eng
Выпуск #5/2015
А.Потемкин, П.Лускинович, В.Жаботинский
Стандарты нано- и пикометрового диапазонов на основе мер перемещения
Стандарты нано- и пикометрового диапазонов на основе мер перемещения
Просмотры: 5490
На основе монокристаллических материалов с обратным пьезоэффектом разработаны меры перемещения нано- и пикометрового диапазонов, которые могут применяться для калибровки сканирующих зондовых и электронных микроскопов. Измерения величин перемещений мер производилось оптическими интерферометрами на основе лазеров со стабилизацией частоты излучения брэгговской и цезиевой ячейками. Меры перемещения и интерферометры могут использоваться в качестве манипуляторов и сенсоров в технологическом оборудовании и измерительных приборах, а также при проведении лабораторных работ по наноматериалам, наномеханике и нанометрологии.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.59.5.74.80
DOI:10.22184/1993-8578.2015.59.5.74.80
Теги: calibration displacement gauge electron microscope interferometer probe miocroscope зондовый микроскоп интерферометр калибровка мера перемещения электронный микроскоп
Форма поверхности материалов в нано- и пикометровом диапазонах нестабильна вследствие физико-химических процессов: адсорбции, окисления, диффузии,миграции, а также осаждения микро- и наночастиц. В результате, метрологическое требование обеспечения более высокой точности стандартов, по сравнению с точностью, необходимой для измерения изделий, становится невыполнимым.
Меры перемещения на основе обратного пьезоэффекта
Решение проблем изготовления и применения стандартов нано- и пикометрового диапазонов возможно на основе применения мер перемещения. Меры перемещения, изменяющие свои размеры прямо пропорционально величине управляющего напряжения, изготавливаются из монокристаллического материала с обратным пьезоэффектом (типа ниобата лития). Вертикальное или горизонтальное перемещение поверхности мер зависит от направления управляющего электрического поля и ориентации кристаллографических осей применяемого монокристалла.
Меры перемещения выпускаются в корпусе или в более компактном варианте без корпуса. Одна сторона монокристалла меры фиксируется на основании корпуса меры или на предметном столе калибруемой установки. На противоположной стороне располагается перемещаемая монокристаллом относительно основания отсчетная поверхность. Отсчетная поверхность меры вертикального перемещения изготавливается зеркальной, а для меры горизонтального перемещения – в виде дифракционной решетки или других локальных неоднородностей. Направления перемещения (относительно основания) отсчетной поверхности мер горизонтального и вертикального типов показан на рис.1.
Для увеличения диапазона перемещения применяются сборки из последовательно соединенных монокристаллов. Измерения величин перемещения отсчетных поверхностей мер производились оптическим интерферометром. При проведении измерений на монокристаллы подавались импульсы положительной и отрицательной полярности.
На рис.2 приведены фотографии мер перемещения вертикального и горизонтального типов, а также зависимости перемещения их отсчетных поверхностей от управляющего напряжения. Результаты измерений подтвердили, что линейность перемещения мер из монокристаллов под воздействием управляющего напряжения в десятки раз выше линейности аналогичных образцов из традиционной полидоменной пьезокерамики.
На рис.3 приведена форма трапецеидального импульса управляющего напряжения и соответствующего импульса перемещения отсчетной поверхности меры вертикального типа.
На рис.4 показано управляемое электрическим напряжением многоступенчатое нарастающее и спадающее перемещение отсчетной поверхности меры вертикального типа. Измерения начального и конечного положения отсчетной поверхности показали практическое отсутствие гистерезиса и крипа.
При проведении экспериментальных измерений перемещения мер использовались электронные системы, управляемые от компьютера (рис.5). Величина генерируемого напряжения измерялась вольтметром Fluke884.
Меры вертикального перемещения с резонансной частотой более 10 кГц позволяют измерять время реакции следящих систем сканирующих зондовых микроскопов.
Калибровка сканирующих зондовых и электронных микроскопов
Мера перемещения вертикального типа может применяться для калибровки сканирующих зондовых микроскопов (атомно-силовых, туннельных, ближнепольных и т.д.). При калибровке она располагается на предметном столике, и к отсчетной поверхности подводится зонд на расстояние, которое далее удерживается постоянным следящей системой микроскопа. На меру подается управляющее напряжение, под воздействием которого ее отсчетная поверхность перемещается на калиброванную величину. Следящая система микроскопа, в свою очередь, перемещает зонд на то же расстояние. Определенную микроскопом величину перемещения приравнивают к значению калиброванного вертикального перемещения отсчетной поверхности меры.
Калибровка мерой перемещения вертикального типа, в отличие от калибровки по статическим образцам, не требует набора острых зондов и образцов с высокоточными углублениями. Кроме того, при подаче различных управляющих напряжений возможно одной мерой перемещения произвести калибровку в любой из областей нано- и пикометрового диапазона. Величина перемещения отсчетной поверхности не зависит от ее формы, что позволяет эксплуатировать меры вне вакуумных установок и "чистых зон". Малое время измерений вертикальных перемещений (менее секунды) многократно уменьшает влияние температурного дрейфа и механической релаксации.
Мера перемещения горизонтального типа с реперными фрагментами (типа дифракционной решетки, наночастиц и т.д.) может применятся для калибровки сканирующих зондовых и электронных микроскопов. При калибровке она располагается на предметном столике, и поверхность с реперными фрагментами сканируется зондом или сфокусированным электронным лучом микроскопа. В результате сканирования фиксируется положение реперных фрагментов. От электронной системы управления на меру подается управляющее напряжение, под воздействием которого ее отсчетная поверхность с реперными фрагментами калиброванно перемещается. Сканирующая система микроскопа измеряет величину перемещения реперного фрагмента относительно первоначального положения, и это значение приравнивается к величине калиброванного перемещения отсчетной поверхности меры.
Использование меры перемещения горизонтального типа, в отличие от калибровки по статическим образцам, не требует применения симметричных зондов или набора образцов с реперными фрагментами, расположенными на расстоянии в несколько нанометров, а также позволяет одной мерой перемещения произвести калибровку в любой области нано- и пикометрового диапазона [1].
Высокая линейность и повторяемость перемещения мер делают возможным использование их в качестве стандартов при передаче размеров от первичного эталона к измерительным установкам. Также меры перемещения могут применяться как встроенные высокоточные линейные манипуляторы, обеспечивающие возможность совместного использования результатов прямого и обратного сканирования, что в два раза сокращает время измерения кадра. При этом, замена в нанолитографах растрового сканирования на векторное в десятки раз повышает скорость технологических процессов.
Интерферометры
Для проведения измерений в нанометровом и пикометровом диапазонах разработаны интерферометры различных типов:
•cо стабилизацией лазерного излучения брэгговской и цезиевой ячейками с нестабильностью частоты менее 10–5, которые выпускаются в виде моноблока с интегрированными лазером, оптической системой стабилизации частоты излучения и интерферометром (рис.6a);
•со стабилизацией частоты лазерного излучения брэгговской ячейкой (рис.6b). Относительная нестабильность частоты излучения такого лазера – не более 10–3;
•компактный встраиваемый интерферометр со стабилизированным цезиевой ячейкой излучением, передаваемым по одномодовому световоду от отдельного лазерного блока.
При подаче на меру перемещения регулярных импульсов напряжения возможно измерение оптическим интерферометром соответствующих импульсов перемещения. Усреднение полученных результатов позволяет улучшить отношение сигнал/шум и произвести измерения в пикометровом диапазоне [2].
На рис.7 для меры вертикального типа приведены результаты измерения методом накопления и усреднения импульсов перемещения с амплитудой в несколько пикометров, что экспериментально подтверждает возможность применения мер перемещения в нано- и пикометровом диапазонах. Следует отметить, что при дальнейшем понижении управляющего напряжения будет уменьшаться и величина перемещения отсчетной поверхности, поэтому меры перемещения можно использовать также в фемто- и аттометровом диапазонах.
Разработанные стандарты и интерферометры могут применяться при калибровке микроскопов, встраиваться в нанотехнологические установки и высокочувствительные сенсоры, а также использоваться при проведении научно-исследовательских и учебных работ по наноматериалам, наномеханике и нанометрологии.
ЛИТЕРАТУРА
1.Dziomba T., Luskinovich P.N., Zhabotinskiy V.A., Krebs P., Danzebrink H.-U. Characterization of novel active dynamic SPM standards, Nanoscale 2013.
2.Luskinovich P., Zhabotinskiy V. Nanomani-pulators with Reduced Hysteresis and Interferometers Build in NanoFabs. Sensors & Transducers, Vol. 159, Issue 11, November 2013. Р. 369–373.
Меры перемещения на основе обратного пьезоэффекта
Решение проблем изготовления и применения стандартов нано- и пикометрового диапазонов возможно на основе применения мер перемещения. Меры перемещения, изменяющие свои размеры прямо пропорционально величине управляющего напряжения, изготавливаются из монокристаллического материала с обратным пьезоэффектом (типа ниобата лития). Вертикальное или горизонтальное перемещение поверхности мер зависит от направления управляющего электрического поля и ориентации кристаллографических осей применяемого монокристалла.
Меры перемещения выпускаются в корпусе или в более компактном варианте без корпуса. Одна сторона монокристалла меры фиксируется на основании корпуса меры или на предметном столе калибруемой установки. На противоположной стороне располагается перемещаемая монокристаллом относительно основания отсчетная поверхность. Отсчетная поверхность меры вертикального перемещения изготавливается зеркальной, а для меры горизонтального перемещения – в виде дифракционной решетки или других локальных неоднородностей. Направления перемещения (относительно основания) отсчетной поверхности мер горизонтального и вертикального типов показан на рис.1.
Для увеличения диапазона перемещения применяются сборки из последовательно соединенных монокристаллов. Измерения величин перемещения отсчетных поверхностей мер производились оптическим интерферометром. При проведении измерений на монокристаллы подавались импульсы положительной и отрицательной полярности.
На рис.2 приведены фотографии мер перемещения вертикального и горизонтального типов, а также зависимости перемещения их отсчетных поверхностей от управляющего напряжения. Результаты измерений подтвердили, что линейность перемещения мер из монокристаллов под воздействием управляющего напряжения в десятки раз выше линейности аналогичных образцов из традиционной полидоменной пьезокерамики.
На рис.3 приведена форма трапецеидального импульса управляющего напряжения и соответствующего импульса перемещения отсчетной поверхности меры вертикального типа.
На рис.4 показано управляемое электрическим напряжением многоступенчатое нарастающее и спадающее перемещение отсчетной поверхности меры вертикального типа. Измерения начального и конечного положения отсчетной поверхности показали практическое отсутствие гистерезиса и крипа.
При проведении экспериментальных измерений перемещения мер использовались электронные системы, управляемые от компьютера (рис.5). Величина генерируемого напряжения измерялась вольтметром Fluke884.
Меры вертикального перемещения с резонансной частотой более 10 кГц позволяют измерять время реакции следящих систем сканирующих зондовых микроскопов.
Калибровка сканирующих зондовых и электронных микроскопов
Мера перемещения вертикального типа может применяться для калибровки сканирующих зондовых микроскопов (атомно-силовых, туннельных, ближнепольных и т.д.). При калибровке она располагается на предметном столике, и к отсчетной поверхности подводится зонд на расстояние, которое далее удерживается постоянным следящей системой микроскопа. На меру подается управляющее напряжение, под воздействием которого ее отсчетная поверхность перемещается на калиброванную величину. Следящая система микроскопа, в свою очередь, перемещает зонд на то же расстояние. Определенную микроскопом величину перемещения приравнивают к значению калиброванного вертикального перемещения отсчетной поверхности меры.
Калибровка мерой перемещения вертикального типа, в отличие от калибровки по статическим образцам, не требует набора острых зондов и образцов с высокоточными углублениями. Кроме того, при подаче различных управляющих напряжений возможно одной мерой перемещения произвести калибровку в любой из областей нано- и пикометрового диапазона. Величина перемещения отсчетной поверхности не зависит от ее формы, что позволяет эксплуатировать меры вне вакуумных установок и "чистых зон". Малое время измерений вертикальных перемещений (менее секунды) многократно уменьшает влияние температурного дрейфа и механической релаксации.
Мера перемещения горизонтального типа с реперными фрагментами (типа дифракционной решетки, наночастиц и т.д.) может применятся для калибровки сканирующих зондовых и электронных микроскопов. При калибровке она располагается на предметном столике, и поверхность с реперными фрагментами сканируется зондом или сфокусированным электронным лучом микроскопа. В результате сканирования фиксируется положение реперных фрагментов. От электронной системы управления на меру подается управляющее напряжение, под воздействием которого ее отсчетная поверхность с реперными фрагментами калиброванно перемещается. Сканирующая система микроскопа измеряет величину перемещения реперного фрагмента относительно первоначального положения, и это значение приравнивается к величине калиброванного перемещения отсчетной поверхности меры.
Использование меры перемещения горизонтального типа, в отличие от калибровки по статическим образцам, не требует применения симметричных зондов или набора образцов с реперными фрагментами, расположенными на расстоянии в несколько нанометров, а также позволяет одной мерой перемещения произвести калибровку в любой области нано- и пикометрового диапазона [1].
Высокая линейность и повторяемость перемещения мер делают возможным использование их в качестве стандартов при передаче размеров от первичного эталона к измерительным установкам. Также меры перемещения могут применяться как встроенные высокоточные линейные манипуляторы, обеспечивающие возможность совместного использования результатов прямого и обратного сканирования, что в два раза сокращает время измерения кадра. При этом, замена в нанолитографах растрового сканирования на векторное в десятки раз повышает скорость технологических процессов.
Интерферометры
Для проведения измерений в нанометровом и пикометровом диапазонах разработаны интерферометры различных типов:
•cо стабилизацией лазерного излучения брэгговской и цезиевой ячейками с нестабильностью частоты менее 10–5, которые выпускаются в виде моноблока с интегрированными лазером, оптической системой стабилизации частоты излучения и интерферометром (рис.6a);
•со стабилизацией частоты лазерного излучения брэгговской ячейкой (рис.6b). Относительная нестабильность частоты излучения такого лазера – не более 10–3;
•компактный встраиваемый интерферометр со стабилизированным цезиевой ячейкой излучением, передаваемым по одномодовому световоду от отдельного лазерного блока.
При подаче на меру перемещения регулярных импульсов напряжения возможно измерение оптическим интерферометром соответствующих импульсов перемещения. Усреднение полученных результатов позволяет улучшить отношение сигнал/шум и произвести измерения в пикометровом диапазоне [2].
На рис.7 для меры вертикального типа приведены результаты измерения методом накопления и усреднения импульсов перемещения с амплитудой в несколько пикометров, что экспериментально подтверждает возможность применения мер перемещения в нано- и пикометровом диапазонах. Следует отметить, что при дальнейшем понижении управляющего напряжения будет уменьшаться и величина перемещения отсчетной поверхности, поэтому меры перемещения можно использовать также в фемто- и аттометровом диапазонах.
Разработанные стандарты и интерферометры могут применяться при калибровке микроскопов, встраиваться в нанотехнологические установки и высокочувствительные сенсоры, а также использоваться при проведении научно-исследовательских и учебных работ по наноматериалам, наномеханике и нанометрологии.
ЛИТЕРАТУРА
1.Dziomba T., Luskinovich P.N., Zhabotinskiy V.A., Krebs P., Danzebrink H.-U. Characterization of novel active dynamic SPM standards, Nanoscale 2013.
2.Luskinovich P., Zhabotinskiy V. Nanomani-pulators with Reduced Hysteresis and Interferometers Build in NanoFabs. Sensors & Transducers, Vol. 159, Issue 11, November 2013. Р. 369–373.
Отзывы читателей
