Selective Laser Etching: Mikrofluidik einfach dreidimensional

Interview mit Dr. Arnold Gillner und Sebastian Nippgen, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Übereinander, nebeneinander und verzweigt – komplexe Formen in Glas sind schön anzusehen, aber auch schwierig herzustellen, denn erstarrtes Glas ist hart und nur schwer zu bearbeiten. Wird es in der Mikrofluidik verwendet, liegt die Größe der filigranen Formen im Mikrometerbereich. Ihr Hersteller muss dann zum Laser greifen, um einen dreidimensionalen Bauplan in sein Werkstück zu transportieren.

01.02.2016

Sebastian Nippgen; ©Fraunhofer ILT, Aachen

Sebastian Nippgen; ©Fraunhofer ILT, Aachen

Im Interview mit COMPAMED.de erklären Dr. Arnold Gillner und Sebastian Nippgen, wie Selective Laser Etching (SLE) funktioniert, wie man damit Kanäle im Glasinneren völlig frei anlegen kann und welche Vorteile das Verfahren bei der Herstellung mikrofluidischer Bauteile bietet.

Herr Dr. Gillner, Herr Nippgen, wir sprechen über das Verfahren des Selective Laser Etchings und seinen Einsatz zur Herstellung von mikrofluidischen Teilen. Wie funktioniert SLE?

Sebastian Nippgen:
Beim SLE wird ultrakurzgepulste Laserstrahlung im Inneren von transparenten Dielektrika, wie Quarzglas oder Saphir, stark fokussiert. Durch die große Intensität entstehen innerhalb des kleinen fokalen Punkts Temperaturen von mehreren tausend Grad. Die Komposition des Materials wird dadurch so verändert, dass diese modifizierten Bereiche stärker ätzbar werden als die nicht-modifizierten. Das verursacht aber keine weiteren Schäden am Material, da der Laserpuls so kurz ist.

In einem anschließenden Schritt können wir die modifizierten Bereiche mit einem nasschemischen Ätzvorgang, etwa mit einer Lösung mit Kaliumhydroxid oder Flusssäure, in einem Ultraschallbad selektiv herauslösen. Dazu muss die Modifikation im Inneren des Werkstücks Kontakt zur Oberfläche haben, sodass die Ätzlösung angreifen kann.

Mit dem Verfahren werden sehr kleine Bereiche in kurzer Zeit modifiziert. Wie fokussieren Sie den Laser dabei?

Nippgen: Derzeit mit Mikroskopobjektiven mit einem Vergrößerungsfaktor von 20x bis 100x. Der Fokusdurchmesser zur Belichtung hat einen Druchmesser kleiner 2 µm. Der Laser wird mit einem Scanner durch das Objektiv abgelenkt. So werden Schicht für Schicht dreidimensionale Strukturen im Glas erzeugt, die wir vorher in einem CAD-Programm erstellt haben.
Dr. Arnold Gillner; ©Fraunhofer ILT, Aachen

Dr. Arnold Gillner; ©Fraunhofer ILT, Aachen

Wie lange dauern Belichten und Ätzen ungefähr?

Nippgen: Dabei kommt es auch auf die Komplextität der Struktur an, vor allem ist aber ausschlaggebend, wie viel Raum der Laser "ausmalen" muss. Wenn große Volumina belichtet werden müssen, dauert es eben sehr lange. Muss viel strukturiert werden, dauert es auch länger.

Der Ätzprozess dauert bei Saphir bis zu zehn Tage. Bei Quarzglas sind wir normalerweise nach spätestens einem Tag fertig, außer die Kanäle sind sehr lang. Aber in der Lösung lassen sich die Teile zu hunderten oder tausenden gleichzeitig ätzen.

Wie lange dauert die Herstellung von Mikrofluidiken denn mit anderen gängigen Verfahren?

Dr. Arnold Gillner: Das ist eine Frage des Materials. Bei gläsernen Bauteilen strukturiert man das Glas zum Beispiel mit reaktivem Ionenätzen. Dessen Abtragsraten sind vergleichsweise gering und es wird nur ein Stück auf einmal bearbeitet.

Bauteile aus Kunststoff lassen sich natürlich sehr viel schneller durch Spritzguss herstellen. Ein entsprechendes Spritzgusswerkzeug muss nur einmal erzeugt werden, dann lassen sich damit viele Teile in kürzester Zeit herstellen.

Nippgen: Kunststoff hat gegenüber Glas natürlich den Nachteil, dass er eine geringere Robustheit gegenüber Chemikalien hat, eine geringere Bioverträglichkeit und schlechter oder nicht zu reinigen ist.

Gillner: Glas zeigt außerdem keine Eigenfluoreszenz. Bei Kunststoffen, außer den Cyclo-Olefin-Copolymeren, ist sie erheblich, was optische Diagnostik- und Auswertungsverfahren beeinträchtigt.
Foto: In Glas geätzte Mikrofluidik

Feine Strukturen: Mit SLE lassen sich Mikrofluidiken wie diese im Inneren eines Werkstücks aus Glas anlegen und anschließend herausätzen; ©Fraunhofer ILT, Aachen/ Volker Lannert

Welche Vorteile bietet das Verfahren bei der Fertigung von mikrofluidischen Teilen?

Nippgen: Ganz klar eine völlig freie 3D-Strukturierbarkeit der Kanäle. Wir können sie übereinander legen, ohne diese Ebenen miteinander verkleben zu müssen. Es ist ein monolithisches Teil.
Foto: In Glas geätzte Mikrofluidik

Die Mikrofluidiken aus Glas haben eine bessere biologische und chemische Kompatibilität als Mikrofluidiken aus Kunststoff, lassen sich besser reinigen und sind meistens wiederverwertbar; ©Fraunhofer ILT, Aachen/Volker Lannert

Gibt es Grenzen oder Nachteile?

Nippgen: Manche Materialien lassen sich nur schwer bearbeiten. Bei neuen Gläsern steht am Anfang immer eine sehr lange Prozessentwicklung. Dabei müssen wir zuerst einen sehr großen Parameterraum untersuchen, bevor wir wissen, wo wir das Material bearbeiten können.

Außerdem begrenzen derzeitige Optiken die Strukturierungstiefe auf maximal 7 mm, womit die Höhe der fertigen Strukturen begrenzt ist. Für die Herstellung von Mikrofluidiken ist das aber ausreichend. Die kleinsten Kanalhöhen, die wir produzieren können, betragen 10-20 µm, die kleinsten Breiten 5-10 µm.

Welche Herausforderungen sehen Sie bei der Weiterentwicklung des Verfahrens?

Gillner: Im Wesentlichen die mögliche Verbesserung der Ätztechnik. Das betrifft zum Beispiel die beste Temperatur, die Konzentrationen und die optimale Zusammensetzung. Damit können wir unabhängiger von den jeweiligen Gläsern werden.

Ein anderer Punkt wäre noch die Oberflächenqualität. Die Oberflächenrauheit, die wir mit dem SLE derzeit erreichen, beträgt Rz = 1 µm. Optisch glatte Oberflächen, die völlig transparent sind und nicht streuen, lassen sich mit dem Verfahren bisher noch nicht erzeugen. Strukturen an der Oberfläche des Werkstücks oder oberflächennahen Strukturen ließen sich durch Laserpolieren noch glätten. Im Volumen ist das nicht möglich.

Welche zukünftigen Anwendungen sehen Sie für das SLE?

Gillner: Ein Punkt sind mikrooptische Komponenten, also Mikrolinsen aus Glas. Mit dem SLE ließen sich bei diesen Bauteilen Oberflächen mit einer Rauigkeit von weniger als 100 nm erzeugen.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Timo Roth.
COMPAMED.de