纳米计量的溯源与传递

　　1　引　言

　　尽管纳米技术在相当程度上仍然是未探知领域,但科学家从已经获得的知识推断,纳米技术将对材料与加工、电子学、医药与生物工程技术、环境与能源、国防和航天科技等领域产生重大影响。美国IBM首席科学家J.Armstrong曾在1991年指出,纳米技术将带来信息时代的新一轮技术革命。纳米科技是世界科技发达国家科技竞争的核心领域之一,近年来各科技大国都在纳米科研领域投入巨大资金,研究项目覆盖了国防、航天、微电子、生物、材料、环境等众多领域,且制定了国家级纳米抗美援朝发展计划;着重基础研究的发展逞强势;开发应用研究能力大幅度提升;由单一学科向多学科交叉和融合的方向发展、向集团化和国际化方向发展。

　　纳米测量技术是纳米科技的一个重要组成部分。测量技术与工业生产技术互相促进、相互提高,纳米科技的飞速发展对纳米测量提出了越来越高的要求。特别是现代精密制造(例如光学相机的镜头制造)、MEMS(Micro Electro Mechanical Sys-tems)(例如微纳米传感器)和集成电路制造业的迅速发展,对纳米尺度几何量的精确测量提出了迫切的要求。

　　测量的溯源性是是实现测量结果准确可靠和技术标准化的前提。典型的纳米测量溯源性传递过程如图1所示。

　　在1983年第17届国际计量大会上正式通过了利用真空光速值作为“米”的新定义:“米是光在真空中,在1/299 792 458秒时间间隔内运行路程的长度。”1999年国际计量局局长Quinn发表的《实现米定义的公告》中给出12种稳频激光器的波长(频率)值作为实现“米”定义的国际标准谱线。利用这些稳频激光器的标准谱线对计量型SPM进行校准,可将计量型SPM的测量溯源到米定义上,则计量型SPM能够提供单位统一、量值准确可靠的纳米尺度几何量计量结果。但由于计量型激光干涉仪受市场价格、工作环境、测量速度等因素的影响,日常测量用的SPM的设计和使用中并不包含这种类型的激光干涉仪。为此,利用经过计量型SPM校准的纳米尺度标准样本对日常测量用SPM进行校准,则日常测量用SPM的测量结果可溯源到米定义,可提供准确可靠的测量结果。

　　2　计量型SPM

　　2. 1　SPM的测量原理

　　SPM的测量原理图如图2所示,被测样本放在一个可以进行在x,y和z三个轴向上进行三维正交运动的扫描器上,当纳米尺度的针尖与被测样本表面之间的距离在纳米量级范围内时,针尖与样本表面间的近场效应使探针产生的力、热、电等变化,这个变化可以被探测器感知,并转换为电信号传送到Z控制器中, Z控制器控制扫描器沿z轴方向的运动,从而保持探针的变化量恒定,进而保持针尖-样本表面间距离恒定,计算机通过记录扫描器沿z轴方向运动的变化量而获得样本表面的高度变化值。在整个测量过程中,X,Y控制器控制扫描器带动样本在xy平面内作二维栅格式的扫描,通过对栅格上的点进行逐点z方向测量,即可实现对样本上表面进行形貌测量。