Метрология в нанотехнологиях

В Техническом комитете Международной организации по стан­дартизации ИСО/TК 229 Нанотехнологии, секретариат которого ведет Бри­танский институт стандартов, существуют различные подкомитеты – по метрологии, методам измере­ний и испытаний (Япония); по разработке терминов и определений (Канада); по нанотехнологиям в области здравоохранения, безопасности, окружающей среды (США).

В рамках Международной организации КООМЕТ по Евроазиатскому со­трудничеству в области метрологии согласован проект Метрологическое обеспечение нанотехнологий, посвященный решению фундаментальных проблем метрологии в нанотехнологиях. Страны-участники: Германия, Словакия, Россия, Бело­руссия, Украина. Координатором проекта (Научно-исследовательским центром по изучению свойств поверхности и вакуума) разработан проект концепции метрологического обеспе­чения нанотехнологий и технологии передачи размера единиц физических величин в нанодиапазон.

В различных странах созданы национальные организации по стандартизации в области нанотехнологий: в США – Национальный институт стандартов NIST (National Institute of Standards and Technology), в Англии – Национальная физическая лаборатория NPL (National Physical Laboratories), в Германии – Федеральный физико-технический институт РТВ (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) и т.д.

2. Для диагностики наноматериалов приме­няются следующие методы: электронная микроскопия высокого разрешения (электронные про­свечивающие и сканирующие высокоразрешающие микроскопы), сканирующая зондовая микроскопия; различные методы спектроскопии, нанотестирование.

Именно сканирующие зондовые микроскопы позволили наблюдать атомно-молекуляр­ную структуру поверхности в нанометровом диапазоне размеров и, что весьма важно, конструировать структуры на атомарной уровне с заранее заданными свойствами.

Общим у методов зон­до­вой сканирующей микроскопии является нали­чие зонда, чаще всего, заостренной иглы с радиусом при ве­ршине ~ 10 нм и сканирующего меха­низма (3D -пьезосканера, изготовленного из пьезокерамического материала, обладающего свойством пьезоэффекта - деформации под действием внеш­него электрического поля), способ­ного переме­щать зонд над поверхностью образца в трех из­мерениях с вы­сокой точностью – по нормали к поверхности образца до тысячных долей нанометра, в плоскости образца – на уровне со­тых долей нанометра, рис.1.

При сканировании зонд может измерять различные свойства, которые регистрируются контроллером (датчиком), см. рис.1.

Например, в зондовом туннельном микроскопе измеряется величина туннельного тока, протекающего между металлической иглой-зон­дом и образцом, значение которого изменяется в зави­симости от состояния изучаемой поверхно­сти, например, наличия впадин и выступов; в атомном силовом микроскопе измеряются силы меж­атомного (межмолеку­лярного) взаимо­действия ме­жду поверхностью и ди­электрической иглой; в магнитно-силовом микроскопе зонд, сканирующий поверхность, является магнитным и позволяет чувство­вать локальную магнитную структуру и т.д.

Рисунок 1 – Общая схема СЗМ

Зондовыми методами можно исследовать самые разнообразные мате­риалы: проводящие, диэлектрические, полупроводниковые, биологические.

Важным достоинством данных микроскопов является то, что с их помо­щью возможно не только получение трехмерной картины объекта на атомар­ном уровне без разрушений и почти без искажений, исследование топо­графии по­верхности, состава, маг­нитных и электрических свойств, твер­дости наност­руктурированных объектов, но и совершение манипуля­ции с ато­мами, пере­мещение и комбинирование их, а значит, осуществле­ние мо­дифи­кации по­верхности в нанометровых областях, реализация сверхточной «сборки» и ис­пользова­ние их в качестве вполне реальных ин­струментов для создания на­ращиванием на­ноструктур из отдельных атомов.

3. Из самого определения нанотехнологии, оперирующей с объектами нанометровой протяженности, естественным образом следует первоочеред­ная задача измерений геометрических параметров объекта, что в свою оче­редь обусловливает необходимость обеспечения единства линейных изме­рений в нанометровом диапазоне.

Но этим обстоятельством роль нанометрологии линейных измерений не исчерпывается. Метрология линейных измерений в неявном виде присут­ствует в подавляющем большинстве методов обеспечения един­ства измерений физико-химических параметров и свойств объектов на­нотехнологии, таких как механические, оптические, электрические, маг­нитные, акустически е и т.д.

Фундаментальные исследования, связанные с прямыми измерениями фи­зико-химических параметров веществ и материалов нанотехнологии, элемен­тов и устройств нанотехники, требуют понимания закономерностей взаи­модействия измерительного средства с объектом измерения. Особую важность приобретают вопросы метрологии и стандартизации таких измере­ний, метрологического обеспечения, вопросы передачи размера единицы фи­зической величины в нанометровый диапазон, характеризующийся своими специфическими особенностями.

4. Нанометрология оперирует с наноразмерными объектами, что пре­допределяет необходимость решения первоочередной проблемы создания методов и средств линейных измерений в нанометровом диапазоне, а также обеспечения единства таких измерений с абсолютной привязкой к первич­ному эталону метра.

Достижение предельных возможностей при измерениях длины в нано­метровом диапазоне связано с использованием высокоразрешающих методов сканирующей электронной и зондовой микроскопии в сочетании с лазерной интерферометрией и фазометрией.

Концептуально решена за­дача создания основ метрологического обеспечения измерений длины в диа­пазоне 1…1000 нм. При этом созданы: методология обеспечения единства измерений в диапазоне длин от 1 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 нм; 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 элементов микро- и наноструктур и пакет компьютерных программ для автоматизации таких измерений.

Для калибровки измерительных атомно-силовых (АСМ) и сканирующих электронных микроскопов (СЭМ), являющихся одними из основных инстру­ментов в нанотехнологиях, разработаны эталоны сравнения – линейные меры, позволяющие существенно повысить точность и достоверность изме­рения наноперемещений и геометрических параметров наноразмерных объ­ектов.

Эталоны представляют собой рельефные шаговые структуры из кремния с задан­ными шириной, высотой (глубиной) и формой профиля, рис.2.

Рисунок 2

Меры позволяют по одному изображению меры в сканирующем электронном и зондовом микроскопе осуществить калибровку микроскопа (определить увеличение микроскопа, линейность его шкал и диаметр зонда).

Аттестация меры, т.е. передача размера единицы длины от первичного эталона длины в наномет­ровый диапазон (в соответствии с концепцией обеспечения единства измерений) осуществляется на эталонной трехмерной лазерной интерферо­метрической системе измерений наноперемещений.

МОДУЛЬ №2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ /1.0