基于压浮原理的单晶硅球密度比较测量方法研究

为了克服单晶硅球密度测量静力称重法精度受液体表面张力的影响，研究了压浮法进行单晶硅球密度精密比较测量方法和测量系统。在一定的温度下，调节压力，利用液体压缩系数控制液体密度使标准单晶硅球和被测单晶硅球稳定悬浮于工作液体中，通过温度、压力和悬浮高度的测量，计算出二者之间的密度差值。通过双层控温系统保证了液体温度长期波动在±0．25mK内，利用标准单晶硅球在不同温度一压力悬浮条件线性关系计算出液体压缩系数。试验证明，压浮法测量装置实现了单晶硅球密度差值的精密测量，标准测量相对不确定度为2×10-7。

单晶硅球折算质量的精密测量研究

随着质量计量单位的量子化变革,研究将单晶硅球作为质量计量标准的替代实物量具的可能性,对单晶硅球折算质量进行精密测量。采用传递比较法,将2kg和500g砝码进行组合,对单晶硅球进行量传。单晶硅球的折算质量为2.5143847kg,测量精度达到0.1mg,测量结果的扩展不确定度U=3.4mg(k=2),相对扩展不确定度为1.4×10^(-6),单晶硅球的空气浮力修正值为926.3mg,其测量结果不确定度接近F等级砝码,该单晶硅球密度约为2.30g/cm^(3)。由于单晶硅球与目前铂铱合金的国际实物基准以及不锈钢材质的国内砝码标准之间存在较大的密度差,在质量量值传递过程中会引起较大的空气浮力误差,这对统一我国不同海拔地区的质量量值十分不利,因此不宜将单晶硅球作为质量量值的替代实物量具。考虑到单晶硅球特殊的晶体结构和稳定的物理化学特性,将其作为体积标准进行研究是一个可靠的方向。

基于静力悬浮原理的单晶硅球间微量密度差异精密测量方法研究

单晶硅球间微量密度差异测量是阿伏伽德罗常数量子基准定义的重要研究内容,也是半导体产业中高纯度单晶硅制备工艺质量控制的主要方法.为了改善现有非接触相移干涉法测量装置复杂和静力称重法测量不确定度低的特点,根据单晶硅密度精密测量需要,实现了一种基于静力悬浮原理的单晶硅球密度相对参比测量方法.通过改变静压力和温度进行三溴丙烷和二溴乙烷混合液体密度的微量调节,分别使两个待测单晶硅球在液体中悬浮,根据悬浮状态时的液体温度和悬浮高度计算出待测单晶硅球密度差值.通过双循环水浴和PID温度控制系统实现±100μK的恒温液体测量环境.通过图像识别和迭代拟合算法实现单晶硅球悬浮高度的测量.使用PID静压力控制系统实现单晶硅球的稳定悬浮控制,同时减少Joule-Thomson效应引起的液体温度改变.利用静力悬浮模型中的温度变化和静压力变化线性关系准确测量出标准液体的压缩系数.试验结果表明,这种测量方法可以避免液体液面张力的影响,测量相对标准不确定度达到2.1×10(-7),能够实现单晶硅球密度差值的精密测量.

阿伏加德罗常数测量中单晶硅密度的绝对测量

基于改进型五幅算法,利用压力扫描原理设计出腔长可变式法-珀标准具和柔性铰链微位移平台,实现了标准具腔长和硅球表面与标准具之间的相移测量,建立了一套技术原理新颖、提高潜力较大的相移法精密测长系统。该测量系统对硅球直径的测量准确度优于3 nm,单晶硅密度的测量不确定度达到1×10-7。

近单晶硅密度液体压缩系数精密测量方法

近单晶硅密度液体(DSL-2329)广泛应用于单晶硅材料的高精密加工工艺中,其液体压缩系数准确测量对于单晶硅加工质量控制具有重要意义。为提高已有测量方法的精度,研究了一种基于单晶硅球静液悬浮原理的DSL-2329液体压缩系数测量方法。将单晶硅球放置于充满DSL-2329液体的密闭容器内,通过改变DSL-2329液体的温度和静压力可以进行液体密度的微量调节,从而实现单晶硅球在液体中的静液悬浮。对于一个单晶硅球而言,可以在不同液体温度和静压力条件下实现静液悬浮,其中温度和静压力满足线性模型,测量出这个线性常数就可以计算出液体压缩系数。设计了单晶硅球静液悬浮测量系统,实现水浴温控系统在3 h之内可以保持在±1.0×10-4℃的范围内,通过PID控制系统调节静压力实现单晶硅球的静态悬浮。实验数据表明,由三溴丙烷和二溴乙烷组成的DSL-2329液体压缩系数为5.15×10-10Pa-1,验证了单晶硅球静液悬浮测量方法的有效性。

用于阿伏加德罗项目的硅球表面氧化层测量装置研究

基于单晶硅原子计数原理实现阿伏加德罗常数精密测量以及质量千克单位的复现,需要测量单晶硅球体的质量和体积,球表面几个纳米厚的非均匀氧化层分布的精密测量,是确定上述参量修正值的关键。用劳厄晶向法和激光标记确定了硅球表面坐标系统,比较了不同的硅球驱动方式,建立了基于光谱椭偏仪的自动化扫描测量装置,考察了扫描系统的重复性、稳定性;给出了NIM#3号硅球扫描结果,表明表面氧化层椭偏扫描的短期重复性水平达到0.04 nm。

固体密度基准研究

固体密度基准的准确度主要取决于对单晶硅球直径的准确测量.为了准确测量硅球直径,针对传统五幅相移算法之不足,提出了“改进型五幅算法”,在保持该算法高准确度特点的同时,通过将技术上难以实现的步长“准确控制”(理论上要求绝对准确)转换成步长测量问题,解决了该算法在精密测长中的技术难题;在算法突破的基础上,利用“压力扫描”原理设计出“腔长可变式”法-珀标准具,建立了一套与国外同行相比技术原理新颖、提高潜力较大的相移法精密测长系统.该测量系统对硅球直径的测量准确度优于3nm;单晶硅密度的测量不确定度达到1×10-7.

阿伏加德罗常数测量与千克重新定义

阿伏加德罗常数(NA)是一个联系微观尺度和宏观尺度的基本物理常数,它的精确测量可用于重新定义国际基本单位千克和摩尔,因而有助于推动国际单位制的发展.现代NA测量方法为X射线晶体密度法,它以单晶硅为材料,通过测量其摩尔质量、宏观密度和晶格常量得到NA,该方法涉及到的关键技术包括单晶硅材料的生长、大尺寸单晶硅球加工、硅原子量测量技术、X射线干涉术、精密光学干涉技术、超薄膜厚度及成份测量技术等.本文综述了现代NA测量的研究进展、研究难点和未来的研究方向,并以千克重新定义为例,分析了NA测量研究在基础计量学领域的重要作用.