In dit blogbericht gaan we dieper in op het concept van nanoproductieprocessen – de basis van nanotechnologie – en op representatieve procesmethoden en de kenmerken van elke technologie.
Neem bijvoorbeeld een kubus. Naarmate de lengte van een ribbe afneemt, neemt de verhouding tussen oppervlakte en volume exponentieel toe. In de microscopische wereld ontstaan diverse verschijnselen die niet in de macroscopische wereld worden waargenomen. Om deze eigenschappen te bestuderen, zijn zeer precieze observatietechnieken essentieel. In het verleden konden, vanwege de beperkingen van optische microscopen, alleen structuren op micrometerschaal worden geanalyseerd. Dankzij de vooruitgang in wetenschap en technologie – waaronder elektronenmicroscopen – is het echter mogelijk geworden om structuren zo klein als nanometers te observeren, wat heeft geleid tot actief onderzoek op dit gebied. Momenteel wordt er onderzoek gedaan in diverse vakgebieden – zoals elektronica en informatie- en communicatietechnologie, biotechnologie, milieu en energie, defensie en ruimtevaart – om de eigenschappen van de microscopische wereld te benutten.
Nanofabricage (Nanofab) verwijst over het algemeen naar alle processen die betrokken zijn bij de massaproductie van structuren met afmetingen variërend van 1 nm tot 100 nm. Het fabriceren van dergelijke nanostructuren vereist een andere aanpak dan traditionele methoden die worden gebruikt voor de verwerking van structuren – zoals buizen – met een lengte van micrometers of meer. Om die reden heeft nanofabricage zich gevestigd als een fundamentele kerntechnologie binnen de nanotechnologie, die het bereik van ongeveer 1 tot 100 nm bestrijkt. Het uiteindelijke doel van nanofabricage is om gewenste nanostructuren eenvoudig en economisch in massaproductie te vervaardigen.
De tot nu toe ontwikkelde nanofabricageprocessen worden grofweg onderverdeeld in top-down- en bottom-up-methoden. De top-down-methode omvat het stapsgewijs verfijnen van bulkmaterialen om de gewenste nanostructuren te creëren; het vertegenwoordigt een preciezere evolutie van bestaande microfabricagetechnologieën. Representatieve voorbeelden zijn fotolithografie en softlithografie. Bottom-up-methoden daarentegen zijn technologieën die structuren vormen op atomair of moleculair niveau op basis van chemische processen. Dampafzetting en zelfassemblage zijn representatieve bottom-up-processen.
Fotolithografie is een representatief nanotechnologisch proces dat gebruikmaakt van een lichtgevoelig polymeer (fotolak, PR), dat reageert op specifieke golflengten zoals ultraviolet licht, om een maskerpatroon over te brengen op een siliciumsubstraat. De term "lithografie" is afkomstig van boekdruk en verwijst naar een methode om gewenste structuren te vormen met behulp van een masker. Het masker is hier een sjabloon dat wordt gebruikt om het gewenste patroon op het substraat te vormen. In dit proces is resolutie – de kleinste afmeting die op het substraat kan worden gerealiseerd – een cruciale factor. Optische lithografie kent fundamentele beperkingen in resolutie als gevolg van lichtdiffractie. Hoewel de meeste halfgeleiders die momenteel in productie zijn, worden vervaardigd met behulp van deze fotolithografiemethode, worden de beperkingen van de conventionele aanpak steeds duidelijker naarmate de integratiedichtheid van halfgeleiders blijft toenemen; daarom wordt er actief onderzoek gedaan naar verschillende processen die deze methode kunnen vervangen of aanvullen.
Zachte lithografie is een top-down proces dat, samen met fotolithografie, steeds meer aandacht krijgt. De naam is afgeleid van het feit dat de mal die gebruikt wordt om patronen te vormen, gemaakt is van PDMS (polydimethylsiloxaan), een elastisch materiaal, in plaats van de gebruikelijke stijve materialen. Het PDMS dat als mal gebruikt wordt, heeft een lage oppervlakte-energie en is chemisch stabiel, waardoor het niet snel reageert met het materiaal waarop het patroon overgebracht moet worden en het na overdracht gemakkelijk te scheiden is. Bovendien biedt het een uitstekende gasdoorlaatbaarheid en thermische stabiliteit, wat diverse procesvoordelen oplevert, en wordt het veelvuldig gebruikt in laboratoria die onderzoek doen naar nanostructuren.
Dampafzetting is een proces waarbij een dunne film wordt gevormd door het gewenste materiaal op een substraat te laten groeien. Simpel gezegd kan het worden vergeleken met het proces van sneeuwvorming in de winter. Dampafzettingsmethoden worden grofweg onderverdeeld in chemische dampafzetting (CVD) en fysische dampafzetting (PVD). Bij chemische dampafzetting wordt het materiaal dat op het substraat moet groeien in gasvorm aangevoerd; dit materiaal diffundeert vervolgens naar het substraatoppervlak, waar het een chemische reactie ondergaat om een dunne film te vormen. Nadat de dunne film is gevormd, laat het resterende materiaal los van het substraat en wordt het teruggevoerd naar de gasvorm. Fysische dampafzetting houdt in dat energie wordt toegevoerd aan het materiaal dat wordt gebruikt om de dunne film te vormen, waardoor de atomen of moleculen fysiek worden gescheiden en vervolgens op het substraat worden afgezet. Sputteren, een representatief voorbeeld, is een proces waarbij hoogenergetische deeltjes botsen met een doelwit, waardoor atomen of moleculen worden uitgestoten en op het substraat worden afgezet.
Zelfassemblage daarentegen – in tegenstelling tot de eerder beschreven processen – omvat geen directe externe vormgeving van de structuur; het is eerder een proces waarbij componenten zichzelf onder hun eigen krachten samenvoegen om een structuur te vormen. Dit fenomeen wordt ook vaak waargenomen in biologische processen zoals eiwitsynthese. Op het huidige technologische niveau zijn er echter beperkingen ten opzichte van de eerder beschreven processen wat betreft het realiseren van beoogde structuren met hoge nauwkeurigheid en een laag defectpercentage. Desondanks wordt het beschouwd als een cruciale technologie voor het fabriceren van driedimensionale nanostructuren en voor het realiseren van structuren die in staat zijn tot zelfherstel en zelfreplicatie, en er wordt verwacht dat het een sleutelrol zal spelen in toekomstige nanofabricageprocessen.
