בפוסט זה בבלוג, נחקור את מושג תהליכי הייצור הננומטרי - הבסיס של הננוטכנולוגיה - כמו גם שיטות תהליך מייצגות והמאפיינים של כל טכנולוגיה.
חשבו על קובייה. ככל שאורך של צלע אחת פוחת, יחס פני השטח לנפח עולה באופן אקספוננציאלי, ובעולם המיקרוסקופי מתפרצות תופעות שונות שאינן נצפות בעולם המקרוסקופי. כדי לחקור מאפיינים אלה, טכניקות תצפית מדויקות ביותר הן חיוניות. בעבר, עקב מגבלותיהם של מיקרוסקופים אופטיים, ניתן היה לנתח רק מבנים בקנה מידה של מיקרומטר. עם זאת, עם ההתקדמות במדע ובטכנולוגיה - כולל מיקרוסקופי אלקטרונים - ניתן היה לצפות במבנים קטנים כמו ננומטרים, מה שהוביל למחקר פעיל בתחום זה. כיום, מתקיים מחקר בתחומים שונים - כגון אלקטרוניקה וטכנולוגיית מידע ותקשורת, ביוטכנולוגיה, סביבה ואנרגיה, הגנה וחלל - כדי לרתום את מאפייני העולם המיקרוסקופי.
ייצור ננומטרי (Nanofab) מתייחס בדרך כלל לכל התהליכים המעורבים בייצור המוני של מבנים בגודל שבין 1 ננומטר ל-100 ננומטר. ייצור מבנים בקנה מידה ננומטרי כזה דורש גישה שונה משיטות מסורתיות המשמשות לעיבוד מבנים - כגון צינורות - שאורכם מיקרומטר או יותר. מסיבה זו, טכנולוגיית ייצור ננומטרי ביססה את עצמה כטכנולוגיית יסוד מרכזית של ננוטכנולוגיה, המכסה את הטווח של 1-100 ננומטר בקירוב. המטרה הסופית של טכנולוגיית ייצור ננומטרי היא לייצר המוני של ננו-מבנים רצויים בקלות ובחסכונית.
תהליכי ייצור ננומטריים שפותחו עד כה מסווגים באופן כללי לשיטות מלמעלה למטה ולמטה למעלה. שיטת מלמעלה למטה כוללת זיקוק הדרגתי של חומרים בתפזורת ליצירת הננו-מבנים הרצויים; היא מייצגת אבולוציה מדויקת יותר של טכנולוגיות מיקרו-ייצור קיימות. דוגמאות מייצגות כוללות פוטוליתוגרפיה וליתוגרפיה רכה. לעומת זאת, שיטות מלמטה למעלה הן טכנולוגיות היוצרות מבנים ברמה האטומית או המולקולרית המבוססות על תהליכים כימיים. שקיעת אדים והרכבה עצמית הן תהליכים מלמטה למעלה מייצגים.
פוטוליתוגרפיה היא תהליך ננוטכנולוגיה מייצג המשתמש בפולימר רגיש לאור (פוטורזיסט, PR), המגיב לאורכי גל ספציפיים כמו אור אולטרה סגול, כדי להעביר דוגמת מסכה על גבי מצע סיליקון. המונח "ליתוגרפיה" מקורו בהדפס אותיות ומתייחס לשיטה ליצירת מבנים רצויים באמצעות מסכה. כאן, המסכה מתייחסת לשבלונה המשמשת ליצירת התבנית הרצויה על המצע. בתהליך זה, רזולוציה - הגודל הקטן ביותר שניתן לממש על המצע - היא גורם קריטי. ליתוגרפיה מבוססת אופטית מתמודדת עם מגבלות מהותיות ברזולוציה עקב דיפרקציית האור. למרות שרוב המוליכים למחצה הנמצאים כיום בייצור מיוצרים בשיטת פוטוליתוגרפיה זו, מגבלות הגישה הקונבנציונלית הופכות לברורות יותר ויותר ככל שצפיפות האינטגרציה של מוליכים למחצה ממשיכה לעלות; כתוצאה מכך, נחקרים באופן פעיל תהליכים שונים להחלפתה או להשלמתה.
ליתוגרפיה רכה היא תהליך מלמעלה למטה, אשר יחד עם פוטוליתוגרפיה מושך תשומת לב רבה. שמו נגזר מהעובדה שהתבנית המשמשת ליצירת דוגמאות עשויה מ-PDMS (פולידימתיל סילוקסאן), חומר אלסטי, ולא מחומרים קשיחים קונבנציונליים. ל-PDMS המשמש כתבנית יש אנרגיית פני שטח נמוכה והוא יציב מבחינה כימית, כך שהוא אינו מגיב בקלות עם החומר שאליו אמורה להיות מועברת הדוגמה, וניתן להפריד אותו בקלות לאחר ההעברה. יתר על כן, הוא מציע חדירות גזים ויציבות תרמית מצוינות, המספקות יתרונות תהליך שונים, והוא נמצא בשימוש נרחב במעבדות החוקרות ננו-מבנים.
שקיעת אדים היא תהליך היוצר שכבה דקה על ידי גידול החומר הרצוי על גבי מצע. במילים פשוטות, ניתן לדמות זאת לתהליך של הצטברות שלג בחורף. שיטות שקיעת אדים מסווגות באופן כללי לשקיעת אדים כימית (CVD) ושקיעת אדים פיזיקלית (PVD). בשקיעת אדים כימית, החומר שיגדל על המצע מסופק במצב גזי; חומר זה מתפזר לאחר מכן אל פני המצע, שם הוא עובר תגובה כימית ליצירת שכבה דקה. לאחר יצירת שכבה דקה, החומר הנותר מתנתק מהמצע ומופלט חזרה למצב גזי. שקיעת אדים פיזיקלית כרוכה בהפעלת אנרגיה על החומר המשמש ליצירת שכבה דקה, הפרדה פיזית של האטומים או המולקולות, ולאחר מכן שקיעתם על המצע. התזה, דוגמה מייצגת, היא תהליך שבו חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מתנגשים במטרה, וגורמים לאטומים או מולקולות להיפלט ולהישקע על המצע.
לעומת זאת, הרכבה עצמית - בניגוד לתהליכים שהוצגו קודם לכן - אינה כרוכה בעיצוב חיצוני ישיר של המבנה; זהו תהליך שבו רכיבים מרכיבים את עצמם תחת כוחותיהם שלהם ליצירת מבנה. תופעה זו נצפית בדרך כלל גם בתהליכים ביולוגיים כמו סינתזת חלבונים. עם זאת, ברמת הטכנולוגיה הנוכחית, ישנן מגבלות בהשוואה לתהליכים שהוצגו קודם לכן מבחינת מימוש מבנים מיועדים בדיוק גבוה ושיעורי פגמים נמוכים. אף על פי כן, היא נחשבת לטכנולוגיה מכרעת לייצור ננו-מבנים תלת-ממדיים ולמימוש מבנים המסוגלים לריפוי עצמי ולשכפול עצמי, והיא צפויה למלא תפקיד מרכזי בתהליכי ננו-ייצור עתידיים.
