Selles blogipostituses uurime nanotootmisprotsesside kontseptsiooni – nanotehnoloogia alustala – ning samuti tüüpilisi protsessimeetodeid ja iga tehnoloogia omadusi.
Kujutage ette kuupi. Ühe serva pikkuse vähenedes suureneb pinna ja ruumala suhe eksponentsiaalselt ning mikroskoopilises maailmas ilmnevad mitmesugused nähtused, mida makroskoopilises maailmas ei täheldata. Nende omaduste uurimiseks on hädavajalikud ülitäpsed vaatlustehnikad. Varem sai optiliste mikroskoopide piiratuse tõttu analüüsida ainult mikromeetri skaalal olevaid struktuure. Teaduse ja tehnoloogia arenguga, sealhulgas elektronmikroskoopide abil, on aga võimalik jälgida isegi nanomeetri suuruseid struktuure, mis on viinud aktiivse uurimistööni selles valdkonnas. Praegu käivad uuringud erinevates valdkondades, näiteks elektroonikas ja info- ja kommunikatsioonitehnoloogias, biotehnoloogias, keskkonnas ja energeetikas, kaitses ning lennunduses, et rakendada mikroskoopilise maailma omadusi.
Nanotöötlus (Nanofab) viitab üldiselt kõigile protsessidele, mis on seotud 1 nm kuni 100 nm suuruste struktuuride masstootmisega. Selliste nanoskaala struktuuride valmistamine nõuab lähenemisviisi, mis erineb traditsioonilistest meetoditest, mida kasutatakse mikromeetrite või pikemate struktuuride (nt torude) töötlemiseks. Sel põhjusel on nanotöötlustehnoloogia ennast tõestanud nanotehnoloogia põhitehnoloogiana, hõlmates umbes 1–100 nm vahemikku. Nanotöötlustehnoloogia lõppeesmärk on soovitud nanostruktuuride masstootmine lihtsalt ja ökonoomselt.
Praeguseks välja töötatud nanotootmisprotsessid jagunevad laias laastus ülalt-alla ja alt-üles meetoditeks. Ülalt-alla meetod hõlmab puistematerjalide järkjärgulist rafineerimist soovitud nanostruktuuride loomiseks; see esindab olemasolevate mikrotootmistehnoloogiate täpsemat evolutsiooni. Tüüpiliste näidete hulka kuuluvad fotolitograafia ja pehme litograafia. Seevastu alt-üles meetodid on tehnoloogiad, mis moodustavad keemiliste protsesside põhjal struktuure aatomi- või molekulaartasandil. Aursadestamine ja isekomplekteerumine on tüüpilised alt-üles protsessid.
Fotolitograafia on tüüpiline nanotehnoloogiline protsess, mis kasutab valgustundlikku polümeeri (fotoresist, PR), mis reageerib kindlatele lainepikkustele, näiteks ultraviolettvalgusele, maskimustri ülekandmiseks ränisubstraadile. Mõiste "litograafia" pärineb kõrgtrükist ja viitab meetodile soovitud struktuuride moodustamiseks maski abil. Siin viitab mask šabloonile, mida kasutatakse soovitud mustri moodustamiseks substraadile. Selles protsessis on eraldusvõime – väikseim suurus, mida substraadil saab realiseerida – kriitilise tähtsusega tegur. Optiliselt põhinev litograafia seisab silmitsi valguse difraktsiooni tõttu oluliste eraldusvõime piirangutega. Kuigi enamik praegu tootmises olevaid pooljuhte on valmistatud selle fotolitograafia meetodi abil, muutuvad tavapärase lähenemisviisi piirangud üha ilmsemaks, kuna pooljuhtide integreerimise tihedus jätkab kasvamist; seetõttu uuritakse aktiivselt erinevaid protsesse selle asendamiseks või täiendamiseks.
Pehme litograafia on ülalt-alla protsess, mis koos fotolitograafiaga on pälvinud märkimisväärset tähelepanu. Selle nimi tuleneb asjaolust, et mustrite moodustamiseks kasutatav vorm on valmistatud PDMS-ist (polüdimetüülsiloksaan), mis on elastne materjal, mitte tavalised jäigad materjalid. Vormina kasutataval PDMS-il on madal pinnaenergia ja see on keemiliselt stabiilne, seega ei reageeri see kergesti materjaliga, millele muster üle kantakse, ja seda saab pärast ülekandmist kergesti eraldada. Lisaks pakub see suurepärast gaasi läbilaskvust ja termilist stabiilsust, mis annab mitmesuguseid protsessi eeliseid, ning seda kasutatakse laialdaselt nanostruktuuride uurimise laborites.
Aursadestamine on protsess, mille käigus kasvatatakse soovitud materjali aluspinnale õhukese kile moodustamiseks. Lihtsamalt öeldes võib seda võrrelda talvel lume kogunemise protsessiga. Aursadestamise meetodid jagunevad laias laastus keemiliseks aurustamise-sadestamiseks (CVD) ja füüsikaliseks aurustamise-sadestamiseks (PVD). Keemilise aurustamise-sadestamise puhul suunatakse aluspinnale kasvatatav materjal gaasilises olekus; see materjal difundeerub seejärel aluspinna pinnale, kus see läbib keemilise reaktsiooni, moodustades õhukese kile. Pärast õhukese kile moodustumist eraldub ülejäänud materjal aluspinnalt ja suunatakse tagasi gaasilisse olekusse. Füüsikaline aurustamine hõlmab energia rakendamist õhukese kile moodustamiseks kasutatud materjalile, aatomite või molekulide füüsilist eraldamist ja seejärel nende sadestamist aluspinnale. Tüüpiline näide on pihustuspritsmetega sadestamine, mille käigus suure energiaga osakesed põrkuvad sihtmärgiga, põhjustades aatomite või molekulide väljapaiskumise ja sadestumise aluspinnale.
Seevastu ei hõlma iseassambleerumine – erinevalt varem tutvustatud protsessidest – struktuuri otsest välist kujundamist; pigem on see protsess, mille käigus komponendid moodustavad oma jõudude abil struktuuri. Seda nähtust täheldatakse sageli ka bioloogilistes protsessides, näiteks valgusünteesis. Praegusel tehnoloogia tasemel on aga võrreldes varem tutvustatud protsessidega piiranguid kavandatud struktuuride suure täpsuse ja madala defektimääraga realiseerimise osas. Sellest hoolimata peetakse seda oluliseks tehnoloogiaks kolmemõõtmeliste nanostruktuuride valmistamiseks ja isetervenemiseks ja isereplitseerumiseks võimeliste struktuuride loomiseks ning eeldatavasti mängib see olulist rolli tulevastes nanotootmisprotsessides.
