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可溯源纳米测量的现状与挑战
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摘要：介绍目前世界上纳米长度可溯源测量的几种主要方法和使用的典型仪器，包括透射电镜、扫描电镜和扫描探针、粒度测量仪。并介绍了用于校准这些仪器的有证标准物质和标定这些标准物质的一些重要方法。对各类仪器和各类标准物质的使用范围和制作限制进行探讨，并指出现有标准物质的不足和面临的挑战。
0 引言
近年来，纳米科技蓬勃发展，为IT芯片工业、生物工程、材料科学注入了新的活力，同时也给可溯源的纳米测量提出了重大的挑战。目前，工业级芯片工艺的线宽已达到32nm，但表面纳米结构的可溯源精确测量发展却远滞后于工业步伐。
1 可溯源纳米测量的方法
纳米计量主要指对1~100nm长度值的带不确定度的测量，且测量值可溯源到长度基准光波长。一般过程为：先用纳米水平的有证标准物质（CRM）校准仪器，再用该仪器测量纳米物质。
1.1 透射电子显微镜（TEM）
- 功能：获得纳米结构的投影像或原子排列的晶格长度值。
- 溯源：高倍溯源依赖于已知晶格常数的薄晶体样品（源自粉末X衍射）；低倍溯源依赖于聚苯乙烯小球有证标准物质。
- 不足：只能得到投影像长度而非表面结构像长度；视场小，对不均匀样品缺乏可操作性。
1.2 粒度分析仪
包含光子相干光谱法（PCS）、扫描电迁移分析仪法（SMPS）、激光干涉仪法等。
- 溯源：主要依赖于聚苯乙烯小球有证标准物质。
- 挑战：通常将粒子当作球形计算，且部分仪器要求粒子间无相互作用。激光干涉仪法受限于激光波长，溯源分析值难达到100nm以下。
1.3 扫描电子显微镜（SEM）和扫描探针显微镜（SPM）
这类仪器的溯源测量最具挑战性，标准物质的发展落后于IT芯片工业。其发展方向包括：
- 通过计量型SEM或AFM进行标定：美国NIST、英国NPL、德国PTB及中国国家计量研究院已开发相关仪器，但用于标准物质标定的报道仍较少。
- 利用制作原理保证周期性结构：
- 全息光栅：利用激光全息干涉原理。受限于激光波长，且表面呈正弦分布影响对比度。
- 纳米长度标准具：利用激光冷却准直原子束和激光驻波场会聚原子原理，具有诱人的前途。
- 紧排列聚苯乙烯标准物质：由上海市计量测试技术研究院研制，受小球均匀性影响较大，粒径越小排列越困难。
2 结语
扫描电子显微镜的有证标准物质在IT芯片工业中至关重要，尽管各国投入了大量资金与人力，但目前研究成果与工业实际需求尚存差距。
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文章作者：郝玉红、薛韧婕（上海市计量测试技术研究院）
文章原名：可溯源纳米测量的现状与挑战
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