Инженерные основы измерений нанометровой точности

Благодарности
Глава 1
Введение в метрологию для микро- и
нанотехнологий
1.1. Что представляет собой инженерная
нанометрология?
1.2. Содержание этой книги
1.3. Список использованных источников
Глава 2
Основы измерений
2.1. Введение
2.2. Единицы измерений и система СИ
2.3. Длина
2.4. Масса
2.5. Сила
2.6. Угол
2.7. Прослеживаемость измерения
2.8. Точность, прецизионность, разрешение,
погрешность и неопределенность измерения
2.8.1. Точность и прецизионность измерения
2.8.2. Разрешение и погрешность измерения
2.8.3. Неопределенность измерения
2.8.3.1. Перенос распределений вероятности
2.8.3.2. Руководство по выражению
неопределенности в измерениях (GUM)
2.8.3.3. Метод Монте-Карло
2.9. Лазеры
2.9.1. Принцип действия гелий-неонового лазера
2.9.2. Способы стабилизации длины волны
одномодового лазера
2.9.3. Стабилизация частоты лазера с
использованием метода насыщенного поглощения
2.9.3.1. Стабилизация лазера с двухмодовым
режимом работы
2.9.4. Лазеры, стабилизированные посредством
использования эффекта Зеемана, излучающие
на длине волны 633 нм
2.9.5. Калибровка частоты (стабилизированного)
лазера, излучающего на длине волны 633 нм
2.9.6. Существующие и перспективные лазерные
стандарты частоты
2.10. Список использованных источников
Глава 3
Принципы разработки прецизионных средств
измерений
3.1. Геометрия
3.2. Кинематика
3.2.1. Сочленение Кельвина
3.2.2. Реализация единственной степени свободы
3.3. Динамика
3.4. Принцип Аббе
3.5. Упругое сжатие
3.6. Структурные схемы
3.6.1. Каркасный контур
3.6.2. Тепловой контур
3.6.3. Метрологический контур
3.7. Материалы
3.7.1. Минимизация теплового воздействия
3.7.2. Минимизация механического воздействия
3.8. Симметрия
3.9. Виброизоляция
3.9.1. Источники вибрации
3.9.2. Пассивная виброизоляция
3.9.3. Подавление колебаний
3.9.4. Внутренний резонанс
3.9.5. Активная виброизоляция
3.9.6. Акустический шум
3.10. Список использованных источников
Глава 4
Прослеживаемость длины при помощи
интерферометрии
4.1. Обеспечение прослеживаемости длины
4.2. Концевые меры как средство обеспечения
прослеживаемости
4.3. Введение в интерферометрию
4.3.1. Свет как волна
4.3.2. Измерение биения в случае, когда w1 w2
4.3.3. Видность и контраст
4.3.4. Интерференция белого света и длина
когерентности
4.4. Схемы интерферометров
4.4.1. Интерферометры Майкельсона и Тваймана-
Грина
4.4.1.1. Модификация Тваймана-Грина
4.4.2. Интерферометр Физо
4.4.3. Интерферометры Жамена и Маха-Цендера
4.4.4. Интерферометр Фабри-Перо
4.5. Интерферометрия концевых мер
4.5.1. Измерение длины при помощи
интерферометрии
4.5.2. Работа интерферометра для измерения
длины концевых мер
4.5.2.1. Измерение сдвига интерференционной
картины - сдвиг фаз
4.5.2.2. Анализ мультиволновой интерференции
4.5.2.3. Длина волны в вакууме
4.5.2.4. Тепловые эффекты
4.5.2.5. Измерение показателя преломления
4.5.2.6. Апертурная коррекция
4.5.2.7. Эффекты поверхности и изменения фазы
4.5.3. Источники погрешности
4.5.3.1. Неопределенность относительного сдвига
интерференционных полос
4.5.3.2. Неопределенность мультиволновой
интерферометрии
4.5.3.3. Неопределенность длины волны в вакууме
4.5.3.4. Неопределенность вследствие тепловых
эффектов
4.5.3.5. Неопределенность показателя
преломления
4.5.3.6. Неопределенность апертурной коррекции
4.5.3.7. Неопределенность изменения фазы
4.5.3.8. Косинусная погрешность
4.6. Список использованных источников
Глава 5
Измерение перемещений
5.1. Введение
5.2. Интерферометрия перемещений
5.2.1. Основы интерферометрии перемещений
5.2.2. Гомодинная интерферометрия
5.2.3. Гетеродинная интерферометрия
5.2.4. Счет и деление интерференционных полос
5.2.5. Двухпроходная интерферометрия
5.2.6. Дифференциальная интерферометрия
5.2.7. Интерферометрия со свипированием частоты
5.2.8. Источники погрешности
5.2.8.1. Тепловое расширение
5.2.8.2. Длина мертвого хода
5.2.8.3. Косинусная погрешность
5.2.8.4. Нелинейность
5.2.8.5. Коррекция Хейдеманна
5.2.8.6. Источники случайной погрешности
5.2.8.7. Прочие источники погрешности
5.2.9. Угловые интерферометры
5.3. Емкостные датчики
5.4. Индуктивные датчики
5.5. Оптические датчики
5.6. Оптоволоконные датчики
5.7. Калибровка датчиков перемещения
5.7.1. Калибровка с использованием оптической
интерферометрии
5.7.1.1. Калибровка с использованием
интерферометра Фабри-Перо
5.7.1.2. Калибровка с использованием
измерительного лазера
5.7.2. Калибровка с использованием рентгеновской
интерферометрии
5.8. Список использованных источников
Глава 6
Средства измерений параметров рельефа
поверхности
6.1. Введение
6.2. Понятие пространственной частоты
6.3. Исторический обзор
6.4. Измерение параметров профиля поверхности
6.5. Измерение параметров трехмерной текстуры
поверхности
6.6. Средства измерений
6.6.1. Стилусные Профилометры
6.7. Оптические профилометры
6.7.1. Ограничения оптических средств измерений
6.7.2. Оптические сканирующие методы
6.7.2.1. Триангуляционные профилометры
6.7.2.2. Конфокальные микроскопы
6.7.2.2.1. Конфокальные хроматические зонды
6.7.2.3. Профилометрия точечной
автофокусировки
6.7.3. Оптические методы исследования
поверхности
6.7.3.1. Микроскопия с переменным фокусом
6.7.3.2. Фазосдвигающая интерферометрия
6.7.3.3. Цифровая голографическая микроскопия
6.7.3.4. Когерентная сканирующая
интерферометрия
6.7.4. Методы рассеяния
6.8. Емкостные средства измерений
6.9. Пневматические средства измерений
6.10. Калибровка средств измерений параметров
рельефа поверхности
6.10.1. Прослеживаем ость измерений параметров
рельефа поверхности
6.10.2. Калибровка средств измерений параметров
профиля поверхности
6.10.3. Калибровка средств измерений параметров
трехмерной текстуры поверхности
6.11. Неопределенность измерений параметров
рельефа поверхности
6.12. Сравнение средств измерений параметров
рельефа поверхности
6.13. Стандарты на программное обеспечение
6.14. Список использованных источников
Глава 7
Сканирующая зондовая, электронная и
ионная микроскопия
7.1. Сканирующая зондовая микроскопия
7.2. Сканирующая туннельная микроскопия
7.3. Атомно-силовая микроскопия
7.3.1. Источники шума в атомно-силовой
микроскопии
7.3.1.1. Определение уровня статического шума
7.3.1.2. Определение уровня динамического шума
7.3.1.3. Определение уровня шума ху-сканера
7.3.2. Некоторые типичные артефакты
АСМ-изображений
7.3.2.1. Размер и форма иглы
7.3.2.2. Загрязнение зонда
7.3.2.3. Прочие артефакты
7.3.3. Определение системы координат
атомно-силового микроскопа
7.3.4. Прослеживаемость в атомно-силовой
микроскопии
7.3.4.1. Калибровка АСМ
7.3.5. Измерение силы при помощи АСМ
7.3.6. Определение жесткости кантилевера АСМ
7.3.7. Измерение меж- и внутримолекулярных сил
при помощи АСМ
7.3.7.1. Придание зонду функциональных свойств
7.3.8. Измерение расстояния между зондом и
образцом
7.3.9. Артефакты, возникающие при измерении
сил посредством АСМ
7.4. Исследование наночастиц при помощи
сканирующей зондовой микроскопии
7.5. Электронная микроскопия
7.5.1. Растровая электронная микроскопия
7.5.1.1. Выбор калибровочного образца для
растровойэлектронной микроскопии
7.5.2. Просвечивающая электронная микроскопия
7.5.3. Прослеживаемость и калибровка
просвечивающих электронных микроскопов
7.5.3.1. Выбор калибровочного образца
7.5.3.2. Линейная калибровка
7.5.3.3. Локальная калибровка
7.5.3.4. Эталонная сетка
7.5.4. Исследование наночастиц при помощи
электронной микроскопии
7.6. Ионная микроскопия
7.7. Список использованных источников
Глава 8
Характеризация рельефа поверхности
8.1. Введение
8.2. Характеризация профиля поверхности
8.2.1. Длина оценки
8.2.2. Общее перемещение
8.2.3. Фильтрация профиля
8.2.3.1. Первичный профиль
8.2.3.2. Профиль шероховатости
8.2.3.3. Профиль волнистости
8.2.4. Стандартные значения при характеризации
профиля
8.2.5. Основные параметры характеризации
профиля
8.2.5.1. Обозначения параметров профиля
8.2.5.2. Неоднозначность параметров профиля
8.2.6. Параметры амплитуды профиля (от пиков до
впадин)
8.2.6.1. Максимальная высота пика профиля Rp
8.2.6.2. Максимальная глубина долины профиля Rv
8.2.6.3. Максимальная высота профиля Rz
8.2.6.4. Средняя высота элементов профиля Re
8.2.6.5. Общая высота поверхности Rt
8.2.7. Средние значения параметров профиля
8.2.7.1. Среднее арифметическое отклонение
профиля Ra
8.2.7.2. Среднеквадратичное отклонение профиля
Rq
8.2.7.3. Асимметрия профиля Rsk
8.2.7.4. Эксцесс профиля Rku
8.2.8. Параметры ширины элементов профиля
8.2.8.1. Средняя ширина элементов профиля RSm
8.2.9. Параметры кривых профиля
8.2.9.1. Относительная опорная длина профиля
8.2.9.2. Кривая относительной опорной длины
профиля
8.2.9.3. Разница высот уровней сечения Rdc
8.2.9.4. Удельная опорная длина профиля Rmr
8.2.9.5. Кривая амплитуды высот профиля
8.2.10. Стандарты характеризации профиля
8.3. Характеризация трехмерной текстуры
поверхности
8.3.1. Фильтрация изображения поверхности
8.3.2. Фильтрация трехмерной текстуры
поверхности
8.3.3. Стандарты характеризации трехмерной
текстуры поверхности
8.3.4. Единая система координат для
характеризации текстуры и формы поверхности
8.3.5. Параметры характеризации трехмерной
текстуры поверхности
8.3.6. Параметры целого изображения
8.3.6.1. Параметры высоты трехмерной текстуры
поверхности
8.3.6.1.1. Среднеквадратичная высота
поверхности Sq
8.3.6.1.2. Среднее арифметическое значение
абсолютной высоты поверхности Sa
8.3.6.1.3. Асимметрия распределения высот Ssk
8.3.6.1.4. Эксцесс распределения высот Sku
8.3.6.1.5. Максимальная высота пиков поверхности
Sp
8.3.6.1.6. Максимальная глубина долин
поверхности Sv
8.3.6.1.7. Максимальная высота поверхности Sz
8.3.6.2. Пространственные параметры
характеризации трехмерной текстуры поверхности
8.3.6.2.1. Длина автокорреляции Sal
8.3.6.2.2. Аспектное отношение текстуры
поверхности St г
8.3.6.3. Смешанные параметры трехмерной
текстуры поверхности
8.3.6.3.1. Среднеквадратичный градиент
отфильтрованной поверхности Sdq
8.3.6.3.2. Показатель развитости межфазных
границ Sdr
8.3.6.4. Функциональные параметры
8.3.6.4.1. Относительная опорная площадь
отфильтрованной поверхности Smc(c)
8.3.6.4.2. Кривая относительной опорной площади
отфильтрованной поверхности
8.3.6.4.3. Обратная относительная опорная
площадь отфильтрованной поверхности Sdc(mr)
8.3.6.4.4. Параметры характеризации
стратифицированной функциональной
отфильтрованной поверхности
8.3.6.4.5. Объем пустот Vv(mr)
8.3.6.4.6. Объем материала Vm(mr)
8.3.6.4.7. Высота пиков Sxp
8.3.6.4.8. Функция плотности градиента
8.3.6.5. Вспомогательный параметр
8.3.6.5.1. Направление текстуры отфильтрованной
поверхности Std
3.7. Характеризация элементов поверхности
8.3.7.1. Шаг 1. Выбор элементов поверхности
8.3.7.2. Шаг 2. Сегментация
8.3.7.2.1. Дерево изменений
8.3.7.3. Шаг 3. Определение значимых элементов
8.3.7.4. Шаг 4. Выбор признаков элементов
8.3.7.5. Шаг 5. Определение количественных
характеристик признаков элементов
8.3.7.6. Параметры элементов
8.3.7.6.1. Плотность пиков Spd
8.3.7.6.2. Средняя арифметическая кривизна пиков
Spc
8.3.7.6.3. Высота поверхности по десяти точкам
SIOz
8.3.7.6.4. Высота пиков по пяти точкам S5p
8.3.7.6.5. Глубина впадин по пяти точкам S5v
8.3.7.6.6. Площадь замкнутых долов Sda(c)
8.3.7.6.7. Площадь замкнутых холмов Sha(c)
8.3.7.6.8. Объем замкнутых долов Sdc(c)
8.3.7.6.9. Объем замкнутых холмов Shv(c)
8.4. Фрактальные методы
8.4.1. Линейные фрактальные методы
8.4.2. Фрактальный анализ трехмерной текстуры
поверхности
8.4.2.1. Анализ зависимости объем-масштаб
8.4.2.2. Анализ зависимости площадь-масштаб
8.5. Сравнение характеризаций профиля и
трехмерной текстуры
8.6. Список использованных источников
Глава 9
Координатная метрология
9.1. Координатно-измерительные машины (КИМ)
9.1.1. Зондовые системы КИМ
9.1.2. Программное обеспечение КИМ
Позиционирование
9.1.4. КИМ и САПР
9.1.5. Объекты геометрической и свободной формы
9.1.6. Прочие типы КИМ
9.2. Источники погрешности КИМ
9.3. Прослеживаемость, калибровка и поверка КИМ
9.3.1. Прослеживаемость КИМ
9.4. КИМ малого диапазона
9.4.1. Автономные КИМ малого диапазона
9.4.1.1. КИМ малого диапазона со штриховой
измерительной шкалой
9.4.1.2. КИМ малого диапазона с лазерным
интерферометром
9.5. Зонды КИМ малого диапазона
9.6. Калибровка КИМ малого диапазона
9.6.1. Калибровка КИМ малого диапазона с
лазерным интерферометром
9.6.2. Калибровка КИМ малого диапазона со
штриховой измерительной шкалой
9.7. Список использованных источников
Глава 10
Измерения сил и масс
10.1. Прослеживаемость традиционных измерений
масс
10.1.1. Изготовление Международного прототипа
килограмма и его первичных копий
10.1.2. Текстура поверхности эталонов массы
10.1.3. Распространение эталона килограмма
10.1.4. Стабильность эталонов килограмма после
очистки
10.1.5. Ограничения текущего определения
килограмма
10.1.6. Исследования в области альтернативных
способов определения килограмма
10.1.6.1. Использование ватт-весов
10.1.6.2. Использование метода Авогадро
10.1.6.3. Использование аккумуляции ионов
10.1.6.4. Использование левитирующего
сверхпроводника
10.1.7. Компараторы массы
10.1.7.1. Современные механические весы с двумя
чашами
10.1.7.2. Электронные весы
10.2. Измерения малых масс
10.2.1. Определение массы путем деления
10.3. Измерения малых сил
10.3.1. Сравнительные величины малых сил
10.3.2. Прослеживаемость измерений малых сил
10.3.3. Весы для измерения малых сил
10.3.4. Эталоны сравнения для измерения малых
сил
10.3.4.1. Использование силоизмерительных машин
10.3.4.2. Использование упругих элементов
10.3.4.3. Использование малых
электростатических весов
10.3.4.4. Использование резонансных методов
10.3.4.5. Заключение
10.4. Список использованных источников
Приложение А
Базовые единицы измерения системы СИ и их
реализация в NPL
Приложение Б
Производные единицы измерения системы СИ
Примеры производных единиц системы СИ,
выраженных через базовые единицы
Производные единицы системы СИ с собственными
названиями и обозначениями