DE102008045540B4

DE102008045540B4 - Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films

Info

Publication number: DE102008045540B4
Application number: DE102008045540A
Authority: DE
Inventors: Werner 09116 Goedel; Annemarie 09111 Magerl; Susann 09119 Ebert
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: DE102008045540A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films (8) mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Aufbringen einer zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) auf zumindest eine Oberfläche eines Substrats (1), b) Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2), wobei ein Strukturträger (4) mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht, c) Überschichten des Strukturträgers (4) mit einer Benetzungslösung (5), die zumindest teilweise hydrophil oder hydrophob ist und sich somit von selbst an die hydrophilen bzw. hydrophoben Stellen des mikrostrukturierten Strukturträgers (4) anlagert, so dass ein Benetzungsmuster (6) auf dem Strukturträger (4) ausgebildet wird, d) Überschichten des Benetzungsmusters (6) mit einer zunächst flüssigen, filmbildenden Substanz (7), die aushärtet und den mikrostrukturierten Film (8) ausbildet, und e) Entfernen des mikrostrukturierten Films (8) vom Substrat (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films.
Mikrostrukturierte Filme werden in der Technik vielfältig eingesetzt, zum Beispiel als Stempel oder als Master für die Herstellung von Stempeln, als Bestandteil in Membranen und Membranprozessen, als Lochmaske für lithografische Vorgänge oder als Bestandteil mikrofluidischer Bauelemente. Weisen Membranen Poren auf, die kleiner als 1 nm im Durchmesser sind, wird von dichten Membranen gesprochen, während poröse Membranen einen Porendurchmesser von größer als 1 nm aufweisen.
Eine Möglichkeit, um mikrostrukturierte Filme herzustellen, ist die Nutzung von Templaten, um entsprechende Materialien zu formen. Insbesondere können Flüssigkeitstropfen als Template verwendet werden. Z. B. kann man Kondensationsmuster nutzen, um einen Film zu strukturieren. Dabei wird eine Polymerlösung in feuchter Atmosphäre auf ein Substrat aufgetragen. Das Lösungsmittel verdunstet und kühlt die Oberfläche der Polymerlösung. Flüssigkeitstropfen kondensieren auf dieser Oberfläche und sinken in das Polymer ein. Die Tropfen organisieren sich bei optimalen Bedingungen von selbst in hexagonal dicht gepackte Mono- oder Multilagen. Nach Verglasen und Trocknen des Polymers entsteht ein mikrostrukturierter Film mit Hohlräumen in Form und Größe der Templattropfen.
Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es sich um einen Selbstorganisationsprozess handelt, der für die Strukturierung des Films sorgt. Daher kann generell nur eine einzige Art der Strukturierung, nämlich die energetisch günstigste Strukturierung erreicht werden. Insbesondere kann die Position der Flüssigkeitstropfen und dementsprechend die Position der Hohlräume im mikrostrukturierten Film nicht beliebig eingestellt und variiert werden.
In der DE 10 2007 001 953 A1 wird das vorgenannte Problem durch den Einsatz der Ink-Jet-Drucktechnik zur gezielten Platzierung von Flüssigkeitstropfen auf einem Substrat gelöst. Mit einem Ink-Jet-Drucker werden Flüssigkeitstropfen an bestimmten Stellen auf die Oberflächen eines Substrats gesetzt. Diese Strukturen werden mit der Lösung eines Polymers in einem flüchtigen Lösungsmittel überschichtet. Nach Verdunsten des Lösungsmittels, Aushärten des Polymers und Trocknen des Films erhält man einen mikrostrukturierten Polymerfilm, der Hohlräume in Form und Größe der Templattropfen an den vorgegebenen Stellen aufweist.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist der erhöhte Zeitaufwand, da jeder Tropfen einzeln auf das Substrat aufgebracht werden muss. Beim Bedrucken von größeren Substratflächen besteht das Problem, dass sich die zuerst gedruckten Tropfen in Form und/oder Größe verändern (zum Beispiel durch Verdunsten), während die letzten Tropfen noch gedruckt werden. Hierdurch ist keine zuverlässige Abformung der anfangs gedruckten Strukturen gewährleistet.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die gedruckten Tropfen zunächst zwar eine Form annehmen, die dem rückziehenden Kontaktwinkel unter Luft entspricht, sich der Kontaktwinkel nach dem Überschichten mit der Polymerlösung jedoch verändert und so die aufgetragenen Tropfen ihre Position verändern, zerlaufen oder sogar zerstört werden können.
In der DE 10 2006 036 863 A1 ist beschrieben, dass mittels eines Polydimethylsiloxan-Stempels eine hydrophobe Struktur auf ein Goldsubstrat aufgestempelt wird. Anschließend wird das Goldsubstrat in eine hydrophile, Thiol-haltige Lösung getaucht, wodurch sogenannte self-assembled Monolayers entstehen. Anschließend wird durch Aufbringen von Wasser auf den hydrophilen Stellen der Oberfläche ein Benetzungsmuster erzeugt, das mittels einer Polymerlösung abgeformt wird.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass zur Vorbereitung des eigentlichen Stempelvorganges die Oberfläche des Substrats aufwändig vorbehandelt werden muss, beispielsweise durch die aufeinanderfolgende Beschichtung mit Titan und Gold und/oder durch aggressive Reinigung mittels Peroxomonoschwefelsäure in wässriger Lösung. Die verwendeten Stempel sind in ihrer Größe beschränkt, da es sonst zu Instabilitäten des Stempels im Mikrometerbereich kommen kann, wodurch eine genaue Abbildung des gewünschten Musters nicht mehr gewährleistet werden kann. Ebenfalls ist es von Nachteil, dass eine mehrstündige Wartezeit zur Ausbildung der self-assembled Monolayers auf der Substratoberfläche notwendig ist.
Die DE 10 2005 023 871 A1 offenbart eine regenerierbare Platte mit einer strukturierten Oberfläche, die hydrophile und hydrophobe Bereiche aufweist. Die Platte weist ein Substrat mit einer darüberliegenden katalytischen Schicht (anorganischer Oxidationskatalysator) auf. Die katalytische Schicht der Platte wird mit einer hydrophoben Schicht beschichtet und bildmäßig belichtet, wobei die katalytische Schicht und die hydrophobe Schicht in den belichteten Bereichen durch die Belichtung erwärmt werden. Hierdurch wird die hydrophobe Schicht in den belichteten Bereichen unter Freilegung der darunter liegenden hydrophilen katalytischen Schicht oxidativ zersetzt. Ein hydrophobes oder hydrophiles Druckmaterial mit flüssiger bis pastöser Konsistenz wird auf die strukturierte Oberfläche der Platte aufgebracht. Dabei verteilt sich hydrophiles Druckmaterial auf hydrophilen Bereichen der Oberfläche und hydrophobes Druckmaterial auf hydrophoben Bereichen der Oberfläche. Anschließend wird die mit dem Druckmaterial beladene Platte mit einem Empfangsmedium in Kontakt gebracht und getrennt, wobei eine bildmäßige Übertragung des Druckmaterials von der Platte auf das Empfangsmedium erfolgt. Bei dem Empfangsmedium kann es sich um eine Kunststofffolie handeln.
Die DE 10 2004 022 177 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen. Mittels eines Schleuderverfahrens wird ein negativer oder positiver Photolack auf die Oberfläche eines zurückgeätzten Bereichs aufgebracht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films anzugeben, das die Herstellung des mikrostrukturierten Films kostengünstig und zeitsparend ermöglicht.
Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann auf spezielle Substratoberflächen oder Substratbeschichtungen, wie beispielsweise Titan-Goldbeschichtungen, verzichtet werden, wodurch die Kosten zur Durchführung des Verfahrens verringert werden. Durch die Verwendung einer zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung lassen sich ferner mikrostrukturierte Oberflächenbereiche unterschiedlicher Benetzbarkeit in kurzer Zeit auf großen Substratflächen ausbilden.
Vorzugsweise erfolgt die Bestrahlung eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung lateral aufgelöst.
Vorzugsweise wird nach dem Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung entweder der bestrahlte oder der unbestrahlte Anteil der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung von der Oberfläche des Substrats durch einen nasschemischen Prozess entwickelt, wobei der Strukturträger mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht, und danach das Benetzungsmuster auf dem Strukturträger ausgebildet wird.
Weiterhin vorzugsweise wird nach dem Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung entweder der bestrahlte oder der unbestrahlte Anteil der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung von der Oberfläche des Substrats durch einen strahlungsinduzierten Prozess entfernt, wobei der Strukturträger mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht, und danach das Benetzungsmuster auf dem Strukturträger ausgebildet wird.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn eine zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung als zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung verwendet wird, ein Teil der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung belichtet wird, und vorzugsweise nach dem Entfernen entweder des belichteten oder des unbelichteten Anteils der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung von der Oberfläche des Substrats durch einen nasschemischen oder einen photochemischen Prozess der Strukturträger mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht. Durch die Verwendung einer zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung ist eine besonders kostengünstige Herstellung des mikrostrukturierten Films möglich.
Vorzugsweise ist die Oberfläche des Substrats hydrophil, und eine hydrophobe, zu strahlungsinduzierten photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung wird auf die hydrophile Oberfläche aufgebracht.
Alternativ ist es von Vorteil, wenn die Oberfläche des Substrats hydrophob ist, und eine hydrophile, zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung auf die hydrophobe Oberfläche aufgebracht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Zubereitung aufgebracht wird, die ursprünglich hydrophob ist und durch Bestrahlung, vorzugsweise Belichtung, hydrophil wird, oder wenn eine Zubereitung aufgebracht wird, die ursprünglich hydrophil ist und durch Bestrahlung, vorzugsweise Belichtung, hydrophob wird. In dieser bevorzugten Ausführungsvariante kann auf ein Entfernen der bestrahlten oder unbestrahlten Bereiche, bzw. der belichteten oder unbelichteten Bereiche, verzichtet werden.
Vorzugsweise wird als zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung ein Photolack, vorzugweise ein Positivphotolack oder ein Negativphotolack, auf das Substrat aufgebracht. Hierdurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, auch großflächige Substratoberflächen zu beschichten.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Photolack auf die Oberfläche des Substrats durch Rakeln oder Sprühen oder Tauchen oder Walzenauftrag oder Druck aufgebracht, wodurch ein kostengünstiger Auftrag möglich ist.
Um den Auftrag des Photolacks gleichmäßig durchzuführen ist es von Vorteil, wenn der Photolack durch Rotation des Substrats auf der Oberfläche des Substrats verteilt wird.
Alternativ ist es auch von Vorteil, als zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung eine Folie auf das Substrat aufzubringen, wodurch die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung ebenfalls auf große Substratoberflächen aufgebracht werden kann.
Vorzugsweise wird das Substrat mit der darauf aufgebrachten zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung durch eine mikrostrukturierte Maske bestrahlt und anschließend entwickelt. Während für das eingangs erläuterte Stempelverfahren die Stempel häufiger neu hergestellt werden müssen, kann die mikrostrukturierte Maske mehrfach verwendet werden, wodurch sich weitere Möglichkeiten zur Kosteneinsparung ergeben.
Vorzugsweise wird das Substrat mit der darauf aufgebrachten zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung durch UV-Licht belichtet, wodurch auch komplizierte Mikrostrukturen der Maske detailliert auf die zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung übertragen werden können.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Benetzungslösung

– eine einzelne Flüssigkeit, oder
– eine homogene Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, oder
– eine heterogene Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, oder
– eine homogene Mischung einer Flüssigkeit oder mehrerer Flüssigkeiten und eines in der Flüssigkeit/den Flüssigkeiten löslichen Feststoffes, vorzugsweise eine anorganischen Stoffes wie insbesondere eine Salzes, oder
– eine einzelne Flüssigkeit, die nach der Benetzung aushärtet,
– eine Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, die nach der Benetzung aushärten,

Vorzugsweise wird die Benetzung des Strukturträgers durch Rakeln oder Sprühen oder Tauchen oder Walzenauftrag oder Pipettenauftrag oder Aufdampfen einer Benetzungslösung durchgeführt.
Weiterhin vorzugsweise wird zum Überschichten des Benetzungsmusters eine organische Substanz, vorzugsweise eine Monomer- oder Polymerlösung, als filmbildende Substanz auf den benetzten Strukturträger aufgebracht.
Alternativ ist es von Vorteil, wenn zum Überschichten des Benetzungsmusters eine Zubereitung, die anorganische Substanzen enthält, vorzugsweise eine Keramik oder ein Metall oder eine metallische Verbindung oder Vorstufen zu diesen Substanzen, als filmbildende Substanz auf den benetzten Strukturträger aufgebracht wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel härtet die filmbildende Substanz durch

– radikalische oder anionische oder kationische oder koordinative Polymerisation, oder
– Polykondensation, oder
– Vernetzung, oder
– Kristallisation, oder
– Umkristallisation, oder
– Verglasen durch Abkühlen oder durch Verdunsten eines Lösungsmittels der filmbildenden Substanz aus.

Hierdurch ist es möglich, mikrostrukturierte Filme für ein breites Anwendungsspektrum herzustellen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die filmbildende Substanz in einer Schichtdicke, die geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters, auf den benetzten Strukturträger aufgebracht. Hierdurch ist es möglich, mikrostrukturierte Filme als Mikrosiebe oder Membranen, das heißt mit durchgehenden Poren herzustellen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die filmbildende Substanz in einer Schichtdicke, die größer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters, auf den benetzten Strukturträger aufgebracht wird. Hierdurch werden mikrostrukturierte Filme mit nicht-durchgängigen Poren bzw. oberflächennahen Hohlräumen hergestellt.
Beispielsweise unter Berücksichtigung der Verdunstung eines Lösungsmittels ist es ebenfalls von Vorteil, wenn die Schichtdicke der filmbildenden Substanz derart gewählt wird, dass beim Auftrag der filmbildenden Substanz deren Schichtdicke größer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters, und nachdem die filmbildenden Substanz erstarrt ist, der mikrostrukturierte Film eine Schichtdicke aufweist, die geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films, und
2 einen mikrostrukturierten Film.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung
3: mikrostrukturierte Maske
4: Strukturträger
5: Benetzungslösung
6: Benetzungsmuster
7: filmbildende Substanz
8: mikrostrukturierter Film
9: oberflächennahe mikrometergroße Poren bzw. Hohlräume

In 1 ist eine beispielhafte Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films 8 dargestellt.
Ein Substrat 1 ist mit einer zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 teilweise oder vollständig beschichtet. Diese zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 kann eine oder mehrere flüssige, feste oder auch gasförmige Phasen aufweisen, wobei diese Phasen auch in Kombination vorliegen können. Insbesondere kann es sich bei der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 um einen Photolack, vorzugsweise einen Positivphotolack oder einen Negativphotolack, handeln, wobei ein photochemischer Prozess durch Belichtung des Photolacks ausgelöst wird..
Als Substrat 1 kann beispielsweise eine ein- oder mehrschichtige gläserne, keramische oder metallische Substanz zum Einsatz kommen. Auch Kombinationen von gläsernen, keramischen und metallischen Schichten sind möglich. Aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit bieten sich insbesondere Glas oder Aluminiumfolie als Substrat 1 an.
Durch Rakeln kann der Photolack gleichmäßig auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht werden. Jedoch sind auch andere Auftragsverfahren möglich, wie beispielsweise Sprühen, Tauchen, Walzenauftrag oder Druck. Wird das Substrat 1 während oder nach dem Auftrag des Photolacks in Rotation gesetzt, ermöglicht die Rotation eine gleichmäßige Verteilung des Photolacks auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1.
Alternativ ist es beispielsweise möglich, die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 in Form einer Photofolie auf das Substrat 1 aufzubringen. Die Photofolie kann ebenfalls als Positiv oder Negativphotofolie aufgebracht werden.
Über der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 wird eine mikrostrukturierte Maske 3 angeordnet und vorzugsweise direkt auf die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 aufgelegt. Die gesamte Anordnung wird mittels einer UV-Strahlungsquelle belichtet. Jedoch sind auch andere Strahlungsquellen denkbar, die die gewünschte Reaktion auslösen, um einen genauen Übertrag der Mikrostruktur der Maske 3 auf die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 zu ermöglichen. Ebenfalls ist es denkbar, die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 ohne Verwendung einer mikrostrukturierten Maske 3 durch direkte Beeinflussung des Strahlenganges, wie beispielsweise sequentielles Schreiben mit einem dünnen Strahl, zu belichten und mit einem Mikrostrukturmuster zu versehen.
Die Belichtung erfolgt somit vorzugsweise selektiv und lateral aufgelöst, wobei entweder der Strahlengang an sich (z. B. durch eine bewegliche Linse oder Bewegung der Strahlungsquelle) beeinflusst wird, oder die Belichtung erfolgt, indem bestimmte Bereiche der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 z. B. durch die mikro-strukturierten Maske 3 von der flächigen Belichtung ausgenommen werden (hierbei kann die Bestrahlung flächig oder ebenfalls selektiv erfolgen). Auch Kombinationen dieser Verfahren sind möglich.
Obwohl in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 verwendet wird, ist die vorliegende technischen Lehre nicht auf derartige Zubereitungen beschränkt. Insgesamt kann eine zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung verwendet werden, bei der ein chemischer Prozess durch Strahlung induziert bzw. gestartet wird. Neben dem zuvor erwähnten Licht, vorzugsweise UV-Licht, kann es sich bei solcher Strahlung auch um Wärmestrahlung oder Partikel- oder Elektronenstrahlung handeln. Für die Aufbringung einer solchen zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung auf das Substrat 1 gelten die gleichen Verfahrensvarianten wie für die Aufbringung der zuvor beschriebenen zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2.
Nach Abnahme der mikrostrukturierten Maske 3 wird im nachfolgenden Schritt die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 auf dem Substrat 1 entwickelt. Die Entwicklung der zu strahlungsinduzierten bzw. photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 kann durch einen nasschemischen Prozess, beispielsweise mittels einer wässrigen NaOH-Lösung erfolgen. Handelt es sich bei der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 um einen Positivphotolack oder eine Positivphotofolie, werden die belichteten Bereiche durch die Entwicklung entfernt. Handelt es sich bei der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 um einen Negativphotolack oder eine Negativphotofolie, werden die unbelichteten Bereiche durch die Entwicklung entfernt.
Nach der Entwicklung bilden das Substrat 1 und die entwickelte zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 einen Strukturträger 4, der mikrostrukturierte Oberflächenbereiche unterschiedlicher Benetzbarkeit aufweist. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Oberfläche des Substrats 1 hydrophil ist und die entwickelte zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 hydrophob ist. Jedoch ist es auch denkbar, wenn die Oberfläche des Substrats 1 hydrophob ist und die entwickelte zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 hydrophil ist.
Besonders von Vorteil ist es, wenn die zu strahlungsinduzierten bzw. photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 ursprünglich hydrophob ist und durch Bestrahlung, bzw. Belichtung, erst hydrophil wird. Umgekehrt ist es ebenso von Vorteil, wenn die Zubereitung 2 ursprünglich hydrophil ist und erst durch Bestrahlung, bzw. Belichtung, hydrophob wird. Bei solchen Zubereitungen 2 kann auf die Entfernung bestrahlter oder unbestrahlter Bereiche, bzw. belichteter oder unbelichteter Bereiche verzichtet werden, wodurch sich die Effizienz des Verfahrens weiter steigert.
Anschließend wird der Strukturträger 4 mit einer Benetzungslösung 5 als Flüssigkeit überschichtet. Die Benetzungslösung 5 kann flächig auf die entwickelte Mikrostruktur des Strukturträgers 4 aufgetragen werden, kann beispielsweise jedoch auch aufgedampft werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Benetzung des Strukturträgers 4 durch Rakeln, Sprühen, Tauchen, Walzauftrag oder Pipettenauftrag der Benetzungslösung 5 erfolgt. Bei der Benetzungslösung 5 handelt es sich vorzugsweise um eine polare Flüssigkeit und insbesondere vorzugsweise um eine polare, hygroskopische Flüssigkeit.
Kommt eine zumindest teilweise hydrophile Benetzungslösung 5 zum Einsatz, lagert sich diese Lösung von selbst an die hydrophilen Stellen der Mikrostruktur des Strukturträgers 4 an. In Abhängigkeit des verwendeten Substrats 1 und der verwendeten zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 können diese Anlagerungsstellen entweder Oberflächenbereiche des Substrats 1 oder Oberflächenbereiche der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 sein.
Wird andererseits eine zumindest teilweise hydrophobe Benetzungslösung 5 auf den Strukturträger 4 aufgebracht, ordnet sich die hydrophobe Benetzungslösung 5 dementsprechend an den hydrophoben Stellen des mikrostrukturierten Strukturträgers 4 an.
Insgesamt führt diese vorbestimmte Anordnung der Flüssigkeit bzw. der Benetzungslösung 5 dazu, dass die Benetzungslösung 5 aufreißt und an den vorbestimmten Stellen ein Benetzungsmuster 6 ausbildet.
Als Benetzungslösung 5 kann eine einzelne Flüssigkeit verwendet werden. Alternativ kann eine homogene oder heterogene Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Ebenfalls ist es möglich, eine homogene Mischung einer Flüssigkeit oder mehrerer Flüssigkeiten und eines in der Flüssigkeit/den Flüssigkeiten löslichen Feststoffs zu verwenden. Vorzugsweise kann es sich hierbei um einen anorganischen Stoff, wie beispielsweise ein Salz, handeln. Ebenfalls ist es möglich, eine Flüssigkeit oder eine Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten zu verwenden, die nach der Benetzung aushärten.
Im nachfolgenden Schritt wird das Benetzungsmuster 6 mittels einer filmbildenden Substanz 7 unter Ausbildung eines mikrostrukturierten Films 8 abgeformt. Hierzu wird beispielsweise eine organische Substanz, vorzugsweise eine Monomer- oder Polymerlösung, als filmbildende Substanz 7 auf den benetzten Strukturträger 4 aufgebracht.
Zur Herstellung hierarchischer Membranen kann die überschichtende Polymerlösung zusätzlich Partikel, beispielsweise Kieselgelpartikel enthalten, die nach dem Verglasen aus dem so hergestellten mikrostrukturierten Film 8 entfernt werden. Eine solche Membran enthält mikrometergroße Poren 9 in Größe der Tropfen der Benetzungslösung 5 und weitere Poren in Größe der Partikel, beispielsweise der Kieselgelpartikel.
Alternativ ist es auch möglich, dass zur Abformung des Benetzungsmusters 6 eine Zubereitung, die anorganische Substanzen beinhaltet, vorzugsweise eine Keramik, ein Metall oder eine metallische Verbindung oder Vorstufen zu diesen Stoffen, als filmbildende Substanz 7 auf den benetzten Strukturträger 4 aufgebracht wird.
Die filmbildende Substanz 7 kann in einer Schichtdicke, die geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters 6, auf den benetzten Strukturträger 4 aufgebracht werden. Der so hergestellte mikrostrukturierte Film 8 weist durchgehende mikrometergroße Poren 9 auf und kann beispielsweise als Mikrosieb zur Filtration verwendet werden.
Alternativ ist es auch möglich, die filmbildende Substanz 7 in einer Schichtdicke, die größer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters 6, auf den benetzten Strukturträger 4 aufzubringen. Hierdurch entstehen oberflächennahe mikrometergroße Poren 9 bzw. Hohlräume an der Oberfläche des mikrostrukturierten Films 8, um beispielsweise anhaftungs- oder reibungsverringernde Oberflächeneffekte zu erzielen.
Es ist jedoch auch möglich, die Schichtdicke der filmbildenden Substanz 7 derart zu wählen, dass beim Auftrag der filmbildenden Substanz 7 deren Schichtdicke größer ist als die die Strukturhöhe des Benetzungsmusters 6, und nachdem die filmbildende Substanz 7 erstarrt ist, der mikrostrukturierte Film 8 eine Schichtdicke aufweist, die geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters 6. Auch hierdurch können siebartige Strukturen hergestellt werden.
Da durch die Fixierung an den hydrophilen oder hydrophoben Stellen des Strukturträgers 4 beim Überschichten der Benetzungslösung 5 die Flüssigkeitstropfen ihre Position nicht verändern, ist es generell möglich, auch komplexere Strukturen herzustellen. Beispielsweise kann die Überschichtung des Benetzungsmusters 6 dünnschichtig mit mehreren filmbildenden Substanzen 7 der vorgenannten Art, beispielsweise mit verschiedenen Polymerlösungen, erfolgen.
Die filmbildende Substanz 7 bzw die verschiedenen filmbildenden Substanzen 7 harten durch radikalische oder anionische oder kationische oder koordinative Polymerisation aus. Eine Polykondensation oder Vernetzung der Polymere ist ebenso möglich. Ebenfalls kann es zu einer Kristallisation oder Umkristallisation der filmbildenden Substanz 7 kommen. Auch kann die filmbildende Substanz 7 verglasen, indem sie abkühlt oder indem eines oder mehrere Lösungsmittel der filmbildenden Substanz 7 verdunsten.
Kommt ein Lösungsmittel zum Einsatz, sollte es flüchtig, vorzugsweise leicht flüchtig, sein. Bei der Auswahl der Benetzungslösung 5 und der filmbildenden Substanz 7, bzw. des Lösungsmittels der filmbildenden Substanz 7 ist es von Vorteil, wenn die Benetzungslösung 5 und die filmbildende Substanz 7, bzw. die Benetzungslösung 5 und das Lösungsmittel der filmbildenden Substanz 7 nicht miteinander mischbar sind.
Anschließend wird der so hergestellte mikrostrukturierte Film 8 vom Substrat 1 bzw. vom Strukturträger 4 gelöst. Der mikrostrukturierte Film 8 kann durch physikalische und/oder chemische Lösungsvorgänge vom Substrat 1 bzw. vom Strukturträger 4 gelöst werden. Beispiele hierfür sind Abziehen, Lösen in einer wässrigen Lösung oder Ätzen.
Reste der Benetzungslösung 5 können aus den abgeformten Bereichen des Benetzungsmusters 6, das heißt den mikrometergroße Poren 9 ausgespült werden, bevor, während oder nachdem der mikrostrukturierte Film 8 vom Substrat 1 entfernt worden ist. Beispielsweise kann das Benetzungsmuster 6 aus den mikrometergroßen Poren 9 durch mechanische Deformation entfernt werden. Ebenso kann das Benetzungsmuster 6 durch chemische Reaktionen, auch in Verbindung mit dem Auflösen und/oder Verflüchtigen der gebildeten Reaktionsprodukte, und/oder durch Verdunsten entfernt werden. Physikalisches Auflösen oder eine Kombination der zuvor genannten Verfahren zur Entfernung sind ebenso möglich.
Der so hergestellte mikrostrukturierte Film 8 weist mikrometergroße Poren 9 mit Durchmessern von 1 bis 1000 μm, vorzugsweise 5 bis 500 μm, insbesondere vorzugsweise von 10 bis 100 μm auf.
Derart hergestellte mikrostrukturierte Filme 8 können in Mikroreaktionssystemen, zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen, als Stempel oder Master zur Herstellung von Stempeln oder als Filtrationsmedien bzw. Membranen zum Einsatz kommen. In der Umwelttechnik kommen mikrostrukturierte Membranen zur Sickerwasseraufbereitung in Kombination mit biologischen Verfahren oder zur Vorreinigung von Umkehrosmose-Anlagen zum Einsatz.
In der metallverarbeitenden Industrie finden sich Anwendungsgebiete für derartige mikrostrukturierte Membranen zur Standzeitverlängerung von Elektrotauchlackbädern, zur Aufkonzentrierung von Öl/Wasser-Emulsionen und zur Aufarbeitung von Entfettungsbädern. In der pharmazeutischen Industrie ist es mit derart mikrostrukturierten Membranen möglich, Bakterien, Viren, Antibiotika, Impfstoffe und Enzyme zu reinigen, konzentrieren und zu separieren, und abzufiltern. In der Lebensmittelindustrie ermöglichen mikrostrukturierte Membranen die Konzentrierung von Gelatine und Hühnereiweiß, die Konzentrierung von Fruchtsäften und die Klärfiltration von Weinen und Bieren.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Substrat 1 ein Glasobjektträger verwendet. Dieser wird mit einem Geschirrspülmittel (fit, fit GmbH, Am Werk 9, 02788 Hirschfelde) versetztem Wasser, klarem Leitungswasser, destilliertem Wasser und Aceton gereinigt und in einem Trockenschrank bei 120°C getrocknet. Nach dem Abkühlen des Glasobjektträgers auf Raumtemperatur wird dieser mit einem positiv arbeitenden Photolack (Positiv 20, Conrad Electronic, Klaus-Conrad-Straße 1, 92240 Hirschau, vom Hersteller in Sprühdose ausgeliefert, Zusammensetzung gemäß Sicherheitsdatenblatt des Herstellers: 1-Methoxy-2-propanol 5–10 Gew.-%, 2-Methoxy-1-methylethylacetat (Xi) 5–10 Gew.-%, Dimethylether (F+) 30–60 Gew.-%, n-Butylacetat 1–5 Gew.-%, Aceton (F, Xi) 30–60 Gew.-%) aus zirka 20 cm Entfernung besprüht und im Trockenschrank bei 60°C für zwei Stunden getrocknet. Die Prozedur erfolgt bei gedämpftem Tageslicht (0,06 μW/cm²).
Auf der Lackseite des mit Positiv 20 beschichten Glasobjektträgers wird ein Transmissionselektronenmikroskopiegitter (Athene, old 400 mesh, 45 μm square, copper, TEM-Gitter, PIANO GmbH, Ernst-Befort-Straße 12, 35578 Wetzlar) als Maske 3 gelegt und mit einer Glasplatte und Gewichten beschwert. Aus zirka 7 cm Entfernung wird dieser Aufbau senkrecht zwölf Minuten mit UV-Strahlung (λ = 366 nm, 320 μW/cm² unter Abdeckglas, UV-Handlampe, NU-6, KL, Benda Konrad, Laborgeräte und Ultraviolettstrahler, Ulmenweg 13, 69168 Wiesloch) belichtet. Der belichtete Glasträger wird für zirka zwei Minuten zum Entwickeln in 50 ml einer wässrigen NaOH-Lösung (0,7 g/ml) gelegt und leicht geschwenkt, anschließend mit destilliertem Wasser gespült und getrocknet. Andere nasschemische Entwicklungslösungen sind ebenfalls möglich. Die gesamte Prozedur erfolgt bei gedämpftem Tageslicht.
Der so hergestellte mikrostrukturierte Strukturträger 4 wird mit einer gesättigten Lösung von Kalziumchlorid (CaCl₂) in Wasser (7,4 g/ml) selektiv an seinen hydrophilen Stellen, das heißt auf dem Glasobjektträger, benetzt. Dies geschieht, indem der Strukturträger 4 bei einer konstanten Geschwindigkeit von zirka 11,6 mm/min senkrecht aus der Benetzungslösung gezogen wird.
Der benetzte Strukturträger 4 wird mit einer Lösung von Polymethylmethacrylat in Chloroform (0,1 g/ml) überschichtet. Ein bis zwei Tropfen der Polymerlösung werden mit einer Eppendorfpipette senkrecht auf den benetzten Strukturträger 4 aufgetropft. Nach vollständigem Verglasen des Polymers wird der Strukturträger 4 mit dem daran anhaftenden so hergestellten mikrostrukturierten Film 8 für zehn Minuten in destilliertes Wasser gelegt, wobei sich der Polymerfilm vom Glasobjektträger löst und mit einer Pinzette von der Wasseroberfläche abgehoben werden kann.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines so hergestellten mikrostrukturierten Films 8 gezeigt. Die mikrometergroßen Poren 9 sind in einem regelmäßigen Gitter an der Oberfläche des mikrostrukturierten Films 8 ausgebildet und weisen im Wesentlichen halbkugelförmige Hohlräume auf. Wie bereits zuvor erläutert, können diese mikrometergroßen Poren 9 beispielsweise jedoch auch als durchgehende Kanäle ausgebildet sein. Der bei diesem Ausführungsbeispiel erzielte Durchmesser der mikrometergroßen Poren 9 beträgt ca. 30 μm.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films (8) mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Aufbringen einer zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) auf zumindest eine Oberfläche eines Substrats (1), b) Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2), wobei ein Strukturträger (4) mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht, c) Überschichten des Strukturträgers (4) mit einer Benetzungslösung (5), die zumindest teilweise hydrophil oder hydrophob ist und sich somit von selbst an die hydrophilen bzw. hydrophoben Stellen des mikrostrukturierten Strukturträgers (4) anlagert, so dass ein Benetzungsmuster (6) auf dem Strukturträger (4) ausgebildet wird, d) Überschichten des Benetzungsmusters (6) mit einer zunächst flüssigen, filmbildenden Substanz (7), die aushärtet und den mikrostrukturierten Film (8) ausbildet, und e) Entfernen des mikrostrukturierten Films (8) vom Substrat (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestrahlung eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) lateral aufgelöst erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach dem Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) entweder der bestrahlte oder der unbestrahlte Anteil der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) von der Oberfläche des Substrats (1) durch einen nasschemischen Prozess entwickelt wird, wobei der Strukturträger (4) mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach dem Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) entweder der bestrahlte oder der unbestrahlte Anteil der zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) von der Oberfläche des Substrats (1) durch einen strahlungsinduzierten Prozess entfernt wird, wobei der Strukturträger (4) mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung (2) als zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung (2) verwendet wird, ein Teil der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung (2) belichtet wird, und vorzugsweise nach dem Entfernen entweder des belichteten oder des unbelichteten Anteils der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung (2) von der Oberfläche des Substrats (1) durch einen nasschemischen oder einen photochemischen Prozess der Strukturträger (4) mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Oberfläche des Substrats (1) hydrophil ist, und eine hydrophobe, zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung (2) auf die hydrophile Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Oberfläche des Substrats (1) hydrophob ist, und eine hydrophile, zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung (2) auf die hydrophobe Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, wobei eine Zubereitung (2) aufgebracht wird, die ursprünglich hydrophob ist und durch Bestrahlung, vorzugsweise Belichtung, hydrophil wird, oder eine Zubereitung aufgebracht wird, die ursprünglich hydrophil ist und durch Bestrahlung, vorzugsweise Belichtung, hydrophob wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei als zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung (2) ein Photolack, vorzugsweise ein Positivphotolack oder ein Negativphotolack, auf das Substrat (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Photolack auf die Oberfläche des Substrats (1) durch Rakeln oder Sprühen oder Tauchen oder Walzenauftrag oder Druck aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Photolack durch Rotation des Substrats (1) auf der Oberfläche des Substrats (1) verteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei als zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung (2) eine Photofolie auf das Substrat (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Substrat (1) mit der darauf aufgebrachten zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) durch eine mikrostrukturierte Maske (3) bestrahlt wird und anschließend entwickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat (1) mit der darauf aufgebrachten zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung (2) durch UV-Licht belichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei als Benetzungslösung (5) – eine einzelne Flüssigkeit, oder – eine homogene Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, oder – eine heterogene Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, oder – eine homogene Mischung einer Flüssigkeit oder mehrerer Flüssigkeiten und eines in der Flüssigkeit/den Flüssigkeiten löslichen Feststoffs, vorzugsweise eines anorganischen Stoffs wie insbesondere eines Salzes, oder – eine einzelne Flüssigkeit oder eine Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, die nach der Benetzung aushärten, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Überschichten des Strukturträgers (4) durch Rakeln oder Sprühen oder Tauchen oder Walzenauftrag oder Pipettenauftrag oder Aufdampfen einer Benetzungslösung (5) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei zum Überschichten des Benetzungsmusters (6) eine organische Substanz, vorzugsweise eine Monomer- oder Polymerlösung, als filmbildende Substanz (7) auf den benetzten Strukturträger (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei zum Überschichten des Benetzungsmusters (6) eine Zubereitung, die anorganische Substanzen enthält, vorzugsweise eine Keramik oder ein Metall oder eine metallische Verbindung oder Vorstufen zu diesen Substanzen, als filmbildende Substanz (7) auf den benetzten Strukturträger (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die filmbildende Substanz (7) durch – radikalische oder anionische oder kationische oder koordinative Polymerisation, oder – Polykondensation, oder – Vernetzung, oder – Kristallisation, oder – Umkristallisation, oder – Verglasen durch Abkühlen oder durch Entfernen eines Lösungsmittels der filmbildenden Substanz (7) aushärtet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die filmbildende Substanz (7) in einer Schichtdicke, die geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters (6), auf den benetzten Strukturträger (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die filmbildende Substanz (7) in einer Schichtdicke, die größer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters (6), auf den benetzten Strukturträger (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Schichtdicke der filmbildenden Substanz (7) derart gewählt wird, dass beim Auftrag der filmbildenden Substanz (7) deren Schichtdicke größer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters (6), und nachdem die filmbildenden Substanz (7) erstarrt ist, der mikrostrukturierte Film (8) eine Schichtdicke aufweist, die geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Entfernen des mikrostrukturierten Films (8) vom Substrat (1) durch physikalische und/oder chemische Lösungsvorgänge, vorzugsweise durch Abziehen, Lösen in einer wässrigen Lösung oder Ätzen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei während oder nach dem Entfernen des mikrostrukturierten Films (8) vom Substrat (1) Reste der Benetzungslösung (5) durch Ausspülen, mechanische Deformation, chemische Reaktionen, auch in Verbindung mit dem Auflösen und/oder Verflüchtigen der gebildeten Reaktionsprodukte, und/oder durch Verdunsten entfernt werden.