Vývoj instrumentace pro měření v oboru nanometrologie

Specializovaná zařízení pro mikroskopii

Jak je patrné z obecného popisu problematiky měření morfologie v nano- a mikroměřítku, pro účely měření s velmi malou nejistotou je nutné budovat speciální zařízení, čemuž se na našem pracovišti věnujeme, a to i přesto, že máme k dispozici hned několik komerčních mikroskopů. Námi budovaná zařízení by měla především pokrývat oblasti měření, na které komerční zařízení nestačí, ať už přesností, nebo rozsahem.

Zařízení budované jako státní etalon v oboru nanometrologie by mělo být vrcholem takového vývoje. Vzniklo ve spolupráci s Ústavem přístrojové techniky AVČR v letech 2007-2011 jako důsledek řešení projektu programu "Nanotechnologie pro společnost" GAAV a vyznačuje se především šestiosým odměřovacím laserovým interferometrickým systémem, který je základem pro měření s velmi malou nejistotou.

Interferometrický systém vyvinutý Ústavem přístrojové techniky AVČR využívá stabilizovaný Nd:YAG laser, který je vláknovou optikou rozveden do šesti interferometrických jednotek rozmístěných okolo polohovacího stolku od firmy Physik Instrumente. Nad stolkem je umístěna jednoduchá AFM hlava, která funguje jako pasivní senzor síly mezi hrotem a povrchem.

Zařízení se v roce 2008 účastnilo mezinárodního porovnání s ostatními metrologickými instituty a v současné době může být využito pro nejpřesnější měření, která můžeme v rámci ČMI v oboru nanometrologie zákazníkům poskytnout. Podrobnosti o konstrukci zařízení je možno nalézt v odborných publikacích, např. [1].

Kromě poskytování služeb veřejnosti je zařízení využíváno také pro výzkum v oblasti nejistot v SPM měřeních, zejména v souvislosti s otázkami šíření nejistot polohovacího systému do naměřených dat [2].

Prototyp metrologického SPM

V mnoha případech nepotřebujeme měřit s tak malou nejistotou, ale na skutečně velkých plochách (z pohledu mikroskopických metod). Pro takové účely jsme zkonstruovali mikroskop s velkým rozsahem, který je koncepčně zcela odlišný od jakýchkoli komerčních mikroskopů.

Zařízení využívá namísto běžných piezoelektrických mikroposuvů systém založený na využití elektromagnetů, tedy cívek v kombinaci s permanentním magnetem (voice coil). Cívky jsou ve zpětné vazbě s interferometrickým snímačem polohy; zpětná vazba je přitom realizována prostřednictvím levného jednočipového mikroprocesoru AtXmega128A1, na kterém je implementováno řízení prostřednictvím "fuzzy" logiky. Vzhledem k tomu, že na stolek mikroskopu zkonstruovaného z komerčních lineárních vedení s válečkovými ložisky nepůsobí žádné síly (kromě velmi malého tření), jsme schopni prostřednictvím zpětné vazby polohovat systém v rozsahu několika centimetrů s nejistotou cca 15 nm i přesto, že pro napájení cívek využíváme jen 12bitové DA převodníky. Hlava mikroskopu obsahuje kromě senzoru sil v tomto případě i mikroposuv v ose z. Podrobný popis zařízení je uveden v publikaci [3].

Mikroskop s velkým rozsahem Výsledek měření morfologie mikroelektronického prvku

Na podobném principu vzniklo na našem pracovišti hned několik zařízení, viz např. [4].

Výhodou konstrukce vlastních zařízení je především možnost provádět výzkum v oblasti získávání AFM dat, například při měření s nepravidelným vzorkováním, což je cesta, jak provádět AFM měření na velkých plochách s vysokým rozlišením a přitom vytvářet soubory dat se stále ještě přiměřenou velikostí a v přiměřeném čase [5].

Nanoindentace a mikroindentace

I v oboru mechanických vlastností se pokoušíme o vývoj vlastních zařízení. Jedněmi z prvních pomůcek byly interferometrické systémy pro kalibraci komerčního nanoindentoru umožňující přenos návaznosti primárních etalonů hmotnosti ČMI (platinový kilogram - hmotnostní komparátory - nanoindentor) a primárních etalonů délky (stabilizovaný laser - nanoindentor) [6].

V současné době se věnujeme výzkumu na poli konstrukce vlastního nano/mikroindentoru, který by sice nepřekonával komerční zařízení co se týče rozlišení a rozsahu aplikovatelných zátěží, ale měl by podstatně jednodušší řetězec metrologické návaznosti a v důsledku i nižší nejistoty v síle i posunutí.

Tento výzkum nám navíc přináší další zkušenosti v oblasti řízení experimentů v oboru nanoindentace, což je užitečné i při stanovování nejistot při použití našich komerčních zařízení.

Zařízení ČMI pro mikro- a nanoindentaci

[1]J. Lazar, P. Klapetek, O. Číp, M. Čížek, M. Šerý, Local probe microscopy with interferometric monitoring of the stage nanopositioning, Meas. Sci. Technol., 20, 084007
[2]Petr Klapetek, David Nečas, A. Campbellová, A. Yacoot, L. Koenders, Methods for determining and processing 3D errors and uncertainties for AFM data analysis, Meas. Sci. Technol., 22, 25501, 2011
[3]P. Klapetek, M. Valtr, M. Matula, A long-range scanning probe microscope for automotive reflector optical quality inspection, Meas. Sci. Technol. 22 094011
[4]P. Klapetek, M. Valtr, V. Duchoň, J. Sobota, Voice coil-based scanning probe microscopy, Nanoscale Res Lett. 2012; 7(1): 332.
[5]P. Klapetek, M. Valtr, J. Buršík, Non-equidistant scanning approach for millimetre-sized SPM measurements, Nanoscale research letters. 01/2012; 7:213
[6]A. Campbellová, M. Valtr, J. Zůda, P. Klapetek, Traceable measurements of small forces and local mechanical properties, Measurement Science and Technology. 08/2011; 22(9):094007


(c) CMI 2012

Novinky

Zveme vás na Seminář o metodách blízkého pole.

Snímek měsíce


Atomární schodky na Si

Kontakt

Oddělení primární nanometrologie a technické délky
Český metrologický institut
Okružní 31, 638 00 Brno
pklapetek(at)cmi.cz