郝玉紅 薛韌婕 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

可溯源納米測量的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

郝玉紅 薛韌婕 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

介紹目前世界上納米長度可溯源測量的幾種主要方法和使用的典型儀器，包括透射電鏡、掃描電鏡和掃描探針、粒度測量儀。并介紹了用于校準(zhǔn)這些儀器的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)定這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的一些重要方法。對各類儀器和各類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的使用范圍和制作限制進(jìn)行探討，并指出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不足和面臨的挑戰(zhàn)。

溯源；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；納米

0 引言

近年來，納米科技蓬勃發(fā)展，它為IT芯片工業(yè)、生物工程、材料科學(xué)注入了新的活力，同時也給可溯源的納米測量提出了重大的挑戰(zhàn)。目前，研制和工業(yè)級的納米粉體材料的粒徑越來越小，基因工程的研究進(jìn)入分子層面，尤其是IT芯片工業(yè)的飛速發(fā)展，已經(jīng)使得工業(yè)級的芯片工藝的線寬達(dá)到了32 nm（Intel Core i3 530），而理論上普遍認(rèn)為可以達(dá)到更加小的尺寸。但表面納米結(jié)構(gòu)的可溯源的精確測量的發(fā)展卻還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工業(yè)步伐。圖1、圖2是美國VLSI公司研制的NanoLattice標(biāo)準(zhǔn)樣板[1]。

圖1 100 nm線距校準(zhǔn)樣板橫截面的TEM圖像

圖2 100 nm線距校準(zhǔn)樣板的SEM圖像

1 可溯源納米測量的方法

納米計量主是指對被測量物的1～100 nm長度值的帶不確定度的測量，并且這個測量值可以溯源到長度基準(zhǔn)光波長。

可溯源納米測量的一般過程是：先用納米水平的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（CRM）校準(zhǔn)測量所使用的儀器，再用該儀器測量納米物質(zhì)的長度值。根據(jù)不同的測量方法，典型的測量儀器可分為三種類型：透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡、粒度分析儀類。

圖3 聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)小球的TEM照片

1.1 透射電子顯微鏡

功能主要是獲得納米結(jié)構(gòu)的投影像或原子排列的晶格長度值。它的高倍溯源主要依賴于已知晶格常數(shù)的薄晶體樣品（該晶格常數(shù)來自于粉末X衍射），圖3是聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)小球的TEM照片。圖4 是透射電子顯微鏡校準(zhǔn)放大倍率的已知晶格常數(shù)的薄晶體有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。它的低倍溯源主要依賴于聚苯乙烯小球有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[4]，聚苯乙烯小球有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的溯源方法有透射電鏡（TEM）內(nèi)標(biāo)相對測量法（這種方法可同時獲得標(biāo)準(zhǔn)粒子的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差）、計量掃描電子顯微鏡法（MEM）、光子相干光譜法（PCS）、掃描電遷移分析儀法（SMPS）。

當(dāng)一臺透射電子顯微鏡被校準(zhǔn)好后，即可直接對被測物質(zhì)的投影尺寸進(jìn)行測量，這樣的測量不但具有可溯源性，而且可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出測量不確定度。但這種測量的不足之處是：只能得到被測物投影像的長度值，而不是表面結(jié)構(gòu)像的長度值，另外，由于它的高放大倍率而視場小的緣故，對不均勻的顆粒樣品缺乏可操作性。

圖4 透射電鏡校準(zhǔn)放大倍率的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Bar=20 nm

1.2 粒度分析儀

這類儀器主要包含：光子相干光譜法（PCS）、掃描電遷移分析儀法（SMPS）、激光干涉儀法（激光粒度儀和空氣粒子計數(shù)儀）。

這類儀器的量值溯源主要是依賴于聚苯乙烯小球有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。測量值有的能給出粒子體系的標(biāo)準(zhǔn)偏差，有的不可以給出（PCS）。這類儀器給出的粒徑值一般是將被測粒子當(dāng)作球形來計算的，有的儀器還要求粒子體系內(nèi)部無相互作用（PCS），這就給正確獲得粒徑尺寸帶來很大的困難。激光干涉儀法一般受到激光波長的限制，其溯源分析值很難達(dá)到納米數(shù)量級（100 nm以下）。

1.3 掃描電子顯微鏡（SEM）和掃描探針顯微鏡（SPM）

這類儀器的溯源測量是目前最具挑戰(zhàn)性的，其主要原因為IT芯片工業(yè)的高速發(fā)展。目前，工業(yè)級的線寬已達(dá)到了32 nm，而這類有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)卻還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于這個級別，并且似乎還沒有明確的發(fā)展方向。

這類有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可分為兩個發(fā)展方向：

1.3.1 先在硅片上或其他平面基板上做成可測量的表面圖形，再通過計量型掃描電子顯微鏡或計量型原子力顯微鏡進(jìn)行可溯源標(biāo)定其量值，使其成為有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，例如：美國NIST用計量型掃描電子顯微鏡標(biāo)定SRM484g；英國NPL用計量型掃描電子顯微鏡標(biāo)定Agar科學(xué)公司的2 160線/mm的方格光柵。德國PTB（德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院）用計量型原子力顯微鏡標(biāo)定中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究院開發(fā)的1 μm的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[1]。目前，計量型掃描電子顯微鏡在美國NIST、英國NPL、德國PTB已開發(fā)應(yīng)用；計量型原子力顯微鏡在美國NIST、德國PTB和中國國家計量研究院等單位都已開發(fā)，并不斷被改進(jìn)，但應(yīng)用于有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)定還很少見報導(dǎo)。美國NIST開發(fā)的RM8090（最小間距為200 nm）并沒有給出不確定度，也未見計量型原子力顯微鏡的校準(zhǔn)應(yīng)用。中國國家計量研究院與德國PTB共同開發(fā)的計量型原子力顯微鏡也未見應(yīng)用實例。

1.3.2 利用制作原理保證其具有良好的周期性表面結(jié)構(gòu)的方法來研制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，下文介紹幾例已在開發(fā)的這類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：

1）全息光柵：利用激光的全息干涉原理在平面基板上制成光刻周期性等間隔條紋。它的不足之處是受到被選取的激光波長的限制而無法使光柵間隔很小，并且其表面結(jié)構(gòu)呈正弦分布而降低掃描電鏡的對比度，從而降低使用效率。圖5是全息光柵標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)掃描電鏡照片。

2）激光冷卻準(zhǔn)直原子束和激光駐波場會聚原子原理研制的納米長度標(biāo)準(zhǔn)具[2]（目前，同濟(jì)大學(xué)等單位正在研發(fā)），因其可制成激光駐波場的直接光波長溯源的等間格刻線而具有誘人的前途。

3）上海市計量測試技術(shù)研究院研制的聚苯乙烯小球單層六角緊排列標(biāo)準(zhǔn)樣品[3]，它是利用有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)聚苯乙烯小球的已知值來溯源的，并同時得到它的周期性結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。該標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制受到使用的標(biāo)準(zhǔn)小球的均勻性影響較大，當(dāng)使用的標(biāo)準(zhǔn)小球的粒徑越來越小時，它的標(biāo)準(zhǔn)偏差會變得越來越差，緊密排列就困難了。目前，該項目只在使用美國Duke科學(xué)公司的粒徑大于0.2 μm的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)小球時，排列出較理想的周期性圖案。圖6是緊排列聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)掃描電鏡照片。

圖5 全息光柵標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)掃描電鏡照片

圖6 緊排列聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)掃描電鏡照片

2 結(jié)語

掃描電子顯微鏡的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的重要性在于IT芯片工業(yè)中的重要作用而發(fā)展又滯后于工業(yè)的需要，所以各國都在投入大量資金和人力進(jìn)行研究。但迄今為止，掃描電子顯微鏡的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究與IT芯片工業(yè)的發(fā)展尚有差距。

[1] 周劍雄，陳振宇. 掃描電鏡測長問題的討論[M]. 成都：電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2] 王占山，李德生，吳永剛，等. 納米長度標(biāo)準(zhǔn)具的研究[G]. //2002年上海納米科技發(fā)展研討會論文集. 上海：上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，2002：190-196.

[3] 盛克平，丁聽生，陸國輝. SEM及AFM校準(zhǔn)放大倍率標(biāo)樣的研究[J]. 電子顯微學(xué)報，2003，22(5)：438-442.

The reality & challenge of traceable nanometrology

Hao Yu Hong，Xue Ren Jie
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The main methods and instruments for traceable nanometrology were introduced ,include TEM、SEM、Scanning probe、Particle size analyzer. The important methods for calibrated these instruments were introduced. The range of these instruments and standard materials was discussed. The reality & challenge of traceable nanometrology was discussed.

traceable；standard materials；nanometrology