V tomto blogovom príspevku preskúmame koncept procesov nanovýroby – základ nanotechnológie – ako aj reprezentatívne procesné metódy a charakteristiky každej technológie.
Predstavte si kocku. S klesajúcou dĺžkou jednej hrany sa pomer povrchu k objemu exponenciálne zvyšuje a v mikroskopickom svete sa objavujú rôzne javy, ktoré sa v makroskopickom svete nepozorujú. Na štúdium týchto charakteristík sú nevyhnutné vysoko presné pozorovacie techniky. V minulosti bolo možné kvôli obmedzeniam optických mikroskopov analyzovať iba štruktúry v mikrometrovej mierke. S pokrokom vo vede a technike – vrátane elektrónových mikroskopov – je však možné pozorovať štruktúry malé ako nanometre, čo vedie k aktívnemu výskumu v tejto oblasti. V súčasnosti prebieha výskum v rôznych oblastiach – ako je elektronika a informačné a komunikačné technológie, biotechnológia, životné prostredie a energetika, obrana a letecký priemysel – s cieľom využiť charakteristiky mikroskopického sveta.
Nanofabrikácia (Nanofab) sa vo všeobecnosti vzťahuje na všetky procesy zapojené do hromadnej výroby štruktúr s veľkosťou od 1 nm do 100 nm. Výroba takýchto nanoštruktúr si vyžaduje prístup odlišný od tradičných metód používaných na spracovanie štruktúr – ako sú rúry – s dĺžkou mikrometrov alebo dlhšou. Z tohto dôvodu sa technológia nanofabrikácie etablovala ako základná technológia nanotechnológie, ktorá pokrýva rozsah približne 1 – 100 nm. Konečným cieľom technológie nanofabrikácie je jednoduchá a ekonomická hromadná výroba požadovaných nanoštruktúr.
Doteraz vyvinuté nanofabrikačné procesy sa všeobecne delia na metódy zhora nadol a zdola nahor. Metóda zhora nadol zahŕňa postupné zušľachťovanie objemových materiálov za účelom vytvorenia požadovaných nanostruktúr; predstavuje presnejší vývoj existujúcich technológií mikrofabrikácie. Medzi reprezentatívne príklady patrí fotolitografia a mäkká litografia. Naproti tomu metódy zdola nahor sú technológie, ktoré vytvárajú štruktúry na atómovej alebo molekulárnej úrovni na základe chemických procesov. Depozícia z pár a samoskladanie sú reprezentatívne procesy zdola nahor.
Fotolitografia je reprezentatívny nanotechnologický proces, ktorý využíva fotocitlivý polymér (fotorezist, PR), ktorý reaguje na špecifické vlnové dĺžky, ako je ultrafialové svetlo, na prenos vzoru masky na kremíkový substrát. Termín „litografia“ pochádza z kníhtlače a označuje metódu vytvárania požadovaných štruktúr pomocou masky. Maska sa tu vzťahuje na šablónu použitú na vytvorenie požadovaného vzoru na substráte. V tomto procese je rozlíšenie – najmenšia veľkosť, ktorú je možné na substráte dosiahnuť – kritickým faktorom. Optická litografia čelí zásadným obmedzeniam v rozlíšení v dôsledku difrakcie svetla. Hoci väčšina polovodičov, ktoré sa v súčasnosti vyrábajú, sa vyrába pomocou tejto fotolitografickej metódy, obmedzenia konvenčného prístupu sú čoraz zreteľnejšie, keďže hustota integrácie polovodičov neustále rastie; v dôsledku toho sa aktívne skúmajú rôzne procesy, ktoré by ho mohli nahradiť alebo doplniť.
Mäkká litografia je proces zhora nadol, ktorý spolu s fotolitografiou priťahuje značnú pozornosť. Jej názov je odvodený od skutočnosti, že forma použitá na vytváranie vzorov je vyrobená z PDMS (polydimetylsiloxánu), elastického materiálu, a nie z konvenčných pevných materiálov. PDMS použitý ako forma má nízku povrchovú energiu a je chemicky stabilný, takže nereaguje ľahko s materiálom, na ktorý sa má vzor preniesť, a po prenose sa dá ľahko oddeliť. Okrem toho ponúka vynikajúcu priepustnosť plynov a tepelnú stabilitu, čo poskytuje rôzne procesné výhody, a je široko používaný v laboratóriách, ktoré skúmajú nanostruktúry.
Depozícia z pár je proces, pri ktorom sa vytvára tenká vrstva rastom požadovaného materiálu na substráte. Jednoducho povedané, možno ju prirovnať k procesu hromadenia snehu v zime. Metódy depozície z pár sa všeobecne delia na chemickú depozíciu z pár (CVD) a fyzikálnu depozíciu z pár (PVD). Pri chemickej depozícii z pár sa materiál, ktorý sa má pestovať na substráte, dodáva v plynnom stave; tento materiál potom difunduje na povrch substrátu, kde podlieha chemickej reakcii za vzniku tenkej vrstvy. Po vytvorení tenkej vrstvy sa zostávajúci materiál oddelí od substrátu a odvetráva sa späť do plynného stavu. Fyzikálna depozícia z pár zahŕňa aplikáciu energie na materiál použitý na vytvorenie tenkej vrstvy, fyzické oddelenie atómov alebo molekúl a ich následné nanesenie na substrát. Naprašovanie, reprezentatívny príklad, je proces, pri ktorom sa častice s vysokou energiou zrazia s cieľom, čo spôsobí vyvrhnutie atómov alebo molekúl a ich uloženie na substrát.
Naproti tomu samoskladanie – na rozdiel od procesov predstavených skôr – nezahŕňa priame vonkajšie tvarovanie štruktúry; ide skôr o proces, v ktorom sa komponenty zostavujú vlastnými silami a vytvárajú štruktúru. Tento jav sa bežne pozoruje aj v biologických procesoch, ako je syntéza bielkovín. Pri súčasnej úrovni technológie však existujú v porovnaní s procesmi predstavenými skôr obmedzenia, pokiaľ ide o realizáciu zamýšľaných štruktúr s vysokou presnosťou a nízkou mierou chybovosti. Napriek tomu sa považuje za kľúčovú technológiu na výrobu trojrozmerných nanostruktúr a na realizáciu štruktúr schopných samoopravy a samoreplikácie a očakáva sa, že bude hrať kľúčovú úlohu v budúcich procesoch nanofabrikácie.
