Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

Рис. 4. Общий вид спектрального компаратора СПЭЯ, СПСИ, СПЭО, СППИ

Рис. 5. Общий вид компаратора СИ

Метрологические и технические характеристики эталона

Первичный эталон обеспечивает в диапазоне длин волн 0,001–1,600 мкм воспроизведение следующих единиц:

–спектральнойплотностиэнергетическойяркостив диапазоне108–1014 Вт/(ср·м3) сотносительнымсредним

квадратическим отклонением результата измерений Sо не превышающим (0,3÷1,0).10-2 при 15 независимых измерениях, при неисключенной систематической

погрешности Θо, не превышающей (0,7÷1,4).10-2, при стандартной неопределенности по типу А – (0,3÷1,0)·10-2 при стандартной неопределенности по типу В –

(0,35÷0,7)·10-2;

–спектральной плотности потока излучения в диа- пазоне101–106 Вт/мсотносительнымсреднимквадрати-

ческимотклонениемрезультатаизмеренийSо, непревы- шающим(0,1÷1,0).10-2, при15 независимыхизмерениях,

принеисключеннойсистематическойпогрешностиΘо, не превышающей(0,2÷1,4).10-2, пристандартнойнеопреде-

ленности по типу А – (0,1÷1,0)·10-2 и при стандартной неопределенности по типу В – (0,1÷0,7)·10-2;

–спектральной плотности энергетической освещен- ностивдиапазоне104–1010 Вт/м3 сотносительнымсреднимквадратическимотклонениемрезультатаизмерений

Sо, не превышающим (0,3÷1,0).10-2 при 15 независимых измерениях, при неисключенной систематической по-

грешностиΘо, непревышающей(0,7÷1,4)·10-2, пристандартнойнеопределенностипотипуА– (0,3÷1,0)·10-2, при стандартнойнеопределенностипотипуВ– (0,35÷0,7)·10-2;

–спектральнойплотностисилыизлучениявдиапазоне 103–109 Вт/(ср·м) с относительным средним квадратиче-

скимотклонениемрезультатаизмеренийSо, непревышающим (0,01÷0,05).10-2 при 15 независимых измерениях,

при неисключенной систематической погрешности Θо, не превышающей (0,03÷0,06) .10-2, при стандартной неопределенности по типу А – (0,01÷0,05)·10-2 и при стандартнойнеопределенностипотипуВ– (0,015÷0,03)·10-2;

–потока излучения в диапазоне 1·10-6–2·10-2 Вт с относительным средним квадратическим отклонением

результата измерений Sо, не превышающим 0,2.10-2 при 15 независимыхизмерениях, принеисключеннойсисте-

матической погрешности Θо, не превышающей 0,2.10-2, при стандартной неопределенности по типу А – 0,2·10-2

ипристандартнойнеопределенностипотипуВ– 0,1·10-2 в диапазоне длин волн 0,400–1,600 мкм;

–потока излучения в диапазоне 1·10-6–2·10-2 Вт с относительным средним квадратическим отклонением

результата измерений Sо, не превышающим 0,8.10-2 при 15 независимыхизмерениях, принеисключеннойсисте-

матической погрешности Θо, не превышающей 0,7.10-2, пристандартнойнеопределенностипотипуА– 0,8·10-2 и пристандартнойнеопределенностипотипуВ– 0,35·10-2 в диапазоне длин волн 0,001–0,400 мкм;

–силы излучения в диапазоне 1·10-3–1·102 Вт/ср с относительным средним квадратическим отклонением

результата измерений Sо, не превышающим 0,2.10-2 при 15 независимыхизмерениях, принеисключеннойсисте-

матической погрешности Θо, не превышающей 0,2.10-2, при стандартной неопределенности по типу А – 0,2·10-2

ипристандартнойнеопределенностипотипуВ– 0,1·10-2 в диапазоне длин волн 0,400–1,600 мкм;

–силы излучения в диапазоне 1·10-3–1·102 Вт/ср с относительным средним квадратическим отклонением

результата измерений Sо, не превышающим 0,8.10-2 при 15 независимыхизмерениях, принеисключеннойсисте-

матической погрешности Θо, не превышающей 0,7.10-2, пристандартнойнеопределенностипотипуА– 0,8·10-2 и пристандартнойнеопределенностипотипуВ– 0,35·10-2 в диапазоне длин волн 0,001–0,400 мкм.

Первичный эталон применяют для передачи единиц спектральной плотности энергетической яркости, спектральной плотности потока излучения, спектральной плотностиэнергетическойосвещенности, спектральной плотности силы излучения, потока и силы излучения в диапазоне длин волн 0,001–1,600 мкм вторичным эталонам непрерывного излучения сличением при помощи

компаратора со средним квадратическим отклонением результатов сличений SεΣο, составляющим (0,2÷0,4).10-2.

Для единиц спектральной плотности энергетической яркости, спектральной плотности энергетической

освещенности суммарная стандартная неопределенность – (0,6 ÷ 1,42) 10-2, расширеннаянеопределенность (К=2) – (1,2 ÷ 2,84) 10-2. Для единицы спектральной плотности потока излучения суммарная стандартная неопределенность – (0,17 ÷ 1,42) 10-2, расширенная неопределенность (К=2) – (0,34 ÷ 2,84) 10-2. Для единицы спектральной плотности силы излучения, суммарная стандартная неопределенность – (0,023 ÷ 0,064) 10-2, расширенная неопределенность (К=2) – (0,046 ÷ 0,128) 10-2. Для единиц потока излучения и силы излучения суммарная стандартная неопределенность – (0,25 ÷ 0,94) 10-2, расширенная неопределенность (К=2) – (0,5 ÷ 1,88) 10-2.

ПриразработкеГосударственнойповерочнойсхемы ГОСТ 8.197-2013 учтены современные международные требования к точности вторичных и рабочих эталонов, рабочих средств измерений в области экстремального ультрафиолета, а также многообразие современного парка средств измерений характеристик непрерывного иимпульсногоультрафиолетовогоизлучения, включающих плазменные и твердотельные излучатели, спектрорадиометры, МКР. Стандарт на Государственную поверочную схему основан на новых разработанных в последние годы в нашей стране и за рубежом методах и средствах поверки.

Основные направления развития

Основные направления развития и модернизации Государственного первичного эталона связаны с расширением его функциональных возможностей в части повышенияточностииувеличениячиславоспроизводимыхвеличиндляобеспеченияединстваизмеренийпространственногораспределенияэнергетическойяркости иэнергетическойосвещенностидляобеспеченияединстваизмеренийхарактеристикисточниковоптического излучения, включая твердотельные излучатели. Для дальнейшего повышения точности воспроизведения и передачиединиц, расширенияспектральногодиапазона в коротковолновую область планируется разработка новых спектральных компараторов скользящего падения, а также компараторов с кристаллическим монохроматором.

Международное сотрудничество. Сличения

С целью обеспечения единства и достоверности результатовизмерений иподтверждения достоверности методов и средств воспроизведения и передачи единиц спектрорадиометрии в УФ-области спектра ВНИИОФИ проводит работы по сличению СПСИ и СПЭО в диа-

пазоне длин волн 120–400 нм, а также на длинах волн

1,0 и 13,5 нм.

В рамках сличений СПЭО дейтериевых ламп в диапазонедлинволн200–400 нмпроведеныизмерения характеристик дейтериевых, ксеноновых и криптоновых УФ-излучателей. В рамках двусторонних сличений ртутных и дейтериевых излучателей по СППИ в диапазоне длин волн 185–280 нм с использованием УФ радиометров – яркомеров на основе ПЗС-матриц проведены исследования метрологических характеристик УФ-излучателей.

Литература

1.Anevsky S.I., Metzdorf J., Nettleton D., Onuki H, Parr A., Wende B. Progress in Source-and Detector – Based Radiometry in the Air-Ultraviolet Spectral Range and Recommendations for the Priority of Future Work. Report of the Working Group on Air-Ultraviolet Spectral Radiometry to the Commite Consultatif de Photometrie et Radiometrie (CCPR), Paris, Part III, 2001.

2.Arp U., Friedman R., Furst M.L., Makar S., Shaw P.-S.

SURF III – an improved storage ring for radiometry, Metrologia 37 357-360 (2000).

3.Anevsky S., Ivanov V., Kuznetsov V., Minaeva O. and all.

Primary UV-radiation detector standards. // Metrologia. – 2003. – V. 40. – P. S25-S29.

4. Scholze F. , Beckhoff B., Brandt G., Fliegauf R., Klein R., Meyer B., Rost D., Schmitz D., Veldkamp M., Weser J., Ulm G., Louis E., Yakshin A., Goerts P., Oestreich S., Bijkerk F. The new PTB-beamlines for high-accuracy EUV reflectometry at BESSY

II.Proc. SPIE 4146, 2000, 72–82.

5.Scholze F., Beckhoff B., Brandt G., Fliegauf R., Gottwald A., Klein R., Meyer B., Schwarz U., Thornagel R., Tummler J., Vogel K., Weser J., Ulm G. High-accuracy EUV metrology of PTB using synchrotron radiation. Proc. SPIE 4344, 2001, 402–413.

6.Ulm G., Beckhoff B., Klein R., Krumrey M., Rabus H., Thornagel R. The PTB radiometry laboratory at the BESSY II electron storage ring. Proc. SPIE 3444, 1998, 610–621.

7.Scholze F., Tummler J., Ulm G. High-accuracy radiometry in the EUV range at PTB. Metrologia 40, 2003, S224–S228.

8.Richter M., Johannsen U., Kuschnerus P., Kroth U., Rabus H., Ulm G., Werner L. The PTB high-accuracy spectral responsivity scale in the ultraviolet // Metrologia 37, 2000, 515–518.

9.Shaw P.S., Larason T.C., Gupta R., Lykke K.R. Characterization of UV detectors at SURF III. Rev. Sci. Instrum. 73, 2002, 1625–1628.

10.Klein R., Gottwald A., Scholze F. et al. Lifetime testing of EUV optics using intense synchrotron radiation at the PTB radiometry laboratory. Proc. SPIE 4506, 2001, 105–112.

11.Klein R., Scholze F., Ulm G. et al. Irradiation of EUV multilayer optics with synchrotron radiation of different time structure. Proc. SPIE 4782, 2002, 292–299.

Описание вида измерений

Для обеспечения единства измерений в области спектрорадиометрии приемников излучения в области экстремального ультрафиолета (ЭУФ), вакуумного ультрафиолета (ВУФ), ультрафиолета (УФ) используется Государственный первичный эталон единиц потока излучения, энергетической освещенности, спектральной плотности энергетической освещенности и энергетической экспозиции в диапазоне длин волн 0,4-400 нм ГЭТ 162-2012. Использование эталона производится в соответствии с современными требованиями науки, производства и в соответствии с международным уровнем современной радиометрии для метрологического обеспечения работ при создании средств измерений на основерадиометров, дозиметровиспектрорадиометров для таких областей, как здравоохранение, охрана труда, космические исследования и др., где широко используются средства измерений, на которые распространяется государственный метрологический контроль и надзор в соответствии с законом РФ «Об обеспечении единства измерений». Важнойзадачейявляетсятакжеразработка методов и средств воспроизведения и передачи единиц потока излучения, энергетической освещенности, спектральной плотности энергетической освещенности и энергетической экспозиции импульсного ультрафиолетового излучения. В настоящее время созданная в Россииэталоннаябазаспектрорадиометрииоптического излучения обеспечивает единство измерений.

Введение и краткие исторические сведения

В основе решения научных и практических задач радиометрии экстремального, вакуумного и ближнего ультрафиолета в таких областях, как экология, медицина, космические исследования, фотолитографии в электронной промышленности и т. д., лежат измерения потока излучения, энергетической освещенности, спектральной плотности энергетической освещенности и энергетической экспозиции в диапазоне длин волн 0,0004-0,4 мкм. Развитие микроэлектроники характеризуется быстрым уменьшением размеров элементов микросхем менее 100 нм, т. е. переходом к наноэлектронике с использованием вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения. Последние достижения фотолитографии обеспечивают размер элементов менее 30 нм за счет использования для экспозиции фоторезистов экстремального вакуумного ультрафиолета (ЭУФ) с длиной волны вблизи 13,5 нм. Переход производства сверхбольших интегральных схем в технически труднодоступную область экстремального вакуумного ультрафиолета сопровождается усложнением технологических процессов и требует создания системы оперативного контроля абсолютной спектральной чувствительности фоторезистов на ос-

новеэталонных приемников вобласти экстремального вакуумногоультрафиолета. ВРТВиNIST работыпоизмерениюхарактеристик ЭУФприемниковдозиметров, спектральных и интегральных радиометров являются одним из главных направлений оптической радиометрии и проводятся с использованием электронных накопительных колец BESSY-II, MLS и SURF-III. Ос-

новныепроблемыспектрорадиометрииЭУФдиапазона связаныснеобходимостьюсозданиявысокостабильных эталонных приемников. Другой важной областью, определяющейнеобходимостьразвитияспектрорадиометрии ЭУФ, является диагностика температуры и концентрации плазмы. Возросшая роль диагностики плазмы в энергетических программах также приводит к активизации спектрорадиометрии ЭУФ в диапазоне длин волн 0,4-40 нм, как основного инструмента для контролясостава, концентрацииитемпературыплазмы. Наиболее распространенными первичными эталонами детектора в области вакуумного ультрафиолета, используемыми в ведущих национальных метрологических центрах, являются ионизационная камера и пропорциональный счетчик. Двойная ионизационная камера является первичным эталонным детектором для фотонов с энергией в 12–100 эВ, где возможна толькооднократная ионизация атомов инертных газов. Пропорциональныйсчетчикиспользуетсяпривысоких энергиях фотонов, когда происходит многократная ионизация, квантовая эффективность или абсолютная спектральная чувствительность которого рассчитывается с учетом энергии однократной ионизации, заряда электрона и коэффициента газового усиления. Пропорциональные счетчики работают в постоянном режимеимогутиспользоватьсявсочетаниисмонохроматическимсинхротроннымизлучением, спектральный поток фотонов при этом можно регулировать в динамическом диапазоне до 12 порядков путем изменения токаэлектронногопучка. Пропорциональныйсчетчикс известнойквантовойэффективностьюиспользуетсядля определения абсолютной спектральной чувствительности полупроводникового фотодиода с применением синхротронного излучения электронного накопительного кольца и излучателей в области экстремального вакуумногоультрафиолета. Основнымпреимуществом пропорциональногосчетчикаявляетсято, чтоонможет использоваться для регистрации и измерения потоков фотонов высоких энергий в спектральном диапазоне 0,4-1,0 нм, имеет высокую спектральную чувствительность, временную разрешающую способность до 1 мксинетребуетиспользованиясистемыохлаждения. Аналогичные методы и средства воспроизведения и передачиединицпотокаизлучения, энергетическойосвещенности, спектральной плотности энергетической освещенности и энергетической экспозиции в области экстремального ультрафиолета разработаны с исполь- зованиемэлектронныхнакопительныхколецBESSY-II, MLS РТВ (Германия) и SURF-III NIST (США).

Назначение и область применения. Основные направления развития

Государственный первичный эталон ГЭТ 162-2012 предназначендлявоспроизведенияипередачиуказанных единицпотокаизлучения, энергетическойосвещенности, спектральнойплотностиэнергетическойосвещенностии энергетическойэкспозициивдиапазонедлинволн0,4-400 нм рабочим средствам измерений с помощью рабочих эталонов в соответствии с Государственной поверочной схемойГОСТ8.552-2013. ПриразработкеГосударственной поверочной схемы учтены современные международные требования к точности рабочих эталонов и рабочих средств измерений в области экстремального ультрафиолета, а также многообразие современного парка средств измерений характеристик непрерывного и импульсного ультрафиолетовогоизлучения. Государственнаяповерочнаясхема, возглавляемаяГЭТ162, оптимизированасточки зрения загрузки эталонов на верхних ступенях и обеспечивает достаточную гибкость в осуществлении поверочной деятельности и перспективы развития радиометрии вакуумного, ближнего и экстремального ультрафиолета.

Основные направления развития и модернизации Государственного первичного эталона в соответствии с современнымитребованияминауки, производствасвязаны срасширениемегофункциональныхвозможностейвчасти увеличения спектрального и динамического диапазонов, числа воспроизводимых величин и повышения точности длярешенияактуальнойпроблемыобеспеченияединства измерений абсолютной спектральной чувствительности приемников в диапазоне длин волн 0,4-400 нм для:

–технологии фотолитографии в электронной промышленности;

–термоядерной энергетики и диагностики высокотемпературной плазмы, основанной на спектрорадиометрии вакуумного ультрафиолета;

–космических исследований на основе создания современныхсредствдиагностикисолнечнойактивности,

атакже средств обнаружения и локации плазменных факелов ракетных двигателей;

–исследований кровеносных сосудов, маммографических исследований, ранней диагностики и лечения онкологических заболеваний.

Расширениефункциональныхвозможностейвчасти увеличенияспектральногоидинамическогодиапазонов

ичисла воспроизводимых величин связано в первую очередь с необходимостью обеспечения единства измеренийпотокаизлучения, энергетическойосвещенности, спектральнойплотностиэнергетическойосвещенностии энергетическойэкспозицииЭУФ-излучения, используемыхвобластиздравоохранения, экологииикосмических исследованиях. Актуальнойзадачейтакжеявляетсяразработканациональныхстандартов, включающихгармонизациюметодическихразработоксучетомрезультатов, полученных в PTB, NIST и NPL.

Состав эталона

Первичныйэталонсостоитизкомплексаследующих технических средств и вспомогательных устройств:

–пропорциональный счетчик, комплект ионизационных камер, криогенный неселективный радиометр, оптико-акустический приемникикомплектприемников излучения на основе фотодиодов и ПЗС-матрицы;

–комплект измерительной, вспомогательной ивакуумной аппаратуры;

–комплект спектральных компараторов на основе монохроматоров нормального и скользящего падения и спектрорадиометр УФ-излучения;

–комплект дейтериевых, водородных, ртутных, ксеноновыхгазоразрядныхлампиплазменныхизлучателей.

Метрологические характеристики эталона

Первичный эталон обеспечивает в диапазоне длин волн0,0004-0,4 мкмвоспроизведениеследующихединиц:

–потока излучения в диапазоне 10-11–102 Вт с относительным средним квадратическим отклонением

результатаизмеренийSо, непревышающим(0,2÷0,8)·10-2 при 10 независимых измерениях, при неисключенной

систематической погрешности Θо, не превышающей (0,42÷1,4)·10-2 при стандартной неопределенности по типу А – (0,2÷0,8)·10-2 и при стандартной неопределен-

ности по типу В – (0,3÷1,0)·10-2;

–энергетической освещенности в диапазоне 10-7 – 103 Вт/м2 с относительным средним квадратическим

отклонением результата измерений Sо, не превышающим (0,2÷0,8)·10-2 при 10 независимых измерениях, при

неисключенной систематической погрешности Θо, не превышающей (0,42÷1,4)·10-2 при стандартной неопределенностипотипуА– (0,2÷0,8)·10-2 ипристандартной неопределенности по типу В – (0,3÷1,0)·10-2;

–спектральнойплотностиэнергетическойосвещенности в диапазоне 103–1011 Вт/м3 с относительным средним

квадратическимотклонениемрезультатаизмеренийSо, не превышающим(0,2÷0,8)·10-2 при10 независимыхизмерениях, принеисключеннойсистематическойпогрешности

Θо, не превышающей (0,42÷1,4)·10-2 при стандартной неопределенностипотипуА– (0,2÷0,8)·10-2 ипристандартной неопределенности по типу В – (0,3÷1,0)·10-2;

–энергетической экспозиции в диапазоне 10-8 – 10-5 Дж/м2 с относительным средним квадратическим от-

клонением результата измерений Sо, не превышающим (0,2÷0,8).10-2 при 10 независимых измерениях, при

неисключенной систематической погрешности Θо, не превышающей (0,42÷1,4).10-2 при стандартной неопределенностипотипуА– (0,2÷0,8)·10-2 ипристандартной неопределенности по типу В – (0,3÷1,0)·10-2.

Пространственноеразрешение– 10 мкм, временное разрешение – 1 мкс.

Среднее квадратическое отклонение результатов

сличенийSεΣο рабочихэталоновпотокаизлучения, энергетическойосвещенности, спектральнойплотностиэнергетической освещенности и энергетической экспозиции непрерывного УФ-излучения с первичным эталоном не превышает (0,2-1,0)10-2.

Среднее квадратическое отклонение результатов

сличений SεΣο рабочих эталонов потока излучения, энергетическойосвещенности, спектральнойплотности энергетической освещенности и энергетической экспо-

Рис. 1. Общий вид измерительной установки в диапазоне длин волн 0,03–0,126 мкм

Рис. 2. Общий вид измерительной установки в диапазоне длин волн 0,126–0,2 мкм

Рис. 3. Общий вид измерительной установки для области ближнего ультрафиолета

Рис. 4. Общий вид и схема измерительной установки ГПЭ в диапазоне длин волн 0,001–0,03 мкм

зицииимпульсногоУФ-излученияспервичнымэталоном не превышает 2,0·10-2.

Для единиц потока излучения, энергетической освещенности, спектральной плотности энергетической освещенности и энергетической экспозиции:

–суммарная стандартная неопределенность –

(0,36 ÷1,28)·10-2;

–расширенная неопределенность (К=2) – (0,72÷2,56)·10-2.

Принцип действия

Принцип построения Государственного первичного эталонаоснованнаиспользованиипервичныхэталонных приемниках ЭУФ- и ВУФ-излучения – ионизационной камере и пропорциональном счетчике. Двойная ионизационная камера является первичным эталонным детек- торомдляфотоновсэнергиейв12–100 эВ, гдевозможна только однократная ионизация атомов инертных газов. Пропорциональный счетчик используется при высоких энергиях фотонов, когда происходит многократная ионизация, квантовая эффективность или абсолютная

спектральная чувствительность которого рассчитывается с учетом энергии однократной ионизации, заряда электрона и коэффициента газового усиления.

ВсоставГосударственногопервичногоэталонавходит пять измерительных установок. В диапазоне длин волн0,03–0,126 мкмиспользуютсяоткрытыйпроточный источник УФ-излучения, капиллярный плазменный источник с испаряющейся стенкой, излучатель типа «плазменный фокус», двойной вакуумный монохроматор, построенныйпосхемеДжонсона-Онака, пленочные фильтры, двойная ионизационная камера с инертными одноатомнымигазами, ВЭУ, КЭУ, безоконныйкремниевыйфотодиод, фотосцинтилляционныйфотопреобразователь. ОбщийвидизмерительнойустановкиГПЭвдиапазонедлинволн0,03– 0,126 мкмпредставленанарис. 1.

Общий вид измерительной установки ГПЭ в диапазоне длин волн 0,126-0,2 мкм представлен на рис. 2.

Общий вид измерительной установки для области ближнего ультрафиолета представлен на рис. 3.

Общий вид измерительной установки в диапазоне длин волн 0,001– 0,03 мкм представлен на рис. 4.

Общий вид измерительной установки в диапазоне длин волн 0,0004– 0,001 мкм представлен на рис. 5.

Международное сотрудничество. Сличения

Государственный первичный эталон ГЭТ 162-2012 участвует в международных ключевых сличениях абсолютной спектральной чувствительности приемников УФизлученияК2с, проводимыхМеждународнымбюро меривесов(МБМВ). ВМеждународныхсличенияхпринимают участие 14 ведущих национальных метрологических центров, таких как PTB, NIST, NPL.

Список национальных метрологических институтов (NMI) и контактные персоны приведены в таблице 1.

Заявленныелабораториями– участникамисличений значения относительных стандартных неопределенностей результатов измерений абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов Шотки PtSi-n-Si в диапазоне длин волн 200–400 нм приведены на рис. 6.

Абсолютные отклонения результатов измерений абсолютнойспектральнойчувствительностифотодиодовШотки PtSi-n-Si в диапазоне длин волн 200–400 нм каждой лаборатории, участникасличений, отсреднегозначения(рис.7).

Абсолютные отклонения результатов измерений абсолютной спектральной чувствительности фотодио-

дов Шотки PtSi-n-Si в диапазоне длин волн 200–400 нм каждой лаборатории, участника сличений, от среднего значения при исключении результатов измерений лабо- раторий-участников с погрешностью измерений более 2,5%, приведены на рис. 8.

Заявленные относительные стандартные неопределенностирезультатовизмеренийабсолютнойспектральной чувствительности фотодиодов Шотки PtSi-n-Si в диапазонедлинволн200–400 нмлабораториями– участникамисличенийприисключениирезультатовизмерений лабораторий-участников с погрешностью измерений более 2,0% .приведены на рис. 9.

Во ВНИИОФИ проводится подготовка к Международным сличениям абсолютной спектральной чувстви- тельностифотодиодоввдиапазонедлинволн0,4–1,0 нм и на длине волны 13,5 нм. Проводится разработка комплекта нормативных документов, включающего методики поверки средств измерений иметодики измерений характеристик ЭУФ излучения с учетом результатов исследованийиопытаработпоиспользованияисточников синхротронного излучения в ведущих национальных метрологических институтах.

Таблица 1

Рис. 6. Заявленные лабораториями – участниками сличений значения относительных стандартных неопределенностей результатов измерений абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов Шотки PtSi-n-Si в диапазоне длин волн 200–400 нм

Рис. 8. Абсолютные отклонения результатов измерений абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов Шотки PtSi-n-Si в диапазоне длин волн 200–400 нм каждой лаборатории, участника сличений, от среднего значения при исключении результатов измерений лабораторий-участников с погрешностью измерений более 2,5%

Литература

1.Мишетт А. Оптика мягкого рентгеновского излуче-

ния. М.: Мир 1989.

2.Maleville С. et al. Laser scattering characterization of SOI wafers^ real threshold assessment and sizing accuracy // Proc. of the Silicon-on-insulator conference (SOI), (Piscataway, NJ^ IEEE, 2002), 194–198.

3.Progress in Source and Detector – Based Radiometry in the Ultraviolet Spectral Range and Recommendations for the Priority of Future Work. Report of the Working Group on Ultraviolet Spectral Radiometry to the Commite Consultatif de Photometrie et Radiometrie (CCPR). – Paris, Part III. – 2001.

4.Scholze F., Beckhoff B., Brandt G.et al. The new PTBbeamlines for high-accuracy EUV reflectometry at BESSY II

//Soft X-Ray and EUV Imaging Systems, W.M. Kaiser and R.H. Stulen, eds., Proc. SPIE 4146, 72–82 (2000).

5.Scholze F., Beckhoff B., Brandt G. et al. High-accuracy EUV metrology of PTB using synchrotron radiation // Metrology,

Рис. 7. Абсолютные отклонения результатов измерений абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов Шотки PtSi-n-Si в диапазоне длин волн 200–400 нм каждой лаборатории, участника сличений, от среднего значения

Рис. 9. Заявленные относительные стандартные неопределенности результатов измерений абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов Шотки PtSi-n-Si в диапазоне длин волн 200–400 нм лабораториями – участниками сличений при исключении результатов измерений лабораторий-участников

с погрешностью измерений более 2,0%

Inspection, and Process Control for Microlithography, N.T. Sullivan, ed., Proc. SPIE 4344, 402–413 (2001).

6.Ulm G., Beckhoff B., Klein R. et al. The PTB radiometry laboratory at the BESSY II electron storage ring // X-Ray Optics, Instruments and Methods, R.B. Hoover and A.B. Walker, eds., Proc. SPIE 3444, 610–621 (1998).

7.Scholze F., Tummler J., Ulm G. High-accuracy radiometry in the EUV range at the PTB soft x-ray radiometry beam-line // Metrologia 40, S224–S228 (2003).

8.Scholze F., Brandt G., Müller P. et al. High-accuracy detector calibration for EUV metrology at PTB // Emerging Lithographic Technologies VI, R. L. Engelstad, ed., Proc. SPIE 4688, 680 – 689 (2002).

9.Richter M., Johannsen U., Kuschnerus P. et al. “The PTB high-accuracy spectral responsivity scale in the ultraviolet,” Metrologia 37, 515–518 (2000).

10.Shaw P.S., Larason T.C., Gupta R., Lykke K.R. Characterization of UV detectors at SURF III // Rev. Sci. Instrum. 73, 1625–1628 (2002).

Принцип действия

Возглавляет поверочную схему ГОСТ Р 8.780-2012 [1] Государственный первичный специальный эталон единиц энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения ГЭТ 187-2010, который воспроизводит, хранит ипередаетединицырабочимэталонам. Каждойединице соответствует свой комплекс.

Комплекс для воспроизведения и передачи единицы энергии импульсного лазерного излучения

Комплекс для воспроизведения и передачи единицы энергииимпульсноголазерногоизлучениявсоставеГЭТ 187–2010 функционируетвпоследовательномварианте, структурная схема комплекса приведена на рис. 1.

Процесс воспроизведения и передачи единицы заключается в последовательной подаче электрической, оптической и вновь электрической энергии в обмотку замещениясначаланарабочийприемникЭПИП, азатем в той же последовательности на поверяемый рабочий эталон. При этом в процессе воспроизведения по измеренным выходным сигналам определяется энергия импульсного лазерного излучения Qопт при помощи ЭПИП из соотношения

гдеКЭ – коэффициентэквивалентностизамещенияоптическойэнергииэлектрической; КД– коэффициентделения оптическоготракта; QЭ – электрическаяэнергия, выделяемая в обмотке замещения; VОПТ, VЭЛ – выходные сигналы ЭПИП при подаче в его обмотку замещения оптической и электрической энергии соответственно; VH – начальное значение выходного сигнала ЭПИП; γ – коэффициент, характеризующий дрейф ЭПИП и системы измерения; sЭ – чувствительность ЭПИП при подаче в его обмотку замещения электрической энергии; tОПТ, tЭЛ – моменты времени подачи оптической и электрической энергии.

Значениявеличин, входящихв(1), находятврезультатеобработкибольшогомассиваинформативныхданных.

Комплекс СИ для воспроизведения и передачи единицы распределения плотности энергии (РПЭ) импульсного лазерного излучения

Структурная схема комплекса приведена на рис. 2. Применениеимпульсныхлазеровзависитотданных оРПЭH(x,y) впоперечномсечениипучкакаквближней,

так и в дальней зонах. РПЭ лазерного пучка характеризуется пространственным распределением плотности излучаемой энергии, получаемой экспериментально с использованием двумерной матрицы с высоким пространственнымразрешением, атакжеявляетсяосновной интегральнойхарактеристикойполяизлученияимпульсныхлазеров. ПоРПЭвычисляютвсечастныевеличины, например угол расходимости, ширину пучка, параметр M2 и др.

Из результатов исследований импульсных лазеров [2] следует, что задача формирования эталонных импульсовизлученияснормированнымРПЭ, обладающих достаточной воспроизводимостью и энергетическим уровнем, на современном этапе развития лазерной техники является исключительно сложной по целому ряду технологических причин. В связи с этим очевидно, что ниодинизсуществующихтиповимпульсныхлазеровне можетсдостаточнойстепеньюточностивоспроизводить, хранить и передавать единицы РПЭ. Поэтому комплекс для воспроизведения единицы РПЭ импульсного лазерного излучения в составе ГЭТ 187–2010 базируется на ЭПИП калориметрического типа с калиброванной диафрагмой на входе. При передаче единицы РПЭ используется двумерная матрица приемников с высоким пространственным разрешением, малыми значениями взаимовлияния элементов (пикселов), высокойстабильностью чувствительности и линейностью.

В качестве источников излучения (компараторов) в системе передачи единицы РПЭ используют стабилизированныеимпульсныетвердотельныелазеры, имеющие достаточный энергетический уровень и произвольный характерРПЭ. Работакомплексаврежимепередачиосу-

Рис. 1. Структурная схема комплекса средств измерений для воспроизведения и передачи единицы энергии импульсного лазерного излучения:

1 – сменные лазеры на длинах волн 1,064; 0,532; 1,570 мкм; 2 – линза; 3, 7 – ослабители; 4 – диафрагма; 5 – контрольный преобразователь (датчик относительного

уровня энергии); 6 – светоделительная пластина; 8 – расширитель пучка (телескоп); 9 – эталонный первичный измерительный преобразователь (ЭПИП) с АЦП и устройством электрической калибровки; 10 – поверяемый рабочий эталон единицы энергии;

11, 12 – исполнительные устройства МИ-1; БО – блок охлаждения; БП – блок питания; БУ – блок управления; ПЭВМ – компьютер; П – принтер

ществляетсявдваэтапа: калибровкаприемникарабочего эталона по плотности энергии; комплектная калибровка матриц рабочих эталонов или СИ РПЭ на реальном распределении излучения лазера ГЭТ 187-2010 в дальней зоне излучения.

Процесс воспроизведения и передачи единицы РПЭ заключается в формировании однородного двумерного РПЭ импульсного лазерного излучения в поперечном сечении пучка и пространственной калибровке с определением плотности энергии этого распределения по координатам x, y в сечении пучка при помощи ЭПИП, имеющего на входе калиброванную диафрагму и сканирующее устройство. В процессе воспроизведения по измеренным выходным сигналам ЭПИП определяется РПЭ лазерного излучения из соотношения

где Н(x, y, z0) – плотность энергии в сечении пучка с координатой z0; – коэффициент, характеризующий неоднородность воспроизводимого распределения; SД – площадькалиброваннойдиафрагмы; КЭЛ – коэффициент преобразования ЭПИП по электрической энергии.

Реализациятакойсистемывозможнаприиспользованииисточниковлазерногоизучения, ЭПИПкалориметри-

Рис. 2. Структурная схема комплекса средств измерений для воспроизведения и передачи единицы распределения плотности энергии импульсного лазерного излучения:

1, 2 – сменные лазеры на длинах волн 0,532; 1,064 мкм, соответственно; 3 – датчик относительного уровня энергии; 4 – светоделитель; 5, 7 – длиннофокусная и отрицательная линзы, соответственно; 6 – ослабитель; 8 – оптический формирователь равномерного РПЭ; 9 – калиброванная диафрагма; 10 – ЭПИП с АЦП

ADuC824BS и устройством электрической калибровки; 11 – поверяемый рабочий эталон единицы РПЭ импульсного лазерного излучения; 12 – двумерная матрица; 13 – устройство перемещения длиннофокусной линзы; БУ – блок управления; ПЭВМ – компьютер; П – принтер

ческого типа с калиброванной диафрагмой на входе, оптическогоформирователяравномерногоРПЭ[3], гаран- тирующихработувдинамическомдиапазоне1·10-4–1·10-2 Дж/см2 [1], разработанныхалгоритмоввоспроизведения размера единицы и обработки результатов наблюдений, позволивших реализовать учет неоднородности РПЭ в поперечномсечениилазерногопучканауровне0,5 %, что достигается использованием специальной оптической системы и оптического формирователя, выполненного в виде диффузно пропускающего линзового элемента и диффузноотражающегоцилиндра, ввыходнойплоскости которого формируется однородное РПЭ.

Комплекс для воспроизведения и передачи размера единицы длительности импульса лазерного излучения

Структурнаясхемакомплексапредставленанарис. 3. Принцип действия комплекса при воспроизведении размера единицы длительности импульса основан на подаче электрического сигнала с частотой 200 МГц от образцовогогенераторавременныхинтерваловTextronix AFG 3251, сигналоткоторогочерезделительподаетсяна двавходаосциллографа. Такимобразом, электрический импульс от генератора длительностью 5 нс подается на временную шкалу осциллографа, что позволяет прока-

либровать ее с разрешением 50 пс.

Принцип действия комплекса при передаче размера единицы длительности импульса основан на использованииоптическогоформирователя, спомощью которого формируются два импульса, сдвинутые друг относительно друга. Этот сдвиг определяется дополнительнымпутемпробегаодноголучалазерногоизлучения относительно другого и может регулироваться.

Воспроизведение единицы длительности импульса производится с помощью образцового генератора временных интерваловTextronix AFG 3251, сигнал от которогочерезделительподаетсянадвавходаосциллографа. Таким образом, электрический импульс от генератора причастоте, равной200000 МГц, подлительностиравен 5 нс в соответствие с формулой:

где f – частота следования импульсов, подаваемых от генератора.

Эта частота подается на временную шкалу осциллографа, что позволяет прокалибровать ее с разрешением 50 пс. Такая операция проводится каждый раз перед началом процедуры воспроизведения и передачи размера единицы длительности импульса лазерного излучения.

Комплекс СИ для воспроизведения и передачи размера единицы длины волны лазерного излучения

Структурнаясхемакомплексапредставленанарис. 4. Принципдействияэталонаоснованнаиспользовании в качестве эталонного источника лазерного излучения

высоко стабилизированного по частоте и выходной мощности лазерного излучения. В качестве такового используетсягелийнеоновыйлазермодели117Афирмы Spectra-Physics, который откалиброван на «Государственном эталоне единицы длины – метра» ГЭТ 2-85

(ВНИИМ) с длиной волны λ = 632,990096 ± 2.10-6 нм в соответствии со свидетельством о поверке №Н2511-7- 1045/10, приэтомСКОσ= 6.10-7 нм, аНСП = 8.10-7 нм.

Воспроизведение размера единицы производится с помощью гелий неонового лазера модели 117А фирмы Spectra-Physics, который стабилизирован по частоте (нестабильность 6·10-7%) и по длине волны (нестабиль-

ность 6,3·10-7%).

Формула воспроизведения длины волны лазерного излучения получается из отношения скорости света с к средней частоте fm оптического излучения:

Средняя частота fm оптического излучения может бытьизмеренанепосредственно(например, припередаче размера единицы от Государственного эталона длины).

При воспроизведении размера единицы излучение от гелий неонового лазера модели 117А фирмы SpectraPhysics через волоконный разветвитель, аттенюатор и блок коммутации подается на вход мультиканального спектрометра Avantes Multichannel Spectrometer (канал

528÷645 нм), спомощьюкоторогопроводятсяизмерения длины волны лазера с погрешностью не хуже 0,01 нм.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

Метрологические характеристики ГЭТ 187-2010 представлены в таблице 1.

Общий вид ГЭТ 187-2010 представлен на рис. 5.

Назначение и область применения

ГЭТ 187-2010 обеспечивает как воспроизведение и передачу единиц энергии, распределения плотности