このブログ記事では、ナノテクノロジーの基盤となるナノ製造プロセスの概念、代表的なプロセス手法、そして各技術の特徴について解説します。
立方体を考えてみましょう。一辺の長さが短くなるにつれて、表面積対体積比は指数関数的に増加し、ミクロの世界ではマクロの世界では見られない様々な現象が現れます。これらの特性を研究するには、非常に精密な観察技術が不可欠です。従来、光学顕微鏡の限界から、マイクロメートルスケールの構造しか分析できませんでした。しかし、電子顕微鏡をはじめとする科学技術の進歩により、ナノメートルサイズの構造を観察することが可能になり、この分野の研究が活発化しています。現在、エレクトロニクス、情報通信技術、バイオテクノロジー、環境・エネルギー、防衛、航空宇宙など、様々な分野でミクロの世界の特性を活用するための研究が進められています。
ナノファブリケーション（ナノファブ）とは、一般的に1nmから100nmの範囲の構造を大量生産するすべてのプロセスを指します。このようなナノスケールの構造を作製するには、パイプなど、マイクロメートル以上の長さの構造を加工する従来の方法とは異なるアプローチが必要です。そのため、ナノファブリケーション技術は、約1～100nmの範囲をカバーするナノテクノロジーの中核的な基盤技術として確立されています。ナノファブリケーション技術の究極の目標は、望ましいナノ構造を容易かつ経済的に大量生産することです。
これまでに開発されたナノ加工プロセスは、大きくトップダウン方式とボトムアップ方式に分類されます。トップダウン方式は、バルク材料を段階的に精製して目的のナノ構造を作製する手法であり、既存の微細加工技術をより精密に進化させたものです。代表的な例としては、フォトリソグラフィーやソフトリソグラフィーが挙げられます。一方、ボトムアップ方式は、化学プロセスに基づいて原子レベルまたは分子レベルで構造を形成する技術です。蒸着や自己組織化は、代表的なボトムアッププロセスです。
フォトリソグラフィーは、紫外線などの特定の波長に反応する感光性ポリマー（フォトレジスト、PR）を用いてマスクパターンをシリコン基板に転写する、代表的なナノテクノロジープロセスです。「リソグラフィー」という用語は活版印刷に由来し、マスクを用いて所望の構造を形成する方法を指します。ここでいうマスクとは、基板上に所望のパターンを形成するために使用されるステンシルのことです。このプロセスでは、解像度（基板上で実現可能な最小サイズ）が重要な要素となります。光学的リソグラフィーは、光の回折により解像度に根本的な限界があります。現在生産されている半導体のほとんどはこのフォトリソグラフィー法を用いて製造されていますが、半導体集積密度の上昇に伴い、従来の手法の限界がますます顕著になってきています。そのため、この手法に代わる、あるいは補完する様々なプロセスが積極的に研究されています。
ソフトリソグラフィーは、フォトリソグラフィーと並んで大きな注目を集めているトップダウン方式のプロセスです。その名称は、パターン形成に用いられる型が、従来の硬質材料ではなく、弾性材料であるPDMS（ポリジメチルシロキサン）でできていることに由来します。型として用いられるPDMSは表面エネルギーが低く、化学的に安定しているため、パターンを転写する材料と容易に反応せず、転写後も容易に分離できます。さらに、優れたガス透過性と熱安定性を備えているため、様々なプロセス上の利点があり、ナノ構造を研究する研究室で広く利用されています。
蒸着は、基板上に目的の材料を成長させて薄膜を形成するプロセスです。簡単に言えば、冬に雪が積もる過程に例えることができます。蒸着法は、大きく化学蒸着（CVD）と物理蒸着（PVD）に分類されます。化学蒸着では、基板上に成長させる材料が気体状態で供給され、この材料が基板表面に拡散し、そこで化学反応を起こして薄膜を形成します。薄膜が形成された後、残りの材料は基板から分離し、気体状態に戻されます。物理蒸着では、薄膜を形成する材料にエネルギーを加え、原子または分子を物理的に分離し、基板上に堆積させます。代表的な例であるスパッタリングは、高エネルギー粒子がターゲットに衝突し、原子または分子を放出して基板上に堆積させるプロセスです。
対照的に、自己組織化は、先に紹介したプロセスとは異なり、構造を直接外部から成形するのではなく、構成要素が自身の力によって集合して構造を形成するプロセスです。この現象は、タンパク質合成などの生物学的プロセスでもよく見られます。しかし、現在の技術レベルでは、先に紹介したプロセスと比較して、高精度かつ低欠陥率で目的の構造を実現するという点で限界があります。それでもなお、自己組織化は、三次元ナノ構造の作製や、自己修復・自己複製が可能な構造の実現に不可欠な技術とみなされており、将来のナノ加工プロセスにおいて極めて重要な役割を果たすと期待されています。
