JJF 1544-2024 拉曼光谱仪校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范

JJF 1544—2024

拉曼光谱仪校准规范

2024-10-19发布 2025-04-19实施

国家 市场 监督 管理 总局 发布

拉曼光谱仪校准规范Calibration Specification for

以以以以以以以以以以以以以丶

代替 JJF 1544—2015

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归口 单位 : 全国医学计量技术委员会

主要起草单位 : 中国计量科学研究院

北京市计量检测科学研究院

厦门大学参加起草单位 : 武汉大学

江西省计量测试研究院

本规范委托全国医学计量技术委员会负责解释

本规范主要起草人 :

定翔 (中国计量科学研究院)

吴红 (北京市计量检测科学研究院)刘川 (厦门大学)

参加起草人 :

张吉焱 (中国计量科学研究院)

沈爱国 (武汉大学)

衷梦芹 (江西省计量测试研究院)

周凤 (中国计量科学研究院)

引言

JJF 1071《国家计 量校 准规 范编 写规 则》、JJF 1001《通用 计量 术语 及定 义》、 JJF 1059.1《测量不确定度评定与表 示》 共同 构成 支撑 本规 范修 订工 作的 基础 性系 列文件。

本规范 参考 了 GB/T 40219—2021《拉曼 光谱 仪通 用规 范》 ASTM-E1683-2002 (Reapproved 2007) 《扫描拉曼光谱仪性能测试标准操作规范》 (Standard practice for testing the performance of scanning Raman spectrometers)。

本规范与 JJF 1544—2015相比 , 除编辑性修改外 , 主要技术变化如下 :

— 增加了引言内容 ;

— 扩大了规范的适用范围 , 增加了便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪 ;

— 增加了针对便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪的计量特性要求 ;

— 删除 “相对强度示值误差” 校准项目 , 增加了 “强度重复性” 校准项目 ;

— 针对显微成像式拉曼光谱仪增加了 “横向分辨力”“纵向分辨力”“横向距离误差 ”“纵向距离误差” 等校准项目和校准方法 ;

— 根据对校准项目和校准方法的修改对名词术语及测量标准进行了修改 ;

— 修改了环境条件 , 放宽了温度和湿度要求 ;

— 删除第 9章 “复校时间间隔” 中的推荐复校时间间隔 ;

— 根据上述对校准项目和校准方法的修改 , 对附录中原始记录格式、证书内页格式和不确定度评定进行了修订 (见附录 A、 附录 B、 附录 C、 附录 D、 附录 E、 附录 F和附录 G)。

本规范历次版本发布情况为 :

—JJF 1544—2015。

1 范围

本规范适用于激光共聚焦显微成像拉曼光谱仪 (简称显微成像式拉曼光谱仪)、便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪的校准。其他类型拉曼光谱仪的校准可参照本规范执行。

2 引用文件

本规范引用了下列文件 :

GB/T 40219—2021 拉曼光谱仪通用规范

ASTM-E1683-2002 (Reapproved 2007) 扫描 拉曼 光谱 仪性 能测 试标 准操 作规 范(Standard practice fortesting the performance of scanning Raman spectrometers)

凡是注日期的引用文件 , 仅注日期的版本适用于本规范 ; 凡是不注日期的引用文件 , 其最新版本 (包括所有的修改单) 适用于本规范。

3 术语和定义

GB/T 40219—2021界定的以及下列术语和定义适用于本规范。

3.1 拉曼散射 Raman scattering

单色入射光与介质相互作用后产生不同于原入射光频率的散射光 , 并且相对频移对称分布于入射光频率两侧的现象。

[来源 : GB/T 40219—2021, 3.1]

3.2 拉曼频移 Raman shift

入射光绝对波数与散射光绝对波数的差值 , 简称 “频移”, 单位为 cm-1。 [来源 : GB/T 40219—2021, 3.2, 有修改]

3.3 绝对波数 absolute wave number

波长的倒数 , 即每厘米包含的波长数目 , 单位为 cm-1。

3.4 相对波数 relative wave number

激发光的绝对波数减去拉曼散射光的绝对波数 , 单位为 cm-1。

3.5 峰位 peak position

拉曼散射光谱波峰的中心位置 , 常以相对波数表示 , 单位为 cm-1。

3.6 拉曼谱峰散射强度 peak intensity ofRaman scattering

拉曼光谱仪测量得到的某个拉曼谱峰的信号强度 , 为该峰最高点到该点对应的背景基线的计数差值。

[来源 : GB/T 40219—2021, 3.5]

3.7 光谱分辨力 spectral resolution

拉曼光谱仪 分辨 两相 邻谱 峰的 能力 , 以所 测得 的原 子谱 线的 半高 宽表 示 , 单位为 cm-1。

[来源 : GB/T 40219—2021, 3.7, 有修改]

3.8 空间分辨力 spatial resolution

显微成像式拉曼光谱仪对微小物体的分辨能力 , 分为横向分辨力和纵向分辨力 , 单位为 μm。

4 概述

拉曼光谱仪是一种利用拉曼散射原理测量物质本征振动光谱特性的光谱仪 , 通常可分为显微成像式拉曼光谱仪、便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪。

拉曼光谱仪一般由激光光源、光学系统、滤光器、单色器 (或干涉仪) 和光电检测器等组成。激光光源发出的激光经整形后聚焦于样品表面 , 样品受激光激发后发出带有自身光谱信息的拉曼散射光 , 散射光由光学系统收集并经滤光器滤除瑞利散射光 , 再由单色器 (或干涉仪) 解析得到拉曼光谱信号。

显微成像式拉曼光谱仪通常配备显微镜和自动样品台 , 可对样品进行拉曼成像。便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪通常不具备成像功能 , 便携式拉曼光谱仪在测量过程中通常需配合便携式计算机使用 , 手持式拉曼光谱仪可独立使用。

5 计量特性

拉曼光谱仪计量特性要求见表 1。

表 1 拉曼光谱仪计量特性要求

注 : 以上指标不作为合格性判断标准 , 仅提供参考。

6 校准条件

6.1 环境条件

6.1.1 环境温度 : (10~ 30)℃ ;

6.1.2 相对湿度 : ≤80%。

6.2 测量标准及其他设备

6.2.1 低压原子谱线灯

低压原子谱线灯 (如氖灯、汞灯、氩灯) 的原 子发 射谱 线的 绝对 波数 值为 自然 基准 , 可查表得出。原子谱线灯用于校准拉曼光谱仪的光谱分辨力和频移。

6.2.2 标准单晶硅片

简称 “标准硅片”, 用于校准显微成像式拉曼光谱仪的频移和强度 , 其拉曼峰中心频移标准值的扩展不确定度应不大于 U=0.5 cm-1 (k= 2)。

标准聚苯乙烯用于校准便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪的频移和强度 , 其拉曼峰中心频移标准值的扩展不确定度应不大于 U= 2.0 cm-1 (k= 2)。

利用微加工技术在单晶硅片表面镀金属膜层制成 , 金属膜厚不大于 100 nm , 用于校准成像式拉曼光谱仪的横向分辨力和横向距离误差 , 其特征宽度的范围不小于 (1~

为,正(..%。W) (W 为横向距离) (k= 2)。

(a) (b)

图 1 横向检测模体结构示意图

6.2.5 纵向检测模体

利用微加工技术在单晶硅片表面刻蚀出沟槽特征制成 , 用于校准成像式拉曼光谱仪的纵向分辨力和纵向距离误差 , 其特征深度的范围不小于 (1~ 100) μm , 扩展不确定度应不大于 U= (0.4μm+0.4%D) (D 为纵向距离) (k= 2) , 如图 2所示。

图 2 纵向检测模体结构示意图

7 校准项目和校准方法

7.1 外观检查

拉曼光谱仪 (以下简称光谱仪) 应有仪器名称、型号、 出厂编号、生产单位及激光器的防护标识等。

7.2 光谱分辨力

以低压原子谱线灯作为测量标准 , 根据光谱仪的激光波长 , 在光谱仪的测量范围内 , 选择至少 3条谱线进行谱线的半高宽测量 , 重复测量 6次 , 取每条谱线半高宽测量结果平均值作为该谱线处的光谱分辨力。选取原子谱线时 , 应尽量使被测谱线兼顾光谱仪的低波数和高波数测量范围 , 同时记录光谱仪的激光波长和光栅规格。根据公式 (1)

计算光谱分辨力 :

R (1)

式中 :

R— 光谱分辨力 , cm-1 ;

vi — 第 i次谱线半高宽的测量结果 , cm-1。

7.3 频移重复性

校准显微成像式拉曼光谱仪时 , 以标准硅片为测量标准 ; 校准便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪时 , 以标准聚苯乙烯为测量标准。

选取测量标准经标定过的拉曼峰进行测量 , 重复测量 6次并记录其中心频移值 , 取其标准差作为 频移 重复 性 , 同时 记录 光谱 仪的 激光 波长。 根据 公式 (2) 计算 频移 重复性 :

s1— 频移重复性 , cm-1 ;

νi — 第 i次频移示值 , cm-1 ; ν— 频移示值的平均值 , cm-1。

7.4 频移示值误差

校准显微成像式拉曼光谱仪时 , 以标准硅片和低压原子谱线灯为测量标准 ; 校准便携式拉曼光谱仪和手持式拉曼光谱仪时 , 以标准聚苯乙烯为测量标准。

测量测量标准的拉曼峰或原子谱线 , 重复测量 6次并记录其中心频移值 , 取其平均值作为测量结果 , 同时记录光谱仪的激光波长。根据公式 (3) 计算频移示值误差 :

Δν— 示值误差 , cm-1 ;

ν— 频移示值的平均值 , cm-1 ;

ν0 — 标准硅片的标准值 , cm-1。

7.5 强度重复性

将测量标准和仪器固定不动 , 测量其拉曼峰 , 重复测量 6次并记录其拉曼峰的强度示值 , 取其标准差作为强度重复性 , 同时记录光谱仪的激光波长。 根据公式 (4) 计算强度重复性 :

s2— 强度重复性 , % ;

Ii — 第 i次强度示值 , 光子数或灰度 ;

I— 强度测量结果平均值 , 光子数或灰度。

7.6 横向分辨力

测量 x 方向的横向分辨力时 , 沿垂直于硅-金属边界方向扫描测量横向检测模体 ,如图 3所示。扫描步长不大于名义横向分辨力的 1/5, 测量硅 520 cm-1 附近的拉曼峰。以距离为横轴 , 峰高为纵轴绘制曲线 , 得到仪器在 x 方向上的阶跃响应函数曲线 , 如图 4所示。将该曲线 对距 离进 行微 分 , 得到 仪器 在 x 方向 上的 横向 线扩 展函 数曲 线 ,如图 5所示。取该曲线的半高宽作为横向分辨力 , 重复测量 3 次 , 取其平均值作为 x方向上的横向分辨力测量结果。 同时记录激光波长和物镜放大倍率及数值孔径 (NA)值。根据公式 (5) 计算横向分辨力 :

rL— 横向分辨力 , μm;

rLi— 第 i次横向分辨力的测量结果 , μm。

图 3 横向分辨力测量方法示意图

图 4 横向分辨力测量阶跃响应函数曲线示意图

图 5 横向分辨力测量线扩展函数曲线示意图

测量 y 方向的横向分辨力 , 将横向检测模体旋转 90°, 沿 y 方向扫描测量 , 重复上述步骤即可得到 y 方向的横向分辨力。

7.7 纵向分辨力

沿竖直方向扫描测量纵向检测模体 , 如图 6所示。扫描步长不大于名义纵向分辨力的 1/5, 测量硅 520 cm-1附近的拉曼峰。 以距离为横轴 , 峰高为纵轴绘制曲线 , 得到仪器的纵向线扩展函数曲线 , 如图 7 (a) 所示。 取该曲线的半高宽作为纵向分辨力 , 重复测量 3 次 , 取其平均值作为纵向分辨力测量结果。 同时记录激光波长和物镜放大倍率及 NA值。根据公式 (6) 计算纵向分辨力 :

rD — 纵向分辨力 , μm;

rDi— 第 i次纵向分辨力的测量结果 , μm。

纵向线扩展函数曲线通常情况下呈现近似左右对称的特点 , 如图 7 (a) 所示。但是采用近红外激光器作为光源时 , 激光的穿透性会导致线扩展函数曲线呈现非对称的特点 , 如图 7 (b) 所示。这种情况下 , 根据公式 (7) 计算纵向分辨力 :

rDi = 2 × DHWHM (7)

rDi — 第 i次纵向分辨力测量结果 , μm;

DHWHM — 纵向线扩展函数曲线的半高半宽 , μm。

图 6 纵向分辨力测量方法示意图

(a) 对称曲线 (b) 非对称曲线

图 7 纵向分辨力测量线扩展函数曲线

7.8 横向距离误差

测量 x 方向的横向距离误差时 , 以横向检测模体为测量标准 , 调节模体方位使硅与金属的边界线与 y 方向平行。 可采用直接瞄准法或扫描法测量模体的特征宽度。 采用直接瞄准法时 , 在显微镜下观察模体 , 用光标瞄准硅和金属边界并记录其对应的 x坐标。采用扫描法时 , 按图 8 (a) 或图 8 (b) 所示位置和方向进行扫描测量。 当测量距离小于 10倍横向分辨力时 , 建议按图 8 (a) 所示方法测量。测量硅 520 cm-1附近的拉曼峰。 以距离为横轴 , 峰高为纵轴绘制曲线 , 得到仪器在 x 方向上的阶跃响应函数曲线。将该曲线对距离微分 , 得到线扩展函数曲线 , 记录曲线峰值对应的 x 坐标。 同时记录激光波长和物镜放大倍率及 NA值。根据公式 (8) 计算特征宽度值 :

W = x1 - x2 (8)

W— 特征宽度测量结果 , μm;

x1— 位置 1硅和金属边界对应的 x 坐标 , μm;

x2— 位置 2硅和金属边界对应的 x 坐标 , μm。

重复测量 3 次 , 根据公式 (9) 计算 x 方向上的横向距离误差 :

ΔW = -W0 (9)

ΔW — 特征宽度测量误差 , μm;

W — 特征宽度测量结果的平均值 , μm; W0— 特征宽度的标准值 , μm。

图 8 横向距离误差测量方法示意图

测量 y 方向的横向距离误差时 , 将横向检测模体旋转 90°, 沿 y 方向扫描测量 , 重复上述步骤即可得到 y 方向的横向距离误差。

7.9 纵向距离误差

以纵向检测模体为测量标准 , 测量纵向距离误差。可采用直接瞄准法或扫描法测量模体的特征深度。采用直接瞄准法时 , 在显微镜下观察模体 , 调节样品台高度直至成像清晰并记录其对应的 z 坐标。采用扫描法时 , 按图 9所示 3个位置进行扫描测量 , 测量硅 520 cm-1附近的拉曼峰 , 记录硅拉曼信号峰值对应的 z 坐标。 同时记录激光波长和物镜放大倍率及 NA值。根据公式 (10) 计算特征深度值 :

D— 特征深度测量结果 , μm;

z1— 位置 1硅拉曼信号峰值对应的 z 坐标 , μm;

z2— 位置 2硅拉曼信号峰值对应的 z 坐标 , μm;

z3— 位置 3硅拉曼信号峰值对应的 z 坐标 , μm。

重复测量 3 次 , 根据公式 (11) 计算纵向距离误差 :

ΔD = - D0 (11)

ΔD — 特征深度测量误差 , μm;

D — 特征深度测量结果的平均值 , μm; D0— 特征深度的标准值 , μm。

图 9 纵向距离误差测量方法示意图

8 校准结果表达

8.1 校准记录

校准记录推荐格式参见附录 A。

8.2 校准结果的处理

校准证书内页推荐格式参见附录 B, 校准证书应至少包括以下内容 :

a) 标题 : “校准证书”;

b) 实验室名称和地址 ;

c) 进行校准的地点 (如果与实验室的地址不同) ;

d) 校准证书的唯一性标识 (如编号) , 每页及总页数的标识 ;

e) 客户的名称和地址 ;

f) 被校仪器的描述和明确标识 (如型号、产品编号等) ;

g) 进行校准的日期 , 如果与校准结果的有效性和应用有关时 , 应说明被校对象的接收日期 ;

h) 如果与校准结果的有效性和应用有关时 , 应对被校样品的抽样程序进行说明 ;

i) 校准所依据的技术规范的标识 , 包括名称及代号 ;

j) 本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明 ;

k) 校准环境的描述 ;

l) 校准结果及其测量不确定度的说明 ;

m) 对校准规范的偏离的说明 ;

n) 校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识 ;

o) 校准结果仅对被校对象有效的声明 ;

p) 未经实验室书面批准 , 不得部分复制证书的声明。

9 复校时间间隔

复校时间间隔建议为 12个月。

由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的 , 因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。

附录 A

拉曼光谱仪校准原始记录(推荐)格式样式

1. 外观检查结果

2. 光谱分辨力

激光波长 : nm; 光栅规格 : lp/mm。

3. 频移重复性和频移示值误差

3.1 频移重复性和频移示值误差 (标准硅片或标准聚苯乙烯)激光波长 : nm。

3.2 频移示值误差 (低压原子谱线灯)激光波长 : nm。

4. 强度重复性

激光波长 : nm。

5. 横向分辨力

激光波长 : nm; 物镜放大倍率及 NA值 :。

6. 纵向分辨力

7. 横向距离误差

8. 纵向距离误差

附录 B

校准证书内页(推荐)格式样式

附录 C

用标准硅片校准频移示值误差的测量不确定度评定示例

C.1 测量模型

用标准硅片对拉曼光谱仪的频移示值误差进行校准时 , 可建立如下测量模型 :

Δν= - ν0 (C.1)

ν— 测量结果平均值 , cm-1 ;

各输入量的灵敏系数为 :

c (C.2)

c (C.3)

各输入量引入的标准不确定度为 c(ν) u(ν)和 c(ν0) u(ν0)。

u(ν) 和 u(ν0) 互不相关 , 因此有 :

uc (C.4)

C.2 测量不确定度来源

根据测量模型及具体测量过程 , 其不确定度来源主要包括以下几个方面 :

1) 测量重复性引入的不确定度 u1 (ν)

该项不确定度来源主要由激光波长的波动、CCD 的探测噪声等随机因素引入 , 通过多次重复测量可以计算出这些误差引入的测量不确定度。

2) 仪器分辨力引入的不确定度 u2 (ν)

仪器测量波数的分辨力 (最小分度) 会引入测量误差。

3) 标准硅片引入的不确定度 u(ν0)

该项不确定度主要来自标准硅片本身 , 可从上一级的计量校准证书中得到。

C.3 测量不确定度评定

1) 测量重复性引入的不确定度

u1 (ν) 是测量重复性引入的标准不确定度 , 以 633 nm 激发波长下测量标准硅片为例 , 重复测量 6次 , 测量结果如表 C. 1。

表 C.1 标准硅片测量结果

根据贝塞尔公式计算得出 6次测量结果的示值标准偏差为 0.39 cm-1 , 平均值的标准差为 :

u1 (ν) = 0.39 cm-1/ 6 ≈ 0.15 cm-1 (C.5)

2) 仪器分辨力引入的不确定度

仪器测量波数的分辨力为 0.1 cm-1 , 其引入的不确定度为 :

3) 标准硅片引入的不确定度

u(ν0) 是标准硅片本身引入的标准不确定度。该项可由标准硅片的证书中得到 , 其扩展不确定度为 0.5 cm-1 (k= 2) , 故 :

4) 合成标准不确定度

以上各分量可近似认为互不相关 , 重复性和分辨力引入的不确定度只取其中较大值 , 故合成标准不确定度为 :

uc = u(ν) + u2 (ν0) = 0.152 + 0.252 cm-1 ≈ 0.30 cm-1 (C.8)

5) 扩展不确定度

取 k= 2, 扩展不为c= 2 × 0.30 cm-1 = 0.6 cm-1 (k= 2) (C.9)

附录 D

用原子谱线灯校准频移示值误差的测量不确定度评定示例

D.1 测量模型

用原子谱线灯对拉曼光谱仪的频移示值误差进行校准时 , 可建立如下测量模型 :

Δν= - ν0 (D.1)

ν— 测量结果的绝对波数平均值 , cm-1 ;

ν0 — 原子谱线的绝对波数值 , cm-1。

c (D.2)

c (D.3)

uc (D.4)

D.2 测量不确定度来源

根据上述测量模型以及具体的测量过程 , 其不确定度来源主要包括以下几个方面 :

1) 测量重复性引入的标准不确定度 u1 (ν)

3) 原子谱线灯引入的标准不确定度 u(ν0)

原子谱线的绝对波数为自然基准 , 该项不确定度可通过查表获得。

D.3 测量不确定度评定

1) 重复性引入的不确定度

u1 (ν) 是测量重复性引入的标准不确定度 , 以测量氖灯的 11 878.7 cm-1谱线为例 ,重复测量 6次 , 测量结果如表 D.1。

表 D.1 原子谱线灯测量结果

11878.7 cm-1谱线 6次测量结果的示值标准偏差为 0.31 cm-1。 因此 , 测量重复性引入的标准不确定度为 :

u1 (ν) = 0.31 cm-1/ 6 ≈ 0.13 cm-1 (D.5)

3) 原子谱线引入的不确定度

u(ν0) 是原 子谱 线的 标准 不确 定度。 原子 谱线 波长 为自 然基 准 , 波长 误差 小于±10-4nm , 当波长大于 300 nm 时转化为绝对波数后不确定度不大于 ±0.01 cm-1 :

以上各分量可近似认为互不相关 , 重复性和分辨力引入的不确定度只取其中较大值 , 故频移示值误差的合成标准不确定度为 :

取 k= 2, 扩展c为= 2 × 0.14 cm-1 ≈ 0.3 cm-1 (k= 2) (D.9)

附录 E

用标准聚苯乙烯校准频移示值误差的测量不确定度评定示例

E.1 测量模型

用标准聚苯乙烯对拉曼光谱仪的频移示值误差进行校准时 , 可建立如下测量模型 :

Δν= - ν0 (E.1)

ν0 — 标准聚苯乙烯的标准值 , cm-1。

c (E.2)

c (E.3)

uc (E.4)

E.2 测量不确定度来源

3) 标准聚苯乙烯引入的不确定度 u(ν0)

该项不确定度主要来自标准聚苯乙烯本身 , 可从上一级计量校准证书中得到。 E.3 测量不确定度评定

u1 (ν) 是测量重复性引入的标准不确定度 , 以 785 nm 激发波长下测量标准聚苯乙烯为例 , 重复测量 6次 , 测量结果如表 E.1。

表 E.1 标准聚苯乙烯测量结果

根据贝塞尔公式计算得出 6次测量结果的示值标准偏差为 0.75 cm-1 , 平均值的标准差为 :

u1 (ν) = 0.75 cm-1/ 6 ≈ 0.31 cm-1 (E.5)

仪器测量波数的分辨力为 1 cm-1 , 其引入的不确定度为 :

3) 标准聚苯乙烯引入的不确定度

u(ν0) 是标准聚苯乙烯本身引入的标准不确定度。该项可由标准聚苯乙烯的证书中得到 , 其扩展不确定度为 2.0 cm-1 (k= 2) , 故 :

取 k= 2, 扩展c为=:2 × 1.05 cm-1 ≈ 2.1 cm-1 (k= 2) (E.9)

附录 F

横向距离误差测量不确定度评定示例

F.1 测量模型

用横向检测模体对拉曼光谱仪的横向距离误差进行校准时 , 可建立如下测量模型 :

ΔW = -W0 (F.1)

W — 特征宽度测量结果的平均值 , μm;

W0— 特征宽度的标准值 , μm。

c (F.2)

各输入量引入的标准不确定度为 c(W) u(W) 和 c(W0) u(W0)。

u(W) 和 u(W0) 互不相关 , 因此有 :

F.2 测量不确定度来源

1) 位置测量重复性引入的不确定度 u1 (W)

该项不确定度来源主要由扫描测量过程中位移台的定位误差、拉曼信号强度测量噪声、机械振动等 随机 因素 引入 , 通过 重复 测量 可以 计算 出这 些误 差引 入的 测量 不确定度。

2) 检测模体方向误差引入的不确定度 u2 ()

扫描测量前应将硅和金属边界调节至与扫描方向垂直 , 方向误差会引入特征宽度的测量误差。

3) 位移台步进值引入的不确定度 u3 (W)

位移台步进值会引入距离测量误差。

4) 横向检测模体引入的不确定度 u(W0)

该项不确定度主要来自模体本身 , 可从上一级的计量校准证书中得到。 F.3 测量不确定度评定

u1 (W) 是测量重复性引入的标准不确定度 , 以测量横向检测模体的 10.0 μm 特征宽度为例 , 重复测量 3 次 , 测量结果如表 F.1。

表 F.1 特征宽度测量结果

根据极差法计算重复性引入的不确定度 :

R— 测量结果中最大值与最小值之差 ;

C— 极差系数。

重复性引入的不确定度为 :

2) 方向误差引入的不确定度

校准横向距离误差时 , 调节横向检测模体的硅和金属边界与扫描测量方向垂直 , 可借助显微镜视场下的光标线辅助调节对齐。

以短距离测量情况下 [见图 8 (a) ] 为例进行计算。 以 100倍显微物镜为例进行估算 , 通过观察视场下的光标与硅-金属边界的对齐 , 可保证在 100μm 长度内的对齐误差不超过 ±1μm , 换算为角度误差为 ±0.01 rad, 如图 F.1 所示。假设位置 1 和位置 2之间的 y 坐标 差值 为 10 μm , 方向 误差 引入 的特 征宽 度测 量误 差不 大于 角度 误差 与10μm的乘积 , 即 ±0.1 μm。按均匀分布估计 , 方向误差引入的不确定分量为 :

图 F.1 方向误差引入的横向距离不确定度分量示意图

在长距离测量情况下 [见图 8 (b) ] 仅存在余弦误差分量 , 可忽略不计。

3) 位移台步进值引入的不确定度

位移台步进值为 0.1 μm , 其引入的不确定度为 :

4) 横向检测模体引入的不确定度

u(W0) 是横向检测模体本身引入的标准不确定度。该项可由横向检测模体的证书

距, 确4为, 故(0:.4 μm + 0.4%W) (k= 2)。 特征 宽度 为

u(W0) = 0.22μm (F.9)

5) 合成标准不确定度

以上各分量可近似认为互不相关 , 重复性和位移台步进值引入的不确定度只取其中较大值 , 故合成标准不确定度为 :

uc = u(W) +u(W) +u2 (W0) = 0.0342 + 0.222 + 0.0282 μm ≈ 0.23μm (F.10)

6) 扩展不确定度

取 k= 2, 扩展不确定度为

附录 G

纵向距离误差测量不确定度评定示例

G.1 测量模型

用纵向检测模体对拉曼光谱仪的纵向距离误差进行校准时 , 可建立如下测量模型 :

ΔD = - D0 (G.1)

D — 特征深度测量结果的平均值 , μm;

D0— 特征深度的标准值 , μm。

c (G.2)

c (G.3)

各输入量引入的标准不确定度为 c(D) u(D) 和 c(D0) u(D0)。

u(D) 和 u(D0) 互不相关 , 因此有 :

G.2 测量不确定度来源

1) 位置测量重复性引入的不确定度 u1 (D)

2) 位移台步进值引入的不确定度 u2 (D)

3) 检测模体方向误差引入的不确定度 u3 ()

扫描测量时 , 若模体的表面与扫描测量方向不完全垂直 , 可能引入竖直方向上的距离误差。 但由 于采 用补 偿测 量方 法 , 通过 3 个位 置的 测量 , 可抵 消该 测量 误差 , 如图 G.1所示。 因此 , 该项误差引入的不确定度可忽略不计。

图 G.1 方向误差引入的纵向距离不确定度分量示意图

4) 纵向检测模体引入的不确定度 u(D0)

该项不确定度主要来自模体本身 , 可从上一级的计量校准证书中得到。 G.3 测量不确定度评定

u1 (D) 是测量重复性引入的标准不确定度 , 以 633 nm 激发波长下测量纵向检测模体的特征深度为例 , 重复测量 3 次 , 测量结果如表 G.1。

表 G.1 特征深度测量结果

重复性引入的不确定度 u1 为 :

2) 位移台步进值引入的不确定度

3) 纵向检测模体引入的不确定度

u(D0) 是纵向检测模体本身引入的标准不确定度。该项可由纵向检测模体的证书

中得到 , 其特征深度的 扩展 不确 定度 为 (0.4 μm + 0.4%D) (k= 2)。 特征 深度 为

u(D0) = 0.22μm (G.8)

以上各分量可近似认为互不相关 , 重复性和位移台步进值引入的不确定度只取其中较大值 , 故合成标准不确定度 uc为 :

取 k= 2, 扩展不确为c=: 2 × 0.27≈ 0.6 μm (k= 2) (G.10)