ナノ計測学

ナノ計測学は計測学のサブフィールドであり、ナノスケールレベルでの測定の科学に関係しています。ナノ計測学は、ナノ製造において、高い精度と信頼性でナノ材料やデバイスを製造するために重要な役割を果たします。

この分野における課題は、ナノメートル規模の材料と技術に依存する次世代の高度な製造のニーズを満たすために、新しい測定技術と標準を開発または作成することです。新しいサンプル構造と特性の測定と特性評価のニーズは、現在の測定科学の能力をはるかに超えています。米国の新興ナノテクノロジー産業で予想される進歩には、これまで考えられていたよりも高い解像度と精度を備えた革新的な計測技術が必要です。^[1]

ナノテクノロジーにおいて最も重要な要素は、限界寸法の制御です。今日のナノ計測学は、半導体技術の発展に大きく依存しています。ナノ計測学は、ナノスケール レベルでの測定の科学です。ナノメートル (nm) は 10^-9 m に相当します。ナノテクノロジーでは、物体の寸法を正確に制御することが重要です。ナノシステムの一般的な寸法は 10 nm から数百 nm までさまざまですが、このようなシステムを製造する際には、0.1 nm までの測定が必要です。

ナノスケールでは、その小さな寸法のため、さまざまな新しい物理現象を観察できます。たとえば、結晶のサイズが電子の平均自由行程よりも小さい場合、結晶の導電性が変わります。別の例としては、システム内の応力の離散化があります。これらの現象をナノシステムのエンジニアリングと製造に応用するために、物理パラメータを測定することが重要になります。長さやサイズ、力、質量、電気的特性などの測定は、ナノ計測学に含まれます。問題は、これらを信頼性と精度で測定する方法です。マクロシステムに使用される測定技術は、ナノシステムのパラメータの測定に直接使用することはできません。ナノ構造とナノ材料のパラメータを測定または決定するために使用できる、物理現象に基づくさまざまな技術が開発されています。人気のあるものには、X線回折、透過型電子顕微鏡、高解像度透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電界放出走査型電子顕微鏡、および比表面積を決定するためのブルナウアー、エメット、テラー法などがあります。

ナノテクノロジーは、その応用範囲の広さから重要な分野であり、より正確な測定技術と世界的に認められた標準を開発することが必要になっています。そのため、ナノ計測学の分野では進歩が求められています。

ナノテクノロジーは 2 つの分野に分けられます。1 つ目はボトムアップ製造を伴う分子ナノテクノロジー、2 つ目はナノスケールでの材料とシステムの開発と処理を伴うエンジニアリング ナノテクノロジーです。2 つの分野に必要な測定および製造ツールと技術は若干異なります。

さらに、ナノ計測の要件は、業界と研究機関で異なります。研究用のナノ計測は、主に業界向けにナノ計測を実施するのが難しいため、業界向けのナノ計測よりも速く進歩しています。研究指向のナノ計測では解像度が重要ですが、工業用ナノ計測では解像度よりも精度が優先されます。さらに、経済的な理由から、工業用ナノ計測では時間コストが低いことが重要ですが、研究用ナノ計測では時間コストは重要ではありません。今日利用できるさまざまな測定技術では、真空、振動、ノイズのない環境などの制御された環境が必要です。また、工業用ナノ計測では、測定が最小数のパラメータでより定量的である必要があります。

計測標準とは、何らかの認められた理由により権威あるものとして指定される対象または概念である。それらの値が何であれ、その標準に基づいて割り当てられた値を確立または確認する目的で、未知のものと比較するために有用である。標準と他の測定装置との関係を確立する目的で測定比較を実行することが較正である。理想的な標準は、不確実性なしに独立して再現可能である。ナノテクノロジー応用製品の世界的な市場は、近い将来少なくとも数千億ドルになると予測されている。^[要出典]最近まで、ナノテクノロジー関連分野で国際的に認められた標準はほとんど確立されていなかった。国際標準化機構TC-229 ナノテクノロジー技術委員会は最近、 AFM、SEM、干渉計、光音響ツール、ガス吸着法などの測定ツールを使用したナノマテリアルおよびナノ粒子の用語および特性評価に関するいくつかの標準を公開した。電気特性の測定を標準化するための特定の標準は、国際電気標準会議によって公開されている。まだ確立されていない重要な標準としては、薄膜または層の厚さを測定するための標準、表面特徴の特性評価、ナノスケールでの力の測定のための標準、ナノ粒子およびナノ構造の臨界寸法の特性評価のための標準、さらには導電性、弾性などの物理的特性の測定のための標準などがあります。

ナノテクノロジーの将来的な重要性のため、世界各国ではナノ計測学とナノテクノロジーの国家標準を確立するプログラムが実施されています。これらのプログラムは各国の国家標準機関によって運営されています。米国では、国立標準技術研究所がナノスケールでの測定のための新しい技術の開発に取り組んでおり、ナノテクノロジーの国家標準もいくつか確立しています。これらの標準は、ナノ粒子の特性評価、粗さの特性評価、倍率標準、較正標準などに関する ものです。

精密機器をナノスケールで校正するためのサンプルを提供することは困難です。参照または校正標準は、再現性を保証するために重要です。しかし、校正には国際標準がなく、企業が機器とともに提供する校正アーティファクトは、その特定の機器を校正するためだけに有効です。したがって、ナノスケールで再現性を達成できる汎用校正アーティファクトを選択することは困難です。ナノスケールで校正を行う際には、振動、ノイズ、熱ドリフトやクリープによる動き、ピエゾスキャナの非線形動作やヒステリシス^[2]などの外部要因や、アーティファクトと機器の相互作用などの内部要因の影響に注意する必要があります。これらの要因は、大きな偏差を引き起こす可能性があります。

過去 70 年間で、ナノスケールで測定するためのさまざまな技術が開発されました。そのほとんどは、ナノスケールでの粒子の相互作用や力に関して観察されるいくつかの物理現象に基づいています。最も一般的に使用されている技術には、原子間力顕微鏡、X 線回折、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、高解像度透過型電子顕微鏡、電界放出走査型電子顕微鏡などがあります。

原子間力顕微鏡(AFM) は、最も一般的な測定技術の 1 つです。トポロジー、粒径、摩擦特性、さまざまな力の測定に使用できます。これは、曲率半径が数ナノメートルの鋭い先端を持つシリコンカンチレバーで構成されています。先端は、測定する試料のプローブとして使用されます。先端と試料の表面の間に原子レベルで作用する力によって先端がたわみ、このたわみは、フォトダイオードのアレイに反射されるレーザースポットを使用して検出されます。

走査トンネル顕微鏡 (STM) もよく使用される機器です。これは、試料の 3D トポロジーを測定するために使用されます。STM は、量子トンネル効果の概念に基づいています。導電性の先端を検査する表面に非常に近づけると、2 つの間にバイアス (電圧差) が適用され、電子がそれらの間の真空をトンネルすることができます。先端の位置が表面をスキャンするときの電流を監視することで測定が行われ、それを使用して画像を表示できます。

よく使用されるもう 1 つの機器は走査型電子顕微鏡 (SEM) です。これは、粒子の形状とサイズ、表面の地形を測定する以外に、サンプルを構成する元素と化合物の組成を決定するために使用できます。SEM では、サンプルの表面が高エネルギー電子ビームでスキャンされます。ビーム内の電子はサンプル内の原子と相互作用し、相互作用は検出器を使用して検出されます。生成される相互作用は、電子の後方散乱、電子の透過、二次電子などです。高角度の電子を除去するために、磁気レンズが使用されます。

上記の機器は、表面のリアルな画像を生成するため、研究用の優れた測定ツールです。ナノテクノロジーの産業用途では、より定量的な測定が必要です。産業用ナノ計測では、研究用ナノ計測と比較して、解像度よりも高い精度が求められます。

ナノスケールで動作する座標測定機(CMM) のフレームは、マクロスケールの物体に使用される CMM よりも小さくなります。これは、x、y、z 方向のナノスケールの不確実性を達成するために必要な剛性と安定性を提供できるためです。このような機械のプローブは、側面やナノホールなどの内部からナノメートルの特徴を 3D 測定できるように小さくする必要があります。また、精度を上げるにはレーザー干渉計を使用する必要があります。NIST は、分子測定機と呼ばれる表面測定機器を開発しました。この機器は基本的に STM です。x 軸と y 軸はレーザー干渉計によって読み取られます。表面領域の分子は個別に識別でき、同時に任意の 2 つの分子間の距離を測定できます。分子分解能で測定する場合、非常に小さな表面積でも測定時間は非常に長くなります。イルメナウ マシンは、イルメナウ工科大学の研究者によって開発された別のナノ測定機器です。

ナノ CMM のコンポーネントには、ナノプローブ、制御ハードウェア、3D ナノポジショニング プラットフォーム、線形および角度測定 用の高解像度と高精度を備えた機器が含まれます。

マクロスケールの計測ではトレーサビリティの実現は非常に簡単で、スケール、レーザー干渉計、ステップゲージ、直定規などの加工品が使用されます。ナノスケールでは、結晶性の 高配向熱分解グラファイト（HOPG）、雲母、またはシリコン表面が、トレーサビリティを実現するための校正加工品として適していると考えられています。^{[4] [5]}しかし、トレーサビリティを常に確保できるわけではありません。ナノスケールでの直定規が何であるかと同じように、マクロスケールと同じ標準を採用したとしても、ナノスケールで正確に校正する方法はありません。これは、必要な国際的または国内的に受け入れられた参照標準が常に存在するとは限らないためです。また、トレーサビリティを確保するために必要な測定機器も開発されていません。トレーサビリティに一般的に使用されるのは、従来の計測標準の小型化であるため、ナノスケールの標準を確立する必要があります。また、何らかの不確実性推定モデルを確立する必要もあります。トレーサビリティは、複数の生産者が存在する場合の製品の製造および組み立ての基本要件の1つです。

許容差とは、機器やプロセスの機能に重大な影響を与えることなく、寸法、特性、または条件の変動が許容される限度のことです。許容差は、性能を犠牲にすることなく、不完全性や固有の変動性に対して妥当な余裕を持たせるために指定されます。ナノテクノロジーでは、システムの寸法はナノメートルの範囲です。ナノ製造方法によって、トレーサビリティのための適切な較正基準を使用してナノスケールで許容差を定義することは困難です。半導体業界では、ナノ製造に使用されるさまざまな統合技術が開発されています。

• ヘテロ集積では、複合基板からナノシステムを直接製造します。アセンブリの機能を実現するには、幾何学的許容差が必要です。
• ハイブリッド統合では、ナノコンポーネントを基板上に配置または組み立てて、機能するナノシステムを製造します。この技術では、最も重要な制御パラメータは、基板上のコンポーネントの位置精度です。
• モノリシック統合では、すべての製造プロセスステップが単一の基板上に統合されるため、コンポーネントの結合や組み立ては必要ありません。この技術の利点は、ナノシステムの機能の実現や製造プロセスの制御において、幾何学的測定がもはや最重要ではなくなることです。

ナノ構造には、ナノ複合材料、ナノワイヤ、ナノパウダー、ナノチューブ、フラーレン、ナノファイバー、ナノケージ、ナノ微結晶、ナノニードル、ナノフォーム、ナノメッシュ、ナノ粒子、ナノピラー、薄膜、ナノロッド、ナノファブリック、量子ドットなど、さまざまなものがあります。ナノ構造を分類する最も一般的な方法は、その寸法によるものです。

ナノ構造は、それを構成する粒子の構造とサイズに基づいて分類できます。これは、2 次元および 3 次元ナノ構造の場合に適用されます。

ナノパウダーの比表面積を測定するには、 BET法が一般的に使用されます。密閉容器内の窒素の圧力降下は、容器内に挿入された材料の表面に窒素分子が吸着することによって測定されます。また、ナノパウダー粒子の形状は球形であると想定されます。

D = 6/(ρ*A)

ここで、「D」は有効直径、「ρ」は密度、「A」は BET 法で求めた表面積です。

• ナノ粒子の特性評価

• ホワイトハウス、デビッド J. (2011)。表面およびナノ計測ハンドブック。CRC プレス。ISBN 9781420082012. OCLC  703152969.
• Schulte, Jürgen (2005)。『ナノテクノロジー：世界戦略、業界動向、応用』 Wiley。ISBN 9780470854006. OCLC  56733161.
• 「第 8 回ナノフォーラム レポート: ナノ計測学」(PDF)。ナノフォーラム。2006 年 7 月。
• Aliofkhazraei, Mahmood; Rouhaghdam, Alireza Sabour (2010)。「ナノ構造フィルムの合成と処理、およびプラズマ電解の紹介と比較」(PDF)。プラズマ電解によるナノ構造の製造。Wiley-VCH。ISBN 9783527326754. OCLC  676709104.