SCHOTT solutions Nr. 2/2016 > Produkte und Know-how

FOTURAN®
Das japanische Forschungsinstitut Riken bringt per Laser mikro­fluidische 3D-Strukturen in FOTURAN® Muster ein. Ziel ist die Herstellung neuartiger 3D-Biochips für die Biotech-Forschung. Foto: SCHOTT/C. Costard

Material der unbegrenzten Möglichkeiten


Biochips, Nanosatelliten, Mikro-Montage­werkzeuge – das fotostrukturierbare FOTURAN® entpuppt sich als Material für Anwendungen nicht nur in der Mikrofluidik.


Thilo Horvatitsch

Über 1.000 Treffer in der Wissenschaftsdatenbank ­Google Scholar zeigen, wie bekannt FOTURAN® bei Materialwissenschaftlern ist. Bereits 1984 entwickelt, fand das technische Glas tausendfach Anwendung vor allem in der Mikrofluidik für medizinische Analysen. Dabei werden zum Beispiel Proben in winzige Kavitäten von Mikrotiterplatten gefüllt oder Flüssigkeiten durch feinste Kanäle geleitet, gemischt und untersucht.

Für die Einarbeitung solcher Mikrostrukturen ist das Material ideal: Das Glassystem aus Lithium und Aluminosilikaten ist mit Silber- und Cerium-Oxiden dotiert und äußerst fotoempfindlich. Trifft ultraviolettes (UV-)Licht etwa durch eine Fotomaske auf das Glas, bilden sich in den belichteten Sektoren Silberkeime aus. Eine anschließende Wärmebehandlung löst dort schnelles kristallines Keimwachstum aus. Diese kristallisierten Bereiche lassen sich nun mittels Fluorwasserstoffsäure wegätzen. So entstehen sehr feine Strukturen von wenigen Mikrometern Größe – ohne Einsatz von Fotolacken wie etwa bei konventionellem Glas oder Silizium.
FOTURAN®
Die Aerospace Corporation aus den USA nutzt FOTURAN® zur Herstellung von Komponenten für Nanosatelliten: rechts ein Multiwafer aus dem strukturierbaren Material, links eine Steuereinheit. Foto: Aerospace Corporation
Seine Fotostrukturierbarkeit sowie hohe Transmission, chemische und Temperaturbeständigkeit machten FOTURAN® als Alternative zu Kunststoffen zum Material der Wahl für äußerst interessante Entwicklungen. Wie interessant, das erfuhr man bei SCHOTT im Rahmen einer umfassenden Marktuntersuchung. „Wir waren überrascht, wie sich unser Werkstoff in der anspruchsvollen materialwissenschaftlichen Community verbreitet hat und welche beeindruckenden Produkte damit hergestellt werden“, so Fredrik Prince, Leiter Global Product Management Thin Glass&Wafer bei SCHOTT.

Die Palette reicht von Nanosatelliten, Mikromontagewerkzeugen und der Mikromaterialbearbeitung bis zu richtungweisenden biotechnologischen Anwendungen auf ­Basis von 3D-Laserstrukturierung. So nutzt RIKEN, Japans größtes
Institut für umfassende Forschungen in Technik und Wissenschaft, einen Femtosekundenlaser zur Belichtung von mikrofluidischen 3D-Strukturen in FOTURAN®. In Kombina­tion mit Wärmebehandlungen und Ätzen lassen sich damit nicht nur Mikrokanäle erzeugen, sondern auch darin bewegliche Elemente wie etwa Mikroventile oder -pumpen zur Steuerung von Fluiden. Darüber hinaus bringen die Forscher mittels spezieller Verfahren Mikrostrukturen und kleinste biomimetische Flussstrukturen aus Kunststoff in die 3D-Glaskanäle ein.

„Mit FOTURAN® II erzielen wir bisher
unerreichte Mikro­geometrie­ver­hält­nisse.”


Fredrik Prince,
Vice President Thin Glass&Wafer

 
 
FOTURAN®

Verbesserter Produktions­prozess mit höherem Nutzen

Die lichtempfindlichen FOTURAN® II Glaswafer von SCHOTT können in drei Schritten strukturiert und weiterverarbeitet werden: UV-Belichtung, Tempern, Ätzen und Keramisierung (optional).
„Bei diesen Entwicklungen geht es letztlich um die Herstellung neuartiger, mehrschichtiger und multifunktionaler 3D-Biochips für die fortgeschrittene biotechnologische Forschung. Dafür bietet FOTURAN® als Chipsubstrat einige Vorteile gegenüber Quarzglas. Entscheidend ist, dass wir mit der thermischen Nachbehandlung des Werkstoffs nach dem Ätzen eine hohe Oberflächengüte und optische Qualität schaffen können.
FOTURAN®
Der Sensorhersteller Innovative Sensor Technology IST AG (www.ist-ag.com) fertigt kleinste Flusssensoren zur thermischen Massendurchflussmessung von Gasen. Dabei spielt FOTURAN® seine präzise Strukturierbarkeit sowie hohe Temperatur- und chemische Beständigkeit aus. Tausende solcher Sensoren sind bereits im Einsatz. Foto: SCHOTT/C. Costard
Dies ist wichtig für unsere Biotech-Anwendungen. Eine weitere wichtige Applikation für die Biotech-Forschung ist unsere Kompetenz in der selektiven Metallisierung von FOTURAN®, wobei wir Laserablation und stromlose Abscheidung kombinieren, um elektrofluidische Komponenten zu erzeugen”, erläutert Koji Sugioka, Bereichsleiter am RIKEN Center for Advanced Photonics.

Dass das über 30 Jahre alte FOTURAN® Zukunftspotenzial hat, belegen jedoch nicht nur solche Projekte. In den letzten Jahren stellte SCHOTT einen Anstieg der Nachfrage auch in der Halbleiterindustrie fest. Dort lässt sich das Material zum Beispiel als Substrat im Chip-Packaging verwenden, wo es ebenfalls um die Erzeugung feinster Strukturen geht.

Vor diesem Hintergrund entwickelte SCHOTT ein verbessertes Schmelzverfahren und stellte das Glas auf eine höhere Qualitätsstufe: ­FOTURAN® II verfügt vor allem über eine größere Homogenität und dadurch über eine stabilere Fotosensibilität. „Damit lassen sich deutlich feinere Mikrostrukturen und bisher unerreichte Mikrogeometrieverhältnisse herstellen”, so Fredrik Prince. Angeboten als Wafer sowie über ein breites SCHOTT Partnernetzwerk auch als fertige Komponenten erhältlich, verspricht das erneuerte Glas durch seine hochprä­zise Strukturierbarkeit Einsatzchancen auch in der Hochfrequenztechnik, etwa in Filterelementen zur effizienten Kanaltrennung in Frequenzbereichen für die mobile Datenkommunikation. Es eröffnen sich viele Möglichkeiten – für ein bewährtes Material mit Zukunft. —
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Antrieb von Nanosatelliten

Aerospace Corporation nutzt FOTURAN® als ein strukturierbares Material für Satelliten-Anwendungen.
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FOTURAN® II