纳米计量技术是纳米尺度上的精密测量技术，是先进纳米制造技术的基础。其中，溯源性是纳米计量的基础问题，而研制纳米计量标准物质是实现纳米测量溯源性传递、保证纳米几何量值测试的统一性和准确性的关键环节。为适应纳米计量扁平化量值传递溯源的要求，基于铬跃迁频率，采用原子光刻技术和软X射线干涉技术制备了1D 212.8 nm，2D 212.8 nm，1D 106.4 nm 3种自溯源光栅标准物质；在多层膜沉积技术研制硅纳米线宽结构的基础上，探索了基于硅晶格常数的硅纳米线宽自溯源型测量方法。在应用领域，开展了自溯源光栅对扫描探针显微镜、扫描电子显微镜等高精密测量仪器的校准研究。研究结果表明，自溯源型标准物质及其测量方法缩短了精密仪器和加工技术过程中的纳米长度计量溯源链，是先进纳米制造和新一代信息技术的有力支撑。

原子力显微镜是微纳米测量领域主要测量工具之一。由于原子力显微镜探针不可能无限尖锐, 使得测量图像包含了一部分探针信息, 这是其图像失真的一大影响因素。通过获取探针形状和尺寸, 可以有效去除测量图像的“探针效应”从而提升准确度。文中以研制良好样品内一致性的探针校准器为目标, 应用Si/SiO2多层膜光栅技术, 初步研制了20 nm标称值的线宽结构用于原子力显微镜探针校准。表征结果显示, RFESP型(Rectangular Front Etched Silicon Probe)探针稳定扫描时探针前角由15°增加至36°左右, 探针后角由25°增加至45°左右, 呈现钝化趋势。由此表明, 基于Si/SiO2多层膜光栅技术研制的线宽型探针表征器可以快速表征出探针侧壁角度信息, 是原子力显微镜探针扫描过程中探针形貌快速监测和估计的有效手段, 对于促进探针表征与图像准确度提升均具有重要意义。

利用相干或部分相干光被粗糙表面散射产生的散斑现象进行表面粗糙度测量是一类有应用前景的在线测量技术。研究了窄带连续谱光束被随机粗糙表面散射形成的远场散射光场的散斑延长效应和将其应用于表面粗糙度测量的可行性。理论和模拟研究表明: 随着观测点逐渐远离散射光场中心, 散斑延长率越来越大; 在相同的观测位置, 表面的粗糙度越小, 散斑延长率越大。构建以超辐射发光二极管(Superluminescent Diode,SLD)为光源的实验系统, 以散斑延长率衍生的光学粗糙度指标来衡量表面粗糙度, 对电火花加工的表面粗糙度对比样块进行粗糙度测量实验, 结果表明光学粗糙度指标随着被测表面粗糙度的增加而单调递减。比起一组分立波长的光源, 采用窄带连续谱光源的表面粗糙度测量系统有更大的测量范围。

原子通量是影响原子光刻技术制备纳米光栅质量的主要因素之一。应用原子炉管喷发量的理论模型,利用理论与实验相结合的方法,对比研究了三类典型原子炉管构型下的原子通量水平,并基于最优原子炉管构型将研制的铬纳米光栅峰谷高度提升到100 nm,使光栅质量得到进一步优化。

由于利用快速傅里叶变换(FFT)法定量测量标准样板的平均节距时会因为频谱分辨率Δf有限而在数据分析过程中丢失信息, 故本文对常用的FFT法进行了改进。首先在FFT的频谱中得到最大振幅值对应的频率分量fmax, 使用二分法缩小fmax附近的频率范围;然后利用连续傅里叶变换法寻找更大的振幅值与更精确的f′max以求得更接近真实值的线节距。为了验证该方法的可行性, 利用Matlab软件仿真被测标准样板(TGD1)的轮廓图, 比较了FFT与改进后的FFT对不同扫描长度下数据的评估结果, 并展示了改进FFT法评估时部分数据的运算过程。同时, 通过计量型原子力显微镜实测20 μm×2 μm内的TGD1形貌。两种评估法下的数据比对结果显示: 改进FFT评估后的线节距为(277.84±039) nm, 符合标称值(278±1) nm, 验证了改进后FFT方法对线节距求解的准确性与合理性。

针对激光会聚铬原子沉积实验，运用标量衍射理论，通过数值模拟研究了基片衍射对会聚激光驻波场中原子波包几率密度演化的影响。结果显示基片衍射的影响会随激光中轴线与基片沉积表面距离b0的变化而变化。相对于非衍射情况，衍射效应会提高激光驻波场中会聚平面内原子波包几率密度分布的中心值，同时减小其半峰全宽。当参量b0=－0.2w0(w0为高斯光束的束腰半径)时，原子波包几率密度的会聚平面和基片沉积表面完全重合。此处，衍射时原子波包几率密度分布的中心值为1.26，其半峰全宽为5.62 nm，两者分别为非衍射时的1.1倍和0.94倍。

采用近共振激光驻波场会聚铬原子沉积技术制作的原子光栅可以作为纳米级长度计量标准。基于粒子光学模型，综合考虑横向发散角、纵向速度分布以及同位素等影响因素，采用蒙特卡罗方法确定原子运动的初始条件，对激光驻波会聚原子的三维特性进行了研究。获得了不同激光功率下沉积条纹的三维结构，分析了纵向高斯激光分布和椭圆高斯激光截面对沉积条纹的影响。模拟结果表明，当激光功率为40 mW时，可观测的纳米光栅图案能在基板87%区域内出现，对应于高斯光束中心处条纹半峰全宽为31 nm。当高斯激光束截面为圆形时，沉积质量较好。

激光操纵原子技术之一的激光会聚原子沉积可以利用原子沟道化效应得到高质量的纳米级沉积结构。推导出在高斯函数二级近似下原子运动方程的解析解，通过计算模拟和比较分析，表明原子沟道化在激光会聚原子沉积中具有诸多优点。这些优点证明原子沟道化效应是激光会聚原子沉积技术的补充。

利用蒙特卡罗随机思想选取轨迹初始条件，将铬原子束同位素、纵向速度分布和横向高斯发散角等因素综合考虑，对原子光刻经典粒子模型进行了优化。将优化后的模型与原模型进行了对比，同时定性分析了表面生长效应。利用新模型在不同激光功率下对沉积过程进行数值模拟，结果表明模拟结果与实验符合得很好。进一步分析了失谐对沉积的影响，当失谐选取250×2π MHz时，可得到较好的沉积结果。该模型较好地整合了沉积过程中的各个影响因素，这为正在进行的实验提供了更好的理论基础。