Нанометрология (1027621), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Для перечисленных метрологическиххарактеристик микроскопа необходимо также указать значения вычисленных неопределенностей.4.4.3. Калибровка АСМ по трем координатамПрименение АСМ в нанометрологии связано с рядом трудностей,обусловленных недостатками систем сканирования (нелинейность и неортогональность осей сканирования),кантилеверов (неизвестность формыи размеров остриев) и сложностямипри формировании изображений исследуемых объектов.
Все эти трудности по отдельности успешно преодолеваются, однако для этого требуетсяРис. 4.11. Общая схема сигнала, большое количество различных тестполучаемого в АСМ при сканиро- объектов, каждый из которых решаетвании шаговой структуры с боль- одну задачу, и значительное времяшими углами наклона боковых для определения параметров АСМ сстенок, с измеряемыми параметрапомощью этих тест-объектов. Так,для калибровки системы сканирования требуется, по крайней мере, тритест-объекта для трех осей микроскопа.В [37] приведен метод калибровки АСМ по трем координатам с использованием одного аттестованного размера тест-объекта.Согласно стандартам [10, 12] калибровку АСМ необходимо проводить с помощью монокремниевых тест-объектов, имеющих элементы страпециевидным профилем и большими углами наклона боковых стенок.При сканировании таких структур (рис.
3.4, а) в АСМ кантилевером с вертикальным острием и в случае малости радиуса r острия кантилевера относительноразмероввсехэлементовшаговойструктурыs = h tg ϕ >> 2 r , u p ,t >> 2 r , b p ,t >> 2 r . Форма получаемого сигнала представлена на рис. 4.11.Несимметричный сигналSL ≠ SR236(4.35)имеет место при неортогональности Z -сканера и наклонном положенииострия кантилевера.
Отличить неортогональность от наклона острия кантилевера можно, использовав значение суммы проекций наклонных стеноксигнала. ПриS L + S R > 2s / m xнеравенство (4.35) указывает на наклонное положение острия кантилевера,а приS L + S R = 2s / m x −на неортогональность Z -сканера. Здесь m x − цена деления шкалы АСМ пооси X . В случае неортогональности Z -сканера ее составляющую относительно оси X можно определить по формулеZ x = mx (S L − S R ) / mz 2H ,где mz − цена деления шкалы АСМ по оси Z .При отсутствии неортогональности связь параметров структуры (см.рис. 3.4, а) и сигнала (см.
рис. 4.11) осуществляется с помощью выраженийt = m xT ;(4.36)h = mz H ;s = mx S L = mx S R = mx S ;(4.37)(4.38)u p = m xU p − rQ (ψ );(4.39)b p = m x B p − rQ (ψ );(4.40)u t = m xU t + rQ(ψ ) ;(4.41)bt = m x Bt + rQ(ψ ),(4.42)где ψ = ψ L = ψ R ; tgψ = (mx / mz )tg ϕ ; Q(ψ ) = 2 ((1 − sinψ ) / cosψ ).При этом для нормированного сигнала (mx = mz ) получим ψ = ϕ .Калибровка атомно-силового микроскопа – определение цены деления m x его шкалы вдоль оси X сканирования с помощью шаговой структуры с большими углами наклона боковых стенок может быть осуществлена с помощью (4.36) при известном шаге структуры t , а определение цены деления mz его шкалы вдоль оси Z сканирования – с помощью (4.37)при известной высоте (глубине) структуры h .
Таким образом, для калибровки АСМ по двум координатам X и Z надо иметь тест-объекты с двумяаттестованными размерами t и h .Необходимо отметить, что неортогональность Z -сканера на калибровку АСМ (выражения (4.36) и (4.37)) не влияет.237Знание размеров верхних и нижних оснований выступов и канавокструктуры позволяет по выражениям (4.39)-(4.42) определить эффективный радиус острия кантилевераr=m xU p − u pQ (ϕ )=mx B p − b pQ (ϕ )=u t − m xU t bt − m x Bt.=Q (ϕ )Q (ϕ )Всеми свойствами, необходимыми для выполнения стандартов [8, 9],обладает тест-объект МШПС-2,0К, с помощью которого можно калибровать АСМ вдоль двух координат.
Однако этот тест-объект обладает одниминтересным свойством. С его помощью можно осуществлять калибровкувсех трех осей АСМ с использованием только одного аттестованного размера тест-объекта. Для этого необходимо воспользоваться концевыми участками шаговых структур.Проекции наклонных стенок канавок (рис.
4.11) вдоль разных направлений ( sx и s y ) и их глубина h связаны друг с другом соотношениемsx = s y = s = h / 2 .Тогда цена деления шкал АСМ будет определяться выражениямиmx = s / S x ; m y = s / S y ; mz = s 2 / H ,(4.43)где Sx,Sy − проекции наклонных стенок сигнала от канавки вдоль осей X и Y.Таким образом, с помощью тест-объекта МШПС-2,0К (или аналогичного) и выражений (4.43) можно калибровать АСМ по трем координатам с использованием одного аттестованного размера тест-объекта − проекции наклонной стенки выступов или канавок.Необходимо отметить, что калибровка АСМ по трем координатамвозможна и с использованием аттестованного значения шага t . Для этогонадо с помощью выраженияs = t Sx /T ,(4.44)полученного из (4.36) и (4.38) для оси X сканирования, аттестовать на самом АСМ значение проекции наклонных стенок выступов и канавок, а затем выполнить его калибровку по двум координатам, описанную выше.Отметим, что для аттестации значения проекции наклонной стенки сиспользованием (4.44) калибровка АСМ не требуется, так как в (4.44) входит уже аттестованное значение шага t и величины S x и T , которые определяются на самом сигнале.
Единственным требованием для АСМ является линейность сканирования. Хотя это требование – серьезное препятствиедля калибровки АСМ, так как в настоящее время отсутствуют методы измерения линейности сканирования, однако оно необходимо для проведения любых измерений на атомно-силовых микроскопах.238Калибровка АСМ по трем координатам с помощью такого методаосуществлялась на АСМ Smena B, у которого была скорректирована неорИзмерениянеортогональностидалитогональностьZ -сканера.Z x = 0,002 ± 0,004, Z y = 0,003 ± 0,004 .Для калибровки использовали шаговую структуру тест-объектаМШПС-2,0К, аттестованное значение проекции наклонной стенки которойсоставило s = 470 ,1 ± 1,5 нм.В результате калибровки получено mx = 8,22 ± 0,02 нм/пиксел,m y = 7 ,76 ± 0,02нм/пиксел, mz = 2,23± 0,02 нм/пиксел.Отсюда следует, что размеры цены деления X и Y осей координатнемного различаются:(4.45)m x / m y = 1,059 ± 0,004 .Это различие выходит за пределы погрешностей.
В то же время ценаделения оси координат Z сильно отличается, так как сканер по оси Z отличается от сканеров по осям X и Y .Необходимо отметить, что для определения различий в цене делениявдоль разных осей сканирования не требуется калибровка АСМ и знанияаттестованного размера тест-объекта (шага или проекции боковых наклонных стенок выступов и канавок) в силу того, что параметр (4.45) можноопределить с помощью параметров S соответствующих сигналов:m x / m y = S y / S x . Единственным требованием является линейность сканирования.Таким образом, приведенный метод позволяет проводить на атомносиловом микроскопе измерения линейных размеров рельефных структурпо трем координатам с использованием одного аттестованного размератест-объекта с погрешностью менее 1% по каждой координате. Методудовлетворяет требованиям государственных стандартов, обеспечивающихединство измерений в нанотехнологиях.Трехкоординатные методы поверки и калибровки разрабатываютсямногими организациями, что требует и соответствующих эталонных мер.На рис.
4.12 представлены тест-объекты для трехмерной пространственной поверки и калибровки сканирующих зондовых микроскопов. Нарис. 4.12, а – конструкция РТВ (Германия), а на рис. 4.12, б – конструкцияВНИИОФИ (Россия). На рис. 4.12, в приведена линейная мера – эталонсравнения для поверки и калибровки атомно-силовых и растровых электронных микроскопов. Эта трехмерная шаговая линейная мера обеспечи239Рис. 4.12.
Трехмерныетест-объекты:а) РТВ (Германия);б) ВНИИФИ (Россия):1 – слои с различнымиоптическими свойствами;2 – квантовые точки;3 – подложка;в) НИЦПВ (Россия)вает калибровку и поверкуизмерительныхсистем по трем координатам в диапазоне линейных размеров от 1нм до 100 мкм и более.Калибровка РЭМпредусматривает такиепараметры как: увеличение, диаметр электронного зонда, линейность сканирования в( X , Y ) -плоскости.При калибровкеАСМ определяют: ценуделения по X −, Y −, Z координатам,радиусострия кантилевера, ортогональность и линейность сканирования повсем осям.240Глава 5.
ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ОСНОВА НАНОМЕТРОЛОГИИ5.1. Основные положенияМетрологическое обеспечение наноиндустрии регламентируетсяединством измерений, которое гарантируется Конституцией страны, законом «Об обеспечении единства измерений», Постановлениями Правительства и нормативными документами (ГОСТы, Правила, Рекомендации идр.).Также как и в любой сфере деятельности, метрологическое обеспечение наноиндустрии базируется на «трех китах»:• научной основе, объединяющей принципы фундаментальной иприкладной метрологии с требованиями физики в нанодиапазоне;• технической основе – технических средствах измерений, работающих в нанометровом диапазоне;• организационной основе в виде государственных стандартов, отраслевых нормативов и стандартов предприятий, направленных на обеспечение единства наноизмерений.Здесь организационная основа занимает одно из ведущих мест неслучайно, поскольку именно грамотная организация той или иной деятельности сегодня позволяет надеяться на успехи ввиду дороговизны как технического обеспечения, так и проведения самих исследований.Организационной основой метрологического обеспечения нанотехнологии и наноиндустрии является Государственная метрологическаяслужба, осуществляющая государственный метрологический контроль инадзор в наиболее значимых для государства и общества сферах.В России функции государственной метрологической службы возложены на Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование) и подведомственные ему организации.
Вих обязанности входит обеспечение единства измерений, включая государственные испытания, с целью утверждения типа вновь произведенных илиимпортируемых средств измерений, надзор за состоянием и применениемнаходящихся в эксплуатации средств измерений, обеспечение прослеживаемости передачи размера единиц физических величин в нанодиапазонвсем применяемым средствам измерений, метрологическая экспертизастандартов и иных нормативных документов, организация службы стан241дартных справочных данных, участие в работе международных метрологических организаций.Нормативной основой нанометрологии и наноиндустрии являютсягосударственная система стандартизации (ГСС) и Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), организующие разработку государственных стандартов, устанавливающих требования к средствам измерений, правила и положения метрологического обеспечения, характеристики государственных эталонов и государственных поверочных схем, методы и средства поверки, методики выполнения измерений и нормы точности измерений, проведение международных сличений эталонов, государственный надзор за состоянием и применением метрологических правил и норм, средств измерений.На рис.
5.1 приведена структура управления ГСИ. Она насчитывает123 государственных эталона, 339 вторичных и 62025 рабочих эталонов,которые обеспечивают единство измерений более миллиарда рабочихсредств измерений.Законом № 139-ФЗ от 19.07.2007 года учреждена Государственнаякорпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНОТЕХ).Она организована для «реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий инаноиндустрии».
Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором внанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадияхпроектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
