留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于激光溯源的纳米台阶高度标准物质研制与计量技术

王琛英 景蔚萱 张雅馨 李伟 张易军 李常胜 施玉书 蒋庄德

王琛英,景蔚萱,张雅馨,等. 基于激光溯源的纳米台阶高度标准物质研制与计量技术[J]. 计量科学与技术,待出版. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0149
引用本文: 王琛英,景蔚萱,张雅馨,等. 基于激光溯源的纳米台阶高度标准物质研制与计量技术[J]. 计量科学与技术,待出版. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0149
WANG Chenying, JING Weixuan, ZHANG Yaxin, LI Wei, ZHANG Yijun, LI Changsheng, SHI Yushu, JIANG Zhuangde. Development and Metrological Techniques of Nano-Step Height Reference Materials Based on Laser Traceability[J]. Metrology Science and Technology. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0149
Citation: WANG Chenying, JING Weixuan, ZHANG Yaxin, LI Wei, ZHANG Yijun, LI Changsheng, SHI Yushu, JIANG Zhuangde. Development and Metrological Techniques of Nano-Step Height Reference Materials Based on Laser Traceability[J]. Metrology Science and Technology. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0149

基于激光溯源的纳米台阶高度标准物质研制与计量技术

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0149
基金项目: 国家自然科学基金(52175434)。
详细信息
    作者简介:

    王琛英(1976-),西安交通大学仪器科学与技术学院副研究员,研究方向:微纳制造、微纳计量技术等,邮箱:wangchenying@mail.xjtu.edu.cn

    通讯作者:

    张雅馨(1997-),西安交通大学机械工程学院博士研究生,研究方向:微纳制造技术,邮箱:zhangyaxin@stu.xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TB921

Development and Metrological Techniques of Nano-Step Height Reference Materials Based on Laser Traceability

  • 摘要: 随着半导体产业的快速发展,高精度极小尺寸三维纳米制造技术给纳米测量技术提出了更高的要求,急需开发与之相应的纳米几何量标准物质来满足这一日益迫切的需求。为实现我国纳米台阶高度标准物质的可控制备和纳米高度量值的可溯源性,我国自主研发了与国际水平相当的系列纳米台阶高度标准物质,并基于激光波长实现了米定义直接溯源,为支撑多领域技术研究,打破国外垄断,完善我国纳米几何量值传递体系,促进纳米产业的发展做出了重要贡献。通过对国内外纳米台阶高度标准物质的相关研究进行分析对比,就纳米台阶高度标准物质的研制方法及计量技术进行综述,以期为纳米台阶高度标准物质及其他类型的微纳米几何量标准物质的研究提供参考与展望。
  • 图  1  基于氧化或溅射工艺制备的SiO2纳米台阶

    (a) PTB Nano2台阶高度标准物质[17](b) VLSI SHS台阶高度标准物质(c) 中国电子科技集团公司第十三研究所台阶高度标准物质[24]

    Figure  1.  SiO2 nano-steps prepared by oxidation or sputtering process

    图  2  基于溅射工艺制备的Si3N4纳米台阶

    Figure  2.  Si3N4 nano-steps prepared via the sputtering process

    图  3  基于FIB工艺制备的Si纳米台阶

    (a) 西安交通大学台阶高度标准物质[21] (b) 上海市计量测试技术研究院台阶高度标准物质[23]

    Figure  3.  Si nano-steps fabricated using the FIB process

    图  4  基于ALD工艺制备的Al2O3纳米台阶

    (a) 台阶高度标准物质AFM测量结果[20](b) 台阶高度标准物质表面结构示意图

    Figure  4.  Al2O3 nano-steps created by the ALD process

    图  5  毫米级纳米几何结构样板校准装置[13]

    Figure  5.  Metrological device for calibrating millimeter-range nano-geometric structures

    图  6  纳米高度量值溯源和传递系统

    Figure  6.  System for nano-step height traceability and transfer

    图  7  纳米台阶高度评定方法示意图

    Figure  7.  Schematic of nano-step height evaluation method

    图  8  纳米台阶轮廓优化算法[22]

    Figure  8.  Algorithm for optimizing nano-step profiles

    表  1  典型台阶高度标准物质对比

    Table  1.   Comparison of typical nano-step height reference materials

    制造机构 标准物质编号 特征尺寸/nm 扩展不确定度/nm 测量机构
    德国FIMS Nano2 7 1.6 德国PTB
    20 1.4
    70 1.5
    美国VLSI SHS-80QC 8 0.5 美国NIST
    SHS-180QC 18 0.9
    SHS-440QC 44 0.7
    中国国家纳米科学中心 GBW13952 50 2.8 中国计量科学研究院
    GBW13950 100 3.6
    中国西安交通大学 GBW13975 5 1.2
    GBW13976 10 1.0
    GBW13977 20 2.0
    GBW13978 40 2.0
    下载: 导出CSV
  • [1] GUO B, SUN J, HUA Y, et al. Femtosecond laser micro/nano-manufacturing: theories, measurements, methods, and applications[J]. Nanomanufacturing and Metrology, 2020, 3(1): 26-67. doi: 10.1007/s41871-020-00056-5
    [2] IKUMAPAYI O M, AKINLABI E T, ADEOYE A O M, et al. Microfabrication and nanotechnology in manufacturing system-An overview[J]. Materials Today:Proceedings, 2021, 44: 1154-1162. doi: 10.1016/j.matpr.2020.11.233
    [3] SEO M H, YOO J Y, JO M S, et al. Geometrically structured nanomaterials for nanosensors, NEMS, and nanosieves[J]. Advanced Materials, 2020, 32(35): 1907082. doi: 10.1002/adma.201907082
    [4] Wu F, Tian H, Shen Y, et al. Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths[J]. Nature, 2022, 603(7900): 259-264. doi: 10.1038/s41586-021-04323-3
    [5] Bunday B D, Orji N G, Allgair J A. High volume manufacturing metrology needs at and beyond the 5 nm node[J]. Proceedings of SPIE, 2021, 11611: 116110F.
    [6] Orji N G, Badaroglu M, Barnes B M, et al. Metrology for the next generation of semiconductor devices[J]. Nature Electronics, 2018, 1(10): 532-547. doi: 10.1038/s41928-018-0150-9
    [7] Hills G, Lau C, Wright A, et al. Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors[J]. Nature, 2019, 572(7771): 595-602. doi: 10.1038/s41586-019-1493-8
    [8] 王琛英, 景蔚萱, 蒋庄德, 等. 采用HRTEM对石墨烯材料单层厚度测量的研究[J]. 计量学报, 2017, 38(02): 145-148. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2017.02.04
    [9] Postek M T, Vladar A, Ming B, et al. Documentation for reference material (RM)8820: A versatile, multipurpose dimensional metrology calibration standard for scanned particle beam, scanned probe and optical microscopy[EB/OL].https://doi.org/10.6028/NIST.sp.1170.
    [10] Raid I, Eifler M, Kusnezowa T, et al. Calibration of Ellipso-Height-Topometry with nanoscale gratings of varying materials[J]. Optik, 2015, 126(23): 4591-4596. doi: 10.1016/j.ijleo.2015.08.093
    [11] 蒋庄德, 景蔚萱. 纳米测量及纳米样板[J]. 纳米技术与精密工程, 2004, 2(1): 16-19.
    [12] 蒋庄德, 王琛英, 杨树明. 典型纳米结构制备及其测量表征[J]. 中国工程科学, 2013, 15(01): 15-20,27. doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2013.01.005
    [13] 高思田, 李琪, 施玉书, 等. 我国微纳几何量计量技术的研究进展[J]. 仪器仪表学报, 2017, 38(8): 1822-1829. doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.08.001
    [14] 高慧芳, 任玲玲. 纳米尺度氧化铪薄膜膜厚标准物质的研制[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(1): 61-65,78.
    [15] 邓晓, 李同保, 程鑫彬. 自溯源光栅标准物质及其应用[J]. 光学精密工程, 2022, 30(21): 2608-2625.
    [16] Wang C, Liu D, Zhang Y, et al. High-Efficiency and Reliable Value Geometric Standard: Integrated Periodic Structure Reference Materials[J]. Micromachines, 2023, 14(8): 1550. doi: 10.3390/mi14081550
    [17] Koenders L, Bergmans R, Garnaes J, et al. Comparison on nanometrology: nano 2—step height[J]. Metrologia, 2003, 40(1A): 04001. doi: 10.1088/0026-1394/40/1A/04001
    [18] VLSI Standards Incorporated. VLSI dimensional products[EB/OL]. http://www.vlsistandards.com/products.
    [19] 国家标准物质资源共享平台[EB/OL].https://www.ncrm.org.cn.
    [20] 张雅馨, 王琛英, 景蔚萱, 等. 亚50 nm台阶高度标准物质的可控制备及定值研究[J]. 仪器仪表学报, 2022, 43(11): 86-93.
    [21] Wang C Y, Yang S M, Lin Q J, et al. Nanostep Fabrication Using FIB Technology[J]. Journal of Advanced Material Research, 2013, 655: 842-846.
    [22] Yang S, Li C, Wang C, et al. A sub-50 nm three-step height sample for AFM calibration[J]. Measurement Science and Technology, 2014, 25(12): 125004. doi: 10.1088/0957-0233/25/12/125004
    [23] 雷李华, 邹子英, 李源, 等. 纳米台阶标准样板的制备和表征[J]. 微纳电子技术, 2011, 48(09): 600-605.
    [24] 冯亚南, 李锁印, 韩志国, 等. 微纳米台阶标准的制备和评价[J]. 传感技术学报, 2022, 35(11): 1445-1450.
    [25] 王琛英, 杨树明, 李常胜, 等. 基于原子层沉积的Al2O3薄膜微观形貌研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2015, 44(12): 3078-3082.
    [26] Danzebrink H U, Koenders L, Wilkening G, et al. Advances in scanning force microscopy for dimensional metrology[J]. CIRP annals, 2006, 55(2): 841-878. doi: 10.1016/j.cirp.2006.10.010
    [27] 施玉书, 李伟, 余茜茜, 等. 基于原子力显微术的5 nm台阶高度标准物质溯源与定值技术研究[J]. 仪器仪表学报, 2020, 41(3): 79-86.
    [28] 国家质量监督检验检疫总局. 产品几何量技术规范(GPS) 表面结构: 轮廓法, 第1部分: 实物测量标准: GB/T 19067.1-2003/ISO 5436.1: 20007[S]. 北京: 中国标准出版社, 2003.
    [29] 国家质量监督检验检疫总局. 扫描探针显微镜校准规范: JJF 1351-2012[S]. 北京: 中国质检出版社, 2012.
    [30] 国家质量监督检验检疫总局. 测量不确定度评定与表示: JJF 1059.1-2012[S]. 北京: 中国质检出版社, 2012.
  • 加载中
图(8) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  51
  • HTML全文浏览量:  15
  • PDF下载量:  18
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-14
  • 录用日期:  2023-06-27
  • 修回日期:  2023-11-02
  • 网络出版日期:  2023-11-30

目录

    /

    返回文章
    返回