Foturan

Foturan demonstrator i olika bearbetningssteg (UV-exponering, härdning, etsning, keramisering)

Foturan (beteckning för tillverkaren: FOTURAN) är ett ljuskänsligt glas av SCHOTT Corporation utvecklat 1984. Det är en teknisk glaskeramik som kan struktureras utan fotoresist när den utsätts för kortvågsstrålning som ultraviolett ljus och sedan etsas.

I februari 2016 tillkännagav Schott introduktionen av Foturan II på Photonics West . Foturan II kännetecknas av högre homogenitet av ljuskänsligheten vilket tillåter finare mikrostrukturer.

Sammansättning och egenskaper

Sammansättning
Ingrediens	SiO 2	LiO 2	Al2O3 _ _ _	K 2 O	Na2O _ _	ZnO	B2O3 _ _ _	Sb2O3 _ _ _	Ag 2 O	VD 2
Proportioner (%)	75-85	7-11	3-6	3-6	1-2	0-2	0-1	0,2-1	0,1-0,3	0,01-0,2
Mekaniska egenskaper
Knoop-hårdhet i N/mm 2 (0,1/20)										480
Vickers-Härte i N/mm 2 (0,2/25)										520
Densitet i g/cm 3										2,37
Termiska egenskaper
Koefficient för medellinjär termisk expansion a 20-300 i 10 −6 ·K −1										8,49
Värmeledningsförmåga vid 90 °C i W/mK [										1,28
Transformationstemperatur T g i °C										455
Elektriska egenskaper vid olika frekvenser
Frekvens (GHz)								1.1	1.9	5
Relativ tillåtelse
Glastillstånd (glödgat vid 40 °C/h)								6.4	6.4	6.4
Keramiskt tillstånd (keramiserat vid 560 °C)								5.8	5.9	5.8
Keramiskt tillstånd (keramiserat vid 810 °C)								5.4	5.5	5.4
Dissipationsfaktor tanα(·10 −4 )
Glastillstånd (glödgat vid 40 °C/h)								84	90	109
Keramiskt tillstånd (keramiserat vid 560 °C)								58	65	79
Keramiskt tillstånd (keramiserat vid 810 °C)								39	44	55
Kemiska egenskaper
Hydrolytiskt motstånd enl. enligt DIN ISO 719 i µgNa 2 O/g (klass)									578 (HGB 4)
Syrabeständighet enl. enligt DIN 12116 i mg/dm 2 (klass)									0,48 (S1)
Alkaliresistens enl. enligt DIN ISO 695 i mg/dm 2 (klass)									100 (A2)
Optiska egenskaper
Brytningsindex
Våglängd (nm), λ=						300	486,1 (n F )	546.1 (n e )	567,6 (n d )	656,3 (n C )
Glastillstånd (glödgat vid 40 °C/h)						1,549	1,518	1,515	1,512	1,510
Keramiskt tillstånd (keramiserat vid 560 °C)						n/a	1,519	1,515	1,513	1,511
Keramiskt tillstånd (keramiserat vid 810 °C)						n/a	1,532	1,528	1,526	1,523
Spektral transmittans
τ(λ)						t 250	t 270	t 280	t 295	t 350
in (%, 1 mm)						0,1	3	11	29	89

Foturan är ett litiumaluminiumsilikatglassystem dopat med små mängder silveroxider och ceriumoxider .

Bearbetning

Foturan kan struktureras via UV -exponering, härdning och etsning : Kristallkärnbildning växer i Foturan när den utsätts för UV och värmebehandlas efteråt. De kristalliserade områdena reagerar mycket snabbare på fluorvätesyra än det omgivande glasaktiga materialet, vilket resulterar i mycket fina mikrostrukturer , snäv tolerans och högt bildförhållande .

Exponering

Om Foturan exponeras för ljus i det ultravioletta området med en våglängd på 320 nm (eventuellt via fotomask , kontaktlitografi eller närhetslitografi för att exponera vissa mönster), startas en kemisk reaktion i de exponerade områdena: Den som innehåller Ce ³⁺ omvandlas till Ce ⁴⁺ och frigör en elektron.

${\displaystyle \mathrm {Ce^{3+}+h\nu (312\ \mathrm {nm} )\longrightarrow Ce^$

Härdning

⁰ Under kärnbildningstempereringen (~ 500 °C) kommer Silverjon Ag ⁺ att överföras till Ag genom att avlägsna elektronen som frigörs från Ce3 ⁺ .

$\mathrm {Ag^{+}+e^{-}+\Delta H\longrightarrow Ag^{0}}$

Detta aktiverar agglomerationen av atomärt silver för att bilda silverkluster i nanometerskala

$\mathrm {xAg^{0}+\Delta H\longrightarrow (Ag^{0})x}$

Under den efterföljande kristallisationshärdningen (~560-600 °C) bildas litiummetasilikater (Li ₂ SiO ₃ glaskeramik ) på silverklustrets kärnbildning i de exponerade områdena. Det oexponerade glaset, annars amorft , förblir oförändrat.

Etsning

Efter härdning kan de kristalliserade områdena etsas med fluorvätesyra 20 gånger snabbare än det oexponerade, fortfarande amorfa glaset. Således kan strukturer med ett bildförhållande på ca. 10:1 kan skapas.

Keramisering (valfritt)

Efter etsning är en keramisering av hela substratet möjlig efter en andra UV -exponering och termisk behandling. Den kristallina fasen i detta steg är litiumdisilikat Li ₂ Si ₂ O ₅ .

Produktens egenskaper

• Liten strukturstorlek: Strukturstorlekar på ~ 25 μm är möjliga
• Högt bildförhållande: Etsningsförhållande på > 20:1 gör bildförhållande på > 10:1 och en väggvinkel på ~ 1-2° möjlig
• Hög optisk transmission i synligt och icke-synligt spektrum: Mer än 90 % transmission (substrattjocklek 1 mm) mellan 350 nm och 2 700 nm
• Hög temperaturbeständighet: Tg > 450°C
• Porfri: Lämplig för bioteknik / mikrofluidikapplikationer
• Låg självfluorescens
• Hydrolytisk beständighet (enligt DIN ISO 719): HGB 4
• Syrabeständighet (enligt DIN 12116): S 1
• Alkalibeständighet (enligt DIN ISO 695): A 2

Foturan i det vetenskapliga samfundet

Foturan är ett allmänt känt material inom materialvetenskapen . Den 30 oktober 2015 Google Scholar mer än 1 000 resultat av Foturan i vetenskaplig litteratur inom en rad publiceringsformat och discipliner.

Många av dem handlar om ämnen som t.ex

• Mikrobearbetning Foturan
• 3D / laser direktskrivning i Foturan
• Använder Foturan för optiska vågledare
• Använder Foturan för volymgaller
• Bearbetar Foturan via excimer / femtosekundlaser

Ansökningar

Foturan används främst för mikrostrukturapplikationer , där små och komplexa strukturer måste skapas av ett solidt och robust basmaterial. Sammantaget finns det fem huvudområden för vilka Foturan används:

• Mikrofluidik / bioteknik (som lab-on-a-chip eller organ-on-a-chip komponenter, mikroblandare, mikroreaktor , skrivhuvuden , titerplattor , chipelektrofores)
• Halvledare (såsom FED-distanser, förpackningselement eller interposer för IC-komponenter, CMOS eller minnesmoduler )
• Sensorer (som flödes- eller temperatursensorer, gyroskop eller accelerometrar )
• RF / MEMS (som substrat eller förpackningselement för antenner, kondensatorer , filter , duplexer , switchar eller oscillatorer )
• Telekom (som optiska inriktningschips, optiska vågledare eller optiska sammankopplingar)

Genom termisk diffusionsbindning är det möjligt att binda flera Foturan-lager ovanpå varandra för att skapa komplexa 3-dimensionella mikrostrukturer .