Инженерные основы измерений нанометровой точности

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