I det här blogginlägget ska vi utforska konceptet med nanotillverkningsprocesser – grunden för nanoteknik – samt representativa processmetoder och egenskaperna hos varje teknik.
Tänk dig en kub. När längden på en kant minskar ökar förhållandet mellan yta och volym exponentiellt, och i den mikroskopiska världen uppstår olika fenomen som inte observeras i den makroskopiska världen. För att studera dessa egenskaper är mycket precisa observationstekniker avgörande. Tidigare, på grund av begränsningarna hos optiska mikroskop, kunde endast strukturer i mikrometerskala analyseras. Men med framsteg inom vetenskap och teknik – inklusive elektronmikroskop – har det blivit möjligt att observera strukturer så små som nanometer, vilket har lett till aktiv forskning inom detta område. För närvarande pågår forskning inom olika områden – såsom elektronik och informations- och kommunikationsteknik, bioteknik, miljö och energi, försvar och flyg- och rymdteknik – för att utnyttja den mikroskopiska världens egenskaper.
Nanofabrikation (Nanofab) avser generellt alla processer som är involverade i massproduktion av strukturer från 1 nm till 100 nm. Att tillverka sådana nanostrukturer kräver en annan metod än traditionella metoder som används för att bearbeta strukturer – såsom rör – som är mikrometer eller längre. Av denna anledning har nanofabrikationstekniken etablerat sig som en central grundläggande teknik inom nanotekniken, som täcker intervallet cirka 1–100 nm. Det yttersta målet med nanofabrikationstekniken är att massproducera önskade nanostrukturer enkelt och ekonomiskt.
Nanofabrikationsprocesser som hittills utvecklats delas i stort sett in i top-down- och bottom-up-metoder. Top-down-metoden innebär att man gradvis förädlar bulkmaterial för att skapa de önskade nanostrukturerna; den representerar en mer exakt utveckling av befintliga mikrofabrikationstekniker. Representativa exempel inkluderar fotolitografi och mjuklitografi. Däremot är bottom-up-metoder tekniker som bildar strukturer på atom- eller molekylär nivå baserat på kemiska processer. Ångdeponering och självorganisering är representativa bottom-up-processer.
Fotolitografi är en representativ nanoteknologisk process som använder en ljuskänslig polymer (fotoresist, PR), som reagerar på specifika våglängder såsom ultraviolett ljus, för att överföra ett maskmönster till ett kiselsubstrat. Termen "litografi" kommer från högtryckstryck och hänvisar till en metod för att forma önskade strukturer med hjälp av en mask. Här hänvisar masken till en stencil som används för att forma det önskade mönstret på substratet. I denna process är upplösning – den minsta storleken som kan uppnås på substratet – en kritisk faktor. Optiskt baserad litografi har grundläggande begränsningar i upplösning på grund av ljusets diffraktion. Även om de flesta halvledare som för närvarande är i produktion tillverkas med denna fotolitografimetod, blir begränsningarna med den konventionella metoden allt tydligare i takt med att halvledarintegrationstätheten fortsätter att öka; följaktligen forskas aktivt på olika processer för att ersätta eller komplettera den.
Mjuklitografi är en top-down-process som, tillsammans med fotolitografi, drar till sig stor uppmärksamhet. Dess namn kommer från det faktum att formen som används för att forma mönster är tillverkad av PDMS (polydimetylsiloxan), ett elastiskt material, snarare än konventionella styva material. PDMS som används som form har låg ytenergi och är kemiskt stabilt, så det reagerar inte lätt med materialet som mönstret ska överföras till, och det kan lätt separeras efter överföring. Dessutom erbjuder det utmärkt gaspermeabilitet och termisk stabilitet, vilket ger olika processfördelar, och används ofta i laboratorier som forskar om nanostrukturer.
Ångdeponering är en process som bildar en tunn film genom att det önskade materialet odlas på ett substrat. Enkelt uttryckt kan det liknas vid processen där snö samlas på vintern. Ångdeponeringsmetoder delas i stort sett in i kemisk ångdeponering (CVD) och fysisk ångdeponering (PVD). Vid kemisk ångdeponering tillförs materialet som ska odlas på substratet i gasform; detta material diffunderar sedan till substratytan, där det genomgår en kemisk reaktion för att bilda en tunn film. Efter att den tunna filmen har bildats lossnar det återstående materialet från substratet och ventileras tillbaka till gasform. Fysisk ångdeponering innebär att man applicerar energi på materialet som används för att bilda den tunna filmen, fysiskt separerar atomerna eller molekylerna och sedan deponerar dem på substratet. Sputtring, ett representativt exempel, är en process där högenergipartiklar kolliderar med ett mål, vilket får atomer eller molekyler att kastas ut och deponeras på substratet.
Till skillnad från de processer som introducerats tidigare innebär självorganisering – till skillnad från de processer som introducerats tidigare – inte direkt extern formning av strukturen; det är snarare en process där komponenter monteras av sig själva under sina egna krafter för att bilda en struktur. Detta fenomen observeras också ofta i biologiska processer som proteinsyntes. Men på nuvarande tekniknivå finns det begränsningar jämfört med de processer som introducerats tidigare när det gäller att realisera avsedda strukturer med hög noggrannhet och låga defektfrekvenser. Ändå betraktas det som en avgörande teknik för att tillverka tredimensionella nanostrukturer och för att realisera strukturer som kan självläka och självreplikera, och det förväntas spela en central roll i framtida nanofabrikationsprocesser.
