Меры или эталоны сравнения

Важнейший этап в решении задач метрологического обеспечения линейных измерений в нанометровом диапазоне – это создание вещественных носителей размера – мер, с программируемым нанорельефом поверхности. Они обеспечивают калибровку средств измерений с наивысшей точностью (рисунки 7.2, 7.3, 7.4).

Именно такие трехмерные меры малой длины, или эталоны сравнения, – материальные носители размера, позволяют осуществлять комплексную калибровку и контроль основных параметров растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов. Они предназначены для перевода этих сложных устройств из разряда устройств для визуализации исследуемого объекта в разряд средств измерений. Приборы для измерений линейных размеров объектов исследования обеспечивают привязку измеряемых величин в нанометровой области к первичному эталону единицы длины – метру.

Рисунок 7.2 – Изображение эталона сравнения в атомно-силовом микроскопе

Рисунок 7.3 – Эталон сравнения – линейная мера

Для аттестации эталонов сравнения используют эталонную трехмерную интерферометрическую систему измерений наноперемещений. Аттестуют шаг меры и размеры верхних и нижних оснований выступов и канавок (ширина линии), а также высоту (глубину) рельефа. Эталоны сравнения можно изготовить с разной шириной линий от 10 нм до 1500 нм и высотой рельефа от 100 нм до 1500 нм, но при одном и том же шаге структуры. Мера позволяет по одному ее изображению в РЭМ (даже по одному сигналу), что очень важно для контроля технологических процессов, выполнить калибровку микроскопа (рисунок 7.5), определить увеличение микроскопа, линейность его шкал и диаметр электронного зонда.

Рисунок 7.4 – Профиль эталона сравнения

Рисунок 7.5 – Метод калибровки РЭМ по одному изображению

Кроме того, при необходимости подтвердить правильность измерений можно контролировать параметры РЭМ непосредственно в процессе проведения измерений размеров исследуемого объекта. Это является дополнительной гарантией высокого качества измерений. Мера позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать на основе растровых электронных микроскопов автоматизированные измерительные комплексы. Ряд подобных комплексов уже существует. Так в НИЦПВ создан автоматизированный комплекс для линейных измерений в области размеров от 1 нм до 100 мкм на основе растрового электронного микроскопа JSM-6460LV.

Аналогичным образом по заданным параметрам меры проводятся калибровка и контроль таких характеристик атомно-силовых микроскопов (АСМ), как цена деления и линейность шкал по всем трем координатам, ортогональность систем сканирования, радиус острия зонда (кантилевера), настройка параметров и выход микроскопа в рабочий режим (рисунок 7.6). Системы калибровки и аттестации АСМ успешно внедряются на предприятиях, специализирующихся на создании оборудования для нанотехнологии.

Рисунок 7.6 – Метод калибровки АСМ по одному изображению

Развитие нанотехнологий ужесточает требования к измерительным системам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями. Все это требует серьезного отношения к вопросу обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. РЭМ и сканирующий зондовый микроскопы только тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры будут соответствующим образом аттестовываться, калиброваться и контролироваться, причем последнее непосредственно в процессе измерений.

Трехмерные меры или эталоны сравнения – материальные носители размера – своеобразный мост между объектом измерений и эталоном метра, являются идеальным средством для осуществления таких операций. Важно одно: культура измерений требует, чтобы любой растровый электронный или сканирующий зондовый микроскоп, независимо от того, где он находится – в научной или промышленной лаборатории, учебном заведении или участвует в технологическом процессе, – должен быть укомплектован мерами, обеспечивающими калибровку и контроль параметров этого сложного устройства. Только тогда измерения, производимые на нем, могут претендовать на достоверность. Кроме того, использование методов и средств калибровки и аттестации растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов производителями соответствующих приборов позволит им создавать новые приборы с лучшими характеристиками, которые, в свою очередь, позволят продвинуться дальше на пути развития нанотехнологий.