eng
История науки и техники неразрывно связана с развитием системы, методов и средств измерений. Нанотехнологии поставили новые специфические задачи, обусловленные малыми размерами элементов и структур. Здесь, как нигде, актуален тезис: «Если нельзя правильно измерить, то невозможно создать».
Страны, вступившие в нанотехнологический прорыв, хорошо представляют необходимость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся области. Именно уровень точности и достоверности измерений способен стимулировать развитие соответствующих отраслей экономики либо сдерживать его. Особо важно то, что в нанотехнологиях приборно-аналитическая и технологическая составляющие работают на пределе возможностей. Это увеличивает вероятность ошибки, связанной, кроме того, с человеческим фактором.
В этой связи метрологии и стандартизации принадлежит особая роль ключевых элементов приборно-аналитической, технологической и интеллектуальной составляющих нанотехнологий и наноиндустрии.
Специфика нанотехнологий привела к необходимости зарождения и быстрого развития уникального направления в метрологии – нанометрологии, с которым связаны теоретические и практические аспекты «правильности» измерений, включая эталоны единиц величин; стандартные образцы состава, структуры, размера, свойств; методы и средства калибровки в нанометровом и субнанометровом диапазонах; реализацию наношкалы и многие другие аспекты обеспечения единства измерений.
В решении этой главной задачи метрологии – обеспечении единства измерений, т.е. достижении такого состояния измерительной инфраструктуры, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах и их погрешности (неопределенности) известны с заданной вероятностью – нанометрология опирается на меры, стандартные образцы состава, структуры, размера, свойств в обеспечение практически каждой единицы оборудования необходимым набором средств, которые воспроизводят нужную шкалу и позволяют осуществлять калибровку средств измерений, в том числе непосредственно в процессе измерений, что позволяет контролировать результаты каждого из них и обеспечивать их прослеживаемость к эталону соответствующей величины (рис.1).
Создание таких стандартных образцов и мер сопровождается разработкой соответствующих методик поверки и калибровки их самих и средств измерений с их применением, а также методик измерений параметров и характеристик объектов и продукции нанотехнологий и наноиндустрии с использованием указанных средств измерений.
Одна из первоочередных задач стандартизации в нанотехнологиях – стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур, подлежащих измерениям. Отсюда закономерное следствие – необходимость аттестованных и стандартизованных методик измерений, калибровки и поверки применяемых в нанотехнологиях средств измерений и многое другое, что определяется потребностями развития инфраструктуры наноиндустрии.
Особый аспект стандартизации – решение задач обеспечения здоровья и безопасности операторов технологических процессов и лиц, взаимодействующих с продукцией нанотехнологий при ее производстве, испытаниях, исследованиях и применении вплоть до утилизации, а также экологической безопасности окружающей среды.
Междисциплинарный характер нанотехнологий инициировал создание в 2005 году в рамках Международной организации по стандартизации (ИСО) Технического комитета ИСО/ТК229 «Нанотехнологии». Годом позже в Международной электротехнической комиссии был образован Технический комитет МЭК/ТК113 «Стандартизация в области нанотехнологий для электрических и электронных изделий и систем».
Российская сторона представлена в этих комитетах национальным Техническим комитетом ТК441 «Нанотехнологии». Следует подчеркнуть, что ИСО/ТК229 и МЭК/ТК113 осуществляют свою деятельность в условиях паритетного партнерства, обмена информацией, проведения совместных заседаний, консультаций, форумов, создания совместных рабочих групп по ключевым вопросам стандартизации.
Первоочередные задачи, сформулированные участниками ИСО и МЭК – заинтересованными в развитии этой области странами – состоят в стандартизации в сфере нанотехнологий в направлениях:
• метрология и методы испытаний и измерений;
• стандартные образцы состава структуры, размера и свойств;
• термины и определения; моделирование процессов;
• медицина и безопасность;
• воздействие на окружающую среду.
Решение этих задач даст мощный импульс развитию нанотехнологий и их практическим применениям и внедрениям в различных отраслях.
Область деятельности ИСО/ТК229 и МЭК/ТК113, как следует из названия, – стандартизация в нанотехнологиях, под которыми в формулировке ИСО/ТК229 подразумевается:
• знание и управление процессами, как правило, в масштабе нанометра (не исключая масштаба менее 100 нм) в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;
• использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, отличающихся от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти новые свойства.
В Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий используются следующие термины:
• нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба;
• наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
• наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям;
• наноиндустрия – вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.
Актуальность указанных работ определила необходимость включения научных направлений, связанных с нанотехнологиями, в утвержденный Президентом РФ Перечень критических технологий.
Рис.2 иллюстрирует роль и место нанодиагностики, нанометрологии, стандартизации и сертификации с приставками нано в технологических и инженерно-производственных процессах. Поясним это на примере. Если создается материал для производства лазера на квантовых точках – здесь работает и нанодиагностика, и нанометрология, и наностандартизация. Конечный продукт – лазер на квантовых точках и измерение его параметров: расходимость, длина когерентности, модовый состав, мощность, спектральная плотность излучения – уже область ординарной диагностики, метрологии и стандартизации (верхняя часть рис.2). Конечно, существует целый ареал – область пересечения той и другой метрологии, и качественно они призваны поддерживать друг друга.
Фундаментальные и проблемно-ориентированные исследования, метрология и стандартизация на наноуровне взаимно подпитывают и обогащают друг друга.
Фундаментальные исследования в нанотехнологиях дают метрологии новые знания и принципы построения эталонов, создания стандартных образцов, требуют новых методов и средств обеспечения единства измерений.
Проблемно-ориентированные исследования в нанотехнологиях открывают новые возможности и новые потребности измерительного базиса. Так, изучение особенностей взаимодействия измерительных нанозондов, пучков заряженных частиц, рентгеновского и оптического излучений с наноструктурированными объектами определили цели, задачи и пути решения проблем нанометрологии и стандартизации, метрологического обеспечения измерений в нанотехнологиях, разработки стандартизованных методик измерений и калибровки стандартных образцов и мер состава, структуры, размера и свойств и средств измерений, а также стандартизованных методик измерений требуемых параметров объектов и продукции наноиндустрии.
Если взглянуть на отрасли наноиндустрии (рис.3), их метрологическое и нормативно-методическое обеспечение в части единства измерений, то наиболее востребованы измерения линейных или геометрических параметров. Это связано с тем, что из самого определения нанотехнологий, оперирующих с объектами нанометровой протяженности, естественным образом следует первоочередная задача измерений геометрических параметров объекта, что, в свою очередь, обуславливает необходимость обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. Этим не исчерпывается роль нанометрологии линейных измерений. В неявном виде она присутствует в подавляющем большинстве методов и средств обеспечения единства измерений физико-химических параметров и свойств (механических, оптических, электрических, магнитных, акустических) объектов нанотехнологий.
Часто необходимо осуществлять прецизионное пространственное позиционирование зонда измерительного устройства в требуемом месте съема информации. При этом диапазон линейного сканирования по каждой координате может простираться от единиц нанометров до сотен микрометров, а требуемая точность выставления координаты составлять десятые доли нанометра.
Почему в нанометрологии столь большое внимание уделяют реализации линейной шкалы в нанометровом и прилегающем диапазонах?
Во-первых, обеспечение единства измерений геометрических параметров нанообъекта – первоочередная задача нанотехнологий.
Во-вторых, измерения многих параметров и свойств объектов нанотехнологий связаны с необходимостью позиционирования зонда измерительного устройства в заданное место с наивысшей точностью [1, 2].
Обеспечение единства измерений физико-химических параметров и свойств объекта требует привязки соответствующего средства измерений к эталону, воспроизводящему единицу величины (например, проводимости – к эталонному сопротивлению), а в нанотехнологиях в большинстве случаев для «точности попадания в цель» еще и обязательной привязки к базисному эталону единицы длины (рис.4).
Уникальность базисного эталона не ограничивается этим дуализмом. Видно, что диапазон измерений длины от единиц нанометров до сотен микрометров перекрывает более пяти порядков значений измеряемой величины при точности измерений в диапазоне в десятые – единицы нанометра.
Из концепции обеспечения прослеживаемости результата каждого измерения геометрических параметров объектов и структур нанотехнологий следует необходимость прослеживаемости к эталону длины – государственному эталону метра.
Линейка объектов нанотехнологий и собственно наноиндустрии чрезвычайно широка и простирается от ультрадисперсных сред до наноструктурированных многослойных материалов и кристаллов. Она включает квантоворазмерные структуры с размерностями локализации: единица – квантовые ямы (сверхтонкие слои), два – квантовые проволоки или нити, три – квантовые точки. Особенности физических эффектов и протекающих процессов, в том числе оптических, люминесцентных, электрических, магнитных, механических и многих других, определяются характерным размером. В одном и том же материале связанные с размером эффекты проявляются по-разному. Например, особенность оптических свойств материала в ультрадисперсном виде может проявляться при одних размерах наночастиц, а теплофизических – при других.
Чтобы представить себе эффект, связанный с размером, достаточно нескольких простых примеров. Представим шарик кремния – основного материала полупроводниковой наноэлектроники, размером D∼5 нм, тогда объем его V∼10-19 см3. Если исходить из плотности кремния n∼1023 см-3, в таком объеме содержатся nV∼104 атомов этого элемента. Исходя из концентрации электрически активной примеси nпр∼1020 см-3, получим, что таких примесных атомов в шарике всего nпрV∼10. Если исходить из концентрации неконтролируемой примеси n*пр∼1014 см-3, в шарике n*прV∼10-5 атомов: в одном шарике содержится один атом такой примеси, а в остальных – 100 тыс. шариков, исключая один, атом неконтролируемой примеси отсутствует. Иными словами, при таком подходе можно получить сверхвысокочистые вещества.
Второй пример хорошо иллюстрируется рис.5. Материал – тот же кремний. Показана зависимость удельной поверхности от диаметра объекта (площадь в см2, деленная на массу в граммах). При размерах объекта порядка единиц сантиметра – удельная поверхность составляет несколько см2/г. При размерах порядка десятка нанометров – это уже сотня м2/г: наблюдается возрастание почти на шесть порядков. Увеличение удельной поверхности влечет за собой усиление поверхностной активности, что хорошо для катализа, однако возникает масса вопросов, связанных с воздействием таких частиц на биологические объекты. Создание ультрадисперсных частиц из широкого спектра материалов с различными размерами важно не только с точки зрения стандартных образцов размера, но и для биологов как объекта исследования его воздействия на живые системы, что особенно критично для медицины, безопасности и окружающей среды.
Большинство методов исследований, широко применяемых в наноиндустрии, – просвечивающая и растровая электронная микроскопии (РЭМ), сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), ионно-полевая микроскопия, фотоэмиссионная и рентгеновская спектрометрии, рентгеновская дифрактометрия требуют калибровки средств измерений по стандартным образцам состава, структуры, свойств с известными размерными (геометрическими) характеристиками. Например, один из известных способов определения размеров ультрадисперсных частиц заключается в изучении рассеяния на них света, зависящего от соотношения размеров частиц, длины волны падающего излучения и поляризации. При определении размеров частиц, как правило, используется лазерное излучение, однако для калибровки такого средства измерений необходим набор ультрадисперсных частиц с дискретным рядом точно заданных размеров.
При доведении широкозонных полупроводниковых соединений группы А2В6 до ультрадисперсного состояния происходит «голубое смещение» полосы люминесценции, по которому можно судить о размерах частиц люминофора. В каждом конкретном случае для калибровки используемого полупроводникового материала необходим набор стандартных образцов из него с целым рядом размеров.
При контроле процессов создания многослойных тонкопленочных структур, в том числе гетероструктур, необходимо использование рентгенодиагностических методов контроля скрытых слоев и для калибровки соответствующих средств измерений – наличие многослойных стандартных образцов состава и структуры.
Фундаментальные исследования, связанные с прямыми измерениями физико-химических параметров материалов нанотехнологии, элементов и устройств нанотехники, требуют понимания закономерностей взаимодействия зонда измерительного средства с объектом измерения. Особую важность приобретают вопросы метрологии и стандартизации таких измерений, метрологического обеспечения, передачи размера единицы величины в характеризующийся специфическими особенностями нанометровый диапазон [3].
Первостепенная задача опережающего развития нанометрологии – реализация наношкалы в нанометровом и прилегающих диапазонах. Именно этой проблеме посвящаются многочисленные конференции и публикации. В решение этой фундаментальной проблемы нельзя не отметить существенный вклад России. Достижение предельных возможностей при измерениях длины в нанометровом диапазоне связано с использованием при сохранении абсолютной привязки к первичному эталону метра высокоразрешающих методов РЭМ и СЗМ в сочетании с лазерной интерферометрией и рентгеновской дифрактометрией.
В России концептуально создана основа метрологического обеспечения измерений длины в диапазоне 1–1000 нм (рис.4). Разработаны:
• методология обеспечения единства измерений в данном диапазоне, включающая принципы электронной и зондовой микроскопий, лазерной интерферометрии и рентгеновской дифрактометрии;
• метрологический комплекс, обеспечивающий воспроизведение и передачу размера единицы длины в диапазоне 1–1000 нм вещественным мерам длины с погрешностью 0,5 нм;
• поколение мер малой длины для калибровки средств измерений в данном диапазоне, в том числе меры нанорельефа поверхности;
• методология и алгоритмы измерения параметров профиля элементов микро- и наноструктур;
• пакет компьютерных программ для автоматизации таких измерений.
Важнейший этап в решении задач метрологического обеспечения линейных измерений в нанометровом диапазоне – создание вещественных носителей размера – мер, с программируемым нанорельефом поверхности, которые обеспечивают калибровку средств измерений с наивысшей точностью.
Именно такие трехмерные меры малой длины (рис. 6–8) – эталоны сравнения – материальные носители размера, позволяют осуществлять комплексную калибровку и контроль основных параметров РЭМ и СЗМ. Они предназначены для перевода этих сложных устройств из разряда приборов для визуализации исследуемого объекта в средства измерений. Приборы для измерений линейных размеров объектов исследования обеспечивают привязку измеряемых величин в нанометровой области к первичному эталону единицы длины – метру [4–9].
Конструктивно мера, получившая название МШПС-2.0К (мера ширины и периода, специальная, номинальный размер 2,0 мкм, кремниевая), сформирована на поверхности монокристаллического кремния.
Кремниевый чип с мерой имеет размер 10x10 мм2 и толщину 500 мкм. Мера состоит из пяти одинаковых модулей, расположенных по четырем углам квадрата 1x1 мм2 и в его центре. Общий вид меры, одного из модулей и его шаговой структуры последовательно демонстрируется на рис.7. Модуль (рис.7 – центр) представляет собой три шаговые рельефные структуры на поверхности кремния, состоящие из 11 канавок (рис.7, справа).
Элементы рельефа структуры имеют профиль в форме трапеции (рис. 8) с равными боковыми сторонами, заданным углом их наклона φ=54,74° относительно нижнего основания и определяемым углом между кристаллографическими плоскостями (100) и (111). На нем же приведены взаиморасположение кристаллографических плоскостей в мере, вид профиля шаговой структуры в РЭМ и его изображение в АСМ.
Номинальный размер шага структуры — 2 мкм, а его точное значение (расстояние между эквивалентными стенками конкретной пары элементов рельефа) определяются при аттестации меры на метрологическом комплексе НИЦПВ. Глубина рельефа структуры, ширина линии (выступа/канавки) задаются при изготовлении меры в зависимости от решаемых задач. Длина элементов рельефа шаговой структуры составляет 100 мкм.
В пользу высокого качества меры свидетельствует изображение в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) среза поперечного сечения меры, толщиной порядка 50 нм (рис.9), полученного с помощью остросфокусированного пучка ионов на Multi-beam SEM-FIB-Sistem JIB-4500 («JEOL», Япония). Срез осуществлен перпендикулярно плоскостям (100) и (111). В плоскости ПЭМ-изображения в режиме светлого и темного полей видны атомные плоскости (111), расстояние между которыми d=a/√−3, где a – параметр решетки кремния (d≈0,314 нм).
Аттестация мер производится на АСМ (рис.10), входящем в состав метрологического комплекса (см. рис.4) по обеспечению единства измерений геометрических параметров объектов нанотехнологий и продукции наноиндустрии.
Аттестуются шаг меры и размеры верхних и нижних оснований выступов и канавок (ширина линии), а также высота (глубина) рельефа. При одном и том же шаге структуры возможно изготовление эталонов сравнения с шириной линии в диапазоне 10–1500 нм и высотой рельефа 100–1500 нм. Мера позволяет по одному ее изображению в РЭМ (даже по одному сигналу), что очень важно для контроля технологических процессов, выполнить калибровку микроскопа (рис.11), определить его увеличение, линейность шкал и диаметр электронного зонда [10–15]. Слева вверху приведены характерные параметры эталонной меры, в центральной части – параметры видеосигнала, в правой части – реальное РЭМ-изображение. При необходимости подтвердить правильность измерений можно контролировать параметры РЭМ непосредственно при измерении размеров исследуемого объекта, что дополнительно гарантирует их высокое качество.
Мера позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать на основе РЭМ автоматизированные измерительные комплексы, уже существующие. В частности, в НИЦПВ созданы автоматизированные комплексы для линейных измерений в диапазоне
1 нм–100 мкм на основе РЭМ JSM-6460 LV («JEOL», Япония) и РЭМ сверхвысокого разрешения S-4800 («Hitachi», Япония).
Аналогичным образом по заданным параметрам меры проводятся калибровка и контроль [16–21] таких характеристик АСМ, как цена деления и линейность шкал по трем координатам, ортогональность систем сканирования, радиус острия зонда (кантилевера), настройка параметров, выход микроскопа в рабочий режим (рис.12).
Слева вверху изображены характерные параметры эталонной меры, а ее АСМ-изображение – справа. Системы калибровки и аттестации АСМ успешно внедряются на предприятиях, специализирующихся на создании оборудования для нанотехнологии.
Развитие нанотехнологий ужесточает требования к измерительным системам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями, что требует серьезного отношения к обеспечению единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. РЭМ и СЗМ только тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры соответствующим образом аттестованы, калибруются и контролируются, причем последнее осуществляется непосредственно в процессе измерений. Трехмерные меры или эталоны сравнения – материальные носители размера – своеобразный мост между объектом измерений и эталоном метра – идеальное средство для осуществления таких операций. Непреложно одно: культура измерений требует, чтобы любой РЭМ или СЗМ, независимо от того, где они работают – в научной или промышленной лаборатории, учебном заведении или в технологическом процессе, – должны быть укомплектованы мерами, обеспечивающими калибровку и контроль параметров этих устройств. Только тогда производимые измерения могут претендовать на достоверность.
Использование методов и средств калибровки и аттестации производителями РЭМ и СЗМ позволит им создавать новые приборы с лучшими характеристиками, которые, в свою очередь, обеспечат дальнейшее продвижение на пути развития нанотехнологий.
На рис.9 представлено ПЭМ изображение поперечного среза эталонной меры для РЭМ и АСМ. Напомним, что ее параметры измерены интерферометрически на метрологическом АСМ (длина волны излучения He-Ne лазера – материальный носитель длины) – привязаны к эталону метра. Отсюда возникает возможность использования таких срезов – новых мер, в качестве стандартных образцов для ПЭМ.
В обеспечение нормативно-методической базы нанометрологии разработаны и последовательно вводятся в действие национальные стандарты [22]:
• ГОСТ Р 8.628-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления» [23].
• ГОСТ Р 8.629-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки» [24].
• ГОСТ Р 8.630-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика поверки» [25];
• ГОСТ Р 8.631-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика поверки» [26].
• ГОСТ Р 8.635-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика калибровки» [27].
• ГОСТ Р 8.636-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки» [28].
• ГОСТ Р 8.644-2008 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика калибровки» [29].
• ГОСТ Р 8.696-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах и распределение интенсивностей в дифракционных картинах. Методика выполнения измерений с помощью электронного дифрактометра» [30].
• ГОСТ Р 8.697-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах. Методика выполнения измерений с помощью просвечивающего электронного микроскопа» [31].
• ГОСТ Р 8.698-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Размерные параметры наночастиц и тонких пленок. Методика выполнения измерений с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра» [32].
• ГОСТ Р 8.700-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа» [33].
Разработаны и введены в действие Межгосударственные стандарты (СНГ):
• ГОСТ 8.591-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки» [34].
• ГОСТ 8.592-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления» [35].
• ГОСТ 8.593-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика поверки» [36].
• ГОСТ 8.594-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика поверки» [37].
Организации-разработчики вышеназванных стандартов:
Государственный научный метрологический центр НИЦПВ;
РНЦ «Курчатовский институт»;
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН;
Московский физико-технический институт.
Разработанные стандарты взаимодополняют друг друга, что свидетельствует о системном подходе к этой проблеме. Так, например, при измерении параметров шероховатости в нм-диапазоне с помощью сканирующего АСМ следует указывать радиус острия кантилевера [33], который определяется в соответствии с методикой стандарта [27], опирающейся на меры. Требования к геометрическим размерам, материалу, методам калибровки и поверки изложены в стандартах [23, 24, 29].
Междисциплинарный характер нанотехнологий и различные исследовательские, технологические и измерительные подходы и методы, используемые в различных отраслях различными научными центрами и лабораториями, приводят к некой разобщенности, затрудняющей осуществление успешного обмена технической информацией. Это обстоятельство инициировало выход в свет в издательстве «Техносфера« терминологического словаря «Мир материалов и технологий. Нанотехнологии, метрология, стандартизация и сертификация в терминах и определениях» под редакцией М.В. Ковальчука, П.А. Тодуа [38], призванного улучшить взаимопонимание между специалистами, работающими в различных областях и сферах нанотехнологий, с теми, кто призван осуществлять метрологическое и стандартизационное обеспечение в этой области науки, техники и производства.
Для решения проблемы обеспечения единства измерений в нанотехнологиях необходимо осуществить ряд научно-методических, технических и организационных мероприятий. В первую очередь, это создание новой структурной схемы передачи размера единиц величин от первичных эталонов рабочим средствам измерений. Она исключает многоступенчатость передачи (см. рис.4). В этот комплекс мероприятий входят:
• фундаментальные исследования механизмов взаимодействия зондов измерительных систем с объектом измерения;
• разработка новых алгоритмов измерений и соответствующего им математического обеспечения, учитывающего влияние взаимодействия рабочего средства измерений с измеряемым объектом;
• создание новых мер – материальных носителей размера, обладающих свойствами, аналогичными свойствам вторичного эталона и измеряемого объекта;
• разработка и создание стандартных образцов состава, структуры, размера и свойств;
• создание стандартизованных методик измерений в нанометрии, обеспечивающих прослеживаемость передачи размера единицы величины от эталона рабочим средствам измерений в нм-диапазон без существенной потери точности для аттестации, калибровки и поверки средств измерений.
Достичь эту цель вполне реально, так как фундамент решения проблемы основан на концепции базисного эталона (рис.4), в котором реализована наношкала. Этот эталон – основа для передачи единиц величин в нанометровый диапазон. Дело за немногим – необходима гармонизированная система стандартных образцов состава, структуры, размера и свойств, служащих потребностям нанотехнологий. Все это создает предпосылки и закладывает основы ускоренного развития в России высоких технологий, и особенно главной из них – нанотехнологии.
по вопросам приобретение эталонов сравнения – метрологически аттестованных мер для калибровки РЭМ и АСМ в нм-диапазоне – обращаться:
119421, Россия, Москва, ул. Новаторов, дом 40, корп. 1, НИЦПВ, Тел.: (+7 495) 935-9777, Факс: (+7 495) 935-5911
e-mail: fgupnicpv@mail.ru,
www.nicpv.ru
Литература
1. М.Т.Postek Nanometer — Scale Metrology// Proceedings of SPIE.2002, vol.4608, p.84-96.
2. Тодуа П.А. Метрология в нанотехнологии. – Российские нанотехнологии. 2007, т. 2, № 1–2, с.61–69.
3. Тодуа П.А., Быков В.А., Волк Ч.П., Горнев Е.С., Желкобаев Ж., Зыкин Л.М., Ишанов А.Б., Календин В.В., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И. , A.M. Прохоров, Раков А.В., Саунин С.А., Черняков В.Н. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазоне и их внедрение в микроэлектронику и нанотехнологию. – Микросистемная техника, 2004, № 1, с.38–44; № 2, с.24–39; № 3, с.25–32.
4. Yu.A.Novikov, A.V.Ra-
kov, P.A.Todua. Metrology in linear measurements of nanoobject elements. – Proceedings of SPIE,2006, vol. 6260, p.626013-1-626013-8.
5. Yu.A.Novikov, V.P.Gav-rilenko, Yu.V.Ozerin, A.V.Ra-kov, P.A.Todua. Silicon tect object of linewidth of nanometer range for SEM and AFM. – Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648, p.66480R-1–66480R-11.
6. Yu.A.Novikov, V.P.Gav-rilenko, A.V.Rakov, P.A.Todua. Test objects with right-angled and trapezoidal profiles of the relief elements. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7042, p.704208-1–704208-12.
7. P.A.Todua, V.P.Gavri-lenko, Yu.A. Novikov, A.V. Rakov. Check of the quality of fabrication of test objects with a trapezoidal profile. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7042, p. 704209-1–704209-8.
8. Данилова M.A., Митюхляев В.Б., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Раков А.В., Тодуа П.А. Тест-объект с шириной линии менее 10 нм для растровой электронной микроскопии. - Измерительная техника, 2008, № 8, с. 20–23.
9. Данилова М.А., Митюхляев В.Б., Новиков Ю.А., Озе-
рин Ю.В., Раков А.В., Тодуа П.А. Тест-объект с тремя аттестованными размерами ширины линии для растровой электронной микроскопии. – Измерительная техника, 2008, № 9, с. 49–51.
10. Yu.A.Novikov, A.V.Ra-kov, P.A.Todua. Linear sizes measurements of relief elements with the width less 100 nm on a SEM. – Proceedings of SPIE, 2006, vol. 6260, p. 626015-1-626015-6.
11. V.P.Gavrilenko, M.N.Fi-
lippov, Yu.A.Novikov, A.V.Ra-kov, P.A.Todua. Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using a scanning electron microscopy. – Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648, p. 66480T-1-66480T-12
12. Yu.A.Novikov, S.A.Dar-
znek, M.N.Filippov, V.B.Mi-tyukhlyaev, A.V.Rakov, P.A.To-
dua. Nanorelief elements in reference measures for scanning electron microscopy. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7025, p. 702511-1-702511-10.
13. V.P. Gavrilenko, Yu.A. No-
vikov, A.V.Rakov, P.A.Todua. Measurements of the parameters of the electron beam of a scanning electron microscopy. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7042, p. 70420C-1-70420C-12.
14. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Точность измерения линейных размеров на растровых электронных микроскопах в микро- и нанотехнологиях. – Измерительная техника, 2008, № 6, с. 15–18.
15. Волк Ч.П., Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Калибровка растрового электронного микроскопа по двум координатам с использованием одного аттестованного размера. – Измерительная техника, 2008, № 6, с. 18–20.
16. P.A.Todua, M.N.Filippov, V.P.Gavrilenko, Yu.A.Novikov, A.V.Rakov. Measurement of linear sizes of relief elements in the nanometer range using an atomic force microscopy. – Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648, p. 66480S-1-66480S-12.
17. Yu.A.Novikov, M.N.Fi-lippov, I.D.Lysov, A.V.Rakov, V.A.Sharonov, P.A.Todua. Derect measurement of the linewidth of relief elements of AFM in nanometer range. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7025, p. 702510-1-702510-10.
18. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А.. Геометрия формирования изображения в сканирующей зондовой микроскопии. – Микроэлектроника, 2008, т. 37, №6, с. 448–469.
19. Раков А.В., Новиков Ю.А., Тодуа П.А. Калибровка АСМ по трем координатам с использованием одного аттестованного размера. – Измерительная техника, 2008, № 5, с. 13–15.
20. Раков А.В., Тодуа П.А. Измерение линейности сканирования в атомно-силовом микроскопе. – Измерительная техника, 2008, № 6, с. 12–14.
21. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Прямое измерение ширины линии на атомно-силовом микроскопе. – Измерительная техника, 2008, № 5, с. 10–12.
22. Гавриленко В.П., Лесновский Е.Н., Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А., Филиппов М.Н. Первые российские стандарты в нанотехнологиях. – Известия РАН, сер. физич., 2009, т. 73, № 4, с. 454–462.
23. ГОСТ Р 8.628-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления».
24. ГОСТ Р 8.629-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки».
25. ГОСТ Р 8.630-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика поверки».
26. ГОСТ Р 8.631-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика поверки».
27. ГОСТ Р 8.635-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика калибровки».
28. ГОСТ Р 8.636-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки».
29. ГОСТ Р 8.644-2008 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика калибровки».
30. ГОСТ Р 8.696-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах и распределение интенсивностей в дифракционных картинах. Методика выполнения измерений с помощью электронного дифрактометра».
31. ГОСТ Р 8.697-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах. Методика выполнения измерений с помощью просвечивающего электронного микроскопа».
32. ГОСТ Р 8.698-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений .Размерные параметры наночастиц и тонких пленок. Методика выполнения измерений с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра».
33. ГОСТ Р 8.700-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа».
34. ГОСТ 8.591-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки».
35. ГОСТ 8.592-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления».
36. ГОСТ 8.593-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика поверки».
37. ГОСТ 8.594-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика поверки».
38. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии, метрология, стандартизация и сертификация в терминах и определениях./Под ред. М.В.Ковальчука и П.А.Тодуа. – М.: Техносфера, 2009.
В этой связи метрологии и стандартизации принадлежит особая роль ключевых элементов приборно-аналитической, технологической и интеллектуальной составляющих нанотехнологий и наноиндустрии.
Специфика нанотехнологий привела к необходимости зарождения и быстрого развития уникального направления в метрологии – нанометрологии, с которым связаны теоретические и практические аспекты «правильности» измерений, включая эталоны единиц величин; стандартные образцы состава, структуры, размера, свойств; методы и средства калибровки в нанометровом и субнанометровом диапазонах; реализацию наношкалы и многие другие аспекты обеспечения единства измерений.
В решении этой главной задачи метрологии – обеспечении единства измерений, т.е. достижении такого состояния измерительной инфраструктуры, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах и их погрешности (неопределенности) известны с заданной вероятностью – нанометрология опирается на меры, стандартные образцы состава, структуры, размера, свойств в обеспечение практически каждой единицы оборудования необходимым набором средств, которые воспроизводят нужную шкалу и позволяют осуществлять калибровку средств измерений, в том числе непосредственно в процессе измерений, что позволяет контролировать результаты каждого из них и обеспечивать их прослеживаемость к эталону соответствующей величины (рис.1).
Создание таких стандартных образцов и мер сопровождается разработкой соответствующих методик поверки и калибровки их самих и средств измерений с их применением, а также методик измерений параметров и характеристик объектов и продукции нанотехнологий и наноиндустрии с использованием указанных средств измерений.
Одна из первоочередных задач стандартизации в нанотехнологиях – стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур, подлежащих измерениям. Отсюда закономерное следствие – необходимость аттестованных и стандартизованных методик измерений, калибровки и поверки применяемых в нанотехнологиях средств измерений и многое другое, что определяется потребностями развития инфраструктуры наноиндустрии.
Особый аспект стандартизации – решение задач обеспечения здоровья и безопасности операторов технологических процессов и лиц, взаимодействующих с продукцией нанотехнологий при ее производстве, испытаниях, исследованиях и применении вплоть до утилизации, а также экологической безопасности окружающей среды.
Междисциплинарный характер нанотехнологий инициировал создание в 2005 году в рамках Международной организации по стандартизации (ИСО) Технического комитета ИСО/ТК229 «Нанотехнологии». Годом позже в Международной электротехнической комиссии был образован Технический комитет МЭК/ТК113 «Стандартизация в области нанотехнологий для электрических и электронных изделий и систем».
Российская сторона представлена в этих комитетах национальным Техническим комитетом ТК441 «Нанотехнологии». Следует подчеркнуть, что ИСО/ТК229 и МЭК/ТК113 осуществляют свою деятельность в условиях паритетного партнерства, обмена информацией, проведения совместных заседаний, консультаций, форумов, создания совместных рабочих групп по ключевым вопросам стандартизации.
Первоочередные задачи, сформулированные участниками ИСО и МЭК – заинтересованными в развитии этой области странами – состоят в стандартизации в сфере нанотехнологий в направлениях:
• метрология и методы испытаний и измерений;
• стандартные образцы состава структуры, размера и свойств;
• термины и определения; моделирование процессов;
• медицина и безопасность;
• воздействие на окружающую среду.
Решение этих задач даст мощный импульс развитию нанотехнологий и их практическим применениям и внедрениям в различных отраслях.
Область деятельности ИСО/ТК229 и МЭК/ТК113, как следует из названия, – стандартизация в нанотехнологиях, под которыми в формулировке ИСО/ТК229 подразумевается:
• знание и управление процессами, как правило, в масштабе нанометра (не исключая масштаба менее 100 нм) в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;
• использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, отличающихся от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти новые свойства.
В Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий используются следующие термины:
• нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба;
• наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
• наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям;
• наноиндустрия – вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.
Актуальность указанных работ определила необходимость включения научных направлений, связанных с нанотехнологиями, в утвержденный Президентом РФ Перечень критических технологий.
Рис.2 иллюстрирует роль и место нанодиагностики, нанометрологии, стандартизации и сертификации с приставками нано в технологических и инженерно-производственных процессах. Поясним это на примере. Если создается материал для производства лазера на квантовых точках – здесь работает и нанодиагностика, и нанометрология, и наностандартизация. Конечный продукт – лазер на квантовых точках и измерение его параметров: расходимость, длина когерентности, модовый состав, мощность, спектральная плотность излучения – уже область ординарной диагностики, метрологии и стандартизации (верхняя часть рис.2). Конечно, существует целый ареал – область пересечения той и другой метрологии, и качественно они призваны поддерживать друг друга.
Фундаментальные и проблемно-ориентированные исследования, метрология и стандартизация на наноуровне взаимно подпитывают и обогащают друг друга.
Фундаментальные исследования в нанотехнологиях дают метрологии новые знания и принципы построения эталонов, создания стандартных образцов, требуют новых методов и средств обеспечения единства измерений.
Проблемно-ориентированные исследования в нанотехнологиях открывают новые возможности и новые потребности измерительного базиса. Так, изучение особенностей взаимодействия измерительных нанозондов, пучков заряженных частиц, рентгеновского и оптического излучений с наноструктурированными объектами определили цели, задачи и пути решения проблем нанометрологии и стандартизации, метрологического обеспечения измерений в нанотехнологиях, разработки стандартизованных методик измерений и калибровки стандартных образцов и мер состава, структуры, размера и свойств и средств измерений, а также стандартизованных методик измерений требуемых параметров объектов и продукции наноиндустрии.
Если взглянуть на отрасли наноиндустрии (рис.3), их метрологическое и нормативно-методическое обеспечение в части единства измерений, то наиболее востребованы измерения линейных или геометрических параметров. Это связано с тем, что из самого определения нанотехнологий, оперирующих с объектами нанометровой протяженности, естественным образом следует первоочередная задача измерений геометрических параметров объекта, что, в свою очередь, обуславливает необходимость обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. Этим не исчерпывается роль нанометрологии линейных измерений. В неявном виде она присутствует в подавляющем большинстве методов и средств обеспечения единства измерений физико-химических параметров и свойств (механических, оптических, электрических, магнитных, акустических) объектов нанотехнологий.
Часто необходимо осуществлять прецизионное пространственное позиционирование зонда измерительного устройства в требуемом месте съема информации. При этом диапазон линейного сканирования по каждой координате может простираться от единиц нанометров до сотен микрометров, а требуемая точность выставления координаты составлять десятые доли нанометра.
Почему в нанометрологии столь большое внимание уделяют реализации линейной шкалы в нанометровом и прилегающем диапазонах?
Во-первых, обеспечение единства измерений геометрических параметров нанообъекта – первоочередная задача нанотехнологий.
Во-вторых, измерения многих параметров и свойств объектов нанотехнологий связаны с необходимостью позиционирования зонда измерительного устройства в заданное место с наивысшей точностью [1, 2].
Обеспечение единства измерений физико-химических параметров и свойств объекта требует привязки соответствующего средства измерений к эталону, воспроизводящему единицу величины (например, проводимости – к эталонному сопротивлению), а в нанотехнологиях в большинстве случаев для «точности попадания в цель» еще и обязательной привязки к базисному эталону единицы длины (рис.4).
Уникальность базисного эталона не ограничивается этим дуализмом. Видно, что диапазон измерений длины от единиц нанометров до сотен микрометров перекрывает более пяти порядков значений измеряемой величины при точности измерений в диапазоне в десятые – единицы нанометра.
Из концепции обеспечения прослеживаемости результата каждого измерения геометрических параметров объектов и структур нанотехнологий следует необходимость прослеживаемости к эталону длины – государственному эталону метра.
Линейка объектов нанотехнологий и собственно наноиндустрии чрезвычайно широка и простирается от ультрадисперсных сред до наноструктурированных многослойных материалов и кристаллов. Она включает квантоворазмерные структуры с размерностями локализации: единица – квантовые ямы (сверхтонкие слои), два – квантовые проволоки или нити, три – квантовые точки. Особенности физических эффектов и протекающих процессов, в том числе оптических, люминесцентных, электрических, магнитных, механических и многих других, определяются характерным размером. В одном и том же материале связанные с размером эффекты проявляются по-разному. Например, особенность оптических свойств материала в ультрадисперсном виде может проявляться при одних размерах наночастиц, а теплофизических – при других.
Чтобы представить себе эффект, связанный с размером, достаточно нескольких простых примеров. Представим шарик кремния – основного материала полупроводниковой наноэлектроники, размером D∼5 нм, тогда объем его V∼10-19 см3. Если исходить из плотности кремния n∼1023 см-3, в таком объеме содержатся nV∼104 атомов этого элемента. Исходя из концентрации электрически активной примеси nпр∼1020 см-3, получим, что таких примесных атомов в шарике всего nпрV∼10. Если исходить из концентрации неконтролируемой примеси n*пр∼1014 см-3, в шарике n*прV∼10-5 атомов: в одном шарике содержится один атом такой примеси, а в остальных – 100 тыс. шариков, исключая один, атом неконтролируемой примеси отсутствует. Иными словами, при таком подходе можно получить сверхвысокочистые вещества.
Второй пример хорошо иллюстрируется рис.5. Материал – тот же кремний. Показана зависимость удельной поверхности от диаметра объекта (площадь в см2, деленная на массу в граммах). При размерах объекта порядка единиц сантиметра – удельная поверхность составляет несколько см2/г. При размерах порядка десятка нанометров – это уже сотня м2/г: наблюдается возрастание почти на шесть порядков. Увеличение удельной поверхности влечет за собой усиление поверхностной активности, что хорошо для катализа, однако возникает масса вопросов, связанных с воздействием таких частиц на биологические объекты. Создание ультрадисперсных частиц из широкого спектра материалов с различными размерами важно не только с точки зрения стандартных образцов размера, но и для биологов как объекта исследования его воздействия на живые системы, что особенно критично для медицины, безопасности и окружающей среды.
Большинство методов исследований, широко применяемых в наноиндустрии, – просвечивающая и растровая электронная микроскопии (РЭМ), сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), ионно-полевая микроскопия, фотоэмиссионная и рентгеновская спектрометрии, рентгеновская дифрактометрия требуют калибровки средств измерений по стандартным образцам состава, структуры, свойств с известными размерными (геометрическими) характеристиками. Например, один из известных способов определения размеров ультрадисперсных частиц заключается в изучении рассеяния на них света, зависящего от соотношения размеров частиц, длины волны падающего излучения и поляризации. При определении размеров частиц, как правило, используется лазерное излучение, однако для калибровки такого средства измерений необходим набор ультрадисперсных частиц с дискретным рядом точно заданных размеров.
При доведении широкозонных полупроводниковых соединений группы А2В6 до ультрадисперсного состояния происходит «голубое смещение» полосы люминесценции, по которому можно судить о размерах частиц люминофора. В каждом конкретном случае для калибровки используемого полупроводникового материала необходим набор стандартных образцов из него с целым рядом размеров.
При контроле процессов создания многослойных тонкопленочных структур, в том числе гетероструктур, необходимо использование рентгенодиагностических методов контроля скрытых слоев и для калибровки соответствующих средств измерений – наличие многослойных стандартных образцов состава и структуры.
Фундаментальные исследования, связанные с прямыми измерениями физико-химических параметров материалов нанотехнологии, элементов и устройств нанотехники, требуют понимания закономерностей взаимодействия зонда измерительного средства с объектом измерения. Особую важность приобретают вопросы метрологии и стандартизации таких измерений, метрологического обеспечения, передачи размера единицы величины в характеризующийся специфическими особенностями нанометровый диапазон [3].
Первостепенная задача опережающего развития нанометрологии – реализация наношкалы в нанометровом и прилегающих диапазонах. Именно этой проблеме посвящаются многочисленные конференции и публикации. В решение этой фундаментальной проблемы нельзя не отметить существенный вклад России. Достижение предельных возможностей при измерениях длины в нанометровом диапазоне связано с использованием при сохранении абсолютной привязки к первичному эталону метра высокоразрешающих методов РЭМ и СЗМ в сочетании с лазерной интерферометрией и рентгеновской дифрактометрией.
В России концептуально создана основа метрологического обеспечения измерений длины в диапазоне 1–1000 нм (рис.4). Разработаны:
• методология обеспечения единства измерений в данном диапазоне, включающая принципы электронной и зондовой микроскопий, лазерной интерферометрии и рентгеновской дифрактометрии;
• метрологический комплекс, обеспечивающий воспроизведение и передачу размера единицы длины в диапазоне 1–1000 нм вещественным мерам длины с погрешностью 0,5 нм;
• поколение мер малой длины для калибровки средств измерений в данном диапазоне, в том числе меры нанорельефа поверхности;
• методология и алгоритмы измерения параметров профиля элементов микро- и наноструктур;
• пакет компьютерных программ для автоматизации таких измерений.
Важнейший этап в решении задач метрологического обеспечения линейных измерений в нанометровом диапазоне – создание вещественных носителей размера – мер, с программируемым нанорельефом поверхности, которые обеспечивают калибровку средств измерений с наивысшей точностью.
Именно такие трехмерные меры малой длины (рис. 6–8) – эталоны сравнения – материальные носители размера, позволяют осуществлять комплексную калибровку и контроль основных параметров РЭМ и СЗМ. Они предназначены для перевода этих сложных устройств из разряда приборов для визуализации исследуемого объекта в средства измерений. Приборы для измерений линейных размеров объектов исследования обеспечивают привязку измеряемых величин в нанометровой области к первичному эталону единицы длины – метру [4–9].
Конструктивно мера, получившая название МШПС-2.0К (мера ширины и периода, специальная, номинальный размер 2,0 мкм, кремниевая), сформирована на поверхности монокристаллического кремния.
Кремниевый чип с мерой имеет размер 10x10 мм2 и толщину 500 мкм. Мера состоит из пяти одинаковых модулей, расположенных по четырем углам квадрата 1x1 мм2 и в его центре. Общий вид меры, одного из модулей и его шаговой структуры последовательно демонстрируется на рис.7. Модуль (рис.7 – центр) представляет собой три шаговые рельефные структуры на поверхности кремния, состоящие из 11 канавок (рис.7, справа).
Элементы рельефа структуры имеют профиль в форме трапеции (рис. 8) с равными боковыми сторонами, заданным углом их наклона φ=54,74° относительно нижнего основания и определяемым углом между кристаллографическими плоскостями (100) и (111). На нем же приведены взаиморасположение кристаллографических плоскостей в мере, вид профиля шаговой структуры в РЭМ и его изображение в АСМ.
Номинальный размер шага структуры — 2 мкм, а его точное значение (расстояние между эквивалентными стенками конкретной пары элементов рельефа) определяются при аттестации меры на метрологическом комплексе НИЦПВ. Глубина рельефа структуры, ширина линии (выступа/канавки) задаются при изготовлении меры в зависимости от решаемых задач. Длина элементов рельефа шаговой структуры составляет 100 мкм.
В пользу высокого качества меры свидетельствует изображение в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) среза поперечного сечения меры, толщиной порядка 50 нм (рис.9), полученного с помощью остросфокусированного пучка ионов на Multi-beam SEM-FIB-Sistem JIB-4500 («JEOL», Япония). Срез осуществлен перпендикулярно плоскостям (100) и (111). В плоскости ПЭМ-изображения в режиме светлого и темного полей видны атомные плоскости (111), расстояние между которыми d=a/√−3, где a – параметр решетки кремния (d≈0,314 нм).
Аттестация мер производится на АСМ (рис.10), входящем в состав метрологического комплекса (см. рис.4) по обеспечению единства измерений геометрических параметров объектов нанотехнологий и продукции наноиндустрии.
Аттестуются шаг меры и размеры верхних и нижних оснований выступов и канавок (ширина линии), а также высота (глубина) рельефа. При одном и том же шаге структуры возможно изготовление эталонов сравнения с шириной линии в диапазоне 10–1500 нм и высотой рельефа 100–1500 нм. Мера позволяет по одному ее изображению в РЭМ (даже по одному сигналу), что очень важно для контроля технологических процессов, выполнить калибровку микроскопа (рис.11), определить его увеличение, линейность шкал и диаметр электронного зонда [10–15]. Слева вверху приведены характерные параметры эталонной меры, в центральной части – параметры видеосигнала, в правой части – реальное РЭМ-изображение. При необходимости подтвердить правильность измерений можно контролировать параметры РЭМ непосредственно при измерении размеров исследуемого объекта, что дополнительно гарантирует их высокое качество.
Мера позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать на основе РЭМ автоматизированные измерительные комплексы, уже существующие. В частности, в НИЦПВ созданы автоматизированные комплексы для линейных измерений в диапазоне
1 нм–100 мкм на основе РЭМ JSM-6460 LV («JEOL», Япония) и РЭМ сверхвысокого разрешения S-4800 («Hitachi», Япония).
Аналогичным образом по заданным параметрам меры проводятся калибровка и контроль [16–21] таких характеристик АСМ, как цена деления и линейность шкал по трем координатам, ортогональность систем сканирования, радиус острия зонда (кантилевера), настройка параметров, выход микроскопа в рабочий режим (рис.12).
Слева вверху изображены характерные параметры эталонной меры, а ее АСМ-изображение – справа. Системы калибровки и аттестации АСМ успешно внедряются на предприятиях, специализирующихся на создании оборудования для нанотехнологии.
Развитие нанотехнологий ужесточает требования к измерительным системам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями, что требует серьезного отношения к обеспечению единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. РЭМ и СЗМ только тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры соответствующим образом аттестованы, калибруются и контролируются, причем последнее осуществляется непосредственно в процессе измерений. Трехмерные меры или эталоны сравнения – материальные носители размера – своеобразный мост между объектом измерений и эталоном метра – идеальное средство для осуществления таких операций. Непреложно одно: культура измерений требует, чтобы любой РЭМ или СЗМ, независимо от того, где они работают – в научной или промышленной лаборатории, учебном заведении или в технологическом процессе, – должны быть укомплектованы мерами, обеспечивающими калибровку и контроль параметров этих устройств. Только тогда производимые измерения могут претендовать на достоверность.
Использование методов и средств калибровки и аттестации производителями РЭМ и СЗМ позволит им создавать новые приборы с лучшими характеристиками, которые, в свою очередь, обеспечат дальнейшее продвижение на пути развития нанотехнологий.
На рис.9 представлено ПЭМ изображение поперечного среза эталонной меры для РЭМ и АСМ. Напомним, что ее параметры измерены интерферометрически на метрологическом АСМ (длина волны излучения He-Ne лазера – материальный носитель длины) – привязаны к эталону метра. Отсюда возникает возможность использования таких срезов – новых мер, в качестве стандартных образцов для ПЭМ.
В обеспечение нормативно-методической базы нанометрологии разработаны и последовательно вводятся в действие национальные стандарты [22]:
• ГОСТ Р 8.628-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления» [23].
• ГОСТ Р 8.629-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки» [24].
• ГОСТ Р 8.630-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика поверки» [25];
• ГОСТ Р 8.631-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика поверки» [26].
• ГОСТ Р 8.635-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика калибровки» [27].
• ГОСТ Р 8.636-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки» [28].
• ГОСТ Р 8.644-2008 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика калибровки» [29].
• ГОСТ Р 8.696-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах и распределение интенсивностей в дифракционных картинах. Методика выполнения измерений с помощью электронного дифрактометра» [30].
• ГОСТ Р 8.697-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах. Методика выполнения измерений с помощью просвечивающего электронного микроскопа» [31].
• ГОСТ Р 8.698-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Размерные параметры наночастиц и тонких пленок. Методика выполнения измерений с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра» [32].
• ГОСТ Р 8.700-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа» [33].
Разработаны и введены в действие Межгосударственные стандарты (СНГ):
• ГОСТ 8.591-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки» [34].
• ГОСТ 8.592-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления» [35].
• ГОСТ 8.593-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика поверки» [36].
• ГОСТ 8.594-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика поверки» [37].
Организации-разработчики вышеназванных стандартов:
Государственный научный метрологический центр НИЦПВ;
РНЦ «Курчатовский институт»;
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН;
Московский физико-технический институт.
Разработанные стандарты взаимодополняют друг друга, что свидетельствует о системном подходе к этой проблеме. Так, например, при измерении параметров шероховатости в нм-диапазоне с помощью сканирующего АСМ следует указывать радиус острия кантилевера [33], который определяется в соответствии с методикой стандарта [27], опирающейся на меры. Требования к геометрическим размерам, материалу, методам калибровки и поверки изложены в стандартах [23, 24, 29].
Междисциплинарный характер нанотехнологий и различные исследовательские, технологические и измерительные подходы и методы, используемые в различных отраслях различными научными центрами и лабораториями, приводят к некой разобщенности, затрудняющей осуществление успешного обмена технической информацией. Это обстоятельство инициировало выход в свет в издательстве «Техносфера« терминологического словаря «Мир материалов и технологий. Нанотехнологии, метрология, стандартизация и сертификация в терминах и определениях» под редакцией М.В. Ковальчука, П.А. Тодуа [38], призванного улучшить взаимопонимание между специалистами, работающими в различных областях и сферах нанотехнологий, с теми, кто призван осуществлять метрологическое и стандартизационное обеспечение в этой области науки, техники и производства.
Для решения проблемы обеспечения единства измерений в нанотехнологиях необходимо осуществить ряд научно-методических, технических и организационных мероприятий. В первую очередь, это создание новой структурной схемы передачи размера единиц величин от первичных эталонов рабочим средствам измерений. Она исключает многоступенчатость передачи (см. рис.4). В этот комплекс мероприятий входят:
• фундаментальные исследования механизмов взаимодействия зондов измерительных систем с объектом измерения;
• разработка новых алгоритмов измерений и соответствующего им математического обеспечения, учитывающего влияние взаимодействия рабочего средства измерений с измеряемым объектом;
• создание новых мер – материальных носителей размера, обладающих свойствами, аналогичными свойствам вторичного эталона и измеряемого объекта;
• разработка и создание стандартных образцов состава, структуры, размера и свойств;
• создание стандартизованных методик измерений в нанометрии, обеспечивающих прослеживаемость передачи размера единицы величины от эталона рабочим средствам измерений в нм-диапазон без существенной потери точности для аттестации, калибровки и поверки средств измерений.
Достичь эту цель вполне реально, так как фундамент решения проблемы основан на концепции базисного эталона (рис.4), в котором реализована наношкала. Этот эталон – основа для передачи единиц величин в нанометровый диапазон. Дело за немногим – необходима гармонизированная система стандартных образцов состава, структуры, размера и свойств, служащих потребностям нанотехнологий. Все это создает предпосылки и закладывает основы ускоренного развития в России высоких технологий, и особенно главной из них – нанотехнологии.
по вопросам приобретение эталонов сравнения – метрологически аттестованных мер для калибровки РЭМ и АСМ в нм-диапазоне – обращаться:
119421, Россия, Москва, ул. Новаторов, дом 40, корп. 1, НИЦПВ, Тел.: (+7 495) 935-9777, Факс: (+7 495) 935-5911
e-mail: fgupnicpv@mail.ru,
www.nicpv.ru
Литература
1. М.Т.Postek Nanometer — Scale Metrology// Proceedings of SPIE.2002, vol.4608, p.84-96.
2. Тодуа П.А. Метрология в нанотехнологии. – Российские нанотехнологии. 2007, т. 2, № 1–2, с.61–69.
3. Тодуа П.А., Быков В.А., Волк Ч.П., Горнев Е.С., Желкобаев Ж., Зыкин Л.М., Ишанов А.Б., Календин В.В., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И. , A.M. Прохоров, Раков А.В., Саунин С.А., Черняков В.Н. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазоне и их внедрение в микроэлектронику и нанотехнологию. – Микросистемная техника, 2004, № 1, с.38–44; № 2, с.24–39; № 3, с.25–32.
4. Yu.A.Novikov, A.V.Ra-
kov, P.A.Todua. Metrology in linear measurements of nanoobject elements. – Proceedings of SPIE,2006, vol. 6260, p.626013-1-626013-8.
5. Yu.A.Novikov, V.P.Gav-rilenko, Yu.V.Ozerin, A.V.Ra-kov, P.A.Todua. Silicon tect object of linewidth of nanometer range for SEM and AFM. – Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648, p.66480R-1–66480R-11.
6. Yu.A.Novikov, V.P.Gav-rilenko, A.V.Rakov, P.A.Todua. Test objects with right-angled and trapezoidal profiles of the relief elements. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7042, p.704208-1–704208-12.
7. P.A.Todua, V.P.Gavri-lenko, Yu.A. Novikov, A.V. Rakov. Check of the quality of fabrication of test objects with a trapezoidal profile. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7042, p. 704209-1–704209-8.
8. Данилова M.A., Митюхляев В.Б., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Раков А.В., Тодуа П.А. Тест-объект с шириной линии менее 10 нм для растровой электронной микроскопии. - Измерительная техника, 2008, № 8, с. 20–23.
9. Данилова М.А., Митюхляев В.Б., Новиков Ю.А., Озе-
рин Ю.В., Раков А.В., Тодуа П.А. Тест-объект с тремя аттестованными размерами ширины линии для растровой электронной микроскопии. – Измерительная техника, 2008, № 9, с. 49–51.
10. Yu.A.Novikov, A.V.Ra-kov, P.A.Todua. Linear sizes measurements of relief elements with the width less 100 nm on a SEM. – Proceedings of SPIE, 2006, vol. 6260, p. 626015-1-626015-6.
11. V.P.Gavrilenko, M.N.Fi-
lippov, Yu.A.Novikov, A.V.Ra-kov, P.A.Todua. Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using a scanning electron microscopy. – Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648, p. 66480T-1-66480T-12
12. Yu.A.Novikov, S.A.Dar-
znek, M.N.Filippov, V.B.Mi-tyukhlyaev, A.V.Rakov, P.A.To-
dua. Nanorelief elements in reference measures for scanning electron microscopy. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7025, p. 702511-1-702511-10.
13. V.P. Gavrilenko, Yu.A. No-
vikov, A.V.Rakov, P.A.Todua. Measurements of the parameters of the electron beam of a scanning electron microscopy. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7042, p. 70420C-1-70420C-12.
14. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Точность измерения линейных размеров на растровых электронных микроскопах в микро- и нанотехнологиях. – Измерительная техника, 2008, № 6, с. 15–18.
15. Волк Ч.П., Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Калибровка растрового электронного микроскопа по двум координатам с использованием одного аттестованного размера. – Измерительная техника, 2008, № 6, с. 18–20.
16. P.A.Todua, M.N.Filippov, V.P.Gavrilenko, Yu.A.Novikov, A.V.Rakov. Measurement of linear sizes of relief elements in the nanometer range using an atomic force microscopy. – Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648, p. 66480S-1-66480S-12.
17. Yu.A.Novikov, M.N.Fi-lippov, I.D.Lysov, A.V.Rakov, V.A.Sharonov, P.A.Todua. Derect measurement of the linewidth of relief elements of AFM in nanometer range. – Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7025, p. 702510-1-702510-10.
18. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А.. Геометрия формирования изображения в сканирующей зондовой микроскопии. – Микроэлектроника, 2008, т. 37, №6, с. 448–469.
19. Раков А.В., Новиков Ю.А., Тодуа П.А. Калибровка АСМ по трем координатам с использованием одного аттестованного размера. – Измерительная техника, 2008, № 5, с. 13–15.
20. Раков А.В., Тодуа П.А. Измерение линейности сканирования в атомно-силовом микроскопе. – Измерительная техника, 2008, № 6, с. 12–14.
21. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Прямое измерение ширины линии на атомно-силовом микроскопе. – Измерительная техника, 2008, № 5, с. 10–12.
22. Гавриленко В.П., Лесновский Е.Н., Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А., Филиппов М.Н. Первые российские стандарты в нанотехнологиях. – Известия РАН, сер. физич., 2009, т. 73, № 4, с. 454–462.
23. ГОСТ Р 8.628-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления».
24. ГОСТ Р 8.629-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки».
25. ГОСТ Р 8.630-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика поверки».
26. ГОСТ Р 8.631-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика поверки».
27. ГОСТ Р 8.635-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика калибровки».
28. ГОСТ Р 8.636-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки».
29. ГОСТ Р 8.644-2008 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика калибровки».
30. ГОСТ Р 8.696-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах и распределение интенсивностей в дифракционных картинах. Методика выполнения измерений с помощью электронного дифрактометра».
31. ГОСТ Р 8.697-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах. Методика выполнения измерений с помощью просвечивающего электронного микроскопа».
32. ГОСТ Р 8.698-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений .Размерные параметры наночастиц и тонких пленок. Методика выполнения измерений с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра».
33. ГОСТ Р 8.700-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа».
34. ГОСТ 8.591-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки».
35. ГОСТ 8.592-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления».
36. ГОСТ 8.593-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика поверки».
37. ГОСТ 8.594-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика поверки».
38. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии, метрология, стандартизация и сертификация в терминах и определениях./Под ред. М.В.Ковальчука и П.А.Тодуа. – М.: Техносфера, 2009.
Отзывы читателей
