V tej objavi na blogu bomo raziskali koncept procesov nanoproizvodnje – temelj nanotehnologije – ter reprezentativne procesne metode in značilnosti vsake tehnologije.
Predstavljajte si kocko. Ko se dolžina enega roba zmanjšuje, se razmerje med površino in prostornino eksponentno povečuje, v mikroskopskem svetu pa se pojavijo različni pojavi, ki jih v makroskopskem svetu ne opazimo. Za preučevanje teh značilnosti so bistvene zelo natančne tehnike opazovanja. V preteklosti je bilo zaradi omejitev optičnih mikroskopov mogoče analizirati le strukture v mikrometrskem merilu. Vendar pa je z napredkom znanosti in tehnologije – vključno z elektronskimi mikroskopi – postalo mogoče opazovati strukture, majhne kot nanometri, kar je vodilo do aktivnih raziskav na tem področju. Trenutno potekajo raziskave na različnih področjih – kot so elektronika in informacijska in komunikacijska tehnologija, biotehnologija, okolje in energetika, obramba ter vesoljska industrija – za izkoriščanje značilnosti mikroskopskega sveta.
Nanofabrikacija (Nanofab) se na splošno nanaša na vse procese, ki sodelujejo pri množični proizvodnji struktur velikosti od 1 nm do 100 nm. Izdelava takšnih nanostruktur zahteva pristop, ki se razlikuje od tradicionalnih metod, ki se uporabljajo za obdelavo struktur – kot so cevi – ki so dolge mikrometre ali več. Zaradi tega se je tehnologija nanofabrikacije uveljavila kot osrednja temeljna tehnologija nanotehnologije, ki pokriva območje približno 1–100 nm. Končni cilj tehnologije nanofabrikacije je enostavna in ekonomična množična proizvodnja želenih nanostruktur.
Do danes razviti postopki nanofabrikacije so na splošno razdeljeni na metode od zgoraj navzdol in od spodaj navzgor. Metoda od zgoraj navzdol vključuje postopno rafiniranje materialov v razsutem stanju za ustvarjanje želenih nanostruktur; predstavlja natančnejši razvoj obstoječih tehnologij mikrofabrikacije. Reprezentativni primeri vključujejo fotolitografijo in mehko litografijo. Nasprotno pa so metode od spodaj navzgor tehnologije, ki tvorijo strukture na atomski ali molekularni ravni na podlagi kemičnih procesov. Naparjanje in samosestavljanje sta reprezentativna postopka od spodaj navzgor.
Fotolitografija je reprezentativen nanotehnološki postopek, ki uporablja fotoobčutljiv polimer (fotorezist, PR), ki reagira na specifične valovne dolžine, kot je ultravijolična svetloba, za prenos vzorca maske na silicijev substrat. Izraz »litografija« izvira iz visokega tiska in se nanaša na metodo oblikovanja želenih struktur z uporabo maske. Tukaj se maska nanaša na šablono, ki se uporablja za oblikovanje želenega vzorca na substratu. Pri tem postopku je ločljivost – najmanjša velikost, ki jo je mogoče doseči na substratu – ključni dejavnik. Optično zasnovana litografija se sooča s temeljnimi omejitvami ločljivosti zaradi uklona svetlobe. Čeprav je večina polprevodnikov, ki so trenutno v proizvodnji, izdelanih s to metodo fotolitografije, postajajo omejitve konvencionalnega pristopa vse bolj očitne, saj gostota integracije polprevodnikov še naprej narašča; zato se aktivno raziskujejo različni postopki, ki bi ga nadomestili ali dopolnili.
Mehka litografija je postopek od zgoraj navzdol, ki skupaj s fotolitografijo pritegne veliko pozornosti. Ime izhaja iz dejstva, da je kalup, ki se uporablja za oblikovanje vzorcev, izdelan iz PDMS (polidimetilsiloksana), elastičnega materiala, namesto iz običajnih togih materialov. PDMS, ki se uporablja kot kalup, ima nizko površinsko energijo in je kemično stabilen, zato ne reagira zlahka z materialom, na katerega se vzorec prenese, in ga je mogoče po prenosu enostavno ločiti. Poleg tega ponuja odlično prepustnost za pline in toplotno stabilnost, kar zagotavlja različne procesne prednosti, in se pogosto uporablja v laboratorijih, ki raziskujejo nanostrukture.
Naparjanje je postopek, pri katerem se z rastjo želenega materiala na substratu tvori tanek film. Preprosto povedano, lahko ga primerjamo s procesom kopičenja snega pozimi. Metode nanašanja s paro so na splošno razdeljene na kemično nanašanje s paro (CVD) in fizično nanašanje s paro (PVD). Pri kemičnem nanašanju s paro se material, ki ga je treba gojiti na substratu, dovaja v plinastem stanju; ta material nato difundira na površino substrata, kjer se kemično reagira in tvori tanek film. Ko se tanki film oblikuje, se preostali material loči od substrata in se vrne v plinasto stanje. Fizično nanašanje s paro vključuje uporabo energije v materialu, ki se uporablja za tvorbo tankega filma, fizično ločevanje atomov ali molekul in njihovo nato nanašanje na substrat. Razprševanje, reprezentativen primer, je postopek, pri katerem visokoenergijski delci trčijo v tarčo, kar povzroči, da se atomi ali molekule izvržejo in odložijo na substrat.
V nasprotju s tem samosestavljanje – za razliko od prej predstavljenih procesov – ne vključuje neposrednega zunanjega oblikovanja strukture; temveč gre za proces, pri katerem se komponente same sestavijo pod lastno silo in tvorijo strukturo. Ta pojav pogosto opazimo tudi v bioloških procesih, kot je sinteza beljakovin. Vendar pa na trenutni ravni tehnologije obstajajo omejitve v primerjavi s prej predstavljenimi procesi glede uresničevanja predvidenih struktur z visoko natančnostjo in nizko stopnjo napak. Kljub temu velja za ključno tehnologijo za izdelavo tridimenzionalnih nanostruktur in za uresničevanje struktur, ki so sposobne samozdravljenja in samorepliciranja, in pričakuje se, da bo igrala ključno vlogo v prihodnjih procesih nanofabrikacije.
