DE102018205529A1

DE102018205529A1 - Filtersubstrat zur Filterung und optischen Charakterisierung von Mikropartikeln, Verfahren zur Herstellung des Filtersubstrats und Verwendung des Filtersubstrats

Info

Publication number: DE102018205529A1
Application number: DE102018205529.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Hagendorf; Kai Kaufmann; Ulrike Braun
Original assignee: Bundesanstalt fur Mat und Pruefung Bam; HOCHSCHULE ANHALT FH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fur Mat und Pruefung Bam; HOCHSCHULE ANHALT FH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2019-10-17
Also published as: EP3775835A1; US11879823B2; WO2019197542A1; US20210364405A1; CN112041656A; KR20210015783A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtersubstrat zur Filterung und optischen Charakterisierung von Mikropartikeln. Das Filtersubstrat umfasst einen Wafer mit einer Dicke von mindestens 100 µm und einem Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm. Zudem ist die Oberfläche der Vorderseite und/oder die Oberfläche der Rückseite des Wafers vollständig oder bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht versehen ist, die eine optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert. Ferner weist der Wafer zumindest bereichsweise Filterlöcher mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 mm auf. Mit dem erfindungsgemäßen Filtersubstrat sind eine Filterung von Mikropartikeln sowie eine anschließende optische Charakterisierung der Mikropartikel auf dem Filtersubstrat mit einer sehr hohen Messqualität möglich. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtersubstrats sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Filtersubstrats.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtersubstrat zur Filterung und optischen Charakterisierung von Mikropartikeln. Das Filtersubstrat umfasst einen Wafer mit einer Dicke von mindestens 100 um und einem Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm. Zudem ist die Oberfläche der Vorderseite und/oder die Oberfläche der Rückseite des Wafers vollständig oder bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht versehen ist, die eine optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert. Ferner weist der Wafer zumindest bereichsweise Filterlöcher mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 mm auf. Mit dem erfindungsgemäßen Filtersubstrat sind eine Filterung von Mikropartikeln sowie eine anschließende optische Charakterisierung der Mikropartikel auf dem Filtersubstrat mit einer sehr hohen Messqualität möglich. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtersubstrats sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Filtersubstrats.
Mikroplastikpartikel in wässrigen Systemen bzw. deren Charakterisierung mit optischen spektralen Verfahren sind von großer Bedeutung für die Umweltanalytik, die Gesundheit und den Arbeitsschutz. Der Eintrag von Mikroplastik, d.h. Plastikpartikeln oder Fasern mit Größen von wenigen Mikrometern bis zu 5 mm in der längsten Dimension, in Wasser führt letztendlich zum Transport in natürliche Ökosysteme und dort zur Anreicherung (Browne et al., „Accumulation of microplastic on shorelines worldwide: sources and sinks", Environmental science & technology 45.21 (2011), 9175-9179; van Cauwenberghe et al., „Microplastic pollution in deep-sea sediments", Environmental Pollution 182 (2013), 495-499).
Längerfristige Auswirkungen für Ökosysteme und Populationen in diesen Ökosystemen sind noch unklar und zu großen Teilen noch nicht erforscht. Einer der Gründe hierfür ist der Mangel an harmonisierten Verfahren, in diesem Falle insbesondere geeigneten Filtersystemen für eine repräsentative, reproduzierbare und effiziente Probenentnahme und nachfolgende schnelle Analytik der organischen Partikelmaterialien. Für eine eindeutige Identifikation der chemischen Zusammensetzung zur Identifikation der Quellen und Senken der Mikropartikel müssen die erforderlichen Filtersysteme eine größenselektive Filterfunktion erfüllen, große Volumen filtern können und letztlich durch die große Anzahl natürlich vorkommender Partikel in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt werden. Weiterhin erfordert die optische Partikelanalytik mit spektralen Verfahren eine breitbandige Transparenz der Filtersubstrate bis in den nahen/mittleren Infrarotbereich (FTIR) und/oder eine breitbandig reduzierte Substrat-Reflexion (Raman, Fluoreszenz-Spektroskopie). Zur Reduktion der störenden, anorganischen und organischen Begleitorganik des Filterkuchens sind physiko-chemische Aufarbeitungsschritte notwendig (u.a. Dichteseparation mit verschiedenen gesättigten Salzlösungen oder oxidative Behandlung mit H₂O₂). Die Anwendung verschiedener Behandlungsschritte darf die Funktionalität des Filtermaterials nicht beeinträchtigen. Dies muss auch durch die Anwendung von Hygienisierungsschritten gewährleistet werden.
Gemäß dem bisherigen Stand der Technik werden überwiegend Partikel größer als 300 µm aus wässrigen Systemen mit Neuston-Netzen entnommen und nach der Entnahme auf einen Probenhalter übertragen, um optisch-spektrale Analysen durchzuführen. Diese Verfahren sind etabliert im marinen Beprobungsbereich, sind jedoch auf limnische Fließgewässer/turbulente Strömungen nicht übertragbar. Hier wird in der Regel mit aktiven Pumpsystemen gearbeitet.
Für Partikelgrößen kleiner als 500 µm kommen fraktionierte Filtrationen mit verschiedenen Filtern auf Kunststoffbasis (u.a. Acetat, Teflon), gewebten oder gesinterten Metallmaterialien oder anorganischen Fasern- oder Porenfiltern (Aluminiumoxid, Glasfasern) zum Einsatz. Durch die Problematik des vollständigen Übertrages der Proben aus den Filtermaterialien auf optische Probenhalter wäre eine Analytik direkt auf dem Filter vorteilhaft. Außerdem würde eine direkte Detektion (auch z.B. nach den physiko-chemischen Aufbereitungsschritten) die Problematik der Probenkontamination minimieren. Die aufgeführten Materialen sind problematisch hinsichtlich störender/überlegenerer Untergrundsignale oder mangelnder optischer Transparenz.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Filtersubstrat anzugeben, mit dem sowohl eine Filterung von Mikropartikeln als auch eine anschließende optische Charakterisierung der abgefilterten Mikropartikel auf dem Filtersubstrat mit einer sehr hohen Messqualität möglich ist.
Diese Aufgabe wird bezüglich eines Filtersubstrats mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung des Filtersubstrats mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. In Patentanspruch 13 werden Verwendungsmöglichkeiten des beschichteten Polymer-Substrats angegeben. Die jeweilig abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit ein Filtersubstrat zur Filterung und optischen Charakterisierung von Mikropartikeln angegeben. Das Filtersubstrat umfasst einen Wafer mit einer Dicke von mindestens 100 um und einem Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm. Zudem ist die Oberfläche der Vorderseite und/oder die Oberfläche der Rückseite des Wafers vollständig oder bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht versehen, die eine optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert. Ferner weist der Wafer zumindest bereichsweise Filterlöcher mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 mm auf.
Unter Mikropartikeln werden Partikel mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5000 µm verstanden.
Der Transmissionsgrad kann gemäß DIN 5036-3 oder gemäß CIE 130-1998 bestimmt werden.
Durch die im Wafer befindlichen Filterlöcher kann dieser als Filtersubstrat verwendet werden, da das zu filternde Medium (flüssig oder gasförmig) durch die Filterlöcher gespült wird, während im zu filternden Medium befindliche Mikropartikel am Wafer hängenbleiben. Die Filterlöcher können z.B. mittels Laserbohren in den Wafer eingebracht sein. Hierdurch können variable Lochdurchmesser und variable Lochgeometrien erhalten werden. Das Filtersubstrat ist daher besonders geeignet für den Einsatz in Kaskadenfiltersystemen für Probennahmevolumina von bis zu mehreren Litern Medium (Flüssigkeit oder Gas).
Die Filterlöcher verlaufen jeweils von der Vorderseite des Filtersubstrats bzw. des Wafers bis zur Rückseite des Filtersubstrats bzw. des Wafers. Mit anderen Worten verlaufen die Filterlöcher jeweils komplett durch den Wafer bzw. das Filtersubstrat, sodass das zu filternde Medium (Flüssigkeit oder Gas) den Filter durch die Filterlöcher passieren kann. Die Filterlöcher, die in einem Bereich des Wafers verlaufen, dessen Oberflächen mit der Antireflex-Schicht versehen sind, verlaufen auch durch die Antireflex-Schicht. Die Filterlöcher liegen also frei und werden von der Antireflex-Schicht nicht verdeckt. Mit anderen Worten ist die Antireflex-Schicht nicht über den Filterlöchern angeordnet.
Das Filtersubstrat kann zum Filtern der Mikropartikel beispielsweise in eine geeignete Halterung eingesetzt werden. Zusätzlich kann der Wafer durch eine ebenfalls in die Halterung eingesetzte Verstärkungsstruktur mechanisch gestützt werden. Bei dieser Verstärkungsstruktur kann es sich z.B. um eine grobmaschig durchbrochene Unterlage, z.B. aus Metall oder spezifischem Kunststoff, handeln.
Bei einem Wafer handelt es sich gemäß allgemeiner Definition um eine dünne Scheibe beliebiger Form. Beispielsweise kann der Wafer eine kreisförmige oder quadratische Grundform aufweisen. Vorzugsweise weist der Wafer eine kreisförmige Grundform auf. Der Durchmesser des Wafers kann z.B. 10 mm bis 1000 mm betragen. Durch eine Mindestdicke von 100 µm weist der Wafer eine ausreichende Stabilität auf, um als Filtersubstrat für die Filterung von Mikropartikeln verwendet werden zu können.
Wafer werden normalerweise als Substrat für elektronische Bauelemente in der Halbleitertechnik verwendet. In der vorliegenden Erfindung dient ein solcher Wafer hingegen als Filtersubstrat. Wafer sind in geeigneten Dicken und Materialien verfügbar, sodass die Anforderungen an die Stabilität sowie an die optische Transparenz des Filtersubtrats ohne Weiteres erfüllt werden können. Zudem können Wafer auf einfache Weise (z.B. mittels Laserbohren) mit Filterlöchern versehen werden. Auch das Auftragen einer Antireflex-Schicht ist möglich (z.B. durch Einbringen einer Nanostrukturierung oder Aufbringen einer nanostrukturierten Beschichtung). Ein Wafer ist somit hervorragend als Grundelement des erfindungsgemäßen Filtersubstrats geeignet.
Aufgrund des hohen Transmissionsgrades im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm und aufgrund der Antireflex-Schicht eignet sich das Filtersubstrat nicht nur zur Filterung der Mikropartikel sondern auch als Substrat zur optischen Charakterisierung der Mikropartikel, wobei eine sehr hohe Messqualität erreicht wird. Durch den hohen Transmissionsgrad wird dabei gewährleistet, dass eine ausreichende Menge an Strahlung durch das Substrat transmittieren kann, um eine sehr gute Messqualität bei Transmissionsmessungen (wie z.B. FTIR) zu gewährleisten. Die Antireflex-Schicht verhindert die optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm. Auf diese Weise wird das Signal-Rausch-Verhältnis bei Reflexionsmessungen (wie z.B. Raman-Messungen) deutlich verbessert, was zu einer sehr guten Messqualität bei diesen Messungen führt. Mit dem erfindungsgemäßen Substrat kann somit eine optische Charakterisierung der Mikropartikel mit sehr hoher Messqualität durchgeführt werden. Vorzugsweise können hierbei sowohl Transmissionsmessungen als auch Reflexionsmessungen mit angewandt werden, wobei in beiden Fällen eine sehr hohe Messqualität erreicht werden kann.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das erfindungsgemäße Filtersubstrat sowohl zur Filterung als auch zur optischen Charakterisierung der Mikropartikel verwendet werden kann. Mit anderen Worten kann die optische Charakterisierung direkt auf dem Filtersubstrat erfolgen, sodass ein Übertrag vom Filtersubstrat auf einen optischen Probenhalter nicht mehr notwendig ist. Bei einem solchen Übertrag auftretende Probleme können somit vermieden werden.
Insgesamt betrachtet ermöglicht das erfindungsgemäße Filtersubstrat somit sowohl eine Filterung von Mikropartikeln als auch eine anschließende optische Charakterisierung der Mikropartikel auf dem Filtersubstrat mit einer sehr hohen Messqualität.
Die Oberfläche der Vorderseite und/oder der Rückseite des Wafers kann vollständig oder lediglich bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht versehen sein.
Ist die Oberfläche der Vorderseite und/oder der Rückseite des Wafers lediglich bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht versehen, dann weist das Filtersubtrat zumindest einen Bereich ohne Antireflex-Schicht, an welchem Transmissionsmessungen (z.B. FTIR) durchgeführt werden können, und mindestens einen Bereich mit einer Antireflex-Schicht auf, an welchem Reflexionsmessungen (z.B. Raman) durchgeführt werden können. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da so auf einfache Weise sowohl Transmissionsmessungen als auch Reflexionsmessungen mit sehr hoher Messqualität durchgeführt werden können.
Ist die Oberfläche der Vorderseite und/oder der Rückseite des Wafers vollständig mit einer Antireflex-Schicht versehen, bedeutet dies, dass auf der gesamten Oberfläche der Vorderseite und/oder der Rückseite des Wafers eine Antireflex-Schicht angeordnet ist. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass der Bereich über den Filterlöchern nicht zur Oberfläche des Wafers gehört. In der Folge ist also auch für den Fall, dass die Oberfläche der Vorderseite und/oder der Rückseite des Wafers vollständig mit einer Antireflex-Schicht versehen ist, die Antireflex-Schicht nicht über den Filterlöchern angeordnet. Auch hier liegen die Filterlöcher also frei und werden von der Antireflex-Schicht nicht verdeckt.
Ist die Oberfläche der Vorderseite und/oder der Rückseite des Wafers vollständig mit einer Antireflex-Schicht versehen, können in jedem Bereich des Wafers Reflexionsmessungen (z.B. Raman) mit sehr hoher Messqualität durchgeführt werden. Prinzipiell ist hier auch die Durchführung von Transmissionsmessungen (z.B. FTIR) möglich. Um bei solchen Transmissionsmessungen eine sehr hohe Messqualität zu erreichen, sollte die Antireflex-Schicht jedoch einen Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung in einzelnen Abschnitten aus dem Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm aufweisen. Um dies zu erreichen könnte die Antireflex-Schicht beispielsweise als spektraler Filter gestaltet sein, der sowohl die Reflexion als auch die Transmission nur in ausgewählten Wellenlängenbereichen beeinflusst.
Vorzugweise verhindert die Antireflex-Schicht die optische Reflexion von mindestens 90 %, bevorzugt von mindestens 99 %, besonders bevorzugt von mehr als 99 %, der auf sie treffenden Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtersubstrats zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei der Antireflex-Schicht um eine in die Oberfläche des Wafers eingebrachte Nanostrukturierung oder um eine auf die Oberfläche des Wafers aufgebrachte nanostrukturierte Beschichtung handelt. Solche Nanostrukturierungen und nanostrukturierten Beschichtungen eignen sich besonders gut als Antireflex-Schichten, da im gewünschten Wellenlängenbereich keine Strahlung oder nahezu keine Strahlung reflektiert wird. Bei der Nanostrukturierung kann es sich um eine lokale Nanostrukturierung handeln, die z.B. mittels Plasmaätzen eingebracht ist. Bei der nanostrukturierten Beschichtung kann es sich z.B. um die Beschichtung Nano Black^® von ACKTAR handeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Wafer eine Dicke größer als 100 µm, bevorzugt größer als 250 µm, besonders bevorzugt größer als 500 µm, aufweist. Eine höhere Dicke des Wafers führt zu einer höheren Stabilität des Filtersubstrats. Es kann dann z.B. bei noch stärkeren Strömungen zum Filtern eingesetzt werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Filtersubstrat eine Verstärkungsstruktur zur mechanischen Stabilisierung des Wafers aufweist. Bei dieser Verstärkungsstruktur kann es sich z.B. um eine grobmaschig durchbrochene Unterlage, z.B. aus Metall oder spezifischem Kunststoff, handeln. Durch die Verstärkungsstruktur wird der Wafer gestützt und somit noch besser stabilisiert. Die Verstärkungsstruktur kann zusammen mit dem Filtersubstrat in eine geeignete Halterung eingesetzt sein. Durch die bessere mechanische Stabilisierung aufgrund der Verstärkungsstruktur kann das Filtersubstrat bei noch stärkeren Strömungen, also z.B. in Gewässern mit stärkerer Strömung, verwendet werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtersubstrats ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer ein Silicium-Wafer ist. Dieser weist vorzugsweise einen Dotierungsgrad von maximal 10¹⁸ Atomen/cm³, besonders bevorzugt von maximal 10¹⁷ Atomen/cm³. Silicium-Wafer weisen einerseits eine hohe mechanische Stabilität und andererseits eine hohe optische Transparenz im für FTIR-Mikroskopie relevanten Bereich von 4000 bis 600 cm^-1 auf. Zudem sind Silicium-Wafer stabil gegenüber angemessenen Sterilisationsverfahren, wobei keine Beeinflussung durch die Anwendung von gesättigten Salzlösungen (u.a. ZnCl₂, NaCl, CaCl₂) bzw. oxidativen Behandlungen mit H₂O₂ stattfindet. Silicium-Wafer sind daher besonders geeignet als Grundelement des erfindungsgemäßen Filtersubstrats. Durch einen niedrigen Dotierungsgrad kann die optische Transparenz bzw. der Transmissionsgrad des Wafers erhöht werden, wodurch sich die Messqualität bei Transmissionsmessungen noch weiter erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtersubstrats beträgt die Anzahl der Filterlöcher mindestens 100, bevorzugt mindestens 10000, besonders bevorzugt mindestens 1000000. Durch eine solch hohe Anzahl von Filterlöchern kann eine besonders effektive und schnelle Filterung erreicht werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Filterlöcher

- mittels Laserbohren eingebracht sind, und/oder
- jeweils einen geraden Kanal bilden, der senkrecht zur Vorderseite und zur Rückseite des Wafers verläuft, und/oder
- einen Durchmesser von 1 µm bis 4000 µm, bevorzugt von 1 µm bis 2500 µm, besonders bevorzugt von 1 µm bis 1000 µm, ganz besonders bevorzugt von 1 µm bis 500 µm, haben, und/oder
- zumindest bereichsweise mit einer Dichte von 1 Filterloch pro cm² bis 1000000 Filterlöchern pro cm², bevorzugt mit einer Dichte von 100 Filterlöchern pro cm² bis 10000 Filterlöchern pro cm², im Filtersubstrat angeordnet sind, und/oder
- alle den gleichen Durchmesser und/oder die gleiche Geometrie aufweisen.

Die Filterlöcher können alle den gleichen Durchmesser und/oder die gleiche Geometrie aufweisen. Alternativ können die Filterlöcher aber auch verschiedene Durchmesser und/oder verschiedene Geometrien aufweisen. Auch können die Bereiche mit Filterlöchern auf dem Wafer in Unterbereiche unterteilt sind, welche sich durch die Dichte von Filterlöchern pro cm² voneinander unterscheiden. Es kann also Bereiche mit einer hohen Dichte und Bereiche mit einer niedrigen Dichte von Filterlöchern pro cm² auf dem Wafer geben.
Die Filterlöcher können mittels Laserbohren in den Wafer eingebracht sein. Hierdurch können variable Lochdurchmesser und variable Lochgeometrien erhalten werden. Das Laserbohren ermöglicht die einfache und kostengünstige Herstellung von variablen Filterlöchern ≥ 1 µm in variabler Anordnung und Geometrie, sowie mit akzeptablen Filterflächen und mechanischer Stabilität. Das Filtersubstrat ist daher besonders geeignet für den Einsatz in Kaskadenfiltersystemen für Probennahmevolumina von bis zu mehreren Litern Medium (Flüssigkeit oder Gas). Mittels Laserbohren hergestellte Filterlöcher im Wafer weisen charakteristische Schäden aufgrund des Laserabtrags auf. Die mittels Laserbohren hergestellten Filterlöcher im Wafer unterscheiden sich somit von auf andere Weise hergestellten Filterlöchern. Die Herstellung der Filterlöcher mittels Laserbohren lässt sich durch Mikroanalysen belegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Filtersubstrats gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in einen Wafer mit einer Dicke von 100 um und einem Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm zumindest bereichsweise Filterlöcher mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 mm eingebracht werden, und die Oberfläche der Vorderseite und/oder die Oberfläche der Rückseite des Wafers vollständig oder bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht versehen wird, die eine optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert.
Das Verfahren umfasst somit zwei Hauptschritte, nämlich einerseits das Versehen der Oberfläche des Wafers mit der Antireflex-Schicht und andererseits das Einbringen der Filterlöcher in den Wafer. Diese beiden Schritte können in beliebiger Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise kann zunächst der Wafer mit der Antireflex-Schicht versehen werden, wobei dann anschließend die Filterlöcher in den Wafer eingebracht werden. Die Filterlöcher werden in diesem Fall dann so eingebracht, dass sie durch die gesamte Dicke des Wafers bzw. des Filtersubstrats einschließlich der Antireflex-Schicht - falls diese im Bereich des jeweiligen Filterlochs vorhanden ist - verlaufen. Alternativ können auch zunächst die Filterlöcher in den Wafer eingebracht werden, wobei dann anschließend der Wafer mit der Antireflex-Schicht versehen wird. Das Aufbringen der Antireflex-Schicht erfolgt in diesem Fall dann so, dass die Filterlöcher freiliegen und nicht durch die Antireflex-Schicht verdeckt werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einbringen der Filterlöcher mittels Laserbohren. Das Laserbohren ermöglicht die einfache und kostengünstige Herstellung von variablen Filterlöchern ≥ 1 µm in variabler Anordnung und Geometrie, sowie mit akzeptablen Filterflächen und mechanischer Stabilität. Das Filtersubstrat ist daher besonders geeignet für den Einsatz in Kaskadenfiltersystemen für Probennahmevolumina von bis zu mehreren Litern Medium (Flüssigkeit oder Gas).
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Vorderseite und/oder die Rückseite des Wafers dadurch mit der Antireflex-Schicht versehen wird, dass eine Nanostrukturierung in die Oberfläche des Wafers eingebracht wird oder eine nanostrukturierte Beschichtung auf die Oberfläche des Wafers aufgebracht wird.
Beispielsweise wird zunächst eine strukturierte Beschichtung auf die Oberfläche des Wafers aufgebracht, wobei dann anschließend die Filterlöcher in den Wafer eingebracht werden. Die Filterlöcher werden in diesem Fall dann so eingebracht, dass sie durch die gesamte Dicke des Wafers bzw. des Filtersubstrats einschließlich der Antireflex-Schicht - falls diese im Bereich des jeweiligen Filterlochs vorhanden ist -verlaufen.
Gemäß einem alternativen Beispiel werden zunächst die Filterlöcher in den Wafer eingebracht, wobei dann anschließend eine Nanostrukturierung in die Oberfläche des Wafers eingebracht wird. Das Aufbringen der Antireflex-Schicht erfolgt somit so, dass die Filterlöcher freiliegen und nicht durch die Antireflex-Schicht verdeckt werden.
Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen der Antireflex-Schicht vor oder nach dem Einbringen der Filterlöcher.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer mit einer Verstärkungsstruktur zu seiner mechanischen Verstärkung versehen wird. Besonders bevorzugt werden der Wafer und die Verstärkungsstruktur in eine gemeinsame Halterung eingesetzt. Bei der Verstärkungsstruktur kann es sich z.B. um eine grobmaschig durchbrochene Unterlage, z.B. aus Metall oder spezifischem Kunststoff, handeln.
Ferner betrifft die vorliegende Anmeldung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Filtersubstrats zum Filtern von Mikropartikeln und zur anschließenden optischen Charakterisierung der Mikropartikel auf dem Filtersubstrat mittels Transmissionsspektroskopie, bevorzugt IR-Spektroskopie, z.B. FTIR-Spektroskopie, und/oder Reflexionsspektroskopie, bevorzugt Raman-Spektroskopie.
Das erfindungsgemäße Filtersubstrat findet Anwendung in Kaskadenfiltersystemen für die umweltanalytische Überwachung der Eintragswege von Mikroplastik in fließenden Gewässern. Hier besteht ein enger Bezug zum Einsatz in den entsprechenden Analytikgeräten (IR, Raman, chemometrische Datenauswertung). Diese Anwendung eröffnet eine Vielzahl von weiterführenden Einsatzfeldern in der Forschung und Entwicklung zu Mikropartikeln in der Umwelt (Wasser, Luft) und in industriellen Prozessen. Der Einsatz in der Industrie ergibt sich bei der Überwachung und Probenentnahme spezieller Prozessschritte.
Anhand des nachfolgenden Beispiels sowie der nachfolgenden Figur soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen und Parameter zu beschränken.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filtersubstrats sowie dessen Verwendung schematisch dargestellt. Das Filtersubstrat umfasst einen Wafer 1 mit einer Dicke von mindestens 100 um und einem Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm. Bei dem Wafer 1 handelt es sich um einen Silicium-Wafer, welcher einen Dotierungsgrad von maximal 10¹⁷ Atomen/cm³ aufweist. Die Oberfläche der Vorderseite des Wafers 1 ist bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht 2 versehen, die eine optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert. Es handelt sich hierbei um eine Antireflex-Schicht, die die optische Reflexion von mehr als 99 % der auf sie treffenden Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert. Der Wafer 1 weist zumindest bereichsweise Filterlöcher 3 mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 mm auf. Die Filterlöcher 3 sind mittels Laserbohren eingebracht und bilden jeweils einen geraden Kanal, der senkrecht zur Vorderseite und zur Rückseite des Wafers 1 verläuft.
Während dem Filtervorgang kann das zu filternde Medium 4 (Flüssigkeit oder Gas) die Filterlöcher 3 passieren, wobei die im Medium enthaltenen Mikropartikel 5 auf der Vorderseite des Filtersubstrats hängen bleiben.
Nach dem Filtervorgang kann direkt auf dem Filtersubstrat die optische Charakterisierung der Mikropartikel erfolgen, wobei die Mikropartikel 5 mit Licht 6 bestrahlt werden. In dem Bereich bzw. den Bereichen des Filtersubstrats ohne Antireflex-Schicht (Bereich A) kann die optische Charakterisierung mittels Transmissionsmessung (z.B. FTIR) erfolgen. Aufgrund des hohen Transmissionsgrades des Wafers kann ein Großteil des Lichts durch den Wafer transmittieren. Das transmittierte Licht 7 kann dann analysiert werden. Aus dem hohen Transmissionsgrad des Wafers resultiert eine sehr gute Messqualität.
In dem Bereich bzw. den Bereichen des Filtersubstrats mit Antireflex-Schicht 2 (Bereich B) kann die optische Charakterisierung zusätzlich auch mittels Reflexionsmessungen (z.B. Raman) erfolgen. Das einfallende Licht 6 trifft auf die Mikropartikel 5 und wird reflektiert. Das reflektierte Licht 8 kann dann analysiert werden. Aufgrund der Antireflex-Schicht 2 wird ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten, woraus eine sehr gute Messqualität resultiert.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filtersubstrats sowie dessen Verwendung schematisch dargestellt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass die Oberfläche der Vorderseite des Wafers 1 vollständig mit der Antireflex-Schicht 2 versehen ist. Ansonsten sind die Filtersubstrate beider Ausführungsbeispiele identisch.
Dadurch, dass die die gesamte Oberfläche der Vorderseite des Filtersubstrats mit der Antireflex-Schicht 2 versehen ist, kann die optische Charakterisierung an jeder Stelle des Wafers 1 bzw. des Filtersubstrats mittels Reflexionsmessungen (z.B. Raman) erfolgen. Das einfallende Licht 6 trifft auf die Mikropartikel 5 und wird reflektiert. Das reflektierte Licht 8 kann dann analysiert werden. Aufgrund der Antireflex-Schicht 2 wird ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten, woraus eine sehr gute Messqualität resultiert.
Zusätzlich kann die optische Charakterisierung prinzipiell auch mittels Transmissionsmessung (z.B. FTIR) erfolgen (in 2 nicht dargestellt). Um auch bei diesen Transmissionsmessungen eine sehr hohe Messqualität zu erreichen, sollte die Antireflex-Schicht jedoch einen Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Browne et al., „Accumulation of microplastic on shorelines worldwide: sources and sinks“, Environmental science & technology 45.21 (2011), 9175-9179 [0002]
van Cauwenberghe et al., „Microplastic pollution in deep-sea sediments“, Environmental Pollution 182 (2013), 495-499 [0002]
DIN 5036-3 [0010]

Claims

Filtersubstrat zur Filterung und optischen Charakterisierung von Mikropartikeln, umfassend einen Wafer (1) mit einer Dicke von mindestens 100 µm und einem Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm, wobei die Oberfläche der Vorderseite und/oder die Oberfläche der Rückseite des Wafers (1) vollständig oder bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht (2) versehen ist, die eine optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert, und wobei der Wafer (1) zumindest bereichsweise Filterlöcher (3) mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 mm aufweist.
Filtersubstrat gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Antireflex-Schicht (2) um eine in die Oberfläche des Wafers (1) eingebrachte Nanostrukturierung oder um eine auf die Oberfläche des Wafers (1) aufgebrachte nanostrukturierte Beschichtung handelt.
Filtersubstrat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (1) eine Dicke größer als 100 µm, bevorzugt größer als 250 µm, besonders bevorzugt größer als 500 um, aufweist.
Filtersubstrat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat eine Verstärkungsstruktur zur mechanischen Stabilisierung des Wafers (1) aufweist.
Filtersubstrat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (1) ein Silicium-Wafer ist, welcher vorzugsweise einen Dotierungsgrad von maximal 10¹⁸ Atomen/cm³, besonders bevorzugt von maximal 10¹⁷ Atomen/cm³, aufweist.
Filtersubstrat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Filterlöcher (3) mindestens 100, bevorzugt mindestens 10000, besonders bevorzugt mindestens 1000000, beträgt.
Filtersubstrat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterlöcher (3) - mittels Laserbohren eingebracht sind, und/oder - jeweils einen geraden Kanal bilden, der senkrecht zur Vorderseite und zur Rückseite des Wafers (1) verläuft, und/oder - einen Durchmesser von 1 µm bis 4000 µm, bevorzugt von 1 µm bis 2500 µm, besonders bevorzugt von 1 µm bis 1000 µm, ganz besonders bevorzugt von 1 µm bis 500 µm, haben, und/oder - zumindest bereichsweise mit einer Dichte von 1 Filterloch pro cm² bis 1000000 Filterlöchern pro cm², bevorzugt mit einer Dichte von 100 Filterlöchern pro cm² bis 10000 Filterlöchern pro cm², im Filtersubstrat angeordnet sind, und/oder - alle den gleichen Durchmesser und/oder die gleiche Geometrie aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Filtersubstrats gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in einen Wafer (1) mit einer Dicke von mindestens 100 um und einem Transmissionsgrad von mindestens 10 % für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 15000 nm zumindest bereichsweise Filterlöcher (3) mit einem Durchmesser von mindestens 1 µm eingebracht werden, und die Oberfläche der Vorderseite und/oder die Oberfläche der Rückseite des Wafers (1) vollständig oder bereichsweise mit einer Antireflex-Schicht (2) versehen wird, die eine optische Reflexion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 10000 nm verhindert.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Filterlöcher (3) mittels Laserbohren erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite und/oder die Rückseite des Wafers (1) dadurch mit der Antireflex-Schicht (2) versehen wird, dass eine Nanostrukturierung in die Oberfläche des Wafers (1) eingebracht wird oder eine nanostrukturierte Beschichtung auf die Oberfläche des Wafers (1) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Antireflex-Schicht (2) vor oder nach dem Einbringen der Filterlöcher (3) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (1) mit einer Verstärkungsstruktur zu seiner mechanischen Verstärkung versehen wird.
Verwendung eines Filtersubstrats gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Filtern von Mikropartikeln und zur anschließenden optischen Charakterisierung der Mikropartikel auf dem Filtersubstrat mittels Transmissionsspektroskopie, bevorzugt IR-Spektroskopie, und/oder Reflexionsspektroskopie, bevorzugt Raman-Spektroskopie.