Tässä blogikirjoituksessa tutkimme nanoteknologian perustaa – nanovalmistusprosessien käsitettä – sekä kunkin teknologian edustavia prosessimenetelmiä ja ominaisuuksia.
Tarkastellaan kuutiota. Kun yhden reunan pituus pienenee, pinta-alan suhde tilavuuteen kasvaa eksponentiaalisesti, ja mikroskooppisessa maailmassa ilmenee erilaisia ilmiöitä, joita ei havaita makroskooppisessa maailmassa. Näiden ominaisuuksien tutkimiseksi tarvitaan erittäin tarkkoja havaintotekniikoita. Aiemmin optisten mikroskooppien rajoitusten vuoksi voitiin analysoida vain mikrometrin kokoisia rakenteita. Tieteen ja teknologian kehityksen – mukaan lukien elektronimikroskooppien – myötä on kuitenkin tullut mahdolliseksi havaita jopa nanometrin kokoisia rakenteita, mikä on johtanut aktiiviseen tutkimukseen tällä alalla. Tällä hetkellä tutkimusta tehdään useilla aloilla – kuten elektroniikassa ja tieto- ja viestintätekniikassa, biotekniikassa, ympäristössä ja energiassa, puolustuksessa ja ilmailussa – mikroskooppisen maailman ominaisuuksien hyödyntämiseksi.
Nanovalmistus (Nanofab) viittaa yleisesti kaikkiin prosesseihin, jotka liittyvät 1 nm:stä 100 nm:iin ulottuvien rakenteiden massatuotantoon. Tällaisten nanomittakaavan rakenteiden valmistaminen vaatii erilaisen lähestymistavan kuin perinteiset menetelmät, joita käytetään mikrometrin tai pidempien rakenteiden – kuten putkien – käsittelyyn. Tästä syystä nanovalmistusteknologia on vakiinnuttanut asemansa nanoteknologian ydinosaamisalueena, joka kattaa noin 1–100 nm:n alueen. Nanovalmistusteknologian perimmäisenä tavoitteena on haluttujen nanorakenteiden massatuotanto helposti ja taloudellisesti.
Tähän mennessä kehitetyt nanovalmistusprosessit luokitellaan karkeasti ylhäältä alas- ja alhaalta ylös -menetelmiin. Ylhäältä alas -menetelmässä irtomateriaalit jalostetaan asteittain haluttujen nanorakenteiden luomiseksi; se edustaa olemassa olevien mikrovalmistustekniikoiden tarkempaa kehitystä. Hyviä esimerkkejä ovat fotolitografia ja pehmeä litografia. Sitä vastoin alhaalta ylös -menetelmät ovat tekniikoita, jotka muodostavat rakenteita atomi- tai molekyylitasolla kemiallisten prosessien perusteella. Höyrypinnoitus ja itsejärjestäytyminen ovat tyypillisiä alhaalta ylös -prosesseja.
Fotolitografia on tyypillinen nanoteknologiaprosessi, jossa käytetään valoherkkää polymeeriä (fotoresisti, PR), joka reagoi tiettyihin aallonpituuksiin, kuten ultraviolettivaloon, maskikuvion siirtämiseksi piisubstraatille. Termi "litografia" on peräisin kohopainotekniikasta ja viittaa menetelmään haluttujen rakenteiden muodostamiseksi maskin avulla. Tässä maskilla tarkoitetaan sapluunaa, jota käytetään halutun kuvion muodostamiseen substraatille. Tässä prosessissa resoluutio – pienin substraatille toteutettavissa oleva koko – on kriittinen tekijä. Optisesti perustuvassa litografiassa on perustavanlaatuisia resoluutiorajoituksia valon diffraktion vuoksi. Vaikka useimmat tällä hetkellä tuotannossa olevat puolijohteet valmistetaan tällä fotolitografiamenetelmällä, perinteisen lähestymistavan rajoitukset käyvät yhä ilmeisemmiksi puolijohteiden integrointitiheyden kasvaessa. Tämän seurauksena erilaisia prosesseja sen korvaamiseksi tai täydentämiseksi tutkitaan aktiivisesti.
Pehmeä litografia on ylhäältä alas -prosessi, joka fotolitografian ohella herättää huomattavaa huomiota. Sen nimi juontaa juurensa siitä, että kuvioiden muodostamiseen käytetty muotti on valmistettu PDMS:stä (polydimetyylisiloksaanista), joka on elastinen materiaali, eikä perinteisistä jäykistä materiaaleista. Muotina käytetyllä PDMS:llä on alhainen pintaenergia ja se on kemiallisesti stabiili, joten se ei reagoi helposti materiaalin kanssa, johon kuvio siirretään, ja se on helppo erottaa siirron jälkeen. Lisäksi sillä on erinomainen kaasunläpäisevyys ja lämpöstabiilisuus, mikä tarjoaa useita prosessietuja, ja sitä käytetään laajalti nanorakenteita tutkivissa laboratorioissa.
Höyrypinnoitus on prosessi, jossa haluttu materiaali kasvaa alustalle ja muodostaa ohuen kalvon. Yksinkertaisesti sanottuna sitä voidaan verrata lumen kertymiseen talvella. Höyrypinnoitusmenetelmät luokitellaan karkeasti kemialliseen höyrypinnoitukseen (CVD) ja fysikaaliseen höyrypinnoitukseen (PVD). Kemiallisessa höyrypinnoituksessa alustalle kasvatettava materiaali syötetään kaasumaisessa tilassa; tämä materiaali diffundoituu sitten alustan pinnalle, jossa se käy läpi kemiallisen reaktion muodostaen ohuen kalvon. Kun ohut kalvo on muodostunut, jäljelle jäänyt materiaali irtoaa alustasta ja poistuu takaisin kaasumaiseen tilaan. Fysikaalisessa höyrypinnoituksessa ohuen kalvon muodostamiseen käytettyyn materiaaliin kohdistetaan energiaa, atomien tai molekyylien fyysinen erottaminen ja niiden kerrostaminen alustalle. Sputterointi on edustava esimerkki prosessista, jossa korkeaenergiset hiukkaset törmäävät kohteeseen, jolloin atomien tai molekyylien irtoaminen ja kerrostuminen alustalle tapahtuu.
Sitä vastoin itsejärjestäytyminen – toisin kuin aiemmin esitellyt prosessit – ei sisällä rakenteen suoraa ulkoista muotoilua; pikemminkin se on prosessi, jossa komponentit kokoontuvat omien voimiensa vaikutuksesta muodostaen rakenteen. Tätä ilmiötä havaitaan yleisesti myös biologisissa prosesseissa, kuten proteiinisynteesissä. Nykyisellä teknologian tasolla on kuitenkin rajoituksia aiemmin esiteltyihin prosesseihin verrattuna, kun kyse on suunniteltujen rakenteiden toteuttamisesta suurella tarkkuudella ja alhaisilla vikaprosenteilla. Siitä huolimatta sitä pidetään ratkaisevana teknologiana kolmiulotteisten nanorakenteiden valmistuksessa ja itsekorjautumiskykyisten ja itsereplikoituvien rakenteiden toteuttamisessa, ja sen odotetaan olevan keskeisessä roolissa tulevaisuuden nanovalmistusprosesseissa.
