微纳结构长度计量检测技术进展

一、引言

微纳结构是指特征尺寸在微米（ μm ）至纳米（ Π_nm ）量级的结构，因其独特的物理、化学和生物学特性，在半导体制造、生物医学、材料科学、光学器件等众多领域展现出巨大的应用潜力。例如，在半导体芯片制造中，芯片上的晶体管等关键结构已进入纳米尺度，其尺寸精度直接影响芯片的性能和集成度；在生物医学领域，用于药物输送的纳米颗粒、生物传感器中的微纳结构等，其尺寸和形态的精确控制对医疗效果至关重要。然而，微纳结构的微小尺寸和复杂特性给长度计量检测带来了极大的挑战。传统的测量技术难以满足微纳尺度下对精度、分辨率等的严苛要求。因此，发展高精度、高分辨率的微纳结构长度计量检测技术成为推动微纳技术发展的关键环节。

二、微纳结构长度计量检测关键技术

2.1 光学干涉测量技术

光学干涉测量技术基于光的干涉原理，通过分析干涉条纹的变化来获取被测物体的长度、形貌等信息。其基本原理是利用分束器将一束光分为两束或多束，这些光束经过不同路径后再次相遇发生干涉，干涉条纹的形状、间距等与光程差相关，而光程差又与被测物体的尺寸、位置等因素有关[1]。

在微纳结构测量中，常用的有白光干涉测量和激光干涉测量。白光干涉测量具有相干长度短的特点，能够有效避免多光束干涉带来的条纹模糊问题，适用于测量具有复杂表面形貌的微纳结构，可实现高精度的表面轮廓测量，垂直分辨率可达亚纳米级别。激光干涉测量则凭借激光的高相干性和单色性，具有极高的测量精度和稳定性，常用于高精度的长度测量，在精密工程和科学研究中广泛应用，如在光刻机等半导体制造设备中用于精密定位和尺寸测量。

2.2 扫描探针显微镜技术

扫描探针显微镜（SPM）技术通过探针与样品表面的相互作用来获取样品表面的信息。其中，原子力显微镜（AFM）是应用最为广泛的一种。AFM 的工作原理是利用一个对力极其敏感的微悬臂，其一端固定，另一端有一个微小的针尖，针尖与样品表面原子间存在微弱的相互作用力，当针尖在样品表面扫描时，由于样品表面的起伏，微悬臂会发生微小的形变，通过检测微悬臂的形变来获取样品表面的形貌信息，从而实现对微纳结构长度、高度等参数的测量。

AFM 具有高分辨率，能够达到原子级别的分辨率，可对各种软、硬材料的微纳表面结构进行测量，并且可以在多种环境下工作，如大气、液体等。在生物医学领域，AFM 可用于测量生物大分子、细胞表面的微纳结构；在材料科学中，用于研究材料表面的纳米级缺陷、粗糙度等。

2.3 电子显微镜测量技术

电子显微镜利用电子束代替光束进行成像和测量，由于电子的波长比可见光短得多，因此具有更高的分辨率，可达 0.1 纳米级别。常见的电子显微镜有透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。

TEM 通过让电子束穿透样品，根据电子在样品中的散射和吸收情况来成像，主要用于观察样品的内部微观结构，可对纳米材料的晶体结构、纳米线的直径等进行精确测量[2]。SEM 则是通过扫描电子束在样品表面逐点扫描，收集样品表面产生的二次电子等信号来成像，能够清晰地显示样品表面的形貌，适用于测量微纳结构的表面特征尺寸，如半导体器件中微纳结构的线宽、间距等。在半导体制造过程中，SEM 常用于对芯片制造过程中的关键尺寸进行检测和监控，确保芯片制造工艺的准确性和一致性。

2.4 其他技术

除了上述主要技术外，还有一些技术也在微纳结构长度计量检测中发挥着重要作用。例如，X 射线衍射技术通过分析X 射线与晶体结构的相互作用，确定晶体的晶格参数和晶体结构，可用于纳米材料的晶体结构表征，对研究材料的微观结构和性能具有重要意义。光学轮廓扫描测量技术通过测量光在物体表面的反射或透射特性，获取物体的三维形状信息，具有非接触、快速、高精度的特点，适用于复杂形状和表面粗糙度的微纳结构测量。

三、微纳结构长度计量检测技术的应用

3.1 半导体制造领域

在半导体制造中，微纳结构长度计量检测技术起着至关重要的作用。随着芯片制造工艺不断向更小尺寸发展，对晶体管、导线等微纳结构的尺寸精度要求极高[3]。例如，在 7nm 及以下制程的芯片制造中，关键尺寸的测量精度需达到亚纳米级别。通过高精度的计量检测技术，能够实时监测芯片制造过程中的关键尺寸变化，及时调整制造工艺参数，保证芯片的性能和良品率。同时，在芯片设计验证阶段，准确的微纳结构测量数据有助于评估设计的合理性，为芯片设计的优化提供依据。

3.2 生物医学领域

在生物医学领域，微纳结构长度计量检测技术可用于分析细胞、纳米颗粒、生物分子等微观结构。例如，通过测量癌细胞表面的纳米级结构变化，有助于癌症的早期诊断；在药物递送系统中，精确测量纳米药物载体的尺寸和形状，能够优化药物递送效果，提高药物的疗效和安全性。此外，在生物传感器的研发中，对微纳结构的精确测量可确保传感器的灵敏度和选择性，实现对生物标志物的高灵敏检测。

3.3 材料科学领域

在材料科学研究中，微纳结构长度计量检测技术用于研究材料的微观结构，如纳米复合材料、新型合金等。通过测量材料中微纳结构的尺寸、分布等参数，能够预测材料的性能，检测材料内部的缺陷，分析材料表面的形貌。例如，利用原子力显微镜等技术对石墨烯等纳米材料的表面结构进行测量，有助于深入了解其物理化学性质，为新型纳米材料的开发和应用提供支持。在材料加工过程中，实时的微纳结构测量能够监控加工质量，保证材料加工的精度和一致性。

四、微纳结构长度计量检测技术面临的挑战与发展趋势

4.1 面临的挑战

微纳结构长度计量检测技术虽有显著进步，但挑战依然突出。一是微纳结构尺寸极小，对测量设备的精度和分辨率要求严苛，现有技术在精度提升上遭遇瓶颈；二是微纳结构制备复杂，样品表面质量与稳定性对测量结果影响大，高质量、稳定样品的制备难度大；三是测量数据处理分析复杂，需更先进算法与软件保障数据准确性；四是温度、湿度、振动等环境因素干扰大，环境控制难度高。

4.2 发展趋势

未来该技术将向高精度、高分辨率、多功能、智能化方向迈进。精度上，结合量子等新技术有望实现原子级测量；功能上，集成多种技术实现多参数同步检测，如扫描探针显微镜与光谱技术联用可同时获取形貌与化学信息；智能化方面，借助人工智能与大数据实现测量自动化及数据智能分析，提升效率与准确性；跨学科融合也将成为重要动力，推动技术突破。

五、结论

微纳结构长度计量检测技术作为微纳技术发展的重要支撑，在众多领域发挥着不可或缺的作用。光学干涉测量、扫描探针显微镜、电子显微镜测量等多种技术各有优势，在不同应用场景中得到广泛应用。然而，该领域仍面临着精度提升、样品制备、数据处理和环境控制等诸多挑战。未来，随着技术的不断创新和跨学科融合的深入，微纳结构长度计量检测技术将朝着更高精度、高分辨率、多功能和智能化方向持续发展，为微纳技术在半导体、生物医学、材料科学等领域的进一步发展提供更坚实的保障，推动相关产业不断迈向新的高度。

参考文献：

[1]王妍玮,范钰晨,王天翔,等.不同微纳结构表面流体滑移的CFD模拟[J].表面技术,2025,54(06):230-239.

[2]卫正统,侯德亭,苗劲松,等.微纳光纤直径精细控制技术[J].强激光与粒子束,2018,30(07):137-141.

[3]郝文哲,杨森,刘兴光,等.微纳结构的非线性手性光学效应研究进展[J/OL].激光与光电子学进展,1-30[2025-07-20].