eng
Выпуск #5/2013
П.Тодуа, В.Гавриленко
Нанометрология – основа устойчивого развития нанотехнологий
Нанометрология – основа устойчивого развития нанотехнологий
Просмотры: 5339
Одна из ключевых задач нанометрологии – обеспечение единства измерений в нано - и субнанометровом диапазонах. Важнейшими параметрами, характеризующими наночастицы, наноструктуры, нанопокрытия являются размерные. В статье представлены новые типы кремниевых тест-объектов, обеспечивающих прослеживаемость методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии размерных измерений к единице длины в системе СИ.
Теги: calibration measuring instrument nanometrology optical & x-ray interferometry spectroscopic ellipsometry standard material test object uniformity & traceability of measurements verification единство и прослеживаемость измерений калибровка нанометрология оптическая и рентгеновская интерферометрия поверка спектроскопическая эллипсометрия стандартный образец тестовый объект
Создание стандартных образцов и мер сопровождается разработкой методик поверки и калибровки их самих; методик поверки и калибровки средств измерений с использованием таких образцов и мер; методик измерений параметров и характеристик объектов и продукции нанотехнологий с помощью средств измерений, прошедших калибровку. Современные средства и методики измерений для определения характеристик наноструктур и наноматериалов работают на пределе возможностей, поэтому уже скоро возникнет острая необходимость в разработке принципиально новых таких средств и методик. Другой важный аспект нанометрологии заключается в том, что правильное определение свойств объектов и материалов в нанометровом диапазоне – основа для исследования влияния, оказываемого нанотехнологиями на здоровье и безопасность человека и на окружающую среду.
При производстве продукции наноиндустрии наряду с метрологией важную роль играет стандартизация. Действие стандартов распространяется на средства и методики измерений, стандартные образцы, методики калибровки средств измерений, характеризацию технологических процессов (включая параметры окружающей среды). Стандартами также регламентируются требования к безопасности, охране здоровья и окружающей среды при производстве нанотехнологической продукции.
Нанометрология включает обеспечение единства измерений различных параметров нанообъектов и наноматериалов, причем геометрический размер является важнейшим из них. Это связано с тем, что в нанометровом диапазоне свойства объектов в значительной степени определяются их размерами, и измерение параметров и характеристик наноструктур и наноматериалов требует позиционирования зонда средства измерений с нанометровой точностью.
Результаты измерений размеров в нанометровом диапазоне должны быть прослеживаемы к единице длины в системе СИ – метру. В настоящее время наиболее широкое распространение для практической реализации метра с помощью интерферометрического метода получило излучение гелий-неонового лазера, стабилизированного по спектральной линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде 127I2 с длиной волны λ = 632,99139822 нм с относительной стандартной неопределенностью 2,5×10-11 [1].
Принципы оптической интерферометрии лежат в основе лазерных измерителей наноперемещений. Такие устройства играют двоякую роль. Они используются для прямого измерения малых линейных перемещений объектов [2] и в метрологических системах, основанных, например, на атомно-силовом микроскопе (АСМ), чтобы измерять перемещение зонда микроскопа по трем взаимно ортогональным направлениям. Такие системы обеспечивают калибровку тестовых объектов (мер), которые в свою очередь предназначены для калибровки АСМ и растровых электронных микроскопов (РЭМ).
Тестовые объекты для калибровки электронных и атомно-силовых микроскопов
Наиболее важный этап при метрологическом обеспечении линейных измерений в нанометровом диапазоне – создание тестовых объектов с программируемым нанорельефом поверхности, служащих для калибровки средств измерений с наивысшей точностью. Основные средства измерения размеров в нанометровом и прилегающих к нему диапазонах – РЭМ, АСМ и просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ). Для калибровки указанных средств измерений разработаны тест-объекты серий КРН-РЭМ, КРН-АСМ и КРН-ПЭМ, где КРН – кристаллическая рельефная наноструктура.
Конструктивно КРН-РЭМ и КРН-АСМ сформированы на поверхности (100) монокристаллического кремния с размером кремниевого чипа 10×10 мм2. Эти тест-объекты состоят из ряда модулей, каждый из которых включает набор рельефных шаговых структур, полученных с помощью анизотропного травления. Элементы рельефа таких структур имеют профиль в форме трапеции с равными боковыми сторонами. Верхние и нижние основания выступов совпадают с кристаллографическими плоскостями кремния (100), а боковые стенки выступов с кристаллографическими плоскостями (111) (рис.2). Боковые стенки расположены под углом 54,74° по отношению к основанию выступа, который определяется углом между кристаллографическими плоскостями кремния (100) и (111).
На рис.3, 4 показан типичный вид модулей тест-объектов КРН-РЭМ и КРН-АСМ, включая их дизайн и РЭМ-изображения. Каждый модуль имеет набор рельефных шаговых структур, ориентированных в двух взаимно ортогональных направлениях.
Наряду с шаговыми структурами, содержащими выступы и канавки, каждый модуль тест-объекта КРН-РЭМ содержит в центральной части массивы регулярно расположенных одиночных углублений, представляющих собой 2D-решетки. На рис.5, 6 показаны отдельные участки модулей тест-объектов КРН-РЭМ и КРН-АСМ. Номинальный размер шага рельефной структуры этих объектов находится в диапазоне от 0,4 до 3 мкм. При производстве тест-объекта КРН-РЭМ/АСМ высота выступов и ширина линии (верхнего или нижнего основания) зависят от поставленной задачи. Аттестуемыми параметрами для тест-объекта являются шаг структуры, размеры верхнего и нижнего оснований выступов и канавок (ширина линии), среднее расстояние между углублениями, формирующими 2D-решетку, высота (глубина) рельефа. Изготовление тест-объектов КРН-РЭМ/АСМ возможно с шириной линии от 10 до 1500 нм и высотой рельефа от 50 до 1500 нм.
Используя изображение тест-объекта КРН-РЭМ в РЭМ, можно определить основные параметры РЭМ, включая увеличение вдоль осей X и Y, отклонение от ортогональности осей сканирования, эффективный радиус электронного зонда, линейность сканирования в плоскости (X, Y). При необходимости подтверждения правильности измерений размеров объектов параметры РЭМ можно контролировать непосредственно в процессе измерений. Таким образом, тест-объект КРН-РЭМ позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать автоматизированные измерительные комплексы.
Аналогично, с помощью тест-объекта КРН-АСМ можно проводить контроль масштабных коэффициентов видеоизображения АСМ по осям X, Y и Z, отклонения от ортогональности осей сканирования, линейность шкал по трем координатам, эффективного радиуса острия зонда. По этой причине системы калибровки и аттестации АСМ успешно внедряются на предприятиях, специализирующихся на создании оборудования для нанотехнологий.
Тест-объект КРН-ПЭМ представляет собой поперечный срез (слайс) рельефной шаговой кремниевой структуры. Он изготавливается вырезанием из структуры КРН-РЭМ с помощью сфокусированного ионного пучка перпендикулярно канавкам шаговой рельефной структуры. Поверхность слайса совпадает с кристаллографической плоскостью (110) кремния. Толщина слайса от 20 до 50 нм. На рис.7 показано изображение слайса (верхняя часть одного из выступов тест-объекта КРН-ПЭМ), полученное в режиме прямого разрешения кристаллической структуры. Видны кристаллографические плоскости кремния (111).
На рис.8 показано изображение нескольких трапецеидальных выступов тест-объекта КРН-ПЭМ. Кристаллографические плоскости кремния (111) соответствуют рядам атомов кремния, расположенных параллельно боковым стенкам трапецеидальных выступов, являющихся гладкими с точностью до единичного атомарного слоя. Для кремния номинальное значение параметра решетки a = 0,543102064 нм [3]. Его нетрудно получить из расстояния d220 между соседними кристаллографическими плоскостями кремния (220), которое измеряется с помощью совмещенного рентгеновского/оптического интерферометра [4], при использовании формулы: a = 81/2d220. Таким образом, через оптическую интерферометрию обеспечивается прослеживаемость расстояния d220 в кремнии к единице длины в системе СИ – метру. Используя параметр решетки a, нетрудно определить расстояние между соседними кристаллографическими плоскостями (111): d111 = 0,313560122 нм. Внешние линейные размеры слайса аттестуются с помощью оптической интерферометрии, поэтому они также прослеживаемы к эталону метра.
Тест-объект КРН-ПЭМ можно использовать для калибровки ПЭМ как в случае больших увеличений (больше 250o000), так и в случае средних увеличений (в диапазоне увеличений меньше или порядка 250o000). При больших увеличениях калибровка осуществляется с использованием межплоскостного расстояния в кремнии d111 = 0,313560122 нм, в то время как при средних увеличениях калибровку можно выполнить, используя данные об аттестованных размерах рельефных элементов тест-объекта КРН-РЭМ, из которого вырезается слайс (см. рис.8).
ПЭМ-изображения слайсов кремниевых структур можно использовать не только для калибровки ПЭМ, но и для определения толщины пленки естественного оксида кремния, которая формируется на поверхности монокристаллического кремния. Рис.9 показывает ПЭМ-изображение верхней части слайса трапецеидального выступа рельефной кремниевой структуры. Чтобы получить оптимальный контраст изображения пленки естественного оксида на поверхности кремния, на структуру напылялcя слой ниобия. Далее из кремниевой структуры вырезался тонкий слайс с помощью сфокусированного ионного пучка. Наличие слоя ниобия на поверхности позволяет четко визуализировать границы пленки оксида, включая внешнюю и внутреннюю (примыкающую к поверхности монокристаллического кремния). Светлые участки, прилегающие к поверхности выступа, представляют собой ПЭМ-изображение слоя оксида кремния. Если использовать для калибровки РЭМ величину шага рельефной структуры на кремнии, измеренную между эквивалентными точками, естественный оксид кремния не будет вносить значимой погрешности, поскольку его толщина на боковых стенках постоянна и составляет 2–3 нм.
Другой метод определения толщины пленок и покрытий, в частности, пленки оксида кремния на кремниевой подложке, основан на спектроскопической эллипсометрии. Рассмотренные тестовые объекты можно использовать для определения временнόй стабильности калибровки РЭМ, АСМ и ПЭМ. Так, на рис.10 показано определение среднесрочной (5 дней) стабильности хранения и воспроизводимости масштабного коэффициента (нм/пиксель) для РЭМ Hitachi S-4800 (холодный эмиссионный катод) [5]. Коэффициент определяется при калибровке РЭМ. Он является величиной, обратной увеличению РЭМ (пиксель выражен в единицах длины). Ускоряющее напряжение РЭМ составляло V = 25 кВ. Нетрудно видеть, во-первых, что указанная среднесрочная стабильность составляет 3±0,6% для использованного микроскопа. Во-вторых, для этого РЭМ зависимость масштабного коэффициента от рабочего расстояния может приводить к разбросу результатов измерений в 6,5±0,6% (рабочее расстояние – расстояние между поверхностью образца и краем объективной линзы микроскопа). Аналогичные результаты получены и для других РЭМ: Jeol JSM-7001 F (термоавтоэмиссионный катод) и FEI Quanta 200 (термоэмиссионный катод). Для них среднесрочная стабильность составила 2±0,6% (Jeol) и 5±0,6% (FEI), а зависимость масштабного коэффициента от рабочего расстояния показала разброс результатов измерений в 8±0,6% (Jeol) и 6,5±0,6% (FEI). Таким образом, для достижения большей точности измерений необходимо прямое сравнение размеров измеряемого объекта с размерами тестового объекта. Как размеры измеряемого объекта, так и размеры тестового объекта должны определяться при одних и тех же параметрах микроскопа в ходе единого эксперимента. Обеспечение высокой точности измерений размеров нанообъектов требует проведения исследований временнόй стабильности метрологических характеристик используемого микроскопа, что достигается с помощью рассмотренных выше тестовых объектов.
Спектроскопическая эллипсометрия
Спектроскопическая эллипсометрия (т.е. эллипсометрия, выполняемая при различных длинах волн падающего излучения) – высокочувствительный поляризационно-оптический метод исследования поверхности и интерфейсов между различными средами. Пусть свет с амплитудой электрического вектора E(0) падает на образец (рис.11).
В эллипсометрии важную роль играет параметр ρ, представляющий собой отношение коэффициентов отражения света (Rp и Rs ) от поверхности образца для двух ортогональных поляризаций:
ρ ≡ Rp / Rp = tan Ψ ei∆, (1)
где tan Ψ = |Rp/Rs| и δ – модуль и аргумент величины ρ. В формуле (1) коэффициенты отражения света Rp и Rs с двумя поляризациями (p и s) представляются в виде:
Rp = Ep (1) / Ep (0), Rs = Es (1) / Es (0), (2)
причем индексы 0 и 1 относятся к падающему на поверхность и отраженному от нее излучению. Направление компонент вектора электрического поля E(n) в формулах (2) определятся нижним индексом (ρ или s). При этом ρ – компонента вектора E(n), лежащая в плоскости падения излучения, а s – его компонента, перпендикулярная плоскости падения излучения (n или 1).
Коэффициенты отражения Rp и Rs зависят от оптических констант отражающих систем, толщин пленок (слоев), угла падения и длины волны λ падающего излучения. В методе спектроскопической эллипсометрии эксперименты проводятся при различных длинах волн λ. При этом измеряются параметры Ψ и δ, на основе которых рассчитываются толщины пленок (слоев), а также оптические константы материалов (коэффициенты преломления и поглощения).
Рис.12, 13 демонстрируют применение метода эллипсометрии для определения толщины пленки оксида кремния SiO2, сформированной на подложке из монокристаллического кремния. Рис.12 показывает зависимость эллипсометрических параметров Ψ и δ от энергии падающих фотонов при фиксированном угле падения излучения θ = 70° на пленку SiO2, а рис.13 – зависимость эллипсометрических параметров Ψ и δ от угла падения излучения, имеющего фиксированную длину волны 500 нм. Точки показывают экспериментальные значения параметров Ψ и δ, а кривые – результаты теоретических расчетов при различных значениях толщины пленки SiO2 в диапазоне от 58 до 78 нм. Сравнение экспериментальных данных с теоретически рассчитанными показывает, что в условиях эксперимента толщина пленки SiO2 была близка к d = 68,5 нм.
Стандартизация в нанотехнологиях
В нанотехнологиях приоритетные направления стандартизации – метрология и методы измерений и испытаний; стандартные образцы размера, состава, структуры и свойств; термины и определения; характеризация процессов; здоровье и безопасность людей и охрана окружающей среды. Международные стандарты в этой области разрабатываются рядом ТК ИСО и МЭК. В ИСО следует отметить ТК 229 "Нанотехнологии"; ТК 24 "Характеризация частиц, включая просеивание"; ТК 201 "Химический анализ поверхности", который включает все основные виды зондовой диагностики (за исключением электронной микроскопии) и основные виды диагностики, основанной на использовании электромагнитного излучения различных спектральных диапазонов; ТК 202 "Микропучковый анализ", основное направление которого – электронная микроскопия. В МЭК в первую очередь надо отметить ТК 113 "Стандартизация нанотехнологий в области электротехнических и электронных изделий и систем". Этот ТК тесно сотрудничает с ИСО ТК 229, формируя, в частности, объединенные рабочие группы для разработки стандартов.
В РФ работа по стандартизации в области нанотехнологий активно ведется в национальных ТК: ТК 441 "Нанотехнологии" (на базе РОСНАНО) и ТК 107 "Зондовая и пучковая диагностика" (на базе НИЦПВ). Эти национальные ТК представляют Россию в ИСО ТК 229, ТК 24, ТК 201, ТК 202, а также в МЭК ТК 113.
Разработаны и введены в действие национальные стандарты, устанавливающие:
• требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления рельефных мер нанометрового диапазона из монокристаллического кремния (ГОСТ
Р 8.628-2007);
• методики калибровки и поверки рельефных мер нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов (ГОСТ Р 8.629-2007 и ГОСТ Р 8.644-2008);
• методики калибровки и поверки АСМ и РЭМ (ГОСТ Р 8.630-2007, ГОСТ Р 8.631-2007, ГОСТ Р 8.635-2007, ГОСТ Р 8.636-2007);
• методику измерений межплоскостных расстояний в кристаллах и распределения интенсивностей в дифракционных картинах с помощью электронного дифрактометра (ГОСТ Р 8.696-2010);
• методику измерений межплоскостных расстояний в кристаллах с помощью ПЭМ (ГОСТ Р 8.697-2010);
• методику измерений размерных параметров наночастиц и тонких пленок с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра (ГОСТ
Р 8.698-2010).
Разработчики вышеуказанных стандартов – НИЦПВ, МФТИ, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" и Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН.
Большинство тестовых объектов нанометрового диапазона для калибровки и поверки электронных микроскопов и сканирующих зондовых микроскопов представляют собой одномерные (1D) или двумерные (2D) решетки, сформированные на поверхности твердого тела. В 2012 году совместным решением МЭК ТК 113 и ИСО ТК 229 был принят стандарт IEC/TS 62622 (статус Technical Specification), посвященный искусственно создаваемым 1D- и 2D-решеткам для нанотехнологий. Такие решетки играют важную роль не только при калибровке/поверке микроскопов высокого разрешения, но и в производстве интегральных микросхем с применением литографии. IEC/TS 62622 включает в себя, во-первых, термины и определения для 1D- и 2D-решеток, во-вторых, описание параметров, характеризующих качество таких решеток, и, в-третьих, обзор основных методов калибровки и характеризации их качества. Документ использует ряд важных положений, содержащихся в вышеуказанных отечественных стандартах.
В целом в настоящее время достигнут достаточно высокий уровень развития нанометрологии в области измерений объектов нанотехнологий: созданы методы реализации прослеживаемости измерений к эталону метра; лазерные измерители наноперемещений, основанные на принципах оптической интерферометрии; методики калибровки РЭМ, АСМ и ПЭМ; тестовые объекты для калибровки указанных микроскопов; разработаны принципы и методики определения характеристик тонких пленок и покрытий. В рамках ИСО и МЭК, а также национальными ТК разработано значительное количество метрологических стандартов для нанотехнологий. В то же время необходимо подчеркнуть, что развитие этих технологий требует постоянного адекватного, а во многих случаях и опережающего развития нанометрологии, включая разработку новых средств измерений, методик измерений и калибровки, метрологических стандартов. Важно отметить, что некоторые из рассмотренных в материале вопросов обсуждались ранее [5–18].
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России".
Литература
Quinn T.J. International Report: Practical realization of the definition of the metre (1997). – Metrologia, 1999, v.36, р.211–244.
Желкобаев Ж., Календин В.В., Тодуа П.А. Лазерная метрология акустических наносмещений. – Фотоника, 2009, №5, с.14–17.
Mohr P.J., Taylor B.N., Newell D.B. // CODATA recommended values of the fundamental constants: Rev. Mod. Phys., 2008, v.80, р.633–730.
Massa E., Mana G., Kuetgens U., Ferroglio L. Measurement of the lattice parameters of a silicon crystal. – New Journal of Physics, 2009, v.11, р.053013-1–053013-12.
Заблоцкий А.В., Альзоба В.В., Морозов С.А. Стабильность калибровки растровых электронных микроскопов. – Метрология, 2013 (в печати).
Novikov Yu.A., Ozerin Yu.V., Rakov A.V., Todua P.A. Method for linear measurements in the nanometer range. – Measurement Science and Technology, 2007, v.18, р.367–374.
Gavrilenko V., Filippov M., Novikov Yu., Rakov A., Todua P. Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using a scanning electron microscope. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing"/ Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2007, v.6648, р.66480T-1–12.
Todua P., Filippov M., Gavrilenko V., Novikov Yu., Rakov A. Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using an atomic force microscope. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing"/ Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2007, v.6648, р.66480S-1–12.
Todua P.A., Gavrilenko V.P., Novikov Yu.A., Rakov A.V. Check of the quality of fabrication of test objects with a trapezoidal profile. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing II" / Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2008, v.7042,
р.704209-1–8.
Gavrilenko V.P., Mityukhlyaev V.B., Novikov Yu.A., Ozerin Yu.V., Rakov A.V., Todua P.A. // Test object of the linewidth with a trapezoidal profile and three certified sizes for an SEM and AFM. – Measurement Science and Technology, 2009, v.20, р.084022-1–7.
Gavrilenko V.P., Kalnov V.A., Novikov Yu.A., Orlikovsky A.A., Rakov A.V., Todua P.A., Valiev K.A., Zhikharev E.N. Measurement of dimensions of resist mask elements below 100 nm with help of a scanning electron microscope. In the book "Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXIII" / John A. Allgair and Christopher J. Raymond. – Proc. SPIE., 2009, v.7272, р.727227-1–9.
Gavrilenko V.P., Filippov M.N., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Todua P.A. Russian standards for dimensional measurements for nanotechnologies. In the book "Scanning Microscopy 2009". / Michael T.Postek, Dale E. Newbury, S.Frank Platek, David C. Joy – Proc. SPIE., 2009, v.7378, р.737812-1–8.
Gavrilenko V.P., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Todua P.A. Nanoscale dimensional metrology in Russia. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing III". / Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2009, v.7405, р.740504-1–8.
Gavrilenko V.P., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Todua P.A. Accuracy of ellipsometric measurements of Si-SiO2 structures. In the book "Optical Micro– and Nanometrology III". / Christophe Gorecki, Anand K. Asundi, Wolfgang Osten. – Proc. SPIE., 2010, v.7718, р.77181B-1–12.
Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Kovalchuk M.V., Mityukhlyaev V.B., Ozerin Yu.V., Rakov A.V., Todua P.A., Roddatis V.V., Vasiliev A.L. Reference material for transmission electron microscope calibration. – Measurement Science and Technology, 2011, v.22, р.094014-1–094014-5.
Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Kovalchuk M.V., Mityukhlyaev V.B., Rakov A.V., Todua P.A., Vasiliev A.L. New reference material for transmission electron microscope calibration. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing, Optics and Semiconductors VI". / Michael T. Postek, Victoria A. Coleman, and Ndubuisi G. Orji. – Proc. SPIE., 2012, v.8466, р.84660D-1–7.
Filippov M.N., Ermakova M.A., Gavrilenko V.P., Kuzin A.A., Kuzin A.Yu., Kuzmin A.A., Mityukhlyaev V.B., Rakov A.V., Todua P.A., Zablotskiy A.V. Natural oxide thickness measurements on the test silicon relief pitch structure. In the book "Micro– and Nano-Electronics 2012". – Proc. SPIE., 2013, v.8700, р.87000U-1–6.
Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Mityukhlyaev V.B., Rakov A.V., Todua P.A. Advance in dimensional measurements of nano-objects based on defocusing of the electron probe of a scanning electron microscope. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing, Optics and Semiconductors VII". / Michael T. Postek, Victoria A. Coleman, and Ndubuisi G. Orji. – Proc. SPIE., 2013, v.8819 (in press).
Development of reference materials and measures is accompanied by elaboration of the methods for their verification and calibration, methods for verification and calibration of the measuring instruments with application of such reference materials and measures, methods for measuring the parameters and characteristics of objects and products of nanotechnologies with the help of the measuring instruments, which have passed their calibration.
The modern measuring instruments and methods for determination of the characteristics of nanostructures and nanomaterials already operate on the edge of their capability, therefore soon there will be an urgent necessity in development of absolutely new such instruments and methods. Another important aspect of nanometrology is that a correct determination of the properties of the objects and materials in the nanometer range provides the basis for research of the influence of the nanotechnologies on human health, security and environment.
Alongside with metrology an important role in manufacture of nanoproducts is played by standardization. The sphere of standards comprises the means and methods of measurements, reference materials, methods of calibration of the measuring instruments, and characterization of the technological processes (including environment parameters). The standards also regulate the requirements to safety, health and environment protection in manufacture of the nanotechnological products.
Nanometrology includes assurance of measuring uniformity for various parameters of nano-objects and nanomaterials, at that, a geometrical size is the most important of them. This is due to the fact that within the nanometer range the properties of objects are to a great degree determined by their sizes; and measurement of the parameters and characteristics of nanostructures and nanomaterials demands positioning of the probe of the measuring instruments with a nanometric accuracy.
The results of measurements of sizes within the nanometric range should be traceable to the length unit in the SI system – to the meter. Now the most popular approach to a practical realization of the meter with the help of the interferometric method is radiation of the helium-neon laser stabilized by a spectral line of a saturated absorption in the molecular iodine 127I2 with the wave length λ = of 632.99139822 nm, with a relative standard uncertainty of 2.5×10-11 [1].
Laser instruments for measuring of nanodisplacements are based on the principles of optical interferometry. Such devices play a dual role. They are used for a direct measurement of small linear displacements of objects [2] and in the metrological systems based, for example, on atomic-force microscopes (АFМ), for measurement of the displacement of a microscope probe in three mutually-orthogonal directions. Such systems ensure calibration of the test objects (measures), which in turn are intended for calibration of АFМ and of the scanning electronic microscopes (SEM).
Test objects for calibration of electronic
and atomic-force microscopes
The most important stage in the metrological support for linear measurements in the nanometer range is that of development of test objects with programmed nanorelief surfaces, which are used for calibration of the measuring means with the highest accuracy. The basic means for measuring of sizes in the nanometer and adjoining ranges are SEМ, АFМ and transmission electron microscopes (TEМ). For calibration of the above measuring means the test objects were developed of CRN-SEM, CRN-AFM and CRN-TEM series, where CRN is a crystalline relief nanostructure.
Structurally CRN-SEM and CRN-AFM are formed on the (100) surface of monocrystal silicon with the size of a silicon chip of 10 × 10 mm2. These test objects consist of a number of modules, each of which includes a set of relief pitch structures obtained by means of an anisotropic etching. Elements of the relief of such structures have a profile in the form of a trapeze with equal side walls. The top and bottom bases of the protrusions coincide with the (100) crystallographic planes of the silicon, while the side walls of the protrusions coincide with the (111) crystallographic planes (Fig.2). The side walls are located at the angle of 54.74º relative to the basis of a protrusion which is determined by the angle between the (100) and (111) crystallographic planes of silicon.
Fig.3 and Fig.4 demonstrate typical modules of the CRN-SEM and CRN-AFM test objects, including their design and SEM images. Each module has a set of relief pitch structures oriented in two mutually-orthogonal directions.
Alongside with the pitch structures containing protrusions and trenches, each module of the CRN-SEM test object in its central part contains arrays of regularly located single deepenings, which form 2D-lattices. Fig.5 and Fig.6 demonstrate separate sections of the modules of the CRN-SEM and CRN-AFM test objects. The nominal size of a step in the relief structure of these objects is within the range from 0.4 up to 3 microns.
When a CRN-SEM/AFM test object is in the making, the height of the protrusions and the width of the line (the top or the bottom basis) depend on a set task. The certification parameters for a test object are the structure step, sizes of the top and the bottom bases of the protrusions and trenches (width of the line), average distance between the deepenings, which form a 2D-lattice, height (depth) of a relief. The CRN-SEM/AFM test objects can be manufactured with the linewidth from 10 up to 1500 nm and the relief height from 50 up to 1500 nm.
By using the SEM-image of a CRN-SEM test object, it is possible to determine the key parameters of SEM, including magnification along the X and Y axes, a deviation from orthogonality of the axes of scanning, effective radius of the electron probe, and linearity of scanning in the (X,Y) plane. If it is necessary to confirm correctness of measurements of the sizes of objects, the SEM parameters can be controlled directly in the course of measuring. Thus, the CRN-SEM test object allows us to automate easily the linear measurements and to create automated measuring complexes.
Similarly, with the help of the CRN-AFM test object it is possible to carry out control of the multiplying scale factors of АFМ video image along the X,Y and Z axes, deviation from orthogonality of the axes of scanning, linearity of scales along three co-ordinates, and effective radius of the tip of the probe. For this reason the systems for calibration and certification of АFМ are successfully introduced in the enterprises specializing in development of equipment for nanotechnologies.
The CRN-TEM test object is a cross-section cut (slice) of a relief pitch silicon structure. It is made by cutting from CRN-SEM structure by means of a focused ion beam aimed perpendicularly to the trenches of the pitch relief structure. The surface of the slice coincides with the (110) crystallographic plane of silicon. Thickness of the slice varies from 20 up to 50 nm. Fig.7 demonstrates the slice image (upper part of one of the protrusions of the CRN-TEM test object), obtained in the mode of a direct resolution of the crystal structure. The (111) crystallographic planes of the silicon are visible.
Fig.8 shows images of several trapezoidal protrusions of the CRN-TEM test object. The (111) silicon crystallographic planes correspond to the lines of the silicon atoms located in parallel to the side walls of the trapezoidal protrusions, which are smooth up to a single atomic layer. For silicon, the nominal value of the lattice parameter a = 0.543102064 nm [3]. It is easy to obtain from the distance d220 between the (220) neighboring crystallographic planes of the silicon, which is measured by means of a combined x-ray/optical interferometer [4] and formula: a = 81/2d220.
Thus, an optical interferometry ensures traceability of the distance d220 in silicon to the length unit in the SI system – to the meter. By using the lattice parameter a, it is easy to determine the distance between the (111) neighboring crystallographic planes: d111 = 0.313560122 nm. The external linear sizes of the slice are certified by means of an optical interferometry, therefore, they are also traceable to the SI meter.
The CRN-TEM test object can be used for calibration of TEМ, both in case of large magnifications (over 250o 000), and in case of medium magnifications (within the range of 250o000). In case of large magnifications, calibration is carried out with the use of the interplanar distance in silicon d111=0.313560122 nm, while in case of medium magnifications calibration can be done with the use of the data about the certified sizes of the relief elements of the CRN-SEM test object, from which the slice was cut out (Fig.8).
TEM images of the slices of the silicon structures can be used not only for calibration of TEM, but also for determination of thickness of a natural silicon oxide film, which is formed on the surface of a monocrystal silicon. Fig.9 shows a TEM image of the upper part of the slice of the trapezoidal ledge of a relief silicon structure. In order to obtain an optimal contrast of the image of a natural oxide film on a silicon surface, a layer of niobium was deposited on the structure.
Then a thin slice was cut out from the silicon structure by means of a focused ion beam. Presence of a niobium layer on the surface allows us to visualize accurately the borders of the oxide film, including the external and internal ones (adjoining to the surface of the monocrystal silicon).
The light sections adjoining to the surface of the protrusion correspond to the TEM image of the silicon oxide layer. If for SEM calibration we use the size of the pitch of the silicon relief structure measured between the equivalent points, than the natural silicon oxide will not introduce a significant error, because its thickness on the side walls is constant and equal to 2 – 3 nm.
Another method for determination of thickness of films and coverings, in particular, of the silicon oxide films on a silicon substrate, is based on spectroscopic ellipsometry. The considered test objects can be used for determination of the time stability of calibration of SEМ, АFМ and TEМ. Thus, Fig.10 demonstrates determination of a medium-term (5 days) stability of keeping and reproducibility of the multiplying scale factor (nm/pixel) for Hitachi S-4800 SEM (cold field-emission cathode) [5]. The multiplying scale factor is determined during calibration of SEM.
It corresponds to the value, inverse to the SEM magnification (pixel is expressed in the length units). The SEM accelerating voltage was V=25 kV. It is easy to see that, firstly, the specified medium-term stability is 3±0.6% for the employed microscope. Secondly, for this SEM dependence of the multiplying scale factor on the working distance can lead to a dispersion in the results of measurements of 6.5±0.6% (the working distance is the distance between the surface of a specimen and the edge of the objective lens of a microscope).
Similar results were also obtained for other SEМ: Jeol JSM-7001F (thermal field emission cathode) and FEI Quanta 200 (thermoionic cathode). For them the medium-term stability was 2±0.6% (Jeol) and 5±0.6% (FEI), and the dependence of the multiplying scale factor on the working distance demonstrated dispersion of the results of measurements of 8±0.6% (Jeol) and 6.5±0.6% (FEI). Thus, in order to achieve a higher accuracy of measurements we need a direct comparison of the sizes of a measured object with the sizes of a test object.
Both the sizes of a measured object and the sizes of a test object should be determined under the same parameters of a microscope during the same experiment. In order to ensure high accuracy of measurements of the sizes of nano-objects we need to carry out the study of the time stability of the metrological characteristics of the employed microscope, which is achieved with the help of the above test objects.
Spectroscopic ellipsometry
Spectroscopic ellipsometry (that is ellipsometry, carried out in case of varied wavelengths of the incident radiation) is a highly sensitive polarization-optical method of research of the surfaces and interfaces between various media. Let the light with the amplitude of electric vector E(0) fall on the sample (Fig.11)
In ellipsometry an important role is played by parameter ρ, which represents the ratio of the coefficients (Rp and Rs) of reflection of light from the surface of a sample for two orthogonal polarizations:
ρ ≡ Rp / Rs = tan Ψei∆, (1)
where tan Ψ = |Rp/Rs| and are modulus and argument of the value ρ. In formula (1), light reflection coefficients Rp and Rs with two polarizations (p and s) are presented as:
Rp = Ep (1) / Ep (0), Rs = Es (1) / Es (0), (2)
At that, indexes 0 and 1 correspond to the radiation falling on the surface and reflected from it. The direction of the components of the electric field vector E(n) in formulas (2) is determined by the lower index (ρ or s). At that, ρ is a component of the vector E(n), lying in the plane of the incident radiation, and s is its component perpendicular to the plane of the incident radiation (n or 1).
Light reflection coefficients Rp и Rs depend on the optical constants of the reflecting systems, thickness of the films (layers), incident angle and the wavelength of the incident radiation. Under the method of spectroscopic ellipsometry experiments are implemented at different wavelengths λ. At that parameters Ψ and δ are measured, on the basis of which the thickness of the films (layers) is calculated, as well as the optical constants of materials (refraction and absorption coefficients).
Fig. 12 and Fig.13 demonstrate application of the ellipsometry method for determination of thickness of the film of silicon oxide SiO2, formed on a substrate from a monocrystal silicon. Fig.12 shows the dependence of the ellipsometric parameters Ψ and δ on the energy of the incident photons at the fixed angle of the incidence of light on the SiO2 film: θ = 70°, whereas Fig. 13 shows the dependence of the parameters Ψ and δ on the incident angle for the fixed light wavelength 500 nm.
The dots show experimental values of the parameters Ψ and δ, and the curves show the results of the theoretical calculations for different values of the thickness of the SiO2 film within the range from 58 up to 78 nm. Comparison of the experimental data with the theoretically calculated data shows, that in the conditions of the experiment the thickness of the SiO2 film was close to d = 68.5 nm.
Standardization in nanotechnologies
In nanotechnologies the priority directions of standardization are metrology and methods of measurements and tests, reference materials for the size, composition, structure and properties, terms and definitions, characterization of processes, health, safety and protection of the environment.
The international standards in this area are developed by a number of ТC ISO and IEC. Within ISO it is necessary to mention ТC 229 "Nanotechnologies", ТC 24 "Particle Characterization Including Sieving", ТC 201 "Surface Chemical Analysis", which includes all the major kinds of the probe diagnostics (except electron microscopy) and main kinds of the diagnostics based on the use of electromagnetic radiation of various spectral ranges, ТC 202 "Microbeam Analysis", the main direction of which is electron microscopy.
Within IEC first of all it is necessary to note ТC 113 "Nanotechnology Standardization for Electrical and Electronic Products and Systems". This ТC co-operates closely with ISO TC 229, in particular, in establishment of the joint working groups for elaboration of standards.
In the Russian Federation the work on standardization in the field of nanotechnologies is conducted actively in the national ТC: ТC 441 "Nanotechnologies" (on the basis of RUSNANO) and ТC 107 "Probe and Beam Diagnostics" (on the basis of CSVR). These national ТC represent Russia in ISO ТC 229, ТC 24, ТC 201, ТC 202, and also in IEC ТC 113.
National standards were developed and introduced, which determined:
• Requirements for geometric shapes, linear sizes and the choice of material for fabrication of the nanoscale relief measures from monocrystalline silicon (GOST Р 8.628-2007);
• Methods for calibration and verification of the nanoscale relief measures with a trapezoidal profile of elements (GOST Р 8.629-2007 and GOST Р 8.644-2008);
• Methods for calibration and verification of AFM and SEM (GOST Р 8.630-2007, GOST Р 8.631-2007, GOST Р 8.635-2007, GOST Р 8.636-2007;
• Methods for measurement of the interplanar spacings in crystals and intensity distribution in diffraction pictures by means of an electronic diffractometer (GOST Р 8.696-2010);
• Methods for measurement of the interplanar spacings in crystals by means of TEM (GOST Р 8.697-2010);
• Methods for measurement of the dimensional parameters of nanoparticles and thin films with a small-angle x-ray diffractometer (GOST Р 8.698-2010).
The developers of the above standards are CSVR, MIPT, National Research Centre "Kurchatov Institute" and the A.V. Shubnikov Institute of Crystallography of RAS.
Most test objects of the nanometer range for calibration and adjustment of electronic microscopes and scanning probe microscopes are one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) lattices formed on the surface of a solid body. In 2012 by a joint decision of IEC ТC 113 and ISO ТC 229 the standard IEC/TS 62622 (status "Technical Specification") was adopted. It was devoted to the artificially created 1D and 2D lattices for nanotechnologies.
Such lattices play an important role not only in calibration/verification of high resolution microscopes, but also in manufacturing of integrated circuits using lithography. IEC/TS 62622 includes, firstly, terms and definitions for 1D and 2D lattices; secondly, description of the parameters characterizing the quality of such lattices; and, thirdly, review of the basic methods of calibration and characterization of their quality. The document uses a number of the important positions containing in the above-stated domestic standards.
In general the presently reached level of development of nanometrology in the field of measurement of nanotechnological objects is rather high: methods for realization of traceability of measurements to the SI meter were developed, as well as laser instruments for measurement of nanodisplacements based on the principles of optical interferometry, methods of calibration of SEМ, АFМ and TEМ; test objects for calibration of these microscopes, principles and techniques for determination of characteristics of thin films and coverings were also developed.
A considerable number of metrological standards for nanotechnologies were elaborated within the framework of ISO and IEC, and by the national TC. At the same time it should be underlined that development of such technologies demands a constant, adequate and in many cases advanced development of the nanometrology, including development of new measuring instruments, methods of measuring and calibration, and metrological standards. It is important to underline that some of the questions considered in this material have already been discussed earlier [5 – 18].
The work was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation within the framework of the Federal Target Program "Scientific and Scientific-Pedagogical Personnel for Innovative Russia".
При производстве продукции наноиндустрии наряду с метрологией важную роль играет стандартизация. Действие стандартов распространяется на средства и методики измерений, стандартные образцы, методики калибровки средств измерений, характеризацию технологических процессов (включая параметры окружающей среды). Стандартами также регламентируются требования к безопасности, охране здоровья и окружающей среды при производстве нанотехнологической продукции.
Нанометрология включает обеспечение единства измерений различных параметров нанообъектов и наноматериалов, причем геометрический размер является важнейшим из них. Это связано с тем, что в нанометровом диапазоне свойства объектов в значительной степени определяются их размерами, и измерение параметров и характеристик наноструктур и наноматериалов требует позиционирования зонда средства измерений с нанометровой точностью.
Результаты измерений размеров в нанометровом диапазоне должны быть прослеживаемы к единице длины в системе СИ – метру. В настоящее время наиболее широкое распространение для практической реализации метра с помощью интерферометрического метода получило излучение гелий-неонового лазера, стабилизированного по спектральной линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде 127I2 с длиной волны λ = 632,99139822 нм с относительной стандартной неопределенностью 2,5×10-11 [1].
Принципы оптической интерферометрии лежат в основе лазерных измерителей наноперемещений. Такие устройства играют двоякую роль. Они используются для прямого измерения малых линейных перемещений объектов [2] и в метрологических системах, основанных, например, на атомно-силовом микроскопе (АСМ), чтобы измерять перемещение зонда микроскопа по трем взаимно ортогональным направлениям. Такие системы обеспечивают калибровку тестовых объектов (мер), которые в свою очередь предназначены для калибровки АСМ и растровых электронных микроскопов (РЭМ).
Тестовые объекты для калибровки электронных и атомно-силовых микроскопов
Наиболее важный этап при метрологическом обеспечении линейных измерений в нанометровом диапазоне – создание тестовых объектов с программируемым нанорельефом поверхности, служащих для калибровки средств измерений с наивысшей точностью. Основные средства измерения размеров в нанометровом и прилегающих к нему диапазонах – РЭМ, АСМ и просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ). Для калибровки указанных средств измерений разработаны тест-объекты серий КРН-РЭМ, КРН-АСМ и КРН-ПЭМ, где КРН – кристаллическая рельефная наноструктура.
Конструктивно КРН-РЭМ и КРН-АСМ сформированы на поверхности (100) монокристаллического кремния с размером кремниевого чипа 10×10 мм2. Эти тест-объекты состоят из ряда модулей, каждый из которых включает набор рельефных шаговых структур, полученных с помощью анизотропного травления. Элементы рельефа таких структур имеют профиль в форме трапеции с равными боковыми сторонами. Верхние и нижние основания выступов совпадают с кристаллографическими плоскостями кремния (100), а боковые стенки выступов с кристаллографическими плоскостями (111) (рис.2). Боковые стенки расположены под углом 54,74° по отношению к основанию выступа, который определяется углом между кристаллографическими плоскостями кремния (100) и (111).
На рис.3, 4 показан типичный вид модулей тест-объектов КРН-РЭМ и КРН-АСМ, включая их дизайн и РЭМ-изображения. Каждый модуль имеет набор рельефных шаговых структур, ориентированных в двух взаимно ортогональных направлениях.
Наряду с шаговыми структурами, содержащими выступы и канавки, каждый модуль тест-объекта КРН-РЭМ содержит в центральной части массивы регулярно расположенных одиночных углублений, представляющих собой 2D-решетки. На рис.5, 6 показаны отдельные участки модулей тест-объектов КРН-РЭМ и КРН-АСМ. Номинальный размер шага рельефной структуры этих объектов находится в диапазоне от 0,4 до 3 мкм. При производстве тест-объекта КРН-РЭМ/АСМ высота выступов и ширина линии (верхнего или нижнего основания) зависят от поставленной задачи. Аттестуемыми параметрами для тест-объекта являются шаг структуры, размеры верхнего и нижнего оснований выступов и канавок (ширина линии), среднее расстояние между углублениями, формирующими 2D-решетку, высота (глубина) рельефа. Изготовление тест-объектов КРН-РЭМ/АСМ возможно с шириной линии от 10 до 1500 нм и высотой рельефа от 50 до 1500 нм.
Используя изображение тест-объекта КРН-РЭМ в РЭМ, можно определить основные параметры РЭМ, включая увеличение вдоль осей X и Y, отклонение от ортогональности осей сканирования, эффективный радиус электронного зонда, линейность сканирования в плоскости (X, Y). При необходимости подтверждения правильности измерений размеров объектов параметры РЭМ можно контролировать непосредственно в процессе измерений. Таким образом, тест-объект КРН-РЭМ позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать автоматизированные измерительные комплексы.
Аналогично, с помощью тест-объекта КРН-АСМ можно проводить контроль масштабных коэффициентов видеоизображения АСМ по осям X, Y и Z, отклонения от ортогональности осей сканирования, линейность шкал по трем координатам, эффективного радиуса острия зонда. По этой причине системы калибровки и аттестации АСМ успешно внедряются на предприятиях, специализирующихся на создании оборудования для нанотехнологий.
Тест-объект КРН-ПЭМ представляет собой поперечный срез (слайс) рельефной шаговой кремниевой структуры. Он изготавливается вырезанием из структуры КРН-РЭМ с помощью сфокусированного ионного пучка перпендикулярно канавкам шаговой рельефной структуры. Поверхность слайса совпадает с кристаллографической плоскостью (110) кремния. Толщина слайса от 20 до 50 нм. На рис.7 показано изображение слайса (верхняя часть одного из выступов тест-объекта КРН-ПЭМ), полученное в режиме прямого разрешения кристаллической структуры. Видны кристаллографические плоскости кремния (111).
На рис.8 показано изображение нескольких трапецеидальных выступов тест-объекта КРН-ПЭМ. Кристаллографические плоскости кремния (111) соответствуют рядам атомов кремния, расположенных параллельно боковым стенкам трапецеидальных выступов, являющихся гладкими с точностью до единичного атомарного слоя. Для кремния номинальное значение параметра решетки a = 0,543102064 нм [3]. Его нетрудно получить из расстояния d220 между соседними кристаллографическими плоскостями кремния (220), которое измеряется с помощью совмещенного рентгеновского/оптического интерферометра [4], при использовании формулы: a = 81/2d220. Таким образом, через оптическую интерферометрию обеспечивается прослеживаемость расстояния d220 в кремнии к единице длины в системе СИ – метру. Используя параметр решетки a, нетрудно определить расстояние между соседними кристаллографическими плоскостями (111): d111 = 0,313560122 нм. Внешние линейные размеры слайса аттестуются с помощью оптической интерферометрии, поэтому они также прослеживаемы к эталону метра.
Тест-объект КРН-ПЭМ можно использовать для калибровки ПЭМ как в случае больших увеличений (больше 250o000), так и в случае средних увеличений (в диапазоне увеличений меньше или порядка 250o000). При больших увеличениях калибровка осуществляется с использованием межплоскостного расстояния в кремнии d111 = 0,313560122 нм, в то время как при средних увеличениях калибровку можно выполнить, используя данные об аттестованных размерах рельефных элементов тест-объекта КРН-РЭМ, из которого вырезается слайс (см. рис.8).
ПЭМ-изображения слайсов кремниевых структур можно использовать не только для калибровки ПЭМ, но и для определения толщины пленки естественного оксида кремния, которая формируется на поверхности монокристаллического кремния. Рис.9 показывает ПЭМ-изображение верхней части слайса трапецеидального выступа рельефной кремниевой структуры. Чтобы получить оптимальный контраст изображения пленки естественного оксида на поверхности кремния, на структуру напылялcя слой ниобия. Далее из кремниевой структуры вырезался тонкий слайс с помощью сфокусированного ионного пучка. Наличие слоя ниобия на поверхности позволяет четко визуализировать границы пленки оксида, включая внешнюю и внутреннюю (примыкающую к поверхности монокристаллического кремния). Светлые участки, прилегающие к поверхности выступа, представляют собой ПЭМ-изображение слоя оксида кремния. Если использовать для калибровки РЭМ величину шага рельефной структуры на кремнии, измеренную между эквивалентными точками, естественный оксид кремния не будет вносить значимой погрешности, поскольку его толщина на боковых стенках постоянна и составляет 2–3 нм.
Другой метод определения толщины пленок и покрытий, в частности, пленки оксида кремния на кремниевой подложке, основан на спектроскопической эллипсометрии. Рассмотренные тестовые объекты можно использовать для определения временнόй стабильности калибровки РЭМ, АСМ и ПЭМ. Так, на рис.10 показано определение среднесрочной (5 дней) стабильности хранения и воспроизводимости масштабного коэффициента (нм/пиксель) для РЭМ Hitachi S-4800 (холодный эмиссионный катод) [5]. Коэффициент определяется при калибровке РЭМ. Он является величиной, обратной увеличению РЭМ (пиксель выражен в единицах длины). Ускоряющее напряжение РЭМ составляло V = 25 кВ. Нетрудно видеть, во-первых, что указанная среднесрочная стабильность составляет 3±0,6% для использованного микроскопа. Во-вторых, для этого РЭМ зависимость масштабного коэффициента от рабочего расстояния может приводить к разбросу результатов измерений в 6,5±0,6% (рабочее расстояние – расстояние между поверхностью образца и краем объективной линзы микроскопа). Аналогичные результаты получены и для других РЭМ: Jeol JSM-7001 F (термоавтоэмиссионный катод) и FEI Quanta 200 (термоэмиссионный катод). Для них среднесрочная стабильность составила 2±0,6% (Jeol) и 5±0,6% (FEI), а зависимость масштабного коэффициента от рабочего расстояния показала разброс результатов измерений в 8±0,6% (Jeol) и 6,5±0,6% (FEI). Таким образом, для достижения большей точности измерений необходимо прямое сравнение размеров измеряемого объекта с размерами тестового объекта. Как размеры измеряемого объекта, так и размеры тестового объекта должны определяться при одних и тех же параметрах микроскопа в ходе единого эксперимента. Обеспечение высокой точности измерений размеров нанообъектов требует проведения исследований временнόй стабильности метрологических характеристик используемого микроскопа, что достигается с помощью рассмотренных выше тестовых объектов.
Спектроскопическая эллипсометрия
Спектроскопическая эллипсометрия (т.е. эллипсометрия, выполняемая при различных длинах волн падающего излучения) – высокочувствительный поляризационно-оптический метод исследования поверхности и интерфейсов между различными средами. Пусть свет с амплитудой электрического вектора E(0) падает на образец (рис.11).
В эллипсометрии важную роль играет параметр ρ, представляющий собой отношение коэффициентов отражения света (Rp и Rs ) от поверхности образца для двух ортогональных поляризаций:
ρ ≡ Rp / Rp = tan Ψ ei∆, (1)
где tan Ψ = |Rp/Rs| и δ – модуль и аргумент величины ρ. В формуле (1) коэффициенты отражения света Rp и Rs с двумя поляризациями (p и s) представляются в виде:
Rp = Ep (1) / Ep (0), Rs = Es (1) / Es (0), (2)
причем индексы 0 и 1 относятся к падающему на поверхность и отраженному от нее излучению. Направление компонент вектора электрического поля E(n) в формулах (2) определятся нижним индексом (ρ или s). При этом ρ – компонента вектора E(n), лежащая в плоскости падения излучения, а s – его компонента, перпендикулярная плоскости падения излучения (n или 1).
Коэффициенты отражения Rp и Rs зависят от оптических констант отражающих систем, толщин пленок (слоев), угла падения и длины волны λ падающего излучения. В методе спектроскопической эллипсометрии эксперименты проводятся при различных длинах волн λ. При этом измеряются параметры Ψ и δ, на основе которых рассчитываются толщины пленок (слоев), а также оптические константы материалов (коэффициенты преломления и поглощения).
Рис.12, 13 демонстрируют применение метода эллипсометрии для определения толщины пленки оксида кремния SiO2, сформированной на подложке из монокристаллического кремния. Рис.12 показывает зависимость эллипсометрических параметров Ψ и δ от энергии падающих фотонов при фиксированном угле падения излучения θ = 70° на пленку SiO2, а рис.13 – зависимость эллипсометрических параметров Ψ и δ от угла падения излучения, имеющего фиксированную длину волны 500 нм. Точки показывают экспериментальные значения параметров Ψ и δ, а кривые – результаты теоретических расчетов при различных значениях толщины пленки SiO2 в диапазоне от 58 до 78 нм. Сравнение экспериментальных данных с теоретически рассчитанными показывает, что в условиях эксперимента толщина пленки SiO2 была близка к d = 68,5 нм.
Стандартизация в нанотехнологиях
В нанотехнологиях приоритетные направления стандартизации – метрология и методы измерений и испытаний; стандартные образцы размера, состава, структуры и свойств; термины и определения; характеризация процессов; здоровье и безопасность людей и охрана окружающей среды. Международные стандарты в этой области разрабатываются рядом ТК ИСО и МЭК. В ИСО следует отметить ТК 229 "Нанотехнологии"; ТК 24 "Характеризация частиц, включая просеивание"; ТК 201 "Химический анализ поверхности", который включает все основные виды зондовой диагностики (за исключением электронной микроскопии) и основные виды диагностики, основанной на использовании электромагнитного излучения различных спектральных диапазонов; ТК 202 "Микропучковый анализ", основное направление которого – электронная микроскопия. В МЭК в первую очередь надо отметить ТК 113 "Стандартизация нанотехнологий в области электротехнических и электронных изделий и систем". Этот ТК тесно сотрудничает с ИСО ТК 229, формируя, в частности, объединенные рабочие группы для разработки стандартов.
В РФ работа по стандартизации в области нанотехнологий активно ведется в национальных ТК: ТК 441 "Нанотехнологии" (на базе РОСНАНО) и ТК 107 "Зондовая и пучковая диагностика" (на базе НИЦПВ). Эти национальные ТК представляют Россию в ИСО ТК 229, ТК 24, ТК 201, ТК 202, а также в МЭК ТК 113.
Разработаны и введены в действие национальные стандарты, устанавливающие:
• требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления рельефных мер нанометрового диапазона из монокристаллического кремния (ГОСТ
Р 8.628-2007);
• методики калибровки и поверки рельефных мер нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов (ГОСТ Р 8.629-2007 и ГОСТ Р 8.644-2008);
• методики калибровки и поверки АСМ и РЭМ (ГОСТ Р 8.630-2007, ГОСТ Р 8.631-2007, ГОСТ Р 8.635-2007, ГОСТ Р 8.636-2007);
• методику измерений межплоскостных расстояний в кристаллах и распределения интенсивностей в дифракционных картинах с помощью электронного дифрактометра (ГОСТ Р 8.696-2010);
• методику измерений межплоскостных расстояний в кристаллах с помощью ПЭМ (ГОСТ Р 8.697-2010);
• методику измерений размерных параметров наночастиц и тонких пленок с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра (ГОСТ
Р 8.698-2010).
Разработчики вышеуказанных стандартов – НИЦПВ, МФТИ, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" и Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН.
Большинство тестовых объектов нанометрового диапазона для калибровки и поверки электронных микроскопов и сканирующих зондовых микроскопов представляют собой одномерные (1D) или двумерные (2D) решетки, сформированные на поверхности твердого тела. В 2012 году совместным решением МЭК ТК 113 и ИСО ТК 229 был принят стандарт IEC/TS 62622 (статус Technical Specification), посвященный искусственно создаваемым 1D- и 2D-решеткам для нанотехнологий. Такие решетки играют важную роль не только при калибровке/поверке микроскопов высокого разрешения, но и в производстве интегральных микросхем с применением литографии. IEC/TS 62622 включает в себя, во-первых, термины и определения для 1D- и 2D-решеток, во-вторых, описание параметров, характеризующих качество таких решеток, и, в-третьих, обзор основных методов калибровки и характеризации их качества. Документ использует ряд важных положений, содержащихся в вышеуказанных отечественных стандартах.
В целом в настоящее время достигнут достаточно высокий уровень развития нанометрологии в области измерений объектов нанотехнологий: созданы методы реализации прослеживаемости измерений к эталону метра; лазерные измерители наноперемещений, основанные на принципах оптической интерферометрии; методики калибровки РЭМ, АСМ и ПЭМ; тестовые объекты для калибровки указанных микроскопов; разработаны принципы и методики определения характеристик тонких пленок и покрытий. В рамках ИСО и МЭК, а также национальными ТК разработано значительное количество метрологических стандартов для нанотехнологий. В то же время необходимо подчеркнуть, что развитие этих технологий требует постоянного адекватного, а во многих случаях и опережающего развития нанометрологии, включая разработку новых средств измерений, методик измерений и калибровки, метрологических стандартов. Важно отметить, что некоторые из рассмотренных в материале вопросов обсуждались ранее [5–18].
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России".
Литература
Quinn T.J. International Report: Practical realization of the definition of the metre (1997). – Metrologia, 1999, v.36, р.211–244.
Желкобаев Ж., Календин В.В., Тодуа П.А. Лазерная метрология акустических наносмещений. – Фотоника, 2009, №5, с.14–17.
Mohr P.J., Taylor B.N., Newell D.B. // CODATA recommended values of the fundamental constants: Rev. Mod. Phys., 2008, v.80, р.633–730.
Massa E., Mana G., Kuetgens U., Ferroglio L. Measurement of the lattice parameters of a silicon crystal. – New Journal of Physics, 2009, v.11, р.053013-1–053013-12.
Заблоцкий А.В., Альзоба В.В., Морозов С.А. Стабильность калибровки растровых электронных микроскопов. – Метрология, 2013 (в печати).
Novikov Yu.A., Ozerin Yu.V., Rakov A.V., Todua P.A. Method for linear measurements in the nanometer range. – Measurement Science and Technology, 2007, v.18, р.367–374.
Gavrilenko V., Filippov M., Novikov Yu., Rakov A., Todua P. Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using a scanning electron microscope. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing"/ Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2007, v.6648, р.66480T-1–12.
Todua P., Filippov M., Gavrilenko V., Novikov Yu., Rakov A. Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using an atomic force microscope. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing"/ Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2007, v.6648, р.66480S-1–12.
Todua P.A., Gavrilenko V.P., Novikov Yu.A., Rakov A.V. Check of the quality of fabrication of test objects with a trapezoidal profile. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing II" / Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2008, v.7042,
р.704209-1–8.
Gavrilenko V.P., Mityukhlyaev V.B., Novikov Yu.A., Ozerin Yu.V., Rakov A.V., Todua P.A. // Test object of the linewidth with a trapezoidal profile and three certified sizes for an SEM and AFM. – Measurement Science and Technology, 2009, v.20, р.084022-1–7.
Gavrilenko V.P., Kalnov V.A., Novikov Yu.A., Orlikovsky A.A., Rakov A.V., Todua P.A., Valiev K.A., Zhikharev E.N. Measurement of dimensions of resist mask elements below 100 nm with help of a scanning electron microscope. In the book "Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXIII" / John A. Allgair and Christopher J. Raymond. – Proc. SPIE., 2009, v.7272, р.727227-1–9.
Gavrilenko V.P., Filippov M.N., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Todua P.A. Russian standards for dimensional measurements for nanotechnologies. In the book "Scanning Microscopy 2009". / Michael T.Postek, Dale E. Newbury, S.Frank Platek, David C. Joy – Proc. SPIE., 2009, v.7378, р.737812-1–8.
Gavrilenko V.P., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Todua P.A. Nanoscale dimensional metrology in Russia. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing III". / Michael T. Postek and John A. Allgair. – Proc. SPIE., 2009, v.7405, р.740504-1–8.
Gavrilenko V.P., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Todua P.A. Accuracy of ellipsometric measurements of Si-SiO2 structures. In the book "Optical Micro– and Nanometrology III". / Christophe Gorecki, Anand K. Asundi, Wolfgang Osten. – Proc. SPIE., 2010, v.7718, р.77181B-1–12.
Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Kovalchuk M.V., Mityukhlyaev V.B., Ozerin Yu.V., Rakov A.V., Todua P.A., Roddatis V.V., Vasiliev A.L. Reference material for transmission electron microscope calibration. – Measurement Science and Technology, 2011, v.22, р.094014-1–094014-5.
Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Kovalchuk M.V., Mityukhlyaev V.B., Rakov A.V., Todua P.A., Vasiliev A.L. New reference material for transmission electron microscope calibration. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing, Optics and Semiconductors VI". / Michael T. Postek, Victoria A. Coleman, and Ndubuisi G. Orji. – Proc. SPIE., 2012, v.8466, р.84660D-1–7.
Filippov M.N., Ermakova M.A., Gavrilenko V.P., Kuzin A.A., Kuzin A.Yu., Kuzmin A.A., Mityukhlyaev V.B., Rakov A.V., Todua P.A., Zablotskiy A.V. Natural oxide thickness measurements on the test silicon relief pitch structure. In the book "Micro– and Nano-Electronics 2012". – Proc. SPIE., 2013, v.8700, р.87000U-1–6.
Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Mityukhlyaev V.B., Rakov A.V., Todua P.A. Advance in dimensional measurements of nano-objects based on defocusing of the electron probe of a scanning electron microscope. In the book "Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing, Optics and Semiconductors VII". / Michael T. Postek, Victoria A. Coleman, and Ndubuisi G. Orji. – Proc. SPIE., 2013, v.8819 (in press).
Development of reference materials and measures is accompanied by elaboration of the methods for their verification and calibration, methods for verification and calibration of the measuring instruments with application of such reference materials and measures, methods for measuring the parameters and characteristics of objects and products of nanotechnologies with the help of the measuring instruments, which have passed their calibration.
The modern measuring instruments and methods for determination of the characteristics of nanostructures and nanomaterials already operate on the edge of their capability, therefore soon there will be an urgent necessity in development of absolutely new such instruments and methods. Another important aspect of nanometrology is that a correct determination of the properties of the objects and materials in the nanometer range provides the basis for research of the influence of the nanotechnologies on human health, security and environment.
Alongside with metrology an important role in manufacture of nanoproducts is played by standardization. The sphere of standards comprises the means and methods of measurements, reference materials, methods of calibration of the measuring instruments, and characterization of the technological processes (including environment parameters). The standards also regulate the requirements to safety, health and environment protection in manufacture of the nanotechnological products.
Nanometrology includes assurance of measuring uniformity for various parameters of nano-objects and nanomaterials, at that, a geometrical size is the most important of them. This is due to the fact that within the nanometer range the properties of objects are to a great degree determined by their sizes; and measurement of the parameters and characteristics of nanostructures and nanomaterials demands positioning of the probe of the measuring instruments with a nanometric accuracy.
The results of measurements of sizes within the nanometric range should be traceable to the length unit in the SI system – to the meter. Now the most popular approach to a practical realization of the meter with the help of the interferometric method is radiation of the helium-neon laser stabilized by a spectral line of a saturated absorption in the molecular iodine 127I2 with the wave length λ = of 632.99139822 nm, with a relative standard uncertainty of 2.5×10-11 [1].
Laser instruments for measuring of nanodisplacements are based on the principles of optical interferometry. Such devices play a dual role. They are used for a direct measurement of small linear displacements of objects [2] and in the metrological systems based, for example, on atomic-force microscopes (АFМ), for measurement of the displacement of a microscope probe in three mutually-orthogonal directions. Such systems ensure calibration of the test objects (measures), which in turn are intended for calibration of АFМ and of the scanning electronic microscopes (SEM).
Test objects for calibration of electronic
and atomic-force microscopes
The most important stage in the metrological support for linear measurements in the nanometer range is that of development of test objects with programmed nanorelief surfaces, which are used for calibration of the measuring means with the highest accuracy. The basic means for measuring of sizes in the nanometer and adjoining ranges are SEМ, АFМ and transmission electron microscopes (TEМ). For calibration of the above measuring means the test objects were developed of CRN-SEM, CRN-AFM and CRN-TEM series, where CRN is a crystalline relief nanostructure.
Structurally CRN-SEM and CRN-AFM are formed on the (100) surface of monocrystal silicon with the size of a silicon chip of 10 × 10 mm2. These test objects consist of a number of modules, each of which includes a set of relief pitch structures obtained by means of an anisotropic etching. Elements of the relief of such structures have a profile in the form of a trapeze with equal side walls. The top and bottom bases of the protrusions coincide with the (100) crystallographic planes of the silicon, while the side walls of the protrusions coincide with the (111) crystallographic planes (Fig.2). The side walls are located at the angle of 54.74º relative to the basis of a protrusion which is determined by the angle between the (100) and (111) crystallographic planes of silicon.
Fig.3 and Fig.4 demonstrate typical modules of the CRN-SEM and CRN-AFM test objects, including their design and SEM images. Each module has a set of relief pitch structures oriented in two mutually-orthogonal directions.
Alongside with the pitch structures containing protrusions and trenches, each module of the CRN-SEM test object in its central part contains arrays of regularly located single deepenings, which form 2D-lattices. Fig.5 and Fig.6 demonstrate separate sections of the modules of the CRN-SEM and CRN-AFM test objects. The nominal size of a step in the relief structure of these objects is within the range from 0.4 up to 3 microns.
When a CRN-SEM/AFM test object is in the making, the height of the protrusions and the width of the line (the top or the bottom basis) depend on a set task. The certification parameters for a test object are the structure step, sizes of the top and the bottom bases of the protrusions and trenches (width of the line), average distance between the deepenings, which form a 2D-lattice, height (depth) of a relief. The CRN-SEM/AFM test objects can be manufactured with the linewidth from 10 up to 1500 nm and the relief height from 50 up to 1500 nm.
By using the SEM-image of a CRN-SEM test object, it is possible to determine the key parameters of SEM, including magnification along the X and Y axes, a deviation from orthogonality of the axes of scanning, effective radius of the electron probe, and linearity of scanning in the (X,Y) plane. If it is necessary to confirm correctness of measurements of the sizes of objects, the SEM parameters can be controlled directly in the course of measuring. Thus, the CRN-SEM test object allows us to automate easily the linear measurements and to create automated measuring complexes.
Similarly, with the help of the CRN-AFM test object it is possible to carry out control of the multiplying scale factors of АFМ video image along the X,Y and Z axes, deviation from orthogonality of the axes of scanning, linearity of scales along three co-ordinates, and effective radius of the tip of the probe. For this reason the systems for calibration and certification of АFМ are successfully introduced in the enterprises specializing in development of equipment for nanotechnologies.
The CRN-TEM test object is a cross-section cut (slice) of a relief pitch silicon structure. It is made by cutting from CRN-SEM structure by means of a focused ion beam aimed perpendicularly to the trenches of the pitch relief structure. The surface of the slice coincides with the (110) crystallographic plane of silicon. Thickness of the slice varies from 20 up to 50 nm. Fig.7 demonstrates the slice image (upper part of one of the protrusions of the CRN-TEM test object), obtained in the mode of a direct resolution of the crystal structure. The (111) crystallographic planes of the silicon are visible.
Fig.8 shows images of several trapezoidal protrusions of the CRN-TEM test object. The (111) silicon crystallographic planes correspond to the lines of the silicon atoms located in parallel to the side walls of the trapezoidal protrusions, which are smooth up to a single atomic layer. For silicon, the nominal value of the lattice parameter a = 0.543102064 nm [3]. It is easy to obtain from the distance d220 between the (220) neighboring crystallographic planes of the silicon, which is measured by means of a combined x-ray/optical interferometer [4] and formula: a = 81/2d220.
Thus, an optical interferometry ensures traceability of the distance d220 in silicon to the length unit in the SI system – to the meter. By using the lattice parameter a, it is easy to determine the distance between the (111) neighboring crystallographic planes: d111 = 0.313560122 nm. The external linear sizes of the slice are certified by means of an optical interferometry, therefore, they are also traceable to the SI meter.
The CRN-TEM test object can be used for calibration of TEМ, both in case of large magnifications (over 250o 000), and in case of medium magnifications (within the range of 250o000). In case of large magnifications, calibration is carried out with the use of the interplanar distance in silicon d111=0.313560122 nm, while in case of medium magnifications calibration can be done with the use of the data about the certified sizes of the relief elements of the CRN-SEM test object, from which the slice was cut out (Fig.8).
TEM images of the slices of the silicon structures can be used not only for calibration of TEM, but also for determination of thickness of a natural silicon oxide film, which is formed on the surface of a monocrystal silicon. Fig.9 shows a TEM image of the upper part of the slice of the trapezoidal ledge of a relief silicon structure. In order to obtain an optimal contrast of the image of a natural oxide film on a silicon surface, a layer of niobium was deposited on the structure.
Then a thin slice was cut out from the silicon structure by means of a focused ion beam. Presence of a niobium layer on the surface allows us to visualize accurately the borders of the oxide film, including the external and internal ones (adjoining to the surface of the monocrystal silicon).
The light sections adjoining to the surface of the protrusion correspond to the TEM image of the silicon oxide layer. If for SEM calibration we use the size of the pitch of the silicon relief structure measured between the equivalent points, than the natural silicon oxide will not introduce a significant error, because its thickness on the side walls is constant and equal to 2 – 3 nm.
Another method for determination of thickness of films and coverings, in particular, of the silicon oxide films on a silicon substrate, is based on spectroscopic ellipsometry. The considered test objects can be used for determination of the time stability of calibration of SEМ, АFМ and TEМ. Thus, Fig.10 demonstrates determination of a medium-term (5 days) stability of keeping and reproducibility of the multiplying scale factor (nm/pixel) for Hitachi S-4800 SEM (cold field-emission cathode) [5]. The multiplying scale factor is determined during calibration of SEM.
It corresponds to the value, inverse to the SEM magnification (pixel is expressed in the length units). The SEM accelerating voltage was V=25 kV. It is easy to see that, firstly, the specified medium-term stability is 3±0.6% for the employed microscope. Secondly, for this SEM dependence of the multiplying scale factor on the working distance can lead to a dispersion in the results of measurements of 6.5±0.6% (the working distance is the distance between the surface of a specimen and the edge of the objective lens of a microscope).
Similar results were also obtained for other SEМ: Jeol JSM-7001F (thermal field emission cathode) and FEI Quanta 200 (thermoionic cathode). For them the medium-term stability was 2±0.6% (Jeol) and 5±0.6% (FEI), and the dependence of the multiplying scale factor on the working distance demonstrated dispersion of the results of measurements of 8±0.6% (Jeol) and 6.5±0.6% (FEI). Thus, in order to achieve a higher accuracy of measurements we need a direct comparison of the sizes of a measured object with the sizes of a test object.
Both the sizes of a measured object and the sizes of a test object should be determined under the same parameters of a microscope during the same experiment. In order to ensure high accuracy of measurements of the sizes of nano-objects we need to carry out the study of the time stability of the metrological characteristics of the employed microscope, which is achieved with the help of the above test objects.
Spectroscopic ellipsometry
Spectroscopic ellipsometry (that is ellipsometry, carried out in case of varied wavelengths of the incident radiation) is a highly sensitive polarization-optical method of research of the surfaces and interfaces between various media. Let the light with the amplitude of electric vector E(0) fall on the sample (Fig.11)
In ellipsometry an important role is played by parameter ρ, which represents the ratio of the coefficients (Rp and Rs) of reflection of light from the surface of a sample for two orthogonal polarizations:
ρ ≡ Rp / Rs = tan Ψei∆, (1)
where tan Ψ = |Rp/Rs| and are modulus and argument of the value ρ. In formula (1), light reflection coefficients Rp and Rs with two polarizations (p and s) are presented as:
Rp = Ep (1) / Ep (0), Rs = Es (1) / Es (0), (2)
At that, indexes 0 and 1 correspond to the radiation falling on the surface and reflected from it. The direction of the components of the electric field vector E(n) in formulas (2) is determined by the lower index (ρ or s). At that, ρ is a component of the vector E(n), lying in the plane of the incident radiation, and s is its component perpendicular to the plane of the incident radiation (n or 1).
Light reflection coefficients Rp и Rs depend on the optical constants of the reflecting systems, thickness of the films (layers), incident angle and the wavelength of the incident radiation. Under the method of spectroscopic ellipsometry experiments are implemented at different wavelengths λ. At that parameters Ψ and δ are measured, on the basis of which the thickness of the films (layers) is calculated, as well as the optical constants of materials (refraction and absorption coefficients).
Fig. 12 and Fig.13 demonstrate application of the ellipsometry method for determination of thickness of the film of silicon oxide SiO2, formed on a substrate from a monocrystal silicon. Fig.12 shows the dependence of the ellipsometric parameters Ψ and δ on the energy of the incident photons at the fixed angle of the incidence of light on the SiO2 film: θ = 70°, whereas Fig. 13 shows the dependence of the parameters Ψ and δ on the incident angle for the fixed light wavelength 500 nm.
The dots show experimental values of the parameters Ψ and δ, and the curves show the results of the theoretical calculations for different values of the thickness of the SiO2 film within the range from 58 up to 78 nm. Comparison of the experimental data with the theoretically calculated data shows, that in the conditions of the experiment the thickness of the SiO2 film was close to d = 68.5 nm.
Standardization in nanotechnologies
In nanotechnologies the priority directions of standardization are metrology and methods of measurements and tests, reference materials for the size, composition, structure and properties, terms and definitions, characterization of processes, health, safety and protection of the environment.
The international standards in this area are developed by a number of ТC ISO and IEC. Within ISO it is necessary to mention ТC 229 "Nanotechnologies", ТC 24 "Particle Characterization Including Sieving", ТC 201 "Surface Chemical Analysis", which includes all the major kinds of the probe diagnostics (except electron microscopy) and main kinds of the diagnostics based on the use of electromagnetic radiation of various spectral ranges, ТC 202 "Microbeam Analysis", the main direction of which is electron microscopy.
Within IEC first of all it is necessary to note ТC 113 "Nanotechnology Standardization for Electrical and Electronic Products and Systems". This ТC co-operates closely with ISO TC 229, in particular, in establishment of the joint working groups for elaboration of standards.
In the Russian Federation the work on standardization in the field of nanotechnologies is conducted actively in the national ТC: ТC 441 "Nanotechnologies" (on the basis of RUSNANO) and ТC 107 "Probe and Beam Diagnostics" (on the basis of CSVR). These national ТC represent Russia in ISO ТC 229, ТC 24, ТC 201, ТC 202, and also in IEC ТC 113.
National standards were developed and introduced, which determined:
• Requirements for geometric shapes, linear sizes and the choice of material for fabrication of the nanoscale relief measures from monocrystalline silicon (GOST Р 8.628-2007);
• Methods for calibration and verification of the nanoscale relief measures with a trapezoidal profile of elements (GOST Р 8.629-2007 and GOST Р 8.644-2008);
• Methods for calibration and verification of AFM and SEM (GOST Р 8.630-2007, GOST Р 8.631-2007, GOST Р 8.635-2007, GOST Р 8.636-2007;
• Methods for measurement of the interplanar spacings in crystals and intensity distribution in diffraction pictures by means of an electronic diffractometer (GOST Р 8.696-2010);
• Methods for measurement of the interplanar spacings in crystals by means of TEM (GOST Р 8.697-2010);
• Methods for measurement of the dimensional parameters of nanoparticles and thin films with a small-angle x-ray diffractometer (GOST Р 8.698-2010).
The developers of the above standards are CSVR, MIPT, National Research Centre "Kurchatov Institute" and the A.V. Shubnikov Institute of Crystallography of RAS.
Most test objects of the nanometer range for calibration and adjustment of electronic microscopes and scanning probe microscopes are one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) lattices formed on the surface of a solid body. In 2012 by a joint decision of IEC ТC 113 and ISO ТC 229 the standard IEC/TS 62622 (status "Technical Specification") was adopted. It was devoted to the artificially created 1D and 2D lattices for nanotechnologies.
Such lattices play an important role not only in calibration/verification of high resolution microscopes, but also in manufacturing of integrated circuits using lithography. IEC/TS 62622 includes, firstly, terms and definitions for 1D and 2D lattices; secondly, description of the parameters characterizing the quality of such lattices; and, thirdly, review of the basic methods of calibration and characterization of their quality. The document uses a number of the important positions containing in the above-stated domestic standards.
In general the presently reached level of development of nanometrology in the field of measurement of nanotechnological objects is rather high: methods for realization of traceability of measurements to the SI meter were developed, as well as laser instruments for measurement of nanodisplacements based on the principles of optical interferometry, methods of calibration of SEМ, АFМ and TEМ; test objects for calibration of these microscopes, principles and techniques for determination of characteristics of thin films and coverings were also developed.
A considerable number of metrological standards for nanotechnologies were elaborated within the framework of ISO and IEC, and by the national TC. At the same time it should be underlined that development of such technologies demands a constant, adequate and in many cases advanced development of the nanometrology, including development of new measuring instruments, methods of measuring and calibration, and metrological standards. It is important to underline that some of the questions considered in this material have already been discussed earlier [5 – 18].
The work was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation within the framework of the Federal Target Program "Scientific and Scientific-Pedagogical Personnel for Innovative Russia".
Отзывы читателей
