In diesem Blogbeitrag werden wir das Konzept der Nanoproduktionsprozesse – die Grundlage der Nanotechnologie – sowie repräsentative Prozessmethoden und die Eigenschaften der jeweiligen Technologie untersuchen.
Betrachten wir einen Würfel. Verkürzt sich eine Kante, steigt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen exponentiell an, und in der mikroskopischen Welt treten verschiedene Phänomene auf, die in der makroskopischen Welt nicht beobachtet werden. Um diese Eigenschaften zu untersuchen, sind hochpräzise Beobachtungstechniken unerlässlich. Aufgrund der Beschränkungen optischer Mikroskope konnten in der Vergangenheit nur Strukturen im Mikrometerbereich analysiert werden. Dank Fortschritten in Wissenschaft und Technik – darunter Elektronenmikroskope – ist es jedoch möglich geworden, Strukturen im Nanometerbereich zu beobachten, was zu intensiver Forschung auf diesem Gebiet geführt hat. Aktuell wird in verschiedenen Bereichen – wie Elektronik und Informations- und Kommunikationstechnologie, Biotechnologie, Umwelt und Energie, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt – daran geforscht, die Eigenschaften der mikroskopischen Welt nutzbar zu machen.
Nanofabrikation (Nanofab) bezeichnet allgemein alle Prozesse der Massenproduktion von Strukturen im Bereich von 1 nm bis 100 nm. Die Herstellung solcher Nanostrukturen erfordert einen anderen Ansatz als die traditionellen Verfahren zur Bearbeitung von Strukturen – wie beispielsweise Rohren – mit Längen im Mikrometerbereich oder darüber hinaus. Aus diesem Grund hat sich die Nanofabrikationstechnologie als eine der grundlegenden Kerntechnologien der Nanotechnologie etabliert und deckt den Bereich von etwa 1–100 nm ab. Das übergeordnete Ziel der Nanofabrikationstechnologie ist die einfache und wirtschaftliche Massenproduktion gewünschter Nanostrukturen.
Die bisher entwickelten Nanofabrikationsverfahren lassen sich grob in Top-down- und Bottom-up-Methoden unterteilen. Bei der Top-down-Methode werden Basismaterialien schrittweise verfeinert, um die gewünschten Nanostrukturen zu erzeugen; sie stellt eine präzisere Weiterentwicklung bestehender Mikrofabrikationstechnologien dar. Beispiele hierfür sind Fotolithografie und Weichlithografie. Im Gegensatz dazu bilden Bottom-up-Methoden Strukturen auf atomarer oder molekularer Ebene mittels chemischer Prozesse. Dampfabscheidung und Selbstorganisation sind typische Bottom-up-Verfahren.
Die Fotolithografie ist ein typisches Nanotechnologieverfahren, das ein lichtempfindliches Polymer (Fotolack, PR) nutzt, welches auf bestimmte Wellenlängen wie ultraviolettes Licht reagiert, um ein Maskenmuster auf ein Siliziumsubstrat zu übertragen. Der Begriff „Lithografie“ stammt aus dem Buchdruck und bezeichnet ein Verfahren zur Erzeugung gewünschter Strukturen mithilfe einer Maske. Die Maske ist hierbei eine Schablone, die das gewünschte Muster auf dem Substrat erzeugt. Die Auflösung – die kleinste auf dem Substrat realisierbare Größe – ist in diesem Prozess ein entscheidender Faktor. Optische Lithografien stoßen aufgrund der Lichtbeugung an grundlegende Auflösungsgrenzen. Obwohl die meisten aktuell produzierten Halbleiter mit diesem Fotolithografieverfahren hergestellt werden, treten die Grenzen des konventionellen Ansatzes mit zunehmender Integrationsdichte von Halbleitern immer deutlicher zutage. Daher wird intensiv an alternativen oder ergänzenden Verfahren geforscht.
Die Weichlithografie ist ein Top-Down-Verfahren, das – neben der Fotolithografie – zunehmend an Bedeutung gewinnt. Ihr Name leitet sich davon ab, dass die zur Strukturierung verwendete Form aus PDMS (Polydimethylsiloxan), einem elastischen Material, und nicht aus herkömmlichen starren Werkstoffen besteht. Das als Form verwendete PDMS weist eine niedrige Oberflächenenergie auf und ist chemisch stabil, sodass es nicht mit dem Material reagiert, auf das die Struktur übertragen werden soll, und sich nach der Übertragung leicht ablösen lässt. Darüber hinaus bietet es eine ausgezeichnete Gasdurchlässigkeit und thermische Stabilität, was verschiedene Prozessvorteile mit sich bringt und es in Laboren zur Erforschung von Nanostrukturen weit verbreitet macht.
Die Dampfabscheidung ist ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten durch Aufwachsen des gewünschten Materials auf einem Substrat. Vereinfacht gesagt, lässt sie sich mit dem Schneefall im Winter vergleichen. Dampfabscheidungsverfahren werden im Allgemeinen in chemische Dampfabscheidung (CVD) und physikalische Dampfabscheidung (PVD) unterteilt. Bei der chemischen Dampfabscheidung wird das auf dem Substrat abzuscheidende Material gasförmig zugeführt. Es diffundiert zur Substratoberfläche, wo es durch eine chemische Reaktion einen dünnen Film bildet. Nach der Filmbildung löst sich das restliche Material vom Substrat und wird wieder in den gasförmigen Zustand abgeführt. Bei der physikalischen Dampfabscheidung wird dem Material zur Bildung des dünnen Films Energie zugeführt, wodurch die Atome oder Moleküle physikalisch getrennt und anschließend auf dem Substrat abgeschieden werden. Sputtern ist ein typisches Beispiel: Dabei kollidieren hochenergetische Teilchen mit einem Target, wodurch Atome oder Moleküle herausgeschleudert und auf dem Substrat abgeschieden werden.
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Prozessen beinhaltet die Selbstorganisation keine direkte äußere Formgebung der Struktur; vielmehr handelt es sich um einen Prozess, bei dem sich Komponenten unter Eigenkräften zu einer Struktur zusammenfügen. Dieses Phänomen ist auch in biologischen Prozessen wie der Proteinsynthese häufig zu beobachten. Allerdings bestehen auf dem aktuellen Stand der Technik im Vergleich zu den zuvor vorgestellten Verfahren Einschränkungen hinsichtlich der Realisierung gewünschter Strukturen mit hoher Genauigkeit und geringer Fehlerrate. Dennoch gilt sie als Schlüsseltechnologie für die Herstellung dreidimensionaler Nanostrukturen und für die Realisierung von Strukturen mit Selbstheilungs- und Selbstreplikationsfähigkeit und wird voraussichtlich in zukünftigen Nanofabrikationsprozessen eine zentrale Rolle spielen.
