PROINTELLEKT
PROINTELLEKT

Обеспечение метрологической ответственности измерения перемещения в нанометровом диапазоне

Александр Потемкин,  19 октября в 9:58 0 526

Измерительный метрологический набор на основе динамической меры, разработанный ООО "НАНО-АТТО МЕТРИЯ", - технологически сложный и наукоемкий продукт, многократно превосходящий решения на основе пьезокерамики. Динамические калибры позволяют обеспечитm опережающее развитие метрологии по сравнению с разрабатываемыми нанотехнологиями.

По мере развития техники зондовой микроскопии и наноэлектроники возникла необходимость разработки эталонов для начала нанометрового диапазона, которые нельзя было изготовить даже с помощью самых передовых нанотехнологий (1-10 нм). Решение данной проблемы стало возможно лишь при создании эталонов принципиально нового типа - не статистических, как было в предыдущих столетиях, а динамических (управляемо перемещающихся).

В США было изготовлено устройство Hector 100 из магнитострикционного материала, управляемое внешним магнитным полем (прототип динамического калибра). После калибровки данного устройства в одной точке нанометрового диапазона его можно было использовать для калибровки других измерительных приборов. Из-за не гарантируемой временной стабильности магнитных характеристик, Hector 100 было необходимо регулярно калибровать более высокоточным и стабильным устройством. Эта разработка не получила дальнейшего развития и применения по следующим причинам: 

- тепловой нагрев устройства, создающий магнитное поле, и последующий термический дрейф конструкции такого динамического калибра;
- гистерезис и нелинейность;
- отсутствие долговременной стабильности магнитных свойств;
- чувствительность к внешним магнитным полям, экранировка которых особенно в инфра- и низкочастотном диапазонах затруднена;
- возможность передачи размера только в одной точке нанометрового диапазона.

В публикации [1] был приведён экспериментальный результат, подтверждающий возможность калиброванного измерения перемещения в одной точке начала нанометрового диапазона. Следует отметить обязательность калибровки данного эталона на более высокоточной установке при калибровке им других измерительных установок или наличия гарантии стабильности пьезосвойств во всем межповерочном интервале. 

Поставленную задачу - проведение калибровки одним динамическим калибром в одной точке нанометрового диапазона - НПП "Центр перспективных технологий" МГУ им. М. В. Ломоносова решил правильно. Однако дешевизна и простота изготовления динамической меры на основе пьезокерамической пластины не обеспечивают метрологическое сопровождение инструментария наноиндустрии, в том числе и сканирующей зондовой микроскопии. Существующий функционал данной измерительной меры, защищенный патентом и переданный в общенародное безвозмездное пользование, является лишь образцом нового типа отечественного динамического нанометрового эталона, но не выдерживает нагрузку общественной полезности.

Насколько честно предлагать такой эталон нанометра общественности для проведения калибровки технологического оборудования, успокоиться и не пытаться усовершенствовать динамическую меру, говорить о наличии качественного эталона нанометра?

Пьезокерамика при подаче заданного напряжения обеспечивает перемещение меры на одну заданную величину, но после снятия напряжения в исходную точку не возвращается. При подаче другой величины напряжения нарушается калибровка самой меры. Соответственно, для выполнения калибровки прибора или оборудования необходим целый набор мер такого типа на разные виды перемещения.

Перед компанией ООО "НАНО-АТТО Метрия" была поставлена другая задача - проведение калибровки одним динамическим калибром во всех точках нано- и пикометрового диапазонов [2]. Для многократного уменьшения гистерезиса, ползучести (creep) и обеспечения долговременной стабильности в динамических калибрах разработаны следующие решения:

- применен однородный монокристаллический материал (типа ниобата лития) вместо поликристаллического, используемого в пьезокерамике;
- обеспечена временная стабильность динамических калибров (в отличие от пьезокерамических благодаря отсутствию необходимости поляризации при изготовлении, а также располяризации при хранении и применении);
- для управления разработаны специализированные высоковольтные аналого-цифровые системы и соответствующее программное обеспечение.

Несмотря на трудность материаловедческих, технологических, приборных и системных проблем, все они были успешно решены. В результате впервые стала возможной калибровка измерительных устройств одним динамическим калибром во всех точках нано- и пикометрового диапазонов.

Измерительный метрологический набор с динамической мерой, разработанный ООО "НАНО-АТТО Метрия", - технологически сложный и наукоемкий продукт, многократно превосходящий метрологические приборы на основе пьезокерамики. Недостаточно заменить вид материала - пьезокерамику на монокристалл. Необходимо добиться, чтобы используемые кристаллы не  повторяли свойства пьезокерамики. Владение знаниями кристаллографии, длительные расчеты специалистов, сложная технологическая цепочка обработки материала позволили сориентировать кристалл и наделить его необходимыми свойствами.

Учитывая, что величина перемещения кристаллов меньше, чем у пьезокерамики, необходимо генерировать напряжение в тысячи вольт. Усложнённая электронная система управления характеризуется малыми габаритными размерами, но большими возможностями и стабильными результатами. При возможности увеличения выходного напряжения до 2 000 В генерируются электрические сигналы управляемой формы, задаваемой от компьютера.

Для калибровки наших динамических мер были разработаны оптические интерферометры с субнанометровой неопределенностью измерений, долговременная стабильность которых обеспечена оптоэлектронной следящей системой на основе цезиевой ячейки. Именно данный интерферометр со стабилизацией частоты излучения цезиевой ячейкой гарантирует ответственность измерения перемещения длин и линейных перемещений объектов в нанометровом диапазоне.

Таким образом, при подаче напряжения нам известно, насколько может переместиться наша динамическая мера, и её можно ответственно перемещать на разные заданные расстояния. После снятия напряжения происходит возврат точно в исходную точку.

Для калибровки мы используем один эталон, в отличие от динамических мер из пьезокерамики, и с помощью регулировки напряжения обеспечиваем перемещение на заданные расстояния с метрологической ответственностью за работу своей калибровочной меры. Соответственно, в случае расхождения результатов измерений с калибруемой установкой происходит настройка оборудования под перемещение динамического калибра на основе монокристалла.

Динамическая мера на основе пьезокерамики характеризуется значительным гистерезисом и поэтому не может использоваться для проведения калибровки в различных точках нанометрового диапазона.

Любая научная деятельность должна уметь выбирать, признавать и предлагать обществу лучшее из имеющегося. Научная ответственность перед обществом определяет, что работа ученых приносит пользу, удовлетворяет потребности людей, полученные выводы указывают путь дальнейшего развития, становятся основой для достоверных прогнозов и вероятных предупреждений. Научное творчество, основанное на глубоких знаниях, должно иметь продолжение и последователей. Наука должна говорить правду, поэтому предлагать в качестве метрологического сопровождения инструментария копеечный, неудобный и безответственный вариант проведения калибровки – значит вводить в заблуждение общественность. Мне, как профессору МГУ им. М. В. Ломоносова, небезразлично, какие результаты достигаются в его стенах. Считаю необходимым проинформировать научное сообщество о недостатках подхода авторов публикации [1] к решению проблемы метрологического обеспечения наноиндустрии.

Предлагаем провести независимое испытание калибровочных стандартов на публичной площадке, определенной научным сообществом.

Итак, сегодня разработка калибров проводится двумя путями:

- создание статистических приборов на основе разрабатываемых нанотехнологий и поэтому не опережающих развитие последних;
- создание динамических калибров, позволяющих в десятки и сотни раз превысить точность изготовления только еще разрабатываемых элементов нанометровых размеров.

Динамические калибры позволяют обеспечить выполнение важнейшего требования – опережающего развития метрологии по сравнению с разрабатываемыми нанотехнологиями.

Ф. Энгельс писал, что «знание становится движущей силой, когда овладевает массами», а значит необходимо всемерно поддерживать разнообразные разработки в области динамических калибров, проводимые лидирующими научными коллективами. Несколько лет назад мы были одиноки в области создания эталонов, но как только представили новую разработку, появились публикации и действующие образцы – нас стали противопоставлять.

Существующие методики и стандарты не позволяют провести аккуратную калибровку, так как не существует действующего отлаженного оборудования. Нет строгих калибров – только не очень корректные, и, похоже, что это всех устраивает. Ловкие формулировки чиновников, ответственных за развитие наноиндустрии, не отражают действительности. Отсутствие заинтересованности у разработчиков и предприятий отечественной наноиндустрии в измерительном метрологическом наборе с  динамической мерой и востребованность последнего свидетельствуют о нежелании узнать правду о фактическом состоянии дел или своих недостатках.

С разработкой динамических мер уровень развития нанометрологии перестает зависеть от уровня развития нанотехнологии и многократно его превышает. Нанотехнологии на первом этапе развивались путем совершенствования существующих решений. Однако неустранимые недостатки типа отсутствия локальности в методе молекулярно-лучевой эпитаксии или разрушения поверхностного слоя высокоэнергетичными ионами при литографии затруднили развитие нанотехнологий, основанных на традиционных технологиях более чем полувековой давности. Стало ясно, что для дальнейшего продвижения необходимы новые решения.

Предпринимаемые попытки разработать новые технологии на базе выпускаемых туннельных и атомно-силовых микроскопов оказались неэффективными. Для новых технологий необходимо оборудование новых типов, а не комбинации систем почти полувековой давности.

Выполнение новых разработок требует:
- выбора нового направления (например, зондовых нанотехнологий);
- коллектива разработчиков оборудования;
- разработчиков технольтогических процессов;
- ориентации на социально-востребованные изделия, например, наноэлектронные схемы, наносенсоры, микро- и наномеханические устройства и т.д., многократно описанные в научно-технической литературе;
- нанометрологов;
- определенного уровня финансирования – его отсутствие обрекает только на работы по микроскопии.

Отсутствие специального нанотехнологического оборудования и реальных нанотехнолоий приводит к невозможности выпуска продукции и развития наноиндустрии при любом уровне нанометрологии. Примером преодоления данной проблемы может быть организация работ в США путем создания компаний-разработчиков нового оборудования  и процессов (фирма Zyvex в Кремниевой долине, Массачусетский технологический университет, Национальный метрологический институт NIST, мозговой центр компании IBM – Ватсоновский центр). Аналогичные организации созданы также в ЕС, Японии, Южной Корее. Они получили экспериментальные результаты по управляемому перемещению атомов, одноэлектронным и одноатомным транзисторам и т.д. Кроме эффективно действующей программы «Национальная нанотехнологическая инициатива», в США разработана перспективная программа развития производства атомарной точности.

Ещё четверть века назад, в 1993 году, на 2-й Международной конференции по нанотехнологии, проведенной в Москве научным сообществом, были предложены важнейшие по актуальности работы в области нанотехнологий, включая зондовые нанотехнологии. Но на протяжении последующих лет и до настоящего момента в стране поддерживаются работы, не имеющие отношения к важнейшим направлениям (например, покрытия для инструментов и т.д.). при постановке работ по зондовым нанотехнологиям будет абсолютно ясна применимость всех имеющихся эталонов в разных областях.

Известно, что электроника является наиболее эффективной областью вложения средств. Базовый элемент электроники – транзистор, поэтому наиболее целесообразно финансирование работ по созданию нанотранзисторов с рекордными параметрами, что автоматически активирует применение нанотехнологий. Появление нанотранзисторов, как нанопродукции, позволит ликвидировать существующее отставание и развить наноиндустрию. При наличии нанопродукции будет востребована нанометрология, созданы высокотехнологические рабочие места, будет активно развиваться экономика.

Объем финансирования нанотехнологий в России соразмерен объемам финансирования в ЕС, что более чем достаточно для организации работ в наиболее экономически выгодном и технически совершенном направлении. Вопрос к РОСНАНО: кто в России занимается разработкой и производством транзисторов с нанометровым разрешением? Ставятся ли такие задачи государством перед РОСНАНО? Получив положительный ответ на данный вопрос, можно смело говорить о наличии отечественной наноиндустрии, а пока – это лишь красивая иллюзия с потраченными бюджетными деньгами, отраженная на глянцевых страницах печатных изданий.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Ахметова А., Мешков Г., Синицына О., Яминский И. Метрологическое обеспечение в бионаноскопии // Наноиндустрия. 2016. №4 (66). З. 36-39.
  2. Потемкин А. Если нет точного нанометрового эталона, то нет и индустрии нанотехнологий // Наноиндустрия. 2016. №3 (65). P. 8-12.

Статья опубликована в журнале "Наноиндустрия", 2016, №6 (68).  P. 60 - 67.

 

КОММЕНТАРИИ

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии