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納米計量標準化溯源與傳遞

作者:宋檢 時間:2022-11-07 來源:互聯網

納米高新技術逐漸產業化的過程中,產生了大量對微細結構、器件、測量儀器的準確性和穩定性等多方面測試與校準的要求,特別是定量特性所涉及的快速與超高分辨力檢測技術正不斷面臨新的挑戰和機遇:如對納米尺度三維參數無損檢測,納米力學定性/定量測試,超精密加工工藝中的高精度測試等。納米計量與表征技術作為納米科技與高科技產業發展的基礎和保障,是實現納米技術突破的關鍵。納米計量技術在相關技術的測量和表征工作中起著標準和傳遞作用,其主要目的是建立完整的納米尺寸計量量值溯源體系,為高科技產業、先進制造業和科技進步提供技術保障。


1980年,H. Rohrer和G. Binning發明了掃描隧道顯微鏡(STM),使得能夠在納米級水平上研究物質表面原子、分子的幾何結構及與其電子的行為,掃描隧道顯微鏡具有*高的分辨本領和放大倍數, 得到實時的、真實樣品表面的高分辨圖像。隨后,在掃描隧道顯微鏡基礎上發展起來利用各種物質探針(針尖)鋒利有關試樣表面信息的技術, 如原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、電化學掃描隧道顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)等。掃描探針顯微學(SPM)以及各種譜學分析手段與其相結合的新納米測量技術相繼出現,大大推動了納米科技的發展。


測量的溯源性是實現測量準確可靠和技術標準化的前提,根據計量基本單位的國際定義而建立計量基、標準及其溯源體系是統一量值的依據。量值溯源的過程即生產線上的樣品需利用標準樣板進行校準比對,而標準樣板由相關計量檢測部門提供,計量檢測部門的標準樣板向上可溯源到國家計量標準,進而再溯源到國際標準。


在實際溯源過程中,由于計量型激光干涉儀受市場價格、工作環境、測量速度等因素的影響,日常生產、測量用的納米加工測量設備的設計和使用中并不包含能實現溯源性的激光干涉儀。納米尺寸標準樣板(如臺階高度標準樣板) 是實現納米尺寸從國家計量標準部門的標準器件傳遞到實際生產、制造中的重要傳遞介質。而納米標準樣板的制備是納米計量技術中的關鍵環節,制備納米尺寸標準樣板的穩定性、結構規則、材質的均勻性等都直接影響量值傳遞過程的準確性。上海市計量測試技術研究院自主設計、研發了一套納米臺階標準樣板,它包括4個區域,臺階結構分別為帶箭頭指示的精細結構、不同寬度的線條結構、1D柵格結構、2D柵格結構。同時,為了觀察方便,為每個拓撲結構外圍設計了一個大方框,即便在較低的放大倍率下,也能方便快捷地定位所需拓撲結構。


對納米量級的溯源體系如圖1所示, 在1983年第17屆國際計量大會上正式通過了利用真空光速值作為“米”的新定義:“米是光在真空中,在1/299792458秒時間間隔內運行路程的長度。”1999年,國際計量局局長Quinn發表的《實現米定義的公告》中給出12種穩頻激光器的波長(頻率)值作為實現“米”定義的國際標準譜線。因此,檢測樣品通過相關企業的測量儀器進行檢測,生產線測量儀器通過相關計量檢測部門提供的標準樣板進行校準,相關計量檢測部門的計量型儀器通過激光頻率的校準直接溯源到米的定義,即完成了納米級標準樣板的量值溯源。

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