СТАНДАРТЫ НАНО- И ПИКОМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ НА ОСНОВЕ МЕР ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Форма поверхности материалов в нанометровом диапазоне нестабильна- из-за осаждения адсорбированного слоя, физико-химических процессов окисления, диффузии, миграции, а также осаждения микро- и наночастиц. В результате, выполнение основного метрологического требования- обеспечения более высокой точности изготовления стандартов, по сравнению с точностью измеряемого изделия становится невыполнимым. В пикометровом диапазоне, при необходимости передачи линейных размеров, соразмеримых с размерами атома и даже значительно менее их (в десятки пикометров), неопределенность размеров изготавливаемых статических стандартов превышает размеры атома.

Для преодоления данных противоречий были изготовлены меры перемещения из монокристаллического материала с обратным пьезоэффектом (типа ниобата лития), изменяющие свои линейные размеры прямо пропорционально величине управляющего напряжения. В данных мерах вертикальное или горизонтальное перемещение зависит от ориентации кристаллографических осей применяемого монокристалла. Меры выпускаются в корпусном и безкорпусном исполнении. Одна сторона кристалла расположена на основании меры. На противоположной стороне располагается перемещаемая относительно основания отсчетная поверхность.

Для увеличения перемещения применяются многокристальные сборки из последовательно соединенных монокристаллов.

Принцип работы мер перемещения вертикального и горизонтального типов показан на рисунке 1.

Рис.1

Принцип работы пьезоматериалов в манипуляторах: a) Перемещение по горизонтали под воздействием управляющего напряжения б) Перемещение по вертикали под воздействием управляющего напряжения

Экспериментальные измерения величин перемещения отсчетных поверхностей мер производились оптическим интерферометром. Фотографии мер перемещения вертикального и горизонтального типов, а также экспериментально измеренные зависимости перемещения их отсчетных поверхностей от величин управляющего напряжения приведены на рисунке 2.

Рис.2

Фотографии мер перемещения и графики зависимости: Мера перемещения по оси Z и график зависимости величины перемещения по вертикали от управляющего напряжения  Мера перемещения по оси Х и график зависимости величины перемещения по горизонтали от управляющего напряжения.

Результаты измерений подтверждают, что линейность перемещения мер из монокристаллов в десятки раз выше линейности аналогичных образцов из полидоменной пьезокерамики. На рисунке 3 для сравнения приведены формы трапецеидального импульса управляющего напряжения и импульса перемещения отсчетной поверхности меры вертикального типа.

Рис.3

a) Форма трапецеидального импульса управляющего напряжения б) форма импульса перемещения отсчетной поверхности меры вертикального типа

На рисунке 4 показано многоступенчатое нарастающее и спадающее перемещение отсчетной поверхности меры вертикального типа, в результате которого величина конечного позиционирования совпадает с исходной величиной, что подтверждает практическое отсутствие гистерезиса и creep. 

Рис.4

Ступенчатая форма импульсов

Калибровка сканирующих зондовых микроскопов мерой перемещения вертикального типа производится следующим образом:

1. Мера располагается на предметном столике и к отсчетной поверхности меры подводится зонд на расстояние между вершиной и поверхностью образца, которое далее удерживается постоянным следящей системой микроскопа.
2. От электронной системы управления на меру подается управляющее напряжение под воздействием которого калибровано перемещается отсчетная поверхность меры. Следящая система, стабилизирующая зазор между вершиной образца и отсчетной поверхностью, перемещает зонд на расстояние равное величине перемещения отсчетной поверхности.
3. В результате калибровки микроскопа отображаемую в микроскопе величину перемещения приравнивают величине калиброванного вертикального перемещения отсчетной поверхности меры.

Калибровка микроскопов мерой перемещения вертикального типа (в отличие от калибровки по статически образцам) не требует применения набора острых зондов и образцов с высокоточными углублениями, а также позволяет одной мерой перемещения произвести калибровку в любой из областей нано- и пикометрового диапазона.

Калибровка сканирующих зондовых и электронных микроскопов мерой перемещения горизонтального типа с реперными фрагментами (типа дифракционной решетки, наночастиц и т.д.) производится следующим образом:

1. Мера располагается на предметном столике и её поверхность с реперными фрагментами сканируется зондом или сфокусированным лучом электронного микроскопа. В результате сканирования фиксируется положение реперных фрагментов.
2. От электронной системы управления на меру подается управляющее напряжение под воздействием которого отсчетная поверхность меры с реперными фрагментами калиброванно перемещается. Сканирующая система микроскопа измеряет величину перемещения реперного фрагмента относительно первоначального положения.
3. В результате калибровки микроскопа отображаемую в микроскопе величину перемещения реперного фрагмента приравнивают величине калиброванного перемещения отсчетной поверхности меры.

Калибровка микроскопов мерой перемещения горизонтального типа (в отличие от калибровки по статически 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].

При проведении экспериментальных измерений величин перемещения мер использовались электронные системы, управляемые от компьютера (рис. 5). Величина генерируемого напряжения измерялась вольтметром Fluke8846А.

Рис.5

Электронная система управления

Высокая линейность и повторяемость перемещения мер позволяют использовать их в качестве стандартов при передаче размеров от первичного эталона к измерительным установкам. Меры перемещения могут использоваться также как встроенные высокоточные линейные манипуляторы. Применение данных линейных манипуляторов обеспечивает возможность совместного использования результатов прямого и обратного сканирования, что в 2 раза сокращает время измерения кадра. Кроме того замена в нанолитографах растрового сканирования на векторное более чем в десятки раз сокращает время проведения соответствующих технологических процессов.

Изготовление мер вертикального перемещения с резонансной частотой более 100 кГц, обеспечивает возможность измерения времени реакции следящих систем сканирующих зондовых микроскопов.

Для проведения измерений в нанометровом и пикометровом диапазонах были разработаны интерферометры различных типов:

1. Со стабилизацией лазерного излучения брэгговской и цезиевой ячейками с нестабильностью частоты менее 10-5. Выпускаются в 2-х модификациях:
   • а) в виде моноблока, в котором интегрирован лазер, оптическая система стабилизации частоты излучения и интерферометр (рис. 6а).
   • б) интерферометра с удаленной передачей лазерного излучения от моноблока с лазером и оптической системой стабилизации частоты (рис. 6б).
2. Со стабилизацией частоты лазерного излучения брэгговской ячейкой (рис.6в).

Рис.6

Интерферометры различных типов

Относительная нестабильность частоты излучения данного лазера не более 10-3.

При подаче на меру перемещения регулярных импульсов напряжения возможно измерение оптическим интерферометром соответствующих импульсов перемещения. Обработка результатов измерения импульсов перемещения методом усреднения позволяет улучшить отношение сигнал/шум и произвести измерения в пикометровом диапазоне[2]. Результаты измерения импульсов перемещения с амплитудой в несколько пикометров приведены на рисунке 7.

Рис.7

Форма импульса меры вертикального перемещения в пикометровом диапазоне

Разработанный измерительный комплекс может применяться при калибровке измерительных 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. Characterization of novel active dynamic SPM standards , Nanoscale 2013
   1. T. Dziomba 2) P.N. Luskinovich 2) V.A. Zhabotinskiy 1) P. Krebs 1) H.-U. Danzebrink
   2. Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Germany
   3. NANOmeter Standard GmbH, Astrid-Lindgren-Str. 19, 81829 München, Germany
2. Nanomanipulators with Reduced Hysteresis and Interferometers Build in NanoFabs
   1. Petr Luskinovich, Vladimir Zhabotinskiy,Sensors & Transducers, Vol. 159, Issue 11, November 2013, pp. 369-373

Данная статья опубликована в журнале "НАНОИНДУСТРИЯ" 5/2015 (59)

http://www.nanoindustry.su/