ננומטרולוגיה

ננומטרולוגיה עוסקת במדידה בקני מידה ננומטרי. ננומטרולוגיה היא תת-תחום של מטרולוגיה ושל ננוטכנולוגיה ומטרתה לפתח טכניקות מדידה חדשות על-מנת לענות על הצרכים של ייצור ומחקר המתבססים על ננו-חומרים וטכנולוגיה ננומטרית. ההתקדמות הטכנולוגית בתעשיות המבוססות על ננוטכנולוגיה דורשת יכולות מדידה עם רזולוציה ודיוק גבוהים יותר מהיכולות הקיימות. לכן לננומטרולוגיה תפקיד מכריע בייצור התקני ננו בעלי רמה גבוהה של דיוק ואמינות.

הקדמה

שליטה בממדים הקריטיים היא הגורם החשוב ביותר בננוטכנולוגיה. כיום, ננוטכנולוגיה מבוססת במידה רבה על הפיתוחים בתחום המוליכים למחצה.
הממדים הסטנדרטיים של מערכות ננומטריות הם בטווח של 10 ננומטר עד כמה מאות ננומטר, ורמת הדיוק הנדרשת היא 0.1 ננומטר.
בעבודה בתחום הננומטרי קיימות תופעות פיזיקליות חדשות אשר אנו נדרשים לקחת אותם בחשבון.
לדוגמה: כאשר גודל הגביש קטן מאשר מהלך חופשי ממוצע של אלקטרון אנו נתקלים בתופעה של שינוי מוליכות הגביש.
מכשירי המדידה המקובלים הם: עקיפת קרני X (הנקרא XRD), מיקרוסקופ אלקטרוני חודר TEM ומיקרוסקופ אלקטרוני סורק.
הננוטכנולוגיה היא תחום חשוב בגלל מספר גדול של יישומים אפשריים. עקב כך נדרש לפתח טכניקות מדידה מדויקות יותר וכן יצירת סטנדרטיזציה מקובלת בעולם.

סוגי טכניקות המדידה בקני מידה ננומטרי

ב-70 השנים האחרונות פותחו טכניקות מדידה שונות של קנה מידה ננומטרי. רובם מבוססות על מספר תופעות פיזיקליות שנצפו באינטראקציה של חלקיקים או כוחות בקנה מידה ננומטרי.
כמה מן הטכניקות הנפוצות הן: מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), עקיפת קרני רנטגן (XRD), מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM), מיקרוסקופ אלקטרוני חודר (TEM).
מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM - Atomic Force Microscopy) הוא אחד מטכניקות המדידה היותר נפוצות בתחום. מיקרוסקופ זה משמש לרוב למדידת טופוגרפיה ננומטרית של פני שטח, גודל חלקיקים, מאפייני חיכוך וכוחות שונים. בשיטה זו נעשה שימוש בגשש (פרוב) הבנוי מחוד דק במיוחד הסורק את פני שטח הדוגמה הנמדדת. הכוחות האטומים הפועלים בין אטומי החוד למשטח גורמים למשיכה או דחיית הגשש מפני השטח. שינוי זה התלוי באטומים הנסרקים ומטופוגרפיית פני השטח נמדדים באמצעות קרן לייזר המוחזרת למערך דיודות.
שיטת עקיפת קרני רנטגן(X-ray diffraction) משמשת לרוב למחקר העוסק במציאת מבנה של גבישים ומבנים מולקולריים, תוך שימוש במדידת התבניות שיוצרות קרני רנטגן לאחר שהן עוברות דרכם. 
הקרניים עוברות עקיפה בתוך הגביש כתוצאה מהאינטראקציה שלהן עם האטומים, והן משנות את כיוון תנועתן. 
תבנית ההתאבכות הנוצרת מרמזת על המבנה הפנימי של החומר. לקבלת מבנה תלת ממדי של המבנה המולקולרי נעשות מדידות בזוויות שונות בצירים שונים בעזרת גוניומטר.
תהליך יצירת תבנית ההתאבכות במכשיר ה-XRD.
מיקרוסקופ מינהור סורק, או ממ"ס (Scanning Tunneling Microscope, או STM) הוא מיקרוסקופ אשר בעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה האטומית. הרזולוציה של ממ"ס יכולה להגיע ל-1.1 ננומטר במישור האופקי ול-0.01 ננומטר בציר האנכי. בניגוד למיקרוסקופ אלקטרוני השימוש בממ"ס אינו מחייב ואקום או טמפרטורות נמוכות. עם זאת, הסריקה דורשת משטח נקי מאוד וחוד (טיפ) חד ומדויק.
המיקרוסקופ סורק את המשטח הנבחן בעזרת חוד סורק, והסריקה מתבססת על תופעת המינהור, תופעה קוונטית של מעבר אלקטרונים דרך מחסום פוטנציאל - במקרה של המיקרוסקופ, בין קצה החוד למשטח. זרם המנהור יהיה תלוי מחד במרחק החוד מפני השטח ומאידך בצפיפות מצבים קוונטיים פנויים על המשטח. שני הגורמים מאפשרים לבחון בעזרת המיקרוסקופ את פני המשטח, וגם להבחין בסוגים שונים של אטומים הנמצאים על המשטח, או לצפות בשינויים אנרגטיים באטומים מאותו סוג.
מכשיר נוסף, נפוץ מאוד, למדידות ננומטריות הוא מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM- Scanning Electron Microscopy). מיקרוסקופ זה מאפשר הן מדידת הצורה הטופוגרפית של פני השטח של הדגם והן לקביעת הרכב יסודות ותרכובות של דגמים מורכבים. משטח הדגימה נסרק בעזרת אלומת אלקטרונים באנרגיה גבוהה המגיעה אל עבר הגלאים השונים הנמצאים במיקרוסקופ. בגלאים אלו מתבצעת מדידה של פיזור האלקטרונים החוזרים והמשניים הנובעים כתוצאה מהאינטראקציה בין אלומת האלקטרונים לדגם.
מכשירי ה-AFM וה-SEM שהוזכרו לעיל, המייצרים תמונה של פני השטח הם כלי מצוין למחקר אולם ליישומים תעשייתיים של תחום זה נדרש רמת דיוק גבוהה יותר.

דרגות חופש במדידה

דרגת חופש היא הגבול המותר המגדיר את המגבלות השונות בממדים, מאפיינים או תנאים, וזאת מבלי להשפיע באופן משמעותי על תפקודו של ציוד או תהליך.
איפיון הטולרנסים נועד לאפשר מרחב פעולה סביר לפגמים מבלי להתפשר על ביצועים.
ישנה בעיה בהגדרת הסטייה המותרת בקנה המידה הננומטרי עקב שונות בסטנדרטים ושיטות המדידה בתחום.
קיימות טכניקות אינטגרציה שונות המפותחות בתעשיית המוליכים למחצה ומיושמות בתחום המדידה הננומטרי.

דרישות פיתוח מכשירי מדידה

ניתן לעשות חלוקה בתחום הננוטכנולוגיה בין התחום המחקרי לתחום התעשייתי. ההתקדמות בתחום המחקרי גדולה יותר מבתעשייתי משום שהתחום התעשייתי נותן עדיפות לדיוק מאשר לרזולוציה בעוד שבתחום המחקרי הרזולוציה חשובה יותר מהדיוק. בנוסף, בתחום התעשייתי יש יעד להוריד עלויות ייצור דבר אשר לא קיים בתחום המחקרי. הצורך בפיתוח מכשירים וטכניקות מדידה מדויקים יותר חשוב לפיתוח התחום התעשייתי. חוסר הסטנדרטים, הקושי בכיול וביכולת ההדירות מהווים אתגר לתעשיית הננו.

תקנים

סטנדרטים בתחום המדידה הם הגדרות טכניות לקביעת חוקים מקובלים דבר המאפשר השוואה.
תקן אידיאלי בתחום המדידה כיכולת שחזור על-פי המדידות בוודאות גמורה.
תחום הננוטכנולוגיה גדל באופן משמעותי וצפוי להגיע לשווי שוק של מאות מיליארדי דולרים בעתיד הקרוב.
עד לאחרונה לא היו קיימים סטנדרטיים בתחום המדידה הננומטרית. הוועדה הטכנית בתחום הננוטכנולוגיה בארגון הבינלאומי לתקינה TC-229, פרסמה לאחרונה מספר סטנדרטים למינוח ואפיון של ננו חלקיקים באמצעות כלי מדידה כגון SEM, AFM ואינטרפרומטריה.
הוועדה האלקטרו-טכנית הבינלאומית פירסמה סטנדרטים מסוימים בתחום מדידת המאפיינים האלקטרונים של מוצרי ננו.
קיימים מספר סטנדרטים חשובים אשר טרם גובשו באופן סופי: מדידת עובי של שכבה, מאפייני פני שטח, מדידת כוח בקנה מידה ננומטרי, מדידת הממדים הקריטיים של ננוחלקיקים וננומבנים ומדידת מאפיינים פיזיקאלים בממדי ננו כגון מוליכות אלסטיות ועוד.

הדירות

בסקאלות ננומטריות נעשה שימוש בגבישי מיקה (Mica) או משטחי סיליקון כעזרים לכיול להשגת הדירות (עקיבות). עקב כך שהסטנדרטים הבינלאומיים לא מתייחסים באופן זהה לתחום ההדירות, גם ציוד המדידה הנדרש כדי להבטיח הדירות ברמה גבוהה לא פותח בצורה מספקת. 
לרוב משתמשים במזעור של תקני מדידה ומכשירי מדידה מסורתיים בתחום המאקרו, ולכן יש צורך בקביעת סטנדרטים בינלאומיים למודל הערכת חוסר הוודאות בהדירות.

כיול

תחום זה חשוב מאוד בייצור התעשייתי ומהווה את אחת הדרישות הבסיסיות לייצור והרכבה של מוצרים בתחום הננו. הצורך בכיול מכשירי המדידה נועד להבטיח את הדירות המוצר. הקושי בכיול מכשירי המדידה בתחום הננומטרי נובע מחוסר בסטנדרטים לכיול בתחום הננו וכן מקושי בדיוק הכיול עקב השפעה של גורמים חיצוניים כגון רעידות, רעש, תנועה ואינטראקציות בין המכשיר לדגם הנמדד.