En aquesta entrada del blog, explorarem el concepte dels processos de nanofabricació —la base de la nanotecnologia—, així com els mètodes de procés representatius i les característiques de cada tecnologia.
Considerem un cub. A mesura que la longitud d'una aresta disminueix, la relació superfície-volum augmenta exponencialment i, en el món microscòpic, emergeixen diversos fenòmens que no s'observen en el món macroscòpic. Per estudiar aquestes característiques, són essencials tècniques d'observació d'alta precisió. En el passat, a causa de les limitacions dels microscopis òptics, només es podien analitzar estructures a escala micromètrica. Tanmateix, amb els avenços en la ciència i la tecnologia, inclosos els microscopis electrònics, ha estat possible observar estructures tan petites com els nanòmetres, la qual cosa ha portat a una investigació activa en aquest camp. Actualment, s'està duent a terme una investigació en diversos camps, com ara l'electrònica i la tecnologia de la informació i les comunicacions, la biotecnologia, el medi ambient i l'energia, la defensa i l'aeroespacial, per aprofitar les característiques del món microscòpic.
La nanofabricació (Nanofab) generalment fa referència a tots els processos implicats en la producció en massa d'estructures que van d'1 nm a 100 nm. La fabricació d'aquestes estructures a nanoescala requereix un enfocament diferent dels mètodes tradicionals utilitzats per processar estructures, com ara canonades, que tenen una longitud de micròmetres o més. Per aquest motiu, la tecnologia de nanofabricació s'ha establert com una tecnologia fonamental de la nanotecnologia, que cobreix el rang aproximat d'1 a 100 nm. L'objectiu final de la tecnologia de nanofabricació és produir en massa les nanoestructures desitjades de manera fàcil i econòmica.
Els processos de nanofabricació desenvolupats fins ara es classifiquen àmpliament en mètodes de dalt a baix i de baix a dalt. El mètode de dalt a baix implica el refinament progressiu de materials a granel per crear les nanoestructures desitjades; representa una evolució més precisa de les tecnologies de microfabricació existents. Exemples representatius inclouen la fotolitografia i la litografia tova. En canvi, els mètodes de baix a dalt són tecnologies que formen estructures a nivell atòmic o molecular basades en processos químics. La deposició de vapor i l'autoacoblament són processos de baix a dalt representatius.
La fotolitografia és un procés nanotecnològic representatiu que utilitza un polímer fotosensible (fotorresina, PR), que reacciona a longituds d'ona específiques com la llum ultraviolada, per transferir un patró de màscara a un substrat de silici. El terme "litografia" prové de la impressió tipogràfica i es refereix a un mètode per formar estructures desitjades mitjançant una màscara. Aquí, la màscara es refereix a una plantilla utilitzada per formar el patró desitjat al substrat. En aquest procés, la resolució (la mida més petita que es pot aconseguir al substrat) és un factor crític. La litografia basada en l'òptica s'enfronta a limitacions fonamentals en la resolució a causa de la difracció de la llum. Tot i que la majoria dels semiconductors que es produeixen actualment es fabriquen mitjançant aquest mètode de fotolitografia, les limitacions de l'enfocament convencional són cada cop més evidents a mesura que la densitat d'integració de semiconductors continua augmentant; en conseqüència, s'estan investigant activament diversos processos per substituir-lo o complementar-lo.
La litografia tova és un procés de dalt a baix que, juntament amb la fotolitografia, està atraient una atenció significativa. El seu nom deriva del fet que el motlle utilitzat per formar patrons està fet de PDMS (polidimetilsiloxà), un material elàstic, en lloc de materials rígids convencionals. El PDMS utilitzat com a motlle té baixa energia superficial i és químicament estable, de manera que no reacciona fàcilment amb el material sobre el qual s'ha de transferir el patró i es pot separar fàcilment després de la transferència. A més, ofereix una excel·lent permeabilitat als gasos i estabilitat tèrmica, cosa que proporciona diversos avantatges de procés i s'utilitza àmpliament en laboratoris que investiguen nanoestructures.
La deposició de vapor és un procés que forma una pel·lícula fina fent créixer el material desitjat sobre un substrat. En poques paraules, es pot comparar amb el procés d'acumulació de neu a l'hivern. Els mètodes de deposició de vapor es classifiquen àmpliament en deposició química de vapor (CVD) i deposició física de vapor (PVD). En la deposició química de vapor, el material que s'ha de fer créixer sobre el substrat es subministra en estat gasós; aquest material es difon a la superfície del substrat, on experimenta una reacció química per formar una pel·lícula fina. Després de formar la pel·lícula fina, el material restant es desprèn del substrat i es ventila de nou a l'estat gasós. La deposició física de vapor implica aplicar energia al material utilitzat per formar la pel·lícula fina, separar físicament els àtoms o molècules i després dipositar-los sobre el substrat. La pulverització catòdica, un exemple representatiu, és un procés en què partícules d'alta energia xoquen amb un objectiu, fent que àtoms o molècules siguin expulsats i dipositats sobre el substrat.
En canvi, l'autoacoblament —a diferència dels processos introduïts anteriorment— no implica la conformació externa directa de l'estructura; més aviat, és un procés en què els components s'acoblen sota les seves pròpies forces per formar una estructura. Aquest fenomen també s'observa habitualment en processos biològics com la síntesi de proteïnes. Tanmateix, al nivell actual de la tecnologia, hi ha limitacions en comparació amb els processos introduïts anteriorment pel que fa a la realització d'estructures previstes amb alta precisió i baixes taxes de defectes. No obstant això, es considera una tecnologia crucial per fabricar nanoestructures tridimensionals i per realitzar estructures capaces d'autocuració i autoreplicació, i s'espera que tingui un paper fonamental en els futurs processos de nanofabricació.
