DE10393956T5

DE10393956T5 - Diamantbeschichtetes Silizium und Elektrode

Info

Publication number: DE10393956T5
Application number: DE10393956T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Fujimura; Roberto Masahiro Fujisawa Serikawa; Naoki Annaka Ishikawa; Takahiro Kobe Mishima
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2007-03-15
Also published as: KR20050085907A; KR20050084495A; WO2004059047A1; JP2004204299A; WO2004059048A1; AU2003292745A1; DE10393964T5; US20060216514A1; US20060124349A1; AU2003292744A1

Abstract

Diamantbeschichtetes Silizium, das ein Siliziumsubstrat umfasst, das eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist, welches zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Silizium, das mit elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist, und auf Verwendung solches Siliziums als eine Elektrode. Eine Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf elektrolytische Reaktion, Elektrodenreaktion, Sensoren und ähnliches angewendet werden.
Technischer Hintergrund
Diamant hat die Brillanzeigenschaft, die in Schmuckstücken und Ornamenten genutzt wird, und ist als eine der härtesten Substanzen auf der Erde bekannt und weist exzellente physisch-chemische Stabilität gegen Reibungsabnutzung, Chemikalien, Druck usw. auf. Diese physisch-chemische Stabilität wird vorteilhaft in vielen bekannten Produkten verwendet, wie z.B. Diamantschneider für Glas, Bohrwerkzeug und Schleifscheibe.
Weiter gehört Kohlenstoff des Diamants zur gleichen Gruppe IV von Silizium. Entsprechend, wenn Kohlenstoff eine Diamantstruktur bildet (sp3-Kristall-System), weist es Halbleitereigenschaften ähnliche zu Silizium auf, weist starke interatomare Bindungskräfte auf und weist eine große Bandlücke von ungefähr 5,5 eV bei Raumtemperatur entsprechend zu der Bindungsenergie der Valenzelektronen auf. Ähnlich zu Silizium wird ein p-Typ-Halbleiter gebildet, wenn ein Element der Gruppe III wie Bor als Dotierstoff verwendet wird, und es wird ein n-Typ-Halbleiter gebildet, wenn ein Element der Gruppe V wie Stickstoff oder Phosphor als Dotierstoff verwendet wird. Entsprechend sind Anwendungsfor schungen für diamantelektronische Geräte im Gange (H. Ogushi, FUTURE MATERIAL, 2, Nr. 10 (2002): 6–13). Auch wenn reiner Diamant ein exzellenter elektrischer Isolator ist, ist Diamant ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit beliebig geändert werden kann, vom Grad eines Isolators zu dem eines Metalls durch Kontrolle der Dotierstoffmenge.
Einzigartige elektro-chemische Eigenschaften des Diamant wurden in den letzten Jahren offenkundig neben den physisch-chemischen und Halbleitereigenschaften. Es wurde herausgefunden, dass Diamant ein großes thermodynamisches Fenster aufweist, wenn es als Elektrode in einer wässrigen Lösung verwendet wird. Sauerstoff und Wasserstoff werden nur unter einer großen absoluten Überspannung erzeugt. Das Wasserstofferzeugungspotential ist 0 V gegen die Standardwasserstoffelektrode (SHE), und das Sauerstofferzeugungspotential ist +1,2 V aus der thermodynamischen Berechnung. Entsprechend ist die Weite des thermodynamischen Fensters 1,2 V. Es gibt eine Abhängigkeit von der Elektrolytlösung, aber das thermodynamische Fenster ist 3,2 bis 3,5 V für eine Diamantelektrode, ungefähr 2,8 V für glasartige Kohlenstoffelektrode und 1,6 bis 2,2 V für eine Platinelektrode. Das große thermodynamische Fenster bedeutet, dass die Elektrode ungeeignet zur Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff ist; dennoch können andere Reaktionen an der Elektrode stattfinden. Wenn eine Diamantelektrode z.B. zur Abwasserbehandlung verwendet wird, ist es bekannt, dass eine effiziente Beseitigung eines chemischen Sauerstoffbedarfs (COD) des Abwassers erreicht werden kann (JP-A-Nr. 07-299467). Dies wird dem Mechanismus zugeschrieben, in dem die OH-Radikale an der Mineralisation des COD-Verbunds zu Kohlenstoffdioxid teilnehmen, und bei einer großen Erzeugung von OH-Radikalen auf der Oberfläche der Diamantelektrode (JP-A-Nr. 2000-254650). Prozesse zur Sterilisation von Trinkwasser und Wasser für Schwimmbecken, Kühltürme, die eine Diamantelektrode benutzen, sind aufgrund dieser großen Erzeugung der OH-Radikalen auf der Elektrodenoberfläche in der Entwicklung.
Weiter kann der niedrige Hintergrundstrom (verbleibender Strom) im Vergleich zu den anderen Elektroden als eine weitere einzigartige elektro-chemische Eigenschaft des Diamants angeführt werden. Es wird erwartet, dass der Diamant aufgrund seines niedrigen Hintergrundstroms und des großen thermodynamischen Fensters angewendet wird auf Elektroden für Sensoren von niedrigen Konzentrationen von Metallen und ökologischen Materialien in wässrigen Lösungen.
Ein chemischer Aufdampfungsprozess (CVD) wird als Prozess zur Herstellung einer Diamantelektrode durch Beschichtung des Substrats mit einem Diamantfilm verwendet. Gegenwärtig werden zwei Arten von Prozessen hauptsächlich verwendet. Ein Heißdraht-CVD-Prozess und ein Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess. Beide Verfahren sind Prozesse zur Synthetisierung künstlichen Diamants unter reduziertem Druck, ohne Anwendung hohen Drucks.
Bei dem Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess wird das Plasma durch Einstrahlen einer Mikrowelle von ungefähr 2,4 GHz auf Dampf von organischen Verbindungen erzeugt; diese werden die Kohlenstoffquelle von Diamant; wie z.B. Methan, Aceton und ähnliches im Bereich einiger 100 ppm bis einiger Prozent in einer Wasserstoffatmosphäre. Wenn das Substrat, das bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 1000°C gehalten wird, in die Nähe des erzeugten Plasmas platziert wird, wächst ein Diamantfilm auf dem Substrat. Um dem Diamantfilm eine elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, wird ein p-Typ-halbleitender Diamantfilm gewachsen, wenn eine Bohrquelle, wie Diboran oder Boroxid neben Methangas unter einer Wasserstoffatmosphäre gemischt wird. Durch Verwendung des Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozesses wird hauptsächlich Siliziumscheibensubstrat mit dem Diamantfilm beschichtet, und es wird erwartet, dass Anwendungen wie z.B. in Sensoren entwickelt werden. Die Haftung des Diamantfilms auf dem Siliziumsubstrat wird als exzellent betrachtet, weil Silizium und Diamant Elemente sind, die zu der gleichen Gruppe IV gehören und ähnliche Kristallstrukturen haben. Der Diamantfilm haftet eng an der Siliziumscheibe durch eine Mittelschicht (Zwischenschicht), die eine sehr dünne Zwischenschicht aus Siliziumkarbid ist, die natürlich gebildet wird, wenn der Diamantfilm auf Silizium wächst. Der Diamantfilm, der durch den Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess gebildet wird, ist als relativ stabil und hoch-qualitativ bekannt (JP-A-Nr. 10-167888).
Auf der anderen Seite wächst bei dem Heißdraht-CVD-Prozess ein Diamantfilm auf einem Substrat; angeordnet in der Nähe eines Drahtes, der aus Wolfram, Tantal, Ruthenium, usw. hergestellt ist; wenn der Draht auf etwa 2000°C in einer Wasserstoffatmosphäre aufgeheizt wird, die als Kohlenstoffquelle wenige Prozent von zumindest einer Art eines Kohlenwasserstoffs wie Methan, Ethan, Propan, Butan und ungesättigten Kohlenwasserstoffs, Alkohols wie Ethanol oder Ketone wie Aceton beinhaltet. Eine große Fläche von Diamantfilm kann durch Anordnen langer Drähte über dieses Substrat hergestellt werden. In dem Fall, dass z.B. ein 1-m²-Substrat beschichtet wird, brauchen nur 20 Drähte mit einer Länge von 1 m und Abständen dazwischen von 5 cm über dem Substrat angeordnet werden, das in die Abscheidungskammer eingebracht ist. Ähnlich zum Fall des Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozesses wächst ein p-Typ-halbleitender Diamantfilm, wenn eine Borquelle zusammen mit Methan oder ähnlichem bereitgestellt wird. Die Substrattemperatur wird in diesem Fall bei ungefähr 800°C aufrechterhalten. Da der Heißdraht-CVD-Prozess in der Lage ist, solch große Flächen zu beschichten, sind Beschichtungstechnologien für Metallsubstrate in der Entwicklung, in denen es keine Begrenzung der Größe gibt (JP-A-09-124395).
Offenbarung der Erfindung
(Aufgaben, die die Erfindung zu lösen sucht)
Jedoch werden Siliziumscheiben häufig als Siliziumsubstratmaterial für Diamantelektroden verwendet, und ihre Oberfläche ist sehr klein. Genau gesprochen ist die Hauptgröße von Siliziumscheiben auf dem Markt zurzeit 8 Inch (200 mm) im Durchmesser, und selbst die größten Scheiben sind 300 mm im Durchmesser. Entsprechend gibt es eine Begrenzung bei der Herstellung einer Diamantelektrode mit einer großen Oberfläche bei Verwendung von Silizium als Substratmaterial. Weiterhin, wenn der Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess verwendet wird, kann ein Diamantfilm ohne Schwierigkeiten auf kleinen Substraten von einigen Quadratzentimetern gebildet werden; aber für den Fall eines großen Substrats, wie z.B. einem Quadratmeter, ist es derzeit extrem schwierig, die gesamte Oberfläche des Substrats mit einem Diamantfilm zu beschichten. Genau gesprochen besteht die Schwierigkeit für große Beschichtungen aufgrund der technischen Schwierigkeit, ein Plasma zu erzeugen, das die gesamte Oberfläche eines solchen Substrats von einem Quadratmeter bedecken kann.
Weiterhin ist die Dicke der Siliziumscheiben üblicherweise ungefähr 725 μm oder mehr. Entsprechend, wenn versucht wird, eine großflächige Elektrode durch Verbinden von diamantbeschichteten Siliziumscheiben zu einem elektrisch leitfähigen Trägersubstratmaterial mit einer großen Fläche zu erstellen, ist die Verbindung schwierig, weil die Siliziumscheibe eine geringe Flexibilität aufweist. Zusätzlich wird die elektrische Leitfähigkeit der Siliziumscheibe aufgrund ihrer Dicke unweigerlich gering, wodurch es schwierig wird, sie als Elektrode zu verwenden.
Weiterhin kann Diamant, der eine homo-epitaktische Struktur aufweist, mit dem Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess wachsen, wenn ein einkristalliner Diamant als Substrat verwendet wird. Jedoch sind die Diamantfilme, die auf Siliziumscheiben gebildet werden, in den meisten Fällen poly-kristalline Diamantfilme.
Andererseits wie oben genannt bei dem Heißdraht-CVD-Prozess, ist eine Beschichtungstechnologie für Metallsubstrate ohne Größenlimitierung entwickelt worden, die Tantal, Niobium oder Wolfram als Metallsubstrat verwendet.
Jedoch sind die Kristallstrukturen der Substratmetalle gänzlich verschieden von einer epitaktischen Struktur des Diamantkristalls. Entsprechend ist eine starke Zwischenschicht (Mittelschicht) notwendig, die das Metall und den Diamant ver bindet, um den Diamant stark an das Metallsubstrat anzuhaften. Zum Beispiel, wenn eine Niobiummetallplatte mit Diamant beschichtet werden wird, ist die Bildung einer Niobiumkarbidzwischenschicht notwendig. Jedoch wird die Schicht aus Niobiumkarbid nicht so einfach gebildet wie im Falle des Siliziumkarbids, dementsprechend ist ein separater Beschichtungsschritt einer Niobiumkarbidschicht notwendig, bevor der Diamantfilm gebildet wird. Die Beschichtungsbedingungen eines solchen Metallkarbids sind stark abhängig von der Vorbehandlung des Substratmetalls, der Beschichtungstemperatur und der Gaszusammensetzung. Betriebsbedingungen sind kompliziert, und die Einflüsse jeweiliger Betriebsfaktoren auf das gebildete Metallkarbid sind noch nicht vollständig verstanden. Dann gibt es ein Problem, dass, abhängig vom Zustand der Metallkarbidschicht, die Qualität der aufgebrachten Diamantschicht, insbesondere die Stabilität (Haltbarkeit), stark betroffen ist. Weiterhin schreitet der Kristallisierungsprozess sehr langsam voran, selbst wenn der Film aus Diamant direkt auf der Schicht aus Metallkarbid mittels des Heißdraht-CVD-Prozesses gebildet wird. Dementsprechend ist es üblicherweise notwendig, feinen Diamantstaub als Saatkristalle in der Schicht aus Metallkarbid zu vergraben.
Weiterhin, wenn eine Diamantelektrode z.B. unter Verwendung von Niobium als das Substrat hergestellt wird, wird ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat mit der gleichen Form der endgültigen Elektrode vorbereitet und direkt darauf mit einem Diamantfilm beschichtet. Da der Beschichtungsprozess bei einer hohen Temperatur wie 800°C oder mehr ausgeführt wird, gibt es ein Problem, dass die Elektrode nicht wie entworfen erhalten werden kann, weil Deformation durch thermische Effekte in dem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat stattfinden. Die Deformation aufgrund der Hitze wird beachtlicher, wenn die Elektrode eine dreidimensionale Struktur aufweist.
Weiterhin ist das bestehende Fertigungsverfahren für Diamantelektroden im Wesentlichen eine Batchverarbeitung. Dies bedeutet, dass Siliziumscheiben oder Metallsubstrate losweise in die CVD-Einheit eingebracht werden, und Druckredukti on, Temperaturerhöhung, Beschichtung, Temperaturabsenkung, Druckerhöhung werden in der CVD-Einheit wiederholt mit einem enormen Energieverlust im Herstellungsverfahren. Entsprechend stören diese Probleme besonders die Massenproduktion von Diamantelektroden, und dies ist einer der Gründe, warum Diamantelektroden nicht weit verbreitet sind.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Probleme zu überwinden, und sie beabsichtigt, eine industriell anwendbare Diamantelektrode und ein diamantbeschichtetes Silizium, das in der Diamantelektrode verwendet wird, bereitzustellen.
(Mittel zum Lösen der Aufgabe)
Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass die vorangegangenen Probleme, wenn elektrisch leitfähige Diamanten auf ein Siliziumsubstrat mit einer bestimmten Dicke beschichtet werden, überwunden werden können, und hierdurch ist die vorliegende Erfindung vervollständigt worden.
Das heißt, der erste Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein diamantbeschichtetes Silizium, bei dem ein Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 500 μm oder weniger zumindest teilweise mit elektrische leitfähigem Diamant beschichtet ist.
Weiterhin bezieht sich der zweite Aspekt der Erfindung auf eine Elektrode, die ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat und das diamantbeschichtete Silizium umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a und 1b sind Darstellungen, die eine Struktur eines diamantbeschichteten Siliziums gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
2 ist eine Darstellung, die eine Elektrode gemäß der Erfindung zeigt.
3 ist eine Darstellung, die eine Elektrode gemäß der Erfindung zeigt.
4 ist eine Darstellung, die eine Elektrode gemäß der Erfindung zeigt.
Günstigste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
Das Siliziumsubstrat, das in der Erfindung verwendet wird, ist nicht besonders beschränkt, solange es eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist. Zum Beispiel Siliziumsubstrate, die durch In-Scheibenschneiden eines Siliziumblocks erhalten werden, was zur Bereitstellung von Siliziumscheiben verwendet wird, mit einer Dicke von 500 μm oder weniger, können verwendet werden. Jedoch, wenn der Siliziumblock in Scheiben geschnitten wird, ist der Schneideabschnitt verschwendet; dementsprechend ist es zu bevorzugen, Siliziumsubstrate zu verwenden, die in einer Dicke von 500 μm oder weniger mittels eines plattenartigen Kristallwachstumsprozesses hergestellt werden. Hier bedeutet der plattenartige Kristallwachstumsprozess einen Prozess zum Erhalten eines plattenartigen Siliziumsubstrats, und er ist nicht besonders eingeschränkt, solange ein Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 500 μm oder weniger erhalten werden kann.
Es gibt keine besondere untere Grenze bei der Dicke des Siliziumsubstrats, das in der Erfindung verwendet wird. Jedoch aus Sicht des Handhabungskomforts sind Dicken von 0,1 μm oder mehr zu bevorzugen. Das heißt, dass die Dicke des Siliziumsubstrats, das bei der Erfindung verwendet wird, bevorzugterweise im Bereich von 0,1 bis 500 μm ist, stärker bevorzugt im Bereich von 10 bis 300 μm und noch stärker bevorzugt im Bereich von 50 bis 200 μm. Wenn die Dicke 500 μm überschreitet, steigt der elektrische Widerstand an, was in Nachteilen für die Verwendung als Elektrode resultiert. Weiterhin, wenn die Dicke 500 μm überschreitet, steigt die Zerbrechlichkeit aufgrund der Abnahme der Flexibilität, und die thermische Ausdehnung aufgrund der erzeugten Hitze durch die hohe Stromdichte ist schwer zu absorbieren, was in einem raschen Springen resultiert.
Weiterhin kann das Siliziumsubstrat, das bei der Erfindung verwendet wird, irgendeines von einem einkristallinen, poly-kristallinen oder einem amorphen sein. Jedoch, vom Blickpunkt der Erleichterung beim Diamantfilmbeschichten und besseren Anhaftens, wird bevorzugt ein Einkristall verwendet.
1a und 1b zeigen Beispiele von Ausführungsformen von diamantbeschichtetem Silizium gemäß der Erfindung. Bei dem diamantbeschichteten Silizium ist Siliziumsubstrat 70a mit einer elektrisch leitfähigen Diamantschicht 70b beschichtet. Das Beispiel, das in 1a gezeigt wird, weist ein diamantbeschichtetes Silizium mit einer Breite von 100 mm und einer Länge von 1 m auf, aber die Breite und Länge kann größer oder kleiner sein. Weiterhin, wie in 1b gezeigt, ist das diamantbeschichtete Silizium gemäß der Erfindung aufgrund der dünneren Dicke flexibel, und eine große Elektrode, wie unten beschrieben, kann ebenfalls rasch zusammengestellt werden.
Im Folgenden wird eine Elektrode gemäß der Erfindung beschrieben werden. Eine Elektrode gemäß der Erfindung ist versehen mit einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat und einem diamantbeschichteten Silizium. Das elektrisch leitfähige Trägersubstrat, das in der Erfindung verwendet wird, ist nicht besonders beschränkt, solange es elektrische Leitfähigkeit aufweist und das diamantbeschichtete Silizium tragen kann. Das heißt, dass das elektrisch leitfähige Trägersubstrat elektrischen Strom zu dem Diamant liefert, der auf dem Siliziumsubstrat gebildet ist, und dass es als mechanische Verstärkung des diamantbeschichteten Siliziums dient und hierdurch das diamantbeschichtete Silizium davor beschützt, beschädigt zu werden. Weiterhin kann das Material und die Form des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates geeignet ausgewählt werden, entsprechend der Zielanwendung der Elektroden, elektrolytischer Reaktionen, Vorrichtungsstrukturen oder Vorrichtungsentwürfen. Hierdurch kann der Grad der Freiheit beim Entwurf von Elektrode und Vorrichtung vergrößert werden.
Beispiele für elektrisch leitfähige Trägersubstrate beinhalten Metalle wie Titan, Nickel, Tantal, Kupfer, Aluminium, Niobium und Eisen; Kohlenstoffmaterialien wie Graphit und verschiedene Arten von Legierungen wie rostfreien Stahl, Kohlenstoffstahl, Messing, Inconel, Monelmetall und Hastelloy. Edelmetalle wie Platin, Iridium, Ruthenium, Gold und Silber, überzogen auf den obigen Metallen, Kohlenstoffmaterialien und Legierungen; wie auch Metalle, Kohlenstoffmaterialien oder Legierungen, die mit Oxiden der Edelmetalle oder Edelmetallmischungen durch Sinterprozesse beschichtet sind, können auch verwendet werden. Das elektrisch leitfähige Trägersubstrat ist bevorzugterweise oberflächenbehandelt oder gereinigt durch Vorbehandlung, abhängig von der Art des Trägersubstrates. Wenn z.B. Titan als elektrisch leitfähiges Trägersubstrat verwendet wird, wird bevorzugterweise die Oberfläche von Titan im Voraus aufgeraut mit Säure, Alkali oder Strahlen. Es ist zu bevorzugen, dass das Trägersubstrat Gegenstand der Oberflächenbehandlung ist, danach mit reinem Wasser gereinigt wird und danach dem folgenden Prozess des Schweißens, Anhaftung an diamantbeschichtetes Silizium, unterworfen wird. Die Rückfläche des diamantbeschichteten Siliziums, an dem das elektrisch leitfähige Trägersubstrat geschweißt oder angehaftet werden wird, das heißt, die Fläche des Siliziumsubstrates, an der die Diamantschicht nicht beschichtet ist, ist ebenfalls bevorzugterweise im Voraus oberflächenbehandelt. Die Rückfläche des diamantbeschichteten Siliziums kann ebenfalls aufgeraut werden mit Sandpapier oder einem Schleifstein, hergestellt aus Siliziumkarbid. Die Anhaftung und/oder die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem diamantbeschichteten Silizium und dem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat werden durch Anwendung dieser Oberflächenbehandlungen verbessert.
Schweißen oder Anhaften des diamantbeschichteten Siliziums und des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates können durch verschiedene Arten von Prozessen ausgeführt werden. Metalle mit einem niedrigen Schmelzpunkt wie Kupfer, Aluminium, Indium oder entsprechende Legierungen können zum Verlöten verwendet werden. Andere stärkere Anhaftungs- oder Schweißverfahren wie heißisostatisches Pressen (HIP) oder thermisches Diffusionsverbinden können eben falls anstelle von Verlöten angewendet werden. Schweißen kann ebenfalls ausgeführt werden durch Auflösen von Pulver aus Gold, Platin oder Silber in einer organischen Lösung wie Cyclo-Hexan, und folgende Anwendung der resultierenden Mischung auf das elektrisch leitfähige Trägersubstrat oder die Rückfläche des diamantbeschichteten Siliziums mittels Druckverfahren und darauffolgendes Sintern bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 600°C bei absinkender Atmosphäre. Weiterhin kann Schweißen des diamantbeschichteten Siliziums und des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates durch vergleichbares Aufbringen einer Paste aus Gold, Platin, Silber oder Kupfer durch das Druckverfahren ausgeführt werden, und darauffolgendes Sintern bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 1000°C unter einer abnehmenden Atmosphäre. Darüber hinaus können das elektrisch leitfähige Trägersubstrat und das diamantbeschichtete Silizium bei einer niedrigeren Temperatur angehaftet werden, durch Verwendung elektrisch leitfähigen Epoxidharzes, das Gold, Platin, Silber oder Kupfer beinhaltet. Ein einfacherer Prozess zur Anhaftung kann unter Verwendung von elektrisch leitfähigem Band aus Kohlenstoff, Kupfer mit einer doppelten Klebeseite ausgeführt werden. Die Metalle und Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt wie Kupfer, Aluminium oder Indium; die elektrisch leitfähigen Epoxidharze, die Gold, Platin, Silber oder Kupfer beinhalten; und die elektrisch leitfähigen Bänder aus Kohlenstoff, Kupfer mit doppelter Klebeseite bilden ein elektrisch leitfähiges Bindematerial, das bei der Erfindung zu verwenden ist.
Das elektrisch leitfähige Trägersubstrat und das diamantbeschichtete Silizium sind nicht notwendigerweise auf der gesamten Oberfläche angehaftet oder geschweißt. Sie sind bevorzugterweise zumindest an einem Platz angehaftet oder geschweißt. Sie können lokal in einem Punkt angehaftet sein oder Linien mit angemessener Weite und Abstand. Weiterhin mag zumindest eine Fläche des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates an das diamantbeschichtete Silizium angehaftet oder geschweißt sein.
Da das für die Elektrode zu benutzende diamantbeschichtete Silizium gemäß der Erfindung flexibel ist, kann es z.B. an einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat mit einer zylindrischen Form angehaftet werden, wobei eine dreidimensionale Elektrodenstruktur gebildet wird. Weiterhin kann eine Elektrode gemäß der Erfindung nicht nur für eine großflächige Elektrode, die weiter unten beschrieben wird, verwendet werden, sondern ebenfalls in einer kleinen Elektrode zur Verwendung in einem Sensor, zum Beispiel. Wenn die kleine Elektrode hergestellt ist, kann beispielsweise ein elektro-chemischer Sensor mit einer 1 mm² großen und 100 μm dicken Elektrode einfach hergestellt werden durch Schneiden des diamantbeschichteten Siliziums mit einem Diamantschneider und folgendem Verbinden des geschnittenen diamantbeschichteten Siliziums mit dem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat.
In 2 ist ein Beispiel einer Elektrode gemäß der Erfindung gezeigt. 2 zeigt ein Beispiel einer Elektrode, die zum Sterilisieren von Wasser verwendet werden kann. In diesem Beispiel ist die Elektrode zusammengesetzt aus einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat 72, angehaftet oder geschweißt an das diamantbeschichtete Silizium 73; eine Dichtung 74, die aus einem isolierenden Material hergestellt ist; und eine Elektrode 75, die als Gegenelektrode arbeitet. In diesem Beispiel bildet die elektrolytische Zelle eine Filterpressbauform durch Fixierung derselben mit Schrauben. Hier arbeitet das diamantbeschichtete Silizium als Anode und die Dichtung 74 arbeitet auch als Platzhalter gegenüber der Gegenelektrode. Die Gegenelektrode, die als Kathode arbeitet, kann aus dem gleichen diamantbeschichteten Silizium und dem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat gebildet werden oder kann durch irgendwelche Materialien mit niedrigerem Korrosionswiderstand wie Edelstahl oder einer Titanplatte gebildet werden. Die Dichtung 74 ist mit einer Aussparung versehen und zu bearbeitendes Wasser, das von einer Leitung 79 eingeführt wird, fließt durch die Aussparung im Aufwärtsströmbetrieb und wird zusammen mit an der Kathode generiertem Wasserstoff über die Leitung 78 entwässert. Auf der Oberfläche des Diamantfilms werden OH-Radikale gebildet oder Chloridionen, die im zu bearbeitenden Wasser enthalten sind, werden zu Hypochlorsäure umgebildet, und das Wasser, das zu bearbeiten ist, ist aufgrund dieser OH-Radikale oder der Hypochlorsäure sterilisiert. Die Weite und Länge der Aussparung der Dichtung 74 werden bevorzugterweise auf 5 bis 40 mm weniger als die Weite des diamantbeschichteten Siliziums festgelegt. Mit dieser Anordnung kommt das elektrisch leitfähige Trägersubstrat nicht in direkten Kontakt mit dem zu bearbeitenden Wasser. Das elektrisch leitfähige Trägersubstrat kann korrodiert werden, wenn das zu bearbeitenden Wasser und das elektrisch leitfähige Trägersubstrat in Kontakt kommen. Als Material für die Dichtung 74 können verschiedene Materialien von Gummis verwendet werden, wie z.B. Silikongummi und natürliches Gummi oder relativ weiche Kunststoffe wie Teflon (registrierter Handelsname) und weiches Vinylchlorid, und bevorzugterweise wird fluoriertes Gummi verwendet. Der Abstand zwischen den Elektroden ist nicht besonders eingeschränkt, aber von einem praktischen Gesichtspunkt im Bereich von 1 bis 40 mm.
3 zeigt ein Beispiel, in dem eine Elektrode gemäß der Erfindung als bipolare Elektrode (Unterelektrode) in der elektrolytischen Zelle verwendet wird. Die bipolartyp-elektrolytische Zelle kann ein Anwachsen der zu bearbeitenden Wassermenge durch Vergrößern der Zahl der Elektroden und der Dichtungen bewältigen. 3 zeigt eine zwei-partitionen-bipolartyp-elektrolytische Zelle, in der das diamantbeschichtete Silizium 73b und 73c an beiden Flächen des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates 72b angehaftet ist, das im Zentrum der elektrolytischen Zelle angeordnet ist. Andere Anordnungen sind die gleichen wie in 2. Wenn das diamantbeschichtete Silizium auf beiden Oberflächen des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates haftet, wird das diamantbeschichtete Silizium 73b als Kathode arbeiten und das diamantbeschichtete Silizium 73c als Anode. Dadurch kann durch Verwendung der Elektrode gemäß der Erfindung eine bipolartyp-elektrolytische Zelle einfach gefertigt werden, und hierdurch kann eine kompakte Elektrode bereitgestellt werden. Eine getrennt-typ-elektrolytische Zelle kann ebenfalls durch Zwischenanordnen eines Ionenaustauschmaterials zwischen die Elektroden, gezeigt in 2 und 3, hergestellt werden.
4 zeigt ein Beispiel einer Elektrode, bei der mehrere diamantbeschichtete Siliziums 73 auf eine einzige Platte angehaftet sind, die aus elektrisch leitfähigem Trägersubstrat 72 ist. Hierdurch kann mit dem diamantbeschichteten Silizium gemäß der Erfindung ebenfalls eine breitere Elektrode hergestellt werden. Das diamantbeschichtete Silizium 73 und das elektrisch leitfähige Trägersubstrat 72 sind verschweißt mittels Sintern oder ähnlichem oben genannten. Hier ist das elektrisch leitfähige Trägersubstrat 72 in den Teilen exponiert, in denen das diamantbeschichtete Silizium 73 nicht anhaftet, d.h. in den Randbereichen der Elektrode oder zwischen dem diamantbeschichteten Silizium 73 und dem diamantbeschichteten Silizium 73. In diesem Fall ist der exponierte Teil vorzugsweise mit einem korrosionsresistenten Kunststoffpolymer oder ähnlichem bedeckt oder gefüllt. Als Deckmaterial oder Füllmittel können verschiedene Arten von Kunststoffpolymeren verwendet werden; jedoch kann bevorzugterweise ein fluoriertes Harz verwendet werden. Nachstehend wird ein Beispiel eines Prozesses, bei dem der exponierte Teil des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates mit einem fluorierten Harz bedeckt ist, beschrieben, aber die Erfindung ist nicht auf diesen Prozess begrenzt, und andere Prozesse können verwendet werden. Ein Schmelzbad, in das das elektrisch leitfähige Stützmaterial, das in 4 gezeigt ist, eingeführt werden kann, werden vorbereitet, und dann wird ein fluoriertes Harz in das Schmelzbad eingeführt und dann auf eine Temperatur im Bereich von 250 bis 450°C aufgeheizt. Der Schmelzpunkt des fluorierten Harzes ist in Abhängigkeit von der Art des Harzes unterschiedlich; jedoch schmilzt bei einer vorbestimmten Temperatur das fluorierte Harz und wird flüssig. In das Bad, in dem das fluorierte Harz flüssig gemacht wird, wird das elektrisch leitfähige Trägersubstrat 72, auf dem das diamantbeschichtete Silizium 73 haftet, zur Anwendung der Tauchhartlötung eingeführt. Wenn das diamantbeschichtete Silizium 73 nur auf einer Fläche des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates 72 anhaftet und die Rückseitenoberfläche davon nicht mit fluoriertem Harz beschichtet wurde, kann bevorzugterweise die Abdeckung mit einem dünnen Metall wie einer Aluminiumfolie oder einer Kupferfolie angewendet werden. Die gesamte Oberfläche des aus dem Schmelzbad genom menen elektrisch leitfähigen Trägersubstrats 72 ist mit dem fluorierten Harz bedeckt. Das elektrisch leitfähige Trägersubstrat 72 ist exzellent in der Anhaftung an das fluorierte Harz, weil es durch Bestrahlung oder ähnliches oberflächenbehandelt wurde. Im Gegensatz hierzu ist der Teil des diamantbeschichteten Siliziums 73 schwach in der Anhaftung aufgrund der Eigenschaften einer Kristallstruktur von Diamant, und das fluorierte Harz kann leicht abgelöst werden. Wenn das bedeckende, fluorierte Harz mit einem Schneidemesser oder ähnlichem ein Stück innerhalb des diamantbeschichteten Siliziums 73 entlang ausgeschnitten wird, wird sich nur die fluorierte Harzbeschichtung des diamantbedeckten Teils ablösen. So kann eine Elektrode, bei der nur die Oberfläche des diamantbeschichteten Siliziumsteils exponiert ist und die anderen Teile des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates gegenüber der elektrolytischen Reaktion inaktiv sind. gefertigt werden. Hierdurch kann eine großflächige Elektrode, die die Vorteile von Diamant ausnutzt, günstig und effizient gefertigt werden.
(Vorteil der Erfindung)
Durch Verwendung von diamantbeschichtetem Silizium gemäß der Erfindung kann eine großflächige Elektrode oder eine dreidimensional strukturierte Elektrode erhalten werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, eine industriell einsetzbare Diamantelektrode und ein in der Elektrode verwendetes diamantbeschichtetes Silizium bereitzustellen. Ein Siliziumsubstrat, das eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist, wobei es zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist, wird als diamantbeschichtetes Silizium verwendet. Zusätzlich wird ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat und das diamantbeschichtete Silizium als eine Elektrode verwendet. Das diamantbeschichtete Silizium ist flexibel und es kann an das elektrisch leitfähige Trägersubstrat angehaftet werden, und dadurch kann eine großflächige Elektrode und eine dreidimensionale Elektrodenstruktur einfach erhalten werden.

Claims

Diamantbeschichtetes Silizium, das ein Siliziumsubstrat umfasst, das eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist, welches zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist.
Elektrode, die ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat und das diamantbeschichtete Silizium nach Anspruch 1 umfasst.
Elektrode nach Anspruch 2, worin zumindest ein Teil des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates mit dem diamantbeschichteten Silizium verbunden ist.
Elektrode nach Anspruch 2, worin zumindest eine Oberfläche des elektrisch leitfähigen Trägersubstrates mit dem diamantbeschichteten Silizium verbunden ist.
Elektroden nach Anspruch 3 oder 4, worin das elektrisch leitfähige Stützmaterial mit einem elektrisch leitfähigen Bindematerial mit dem diamantbeschichteten Silizium verbunden ist.
Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, worin die Verbindung durch Schweißen oder Anhaftung ausgeführt wird.