Инженерные основы измерений нанометровой точности

Р. ЛИЧ 

ИНЖЕНЕРНЫЕ  
ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ 
НАНОМЕТРОВОЙ ТОЧНОСТИ

Перевод с английского  
А.В. Заблоцкого

Р. Лич
Инженерные основы измерений нанометровой точности: Учебное
издание / Р. Лич – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект»,
2012. – 400 с.
ISBN 9785915591195

Книга известного специалиста Национальной Физической Лаборатории (NPL,
Великобритания) последовательно рассматривает инженерные аспекты  достижения нанометровой точности измерений перемещений и параметров  рельефа
поверхности, контроля параметров макрообъектов с помощью координатноизмерительных машин, различных зондовых, оптических и электронных средств
измерений (включая вопросы обеспечения прослеживаемости измерений длины с помощью лазерной интерферометрии и калибровочных образцов). Также
рассмотрены вопросы прецизионных измерений масс.
Для студентов и преподавателей технических университетов, специалистов
промышленных предприятий, инженеровразработчиков и исследователей.

ISBN 9785915591195

© 2010, Richard K. Leach. Published by Elsevier Inc. All
rights reserved. This edition of FUNDAMENTAL
PRINCIPLES OF ENGINEERING
NANOMETROLOGY  by Richard Leach is
published by arrangement with ELSEVIER INC.,
a Delaware corporation having its principal place
of business at 360 Park Avenue South, New York,
NY 10010, USA
© 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект»,
оригиналмакет, оформление

ISBN 9780080964546 (англ.)

 




!"#$!%&

!!"'()$***$+%(&

!
"#$%,#)')#-).-/)#01!/!)-#"!)
'2$3&

, &40!5'6
#-)!/!/'/"!"02$3&

&''
('(&)*+),-./0123/4/)++),-./45212+/6

7)-)'&

,/)-)#!!!!""#"-8!"
"&

&741282+/2/0)9128+),-./45212+/6

!;!)/)'!"''!!"'!)'</&


!"#

$$%&

<<1/+3/0:2=,->/692;/=?+2)+)>)9);74217

<0),)@A,-7@/;/473//:;/+A>);+A
):+)5):)>)9);74217

<-7@/;/473/6*7,-)-A;74217
,/,0);.4)>7+/2552-):7
+7,AB2++)9)0)9;)B2+/6

He—Ne
I2

f

3f
3f

Когерентный
фильтр

Пьезоэлектрический
привод
Пьезоэлектрический
привод

Детектор

Осциллятор
и утроитель
Высоковольтный
усилитель
постоянного тока
Малошумящий
усилитель

Интегрирующий
фильтр
Управляемый
интегрирующий
фильтр

<!7421A',-7@/;/4/1)>7++A20),12:,->)5
/,0);.4)>7+/6CDD2E-72257+7'
/4;F*7GB/2+7:;/+2>);+A#+5

<"7;/@1)>E7*7,-)-AH,-7@/;/4/1)>7++)9)I
;74217'/4;F*7GB29)+7:;/+2>);+A#+5

Зеркало

Светоделитель
Стабилизированный
по молекулярной линии
поглощения паров йода
гелийнеоновый эталонный лазер

Калибруемый
гелийнеоновый лазер

Фотодетектор

Калибруемый
гелийнеоновый лазер

<#FB2,->FGB/2/021,02E-/>+A2
;7421+A2,-7+:71-A*7,-)-A

J

=:"'.>?@AB1#.CADAB1&E)#)-!:!'!#&,0-!)#</&F"#'#!)-!"""'&

)*;2+2+/22;.>/+7

Сфера, присоединенная
к верхней пластине
Плоская
поверхность

Трехгранный
паз
Vобразный
паз
а
б

27;/473/62:/+,->2++)=,-202+/,>)@):A

Вид сбоку

Вид снизу

Каретка

!G--#)!:'!)#-)!#''!&

H!#-)!#'')!#)&E0#!!!#-)-#-##)!!'
I--&

"$$#$$#71E7,+A=E)+-F1

#20;)>)=E)+-F1

#2-1);)9/*2,E/=E)+-F1

%%/+/5/473/6-20;)>)9)>)4:2=,->/6

%/+/5/473/652K7+/*2,E)9)>)4:2=,->/6

&<<,-)*+/E/>/@173//


<7,,/>+76>/@1)/4);63/6

!"#"$%#"$&'($))*+#",$-)#%$4%$)5/*/2/0*%%"0/3",$
$./"/-/)#60$"&/1#/2$",#

Длина

Опорная
точка

/3/)#/#),/07/0$2/,0#8

"М1

М2
C

S

A

B

D

4#9:;#<::М1

М2

C

A

S

B

"+/2*#),/07/0$2/,0$#<=2;,>?S1

S2

E t
1( )

E t
2( )

E t
0( )

E
E
2
1
+

L

Детектор

Эталонное
зеркало

Объектное
зеркало

Источник

4#<7I
S1

S2
Объект

Лазер

Линза

Линза

Линза

Поворотное
зеркало

Светоделитель
с 50% пропусканием

Камера
или наблюдатель

Эталонное
зеркало

#<=12@>5A

T1

T2
D

К детектору

От источника

Светоделитель

Светоделитель
Зеркало

Зеркало

#<7>B

P

#),/07/0$2/,0#6%$)5/*+2/0

#=
AAB<L
d

D

Источник
света

L

Концевая мера

Призма
Кестерса

Эталонное
зеркало

Наблюдатель

Светоделитель

Подложка


b
a

Увеличение
порядка
интерференции

Относительный сдвиг полос
интерференционной
картины /
a b

40<==@!"#"$"$

 L1

L2
f

f

g

Oc

p
L1
f

g

Oi

Подложка

Оптическая
плоскость

Отдельная концевая мера,
притертая к подложке

#A:!"!"##!!"
!"!$!"!!!"!!%!"!!!!"$!"&'#("

"#"$%#"$&'($))*+#",$-)#%$
/3/)#/

4#),/07/0$2/,0#6/0/2/C/)#D

4$=<AB
44?<f1
f1

f
f
1 ± f
f
1 ± Подвижный
световозвращатель

Светоделитель

Стационарный
световозвращатель
(эталонный отражатель)

Лазер

Детектор

4?<f1
f2

f
f
2 ± f
f
2 ± Подвижный
световозвращатель

Светоделитель

Стационарный
световозвращатель

Лазер

Детектор

f2

f1

4"<=@A43@A@<43<<;<Фотодетектор
интерферограммы 1

Фотодетектор
интерферограммы 2

Лазерный луч

Светоделитель
Жамена

Поляризующий
светоделитель

Световозвращатель

/4пластины

4E#<A=


4F#A:
Реальное расстояние

Измеренное расстояние

Лазерный луч

Ось движения

!"#
$%&!&'(&&!4G:=<=

f1

f
f
2 ± 2

f2
f2

f
f
1 ± 1
f
f
2 ± 2

f1

f
f
1 ±  1

К фотодетектору

Угловой
интерферометр

Уголковый
отражатель

Устройство
для отклонения луча

Известное
расстояние

Поляризующий
светоделитель

От лазера

/2%$",)*/3,-#%#

Зонд

Объект

#)3G%,#)*/3,-#%#

Нулевое положение

Погрешность
измерения
перемещения, мкм

Перемещение, мм
–ve
+ve

$,#-/"%#/3,-#%#

Измерительная шкала
(период = 0 512 мкм)
,

Источник
света
Коллимирующая
линза

Детекторы

Шаговая решетка
(период = 1 024 мкм)
,


$,$$&$%$))*/3,-#%#


Угол Брюстера

Оболочка

Сердцевина

а
б
в

Объект

Источник

Детектор

Передающее волокно

Приемное волокно

E%&#.0$%3,-#%$/0/2/C/)#6

E%A;A<E4%A;:<В
М
А

Пьезоэлектрический
привод
Направление
движения

Оптический сигнал

Стол
поступательного
перемещения
Устройство
перемещения

Подвижное
зеркало ( )
М

Гелийнеоновый
лазер

Волоконный
кабель

Оптический
модулятор

4пластина

Источник
рентгеновского
излучения

4пластина

В
М

А

Рентгеновский
интерферометр

Детектор
Поляризатор

Высоковольтный
усилитель
5 кГц

Фазочувствительный
детектор

F"#"$%#"$&'($))*+#",$-)#%$
  –100

–50

0

50

0
200
400
600
800

Впадины или долины?

Высота, нм

Длина, мм

318,60 мкм

!"#$%&'()*+!"*,' )&

Основание

Колонна

Измерительный контур

Держатель зонда

Стилус
Платформа
для образца

Крепление

Привод


 --.)/%!0'%!1*( !0'$2!3$)'4$ 5!6,')'%!7

Поверхность

Линза объектива

-( !0'$2!'$2/%!)#89!',' *4&

x

Объект

Лазер

z

ПЗСкамера
или позиционночувствительный
датчик

Линза

 Апертура
детектора

Апертура
осветителя

Полевая
линза

Конденсор
Объектив
Светоделитель

Образец
в фокусе

а

Апертура
детектора

Апертура
осветителя

Полевая
линза

Конденсор
Объектив
Светоделитель

Образец
вне фокуса

б

б
а

Промежуточное
изображение

Траектории
движения
отверстий
Отверстие

Объект

Источник
белого света

Камера

Диск
Нипкова

Объектив

Источник
белого света

Континуум
хроматических
фокусных точек

Дисперсионная
среда


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0

а

+
0
–
б

–z

W
0

0
–
в

z1

z2

-( !0'$2!',' *4&
!$$"'4*5/%!1(*5')3%*$ !

!1

2

2

4
3

5

6

7

8

 "#$ %&1

2

3

4

5

6

7
8

9


1

2

3

4

1

2

3

4

5

'x

z
O

R
Объект

Источник
света

O

R

BS
M1

C

M2

RL

MO

BS

CCD

(%&Интерференционный
объектив Миро

Камера

Светоделитель
осветителя

Увеличивающие
линзы

Источник
света

Апертура
источника

Апертура
объектива

Фокальная
плоскость

Сканер

Эталонное
зеркало

Светоделитель
интерферометра

Ось
сканирования

Направление сканирования

Сверху вниз
-' *4&)/$$'1%!1

Порт образца
с установленным
объектом

Фотометрический
шар
Рассеянные
лучи

Рассеянные
лучи

Падающий
луч

Входное
отверстие

Выходное
отверстие

Отраженный
луч

Порт
фотодетектора
Фотодетектор

Диффузное
покрытие

:;<=<)*$"'>!5/',*$ ?!6,')'%!7
(/)/,' )*5)'"?'+/(*5')3%*$ !

</"!@)*52/$)'4$ 5!6,')'%!7
(/)/,' )*5()*+!"1(*5')3%*$ !

</"!@)*52/$)'4$ 5!6,')'%!7(/)/,' )*5
 )'3,')%*7'2$ #)&(*5')3%*$ !

Rf

P
I

d

1

2

L1

L2

Rf

P

d

Rf

P

d
Df

Rf

P
H1

H2
H3
R1
R2
H4

L3
L2
L1
Di

P
d

Sr

S

Di

d

Lx

Ly

===A= -BCПьезоэлектрический
сканер

Фотодиод

Лазер

Образец
Датчик

-BC=-D z x y
( , )

Блок оси
z

Блок управления
и записи данных

Блок
позиционирования
по осям
,
x y

Цепь
управления
по осям
,
x y

Цепь
управления
по осям
,
x y

Блок
, осей
x y

Измеряемое
положение по оси z

Цепь управления
по оси z

Датчик
отклонения

Зонд

Датчик
положения
по оси z

zСканер

Измеряемый
объект

z
y

x

Датчики
положения
по осям
,
x y

-$ *0%!2!E#,/
5/ *,%*D$!"*5*7,!2)*$2*(!!

0
250
500
750
1000 нм

0

250

500

750

1000
нм

1,0
нм

0,5

0,0

1,0
нм

0,5

0,0

-'2* *)&'!(!0%&'/) '+/2 &
D!6*@)/>'%!7

!

"#!

-()'4'"'%!'$!$ ',&2**)4!%/ 
/ *,%*D$!"*5*.*,!2)*$2*(/

px
px

py
ay
ax

а
б

-)*$"'>!5/',*$ ?
5/ *,%*D$!"*5*7,!2)*$2*(!!

$%&'()

!"


-6,')'%!'$!"&()!(*,*9!I
II
III

IV

+

–
Притяжение

Отклонение, В

Перемещение, нм

Сила, нН

Расстояние, нм

Межфазные силы

Адгезионные силы

Отталкивание

а

б

-()'4'"'%!'>'$ 2*$ !2/% !"'5')/
#$%&'(#*+!,-)*%&'


-:6,')'%!')/$$ *1%!1
,'>4#6*%4*,!*@)/6F*,

-;) '+/2 &G5*6%!2/89!'()!!6,')'%!!$!"
(*$)'4$ 5*, -H
CBC-I-/$ )*5/1J"'2 )*%%/1,!2)*$2*(!1

 ./!&&&*-0--)*$5'0!5/89/1J"'2 )*%%/1,!2)*$2*(!1

-)*$"'>!5/',*$ ?!2/"!@)*52/
()*$5'0!5/89!3J"'2 )*%%&3,!2)*$2*(*5

./!&&&*.1-&.1+&.$2-$"'4*5/%!'%/%*0/$ !F
()!(*,*9!J"'2 )*%%*7,!2)*$2*(!!

б
a

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42
Размер частиц

Частота

в

---=::H:"!%/*F'%2!

:@9''(')','9'%!'

:!"? )/F!1()*+!"1


:$%*5%&'(/)/,' )&
3/)/2 ')!6/F!!()*+!"1

!:/)/,' )&/,("! #4&()*+!"1
K* (!2*54*5(/4!%L

"#$$%&

"#$'(!%)

"#$%*

"+,!-%.

"/:-)'4%!'6%/0'%!1(/)/,' )*5()*+!"1

0,!$$%1

0,!$!$%2

03%45

0+6$7%58

::/)/,' )&E!)!%&J"','% *5()*+!"1

,!-:;/)/,' )&2)!5&3()*+!"1

9!9:!80
60
40
20
0
100   %

Средняя
линия

Длина оценки E

9;7(%<.

9+=!!%>?

9:(!:</%4/) &3/)/2 ')!6/F!!()*+!"1

:H:!"? )/F!1!6*@)/>'%!1(*5')3%*$ !

:!"? )/F!1)'3,')%*7'2$ #)&(*5')3%*$ !

нм
15,56

10

5

0

х: 90,34 мкм

у: 90,43 мкм

х: 90,34 мкм

у: 90,43 мкм

х: 90,34 мкм

у: 90,43 мкм

х: 90,34 мкм

у: 90,43 мкм

нм5,95

4

3

2

1

5

0

нм
4,35

3

2

0

4

1

нм11,24

9

6

0

3


!"":/%4/) &3/)/2 ')!6/F!!
 )'3,')%*7'2$ #)&(*5')3%*$ !

:4!%/1$!$ ',/2**)4!%/ 
4"13/)/2 ')!6/F!!'2$ #)&
!+*),&(*5')3%*$ !

:/)/,' )&3/)/2 ')!6/F!!
 )'3,')%*7'2$ #)&(*5')3%*$ !

:/)/,' )&F'"*.*!6*@)/>'%!1

"$(

!"#$%&%&'()%&*#+(

'&,&-'#!.&/&
&01

!2&/&!.&/&
&01

!!,##(#&&!$.3(01

!.301



10%
80%
Высота

Относительная опорная площадь

Vmc
Vvc
Vmp

Vvv

!)4!5(#'!"$6(&
:-/)/2 ')!6/F!1J"','% *5(*5')3%*$ !

#$%"$!&'#%""(



)*#%")*+'#%"!&'#%")*+'#'
),&))47)!4$)$8($),/&(01

)),/&(01

).3(01

)9.3(01

:=:!%'7%&'+)/2 /"?%&',' *4&

110 мкм

 :)/2 /"?%&7/%/"!6
 )'3,')%*7'2$ #)&(*5')3%*$ !

$,&-.&

,/*.&

1470 треугольников
25 мкм
Srel 1,04

2

4807 треугольников
8,14 мкм
Srel 1,07

2

30355 треугольников
2,04 мкм
Srel 1,12

2

85336 треугольников
0,51 мкм
Srel 1,17

2

:H   а
б

в
г
д

е
ж
з

и
к
л

!"#$#%  &'()"*+#%,-".&/0$#(01&12# 3"#('!-4"5-)"-67-897"7)"#:;%<,5"
,%:$%'%*%

Гранитное
основание

Нанозонд
(индикатор
начала координат)
Точка
Аббе
Однолучевой
интерферометр
оси y

Исследуемый
образец
Угловое зеркало

Направляющие
оси z

Приводы оси z

Направляющая
оси x
Привод оси x

Двулучевой
интерферометр
оси x

Метрологический
контур (церодур)

Направляющая
оси y
Привод оси y

Трехлучевой
интерферометр
оси z

Метрологический контур
(церодур)

Точки крепления зондовой системы

Чувствительный зонд
(индикатор начала координат)

Двулучевой
интерферометр
оси x

Однолучевой
интерферометр
оси y

Исследуемый
образец
Угловое
зеркало
Трехлучевой
интерферометр оси z

.5"Тензодатчики
Рама

Стилус

Упругий
подвес

1

2

3

4

 z

x

A
z

x
A

Виртуальный
зонд
Реальный
зонд

Острие зонда

Лазер
Фотодетектор

Чип зондового
датчика

3975"20 нм

20 мм

R =1,5 мм

R =
4
0, мм
y
z

x

10 мм

а
б

в
г
д

 3%:&#0%%:$%'%*%
:%*##2##3!%:&#0%%:$%'%*%
=#>1* #:<1=0%:1

?-"--"7@-47

A"-67-
B@C-
A*$:;D%#$'#'%
0:$#%  %$'#(>0'1

A!0D#%'#>E%:%A)%'##%E%:%0:$#%  %

A,-%&:<<E%:0:$#%  %
':(0A.$#%(F
0DG$'#:F0:$#%  %


A3:%F&:%%:<#%>'&'#:F0:$#%  %

!"!#!$%%&' !%()A?'%#%#%*+,%&,*-A!H@-
A!'#:%'D:F

A)H@-A)-#%:<:(%:>:


A)!"#:;%<* #1%:>:

A))7:F* #F%:>:

Лазерные лучи интерферометра

Верхняя пластина,
к которой прилагается
измеряемая сила

Гибкий элемент

Неподвижные
пластины
конденсатора

Жесткая
рама

Подвижное зеркало

Неподвижное
эталонное зеркало

Противовес

A),I%:#%F:F* #F%:>:


$$%%.300 мкм

600 мкм

150 мкм
50 мкм
200 мкм

20 мкм

0,2

0,1

мкм

60 мкм

Маркер
(стрелка направлена к висячему концу);
5битовый двоичный счетчик

Планарные
пьезорезисторы

Щелевые вырезы в мембране
толщиной 3 мкм,
сформированные глубоким
реактивным ионным травлением

$$.,Точка приложения
постоянного смещения

Точки крепления
рамы к подложке

Нитридный слой
диэлектрика

Точка измерения
силы тока

Гребенчатые
приводы

Золотая площадка,
к которой подводится зонд АСМ
(зеркало доплеровского
измерителя скорости)