WO2023061759A1 - Wachstum von nanodrähten - Google Patents

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WO2023061759A1
WO2023061759A1 PCT/EP2022/077019 EP2022077019W WO2023061759A1 WO 2023061759 A1 WO2023061759 A1 WO 2023061759A1 EP 2022077019 W EP2022077019 W EP 2022077019W WO 2023061759 A1 WO2023061759 A1 WO 2023061759A1
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WO
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electrolyte
permeable layer
electrically conductive
nanowires
conductive surface
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PCT/EP2022/077019
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English (en)
French (fr)
Inventor
Olav Birlem
Florian DASSINGER
Sebastian Quednau
Farough ROUSTAIE
Original Assignee
Nanowired Gmbh
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Publication date
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/10—Moulds; Masks; Masterforms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/006—Nanostructures, e.g. using aluminium anodic oxidation templates [AAO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/04—Wires; Strips; Foils

Definitions

  • the invention relates to the growth of nanowires on a surface.
  • Nanowires galvanically from an electrolyte onto an electrically conductive surface An example is described in DE 102017 104906 A1.
  • a foil is applied to the surface to be covered.
  • the film has continuous channels, which are referred to as pores in DE 102017 104906 A1.
  • the nanowires can be grown into the channels.
  • the foil can then be removed, for example by etching, in order to expose the grown nanowires.
  • the nanowires can be used to connect components to one another.
  • the surface of one or both components is covered with nanowires.
  • the components are then brought together in such a way that the nanowires of one component connect to the surface of the other component or that the nanowires of the surfaces of the two components connect to one another.
  • a sponge is provided as a means for preparing the electrolyte.
  • the electrolyte can be distributed over the foil through the sponge.
  • the foil can also be pressed to the surface with the sponge. This is to prevent material from being deposited at undesired points between the surface to be grown over and the film. Without this pressing, material could also be deposited between the surface to be grown and the foil outside the area in which the nanowires are to be grown. This effect is referred to below as "lateral growth”. If the lateral growth is undesirable, one can also speak of "parasitic lateral growth”. Lateral growth can be prevented by pressing the foil sufficiently hard against the surface to be covered. However, this can clog the pores of the sponge and/or seal channels in the film, which would cause the nanowires to grow unevenly.
  • a closed thickening area would first arise from the deposited material, which can be referred to as a bump.
  • a bump could result in an undesirably large gap being formed between surfaces of components to be connected to one another.
  • such a bump could mean that components can only be connected to one another at a comparatively large distance from one another.
  • the geometric height of the connection or the total thickness of the components connected to one another can be greater than desired. This is particularly critical for geometrically demanding assemblies such as mobile phones, tablets or televisions.
  • an arrangement for producing a large number of nanowires is presented.
  • the arrangement includes the following elements, which are arranged in the order given:
  • a second electrolyte-permeable layer which is more compressible than the first electrolyte-permeable layer, wherein the arrangement further comprises an electrode, and wherein the arrangement is set up so that the nanowires by applying an electrical voltage between the electrically conductive surface and the electrode galvanically from a Electrolytes can be grown into the channels of the foil onto the electrically conductive surface.
  • a multiplicity of nanowires can be produced on the electrically conductive surface, in particular by means of galvanic growth.
  • the electrically conductive surface can be part of an electrically conductive body. If nanowires are to be produced on a body that is not electrically conductive or not sufficiently conductive, the surface of the body or a part thereof can be metallized, as a result of which an electrically conductive surface is obtained.
  • a nanowire is understood here to mean any material body that has a wire-like shape and a size in the nanometer range.
  • a nanowire can, for example, have a circular, oval or polygonal base.
  • a nanowire can have a hexagonal base
  • the nanowires are preferably made of a metal, for example copper.All the nanowires are preferably made of the same material.
  • the nanowires are preferably perpendicular to the surface.In this case, the nanowires are arranged in the manner of a lawn.
  • the nanowires preferably have a length in the range from 100 nm [nanometer] to 100 ⁇ m [micrometer], in particular in the range from 500 nm to 50 ⁇ m. Furthermore, the nanowires preferably have a diameter in the range from 10 to 10,000 nm, in particular in the range from 30 to 4,000 nm.
  • the term diameter refers to a circular base area, with a base area deviating from this, a comparable definition of a diameter is to be used. It is particularly preferred that all nanowires used have the same length and the same diameter.
  • the nanowires can be used to connect components to one another. In this way, nanowires can be grown on the contact surface of a first component and on the contact surface of a second component.
  • the two contact surfaces are each used as the electrically conductive surface of the arrangement described.
  • the two components can then be brought together so that the nanowires of the two contact surfaces come into contact with one another. Due to the large surface area of the nanowires, a mechanically stable connection is created, which is also electrically conductive in the case of electrically conductive nanowires and/or thermally conductive in the case of thermally conductive nanowires.
  • the connection can be formed without great effort. In particular, no high temperatures are required, as they occur with conventional connection technologies in the electronics industry, for example when soldering.
  • the connection can be strengthened by briefly pressing the components together with increased pressure.
  • the components can also be connected if only the contact surface of a first component is covered with nanowires. If the components are then brought together and heated, for example to at least 90 °C, the nanowires connect to the contact surface of the second component. In both process variants, an adhesive can also be used to strengthen the connection.
  • the assembly further includes a sheet having a plurality of channels extending from a first side of the sheet to a second side of the sheet opposite the first side.
  • the channels are therefore continuous and extend through the foil.
  • the channels are arranged and formed like the nanowires to be grown.
  • the channels can be filled with material by means of galvanic growth, which can be used to create the nanowires.
  • the foil can be removed, for example by etching. In this way, the nanowires can be exposed and used, for example, to connect components.
  • the arrangement comprises a first electrolyte-permeable layer and a second electrolyte-permeable layer.
  • the two electrolyte-permeable layers together serve to evenly distribute the electrolyte throughout the foil to achieve uniform growth of the nanowires.
  • the foil can be pressed onto the electrically conductive surface via the two electrolyte-permeable layers in order to restrict and prevent lateral growth, that too much material is deposited between the foil and the electrically conductive surface.
  • the first electrolyte permeable layer is less compressible than the second electrolyte permeable layer.
  • the second electrolyte-permeable layer in particular is compressed.
  • the film is pressed onto the electrically conductive surface and/or onto a lithographic layer via the first electrolyte-permeable layer. This prevents too much material from being deposited between the foil and the electrically conductive surface. Page growth is thus restricted.
  • the electrolyte may not be discharged uniformly from the second electrolyte permeable layer to the first electrolyte permeable layer.
  • the first electrolyte-permeable layer is less compressible than the second electrolyte-permeable layer, the first electrolyte-permeable layer is compressed less than the second electrolyte-permeable layer.
  • the pores of the first electrolyte-permeable layer therefore tend to remain open than the pores of the second electrolyte-permeable layer.
  • the possibly uneven delivery of the electrolyte from the second electrolyte-permeable layer to the first electrolyte-permeable layer can be compensated for, so that the electrolyte can be delivered evenly from the first electrolyte-permeable layer to the foil and the nanowires can be grown evenly in the channels of the foil.
  • the arrangement described has two electrolyte-permeable layers with different properties.
  • the arrangement can also have more than two electrolyte-permeable layers. This enables an even finer functional division into the individual electrolyte-permeable layers.
  • the advantages described can be achieved all the more as a result.
  • the foil can be pressed onto the electrically conductive surface by the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer. By pressing on, the electrolyte can be released from the second electrolyte-permeable layer to the first electrolyte-permeable layer and from the first electrolyte-permeable layer to the foil. If there were only a single electrolyte-permeable layer, it could either be so compressible that with which the electrolyte could be released by pressing.
  • the electrolyte-permeable layer as a spring system could compensate for local unevenness on the surface to be grown and/or on the film and ensure that the film is pressed evenly against the surface to be grown over the entire surface to be grown.
  • the electrolyte-permeable layer becomes more and more dense with increasing contact pressure, so that zones also arise within the electrolyte-permeable layer which are only poorly permeable for the electrolyte. This can lead to local depletion of the electrolyte during the growth of the nanowires. This in turn can cause the nanowires to grow unevenly.
  • the pores of the electrolyte-permeable layer can even become clogged and/or channels in the film can be closed.
  • the electrolyte-permeable layer could be so little compressible that the disadvantages described above do not occur.
  • the microporosity of the electrolyte-permeable layer could remain constant even with increasing contact pressure. In this way, thorough mixing of the electrolyte in the electrolyte-permeable layer could be achieved over a large range of contact pressure.
  • the disadvantage of an incompressible electrolyte-permeable layer is that it cannot adequately compensate for the unevenness of the surface to be grown and/or the film. This can lead to zones on the surface to be grown on, in which the foil is pressed very tightly to the surface to be grown on, and to zones in which there is still a gap between the surface and the foil.
  • the disadvantages described above can be circumvented.
  • a spring effect can be achieved to compensate for unevenness.
  • clogging of the channels of the film can be prevented and good mixing of the electrolyte can be maintained even with a high contact pressure.
  • the first electrolyte-permeable layer can therefore be designed in such a way that, despite low grain pressability can deliver the electrolyte well. In the case of the less compressible first electrolyte-permeable layer, the pores can be kept open more easily.
  • the first electrolyte permeable layer preferably has negligible compressibility. It can therefore also be called incompressible. This is to be understood here as meaning that the first electrolyte-permeable layer is not significantly compressed under the forces that usually occur during operation of the arrangement.
  • the first electrolyte permeable layer and the second electrolyte permeable layer are permeable to the electrolyte. It's not limited to any particular direction.
  • the electrolyte can not only pass through the electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer in a direction perpendicular to the electrically conductive surface, but also spread parallel to the electrically conductive surface within the first electrolyte-permeable layer or within the second electrolyte-permeable layer.
  • the electrolyte can thus be distributed parallel to the electrically conductive surface by means of the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer. This enables a particularly uniform growth of the nanowires.
  • first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer are preferably porous can also be described in that the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer have an open structure.
  • the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer are preferably porous.
  • porous means that the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer are porous and to this extent permeable to the electrolyte.
  • the first electrolyte-permeable layer and/or the second electrolyte-permeable layer can be formed as a respective fabric.
  • the foil is preferably designed in such a way that the foil is permeable to the electrolyte only in one direction perpendicular to the foil.
  • the electrolyte cannot therefore spread through the foil parallel to the electrically conductive surface.
  • the film differs from the first electrolyte-permeable film Layer and from the second electrolyte-permeable layer.
  • the film is therefore not porous in the sense of this term used here.
  • the channels of the film are not referred to as pores here either.
  • the channels of the foil are preferably each without branches.
  • the channels are preferably separated from each other. The channels therefore do not form a network of channels that branch out or are connected to one another.
  • the arrangement also has an electrode.
  • the arrangement preferably also has a voltage source which is connected on the one hand to the electrically conductive surface and on the other hand to the electrode. With the voltage source, an electrical voltage can be applied between the electrically conductive surface and the electrode to grow the nanowires.
  • the elements of the assembly are arranged in the following order: the electrically conductive surface, the foil, the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer.
  • the electrode preferably follows the second electrolyte-permeable layer in this order.
  • the electrode is preferably in contact with the second electrolyte-permeable layer.
  • an intermediate layer to be provided between the electrode and the second electrolyte-permeable layer, for example in the form of a further electrolyte-permeable layer.
  • the second electrolyte permeable layer preferably abuts the first electrolyte permeable layer.
  • an intermediate layer to be provided between the second electrolyte-permeable layer and the first electrolyte-permeable layer, for example in the form of a further electrolyte-permeable layer.
  • the first electrolyte-permeable layer is preferably in contact with the foil.
  • an intermediate layer to be provided between the first electrolyte-permeable layer and the film, for example in the form of a further electrolyte-permeable layer.
  • concern means that there is direct contact between the respective elements.
  • the film can lie against the electrically conductive surface. But that is not necessary. This applies in particular if the electrically conductive surface is formed in a recess in a lithographic layer. In that case, the film is preferably in contact with the lithographic layer. Depending on the design of the lithographic layer and the electrically conductive surface, it may be that between the electrically conductive surface and the film is formed a free space. As the nanowires grow, this free space is filled with the material of the nanowires. Only then are the channels of the film filled with the material.
  • the electrically conductive surface, the foil, the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer preferably form a layered structure.
  • the direction perpendicular to the electrically conductive surface can be referred to as a stacking direction.
  • the foil, the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer are preferably each formed perpendicularly to the stacking direction. This applies in particular to the preferred case in which the film is formed in the manner of a layer.
  • the electrode is preferably also part of the layer structure.
  • the electrode is preferably also formed as one layer and in particular is also formed perpendicularly to the stacking direction.
  • the arrangement is set up in such a way that the nanowires can be grown galvanically from an electrolyte into the channels of the film onto the electrically conductive surface by applying an electrical voltage between the electrically conductive surface and the electrode.
  • the nanowires can be grown by providing an electrolyte.
  • the electrolyte is preferably a liquid from which the material of the nanowires can be electrodeposited.
  • the electrolyte is arranged in such a way that both the electrode and the electrically conductive surface are in contact with the electrolyte and are connected to one another via it.
  • the channels in the film, pores in the first electrolyte-permeable layer and pores in the second electrolyte-permeable layer are filled with the electrolyte.
  • the electrolyte can be introduced into the second electrolyte-permeable layer and distributed through the second electrolyte-permeable layer and the first electrolyte-permeable layer to the channels of the foil.
  • the arrangement can also have a chamber for the electrolyte. During the growth of the nanowires, the chamber is filled with electrolyte.
  • a substrate can be provided with nanowires over a large area.
  • the arrangement described is also particularly well suited for growing nanowires on a structured substrate.
  • the surface of a substrate can be structured with lithographic means so that the Nanowires are grown only in recesses of a lithographic layer. Since the lateral growth can be restricted particularly strongly with the arrangement described, regions with nanowires can be particularly close to one another without electrical contact occurring between the adjacent regions with nanowires.
  • electrically conductive pads that are at a small distance from one another and are electrically insulated from one another can be overgrown with nanowires without lateral growth leading to a short circuit between the electrically conductive pads.
  • the arrangement described can be used to grow nanowires for the purpose of interconnecting components with a plurality of electrical contacts.
  • a large number of separate electrically conductive connections can be formed between two components via the electrically conductive pads overgrown with nanowires, which at the same time firmly connect the components to one another in a mechanically and/or thermally conductive manner.
  • the first electrolyte-permeable layer and the second electrolyte-permeable layer are porous, the second electrolyte-permeable layer having a larger average pore size than the first electrolyte-permeable layer.
  • the second electrolyte-permeable layer has larger pores than the first electrolyte-permeable layer.
  • the second electrolyte-permeable layer thus has a comparatively large average pore size.
  • the second electrolyte-permeable layer is highly permeable for the electrolyte, so that the electrolyte can be distributed particularly well. If the second electrolyte-permeable layer were to lie directly on the foil, the large pore size would be disadvantageous.
  • the second electrolyte-permeable layer is pressed against the foil, some of the channels of the foil could be closed by material of the second electrolyte-permeable layer. In order to prevent this, the first electrolyte-permeable layer is provided.
  • the first electrolyte-permeable layer preferably has so many pore openings on its surface in the uncompressed state that there are on average several pore openings on the surface of the first electrolyte-permeable layer in an area the size of the cross-sectional area of a channel of the film. In this way, each channel can be supplied with electrolyte via several pore openings.
  • the second electrolyte permeable layer preferably has an average pore size larger by a factor of 1 to 20 than the first electrolyte permeable layer.
  • the second electrolyte-permeable layer has a greater number of pores than the first electrolyte-permeable layer by a factor of 1 to 20.
  • the pores of the second electrolyte-permeable layer preferably have an extent in the range from 30 to 400 nm, in particular in the range from 100 to 220 nm.
  • the second electrolyte-permeable layer is larger than the first electrolyte-permeable layer in a direction perpendicular to the electrically conductive surface in an uncompressed state.
  • the uncompressed second electrolyte-permeable layer thus has a greater extent than the uncompressed first electrolyte-permeable layer.
  • This can also be described as the second electrolyte permeable layer being thicker than the first electrolyte permeable layer when both are uncompressed.
  • the second electrolyte-permeable layer is expanded in the direction perpendicular to the electrically conductive surface in the uncompressed state by a factor of 2 to 20 greater than the first electrolyte-permeable layer.
  • first electrolyte-permeable layer gives the best results with regard to the uniformity of the growth of the nanowires and the limitation of the lateral growth. Due to the fact that the second electrolyte-permeable layer is comparatively large, it can be sufficiently compressed. The less compressible first electrolyte-permeable layer does not have to be larger in order to fulfill its task. This is due in particular to the fact that in first electrolyte-permeable layer only a fine distribution of the electrolyte must be done.
  • the first electrolyte-permeable layer is formed with cellulose.
  • the first electrolyte-permeable layer is formed exclusively from cellulose.
  • the advantages described can already be achieved if the first electrolyte-permeable layer has a proportion of cellulose.
  • the first electrolyte-permeable layer is preferably formed from at least 50% cellulose.
  • the second electrolyte-permeable layer is a sponge.
  • the arrangement also has a pressing device for generating a force on the second electrolyte-permeable layer in the direction of the electrically conductive surface.
  • the pressing device preferably comprises a stamp.
  • the layers of the described layer structure can be pressed together with the pressing device.
  • the foil can be pressed onto the electrically conductive surface and/or onto a lithographic layer, for example. This can prevent page growth.
  • the plunger preferably acts on the electrode.
  • the electrode can be part of the stamp.
  • the second electrolyte-permeable layer could, for example, also be pressed by hand in the direction of the electrically conductive surface.
  • the arrangement furthermore has a substrate with a lithographic layer, wherein the lithographic layer has one or more recesses, and wherein the electrically conductive surface is formed in the one or more recesses.
  • the lithographic layer is preferably in contact with the substrate.
  • the foil is preferably in contact with the lithographic layer.
  • the electrically conductive surface on which the nanowires are grown is formed on the lithographic layer.
  • the substrate is preferably a semiconductor substrate, for example made of silicon.
  • the substrate can be formed as a wafer.
  • the substrate can be metalized in the one or more recesses of the lithographic layer. In this way, the growth of the nanowires can be limited locally. If the substrate itself is already electrically conductive, the surface of the substrate in the one or more recesses of the lithographic layer itself can be considered the electrically conductive surface onto which the nanowires are grown.
  • the lithographic layer preferably has an extent in the range of 0.1 to 10 ⁇ m [microns] in a direction perpendicular to the electrically conductive surface,
  • a free space can be formed between the electrically conductive surface and the film. During the growth of the nanowires, this is filled with the material from which the nanowires in the channels of the foil are then also grown.
  • the lithographic layer preferably has a large number of recesses.
  • the recesses are preferably arranged regularly.
  • a pitch is preferably in the range from 1 to 10 ⁇ m [micrometers]. Pitch is to be understood as meaning the center distance between adjacent recesses.
  • a method for producing a multiplicity of nanowires with an arrangement configured as described is presented, the nanowires being galvanically formed from an electrolyte into the channels of the film on the by applying an electrical voltage between the electrically conductive surface and the electrode electrically conductive surface to be grown.
  • the described advantages and features of the arrangement can be applied and transferred to the method, and vice versa.
  • the arrangement is preferably set up for operation in accordance with the method.
  • the second electrolyte-permeable layer is pressed at least temporarily in the direction of the electrically conductive surface.
  • Fig. 1 an inventive arrangement for generating a variety of
  • the arrangement 1 shows an arrangement 1 for producing a multiplicity of nanowires 2.
  • the arrangement 1 comprises a substrate 12 with a lithographic layer 13.
  • the lithographic layer 13 has a recess 14 in which a metallization layer 15 is formed.
  • the metallization layer 15 is limited to the recess 14 by the lithographic layer 13 and does not extend over the entire substrate 12.
  • the nanowires 2 can be grown on this electrically conductive surface 3 .
  • the growth of the nanowires 2 is limited to the region of the recess 14 by the lithographic layer 13 .
  • the arrangement 1 also has a film 4 with a large number of channels 5 .
  • the channels 5 extend from a first side 6 of the film 4 to a second side 7 of the film 4 opposite the first side 6 .
  • the film 4 is in contact with the lithographic layer 13 .
  • the film 4 could be in contact with the metallization layer 15. But that is not necessary.
  • the film 4 is therefore shown at a distance from the metallization layer 15 . This is comparatively large for illustration in the schematic representation.
  • the foil 4 and the metallization layer 15 rest against each other, but not very tightly, so that during the growth of the nanowires 2 between the foil 4 and the metallization layer 15, at least locally, there is galvanic deposition of material between the film 4 and the electrically conductive surface 3 can come.
  • the arrangement 1 further comprises a first electrolyte-permeable layer 8 which bears against the foil 4 and a second electrolyte-permeable layer 9 which bears against the first electrolyte-permeable layer 8 .
  • the first electrolyte-permeable layer 8 and the second electrolyte-permeable layer 9 are porous.
  • the second electrolyte permeable layer 9 is more compressible than the first electrolyte permeable layer 8, has a larger average pore size than the first electrolyte permeable layer 8, and is electrically conductive in a direction perpendicular to that Surface extended larger than the first electrolyte-permeable layer 8.
  • the first electrolyte-permeable layer 8 is formed of cellulose.
  • the second electrolyte-permeable layer 9 is a sponge.
  • the arrangement 1 has an electrode 10 which is in contact with the second electrolyte-permeable layer 9 .
  • the arrangement 1 has a stamp as a pressing device 11 for generating a force on the second electrolyte-permeable layer 9 in the direction of the electrically conductive surface 3 .
  • the pressing device 11 rests against the electrode 10 and can use this to exert a force on the second electrolyte-permeable layer 9 in the direction of the electrically conductive surface 3 . This force compresses the foil 4, the first electrolyte-permeable layer 8 and the second electrolyte-permeable layer 9 between the lithographic layer 13 and the electrically conductive surface 3 and the electrode 10, respectively.
  • the arrangement 1 is set up in such a way that the nanowires 2 can be grown galvanically from an electrolyte into the channels 5 of the film 4 onto the electrically conductive surface 3 by applying an electrical voltage between the electrically conductive surface 3 and the electrode 10 .
  • This is possible by bringing the electrode 10 and the electrically conductive surface 3 into contact with the electrolyte in such a way that the electrode 10 and the electrically conductive surface 3 are connected to one another via the electrolyte.
  • the channels 5 of the film 4, pores of the first electrolyte-permeable layer 8 and pores of the second electrolyte-permeable layer 9 can be filled with the electrolyte.
  • the pressing device 11, the electrode 10, the second electrolyte-permeable layer 9 and the first electrolyte-permeable layer 8 can be removed.
  • the foil 4 can be dissolved, for example by etching, to expose the nanowires 2.
  • the lithographic layer 13 can also be chemically removed. As a result, the nanowires 2 remain on one electrically conductive pad on the substrate 12.
  • the electrically conductive pad is formed by the metallization layer 15 and the filling 16.

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Abstract

Anordnung (1) zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten (2), umfassend die folgenden Elemente, welche in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sind: - eine elektrisch leitende Oberfläche (3), - eine Folie (4) mit einer Vielzahl von Kanälen (5), welche sich von einer ersten Seite (6) der Folie (4) bis zu einer der ersten Seite (6) gegenüberliegenden zweiten Seite (7) der Folie (4) erstrecken, - eine erste elektrolytdurchlässige Schicht (8), - eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9), welche kompressibler ist als die erste elektrolytdurchlässige Schicht (8), wobei die Anordnung (1) weiterhin eine Elektrode (10) aufweist, und wobei die Anordnung (1) so eingerichtet ist, dass die Nanodrähte (2) durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche (3) und der Elektrode (10) galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle (5) der Folie (4) auf die elektrisch leitende Oberfläche (3) gewachsen werden können.

Description

Wachstum von Nanodrähten
Die Erfindung betrifft das Wachstum von Nanodrähten auf einer Oberfläche.
Es ist bekannt, Nanodrähte galvanisch aus einem Elektrolyten auf eine elektrisch leitende Oberfläche zu wachsen. Ein Beispiel ist in der DE 102017 104906 A1 beschrieben. Dabei wird eine Folie an die zu bewachsende Oberfläche angelegt. Die Folie hat durchgehende Kanäle, die in der DE 102017 104906 A1 als Poren bezeichnet werden. In die Kanäle können die Nanodrähte gewachsen werden. Anschließend kann die Folie beispielsweise durch Ätzen entfernt werden, um die gewachsenen Nanodrähte freizulegen.
Die Nanodrähte können insbesondere dazu verwendet werden, Bauteile miteinander zu verbinden. Dazu wird die Oberfläche eines oder beider Bauteile mit Nanodrähten bewachsen. Anschließend werden die Bauteile so zusammengeführt, dass sich die Nanodrähte des einen Bauteils mit der Oberfläche des anderen Bauteils verbinden beziehungsweise dass sich die Nanodrähte der Oberflächen der beiden Bauteile miteinander verbinden.
Wünschenswert ist es, dass die Nanodrähte auf der Oberfläche gleichmäßig gewachsen werden. Das erfordert, dass der Elektrolyt gleichmäßig über die Folie verteilt wird. Dazu ist gemäß der DE 102017 104906 A1 ein Schwamm als Mittel zum Bereitstellen des Elektrolyten vorgesehen. Durch den Schwamm kann sich der Elektrolyt über die Folie verteilen.
Mit dem Schwamm kann die Folie zudem an die Oberfläche gepresst werden. Damit soll verhindert werden, dass Material an ungewünschten Stellen zwischen der zu bewachsenden Oberfläche und der Folie abgeschieden wird. Ohne dieses Anpressen könnte sich Material zwischen der zu bewachsenden Oberfläche und der Folie auch außerhalb des Bereichs ablagern, in dem die Nanodrähte gewachsen werden sollen. Dieser Effekt wird nachfolgend als „Seitenwachstum" bezeichnet. Soweit das Seitenwachstum unerwünscht ist, kann auch vom „parasitären Seitenwachstum" gesprochen werden. Das Seitenwachstum kann verhindert werden, indem die Folie ausreichend stark an die zu bewachsende Oberfläche gepresst wird. Dadurch können allerdings Poren des Schwamms verstopfen und/oder Kanäle der Folie verschlossen werden, wodurch die Nanodrähte ungleichmäßig wachsen würden. Auch unabhängig von dem Problem des Seitenwachstums ist es wünschenswert, die Folie während des Wachstums der Nanodrähte an die zu bewachsende Oberfläche zu pressen. Dadurch können die Nanodrähte unmittelbar auf die Oberfläche gewachsen werden. Liegt die Folie zu locker an der zu bewachsenden Oberfläche an, lagert sich zu viel Material zwischen der zu bewachsenden Oberfläche und der Folie ab. Das kann dazu führen, dass die Nanodrähte instabil werden. Zudem würde zuerst ein geschlossener Aufdickungsbereich aus dem abgeschiedenen Material entstehen, welcher als Bump bezeichnet werden kann. Ein solcher Bump könnte dazu führen, dass ein unerwünscht großer Spalt zwischen Oberflächen von miteinander zu verbindenden Bauteilen entsteht. Zudem könnte ein solcher Bump dazu führen, dass Bauteile nur mit vergleichsweise großem Abstand zueinander miteinander verbunden werden können. Insbesondere bei vollflächigen Kontakten kann so die geometrische Höhe der Verbindung oder die gesamte Dicke der miteinander verbundenen Bauteile größer sein als gewünscht. Gerade bei geometrisch anspruchsvollen Baugruppen wie Handys, Tablets oder Fernsehern ist dies besonders kritisch.
Mit der Lösung gemäß DE 102017 104906 A1 können zwar bereits gute Ergebnisse erzielt werden. Allerdings muss dabei ein Kompromiss gefunden werden zwischen gleichmäßigem Wachstum der Nanodrähte und Anpressen der Folie an die zu bewachsende Oberfläche.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik eine Möglichkeit vorzustellen, Nanodrähte besonders gleichmäßig, mit besonders geringem Seitenwachstum und besonders stabil zu wachsen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren und einer Anordnung 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 Anordnung zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten vorgestellt. Die Anordnung umfasst die folgenden Elemente, welche in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sind:
- eine elektrisch leitende Oberfläche, - eine Folie mit einer Vielzahl von Kanälen, welche sich von einer ersten Seite der Folie bis zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Folie erstrecken,
- eine erste elektrolytdurchlässige Schicht,
- eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht, welche kompressibler ist als die erste elektrolytdurchlässige Schicht, wobei die Anordnung weiterhin eine Elektrode aufweist, und wobei die Anordnung so eingerichtet ist, dass die Nanodrähte durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle der Folie auf die elektrisch leitende Oberfläche gewachsen werden können.
Mit der beschriebenen Anordnung kann eine Vielzahl von Nanodrähten auf der elektrisch leitenden Oberfläche erzeugt werden, insbesondere mittels galvanischen Wachstums. Die elektrisch leitende Oberfläche kann Teil eines elektrisch leitenden Körpers sein. Sollen Nanodrähte auf einem elektrisch nicht oder nicht ausreichend leitenden Körper erzeugt werden, kann die Oberfläche des Körpers oder ein Teil davon metallisiert werden, wodurch eine elektrisch leitende Oberfläche erhalten wird.
Unter einem Nanodraht (engl.„nanowire") wird hier jeder materielle Körper verstanden, der eine drahtähnliche Form und eine Größe im Bereich von Nanometern hat. Ein Nanodraht kann z.B. eine kreisförmige, ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen. Insbesondere kann ein Nanodraht eine hexagonale Grundfläche aufweisen. Die Nanodrähte sind vorzugsweise aus einem Metall gebildet, beispielsweise aus Kupfer. Vorzugsweise sind alle Nanodrähte aus dem gleichen Material gebildet. Die Nanodrähte stehen vorzugsweise senkrecht auf der Oberfläche. In dem Fall sind die Nanodrähte nach Art eines Rasens angeordnet.
Bevorzugt weisen die Nanodrähte eine Länge im Bereich von 100 nm [Nanometer] bis 100 um [Mikrometer], insbesondere im Bereich von 500 nm bis 50 um auf. Weiterhin weisen die Nanodrähte bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 10.000 nm auf, insbesondere im Bereich von 30 bis 4.000 nm. 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 Nanodrähte können insbesondere dazu verwendet werden, Bauteile miteinander zu verbinden. So können Nanodrähte auf die Kontaktfläche eines ersten Bauteils und auf die Kontaktfläche eines zweiten Bauteils gewachsen werden. Die beiden Kontaktflächen werden jeweils dabei als die elektrisch leitende Oberfläche der beschriebenen Anordnung verwendet. Anschließend können die beiden Bauteile zusammengeführt werden, so dass die Nanodrähte der beiden Kontaktflächen miteinander in Kontakt gelangen. Aufgrund der großen Oberfläche der Nanodrähte entsteht dabei eine mechanisch stabile Verbindung, die bei elektrisch leitenden Nanodrähten auch elektrisch leitend und/oder bei thermisch leitenden Nanodrähten thermisch leitend ist. Die Verbindung kann ohne großen Aufwand ausgebildet werden. Insbesondere sind keine hohen Temperaturen erforderlich, wie diese bei herkömmlichen Verbindungstechnologien der Elektronikindustrie auftreten, beispielsweise beim Löten. Die Verbindung kann dadurch verstärkt werden, dass die Bauteile kurzzeitig mit einem erhöhten Druck zusammengedrückt werden. Alternativ können die Bauteile auch verbunden werden, wenn nur die Kontaktfläche eines ersten der Bauteile mit Nanodrähten bewachsen wird. Werden die Bauteile dann zusammengeführt und erwärmt, beispielsweise auf mindestens 90 °C, verbinden sich die Nanodrähte mit der Kontaktfläche des zweiten Bauteils. Bei beiden Verfahrensvarianten kann zusätzlich ein Klebstoff eingesetzt werden, um die Verbindung zu verstärken.
Die Anordnung umfasst weiterhin eine Folie mit einer Vielzahl von Kanälen, welche sich von einer ersten Seite der Folie bis zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Folie erstrecken. Die Kanäle sind also durchgehend und erstrecken sich durch die Folie hindurch. Die Kanäle sind so angeordnet und ausgebildet, wie die zu wachsenden Nanodrähte. Durch galvanisches Wachstum können die Kanäle mit Material gefüllt werden, wodurch die Nanodrähte erzeugt werden können. Nach dem Wachstum der Nanodrähte kann die Folie entfernt werden, beispielsweise durch Ätzen. So können die Nanodrähte freigelegt werden und beispielsweise zur Verbindung von Bauteilen verwendet werden.
Weiterhin umfasst die Anordnung eine erste elektrolytdurchlässige Schicht und eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Die beiden elektrolytdurchlässigen Schichten dienen gemeinsam dazu, den Elektrolyten gleichmäßig über die Folie zu verteilen, um ein gleichmäßiges Wachstum der Nanodrähte zu erreichen. Zudem kann die Folie über die beiden elektrolytdurchlässigen Schichten an die elektrisch leitende Oberfläche gepresst werden, um das Seitenwachstum einzuschränken und zu verhindern, dass zu viel Material zwischen der Folie und der elektrisch leitenden Oberfläche abgeschieden wird. Durch die Unterteilung in eine erste elektrolytdurchlässige Schicht und eine zweite, kompressiblere elektrolytdurchlässige Schicht können diese Vorteile zugleich in besonderem Maße erzielt werden. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht ist weniger kompressibel als die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Wird also eine Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche ausgeübt, wird insbesondere die zweite elektrolytdurchlässige Schicht zusammengedrückt. Über die erste elektrolytdurchlässige Schicht wird dabei die Folie an die elektrisch leitende Oberfläche und/oder an eine Lithografieschicht gedrückt. Dadurch wird verhindert, dass zu viel Material zwischen der Folie und der elektrisch leitenden Oberfläche abgelagert wird. Seitenwachstum wird so eingeschränkt. Wird die zweite elektrolytdurchlässige Schicht zusammengedrückt, ist es möglich, dass der Elektrolyt von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht nicht gleichmäßig an die erste elektrolytdurchlässige Schicht abgegeben wird. Da die erste elektrolytdurchlässige Schicht aber weniger kompressibel ist als die zweie elektrolytdurchlässige Schicht, wird die erste elektrolytdurchlässige Schicht weniger stark zusammengedrückt als die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Die Poren der ersten elektrolytdurchlässige Schicht bleiben daher eher geöffnet als die Poren der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht. Die möglicherweise ungleichmäßige Abgabe des Elektrolyten von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an die erste elektrolytdurchlässige Schicht kann dadurch kompensiert werden, so dass der Elektrolyt gleichmäßig von der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht an die Folie abgegeben werden kann und die Nanodrähte gleichmäßig in den Kanälen der Folie gewachsen werden können. Die beschriebene Anordnung weist zwei elektrolytdurchlässige Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften auf. Die Anordnung kann auch mehr als zwei elektrolytdurchlässige Schichten aufweisen. Das ermöglicht eine noch feinere funktionale Aufteilung auf die einzelnen elektrolytdurchlässigen Schichten. Die beschriebenen Vorteile lassen sich dadurch umso mehrerzielen.
Durch die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht kann die Folie an die elektrisch leitende Oberfläche angepresst werden. Durch das Anpressen kann der Elektrolyt von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an die erste elektrolytdurchlässige Schicht abgegeben werden und von der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht an die Folie. Wäre nur eine einzige elektrolytdurchlässige Schicht vorhanden, könnte diese entweder so kompressibel sein, dass mit dieser der Elektrolyt durch Anpressen abgegeben werden könnte. Dabei könnte die elektrolytdurchlässige Schicht als Federsystem lokale Unebenheiten auf der zu bewachsenden Oberfläche und/oder auf der Folie ausgleichen und dafür sorgen, dass über die gesamte zu bewachsende Oberfläche die Folie gleichmäßig an die zu bewachsende Oberfläche angedrückt wird. Damit wird aber die elektrolytdurchlässige Schicht mit zunehmender Anpresskraft immer dichter, so dass auch innerhalb der elektrolytdurchlässigen Schicht Zonen entstehen, die nur noch schlecht für den Elektrolyten durchlässig sind. Dadurch kann es während des Wachstums der Nanodrähte zu lokalen Verarmungen des Elektrolyten kommen. Dies wiederum kann dazu führen, dass die Nanodrähte ungleichmäßig wachsen. Zudem können die Poren der elektrolytdurchlässigen Schicht sogar verstopfen und/oder Kanäle der Folie verschlossen werden.
Alternativ könnte die elektrolytdurchlässige Schicht so wenig kompressibel sein, dass die zuvor beschriebenen Nachteile nicht auftreten. In dem Fall könnte die Mikroporosität der elektrolytdurchlässigen Schicht auch bei zunehmender Anpresskraft konstant bleiben. Damit könnte über einen großen Bereich der Anpresskraft eine gute Durchmischung des Elektrolyten in der elektrolytdurchlässigen Schicht erzielt werden. Der Nachteil eine inkompressiblen elektrolytdurchlässigen Schicht ist allerdings, dass es die Unebenheiten der zu bewachsenden Oberfläche und/oder der Folie nicht ausreichend kompensiere kann. So kann es zu Zonen auf der zu bewachsenden Oberfläche kommen, in denen die Folie sehr dicht an die zu bewachsende Oberfläche angepresst wird und zu Zonen, in denen noch ein Spalt zwischen der Oberfläche und der Folie verbleibt.
Bei der beschriebenen Anordnung können die zuvor beschriebenen Nachteile umgangen werden. Durch die Kombination zweier elektrolytdurchlässiger Schichten kann einerseits eine Federwirkung erzielt werden, um Unebenheiten auszugleichen. Andererseits kann auch bei großer Anpresskraft ein Verstopfen der Kanäle der Folie verhindert werden und eine gute Vermischung des Elektrolyten aufrechterhalten werden. Das ist möglich, weil der Elektrolyt zunächst grob mit der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht verteilt werden kann und durch Pressen von dieser an die erste elektrolytdurchlässige Schicht abgegeben werden kann. In der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht ist nur noch eine feine Verteilung erforderlich. Daher kann die erste elektrolytdurchlässige Schicht so ausgebildet sein, dass diese auch trotz geringer Korn- pressibilität den Elektrolyten gut abgeben kann. Bei der weniger kompressiblen ersten elektrolytdurchlässigen Schicht können die Poren leichter offengehalten werden.
Die erste elektrolytdurchlässige Schicht hat vorzugsweise eine vernachlässigbare Kompressibilität. Sie kann daher auch als inkompressibel bezeichnet werden. Darunter soll hier verstanden werden, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht bei den üblicherweise im Betrieb der Anordnung auftretenden Kräften nicht signifikant komprimiert wird.
Die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht sind für den Elektrolyten durchlässig. Das ist nicht auf eine bestimmte Richtung beschränkt. Insbesondere kann der Elektrolyt nicht nur in einer Richtung senkrecht zur elektrisch leitenden Oberfläche durch die elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht hindurchtreten, sondern sich auch parallel zur elektrisch leitenden Oberfläche innerhalb der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht beziehungsweise innerhalb der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht ausbreiten. So kann sich der Elektrolyt mittels der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht parallel zur elektrisch leitenden Oberfläche verteilen. Dies ermöglicht ein besonders gleichmäßiges Wachstum der Nanodrähte. Dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schichtvorzugsweise porös sind, kann auch dadurch beschrieben werden, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eine in sich offene Struktur haben.
Die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht sind vorzugsweise porös ausgebildet. Es kann in dem Fall auch von einer ersten porösen Schicht und von einer zweiten porösen Schicht gesprochen werden. Porös bedeutet dabei, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht porig und insoweit für den Elektrolyten durchlässig sind.
Die erste elektrolytdurchlässige Schicht und/oder die zweite elektrolytdurchlässige Schicht können als ein jeweiliges Gewebe ausgebildet sein.
Die Folie ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Folie nur in einer Richtung senkrecht zur Folie für den Elektrolyten durchlässig ist. Der Elektrolyt kann sich also nicht parallel zu der elektrisch leitenden Oberfläche durch die Folie ausbreiten. Insbesondere dadurch unterscheidet sich die Folie von der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht. Die Folie ist also nicht porös im hier verwendeten Sinne dieses Begriffs. Um dies hervorzu heben, werden die Kanäle der Folie hier auch nicht als Poren bezeichnet. Die Kanäle der Folie sind vorzugsweise jeweils abzweiglos. Die Kanäle sind vorzugsweise voneinander getrennt. Die Kanäle bilden also kein Netzwerk aus miteinander verzweigten oder verbundenen Kanälen.
Die Anordnung weist weiterhin eine Elektrode auf. Vorzugsweise weist die Anordnung weiterhin eine Spannungsquelle auf, welche einerseits mit der elektrisch leitenden Oberfläche und andererseits mit der Elektrode verbunden ist. Mit der Spannungsquelle kann eine elektrische Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode angelegt werden, um die Nanodrähte zu wachsen.
Die Elemente der Anordnung sind in folgender Reihenfolge angeordnet: die elektrisch leitende Oberfläche, die Folie, die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Die Elektrode folgt in dieser Reihenfolge vorzugsweise auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht.
Die Elektrode liegt vorzugsweise an der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an. Denkbar ist aber beispielsweise auch, dass eine Zwischenschicht zwischen der Elektrode und der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht vorgesehen ist, beispielsweise in Form einerweiteren elektrolytdurchlässigen Schicht. Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht liegt vorzugsweise an der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht an. Denkbar ist aber beispielsweise auch, dass eine Zwischenschicht zwischen der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht und der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht vorgesehen ist, beispielsweise in Form einerweiteren elektrolytdurchlässigen Schicht. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht liegt vorzugsweise an der Folie an. Denkbar ist aber beispielsweise auch, dass eine Zwischenschicht zwischen der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und der Folie vorgesehen ist, beispielsweise in Form einerweiteren elektrolytdurchlässigen Schicht . Anliegen bedeutet in allen Fällen, dass es einen unmittelbaren Kontakt zwischen den jeweiligen Elementen gibt.
Die Folie kann an der elektrisch leitenden Oberfläche anliegen. Das ist aber nicht erforderlich. Das gilt insbesondere in dem Fall, dass die elektrisch leitende Oberfläche in einer Ausnehmung einer Lithografieschicht ausgebildet ist. In dem Fall liegt die Folie vorzugsweise an der Lithografieschicht an. Je nach Ausgestaltung der Lithografieschicht und der elektrisch leitenden Oberfläche kann es dabei sein, dass zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Folie ein Freiraum ausgebildet ist. Beim Wachstum der Nanodrähte wird dieser Freiraum mit dem Material der Nanodrähte gefüllt. Erst anschließend werden die Kanäle der Folie mit dem Material gefüllt.
Die elektrisch leitende Oberfläche, die Folie, die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht bilden vorzugsweise einen Schichtaufbau. Die Richtung senkrecht zur elektrisch leitenden Oberfläche kann als eine Stapelrichtung bezeichnet werden. Die Folie, die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht sind vorzugsweise jeweils senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet. Das gilt insbesondere für den bevorzugten Fall, dass die Folie nach Art einer Schicht ausgebildet ist. Vorzugsweise ist auch die Elektrode Teil des Schichtaufbaus. Vorzugsweise ist auch die Elektrode als eine Schicht ausgebildet und insbesondere auch senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet.
Die Anordnung ist so eingerichtet, dass die Nanodrähte durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle der Folie auf die elektrisch leitende Oberfläche gewachsen werden können. Die Nanodrähte können gewachsen werden, indem ein Elektrolyt bereitgestellt wird. Bei dem Elektrolyten handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, aus der das Material der Nanodrähte galvanisch abgeschieden werden kann. Der Elektrolyt ist während des Wachstums der Nanodrähte so angeordnet, dass sowohl die Elektrode als auch die elektrisch leitende Oberfläche mit dem Elektrolyten in Kontakt stehen und über diesen miteinander verbunden sind. Das ist insbesondere dadurch möglich, dass die Kanäle der Folie, Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und Poren der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht mit dem Elektrolyten befüllt sind. Beispielsweise kann der Elektrolyt in die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eingeleitet werden und sich durch die zweite elektrolytdurchlässige Schicht und die erste elektrolytdurchlässige Schicht auf die Kanäle der Folie verteilen. Beispielsweise kann die Anordnung auch eine Kammer für den Elektrolyten aufweisen. Während des Wachstums der Nanodrähte ist die Kammer mit Elektrolyt befüllt.
Mit der beschriebenen Anordnung kann ein Substrat großflächig mit Nanodrähten versehen werden. Die beschriebene Anordnung ist aber auch besonders gut dazu geeignet, Nanodrähte auf ein strukturiertes Substrat zu wachsen. Beispielsweise kann die Oberfläche eines Substrats mit lithografischen Mitteln so strukturiert werden, dass die Nanodrähte nur in Ausnehmungen einer Lithografieschicht gewachsen werden. Da das Seitenwachstum mit der beschriebenen Anordnung besonders stark beschränkt werden kann, können Bereiche mit Nanodrähten besonders nah beieinander liegen, ohne dass es zu einem elektrischen Kontakt zwischen den benachbarten Bereichen mit Nanodrähten kommt. Beispielsweise können elektrisch leitende Pads, welche einen geringen Abstand zueinander haben und elektrisch voneinander isoliert sind, mit Nanodrähten bewachsen werden, ohne dass Seitenwachstum zu einem Kurzschluss zwischen den elektrisch leitenden Pads führen würde. So kann die beschriebene Anordnung verwendet werden, Nanodrähte für den Zweck zu wachsen, Bauteile mit einer Vielzahl von elektrischen Kontakten miteinander zu verbinden. Über die mit Nanodrähten bewachsenen elektrisch leitenden Pads kann so eine Vielzahl von voneinander getrennten elektrisch leitenden Verbindungen zwischen zwei Bauteilen ausgebildetwerden, welche zugleich die Bauteile fest mechanisch und/oder thermisch leitend miteinander verbinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung sind die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht porös ausgebildet, wobei die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eine größere mittlere Porengröße hat als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
In dieser Ausführungsform ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht grobporiger als die erste elektrolytdurchlässige Schicht. Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht hat also eine vergleichsweise große mittlere Porengröße. Dadurch ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht gut durchlässig für den Elektrolyten, so dass sich der Elektrolyt insbesondere gut verteilen kann. Würde die zweite elektrolytdurchlässige Schicht direkt an der Folie anliegen, wäre die große Porengröße aber nachteilig. Beim Anpressen der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an die Folie könnten einige der Kanäle der Folie von Material der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht verschlossen werden. Um dies zu verhindern, ist die erste elektrolytdurchlässige Schicht vorgesehen. Deren Poren sind kleiner, so dass die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass jeder der Kanäle jedenfalls übereine der Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht mit Elektrolyt versorgt werden kann. Dazu trägt auch bei, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht weniger kompressibel ist als die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Dadurch bleiben die Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht auch bei vergleichsweise großer Presskraft noch geöffnet. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht weist an ihrer Oberfläche im unkomprimierten Zustand vorzugsweise so viele Porenöffnungen auf, dass auf der Oberfläche der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht in einer Fläche von der Größe der Querschnittsfläche eines Kanals der Folie im Mittel mehrere Porenöffnungen vorhanden sind. So kann jeder Kanal über mehrere Porenöffnungen mit Elektrolyt versorgt werden.
Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht hat vorzugsweise eine um einen Faktor von 1 bis 20 größere mittlere Porengröße als die erste elektrolytdurchlässige Schicht. Vorzugsweise hat die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eine um einen Faktor von 1 bis 20 größere Anzahl an Poren als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
Die Poren der zweiten elektrolytdurchlässige Schicht haben vorzugsweise eine Ausdehnung im Bereich von 30 bis 400 nm, insbesondere im Bereich von 100 bis 220 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in einer Richtung senkrecht zu der elektrisch leitenden Oberfläche in einem unkomprimierten Zustand größer ausgedehnt als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
In Stapelrichtung hat die unkomprimierte zweite elektrolytdurchlässige Schicht also eine größere Ausdehnung als die unkomprimierte erste elektrolytdurchlässige Schicht. Das kann auch dadurch beschrieben werden, dass die zweite elektrolytdurchlässige Schicht dicker ist als die erste elektrolytdurchlässige Schicht, wenn beide nicht komprimiert sind. Vorzugsweise ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in der Richtung senkrecht zu der elektrisch leitenden Oberfläche im unkomprimierten Zustand um einen Faktor 2 bis 20 größer ausgedehnt als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
Es hat sich herausgestellt, dass die beschriebene Aufteilung zwischen der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht die besten Ergebnisse ergibt im Bezug auf die Gleichmäßigkeit des Wachstums der Nanodrähte und auf die Begrenzung des Seitenwachstums. Dadurch, dass die zweite elektrolytdurchlässige Schicht vergleichsweise groß ist, kann sie ausreichend komprimiert werden. Die weniger kompressible erste elektrolytdurchlässige Schicht muss nicht größer sein, um ihre Aufgabe zu erfüllen. Das liegt insbesondere daran, dass in der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht nur noch eine feine Verteilung des Elektrolyten erfolgen muss.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist die erste elektrolytdurchlässige Schicht mit Zellulose gebildet.
Es hat sich herausgestellt, dass Zellulose ein besonders gut geeignetes Material für die erste elektrolytdurchlässige Schicht ist. Daher ist es bevorzugt, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht ausschließlich aus Zellulose gebildet ist. Die beschriebenen Vorteile lassen sich aber bereits erreichen, wenn die erste elektrolytdurchlässige Schicht einen Anteil Zellulose hat. Vorzugsweise ist die erste elektrolytdurchlässige Schicht zu mindestens 50 % aus Zellulose gebildet.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht ein Schwamm.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Anordnung weiterhin eine Presseinrichtung zur Erzeugung einer Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche auf.
Die Presseinrichtung umfasst vorzugsweise einen Stempel. Mit der Presseinrichtung können die Schichten des beschriebenen Schichtaufbaus zusammengedrückt werden. So kann insbesondere die Folie an die elektrisch leitende Oberfläche und/oder beispielsweise an eine Lithografieschicht gepresst werden. Dadurch kann das Seitenwachstum verhindert werden. Liegt die Elektrode an der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an, greift der Stempel vorzugsweise an der Elektrode an. Die Elektrode kann Teil des Stempels sein.
Alternativ zu einer Presseinrichtung könnte die zweite elektrolytdurchlässige Schicht beispielsweise auch per Hand in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche gedrückt werden.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Anordnung weiterhin ein Substrat mit einer Lithografieschicht auf, wobei die Lithografieschicht eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist, und wobei die elektrisch leitende Oberfläche in der einen oder den mehreren Ausnehmungen ausgebildet ist.
Die Lithografieschicht liegt vorzugsweise an dem Substrat an. Die Folie liegt vorzugsweise an der Lithografieschicht an. In der einen oder den mehreren Ausnehmun- gen der Lithografieschicht ist die elektrisch leitende Oberfläche ausgebildet, auf die die Nanodrähte gewachsen werden. Das Substrat ist vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silizium. Das Substrat kann als ein Wafer ausgebildet sein. Um eine elektrisch leitende Oberfläche zu erhalten, kann das Substrat in der einen oder den mehreren Ausnehmungen der Lithografieschicht metallisiert werden. So kann das Wachstum der Nanodrähte lokal begrenzt werden. Falls das Substrat selbst bereits elektrisch leitend ist, kann die Oberfläche des Substrats in der einen oder den mehreren Ausnehmungen der Lithografieschicht selbst als die elektrisch leitende Oberfläche betrachtet werden, auf die die Nanodrähte gewachsen werden. Die Lithografieschicht hat vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zu der elektrische leitenden Oberfläche eine Ausdehnung im Bereich von 0,1 bis 10 um [Mikrometer],
Zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Folie kann insbesondere in dieser Ausführungsform ein Freiraum gebildet sein. Dieser wird beim Wachstum der Nanodrähte mit dem Material gefüllt, aus dem anschließend auch die Nanodrähte in den Kanälen der Folie gewachsen werden.
Vorzugsweise weist die Lithografieschicht eine Vielzahl von Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise regelmäßig angeordnet. In dem Fall liegt ein Pitch vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 um [Mikrometer], Unter Pitch ist dabei der Mittenabstand benachbarter Ausnehmungen zu verstehen.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten mit einer wie beschrieben ausgebildeten Anordnung vorgestellt, wobei die Nanodrähte durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle der Folie auf die elektrisch leitende Oberfläche gewachsen werden.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale der Anordnung sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Anordnung ist vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren eingerichtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die zweite elektrolytdurchlässige Schicht zumindest zeitweise in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche gedrückt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung nicht begrenzt ist. Die Figur und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigt:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung einer Vielzahl von
Nanodrähten.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung 1 zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten 2. Die Anordnung 1 umfasst ein Substrat 12 mit einer Lithografieschicht 13. Die Lithografie- schicht 13 hat eine Ausnehmung 14, in welcher eine Metallisierungsschicht 15 ausgebildet ist. Durch die Lithografieschicht 13 ist die Metallisierungsschicht 15 auf die Ausnehmung 14 begrenzt und erstreckt sich nicht über das gesamte Substrat 12. Die in Fig. 1 oberer Seite der Metallisierungsschicht 15 bildet eine elektrisch leitende Oberfläche, welche mit Bezugszeichen 3 versehen ist. Auf diese elektrisch leitende Oberfläche 3 können die Nanodrähte 2 gewachsen werden. Durch die Lithografieschicht 13 wird das Wachstum der Nanodrähte 2 auf den Bereich der Ausnehmung 14 begrenzt.
Die Anordnung 1 weist weiterhin eine Folie 4 mit einer Vielzahl von Kanälen 5 auf. Die Kanäle 5 erstrecken sich von einer ersten Seite 6 der Folie 4 bis zu einer der ersten Seite 6 gegenüberliegenden zweiten Seite 7 der Folie 4. Die Folie 4 liegt an der Lithografieschicht 13 an. In der Ausnehmung 14 könnte die Folie 4 an der Metallisierungsschicht 15 anliegen. Das ist aber nicht erforderlich. Im Beispiel der Fig. 1 ist die Folie 4 daher mit Abstand von der Metallisierungsschicht 15 gezeigt. Dieser ist zur Veranschaulichung in der schematischen Darstellung vergleichsweise groß. In der Realität ist es möglich, dass die Folie 4 und die Metallisierungsschicht 15 zwar grundsätzlich aneinander anliegen, dies allerdings nicht sehr dicht, so dass es beim Wachstum der Nanodrähte 2 zwischen der Folie 4 und der Metallisierungsschicht 15 jedenfalls lokal zu galvanischer Abscheidung von Material zwischen der Folie 4 und der elektrisch leitenden Oberfläche 3 kommen kann.
Die Anordnung 1 umfasst weiterhin eine erste elektrolytdurchlässige Schicht 8, welche an der Folie 4 anliegt und eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9, welche an der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht 8 anliegt. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 sind porös ausgebildet. Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 ist kompressibler als die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8, hat eine größere mittlere Porengröße als die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 und ist in einer Richtung senkrecht zu der elektrisch leitenden Oberfläche größer ausgedehnt als die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 ist aus Zellulose gebildet. Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 ist ein Schwamm.
Weiterhin weist die Anordnung 1 eine Elektrode 10 auf, welche an der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht 9 anliegt. Zudem weist die Anordnung 1 einen Stempel als eine Presseinrichtung 11 zur Erzeugung einer Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche 3 auf. In der gezeigten Ausführungsform liegt die Presseinrichtung 11 an der Elektrode 10 an und kann über diese eine Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche 3 ausüben. Durch diese Kraft werden die Folie 4, die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 zwischen der Lithografieschicht 13 beziehungsweise der elektrisch leitenden Oberfläche 3 und der Elektrode 10 zusammengedrückt.
Die Anordnung 1 ist so eingerichtet, dass die Nanodrähte 2 durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche 3 und der Elektrode 10 galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle 5 der Folie 4 auf die elektrisch leitende Oberfläche 3 gewachsen werden können. Das ist möglich, indem die Elektrode 10 und die elektrisch leitende Oberfläche 3 so mit dem Elektrolyten in Kontakt gebrachtwerden, dass die Elektrode 10 und die elektrisch leitende Oberfläche 3 über den Elektrolyten miteinander verbunden werden. Insbesondere können dazu die Kanäle 5 der Folie 4, Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht 8 und Poren der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht 9 mit dem Elektrolyten befüllt werden. Im Bereich der Ausnehmung 14 kommt es dann zu einer galvanischen Abscheidung von Material aus dem Elektrolyten auf die elektrisch leitende Oberfläche 3. Soweit es wie gezeigt einen Abstand zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche 3 und der Folie 4 gibt, bildet sich zunächst eine Füllung 16. Anschließend werden die Kanäle 5 der Folie 4 mit abgeschiedenem Material gefüllt. Dieses Material stellt die Nanodrähte 2 dar.
Nach dem Wachstum der Nanodrähte 2 können die Presseinrichtung 11, die Elektrode 10, die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 und die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 entfernt werden. Die Folie 4 kann beispielsweise durch Ätzen aufgelöstwerden, um die Nanodrähte 2 freizulegen. Die Lithografieschicht 13 kann ebenfalls chemisch entfernt werden. Im Ergebnis verbleiben die Nanodrähte 2 auf einem elektrisch leitenden Pad auf dem Substrat 12. Das elektrisch leitenden Pad ist durch die Metallisierungsschicht 15 und die Füllung 16 gebildet.
Das Projekt, welches zu dieser Anmeldung geführt hat, hat eine Förderung aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizon 2020" der Europäischen Union unter Fördervertrag Nummer 830061 erhalten.
Bezugszeichenliste
1 Anordnung
2 Nanodrähte 3 elektrisch leitende Oberfläche
4 Folie
5 Kanäle
6 erste Seite der Folie
7 zweite Seite der Folie 8 erste elektrolytdurchlässige Schicht
9 zweites elektrolytdurchlässige Schicht
10 Elektrode
11 Presseinrichtung
12 Substrat 13 Lithografieschicht
14 Ausnehmung
15 Metallisierungsschicht
16 Füllung

Claims

Ansprüche Anordnung (1) zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten (2), umfassend die folgenden Elemente, welche in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sind:
- eine elektrisch leitende Oberfläche (3),
- eine Folie (4) mit einer Vielzahl von Kanälen (5), welche sich von einer ersten Seite (6) der Folie (4) bis zu einer der ersten Seite (6) gegenüberliegenden zweiten Seite (7) der Folie (4) erstrecken,
- eine erste elektrolytdurchlässige Schicht (8),
- eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9), welche kompressibler ist als die erste elektrolytdurchlässige Schicht (8), wobei die Anordnung (1) weiterhin eine Elektrode (10) aufweist, und wobei die Anordnung (1) so eingerichtet ist, dass die Nanodrähte (2) durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche (3) und der Elektrode (10) galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle (5) der Folie (4) auf die elektrisch leitende Oberfläche (3) gewachsen werden können. Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die erste elektrolytdurchlässige Schicht (8) und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9) porös ausgebildet sind, und wobei die zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9) eine größere mittlere Porengröße hat als die erste elektrolytdurchlässige Schicht (8). Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9) in einer Richtung senkrecht zu der elektrisch leitenden Oberfläche (3) in einem unkomprimierten Zustand größer ausgedehnt ist als die erste elektrolytdurchlässige Schicht (8). Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste elektrolytdurchlässige Schicht (8) mit Zellulose gebildet ist. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9) ein Schwamm ist. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Presseinrichtung (11) zur Erzeugung einer Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9) in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche (3). Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend ein Substrat (12) mit einer Lithografieschicht (13), wobei die Lithografie- schicht (13) eine oder mehrere Ausnehmungen (14) aufweist, und wobei die elektrisch leitende Oberfläche (3) in der einen oder den mehreren Ausnehmun- gen (14) ausgebildet ist. Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten (2) mit einer Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Nanodrähte (2) durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche (3) und der Elektrode (10) galvanisch aus einem Elektrolyten in die Ka- näle (5) der Folie (4) auf die elektrisch leitende Oberfläche (3) gewachsen werden. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweite elektrolytdurchlässige Schicht (9) zumindest zeitweise in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche (3) gedrückt wird.
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