纳米计量的溯源与传递

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1、2010年2月第30卷第l期宇航计测技术JournalofAstronauticMetrologyandMeasurementFeb．V01．30，No．1文章编号：1000—7202(2010)01—0075—05中图分类号：TB92纳米计量的溯源与传递王岳宇(北京东方计量测试研究所，北京9628信箱100086)文献标识码：A摘要介绍了纳米计量溯源到国际基本单位制(sI)的传递过程。回顾了国内外计量型扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope，SPM)的工作原理及其溯源性。论

2、述了目前主要纳米计量参数、溯源用标准样本的研究概况。关键词纳米计量溯源+扫描探针显微镜TraceableTransferforNanometrologyWANGYue·yu(BeijingOrientInstituteofMeasurement&Test，Beijing100086)AbstractTransferchainofnanometrologytraceabilitytotheInternationalSystemofUnits(SI)isintroduced．Andtheprincipl

3、eandthemeasurementtraceabilityofmetrologicalscanningprobemicro—scopeinChinaandabroadisreviewed．Then，theresearchoverviewofthenanometrologyparametersandtraceablestandardsamplesisdescribed．KeywordsNanometerMetrologyTrace+SPM1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

4、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、

5、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(MicroElectroMechanicalSys-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

6、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1／299792458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，·76·宇航计测技术2010定圈1纳米测量溯源性传递链图可将计量型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、

7、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SPM2．1SPM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石，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

8、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：轴方向的运动，从而保持探针的变化量恒定，进而保持针尖一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叫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。圈2SPM的测量原■图按照近场效应的不同，SPM家庭包含多种成员，例如利用隧道效应的STM旧1、利用vanderWaa