Наномеры длины и измерение перемещений

Важнейшим этапом в решении задач метрологического обеспечения линейных измерений в нанометровом диапазоне является создание вещественных носителей размера — мер с программируемым нанорельефом поверхности, которые обеспечивают калибровку средств измерений с наивысшей точностью. Именно такие трехмерные меры малой длины (рис. 5.10) — материальные носители размера — позволяют осуществлять комплексную калибровку и контроль основных параметров РЭМ и СЗМ.

Рис. 5.10. Трехмерные меры малой длины

Они предназначены для перевода этих сложных устройств из разряда приборов для визуализации исследуемого объекта в средства измерений. Приборы для измерений линейных размеров объектов исследования обеспечивают привязку измеряемых величин в нанометровой области к первичному эталону единицы длины — метру.

Конструктивно мера, получившая название МШПС-2.0К, что расшифровывается как Мера Ширины и Периода, Специальная, номинальный размер 2,0 мкм, Кремниевая, сформирована на поверхности монокристаллического кремния. Кремниевый чип с мерой имеет размер 10×10 мм² и толщину 500 мкм. Мера состоит из пяти одинаковых модулей, расположенных по четырем углам квадрата 1×1 мм² и в его центре. Общий вид меры, одного из ее модулей и шаговой структуры модуля последовательно на разных увеличениях показан на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Мера МШПС-2.0К: а) мера из пяти модулей; б) один модуль меры; в) структура элемента модуля

Модуль представляет собой три шаговые рельефные структуры на поверхности кремния, состоящие из 11 канавок. Элементы рельефа структуры имеют профиль в форме трапеции с равными боковыми сторонами и заданным углом их наклона. Номинальный размер шага структуры — 2 мкм. Глубина рельефа структуры, ширина линии (выступа/канавки) задаются при изготовлении меры в зависимости от решаемых задач в диапазоне от 100 нм до 1500 нм. Длина элементов рельефа шаговой структуры составляет 100 мкм, а погрешность аттестации 1 нм.

Нанометр может быть вторичным эталоном, который привязан к первичному эталону длины. По аналогии с метром для нанометра можно дать следующую формулировку. Нанометр — это расстояние, которое проходит свет за 1/299 792 458 000 000 000 с. Однако для практики оно ценности не имеет из-за того, что пока невозможно измерять такие малые промежутки времени.

В альтернативном решении для воспроизведения 1 нм можно использовать изменение размеров пьезокерамической пластинки ДD при приложении к ее электродам электрического напряжения, которое прямо пропорционально приложенному напряжению Д U (обратный пьезоэффект):

где коэффициент пропорциональности <733 — пьезоэлектрический модуль. Чтобы размер пластинки изменился на 1 нм, необходимо подобрать материал и источник напряжения таким образом, чтобы пьезомодуль материала и напряжение источника при их перемножении давали точно 1 нм. Например, если взять керамику с пьезоэлектрическим модулем di3 = 200-КГ¹² Кл/Н = 200−10−12 м/В и приложить напряжение к электродам в 5 В, то изменение размеров пластинки составит 1 нм.

Изменение размеров пьезопластинки не зависит от ее толщины. Это важно, ибо, создавая эталон длины, не следует думать о длине самого эталона. Для достижения высокой точности необходимо, чтобы прикладываемое напряжение было постоянно по амплитуде и направлено строго по направлению поляризации керамики, поскольку известно, что при приложении электрического напряжения по поляризации критических изменений пьезосвойств керамики не происходит. Для минимизации погрешности необходимо также поддерживать постоянной частоту прикладываемого электрического напряжения.

Пьезомодуль кварца </33 составляет около 210 ^й Кл/Н, что примерно на два порядка меньше, чем у пьезокерамики. Поэтому, прикладывая одинаковое напряжение на кварцевую пластинку и пьезопластинку, получим перемещение первой из них соответственно на два порядка меньше. Таким образом, сверхмалые перемещения можно обеспечивать с помощью пластинок из кристаллического кварца. Дополнительные плюсы кварца — высокая твердость и низкий коэффициент температурного расширения.

Для измерения малых перемещений могут быть использованы интерференционные методы. Интерференция света заключается в перераспределении интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Такое распределение интенсивности называется интерференционной картиной.

При создании интерференционных методов и средств измерения перемещений необходимо учитывать ряд существенных особенностей, характерных для большинства технических измерений, например, для контроля отсчетных систем прецизионных станков и координатно-измерительных машин. Первая особенность состоит в невозможности прямого определения перемещений исследуемой точки объекта. Например, невозможно измерить параметры обрабатываемой на станке детали непосредственно в зоне обработки или перемещение рабочей кромки инструмента при резании. Вторая особенность заключается в необходимости высокой точности измерений в широком диапазоне перемещений.

Схема лазерного интеферометра для измерения перемещений, учитывающая эти особенности, представлена на рис. 5.12.

Система светоделителя перемещается вдоль оси оптической системы, чем обеспечивается регулировка чувствительности измерителя в заданных пределах за счет изменения расстояния между поверхностью объекта и светоделителем. Перед началом измерений определяется диапазон возможных значений перемещений. Система светоделителя с закрепленными на нем элементами при помощи механизма перемещения размещается на заданном исследуемому диапазону изменения перемещений расстоянии R от поверхности объекта до светоделителя. Изменение расстояния между ними приводит к изменению распределения интенсивности интерференционного поля в плоскости фотоприемного устройства. Для увеличения диапазона измеряемых перемещений R увеличивается, а для уменьшения диапазона — уменьшается изменением положения основания интеферометра.

Рис. 5.12. Схема лазерного интеферометра: 1 — источник когерентного излучения; 2 — оптическая система; 3 — объект; 4 — отражающая поверхность объекта; 5 — основание интеферометра; 6 — светоделитель; 7 — отражатель; 8 — фотоприемное устройство; 9 — устройство регистрации и обработки информации; 10-механизм перемещения.

Оптическая система фокусирует излучение от источника когерентного излучения на поверхность объекта в виде светящейся точки, которая в свою очередь является источником излучения, расположенным на поверхности объекта. Излучение от точки отражения попадает на светоделитель, разделяющий его на два луча: один луч отражается от поверхности светоделителя, а другой — от поверхности отражателя. Пространственное совмещение этих лучей происходит в области размещения фотоприемного устройства, то есть в месте наблюдения интерференционной картины. Фотоприемное устройство регистрирует интенсивность оптического поля в заданной области интерференционной картины, а устройство регистрации и обработки определяет перемещение поверхности объекта по результатам измерения интенсивности оптического поля с учетом установленного расстояния R.