DE69434999T2

DE69434999T2 - Verfahren zur herstellung einer membran

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Publication number: DE69434999T2
Application number: DE69434999T
Authority: DE
Original assignee: Aquamarijn Holding BV
Current assignee: Aquamarijn Holding BV
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2014-11-15
Also published as: DK0728034T3; US5753014A; DE69434999D1; NL9401260A; EP0728034B1; WO1995013860A1; ATE367196T1; AU1414095A; EP0728034A1; EP0728034B8

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Membranfilters, bei dem eine Membranschicht einer Membran mit Perforationen in einer Größe zwischen 5 Nanometer und 50 Mikrometer mit Hilfe eines Lithographieverfahrens unter Verwendung einer gemusterten Hilfsschicht versehen wird.
Ein Membranfilter der eingangs genannten Art wird häufig für Mikrofiltration, Ultrafiltration, Gastrennung und Katalysen benutzt und ist aus einer europäischen Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 325.752 bekannt. Das bekannte Mikrofiltrationsmembranfilter enthält eine Schicht aus einem Polymer, einem Glas oder einer Keramik, die mittels eines Lasers mit Poren versehen worden ist. Die Poren werden gebildet, indem man Perforationen in die Schicht mit einem gepulsten KrF-Excimer-Laser brennt. Verhältnismäßig kleine Poren, die eine Größe von ungefähr 0,5 μm haben, werden mit einem Muster aus sich kreuzenden Interferenzlinien versehen. In diesem Fall werden die Poren an den Verzweigungen der Interferenzlinien gebildet.
Diese bekannten Membranfilter sind jedoch mechanisch verhältnismäßig schwach und werden verhältnismäßig leicht verschmutzen, wodurch verhindert wird, dass sie einen sehr hohen Durchfluss oder eine hohe Strömung erzielen. Um mit einem hohen Durchfluss zu filtrieren, sollte die Membran so dünn wie möglich gemacht werden. Das bekannte Membranfilter wird in diesem Fall nicht mehr fähig sein, den mechanischen Kräften zu widerstehen, die während der Filtration auf es ausgeübt werden.
Außerdem leidet das bekannte Membranfilter unter einer verhältnismäßig schlechten Biokompatibilität, die es für medizinische Zwecke praktisch ungeeignet macht. Weiterhin ist die Herstellung des bekannten Filters ziemlich empfindlich gegenüber Prozessfluktuationen, da die Justage der Laservorrichtung bezüglich der Dicke der Membranschicht, dem Material der Membranschicht, der Lichtintensität und dergleichen sehr kritisch ist. Demzufolge hängt die Größe der einzelnen Poren stark von den Schwankungen der Schichtdicke, Temperaturfluktuationen, Laserenergiestabilität usw. ab, die es schwierig, wenn nicht unmöglich machen, ein Filter mit einer scharfen, über eine große Membranoberfläche wohl definierten Porengrößenverteilung zu bilden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu überwinden, indem sie ein Verfahren zur Bildung eines Membranfilters der eingangs erwähnten Art zur Verfügung stellt, das das Membranfilter mechanisch verhältnismäßig stark macht, in hohem Grade biokompatibel macht und eine scharfe, wohl definierte Porengrößenverteilung ergibt.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Bildung eines Membranfilters der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke zwischen 20 Nanometer und 5 Mikrometer auf einem Trägerkörper aufgebracht wird, dass die Perforationen in die Membranschicht mit Hilfe des Lithographieverfahrens geätzt werden, und dass lokal zumindest ein Fenster in den Trägerkörper selektiv bezüglich der Membranschicht durch die Dicke des Trägerkörpers hindurch geätzt wird, um die Membran von einer entgegengesetzten Seite des Trägerkörpers her freizulegen. Die gleichmäßige Dicke der Membranschicht des Filters, das mit der Methode der vorliegenden Erfindung erhalten wird, gibt dem Filter über einen großen Bereich eine homogene laterale Spannungsverteilung. Infolgedessen wird sie während des Betriebs im Gegensatz zum bekannten Filter, das eine Membranschicht aufweist, die unter beträchtlicher Dickeschwankung leidet und in der sich mechanische Spannung in den niedergedrückten Teilen zwischen angrenzenden Poren außerdem konzentrieren wird, nicht oder zumindest weniger laterale Druckkonzentrationen verursachen. Dementsprechend ist das Filter, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, während des Betriebes deutlich weniger für Brechen oder andere Zerstörung anfällig und kann demzufolge wesentlich dünner hergestellt werden, was einen erhöhten Durchfluss erleichtert. In dieser Hinsicht wurden erfindungsgemäß mit einer spezifischen Ausführungsform des Membranfilters gute Resultate erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Membranschicht eine Dicke zwischen 20 nm und 5 μm mit einer Dickengleichmäßigkeit aufweist, die von 10 nm zu beziehungsweise 100 nm reicht. Wegen seiner Dickengleichmäßigkeit hat dieses Membranfilter bewiesen, den Kräften zu widerstehen, die während der Filtration sogar bei vergleichsweise großem Fluss auf ihn ausgeübt werden. Um den Durchfluss zu verbessern, sollte das Filter einen Widerstand bieten, der so klein wie möglich ist und weist daher in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Membranschicht auf, deren Dicke kleiner ist als die durchschnittliche Porengröße, und deren Porendichte größer ist als 1 Million pro Quadratzentimeter.
Das Filter, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, wird außerdem in hohem Grade biokompatibel sein. In dieser Hinsicht basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine glatte Membranschicht mit einer Oberflächenrauhigkeit, die viel kleiner als die Porengröße ist, das Anhaften von Partikeln oder Zellen auf der Membran und in den Perforationen verhindert. Dies verbessert die Biokompatibilität und macht die Anwendung des Filters, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, in anfälligen Zelle-Zelle-Trennungstechniken und zu anderen medizinischen und biomedizinischen Zwecken möglich. Als solches wurden mit einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung gute Resultate erreicht, bei der die Membranschicht sowie die innere Porenoberfläche einer Oberflächenrauhigkeit von weniger als 100 nm, insbesondere von weniger als 10 nm und bei der die Membranschicht eine Dicke aufweist, die kleiner als der durchschnittliche Durchmesser der Poren ist. Solch ein Membranfilter kann für die Trennung von biologischen Zellen verwendet werden und ist besonders nützlich, wenn anfällige Partikel oder spannungsanfällige Zellen mit einem hohen Durchfluss getrennt werden sollen. Manche Zellen, beispielsweise Leukozyten, Erythrozyten und Blutplättchen zeigen ein erhöhtes Versteifen ihrer Zellmembran, wann immer sie in die schmalen und langen Poren eintreten, und sie haften innerhalb dieser Poren (Leukozyten) an oder geben ihren Zellinhalt frei (Erythrozyten, Blutplättchen). Durch die spezifische Ausführungsform des Membranfilters der Erfindung wird letzteres vermieden oder es wird letzterem zumindest entgegengewirkt.
Die entscheidende Selektivität eines Filters wird durch seine größten Poren bestimmt. Infolgedessen ist es wünschenswert, eine Porengrößenverteilung zu haben, die so scharf wie möglich ist. Um eine große Selektivität anzubieten, ist eine spezifische Ausführungsform des Filters, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren aus geätzten Perforationen mit verhältnismäßig glatten Rändern bestehen, und dass die Membranschicht eine relativ scharfe, wohl definierte Porengrößenverteilung innerhalb einer Standardabweichung von weniger als 3 %, insbesondere weniger als 1 % besitzt. Wegen der scharfen Porengrößenverteilung dieses Filters sorgt es außerdem für eine in hohem Grade selektive und zuverlässige Filtration, die weiterhin zu seiner Wirksamkeit nicht nur für medizinische Anwendungen beiträgt, sondern unter allen Umständen, in denen Mikrofiltration, Ultrafiltration, Gastrennung und Katalyse mit einem verhältnismäßig großen Fluss und einer Zuverlässigkeit durchgeführt werden müssen.
Abhängig von der Anwendung können die Perforationen in der Membran zylindrisch oder konisch sein. Letzteres hat einen Vorteil in "Rückspül-"("back flush")-Anwendungen, wobei verstopfte Perforationen mittels eines Gegendruckpulses wieder mit Leichtigkeit geöffnet werden. Geeignete Materialien für die Membran des Filters, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, sind vorzugsweise aus anorganischen oder keramischen Bestandteilen wie Silicium, Kohlenstoff, Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Siliciumcarbid, Siliciden, Alumina, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Chromoxid, Titanoxid, Titanoxynitrid und Titannitrid und Yttrium-Barium-Kupferoxiden gebildet. Ein Metall oder eine Legierung mit Palladium, Wolfram, Gold, Silber, Chrom, Nickel, Stahl, einer Eisenlegierung, Tantal, Aluminium und Titan können ebenfalls als Membranmaterial verwendet werden. Mit einem leitenden Metall oder einem superleitfähigen Material werden elektrochemische Trennungsanwendungen ermöglicht. Alternativ kann ein Kunst stoffmaterial für die Membran des Filters verwendet werden, wie Polyurethan, Polytetrafluorethylen (Teflon), Polyamid, Polyimid, Polyvinyl, Polymetamethylacrylat, Polypropylen, Polyolefin, Polycarbonat, Polyester, Cellulose, Polyformaldehyde und Polysulfon. Für einige ökonomische Anwendungen (Wegwerfteile) kann eine Membran, die aus einer lichtempfindlichen Schicht, wie Polyimid oder Polymetamethylacrylat hergestellt wurde, die Anforderung bereits erfüllen. Für biomedizinische Anwendungen kann die Membran aus einem biokompatiblen Material wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumoxynitrid, Titan, Titanoxid, Titanoxynitrid, Titannitrid, Polyimid und Polytetrafluorethylen (Teflon) gebildet sein. Die Membranschicht kann auch mit einer biokompatiblen Schicht dieser Materialien versehen werden, oder mit einer anderen biokompatiblen Schicht, beispielsweise einer Heparinschicht.
Um die Stärke des Filters weiter zu erhöhen, ist eine spezifische Ausführungsform des Filters, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht von einem makroporösen Träger mit zumindest einer Öffnung an seiner Oberfläche, die von der Membran überspannt wird, getragen wird. Der Träger kann eine flache Oberfläche aufweisen oder röhrenförmig sein und vermeidet, dass die Membranschicht in seiner Ganzheit unter Spannung gesetzt wird, und begrenzt dementsprechend die Kräfte, die auf sie ausgeübt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist das Filter dadurch gekennzeichnet, dass die Poren innerhalb der zumindest einen Öffnung nur in einem Abstand von ihrer Begrenzung und in einem Abstand von ihrer Mitte vorgesehen sind. Der Abstand zwischen der Porenstruktur und der Begrenzung und der Mitte der Öffnung im Träger ist durch die Biegeeigenschaft der Membranschicht bestimmt, wenn sie unter Druck gesetzt wird, derart, dass die Poren speziell bei denjenigen Teilen der Membranschicht weggelassen werden, die sich am meisten verbiegen und daher die größte Spannung während des Betriebes erfahren. In diesem Fall trägt nicht nur der Träger selbst zur Stärke des Filters bei, sondern auch die spezifische Position der Poren innerhalb der Öffnung(en), die entsprechend selektiv gewählt wird, um der mechanischen Stärke der Membranschicht und folglich des Filters zu dienen.
Zwischen der Membranschicht und dem Träger kann eine Zwischenschicht zur Haftverbesserung und Spannungsreduzierung aufgebracht werden, die beispielsweise aus Borax, Chrom, Nickel, Titan, Siliciumoxid oder phosphorigem Pentoxid besteht. In besonderen Fällen kann die Zwischenschicht außerdem als Ätzsperrschicht dienen. Geeignete Materialien für den Träger selbst sind organische sowie anorganische Materialien, wie Silicium, Stahl, Eisenlegierungen, Kohlenstoff, Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Siliciumcarbid, Alumina, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Titanoxynitrid, Titannitrid, Chrom, Nickel, Aluminium, Titan, Polytetrafluorethylen, Polyamid, Polyimid, Polyvinyl, Polymetamethylacrylat, Polypropylen, Polyolefin, Polycarbonat, Polyester, Cellulose, Polyformaldehyd, Polysulfon und glasähnliche Materialien. Für biomedizinische Anwendungen kann der Träger aus einem biokompatiblen Material, wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Titannitrid, Titan, Titanoxid, Polytetrafluorethylen und Polycarbonat hergestellt werden.
Der Träger kann makroporös mit einer gewundenen Porenstruktur (tortuous Pore structure), ein gesintertes Keramikmaterial, ein gesintertes Metallpulver oder eine polymerische gewundene Membran sowie ein anfänglich dichtes Material sein, in dem in einem späteren Stadium Öffnungen eingebracht werden, beispielsweise in einen Halbleiterwafer, einen Metallträger oder eine anorganische Scheibe. Vorzugsweise werden die makroporösen Perforationen durch die Poren in der Membran in den Träger geätzt. Die Gesamtstärke der Membran kann durch eine Anzahl von relativ dünnen stützenden Brücken in dem darunter liegenden Träger erhöht werden. Gute Resultate werden erreicht, wenn der Träger Öffnungen mit einem mittleren Querschnitt aufweist, der 5- bis 100-mal dem Querschnitt der Poren der Membranschicht ist.
Eine relativ dicke Membranschicht oder eine Membranschicht mit einer niedrigen intrinsischen Spannung, "stressdefizient", hat den Vorteil, dass in dem Träger Öffnungen verhältnismäßig groß ausgestaltet werden dürfen, beispielsweise Öffnungen mit einem Durchmesser von größer als 100–10000 mal der Dicke der Membranschicht. Für Niederdruckanwendungen kann der Träger weggelassen werden. Ein Träger mit relativ großen und glatt geätzten Öffnungen, beispielsweise in einem monokristallinen Siliciumwafer, hat einen Vorteil in Trennungsanwendungen von anfälligen Zellen. Der Träger hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 bis 1000 mal der Dicke der Membranschicht, und typischerweise hat der Träger eine Dicke zwischen 100 bis 10000 μm. Abhängig von der Anwendung kann der Träger flach, röhrenförmig oder auf andere Weise ausgebildet sein. Röhrenförmige Träger haben sich in Querströmungsanwendungen als vorteilhaft erwiesen. Um zur Biokompatibilität des Filters als Ganzes beizutragen, weisen die Öffnungen in dem Träger vorzugsweise eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 50 nm auf.
Gute Resultate werden mit einem erfindungsgemäßen Membranfilter erreicht, das einen <100> Siliciumträger mit einer Dicke von 380 μm und Quadratöffnungen von 200 × 200 μm aufweist, der eine 1 μm dicke Membran aus Siliciumnitrid mit Perforationen von 0,5–5 μm trägt. In Blutfiltrationsexperimenten unter Verwendung von "buffy coat"-Erythrozytkonzentraten wurde keine Hämolyse beobachtet, und eine ausgezeichnete Leukozytretention (> 99 %) wurde mit einer Membran mit einer Porengröße von 2 μm bei Drücken unter 10 cm H₂O gefunden. In den Leukozytfiltrationsexperimenten unter Verwendung von "buffy coat"-Blutplättchenkonzentraten wurde keine Blutplättchenaktivierung beobachtet, und es wurde eine ausgezeichnete Leukozytretention (> 99 %) mit einer Membranschicht mit einer Porengröße von 4 μm bei Drücken unter 10 cm H₂O gefunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Filters, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, werden der Träger und die Membranschicht aus äquivalenten Materialien mit den gleichen oder ähnlichen Bestandteilen, beispielsweise Silicium, aufgebaut. Ein Filter dieser Art ist in einem breiten Temperaturbereich mit einer guten Kohäsion zwischen dem Träger und der Membranschicht anwendbar.
Alternativ kann eine Membranschicht von der Art, wie sie in dem Filter verwendet wird, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, selbst sehr gut als Träger für eine Ultrafiltrations- oder eine Gastrennungsschicht aus beispielsweise einem Metall oder porösem Silicium wirken. Sehr dünne Ultrafiltrations- oder Gastrennungsschichten mit einer Dicke von weniger als 200 nm können in oder über den Perforationen der Membranschicht aufgebracht werden, um einen Ultrafiltrationsfilter bzw. einen Gastrennungsfilter zu bilden. Die Ultrafiltrations- oder Gastrennungsschicht kann beispielsweise mittels eines geeigneten Abscheideverfahrens, wie Lackschleuderung, Tauchbeschichtung, Sol/Gel, Kathodenzerstäubung, Gasphasenabscheidung und Kristallisation aufgebracht werden. Eine Gastrennungsschicht, die von einer erfindungsgemäßen keramischen perforierten Membran getragen wird, hat den Vorteil einer Hochtemperaturbeständigkeit, und insbesondere hat eine tragende Membranschicht aus Silicium den Vorteil einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit und eines Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einem Wert zwischen einem keramischen Material und einem Metall.
Eine Membranschicht von der Art, die in dem Filter verwendet wird, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, kann weiterhin als Form, als optisches Filter oder als Gitter in einem Mikrosensor oder in einem Aktuator oder in einem Fraktioniersystem zum Sortieren von Partikeln einschließlich Zellen nach Größe verwendet werden.
Ein Membranfilter mit einer Membran, die einen Träger aufweist, der von einer Membranschicht mit Poren einer Größe zwischen 5 nm und 50 μm bedeckt ist, kann leicht und bequem mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Membrandicke durch ein Herstellungsverfahren hergestellt werden, bei dem eine Membranschicht auf den Träger aufgebracht wird und die Membranschicht mittels einer gemusterten Hilfsschicht mit Poren versehen wird. Jegliche Rückabscheidung von Material, das während der Porenbildung entfernt wurde, kann im Gegensatz zu dem bekannten Membranfilter in diesen Verfahren leicht vermieden werden, das beinahe unvermeidlich unter einer beträchtlichen Menge an Rückabscheidung von verdampftem Material leidet, was in einer schwachen Oberflächenglattheit und in einer großen Anzahl von Vorsprüngen und anderen Unregelmäßigkeiten der Membranoberfläche resultiert. Dementsprechend erhöht dies die Biokompatibilität des resultierenden Filters sehr.
Insbesondere kann die Membranschicht mittels Epitaxiewachstum, Lackschleuderung, Gasphasenabscheidung oder Kathodenzerstäubung mit einer Dicke zwischen 20 nm und 5 μm aufgebracht werden. Mit einem solchen Abscheideverfahren, das beispielsweise aus der Halbleitertechnik erhältlich ist, kann die Membranschicht bequem frei von irgendwelchen Vorsprüngen oder von anderen Unregelmäßigkeiten und mit einer Dickengleichförmigkeit im Bereich von weniger als 10 nm im Fall einer Schichtdicke von 20 nm bis weniger als 100 nm für eine 5 μm dicke Schicht aufgebracht werden. Für dickere Membranschichten kann alternativ Sprühen, Sol/Gel-Beschichten oder Galvanisieren für das Aufbringen der Membranschicht verwendet werden, was jedoch eine weniger glatte Oberfläche als die obigen Abscheideverfahren erzeugt.
Eine aufgebrachte Maskierungsschicht, insbesondere aus lichtempfindlichem Material, kann als die Hilfsschicht verwendet werden, die in das gewünschte Muster mittels einer Photolithographie- oder Prägungstechnik gebracht wird. Die Maskierungsschicht steht mit der Membranschicht in Berührung und ermöglicht daher die Übertragung ihres Musters auf die Membranschicht mit einem sehr hohen Präzisionsgrad. Die Maskierungsschicht kann mit dem gewünschten Muster mittels einem beliebigen Photolithographie- oder Prägeverfahren versehen werden, die beispielsweise auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bzw. der Compact-Disc-Technik bequem verfügbar ist.
Das Muster der Maskierungsschicht, das die Größe und die Position der Poren bestimmt, kann auf die Membranschicht übertragen werden, indem die Maskierungsschicht auf der Membranschicht bereitgestellt wird und indem anschließend die Membranschicht geätzt wird, wobei die gemusterte Maskierungsschicht als Ätzmaske verwendet wird. Auf diese Weise können die Poren mit einem sehr hohen Präzisionsgrad und mit einer sehr glatten inneren Oberfläche erhalten werden, was die Biokompatibilität des fertigen Filters stark verbessert. Isotrope sowie anisotrope Ätzverfahren können zum Ätzen der Poren verwendet werden. Isotropes Ätzen, beispielsweise mit einer nassen Ätzlösung, hat den Vorteil, dass sich wegen der unvermeidlichen Unterätzung mehr oder weniger verjüngende Poren bilden, während anisotro pes Ätzen, beispielsweise mittels eines Plasmas, zu einer sehr exakten Übertragung des Musters der Maskierungsschicht auf die Membranschicht führt und dadurch eine sehr scharfe Porengrößenverteilung im etwaigen Filter erleichtert wird. Mit anisotropen reaktiven Ionenätzen auf der Basis von Fluor- oder Chlorplasmen ist es möglich, Perforationen mit einer Tiefe zu ätzen, die 10 bis 20 (= Höhe-Seiteverhältnis, "Aspect Ratio") mal dem mittleren Durchmesser der Perforationen beträgt.
Alternativ kann das Muster der Maskierungsschicht sehr gut mittels eines Abhebungsprozesses auf die Membranschicht übertragen werden, bei dem die Maskierungsschicht auf dem Träger bereitgestellt wird, die Membranschicht auf der gemusterten Maskierungsschicht aufgebracht wird und die Poren in der Membranschicht durch anschließendes Abheben der entsprechenden Teile der Membranschicht zusammen mit den darunter liegenden Teilen der Maskierungsschicht gebildet werden. Durch diesen verhältnismäßig kostengünstigen Prozess kann ein Filter bequem realisiert werden, wenn auch mit einer größeren Oberflächenrauhigkeit und infolgedessen einer niedrigeren Biokompatibilität als mit dem spezifischen Verfahren, das im vorhergehenden Absatz beschrieben wurde. Dennoch kann dieses Verfahren sehr gut verwendet werden, falls die Biokompatibilität und die Oberflächenrauhigkeit des fertigen Filters nicht von größter Wichtigkeit sind.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Membran mit ultrafeinen Poren umfasst die Schritte, dass eine erste Schicht auf einem Substrat, das mit im Wesentlichen parallelen Rillen versehen ist, die tiefer als breit sind, aufgebracht wird, dass eine Opferschicht winkeltreu über der Oberfläche aufgebracht wird, dass die Opferschicht mit im Wesentlichen parallelen Rillen versehen wird, die sich im Wesentlichen quer zu den Rillen der ersten Schicht erstrecken, dass eine zweite Schicht über der gesamten Oberfläche aufgebracht wird, die die Opferschicht bedeckt und die Rillen füllt, dass die zweite Schicht zurückgeätzt wird, bis die seitlichen Teile der Opferschicht freigelegt sind, dass die freigelegten Teile der Opferschicht durch Ätzen entfernt werden, und dass das Substrat durch die realisierten Öffnungen in der Opferschicht geätzt wird. Bei diesem Prozess werden zwischen der ersten Schicht und der Rillen füllenden zweiten Schicht kanalartige Perforationen mit einer Breite gebildet, die gleich der Dicke der Opferschicht ist, die so klein wie 5 nm gewählt werden kann. Andere Prozesse sind gleichsam wohl anwendbar, jedoch bedingt dieser Prozess keine Ausrichtungsanforderungen für die Masken, die für die Definition der parallelen Rillen und dem Linienmuster verwendet werden.
Für manche Anwendungen können die Perforationen in der Membranschicht verengt werden, indem man sie mit einer zusätzlichen Schicht, beispielsweise mittels Sprühens, Lackierens, Lackschleuderns, Gasphasenabscheidung oder Kathodenzerstäubens beschichtet. Diese zusätzliche Schicht kann auch ein biokompatibler Überzug sein.
Hinsichtlich eines erfindungsgemäßen Membranfilters, das einen Träger aufweist, der eine Membranschicht trägt, werden Öffnungen in dem Träger vorzugsweise erst geätzt, nachdem die Membran auf dem Träger bereitgestellt ist. Ohne Verwendung einer Maske kann dies über die Poren der Membranschicht oder unter Verwendung einer Ätzmaske auf der Rückseite des Trägers bewerkstelligt werden.
Gemäß einem möglichen Prozess für die Herstellung einer Membranschicht mit einem makroporösen Träger wird ein geeignetes Porenfüllmaterial auf der Oberflache des porösen Makroträgers vor dem Aufbringen der Membranschicht aufgebracht. Das Porenfüllmaterial kann Polysilicium, Aluminium, ein polymerisches Material, ein Material, das bei niedriger Temperatur schmilzt, und dergleichen sein. Ein effizientes Verfahren besteht darin, das Porenfüllmaterial durch Erwärmen des porösen Trägers zu entfernen. Das Porenfüllmaterial kann auch nach dem Bilden der Perforationen in der Membranschicht entfernt werden, indem das Porenfüllmaterial selektiv durch die Perforationen der Membranschicht geätzt wird.
Vorzugsweise wird eine lichtempfindliche Lackschicht sowohl als Porenfüllmaterial als auch als Muster bildende Schicht verwendet. Die Belichtung einer relativ dicken, lichtempfindlichen Lackschicht unter Belichtungs- oder Unterentwicklungsbedingungen werden nur in dem oberen Teil der Lackschicht ein Muster erzeugen. Die Membranschicht wird dann am tiefsten Teil des Musters unmittelbar in Berührung mit dem Material des makroporösen Trägers aufgebracht. Das verbleibende Membranschichtmaterial auf der Oberseite des Musters sowie die Lackschicht wird dann mit einer Standard-"Abhebe"-Technik unter Verwendung von beispielsweise Aceton entfernt.
Nachfolgend wird die Erfindung genauer mit Bezug auf eine Anzahl von speziellen Beispielen und der beigefügten Zeichnung beschrieben, in der:
1 im Querschnitt einen Teil eines erfindungsgemäßen Mikrofiltrationsmembranfilters zeigt;
2, 3 im Querschnitt Teile eines erfindungsgemäßen Membranfilters entsprechend einigen bevorzugten Beispielen zeigen;
4–8 im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Membranfilters zeigen;
9–11 im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines weiteren Prozesses zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Membranfilters zeigen;
12–15 im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines weiteren Prozesses zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Membranfilters zeigen;
16–19 im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines weiteren bevorzugten Prozesses zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Membranfilters zeigen;
20–24 im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Ultrafiltrationsmembran zeigen;
25–29 im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gastrennungsfilters zeigen;
30 im Querschnitt einen Teil eines fraktionierenden Systems für das Sortieren von Partikeln nach Größe zeigt;
31–34 im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Membranfilters mit ultrafeinen Poren zeigen;
35 ein SEM-Foto eines erfindungsgemäßen Membranfilters mit einer Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 1 μm und einer Perforationsgröße von 1,5 × 9,0 μm zeigt;
36 ein SEM-Foto eines Gastrennungsfilters mit einer Palladiumschicht mit einer Dicke von 200 nm in den Poren einer erfindungsgemäßen Membran zeigt, wobei die Palladiumschicht teilweise von der Oberfläche durch eine Abhebungstechnik entfernt ist und über die Kanten der Poren der ansonsten flachen Membran übersteht;
37 ein SEM-Foto einer Aluminium-Membranschicht zeigt, die mit Gasphasenabscheidung mit einer Dicke von 0,5 μm und einer Perforationsgröße von 4,5 μm erhalten ist, die auf einer gemusterten Fotolackschicht aufgebracht ist, wobei die Membranschicht durch eine Abhebetechnik entfernbar ist; und
38 ein SEM-Foto einer Form oder eines Stempels in einem <100>-Siliciumwafer mit sich verjüngenden Nadeln mit einem Nadeloberseitendurchmesser von 1,0 μm für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Membranfilters zeigt.
Die Figuren sind rein schematisch und insbesondere nicht maßstabsgetreu gezeichnet. In allen Figuren sind die gleichen Bezugszeichen den gleichen oder entsprechenden Teilen zugeordnet.
1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Teil des erfindungsgemäßen Membranfilters. Das Membranfilter besteht aus einem Träger von Brücken 1, in diesem Beispiel einem monokristallinen <100>-Siliciumwafer mit einer Dicke von 380 μm und mit Quadratperforationen 2 von 2,5 × 2,5 mm und einer Membran 3 aus Siliciumnitrid mit einer Dicke von 2 μm. Die Perforationen 4 in der Membranschicht 3 weisen einen Querschnitt von 4 × 4 μm auf. Die Tiefe der Perforationen 4 (hier 2 μm) sind zumindest kleiner als 20 mal dem Durchmesser der Perforationen 4 (40 μm). Der Abstand zwischen der Mitte der Perforationen beträgt hier 10 μm. Jeder Quadratzentimeter der Membranoberfläche weist dann 1 Millionen Perforationen auf. Abhängig von der Anwendung können andere Formen für den Querschnitt der Perforationen 4 gewählt werden. Eine rechteckige Form hat den Vorteil, dass Partikel nicht in der Lage sind, die Perforationen vollständig zu verschließen. Eine stark verlängerte oder kanalförmige Form der Membranschicht hat den Vorteil eines potentiell hohen Durchflusses. Eine kreisförmige oder runde Form des Querschnitts ist bei der Trennung von Medien mit anfälligen Partikeln vorteilhaft, insbesondere flache Perforationen mit einer abgerundeten oder glatten Morphologie sind für das Trennen von biologischen Zellen geeignet. Die Oberflächenrauhigkeit eines Siliciumwafers ist üblicherweise besser als 1 Nanometer. 2 zeigt schematisch im Querschnitt einen Teil des erfindungsgemäßen Membranfilters. Das Membranfilter besteht aus einzelnen Membranschichteinheiten 6 aus Polytetrafluorethylen mit einer Dicke von 5 μm und einer Größe von 0,2 mm mal 0,2 mm, die mit einem Polytetrafluorethylenraster 7 aus Balken für Festigkeit mit einer Balkenabmessung von 5 μm × 20 μm × 200 μm kombiniert sind. Der Durchmesser der kreisförmigen Perforationen beträgt 3 μm. Die anisotropen Perforationen in der Membranschicht werden durch reaktives Ionenätzen in einem CHF₃/SF₆/O₂-Gemisch mit einem Überschuss an Sauerstoff erhalten.
3 zeigt schematisch im Querschnitt einen Teil eines röhrenförmigen erfindungsgemäßen Membranfilters. Das röhrenförmige Membranfilter besteht aus einem zylindrischen Träger 8, in diesem Beispiel einem makroporösen Alumina-Rohr mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Dicke von 1 cm mit einer mittleren Porengröße von 10 μm. Auf dem Träger 8 wird eine Membranschicht 9 aus Siliciumnitrid mit einer Dicke von 1 μm aufgebracht. Die Perforationen 10 sind hier mit einem Durchmesser von 1 μm gebildet worden.
4 bis 8 zeigen im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses zur Herstellung der Membran mit einem Träger und einer Membranschicht gemäß der Erfindung.
Die Form 24 ist mittels Siliciumoberflächenmikrobearbeitung durch anisotropes Siliciumätzen eines Siliciumwafers mit einem regelmäßigen Muster von quadratischen Feldern von 5 μm × 5 μm als Ätzmaske gefertigt. Die quadratischen Felder werden mittels Gasphasenabscheidung und einer "Abhebungstechnik" in Aceton aus Aluminium hergestellt, d.h. die Gasphasenabscheidung des Aluminiums erfolgt nach der Bereitstellung einer gemusterten lichtempfindlichen Fotolackschicht auf dem Siliciumwafer. Anschließend wird das Silicium mittels reaktivem Ionenätzen in einem CHF₃/SF₆/O₂-Gemisch in einem 30/20/20-Verhältnis anisotrop geätzt, wodurch die Form erhalten wird, siehe auch 34. Nach der Bereitstellung eines Abdrucks dieser Form 24 in der Polyimidschicht 23 wird dann mit Hilfe eines anisotropen reaktiven Ionenätzens mit einem CHF₃/O₂-Gemisch eine Membranschicht 26 mit einem quadratischen Querschnitt von 5 × 5 μm gebildet, 11. Abhängig von der Größe und der Dicke der Membranschicht können Öffnungen in den Metallträger 21 geätzt werden, 12A, oder der Metallträger kann durch Ätzen vollständig entfernt werden, 12B. Wenn nur das letztere getan wird, resultiert eine 2 μm dicke freie Membranschicht 26, die noch eine mechanische Stärke über eine Membranfläche von 1–10 cm² besitzt.
13 bis 15 zeigen im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses der Herstellung der erfindungsgemäßen Membran, die einen Träger und eine Membranschicht aufweist. Auf einer flachen Oberfläche des Trägers 27, in diesem Beispiel einem dünnen Metallwafer aus Aluminium mit einer Dicke von 300 μm, wird eine Schicht 28 aus fotoempfindlichem Polyimid mit einer Dicke von 2 μm mittels einem geeigneten Abscheideverfahren aufgebracht, hier mittels Drehbeschleunigungsbeschichtung einer Lösung aus vorpolymerisiertem Polyimid, gefolgt von einem Niedertemperatur-Backschritt, 13A. Die Polyimidschicht 28 wird dann mit einem regelmäßigen Muster mittels einer geeigneten Belichtungstechnik versehen. Anschließend wird die Polyimidschicht 28 entwickelt und durch einen "Nachback"-Schritt polymerisiert, woraus sich die Membranschicht 29 mit Perforationen ergibt, 14A. Abhängig von der Größe und der Dicke der Membranschicht können Öffnungen in dem Metallträger 27 erzeugt werden, 15A, oder der Metallträger 27 kann durch Ätzen vollständig entfernt werden. Bei Bedarf kann die Reihenfolge der Herstellung der Perforationen in der Membranschicht und der Herstellung der Öffnungen in dem Träger vertauscht werden, 13B bis 15B.
16 bis 19 zeigen im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines bevorzugten Prozesses zur Herstellung eines erfindungsgemäßen röhrenförmigen Membranfilters. Das röhrenförmige Membranfilter besteht aus einem zylindrischen Träger 31, in diesem Beispiel einem makroporösen Alumina-Rohr mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Dicke von 1 cm mit einer mittleren Porengröße von 10 μm, 16. Bevor eine dünne Membranschicht gebildet wird, wird ein geeignetes Porenfüllmaterial 32 auf die Außenseite des Trägers 31 aufgebracht, die alle Poren füllt, die auf der Außenseite des Trägers 31 liegen, 17. Die Dicke des Porenfüllmaterials 32 hängt mit der mittleren Porengröße des porösen Trägers 31 zusammen, um alle Poren zu füllen, die an der Oberfläche des Trägers 31 liegen. In diesem Beispiel werden die Poren des porösen Trägers 31 aus Alumina mit Aluminium 32 mittels Kathodenzerstäubung oder einer Gasphasenabscheidungstechnik gefüllt. Das Aluminium wird auf dem Träger durch ein übliches Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebracht. Andere organische Materialien, beispielsweise Polyimid oder anorganische Materialien mit einer guten Fähigkeit zur Porenfüllung können ebenfalls verwendet werden. Auch ein Kieselgel, das durch Sintern bei erhöhten Temperaturen entfernt werden kann, kann verwendet werden, um die Oberfläche zu dichten. Nach der Aluminiumabscheidung wird vorzugsweise ein ergänzender Polierprozess durchgeführt, beispielsweise mit einem geeigneten Diamantpulver. Für eine gute Berührung zwischen der Membran schicht und dem Träger 31 in einem späteren Stadium sollte das Polieren durchgeführt werden, bis die gefüllten Aluminaporen freigelegt sind. Eine dünne Schicht 33 aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 1 μm wird mittels eines geeigneten Abscheideverfahrens aufgebracht, hier mittels Plasma-verstärkter Gasphasenabscheidung (PECVD) bei niedriger Temperatur. Die Schicht 33 wird mit Silan und Sauerstoff (SiH₄/O₂) gebildet. Auf der Siliciumdioxidschicht 33 wird eine verdünnte lichtempfindliche Lackschicht 34 mit einer niedrigen Viskosität aufgebracht, 18, und wird mittels Lackschleudern durch Drehen des röhrenförmigen Trägers 31 entlang seiner Achse gleichmäßig verteilt. Nach dem "Vorback"-Schritt, bei dem die Dicke der Fotolackschicht 34 stark verringert wird, wird die Lackschicht 34 mit einem gleichmäßigen Muster 35 unter Verwendung eines Interferenzmusters mit Linien 35 belichtet. Das Linienmuster 35 wird durch den Überlapp zweier Lichtstrahlen gebildet, die von einer monochromatischen Quelle stammen, in diesem Fall von einem Nd-YAG-Laser. Das Linienmuster 35 wird einmal entlang der Achse und einmal senkrecht zur Achse der Röhre durch eine Blende mit einem Durchmesser projiziert, der kleiner ist als der Durchmesser der Röhre. Durch wiederholte Verschiebung und Rotation der Röhre kann die gesamte Fläche mit einem regelmäßigen Muster 36 aus quadratischen Feldern von 1 × 1 μm in der lichtempfindlichen Lackschicht 34 belichtet werden. Andere Projektions- oder Prägungstechniken, beispielsweise Proximityprojektion mit einer konkaven oder röhrenförmig geformten Maske, oder das Einprägen einer Form in eine nicht fotoempfindliche Lackschicht 34 durch Rollen des röhrenförmigen Trägers 31 können gleichsam angewendet werden. Anschließend wird die Lackschicht 34 entwickelt und die Siliciumdioxidschicht 33 geätzt, woraus sich das Muster 36 mittels Standardtechniken ergibt. In diesem Beispiel wird die Siliciumdioxidschicht 33 mittels einer gepufferten HF-Lösung geätzt, wodurch Perforationen mit einem quadratischen Querschnitt von 1 × 1 μm gebildet werden. Schließlich wird das Poren füllende Aluminium 32 mittels einer verdünnten KOH-Lösung aus den Poren in dem Träger entfernt.
20 bis 24 zeigen im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Ultrafiltrationsmembran. 20 zeigt eine erfindungsgemäße Membran mit einem Träger 40 und einer Mikrofiltrations membranschicht 41. Die Membran kann flach sowie röhrenförmig ausgestaltet werden. Auf einer Oberfläche der Membranschicht 41, in diesem Beispiel einer Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 1 μm und mit Perforationen mit einer Größe von 1 μm wird eine dünne Schicht 42 mit einer Dicke von 2 μm mittels Lackschleuderung eines geeigneten Sol-Gels aufgebracht, beispielsweise eines Siliciumoxid-Sols, das aus Tetraethylorthosilicat (TEOS) in Ethanol erhalten wird, 21. Zunächst wird mit einer Hochtemperaturbehandlung die mikroporöse Ultrafiltrationsschicht 43 gebildet. Die Ultrafiltrationsschicht 43 ist nahezu frei von Mikroporen ("pinhole") und Haarrissen ("cracks") und wird in den Perforationen der Mikrofiltrationsmembranschicht solide unterstützt, 22. Nach Wunsch kann eine zweite Ultrafiltrations- oder Gastrennungsschicht 44 mittels einer ähnlichen oder anderen Technik aufgebracht werden, 23. Als Ausgangsmaterial für eine Gastrennungsschicht kann eine Lösung eines 10 %-Siliconelastomers (beispielsweise SCS 2211, Perfecta Chemie) in Ethylacetat verwendet werden. Die Hochtemperaturbehandlung ist hier Pyrolyse in Luft bei 600°C. Eine Gastrennungsschicht mit einer mittleren Porengröße von 1 nm wird dann erhalten. Eine andere Anwendung besteht darin, dass unmittelbar auf der Mikrofiltrationsmembranschicht 40 und in den Perforationen der Membranschicht 40 unter Verwendung eines Autoklaven molekulare Siebkristalle 44 gewachsen werden, beispielsweise Zeolithkristalle der Art ZSM-5, 24.
25 bis 29 zeigen im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Prozesses zur Herstellung einer Gastrennungsmembran mit einer erfindungsgemäßen Membran. 25 zeigt eine Membran mit einem Träger 45 aus monokristallinem Silicium und einer Membranschicht 46 aus Siliciumnitrid. Die Membran kann flach sowie röhrenförmig sein, der Träger 45 sollte jedoch dicht sein. Auf einer Oberfläche der Membranschicht 46 und in den Perforationen des Trägers 45 wird eine Palladiumschicht 47 mit einer Dicke von 0,2 μm kathodenzerstäubt, 26. Nach der Abscheidung der Palladiumschicht 47 werden Öffnungen 48 in das Silicium über die Rückseite des Trägers 45 geätzt, beispielsweise mit einer wässrigen 10 %-KOH-Lösung bei 70°C oder einer Hydrazinlösung bei 100°C, und die Membranschicht 46 wird dann freigeätzt und die dünnen Palladiumschichten 48 sind solide in den Perforationen der Membranschicht 46 gestützt, 27.
Dieser Prozess eignet sich ebenso gut für die Abscheidung anderer Gastrennungsmetallschichten, keramischen Schichten oder synthetischen Schichten, beispielsweise einer Silberlegierung oder Zirconiumoxidschicht zur Sauerstofftrennung oder einer dünnen Teflonschicht zur Heliumtrennung.
Eine sehr dünne Siliciumoxidschicht 49 kann somit durch eine anfängliche Oxidation des Siliciumträgers 45 und der anschließenden Bildung von Öffnungen 48 in dem Träger 45 erhalten werden, 28. Auf einem sehr flachen monokristallinen Träger 45 aus Silicium können in den Perforationen der Membranschicht 46 sehr dünne monokristalline Molekularsiebkristallschichten 50 gewachsen werden. Eine monokristalline Zeolithschicht der Art ZSM-5 mit einer Dicke von 0,5 μm wird in den Perforationen 46 auf dem monokristallinen Silicium 45 in einem Autoklaven bei einer Temperatur von 150°C in 4 Stunden ausgehend von einer wässrigen Lösung aus Tetraethylorthosilicat (TEOS) und Tetrapropylammonia in einem Molekularverhältnis von 7:1 gewachsen. Nach dem Wachsen der ZSM-5-Schicht 50 werden Öffnungen in dem Träger 45 mit einer 10 %-KOH-Lösung bei 70°C oder einer wässrigen Lösung aus Ethylendiamin und Prycatechol (EDP) bei 70°C geätzt, 29. Die Gastrennungskanäle in der Zeolithschicht 50 werden durch Kalzination geöffnet, und dies kann vor oder nach dem Vorsehen der Öffnungen in dem Träger 45 getan werden.
30 zeigt im Querschnitt einen Teil eines fraktionierenden Systems zum Sortieren von Partikeln nach Größe, das eine Anzahl an Filtrationsmembranen aufweist. In einem Substrat 60, in diesem Beispiel einem Siliciumwafer, wird eine Anzahl von gegenseitig verbundenen Kanälen 61, 62 und 63 geschaffen, die über eine Anzahl von Filtrationsmembranen 67, 68 und 69 mit den Abflüssen 64, 65 und 66 verbunden sind. Die Filtrationsmembranen 67, 86 und 69 sind in diesem Beispiel aus Siliciumnitrid und weisen Porengrößen von 0,5 μm, 1,5 μm bzw. 5 μm auf. Mittels des Eingangskanals 70 wird eine Suspension aus Partikeln mit unterschiedlichen Größen zu dem Eingang von Kanal 61 eingelassen. Aus dieser Suspension heraus dringen Partikel mit einer Größe von weniger als 0,5 μm durch die Filtrationsmembran 67 zum Abfluss 64 hindurch. Das Ende des Kanals 61 wird mit dem Eingang des Kanals 62 verbunden. Durch den Kanal 62 dringen Partikel mit einer Größe zwischen 0,5 μm und 1,0 μm zum Abfluss 66 durch die Filtrationsmembran 69 hindurch. Der Rest mit Partikeln größer als 1,5 μm fließt über das Ende des Kanals 63 zum Abfluss 71. In diesem Beispiel sind die Kanäle 61, 62 und 63 im Siliciumsubstrat 60 mit einer Tiefe von 50 μm trocken geätzt. Die Breite der Filtrationsmembranen 67, 68 und 69 beträgt 500 μm und die Länge beträgt 5 cm. Mit diesen Abmessungen ist eine gute Trennung von Partikeln in Bezug auf ihre Größe in einer "Querströmungs"-Konfiguration möglich.
31 bis 34 zeigen im Querschnitt aufeinander folgende Stadien eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Membranfilters mit ultrafeinen Poren. 31 zeigt ein Membranfilter mit einem Träger 80 aus monokristallinem Silicium und einer Membranschicht 82 aus Siliciumnitrid mit einer Dicke von 1 μm, in dem parallele Rillen mit einer Tiefe von 1 μm und einer Länge von 10 μm entsprechend den oben genannten Techniken geätzt worden sind. Eine Opferschicht 83 aus Siliciumdioxid wird gleichmäßig mit einer gleichmäßigen Dicke von 20 nm mittels Gasphasenabscheidung aus Tetrathoxysilan bei erhöhter Temperatur gewachsen. Senkrecht zu den Rillen wird ein Linienmuster (nicht in den Figuren gezeigt) in die Opferschicht 83 mit einer Tiefe von 20 nm, einer Breite von 1 μm, einer Länge von 1000 μm und einem Abstand von 10 μm mit Standard-Lithographietechniken unter Verwendung einer gepufferten HF-Lösung als selektivem Ätzmittel geätzt. Über die Opferschicht 83 und in die Rillen wird eine Rillenfüllschicht 84 mit einer Dicke von 2 μm aufgebracht, 32. Die Rillenfüllschicht 84 wird danach durch Polieren oder Ätzen geebnet, derart, dass die Rillen mit Rillenfüllmaterial zumindest teilweise gefüllt bleiben, 33, und das Rillenfüllmaterial 84 ist zumindest teilweise unmittelbar mit der Membranschicht 82 in der Nähe der Linienmuster verbunden. Anschließend wird die Opferschicht 83 mittels der gepufferten HF-Lösung entfernt, so dass kanalförmige Poren 85 mit einer Breite von 20 nm, einer Tiefe von 1 μm und einer seitlichen Länge von 10 μm geschaffen werden, 34. Öffnungen werden unter Verwendung von KOH als Ätzmittel und der gemusterten Siliciumnitridschicht 81 als Ätzmaske in den Träger 80 geätzt. Mit diesem Prozess ist es möglich, sehr kleine Poren ohne Ausrichtung der Maske für die parallelen Rillen und der Maske für die Linienmuster zu schaffen.
Aus dem Obenstehenden ergibt es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die erwähnten Beispiele beschränkt ist, sondern dass für den Fachmann viele Abwandlungen der Erfindung möglich sind. Beispielsweise kann das Material der Membranschicht oder des Trägers anorganisch, glasähnlich, eine keramische Matrixzusammensetzung, keramisch, polymerisch, ein Halbleiter, ein Metall oder eine Legierung usw. sein. Viele Materialien können unter Verwendung von nassen oder trockenen Ätzmitteln isotrop geätzt werden, oder anisotrop mittels reaktiver Ionen unter Verwendung von Gasen auf der Basis von Sauerstoff, Chlor oder Fluor für anorganische Materialien und hauptsächlich Sauerstoff für polymerische Materialien. Eine Zwischenschicht zwischen der Membranschicht und dem Träger kann als selektive Ätzsperrschicht verwendet werden, beispielsweise Chrom, Aluminium, einige Edelmetalle usw. für reaktives Ionenätzen auf der Basis von Fluorgasen. Eine Zwischenschicht kann auch angewendet werden, um die Verbindungsstärke und die Temperaturbeständigkeit zwischen dem Träger und der Membranschicht zu erhöhen, beispielsweise Borax, Diphosphorpentoxid, Titan, Tantal, usw. Sehr glatte Träger mit einer Oberflächenrauhigkeit von weniger als 100 nm, insbesondere weniger als 50 nm, können beispielsweise mit KOH-Ätzen von monokristallinem Silicium erhalten werden. Sehr glatte Perforationen mit einer Oberflächenrauhigkeit von weniger als 100 nm, insbesondere weniger als 10 nm, können mit kontrollierten Trockenätztechniken erhalten werden. Falls die Öffnungen des Trägers einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, können relativ starke Membranschichten mit einer kleinen intrinsischen Spannung im Vergleich zu rechteckigen Querschnitten erhalten werden. Das Muster in der Membranschicht ist nicht auf die Verwendung einer Maske beschränkt, und die Gleichmäßigkeit des Musters kann auch mittels eines Interferenzmusters oder mittels eines modulierten Laserstrahls erhalten werden. Die Erfindung ist ebenfalls nicht auf die Verwendung von optischer Lithographie beschränkt, und andere Lithographietechniken mit feiner Auflösung (im Submikrometerbereich), wie Elektronenstrahl- und Röntgenstrahl-Techniken sind ebenfalls geeignet. In dem Herstellungsprozess der Membrane können andere Prozesstechniken verwendet werden, wobei jedoch die Verwendung einer "Dünnschicht"-Technologie essentiell ist. Die Verwendung von epitaktisch gewachsenen dünnen Schichten hat den Vorteil, dass die Ätzung entlang bevorzugter Kristallebenen in sehr wohldefinierten sich positiv verjüngenden Perforationen bei einer gegebenen gleichförmigen Dicke der dünnen Membranschicht resultieren, beispielsweise in Perforationen mit einer positiven Verjüngung entlang der <111>-Ebenen in einer <100>-monokristallinen Siliciumschicht. Eine andere Reihenfolge von Prozessschritten kann gewählt werden, beispielsweise können Öffnungen in dem Träger bereits erzeugt werden, bevor Perforationen in der Dünnschicht gebildet werden. Eine noch dichte Membranschicht kann auch zuerst mit einer sehr dünnen Ultrafiltrations- oder einer Gastrennungsschicht auf einer Seite versehen werden, bevor über die andere Seite Perforationen in die Membranschicht unter Verwendung einer Ätzsperrschicht an der Ultrafiltrations- oder Gastrennungsschicht geätzt werden. Eine Ultrafiltrations- oder eine Gastrennungsschicht aus porösem Silicium kann auch unter Verwendung eines lokalen elektrolytischen anodischen Ätzens einer Siliciumschicht in situ erhalten werden. Eine Gastrennungsschicht kann auch mittels Innenbombardierungen bei hohen Energien in Verbindung mit einer "Spurätz"(track etching)-Technik mikroporös gemacht werden.
Die Erfindung ist auch nicht auf einen Träger mit nur einer Membranschicht beschränkt, und es sind ausgeklügeltere Membranschichtmuster oder sogar eine Vielfalt an akkumulierten Membranschichten möglich. Der Träger kann mit mehr als einer Membranschicht versehen werden, die beispielsweise durch Verwendung zumindest einer "Opfer"-Schicht gebildet werden. Im Fall, dass der Abstand zweier Membranschichten mit nicht überlappenden Perforationen (in Draufsicht) geringer gewählt ist als der Durchmesser der Perforationen in diesen Schichten, ist die effektive Porengröße dann hauptsächlich durch diesen Abstand bestimmt. Dieser Abstand kann durch die Dicke einer "Opfer"-Schicht zwischen den beiden Membranschichten wohldefiniert sein. Die Erfindung betrifft ebenso eine Membran mit einer einzigen Membranschicht ohne einen Träger. Ein Träger, beispielsweise ein doppelseitig polierter Siliciumwafer, kann ebenso auf beiden Seiten mit einer erfindungsgemäßen Membranschicht versehen sein, wobei beide Membranschichten beispielsweise eine unterschiedliche Porengröße aufweisen. Die Membranschicht mit der größten Porengröße kann dann als Vorfilter verwendet werden. Eine Mikrofiltrationsmembran mit einer oder zwei Membranschichten kann auch als Mischer zum Mischen von Flüssigkeiten oder Gasen verwendet werden. Eine Mikrofiltrationsmembran mit zwei elektrisch leitfähigen Membranschichten, die gegenseitig elektrisch isoliert sind, oder eine elektrisch isolierende Membranschicht mit einer elektrisch leitenden Schicht auf beiden Seiten kann auch als elektro-hydrodynamische oder magnetodynamische Pumpe (EHD-Pumpe) verwendet werden. Die gleiche Membranschicht, die auch mit elektrisch geladenen Perforationen mit einen Ionoporenmaterial versehen ist, kann zur durch elektrisches Feld verstärkten Elektrodialyse zur Entfernung von kleinen Ionen aus Blut oder Salzwasser verwendet werden. Eine EHD-Pumpe kann auch dazu verwendet werden, einen pulsierenden Fluss zu erzeugen, und ist insbesondere als Antifoulingmittel der Membran nützlich. Die Membran kann als Leukozytenfilter verwendet werden, um Leukozyten von Erythrozyten und/oder Blutplättchen zu trennen, oder in einem breiteren Sinne als biomedizinischer Trennfilter in einem Filtrationssystem, beispielsweise als Filter zur sterilen Filtration oder als Filter für die Extraktion von Blutplasma aus dem Vollblut, insbesondere in einer Querströmungskonfiguration. Die Membran kann auch als Trennungsfilter, beispielsweise zum Abtasten (Screenen) von Blutzellen, oder in einem Sensor- oder Aktuatorsystem verwendet werden. Dies ergibt einen deutlichen Vorteil für Mikrosensoren und Aktuatoren, die (sowie die erfindungsgemäßen Proliferationsmembranen) mittels Dünnschichttechnologie hergestellt werden.
Eine erfindungsgemäße Mikrofiltrationsmembran, die eine Ultrafiltrationsschicht aufweist, kann auch als "umgekehrte Osmose"(Reverse Osmosis)-Filter angewandt werden, beispielsweise für das Entsalzen von Salzwasser. Eine erfindungsgemäße Mikrofiltrationsmembran mit einer Gastrennungs-Zeolithschicht kann auch als Katalysator, beispielsweise durch Verwendung von Platin oder Palladiumatomen in den Mikroporen des Zeoliths, beispielsweise durch den Austausch von Kationen vom Zeolith mit einem Pt- oder Pd-Komplexion, beispielsweise Pd(NH₃)₄ ²⁺ gefolgt von einer Reduktion der Pd- oder Pt-Ionen zu Atomen verwendet werden. Eine Mikrofiltrationsmembran gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer siliciumreichen Zeolithschicht kann als sehr dünne H⁺-Ionenaustauschvorrichtung in einer Brennstoffzelle angewandt werden. Die Zeolithschicht kann auch mittels Gasphasenabscheidung oder kathodenzerstäubend aufgebracht werden.
Eine Mikrofiltrationsmembran für ökonomische Anwendungen kann mit einem Metall- oder einem synthetischen Träger mit großen Öffnungen von beispielsweise größer als 100 μm ausgestaltet werden. Der Träger trägt eine sehr dünne synthetische Folie, beispielsweise eine Polyimidschicht mit einer Dicke von wenigen Mikrons oder weniger. In der Polyimidfolie können Perforationen mittels eines Ätzprozesses mit einer Maske erzeugt werden, beispielsweise einem Ätzprozess mit reaktiven Ionen unter Verwendung einer Schattenmaske. Als Substrat für eine erfindungsgemäße Mikrofiltrationsmembran kann ein perforierter Träger mit einer dünnen und dichten (Membran-)Schicht verwendet werden, beispielsweise ein Substrat, das unter Verwendung einer LIGA (Lithographische Galvano-Abformung)-Technik gefertigt worden ist.
Eine Form, die unter Verwendung einer Siliciummikrobearbeitung für das Einprägen eines Musters in einer Musterbildungsschicht bearbeitet wurde, kann auch für ein unmittelbares Perforieren einer sehr dünnen Membranfolie verwendet werden, oder sie kann als Form zum Spritzgießen einer sehr dünnen Filtrationsmembran verwendet werden. Eine Form, die an der Oberseite der Nadeln mit einer dünnen Platte bedeckt ist, kann ebenso als Mikrofiltrationsvorrichtung verwendet werden, wobei die effektive Porengröße durch den Abstand zwischen den Nadeln bestimmt wird.
Erfindungsgemäße perforierte Membrane können auch als optisches Filter oder als Extrudiervorrichtung für die Herstellung sehr dünner Fasern, Latexdispersionen, zweischichtige Lipid-Liposomen usw. verwendet werden.
Kleine Module mit zumindest einer erfindungsgemäßen Filtrationsmembran sind sehr gut für Mikroanalysesysteme und "Mikroflüssigkeitshandhabungsvorrichtungen" geeignet, die ebenso mittels "Siliciummikrobearbeitung" bearbeitet werden.
Das Muster in der Hilfsmusterbildung kann beispielsweise alternativ unter Verwendung von Partikeln mit einer gleichförmigen Größe gebildet werden, beispielsweise einer Silica-Dispersion oder einer Latex-Suspension mit Partikelgrößen im Bereich von 5 nm bis 5 μm. Dispersionen mit großen Partikeln (> 100 nm) können der Musterbildungsschicht zugefügt werden. Eine mehr oder weniger geordnete Verteilung von Partikeln wird dann in der Musterbildungsschicht auf dem Träger gefunden. Wenn nasse oder trockene Ätzprozesse mit einer höheren Ätzrate für die Partikel als im Vergleich zu der Musterbildung selbst verwendet werden, werden in der Musterbildungsschicht und anschließend in der Membranschicht Perforationen am Ort der Partikel geätzt.
"Flüssigkristall"-Suspensionen können auch für diesen Zweck verwendet werden. Dispersionen mit kleinen oder großen Partikeln können auch unmittelbar auf einem Substrat unter Verwendung von Lackschleudern oder einer Verdampfungstechnik gebildet werden. Nach Verdampfung des Lösungsmittels der Dispersion kann eine sehr dünne Metallschicht, beispielsweise eine 10-nm-Chromschicht, beispielsweise mittels Gasphasenabscheidung, auf dem Substrat und auf der Oberseite der Partikel, beispielsweise Silica-Partikeln mit einem Durchmesser von 30 nm, aufgebracht werden. Die Silica-Partikel werden dann in einer gepufferten HF-Lösung gelöst, und eine perforierte Chromschicht verbleibt mit Perforationen von etwa 20–30 nm Durchmesser in Abhängigkeit von den Bedingungen der Chromabscheidung (Korrektur des Schatteneffekts der Abscheidung). Die Chromschicht kann als Membranschicht oder alternativ als Maskenschicht zum Trockenätzen einer Membranschicht unter der Chromschicht verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Membranfilters, bei dem eine Membranschicht einer Membran mit Perforationen mit einer Größe zwischen 5 Nanometer und 5 Mikrometer mit Hilfe eines Lithografieverfahrens unter Verwendung einer gemusterten Hilfsschicht versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke zwischen 20 Nanometer und 5 Mikrometer auf einen Trägerkörper aufgebracht wird, dass die Perforationen in die Membranschicht mit Hilfe des Lithografieverfahrens geätzt werden, und dass lokal zumindest ein Fenster in den Trägerkörper selektiv bezüglich der Membranschicht durch die Dicke des Trägerkörpers hindurch geätzt wird, um die Membran von einer entgegengesetzten Seite des Trägerkörpers her freizulegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper Silicium aufweist, und dass die Membranschicht Siliciumnitrid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht eine Porendichte von über 1 Million pro Quadratzentimeter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (15) innerhalb des zumindest einen Fensters nur in einem Abstand von seiner Begrenzung und in einem Abstand von seiner Mitte vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster in dem Trägerkörper einen Querschnitt aufweist, der das 10- bis 1000-fache der Porengröße der Poren in der Membranschicht beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (15) in der Membranschicht (16) mit einer relativ scharfen, wohl definierten Porengrößenverteilung innerhalb einer Standardabweichung von weniger als 3 %, insbesondere weniger als 1 % geätzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (11) zumindest teilweise aus einem monokristallinen Siliciumwafer gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht zwischen der Membranschicht (12, 16) und dem Trägerkörper (11) aufgebracht wird, wobei die Zwischenschicht für eine Anbindungsverstärkung und/oder eine Entspannung sorgt und beispielsweise Borax, Chrom, Nickel, Tantal, Aluminium, Siliciumoxid oder Phosphorpentoxid aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gastrennschicht (42) bzw. eine Ultrafiltrierschicht in oder über den Poren der Membranschicht (41) vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrenn- oder Ultrafiltrierschicht (42) eine Dicke unter 200 Nanometer aufweist und beispielsweise poröses Silicium aufweist.