитнЫХ ДО менов и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
