Наука и технологии России

Вход Регистрация

Эталоны в наномире

В предместье Парижа, в Международном бюро мер и весов, до сих пор хранится этакий рельс из сплава платины и иридия. Когда-то он был эталоном метра. Теперь это скорее музейный экспонат. Универсальную единицу длины определяют через скорость света в вакууме. Однако вещественные эталоны по-прежнему служат для калибровки приборов. В последние годы наука и промышленность имеют дело со всё меньшими диапазонами длин. В наномире нужны свои эталоны. И здесь Россия может показать преимущество. Недавно в Научно-исследовательском центре по изучению свойств поверхности и вакуума Росстандарта разработали новое поколение более совершенных тест-объектов для электронной и зондовой микроскопии.

Новые технологии требуют всё более точных микроскопов. Сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3400N

Справка STRF.ru:
Проект «Разработка кристаллических рельефных наноструктур – принципиально новых средств обеспечения достоверности диагностики продукции нанотехнологий» профинансировало Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы». Государство в 2011–2013 годах выделило на проект 134 миллиона рублей, такую же сумму составили внебюджетные средства

Для чего нужны эталоны?

Инженерное дело и индустрия всё чаще имеют дело с объектами в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса – достаточно вспомнить биотехнологии и электронику. Как изучить такие крохотные сущности? Как провести измерения и узнать о физической и химической подоплёке протекающих в них процессов?

К сожалению, оптические микроскопы здесь не помощники. На первые роли выходят электронная и зондовая микроскопии.

В растровом (сканирующем) электронном микроскопе (РЭМ) поверхность объекта сканируется сфокусированным электронным пучком, затем видеоизображение формируется путём регистрации характеристик вторичных электронов, инициированных этим электронным пучком.

В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) видеоизображение объекта формируется электронными пучками, прошедшими сквозь этот объект.

В зондовом атомно-силовом микроскопе (АСМ) видеоизображение объекта формируется за счёт особенностей взаимодействия острого механического зонда с поверхностью исследуемого объекта.

Во всех трёх случаях на экране монитора появляется изображение исследуемого объекта, но для измерения его параметров необходимо иметь и видеоизображение аттестованной шкалы или меры, привязанной к эталону метра.

Точно так же для определения характерных размеров объекта на фотографии необходим снимок объекта вместе с линейкой. Такой «линейкой» для современных микроскопов стали аттестованные кристаллические рельефные наноструктуры, своего рода эталоны длины. Они позволяют откалибровать приборы разных типов.

Рисунок 1. Передача размера единицы величины средству измерений

Что служит эталоном?

Кристаллические шаговые рельефные наноструктуры Научно-исследовательского центра по изучению свойств поверхности и вакуума сформированы на поверхности монокристаллического кремния путём электронной литографии и анизотропного травления. Элементы рельефа структуры имеют профиль в виде трапеции с равными боковыми стенками и заданным углом наклона боковых сторон относительно нижнего основания φ = 54,74°. Этот угол определяется углом между кристаллографическими плоскостями {100} и {111}. Глубина рельефа структуры, ширина линии (ширина выступа/канавки) определяются заданием типономиналов конкретного тест-объекта.

Рисунок 2. Элементы кристаллических рельефных наноструктур с трапецеидальным профилем

Тест-объекты для характеризации разных микроскопов отличаются. Например, тест-объект для просвечивающего электронного микроскопа – это поперечный срез кристаллической рельефной наноструктуры толщиной 20–50 нм.

Технологическая новизна разработанных структур основана на использовании природных констант – межплоскостного расстояния вдоль плоскости {111} монокристалла кремния и угла между кристаллографическими плоскостями {111} и {100}. Использование межплоскостного расстояния позволяет проводить характеризацию просвечивающих электронных микроскопов в режиме высокого разрешения. Использование константы в виде угла между кристаллографическими плоскостями имеет два преимущества. С одной стороны, оно позволяет использовать интерферометрический способ аттестации параметров кристаллических рельефных структур – можно аттестовать высоту выступа кристаллической структуры и пересчитать остальные параметры, зная угол между плоскостью основания и боковой стенкой. С другой стороны, обеспечивается повышенная стабильность значения проекции боковой стенки на плоскость основания как удобного аттестуемого параметра кристаллической рельефной наноструктуры, применяемого при характеризации атомно-силовых, растровых электронных и просвечивающих электронных микроскопов.

Рисунок 3. Тест-объект для атомного силового микроскопа

Разработанные кристаллические рельефные наноструктуры для характеризации АСМ имеют преимущество перед аналогами, так как позволяют одновременно определить как масштабный коэффициент видеоизображения по осям X, Y, Z и неортогональность осей сканирования, так и эффективный радиус острия кантилевера.

Рисунок 4. Тест-объект для растрового электронного микроскопа

Разработанные кристаллические рельефные наноструктуры для характеризации РЭМ имеют преимущество перед аналогами, так как позволяют одновременно определять как масштабный коэффициент видеоизображения по осям X, Y, так и неортогональность сканирования и эффективный диаметр электронного зонда РЭМ.

Рисунок 5. Тест-объект для просвечивающего электронного микроскопа

Разработанные кристаллические рельефные наноструктуры для характеризации ПЭМ не уступают лучшим мировым аналогам. При этом они имеют некоторые преимущества в ширине диапазона характерных размеров, что позволяет использовать данные структуры для характеризации ПЭМ в большем рабочем диапазоне увеличений. Также нанесение на кристаллические рельефные наноструктуры нескольких слоёв различных веществ-маркеров позволяет настраивать энергетическую шкалу аналитических ПЭМ.

Разработанные кристаллические рельефные наноструктуры соответствуют международному стандарту IEC/TS 62622:2012 «Artificial gratings used in nanotechnology – Description and measurement of dimensional quality parameters» – таким образом, они обладают высоким экспортным потенциалом за счёт превосходства технических характеристик над зарубежными аналогами. Кстати, указанный стандарт разработан в том числе и на основе наших, отечественных стандартов.

Кто станет потребителем?

В настоящее время в России функционирует не менее 500 атомно-силовых, 250 растровых электронных и 50 просвечивающих электронных микроскопов. А для обеспечения достоверности проводимых измерений на каждую единицу оборудования необходимо от 1 до 5 образцов аттестованных наноструктур. При этом вследствие деградации поверхности наноструктур ввиду особенностей взаимодействия с зондами измерительных средств, срок службы подобных структур составляет около 1 года при интенсивном использовании. Таким образом, уже существующая потребность в аттестованных наноструктурах составляет приблизительно 2000–2500 штук в год.

Потенциальными потребителями являются: отечественные и зарубежные компании наноиндустрии; научно-исследовательские организации; национальные исследовательские университеты, высшие учебные заведения; научно-образовательные центры; центры коллективного пользования научным оборудованием; организации, деятельность которых входит в сферу нанотехнологий и производства продукции нанотехнологий, разработки и производства приборно-аналитического и технологического оборудования для нанотехнологий.

В НИЦПВ уверены, что с развитием сферы нанотехнологий и наноиндустрии в Российской Федерации парк приборно-аналитического оборудования будет неуклонно расти, что приведёт к росту потребностей в аттестованных наноструктурах. Поэтому в 2017–2018 годах их понадобится 3000–3500 штук в год. Кроме того, за счёт гармонизации стандартов ИСО и МЭК с национальными стандартами России существует возможность продвижения продукции на мировой рынок.

STRF.ru по материалам ОАО «НИЦПВ»

РЕЙТИНГ

5.00
голосов: 2

Обсуждение