可溯源纳米测量的现状与挑战

郝玉红 薛韧婕 / 上海市计量测试技术研究院

可溯源纳米测量的现状与挑战

郝玉红 薛韧婕 / 上海市计量测试技术研究院

介绍目前世界上纳米长度可溯源测量的几种主要方法和使用的典型仪器，包括透射电镜、扫描电镜和扫描探针、粒度测量仪。并介绍了用于校准这些仪器的有证标准物质和标定这些标准物质的一些重要方法。对各类仪器和各类标准物质的使用范围和制作限制进行探讨，并指出现有标准物质的不足和面临的挑战。

溯源；标准物质；纳米

0 引言

近年来，纳米科技蓬勃发展，它为IT芯片工业、生物工程、材料科学注入了新的活力，同时也给可溯源的纳米测量提出了重大的挑战。目前，研制和工业级的纳米粉体材料的粒径越来越小，基因工程的研究进入分子层面，尤其是IT芯片工业的飞速发展，已经使得工业级的芯片工艺的线宽达到了32 nm（Intel Core i3 530），而理论上普遍认为可以达到更加小的尺寸。但表面纳米结构的可溯源的精确测量的发展却还远远滞后于工业步伐。图1、图2是美国VLSI公司研制的NanoLattice标准样板[1]。

图1 100 nm线距校准样板横截面的TEM图像

图2 100 nm线距校准样板的SEM图像

1 可溯源纳米测量的方法

纳米计量主是指对被测量物的1～100 nm长度值的带不确定度的测量，并且这个测量值可以溯源到长度基准光波长。

可溯源纳米测量的一般过程是：先用纳米水平的有证标准物质（CRM）校准测量所使用的仪器，再用该仪器测量纳米物质的长度值。根据不同的测量方法，典型的测量仪器可分为三种类型：透射电子显微镜、扫描电子显微镜和扫描探针显微镜、粒度分析仪类。

图3 聚苯乙烯标准小球的TEM照片

1.1 透射电子显微镜

功能主要是获得纳米结构的投影像或原子排列的晶格长度值。它的高倍溯源主要依赖于已知晶格常数的薄晶体样品（该晶格常数来自于粉末X衍射），图3是聚苯乙烯标准小球的TEM照片。图4 是透射电子显微镜校准放大倍率的已知晶格常数的薄晶体有证标准物质。它的低倍溯源主要依赖于聚苯乙烯小球有证标准物质[4]，聚苯乙烯小球有证标准物质的溯源方法有透射电镜（TEM）内标相对测量法（这种方法可同时获得标准粒子的总体标准偏差）、计量扫描电子显微镜法（MEM）、光子相干光谱法（PCS）、扫描电迁移分析仪法（SMPS）。

当一台透射电子显微镜被校准好后，即可直接对被测物质的投影尺寸进行测量，这样的测量不但具有可溯源性，而且可根据相关标准给出测量不确定度。但这种测量的不足之处是：只能得到被测物投影像的长度值，而不是表面结构像的长度值，另外，由于它的高放大倍率而视场小的缘故，对不均匀的颗粒样品缺乏可操作性。

图4 透射电镜校准放大倍率的有证标准物质Bar=20 nm

1.2 粒度分析仪

这类仪器主要包含：光子相干光谱法（PCS）、扫描电迁移分析仪法（SMPS）、激光干涉仪法（激光粒度仪和空气粒子计数仪）。

这类仪器的量值溯源主要是依赖于聚苯乙烯小球有证标准物质。测量值有的能给出粒子体系的标准偏差，有的不可以给出（PCS）。这类仪器给出的粒径值一般是将被测粒子当作球形来计算的，有的仪器还要求粒子体系内部无相互作用（PCS），这就给正确获得粒径尺寸带来很大的困难。激光干涉仪法一般受到激光波长的限制，其溯源分析值很难达到纳米数量级（100 nm以下）。

1.3 扫描电子显微镜（SEM）和扫描探针显微镜（SPM）

这类仪器的溯源测量是目前最具挑战性的，其主要原因为IT芯片工业的高速发展。目前，工业级的线宽已达到了32 nm，而这类有证标准物质却还远远落后于这个级别，并且似乎还没有明确的发展方向。

这类有证标准物质可分为两个发展方向：

1.3.1 先在硅片上或其他平面基板上做成可测量的表面图形，再通过计量型扫描电子显微镜或计量型原子力显微镜进行可溯源标定其量值，使其成为有证标准物质，例如：美国NIST用计量型扫描电子显微镜标定SRM484g；英国NPL用计量型扫描电子显微镜标定Agar科学公司的2 160线/mm的方格光栅。德国PTB（德国联邦物理技术研究院）用计量型原子力显微镜标定中国地质科学院矿产资源研究院开发的1 μm的有证标准物质[1]。目前，计量型扫描电子显微镜在美国NIST、英国NPL、德国PTB已开发应用；计量型原子力显微镜在美国NIST、德国PTB和中国国家计量研究院等单位都已开发，并不断被改进，但应用于有证标准物质的标定还很少见报导。美国NIST开发的RM8090（最小间距为200 nm）并没有给出不确定度，也未见计量型原子力显微镜的校准应用。中国国家计量研究院与德国PTB共同开发的计量型原子力显微镜也未见应用实例。

1.3.2 利用制作原理保证其具有良好的周期性表面结构的方法来研制标准物质，下文介绍几例已在开发的这类标准物质：

1）全息光栅：利用激光的全息干涉原理在平面基板上制成光刻周期性等间隔条纹。它的不足之处是受到被选取的激光波长的限制而无法使光栅间隔很小，并且其表面结构呈正弦分布而降低扫描电镜的对比度，从而降低使用效率。图5是全息光栅标准物质扫描电镜照片。

2）激光冷却准直原子束和激光驻波场会聚原子原理研制的纳米长度标准具[2]（目前，同济大学等单位正在研发），因其可制成激光驻波场的直接光波长溯源的等间格刻线而具有诱人的前途。

3）上海市计量测试技术研究院研制的聚苯乙烯小球单层六角紧排列标准样品[3]，它是利用有证标准物质聚苯乙烯小球的已知值来溯源的，并同时得到它的周期性结构的标准偏差。该标准样品的研制受到使用的标准小球的均匀性影响较大，当使用的标准小球的粒径越来越小时，它的标准偏差会变得越来越差，紧密排列就困难了。目前，该项目只在使用美国Duke科学公司的粒径大于0.2 μm的聚苯乙烯标准小球时，排列出较理想的周期性图案。图6是紧排列聚苯乙烯标准物质扫描电镜照片。

图5 全息光栅标准物质扫描电镜照片

图6 紧排列聚苯乙烯标准物质扫描电镜照片

2 结语

扫描电子显微镜的有证标准物质的重要性在于IT芯片工业中的重要作用而发展又滞后于工业的需要，所以各国都在投入大量资金和人力进行研究。但迄今为止，扫描电子显微镜的有证标准物质研究与IT芯片工业的发展尚有差距。

[1] 周剑雄，陈振宇. 扫描电镜测长问题的讨论[M]. 成都：电子科技大学出版社，2006.

[2] 王占山，李德生，吴永刚，等. 纳米长度标准具的研究[G]. //2002年上海纳米科技发展研讨会论文集. 上海：上海市纳米科技与产业发展促进中心，2002：190-196.

[3] 盛克平，丁听生，陆国辉. SEM及AFM校准放大倍率标样的研究[J]. 电子显微学报，2003，22(5)：438-442.

The reality & challenge of traceable nanometrology

Hao Yu Hong，Xue Ren Jie
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The main methods and instruments for traceable nanometrology were introduced ,include TEM、SEM、Scanning probe、Particle size analyzer. The important methods for calibrated these instruments were introduced. The range of these instruments and standard materials was discussed. The reality & challenge of traceable nanometrology was discussed.

traceable；standard materials；nanometrology