V tomto blogovém příspěvku se budeme zabývat konceptem nanovrobutařských procesů – základem nanotechnologií – a také reprezentativními procesními metodami a charakteristikami každé technologie.
Představte si krychli. S klesající délkou jedné hrany se poměr povrchu k objemu exponenciálně zvyšuje a v mikroskopickém světě se objevují různé jevy, které v makroskopickém světě nepozorujeme. Pro studium těchto charakteristik jsou nezbytné vysoce přesné pozorovací techniky. V minulosti bylo možné kvůli omezením optických mikroskopů analyzovat pouze struktury v mikrometrovém měřítku. S pokrokem ve vědě a technologii – včetně elektronových mikroskopů – je však možné pozorovat struktury o velikosti pouhých nanometrů, což vede k aktivnímu výzkumu v této oblasti. V současné době probíhá výzkum v různých oblastech – jako je elektronika a informační a komunikační technologie, biotechnologie, životní prostředí a energetika, obrana a letectví – s cílem využít charakteristiky mikroskopického světa.
Nanofabrikace (Nanofab) se obecně vztahuje na všechny procesy spojené s hromadnou výrobou struktur o velikosti od 1 nm do 100 nm. Výroba takových nanostruktur vyžaduje přístup odlišný od tradičních metod používaných ke zpracování struktur – jako jsou trubky – o délce mikrometrů nebo delší. Z tohoto důvodu se technologie nanofabrikace etablovala jako základní technologie nanotechnologie, pokrývající rozsah přibližně 1–100 nm. Konečným cílem technologie nanofabrikace je snadná a ekonomická hromadná výroba požadovaných nanostruktur.
Dosud vyvinuté nanofabrikační procesy se obecně dělí na metody shora dolů a zdola nahoru. Metoda shora dolů zahrnuje postupné zušlechťování sypkých materiálů za účelem vytvoření požadovaných nanostruktur; představuje přesnější vývoj stávajících technologií mikrofabrikace. Reprezentativními příklady je fotolitografie a měkká litografie. Naproti tomu metody zdola nahoru jsou technologie, které vytvářejí struktury na atomové nebo molekulární úrovni na základě chemických procesů. Depozice z plynné fáze a samouskládání jsou reprezentativními procesy zdola nahoru.
Fotolitografie je reprezentativní nanotechnologický proces, který využívá fotocitlivý polymer (fotorezist, PR), jenž reaguje na specifické vlnové délky, jako je ultrafialové světlo, k přenosu vzoru masky na křemíkový substrát. Termín „litografie“ pochází z knihtisku a označuje metodu vytváření požadovaných struktur pomocí masky. Maska se zde vztahuje na šablonu použitou k vytvoření požadovaného vzoru na substrátu. V tomto procesu je kritickým faktorem rozlišení – nejmenší velikost, které lze na substrátu dosáhnout. Optická litografie čelí zásadním omezením rozlišení v důsledku difrakce světla. Ačkoli se většina polovodičů, které se v současnosti vyrábějí, vyrábí touto metodou fotolitografie, omezení konvenčního přístupu jsou stále zřetelnější s tím, jak hustota integrace polovodičů neustále roste; v důsledku toho se aktivně zkoumají různé procesy, které by jej mohly nahradit nebo doplnit.
Měkká litografie je proces shora dolů, který spolu s fotolitografií přitahuje značnou pozornost. Její název je odvozen od skutečnosti, že forma použitá k vytváření vzorů je vyrobena z PDMS (polydimethylsiloxanu), elastického materiálu, namísto konvenčních tuhých materiálů. PDMS použitý jako forma má nízkou povrchovou energii a je chemicky stabilní, takže nereaguje snadno s materiálem, na který má být vzor přenesen, a po přenosu jej lze snadno oddělit. Kromě toho nabízí vynikající propustnost plynů a tepelnou stabilitu, což poskytuje různé procesní výhody, a je široce používán v laboratořích, které zkoumají nanostruktury.
Depozice z plynné fáze je proces, při kterém se vytváří tenký film nanesením požadovaného materiálu na substrát. Jednoduše řečeno, lze jej přirovnat k procesu hromadění sněhu v zimě. Metody depozice z plynné fáze se obecně dělí na chemickou depozici z plynné fáze (CVD) a fyzikální depozici z plynné fáze (PVD). Při chemické depozici z plynné fáze se materiál, který se má na substrát nanést, dodává v plynném stavu; tento materiál poté difunduje k povrchu substrátu, kde podléhá chemické reakci za vzniku tenkého filmu. Po vytvoření tenkého filmu se zbývající materiál oddělí od substrátu a odvětrá se zpět do plynného stavu. Fyzikální depozice z plynné fáze zahrnuje aplikaci energie na materiál použitý k vytvoření tenkého filmu, fyzické oddělení atomů nebo molekul a jejich následné nanesení na substrát. Naprašování, reprezentativní příklad, je proces, při kterém se částice s vysokou energií srážejí s terčem, což způsobuje vymrštění atomů nebo molekul a jejich usazení na substrát.
Naproti tomu samouskládání – na rozdíl od dříve představených procesů – nezahrnuje přímé vnější tvarování struktury; spíše se jedná o proces, při kterém se komponenty sestavují vlastními silami a tvoří strukturu. Tento jev je také běžně pozorován v biologických procesech, jako je syntéza proteinů. Na současné úrovni technologie však existují ve srovnání s dříve představenými procesy omezení, pokud jde o realizaci zamýšlených struktur s vysokou přesností a nízkou mírou vad. Nicméně je považována za klíčovou technologii pro výrobu trojrozměrných nanostruktur a pro realizaci struktur schopných samoopravy a samoreplikace a očekává se, že bude hrát klíčovou roli v budoucích procesech nanofabrikace.
