近日，德国联邦物理技术研究院（PTB）的测量专家Gaoliang Dai，开发出了世界上最高精度的光波纳米尺，而纳米尺其中的一个典型应用就是 PTB 的计量原子力显微镜，它使用几乎跟原子体积一样细的尖端扫描表面。它对表面的原子力做出反应。尖端的移动是通过光的干涉来测量的，也就是回溯到光的波长，而光的波长又通过 PTB 的原子钟以最高的精度来确定。（这些原子钟不仅仅是时钟，也是波长或频率的标准。）
PTB的计量学原子力显微镜在世界上是独一无二的：它的测量范围是传统设备的1000倍，测量速度是传统设备的10倍以上。其测量精度无与伦比：高度测量的测量不确定度为0.3nm，平均结构距离的测量不确定度高达15pm。这大约相当于晶圆上两个硅原子之间距离的一半或三分之一。该显微镜描绘了纳米世界的一切：每一个曲率，每一个粗糙度。这就是纳米世界美丽、多彩图像的创建方式。
当然，这种美丽本身并不是目的。“如果你不能测量它，你就无法管理它——据说经济学家彼得·德鲁克（Peter Drucker）是这么说的。在半导体行业尤其如此，“Gaoliang Dai高粱解释道。这位物理学家是PTB 3D纳米计量工作组的负责人，他解释说：晶体管离芯片越近，制造过程就越复杂。高科技芯片上的结构大小约为20纳米。这相当于大约40个原子的大小。超过50%的芯片制造步骤可能涉及复杂纳米结构的测量或表征。测量参数包括关键尺寸（CD）——尺寸和形状、薄膜厚度、表面和界面特性、物理特性、缺陷以及相关参数。它们有助于说明结构-功能关系。“为了保证产品质量，会不断进行大量的测量，” Gaoliang Dai说。
为此，在生产中使用了一系列不同的测量仪器，这些仪器基于不同的物理原理并相辅相成：光学、离子、电子、X射线和表面力方法。他们的结果流入一个计量数据库，然后通过数据融合或人工智能推导出监控和优化制造过程的措施。“然而，有一个基本问题，”Gaoliang Dai说：“这些测量结果也具有可比性吗？换句话说，所有设备测量的事物都完全相同吗？Gaoliang Dai通过使用计量学原子力显微镜和其他一些全球最精密的测量仪器来解答这个问题，制造这些仪器需要大量的物理知识，它们为工业生产提供支持。
纳米世界中的计量学远比我们日常生活中的要复杂得多。“精确的测量需要对物理学的深刻理解，而这远远超出了显而易见的范畴，” Gaoliang Dai解释说。例如，计量可以通过测量针尖的尺寸以及针尖与测量对象之间的复杂相互作用进而对计量学发展产生显著影响或改变。
“为了实现尽可能高的精度，除了逐步改进之外，还需要创新的方法，” Gaoliang Dai引用了当前的例子：“PTB开发的一种开创性方法，该方法使用晶体硅的原子距离（一种自然常数）作为一种新型纳米尺。“这个被称为'自下而上'的方法，现在已得到全球计量学界的公认和应用。国际计量局（BIPM）的长度咨询委员会（CCL）推荐它作为纳米测量的米二级实现方法。”Gaoliang Dai自豪地说。
新方法与已建立的纳米尺相结合，被作为最高精度的各种纳米校准标准。标准（英文：standard）是具有非常精确的已知尺寸的可比较对象。例如，我们有台阶高度、宽度、厚度或粗糙度的标准。从事工业生产的企业可以通过它们来检查和校准其测量器具。
在一个项目中，PTB对AMTC公司的EUV光刻掩模进行了可追溯和非破坏性的校准。为了双重验证测量结果，其中一个掩模还被用透射电子显微镜进行了额外检查。然而，不幸的是，这种额外检查会彻底破坏EUV光刻掩模。但为了验证最终的测量结果的准确性，这种损耗是必要的：“因为两种物理上完全不同的计量方法都提供了相同的结果，”Gaoliang Dai说，“只有这样才能准确可靠地测量结构，制造公司才能将他们的掩模作为黄金标准在工业生产中使用。黄金标准是工业生产中最高级别的标准。
PTB的专业计量技术也被纳入许多工业合作项目中。其中一项于2024年初推出，采用了一种全新的计量方法。在这个项目中，PTB正在与来自欧洲各地的研究和工业界的众多合作机构一起开发一种“绿色”光刻胶。它的原料生长在海里：来自甲壳类动物的甲壳素。如果对其进行特殊处理，它会像现在使用的化学物质一样对光敏感。该项目将再持续研究两年时间。“在那之后，我们也许能够将我们食用后的废弃物用于半导体光刻，” Gaoliang Dai说。初步研究结果显示这个目标非常有希望实现。这个名为RESIN GREEN的项目的成功对他来说是近在咫尺的事情：“我们当然有责任，”这位科学家解释说。“能够在这个行业使用环境友好型的替代原材料是一件非常重要的事情。”
