Lithographie mit Flüssigkeiten

Eine erstaunliche Vielfalt von dreidimensionalen Mikrostrukturen haben Forscher in den USA mit einem vergleichsweise einfachen Verfahren hergestellt. Die Flüssiglithographie (Fluid Lithography) nutzt dazu das Wechselspiel zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten und einer von ihnen bedeckten vorstrukturierten Oberfläche.

„Dreidimensionale Mikrostrukturen haben weit verbreitete Anwendung in der Mikroelektronik, der Photonik und der Biotechnologie. Während herkömmliche Mikrostrukturierungsverfahren wie die Photolithographie oder die weiche Lithographie sich gut zur Herstellung von 2D-Mikrostrukturen eignen, erfordern komplexe 3D-Strukturen eine Weiterentwicklung dieser Verfahren oder davon unabhängige Technologien“, erklärt Nancy Allbritton von der University of North Carolina in Chapel Hill. Sie und ihre Kollegen haben mit der Flüssiglithographie ein Verfahren zur 3D-Mikrostrukturierung entwickelt, das in vielen Labors Anwendung finden könnte.

Die Flüssiglithographie macht sich zunutze, dass auf einer zweidimensional vorstrukturierten Substratoberfläche zwei nichtmischbare Flüssigkeiten, die die Oberfläche unterschiedlich gut benetzen, von selbst komplizierte dreidimensionale Strukturen bilden. Indem die Forscher die Zusammensetzung der Flüssigkeiten veränderten und so deren Benetzungsvermögen variierten, konnten sie auf der zweidimensionalen Schablone unterschiedlich geformte dreidimensionale fluide Strukturen erzeugen.

Bei einer der beiden Flüssigkeiten handelte es sich um einen Photolack oder um eine Polymerlösung, die anschließend durch UV-Bestrahlung bzw. Wärmebehandlung verfestigt wurden. Dadurch entstand eine feste, dreidimensionale Struktur, die von der Unterlage abgelöst werden konnte. Nach entsprechender Oberflächenbehandlung konnte diese 3D-Struktur ihrerseits als Unterlage für den nächsten Strukturierungsschritt durch Flüssiglithographie verwendet werden. Auf diese Weise entstanden aus der ursprünglichen 2D-Schablone immer kompliziertere 3D-Strukturen.

Mit zahlreichen Beispielen veranschaulichten die Forscher die Leistungsfähigkeit ihres Verfahrens. So verwendeten sie Schablonen mit zylindrischen Vertiefungen, die sie halb mit einer unterschiedlich starken wässrigen Lösung von Zuckeralkohol füllten und dann gänzlich mit flüssigem Polydimethylsiloxan (PDMS) bedeckten. Zwischen den beiden Flüssigkeiten in der Vertiefung stellte sich ein Meniskus ein, der je nach den Oberflächenspannungen zwischen den Flüssigkeiten untereinander und mit der Schablonenoberfläche mehr oder weniger stark ausgeprägt war und konkav oder konvex sein konnte. Nach Aushärten des PDMS entstanden Zylinder mit konvexen oder konkaven Kappen.

Indem die Forscher Schablonen mit quadratischen oder dreieckigen Vertiefungen benutzten und deren Oberflächen unterschiedlich behandelten, konnten sie auch kompliziertere 3D-Strukturen herstellen. Dazu füllten sie die Vertiefungen etwa teilweise mit einer benetzenden Alkohollösung, die sich vor allem in den Ecken einer jeden Vertiefung sammelte. Das verbleibende Volumen füllten sie mit PDMS und härteten es anschließend. Je nach den Benetzungseigenschaften und Füllmengen entstanden Prismen mit Löchern, winzige Tische mit Beinen oder poröse Netze. Mit zwei aufeinanderfolgenden Strukturierungsprozessen ließen sich sogar Rotunden auf Säulen fertigen.

Die Forscher sehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für ihr Verfahren, zum Beispiel bei der Herstellung von Netzen oder Membranen aus biologisch abbaubarem Material oder bei der Fertigung von komplexen Strukturen aus photoaktiven Substanzen. Sie kommen zu dem Schluss, die Flüssiglithographie erweitere die Palette der dreidimensionalen Strukturen, die sich in Labors mit einer normalen lithographischen Ausrüstung herstellen lassen.

Rainer Scharf

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