Laboratorio de Patrones para micro y nanometrología

Trazabilidad metrológica

Este laboratorio dota de trazabilidad a las mediciones efectuadas en los campos micro y nano, mediante calibración de patrones de amplificación y de rugosidad empleados en el ajuste y calibración de perfilómetros, rugosímetros, microscopios (ópticos, holográficos, SPM) y otra instrumentación variada. También determina por interferometría de Fizeau la planitud de patrones y muestras planas, con incertidumbre en el rango nanométrico.

Esquema de trazabilidad en micro y nanometrología

Tipos de patrones

La mayor parte de los patrones de amplificación y de rugosidad calibrados en el laboratorio vienen recogidos en la norma UNE-EN ISO 5436-1:2000, la cual contempla cinco tipos denominados A, B, C, D y E, cada uno de los cuales puede presentar un cierto número de variantes.

Patrones de amplificación

- Tipo A1:

Destinados a la calibración de la amplificación vertical de los instrumentos de palpador o contacto. La(s) ranura(s)/escalón(es), con fondo plano, son lo suficientemente anchas como para ser insensibles a la forma o estado de la punta del palpador y en ellas se caracteriza su altura.

Ranura tipo A1 Zonas de evaluación de las ranuras

Las zonas a emplear para fines de evaluación son las A, B y C, ignorándose las situadas en los bordes de la ranura/escalón.

- Tipo A2:

Similares a los de tipo A1, salvo que las ranuras tienen fondos redondeados. De nuevo, las zonas a emplear para fines de evaluación son las denominadas A, B y C

Ranuras tipo A2 y zonas de evaluación de las ranuras

Patrones de rugosidad

Son placas de vidrio o de metal que reproducen varios surcos de un perfil geométrico periódico ó aperiódico y que, medidos bajo unas condiciones especificadas, proporcionan un valor constante de ciertos parámetros de rugosidad en toda su superficie. Existen varios tipos:

- Tipo B: Para la comprobación del estado de la punta del palpador. Se distinguen tres variantes: B1, B2 y B3.

- Tipo C: Destinados a la calibración de los equipos que calculan parámetros. También se pueden emplear para calibrar la amplificación horizontal. Se distinguen cuatro variantes: C1 (perfil periódico sinusoidal), C2 (periódico triangular isósceles), C3 (periódico sinusoidal simulado) y C4 (periódico en arco).

Patrón de rugosidad tipo C3

Tipo D: Destinados a la comprobación global del instrumento calibrado. Se distinguen dos variantes dentro de este tipo:

D1: Perfil irregular unidireccional en la dirección del movimiento del palpador con sección transversal aproximadamente constante en toda su longitud

D2: Perfil irregular circular.

Patrones tipos D1 (izquierda) y D2 (derecha)

Tipo E: Destinados a la calibración del sistema de coordenadas del instrumento. Se distinguen dos tipos, E1 (hemisferio) y E2 (prisma con una sección trapezoidal).

Otros patrones:

Aparte de los anteriores, existen otros patrones específicos orientados al campo de la nanotecnología, con objeto de dotar de trazabilidad a la instrumentación que en él se utiliza. Aunque hay una gran variedad de patrones, estos pueden resumirse en los siguientes tipos básicos: los diseñados para evaluar el comportamiento lateral de los instrumentos, tanto en 1D como en 2D, los que permiten una verificación en 3D y los clásicos de escalón, para ajuste de la amplificación, pero con dimensiones y formas adaptadas a los diversos tipos de microscopios, ya sean interferométricos, confocales o la gran familia de los SPM (Scanning Probe Microscopes), en sus diversos tipos y modos de trabajo.

Equipamiento

Para la caracterización de patrones de amplificación, el laboratorio cuenta con un perfilómetro de contacto KLA-Tencor P-6, con resolución subnanométrica, dotado de cámara CCD y zoom. Con campo de medida superior a 320 µm y la posibilidad de realizar barridos de hasta 60 mm, permite seleccionar la fuerza de palpado. Con él pueden caracterizarse pistas de semiconductores, discos magnéticos, etc. y obtener parámetros de micro-rugosidad, forma y curvatura de lentes y filtros, etc.

El laboratorio posee también un microscopio interferométrico Veeco NT9800, dotado de un sistema interferométrico láser que registra los movimientos verticales y asegura la linealidad en la coordenada Z del equipo, evitando la exigencia de calibración mediante patrones de amplificación, dada la superior estabilidad de los sistemas interferométricos láser frente a los piezoeléctricos.

Puede trabajar con desplazamiento de fase (PSI), en un campo de medida de hasta 125 nm y resolución de 0,1 nm, o con luz blanca (VSI) en un campo de medida de hasta 10 mm, con resolución nanométrica.

Trabajando con el microscopio interferométrico Veeco NT9800

Este avanzado interferómetro está enfocado a la investigación en MEMS, NEMS, metales, materiales, semiconductores, y otros dispositivos y estructuras tanto del campo micro como del nano.

También se cuenta con un microscopio holográfico digital en modo luz reflejada, con dos fuentes láser que permiten seleccionar una longitud de onda sencilla con resolución subnanométrica, o una longitud de onda sintética. Posee un campo de medida micrométrico y resolución vertical nanométrica, complementando la dotación anterior y permitiendo el estudio de superficies con bajas reflectividades por métodos no tan clásicos, a partir del análisis de fase sobre la muestra.

Para dotar de trazabilidad a las mediciones realizadas en el campo de las nanotecnologías, el laboratorio cuenta con un microscopio metrológico de campo cercano (MSPM) que combina un nanoposicionador SIOS, con resolución de 0,1 nm y campo de medida de (25 x 25 x 5) mm3, con un microscopio SPM DFM versátil, capaz de trabajar en diferentes modos, y un sensor láser focus. Dotado de interferómetros láser integrados en los 3 ejes y carente de error de Abbe, la trazabilidad a la unidad de longitud SI se obtiene a través de la longitud de onda de los láseres utilizados, calibrados mediante batido de frecuencia respecto a la realización práctica del metro.

Este MSPM posee una estructura metrológica térmicamente estable y está instalado dentro de una cámara de aislamiento acústico. Las muestras y patrones a calibrar se sitúan sobre una base plana, espejada en sus laterales y en su parte inferior, que refleja los haces láser de los interferómetros. Su posición angular es controlada mediante sensores angulares mientras que su movimiento 3D es controlado en todo momento por el sistema interferométrico actuando en lazo cerrado.

Vista del AFM metrológico y detalle del portamuestras

Este nuevo equipo se utiliza para la calibración con baja incertidumbre de patrones y muestras utilizados en otros Institutos de Metrología, Centros de I+D, Universidades e industrias involucradas en el campo de las nanotecnologías, dotándolos de trazabilidad directa al patrón nacional de longitud, el metro, realizado de manera práctica en el propio CEM.

Para la determinación de la planitud de vidrios planos y plano-paralelos, así como de bases y muestras planas de gran acabado, el laboratorio cuenta con 2 interferómetros de tipo Fizeau (Zygo VERIFIRE 6 y Wyko RTI 6100), con fuente de radiación láser y apertura de 150 mm, y la posibilidad de trabajar mediante análisis estático de franjas de interferencia o mediante la técnica de desplazamiento de fase.

Vista del interferómetro Zygo

Representación 3D de un defecto de planitud

Servicios

El laboratorio ofrece los siguientes servicios de calibración, todos reconocidos por el CIPM:

Patrones de amplificación (por microscopía interferencial)

U ≥ Q[1,5; 6H/µm] nm, H: de 5 nm a 2 µm

Patrones de amplificación (por contacto con palpador)

U ≥ Q[2; 20H/µm] nm, H: de 10 nm a 15 µm

Patrones de rugosidad (por contacto con palpador)

U ≥ Q[9; 30Ra/µm] nm, Ra de 10 nm a 15 µm

U ≥ Q[14; 40Rz/µm] nm Rz de 10 nm a 15 µm

H = valor nominal del escalón, ranura o salto; Ra, Rz = parámetros a determinar

 

NOTA:

 

- Planitud por interferometría de Fizeau:

- Vidrios plano-paralelos (CIPM):

U

U ≥ 50 nm en paralelismo

  • - Planitud de vidrios y bases planas

U ≥ 20 nm (CIPM)

U ≥ 10 nm por método de los 3 planos

Área
Longitud e ingeniería de precisión
Contacto

Personas de contacto

Laura Carcedo: lcarcedo@cem.es

Milagros Ozaíta: mmozaita@cem.es

Última actualización: 07/04/2021