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Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen Vorrichtungen zum Trennen zweier Gase eines Gasgemisches, z.B. eine Filtermembran, Verwendungen einer derartigen Vorrichtung, sowie Herstellungsverfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung.
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In verschiedenen Bereichen werden Filter dazu verwendet, verschiedene Stoffe voneinander zu trennen. Besonders relevant aber auch technisch schwierig umsetzbar kann es sein, nur ein bestimmtes Gas aus einem Gasgemisch zu extrahieren bzw. zwei oder mehrere Gase aus einem Gasgemisch voneinander zu trennen. Allgemein wird bei der Gastrennung versucht, verschiedene Gase zum Beispiel mit Hilfe von Membranen oder auf Grund ihrer physikalischen Eigenschaften (Siedepunkt/Masse) zu trennen. Membranverfahren sind in der Regel energie- und kostensparend verglichen mit Verflüssigungs- und/oder Verdampfungsverfahren. Filtermembrane zur Gastrennung basieren herkömmlicherweise auf Polymermaterialien, da eine mechanische Filterung mittels beispielsweise poröser Keramiken oder porösen Metallen problematisch werden kann, wenn die zu filternden Moleküle zu klein werden, wie es beispielsweise für Gase der Fall sein kann.
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Einige hierin beschriebene Aspekte beziehen sich auf eine Beschichtung von Poren einer offenporigen (auch als offenporös bezeichnet) Struktur (z.B. einer Schichtstruktur bzw. einer Membran) mittels Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, kurz ALD). Die Größen der Poren (z.B. im Sinne des Porenvolumens, des kleinsten Porendurchmessers, des kleinsten Porenquerschnitts, etc.) können vor der Beschichtung im Nanometerbereich oder im Mikrometerbereich liegen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 100 nm. Auf den Poreninnenwänden kann mittels ALD eine Schichtstruktur Atomlage für Atomlage abgeschieden werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen erfolgt das Beschichten so, dass die Porengrößen der Poren sich verkleinern, wobei durch einen selbstjustierenden Effekt eine vordefinierte Porengröße nicht unterschritten wird. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die ALD-Zyklen solange wiederholt werden, bis eine Sättigung erfolgt und die Poreninnenwände der Poren nicht weiter verkleinert werden, da die ALD-Präkursor-Moleküle aufgrund ihrer Größe nicht mehr in das Innere der Poren eindringen können und somit keine Beschichtung mehr erfolgt.
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Dies kann beispielsweise eine ursprüngliche mittlere Porengröße sowie die Halbwertsbreite (FWHM) der Porengrößenverteilung der offenporigen Struktur verringern, da sich alle Poren der offenporigen Struktur aufgrund der selbstjustierenden Beschichtung zu einer vordefinierten Größe verengen unabhängig von deren Ursprungsgröße.
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Die beschichtete offenporige Struktur kann dann als eine Filtermembran oder Teil einer Filtermembran fungieren. Somit können beispielsweise Gasmoleküle herausgefiltert bzw. nicht durchgelassen werden, die größer als die vordefinierte Porengröße sind. Die Halbwertsbreite der Porengrößenverteilung ist ein Maß für die Filterqualität, so dass eine Porengrößenverteilung mit möglichst geringer Halbwertsbreite vorteilhaft ist.
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Verschiedene Aspekte der hierin beschriebenen Filtervorrichtung (z.B. die Filtermembran) sowie deren Herstellung beruhen auf der Erkenntnis, dass bei einem ALD-Prozess der verwendete Präkursor ab einer bestimmten kritischen Porengröße einer Pore nicht mehr in die Pore eindringen kann, wodurch die Beschichtung der Porenwände für die jeweilige Pore von selbst endet. Die Poren, die eine Porengröße größer als die kritische Porengröße aufweisen, werden weiterhin beschichtet bis diese ebenfalls die kritische Porengröße erreichen. Auf diese Weise werden mit fortlaufenden Atomlagenabscheidungen nur die größeren Poren weiter verkleinert bis diese ebenfalls die kritische Porengröße erreichen, so dass ein selbstjustierender Prozess stattfindet. Dies führt folglich zu einer signifikanten Verkleinerung der Halbwertsbreite der Porengrößenverteilung, da die Porengrößen im Wesentlichen der kritischen Porengröße entsprechen. Insgesamt wird dazu die offenporige Struktur bis zu einer Sättigung beschichtet in der kein weiteres Material mehr in die Poren eingebracht wird, d.h. unter Umständen mit einer großen Anzahl von ALD-Zyklen. Die Dauer des ALD-Beschichtungsprozesses bzw. die Anzahl der ALD-Zyklen sind dabei im Wesentlichen davon abhängig, wie groß die größten Poren der offenporigen Struktur sind.
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Gemäß verschiedenen Aspekten kann je nach gewünschter finaler Porengröße ein entsprechender Präkursor mit geeigneter Molekülgröße verwendet werden, um die Poren mittels einer Beschichtung zu verengen.
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Um ein Zuwachsen einzelner Poren zu verhindern, kann beispielsweise vor dem ALD-Prozess eine Passivierungsschicht, auf welcher keine ALD-Oberflächenreaktion stattfindet, auf der Oberfläche der offenporigen Struktur (z.B. auf der porösen Membran) abgeschieden werden und/oder es können ein oder mehrere Ätzprozesse durchgeführt werden, um eventuell zugewachsene Poren wieder zu öffnen. So kann zum Beispiel nach jedem ALD-Zyklus, nach mehreren ALD-Zyklen oder nach dem kompletten ALD-Prozess ein Oberflächen-Ätzen (z.B. ein reaktives Ionenätzen, ein Plasmaätzen, ein Atomlagenätzen (ALE), etc.) und/oder ein Oberflächen-Polieren (z.B. chemisch-mechanisches Polieren) durchgeführt werden. Eine Passivierungsschicht kann zumindest eine nach außen hin freiliegende Oberfläche der offenporigen Struktur abdecken, wobei auch optional ein oder mehrere innenliegenden Porenlagen mit beschichtet sein können. Ein Großteil der innenliegenden Poren soll jedoch nicht von der Passivierungsschicht bedeckt sein.
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Der ALD-Prozess kann beispielsweise in jedem ALD-Zyklus so gesteuert werden, dass die Poren bis in eine vordefinierte Tiefe hinein beschichtet werden. Analog ermöglicht ein ALE-Prozess, die abgeschiedenen Schichten in den Poren bis in eine vordefinierte Tiefe hinein wieder mittels Ätzens zu entfernen. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Verjüngung im Inneren der Poren erzeugt werden, wenn die Tiefe, in die geätzt wird, kleiner ist als die Tiefe, in die die Schicht abgeschieden wurde.
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Ferner können ein oder mehrere Stopp-Kriterien ermittelt werden, welche anzeigen, dass bzw. wann nahezu alle Poren die gewünschte vordefinierte Porengröße aufweisen. So kann zum Beispiel ausgehend von der maximalen Porengröße der offenporigen Struktur eine abzuscheidende Schichtdicke ermittelt werden. Zum Überwachen des ALD-Prozesses könnte ein Schwingquarz eingesetzt werden. Ferner könnte der Präkursor durch die offenporige Struktur hindurch gepumpt werden und ein vordefinierter Präkursor-Durchfluss durch die offenporige Struktur hindurch oder ein sich ausbildender Druckunterschied kann als Stopp-Kriterium dienen, da ab der kritischen Porengröße kein oder nahezu kein Präkursor mehr durch die offenporige Struktur hindurch dringen kann.
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Ferner wurde erkannt, dass industriell häufig räumliche ALD-Verfahren (sogenannte spatial ALD, S-ALD) verwendet werden (z.B. bei Rolle-zu-Rolle oder Band-zu-Band Verfahren), bei welchen ALD-Zyklen in verschiedenen räumlichen Bereichen ablaufen. Hierbei werden herkömmlicherweise große Mengen Präkursor verbraucht, da diese zusammen mit den Reaktionsprodukten abgepumpt werden. Bei einem ALD-(z.B. S-ALD)-Verfahren kann die hierin beschriebene Filtervorrichtung (z.B. eine Filtermembran) eingesetzt werden, so dass beispielsweise die Reaktionsprodukte des ALD-Verfahrens durch die Filtervorrichtung hindurch abgepumpt werden können, aber die Präkursor nicht durch die Filtervorrichtung hindurch gelangen können. Dies kann die Prozesskosten bei ALD-Verfahren, insbesondere bei S-ALD-Verfahren, signifikant verringern. Hierbei könnte zum Beispiel der hierin beschriebene Prozess zum Herstellen einer solchen Filtervorrichtung zum Einsatz kommen.
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Verschiedene Aspekte beziehen sich auf ein Herstellungsverfahren, bei welchem eine poröse (offenporige) Membran oder eine andere geeignet offenporige Struktur mittels eines ALD-Verfahrens beschichtet wird bis ein Stopp-Kriterium erfüllt ist, welches angibt, dass eine Halbwertsbreite einer Porengrößenverteilung der beschichteten porösen Membran mindestens 50% kleiner ist als eine Halbwertsbreite der vor der Beschichtung vorliegenden Ausgangs-Porengrößenverteilung der unbeschichteten porösen Membran.
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Der Präkursor kann während jedes ALD-Zyklus durch die Membran hindurch abgepumpt werden und der Präkursor-Durchfluss kann erfasst werden. Sobald ein vordefinierter Präkursor-Durchfluss unterschritten wird, kann dies als Stopp-Kriterium dienen, da dies angibt, dass nur noch eine vordefinierte Menge an Präkursor durch die Membran hindurch gelangen kann und die Mehrheit der Poren die kritische Porengröße erreicht hat.
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Es kann ferner hilfreich sein, ein Zuwachsen der Oberfläche einer offenporigen Struktur zu verhindern, um eine Vielzahl von Poren unterschiedlicher Größe solange zu Beschichten, bis die Vielzahl von Poren auf eine vordefinierte Größe verengt sind. Es kann ferner hilfreich sein, ein Zuwachsen kleinerer Poren einer offenporigen Struktur zu verhindern, um eine Vielzahl von Poren größerer Größe solange zu Beschichten, bis sowohl die kleineren als auch die größeren Poren auf eine vordefinierte Größe verengt sind. Dazu kann vor dem Beschichten der porösen Struktur mittels ALD eine Passivierungsschicht auf der Oberfläche der porösen Struktur abgeschieden werden. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise das Ablagern einer ALD-Beschichtung verhindern oder zumindest das Schichtwachstum reduzieren. Alternative oder zusätzlich dazu kann nach zumindest einem ALD-Zyklus die Oberfläche der beschichteten porösen Struktur zumindest teilweise entfernt werden (z.B. geätzt und/oder poliert werden), um eventuell vollständig zugewachsene Poren wieder zu öffnen oder um Material, was einen Eingang zu einer Pore vollständig verschließt, wieder zu entfernen.
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In einem ALD-Zyklus können beispielsweise Poren bis in eine vordefinierte erste Tiefe hinein beschichtet werden und anschließend kann die in den Poren abgeschiedene Schicht mittels Atomlagenätzen (ALE) bis in eine vordefinierte zweite Tiefe, die kleiner ist als die erste Tiefe, hinein zumindest teilweise entfernt werden, so dass lediglich ein Abschnitt der Porenwände in einer vordefinierten Tiefe der Poren beschichtet wird oder so dass ein Schichtdickgradient und sich damit eine verjüngende Schichtstuktur erzeugt wird. Eine Verjüngung im Inneren der Poren kann hilfreich sein, da somit beispielsweise Moleküle leichter bis zu dieser Verjüngung vordringen können und/oder nach der Verjüngung wieder besser abgeführt werden können.
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Gemäß verschiedenen Aspekten kann eine hergestellte Filtermembran für das Filtern von Präkursor-Gasen bei einem räumlichen ALD-Verfahren (S-ALD) zum Gastrennen von ein oder mehreren Präkursor-Gasen von ein oder mehreren Reaktionsprodukten verwendet werden. Beispielsweise können somit nur kleinere Moleküle eines Reaktionsprodukts aus einem Bereich der ALD-Prozesskammer durch die Filtermembran hindurch abgepumpt werden und intaktes (nicht reagiertes) Präkursor-Gas kann in dem Bereich der ALD-Prozesskammer verbleiben. Dabei können das Herstellen der Filtermembran und das Verwenden der Filtermembran aufeinander abgestimmt sind. Beispielsweise kann die Filtermembran beim Herstellen mittels eines Präkursors so beschichtet werden, dass der Präkursor nicht mehr durch die Filtermembran hindurch gelangen kann, und genau dieser Präkursor kann dann in einer ALD-Prozesskammer mittels der Filtermembran effizient frei von ein oder mehreren Reaktionsprodukten gehalten werden, basierend auf der Annahme, dass die Moleküle der ein oder mehreren Reaktionsprodukte kleiner sind als die Moleküle des Präkursors, so dass die ein oder mehreren Reaktionsprodukte durch die Filtermembran hindurch abgetrennt werden können und der Präkursor eben gerade nicht.
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Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigen
- 1A bis 1C eine offenporige Struktur und deren Beschichtung in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
- 2A und 2B eine Filtervorrichtung in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
- 3 ein Verfahren zur Herstellung einer Filterstruktur und/oder Filtervorrichtung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
- 4 eine Vorrichtung zum Herstellen einer Filterstruktur und/oder Filtervorrichtung in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Offenbarung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Da Komponenten von Ausführungsformen in verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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1A zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer offenporigen Struktur 110, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die offenporige Struktur 110 kann beispielsweise Teil einer Filterstruktur 100 sein oder eine Filterstruktur 100 bilden. Die offenporige Struktur 110 kann in einem Substrat 102 gebildet sein oder selbst ein Substrat 102 bilden. Die Filterstruktur 100 kann anschaulich eine Filtermembran sein, z.B. mit einer Dicke 101d in einem Bereich von ungefähr Ipm bis ungefähr 10 mm.
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1B zeigt beispielhaft eine schematische Detaildarstellung eines Teils der offenporigen Struktur 110, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Anschaulich können Poren der offenporigen Struktur 110 derart ausgebildet sein, dass sich ein gasdurchlässiger Kanal 120 bildet, der sich von einer ersten Seite 110a der offenporigen Struktur 110 bis zu einer der ersten Seite 110a gegenüberliegenden Seite 110b der offenporigen Struktur 110 erstreckt. Es versteht sich, dass die offenporige Struktur 110 eine Vielzahl derartiger Kanäle aufweist, gebildet durch das Netzwerk aus miteinander verbundenen Poren der offenporigen Struktur 110. Somit kann die offenporige Struktur 110 eine Filterfunktion für beispielsweise Gase bereitstellen.
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1C zeigt beispielhaft eine schematische Detaildarstellung eines Teils der offenporigen Struktur 110, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Anschaulich können Poren der offenporigen Struktur 110 derart beschichtet sein, dass sich eine Porengröße der Poren der offenporigen Struktur 110 aufgrund einer in den Poren abgeschiedenen Schicht 130 verringert. Anschaulich wird der in der offenporigen Struktur 110 verbleibende Kanal 120 zu einem eingeengten Kanal 120v in dessen Querschnitt (oder auch dessen Durchmesser, dessen Weite) aufgrund der abgeschiedenen Schicht 130 verringert. Somit kann die Filterwirkung der Kanäle in der offenporigen Struktur 110 modifiziert werden.
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Das Bilden der Schicht 130 kann vorzugsweise mittels eines ALD-Verfahren erfolgen. Es versteht sich, dass mittels eines ALD-Verfahrens die Schicht 130 konform an den Innenwänden der Poren abgeschieden werden kann.
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Die Filterstruktur 100 kann eine Vorrichtung zum Trennen zweier Gase eines Gasgemisches sein bzw. zum Trennen zweier Gase eines Gasgemisches verwendet werden. Die Filterstruktur 100 weist mindestens eine offenporige Struktur 110 auf oder besteht aus mindestens einer offenporigen Struktur 110, die, wie hierin beschrieben ist, mit einer Schicht 130 derart beschichtet ist, dass die beschichteten Kanäle 120v als Filterkanäle für spezifische Molekülgrößen dienen. Das Bilden der Schicht 130 erfolgt so, dass die gewünschte Filterwirkung erreicht wird, vorzugsweise erfolgt das Bilder der Schicht 130 selbstjustieren, beispielsweise so, dass unabhängig von einer Ausgangsgröße der Poren der offenporigen Struktur 110 und damit einer Ausgangsgröße (z.B. Ausgangsquerschnitt, Ausgangsweite, Ausgangsdurchmesser) der Kanäle 120 beschichte und damit eingeengte Kanäle 120v gebildet werden, die alle die gewünschte Filterwirkung erzielen.
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2A zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung 200, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Anschaulich kann die Filtervorrichtung 200 mindestens eine Filterstruktur 100 (z.B. mindestens eine Filtermembran) aufweisen.
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Die Filterstruktur 100 kann dabei beispielsweise zwischen einem ersten Gasbereich 200a und einem zweiten Gasbereich 200b angeordnet sein, z.B. innerhalb einer Prozessierkammer (z.B. innerhalb einer ALD-Beschichtungsanlage). Somit kann beispielsweise ein erstes Gas 210a eines Gasgemisches 210 aus dem ersten Gasbereich 200a durch die Filterstruktur 100 (z.B. durch Filterkanäle einer Filtermembran) hindurch in den zweiten Gasbereich 200b gelangen. Ein Hindurchtreten eines zweiten Gases 210b des Gasgemisches 210 aus dem ersten Gasbereich 200a durch die Filterstruktur 100 hindurch in den zweiten Gasbereich 200b kann gehemmt (z.B. zumindest teilweise oder vollständig unterdrückt) sein.
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Die Filterstruktur 100 kann beispielsweise Filterkanäle aufweisen die gebildet sind durch ein zumindest teilweises beschichten von Poren einer offenporigen Struktur, wie es beispielsweise bezüglich der 1A bis 1C beschrieben ist.
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Wie in 2B in einer schematischen Darstellung einer Filtervorrichtung 200 veranschaulicht ist, kann die Filtervorrichtung 200 ferner eine Abpumpanordnung 220 aufweisen zum Abpumpen des (anschaulich abgetrennten) ersten Gases 210a aus dem zweiten Gasbereich 200b. Alternativ oder zusätzlich kann die Abpumpanordnung 220 eingerichtet sein zum Abpumpen des zweiten Gases 210b aus dem ersten Gasbereich 200a oder die Filtervorrichtung 200 kann eine weitere Abpumpanordnung 230 aufweisen zum Abpumpen des zweiten Gases 210b aus dem ersten Gasbereich 200a.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Filterstruktur 100 (z.B. eine Filtermembran) verwendet werden zum Trennen zweier Gase 210a, 210b eines Gasgemisches 210, wobei die Filterstruktur 100 teilweise beschichtete Poren aufweist, welche Filterkanäle bilden, die sich durch die Filterstruktur 100 hindurch erstrecken. Dabei sind die Poren derart beschichtet, z.B. mittels ALD, dass die Filterkanäle eine vordefinierte Filterwirkung verursachen, z.B. eine molekülspezifische Gastrennung erlauben.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Herstellen einer Filterstruktur 100. Das Verfahren 300 kann beispielsweise aufweisen: in 302, Beschichten einer offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung derart, dass sich eine Porengröße von Poren der offenporigen Struktur aufgrund einer in den Poren abgeschiedenen Schicht verringert. Das Beschichten der offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung kann beispielsweise aufweisen, in 302a, Erzeugen eines Druckgradienten in mindestens einem Präkursor-Fluid zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich, wobei die offenporige Struktur zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich derart angeordnet ist, dass das mindestens eine Präkursor-Fluid die Poren der offenporigen Struktur durchströmt.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Prozessieranlage 400, z.B. eine ALD-Beschichtungsanlage, zum Durchführen des Verfahrens 300.
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Die Prozessieranlage 400 kann beispielsweise eingerichtet sein zum Erzeugen eines Druckgradienten 410g in mindestens einem Präkursor-Fluid 410 zwischen einem ersten Bereich 400a und einem zweiten Bereich 400b, wobei eine offenporige Struktur 110 zwischen dem ersten Bereich 400a und dem zweiten Bereich 400b derart angeordnet ist, dass das mindestens eine Präkursor-Fluid 410 Poren der offenporigen Struktur 110 durchströmt und innenbeschichtet, wie beispielsweise in 1C veranschaulicht ist.
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Der Druckgradient 410g kann beispielsweise mittels einer Pumpenanordnung 420 bereitgestellt werden, in dem Gas (z.B. das mindestens eine Präkursor-Fluid 410, welches die offenporige Struktur 110 durchströmt, abgepumpt wird.
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Wie hierin beschrieben ist, kann eine Filterstruktur bereitgestellt werden (z.B. in Form einer Nanofiltrationsmembran) mittels eines effizienten und einfachen Herstellungsverfahrens, wobei es die offenporige Struktur 110 ermöglicht verschiede gasförmige Moleküle voneinander (mechanisch) zu trennen auf Grund ihrer unterschiedlichen Molekülgröße.
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Es kann bereits Ansätze geben, Poren von Nanofiltrationsmembranen durch Beschichtung zu modifizieren, so dass Membranen mit sehr kleinen Poren entstehen. Solche Ansätze zur Modifizierung der Porendurchmesser erzeugen aber breitere Spektren von verschiedenen Porendurchmessern und somit unter Umständen keine ausreichende Filterqualität, da sich bei herkömmlichen Beschichtungsverfahren keine selbstjustierenden Prozesse einstellen und somit eine gezielte und kontrollierte Beschichtung bis hin zu Sub-Nanometer-Durchmessern eine aufwendige Prozesskontrolle benötigen würde.
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Das hierin beschriebene Herstellungsverfahren basierend auf ALD ist ein einfaches, robustes und reproduzierbares Verfahren für die Herstellung von beispielsweise Nanofiltrationsmembranen mit selbstjustierenden Porendurchmessern. Durch eine Verwendung von Präkursormolekülen (auch als Präkursor-Moleküle bezeichnet) mit vordefinierten Abmessungen können Poren einer offenporigen Struktur so lange beschichtet werden, bis diese Präkursor-Moleküle aufgrund ihrer Molekülgröße nicht mehr in die während der Beschichtung kleiner werdenden Poren eindringen können. Wenn dieser Punkt für eine jeweilige Pore erreicht ist, stoppt das Schichtwachstum und der Porendurchmesser dieser Pore bleibt unverändert während größere Poren weiterhin beschichtet werden. Durch dieses selbstbegrenzende Verhalten kann der Prozess weiter durchgeführt werden, beispielsweise um bei einer breiteren Verteilung der initialen Porendurchmesser auch die größten Poren bis zum Endpunkt zu beschichten, ohne dass sich die bereits vollständig beschichteten Poren noch weiter verändern.
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Der hierin beschriebene selbstbegrenzende bzw. selbstjustierende Beschichtungsprozess, bei dem der resultierende Probendurchmesser durch die Wahl der Präkursor-Moleküle definiert werden kann, bietet eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit der Herstellung von Filterstrukturen (z.B. von Gastrennmembranen).
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Eine poröse Membran, die anschaulich solange mittels ALD beschichtet wird, bis im Wesentlichen alle Poren aufgrund der Größe der Präkursor-Moleküle nicht weiter beschichtet werden, kann zur (mechanischen) Separierung von gemischten Gasen anhand der Molekülgröße verwendet werden. Bisher werden Gase meist basierend auf ihren chemischen oder physikalischen Eigenschaften voneinander getrennt. Die bisher dafür eingesetzten Methoden sind oftmals aufwendig, teuer, langsam und/oder nicht selektiv genug, um strömende Gase zuverlässig zu separieren oder um nur bestimmte Gase aus einem Rezipienten zu entfernen. Die hierin beschriebene Filterstruktur 100 bzw. Filtervorrichtung 200 soll es ermöglichen nur bestimmte Gase aus einem strömenden oder stehenden Gasgemisch zu entfernen bzw. abzupumpen, in den Poren oder Kanäle mit präzise definierter Geometrie erzeugt werden, die nur von Gasmolekülen mit ausreichend kleinen Abmessungen passiert werden können. Die Grundlage für die Funktion der Filterstruktur 100 bzw. der Filtervorrichtung 200 ist somit die präzise Herstellung der beschichteten Poren.
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Herkömmliche poröse Membrane oder allgemein offenporige Strukturen können beispielsweise durch eine Beschichtung der inneren Oberflächen mittels Atomlagenabscheidung (englisch: atomic layer deposition - ALD) zu geeigneten Filterstrukturen 100 verarbeitet werden. Hierbei kann die Molekülgröße der dabei eingesetzten Reaktanden dazu verwendet werden, um die finale Porengröße genau zu definieren, da das Schichtwachstum in den Poren zum Erliegen kommt, sobald die Moleküle der verwendeten Reaktanden auf Grund ihrer Größe das innere der Poren nicht mehr erreichen. Hierdurch läuft beispielsweise die Verkleinerung der Poren auf den Zieldurchmesser selbstjustierend ab und es kann mit unterschiedlich großen Ausgangsporen und ohne genau definierte Zielschichtdicke gearbeitet werden.
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Die hierin beschriebene Beschichtung der Poren einer offenporigen Struktur ist selbstbegrenzend bzw. selbstjustierend, sollte allerdings somit solange durchgeführt werden, bis auf Grund der durch das Schichtwachstum sinkenden Porengrößen kein Wachstum in den Poren mehr möglich ist. Der somit festzustellende Endpunkt des ALD-Beschichtungsprozesses kann beispielsweise mittels Sensoren ermittelt werden. Eine Möglichkeit wäre es, einen Durchfluss des Präkursor-Gases durch die offenporige Struktur hindurch während der Beschichtung zu überwachen. Sobald die Porengrößen der Poren selbstbegrenzend bzw. selbstjustierend beschichtet sind, sollte der Gasfluss an Präkursor-Gas durch die offenporige Struktur hindurch im Wesentlichen unterdrückt sein. Somit kann die Filterwirkung anhand des Durchflusses des Präkursor-Gases ermittelt werden und auch gezielt für das Präkursor-Gas oder ein Gas mit gleicher oder größerer Molekülgröße während des Beschichtungsprozesses eingestellt werden. Eine andere Möglichkeit wäre eine entsprechende geeignete Beschichtungsdauer zu ermitteln und zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit wäre es, die Menge an abgeschiedenen Material zu überwachen, z.B. mittels eines Beschichtungsratesensors (z.B. basierend auf einem Schwingquarz).
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Als offenporige Struktur (z.B. in Form einer Membran) können beispielsweise keramische Materialien (z.B. Metalloxide) verwendet werden, da diese sich beispielsweise auch mittels eines ALD-Prozess sehr günstig und zuverlässig herstellen lassen. Andere Materialien wie beispielsweise Nitride, Carbide, Fluoride oder sogar Metalle können ebenfalls verwendet werden, sofern es dafür geeignete Präkursoren und somit Prozesse gibt. Die Öffnungen der Poren sollten beispielsweise vor der Beschichtung bereits Porengrößen im Bereich einiger 10 nm aufweisen (z.B. kleiner sein als 100 nm), um die relativ langsamen Beschichtungsprozesse nicht unnötig zu verlängern. Nach der Beschichtung können die Porengrößen gleich oder minimal kleiner sein als die Größen der verwendeten Präkursoren (beispielsweise Trimethylaluminium - TMA oder Titantetraisopropoxid - TTIP) sein. Die realisierbaren Porengrößen können somit im Bereich weniger Nanometer bis hinunter zu weniger als einem Nanometer liegen. Die mit dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellten Membrane sind somit dazu geeignet den verwendeten Präkursor (und andere größere Moleküle) zurückzuhalten und ihn so von kleineren Molekülen, wie z.B. in Beschichtungsprozessen entstehenden Reaktionsprodukten zu trennen. Es könnten aber auch andere Gase mit unterschiedlichen Molekülgrößen voneinander getrennt werden.
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Die hierin beschriebene Filterstruktur kann beispielsweise in elektronischen Nasen und anderen chemischen Sensoren zum Einsatz kommen, um vordefinierte organische Moleküle von kleineren organischen oder anorganischen Molekülen zu trennen. Die hierin beschriebene Filterstruktur kann beispielsweise als Luftfilter verwendet werden zur Filterung von Viren aus der Luft. Hierfür könnten organische oder anorganische Präkursormoleküle mit Durchmesser im Bereich einiger Nanometer für den Beschichtungsprozess verwendet werden und die resultierenden Poren könnten von den größeren Krankheitserregern nicht passiert werden.
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Optional besteht beispielsweise die Möglichkeit, das Schichtwachstum durch Passivierung bestimmter Porenbereiche nur in bestimmten Regionen bzw. Porentiefen ablaufen zu lassen. So ließe sich beispielsweise die Position des für die Filterwirkung beschichteten Bereiches auch noch in der Tiefe der offenporigen Struktur festlegen. Dies könnte beispielsweise helfen den Filter zu schützen, wenn die Oberfläche der Membran regelmäßig gereinigt werden muss.
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Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
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Beispiel 1 ist ein Verfahren, aufweisend: Beschichten einer offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung derart, dass sich eine Porengröße von Poren der offenporigen Struktur aufgrund einer in den Poren abgeschiedenen Schicht verringert; wobei das Beschichten der offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung aufweist: Erzeugen eines Druckgradienten in mindestens einem Präkursor-Fluid zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich, wobei die offenporige Struktur zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich derart angeordnet ist, dass das mindestens eine Präkursor-Fluid die Poren der offenporigen Struktur durchströmt.
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In Beispiel 2 kann das Verfahren gemäß Beispiel 1 ferner optional aufweisen, dass das Erzeugen des Druckgradienten aufweist: Abpumpen des zweiten Bereichs und Einbringen des mindestens einen Präkursor-Fluids in den ersten Bereich.
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In Beispiel 3 kann das Verfahren gemäß Beispiel 1 oder 2 ferner optional aufweisen, dass die beschichtete offenporige Struktur Teil einer Filtermembran ist oder eine Filtermembran bildet.
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In Beispiel 4 kann das Verfahren gemäß Beispiel 3 ferner optional aufweisen, dass die Filtermembran fluiddurchlässig ist für ein Fluid (z.B. ein Gas) mit einer Molekülgröße die geringer ist als eine vordefinierte Porengröße der Poren der beschichteten offenporigen Struktur, und dass die Filtermembran fluidundurchlässig ist für ein Fluid (z.B. ein Gas, ein Virus, ein Partikel) mit einer Molekülgröße (oder allgemeinem einer maximalen Weite oder einem maximalen Durchmesser) die größer ist als die vordefinierte Porengröße.
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In Beispiel 5 kann das Verfahren gemäß Beispiel 4 ferner optional aufweisen, dass die vordefinierte Porengröße durch das mindestens eine Präkursor-Fluid definiert wird.
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In Beispiel 6 kann das Verfahren gemäß Beispiel 4 oder 5 ferner optional aufweisen, dass das mindestens eine Präkursor-Fluid Moleküle aufweist und wobei die vordefinierte Porengröße kleiner oder gleich der Größe der Moleküle ist.
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In Beispiel 7 kann das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 6 ferner optional aufweisen, dass die Poren der offenporigen Struktur ein Netzwerk von miteinander verbundenen Poren bilden, und dass die beschichteten Poren der beschichteten offenporigen Struktur ein Netzwerk von miteinander verbundenen (anschaulich engeren) Poren bilden.
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In Beispiel 8 kann das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 ferner optional aufweisen, dass die beschichteten Poren eine Vielzahl von Filterkanälen derart bilden, dass ein Fluid aus Molekülen mit einer Molekülgröße die kleiner ist als eine Molekülgröße des mindestens einen Präkursor-Fluids von einer ersten Seite der offenporigen Struktur zu einer zweiten Seite der offenporigen Struktur durch die offenporige Struktur hindurch gelangen kann.
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In Beispiel 9 kann das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 8 ferner optional aufweisen, dass das Beschichten der offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung ferner aufweist: während der Atomlagenabscheidung Erfassen eines Durchflusses des mindestens einen Präkursor-Fluids durch die offenporige Struktur hindurch; und Beenden der Atomlagenabscheidung nachdem ein erfasster Durchflusswert in einem vordefinierten Wertebereich liegt.
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In Beispiel 10 kann das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 ferner optional aufweisen: vor der Atomlagenabscheidung, Beschichten einer Oberfläche der offenporigen Struktur mit einer Passivierungsschicht, wobei die Passivierungsschicht derart eingerichtet ist, dass ein Beschichten der Passivierungsschicht aufgrund der Atomlagenabscheidung verhindert wird.
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Beispiel 11 ist ein Verfahren, aufweisend: Abscheiden einer Schichtstruktur in Poren einer offenporigen Filtermembran mittels Atomlagenabscheidung derart, dass sich Fluidfilterkanäle bilden, die durchlässig sind für ein Gas mit einer Molekülgröße die kleiner ist als eine vordefinierte Molekülgröße und die undurchlässig sind für ein Gas mit einer Molekülgröße die größer ist als eine vordefinierte Molekülgröße; wobei das Beschichten der offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung aufweist: Verwenden mindestens eines Präkursor-Fluids zum Erzeugen der Schichtstruktur, wobei Moleküle des mindestens einen Präkursor-Fluids die vordefinierte Molekülgröße definieren.
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In Beispiel 12 kann das Verfahren gemäß Beispiel 11 ferner optional aufweisen, dass das Beschichten der offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung ferner aufweist: Erzeugen eines Druckgradienten in dem mindestens einen Präkursor-Fluid zwischen einem ersten Bereich einer Prozesskammer und einem zweiten Bereich der Prozesskammer, wobei das offenporige Filtermembran zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich derart angeordnet ist, dass das mindestens eine Präkursor-Fluid die Poren der offenporigen Filtermembran durchströmt solang bis die Fluidfilterkanäle gebildet sind.
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In Beispiel 13 kann das Verfahren gemäß Beispiel 11 oder 12 ferner optional aufweisen, dass das Beschichten der offenporigen Struktur mittels Atomlagenabscheidung ferner aufweist: während der Atomlagenabscheidung Erfassen eines Durchflusses des mindestens einen Präkursor-Fluids durch die Fluidfilterkanäle der offenporigen Filtermembran hindurch; und Beenden der Atomlagenabscheidung nachdem ein erfasster Durchflusswert in einem vordefinierten Wertebereich liegt.
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In Beispiel 14 kann das Verfahren gemäß einem der Beispiele 11 bis 13 ferner optional aufweisen: vor der Atomlagenabscheidung, Beschichten einer Oberfläche der offenporigen Filtermembran mit einer Passivierungsschicht, wobei die Passivierungsschicht derart eingerichtet ist, dass ein Beschichten der Passivierungsschicht aufgrund der Atomlagenabscheidung verhindert wird.
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In Beispiel 15 kann das Verfahren gemäß einem der Beispiele 11 bis 14 ferner optional aufweisen, dass das Beschichten (anschaulich, dass der Beschichtungsprozess) ferner aufweist: teilweises Entfernen von Material, dass mittels der Atomlagenabscheidung abgeschieden wurden, z.B. mittels Ätzens. Das Ätzen kann beispielsweise Atomlagenätzen sein.
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In Beispiel 16 kann das Verfahren gemäß Beispiel 15 ferner optional aufweisen, dass das Abscheiden von Material mittels Atomlagenabscheidung und das teilweise Entfernen des mittels der Atomlagenabscheidung abgeschiedenen Materials mehrmals abwechselnd nacheinander durchgeführt wird.
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Beispiel 17 ist eine Vorrichtung zum Trennen zweier Gase eines Gasgemisches, die Vorrichtung aufweisend: eine Filtermembran, die zwischen einem ersten Gasbereich und einem zweiten Gasbereich angeordnet ist derart, dass ein erstes Gas des Gasgemisches aus dem ersten Gasbereich durch Filterkanäle der Filtermembran hindurch in den zweiten Gasbereich gelangen kann und dass ein Hindurchtreten eines zweiten Gases des Gasgemisches aus dem ersten Gasbereich durch die Filtermembran hindurch in den zweiten Gasbereich gehemmt wird, wobei die Filterkanäle der Filtermembran gebildet sind durch zumindest teilweise beschichtete Poren einer offenporigen Struktur der Filtermembran.
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Beispiel 18 ist eine Vorrichtung zum Abtrennen eines Gase aus einem Gasgemisch (z.B. aus einem reinen Gasgemisch, einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch, oder eine Gas-Feststoffpartikel-Gemisch), die Vorrichtung aufweisend: eine Filtermembran, die zwischen einem ersten Gasbereich und einem zweiten Gasbereich angeordnet ist derart, dass ein erstes Gas des Gasgemisches aus dem ersten Gasbereich durch Filterkanäle der Filtermembran hindurch in den zweiten Gasbereich gelangen kann und dass ein Hindurchtreten eines zweiten Gases des Gasgemisches aus dem ersten Gasbereich durch die Filtermembran hindurch in den zweiten Gasbereich gehemmt wird, wobei die Filterkanäle der Filtermembran gebildet sind durch zumindest teilweise beschichtete Poren einer offenporigen Struktur der Filtermembran.
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In Bespiel 19 kann die Vorrichtung gemäß Beispiel 17 oder 18 ferner operational aufweisen: eine (z.B. erste) Abpumpanordnung zum Abpumpen eines ersten Gases aus dem zweiten Gasbereich; und/oder eine (z.B. zweite) Abpumpanordnung zum Abpumpen eines zweiten Gases aus dem ersten Gasbereich.
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Bespiel 20 bezieht sich auf ein Verwenden einer Filtermembran zum Trennen zweier Gase eines Gasgemisches, wobei die Filtermembran teilweise beschichtete Poren aufweist, welche Filterkanäle bilden, die sich durch die Filtermembran hindurch erstrecken.
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Bespiel 21 bezieht sich auf ein Verwenden einer Filtermembran zum Filtern eines Virus aus einem Gas oder Gasgemisch, wobei die Filtermembran teilweise beschichtete Poren aufweist, welche Filterkanäle bilden, die sich durch die Filtermembran hindurch erstrecken.
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Es versteht sich, dass Funktionen etc., die hierin mit Bezug auf ein Verfahren beschrieben sind, auch in gleicher Weise in einer Vorrichtung implementiert sein können und vice versa.
