纳米制造中的计量溯源与测试理论研究

纳米计量溯源与测试理论是纳米制造过程、纳米器件/系统性能测试和材料选择等的关键环节和联系纽带，需要进行系统的理论研究。本项目的主要研究内容包括纳米样板的制备与量值溯源，研制能溯源到光波波长的名义尺寸小于10nm的各种纳米结构样板，并对其不确定度进行分析；对纳米器件中的线边缘、线宽、侧壁、界面和表面等纳米粗糙度进行分析和表征，构造评定基准的数学模型，提出相应的测量操作规范，并研究纳米粗糙度对高k氧化铪和铋基焦绿石等栅介质、ZnO场效应器件、铁电存储器电特性参数的影响规律；对扫描电子显微镜的测量精度及其立体成像技术进行研究，用于高深宽比纳米结构侧壁几何参数的提取和表征、聚焦离子束加工过程的精确控制。通过本项目的研究，将初步建立纳米样板的制备与溯源、纳米粗糙度的分析与表征、纳米粗糙度与纳米器件/系统性能的关系、纳米结构侧壁几何特征参数的测试等标准评价体系，满足纳米制造技术发展的需要。

本项目针对纳米样板的制备与测量比对、纳米粗糙度的分析与表征、纳米粗糙度与纳米器件/系统性能的关系、纳米结构侧壁几何特征参数的测试等标准评价体系，主要开展了以下研究：采用分子束外延（MBE）技术制备出了公称尺寸小于10nm的线宽样板（线宽分别为2nm、4nm、6nm和8nm）和节距样板（节距为3nm）、采用等离子体刻蚀（ICP）方法制备出了100nm的纳米单台阶、采用聚焦离子束（FIB）制备出了50+50nm的纳米双台阶样板、采用原子层沉积（ALD）方法制备出了8nm、18nm和44nm的纳米台阶高度样板，并进行国内外测量比对；对LER/LWR进行分析和表征，得到了LER/LWR的量化表征参数体系，建立了基于Motif参数的纳米粗糙度表征方法，并基于新一代GPS技术确立了SEM/TEM的纳米粗糙度测量不确定度的传递模型，对纳米粗糙度的GPS不确定度进行了分析和估计，并开发了一套基于新一代GPS的纳米粗糙度数字化计量工具软件系统；制备了高k栅介质氧化铪（HfO2）薄膜、铋基焦绿石（BZN)介电薄膜、铁电锆钛酸铅（PZT）薄膜、基于BZN栅介质的氧化锌（ZnO）场效应原型器件、基于PZT薄膜的晶体管（TFT）等一批电介质薄膜和电子器件，研究了工艺参数、薄膜表面形貌、表面和界面粗糙度等与其电学性能之间的关系；采用FIB制备了高深宽比纳米结构、采用纳米球刻蚀技术（NSL）制备了高度有序纳米孔、纳米谐振腔、大面积三角纳米柱阵列等结构，研究了不同纳米结构的制备工艺，纳米球直径、纳米球模板、制备工艺参数等与纳米结构的关系，研究了由二维断层截面图构造三维数学模型的技术和方法，采用SEM立体成像方法实现了SEM三维图像的重构；采用电子束直写（EBL）工艺在抗蚀剂上制备出了纳米栅线结构，按照新一代GPS的操作和算子理论，对其SEM图像进行了提取、滤波、拟合等的预处理操作，建立了纳米粗糙度的测量不确定度传播模型，并量化研究了SEM的测量不确定度。. 课题已经发表论文122篇（均标注了基金号），其中被SCI、EI、ISTP收录93篇（SCI收录66篇）；撰写英文专著1本，参与撰写国外专著3章节；申请国家发明专利16项，其中授权5项；培养毕业研究生41名（毕业博士研究生19名，其中1人获陕西省优秀博士学位论文）。

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