Trocken dank Strömung

Zahlreiche moderne Technologien sind auf die Nutzung mikro­skopisch kleiner Elemente angewiesen, wie bei­spiels­weise Mikro­chips in Smart­phones. Bei ihrer Herstel­lung ist es unum­gäng­lich, die Ober­flächen dieser Elemente ver­schie­de­nen Arten von Flüs­sig­kei­ten aus­zu­setzen, die an­schließend rück­stands­los ent­fernt werden müs­sen. Unter Lei­tung von Stefan Kar­pitsch­ka haben For­schen­de der Univer­sität Kon­stanz nun eine neue Methode ent­wick­elt, diese Flüs­sig­kei­ten mit­tels Ober­flächen­span­nung effi­zien­ter vom fer­ti­gen Ob­jekt zu ent­fer­nen.

Elektronen­mikro­skopische Auf­nahme eines Was­ser­tro­pfens auf einer S-för­mi­gen Spur aus hun­der­ten von Mikro­zy­lin­dern auf einem Sili­zium-Wafer, um­ge­ben von einer At­mo­sphä­re mit Al­kohol-Dampf.

Quelle: R. Saiseau, Z. Xu, G. Kiliani & S. Karpitschka, U Konstanz

Für die Herstellung von Mikro­chips sind zahl­reiche prä­zise, kom­plexe Schritte erfor­der­lich, für die zum Teil eine Nass­bear­bei­tung un­ver­meid­lich ist. „Um zum Bei­spiel sehr dünne Sili­zium­wafer in fer­tige Mikro­chips zu ver­wan­deln, sind gleich meh­rere Schrit­te nötig, bei denen das Mate­rial nur feucht bear­bei­tet werden kann. Bei­spiels­weise werden die Tran­sis­to­ren in Säure­bädern ge­ätzt und müs­sen dann wieder ge­trock­net wer­den“, sagt Kar­pitsch­ka. Zur rück­stands­losen Ent­fer­nung der genutz­ten Flüs­sig­keit ist ein sim­ples Ab­wi­schen auf­grund der Größe und Em­pfind­lich­keit des Objekts aller­dings keine Option. „Auch ein Ver­dam­pfen der vor­han­de­nen Flüs­sig­keit ist nicht mög­lich. Vor­han­dene Schmutz­par­ti­kel würden dann auf dem Ob­jekt zurück­bleiben, statt mit der Flüs­sig­keit ab­trans­por­tiert zu werden“, er­klärt der Phy­siker weiter.

Das Forschungsteam hat also eine Mög­lichkeit gesucht, die Flüs­sig­keit gezielt abzu­führen, und nun eine Methode ent­wick­elt, bei der die Ober­fläche nicht be­rührt wird – was einen schonen­deren Prozess ermög­licht. Dafür machen sie sich die Marangoni-Kraft zunutze: „Wenn an­ein­an­der­gren­zen­de Be­rei­che einer Ober­flä­che unter­schied­liche Span­nungen haben, ent­steht eine Art Tau­zie­hen zwischen ihnen. Die stär­kere Seite gewinnt und ver­drängt die schwä­che­re“, erklärt Kar­pitsch­ka. „Flüs­sig­keit, die sich unter­halb der Ober­fläche befin­det, wird von ihr mit­ge­zogen und in die gewünschte Rich­tung gelei­tet.“

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Zur Erzeugung einer Strö­mung müssen also zu­nächst unter­schied­liche Ober­flächen­span­nungen er­zeugt werden. Die For­schen­den er­rei­chen dies durch einen Schritt, der zu­nächst wider­sprüch­lich er­scheint: Sie bringen noch mehr Flüs­sig­keit ein. Dafür ver­dam­pfen sie in ihrem Ex­peri­ment zum Bei­spiel Alko­hol, der eine ge­ringere Ober­flächen­span­nung als das zu ent­fer­nen­de Wasser hat. Dieser Dampf kon­den­siert auf der be­reits vor­han­de­nen Flüs­sig­keit, wodurch die gewünsch­ten unter­schied­lichen Span­nungen ent­stehen. „Die dadurch erzeug­ten Strö­mungen konn­ten wir gezielt über die gesamte Ober­fläche lenken und so die win­zigen Flüs­sig­keits­reste zu immer größer wer­den­den Tro­pfen an­sam­meln“, so Kar­pitsch­ka. Optisch ähnelt das Ergeb­nis Regen­tropfen, die an einer Scheibe herab- und in­ein­ander­laufen und dabei immer größer wer­den – nur dass der Ver­lauf von den For­schen­den gezielt gelenkt werden kann.

Der Einsatz dieser neuen Methode ist in vielen Berei­chen mög­lich, in denen mit mikro­struk­tu­rier­ten Ober­flächen gear­bei­tet wird. Die Trock­nung selbst win­ziger Ober­flächen ist dadurch zer­störungs­frei mög­lich, was eine effi­zien­tere Her­stel­lung ver­schie­dener Mikro- und Nano­materi­alien ermög­licht. [U Konstanz / dre]