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微纳米计量技术是微纳米科技发展的基础和保障

时间:2021-06-01人气: 作者: 小编

微纳米计量技术是微纳米科技发展的基础和保障,大力发展微纳米计量工作,建立简洁高效的计量体系对我国科技、经济发展意义重大。

文/李源(上海市计量测试技术研究院教授级高级工程师,

主要从事微纳米计量测试领域的研究工作。)

当今,微纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择,世界各国都在加强对微纳米科技的研究,新技术、新突破接踵而至,并带来深刻的科技革命。目前,微纳米科技已逐步应用到纳米制造、微电子、新材料、环境监测、超精密加工等前沿科技领域。

如果说微纳米测量与表征技术是微纳米科技与高科技产业发展的基础和保障,那么微纳米计量技术就是保证纳米测量与表征准确性和可溯源性的重要手段,通过建立完整的微纳米尺寸计量量值溯源体系,为高科技产业、先进制造业和科技进步提供技术保障。微纳米计量技术从米定义波长基准开始,将波长物理参数通过标准装置、标准样板传递到高科技产业、先进制造业等相关仪器和装置上,保障研究成果和开发产品的准确性和可靠性。微纳米尺寸计量量值溯源体系的建立包括3个要素:微纳米计量标准器(标准样板)的研制、微纳米尺寸计量方法的研究和微纳米几何量表征。

建立我国溯源标准至关重要且迫在眉睫

在微纳米科技水平不断提高的大背景下,大量的纳米加工制备仪器和测量仪器快速发展。以半导体制造领域为例,离子刻蚀机、电子刻蚀机等加工仪器和电子显微镜、原子力显微镜(AFM)、台阶仪、线宽仪等测量仪器的需求增长迅速,这些纳米加工和检测仪器大多依赖进口,单台仪器的价值数以百万元计。由于缺乏对这些仪器进行验收的有效手段和方法,其主要技术指标受制于相关仪器的出口厂家,贸易公平受到技术壁垒的挑战。此外,为了保证测量仪器数值的准确可靠,不少使用者不得不从国外进口纳米尺度标准样品并定期送至国外机构计量,费用高、耗时长,而且未从根本上解决量值溯源问题。因此,无论就经济利益还是就国家战略发展的政治意义而言,建立我国溯源标准至关重要且迫在眉睫。

通过建立我国的纳米测量溯源标准,并使之作为沟通国际贸易和国际技术合作的纽带,可以消除相关贸易体系的技术壁垒,推动我国纳米相关产业的有序发展。以上海为中心的长三角地区,是我国经济和贸易最为发达的地区,也是以半导体、精密加工技术为代表的先进制造业的中心,在上海建立全国领先的纳米测量溯源标准,对推动上海的半导体等先进制造业的发展有非常重要的作用。

微纳米测量仪器

微纳米计量技术是微纳米科技发展的基础和保障(图1)

微纳米计量的被测对象包括被测结构的三维尺寸、位置和形貌特征等。目前,广泛采用的检测方法和仪器主要包括显微干涉、共聚焦显微、光学式轮廓仪、光学显微视觉检测等光学方法,原子力显微镜、扫描探针等扫描探针显微方法,机械式轮廓仪,以及高精度坐标测量方法等几种。除此之外,还有几种针对微结构几何量测量的光学方法,如三角测量法、激光光切法、光栅投影法等。

对于所有基于光学原理的几何量测量方法,由于存在衍射受限,系统的横向分辨率由物镜的数值孔径决定,一般在微米量级,这也就决定了它们不能分辨微米量级以下更细微的形貌特征。虽然有些光学测量方法能达到很高的纵向分辨率,但受横向分辨的限制,其评定出的表面参数常常与其他类型仪器的测量结果有一定的差别。此外,光探针方法在测量含有较大倾斜角的轮廓表面时会出现部分光不能反射回物镜的情况,造成测量误差。在测量台阶边缘时,光探针法会夸大测量结果,造成信号严重失真。对于干涉显微法,在表面形貌上陡峭的斜坡产生的干涉条纹很细很密,以至于用面阵电荷耦合器件(CCD)难以探测和分辨,另外,基于光学干涉方法的仪器一般要求被测表面的材料必须相同。除此之外,在测量对象上,光学方法也受到了很多限制,即对曲面、沟槽等特殊结构无法进行测量。扫描探针显微镜(SPM)最初作为图像观察仪器而发明,虽然它具有亚纳米级分辨率,但是不能达到同等量级的测量精度。SPM的缺点也比较突出,主要体现在测量速度慢、效率低、测量范围小。通过结合附加定位测量平台的方法,进一步扩展SPM的应用领域,也是当前微纳米计量领域的热点研究工作。

基于上述微纳米测量仪器与测量方法的分析和原理的考虑,可以看到除了扫描隧道显微镜(STM)和AFM方法之外,其他方法的横向分辨力较低,已有的测量方法无法全面地解决针对微纳米领域的测试需求,无法适应微纳米几何量测量技术的发展。因此,开发更高测量精度、具有多种测量功能和数据记录功能的微纳米测量装置成为微纳米尺寸测量领域的研究热点。

微纳米几何量标准样板

微纳米计量技术是微纳米科技发展的基础和保障(图2)

目前,使用最为广泛的纳米计量标准样板是利用微纳加工技术刻蚀出的纳米结构,包括台阶、线宽、一维或者二维的线间隔。这种纳米尺寸样板本身加工工艺成熟,受加工工艺限制需要利用高精度的仪器(如计量型原子力显微镜、干涉显微镜、光学衍射测量装置等)进行严格的标定。同时,在利用高等级的仪器校准此类标准样板,或者用此类标准样板校准其他仪器的时候,在样板和仪器均不具备溯源性保障的情况下,评价结果会因为公正性和可靠性产生矛盾和分歧。

基于标准样板的自身缺陷,利用原子沉积技术的新技术路线是近十年来应用基础领域内的一个研究热点。美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员用原子沉积技术获得了铬原子的光栅图形。同济大学的李同保院士也采用激光冷却的方法对进入驻波场的铬原子进行准直,得到光栅微结构,其周期是原子共振谱线波长的一半,而任何一种原子的共振谱线的数值都极其精确。因此,用激光汇聚原子沉积方法制成的线间隔结构的尺寸是具有自溯源性的。

微纳米计量技术的未来展望

2018年11月,国际计量大会在法国巴黎召开,全票通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。根据决议,国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。这次国际计量变革引领了两个重要发展趋势:计量单位量子化、量值溯源扁平化。其中,长度计量单位——米成为7个物理量中第一个付诸实用的量子计量单位。

长度计量单位的量子化为微纳米计量的发展指明了道路,很可能缩短或者彻底取消长度量值溯源体系的中间环节,在任何地点、任何时间都能准确地复现长度基本量。从这个意义来看,我们与发达国家处于同一起点,大力发展微纳米计量工作,建立简洁高效的计量体系对整个国家的科技、经济发展意义重大。

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微纳米计量技术是微纳米科技发展的基础和保障(图3)