I dette blogginnlegget skal vi utforske konseptet med nanoproduksjonsprosesser – grunnlaget for nanoteknologi – samt representative prosessmetoder og egenskapene til hver teknologi.
Tenk deg en kube. Når lengden på én kant avtar, øker forholdet mellom overflate og volum eksponentielt, og i den mikroskopiske verden dukker det opp forskjellige fenomener som ikke observeres i den makroskopiske verden. For å studere disse egenskapene er svært presise observasjonsteknikker avgjørende. Tidligere, på grunn av begrensningene til optiske mikroskoper, kunne bare strukturer på mikrometerskala analyseres. Men med fremskritt innen vitenskap og teknologi – inkludert elektronmikroskoper – har det blitt mulig å observere strukturer så små som nanometer, noe som har ført til aktiv forskning på dette feltet. For tiden pågår forskning innen forskjellige felt – som elektronikk og informasjons- og kommunikasjonsteknologi, bioteknologi, miljø og energi, forsvar og romfart – for å utnytte egenskapene til den mikroskopiske verden.
Nanofabrikasjon (Nanofab) refererer generelt til alle prosesser involvert i masseproduksjon av strukturer fra 1 nm til 100 nm. Å produsere slike nanoskalastrukturer krever en annen tilnærming enn tradisjonelle metoder som brukes til å bearbeide strukturer – som rør – som er mikrometer eller lengre. Av denne grunn har nanofabrikasjonsteknologi etablert seg som en sentral grunnleggende teknologi innen nanoteknologi, som dekker området omtrent 1–100 nm. Det endelige målet med nanofabrikasjonsteknologi er å masseprodusere ønskede nanostrukturer enkelt og økonomisk.
Nanofabrikasjonsprosesser som er utviklet til dags dato er grovt kategorisert i top-down- og bottom-up-metoder. Top-down-metoden innebærer gradvis raffinering av bulkmaterialer for å lage de ønskede nanostrukturene; den representerer en mer presis utvikling av eksisterende mikrofabrikasjonsteknologier. Representative eksempler inkluderer fotolitografi og myk litografi. I motsetning til dette er bottom-up-metoder teknologier som danner strukturer på atom- eller molekylært nivå basert på kjemiske prosesser. Dampavsetning og selvmontering er representative bottom-up-prosesser.
Fotolitografi er en representativ nanoteknologisk prosess som bruker en lysfølsom polymer (fotoresist, PR), som reagerer på spesifikke bølgelengder som ultrafiolett lys, for å overføre et maskemønster til et silisiumsubstrat. Begrepet «litografi» stammer fra boktrykk og refererer til en metode for å danne ønskede strukturer ved hjelp av en maske. Her refererer masken til en sjablong som brukes til å danne det ønskede mønsteret på substratet. I denne prosessen er oppløsning – den minste størrelsen som kan realiseres på substratet – en kritisk faktor. Optisk basert litografi står overfor grunnleggende begrensninger i oppløsning på grunn av lysdiffraksjon. Selv om de fleste halvledere som for tiden er i produksjon, produseres ved hjelp av denne fotolitografimetoden, blir begrensningene ved den konvensjonelle tilnærmingen stadig tydeligere ettersom halvlederintegrasjonstettheten fortsetter å øke. Følgelig forskes det aktivt på ulike prosesser for å erstatte eller komplementere den.
Myk litografi er en ovenfra-og-ned-prosess som, sammen med fotolitografi, får betydelig oppmerksomhet. Navnet stammer fra det faktum at formen som brukes til å danne mønstre er laget av PDMS (polydimetylsiloksan), et elastisk materiale, i stedet for konvensjonelle stive materialer. PDMS-en som brukes som form har lav overflateenergi og er kjemisk stabil, slik at den ikke reagerer lett med materialet som mønsteret skal overføres til, og den kan lett separeres etter overføring. Videre tilbyr den utmerket gasspermeabilitet og termisk stabilitet, noe som gir ulike prosessfordeler, og er mye brukt i laboratorier som forsker på nanostrukturer.
Dampavsetning er en prosess som danner en tynn film ved å dyrke det ønskede materialet på et substrat. Enkelt sagt kan det sammenlignes med prosessen der snøen samler seg om vinteren. Dampavsetningsmetoder er bredt kategorisert i kjemisk dampavsetning (CVD) og fysisk dampavsetning (PVD). Ved kjemisk dampavsetning tilføres materialet som skal dyrkes på substratet i gassform. Dette materialet diffunderer deretter til substratoverflaten, hvor det gjennomgår en kjemisk reaksjon for å danne en tynn film. Etter at den tynne filmen er dannet, løsner det gjenværende materialet fra substratet og ventileres tilbake til gassform. Fysisk dampavsetning innebærer å tilføre energi til materialet som brukes til å danne den tynne filmen, fysisk separere atomene eller molekylene, og deretter avsette dem på substratet. Sputtering, et representativt eksempel, er en prosess der høyenergipartikler kolliderer med et mål, noe som fører til at atomer eller molekyler kastes ut og avsettes på substratet.
I motsetning til prosessene som ble introdusert tidligere, involverer ikke selvmontering – i motsetning til prosessene som ble introdusert tidligere – direkte ekstern forming av strukturen; snarere er det en prosess der komponenter monteres av seg selv under egne krefter for å danne en struktur. Dette fenomenet observeres også ofte i biologiske prosesser som proteinsyntese. Imidlertid er det på dagens teknologinivå begrensninger sammenlignet med prosessene som ble introdusert tidligere, når det gjelder å realisere tiltenkte strukturer med høy nøyaktighet og lave defektrater. Likevel anses det som en avgjørende teknologi for å fremstille tredimensjonale nanostrukturer og for å realisere strukturer som er i stand til selvhelbredelse og selvreplikasjon, og det forventes at det vil spille en sentral rolle i fremtidige nanofabrikasjonsprosesser.
