-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten auf einem Substrat.
-
Es sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, mit denen Nanodrähte hergestellt werden können. Beispielsweise können Nanodrähte über galvanische Prozesse oder mittels Verfahren, die aus der Dünnschichttechnologie bekannt sind, erhalten werden. Vielen bekannten Verfahren ist gemein, dass diese komplexe Maschinen erfordern und insbesondere deshalb üblicherweise nur in Labors und in Reinräumen eingesetzt werden (können). Insbesondere sind die meisten bekannten Verfahren nicht industrietauglich.
-
Auch haben viele bekannte Vorrichtungen und Verfahren den Nachteil, dass die erhaltenen Nanodrähte stark in ihren Eigenschaften und insbesondere hinsichtlich ihrer Qualität variieren. Regelmäßig unterscheiden sich die Nanodrähte aus verschiedenen Wachstumsvorgängen auch dann zum Teil erheblich, wenn die gleichen oder dieselben Maschinen, Ausgangsmaterialien und/oder Rezepturen verwendet werden. Oft hängt die Qualität von Nanodrähten insbesondere von dem Können des Nutzers einer entsprechenden Vorrichtung bzw. des Anwenders eines entsprechenden Verfahrens, von Umwelteinflüssen und/oder auch schlicht vom Zufall ab. Erschwert wird all dies dadurch, dass es sich bei Nanodrähten um Strukturen handelt, die teilweise auch mit einem Lichtmikroskop nicht zu visualisieren sind. Daher können aufwendige Untersuchungen notwendig sein, um die beschriebenen Eigenschaften (und insbesondere die Schwankungen in diesen) überhaupt feststellen zu können.
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzustellen, mit denen eine Vielzahl von Nanodrähten mit besonders gleichbleibender Qualität hergestellt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
-
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten auf einem Substrat vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Substrathalter und eine Aufnahme für den Substrathalter, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Vielzahl von Nanodrähten auf dem Substrat zu wachsen, wenn der Substrathalter mit dem Substrat in der Aufnahme aufgenommen ist, wobei der Substrathalter eine Elektronik aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das Wachstum der Nanodrähte zu beeinflussen.
-
Mit der beschriebenen Vorrichtung können Nanodrähte hergestellt werden. Unter einem Nanodraht (engt. „nanowire") wird hier jeder materielle Körper verstanden, der eine drahtähnliche Form und eine Größe im Bereich von wenigen Nanometern bis zu wenigen Mikrometern hat. Ein Nanodraht kann z.B. eine kreisförmige, ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen. Insbesondere kann ein Nanodraht eine hexagonale Grundfläche aufweisen.
-
Bevorzugt weisen die Nanodrähte eine Länge im Bereich von 100 nm [Nanometer] bis 100 µm [Mikrometer], insbesondere im Bereich von 500 nm bis 60 µm auf. Weiterhin weisen die Nanodrähte bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 10 µm, insbesondere im Bereich von 30 nm bis 2 µm auf. Dabei bezieht sich der Begriff Durchmesser auf eine kreisförmige Grundfläche, wobei bei einer davon abweichenden Grundfläche eine vergleichbare Definition eines Durchmessers heranzuziehen ist. Es ist besonders bevorzugt, dass alle verwendeten Nanodrähte die gleiche Länge und den gleichen Durchmesser aufweisen.
-
Die beschriebene Vorrichtung ist für verschiedenste Materialien der Nanodrähte anwendbar. Als Material der Nanodrähte bevorzugt sind elektrisch leitende Materialien, insbesondere Metalle wie Kupfer, Silber, Gold, Nickel, Zinn und Platin. Aber auch nichtleitende Materialien wie Metalloxide sind bevorzugt. Vorzugsweise sind alle Nanodrähte aus dem gleichen Material gebildet.
-
Die Nanodrähte können mit der Vorrichtung auf die Oberfläche des Substrats gewachsen werden. Die Oberfläche des Substrats ist vorzugsweise elektrisch leitend ausgeführt. Sofern die Oberfläche Teil eines ansonsten nicht elektrisch leitenden Substrats ist, kann die elektrische Leitfähigkeit z. B. durch eine Metallisierung erreicht werden. So kann z. B. ein nicht elektrisch leitendes Substrat mit einer dünnen Schicht Metall überzogen werden. Durch die Metallisierung kann insbesondere eine Elektrodenschicht erzeugt werden. Je nach Material der Oberfläche des Substrats und/oder der Elektrodenschicht kann es sinnvoll sein, eine Haftschicht zwischen der Oberfläche des Substrats und der Elektrodenschicht vorzusehen, die eine Haftung zwischen der Oberfläche und der Elektrodenschicht vermittelt.
-
Durch die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche des Substrats kann diese als Elektrode für das galvanische Wachstum der Nanodrähte genutzt werden. Das Substrat kann insbesondere ein Siliziumsubstrat sein. Das Substrat kann insbesondere ein Körper sein, der mit elektrisch leitenden Strukturen versehen ist. Das kann insbesondere ein Siliziumchip oder ein sogenanntes printed circuit board (PCB) sein.
-
Mit der beschriebenen Vorrichtung können die Nanodrähte galvanisch in Poren einer Folie auf die Oberfläche des Substrats gewachsen werden. Dazu wird ein Elektrolyt verwendet. Die Nanodrähte können mit besonders gleichmäßiger Qualität bereitgestellt werden, wenn die Folie während des Wachstums dicht an der Oberfläche des Substrats anliegt und der Elektrolyt gleichmäßig über die Folie verteilt wird. Das kann dadurch erreicht werden, dass ein für den Elektrolyten durchlässiges elastisches Element wie ein Schwamm an der Folie anliegt. Durch das elastische Element kann ein Elektrolyt an die Folie abgegeben werden und kann die Folie an der Oberfläche des Substrats gehalten werden.
-
Die Folie wird vorzugsweise vor Beginn des Wachstums der Nanodrähte auf die zu bewachsende Oberfläche des Substrats aufgelegt. Die Folie ist vorzugsweise mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem Polymermaterial gebildet. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Folie derart mit der Oberfläche verbunden wird, dass die Folie nicht verrutscht. Dies könnte die Qualität der gewachsenen Nanodrähte mindern.
-
Die Folie weist eine Vielzahl von durchgehenden Poren auf, in denen die Nanodrähte gewachsen werden können. Dass die Poren der Folie durchgehend ausgeführt sind, ist vorzugsweise derart realisiert, dass die Poren von einer Oberseite der Folie zu einer Unterseite der Folie durchgehende Kanäle ausbilden. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Poren zylinderförmig ausgeführt sind. Es ist aber auch möglich, dass die Poren als Kanäle mit gekrümmtem Verlauf ausgeführt sind. Eine Pore kann z.B. eine kreisförmige, ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen. Insbesondere kann eine Pore eine hexagonale Grundfläche aufweisen. Vorzugsweise sind die Poren gleichmäßig ausgeführt (d.h. die Poren unterscheiden sich vorzugsweise nicht hinsichtlich der Größe, Form, Anordnung und/oder Abstand zu benachbarten Poren). Werden die Nanodrähte gewachsen, so werden die Poren vorzugsweise (insbesondere vollständig) mit dem galvanisch abgeschiedenen Material gefüllt. Dadurch erhalten die Nanodrähte die Größe, Form und Anordnung der Poren. Durch Wahl der Folie bzw. der Poren darin können also die Eigenschaften der zu wachsenden Nanodrähte festgelegt bzw. beeinflusst werden. Die Folie kann daher auch als „Template“, „Templatefolie“ oder „Schablone“ bezeichnet werden.
-
Die Vorrichtung umfasst einen Substrathalter und eine Aufnahme für den Substrathalter. Das Substrat kann von dem Substrathalter gehalten werden und mit dem Substrathalter in der Aufnahme aufgenommen werden. Ist der Substrathalter mit dem Substrat in der Aufnahme aufgenommen, können die Nanodrähte auf dem Substrat gewachsen werden. Dazu ist der Substrathalter vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Elektrolyt mit der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats in Kontakt gebracht werden kann. Dazu kann der Substrathalter beispielsweise eine Vertiefung aufweisen, in die das Substrat eingelegt werden kann. Der Elektrolyt kann in die Vertiefung eingeleitet werden, so dass die zu bewachsende Oberfläche des Substrats vollständig von dem Elektrolyten überdeckt wird.
-
Die Vorrichtung weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, in dem die Aufnahme ausgebildet ist. Insoweit kann die Vorrichtung als kompakte Maschine betrachtet werden. Das Gehäuse umfasst vorzugsweise eine Kammer, in welcher die Aufnahme angeordnet ist. Der Substrathalter kann in dem Fall in die Kammer eingebracht werden, indem der Substrathalter in die Aufnahme eingeführt wird. Die Kammer ist vorzugsweise verschließbar. Beispielsweise kann die Kammer über eine Öffnung in einer Gehäusewand zugänglich sein, so dass der Substrathalter durch die Öffnung in die Kammer und in die Aufnahme eingeführt werden kann. Die Öffnung kann beispielsweise mit einer Klappe verschließbar sein. Im geschlossenen Zustand ist die Kammer vorzugsweise flüssigkeits- und gasdicht. So kann innerhalb der Kammer eine für das Wachstum der Nanodrähte gewünschte Atmosphäre geschaffen werden. Zudem kann verhindert werden, dass Chemikalien aus der Kammer austreten. Die Kammer kann vorzugsweise verriegelt werden. So kann die Öffnung beispielsweise mit einer Klappe verschlossen werden und die Klappe kann durch eine Verriegelung in ihrer Position gehalten werden. Damit kann ein versehentliches Öffnen der Kammer während eines Wachstumsprozesses verhindert werden. Die Kammer ist vorzugsweise zwischen einer Begrenzung aus einem Material ausgebildet, welches gegenüber den beim Wachstum der Nanodrähte verwendeten Chemikalien resistent ist, beispielsweise Stahl oder Kunststoff.
-
Die Kammer weist vorzugsweise eine jeweilige Zufuhr für mindestens eine Chemikalie auf. So kann beispielsweise der zum Wachstum der Nanodrähte verwendete Elektrolyt bereitgestellt werden. Der Elektrolyt kann über die entsprechende Zufuhr beispielsweise in eine Vertiefung des Substrathalters eingeleitet werden, so dass der Elektrolyt mit dem in der Vertiefung angeordneten Substrat in Kontakt gelangt. Weiterhin kann eine Zufuhr für Wasser vorgesehen sein, insbesondere für deionisiertes Wasser (DI-Wasser). Dieses kann zum Spülen des Substrats nach Abschluss des Wachstums der Nanodrähte eingesetzt werden. So kann verhindert werden, dass mit dem Substrat Reste des Elektrolyten aus der Vorrichtung herausgelangen. Weiterhin weist die Kammer vorzugsweise mindestens einen Auslass auf. So kann beispielsweise ein Auslass vorgesehen sein, über welchen der Elektrolyt nach Abschluss des Wachstums der Nanodrähte aus der Kammer herausgelassen werden kann. Auch kann ein Auslass für das zum Spülen verwendete Wasser vorgesehen sein. Der Elektrolyt und das Wasser können über den gleichen Auslass oder über verschiedene Auslässe aus der Kammer herausgelassen werden.
-
Weiterhin weist die Kammer vorzugsweise eine Belüftungsöffnung auf. Über diese können in der Kammer befindliche Gase aus der Kammer herausgelassen werden. So kann ein Benutzer davor geschützt werden, dass beim Öffnen der Kammer schädliche Gase aus dieser austreten. Die Gase können über die Belüftungsöffnung aus der Kammer abgesaugt und beispielsweise durch Frischluft oder eine inerte Atmosphäre ersetzt werden. Die abgesaugten Gase können beispielsweise gereinigt werden. Weiterhin weist ist in der Kammer vorzugsweise eine Elektrode angeordnet, welche zum Wachstum der Nanodrähte eingerichtet ist. So kann eine elektrische Spannung zwischen der Elektrode und der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats angelegt werden, um die Nanodrähte zu wachsen. Die Elektrode ist vorzugsweise an einem Stempel gehalten. Der Stempel ist vorzugsweise automatisiert beweglich. So kann die Elektrode über den Stempel mit dem Elektrolyten in Kontakt gebracht werden, um die Nanodrähte zu wachsen. Dabei kann ein auf die Folie aufgelegtes elastisches Element wie ein Schwamm mit dem Stempel auf die Folie gedrückt werden. So kann die Folie in ihrer Position gehalten werden. Der Stempel kann weiterhin einen Elektrolytverteiler aufweisen. So kann der Elektrolyt über den Stempel mit der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats zugeführt werden. Der Elektrolytverteiler kann an einer Auslassseite eine Vielzahl von Auslässen aufweisen, so dass der Elektrolyt über den Elektrolytverteiler gleichmäßig der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats zugeführt werden kann. Die Elektrode kann an der Auslassseite des Elektrolytverteilers ausgebildet sein. So können die Auslässe an entsprechende Durchgangsöffnungen in der Elektrode anschließen, so dass der Elektrolyt über die Durchgangsöffnungen durch die Elektrode hindurchtreten kann.
-
Der Substrathalter ist vorzugsweise als eine Schublade ausgebildet. Das bedeutet, dass der Substrathalter in die Aufnahme eingeschoben werden kann, beispielsweise über seitlich in der Aufnahme angeordnete Führungsschienen. Es ist bevorzugt, dass die Schublade vollständig von der übrigen Vorrichtung getrennt werden kann. Alternativ kann ein maximaler Auszug der Schublade begrenzt sein, so dass die Schublade nicht über den maximalen Auszug hinaus bewegt werden kann.
-
Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen Antrieb zum Bewegen des Substrathalters auf. Beispielsweise kann der Substrathalter manuell in eine Einlegposition gebracht werden von dort mit dem Antrieb automatisiert in die Aufnahme eingezogen werden. Nach Abschluss des Wachstums der Nanodrähte kann der Substrathalter automatisiert aus der Aufnahme heraus bewegt werden, insbesondere in eine Entnahmeposition, welche vorzugsweise mit der Einlegeposition identisch ist. Aus der Entnahmeposition kann der Substrathalter manuell entnommen werden. Alternativ kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, den Substrathalter vollständig manuell in die Aufnahme und aus der Aufnahme heraus zu bewegen. Auch ist es denkbar, dass eine Vorrichtung mit Antrieb für den Substrathalter wahlweise mit automatisiert bewegtem Substrathalter oder manuell bewegtem Substrathalter betrieben wird.
-
Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Arretierung zum Arretieren des Substrathalters in der Aufnahme auf. Die Arretierung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Arretierung einen aktiven und einen deaktiven Zustand hat. Die Arretierung kann also ein- und ausgeschaltet werden. Dazu kann beispielsweise ein Elektromagnet vorgesehen sein, der im eingeschalteten Zustand den Substrathalter in der Aufnahme hält. So kann der Substrathalter mit der Arretierung während des Wachstums der Nanodrähte in der Aufnahme gesichert sein. Nach Abschluss des Wachstums der Nanodrähte kann die Arretierung deaktiviert werden und Substrathalter aus der Aufnahme entnommen werden.
-
Die Vorrichtung ist vorzugsweise reinraumkonform ausgebildet. Wird die Vorrichtung in einem Reinraum eingesetzt, können die mit der Vorrichtung gewachsenen Nanodrähte auch nach Entnahme des Substrathalters aus der Aufnahme geschützt werden.
-
Der Substrathalter weist eine Elektronik auf, welche dazu eingerichtet ist, das Wachstum der Nanodrähte zu beeinflussen. Dazu können mit der Elektronik beispielsweise folgende Parameter überwacht werden: Temperatur der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats, Verteilung dieser Temperatur, Füllstand des Elektrolyten, Stromstärke des für das Wachstum der Nanodrähte eingesetzten elektrischen Stroms. Weiterhin kann die Elektronik dazu eingerichtet sein, den Elektrolyten zu identifizieren. So kann beispielsweise darauf reagiert werden, wenn ein anderer als der vorgesehene Elektrolyt erkannt wird. Auch kann die Zusammensetzung des Elektrolyten mit der Elektronik bestimmt werden. Die Elektronik kann zudem dazu eingerichtet sein, zur Überwachung und/oder Steuerung von Prozessabläufen beizutragen.
-
Die Vorrichtung ist vorzugsweise so eingerichtet, dass das Wachstum der Nanodrähte nur dann beginnt, wenn mit der Elektronik erkannt worden ist, dass eine oder mehrere vorgegebene Voraussetzungen erfüllt sind. So kann die Elektronik beispielsweise eine Identifizierung aufweisen, über welche überprüft werden kann, ob der korrekte Substarthalter in die Aufnahme eingesetzt wurde. In der Elektronik kann zudem hinterlegt sein, zu welchem Zeitpunkt Instandhaltungsarbeiten erforderlich sind. Eine der vorgegebenen Voraussetzungen kann es in dem Fall sein, dass derzeit keine Instandhaltungsarbeiten fällig sind.
-
Der Substrathalter weist vorzugsweise eine Heizung auf. Über diese kann eine beim Wachstum der Nanodrähte vorliegende Temperatur beeinflusst werden. So kann die Heizung dazu eingerichtet sein, den Elektrolyten und/oder die zu bewachsende Oberfläche des Substrats zu beheizen. Die Heizung ist vorzugsweise elektrisch ausgebildet. Die Heizung kann über die Elektronik des Substrathalters und/oder extern gesteuert werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist der Substrathalter eine Schnittstelle auf, über welche die Elektronik mit einer Steuerungseinheit der Vorrichtung verbunden ist, wenn der Substrathalter in der Aufnahme aufgenommen ist.
-
Die Schnittstelle kann beispielsweise eine oder mehrere Steckverbindungen umfassen. Die Steckverbindungen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Elektronik des Substrathalters mit der Steuerungseinheit verbunden wird, wenn der Substrathalter in die Aufnahme eingeführt wird. Ein gesonderter Handgriff eines Bedieners, beispielsweise das Verbinden von Kabeln, ist in dem Fall nicht erforderlich.
-
Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, von der Elektronik des Substrathalters ausgegebene Signale zu verarbeiten und/oder Steuersignale an die Elektronik des Substrathalters auszugeben. Die Steuerungseinheit weist vorzugsweise eine Datenbank auf. In dem Fall können Parameter, die von der Elektronik des Substrathalters an die Steuerungseinheit übermittelt worden sind, mit entsprechenden Erwartungswerten verglichen werden. Bei Unstimmigkeiten kann beispielsweise ein Warnsignal ausgegeben werden, der Prozess kann unterbrochen werden und/oder es kann über ein entsprechendes Steuersignal automatisiert eine Korrektur vorgenommen werden. Über ein entsprechendes Steuersignal kann die Heizung des Substrathalters mit der Steuerungseinheit gesteuert werden.
-
Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise in dem Gehäuse angeordnet. Weiterhin weist die Vorrichtung vorzugsweise ein Anzeigemittel und/oder ein Bedienmittel auf, die insbesondere mit der Steuerungseinheit verbunden sind. Das Anzeigemittel und/oder das Bedienmittel sind vorzugsweise derart in oder an dem Gehäuse gehalten, dass sie für einen Benutzer zugänglich sind. Über das Anzeigemittel können dem Benutzer Informationen zum Wachstumsprozess angezeigt werden, über das Bedienmittel kann der Benutzer den Prozess steuern. Das Anzeigemittel und das Bedienmittel können auch als ein Anzeige- und Bedienmittel ausgebildet sein, beispielsweise als Touchscreen.
-
Weist die Vorrichtung eine Arretierung zum Arretieren des Substrathalters in der Aufnahme auf, ist die Steuerungseinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, die Arretierung zu überwachen und/oder zu steuern. Weist die Vorrichtung einen Antrieb zum Bewegen des Substrathalters auf, ist die Steuerungseinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, den Antrieb zu überwachen und/oder zu steuern. Weist die Vorrichtung Kammer auf, welche durch eine mit einer Verriegelung verriegelbaren Klappe verschließbar ist, ist die Steuerungseinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, die Verriegelung zu überwachen und/oder zu steuern. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit erkennen, dass der Substrathalter in die Einlegeposition eingelegt worden ist und in Reaktion darauf über entsprechende Steuersignale veranlassen, dass der Substrathalter automatisiert in die Aufnahme eingezogen wird, dort mit der Arretierung arretiert wird und dass die Öffnung der Kammer mit der Klappe verschlossen und die Klappe verriegelt wird. Während des Wachstums der Nanodrähte kann die Steuerungseinheit überwachen, dass die Arretierung und die Verriegelung unverändert bleiben. Nach Abschluss des Wachstums der Nanodrähte kann die Steuerungseinheit durch entsprechende Steuersignale veranlassen, dass die Verriegelung der Klappe gelöst und die Klappe geöffnet wird und dass die Arretierung gelöst und der Substrathalter in die automatisiert in die Entnahmeposition bewegt wird.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Elektronik des Substrathalters eine Digitalisierungseinheit, welche zur digitalen Kommunikation mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
-
Die von der Elektronik an die Steuerungseinheit ausgegebenen Signale sind in dieser Ausführungsform digitale Signale. Dadurch kann eine besonders störungsarme Kommunikation zwischen der Elektronik und der Steuerungseinheit erreicht werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Elektronik des Substrathalters eine Sensorik.
-
Die Sensorik ist vorzugsweise dazu eingerichtet, mindestens einen Wachstumsparameter zu erfassen. Als Wachstumsparameter kommen insbesondere in Betracht eine Temperatur der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats, eine Verteilung dieser Temperatur, ein Füllstand des Elektrolyten, eine Stromstärke des für das Wachstum der Nanodrähte eingesetzten elektrischen Stroms. Die Sensorik umfasst vorzugsweise einen jeweiligen Sensor für die zu messenden Parameter. Auch kann die Sensorik einen Sensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, den Elektrolyten zu identifizieren. Auch kann die Sensorik einen Sensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine Zusammensetzung des Elektrolyten zu bestimmen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Referenzelektrode, welche mit dem Substrat verbunden ist, wenn der Substrathalter mit dem Substrat in der Aufnahme aufgenommen ist.
-
Mit der Referenzelektrode kann das Wachstum der Nanodrähte überwacht werden. Dazu kann mit der Referenzelektrode die Spannung gemessen werden, die zwischen der Elektrode und der Referenzelektrode anliegt. Die Anordnung kann eine oder mehrere Referenzelektroden umfassen.
-
Die Elektrode ist vorzugsweise über ein erstes Kabel mit der Spannungsquelle verbunden. Die zu bewachsende Oberfläche des Substrats ist vorzugsweise über ein zweites Kabel mit der Spannungsquelle verbunden. Die Referenzelektrode ist vorzugsweise über ein drittes Kabel mit einem Spannungsmessgerät verbunden. Die Oberfläche des Substrats ist vorzugsweise mit einem vierten Kabel mit dem Spannungsmessgerät verbunden. Das zweite Kabel und das vierte Kabel sind vorzugsweise jeweils unmittelbar mit der Oberfläche verbunden. Die Oberfläche des Substrats kann dazu ein jeweiliges Kontaktpads aufweisen, über welches das zweite Kabel und das vierte Kabel mit der Oberfläche des Substrats verbunden sind, beispielsweise mittels eines jeweiligen leitenden Tapes. Die Referenzelektrode ist also nicht bloß dadurch mit der Oberfläche des Substrats verbunden, dass die Referenzelektrode mit einem Abzweig des zweiten Kabels verbunden ist. Es hat sich herausgestellt, dass demgegenüber eine unmittelbare Anbindung der Referenzelektrode an die Oberfläche des Substrats genauere Ergebnisse liefert.
-
Das erste Kabel, das zweite Kabel, das dritte Kabel und das vierte Kabel können jeweils in mehrere Abschnitte unterteilt sein, die beispielsweise über Steckverbindungen miteinander verbunden sind. Das zweite Kabel, das dritte Kabel und/oder das vierte Kabel können jeweils derart in Abschnitte unterteilt sein, dass an einem Rand der Schublade ein jeweiliger Übergang zwischen zwei benachbarten Abschnitten des entsprechenden Kabels angeordnet ist. Die Schublade kann einen entsprechenden Stecker für jedes dieser drei Kabel aufweisen. So können die Oberfläche des Substrats und die Referenzelektrode beim Einschieben der Schublade in die Aufnahme dadurch kontaktiert werden, dass die drei Steckverbindungen ausgebildet werden. Das Spannungsmessgerät und die Spannungsquelle sind vorzugsweise innerhalb des Gehäuses und außerhalb der Aufnahme für die Schublade angeordnet.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist eine zum galvanischen Wachstum der Nanodrähte eingerichtete Elektrode der Vorrichtung eine Mehrzahl von unabhängig steuerbaren Segmenten auf und/oder weist der Substrathalter eine Heizung mit einer Mehrzahl von unabhängig steuerbaren Segmenten auf. Der „und“-Fall ist bevorzugt.
-
Zum galvanischen Wachsen der Nanodrähte wird zwischen der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats und der Elektrode eine elektrische Spannung angelegt. Weist die Elektrode eine Mehrzahl von unabhängig steuerbaren Segmenten auf, ist die Vorrichtung besonders gut dafür geeignet, unterschiedlich große Substrate mit Nanodrähten zu bewachsen. So können je nach Größe und Form des Substrats verschiedene der Segmente der Elektrode verwendet werden. Die elektrische Spannung kann an der Elektrode so lokal begrenzt dort angelegt werden, wo das Substrat der Elektrode gegenüberliegt. Denkbar ist auch, dass mit den verschiedenen Segmenten der Elektrode verschiedene elektrische Spannungen angelegt werden. So kann das Wachstum der Nanodrähte lokal selektiv gesteuert werden. Die Elektrode ist derart in die Segmente unterteilt, dass jedes der Segmente einem jeweiligen Teil der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats gegenüberliegt, wenn der Substrathalter mit dem Substrat in der Aufnahme aufgenommen ist.
-
Weist der Substrathalter eine Heizung mit einer Mehrzahl von unabhängig steuerbaren Segmenten auf, kann eine Temperatur des Substrats lokal selektiv gesteuert werden. Ist das Substrat kleiner als ein maximal von dem Substrathalter aufnehmbares Substrat, kann Energie gespart werden, indem die Heizung nur dort aktiv ist, wo das Substrat vorliegt. Die Heizung ist derart in die Segmente unterteilt, dass jedes der Segmente einem jeweiligen Teil des Substrats gegenüberliegt, wenn der Substrathalter mit dem Substrat in der Aufnahme aufgenommen ist.
-
Die Steuerung der Segmente der Elektrode und/oder Heizung erfolgt vorzugsweise durch die Steuerungseinheit. Beispielsweise kann mit der Sensorik des Substrathalters die Größe und Form des eingelegten Substrats erkannt werden und über ein entsprechendes Signal an die Steuerungseinheit übermittelt werden, welche daraufhin die Elektrode und/oder die Heizung über entsprechende Steuersignale steuert.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Elektronik des Substrathalters dazu eingerichtet, eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom zum Wachstum der Nanodrähte zu regeln.
-
In dieser Ausführungsform kann die Steuerungseinheit eine einzustellende Spannung oder einen einzustellenden Strom vorgeben und beispielsweise über ein entsprechendes Steuersignal an die Elektronik des Substrathalters übermitteln. Die Elektronik des Substrathalters ist dabei dazu eingerichtet, die gewünschte Spannung beziehungsweise den gewünschten Strom einzustellen. Dazu kann die Elektronik die Spannung beziehungsweise den Strom messen und auf den gewünschten Sollwert regeln. Gegenüber einer Regelung über die Steuerungseinheit ist diese Ausgestaltung flexibler. So kann die Vorrichtung besonders leicht mit verschiedenen Substrathaltern verwendet werden, die jeweils eine eigene Regelcharakteristik haben. Die Steuerungseinheit muss die Regelcharakteristik nicht kennen. Stattdessen kann diese in jedem Substrathalter einzeln berücksichtigt werden.
-
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten auf einem Substrat vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
- a) Einlegen des Substrats in einen Substrathalter,
- b) Einführen des Substrathalters in eine Aufnahme für den Substrathalter,
- c) galvanisches Wachsen der Nanodrähte auf dem Substrat,
wobei der Substrathalter eine Elektronik aufweist, welche das Wachstum der Nanodrähte beeinflusst.
-
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale der Vorrichtung sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren eingerichtet. Das Verfahren wird vorzugsweise mit der Vorrichtung durchgeführt.
-
Die Schritte a) bis c) werden vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
-
In Schritt a) wird das Substrat in den Substrathalter eingelegt. Vorzugsweise ist eine Folie auf das Substrat aufgelegt, wenn das Substrat in den Substrathalter eingelegt wird. Alternativ kann die Folie auch auf das Substrat aufgelegt werden, nachdem das Substrat in den Substrathalter eingelegt worden ist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein für den Elektrolyten durchlässiges elastisches Element auf die Folie aufgelegt ist, wenn das Substrat in den Substrathalter eingelegt wird. Alternativ kann das elastische Element auch auf das Substrat aufgelegt werden, nachdem das Substrat in den Substrathalter eingelegt worden ist. Vorzugsweise werden in Schritt a) mit der Elektronik des Substrathalters Angaben zum Substrat erfasst, beispielsweise die Größe, die Form und das Material der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats.
-
In Schritt b) wird der Substrathalter mit dem Substrat in die Aufnahme für den Substrathalter eingeführt. Das kann dadurch erfolgen, dass der Substrathalter manuell in eine Einlegeposition gebracht wird und von dort automatisiert in die Aufnahme eingezogen wird, insbesondere mittels eines Antriebs zum Bewegen des Substrathalters.
-
In Schritt c) werden die Nanodrähte galvanisch gewachsen. Dazu kann ein Elektrolyt mit der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats und einer Elektrode in Kontakt gebracht werden und eine elektrische Spannung zwischen der Oberfläche des Substrats und der Elektrode angelegt werden. Der Prozess wird vorzugsweise über die Steuerungseinheit gesteuert. Die Nanodrähte können in die Poren einer auf das Substrat aufgelegten Folie gewachsen werden.
-
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin
- d) Entnehmen des Substrathalters aus der Aufnahme.
-
Schritt d) wird vorzugsweise nach Abschluss des Wachstums der Nanodrähte gemäß Schritt c) durchgeführt. Dazu kann der Substrathalter beispielsweise automatisiert in eine Entnahmeposition bewegt werden, insbesondere mittels eines Antriebs zum Bewegen des Substrathalters. Aus der Entnahmeposition kann der Substrathalter manuelle entnommen werden. Anschließend kann das Substrat aus dem Substrathalter entnommen werden. Der Substrathalter kann anschließend für einen neuen Wachstumsprozess verwendet werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden vor Schritt a) Wachstumsparameter in der Elektronik des Substrathalters hinterlegt, welche in Schritt c) berücksichtigt werden.
-
In dieser Ausführungsform kann der Substrathalter soweit vorbereitet werden, dass das Wachstum der Nanodrähte vollständig automatisiert abläuft, sobald der Substrathalter manuell in die Einlegeposition eingelegt worden ist. So kann die Steuerungseinheit erkennen, dass ein Substrathalter in die Einlegeposition eingelegt worden ist und veranlassen, dass der Substrathalter automatisiert in die Aufnahme eingezogen wird. Sobald die Verbindung zwischen der Elektronik des Substrathalters und der Steuerungseinheit ausgebildet ist, kann die Steuerungseinheit aus der Elektronik des Substrathalters beispielsweise auslesen, welche Wachstumsparameter für das Wachstum der Nanodrähte vorgesehen sind. Mit diesen Parametern kann das Wachstum der Nanodrähte durchgeführt werden. Anschließend kann der Substrathalter automatisiert in die Entnahmeposition bewegt werden und dort entnommen werden. Ein Bediener muss dabei keine Einstellungen an der Vorrichtung vornehmen. Es genügt, dass der Bediener beim Vorbereiten des Substrathalters die Wachstumsparameter in der Elektronik des Substrathalters hinterlegt. Dazu kann der Substrathalter eine Eingabeeinrichtung aufweisen oder mit einer Eingabeeinrichtung verbunden werden.
-
Als Wachstumsparameter kommen insbesondere in Betracht: eine Wachstumszeit, eine elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom, eine einzustellende Temperatur des Substrats.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt eine Temperatur des Substrats in Schritt c) zwischen 15 °C und 100 °C, vorzugsweise zwischen 30 °C und 90 °C. Die Angaben beziehen sich insbesondere auf die Temperatur der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten auf einem Substrat,
- 2: eine schematische Darstellung eines Teils der Vorrichtung aus 1,
- 3: eine Verschaltung einer Referenzelektrode für die Vorrichtung aus 1 und 2,
- 4: eine Ausgestaltung einer Elektrode für die Vorrichtung aus 1 und 2,
- 5: eine Ausgestaltung einer Heizung für die Vorrichtung aus 1 und 2.
-
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von (in 2 gezeigten) Nanodrähten 2 auf eine Oberfläche 27 eines Substrats 3. Die Vorrichtung 1 umfasst einen als Schublade ausgebildeten Substrathalter 4 und eine in einer Kammer 18 ausgebildete Aufnahme 5 für den Substrathalter 4. Die Aufnahme 5 weist Führungsschienen 25 auf, über welche der Substrathalter 4 in die Aufnahme 5 eingeschoben werden kann und aus der Aufnahme 5 herausgezogen werden kann. Mit einer Arretierung 26 kann der Substrathalter 4 in der Aufnahme 5 arretiert werden.
-
Der Substrathalter 4 ist in der in 1 gezeigten Situation von der Aufnahme 5 aufgenommen. Die Vorrichtung 1 ist dazu eingerichtet, die Vielzahl von Nanodrähten 2 auf dem Substrat 3 zu wachsen, wenn der Substrathalter 4 mit dem Substrat 3 wie gezeigt in der Aufnahme 5 aufgenommen ist. Der Substrathalter 4 weist eine Elektronik 6 auf, welche dazu eingerichtet ist, das Wachstum der Nanodrähte 2 zu beeinflussen. Der Substrathalter 4 weist eine als Steckverbindung ausgebildete Schnittstelle 7 auf, über welche die Elektronik 6 mit einer Steuerungseinheit 8 der Vorrichtung 1 verbunden ist, wenn der Substrathalter 4 wie gezeigt in der Aufnahme 5 aufgenommen ist. Die Steuerungseinheit 8 ist zudem mit einem Touchscreen als Anzeige- und Bedienmittel 23 verbunden. Die Steuerungseinheit 8 ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Fluss und/oder einen Druck des Elektrolyten zu ermitteln.
-
Mit der Vorrichtung 1 kann das folgende Verfahren zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten 2 auf dem Substrat 3 durchgeführt werden:
- a) Einlegen des Substrats 3 in den Substrathalter 4,
- b) Einführen des Substrathalters 4 in die Aufnahme 5 für den Substrathalter 4,
- c) galvanisches Wachsen der Nanodrähte 2 auf dem Substrat 3, wobei eine Temperatur des Substrats 3 zwischen 15 °C und 100 °C liegt.
-
Auf dem Substrat 3 liegt eine (in 1 nicht im Detail zu erkennende) Folie 28 mit (in 2 zu erkennenden) durchgehenden Poren 29 an. An der Folie 28 liegt ein Schwamm als ein elastisches Element 19 an, über welches ein Elektrolyt an die Folie 28 abgegeben werden kann. An dem elastischen Element 19 liegt eine Elektrode 12 an. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Oberfläche 27 des Substrats 3 und der Elektrode 12 können die Nanodrähte 2 gewachsen werden. Die Elektrode 12 ist über einen Stempel 20 gehalten und kann über diesen mittels eine Antriebs 21 bewegt werden.
-
Die Elektronik 6 des Substrathalters 4 beeinflusst das Wachstum der Nanodrähte 2 gemäß Schritt c). Die Elektronik 6 des Substrathalters 4 umfasst eine Digitalisierungseinheit 9, welche zur digitalen Kommunikation mit der Steuerungseinheit 8 verbunden ist. Weiterhin umfasst die Elektronik 6 des Substrathalters 4 eine Sensorik 10, welche in der gezeigten Ausführungsform durch zwei Sensoren gebildet ist. Zudem umfasst die Elektronik 6 des Substrathalters 4 einen Speicher 24. In diesem können beispielsweise Wachstumsparameter hinterlegt werden, welche beim Wachstum der Nanodrähte 2 berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist die Elektronik 6 des Substrathalters 4 dazu eingerichtet, eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom zum Wachstum der Nanodrähte 2 zu regeln. Die Elektronik 6 ist weiterhin an eine Heizung 14 angebunden, mit welcher das Substrat 3 beheizt werden kann.
-
Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 34 auf, innerhalb dessen die Kammer 18 ausgebildet ist. Eine Innenseite 42 der Kammer 18 ist aus einem elektrolytbeständigen Material gebildet. Die Aufnahme 5 für den Substrathalter 4 ist in der Kammer 18 ausgebildet, so dass der Substrathalter 4 von der Kammer 18 aufgenommen werden kann. Die Kammer 18 weist eine Öffnung 17 auf, über welche der Substrathalter 4 in die Kammer 18 eingeführt und aus der Kammer 18 herausbewegt werden kann. Die Öffnung 17 kann über eine Klappe 16 verschlossen werden. Die Klappe 16 kann mit einer Verriegelung 22 verriegelt werden. Die Vorrichtung 1 ist dazu eingerichtet ist, die Vielzahl von Nanodrähten 2 aus dem Elektrolyten auf das Substrat 3 zu wachsen, wenn der Substrathalter 4 mit dem Substrat 3 in der Aufnahme 5 aufgenommen ist.
-
In dem Gehäuse 34 sind weiterhin drei Vorratsbehälter 35 für einen jeweiligen Elektrolyten angeordnet. Einer der Vorratsbehälter 35 ist über einen Anschluss 36 und eine Pumpe 38 an eine Elektrolytleitung 37 angebunden. Über die Elektrolytleitung 37 kann der Elektrolyt in den Substrathalter 4 eingeleitet werden und für das Wachstum der Nanodrähte 2 eingesetzt werden. Die Pumpe 38 ist dazu eingerichtet, den Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter 35 in die Kammer 18 zu pumpen. Die Pumpe 38 ist mittels eines Dämpfers 40 gedämpft an einem Träger 39 gehalten, der über einen weiteren Dämpfer 40 gedämpft in dem Gehäuse 34 gehalten ist. Der Anschluss 36 weist einen (nicht näher dargestellten) Sensor auf, mit dem über die Steuerungseinheit 8 der Vorratsbehälter 35 identifiziert werden kann und mindestens ein dem Vorratsbehälter 35 zugeordneter Parameter ermittelt werden kann. In dem Gehäuse 34 sind weiterhin ein Filter 41 für den Elektrolyten und ein Elektrolytaufbereiter 42 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind der Filter 41 und der Elektrolytaufbereiter 42 in die Elektrolytleitung 37 integriert. Details des Elektrolytaufbereiters 42 sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. So kann der Elektrolytaufbereiter 42 beispielsweise über eine Leitung mit einem Behälter verbunden sein, über welchen dem Elektrolytaufbereiter 42 Substanzen zugeführt werden, die zur Elektrolytaufbereitung genutzt werden können.
-
2 zeigt einen Teil der Vorrichtung 1 aus 1 in schematischer Darstellung. Gezeigt ist das Substrat 3 mit der Oberfläche 27, auf welche die Nanodrähte 2 gewachsen werden sollen. Auf die Oberfläche 27 des Substrats 3 ist eine Folie 28 aufgelegt, welche eine Vielzahl von durchgehenden Poren 29 aufweist, in denen die Nanodrähte 2 aus einem Elektrolyten gewachsen werden können. Die Oberfläche 27 des Substrats 3 weist eine Strukturierungsschicht 31 mit Auslassungen 32 auf. Die Nanodrähte 2 können nur in den Auslassungen 32 gewachsen werden. So kann das Wachstum der Nanodrähte 2 lokal selektiv erfolgen. Weiterhin ist auf die Folie 27 ein für den Elektrolyten durchlässiges elastisches Element 19 aufgelegt. Der Elektrolyt kann über das elastische Element 19 mit der Folie 28 in Kontakt gebracht werden. Zudem ist in 2 eine (in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigte) Spannungsquelle 30 gezeigt, welche zum Anlegen einer elektrischen Spannung für das Wachstum der Nanodrähte 2 mit einer Elektrode 12 und der Oberfläche 27 des Substrats 3 verbunden ist. Die Elektrode 12 kann mit einem Stempel 20 an das elastische Element 19 gedrückt werden.
-
3 zeigt weitere Elemente der Vorrichtung 1 aus 1 und 2, welche der Übersichtlichkeit halber in 1 und 2 nicht gezeigt sind. So ist neben der Spannungsquelle 30, der Elektrode 12 und dem Substrat 3 mit der Oberfläche 27 weiterhin eine Referenzelektrode 11 gezeigt. Die Referenzelektrode 11 ist über ein Spannungsmessgerät 33 mit der Oberfläche 27 des Substrats 3 verbunden. Die Spannungsquelle 30 und die Referenzelektrode 11 sind unabhängig voneinander an die Oberfläche 27 des Substrats 3 angebunden.
-
4 zeigt eine Ausgestaltung einer Elektrode 12 für die Vorrichtung 1 aus 1 und 2. Die Elektrode 12 weist eine Mehrzahl von unabhängig steuerbaren Segmenten 13 auf. Die Elektrode 12 ist in einer Draufsicht gezeigt. Die zu bewachsende Oberfläche 27 des Substrats 3 würde parallel zur Zeichenebene liegen.
-
5 zeigt eine Ausgestaltung einer Heizung 14 für die Vorrichtung 1 aus 1 und 2. Die Heizung 14 weist eine Mehrzahl von unabhängig steuerbaren Segmenten 15 auf. Die Heizung 14 ist in einer Draufsicht gezeigt. Die zu bewachsende Oberfläche 27 des Substrats 3 würde parallel zur Zeichenebene liegen. Eine wie in 5 gezeigte Heizung 14 kann anstelle der einfachen in 1 gezeigten Heizung 14 verwendet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Nanodrähte
- 3
- Substrat
- 4
- Substrathalter
- 5
- Aufnahme
- 6
- Elektronik
- 7
- Schnittstelle
- 8
- Steuerungseinheit
- 9
- Digitalisierungseinheit
- 10
- Sensorik
- 11
- Referenzelektrode
- 12
- Elektrode
- 13
- Segment
- 14
- Heizung
- 15
- Segment
- 16
- Klappe
- 17
- Öffnung
- 18
- Kammer
- 19
- elastisches Element
- 20
- Stempel
- 21
- Antrieb
- 22
- Verriegelung
- 23
- Anzeige- und Bedienmittel
- 24
- Speicher
- 25
- Führungsschiene
- 26
- Arretierung
- 27
- Oberfläche
- 28
- Folie
- 29
- Pore
- 30
- Spannungsquelle
- 31
- Strukturierungsschicht
- 32
- Auslassung
- 33
- Spannungsmessgerät
- 34
- Gehäuse
- 35
- Vorratsbehälter
- 36
- Anschluss
- 37
- Elektrolytleitung
- 38
- Pumpe
- 39
- Träger
- 40
- Dämpfer
- 41
- Filter
- 42
- Innenseite
- 43
- Elektrolytaufbereiter
