В этой статье мы рассмотрим концепцию процессов нанопроизводства — основу нанотехнологий — а также типичные методы этих процессов и характеристики каждой технологии.
Рассмотрим куб. По мере уменьшения длины одной из сторон отношение площади поверхности к объему экспоненциально возрастает, и в микроскопическом мире возникают различные явления, не наблюдаемые в макроскопическом мире. Для изучения этих характеристик необходимы высокоточные методы наблюдения. В прошлом, из-за ограничений оптических микроскопов, анализировались только структуры микрометрового масштаба. Однако с развитием науки и техники, включая электронные микроскопы, стало возможным наблюдать структуры размером в нанометры, что привело к активным исследованиям в этой области. В настоящее время ведутся исследования в различных областях, таких как электроника и информационно-коммуникационные технологии, биотехнология, охрана окружающей среды и энергетика, оборона и аэрокосмическая промышленность, с целью использования особенностей микроскопического мира.
Нанофабрикация (нанофабрикация) в целом относится ко всем процессам, связанным с массовым производством структур размером от 1 нм до 100 нм. Изготовление таких наноструктур требует подхода, отличного от традиционных методов обработки структур — таких как трубы — длиной в микрометры и более. По этой причине технология нанофабрикации зарекомендовала себя как ключевая фундаментальная технология нанотехнологий, охватывающая диапазон примерно 1–100 нм. Конечная цель технологии нанофабрикации — легкое и экономичное массовое производство желаемых наноструктур.
Разработанные на сегодняшний день процессы нанофабрикации можно условно разделить на методы «сверху вниз» и «снизу вверх». Метод «сверху вниз» предполагает постепенное измельчение объемных материалов для создания желаемых наноструктур; он представляет собой более точное развитие существующих технологий микрофабрикации. Примерами таких методов являются фотолитография и мягкая литография. В отличие от них, методы «снизу вверх» — это технологии, которые формируют структуры на атомном или молекулярном уровне на основе химических процессов. К методам «снизу вверх» относятся осаждение из паровой фазы и самосборка.
Фотолитография — это типичный нанотехнологический процесс, использующий фоточувствительный полимер (фоторезист, ПР), реагирующий на определенные длины волн, такие как ультрафиолетовое излучение, для переноса рисунка маски на кремниевую подложку. Термин «литография» происходит от высокой печати и обозначает метод формирования желаемых структур с помощью маски. В данном случае маска — это трафарет, используемый для формирования желаемого рисунка на подложке. В этом процессе разрешение — наименьший размер, который может быть реализован на подложке, — является критическим фактором. Оптическая литография сталкивается с фундаментальными ограничениями разрешения из-за дифракции света. Хотя большинство полупроводников, находящихся в настоящее время в производстве, изготавливаются с использованием этого метода фотолитографии, ограничения традиционного подхода становятся все более очевидными по мере роста плотности интеграции полупроводников; следовательно, активно ведутся исследования различных процессов, которые могли бы заменить или дополнить его.
Мягкая литография — это нисходящий процесс, который, наряду с фотолитографией, привлекает значительное внимание. Ее название происходит от того, что форма, используемая для формирования рисунков, изготавливается из полидиметилсилоксана (ПДМС), эластичного материала, а не из обычных жестких материалов. ПДМС, используемый в качестве формы, обладает низкой поверхностной энергией и химической стабильностью, поэтому он не вступает в реакцию с материалом, на который необходимо перенести рисунок, и легко отделяется после переноса. Кроме того, он обладает отличной газопроницаемостью и термической стабильностью, что обеспечивает ряд преимуществ процесса, и широко используется в лабораториях, исследующих наноструктуры.
Осаждение из паровой фазы — это процесс образования тонкой пленки путем выращивания желаемого материала на подложке. Проще говоря, его можно сравнить с процессом накопления снега зимой. Методы осаждения из паровой фазы подразделяются на химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и физическое осаждение из паровой фазы (PVD). При химическом осаждении из паровой фазы материал, который необходимо вырастить на подложке, подается в газообразном состоянии; затем этот материал диффундирует к поверхности подложки, где он подвергается химической реакции с образованием тонкой пленки. После образования тонкой пленки оставшийся материал отделяется от подложки и возвращается в газообразное состояние. Физическое осаждение из паровой фазы включает в себя приложение энергии к материалу, используемому для образования тонкой пленки, физическое разделение атомов или молекул, а затем их осаждение на подложку. Распыление, являющееся показательным примером, — это процесс, при котором высокоэнергетические частицы сталкиваются с мишенью, вызывая выброс атомов или молекул и их осаждение на подложку.
В отличие от описанных ранее процессов, самосборка не предполагает прямого внешнего формирования структуры; скорее, это процесс, в котором компоненты собираются под действием собственных сил, образуя структуру. Это явление также часто наблюдается в биологических процессах, таких как синтез белка. Однако на современном уровне технологий существуют ограничения по сравнению с описанными ранее процессами с точки зрения получения желаемых структур с высокой точностью и низким уровнем дефектов. Тем не менее, она считается важнейшей технологией для изготовления трехмерных наноструктур и для создания структур, способных к самовосстановлению и самовоспроизведению, и ожидается, что она будет играть ключевую роль в будущих процессах нанофабрикации.
