Die Softlithografie erzeugt dreidimensionale Muster und Strukturen im Mikro- und Nanobereich. Im Gegensatz zur Fotolithografie, einer in der Halbleiterindustrie verwendeten Herstellungstechnik, werden mit der Softlithografie mikrofluidische Geräte, Mikroarrays und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) hergestellt. Das "Soft" in Softlithografie bezieht sich auf die Verwendung mechanisch weicher Materialien wie Polydimethylsiloxan (PDMS) zur Herstellung eines Stempels oder einer Form. Die Lithografie ist ein Druckverfahren, bei dem ein Bild auf eine flache Oberfläche übertragen wird.
So funktioniert die Softlithografie
Bei der Softlithografie wird eine Urform mit dem gewünschten Muster im Mikro- oder Nanomaßstab hergestellt. Für die Herstellung dieses Musters wird eine CAD-Software (Computer Aided Design) verwendet, und für die Herstellung der Urform werden herkömmliche Mikrofertigungstechniken eingesetzt. Zu diesen Fertigungstechniken gehören die Fotolithografie, bei der Licht zum Ätzen der Strukturen verwendet wird, und die Elektronenstrahllithografie, bei der die Strukturen mit einem beschleunigten Elektronenstrahl erzeugt werden. Zur Herstellung von Merkmalen im Nanomaßstab kann die Nanoimprint-Lithografie eingesetzt werden.
Es ist wichtig zu wissen, dass die Urform der Softlithografie nicht aus PDMS hergestellt wird. Vielmehr besteht sie aus einem Material wie chrombeschichtetem Glas, das lichtempfindlich ist. Wenn dieses lichtempfindliche Material während der Fotolithografie dem Licht ausgesetzt wird, verliert es seine Ätzfestigkeit. Um das gewünschte Muster zu erzeugen, lässt eine Fotomaske mit transparenten Bereichen das Licht durchscheinen. Mit anderen Worten: Die Fotomaske bestimmt, wo das Licht auf das verchromte Glas fällt, und damit auch, wo die Muster geätzt werden.
Als nächstes wird ein flüssiges Polymer wie PDMS in die geätzten Bereiche oder Kanäle der Urform gegossen und ausgehärtet, in der Regel bei einer erhöhten Temperatur von ∼70 °C über Nacht. Nachdem das PDMS ausgehärtet ist, wird es von der Form abgezogen. Dieser so genannte PDMS-Stempel trägt das umgekehrte Muster der Urform und wird auf das Zielsubstrat gedrückt. Durch physischen Kontakt, Kapillarwirkung, Kleben oder andere Oberflächeneffekte wird das Muster aufgebracht. Es können verschiedene Trägermaterialien, einschließlich Objektträger aus Glas, verwendet werden.
Der Vergleich zwischen Softlithografie und 3D-Druck
Wie die Softlithografie kann auch der 3D-Druck Strukturen im Mikro- und Nanomaßstab erzeugen; viele 3D-Drucker sind jedoch auf den Makromaßstab beschränkt. Darüber hinaus können die meisten (aber nicht alle) 3D-Drucker in Bezug auf die Auflösung nicht mit der Softlithografie mithalten. Der 3D-Druck hat auch einige Gemeinsamkeiten mit der Fotolithografie, die häufig zusammen mit der Softlithografie verwendet wird. Sowohl die Fotolithografie als auch der Harz-3D-Druck, eine Gruppe von 3DP-Technologien, verwenden eine Lichtquelle und ein Polymer. Doch damit enden die Gemeinsamkeiten auch schon.
Bei der Softlithografie wird Material abgetragen, um Strukturen wie z. B. Mikrokanäle zu erzeugen. In einem weiteren Schritt wird ein flüssiges Polymer wie PDMS in diese Kanäle gegossen und ausgehärtet, in der Regel unter Anwendung von Wärme. Im Gegensatz dazu wird beim 3D-Druck mit Kunstharz kein Material abgetragen, sondern hinzugefügt. Bei dem hinzugefügten Material handelt es sich um ein Polymer, das jedoch nicht durch Wärme, sondern durch die Einwirkung von Licht aushärtet. Außerdem wird dieses lichtempfindliche Polymer schichtweise hinzugefügt und nicht auf einmal gegossen.
Es gibt jedoch nicht nur eine Art des Harz-3D-Drucks. Zu dieser Technologiefamilie gehören die Stereolithografie (SLA), die digitale Lichtverarbeitung (DLP) und die Projektions-Mikro-Stereolithografie (PµSL). SLA und DLP werden im Allgemeinen eher für Anwendungen im Makro- als im Mikro- und Nanobereich eingesetzt. Im Gegensatz dazu ist die PµSL-Technologie von Boston Microfabrication (BMF) für den 3D-Druck im Mikromaßstab konzipiert. Für Anwendungen wie die Mikrofluidik können die 3D-Drucker der microArch®-Serie von BMF die Softlithografie ersetzen.
Soft-Lithographie vs. PµSL 3D-Druck
Im Gegensatz zur Softlithografie wird beim PµSL-3D-Druck eine Maschine anstelle einer Urform und einer Presse für einen PDMS-Stempel verwendet. Noch wichtiger ist, dass diese Form des Harz-3D-Drucks komplexe 3D-Kanäle erzeugen kann, die mit Softlithografie nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind. Neben der hohen Genauigkeit, Präzision und Auflösung entfällt beim PµSL-3D-Druck die Herausforderung, mikroskalige Merkmale mit Hilfe der Softlithografie in Schichten zu schneiden und diese Schichten dann zu einem funktionierenden Gerät zusammenzufügen.
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