I dette blogindlæg vil vi udforske konceptet bag nanofremstillingsprocesser – grundlaget for nanoteknologi – samt repræsentative procesmetoder og karakteristikaene for hver teknologi.
Forestil dig en terning. Når længden af en kant aftager, øges forholdet mellem overflade og volumen eksponentielt, og i den mikroskopiske verden opstår forskellige fænomener, som ikke observeres i den makroskopiske verden. For at studere disse karakteristika er meget præcise observationsteknikker afgørende. Tidligere kunne man på grund af begrænsningerne ved optiske mikroskoper kun analysere strukturer på mikrometerskala. Men med fremskridt inden for videnskab og teknologi - herunder elektronmikroskoper - er det blevet muligt at observere strukturer så små som nanometer, hvilket har ført til aktiv forskning på dette område. I øjeblikket er der forskning i gang inden for forskellige områder - såsom elektronik og informations- og kommunikationsteknologi, bioteknologi, miljø og energi, forsvar og rumfart - for at udnytte den mikroskopiske verdens karakteristika.
Nanofabrikation (Nanofab) refererer generelt til alle processer involveret i masseproduktion af strukturer fra 1 nm til 100 nm. Fremstilling af sådanne nanoskalastrukturer kræver en anden tilgang end traditionelle metoder, der anvendes til at bearbejde strukturer - såsom rør - der er mikrometer eller længere i længden. Af denne grund har nanofabrikationsteknologi etableret sig som en central grundlæggende teknologi inden for nanoteknologi, der dækker området fra cirka 1-100 nm. Det endelige mål med nanofabrikationsteknologi er at masseproducere de ønskede nanostrukturer nemt og økonomisk.
Nanofabrikationsprocesser, der er udviklet til dato, er bredt kategoriseret i top-down- og bottom-up-metoder. Top-down-metoden involverer gradvis raffinering af bulkmaterialer for at skabe de ønskede nanostrukturer; den repræsenterer en mere præcis udvikling af eksisterende mikrofabrikationsteknologier. Repræsentative eksempler omfatter fotolitografi og blød litografi. I modsætning hertil er bottom-up-metoder teknologier, der danner strukturer på atomart eller molekylært niveau baseret på kemiske processer. Dampaflejring og selv-assemblage er repræsentative bottom-up-processer.
Fotolitografi er en repræsentativ nanoteknologisk proces, der bruger en lysfølsom polymer (fotoresist, PR), som reagerer på specifikke bølgelængder såsom ultraviolet lys, til at overføre et maskemønster til et siliciumsubstrat. Udtrykket "litografi" stammer fra letterpress-tryk og refererer til en metode til at danne ønskede strukturer ved hjælp af en maske. Her refererer masken til en stencil, der bruges til at danne det ønskede mønster på substratet. I denne proces er opløsning - den mindste størrelse, der kan realiseres på substratet - en kritisk faktor. Optisk baseret litografi står over for grundlæggende begrænsninger i opløsning på grund af lysets diffraktion. Selvom de fleste halvledere, der i øjeblikket er i produktion, fremstilles ved hjælp af denne fotolitografimetode, bliver begrænsningerne ved den konventionelle tilgang stadig tydeligere, efterhånden som halvlederintegrationstætheden fortsætter med at stige; derfor forskes der aktivt i forskellige processer til at erstatte eller supplere den.
Blød litografi er en top-down-proces, der sammen med fotolitografi tiltrækker sig betydelig opmærksomhed. Navnet stammer fra det faktum, at den form, der bruges til at danne mønstre, er lavet af PDMS (polydimethylsiloxan), et elastisk materiale, snarere end konventionelle stive materialer. PDMS'en, der bruges som form, har lav overfladeenergi og er kemisk stabil, så den reagerer ikke let med det materiale, som mønsteret skal overføres til, og den kan let adskilles efter overførsel. Desuden tilbyder den fremragende gaspermeabilitet og termisk stabilitet, hvilket giver forskellige procesfordele, og den anvendes i vid udstrækning i laboratorier, der forsker i nanostrukturer.
Dampaflejring er en proces, der danner en tynd film ved at dyrke det ønskede materiale på et substrat. Kort sagt kan det sammenlignes med processen med sne, der samler sig om vinteren. Dampaflejringsmetoder er bredt kategoriseret i kemisk dampaflejring (CVD) og fysisk dampaflejring (PVD). Ved kemisk dampaflejring tilføres det materiale, der skal dyrkes på substratet, i en gasformig tilstand; dette materiale diffunderer derefter til substratoverfladen, hvor det undergår en kemisk reaktion for at danne en tynd film. Efter at den tynde film er dannet, løsnes det resterende materiale fra substratet og udluftes tilbage til gasformig tilstand. Fysisk dampaflejring involverer at tilføre energi til det materiale, der bruges til at danne den tynde film, fysisk adskille atomerne eller molekylerne og derefter aflejre dem på substratet. Sputtering, et repræsentativt eksempel, er en proces, hvor højenergipartikler kolliderer med et mål, hvilket får atomer eller molekyler til at blive udstødt og aflejret på substratet.
I modsætning hertil involverer selv-assembling – i modsætning til de tidligere introducerede processer – ikke direkte ekstern formning af strukturen; det er snarere en proces, hvor komponenter samles under deres egne kræfter for at danne en struktur. Dette fænomen observeres også almindeligt i biologiske processer såsom proteinsyntese. På det nuværende teknologiske niveau er der dog begrænsninger i forhold til de tidligere introducerede processer med hensyn til at realisere tilsigtede strukturer med høj nøjagtighed og lave defektrater. Ikke desto mindre betragtes det som en afgørende teknologi til fremstilling af tredimensionelle nanostrukturer og til fremstilling af strukturer, der er i stand til selvheling og selvreplikering, og det forventes, at det vil spille en central rolle i fremtidige nanofabrikationsprocesser.
