Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Метрология и метрологическое обеспечение

Диссертационная работа:

Голубев Сергей Сергеевич. Разработка и исследование методов и средств метрологического обслуживания сканирующих зондовых микроскопов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.15 / Голубев Сергей Сергеевич; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т метрологии им. Д.И. Менделеева].- Москва, 2008.- 121 с.: ил. РГБ ОД, 61 08-5/1294

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список сокращений 4

Введение 5

Глава 1. Сканирующие зондовые микроскопы. Переход от средств

визуализации к средствам измерения. 10

  1. История сканирующей зондовой микроскопии 10

  2. Классификация СЗМ 11

  3. Метрологическое обеспечение сканирующей зондовой микроскопии 17 Глава 2. Формализованное описание СЗМ как средства измерения. 23

2.1. Принципы построения модели СЗМ 23

2.2. Реализация системы координат СЗМ при помощи трубчатого
пьезоэлектрического манипулятора 24

  1. Алгоритм сканирования в режиме постоянной силы 30

  2. Взаимодействие зонда и образца 32

  3. Разрешающая способность СЗМ. Ее соотношение с межатомными расстояниями и влияние на погрешность измерения 36

Глава 3. Принципы проверки математической модели СЗМ и

экспериментальная реализация такой проверки. 38

  1. Принципы экспериментальной проверки адекватности математической модели СЗМ 38

  2. Сравнительные измерения мер при помощи СЗМ и некоторых других средств измерения нанометрового диапазона 44

Глава 4. Погрешность измерений при помощи СЗМ и ее

составляющие. 47

  1. Нелинейность пьезокерамики 47

  2. Гистерезис пьезокерамики 48

  3. Запаздывание прохождения сигнала - крип пьезокерамики 50

  4. Температурный дрейф пьезокерамики 52

  5. Старение пьезокерамики 53

  6. Формализация понятия поверхности твердого тела для случая 54

взаимодействия зонда и образца

  1. Неидеальность геометрической формы зонда и эффект кажущегося уширения образца 55

  2. Влияние вибраций на СЗМ 60

  3. Шумы электроники 61

  1. Погрешность, связанная с дискретизацией АЦП 62

  2. Погрешность, связанная с фотодетектором 63

  3. Деформация поверхности образца под действием сканирующего зонда 64

Глава 5. Средства метрологического обслуживания сканирующих
зондовых микроскопов.
67

  1. Модель идеальной меры для метрологического обслуживания СЗМ 67

  2. Использование существующих рельефных мер нанометрового диапазона для метрологического обслуживания СЗМ 68

5.3. Динамическая мера. Теоретическое и экспериментальное
исследование возможности ее применения для метрологического
обслуживания СЗМ 71

5.4. Динамическая мера как оптимальное средство измерения
разрешающей способности СЗМ 75

Глава 6. Метрологическое обеспечение перехода СЗМ из средств
визуализации в средства измерения.
80

  1. Обоснование выбора параметров СЗМ, требующих метрологического контроля 80

  2. Разработка методов проведения калибровки и поверки СЗМ 86

6.3. Практическая реализация калибровки и поверки СЗМ 93
Выводы 94
Список литературы 95
Приложение 1. Микроскопы сканирующие зондовые ФемтоСкан.
Методика поверки. 104
Благодарности 121

Список сокращений

ACM Атомный силовой микроскоп

АЦП Аналого-цифровой преобразователь

ВНИИМС Всероссийский научно-исследовательский институт

метрологической службы

МБМВ Международное бюро мер и весов

МСМ Магнитно-силовой микроскоп

НИЦПВ Научно-исследовательский центр по исследованию

свойств поверхности и вакуума

РТВ Брауншвейгский физико-технический институт

СЗМ Сканирующий зондовый микроскоп

СИ Средство измерения

СРМ Сканирующий резистивный микроскоп

СТерМ Сканирующий термальный микроскоп

СТМ Сканирующий туннельный микроскоп

ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь

ЭСМ Электрический силовой микроскоп

Введение к работе:

Актуальность работы

В настоящее время большое внимание уделяется нанотехнологиям. Это связано в первую очередь с переходом в последние десятилетия радиоэлектронной промышленности, компьютерных технологий, биомедицины и биоинформатики на качественно новый меньший уровень масштабов.

В последние 15 лет появилась возможность проводить измерения геометрических параметров объектов нанометрового диапазона (микроэлектронные компоненты, носители информации, биосенсоры, нанотрубки и т.д.). Это связано с прогрессом основного инструмента работы с такими объектами - сканирующего зо вдового микроскопа (СЗМ). В последние годы вдет процесс создания новых средств измерения (СИ) на базе существующих СЗМ. Востребованность в таких средствах очень высока, так как все перечисленные выше технологические направления, связанные с нанотехнологией, остро нуждаются в СИ. При этом развитие данных технологических направлений является приоритетной задачей для ключевых секторов экономики.

Количество экземпляров СЗМ в нашей стране на сегодняшний день составляет приблизительно 25 000. Различных типов СЗМ отечественного производства насчитывается более 100. Однако сейчас лишь 3 из них являются средствами измерения геометрических параметров. Объяснение такому несоответствию состоит в том, что подавляющее большинство СЗМ являются на сегодняшний день лишь средствами визуализации поверхности, но не имеют метрологического обеспечения, превращающего их в средства измерения.

Очевидно, что для обеспечения стандартов качества в производстве объектов наноразмера необходимо сначала обеспечить единство измерений в соответствующих диапазонах. Одним из основных приборов для измерения геометрических параметров объектов наномерового диапазона является

именно СЗМ. Однако визуализация поверхности, о которой говорилось выше, - не метрологическая задача, вопрос же о метрологическом обслуживании этих приборов возникает тогда, когда их функция средства визуализации перестает удовлетворять потребностям и появляется задача разработки на их базе именно СИ.

В связи с происходящим сегодня выходом нанотехнологий на уровень промышленности приходится пересматривать принятые взгляды на роль СЗМ в науке и технике и встает задача создания на основе лабораторных научно-исследовательских приборов серийно выпускаемых СИ.

На сегодняшний день как в РФ, так и во всем мире нет единой универсальной концепции, которая могла бы лечь в основу будущей поверочной схемы для средств измерения в нанометровом диапазоне (СЗМ).

Разработкой метрологического обеспечения для сканирующей зондовой микроскопии в разное время занимались такие известные отечественные ученые, как В.Я. Бараш, В.Л. Быков, Л.Ф. Витушкин, Ч.П. Волк, К.В. Гоголинский, В.В. Календин, Ю.А. Новиков, А.В. Раков, П.А. Тодуа, И.В. Яминский и др.

Вышеизложенное определяет важность и актуальность настоящей диссертационной работы.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование научных и технических основ методов и средств для метрологического обслуживания (испытаний, поверки и калибровки) сканирующих зондовых микроскопов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- Анализ состояния метрологического обеспечения измерений геометрических параметров в нанометровом диапазоне.

- Разработка математической модели СЗМ как средства измерения
(на примере микроскопа FemtoScan).

- Разработка научно-методических основ исследований средств
измерений нанометрового диапазона с целью определения их
метрологических характеристик.

- Анализ составляющих суммарной погрешности измерений
геометрических величин для СЗМ, а также анализ их вклада в суммарную
погрешность.

Разработка научно-технического обоснования средств метрологического обслуживания (испытаний, поверки и калибровки) для СЗМ.

Разработка научно-методических основ метрологического обслуживания (испытаний, поверки и калибровки) для СЗМ.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Разработана математическая модель СЗМ, учитывающая неидеальность механической реализации декартовой системы координат, упругое взаимодействие зонда с поверхностью, конечность радиуса щупа и особенности программно-алгоритмического обеспечения работы СЗМ.

  2. Разработаны научно-методические основы исследования средств измерения нанометрового диапазона с целью проверки их метрологических характеристик.

  3. Проведен анализ составляющих погрешностей СЗМ. На основе анализа теоретически определен вклад различных составляющих в суммарную погрешность средства измерения.

  4. Предложен метод калибровки СЗМ при помощи различных мер -квазипериодических решеток, наборов ступенчатых и шахматных мер.

5. Сформулированы принципы и экспериментально показана возможность применения многозначной динамической меры для метрологического обслуживания (испытания, поверки и калибровки) СЗМ. Показано, что она позволяет проводить калибровку в более широком диапазоне, чем обычная материальная мера.

Положения, выносимые на защиту

  1. Предлагаемая математическая модель СЗМ как средства измерения легла в основу методики испытаний и поверки микроскопа FemtoSCAN. Ее обобщение даст возможность разрабатывать методики испытаний для других типов СЗМ с неподвижным зондом.

  2. Использование стандартных материальных мер - дифракционных решеток - позволяет оценивать различные метрологические характеристики СЗМ. Их применение позволяет экспериментально определить степень разрушения поверхности образца в результате сканирования. При их изучении экспериментально подтверждена предложенная модель измерений с помощью СЗМ.

  3. Проведенный анализ составляющих погрешности СЗМ позволил определить их числовые значения. Установлено, что суммарная относительная погрешность системы координат СЗМ без дополнительных датчиков положения может быть уменьшена до значения 5%. Проведенные исследования позволили сделать вывод о возможности устранения путем введения поправок ряда составляющих, относящихся к систематической погрешности.

  4. Предложенный метод, заключающийся в перемещении меры внутри измерительного объема, позволяет при помощи набора 2Б-решеток проводить прямую калибровку СЗМ по всем трем измерениям.

  5. Использование многозначной динамической меры позволяет производить калибровку СЗМ в диапазоне 20-10000 нм с относительной

погрешностью не более 5%. При этом данный способ имеет ряд преимуществ перед применением стандартных материальных мер нанометрового диапазона.

Реализация и внедрение результатов исследования

При испытаниях с целью утверждения типа двух СЗМ (СЗМ «ФемтоСкан» и СЗМ «АИСТ-НТ») использовались разработанные в настоящем исследовании методы и средства метрологического обслуживания СЗМ.

Результаты научных исследований диссертации использовались при разработке и проведении процедуры сличений средств измерений нанометрового диапазона в совместных работах с BIPM, РТВ и научными организациями - производителями различных средств измерений нанометрового диапазона.

По результатам испытаний с целью утверждения типа получены акты внедрения.

Публикации

По основным результатам выполненных исследований опубликовано четыре статьи, сделано три доклада на Российских и один на Международной конференции.

Структура и объем диссертации

Подобные работы
Телитченко Геннадий Петрович
Разработка и исследование методов и образцовых средств измерений электрического напряжения амплитудно-импульсного модулированного сигнала в диапазоне частот 100 кГц + 1000 МГц
Савелькаев Сергей Викторович
Разработка и исследование методов и прецизионных средств измерения S-параметров активных СВЧ-цепей
Колобова Анна Викторовна
Исследование и разработка методов метрологического контроля промышленно выпускаемых стандартных образцов состава газовых смесей
Юрин Александр Игоревич
Исследование метрологических характеристик и разработка методов автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей
Степанов Олег Сергеевич
Разработка и исследование научно-технических основ метрологического обеспечения производства и эксплуатации счетчиков воды
Лысенко Валерий Григорьевич
Разработка и исследование системы обеспечения единства координатных измерений геометрических параметров обработанных поверхностей
Садковская Ирина Владимировна
Разработка и исследование лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности с целью повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления
Бабаджанова Марианна Леоновна
Разработка и исследование мер толщины покрытий для поверки магнитных толщиномеров
Мусин Ильгиз Азданович
Разработка и исследование способов повышения точности оценок погрешностей средств измерений (на примерах средств измерений расхода, объема, массы жидкостей и газов)
Горелова Нонна Евгеньевна
Исследование и разработка метрологического обеспечения средств измерений массового расхода жидкости нефтяных скважин

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net