微納米計(jì)量技術(shù)是微納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，大力發(fā)展微納米計(jì)量工作，建立簡(jiǎn)潔高效的計(jì)量體系對(duì)我國(guó)科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。

文/李源（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事微納米計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域的研究工作。）

當(dāng)今，微納米科技已成為許多國(guó)家提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略選擇，世界各國(guó)都在加強(qiáng)對(duì)微納米科技的研究，新技術(shù)、新突破接踵而至，并帶來深刻的科技革命。目前，微納米科技已逐步應(yīng)用到納米制造、微電子、新材料、環(huán)境監(jiān)測(cè)、超精密加工等前沿科技領(lǐng)域。

如果說微納米測(cè)量與表征技術(shù)是微納米科技與高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，那么微納米計(jì)量技術(shù)就是保證納米測(cè)量與表征準(zhǔn)確性和可溯源性的重要手段，通過建立完整的微納米尺寸計(jì)量量值溯源體系，為高科技產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)和科技進(jìn)步提供技術(shù)保障。微納米計(jì)量技術(shù)從米定義波長(zhǎng)基準(zhǔn)開始，將波長(zhǎng)物理參數(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)樣板傳遞到高科技產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)等相關(guān)儀器和裝置上，保障研究成果和開發(fā)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和可靠性。微納米尺寸計(jì)量量值溯源體系的建立包括3個(gè)要素：微納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器（標(biāo)準(zhǔn)樣板）的研制、微納米尺寸計(jì)量方法的研究和微納米幾何量表征。

建立我國(guó)溯源標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要且迫在眉睫

在微納米科技水平不斷提高的大背景下，大量的納米加工制備儀器和測(cè)量?jī)x器快速發(fā)展。以半導(dǎo)體制造領(lǐng)域?yàn)槔?，離子刻蝕機(jī)、電子刻蝕機(jī)等加工儀器和電子顯微鏡、原子力顯微鏡（AFM）、臺(tái)階儀、線寬儀等測(cè)量?jī)x器的需求增長(zhǎng)迅速，這些納米加工和檢測(cè)儀器大多依賴進(jìn)口，單臺(tái)儀器的價(jià)值數(shù)以百萬元計(jì)。由于缺乏對(duì)這些儀器進(jìn)行驗(yàn)收的有效手段和方法，其主要技術(shù)指標(biāo)受制于相關(guān)儀器的出口廠家，貿(mào)易公平受到技術(shù)壁壘的挑戰(zhàn)。此外，為了保證測(cè)量?jī)x器數(shù)值的準(zhǔn)確可靠，不少使用者不得不從國(guó)外進(jìn)口納米尺度標(biāo)準(zhǔn)樣品并定期送至國(guó)外機(jī)構(gòu)計(jì)量，費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，而且未從根本上解決量值溯源問題。因此，無論就經(jīng)濟(jì)利益還是就國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的政治意義而言，建立我國(guó)溯源標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要且迫在眉睫。

通過建立我國(guó)的納米測(cè)量溯源標(biāo)準(zhǔn)，并使之作為溝通國(guó)際貿(mào)易和國(guó)際技術(shù)合作的紐帶，可以消除相關(guān)貿(mào)易體系的技術(shù)壁壘，推動(dòng)我國(guó)納米相關(guān)產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展。以上海為中心的長(zhǎng)三角地區(qū)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，也是以半導(dǎo)體、精密加工技術(shù)為代表的先進(jìn)制造業(yè)的中心，在上海建立全國(guó)領(lǐng)先的納米測(cè)量溯源標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)推動(dòng)上海的半導(dǎo)體等先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展有非常重要的作用。

微納米測(cè)量?jī)x器

微納米計(jì)量的被測(cè)對(duì)象包括被測(cè)結(jié)構(gòu)的三維尺寸、位置和形貌特征等。目前，廣泛采用的檢測(cè)方法和儀器主要包括顯微干涉、共聚焦顯微、光學(xué)式輪廓儀、光學(xué)顯微視覺檢測(cè)等光學(xué)方法，原子力顯微鏡、掃描探針等掃描探針顯微方法，機(jī)械式輪廓儀，以及高精度坐標(biāo)測(cè)量方法等幾種。除此之外，還有幾種針對(duì)微結(jié)構(gòu)幾何量測(cè)量的光學(xué)方法，如三角測(cè)量法、激光光切法、光柵投影法等。

對(duì)于所有基于光學(xué)原理的幾何量測(cè)量方法，由于存在衍射受限，系統(tǒng)的橫向分辨率由物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，一般在微米量級(jí)，這也就決定了它們不能分辨微米量級(jí)以下更細(xì)微的形貌特征。雖然有些光學(xué)測(cè)量方法能達(dá)到很高的縱向分辨率，但受橫向分辨的限制，其評(píng)定出的表面參數(shù)常常與其他類型儀器的測(cè)量結(jié)果有一定的差別。此外，光探針方法在測(cè)量含有較大傾斜角的輪廓表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分光不能反射回物鏡的情況，造成測(cè)量誤差。在測(cè)量臺(tái)階邊緣時(shí)，光探針法會(huì)夸大測(cè)量結(jié)果，造成信號(hào)嚴(yán)重失真。對(duì)于干涉顯微法，在表面形貌上陡峭的斜坡產(chǎn)生的干涉條紋很細(xì)很密，以至于用面陣電荷耦合器件（CCD）難以探測(cè)和分辨，另外，基于光學(xué)干涉方法的儀器一般要求被測(cè)表面的材料必須相同。除此之外，在測(cè)量對(duì)象上，光學(xué)方法也受到了很多限制，即對(duì)曲面、溝槽等特殊結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行測(cè)量。掃描探針顯微鏡（SPM）最初作為圖像觀察儀器而發(fā)明，雖然它具有亞納米級(jí)分辨率，但是不能達(dá)到同等量級(jí)的測(cè)量精度。SPM的缺點(diǎn)也比較突出，主要體現(xiàn)在測(cè)量速度慢、效率低、測(cè)量范圍小。通過結(jié)合附加定位測(cè)量平臺(tái)的方法，進(jìn)一步擴(kuò)展SPM的應(yīng)用領(lǐng)域，也是當(dāng)前微納米計(jì)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究工作。

基于上述微納米測(cè)量?jī)x器與測(cè)量方法的分析和原理的考慮，可以看到除了掃描隧道顯微鏡（STM）和AFM方法之外，其他方法的橫向分辨力較低，已有的測(cè)量方法無法全面地解決針對(duì)微納米領(lǐng)域的測(cè)試需求，無法適應(yīng)微納米幾何量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。因此，開發(fā)更高測(cè)量精度、具有多種測(cè)量功能和數(shù)據(jù)記錄功能的微納米測(cè)量裝置成為微納米尺寸測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

微納米幾何量標(biāo)準(zhǔn)樣板

目前，使用最為廣泛的納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)樣板是利用微納加工技術(shù)刻蝕出的納米結(jié)構(gòu)，包括臺(tái)階、線寬、一維或者二維的線間隔。這種納米尺寸樣板本身加工工藝成熟，受加工工藝限制需要利用高精度的儀器（如計(jì)量型原子力顯微鏡、干涉顯微鏡、光學(xué)衍射測(cè)量裝置等）進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定。同時(shí)，在利用高等級(jí)的儀器校準(zhǔn)此類標(biāo)準(zhǔn)樣板，或者用此類標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)其他儀器的時(shí)候，在樣板和儀器均不具備溯源性保障的情況下，評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)因?yàn)楣院涂煽啃援a(chǎn)生矛盾和分歧。

基于標(biāo)準(zhǔn)樣板的自身缺陷，利用原子沉積技術(shù)的新技術(shù)路線是近十年來應(yīng)用基礎(chǔ)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員用原子沉積技術(shù)獲得了鉻原子的光柵圖形。同濟(jì)大學(xué)的李同保院士也采用激光冷卻的方法對(duì)進(jìn)入駐波場(chǎng)的鉻原子進(jìn)行準(zhǔn)直，得到光柵微結(jié)構(gòu)，其周期是原子共振譜線波長(zhǎng)的一半，而任何一種原子的共振譜線的數(shù)值都極其精確。因此，用激光匯聚原子沉積方法制成的線間隔結(jié)構(gòu)的尺寸是具有自溯源性的。

微納米計(jì)量技術(shù)的未來展望

2018年11月，國(guó)際計(jì)量大會(huì)在法國(guó)巴黎召開，全票通過了關(guān)于“修訂國(guó)際單位制（SI）”的1號(hào)決議。根據(jù)決議，國(guó)際計(jì)量單位制的7個(gè)基本單位全部實(shí)現(xiàn)由常數(shù)定義。這次國(guó)際計(jì)量變革引領(lǐng)了兩個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)：計(jì)量單位量子化、量值溯源扁平化。其中，長(zhǎng)度計(jì)量單位——米成為7個(gè)物理量中第一個(gè)付諸實(shí)用的量子計(jì)量單位。

長(zhǎng)度計(jì)量單位的量子化為微納米計(jì)量的發(fā)展指明了道路，很可能縮短或者徹底取消長(zhǎng)度量值溯源體系的中間環(huán)節(jié)，在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)長(zhǎng)度基本量。從這個(gè)意義來看，我們與發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一起點(diǎn)，大力發(fā)展微納米計(jì)量工作，建立簡(jiǎn)潔高效的計(jì)量體系對(duì)整個(gè)國(guó)家的科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。