ALD in fluidischen Systemen

Die gleichmäßige Innenbeschichtung von fluidischen Systemen mit nanometerdicken Schichten stellt eine besondere Herausforderung dar. Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IST ist es, mittels Atomlagenabscheidung bei Atmosphärendruck atomar kompakte Schichten homogen in komplexen fluidischen Systemen auch bei niedrigen Temperaturen abzuscheiden.

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Tuberkulosetest

Tuberkulose (TB) ist auch heutzutage noch eine der am häufigsten tödlich verlaufenden Infektionskrankheiten weltweit. Das Fraunhofer ISTentwickelt einen Test, mit dem die Krankheit nicht nur frühzeitig und zuverlässig, sondern auch ohne hohen Geräte- und Kostenaufwand erkannt werden kann.

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Reduzierung der Migration von Weichmachern aus PVC

Am Fraunhofer IST wird daran gearbeitet, durch Beschichtung sowie Vernetzung des PVC-Kunststoffs die Migration der Weichmacher aus dem Polymer zu reduzieren bzw. komplett zu verhindern.

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Neue Plasmajets für die Silberreinigung

Am Fraunhofer IST wurden stiftähnliche Jetsysteme entwickelt, die mittels dielektrisch behinderter Entladung (DBE) ein schonendes Arbeiten bei niedrigen Temperaturen bis 50 °C und somit auch die Behandlung von temperatursensiblen und fragilen Kulturgütern ermöglichen.

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LabBag®

Humane Stammzellen gelten als Hoffnungsträger in der personalisierten Medizin und sollen zukünftig z. B. in der Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen eingesetzt werden. In einem vom Fraunhofer IST koordinierten Gemeinschaftsprojekt wurde ein geschlossenes oberflächenbasiertes Kultivierungssystem entwickelt.

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Plasmajet

Ein neuer Ansatz zur medizinischen Behandlung von fehlenden Knochenfragmenten ist das Implantieren von 3D-gedruckten und biologisch abbaubaren Polymergerüsten, sogenannten Scaffolds. Am Fraunhofer IST werden dazu während des 3D-Druckvorgangs mit einem Plasmajet Schichten mit geeigneten chemischen Gruppen mittels Atmosphärendruck-PECVD abgeschieden.

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Atomlagenabscheidung in fluidischen Systemen

Kompakte Al2O3-Schicht in einem PVC-Schlauch nach 250 Zyklen.
© Fraunhofer IST

Kompakte Al2O3-Schicht in einem PVC-Schlauch nach 250 Zyklen.

Bruchkante einer 50 nm dicken Al2O3-Schicht auf Silizium, hergestellt nach 500 Zyklen.
© Fraunhofer IST

Bruchkante einer 50 nm dicken Al2O3-Schicht auf Silizium, hergestellt nach 500 Zyklen.

Die gleichmäßige Innenbeschichtung von fluidischen Systemen mit nanometerdicken Schichten stellt eine besondere Herausforderung dar. Oft limitiert die Diffusion eine gleichmäßige Abscheidung von Schichten bis in die hintersten Ecken der sehr langen und engen Kanäle. Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IST ist es, mittels Atomlagenabscheidung bei Atmosphärendruck atomar kompakte Schichten homogen in komplexen fluidischen Systemen auch bei niedrigen Temperaturen abzuscheiden.

Die Atomlagenabscheidung (ALD)

Die Atomlagenabscheidung (ALD, Atomic Layer Deposition) ist ein chemischer Gasphasenprozess. Die Merkmale des Prozesses sind zwei aufeinanderfolgende sich selbst begrenzende Oberflächenreaktionen, sodass extrem dünne und defektarme Schichten abgeschieden werden können. Es werden üblicherweise zwei Gase verwendet, die getrennt durch eine Inertgasspülung abwechselnd über die Oberfläche geleitet werden.

Für die Untersuchungen am Fraunhofer IST wurde als Schichtbildner Trimethylaluminium (TMA) verwendet, das beim Überströmen der Oberflächen als Atomlage abgeschieden wird. Überschüssiges TMA wird in einem nachfolgenden Spülschritt entfernt. Mittels wasserdampfhaltigem Inertgas kann die TMA-Schicht anschließend oxidiert werden, sodass sich Aluminiumoxid Al2O3 bildet. In einem darauffolgenden weiteren Spülschritt wird der überschüssige Wasserdampf entfernt. Optional beginnt der Prozess nun wieder von vorn und es kann eine weitere Monolage TMA auf der Oberfläche abgeschieden werden. Auf diese Weise lassen sich durch zyklisches Beschichten und nachfolgendes Oxidieren mit Wasserdampf kompakte, homogene Schichten abscheiden. Bei Standardprozessen wird der Gasaustausch durch die Evakuierung der Prozesskammer und Temperaturen von mehr als 100 °C unterstützt.

ALD bei Atmosphärendruck

Bei herkömmlichen ALD-Prozessen im Vakuum limitiert die Diffusion durch die Kanalöffnungen in fluidischen Systemen die Schichtabscheidung. Darüber hinaus werden für die Beschichtung von Kunststoff hinreichend niedrige Prozesstemperaturen von weniger als 100 °C benötigt. Am Fraunhofer IST werden daher ALD-Prozesse entwickelt, die sich für fluidische Systeme mit langen Kanälen aus Kunststoff eignen.

Für die Untersuchungen des Fraunhofer IST wurden PVC-Schläuche mit 4 mm Durchmesser direkt mit den zuvor genannten Reaktivgasen durchströmt und mit Inertgas gespült. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen erlaubt einen schnellen Wechsel zwischen den reaktiven Gasgemischen, sodass die Zykluszeit auf 120 s reduziert werden konnte. Selbst bei einer Prozesstemperatur von 50 °C konnten geschlossene Schichten in den Schläuchen abgeschieden werden. Versuche mit einem kleinen Reaktor zeigten, dass sich bei gleichen Parametern sogar auf Silizium kompakte Schichten abscheiden lassen.

Ausblick

Die homogene, nanometerdicke Innenbeschichtung von fluidischen Kunststoffsystemen ist auch für die Abscheidung von Diffusionsbarrieren von Interesse, da die Oberflächenkontur aufgrund der geringen Schichtdicken erhalten bleibt. Darüber hinaus ergeben sich durch die nahezu beliebigen Längen der zu beschichtenden Kanalsysteme weitere vielfältige Anwendungsmöglichkeiten wie z. B. bei der Innenbeschichtung von Wärmetauschern oder Kühlsystemen.

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