Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 28
Текст из файла (страница 28)
К ним относятся сканирующие электронные микроскопы(СЭМ), просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ), сканирующиетуннельные микроскопы (СТМ), атомно-силовые микроскопы (АСМ),микроскопы ближнего поля, конфокальные микроскопы, интерференционные микроскопы и ряд других приборов, обеспечивающих наивысшее разрешение по измеряемым физическим величинам при нанометровых размерах исследуемого объекта.Однако в процессе исследований различных наноструктур возниклопонимание, что для решения задач обеспечения единства измерений параметров наноструктур данной приборной базы недостаточно.
Возникла необходимость значительно повысить точность измерений и увеличить количество измеряемых параметров. Поскольку пока не разработаны прибо134ры, основанные на новых физических принципах, повышение точностиприборов, приведенных выше, достигается за счет увеличения стабильности параметров окружающей среды, обеспыливания, всесторонней защитыот различных внешних воздействий.Получение информации о различных физических параметрах нанообъекта во многих случаях может быть достигнуто только путем одновременного измерения ряда физических параметров. Поскольку при переносеобъекта от одного прибора к другому ряд его свойств может существенноизмениться.Это привело к созданию комбинированных приборов, позволяющих,например, без выноса образца в атмосферу исследовать один и тот же участок образца методами сканирующей электронной микроскопии, атомносиловой микроскопии, ближнепольной оптической микроскопии, дифрактометрии, поляриметрии и т.д.Приборы подобного типа разработаны и используются в Национальной физической лаборатории.
Например оптико-рентгеновский интерферометр и атомно-силовой микроскоп в комбинации с рентгеновским интерферометром.Ввиду того, что появляется большое количество наноструктурированных материалов с новыми свойствами, количество нормируемых параметров, требующих проведения измерений, постоянно возрастает. Такжевозникает необходимость создавать стандартные образцы новых наноструктурированных материалов и аттестовывать их.
Поэтому для создания иисследования новых свойств наноструктурированных материалов необходимо иметь возможность проводить изготовление таких материалов, атакже оказывать на них различные воздействия в процессе измерений.Требованиям соответствует измерительно-технологическая установка высшей точности для создания и исследования наноструктур, созданнаяв NIST (США).
Установка считается одним из наиболее совершенных инструментов для исследований наноструктурированных материалов.Для повышения достоверности регистрации параметров нанообъектаего исследование осуществляется непосредственно сразу после изготовления, причем транспорт объекта из технологической камеры в измерительную осуществляется с помощью специального робота в сверхвысоком вакууме. Это позволяет, например, в течение нескольких часов исследоватьсвойства поверхности, свободной от газового монослоя.135Установка Cross Beam 1540 оснащена двумя электромагнитными колонами, обеспечивающими подачу на образец сфокусированного электронного и ионного пучков. Электронный пучок используется для наблюдения структуры образца, ионный пучок используется для создания и обработки образца.
В электронном пучке достигается разрешение 0,8 нм.Существующие на сегодняшний день стандартные методики РЭМ,СТМ и АСМ не позволяют напрямую количественно оценить многие параметры наблюдаемых объектов без проведения дополнительной, весьмасложной, подготовки исследуемых объектов, создания текстовых структури получения на них калибровочных зависимостей, интерпретации полученных результатов. Тем не менее, РЭМ, АСМ и СТМ являются на сегоднянаиболее распространенными в практике СЗМ-технологиями. Большинство промышленно выпускаемых устройств обычно разработаны таким образом, что для добавления к прибору новых функций и возможностей достаточно переоснастить его основной блок, заменив отдельные небольшиечасти. Иногда единственным необходимым изменением является переключение из одного режима в другой непосредственно в обслуживающей компьютерной программе. С этой целью, например, установка Cross Beam1540 оснащена детекторами, позволяющими с высокими разрешением иконтрастом наблюдать наноструктуру образца и исследовать его состав.
Вих число входят:• детектор отраженных электронов с селекцией по углу и энергии;• детектор вторичных электронов;• детектор для работы в просвечивающем режиме;• анализ катодолюминесценции;• рентгеновский спектрометр;• квадрупольный масс-спектрометр.В установке Gross Beam 1540 система подачи в область ионного лучапоочередно пяти газовых смесей и позволяет наносить вольфрам, углерод,платину, золото, а также дифторид ксенона, а ионный пучок установкиосуществляет ионно-лучевое травление образца, которое используется вразличных исследовательских целях, а также при конструировании наноструктур.Для исследования атомарной структуры нанообъектов в составе измерительно-технологического комплекса целесообразно иметь просвечи136вающий электронный микроскоп (ПЭМ).
Рекордным по разрешению и одновременно коммерчески доступным является ПЭМ «Либра 200» фирмы«Карл Цейс», обеспечивающий разрешение до 0,8 Å.В состав измерительно-технологического комплекса необходимовключить приборы, обеспечивающие измерение оптико-физических параметров наноструктурированных материалов. К таким приборам относятсяближнепольный сканирующий оптический микрофотолюминесцентныйспектрометр NFS-2000/300 фирмы Jasco (Великобритания).Для исследования нанообъектов со сложной трехмерной топологией,в том числе в приложении нанобиотехнологий, в составе измерительнотехнологического метрологического комплекса необходим конфокальныйсканирующий микроскоп. Одним из лучших образцов таких приборов является конфокальный сканирующий микроскоп-спектрометр Leica TCSSPE, фирмы Leica Microsystems.Экспертные оценки показывают, что совершенствование метрологического обеспечения нанотехнологий требует существенных материальных затрат, сопоставимых с основными фондами производства.По расчетам, приведенным в статье «Метрологическое обеспечениенанотехнологий» (Управление качеством.
№ 12, 2008, с. 40 – 44), примерный состав измерительной аппаратуры для обеспечения единства измерений параметров наноструктурированных объектов и материалов в современном представлении должен включать:- установку Gross Beam 1540 в полной комплектации – 2 млн. евро;- просвечивающий электронный микроскоп Либра 200 – 2 млн. евро;- ближнепольный микроскоп-спектрометр Jasco NFS-200/300 – 500тыс.
евро;- конфокальный сканирующий микроскоп-спектрометр Leica TCSSPE – 350 тыс. евро.Ориентировочная стоимость приборов для создания измерительногокомплекса в указанной комплектации составляет около 4,85 млн. евро.Методы микроскопии применительно к исследованиям структурынаноразмерных объектов носят сугубо локальный характер. Тем самымобеспечивается достаточно точное описание отдельных элементов, но, сдругой стороны, вносит погрешность в силу необъективности в выбореанализируемой поверхности. Во избежание возможной неоднозначностиследует получить несколько изображений образца в ряде его произвольных137расположений.
Кроме того, полезно произвести наблюдения с помощьюмикроскопа при разных увеличениях.Поэтому основная рекомендация сводится к использованию нескольких методик и сопоставлению получаемых результатов. Практикапоказывает, что при этом исключаются недостатки и систематические погрешности рутинных измерений. В результате две дополняющие друг друга методики дают больше полезной информации, чем каждая из них в отдельности.138Глава 3. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ, ТОЧНОСТЬИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ НАНОИЗМЕРЕНИЙ3.1.
Основные положенияПонятие точности в наноиндустрии трактуется весьма широко. Это иточность самого средства измерения (СИ), и точность результата измерения, и точность взаимного позиционирования объекта и сканирующего(или измерительного) инструмента.Точность средства измерения характеризует качество СИ как близость его погрешности к нулю.Точность результата измерений (или точность измерений) также характеризует качество измерений, отражающее близость к нулю погрешности результата измерений.
Эти характеристики подробно изложены в соответствующих стандартах Государственной системы измерений (ГСИ), поэтому более подробно остановимся на понятии позиционирования.Точность позиционирования в нанотехнологии определяется тем, чтопроизводство наноизделий всегда связано с прецизионным позиционированием (нанопозиционированием). Нанопозиционирование – установка исследуемого объекта (или зонда) в требуемое положение в заданной системе координат.
При этом абсолютные погрешности определения координатне превосходят единицу нанометра.Не менее чем точность перемещений, важна точность геометрической формы инструментов. Более точные инструменты позволяют, в своюочередь, повысить точность измерений и производства. Нанотехнологиячасто требует острых и тонких инструментов правильной формы. Современные зонды быстро изнашиваются, отсюда возникает потребность в ихточном измерении, прецизионной коррекции работы механизмов позиционирования в соответствии с износом, определении оптимальной частотысмены инструмента, в связи с чем в Японии уже разработаны и используются методы и модели точного расчета геометрии зондов СЗМ.
Эллипсометр Nanofilm позволяет измерять толщину пленок с вертикальным разрешением 0,1 нм на поверхности объектов произвольной формы с формированием высококонтрастной карты толщины с микрометровым горизонтальным разрешением. Точные измерения межмолекулярных сил, линейных размеров наноструктур и молекул, их механических свойств являютсяосновой теоретического осмысления, разработки систем компьютерного139моделирования и проектирования наносистем. Исследования точной обработки наноструктур, прецизионного позиционирования и пространственной метрологии направлены на разработку технологий, необходимых дляпроизводства эталонов с атомной точностью и заданной структурой.
Этопозволит достигнуть достаточного контроля состава и структуры нанообъектов для воспроизведения атомных структур в промышленных масштабах.Весьма перспективна возможность силового позиционирования спомощью магнитострикционных материалов, обусловленная эффектоммагнитострикции. При приложении магнитного поля к стриктору происходит изменение ориентации магнитострикционных доменов, приводящее квозникновению значительных усилий. Стриктор – конструктивный элемент из материала, претерпевающего изменение длины при измененииприложенного к нему магнитного поля.Созданные в НАНОТЕХ линейные нанопозиционеры обеспечиваютв пределах 4 мм разрешение 0,6 нм при ручном управлении. Аналогичноскомпонованный линейный нанопозиционер, в котором позиционированиемагнитной системы производится с помощью шагового двигателя, управляемого компьютером, обеспечивая минимальное разрешение на уровне0,01 нм.Система нанопозиционирования Mad City Labs Nano-PDQ позволяетдостичь результатов, приведенных в табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
