Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han encontrado una manera de vincular las mediciones realizadas por un dispositivo integral para la fabricación de microchips y otras industrias directamente con el recientemente redefinido Sistema Internacional de Unidades (SI, el sistema métrico moderno). Esa trazabilidad puede aumentar en gran medida la confianza de los usuarios en sus mediciones porque el SI ahora se basa completamente en constantes fundamentales de la naturaleza.

El dispositivo, un disco del tamaño de una moneda de diez centavos llamado microbalanza de cristal de cuarzo (QCM), es de vital importancia para las empresas que confían en el control de precisión de la formación de películas delgadas. Muy delgadas:van desde micrómetros (millonésimas de metro) hasta algunas decenas de nanómetros (mil millonésimas de metro, o alrededor de 10, 000 veces más delgado que un cabello humano) y normalmente se producen en una cámara de vacío al exponer una superficie objetivo a una cantidad meticulosamente regulada de vapor químico que se adhiere a la superficie y forma la película. Cuanto mayor sea la exposición, cuanto más gruesa sea la película.

Las películas delgadas son componentes esenciales en los dispositivos semiconductores electrónicos, revestimientos ópticos para lentes, LEDs, células solares, soportes de grabación magnéticos para informática, y muchas otras tecnologías. También se emplean en tecnologías que miden la concentración de contaminantes microbianos en el aire, patógenos en el suministro de agua, y el número de microorganismos que se adhieren a las superficies biológicas durante el curso de la infección.

Todos esos usos exigen mediciones extremadamente precisas del espesor de la película. Porque eso es difícil de medir directamente, los fabricantes utilizan con frecuencia QCM, que tienen una propiedad valiosa:cuando se les aplica una corriente alterna, vibran a una frecuencia de resonancia única para cada disco y su masa.

Para determinar exactamente cuánto material de película se está depositando, colocan el disco a QCM en la cámara de vacío y miden su frecuencia de resonancia. Luego, el disco se expone a un vapor químico. Cuanto más vapor se adhiera al QCM, cuanto mayor es su masa y más lento vibra. Ese cambio de frecuencia es una medida sensible de la masa agregada.

"Pero a pesar de la implementación ubicua de QCM en la industria y el mundo académico, "dijo el físico e investigador principal del NIST Corey Stambaugh, "no ha existido un vínculo directo con la unidad de masa del SI". Se supone que la relación entre la unidad de masa del SI (el kilogramo) y la frecuencia de resonancia está bien caracterizada después de décadas de mediciones de QCM. Pero a lo largo de los años La industria ha realizado consultas al NIST con respecto a la precisión de masa absoluta de estas mediciones de frecuencia. Los nuevos resultados presentados por Stambaugh y sus colegas son en gran medida una respuesta a esas consultas.

"Esperamos que nuestros hallazgos permitan una nueva, mayor nivel de garantía en las mediciones de QCM al proporcionar trazabilidad al nuevo SI, "dijo el físico del NIST Joshua Pomeroy, que junto con Stambaugh y otros informan sus hallazgos hoy en la revista Metrologia . La redefinición de las unidades SI en mayo de 2019 eliminó el kilogramo prototipo de metal anterior como estándar y, en cambio, definió el kilogramo en términos de una constante cuántica.

En la nueva SI, La masa a nivel de kilogramos se realizará en los Estados Unidos utilizando esa constante en el balance de croquetas del NIST.

En la nueva SI, NIST También han desarrollado un instrumento estándar, llamado equilibrio de fuerza electrostática (EFB), que proporciona una medición extremadamente precisa de masas en el rango de miligramos e inferiores), que están directamente vinculados al SI a través de una constante cuántica. El EFB proporcionó al equipo masas de tamaño de miligramos de referencia con una precisión del orden de una fracción de microgramo (1/1, 000, 000 de 1 gramo, o alrededor de una millonésima parte de la masa de un clip de papel promedio).

Stambaugh y sus colegas pesaron cuidadosamente un disco de cuarzo sin recubrimiento, luego lo suspendió en una cámara de vacío y midió su frecuencia de resonancia. Aproximadamente 0,5 metros (20 pulgadas) debajo del disco había un horno que calentaba una cantidad de oro a 1480 C (2700 F). El vapor de oro del horno se elevó y se adhirió a la superficie inferior del QCM, aumentando su masa y, por lo tanto, disminuyendo su frecuencia de resonancia. Los científicos repitieron el procedimiento en diferentes intervalos de tiempo y, por lo tanto, diferentes cantidades de acumulación de masa. se repitió en diferentes intervalos de tiempo. Los investigadores depositaron vapor de oro en diferentes intervalos de tiempo y registraron los cambios posteriores en la frecuencia de resonancia. Pesaron el disco nuevamente usando las mismas masas de referencia EFB. Esto proporcionó una medición precisa del cambio de masa, y así proporcionó una medida exacta de la cantidad de oro depositado.

En el transcurso del trabajo, el equipo también realizó una evaluación completa de las incertidumbres en las mediciones de QCM. Identificaron el método matemático más preciso para correlacionar la adición de masa al cambio en la frecuencia de resonancia del QCM.

"Este trabajo proporciona un paso clave en una técnica para rastrear de manera rastreable y, por lo tanto, corregir los cambios masivos a lo largo del tiempo, ", dijo la física del NIST Zeina Kubarych.

En ese sentido, Los nuevos hallazgos podrían ayudar a mejorar la forma en que se difunde la masa siguiendo la nueva definición de SI. El nuevo kilogramo se "realiza" —convertido de una definición abstracta a una realidad física— a través de mediciones de laboratorio altamente controladas en una cámara de vacío. Pero los estándares de trabajo del kilogramo se difundirán, entregados físicamente a los laboratorios de ciencias de la medición, en forma de masas metálicas al aire libre. Eso significa que el vapor de agua y cualquier otra cosa que haya en el aire puede adsorberse en la superficie de un kilogramo de patrón de trabajo, causando una medición inexacta de su masa.

Debido a que la humedad y los contaminantes del aire difieren sustancialmente en todo el mundo, Las mediciones de un patrón de masa cuidadosamente calibrado pueden diferir apreciablemente de un lugar a otro en los niveles de precisión necesarios para la metrología industrial y científica. Si, sin embargo, un QCM calibrado debía acompañar a cada estándar, podría proporcionar una medida precisa de la cantidad de material adsorbido en tránsito y en el destino, ayudando a los laboratorios a recibir definiciones más precisas del nuevo kilogramo teniendo en cuenta las condiciones ambientales.