|
Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
2.3.Измерения наноперемещений
Обязательным условием реализации нанотехнологий является разработка средств для суперпрецизионных измерений линейных перемещений в наноразмерном диапазоне с погрешностью менее 1 нм, а также создание методов и средств их поверки и калибровки.
Измерение и осуществление наноперемещений необходимо для работы измерительных средств, основанных на принципах растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии, при исследовании квантово-размерных эффектов, аттестации и калибровки систем сканирования и позиционирования микро- и нанодиапазонов и их метрологического обеспечения. Кроме того, разработка технологий обработки материалов с нанопогрешностью и создание соответствующего суперпрецизионного оборудования невозможны без технической реализации измерений наноперемещений.
Средством измерения наноперемещений с нанопогрешностью является датчик линейного перемещения. Такой прибор может быть использован для измерения смещения и размеров нанообъектов в исследовательских целях, точного позиционирования инструмента при изготовлении деталей наномашин, контроля их качества, сборки и калибровки. Помимо точного позиционирования, датчик может использоваться для высокоточного измерения различных физических параметров, выражаемых через перемещения, таких, как давление, температура, масса, ускорение, скорость и др. На рис. 2 .15 показан пример применения датчиков наноперемещений для измерения положения трехкоординатного предметного столика c нанометровой погрешностью.
В настоящее время наиболее перспективным направлением измерения наноперемещений является использование и развитие методов и средств лазерной интерферометрии-фазометрии.
Рисунок 2.15 Нанотехнологическая установка с системой измерения положения трехкоординатного предметного столика: 1 – датчик перемещения; 2 – измерительный луч; 3 – плоское зеркало; 4 – трехкоординатный предметный столик; 5 – образец; 6 – зонд
Фазовые методы в оптике используются для пространственно-временных изменений величины разности фаз — угла фазового сдвига (УФС) в интерференционном поле между измерительным и опорным пучками, обусловленных частотной, пространственной или поляризационной дисперсией излучения в фазовом объекте [9].
Для обеспечения максимальной чувствительности и быстродействия может быть применена схема измерений на основе двухчастотного лазерного гетеродинного интерферометра с переносом частоты измерительного сигнала в радиодиапазон [10]. Полученная информация при этом выражается через длину волны излучения или непосредственно с ней связанной величиной, называемой углом фазового сдвига.
Оптическая схема измерений в этом случае реализуется на основе двухлучевой интерференции с использованием модифицированного интерферометра типа Майкельсона. В этом случае в качестве делительной пластины используются два последовательно установленных акустооптических модулятора. Они выполняют функции как управляемых делителей входного оптического излучения, так и модулирующих элементов.
При распространении ультразвуковых волн в конденсированных средах образуется высокочастотная пространственная фазовая решетка и при попадании на эту решетку свет испытывает дифракцию. При некоторых условиях (называемых условиями Брэгга) от падающего света выделяется единственный дифракционный пучок излучения. Величина углового отклонения пучка (угол Брэгга  ) определяется из соотношения
 , (2.11)
где  — длина волны падающего света,  — длина акустической волны.
Для измерения разности фаз излучение на входе измерителя обычно делится на два пучка: опорный, минующий исследуемый объект, и сигнальный, отслеживающий перемещение объекта. После взаимодействия с фазовым (исследуемым) объектом сигнальный пучок тем или иным способом совмещается с опорным. Локальная интенсивность результирующего интерференционного поля этих пучков зависит от относительной ориентации и характера фазовых поверхностей в опорном и сигнальном пучках и, следовательно, несет информацию об оптических или связанных с ними свойствах фазового объекта.
Механические, акустические и микросейсмические колебания ограничивают чувствительность и точность фазовых измерений. Эти значения можно улучшить сужением полосы приема, т.е. увеличением времени измерений. Однако при достаточно больших временах измерения вариаций фазового сдвига существенное значение имеет его стабильность. Температурные изменения, механическая текучесть, старение образцов, изменение состояния окружающей среды приводят к изменению длины оптического пути, т.е. к дрейфу фазового сдвига. Поскольку дрейф фазы вызывается целым рядом неконтролируемых причин, то оценка скорости дрейфа — практически не решаемая задача. Поэтому для введения поправок используют результаты долговременных измерений дрейфа.
В результате, как показали теоретические и экспериментальные исследования, используя лазерные интерферометры, можно измерять фазовые сдвиги на уровне 10–3 градуса фазы на длине волны λ = 0,6328 мкм, что эквивалентно линейному смещению
0,1 нм [Error: Reference source not found].
Исходя из анализа потребностей современных нанотехнологий и технологических возможностей удовлетворения этих потребностей, измерительное устройство должно обеспечивать измерения линейных перемещений в диапазоне от 1 нм до 10 мм с дискретностью отсчета 0,1 нм при максимальном значении скорости перемещений объекта около
3 мм/с.
Рисунок 2.16 Структурная схема измерителя сверхмалых перемещений: 1 — стабилизированный
He-Ne-лазер; 2, 3 — группа акустооптических модуляторов; 4 — интерферометр двухчастотный; 5 — фотоприемное устройство; 6 — система приема и предварительной обработки информации; 7 — смеситель частот; 8,9 — блок высокочастотных генераторов; 10 — персональный компьютер; 11 — принтер
Структурная схема измерителя наноперемещений приведена на рис. 2 .16 [Error: Reference source not found]. Измеритель включает в себя:
источник когерентного оптического излучения;
оптико-механический блок (ОМБ), содержащий акустооптические ячейки;
систему детектирования оптического излучения — фотоприемное устройство (ФПУ);
систему сбора и обработки информации — электронно-фазометрическая система (ЭФС);
систему источников высокочастотных напряжений, подключенных к АОМ, — генераторный блок высокой частоты (ГБ).
Измеритель наноперемещений содержит одночастотный стабилизированный Не–Ne-лазер, оптически связанный последовательно с акустооптическими модуляторами АОМ1 и АОМ2, ориентированными под углом Брэгга . Электрические входы модуляторов через калибратор фазы (КФВ) подключены к генераторным блокам (8 и 9), осуществляющим модуляцию высокочастотным сигналом непрерывного лазерного излучения, проходящего через акустооптические модуляторы. Выход АОМ2 оптически связан с интерферометром, который обеспечивает совмещение интерферирующих световых пучков в плоскости фоточувствительного слоя фотоприемника, на выходе которого выделяется электрический сигнал разностной частоты. В измерительном канале интерферометра уставлен калиброванный задатчик наноперемещений, управляемый от функционального генератора. Генераторный блок связан электрически с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с опорным входом высокоточного цифрового следящего фазометра, другой измерительный вход которого подключен к фотоприемному устройству (ФПУ) для выделения информационного сигнала.
Выход фазометра сопряжен с компьютером для последующей обработки результатов измерений.
Измеритель сверхмалых линейных перемещений обеспечивает работу в режиме измерений перемещений в реальном масштабе времени путем счета фазовых циклов ( , где N — целое число циклов) и дробных долей полос интерференции (в диапазоне 0÷ ) так называемых углов фазового сдвига, нормируемых в долях или единицах длины волны стабилизированного одночастотного He–Ne-лазера. Базовое программное обеспечение позволяет в режиме диалога осуществлять сбор измерительных данных, их обработку и представление в виде, удобном для пользования.
В фазометре происходит сравнение по фазе сигнала разностной частоты  , несущего информацию об измеряемом линейном перемещении объекта, и опорного сигнала от смесителя  частоты  . Результат измерений перемещений  вычисляется по формуле
 (2.12)
где — длина волны лазерного излучения, t — время.
Практическим примером интерферометрического измерителя наноперемещений является устройство, разработанное НИЦПВ (Москва)[11] (рис. 2 .17), предназначенное как для измерения линейных перемещений в реальном масштабе времени, так и для калибровки систем сканирования и позиционирования. Диапазон измерений перемещений составляет от 1 нм до 10 мм с дискретностью отсчета 0,1 нм. Абсолютная погрешность измерений лежит в диапазоне 0,5…3 нм при максимальном значении скорости перемещения 3 мм/с.
Рисунок 2.17 Лазерный измеритель наноперемещений
Другим вариантом обеспечения единства измерений у потребителя является использование мер малой длины, выполненных в виде рельефных шаговых структур с заданными шириной, высотой и формой профиля, разработанных также НИЦПВ.
Наряду с методами лазерной интерферометрии-фазометрии, наномещения можно измерять и другими средствами, например вихретоковыми или емкостными датчиками типа DT 6630 компаний Micro-Epsilon (Германия) или ООО «Сенсорика-М» (Самара). Они предназначены для высокоточного позиционирования, имеют незаурядную разрешающую способность 0,1 нм и превосходную повторяемость результатов 0,4 нм.
Одним из ведущих производителей бесконтактных датчиков перемещения с субнанометровым разрешением является компания Numerical Vision. В частности, компания производит датчик IDS-4-LD (рис. 2 .18) — высокочувствительный малогабаритный измеритель относительного линейного перемещения объекта с пороговой чувствительностью 0,05 нм. Частота измерений перемещения у IDS-4-LD составляет не менее 6 КГц, что позволяет следить за положением объекта, двигающегося со скоростью до 1 мм/c.
Рисунок 2.18 Малогабаритный датчик наноперемещения IDS-4-LD
Датчик автоматически отслеживает проекцию кратчайшего расстояния от центра приёмника до плоскости зеркала на ось измерительного луча и передаёт информацию об относительном перемещении по запросу с персонального компьютера (ПК) с помощью интерфейса USB. Оптическая схема IDS-4-LD представляет собой интерферометр Майкельсона, элементы которой исключают появление паразитных бликов. В качестве источника излучения может использоваться многочастотный либо одночастотный полупроводниковый лазер либо внешний источник эталонного излучения. Диапазон измеряемых перемещений IDS-4-LD зависит от длины когерентности выбранного источника и точности настройки измерительной установки и может достигать 1 метра. Стандартный диапазон перемещения составляет 100 мкм.
Наряду с устройствами лазерной интерферометрии-фазометрии, наноперемещения можно измерять и другими средствами, например вихретоковыми или емкостными датчиками типа DT 6630 компании Micro-Epsilon (Германия) или ее представителя в России ООО «Сенсорика-М» (Самара). Они предназначены для высокоточного позиционирования, имеют незаурядную разрешающую способность 0,1 нм и превосходную повторяемость результатов с погрешностью не более 0,4 нм. Стандартный диапазон перемещения составляет для DT 6630 до 400 мкм.
|
|
|
Скачать 8.65 Mb.