微机械及纳米计量科学

　　微机械及纳米计量技术是20世纪末期发展起来的新兴高科技领域,将在航天、航空、精密仪器、精密机械、超精密加工、微电子等现代机械制造工程、生物工程和医学等领域得到迅速发展和应用。其主要目标为解决毫米、微米、亚微米、纳米尺度的定量测量和量值溯源而发展相应的测量仪器,研制各种标准样板,并研究各种测量方法的一致性。

　　1　现代制造精度的发展趋势

　　随着科学技术的不断进步,制造技术的精度也不断得到提高。特别是近20年来,这一发展速度明显加快,不少制造技术的精度都有了数量级的提高,如超精密机床和微电子工业中的超精密加工技术。在这个过程中,精密测量和计量技术起到了相辅相成的作用。各种精密测量方法及其可能达到的精度见图1[1]。从图1可看出,现代超精密加工技术,特别是微电子加工技术已达到了纳米甚至亚纳米级的精度,而近代干涉仪和扫描探针显微镜也随之向着纳米和皮米量级发展。目前,最先进的纳米加工和测量技术大都来自先进工业国家,而我国还有相当大的差距。

　　2　亚微米、纳米测量方法

　　(1)位移传感器　测量范围几微米到几毫米,

　　测量范围与分辨率之比小于2000,线性度为0.1%。

　　(2)光栅尺　分辨率为1 nm,测量范围为100mm,将扩展到500 mm。

　　(3)激光干涉仪　分辨率为0.2 nm～10 nm,测量范围大于1m。

　　(4)X射线干涉仪和F-P干涉仪　分辨率接近皮米,测量范围从几纳米至数微米。

　　(5)原子力显微镜(AFM)和扫描探针显微镜(SPM)　垂直分辨率和水平分辨率为亚纳米,测量范围为垂直方向几微米,水平方向几十微米。

　　(6)扫描电子显微镜(SEM)　垂直分辨率为0.01μm,水平分辨率为1 nm,测量范围为垂直方向几百微米,水平方向几毫米。

　　(7)扫描共焦显微镜(SOM)　垂直分辨率为几十微米,水平分辨率为亚微米,测量范围为垂直方向和水平方向均为几十毫米。

　　(8)光学干涉显微镜(OIM)　垂直分辨率亚纳米至几纳米,水平分辨率为亚微米,测量范围为垂直方向几十微米,水平方向1 mm至几十毫米。

　　3　微电子工业中的纳米测量技术

　　线宽、线间距、台阶高度和膜厚是关系到微电子芯片质量的重要参数。光盘和DVD盘的表面质量也是需要测量的重要指标。纳米测量的目标是,针对上述各项参数发展各种测量仪器,对测量结果进行分析研究,并建立相应的计量量值溯源体系——一般由测量仪器、测量软件和标准样板组成。由于微电子工业中的测量对象在Z方向的测量范围一般小于毫米量级,因此,用上述测量仪器进行二维或二维半测量即可满足要求。图2为德国PTB开发的二维测量系统的原理图。仪器主要用于测量掩膜板,由X-Y工作台及驱动系统、显微镜或测头、X-Y定位系统、激光干涉仪组成。在测量掩膜板时显微镜或测头在Z方向保持恒定,工作台在X、Y方向上运动,仪器作二维测量。显微镜和测头可以是光学显微镜、电子显微镜、共焦显微镜、原子力显微镜或扫描探针显微镜。当它们在Z方向由PZT作轴向运动时,就可以对膜厚、台阶高度等参数作二维半测量。在德国政府支持下,由PTB和中国计量科学研究院共同研制的1台计量型原子力显微镜,在X、Y、Z3个方向上都安装了激光干涉仪,对仪器的位移传感器进行校准和定标,从而可以对膜厚、台阶高度等参数标准进行量值溯源。