WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Золотаревский Сергей Юрьевич МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬЕФА И ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ В НАНОМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ 05.11.15- метрология и метрологическое обеспечение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2010г.

Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» (ФГУП «ВНИИМС») Научный руководитель Доктор технических наук С.А. Кононогов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.И. Василенко кандидат технических наук, с.н.с. Ю.А. Торопов

Ведущая организация: Российский научный центр «Курчатовский институт»

Защита состоится «_»2010 г. на заседании диссертационного совета Д 308.001.01 в ФГУП «ВНИИМС» по адресу:

119361, Москва, ул. Озерная, 46, ауд. 1005.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИМС».

Автореферат разослан «»_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук В.Г.Лысенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность В настоящее время в ведущих странах мира с развитой инновационной экономикой нанотехнологии, наноматериалы и продукция на их основе начинают занимать все более значимое место в рамках таких высокотехнологичных отраслей, как авиационно-космическая промышленность и двигателестроение; судостроительная и автомобильная промышленности; атомный энергопромышленный комплекс и энергосберегающие технологии; радиоэлектронная промышленность и информационно-телекоммуникационные технологии; производство медицинской диагностической аппаратуры, биочипов и имплантатов;

фармацевтическая промышленность и защита окружающей среды, косметика и продукты питания.

Указанные отрасли являются сферой жесткой глобальной конкуренции.

Их модернизация требует соответствующего научно-технологического развития, применения нанотехнологий как основы повышения их конкурентоспособности. В России на развитие указанных отраслей экономики направлен ряд стратегий, долгосрочных федеральных государственных программ и комплексов мер, в соответствии с которыми развитие наноиндустрии в стране осуществляется по таким направлениям, как наноэлектроника, наноинженерия, нанобиотехнологии, высокочистые вещества, конструкционные и композитные функциональные наноматериалы для энергетики, космической техники, а также для систем безопасности.

При реализации большинства перечисленных направлений возникают измерительные задачи, связанные с количественной и качественной оценкой геометрических параметров рельефа и шероховатости поверхности в нанометровом диапазоне, что, в свою очередь, порождает актуальную проблему метрологического обеспечения данного вида измерений в различных отраслях науки и промышленности. Решение задачи развития серийного производства в области нанотехнологий требует совершенствования методов и средств измерений этих параметров, без чего не могут быть достигнуты требуемая стабилизация технологий, воспроизводимость результатов прецизионных измерений, минимизация привносимых дефектов. Сложность обеспечения единства измерений параметров рельефа и шероховатости поверхности в нанометровом диапазоне обусловлена, с одной стороны, – отсутствием достаточного количества исследований и публикаций в данной области, с другой стороны – недостаточной изученностью специфики измерительных задач, связанных с учетом процессов взаимодействия зондирующего электромагнитного излучения с исследуемыми наноструктурами.

Особенно актуальны достоверные количественные оценки величин и параметров твердых тел, имеющих отношение к 3D-размерностям рельефа и шероховатости поверхности в нанометровом диапазоне. Методам получения подобной достоверной измерительной информации средствами интерферометрии высокого разрешения и посвящена данная работа.

Специфика наноструктуры поверхностей, необходимость реализации методов и средств измерений с высоким разрешением, создание калибровочных возможностей для уникальной измерительной аппаратуры свидетельствуют об актуальности создания измерительно-калибровочного комплекса и нормативно-методической базы для обеспечения единства измерений параметров рельефа и шероховатости поверхности в нанометровом диапазоне.

При этом наряду с современными сканирующими зондовыми микроскопами, работающими в контактном и бесконтактном режимах, получают распространение бесконтактные методы профилометрии, базирующиеся на принципах лазерной интерферометрии высокого разрешения (порядка /800). Особо следует отметить, что интенсификация исследований в различных направлениях нанотехнологий, физической и коллоидной химии, биомедицины потребовала разработки методов и средств измерений различных свойств, характеристик, параметров прозрачных (фазовых) и непрозрачных для видимого излучения нанообъектов.

Исходя из изложенного, в данной диссертационной работе ставится цель: разработка и исследование методов и средств интерферометрии высокого разрешения для обеспечения единства измерений параметров рельефа и шероховатости поверхности в нанометровом диапазоне.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:

провести теоретические исследования особенностей процессов взаимодействия зондирующего электромагнитного излучения с исследуемыми наноразмерными объектами при формировании интерферограмм и обосновать подходы к решению задачи моделирования рассеяния оптического излучения на проводящих и диэлектрических наноразмерных структурах;

провести теоретические исследования метода фазовых шагов в целях его адаптации для автоматического получения и обработки интерферограмм при измерении параметров рельефа и шероховатости поверхностей в нанометровом диапазоне методами интерферометрии высокого разрешения;

разработать калибровочную установку на базе автоматизированного лазерного интерференционного микропрофилометра (АИМ) с разрешением /800 и провести соответствующие метрологические исследования;

провести испытания мер, разработать и аттестовать методики измерений и калибровки средств измерений параметров рельефа и шероховатости поверхности в нанометровом диапазоне, гармонизированные с международными требованиями и рекомендациями.

Методы и средства исследований Исследования осуществлялись: методами математической статистики и теории вероятностей; имитационным моделированием особенностей взаимодействия зондирующего электромагнитного излучения с наноразмерными объектами при формировании интерферограмм; численным тестированием алгоритмов решения задач рассеяния оптического излучения наноструктурами; статистическим анализом точности алгоритмов обработки интерферометрической информации о шероховатости поверхности в нанометровом диапазоне.

Экспериментальные исследования эталонных мер и тест-объектов рельефа наноповерхности выполнялись методами интерференционной микроскопии, в том числе интерферометрии белого света, и сканирующей зондовой (преимущественно атомно-силовой и туннельной) микроскопии.

Научная новизна Получены следующие научные результаты:

1. В процессе исследования методами имитационного моделирования особенностей взаимодействия зондирующего электромагнитного излучения с нанообъектами при формировании интерферограмм:

построены математические модели и решена задача рассеяния зондирующего оптического излучения методом конечных элементов для изолированных наноразмерных неоднородностей поверхности, а также для поверхности периодического профиля;

решена задача рассеяния для неоднородных структур вблизи отражающих поверхностей и выполнено численное моделирование процедуры восстановления рельефа поверхности с учетом рассеяния излучения на наноструктурах.

2. При изучении фазовой микроскопии поверхностей фазовых объектов в нанометровом диапазоне:

выполнен анализ чувствительности метода фазовых шагов (МФШ) к влиянию источников неопределенности вычисления фазы, на модельных и реальных интерферограммах экспериментально подтверждены результаты теоретического исследования точностных характеристик алгоритмов МФШ;

теоретически обоснована и экспериментально подтверждена на модельных и реальных интерферограммах эффективность методов калибровки фазосдвигающего устройства лазерного интерференционного микроскопа.

Практическая значимость 1. Практически реализованы методы решения задачи рассеяния оптического излучения на проводящих и диэлектрических структурах нанометрового диапазона масштабов, разработано соответствующее программное обеспечение, проверены разработанные алгоритмы численного моделирования экспериментов по оптической микроскопии различных наноструктур.

2. Проведена модернизация программно-алгоритмической компоненты лазерного интерферометра на основе использования методов фазовых шагов, позволившая добиться оценки геометрических параметров рельефа поверхности наблюдаемых наноструктур по данным оптической микроскопии с разрешением до /800.

3. В рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008-2010 гг.» проведены испытания и введены в эксплуатацию калибровочные установки на основе автоматизированного лазерного интерферометра и интерферометрапрофилометра белого света, с аттестованным набором эталонных мер и методик калибровки, содержащих расчет бюджета неопределенности.

4. Разработан комплекс проектов национальных стандартов в области прецизионной интерферометрии высокого разрешения, гармонизированных с ISO 14999 – 1, 2, 3 (Терминология и основные соотношения; Измерения и оценка результатов; Калибровка интерферометров, методика измерений).

Выпуск указанных стандартов предусмотрен планом национальной стандартизации 2010 года.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Дифракция зондирующего оптического излучения, возникающая в результате его поперечно-электрической и поперечно-магнитной поляризаций при взаимодействии с проводящими и диэлектрическими наноструктурами, может быть учтена моделированием с использованием строгих аналитических решений векторных уравнений электромагнитного поля и применением метода конечных элементов при решении задач рассеяния излучения на профиле рельефа исследуемой поверхности.

2. Оптическая микроинтерферометрия с реконструкцией фазы методом фазовых шагов является эффективным методом при количественной оценке структуры, геометрии и топометрии нанообъектов. Для выделения гармоники нулевого порядка наиболее эффективным является 7- шаговый самокалибрующийся алгоритм вычисления фазы.

3. Неопределенность типа В вычисления фазы для лазерного автоматизированного интерферометра может быть уменьшена за счет подавления высших гармоник и юстировки фазосдвигающего устройства.

Неопределенность типа А вычисления фазы прямо пропорциональна неопределенности измерения интенсивности интерференционной картины и убывает в зависимости от числа шагов и контраста интерференционной картины.

4. Повышение уровня разрешения лазерного автоматизированного интерферометра до /800 может быть достигнуто за счет модернизации оптико-электронной части и его программно-алгоритмической компоненты.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на:

XVII и XVIII Всероссийских научно-технических конференциях «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, Москва, и 2009 г.г.;

Международной научно-практической конференции Метрология-COOMET, Беларусь, г. Минск, 2009г.

Публикации По результатам исследований и разработок опубликованы 12 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста, рисунка, список литературы из 111 наименований. Приложения содержат страниц, 48 рисунков.

Содержание диссертации Во Введении обоснованы постановка темы и актуальность ее выполнения, сформулированы цель и основные подлежащие решению научно-технические задачи, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту. При этом отмечается, что в настоящее время особую актуальность приобретают бесконтактные методы профилометрии, базирующиеся на принципах лазерной интерферометрии высокого разрешения (порядка /800).

В первой главе выполнен аналитический обзор методов и средств измерений шероховатости поверхности. В первом разделе обзора содержится анализ состояния 3D-метрии шероховатости и рельефа поверхностей в нанометровом диапазоне. Проанализированы зависимости, характеризующие рельеф и шероховатость поверхности; состояние интерференционных координатных измерений параметров рельефа и шероховатости поверхности; состояние метрологической обеспеченности сканирующей зондовой микроскопии и приборно-инструментального обеспечения 3D-метрии наношероховатости.

Второй раздел обзора посвящен анализу состояния нормативнометодической базы 3D-метрии геометрических параметров рельефа и шероховатости поверхности, а третий раздел – отечественной системы обеспечения единства измерений параметров шероховатости Ra и Rz.

Анализу состояния зарубежной стандартизации в области измерений параметров шероховатости поверхности посвящен четвертый раздел первой главы.

На основе проведенного анализа показано существенное различие в топографической и профильной оценках вероятностных характеристик параметров шероховатости. Сравнение необходимого числа измерений для получения заданной точности и степени достоверности микротопографических и профильных параметров показало, что микротопографические параметры при тех же точностных требованиях нуждаются в гораздо меньшем числе измерений. Статистическая устойчивость микротопографических параметров объясняется тем фактом, что базовая площадка шероховатой поверхности, естественно, содержит гораздо больше информации, чем сечение поверхности с длиной, равной базовой; данный вывод говорит о важности пространственных оценок поверхности и о перспективности развития средств измерений, позволяющих сканированием поверхности ускорять процесс определения микротопографических параметров.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.