W tym wpisie na blogu przyjrzymy się bliżej koncepcji procesów nanoprodukcyjnych — fundamentowi nanotechnologii — a także reprezentatywnym metodom przetwarzania i cechom każdej technologii.
Rozważmy sześcian. Wraz ze zmniejszaniem się długości jednej z krawędzi, stosunek powierzchni do objętości rośnie wykładniczo, a w świecie mikroskopowym pojawiają się różne zjawiska, których nie obserwuje się w świecie makroskopowym. Do badania tych cech niezbędne są wysoce precyzyjne techniki obserwacji. W przeszłości, ze względu na ograniczenia mikroskopów optycznych, analizowano jedynie struktury w skali mikrometrów. Jednak dzięki postępowi nauki i technologii – w tym mikroskopów elektronowych – możliwe stało się obserwowanie struktur o wielkości zaledwie nanometrów, co doprowadziło do aktywnych badań w tej dziedzinie. Obecnie trwają badania w różnych dziedzinach – takich jak elektronika i technologie informacyjno-komunikacyjne, biotechnologia, ochrona środowiska i energetyka, obronność oraz przemysł lotniczy i kosmiczny – mające na celu wykorzystanie właściwości świata mikroskopowego.
Nanofabrykacja (Nanofab) odnosi się ogólnie do wszystkich procesów związanych z masową produkcją struktur o wymiarach od 1 nm do 100 nm. Wytwarzanie takich struktur w skali nano wymaga podejścia odmiennego od tradycyjnych metod stosowanych do przetwarzania struktur – takich jak rury – o długości rzędu mikrometrów lub większej. Z tego powodu technologia nanofabrykacji stała się podstawową technologią nanotechnologii, obejmującą zakres od około 1 do 100 nm. Ostatecznym celem technologii nanofabrykacji jest łatwa i ekonomiczna masowa produkcja pożądanych nanostruktur.
Opracowane dotychczas procesy nanofabrykacji można ogólnie podzielić na metody top-down i bottom-up. Metoda top-down polega na stopniowym rafinowaniu materiałów sypkich w celu uzyskania pożądanych nanostruktur; stanowi ona bardziej precyzyjną ewolucję istniejących technologii mikrofabrykacji. Typowymi przykładami są fotolitografia i miękka litografia. Natomiast metody bottom-up to technologie, które tworzą struktury na poziomie atomowym lub molekularnym w oparciu o procesy chemiczne. Osadzanie z fazy gazowej i samoorganizacja są typowymi procesami bottom-up.
Fotolitografia to reprezentatywny proces nanotechnologiczny, który wykorzystuje światłoczuły polimer (fotoresyst, PR), reagujący na określone długości fal, takie jak światło ultrafioletowe, w celu przeniesienia wzoru maski na podłoże krzemowe. Termin „litografia” pochodzi z druku wypukłego i odnosi się do metody formowania pożądanych struktur za pomocą maski. W tym przypadku maska odnosi się do szablonu używanego do formowania pożądanego wzoru na podłożu. W tym procesie rozdzielczość – najmniejszy rozmiar, jaki można uzyskać na podłożu – jest czynnikiem krytycznym. Litografia optyczna napotyka fundamentalne ograniczenia rozdzielczości ze względu na dyfrakcję światła. Chociaż większość obecnie produkowanych półprzewodników jest wytwarzana tą metodą fotolitografii, ograniczenia konwencjonalnego podejścia stają się coraz bardziej widoczne wraz ze wzrostem gęstości integracji półprzewodników; w związku z tym aktywnie badane są różne procesy mające na celu jej zastąpienie lub uzupełnienie.
Litografia miękka to proces odgórny, który, podobnie jak fotolitografia, cieszy się dużym zainteresowaniem. Jej nazwa pochodzi od faktu, że forma używana do formowania wzorów jest wykonana z PDMS (polidimetylosiloksanu), materiału elastycznego, a nie z konwencjonalnych materiałów sztywnych. PDMS używany jako forma charakteryzuje się niską energią powierzchniową i jest stabilny chemicznie, dzięki czemu nie reaguje łatwo z materiałem, na który ma być przeniesiony wzór, i można go łatwo oddzielić po przeniesieniu. Ponadto oferuje doskonałą przepuszczalność gazów i stabilność termiczną, zapewniając szereg korzyści procesowych, i jest szeroko stosowany w laboratoriach badających nanostruktury.
Osadzanie z fazy gazowej to proces, w którym powstaje cienka warstwa poprzez narastanie pożądanego materiału na podłożu. Mówiąc prościej, można go porównać do procesu gromadzenia się śniegu zimą. Metody osadzania z fazy gazowej można ogólnie podzielić na chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) i fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD). W chemicznym osadzaniu z fazy gazowej materiał, który ma być naniesiony na podłoże, jest dostarczany w stanie gazowym; materiał ten następnie dyfunduje na powierzchnię podłoża, gdzie ulega reakcji chemicznej, tworząc cienką warstwę. Po uformowaniu cienkiej warstwy, pozostały materiał oddziela się od podłoża i powraca do stanu gazowego. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej polega na oddziaływaniu energii na materiał użyty do utworzenia cienkiej warstwy, fizycznym rozdzieleniu atomów lub cząsteczek, a następnie nałożeniu ich na podłoże. Rozpylanie, przykładowy przykład, to proces, w którym cząstki o wysokiej energii zderzają się z tarczą, powodując wyrzucenie atomów lub cząsteczek i osadzenie ich na podłożu.
Natomiast samoorganizacja – w przeciwieństwie do procesów opisanych wcześniej – nie obejmuje bezpośredniego zewnętrznego kształtowania struktury; jest to raczej proces, w którym komponenty łączą się pod wpływem własnych sił, tworząc strukturę. Zjawisko to jest również powszechnie obserwowane w procesach biologicznych, takich jak synteza białek. Jednak na obecnym poziomie rozwoju technologii istnieją ograniczenia w porównaniu z procesami opisanymi wcześniej, jeśli chodzi o realizację zamierzonych struktur z wysoką dokładnością i niskim wskaźnikiem defektów. Niemniej jednak, jest ona uważana za kluczową technologię wytwarzania trójwymiarowych nanostruktur oraz struktur zdolnych do samonaprawiania i samoreplikacji i oczekuje się, że odegra ona kluczową rolę w przyszłych procesach nanoorganizacji.
