Основы нанометрии

Реферат по дисциплине «Метрология, стандартизация и спецификация» на тему: «Основы нанометрии»

1. Проблемы и задачи нанометрии

2. Методы и средства нанометрии

3. Меры малой длины и стандартные образцы нанорельефа поверхности

4. Концепция метрологического обеспечения нанометрии

Заключение

Список используемой литературы

Создание новой техники, наукоемких технологий и новых материалов, обеспечивающих коренные сдвиги в структуре и техническом уровне производства, во многом определяется уровнем метрологического обеспечения измерений. Одна из наиболее интенсивно развивающихся наукоемких отраслей промышленности — электронная, особенно микроэлектроника. Эволюционному процессу развития микроэлектроники свойственно непрерывное последовательное уменьшение геометрических размеров элементов и структур микросхем, обусловленное потребностями повышения степени интеграции и быстродействия. Для традиционных изделий микроэлектроники наметился этап перехода к структурам, имеющим на внешней поверхности рельефные элементы субмикронных размеров. Сегодня технология микроэлектроники превращается в нанотехнологию, т. е. технологию, где необходимо применение техники нанометровых измерений — нанометрии.

Линейные измерения на субмикрои нанометровом уровнях играют важную роль в разработке принципиально новых технических решений при создании микроэлектронных приборов и микросистемной техники различного назначения. Например, в микроэлектронике при производстве интегральных схем (БИС, СБИС, СВЧ-транзисторов и т. д.) исключительно важное значение имеют измерения геометрических размеров элементов трехмерной топологии базовых структур (периода, ширины линии, высоты профиля, положения и качества краев), составляющих десятые доли микрометра и соизмеримых с длиной волны видимого света.

1. Проблемы и задачи нанометрии

Достижение предельных возможностей в нанометрии связано с использованием высокоразрешающих методов сканирующей зондовой микроскопии: растровой оптической, растровой электронной, сканирующей туннельной и атомно-силовой в сочетании с лазерной интерферометрией и фазометрией.

Основная проблема измерений длины в указанном диапазоне связана с недостаточно исследованными соотношениями между объектом измерений и его изображением в измерительных микроскопах, работающих на различных физических принципах. Регистрируемое изображение неадекватно реальному профилю измеряемого элемента рельефа поверхности объекта. Эта проблема имеет фундаментальный характер и усугубляется сложной природой взаимодействия инструмента с объектом измерений, их сильным взаимным влиянием. Объекты таких размеров не имеют строгой геометрической границы, и необходимо учитывать физические свойства объекта и специфику выбранных методов измерений длины в нанометровом диапазоне. В связи с этим особую важность приобретает физическая модель взаимодействия средств измерений с создаваемыми объектами и интерпретация в рамках этой модели результатов измерений с привлечением методов математического моделирования, обеспечивающих уменьшение систематической погрешности измерений линейных размеров, связанных с локализацией края измеряемого элемента.

Особенность нанотехнологии состоит в том, что необходим независимый контроль прецизионного перемещения и взаимного расположения измерительного зонда и объекта, а также фиксация положения объекта с погрешностью 0,1 нм, что соответствует локальности метода сканирующей зондовой микроскопии. Это, в свою очередь, требует создания суперпрецизионных систем нанопозиционирования как зонда, так и объекта и разработки высокоточных средств измерений их линейно-угловых перемещений в реальном масштабе времени с погрешностью менее 1 нм. Кроме того, для контроля нанотехнологии сверхточной обработки поверхностей микрообъектов необходимы бесконтактные быстродействующие средства измерений шероховатости и формы поверхности с нанометровой погрешностью.

Важная роль в решении проблемы обеспечения единства и достижения требуемой точности линейных измерений в микрои нанометровом диапазонах принадлежит специальным «тест-объектам», аттестованным в качестве эталонных мер малой длины и стандартных образцов с размерами структурных элементов 10−3000 нм, служащих для калибровки и аттестации контрольно-измерительного и технологического оборудования нового поколения. Технология создания мер и стандартных образцов в диапазоне 10^-9 — 10^-5 м должна обеспечивать заданную топологию поверхности, стабильные и воспроизводимые параметры геометрической структуры и отвечать требованиям их применения в различных средствах измерений малых длин.

Возрастающие требования к точности измерений линейных размеров, разнообразие свойств материалов и геометрической структуры, увеличение числа элементов в единице объема приводят к значительному росту числа измерений и необходимости создания высокопроизводительных автоматизированных средств. Согласно предъявляемым требованиям погрешности рабочих средств измерений длины в диапазоне 0,1−10 мкм составляют 1−10 нм, что соизмеримо с погрешностью Государственного первичного эталона единицы длины (ГЭТ 2−85).

Указанные проблемы нанометрии предполагают решение следующих важнейших задач:

разработки концепции метрологического обеспечения измерений длины в диапазоне 1−3000 нм;

создания прецизионной технологии изготовления специальных «тест-объектов» и стандартных образцов с различными вариантами топографии поверхности и размерами структурных элементов 10−3000 нм и разработки методов и средств их калибровки;

разработки методов лазерной наноинтерферометрии и фазометрии для создания высокоточных быстродействующих средств измерений линейных перемещений систем микропозиционирования тест-объектов с разрешением 0,1 нм в реальном масштабе времени;

создания эталонов нового поколения для воспроизведения и передачи размера единицы длины в нанометровом диапазоне на основе сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) и лазерной интерферометрии;

разработки физических моделей взаимодействия измерительных микроскопов (РЭМ, СТМ, АСМ) с создаваемыми тест-объектами и интерпретации измерений с учетом различных влияющих на них факторов, позволяющих решить проблему, связанную с локализацией края измеряемого элемента Календин В. В. Нанометрия: проблемы и решения. // Автометрия. 2004. Т.40. № 2. С.20−36.

Следует отметить, что ведущие страны мира, занимающие ключевые позиции в нанотехнологии (Япония, США, Германия, Англия и другие), вопросам внедрения метрологии в практику линейных измерений в нанометровом диапазоне придают первостепенное значение. В Национальном институте стандартов и технологий (НИСТ, США) создана и успешно реализуется национальная программа метрологического обеспечения микроэлектроники Тодуа П. А. и др. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазоне и их внедрение в в микроэлектронику и нанотехнологию. Микросистемная техника № 1 с.38−44, № 2, с 24−39, № 3, с. 25−32, 2008. .

2. Методы и средства нанометрии

В настоящее время в промышленности для измерения малых длин используется значительный парк приборов, основанных на методах физической оптики, электронной и сканирующей зондовой микроскопии.

Оптическая микроскопия. Измерение линейных размеров элементов интегральных схем на шаблонах и полупроводниковых пластинах в основном осуществляется при помощи оптических, телевизионных, фотоэлектрических микроскопов, в которых регистрируется профиль распределения интенсивности света в изображении элемента. Принцип измерения заключается в выборе относительного уровня интенсивности света на краю изображения элемента (оптического порога), соответствующего физическому краю изображения, измерении ширины изображения по выбранному уровню и вычислении размера элемента через увеличение микроскопа. Инструментальная погрешность лучших измерительных микроскопов в диапазоне 0,7−20 мкм достигает 0,03−0,05 мкм. Точное значение оптического порога требует использования высококачественной оптики, создания системы автофокусировки, термои вибростабилизации при высоком уровне автоматизации приборов.

К недостаткам оптических измерительных микроскопов (независимо от их модификации) следует, прежде всего, отнести ограничения, связанные с достижением дифракционного предела разрешающей способности, что не позволяет измерить ширину линии элементов объектов? 1 мкм.

Лазерная дифрактометрия. В настоящее время для измерение микрои субмикрометровых размеров разработаны лазерные дифрактометры, в которых ширина (период) элемента определяется по параметрам дифракционного спектра, возникающего при освещении пучком когерентного света одного или группы элементов. Основная задача в дифракционном методе измерений — восстановление геометрической структуры элементов тест-объектов по распределению интенсивности в дифракционной картине. Это требует проведения теоретических исследований по восстановлению профиля периодической структуры по значениям интенсивности главных дифракционных максимумов (ГДМ) с использованием математических моделей (путем решения обратной задачи). Достоинствами дифракционного метода являются простота измерений, возможность определения статистических параметров величин без проведения отдельных наблюдений и замеров. Аттестация лазерная дифрактометрия, реализующих косвенный метод измерений, может быть проведена без использования мер сравнения по значениям интенсивности (углового положения ГДМ) дифрагированного света с применением аттестованных средств измерений угла и энергетической фотометрии с абсолютной привязкой к длине волны. Следует отметить, что для восстановления геометрической структуры измеряемых элементов необходимо знание общего вида и формы элементов, которые априори неизвестны, что, в свою очередь, при водит к некорректности однозначного восстановления топологии поверхности и затрудняет вычисление размеров тест-структур из анализа дифракционной картины.

Растровая электронная микроскопия. Перспектива развития измерений длины волны в субмикрометровом диапазоне связана с применением растрового электронного микроскопа (РЭМ).

Высокая разрешающая способность (5−10 нм), большой диапазон увеличений (до 100 000 и выше), большая глубина фокусировки (~100 мкм), многообразие режимов работы и возможность получения информации об объекте в виде электрического сигнала дают возможность разработать высокочувствительное средство измерений линейных размеров на основе РЭМ.

В практике мирового приборостроения уже освоен выпуск моделей РЭМ-компараторов, пригодных для проведения линейных измерений элементов субмикронных размеров по регистрируемым видеосигналам. При этом имеются приборы, позволяющие фиксировать сигнал отклика, как во вторичных медленных электронах, так и в отраженных. Наряду с моделями РЭМ, предназначенными для решения широкой класса исследовательских задач, созданы специальные электронно-оптические средства измерений линейных размеров, которые можно использовал для аттестации эталонов мер длины в микронном и субмикронном диапазонах Богданович О. В., Желкобаев Ж., Календин В. В. и др. Измерение малых длин на основе растрового электронного микроскопа //Измер. техника. 1985. № 11. С. 31.

Однако РЭМ-метод характеризуется рядом ограничений, к числу которых следует отнести: недостаточно высокое пространственное разрешение; сложность получения трехмерных изображений поверхности; необходимость нанесения дополнительного токосъемного слоя на плохо проводящие поверхности для предотвращения эффектов, связанных с накоплением заряда; проведение измерений только в условиях вакуума; наконец, возможность повреждения изучаемой поверхности высокоэнергетичным сфокусированным пучком электронов.

Сканирующая зондовая микроскопия. Предельные значения при измерении длины в нанои субнанометровом диапазонах достигаются при использовании методов сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии (СТМ/АСМ). Высокое разрешение СТМ (< 0,01 нм вдоль нормали к поверхности и ~ 0,1 нм в горизонтальном направлении, которое реализуется как в вакууме, так и в диэлектрической среде) открывает широкие перспективы для измерений линейных размеров в нанометровом диапазоне.

Отмету следующие достоинства метода измерений линейных размеров с помощью СТМ:

а) неразрушающий характер измерений, обусловленный отсутствием механического контакта и низкой энергией туннелирующих электронов;

б) возможность проводить измерения, как в вакууме, так и в атмосфере, а также в диэлектрических жидкостях;

в) возможность работы в широком диапазоне температур;

г) относительно высокая скорость формирования изображения измеряемого объекта с атомным разрешением.

СТМ хотя и обладает значительно более высоким разрешением, чем РЭМ, однако также не позволяет напрямую получать изображение поверхности непроводящих материалов. Кроме того, на точность отображения рельефа поверхности в СТМ заметно влияют плотность электронных состояний вблизи поверхности и работа выхода, наличие природных и индуцированных током иглы адсорбатов.

Сканирующая атомно-силовая микроскопия реализует принцип измерения силы, действующей на острие иглы (зонда) со стороны исследуемой поверхности. В отличие от туннельного микроскопа, где измеряемой величиной является туннельный ток, здесь определяется сила, что позволяет использовать АСМ для контроля топографии поверхностей как проводящих, так и диэлектрических сред. Игла АСМ, расположенная над сканируемой поверхностью, закреплена на кронштейне, образуя с ним единое целое — кантилевер. Силы, действующие на острие иглы, вызывают изгиб кантилевера, что фиксируется датчиком, преобразующим смещение в электрический сигнал. С помощью обратной связи положение образца меняется таким образом, чтобы сила, действующая между острием кантилевера и объектом, оставалась постоянной в процессе сканирования. При этом регистрируют все три координаты положения острия кантилевера, что позволяет получать трехмерное изображение поверхности. Атомное разрешение достигается в режиме, когда расстояние между иглой и поверхностью не превышает нескольких ангстрем.

Необходимо отметить, что зондом СТМ и АСМ является острие иглы, размеры которой накладывают ограничения на получение информации об истинном рельефе поверхности исследуемого образца. В последние годы появились конструкции микрозондов в виде тонких нитевидных волокон с радиусом около 100 нм и еще более тонких нанотрубок. Форма и размеры острия кантилевера АСМ вносят искажения в регистрируемое АСМ-изображение. Поэтому для АСМ-измерений требуется эталонная структура с известным профилем и аттестованными размерами рельефа поверхности.

В табл. 1 приведены основные метрологические характеристики рассмотренных средств измерений малой длины.

Таблица 1. Метрологические характеристики средств измерений малой длины

3. Меры малой длины и стандартные образцы нанорельефа поверхности

микроскопия нанометрия метрологический зондовый Важная роль в решении проблемы обеспечения единства измерений и достижения требуемой точности линейных измерений принадлежит специальным мерам малой длины и стандартным образцам нанорельфа атомно-гладких поверхностей с размерами структурных элементов 10−3000 нм — эталонам сравнения, обеспечивающим передачу размера единицы длины в микро — и нанометровом диапазонах.

В настоящее время измерения малых длин связаны с определенной номенклатурой мер, определяемой международной практикой и включающей:

одномерные/двумерные периодические меры с периодом 0,2−3 мкм, меры ширины линии (штриха) в диапазоне 0,1−3,0 мкм, меры высоты ступени в диапазоне 8−1000 нм.

Все известные в настоящее время меры малой длины (от микрометров до десятых долей микрометра) имеют периодическую (шаговую) структуру с аттестованным периодом (шагом) по принятым международным стандартам с использованием явлений интерференции или дифракции света. Обычно период таких структур определяется в долях длины волны излучения стабилизированного He-Ne-лазера Баканава Е. С, Календин В. В., Невзорова Л. Н., Щитов Н. Н. Штриховые меры для калибровки растровых электронных и оптических микроскопов // Изв. АН СССР. Сер. физ. 48. — 1984. № 12. — С. 23−39.

Параметры мер длины нанометрового диапазона приведены в табл. 2. Такие меры позволяют провести калибровку высокоточных средств измерений, предназначенных для определения длины малых отрезков между двумя эквивалентными сторонами исследуемой шаговой структуры, но не позволяют выполнить измерение ширины линии (длины отрезка между противоположными сторонами одного элемента структуры). В то же время практика линейных измерений в нанометровом диапазоне требует для калибровки сканирующих зондовых микроскопов создания мер малой длины, выполненных в виде рельефной шаговой структуры с заданными шириной, высотой (глубиной) и формой профиля. Именно такие меры малой длины — материальные носители размера — необходимы не только для самой калибровки перечисленных зондовых микроскопов, но и для подтверждения достоверности результатов измерения ширины элемента реального объекта, изображение которого регистрируется в микроскопе.

Таблица 2. Параметры мер длины нанометрового диапазона

В НИСТ (США) реализуется специальная программа по созданию и аттестации мер малых длин и стандартных образцов нанорельефа поверхности. Созданы и аттестованы меры ширины линии и периода на фотошаблонах. Меры представляют собой набор штрихов, вытравленных в слое хрома на кварцевой подложке. Диапазоны ширины линий и периода составляют 0,25−32 и 0,5−50 мкм соответственно. Стандартная неопределенность результатов измерений ширины линий (периода) не превышает 37 нм (10 нм). Проводятся разработки по созданию меры ширины линии на монокристаллическом кремнии (диэлектрике с атомно-гладкими поверхностями) и аттестации ее по количеству атомных плоскостей в каждом направлении. Сравнение данных измерений этой меры различными методами РЭМ, СЭМ с измерениями ширины по электрическому сопротивлению таких структур показало, что неопределенность результатов измерений не превышает 20 нм.

4. Концепция метрологического обеспечения нанометрии

Обеспечение единства линейных измерений в нанометровом диапазоне — основа нанометрии — базируется на комплексном подходе, включающем создание Государственного специального эталона единицы длины в диапазоне 10^-10 — 3 • 10^-6 м, способов и средств передачи размера единицы высокоточным рабочим средствам измерений.

Значительный парк средств измерений длины в микрои нанометровом диапазонах, а также интенсивное развитие нанометрии в ведущих странах мира предопределяют необходимость развития работ по созданию системы метрологического обеспечения измерений длины в нанометровом диапазоне и увеличение диапазона Государственного первичного эталона единицы длины (ГЭТ 2−85) вплоть до 10^-10 м.

Известно, что основой системы метрологического обеспечения линейных измерений является структура передачи размера единицы длины от Государственного эталона единицы длины рабочим средствам измерений, регламентированная соответствующей поверочной схемой. Практическая реализация структуры передачи размера единицы длины в нанометровом диапазоне зависит от наличия соответствующих эталонных средств измерений на каждой ступени передачи.

Государственный специальный эталон единицы длины в диапазоне 10^-9— 5•10^-6 м должен представлять собой интерференционный компаратор на основе атомно-силового микроскопа, обеспечивающий трехмерные измерения линейных размеров со стандартной неопределенностью 0,1 нм.

Воспроизведение и передача размера единицы длины в нанометровом диапазоне в соответствии с определением метра должны осуществляться интерференционным методом с применением длины волны высокостабилизи-рованного He-Ne-лазера. В качестве устройств передачи размера единицы длины по координатам (X, Y, Z) необходимо использовать: а) эталонные лазерные интерферометры, обеспечивающие измерения малых линейных перемещений в реальном масштабе времени в диапазоне 10^-9-3•10^-6 м со стандартной неопределенностью не более 0,5−1 нм; б) специальные периодические (шаговые) меры и стандартные образцы нанорельефа поверхности — эталоны сравнения. В состав вторичных эталонов в области малых длин должен быть включен комплекс эталонных измерительных интерференционных установок для передачи размера единицы длины всей совокупности типоразмеров мер малой длины, определяемой международной метрологической практикой и результатами международных сличений.

Для обеспечения единства измерений в нанометрии в НИЦПВ создан и аттестован комплекс эталонных средств измерений, включающий:

— эталонный компаратор на основе растрового электронного микроскопа с разрешением 5−8 нм и стандартные образцы (ГСО 5819−91 и ГСО 6261−93), предназначенные для передачи размера единицы длины в диапазоне 0,05−50 мкм с расширенной неопределенностью 5−20 нм;

— эталонную интерференционную установку на основе атомно-силового микроскопа и лазерных интерферометров, предназначенную для аттестации трехмерной топографии мер длины в диапазоне 10^-9 — 3 • 10^-6 м со стандартной неопределенностью менее 1 нм.

— комплект специальных периодических мер и стандартных образцов нанорельефа поверхности, предназначенный для передачи размера единицы длины в диапазоне Ю^-8— 5 • 10^-5 м со стандартным отклонением 1−5 нм.

Высокие метрологические характеристики созданных эталонных средств измерений подтверждаются результатами международных сличений в области нанометрии. Создание системы метрологического обеспечения нанометрии позволит обеспечить высокую достоверность и единство измерений, повысить качество, надежность и конкурентоспособность отечественной продукции с выходом на мировой рынок Календин В. В., Козлитин Л. И., Никитин Ф. В., Сретенский В. И. Метрологическое обеспечение измерений сверхмалых размеров с использованием теоретических моделей, мер и природных констант // Измер. техника. — 1996. — № 11. — С. 15.

Заключение

Нанометрия, это одна из наиболее интенсивно развивающихся наукоемких отраслей промышленности.

Достижение предельных возможностей в нанометрии связано с использованием высокоразрешающих методов сканирующей зондовой микроскопии: растровой оптической, растровой электронной, сканирующей туннельной и атомно-силовой в сочетании с лазерной интерферометрией и фазометрией.

Одновременно идет изучение возможности создания наноструктур на атомарном уровне. Эта ветвь исследований развивается как поисковая и имеет значение, прежде всего, для физического эксперимента, решения задач для диагностики, анализа отказов и создания новых приборов микро-наноэлектроники.

В Международной программе развития микроэлектроники до 2014 г. сформулированы требования к точности измерения размеров элементов СБИС, в том числе критических размеров с проектными нормами от 115 нм (2002 г.) до 22 нм (2014 г.). Реализация этой программы требует разработки новых методов и высокоточных средств измерений длины в нанометровом диапазоне и создания метрологического обеспечения нанометрии Облант Ж. М. Метрология: проблема наномасштаба, Мир стандартов.- 2007. — № 5(16).- С. 22−26.

Список используемой литературы

1. Календин В. В. Нанометрия: проблемы и решения. // Автометрия. 2004. Т.40. № 2. -С.20−36.

2. Тодуа П. А. и др. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазоне и их внедрение в в микроэлектронику и нанотехнологию. Микросистемная техника.- 2008. № 1. — С.38−44. — № 2. — С 24−39. — № 3. — С. 25−32.

3. Богданович О. В., Желкобаев Ж., Календин В. В. и др. Измерение малых длин на основе растрового электронного микроскопа //Измер. техника. — 1985. — № 11. — С. 31.

4. Баканава Е. С, Календин В. В., Невзорова Л. Н., Щитов Н. Н. Штриховые меры для калибровки растровых электронных и оптических микроскопов // Изв. АН СССР. Сер. физ. 48. — 1984. № 12. — С. 23−39.

5. Календин В. В., Козлитин Л. И., Никитин Ф. В., Сретенский В. И. Метрологическое обеспечение измерений сверхмалых размеров с использованием теоретических моделей, мер и природных констант // Измер. техника. — 1996. — № 11. — С. 15.

6. Облант Ж. М. Метрология: проблема наномасштаба, Мир стандартов.- 2007. — № 5(16).- С. 22−26.