Инженерные основы измерений нанометровой точности
Покупка
Тематика:
Общетехнические дисциплины
Издательство:
Интеллект
Автор:
Лич Ричард К.
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 400
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-91559-119-5
Артикул: 441434.02.99
Книга известного специалиста Национальной Физической Лаборатории (NPL, Великобритания) последовательно рассматривает инженерные аспекты достижения нанометровой точности измерений перемещений и параметров рельефа поверхности, контроля параметров макрообъектов с помощью координатно-измерительных машин, различных зондовых, оптических и электронных средств измерений (включая вопросы обеспечения прослеживаемости измерений длины с помощью лазерной интерферометрии и калибровочных образцов). Также рассмотрены вопросы прецизионных измерений масс.
Для студентов и преподавателей технических университетов, специалистов промышленных предприятий, инженеров-разработчиков и исследователей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 27.03.01: Стандартизация и метрология
- 27.03.02: Управление качеством
- 27.03.04: Управление в технических системах
- 28.03.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
- 28.03.02: Наноинженерия
- 28.03.03: Наноматериалы
- ВО - Магистратура
- 28.04.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Р. ЛИЧ
ИНЖЕНЕРНЫЕ
ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ НАНОМЕТРОВОЙ ТОЧНОСТИ
Перевод с английского А.В. Заблоцкого
Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ
ДОЛГОПРУДНЫЙ
2012
Р. Лич
Инженерные основы измерений нанометровой точности: Учебное издание / Р. Лич — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 400 с.
ISBN 978-5-91559-119-5
Книга известного специалиста Национальной Физической Лаборатории (NPL, Великобритания) последовательно рассматривает инженерные аспекты достижения нанометровой точности измерений перемещений и параметров рельефа поверхности, контроля параметров макрообъектов с помощью координатноизмерительных машин, различных зондовых, оптических и электронных средств измерений (включая вопросы обеспечения прослеживаемости измерений длины с помощью лазерной интерферометрии и калибровочных образцов). Также рассмотрены вопросы прецизионных измерений масс.
Для студентов и преподавателей технических университетов, специалистов промышленных предприятий, инженеров-разработчиков и исследователей.
Fundamental Principles of Engineering Nanometrology
Professor Richard K. Leach
ISBN 978-5-91559-119-5
ISBN 978-0-08-096454-6 (англ.)
© 2010, Richard K. Leach. Published by Elsevier Inc. All rights reserved. This edition of FUNDAMENTAL PRINCIPLES OF ENGINEERING NANOMETROLOGY by Richard Leach is published by arrangement with ELSEVIER INC., a Delaware corporation having its principal place of business at 360 Park Avenue South, New York, NY 10010, USA
© 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление
ОГЛАВЛЕНИЕ
Благодарности.............................................15
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В МЕТРОЛОГИЮ ДЛЯ МИКРО-И НАНОТЕХНОЛОГИЙ..........................................17
1.1. Что представляет собой инженерная нанометрология?.19
1.2. Содержание этой книги.............................20
1.3. Список использованных источников..................21
Глава 2
ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ..........................................23
2.1. Введение..........................................23
2.2. Единицы измерений и система СИ....................25
2.3. Длина.............................................26
2.4. Масса.............................................30
2.5. Сила..............................................32
2.6. Угол..............................................33
2.7. Прослеживаемость измерения........................34
2.8. Точность, прецизионность, разрешение, погрешность и неопределенность измерения...........................37
2.8.1. Точность и прецизионность измерения.........37
2.8.2. Разрешение и погрешность измерения..........38
2.8.3. Неопределенность измерения..................39
2.8.З.1. Перенос распределений вероятности...40
2.8.3.2. Руководство по выражению неопределенности в измерениях (GUM)...........................42
2.8.3.3. Метод Монте-Карло...................44
—1 Оглавление
2.9. Лазеры...........................................46
2.9.1. Принцип действия гелий-неонового лазера....46
2.9.2. Способы стабилизации длины! волны: одномодового лазера...............................49
2.9.3. Стабилизация частоты лазера с исполызованием метода насыщенного поглощения.....................50
2.9.З.1. Стабилизация лазера с двухмодовым режимом работы .......................................52
2.9.4. Лазеры, стабилизированные посредством исполызования эффекта Зеемана, излучающие на длине волны 633 нм.............................53
2.9.5. Калибровка частоты (стабилизированного) лазера, излучающего на длине волны: 633 нм.............56
2.9.6. Существующие и перспективные лазерные стандарты частоты.................................57
2.10. Список исполызованных источников.................58
Глава 3
ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ................................................61
3.1. Геометрия........................................62
3.2. Кинематика.......................................62
3.2.1. Сочленение Келывина........................64
3.2.2. Реализация единственной степени свободы....65
3.3. Динамика.........................................66
3.4. Принцип Аббе.....................................67
3.5. Упругое сжатие...................................69
3.6. Структурные схемы:...............................71
3.6.1. Каркасныйконтур............................71
3.6.2. Тепловойконтур.............................71
3.6.3. Метрологическийконтур......................72
3.7. Материалы.........................................72
3.7.1. Минимизация теплового воздействия..........73
3.7.2. Минимизация механического воздействия......74
3.8. Симметрия........................................75
3.9. Виброизоляция....................................76
3.9.1. Источники вибрации.........................77
3.9.2. Пассивная виброизоляция....................78
Оглавление —I 5
3.9.3. Подавление колебаний..........................80
3.9.4. Внутренний резонанс...........................81
3.9.5. Активная виброизоляция........................81
3.9.6. Акустический шум..............................81
3.10. Список использованных источников...................82
Глава 4
ПРОСЛЕЖИВАЕМОСТЬ ДЛИНЫ ПРИ ПОМОЩИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ..............................................85
4.1. Обеспечение прослеживаемости длины:................85
4.2. Концевые меры как средство обеспечения прослеживаемости.......................................86
4.3. Введение в интерферометрию..........................89
4.3.1. Свет как волна................................89
4.3.2. Измерение биения в случае, когда ш₁ ф шг.....92
4.3.3. Видность и контраст...........................92
4.3.4. Интерференция белого света и длина когерентности.......................................93
4.4. Схемы: интерферометров..............................96
4.4.1. Интерферометры Майкельсона и Тваймана-Грина....................................96
4.4.1.1. Модификация Тваймана—Грина.............97
4.4.2. Интерферометр Физо............................98
4.4.3. Интерферометры Жамена и Маха-Цендера.........101
4.4.4. Интерферометр Фабри-Перо.....................103
4.5. Интерферометрия концевых мер.......................105
4.5.1. Измерение длины: при помощи интерферометрии....................................105
4.5.2. Работа интерферометра для измерения длины: концевых мер.......................................108
4.5.2.1. Измерение сдвига интерференционной картины — сдвиг фаз..........................108
4.5.2.2. Анализ мультиволновой интерференции ..109
4.5.2.3. Длина волны в вакууме.................111
4.5.2.4. Тепловые эффекты .....................111
4.5.2.5. Измерение показателя преломления......112
4.5.2.6. Апертурная коррекция..................113
4.5.2.7. Эффекты поверхности и изменения фазы .114
4.5.3. Источники погрешности........................115
Оглавление
4.5.З.1. Неопределенность относительного сдвига интерференционных полос.......................115
4.5.З.2. Неопределенность мультиволновой интерферометрии...............................116
4.5.З.З. Неопределенность длины волны в вакууме .116
4.5.З.4. Неопределенность вследствие тепловых эффектов......................................116
4.5.З.5. Неопределенность показателя преломления.117
4.5.З.6. Неопределенность апертурной коррекции...117
4.5.З.7. Неопределенность изменения фазы.........117
4.5.З.8. Косинусная погрешность..................118
4.6. Список использованных источников...................118
Глава 5
ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.......................................120
5.1. Введение.............................................120
5.2. Интерферометрия перемещений..........................121
5.2.1. Основы интерферометрии перемещений.............121
5.2.2. Гомодинная интерферометрия.....................122
5.2.3. Гетеродинная интерферометрия...................123
5.2.4. Счет и деление интерференционных полос.........125
5.2.5. Двухпроходная интерферометрия..................126
5.2.6. Дифференциальная интерферометрия...............127
5.2.7. Интерферометрия со свипированием частоты.......128
5.2.8. Источники погрешности..........................129
5.2.8.1. Тепловое расширение.....................130
5.2.8.2. Длина мертвого хода.....................130
5.2.8.З. Косинусная погрешность..................131
5.2.8.4. Нелинейность............................132
5.2.8.5. Коррекция Хейдеманна....................133
5.2.8.6. Источники случайной погрешности.........135
5.2.8.7. Прочие источники погрешности............136
5.2.9. Угловые интерферометры.........................136
5.3. Емкостные датчики....................................138
5.4. Индуктивные датчики..................................139
5.5. Оптические датчики...................................142
5.6. Оптоволоконные датчики...............................144
5.7. Калибровка датчиков перемещения......................146
Оглавление —I 7
5.7.1. Калибровка с использованием оптической интерферометрии.....................................147
5.7.1.1. Калибровка с использованием интерферометра Фабри—Перо....................................147
5.7.1.2. Калибровка с использованием измерительного лазера........................................148
5.7.2. Калибровка с использованием рентгеновской интерферометрии.....................................149
5.8. Список использованных источников.....................152
Глава 6
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ...........................................157
6.1. Введение.............................................157
6.2. Понятие пространственной частоты.....................159
6.3. Исторический обзор...................................160
6.4. Измерение параметров профиля поверхности.............163
6.5. Измерение параметров трехмерной текстуры поверхности............................................164
6.6. Средства измерений...................................166
6.6.1. Стилусные профилометры.........................167
6.7. Оптические профилометры..............................171
6.7.1. Ограничения оптических средств измерений.......172
6.7.2. Оптические сканирующие методы..................178
6.7.2.1. Триангуляционные профилометры...........178
6.7.2.2. Конфокальные микроскопы.................181
6.7.2.2.1. Конфокальныехроматические зонды.185
6.7.2.3. Профилометрия точечной автофокусировки..186
6.7.3. Оптические методы исследования поверхности.....188
6.7.З.1. Микроскопия с переменным фокусом .......188
6.7.3.2. Фазосдвигающая интерферометрия..........191
6.7.3.3. Цифровая голографическая микроскопия ...195
6.7.3.4. Когерентная сканирующая интерферометрия.197
6.7.4. Методы рассеяния...............................200
6.8. Емкостные средства измерений.........................204
6.9. Пневматические средства измерений....................205
6.10. Калибровка средств измерений параметров рельефа поверхности.............................................205
Оглавление
6.10.1. Прослеживаемость измерений параметров рельефа поверхности................................206
6.10.2. Калибровка средств измерений параметров профиля поверхности................................207
6.10.3. Калибровка средств измерений параметров трехмерной текстуры поверхности....................209
6.11. Неопределенность измерений параметров рельефа поверхности.............................................214
6.12. Сравнение средств измерений параметров рельефа поверхности.............................................216
6.13. Стандарты на программное обеспечение................218
6.14. Список использованных источников....................219
Глава 7
СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ, ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ.........................................229
7.1. Сканирующая зондовая микроскопия....................230
7.2. Сканирующая туннельная микроскопия..................232
7.3. Атомно-силовая микроскопия..........................234
7.3.1. Источники шума в атомно-силовой микроскопии.......................................235
7.З.1.1. Определение уровня статического шума...236
7.З.1.2. Определение уровня динамического шума..237
7.З.1.З. Определение уровня шума ху-сканера.....237
7.3.2. Некоторые типичные артефакты АСМ-изображений...................................238
7.З.2.1. Размер и форма иглы....................238
7.З.2.2. Загрязнение зонда......................239
7.З.2.З. Прочие артефакты ......................239
7.3.3. Определение системы координат атомно-силового микроскопа........................................240
7.3.4. Прослеживаемость в атомно-силовой микроскопии.......................................241
7.З.4.1. Калибровка АСМ.........................242
7.3.5. Измерение силы при помощи АСМ..................244
7.3.6. Определение жесткости кантилевера АСМ..........246
7.3.7. Измерение меж- и внутримолекулярных сил при помощи АСМ....................................248
7.З.7.1. Придание зонду функциональных свойств .251
Оглавление —I 9
7.3.8. Измерение расстояния между зондом и образцом...........................................253
7.3.9. Артефакты, возникающие при измерении сил посредством АСМ .....................................254
7.4. Исследование наночастиц при помощи сканирующей зондовой микроскопии....................................256
7.5. Электроннаямикроскопия.............................256
7.5.1. Растровая электронная микроскопия............256
7.5.1.1. Выбор калибровочного образца для растровой электронной микроскопии .......................258
7.5.2. Просвечивающая электронная микроскопия.......259
7.5.3. Прослеживаемость и калибровка просвечивающих электронных микроскопов..............................260
7.5.З.1. Выбор калибровочного образца .........261
7.5.3.2. Линейная калибровка...................262
7.5.3.3. Локальная калибровка .................262
7.5.3.4. Эталонная сетка.......................262
7.5.4. Иследование наночастиц при помощи электронной микроскопии..........................................263
7.6. Ионная микроскопия.................................265
7.7. Список использованных источников...................266
Глава 8
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ..........................270
8.1. Введение...........................................270
8.2. Характеризация профиля поверхности.................271
8.2.1. Длина оценки.................................272
8.2.2. Общее перемещение............................273
8.2.3. Фильтрация профиля...........................273
8.2.З.1. Первичный профиль.....................275
8.2.3.2. Профиль шероховатости.................276
8.2.3.3. Профиль волнистости...................276
8.2.4. Стандартные значения при характеризации профиля..............................................276
8.2.5. Основные параметры характеризации профиля....277
8.2.5.1. Обозначения параметров профиля........278
8.2.5.2. Неоднозначность параметров профиля....279
8.2.6. Параметры амплитуды профиля (от пиков до впадин).................................279
¹⁰ -V
Оглавление
8.2.6.1. Максимальная высота пика профиля Rp........279
8.2.6.2. Максимальная глубина долины профиля Rv...279
8.2.6.3. Максимальная высота профиля Rz.............280
8.2.6.4. Средняя высота элементов профиля Rc........281
8.2.6.5. Общая высота поверхности Rt................281
8.2.7. Средние значения параметров профиля................282
8.2.7.1. Среднее арифметическое отклонение профиля Ra........................................282
8.2.7.2. Среднеквадратичное отклонение профиля Rq...283
8.2.7.3. Асимметрия профиля Rsk.....................284
8.2.7.4. Эксцесс профиля Rku........................285
8.2.8. Параметры ширины элементов профиля.................286
8.2.8.1. Средняя ширина элементов профиля RSm ......286
8.2.9. Параметры кривых профиля...........................287
8.2.9.1. Относительная опорная длина профиля........287
8.2.9.2. Кривая относительной опорной длины профиля...........................................288
8.2.9.3. Разница высот уровней сечения Rdc..........288
8.2.9.4. Удельная опорная длина профиля Rmr.........289
8.2.9.5. Кривая амплитуды высот профиля.............289
8.2.10. Стандарты характеризации профиля..................291
8.3. Характеризация трехмерной текстуры поверхности..........293
8.3.1. Фильтрация изображения поверхности.................293
8.3.2. Фильтрация трехмерной текстуры поверхности.........294
8.3.3. Стандарты характеризации трехмерной текстуры поверхности.............................................298
8.3.4. Единая система координат для характеризации текстуры и формы поверхности............................300
8.3.5. Параметры характеризации трехмерной текстуры поверхности.............................................301
8.3.6. Параметры целого изображения.......................301
8.З.6.1. Параметры высоты трехмерной текстуры поверхности.......................................301
8.З.6.1.1. Среднеквадратичная высота поверхности Sq.................................301
8.З.6.1.2. Среднее арифметическое значение абсолютной высоты поверхности Sa.............302
8.З.6.1.З. Асимметрия распределения высот Ssk.302
8.З.6.1.4. Эксцесс распределения высот Sku....302
8.З.6.1.5. Максимальная высота пиков поверхности Sp.................................302
Оглавление —I 11
8.З.6.1.6. Максимальная глубина долин поверхности Sv..................................303
8.З.6.1.7. Максимальная высота поверхности Sz...303
8.3.6.2. Пространственные параметры характеризации трехмерной текстуры поверхности.......................303
8.З.6.2.1. Длина автокорреляции Sal.............303
8.3.6.2.2. Аспектное отношение текстуры поверхности Str.................................304
8.3.6.3. Смешанные параметры трехмерной текстуры поверхности...........................................304
8.З.6.З.1. Среднеквадратичный градиент отфильтрованной поверхности Sdq.................305
8.3.6.3.2. Показатель развитости межфазных границ Sdr......................................305
8.3.6.4. Функциональные параметры......................306
8.З.6.4.1. Относительная опорная площадь отфильтрованной поверхности Smc(c)..............306
8.3.6.4.2. Кривая относительной опорной площади отфильтрованной поверхности ....................306
8.3.6.4.3. Обратная относительная опорная площадь отфильтрованной поверхности Sdc(mr) ............307
8.3.6.4.4. Параметры характеризации стратифицированной функциональной отфильтрованной поверхности ....................307
8.3.6.4.5. Объем пустот Vv(mr) .................307
8.3.6.4.6. Объем материала Vm(mr)...............308
8.3.6.4.7. Высота пиков Sxp.....................308
8.3.6.4.8. Функция плотности градиента .........309
8.3.6.5. Вспомогательный параметр......................309
8.3.6.5.1. Направление текстуры отфильтрованной поверхности Std.................................309
8.3.7. Характеризация элементов поверхности..................310
8.3.7.I. Шаг 1. Выбор элементов поверхности............310
8.3.7.2. Шаг 2. Сегментация............................310
8.3.7.2.1. Дерево изменений.....................313
8.3.7.3. Шаг 3. Определение значимых элементов.........315
8.3.7.4. Шаг 4. Выбор признаков элементов..............316
8.3.7.5. Шаг 5. Определение количественных характеристик признаков элементов.....................316
8.3.7.6. Параметры элементов...........................317
8.3.7.6.1. Плотность пиков Spd..................317
8.3.7.6.2. Средняя арифметическая кривизна пиков Spc.......................................318
-И, Оглавление
8.3.7.6.3. Высота поверхности по десяти точкам SlOz...............................318
8.3.7.6.4. Высота пиков по пяти точкам S5p .318
8.3.7.6.5. Глубина впадин по пяти точкам S5v.318
8.3.7.6.6. Площадь замкнутых долов Sda(c) ..318
8.3.7.6.7. Площадь замкнутых холмов Sha(c)..318
8.3.7.6.8. Объем замкнутых долов Sdc(c) ....319
8.3.7.6.9. Объем замкнутых холмов Shv(c)....319
8.4. Фрактальные методы.....................................319
8.4.1. Линейные фрактальные методы......................321
8.4.2. Фрактальный анализ трехмерной текстуры поверхности ............................................323
8.4.2.1. Анализ зависимости объем—масштаб.........324
8.4.2.2. Анализ зависимости площадь—масштаб.......324
8.5. Сравнение характеризаций профиля и трехмерной текстуры поверхности.......................................327
8.6. Список использованных источников.......................328
Глава 9
КООРДИНАТНАЯ МЕТРОЛОГИЯ.........................................333
9.1. Координатно-измерительные машины (КИМ)..............333
9.1.1. Зондовые системы КИМ.............................336
9.1.2. Программное обеспечение КИМ...............337
9.1.3. Позиционирование.................................337
9.1.4. КИМ и САПР.......................................338
9.1.5. Объекты геометрической и свободной формы.........338
9.1.6. Прочие типы КИМ..................................339
9.2. Источники погрешности КИМ..............................339
9.3. Прослеживаемость, калибровка и поверка КИМ..........340
9.3.1. Прослеживаемость КИМ.............................341
9.4. КИМ малого диапазона...................................343
9.4.1. Автономные КИМ малого диапазона..................344
9.4.1.1. КИМ малого диапазона со штриховой измерительной шкалой..............................345
9.4.1.2. КИМ малого диапазона с лазерным интерферометром...................................346
9.5. Зонды КИМ малого диапазона.............................348
9.6. Калибровка КИМ малого диапазона........................355
Оглавление —I 13
9.6.1. Калибровка КИМ малого диапазона с лазерным интерферометром...........................357
9.6.2. Калибровка КИМ малого диапазона со штриховой измерительной шкалой....................358
9.7. Список использованных источников.....................360
Глава 10
ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ И МАСС..........................................365
10.1. Прослеживаемость традиционных измерений масс.........365
10.1.1. Изготовление Международного прототипа килограмма и его первичных копий.....................366
10.1.2. Текстура поверхности эталонов массы...........367
10.1.3. Распространение эталона килограмма............368
10.1.4. Стабильность эталонов килограмма после очистки..............................................368
10.1.5. Ограничения текущего определения килограмма...........................................369
10.1.6. Исследования в области альтернативных способов определения килограмма......................370
10.1.6.1. Использование ватт-весов..............372
10.1.6.2. Использование метода Авогадро ........372
10.1.6.3. Использование аккумуляции ионов.......373
10.1.6.4. Использование левитирующего сверхпроводника...............................373
10.1.7. Компараторы массы.............................373
10.1.7.1. Современные механические весы с двумя чашами ...............................374
10.1.7.2. Электронные весы......................374
10.2. Измерения малых масс.................................375
10.2.1. Определение массы путем деления...............376
10.3. Измерения малых сил..................................376
10.3.1. Сравнительные величины малых сил .............376
10.3.2. Прослеживаемость измерений малых сил..........378
10.3.3. Весы для измерения малых сил..................379
10.3.4. Эталоны сравнения для измерения малых сил.....380
10.3.4.1. Использование силоизмерительных машин.381
10.3.4.2. Использование упругих элементов ......381
10.3.4.3. Использование малых электростатических весов.........................................385
—1 Оглавление
10.3.4.4. Использование резонансных методов.386
10.3.4.5. Заключение........................387
10.4. Список использованных источников................390
Приложение А
БАЗОВЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СИСТЕМЫ СИ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В NPL...................................394
Приложение Б
ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СИСТЕМЫ СИ..............................................397
Примеры производных единиц системы! СИ, выраженных через базовые единицы.....................397
Производные единицы системы СИ с собственными названиями и обозначениями...........................398
БЛАГОДАРНОСТИ
Многие помогали мне с составлением этой, первой для меня книги. Работа над ней внесла ряд изменений и в мою личную жизнь, и я очень благодарен моей любимой Никки за то, что она терпела меня все это время (особенно когда я настоял на том, что мне необходим ноутбук в гостиной).
Прежде всего, я хотел бы сказать спасибо доктору Хану Хайтье-ма (Исследовательский центр компании Mitutoyo в Европе, Нидерланды) за его критические замечания к наброскам большей части разделов, а также за его неиссякаемое благодушие и прочную связь с реальностью.
Кроме того, мне помогали и многие другие коллеги, заслужившие мою вечную признательность и дружбу. Не придерживаясь никакого особого порядка, хочу привести здесь их имена. Это Джон Ханнафорд, профессор Дерек Четвинд (Уорикский университет, Великобритания), доктор Андреас Фрайзе (Бирмингемский университет, Великобритания), профессор Лиам Блант, доктор Лей Браун и профессор Сянцянь (Джейн) Цзян (Хаддерсфилдский университет, Великобритания), доктор Майк Конрой, Дэниел Мэнсфилд, Дариан Можер и профессор Пол Скотт (компания «Тейлор Гобсон», Великобритания), доктор Рой Блант (компания IQE, Великобритания), доктор Джон Петцинг (Университет Лафборо, Великобритания), доктор Георг Виора (компания Nanofocus, Германия), доктор Франц Хелмли (компания Alicona, Австрия), доктор Ларс Линдстранд (компания Scantron, Великобритания), профессор Крис Браун (Вустерский политехнический институт, США), профессор Пол Шор (Университет Крэнфилда, Великобритания), доктор Джеймс Джонстон (компания NanoKTN, Великобритания), доктор Роланд Рот (компания Zeiss, Германия), профессор Герт Йегер (Технический университет Ильменау, Германия), доктор Тед Ворбюргер
¹⁶ -V
Благодарности
(Национальный институт стандартов и технологий, США), доктор Эрнст Трефферс (компания Xpress Precision Engineering, Нидерланды), доктор Марейн ван Вегель (Национальный метрологический институт Нидерландов), доктор Тристан Колон (компания Ьупсее Тес, Швейцария), а также доктор Кацусиро Миура и Ацуко Нозе (компания Mitaka Kohki, Япония).
С содержанием этой книги мне помогали и многие мои коллеги из NPL. Среди них я хотел бы назвать Джеймса Клэверли, доктора Алекса Кената, доктора Стюарта Дэвидсона, Дэвида Флэка, профессора Марка Джи, Клаудиу Джуска, доктора Питера Харриса, Криса Джонса, Энди Нотта, доктора Эндрю Льюиса, доктора Симона Рейли и доктора Эндрю Якута. Особое спасибо Джулиану Гейму за его волшебную работу над великолепными иллюстрациями.
Я должен также поблагодарить доктора Нигеля Холлингсворта (компания Key Technologies Innovations International) за его неизменную поддержку на всем протяжении работы над этой книгой.
Эта книга посвящается покойному профессору Альберту Фрэнксу, бывшему моим первым начальником в NPL и вдохновившему меня на исследования в этой области. Спасибо, Альберт.
Я хочу выразить благодарность моим родителям и сестрам. В конце концов, именно их я бы желал порадовать своей работой в первую очередь. Также я хочу упомянуть своего сына Марка, которого очень люблю.
ГЛАВА
1
ВВЕДЕНИЕ В МЕТРОЛОГИЮ ДЛЯ МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Считалось, что широкое использование микро- и нанотехнологий непременно повлечет за собой как появление различных новых чудесных устройств, так и разительные изменения воб-разе жизни в целом (см., например, ссылки на литературу [1] — [3]). Однако, несмотря на значительное увеличение финансирования подобных исследований во всем мире, коммерческий успех в этой области на текущий момент не столь высок, как ожидалось. На меньшем из этих двух масштабов, в нанотехнологиях, большинство работ все еще находится на стадии исследования. Что же касается более зрелого мира микросистемной техники, то он представляет собой уже вполне сформировавшуюся и весьма значимую отрасль промышленности. По сути микросистемная промышленность сейчас достигла той стадии зрелости, на которой она претерпевает существенные изменения и реструктуризацию, проходящие по тому же пути, который ранее проделали традиционная инженерия и макромасштабная техника. Несмотря на общий устойчивый рост данной индустрии, отдельные ее сектора и компании переживают трудные времена; поглощения, слияния и даже банкротства становятся весьма частыми явлениями. Общепризнано, что микро- и нанопромышленность остро нуждаются в инфраструктуре стандартов и эталонов, позволившей бы всем производственным предприятиям обмениваться отдельными деталями, их компоновкой и принципами проектирования. В сущности, речь идет об эквивалентах макроскопических гаек, болтов и кирпичей в микро- и наномасштабе. Это не повредит инновациям; напротив, это позволит разработчикам и изобретателям уделять больше времени инновационным аспектам своей работы, не тратя времени на «изобретение колеса».
Итоги последних правительственных обзоров [3] и опросов в Европе [4] и США [5] ясно показывают, что стандартизация — основ
¹⁸ -V
Глава 1. Введение в метрологию для микро- и нанотехнологий
ной аспект, препятствующий коммерческому успеху в микросис-темной промышленности. В этой книге рассмотрен ряд метрологических вопросов, знание которых необходимо для развития в ближайшем будущем инфраструктуры стандартов и эталонов для микро- и нанотехнологий. Если взаимозаменяемость деталей должна стать реальностью, то производственным предприятиям придется отступить от собственных «домашних» и так называемых «золотых» стандартов и эталонов и начать использовать стандартизованные измерительные методики и эталоны, обеспечивающие прослеживаемость до национальных или международных реализаций единиц измерений [6].
Прогресс в области микро- и нанотехнологий представляет интерес не только на академическом уровне. Существенное преимущество заключается в возможности охватить большое число рынков новыми устройствами и материалами, так как это позволяет покрыть затраты на разработку. Следовательно, значительные усилия направляются не только на развитие микро- и наноустройств и материалов, но и на возможно большее увеличение охвата рынка и трансфер технологий посредством производства от исследовательской стадии до коммерческого рынка. Зачастую при анализе препятствий, мешающих успешному внедрению новой технологии, в метрологии обнаруживаются области, требующие более тщательного исследования, чем осуществляющееся на текущий момент. Наряду с этим, метрология позволяет не только обеспечить контроль выпускаемой продукции, но и отрегулировать информативным и количественным образом юридические и этические вопросы, а также вопросы безопасности [7].
На стандартизацию в области микро- и нанотехнологий направлены большие усилия многих национальных и региональных комитетов. Международная организация по стандартизации (ИСО) недавно учредила технический комитет ИСО (ТК ИСО) 229. Международная электротехническая комиссия (МЭК) в сопровождение электрических применений микро- и нанотехнологий также основала ТК 113. Несколько рабочих групп также являются результатом сотрудничества между ИСО и МЭК на том основании, что на уровне микро- и нанотехнологий имеются общие аспекты, касающиеся свойств материалов (ИСО) и излучения (МЭК). При этом сформированные совместные рабочие группы (Joint Working Groups — JWGs) ИСО и МЭК включают в себя группу по термино-
1.1. Что представляет собой инженерная нанометрология?
Л
19
логии и номенклатуре (JWG1) и группу по измерениям и характеризации (JWG2); имеются также две рабочие группы, принадлежащие исключительно ИСО и занимающиеся вопросами здоровья, безопасности и окружающей среды (WG3) и техническими требованиями к изделиям и его рабочими характеристикам (WG4) соответственно. Основная работа технических комитетов до сих пор заключалась в том, чтобы сформулировать общие определения в области нанотехнологий и опубликовать обзоры по тому, как следует обращаться с разработанными наноматериалами на производстве. Стандартизованные методики измерений и характеризации сейчас активно развиваются, к примеру, в области изучения углеродных нанотрубок. Работы в области стандартизации для микро-и нанотехнологий также дополняются работами, координацию которых осуществляет ТК 352 Европейского комитета по стандартизации. Существует также большое число давно сложившихся и тесно взаимосвязанных комитетов ИСО, не занимающихся напрямую вопросами из области микро- и нанотехнологий, но затрагивающих важные аспекты инженерной нанометрологии. В качестве примера можно привести ТК 213 ИСО, разрабатывающий стандарты для структуры поверхности, и ТК 201 ИСО, рассматривающий вопросы стандартизации в области сканирующей зондовой микроскопии. ТК 209 ИСО (по технологиям чистых комнат) также имеет рабочую группу по вопросам нанотехнологий (WG10).
1.1. ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ
ИНЖЕНЕРНАЯ НАНОМЕТРОЛОГИЯ?
Инженерная метрология занимается вопросами измерений и стандартизации на производстве. В прошлом инженерная метрология в основном относилась к метрологии размеров, т. е. включала в себя научные и технические аспекты измерения длины (см. [8], [9]). К современной инженерной метрологии наряду с метрологией размеров обычно относится также метрология масс и производных величин. Некоторые авторы также включают сюда такое важное добавление, как метрологию материалов [10]. Тем не менее, в данной книге речь будет в основном идти о более традиционных областях — измерениях размеров и масс. Подобный выбор отчасти обусловлен желанием сохранить объем этой книги на при
²⁰
Глава 1. Введение в метрологию для микро- и нанотехнологий
емлемом уровне, отчасти же тем обстоятельством, что именно эти сферы и представляют собой объект исследовательского интереса автора.
Итак, инженерная нанометрология — это традиционная инженерная метрология на масштабе микро- и нанотехнологий. Отметим, что в то время как нанотехнология охватывает область размеров примерно от 0,1 до 100 нм, нанометрология не ограничивается подобным диапазоном: она включает в себя измерения, имеющие точность и неопределенность в данном (и даже меньшем!) диапазоне. Например, сюда может относиться измерение формы сегмента зеркала телескопа со стороной 1 м с точностью до 10 нм.
Важно понимать, что в микро- и нанотехнологиях существует много других областей измерений, не менее важных, чем измерения размеров и масс. К таким измерениям, не затронутым в данной книге, относятся измерения электрических, химических и биологических величин, а также разнообразные измерения свойств материалов, включая свойства частиц. В метрологии также имеется ряд областей, которые вполне можно отнести к инженерной нанометрологии, но которые, тем не менее, не были рассмотрены в данной книге: измерения отклонения от круглости [11], измерения параметров тонких пленок (преимущественно их толщины) [12], [13], динамические измерения вибрирующих структур [14] и томографические измерения (преимущественно в рентгеновской компьютерной томографии [15] и оптической когерентной томографии [16]). Я хотел бы еще раз отметить, что обоснование выбора содержания приведено выше.
1.2. СОДЕРЖАНИЕ ЭТОЙ КНИГИ
Данная книга разделена на десять глав. В гл. 2 излагается вводная информация об измерениях, включая исторические и современные определения единиц длины, угла, массы и силы. Там же рассматриваются базовые метрологические термины, в том числе крайне важное понятие неопределенности измерения. Описанный в гл. 2 лазер — значимая составляющая многих средств измерений, рассмотренных в этой книге.
В гл. 3 приведены важнейшие понятия, которые необходимо учитывать при разработке или анализе прецизионных средств из
1.3. Список использованных источников —I 21
мерений. В гл. 4 рассматривается измерение длины при помощи оптической интерферометрии, описываются основные принципы интерферометрии и дается обзор основных источников ошибок. Глава 5 посвящена измерениям перемещений и описаниям современных видов датчиков перемещения. Измерение параметров рельефа поверхности подробно рассматривается в следующих трех главах, поскольку является значимой и весьма обширной темой. В гл. 6 описываются стилусные и оптические средства измерения поверхности, в гл. 7 — сканирующая зондовая микроскопия, а также электронная и ионная микроскопия. В гл. 6 и 7 приводятся описания средств измерений, их ограничения и методы калибровки. В гл. 8 подробно рассматриваются методы характеризации поверхности, включая как характеризацию профиля поверхности, так и характеризацию трехмерной текстуры поверхности. Глава 9 представляет собой небольшое введение в координатную метрологию, в ней также рассматриваются последние разработки в области координатно-измерительных машин малого диапазона. Наконец, в гл. 10 приводится обзор последних достижений в области метрологии малых сил и масс.
1.3. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников
[1] Storrs H.J. Nanofuture: what’s next for nanotechnology. Promethius Books, 2005.
[2] Mulhall D. Our molecular future: how nanotechnology, robotics, genetics and artificial intelligence will transform our future. Promethius Books, 2002.
[3] Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties. Royal Society and Royal Academy of Engineering, 2004.
[4] Singleton L., Leach R.K., Cui Z. Analysis of the MEMSTAND survey on standardisation for microsystems technology. Proc. Int. Seminar MEMSTAND. Barcelona, Spain. 11-31, 24-6 Feb 2003.
[5] MEMS Industry Group Report: «Focus on Fabrication». Feb., 2003.
[6] Postek M.T., Lyons K. Instrumentation, metrology and standards: key elements for the future of nanotechnology. Proc. SPIE 6648 664802, 2007.
[7] Hunt G., Mehta M. Nanotechnology: risk, ethics and law. Earthscan Ltd, 2008.
[8] Hume K.J. Engineering metrology. 2nd edition. Macdonald & Co, 1967.
[9] Thomas G.G. Engineering metrology. Newnes-Butterworth: London, 1974.
—1 Глава 1. Введение в метрологию для микро- и нанотехнологий
[10] Anthony D.M. Engineering metrology (materials engineering practice). Pergamon, 1986.
[11] Smith G.T. Industrial metrology: surfaces and roundness. Springer, 2002.
[12] Tompkins H.G., Eugene A.I. Handbook of ellipsometry. Springer, 2004.
[13] Yacoot A., Leach R.K. Review of x-ray and optical thin film measurement methods and transfer artefacts. NPL Report DEPC-EM 13, 2007.
[14] LobontiuN. Dynamics of microelectromechanical systems. Springer, 2007.
[15] Withers P.J. X-ray nanotomography. Materials Today. 10. 26—34, 2007.
[16] Brezinski M.E. Optical coherence tomography: principles and applications. Academic Press, 2006.