微納米線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)規(guī)范

JJF(滬）58-2018

微納米線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)規(guī)范

1范圍

本規(guī)范適用于線間隔不大于100μm的線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板，如：單一間距、規(guī)則形

狀陣列的一維和二維微納米光柵、特殊排列的間距結(jié)構(gòu)。

2引用文獻(xiàn)

GB/T3505—2009產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法術(shù)語、定義及

表面結(jié)構(gòu)參數(shù)

GB/T10610—2009產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法評定表面結(jié)構(gòu)

的規(guī)則和方法

GB/T19067.1—2003產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法測量標(biāo)準(zhǔn)

第1部分：實(shí)物測量標(biāo)準(zhǔn)

GB/T19067.2—2004產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法測量標(biāo)

準(zhǔn)第2部分：軟件測量標(biāo)準(zhǔn)

注：凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，

其最新版本（包括所有的修改單）適用于本規(guī)范。

3術(shù)語

3.1微納米線間隔（micro/nano-pitch）

具有微納米級準(zhǔn)確度和均勻性、刻線間距不大于100μm的周期性刻線，可以是

一維形式，也可以是正交的二維形式。以相鄰幾何結(jié)構(gòu)中心間距表征刻線間隔。

3.2掃描探針顯微鏡（scanningprobemicroscope,SPM）

基于探針對被測樣品進(jìn)行表面形貌掃描成像的顯微鏡的統(tǒng)稱。其利用探針與樣

品的不同相互作用來探測待測樣品表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理特性和

化學(xué)特性，包括原子力顯微鏡（atomicforcemicroscope，AFM）、掃描隧道顯微

鏡（scanningtunnelingmicroscope，STM）等。

3.3計(jì)量型掃描探針顯微鏡（metrologicalscanningprobemicroscope,MSPM）

具有激光干涉測量系統(tǒng)，測量量值能夠直接溯源至激光波長的掃描探針顯微鏡。

比如，沿X、Y、Z坐標(biāo)軸分別裝備校準(zhǔn)位置誤差的激光干涉測量系統(tǒng)的掃描探針

顯微鏡。

3.4重心間距（gravitycenterdistance）

在線間隔掃描線上，中線以上部分的幾何重心之間的距離，如圖1所示。

1

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頂線Ztop

重心間距P

中線Zmid

底線Z

bot

圖1重心間距示意圖

4概述

線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板包括：微納米的線紋標(biāo)尺、CD線間隔、一維微納米柵格結(jié)構(gòu)、

二維微納米柵格結(jié)構(gòu)，如一維、二維光柵，微納米線陣列，微納米點(diǎn)陣列等。

線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板主要用于掃描探針顯微鏡（AFM、STM）、電子顯微鏡（透射電

鏡和掃描電鏡）、輪廓儀和臺階儀等微納米測量儀器的校準(zhǔn)。典型的線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣

板外形如圖2所示。

a.一維線間隔b.二維線間隔

圖2線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板示意圖

5計(jì)量特性

5.1平均線間隔

以微納米線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板有效區(qū)域內(nèi)多個(gè)刻線間距的平均值作為其平均線間

隔。

表1線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板計(jì)量特性技術(shù)要求

序號計(jì)量特性名稱技術(shù)要求

平均線間隔測量不確定度：

1平均線間隔P?≤10μm,?=2nm+0.02?,?=2

10μm<?≤100μm,?=4nm+0.01?,?=2

2二維線間隔正交性MPE：±0.05°

?≤10μm，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s小于2nm

3線間隔均勻性s

10μm<?≤100μm，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s小于6nm

注：作為校準(zhǔn)，不判斷合格與否，表1中的計(jì)量特性技術(shù)要求，僅供參考。

2

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5.2二維線間隔的正交性

對于二維微納米線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板，以二維線間隔X、Y方向的夾角作為其正交

性。

5.3線間隔均勻性

在樣板有效測量區(qū)域內(nèi)均勻選取多條測量線，以其一維或二維節(jié)距的多次測量

結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差給出。

6校準(zhǔn)條件

6.1環(huán)境條件

校準(zhǔn)過程中環(huán)境條件如表2。

表2校準(zhǔn)環(huán)境條件

校準(zhǔn)室內(nèi)的溫度（℃）203

室溫的變化（℃/h）≤0.5

校準(zhǔn)室的相對濕度（％RH）≤65

校準(zhǔn)室的空氣潔凈度優(yōu)于10萬級

被校準(zhǔn)樣板在室內(nèi)平衡溫度時(shí)間（h）＞6

校準(zhǔn)室內(nèi)應(yīng)無影響測量的振動(dòng)源。

6.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備

微納米線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板的校準(zhǔn)項(xiàng)目及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)器見表3。

表3微納米線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板的校準(zhǔn)項(xiàng)目及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)器

序號校準(zhǔn)項(xiàng)目測量標(biāo)準(zhǔn)器

1平均線間隔P

計(jì)量型掃描探針顯微鏡

2二維線間隔的正交性X、Y方向測量不確定度：

3線間隔均勻性s?=1nm+0.01?,?=2

7校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法

7.1平均線間隔

使用計(jì)量型掃描探針顯微鏡掃描被測樣板，掃描前應(yīng)確定與柵格結(jié)構(gòu)正交的掃

描方向（方法參見附錄D），沿正交掃描方向掃描樣板特征區(qū)域。選3個(gè)測量區(qū)域，

在每個(gè)測量區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描，掃描曲線數(shù)應(yīng)不少于3條，每條掃描曲線應(yīng)包含6個(gè)

以上線間隔；通過重心法，對每條曲線分別進(jìn)行線間隔計(jì)算：選取每個(gè)刻線高度在

中線以上的所有測量點(diǎn)坐標(biāo)值，按式（1）得到該節(jié)測量方向上的重心坐標(biāo)值。

3

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?

∑ZiXi

?=1

?n=?（1）

∑Zi

?=1

式中：

?n——所選取的第n個(gè)刻線中心沿測量線方向的坐標(biāo)值，單位：nm；

?i——所選區(qū)域測量點(diǎn)Z向坐標(biāo)值，單位：nm；

?i——所選區(qū)域測量點(diǎn)X向坐標(biāo)值，單位：nm.

分別計(jì)算首尾刻線重心坐標(biāo)值，按式（2）將首尾刻線重心間距除以線間隔個(gè)

數(shù)得到線間隔的單次測量結(jié)果，并記錄相關(guān)測量區(qū)域信息。

l?l

P=n1（2）

in?1

式中：

?i——線間隔單次測量值，單位：nm；

?1——所選取的第1刻線的重心值，單位：nm；

?n——所選取的第n刻線的重心值，單位：nm；

n——選取的刻線個(gè)數(shù).

按上述方法連續(xù)重復(fù)測量10次，按式（3）計(jì)算10次測量值的平均值作為平

均線間隔的測量結(jié)果。

m

∑Pi

P=i=1（3）

m

式中：

?——平均線間隔測量值，單位：nm；

?i——線間隔單次測量值，單位：nm；

m——重復(fù)測量次數(shù)。

7.2二維柵格線的正交角度

進(jìn)行二維線間隔正交性測量時(shí)，在有效測量區(qū)域采用面掃描或十字垂線的掃描

方式進(jìn)行平均線間隔的計(jì)算，具體方法參見7.1。如圖2，分別記錄X測量方向和

Y測量方向各測量點(diǎn)的（X、Y）坐標(biāo)值，并通過式（4）和式（5）計(jì)算X、Y測量

方向的斜率。

??

2

??=∑(?????)(?????)/∑(?????)（4）

?=1?=1

??

2

??=∑(?????)(?????)/∑(?????)（5）

?=1?=1

式中：

??,??——X、Y測量方向的斜率；

??,??——測量點(diǎn)X坐標(biāo)；

4

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??,??——測量點(diǎn)X、Y坐標(biāo)的算數(shù)平均值；

??,??——測量點(diǎn)Y坐標(biāo)；

?,?——X、Y測量方向測量點(diǎn)數(shù)。

通過式（6）計(jì)算出樣板的正交性。

θ=|arctan(k)?arctan(k)|?90（6）

kxy

式中：

??——二維線間隔正交性單次測量值.

如此連續(xù)測量10次，按式（7）計(jì)算10次的平均值作為二維線間隔正交性的測

量結(jié)果。

?

∑??

?=?=1（7）

???

式中：

???——二維線間隔正交性；

?——重復(fù)測量次數(shù).

圖3給出了在測量區(qū)域內(nèi)的面掃描測量示例，通過提取X、Y方向測量線的斜

率信息，確定該樣板的二維線間隔的正交性。

圖3線間隔面掃描測量形貌圖

7.3線間隔均勻性

以測量區(qū)域中心線為中心測量線，兩側(cè)分別取5條均勻分布的測量線，測量線

間隔（d）根據(jù)測量區(qū)域的大小確定，以均勻覆蓋測量區(qū)域?yàn)樵瓌t。測量方法參見

7.1，分別對每條測量線上的線間隔進(jìn)行一次測量，以11條測量線間隔的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

差作為線間隔均勻性的測量結(jié)果，按式（8）計(jì)算。

?

?2

√∑(????)

?=?=1（8）

???1

式中：

5

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??——節(jié)距均勻性，nm；

??——一條測量線上線間隔單次測量值，nm；

?——所選測量線數(shù)；

??——t條測量線上線間隔的平均值，nm。

8校準(zhǔn)結(jié)果的表達(dá)

校準(zhǔn)后的線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板應(yīng)出具校準(zhǔn)證書，校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁格式和信息參見附

錄A、附錄B。

9復(fù)校時(shí)間間隔

校準(zhǔn)時(shí)間間隔，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣板使用情況由用戶自行確定，建議為1年。

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附錄A

校準(zhǔn)證書內(nèi)容

校準(zhǔn)證書應(yīng)至少包括以下內(nèi)容：

a）標(biāo)題：“校準(zhǔn)證書”；

b）實(shí)驗(yàn)室名稱和地址；

c）進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)；

d）證書或報(bào)告的唯一性標(biāo)識（如編號），每頁及總頁的標(biāo)識；

e）客戶的名稱和地址；

f）被校對象的描述和明確標(biāo)識；

g）進(jìn)行校準(zhǔn)日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)說明被校對象的

接收日期；

h）如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)對抽樣程序進(jìn)行說明；

i）對校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識，包括名稱及代號；

j）本次校準(zhǔn)所用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說明；

k）校準(zhǔn)環(huán)境的描述；

l）校準(zhǔn)結(jié)果及測量不確定度的說明；

m）對校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說明；

n）校準(zhǔn)證書或校準(zhǔn)報(bào)告簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識；

o）校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校對象有效的聲明；

p）未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明。

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附錄B

校準(zhǔn)證書（內(nèi)頁）格式

序號校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)結(jié)果

實(shí)測值：

1樣板線間隔

測量結(jié)果不確定度：

2樣板的正交性

3樣板的均勻性

附注：

校準(zhǔn)員：核驗(yàn)員：

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附錄C

微納米線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度評定

C.1概述

C.1.1測量方法：在計(jì)量型原子力顯微鏡上進(jìn)行掃描測量。

C.1.2環(huán)境條件：實(shí)驗(yàn)室溫度(20±3)℃，室溫的變化≤0.5℃/h，濕度≤65％RH。

C.1.3測量裝置：計(jì)量型原子力顯微鏡（下簡稱原子力顯微鏡）。

C.1.4被測樣品：選用測量值為3000nm的一維線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板一塊、10000nm的二

維線間隔標(biāo)準(zhǔn)樣板一塊作為被測樣品進(jìn)行測量。

C.2測量模型

線間隔樣板的平均線間隔是通過測量和計(jì)算后直接得到：

Pf()xi（C-1）

式中：

P──線間隔的測量結(jié)果，nm；

Xi──測量后得到的線間隔計(jì)算數(shù)值，nm。

綜合分析對測量結(jié)果會產(chǎn)生影響的每個(gè)誤差來源，列出了如下的分量：

1）多次測量及樣板不均勻引入的測量重復(fù)性的不確定度分量?s。

2）所用激光干涉儀波長誤差引入的不確定度分量?λ。

3）激光干涉儀軸向運(yùn)動(dòng)誤差引入的不確定度分量?cos

4）激光干涉儀非線性引入的不確定度分量?nl

5）X、Y、Z軸正交誤差引入的不確定度分量?α。

6）樣板安放與測量掃描方向在橫向產(chǎn)生的傾斜角度引入的不確定度分量?θ；

7）測量時(shí)溫度變化對測量過程的影響引入的不確定度分量?t。

C.3各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

C.3.1測量重復(fù)性的不確定度分量??

在測量中對柵格連續(xù)重復(fù)n次測量，計(jì)算測量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，采用A類方

法進(jìn)行評定。

單次測量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

?

2

∑(?????)

?=√?（C-2）

???1

采用平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差作為輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

s

u=i（C-3）

s√n

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表C.1測量重復(fù)性數(shù)據(jù)表

樣板標(biāo)稱值測量平均值測量次數(shù)平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差

（nm）（nm）（n）（nm）

30003000.091.7

X方向100009998.892.8

Y方向1000010000.292.4

C.3.2所用激光干涉儀波長誤差引入的不確定度分量??

所用激光在考慮空氣折射率、干涉儀光學(xué)系統(tǒng)布局、阿貝誤差、死程誤差后，

其平均波長值的最大相對變化量為4×10-8，平均線間隔測量中測量范圍為微納米級，

因此激光波長誤差引入的不確定度分量可以忽略不計(jì)。

C.3.3X、Y軸激光干涉儀軸向運(yùn)動(dòng)誤差引入的不確定度分量?cos

X、Y軸激光干涉儀軸向運(yùn)動(dòng)角度偏差最大不超過0.005°。按均勻分布處理，

包含因子?=√3,估算相對不確定度為20％，采用B類方法進(jìn)行評定。

tan0.005

?=?=5×10?5?（C-4）

cos√3

C.3.4干涉儀非線性引入的不確定度分量?nl

干涉儀測量微小位移時(shí)的非線性誤差對測量結(jié)果的影響是十分明顯的，根據(jù)干

涉儀非線性誤差的特點(diǎn)通過修正可以將非線性誤差控制在一定的范圍內(nèi)，干涉儀修

正后的殘余非線性誤差在±0.5nm范圍內(nèi)，按均勻分布估計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

0.5

?==0.29??（C-5）

nl√3

C.3.5X、Y、Z軸正交誤差引入的不確定度分量?α

對于X軸，X、Y軸以及X、Z軸的正交角度偏差控制在±0.0005°，按均勻

分布處理，包含因子?=√3，采用B類方法進(jìn)行評定，該項(xiàng)不確定度分量：

tan0.0005

?=?=5×10?6?（C-6）

α√3

C.3.6樣板安放與測量掃描方向在橫向產(chǎn)生的傾斜角度引入的不確定度分量?θ

在通過實(shí)驗(yàn)確定正交掃描角度后，樣板安放與測量掃描方向在橫向產(chǎn)生的傾斜

角度一般可控制在0.75°內(nèi)。經(jīng)計(jì)算得到測量3μm和10μm傾斜誤差產(chǎn)生的橫向測

量影響量分別為：0.3nm和1.0nm，按均勻分布處理，包含因子k3，采用B類

方法進(jìn)行評定。

對于P=3000nm，

0.3

?==0.17??（C-7）

θ√3

10

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對于P=10000nm，

1.0

?==0.58??（C-8）

θ√3

C.3.7測量過程中溫度變化對樣板的影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量?t的評定

在樣板的測量過程中，實(shí)驗(yàn)室的室溫變化控制在0.5℃，而儀器保溫箱內(nèi)的溫

度變化在穩(wěn)定后不會超過0.2℃。所用樣板的制造材料，硅的熱膨脹系數(shù)：6×10-6K-1。

溫度變化導(dǎo)致材料熱膨脹系數(shù)對測量的不確定度影響可以忽略不計(jì)。

C.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

C.4.1合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的計(jì)算

各不確定度分量之間不存在相關(guān)性，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

22222

?c=√?s+?cos+?nl+?α+?θ（C-9）

C.4.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

C.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

序合成標(biāo)準(zhǔn)不確

樣品規(guī)格不確定度來源符號評定方法

號定度uc

1測量重復(fù)性usA類

2激光干涉儀X、ucosB類

Y軸軸向運(yùn)動(dòng)誤差

3000nm1.7nm

3干涉儀非線性unlB類

4正交誤差uαB類

5樣品安放uθB類

1測量重復(fù)性usA類

2激光干涉儀X、ucosB類

10000nmY軸軸向運(yùn)動(dòng)誤差

2.9nm

X方向3干涉儀非線性unlB類

4正交誤差uαB類

5樣品安放uθB類

1測量重復(fù)性usA類

2激光干涉儀X、ucosB類

10000nmY軸軸向運(yùn)動(dòng)誤差

2.5nm

Y方向3干涉儀非線性unlB類

4正交誤差uαB類

5樣品安放uθB類

C.4.3擴(kuò)展不確定度的評定

取k=2，擴(kuò)展不確定度為：

?=????=2??（