DE102021105128A1 - Galvanisches Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten (2) auf einem Substrat (3), umfassend einen Substrathalter (4) und ein Gehäuse (34), in welchem eine Kammer (18), eine Steuerungseinheit (8) und ein Vorratsbehälter (35) für einen Elektrolyten angeordnet sind, wobei die Vorrichtung (1) 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 die Kammer (18) eingesetzt ist.

Description

• 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 auf besonders benutzerfreundliche Weise zuverlässig 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 ein Gehäuse, in welchem eine Kammer, eine Steuerungseinheit und ein Vorratsbehälter für einen Elektrolyten angeordnet sind, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Vielzahl von Nanodrähten aus dem Elektrolyten auf das Substrat zu wachsen, wenn der Substrathalter mit dem Substrat in die Kammer eingesetzt ist.
• Die beschriebene Vorrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Nanodrähte automatisiert zu Wachsen. Die Vorrichtung kann insbesondere für den industriellen Einsatz eingerichtet sein.
• 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. Die Länge der Nanodrähte ist vorzugsweise mit einer Standardabweichung im Bereich von 5 bis 20 % verteilt. Weiterhin weisen die Nanodrähte bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 10 µm, insbesondere im Bereich von 30 nm bis 4 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. Dabei ist Kupfer besonders bevorzugt. 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 des Substrats 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 des Substrats 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. Das Wachstum der Nanodrähte ist allerdings auch auf einer Vielzahl anderer Oberflächen möglich, beispielsweise auf Glas, Keramik und Polymer. Das Substrat kann starr oder flexibel sein. Die Vorrichtung ist vorzugsweise für Substrate geeignet, welche eine Ausdehnung von bis zu 80 cm in jeder Richtung parallel zu der zu bewachsenden Oberfläche haben und/oder welche eine Ausdehnung von 1 µm bis 100 mm quer zu der zu bewachsenden Oberfläche haben. Beispielsweise können 12-inch-Wafer als Substrat verwendet werden. Alternativ kann das Substrat beispielsweise eine Ausdehnung von 30 x 40 cm in einer Ebene parallel zu der zu bewachsenden Oberfläche haben.
• Mit der beschriebenen Vorrichtung können die Nanodrähte galvanisch in Poren einer Folie auf die Oberfläche des Substrats gewachsen werden. Dazu wird ein Elektrolyt verwendet. Beispielsweise können 600 ml des Elektrolyten ausreichen, um einen 12-inch Wafer vollständig mit Nanodrähten zu bewachsen. Der Elektrolyt wird mit dem Vorratsbehälter bereitgestellt. Vorzugsweise ist der Vorratsbehälter mit dem Elektrolyten befüllt. Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise mindestens einen Anschluss auf, über welchen der Vorratsbehälter für den Elektrolyten derart angeschlossen werden kann, dass der Elektrolyt für das Wachstum der Nanodrähte eingesetzt werden kann. Der Anschluss ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Vorratsbehälters beim Anschließen durch den Anschluss geöffnet wird und beim Trennen vom Anschluss durch den Anschluss verschlossen wird. Das Öffnen beziehungsweise Schließen des Vorratsbehälters erfolgt also automatisch. So kann der Behälter eine Öffnung aufweisen, die mit einem Ventil verschlossen ist, welches beim Anschließen des Anschlusses durch den Anschluss geöffnet wird und welches wieder schließt, wenn der Vorratsbehälter von dem Anschluss getrennt wird. Der Vorratsbehälter ist also verschlossen, sofern der Vorratsbehälter nicht an den Anschluss angeschlossen ist. So kann der Vorratsbehälter gewechselt werden, ohne dass ein Benutzer mit dem Elektrolyten in Kontakt gelangen kann. Insoweit ist die beschriebene Vorrichtung besonders sicher. In dieser Ausgestaltung kann der Vorratsbehälter auch als eine Kartusche bezeichnet werden.
• 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. Dazu kann ein für den Elektrolyten durchlässiges elastisches Element an der Folie anliegen. Durch das elastische Element kann ein Elektrolyt an die Folie abgegeben werden und kann die Folie an der Oberfläche des Substrats gehalten werden. Sind die Nanodrähte nach einem ersten Wachstumsschritt soweit gewachsen, dass die Folie über die Nanodrähte an der Oberfläche des Substrats gehalten wird, kann das elastische Element entfernt werden. In einem zweiten Wachstumsschritt wird kein elastisches Element eingesetzt, so dass der Elektrolyt noch gleichmäßiger über die Oberfläche des Substrats verteilt werden kann.
• Die Folie ist vorzugsweise mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem Polymermaterial gebildet. 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 Poren in der Folie können dadurch erhalten werden, dass die Folie hochenergetischen schweren Ionen bestrahlt wird. Die Ionen können eine Energie im Bereich von MeV bis GeV haben.
• Nachdem die Nanodrähte in die Poren der Folie gewachsen sind, kann die Folie entfernt werden, beispielsweise mit einem Plasma oder mit einem Lösungsmittel. Dabei werden die Nanodrähte freigelegt.
• Die Vorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem vorzugsweise alle übrigen Elemente der Vorrichtung angeordnet sind. Insoweit kann die Vorrichtung als kompakte Maschine betrachtet werden. Das Gehäuse hat vorzugsweise eine Grundfläche von höchstens 1 m² [Quadratmeter]. Das ist möglich, weil insbesondere die Kammer, die Steuerungseinheit und der Vorratsbehälter für den Elektrolyten zusammen in dem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse hat vorzugsweise eine rechteckige Grundfläche. Das Gehäuse hat vorzugsweise eine Höhe von 1 bis 3 m [Meter], insbesondere von 1,5 bis 2,5 m. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem Metall gebildet, insbesondere aus Edelstahl. Vorzugsweise weist das Material des Gehäuses eine Beschichtung auf, insbesondere an einer Außenseite des Gehäuses. So kann das Gehäuse beispielsweise aus beschichtetem Edelstahl gebildet sein. Durch die Beschichtung kann das Gehäuse vor Chemikalien geschützt werden.
• Das Gehäuse umfasst die Kammer, in welche ein Substrathalter eingesetzt werden kann. Die Kammer weist vorzugsweise eine Aufnahme für den Substrathalter auf. Der Substrathalter ist dazu eingerichtet, das mit den Nanodrähten zu bewachsende Substrat zu halten. Ist der Substrathalter mit dem Substrat in die Kammer eingesetzt, können die Nanodrähte auf das Substrat gewachsen werden. Das erfolgt derart, dass die Nanodrähte galvanisch aus dem Elektrolyten auf eine Oberfläche des Substrats gewachsen werden.
• Der Substrathalter ist vorzugsweise als eine Schublade ausgebildet. Das bedeutet, dass der Substrathalter in die Aufnahme eingeschoben werden kann, beispielsweise über seitlich in der Kammer 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 der Substrathalter kann aus der Aufnahme entnommen werden.
• 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 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 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.
• In dem Gehäuse ist weiterhin eine Steuerungseinheit angeordnet. Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das Wachstum der Nanodrähte zu steuern. Dazu kann die Steuerungseinheit beispielsweise die elektrische Spannung oder den elektrischen Strom einstellen, der zum Wachstum der Nanodrähte eingesetzt wird. Zudem kann die Steuerungseinheit eine Dosierung, einen Druck und/oder einen Durchfluss des Elektrolyten einstellen. Durch die Steuerungseinheit kann das Wachstum der Nanodrähte automatisiert erfolgen. Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, eine Länge der zu wachsenden Nanodrähte und/oder eine Wachstumsrate einzustellen.
• Der Vorratsbehälter weist vorzugsweise eine Identifizierung auf, über welche die Steuerungseinheit den Vorratsbehälter identifizieren kann. Dazu kann die Steuerungseinheit an einen Identifizierungssensor angebunden sein. Beispielsweise kann die Identifizierung ein Strichcode sein, welcher mit einem Strichcodescanner als Identifizierungssensor erkannt werden kann. Auch kann die Identifizierung ein RFID-Chip sein, welcher mit einem entsprechenden Lesegerät als Identifizierungssensor erkannt werden kann. Durch die Identifizierung des Vorratsbehälters kann beispielsweise erkannt werden, ob der richtige Elektrolyt bereitgestellt wurde.
• Der Substrathalter weist vorzugsweise eine Elektronik auf, welche dazu eingerichtet ist, das Wachstum der Nanodrähte zu beeinflussen. Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise über eine Schnittstelle mit dem Substrathalter verbunden, wenn der Substrathalter in die Kammer eingesetzt 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 und/oder ist dazu eingerichtet, auf eine externe Datenbank zuzugreifen. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit über eine Internetverbindung mit einer externen Datenbank kommunizieren. Parameter, die von der Elektronik des Substrathalters an die Steuerungseinheit übermittelt worden sind, können mit entsprechenden Erwartungswerten aus der Datenbank 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 zudem eine Heizung des Substrathalters mit der Steuerungseinheit gesteuert werden. Über die Heizung kann eine Temperatur des Substrats eingestellt werden.
• 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 eine 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 aktiv sind und 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.
• Das Substrat wird vorzugsweise in einem Reinraum vorbereitet. Dazu kann eine Strukturierungsschicht auf das aufgebracht werden, in welche beispielsweise durch einen lithografischen Prozess Auslassungen eingebracht werden. Je nach Art der Strukturierungsschicht können die Nanodrähte nur in den Auslassungen oder nur außerhalb der Auslassungen gewachsen werden. So können die Nanodrähte lokal selektiv auf das Substrat gewachsen werden. Sollen Nanodrähte beispielsweise nur auf metallische Pads erhalten werden, können zuerst diese Pads lithografisch erzeugt werden. Ist die Oberfläche des Substrats außerhalb der Pads nicht elektrisch leitend, können die Pads für das galvanische Wachstum der Nanodrähte beispielsweise dadurch verbunden werden, dass eine 100 nm Schicht Gold oder Kupfer auf eine 20 nm Schicht aus Chrom oder Wolfram-Titan gewachsen wird. Diese Schichten können nach dem Wachstum mit den darauf befindlichen, nicht benötigten Nanodrähten, durch Lift-off oder selektives Ätzen entfernt werden. Die Pads können beispielsweise eine Kantenlänge von 3 µm und einen Pitch von 3 µm haben. Als weiterer Teil der Vorbereitung des Substrats kann die zu bewachsende Oberfläche gereinigt und aktiviert werden, beispielsweise mit einem Sauerstoffplasma. Das Sauerstoffplasma kann beispielsweise mit 350 mbar, 100 W für eine Minute eingesetzt werden. Als weiterer Teil der Vorbereitung des Substrats kann die Folie aufgelegt werden - auf das Substrat selbst oder, wenn eine Strukturierungsschicht verwendet wird, auf die Strukturierungsschicht. Auch das elastische Element kann als Teil der Vorbereitung des Substrats auf die Folie aufgelegt werden.
• Nachdem das Substrat vorbereitet worden ist, muss es nicht mehr unter Reinraumbedingungen gehalten werden. Das Substrat kann nach der Vorbereitung aus dem Reinraum herausgebracht und der beschriebenen Vorrichtung zugeführt werden. Die Vorrichtung kann außerhalb eines Reinraums genutzt werden. Sie muss also nicht reinraumkonform sein. Nichtsdestotrotz ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung reinraumkonform ausgebildet ist. Wird die Vorrichtung in einem Reinraum eingesetzt, können die mit der Vorrichtung gewachsenen Nanodrähte auch nach Entnahme des Substrathalters aus der Kammer geschützt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Aufnahmeräumen für einen jeweiligen Vorratsbehälter für einen Elektrolyten auf.
• Die Aufnahmeräume sind vorzugsweise in dem Gehäuse ausgebildet, insbesondere außerhalb der Kammer. Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise mindestens einen Anschluss auf, über welchen ein Vorratsbehälter für einen Elektrolyten derart angeschlossen werden kann, dass der entsprechende Elektrolyt für das Wachstum der Nanodrähte eingesetzt werden kann. Sind in dem Gehäuse mehrere Vorratsbehälter in einem entsprechenden Aufnahmeraum angeordnet, kann der Anschluss wahlweise an einen der Vorratsbehälter angeschlossen sein. Ist mehr als ein Anschluss vorhanden, können mehrere Vorratsbehälter gleichzeitig angeschlossen sein. Über die Steuerungseinheit kann in dem Fall ausgewählt werden, welcher oder welche der entsprechenden Elektrolyten für das Wachstum der Nanodrähte verwendet werden. Die Vorrichtung kann für jeden der Aufnahmeräume einen jeweiligen Anschluss aufweisen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Vorratsbehältern für einen jeweiligen Elektrolyten auf. Besonders bevorzugt sind die Vorratsbehälter mit einem jeweiligen Elektrolyten befüllt. Dabei können die Vorratsbehälter mit dem gleichen oder mit unterschiedlichen Elektrolyten befüllt sein. Die Vorratsbehälter weisen vorzugsweise eine Identifizierung auf, über welche die Steuerungseinheit die Vorratsbehälter identifizieren kann.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Elektrolytaufbereiter. Der Elektrolytaufbereiter ist vorzugsweise in dem Gehäuse angeordnet. Der Elektrolytaufbereiter ist dazu eingerichtet, den zum Wachstum der Nanodrähte eingesetzten Elektrolyten aufzubereiten. Der so aufbereitete Elektrolyt kann für einen weiteren Wachstumsprozess verwendet werden. Der Elektrolyt kann nach jedem Wachstumsprozess oder jeweils nach einer bestimmten Anzahl an Wachstumsprozessen mit dem Elektrolytaufbereiter aufbereitet werden. Auch kann der Elektrolytaufbereiter für verschiedene Aufbereitungen des Elektrolyten eingerichtet sein. So kann beispielsweise nach jedem Wachstumsprozess eine erste Aufbereitung durchgeführt werden und jeweils nach einer bestimmten Anzahl an Wachstumsprozessen anstelle der ersten Aufbereitung eine zweite Aufbereitung durchgeführt werden. Das ist insbesondere sinnvoll, wenn die zweite Aufbereitung intensiver ist als die erste Aufbereitung. Der Elektrolytaufbereiter ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Elektrolyten zu reinigen. Alternativ oder zusätzlich ist der Elektrolytaufbereiter dazu eingerichtet, dem Elektrolyten eine Substanz zuzugeben. Dadurch kann die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten verändert werden. Dazu kann der Elektrolytaufbereiter an einen entsprechenden Behälter angebunden sein, in welchem die Substanz bereitgestellt ist.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, Bereiche automatisiert zu reinigen, welche im Betrieb mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen.
• Die Vorrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Kammer, insbesondere eine Innenseite der Kammer, zu reinigen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, Elektrolytleitungen zu reinigen. Die Reinigung erfolgt vorzugsweise automatisiert, beispielsweise durch Besprühen der Innenseite der Kammer mit einem Reinigungsfluid und/oder durch Durchleiten eines Reinigungsfluids durch die Elektrolytleitungen. Das Reinigungsfluid kann Wasser sein. Die Vorrichtung kann nach einem Wachstumsprozess für einen folgenden Wachstumsprozess gereinigt werden, insbesondere wenn die Wachstumsprozesse mit unterschiedlichen Elektrolyten durchgeführt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kammer eine Druckluftzuführung auf.
• Über die Druckluftzuführung kann Druckluft in die Kammer eingeleitet werden, beispielsweise um nach Abschluss des Wachstumsprozesses eine Flüssigkeit von dem Substrat zu entfernen. Dazu kann die Druckluft innerhalb der Kammer durch eine Düse und/oder durch einen automatisiert bewegten Druckluftschlauch auf das Substrat gerichtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Druckluft auch zur Reinigung der Kammer eingesetzt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Innenseite der Kammer aus einem elektrolytbeständigen Material gebildet, vorzugsweise aus Kunststoff.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, mindestens einen dem Vorratsbehälter zugeordneten Parameter zu ermitteln.
• Der Vorratsbehälter kann eine Identifizierung aufweisen. Die Steuerungseinheit kann den mindestens einen dem Vorratsbehälter zugeordneten Parameter in dem Fall dadurch ermitteln, dass die Steuerungseinheit den mindestens einen Parameter aus einer Datenbank abruft, nachdem der Vorratsbehälter identifiziert worden ist. Alternativ kann die Vorrichtung einen oder mehrere Sensoren umfassen, mit welchen der mindestens eine Parameter bestimmt und an die Steuerungseinheit übermittelt werden kann.
• Als dem Vorratsbehälter zugeordnete Parameter kommen insbesondere in Betracht: ein Alter des Elektrolyten in dem Vorratsbehälter, eine chemische Zusammensetzung des Elektrolyten in dem Vorratsbehälter, ein Füllstand des Elektrolyten in dem Vorratsbehälter, eine Temperatur des Elektrolyten in dem Vorratsbehälter.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, einen Fluss und/oder einen Druck des Elektrolyten zu ermitteln. Der „und“-Fall ist bevorzugt.
• Durch Messung des Flusses und/oder des Drucks des Elektrolyten kann bestimmt werden, wie viel Elektrolyt für das Wachstum der Nanodrähte zur Verfügung steht. Der Fluss und/oder der Druck des Elektrolyten werden vorzugsweise in einer Elektrolytleitung gemessen, über welche der Elektrolyt von dem Vorratsbehälter in die Kammer geleitet werden kann. Vorzugsweise werden der Fluss und/oder der Druck des Elektrolyten mit der Steuerungseinheit auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin eine Pumpe zum Pumpen des Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter in die Kammer auf, wobei die Pumpe gedämpft an einem Träger gehalten ist, der gedämpft in dem Gehäuse gehalten ist.
• Die Pumpe ist vorzugsweise über den Anschluss an den Vorratsbehälter angeschlossen. Über eine Elektrolytleitung kann der Elektrolyt von dem Vorratsbehälter in die Kammer geleitet werden. Die Elektrolytleitung kann derart in die Kammer hineinragen, dass der Elektrolyt innerhalb der Kammer in eine Vertiefung des Substrathalters eingeleitet werden kann. Ist das Substrat in die Vertiefung eingelegt, kann das Substrat so mit dem Elektrolyten in Kontakt gebracht werden.
• Die Pumpe kann Vibrationen verursachen. Diese können den Wachstumsprozess der Nanodrähte beeinträchtigen. Daher ist die Pumpe gedämpft gehalten. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Pumpe insoweit doppelt gedämpft, als dass die Pumpe gedämpft an einem Träger gehalten ist, der gedämpft in dem Gehäuse gehalten ist.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist in dem Gehäuse weiterhin ein Filter für den Elektrolyten angeordnet.
• Der Filter ist vorzugsweise ein Schwebstofffilter oder ein Aktivkohlefilter. Besonders bevorzugt sind in dem Gehäuse zwei Filter für den Elektrolyten angeordnet. Dabei kann einer der Filter ein Schwebstofffilter und der andere Filter ein Aktivkohlefilter sein. Der Schwebstofffilter kann nach jedem Wachstumsprozess eingesetzt werden, während der Aktivkohlefilter anstelle des Schwebstofffilters nach jeweils einer bestimmten Anzahl an Wachstumsprozessen eingesetzt wird.
• Der oder die Filter sind vorzugsweise Teil des Elektrolytaufbereiters. Der Schwebstofffilter kann für die erste Aufbereitung verwendet werden, während der Aktivkohlefilter für die zweite Aufbereitung verwendet wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist in der Kammer ein Greifer zum Entfernen eines auf dem Substrat aufliegenden elastischen Elements angeordnet.
• Mit dem Greifer kann das elastische Element automatisiert von der Folie entfernt werden. Dadurch kann das gesamte Verfahren automatisiert durchgeführt werden, wodurch Fehler vermieden werden können. Der Greifer kann beispielsweise als ein Nadelgreifer ausgebildet sein.
• In dieser Ausführungsform können die Nanodrähte in zwei Wachstumszeiträumen gewachsen werden. So kann in einem ersten Wachstumszeitraum das elastische Element an der Folie anliegen. Durch das elastische Element kann die Folie dabei an dem Substrat gehalten werden. Anschließend kann das elastische Element mit dem Greifer von der Folie abgehoben werden. In einem zweiten Wachstumsprozess können die Nanodrähte ohne das elastische Element gewachsen werden. Das ist möglich, weil die Folie bereits durch die Nanodrähte an dem Substrat gehalten wird. Ohne das elastische Element kann sich der Elektrolyt besser verteilen, so dass ein gleichmäßigeres Wachstum der Nanodrähte erreicht werden kann.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine (insbesondere elektrisch angetriebene) Mangel zum Auspressen des Elektrolyten aus dem elastischen Element, wenn das elastische Element mit dem Greifer von der Folie entfernt worden ist.
• Die Mangel kann zwei Rollen aufweisen, zwischen denen das elastische Element hindurchbewegt wird. Dabei kann mit den Rollen ein Druck auf das elastische Element ausgeübt werden, so dass das elastische Element Elektrolyt abgibt, welcher sich in dem elastischen Element befindet. Damit kann ein erheblicher Teil des Elektrolyten aus dem elastischen Element entfernt werden und wiederverwendet werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist eine bewegliche Ablage derart in der Kammer anordenbar, dass das elastische Element mit dem Greifer auf der beweglichen Ablage ablegbar ist.
• Das elastische Element kann mit dem Greifer gegriffen werden und von der Oberfläche des Substrats abgehoben werden. Anschließend kann die bewegliche Ablage zwischen die Oberfläche des Substrats und das elastische Element geschoben werden. Das elastische Element kann auf die bewegliche Ablage abgelegt werden und vom Greifer freigegeben werden. Anschließend kann das elastische Element mit der beweglichen Ablage abtransportiert werden. Anschließend kann das elastische Element von der beweglichen Ablage entfernt werden. Dies kann automatisiert erfolgen, beispielsweise indem die bewegliche Ablage derart bewegt wird, dass das elastische Element der Bewegung des beweglichen Elements ab einem Trennungspunkt nicht mehr folgen kann. Der Trennungspunkt kann sich beispielsweise dadurch ergeben, dass die bewegliche Ablage in eine Ablagenaufnahme geführt wird, die keinen Platz für das elastische Element bietet. Das elastische Element bleibt in dem Fall am Rand der Ablagenaufnahme hängen. Das elastische Element kann in einem Fach abgelegt werden, aus dem das elastische Element manuell entnommen werden kann.
• Die bewegliche Ablage kann automatisiert bewegt werden, beispielsweise durch einen Motor. Die bewegliche Ablage ist vorzugsweise auf einem flexiblen Material gebildet, beispielsweise aus Kunststoff. So kann die bewegliche Ablage platzsparend verstaut werden, wenn sie nicht benötigt wird. Beispielsweise kann die bewegliche Ablage über eine Umlenkrolle geführt sein, so dass die bewegliche Ablage um 90° gegenüber der Oberfläche des Substrats gedreht verstaut werden kann, wenn sie nicht benötigt wird.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Reinigungseinrichtung zum Reinigen der beweglichen Ablage.
• Die Reinigungseinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, ein Reinigungsfluid auf die bewegliche Ablage zu sprühen. Das kann beispielsweise erfolgen, nachdem das elastische Element mit der beweglichen Ablage abtransportiert und von dieser entfernt wurde. Die Reinigungseinrichtung ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die bewegliche Ablage an der Reinigungseinrichtung vorbeigeführt wird, nachdem das elastische Element von der beweglichen Ablage entfernt worden ist.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Spannungsquelle, welche zum Anlegen einer elektrischen Spannung für das Wachstum der Nanodrähte mit einer Elektrode und dem Substrat verbunden ist.
• Die Spannungsquelle dient dazu, den für das galvanische Wachstum erforderlichen elektrischen Strom bereitzustellen. Dazu ist die Spannungsquelle mit dem Substrat verbunden, insbesondere mit der zu bewachsenden Oberfläche des Substrats. Die Spannungsquelle ist vorzugsweise dazu eingerichtet, eine gepulste Spannung zu erzeugen, insbesondere mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 0,1 bis 10 ms. Durch Versuche hat sich gezeigt, dass mit einer gepulsten Spannung die Qualität der Nanodrähte verbessert werden kann.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anordnung weiterhin eine Referenzelektrode, welche mit der Oberfläche des Substrats verbunden 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, insbesondere unabhängig von dem zweiten Kabel. Das zweite Kabel und das vierte Kabel sind vorzugsweise jeweils unmittelbar mit der Oberfläche des Substrats 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 Substrat und die Referenzelektrode sind vorzugsweise gemeinsam von dem Substrathalter gehalten, wenn die Nanodrähte auf das Substrat gewachsen werden.
• 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 des als Schublade ausgebildeten Substrathalters 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 Kammer angeordnet.
• Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten auf ein Substrat mit einer Vorrichtung beschrieben, welche einen Substrathalter und ein Gehäuse mit einer Kammer, einer Steuerungseinheit und einem Vorratsbehälter für einen Elektrolyten aufweist, und wobei das Verfahren umfasst:
1. a) Einlegen des Substrats in den Substrathalter,
2. b) Einführen des Substrathalters in die Kammer,
3. c) galvanisches Wachsen der Nanodrähte aus dem Elektrolyten auf das Substrat.
• Die besonderen 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 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.
• In Schritt c) wird das Substrat vorzugsweise erwärmt. Eine Temperatur des Substrats liegt in Schritt c) vorzugsweise zwischen 15 °C und 100 °C.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor Schritt a) ein elastisches Element auf das Substrat aufgelegt, wobei Schritt c) für einen ersten Wachstumszeitraum durchgeführt wird, und wobei das Verfahren weiterhin umfasst:
1. d) Entfernen des elastischen Elements mit einem Greifer, und
2. e) für einen zweiten Wachstumszeitraum, Fortsetzen des galvanischen Wachsens der Vielzahl von Nanodrähten aus dem Elektrolyten.
• 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,
• 4a und 4b: weitere Elemente der Anordnung aus 1 und 2 in zwei verschiedenen Zuständen.
• 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 1 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:
1. a) Einlegen des Substrats 3 in den Substrathalter 4,
2. b) Einführen des Substrathalters 4 in die Kammer 18,
3. c) galvanisches Wachsen der Nanodrähte 2 auf dem Substrat 3.
• 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 45 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 die Kammer 18 eingesetzt 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 41 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 41 ist dazu eingerichtet, den Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter 35 in die Kammer 18 zu pumpen. Die Pumpe 41 ist mittels eines Dämpfers 43 gedämpft an einem Träger 42 gehalten, der über einen weiteren Dämpfer 43 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 44 für den Elektrolyten und ein Elektrolytaufbereiter 46 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind der Filter 44 und der Elektrolytaufbereiter 46 in die Elektrolytleitung 37 integriert. Details des Elektrolytaufbereiters 46 sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. So kann der Elektrolytaufbereiter 46 beispielsweise über eine Leitung mit einem Behälter verbunden sein, über welchen dem Elektrolytaufbereiter 46 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 des Substrats 3, 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 28 das für den Elektrolyten durchlässige elastische 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. Auch die Spannungsquelle 30 ist mit der Steuerungseinheit 8 verbunden. 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. Der Übersichtlichkeit halber sind in 3 nicht alle Elemente aus 1 und 2 gezeigt, und umgekehrt. So ist in 3 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 3verbunden. Die Spannungsquelle 30 und die Referenzelektrode 11 sind unabhängig voneinander an die Oberfläche 27 des Substrats 3 angebunden.
• 4a und 4b zeigen weitere Elemente der Vorrichtung 1 aus 1 und 2. Der Übersichtlichkeit halber sind in 4a und 4b nicht alle Elemente aus 1 und 2 gezeigt, und umgekehrt. Zu erkennen ist an 4a und 4b insbesondere, dass die Vorrichtung 1 einen Greifer 38 zum Entfernen des elastischen Elements 19 von der Folie 28 aufweist. In 4a ist der Zustand gezeigt, in dem das elastische Element 19 auf der Folie 28 auf der Oberfläche 27 des Substrats 3 aufliegt. Das elastische Element 19 kann mit dem Greifer 38 gegriffen und von der Oberfläche 27 des Substrats 3 abgehoben werden. Dies ist in 4b gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Antrieb 39 zum automatisierten Betätigen des Greifers 38. Zudem umfasst die Vorrichtung 1 eine bewegliche Ablage 15 für das elastische Element 19. In 4a ist die bewegliche Ablage 15 um 90° gegenüber der Oberfläche 27 des Substrats 3 gedreht verstaut, weil die bewegliche Ablage 15 in dem gezeigten Zustand nicht benötigt wird. In 4b ist die bewegliche Ablage 15 zwischen die Oberfläche 27 des Substrats 3 und das elastische Element 19 geschoben. So kann das elastische Element 19 auf die bewegliche Ablage 15 abgelegt werden. Anschließend kann das elastische Element 19 mit der beweglichen Ablage 15 abtransportiert werden, indem die bewegliche Ablage 15 in ihren in 4a gezeigten Zustand zurückbewegt wird. Das elastische Element 19 kann sich dabei von der beweglichen Ablage 15 beispielsweise dadurch lösen, dass das elastische Element 19 der Bewegung der beweglichen Ablage 15 nach unten nicht folgt. Sobald sich das elastische Element 19 von der beweglichen Ablage 15 gelöst hat, kann die bewegliche Ablage 15 mit einer Reinigungseinrichtung 40 gereinigt werden. Dazu kann die bewegliche Ablage 15 durch die Reinigungseinrichtung 40 mit einem Reinigungsfluid besprüht werden. Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine elektrisch angetriebene Mangel 13 zum Auspressen des Elektrolyten aus dem elastischen Element 19 auf, wenn das elastische Element 19 mit dem Greifer 38 von der Folie 28 entfernt worden ist. Die Mangel 13 weist zwei Rollen auf, zwischen denen das elastische Element 19 unter Krafteinwirkung hindurchbewegt werden kann.
• Mit dem Greifer 38 kann das für 1 beschriebene Verfahren insoweit durchgeführt werden, als dass vor Schritt a) ein elastisches Element 19 auf das Substrat 3 aufgelegt wird, dass Schritt c) für einen ersten Wachstumszeitraum durchgeführt wird, und dass das Verfahren weiterhin umfasst:
1. d) Entfernen des elastischen Elements 19 mit dem Greifer 38, und
2. e) für einen zweiten Wachstumszeitraum, Fortsetzen des galvanischen Wachsens der Vielzahl von Nanodrähten 2 aus dem Elektrolyten.
• 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

Mangel

14

Heizung

15

bewegliche Ablage

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

Greifer

39

Antrieb

40

Reinigungseinrichtung

41

Pumpe

42

Träger

43

Dämpfer

44

Filter

45

Innenseite

46

Elektrolytaufbereiter

Claims (10)

1. Vorrichtung (1) zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten (2) auf einem Substrat (3), umfassend einen Substrathalter (4) und ein Gehäuse (34), in welchem eine Kammer (18), eine Steuerungseinheit (8) und ein Vorratsbehälter (35) für einen Elektrolyten angeordnet sind, wobei die Vorrichtung (1) 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 die Kammer (18) eingesetzt ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei eine Innenseite (45) der Kammer (18) aus einem elektrolytbeständigen Material gebildet ist.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (8) dazu eingerichtet ist, mindestens einen dem Vorratsbehälter (35) zugeordneten Parameter zu ermitteln.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (8) dazu eingerichtet ist, einen Fluss und/oder einen Druck des Elektrolyten zu ermitteln.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Pumpe (41) zum Pumpen des Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter (35) in die Kammer (18), wobei die Pumpe (41) gedämpft an einem Träger (42) gehalten ist, der gedämpft in dem Gehäuse (34) gehalten ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem Gehäuse (34) weiterhin ein Filter (44) für den Elektrolyten angeordnet ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Kammer (18) ein Greifer (38) zum Entfernen eines auf dem Substrat (3) aufliegenden elastischen Elements (19) angeordnet ist.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei eine bewegliche Ablage (15) derart in der Kammer (18) anordenbar ist, dass das elastische Element (19) mit dem Greifer (38) auf der beweglichen Ablage (15) ablegbar ist.
9. Verfahren zum galvanischen Wachsen einer Vielzahl von Nanodrähten (2) auf ein Substrat (3) mit einer Vorrichtung (1), welche einen Substrathalter (4) und ein Gehäuse (34) mit einer Kammer (18), einer Steuerungseinheit (8) und einem Vorratsbehälter (35) für einen Elektrolyten aufweist, und wobei das Verfahren umfasst: a) Einlegen des Substrats (3) in den Substrathalter (4), b) Einführen des Substrathalters (4) in die Kammer (18), c) galvanisches Wachsen der Nanodrähte (2) aus dem Elektrolyten auf das Substrat (3).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei vor Schritt a) ein elastisches Element (19) auf das Substrat (3) aufgelegt wird, wobei Schritt c) für einen ersten Wachstumszeitraum durchgeführt wird, und wobei das Verfahren weiterhin umfasst: d) Entfernen des elastischen Elements (19) mit einem Greifer (38), und e) für einen zweiten Wachstumszeitraum, Fortsetzen des galvanischen Wachsens der Vielzahl von Nanodrähten (2) aus dem Elektrolyten.

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