中国电子信息工程科技发展研究——测量计量与仪器专题

第1章 全球发展态势 精密测量与仪器从来没有像今天这样重要过，著名科学家开尔文有一个著名论断：“如果你无法测量它，你就无法改进它”。从发达国家高端装备制造发展历程可以清楚地看到，只有先进的制造装备是不行的，特别是发展到精密制造阶段，无法精密测量就无法精密制造，精密测量和精密制造已经深度耦合。从生产力发展的历史看，测量是认识世界的手段，制造是改造世界的手段，二者必然高度统一，深度融合。无论是精密制造、科学探索，还是人民健康，都离不开精密测量与仪器技术，就像一个正常人离不开眼睛一样；从另一个方面看，现代精密测量与仪器技术都大量应用了先进的光学和电子信息技术，就像一个正常的眼睛离不开视觉感知神经一样。 从空间域来看，现代精密测量与仪器技术向更小尺度的微观深入。高密度光子聚集的点扫描成像模式目前已经成为现代三维显微仪器的代表性基础架构之一。大深宽比纳米结构测量技术对于三维半导体芯片制造技术提升和工艺控制至关重要，其率先突破将直接影响半导体芯片制造技术的发展，2021年中国科协组织开展了“重大科学问题和工程技术难题征集发布活动”，其中“如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题”被遴选为10个工程技术难题之一。近年来工业CT作为一种无损三维内部结构检测技术，在某些领域如新能源、先进电子及增材制造等，已经逐渐成为高端制造的**技术之一。纳米位移测量技术及传感器件是纳米科技发展的先导和基础，是超精密高端装备的核心技术和关键功能部件。基于原子力显微镜的纳米加工是微纳制造领域的核心技术之一，近期成了半导体先进节点的掩模修复工具，应用于半导体产业中。随着材料科学、生命科学和高端制造业的不断发展，近些年来扫描电镜技术得到了快速的发展。 在宏观几何量测量方面。视觉信息蕴含生物智能潜力，基于图像传感的视觉检测方法具有信息量大、非接触等突出优势，是匹配智能感知、智能测量和智能制造的*佳手段。调频激光雷达扫描测量成为解决当前高端制造业中非接触、大尺寸高精度、高点密度测量难题的有效手段。大型高端精密回转装备装配测量仪器是实现高端装备精准装配的专用利器。 从时间-频率域来看，高性能原子钟技术的发展主要体现在光频原子钟和星载原子钟技术的发展。时间频率计量前沿研究为秒定义变更做准备。星载原子钟的发展由传统微波腔体制进入离子囚禁和激光冷却的时代，频段逐渐由微波频段向光频段发展。毫米波太赫兹计量与仪器向太赫兹高频段方向快速发展。 此外，在特种需求和工业应用计量方面，高真空参数计量与仪器成为航空航天、核工业、半导体、高端装备制造等领域发展的重要保障。光纤传感技术已经成为全球研发和商业化工作的重点，正快速应用于航空航天、医疗健康、海洋工程、船舶、高铁、石油电力等关系国民经济和社会发展的重大领域，并向着高精度、高效率和数字化的方向快速发展。 在抗击新冠疫情一线，准确检测是应对新冠疫情的关键一环。因此提高新冠抗体检测结果的准确性和可比性，提升病例诊断和群体免疫监测水平，是全球抗疫取得新进展的重要技术保障。 1.1 三维共焦显微测量技术与仪器 共焦显微技术的诞生开创了现代立体显微工业，是近百年来光学显微仪器领域*重要成就之一。这种高密度光子聚集的点扫描成像模式已经成为现代显微仪器的代表性基础架构之一。在微制造领域，随着新一代微器件与微系统全面进入立体封装时代，超精密级三维微结构功能化表征成为全球信息产业竞争的质量基础和科学前沿，极端复杂微结构样品测量成为三维显微测量领域的研究热点和国际性挑战。哈尔滨工业大学在克服样品结构敏感性、材料敏感性以及三维定值等方面取得重要突破，使我国建立了三维光学显微测量定值体系，研究成果获得2020～2021年度国家技术发明奖二等奖。 (1)时代背景 共焦显微技术的诞生与集成电路技术崛起密不可分。1947年，美国贝尔实验室制造出**个晶体管，克服了电子管体积大、功耗高、结构脆弱等问题，很快就出现了基于半导体的集成电路构想；1958～1959年，Jack Kilby和Robert Noyce分别发明了锗集成电路和硅集成电路。1957年，美国哈佛大学MINSKY申请专利，首次提出以点照明和点探测为特征的显微技术，标志着共焦显微技术的诞生。共焦显微技术早用于集成电路微结构测量，但由于这种点照明和点探测的测量效率极低，因此并未受到广泛关注。直至20世纪70年代后期，人们在机理上对三维层析能力有了更深刻的认识，同时伴随光学扫描技术的出现，共焦显微技术才得以实现商业化开发，进而开启了光学仪器的现代立体显微工业。 (2)早期发展 共焦显微技术的初衷是通过缩小光源和探测器尺寸，抑制闪烁光和杂散光，其本质是以牺牲视场为代价，改善观测效果。这种视场范围小的不足，被光学扫描技术发展所弥补。1982年，牛津光电仪器公司研制了共焦显微镜，1983年转让给美国德州仪器公司，共焦显微技术由此实现商业化开发。共焦显微技术诞生与发展的重大意义，不仅仅在于解决了轴向信息混叠难题，首次实现光学显微观测由二维观测到三维测量的跨越，更为重要的是这种高密度光子聚集的点成像模式，引入了多光子非线性效应，在生物成像领域成功推动了双/多光子显微技术的出现。这种高密度光子聚集的点扫描成像模式目前已经成为现代三维显微仪器的代表性基础架构之一。2014年，基于点扫描照明的受激辐射淬灭超分辨光学显微成像技术获得诺贝尔化学奖[3]。 (3)发展态势 光学显微仪器有一个重要特点，即样品多样性决定仪器原理的多样性。以高性能红外探测器制造为具体范例，历经三代发展，像元规模增加1000倍，像元尺寸减小10倍，敏感元结构由单层发展为多层，*新一代探测器三维结构精度决定探测性能。可见，微器件与微系统制造精度的持续提升以及样品功能结构复杂化是未来共焦显微技术与仪器进步要持续面对的挑战。在三维显微测量中，样品高度信息的引入使得很多经典测量理论与仪器方法不再适用；与此同时，随着超精密微制造技术不断突破加工极限，未来三维共焦显微测量技术与仪器发展，将面临样品几何结构极端复杂化、功能结构立体集成材料敏感性以及高深宽结构三维定值校准与溯源等众多技术挑战，具体可概括为图1.1所示的2类4种瓶颈效应。 图1.1 复杂微结构三维几何形状测量的瓶颈效应示意 注：图(a)～(c)所示的反射逃逸效应、散射振荡效应和边缘蝠翼效应可归结为样品结构敏感性，图(d)所示的透波干涉效应可归结为样品材料敏感性 1.2 高性能原子钟技术 高性能原子钟技术的发展主要体现在光频原子钟和星载原子钟技术的发展。值得关注的发展态势有以下几项。 时间频率计量前沿研究为秒定义变更做准备。为了保证秒定义变更过程中量值的连续性，进行光钟与现有秒定义基准钟之间的比率测量，得到光钟准确频率的研究成为热点。英国国家物理实验室(NPL)为锶原子光晶格钟建立了短期稳定度为5E-16的超稳钟跃迁探测激光，并通过精密测量环境温度的方法评定了黑体辐射频移的不确定度，把锶原子光晶格钟系统频移不确定度评估到了1E-17的水平。为了得到锶光钟与现有秒定义之间的频率比值，NPL采用了经由国际原子时(TAI)溯源到秒定义的方法，溯源不确定度达到了1E-15。日本国家信息与通信技术研究院(NICT)的锶原子光钟进行了新一轮的不确定度评定，系统频移不确定度达到了5.9E-17；通过充分利用其原有的参与国际原子时合作的卫星链路等硬件设施和测量数据，实现了锶光钟的绝对频率溯源到现行秒定义，测量时间超过一年，溯源不确定度达到了1.8E-16，是目前国际上绝对频率测量中的*佳测量结果。意大利国家计量院(INRIM)的镱原子光钟也取得了很好的光钟绝对频率测量结果，通过参与TAI的频率传递链路进行的绝对频率测量得到镱原子光晶格钟的绝对频率不确定度为2.6E-16，镱原子光晶格钟本身的不确定度达到了2.8E-17。这些机构在进行光钟频率与现有秒定义基准比对的过程中，均采用了通过卫星链路连