Foturan

Foturan (Schreibweise des Herstellers: FOTURAN®) ist ein fotosensitives Glas, das 1984 von der Schott AG aus Mainz entwickelt wurde. Es handelt sich dabei um eine technische Glaskeramik, deren Strukturierung – im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren – ohne Einsatz von Fotolack möglich ist. Stattdessen wird das Material mit kurzwelliger Strahlung, wie beispielsweise ultraviolettem Licht, belichtet und anschließend geätzt.

Im Februar 2016 gab Schott den Marktstart von Foturan II im Rahmen der Photonics West bekannt, welches sich durch höhere Homogenität der Fotosensitivität auszeichnet, wodurch feinere Mikrostrukturen möglich werden.

Zusammensetzung und Eigenschaften

Zusammensetzung
Bestandteil	SiO2	LiO2	Al2O3	K2O	Na2O	ZnO	B2O3	Sb2O3	Ag2O	CeO2
Anteil [%]	75-85	7-11	3-6	3-6	1-2	0-2	0-1	0,2-1	0,1-0,3	0,01-0,2
Mechanische Eigenschaften
Knoop-Härte in N/mm² (0.1/20)										480
Vickers-Härte in N/mm² (0.2/25)										520
Dichte in g/cm³										2,37
Thermische Eigenschaften
Ausdehnungskoeffizient a20-300 in 10−6·K−1										8,49
Temperaturleitfähigkeit bei 90 °C in W/(m K)										1,28
Transformationstemperatur Tg in °C										455
Elektrische Eigenschaften
Dielektrizitätskonstante
Frequenz [GHz]								1.1	1.9	5
Glas-Zustand (getempert bei 40 °C/h)								6.4	6.4	6.4
Keramik-Zustand (keramisiert bei 560 °C)								5.8	5.9	5.8
Keramik-Zustand (keramisiert bei 810 °C)								5.4	5.5	5.4
Verlustfaktor tanδ(·10−4)
Frequenz [GHz]								1.1	1.9	5
Glas-Zustand (getempert bei 40 °C/h)								84	90	109
Keramik-Zustand (keramisiert bei 560 °C)								58	65	79
Keramik-Zustand (keramisiert bei 810 °C)								39	44	55
Chemische Eigenschaften
Hydrolysebeständigkeit nach DIN ISO 719 in µgNa2O/g (class)										578 (HGB 4)
Säureresistenz nach DIN 12116 in mg/dm² (class)										0,48 (S1)
Laugenresistenz nach DIN ISO 695 in mg/dm² (class)										100 (A2)
Optische Eigenschaften
Brechungsindex
Wellenlänge [nm], λ=						300	486.1 (nF)	546.1 (ne)	567.6 (nd)	656.3 (nC)
Glas-Zustand (getempert bei 40 °C/h)						1.549	1.518	1.515	1.512	1.510
Keramik-Zustand (keramisiert bei 560 °C)						n/a	1.519	1.515	1.513	1.511
Keramik-Zustand (keramisiert bei 810 °C)						n/a	1.532	1.528	1.526	1.523
Spektraler Transmissionsgrad
τ(λ)						t250	t270	t280	t295	t350
in [%, 1 mm]						0.1	3	11	29	89

Bei Foturan handelt es sich um ein Glassystem aus Lithium und Aluminosilikaten, das mit geringen Mengen von Silber- und Cer-Oxiden dotiert ist.

Verarbeitung

Die Strukturierung von Foturan besteht aus UV-Belichtung, Tempern und Ätzen. Die UV-Belichtung durch eine Fotomaske regt die Elektronen in den beleuchteten Bereichen an, wodurch das kristalline Keimwachstum bei der anschließenden Wärmebehandlung ausgelöst wird. Die kristallisierten Bereiche reagieren sehr viel schneller mit Fluorwasserstoffsäure, als das sie umgebende (zuvor nicht bestrahlte) glasartige Material, wodurch sich sehr feine Mikrostrukturen ergeben, die sich durch eine enge Toleranz und ein hohes Aspektverhältnis auszeichnen.

1) Belichtung mit UV-Licht

Wird Foturan UV-Licht mit einer Wellenlänge von etwa 320 nm ausgesetzt (beispielsweise via Fotomaske, Kontaktbelichtung, Proximitybelichtung, um bestimmte Muster zu belichten), löst dies eine chemische Reaktion in den bestrahlten Bereichen aus: Das enthaltene Ce³⁺ wandelt sich in Ce⁴⁺ um und setzt dabei ein Elektron frei.

$\mathrm {Ce^{3+}+hv(312\ \mathrm {nm} )\longrightarrow Ce^{4+}+e^{-}}$

2) Tempern

Während des Tempervorgangs (etwa 500 °C) setzt eine Keimbildung in den zuvor belichteten Bereichen ein, wodurch das Silber-Ion Ag⁺ das zuvor freigesetzte Elektron des Ce³⁺ aufnimmt und in Ag⁰ umwandelt. Dieser Vorgang ist ähnlich wie bei einem Foto, oder einem fotolithografischen Silizium-Strukturierungsprozess zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen und Mikrosystemen.

$\mathrm {Ag^{+}+e^{-}+\Delta H\longrightarrow Ag^{0}}$

Durch die Bildung von Silberkeimen lagern sich weitere Silberatome an und bilden nach und nach Silbercluster in der Größenordnung einiger Nanometer.

$\mathrm {xAg^{0}+\Delta H\longrightarrow (Ag^{0})x}$

Während des anschließenden Kristallisationsprozesses (Tempern bei 560–600 °C) bilden sich durch die Silber-Cluster Lithiummetasilicate (Li₂SiO₃ Glaskeramik) in den belichteten Bereichen. Es entsteht somit eine kristalline Struktur. Die zuvor nicht bestrahlten Stellen behalten ihre amorphe Glasstruktur bei.

3) Ätzen

Im Anschluss an den Temperprozess können die kristallisierten Bereiche mittels Fluorwasserstoffsäure weggeätzt werden, was bei einer kristallinen Struktur 20 mal schneller geschieht, als bei einer amorphen Struktur (den restlichen unbelichteten Bereichen des Foturan). Somit können Strukturen erzeugt werden, die ein Aspektverhältnis von etwa 10:1 aufweisen.

4) Belichtung mit UV-Licht und Keramisieren

Nach dem Ätzvorgang ist eine Umwandlung des gesamten Substrates in eine Keramik möglich, indem das Material ein zweites Mal mit UV-Licht bestrahlt und wärmebehandelt wird (bei 800–900 °C). In diesem Zustand ist die kristalline Phase Li₂Si₂O₅.

Produkteigenschaften

• Kleine Strukturgrößen: es sind Strukturen von ca. 25 µm möglich
• Hohes Aspektverhältnis: ein Ätzverhältnis von > 20:1 ermöglichen ein Aspektverhältnis von >10:1 und eine Winkelabweichung der Strukturwand von 1–2°
• Hohe optische Transmission im sichtbaren und nicht sichtbaren Spektrum: Transmission über 90 % (bei einer Substratdicke von 1 mm) zwischen 350 und 2700 nm
• Hohe Temperaturbeständigkeit: T_g > 450 °C
• Keine Porenbildung: einsetzbar für biotech/microfluidic Anwendungen
• Geringe Selbstfluoreszenz
• hydrolytische Resistenz (nach DIN ISO 719): HGB 4
• Säurebeständigkeit (nach DIN 12116): S 1
• Laugenfestigkeit (nach DIN ISO 695): A 2

Wissenschaftliche Veröffentlichungen

Im Bereich der Materialwissenschaft ist Foturan weitläufig bekannt, wie sich auch an über 1000 Ergebnissen in den Wissenschaftsdatenbank Google Scholar (abgerufen am 30. Oktober 2015) zu unterschiedlichsten Themen ablesen lässt.

Häufig behandelte Themen dieser Publikationen sind

• Mikrostrukturierung von Foturan
• 3D-/ direkte Laserstrukturierung in Foturan
• Einsatz von Foturan für Lichtwellenleiter
• Einsatz von Foturan für Volumen Grating
• Verarbeitung von Foturan mittels Excimer- und Ultrakurzpuls-Laser

Anwendungsmöglichkeiten

Foturan wird hauptsächlich eingesetzt, um Mikrosturkturanwendungen zu realisieren, bei denen kleine und komplexe Strukturen innerhalb eines festen und robusten Materials erforderlich sind. Es lassen sich fünf Hauptbereiche differenzieren, für die Foturan einsetzbar ist:

• Mikrofluidik/Biotechnologie (z. B. Komponenten für Lab- oder Organ-on-a-Chip, Mikromixer, Mikroreaktionstechnik, Druckerköpfe, Mikrotiterplatte, Chip-Elektrophorese)
• Halbleiter (z. B. FED spacer, IC-packaging oder interposer-Komponenten, CMOS, Speichermodule)
• Sensoren (z. B. Durchfluss- und Temperatursensoren, Gyroskope, Beschleunigungssensoren)
• HF/MEMS (z. B. Substrate oder Verpackungselemente für Antennen, Kondensatoren, Filter, Duplexer, Switches, Oszillatoren)
• Telekommunikationstechnik (z. B. optical alignment chips, Lichtwellenleiter, optische Verbindungen)

Mittels thermischem Diffusionsbonding ist es zudem möglich, mehrere strukturierte Foturan-Glasschichten miteinander zu verbinden, um komplexe dreidimensionale Mikroreaktoren herzustellen.

Weblinks

• Mikromischer aus Foturan