DE112004001881T5

DE112004001881T5 - Herstellung von Nanodrähten

Info

Publication number: DE112004001881T5
Application number: DE112004001881T
Authority: DE
Inventors: Pavel Covallis Kornilovich; Peter Corvallis Mardilovich; Kevin Francis Corvallis Peters; James Lebanon Stasiak
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: US20050072967A1; CN1890406B; TW200514144A; US7223611B2; DE112004001881B4; US20070069194A1; WO2005038093A3; TWI353629B; GB2422378B; GB0608358D0; US7375368B2; GB2422378A; CN1890406A; US20070182015A1; WO2005038093A2

Abstract

Ein System, das folgende Merkmale aufweist:
ein Übergitter (100) mit mehreren abwechselnden Schichten, die erste abwechselnde Schichten (102) eines ersten Materials und zweite abwechselnde Schichten (104) eines zweiten Materials umfassen, wobei zumindest eine Schicht der mehreren abwechselnden Schichten eine Länge, eine Dicke und eine Tiefe aufweist, wobei die mehreren abwechselnden Schichten in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Dicke aufgebracht sind;
wobei:
die mehreren abwechselnden Schichten eine erste Oberfläche (202) aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zu der Dicke erstreckt, wobei die erste Oberfläche (202) einen ersten Abschnitt (302) der ersten abwechselnden Schichten (102) und einen zweiten Abschnitt (304) der zweiten abwechselnden Schichten (104) umfasst; und
die mehreren abwechselnden Schichten eine zweite Oberfläche (402) aufweisen, die physisch von der ersten Oberfläche (202) getrennt ist, wobei die zweite Oberfläche (402) für eine elektrische Kommunikation mit den mehreren abwechselnden Schichten vorliegt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Herstellen von Nanodraht-Arrays.
Hintergrund
Dünn-Draht-Arrays gemäß dem Stand der Technik werden in einer großen Anzahl von Vorrichtungen verwendet und haben sich als besonders geeignet zur Verwendung bei kleinen oder dicht strukturierten Computervorrichtungen herausgestellt, wie z. B. Sensoren, Speichervorrichtungen und Logikchips.
Um diesen Bedarf nach Dünn-Draht-Arrays zu adressieren, wurden Dünn-Draht-Arrays unter Verwendung von Photolithographie erzeugt. Da Computervorrichtungen immer kleiner und kleiner werden, müssen die Drähte dieser Arrays jedoch dünner und enger beabstandet sein. Photolithographie hat sich bislang nicht als ein angemessenes Verfahren zum Erzeugen von sehr dünnen und eng beabstandeten Draht-Arrays herausgestellt.
Um diesen Bedarf nach dünneren Draht-Arrays zu adressieren, wurden zwei Arten zum Erzeugen derselben verwendet. Eine dieser Arten gemäß dem Stand der Technik verwendet ein geätztes Übergitter bzw. Superlattice und eine physische Dampfaufbringung, um Nanodraht-Arrays herzustellen.
Eine Geätztes-Übergitter-Aufdruck-Lithographie gemäß dem Stand der Technik ist in dem U.S.-Patent Nr. 6,407,443 beschrieben. Dieses Beispiel einer Aufdruck-Lithographie ist üblicherweise ungünstigerweise einem nachfolgenden Abhebeverarbeiten zugeordnet und kann schließlich eine eingeschränkte Prozessfähigkeit aufweisen. Es verwendet ferner einen Nano-Aufdruck-Schritt, der bislang nicht konsistent und erfolgreich in einer Herstellungsatmosphäre verwendet wurde.
Eine physische Dampfaufbringung gemäß dem Stand der Technik verwendet einen Atomstrahl, um direkt Material auf eine Oberfläche eines geätzten Übergitters abzulagern. Dieses abgelagerte Material wird dann physisch auf ein Substrat übertragen. Dieses Verfahren erzeugt jedoch seltsam geformte Drähte, die verschiedene strukturelle und Verwendungs-Schwierigkeiten erzeugen können. Eine bekannte physische Dampfaufbringung kann ferner das Verarbeiten in einem Ultra-Hoch-Vakuum („UHV"; Ultra-High Vacuum) erfordern, was kostspielig zu verwenden sein kann und die Verwendung von Materialien einschränken würde, die nicht mit einer UHV-Verarbeitung kompatibel sind.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Technik zum Herstellen von Arrays aus dünneren Drähten, die zuverlässig, weniger teuer, besser reproduzierbar und herstellungsfreundlicher ist als es durch gegenwärtige Techniken zugelassen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine Seitenquerschnittsansicht eines exemplarischen Übergitters dar.
2 stellt eine Seitenquerschnittsansicht eines exemplarischen Übergitters mit einer Arbeitsoberfläche dar.
3 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters mit einer Arbeitsoberflä che und einer Dicken-, Tiefen- und Längen-Abmessung dar.
4 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters mit einer Arbeitsoberfläche und einer elektrischen Verbindungsoberfläche dar.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines exemplarischen Systems, das in der Lage ist, Verfahren zum Erzeugen von Nanodraht-Arrays zu implementieren.
6 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Erzeugen eines Nanodraht-Arrays unter Verwendung von Elektrochemie und physischer Übertragung.
7 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters mit einer Arbeitsoberfläche und einer elektrischen Verbindungsoberfläche in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke dar.
8 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters mit einer Arbeitsoberfläche mit einer schwachhaftenden Schicht und einer elektrischen Verbindungsoberfläche in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke dar.
9 stellt eine Seitenquerschnittsansicht eines exemplarischen Übergitters mit abwechselnden Schichten aus Materialien dar, und bei der ein Satz der abwechselnden Schichten auf einer Arbeitsoberfläche geändert ist.
10 stellt eine Seitenquerschnittsansicht eines exemplarischen Übergitters mit abwechselnden Schichten aus Materialien dar, und bei der die Materialien auf einer Arbeitsoberfläche abwechselnd angeordnet sind.
11 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters mit einer gewellten Arbeitsoberfläche und einer elektrischen Verbindungsoberfläche in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke dar.
12 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters mit einer Arbeitsoberfläche, wobei die Arbeitsoberfläche eine schwachhaftende Schicht und ein Material, das auf abwechselnden Schichten der Arbeitsoberfläche vorhanden ist aufweist, und einer elektrischen Verbindungsoberfläche in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke dar.
13 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters dar, das eine gewellte Arbeitsoberfläche, wobei die Arbeitsoberfläche ein Material aufweist, das auf abwechselnden Schichten der Arbeitsoberfläche vorliegt, und eine elektrische Verbindungsoberfläche in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke aufweist.
14 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters und eines exemplarischen Arraysubstrats dar, wobei das Übergitter ein Material auf seiner Arbeitsoberfläche aufweist.
15 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Arraysubstrats mit Drähten aus Material auf einer der Oberflächen des Arraysubstrats dar.
16 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Erzeugen eines Nanodraht-Arrays unter Verwendung einer Ionenübertragung.
17 stellt eine dreidimensionale Ansicht eines exemplarischen Übergitters dar, das eine Arbeitsoberfläche, wobei die Arbeitsoberfläche abwechselnde Schichten aufweist, die erodiert sind, und eine elektrische Verbindungsoberfläche, die in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke ist, aufweist.
18 stellt eine Seitenquerschnittsansicht eines exemplarischen Übergitters dar, das folgendes umfasst: abwechselnde Schichten aus Materialien, die entlang einer Arbeitsoberfläche gewellt sind, eine elektrische Verbindungsoberfläche, die in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke ist, und ein exemplarisches, leitfähiges Empfangs-Substrat, das in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungsquelle ist und ein Material von der Arbeitsoberfläche des Übergitters aufweist, das auf eine Oberfläche des leitfähigen Empfangs-Substrats abgelagert ist.
19 stellt eine Seitenquerschnittsansicht eines exemplarischen Übergitters dar, das abwechselnde Schichten aus Materialien, die entlang einer Arbeitsoberfläche gewellt sind, wobei eine der abwechselnden Schichten mehrere Materialien umfasst, wobei eine elektrische Verbindungsoberfläche in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke ist, und ein exemplarisches leitfähiges Empfangs-Substrat aufweist, das in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungsquelle ist und Materialien von der Arbeitsoberfläche des Übergitters auf weist, die auf einer Oberfläche des leitfähigen Empfangs-Substrats abgelagert sind.
Die selben Bezugszeichen werden durchgehend in der Offenbarung und den Figuren verwendet, um gleiche Komponenten und Merkmale zu bezeichnen.
Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgende Offenbarung beschreibt verschiedene Ausführungsbeispiele eines Systems und eines Verfahrens zum elektrochemischen Herstellen von Nanodraht-Arrays. Das beschriebene System und Verfahren können verwendet werden, um Draht-Arrays mit einer Dicke und Beabstandung in einem Nano-, Mikro- und Meso-Größenbereich und in Kombinationen dieser Größenbereiche herzustellen. Das beschriebene System und Verfahren können verwendet werden, um Draht-Arrays direkt auf der Seite eines Übergitters bzw. Superlattice herzustellen. Solche Arrays können verwendet werden, um sekundäre Draht-Arrays auf einer unterschiedlichen Substratoberfläche herzustellen. Solche Sekundär-Arrays können verwendet werden, um weitere Arrays unterschiedlicher Drähte auf der selben Substratoberfläche herzustellen. Diese Verschachtelung von Fähigkeiten für die Verarbeitung von Arrays schafft eine große Flexibilität bei der Materialauswahl, dem Prozessentwurf und der technischen Erzeugung von Strukturen und Vorrichtungen.
Das offenbarte System und Verfahren ist in der Lage, ein Array aus eng beabstandeten, sehr dünnen Drähten zu erzeugen. Dieser Typ von Array kann in aktuellen und zukünftigen Vorrichtungen verwendet werden und erlaubt diesen Vorrichtungen, besser und schneller zu funktionieren und in einer geringeren Größe gebaut zu werden.
Das offenbarte System und Verfahren bietet wesentliche Vorteile gegenüber vielen Lösungen gemäß dem Stand der Technik. Diese Vorteile können die präzise Steuerung der Abmessungen eines Arrays, wie z. B. Länge, Dicke und Beabstandung von Drähten, sowie einer Anzahl von Drähten umfassen. Das offenbarte System kann glattere, besser verwendbare Querschnitte der Drähte schaffen als gewisse Lösungen gemäß dem Stand der Technik. Ferner können die Kosten zum Herstellen von Nanodraht-Arrays mit diesem System und Verfahren reduziert werden, einschließlidh durch mehrmaliges Verwenden eines Übergitters und den wegfallenden Bedarf, ein Nano-Aufdrucken, Abhebe-Prozesse oder UHV zu verwenden, wobei jedes derselben sehr kostspielig sein kann. Ferner können Nanodraht-Arrays mit Drähten verschiedener Materialien ebenfalls unter Verwendung des beschriebenen Systems und der erfahren erzeugt werden – ein potentiell wesentlicher Vorteil.
Ein exemplarisches Übergitter
1 bis 4 erläutern ein Übergitter, das bei verschiedenen Prozessen verwendbar ist, die nachfolgend zum Erzeugen eines Nanodraht-Arrays erörtert werden. Dieses Übergitter ist ein Beispiel eines Übergitters, das bei den nachfolgend erörterten Prozessen verwendbar ist. Andere Übergitter können verwendet werden; dieses exemplarische. Übergitter soll nicht einschränkend für den Schutzbereich der nachfolgenden Prozesse sein, sondern soll statt dessen den Leser beim Verständnis der nachfolgend beschriebenen Prozesse unterstützen.
1 erläutert ein exemplarisches Übergitter 100, das hier in einer Seitenquerschnittsansicht gezeigt ist. Das Übergitter 100 umfasst zumindest zwei oder mehr unterschiedliche geschichtete Materialien, hier erste Materialschichten 102 und zweite Materialschichten 104. Jede dieser Materialschichten kann auf ein Substrat 106 oder sonstiges geschichtet sein. Der Aufbau des Übergitters 100, das in 1 gezeigt ist, kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden, wie z. B. mit chemischer Dampfaufbringung, Sputtern und anderen Verfahren einer physischen Dampfaufbringung, einer Atomschichtaufbringung, Elektroplattieren und ähnlichem.
Die geschichteten Materialien wechseln sich ab, wie in 1 gezeigt ist. Die Dicke von jeder dieser Schichten 102 und 104 beeinflusst den Prozess zum Erzeugen einer Beabstandung (oder eines „Pitchs" bzw. Abstands) zwischen Drähten und einer Dicke der Drähte selbst, wie nachfolgend detaillierter ausgeführt wird. Der Draht-Abstand/die -Beabstandung ist wichtig, da sie die Eigenschaften der Drähte und des Arrays beeinflussen. Somit sind auch die Dicken der Schichten wichtig.
Beide, die ersten Materialschichten 102 und die zweiten Materialschichten 104 können verschiedene Dicken aufweisen, einschließlich von einem Nanometer-Größenbereich bis zu einem Mikrometer- und einem dickeren Größenbereich. Die Schichten 102 und 104 können z. B. mit einer Dicke von weniger als 10 Nanometern, 10 bis 15 Nanometern, 15 bis 20 Nanometern, 20 bis 50 Nanometern oder mehr oder Kombinationen derselben erzeugt sein. Die kleinsten Schichtdicken werden verwendet, um Draht-Arrays der größten Dichte und Drähte zu erzeugen, die äußerst größenabhängige Eigenschaften aufweisen, wie z. B. Quantum-Effekte. Die größeren Schichtdicken schaffen klassische Nicht-Quantum-Eigenschaften, eine leichtere Herstellbarkeit, eine bessere elektrische Leitfähigkeit, mehr Oberflächenbereich und weniger dichte Arrays.
Die ersten Materialschichten 102 können aus verschiedenen Materialtypen hergestellt sein, wie z. B. leitfähigen Materialien und nicht-leitfähigen Materialien. Von den leitfähigen Materialien können die ersten Materialschichten 102 ein oder mehrere Metalle umfassen, wie z. B. Platin, Beryllium, Aluminium, Palladium, Tantal, Nickel, Gold; metallische Legierungen; ein Keramikmaterial, wie z. B. Indiumzinnoxid, Vanadiumoxid oder Yttrium-Barium-Kupferoxid; ein elektrisch halbleitendes Material, wie z. B. Silizium, Diamant, Germanium, Galliumarsenid, Cadmium-Tellurid, Zinkoxid, Siliziumkarbid, Zinnoxid, Indiumzinnoxid; und/oder z. B andere elementare, binäre und Mehrfachkomponenten-Materialien. Von den nicht-leitfähigen Materialien können die ersten Materialschichten 102 Aluminiumoxid, verschiedene andere Oxide und andere isolierende Materialien umfassen, die in dünnen Schichten abgelagert werden können. Die Auswahl einer Materialkombination ist anwendungsspezifisch und der Prozess kann hergestellt sein, um mit fast jedem Festkörpermaterial zu funktionieren, das als dünne Schichten aufgebracht werden kann, einschließlich mit „weichen" Materialien, wie Polymeren.
Auf ähnliche Weise können die zweiten Materialschichten 104 aus verschiedenen Materialtypen hergestellt sein, einschließlich aus leitfähigen Materialien und nicht-leitfähigen Materialien, wie z. B. jenen, die für die ersten Materialschichten 102 oben beschrieben sind. Von den nicht-leitfähigen Materialien können die zweiten Materialschichten 104 Aluminiumoxid, verschiedene andere Oxide und andere isolierende Materialien umfassen, die in dünnen Schichten aufgebracht bzw. abgelagert werden können. Ferner können die ersten Materialschichten 102 und die zweiten Materialschichten 104 Einkristallin und/oder in Epitaxial-Beziehung sein. Epitaxial bezieht sich auf die perfekte oder annähernd perfekte Gitterausrichtung eines Materials zu einem anderen Material, auf das dasselbe aufgebracht ist.
Sowohl die ersten Materialschichten 102 als auch die zweiten Materialschichten 104 können leitfähig sein, oder eine derselben kann leitfähig sein und die andere ein Isolator. In Fällen, in denen beide der Schichten 102 und 104 leitfähig sind, kann eine Oberfläche, die die Schichten freilegt, derart behandelt werden, dass eine freiliegende Oberfläche von entweder den ersten Materialschichten 102 oder den zweiten Materialschichten 104 nicht-leitfähig, geätzt oder entfernt ist. Diese Prozesse werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
Sowohl die ersten Materialschichten 102 als auch die zweiten Materialschichten 104 können mehr als ein Material umfassen. Die ersten Materialschichten 102 können z. B. Schichten umfassen, wobei einige derselben Gold umfassen, einige derselben Tantal umfassen, einige derselben Nickel umfassen, und ähnliches.
Das Übergitter 100 und die ersten Materialschichten 102 und die zweiten Materialschichten 104 weisen eine Dicke, eine Länge und eine Tiefe auf. Die ersten und zweiten Materialschichten 102 und 104 können eine Länge aufweisen, die in einem Nanometer-Größenbereich bis zu einem Zentimeter-Größenbereich liegt. Abhängig von der schließlichen Anwendung für die Nanodraht-Arrays müssen die Drähte möglicherweise sehr kurz sein (Nanometer-Größenbereich in der Länge) oder sehr lang sein (Zentimeter-Größenbereich in der Länge). Wie nachfolgend detaillierter erörtert wird, kann sich die schließliche Länge der Drähte in dem Nanodraht-Array auf die Länge des Übergitters 100 und seiner ersten Materialschichten 102 und/oder seiner zweiten Materialschichten 104 beziehen.
2 erläutert ein Beispiel des Übergitters 100, das hier in einer Seitenquerschnittsansicht gezeigt ist und eine Arbeitsoberfläche 202 aufweist. Hier ist das Übergitter 100 geändert, um die Arbeitsoberfläche 202 zu erzeugen. Diese Arbeitsoberfläche 202 ist an einem gewissen Abschnitt im Wesentlichen eben (planar), wobei dieser ebene Abschnitt verwendbar ist, um beim Erzeugen der Drähte des Nanodraht-Arrays zu helfen (wird nachfolgend erörtert). Die Arbeitsoberfläche 202 kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden, einschließlich durch Schneiden und Polieren des Übergitters 100.
Die Arbeitsoberfläche 202 kann im Wesentlichen parallel zu einer Dicke der ersten Materialschichten 102 und der zweiten Materialschichten 104 sein, oder sonstiges. Wenn die Arbeitsoberfläche 202 nicht im Wesentlichen parallel zu der Dicke der Materialschichten 102 und 104 ist, wird ein größerer Bereich der Materialschichten 102 und 104 freigelegt. Wenn ein größerer Bereich der Materialschichten 102 und 104 freigelegt ist, können Drähte, die mit der Arbeitsoberfläche 202 erzeugt werden, dicker erzeugt werden, als wenn die Arbeitsoberfläche 202 im Wesentlichen parallel zu der Dicke der ersten und der zweiten Materialschichten 102 und 104 ist. Wenn die Arbeitsoberfläche 202 im Wesentlichen parallel zu der Dicke der Materialschichten ist, ist die Arbeitsoberfläche 202 verwendbar, um beim Erzeugen von Drähten und Abständen zwischen Drähten in dem Nanodraht-Array zu helfen, die ungefähr gleich sind zu der Dicke der ersten und zweiten Materialschichten 102 und 104.
3 zeigt eine vierte dreidimensionale Ansicht eines Beispiels des Übergitters 100 mit der Arbeitsoberfläche 202. Hier ist die Arbeitsoberfläche 202 derart gezeigt, dass sie mehrere Bereiche oder Ränder der ersten und zweiten Materialschichten 102 und 104 freilegt. Diese Ränder werden als erste Materialränder 302 und zweite Materialränder 304 bezeichnet. Diese freigelegten Ränder 302 und 304 können verwendet werden, um beim Erzeugen von Drähten des Nanodraht-Arrays zu helfen, wie nachfolgend detaillierter erörtert wird.
4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels des Übergitters 100 mit einem Beispiel der Arbeitsoberfläche 202 und einer exemplarischen elektrischen Verbindungsoberfläche 402. Hier ist das Übergitter geändert, um die elektrische Verbindungsoberfläche 402 zu erzeugen. Die elektrische Verbindungsoberfläche 402 muss an einem gewissen Abschnitt nicht im Wesentlichen eben sein, obwohl eine Verbindung mit einer elektrischen Leistungssenke einfacher sein kann, wenn sie im Wesentlichen eben oder planar ist.
Die elektrische Verbindungsoberfläche 402 kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden, einschließlich durch Schneiden und Polieren des Übergitters 100.
Exemplarische Plattform zum Erzeugen von Nanodraht-Arrays
5 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Plattform 500 dar, die verwendbar ist, um Verfahren zum Erzeugen von Nanodraht-Arrays auszuführen, die nachfolgend erläutert werden. Die Plattform 500 umfasst einen Computer/eine Steuerung 502 und einen Prozessabschnitt 504.
Der Computer/die Steuerung 502 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU; central processing unit) 506, einen Speicher 508, eine Eingabe-/Ausgabe-Schaltung (I/O; input/output) 510 und Unterstützungsschaltungen 512. Die CPU 506 ist ein Allzweck-Computer, der, wenn er durch Ausführen einer Software programmiert wird, die in dem Speicher 508 (nicht gezeigt) enthalten ist, zu einem zweckgebundenen Computer zum Steuern der Hardware-Komponenten des Verarbeitungsabschnitts 504 wird. Der Speicher 508 kann einen Nur-Lese-Speicher, einen Direktzugriffspeicher, eine entfernbare Speicherung, ein Festplattenlaufwerk oder jegliche Form einer digitalen Speichervorrichtung umfassen. Die I/O-Schaltungen 510 weisen bekannte Anzeigen für die Ausgabe von Informationen, und eine Tastatur, eine Maus, einen Track-Ball, für eine Eingabe von Informationen auf, die das Programmieren des Computers/der Steuerung 502 erlauben können, um die Prozesse zu bestimmen, die durch den Prozessabschnitt 504 ausgeführt werden (einschließlich der zugeordneten Roboter-Aktion, die in dem Prozessabschnitt 504 umfasst ist). Die Unterstützungsschaltungen 512 sind in der Technik bekannt und umfassen Schaltungen, wie z. B. Cache-Speicher, Takte, Leistungsversorgungen und ähnliches.
Der Speicher 508 enthält eine Steuersoftware, die, wenn sie durch die CPU 506 ausgeführt wird, dem Computer/der Steue rung 502 ermöglicht, die verschiedenen Komponenten des Prozessabschnitts 504 digital zu steuern. Eine detaillierte Beschreibung des Prozesses, der durch die Steuersoftware implementiert wird, ist Bezug nehmend auf 6 und 16 beschrieben.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Computer/die Steuerung 502 analog sein. Zum Beispiel können anwendungsspezifische, integrierte Schaltungen, die zum Steuern von Prozessen in der Lage sind, wie z. B. jenen, die innerhalb des Prozessabschnitts 504 auftreten, verwendet werden.
Der Prozessabschnitt 504 kann eine Vielzahl von Prozesskammern 514 umfassen, zwischen denen das Substrat 106 und/oder das Übergitter 100 translatiert bzw. verschoben werden, häufig unter Verwendung eines Robotermechanismus 516. Die Details der Verarbeitung variieren mit den unterschiedlichen Verfahren, die nachfolgend beschrieben werden.
Exemplarische Verfahren zum Erzeugen von Nanodraht-Arrays
6 zeigt ein Flussdiagramm 600 zum elektrochemischen Erzeugen eines Nanodraht-Arrays. Dieses und das folgende Flussdiagramm aus 16 sind als Blockreihen dargestellt, die Operationen oder Aktionen darstellen, die durch die Plattform 500 ausgeführt werden. Diese Diagramme können jedoch durch jede geeignete Robotik, Personen, Hardware, Software, Firmware oder Kombinationen derselben ausgeführt werden. In dem Fall von Software und Firmware stellen sie Sätze aus Operationen dar, die als computerausführbare Anweisungen implementiert sind, die in einem Speicher gespeichert und durch einen oder mehrere Prozessoren ausführbar sind.
Bei Block 602 wird das Übergitter 100 bereitgestellt.
Bei Block 604 wird das Übergitter 100 angebracht oder anderweitig in elektrische Kommunikation mit einer elektrischen Leistungsquelle oder einer elektrischen Masse (Senke) gesetzt.
7 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels des Übergitters 100 mit Beispielen der Arbeitsoberfläche 202 und der elektrischen Verbindungsoberfläche 402, wobei die elektrische Verbindungsoberfläche 402 in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke 702 ist.
Wenn die elektrische Verbindungsoberfläche 402 in Kommunikation mit der elektrischen Leistungssenke 702 gesetzt ist, kann eine Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Materialschichten 102 und 104 an der Arbeitsoberfläche 202 und Ionen, leitfähigen Substraten und anderen Vorrichtungen (noch nicht gezeigt) vorliegen. Diese Spannungsdifferenz kann verwendet werden, um Ionen zu oder von der Arbeitsoberfläche 202 zu übertragen, um Drähte für ein Nanodraht-Array zu erzeugen. Wie diese Spannungsdifferenz verwendet werden kann, um die Erzeugung von Drähten eines Nanodraht-Arrays zu ermöglichen, wird nachfolgend detailliert beschrieben.
Wenn ein oder mehrere Materialien der ersten und zweiten Materialschichten 102 und 104 Nicht-Leiter sind und somit nicht-leitend von der Arbeitsoberfläche 202 zu der elektrischen Verbindungsoberfläche 402 sind, ist die elektrische Verbindungsoberfläche 402 derart aufgebaut, dass jede Schicht der anderen Materialschicht (die Leiter ist/sind) eine Verbindung zu der elektrischen Leistungssenke 702 erzeugt. In diesem Fall ist die elektrische Verbindungsoberfläche 402 derart vorbereitet, dass jede leitfähige Schicht der leitfähigen Materialschicht in elektrischer Kommunikation mit der elektrischen Leistungssenke 702 ist. Dies kann durch Schneiden und Polieren der elektrischen Verbindungsoberfläche 402 und dann Platzieren eines leitfä higen Verbindungsmaterials 704 in Kontakt mit jeder der leitfähigen Schichten an der elektrischen Verbindungsoberfläche 402 erreicht werden. Es kann ebenfalls auf andere Weisen erreicht werden, wobei es das Ziel ist, dass jede Schicht der leitfähigen Materialschicht in Kommunikation mit einer elektrischen Leistungssenke ist, wenn diese Schicht verwendet werden soll, um beim Erzeugen eines Drahts des Nanodraht-Arrays zu helfen.
Wenn die Materialien von sowohl den ersten als auch den zweiten Materialschichten 102 und 104 Leiter sind, kann die elektrische Verbindungsoberfläche 402 ohne das leitfähige Verbindungsmaterial 704 vorbereitet sein. In diesem Fall kann die elektrische Leistungssenke 702 direkt mit einer oder mehreren dieser Schichten verbunden sein, oder mit einer geringeren Menge eines Materials, das direkt mit einer oder mehreren der Schichten verbunden ist.
Bei Block 606, wenn die Materialien sowohl bei den ersten Materialschichten 102 als auch den zweiten Materialschichten 104 leitfähig sind, fährt die Plattform 500 entlang des „Nein"-Wegs zu Block 608 fort. Wenn ja, fährt die Plattform 500 entlang des „Ja"-Wegs zu Block 610 fort.
Bei Block 608 bringt die Plattform 500 eine schwachhaftende Schicht auf die Arbeitsoberfläche 202 an. Diese schwachhaftende Schicht kann in ihrer Tiefe im Nano-Größenbereich sein oder sogar weniger als ein Nanometer tief sein. Die schwachhaftende Schicht sollte dünn genug sein und solche Eigenschaften aufweisen, dass sie eine leitfähige Eigenschaft des ersten oder zweiten Materialrandes 302 oder 304 im Wesentlichen nicht stört, der leitfähig ist.
8 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels des Übergitters 100 mit Beispielen der Arbeitsoberfläche 202, der elektrischen Verbindungsoberfläche 402, der elektrischen Leistungssenke 702 und einer exemplarischen schwachhaftenden Schicht 802. Bei einigen Implementierungen des Systems und Verfahrens ist die schwachhaftende Schicht 802 zu einer Arbeitsoberfläche 202 des Übergitters 100 hinzugefügt. Diese schwachhaftende Schicht 802 wirkt, um zu ermöglichen, dass Drähte, die auf der Arbeitsoberfläche 202 erzeugt werden, einfacher von der Arbeitsoberfläche 202 entfernt werden. Die Entfernung dieser Drähte kann einfacher gemacht werden durch Hinzufügen der schwachhaftenden Schicht 802 durch Verringern der Haftung zwischen diesen Drähten (nicht gezeigt in 8) und der Arbeitsoberfläche 202.
Die schwachhaftende Schicht 802 kann von verschiedener Haftkraft sein, von einer sehr niedrigen bis zu einer moderat hohen Haftkraft. Ein Teil der Haftschicht 802 kann mit den Drähten abgelöst werden, wenn die Drähte von der Arbeitsoberfläche 202 entfernt werden, oder im Wesentlichen die gesamte Schicht kann auf der Arbeitsoberfläche 202 bleiben. Die schwachhaftende Schicht 802 hilft dabei, das Vorkommnis zu reduzieren, dass Drähte an der Arbeitsoberfläche 202 kleben oder gebrochen oder anderweitig beim Entfernen beschädigt werden, durch eine zu große Haftkraft zwischen den Drähten und der Arbeitsoberfläche 202. Sie kann eine variierende Haftfestigkeit aufweisen, wie z. B. eine Haftfestigkeit an schließlichen Drähten, die auf der Arbeitsoberfläche 202 erzeugt sind, die eine niedrigere Festigkeit aufweist als die Festigkeit eines möglichen Substrats, auf das die Drähte übertragen werden. Um die Menge der schwachhaftenden Schicht zu reduzieren, die an den Drähten klebt, kann die schwachhaftende Schicht an der Arbeitsoberfläche 202 mit einer größeren Kraft haften als an den Drähten.
Bei anderen Implementierungen wird die schwachhaftende Schicht 802 nicht verwendet. Diese Implementierungen werden nachfolgend detaillierter erörtert.
Bei Block 610 verarbeitet die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202 des Übergitters 100. Dieser Prozess kann das Verursachen umfassen, dass freiliegende Ränder der ersten Materialschichten 102 oder der zweiten Materialschichten 104 nicht-leitfähig sind. Er kann ferner das vorzugsweise Freilegen von Rändern von entweder der ersten oder der zweiten Materialschichten 102 und 104 umfassen.
In dem Fall, dass verursacht wird, dass bestimmte freiliegende Ränder nicht-leitfähig sind, kann die Plattform 500 bestimmte Schichten der ersten und/oder zweiten Materialschichten 102 und 104 isolieren. In diesen Fällen können Aspekte der Materialien bei den ersten und zweiten Materialschichten 102 und 104 wichtig sein.
Bei einer Implementierung z. B. werden die Ränder der zweiten Materialschichten 104 bei Block 610 isoliert, während die ersten Materialschichten 102 dies nicht werden. Dies kann ausgeführt werden durch Oxidieren der zweiten Materialränder 304 (siehe 3). Bei einer Implementierung setzt die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202 und somit die ersten Materialränder 302 und die zweiten Materialränder 304 einer Sauerstoffatmosphäre aus. Damit die ersten Materialränder 302 nicht ausreichend oxidiert werden, um nicht-leitfähig zu werden, weist das Material der ersten Materialschichten 102 eine Oxidationsrate auf, die niedriger ist als die Oxidationsrate des Materials der zweiten Materialschichten 104.
Bei einer anderen Implementierung werden Ränder von entweder den ersten oder zweiten Materialschichten 102 und 104 durch Nitridieren isoliert. Bei dieser Implementierung setzt die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202 (zusammen mit den ersten und zweiten Rändern 302 und 304) einer Stickstoffatmosphäre unter den richtigen Bedingungen von Druck, Temperatur, Plasma und/oder Katalysator etc. aus. Hier werden entweder die ersten oder zweiten Materialränder 302 und 304 ausreichend nitridiert, um an der Arbeitsoberfläche 202 nicht-leitfähig zu sein. Der Materialrand, der leitfähig bleiben soll, weist eine Nitridierrate auf, die niedriger ist als die des Materialrandes, der nicht-leitfähig gemacht werden soll.
9 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht von Beispielen des Übergitters 100 und der Arbeitsoberfläche 202, nachdem die zweiten Materialränder 304 geändert wurden. Bei dieser Darstellung ist das Material der zweiten Materialschichten 104 leitfähig, wurde jedoch derart behandelt, dass es an der Arbeitsoberfläche 202 nicht mehr leitfähig ist. Wie oben beschrieben wurde, können die zweiten Materialränder 304 (oder die ersten Materialränder 302, abhängig von der Implementierung) nicht-leitfähig gemacht werden, dadurch, dass sie einer Stickstoff- oder Sauerstoff-Atmosphäre ausgesetzt werden.
Bei einer Implementierung ist das Material der zweiten Materialschichten 104 Aluminium und das Material der ersten Materialschichten 102 ist Gold. Wenn dies die zwei Materialien sind, verursacht das Aussetzen der Arbeitsoberfläche 202 gegenüber einer Sauerstoffatmosphäre, dass die ersten Materialränder 302 im Wesentlichen unverändert sind, während die zweiten Materialränder 304 sich von Aluminium (einem Leiter, gezeigt bei Bezugszeichen 104) zu Aluminiumoxid ändern (einem Nicht-Leiter, gezeigt bei Bezugszeichen 902). Nachdem eine ausreichende Änderungstiefe von Aluminium zu Aluminiumoxid erreicht wurde, sind die Materialränder 304 im Wesentlichen nicht-leitfähig.
In einigen Fällen jedoch ist ein bestimmter geringer Betrag einer Änderung an den ersten Materialrändern 302 erwünscht. Bei dieser Implementierung kann ein geringer Betrag einer Änderung an den ersten Materialrändern 302 verursachen, dass Drähte, die auf den ersten Materialrändern 302 erzeugt werden, nicht so stark haften als wenn keine Änderung vorhanden wäre.
10 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht von Beispielen des Übergitters 100 und der Arbeitsoberfläche 202, nachdem die ersten und zweiten Materialränder 302 und 304 geändert wurden. Bei dieser Darstellung ist das Material der zweiten Materialschichten 104 leitfähig, wurde aber derart behandelt, dass es an der Arbeitsoberfläche 202 nicht mehr leitfähig ist. Das Material der ersten Materialschichten 102 ist ebenfalls leitfähig und wurde an der Arbeitsoberfläche 202 behandelt, aber nicht ausreichend, um nicht-leitfähig zu sein.
Bei einer Implementierung ist das Material der zweiten Materialschichten 104 Aluminium und das Material der ersten Materialschichten 102 ist Tantal. Wenn dies die zwei Materialien sind, verursacht das Aussetzen der Arbeitsoberfläche 202 gegenüber einer Sauerstoffatmosphäre, dass die ersten Materialränder 302 zu einer geringen Tiefe verändert werden (im Vergleich zu der Tiefe der zweiten Materialränder 304), während die zweiten Materialränder 304 zu einer vergleichsweise großen Tiefe verändert werden. Das Aluminium ändert sich zu Aluminiumoxid (gezeigt bei Bezugszeichen 1002). Das Tantal ändert sich zu Tantaloxid (einem Nicht-Leiter, gezeigt bei Bezugszeichen 902). Nachdem eine ausreichende Änderungstiefe von Aluminium zu Aluminiumoxid erreicht wurde, sind die zweiten Materialränder 304 effektiv nicht-leitfähig. Die ersten Materialränder 302 können leitfähig bleiben, aber mit gewünschten Eigenschaften, wie z. B. einer niedrigeren Haftung an einem oder mehreren Materialien, die zum Erzeugen von Drähten für das Nanodraht-Array verwendet werden. Die ersten Materialränder hier können ebenfalls chemisch in einer Lösung geätzt werden, die die ersten Materialränder im Wesentlichen nicht ätzt.
Auch als Teil von Block 610 kann die Plattform 500 vorzugsweise Ränder von entweder den ersten oder zweiten Materialschichten 102 oder 104 freilegen. Das Freilegen bestimmter Ränder kann das Erodieren der anderen Ränder auf verschiedene Weisen umfassen. Bei einer Implementierung umfasst das vorzugsweise Freilegen von Rändern das Wegätzen von egal welchen der ersten oder zweiten Materialschichten 102 und 104, die ein Leiter sind. Das Ätzen des leitfähigen Materials (bei diesem Beispiel sei angenommen, dass die ersten Materialschichten 102 leitfähig sind und die zweiten Materialschichten 104 nicht-leitfähig sind) kann zu einer bestimmten Tiefe ausgeführt werden. Diese Tiefe kann die schließliche Tiefe (oder Höhe) von Drähten des Nanodraht-Arrays beeinflussen.
11 zeigt eine dreidimensionale Ansicht von Beispielen des Übergitters 100 und der Arbeitsoberfläche 202, nachdem die ersten Materialränder 302 erodiert wurden. Bei dieser Darstellung ist das Material der ersten Materialschichten 102 leitfähig, wurde jedoch weggeätzt, um Rillen in den ersten Materialschichten 102 zu erzeugen. Dies legt das nicht-leitfähige Material der zweiten Materialschichten 104 frei und was wichtig ist, erzeugt eine Rille für einen Draht, der erzeugt werden soll. Wie aus 11 ersichtlich ist, verursacht dieses Ätzen, dass die Arbeitsoberfläche 202 wellig ist. Diese Welligkeit kann auch, wenn sie parallel zu der Länge betrachtet wird, als eine gestuftquadratische, eine Sägezahn- oder eine Sinuswellen-Erscheinung erscheinen.
Um vorzugsweise ein Material mehr als das andere zu ätzen oder zu erodieren, weist das Material der ersten oder zweiten Materialschicht 102 oder 104, das geätzt werden soll, eine höhere Ätz-Rate im Hinblick auf das verwendete Ätzmittel auf.
Diese Rille kann beim Erzeugen von Drähten nützlich sein, die ungefähr die Tiefe der Rillen aufweisen. Die Rillen haben auch andere Vorteile, wie z. B., dass die Drähte vor Schaden geschützt werden und ein gewünschter Querschnitt erzeugt wird. Dieser Querschnitt kann an einer Seite abgerundet und an einer anderen Seite näherungsweise flach sein. Da diese andere Seite später an ein Substrat ange bracht wird, kann diese Flachheit beim Befestigen der Drähte an dem Substrat ein Vorteil sein.
Bei einer Implementierung wird die gerillte Arbeitsoberfläche 202 aus 11 mit einer schwachhaftenden Schicht (nicht gezeigt) behandelt.
Bei Block 612 fährt die Plattform 500 bei einer Implementierung entlang dem „Nur-Isolieren"-Weg zu Block 608 fort, wenn ein Teil der Arbeitsoberfläche 202 isoliert wurde. Wenn sie isoliert und geätzt oder anderweitig vorzugsweise freigelegt wurde, fährt die Plattform 500 entlang des Wegs „Ätzen und Isolieren" zu Block 614 fort. Die Plattform 500 kann jedoch bei einigen Implementierungen zu Block 608 fortfahren, nach dem Ätzen und Isolieren, vor dem Fortfahren zu Block 614, um eine schwachhaftende Schicht auf die geätzte und isolierte Arbeitsoberfläche 202 aufzubringen. Bei anderen Implementierungen ätzt die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202, sogar wenn beide Materialschichten leitfähig sind. Bei dieser Implementierung fährt die Plattform von Block 606 (entlang dem „Ja"-Weg und nicht dem „Nein"-Weg) zu Block 610 fort.
Bei Block 614 setzt die Plattform 500 Ränder aus leitfähigen Materialschichten Ionen aus. Als Teil dieses Blocks 614 setzt die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202 Ionen aus. Jene Ränder (entweder die ersten Materialränder 302 oder die zweiten Materialränder 304), die auf der Arbeitsoberfläche 202 leitfähig sind, können Ionen anziehen. Über eine Zeitperiode hinweg baut die Ansammlung von Ionen an einem leitfähigen Rand einen Draht auf.
Um die Ionen an den leitfähigen Rändern anzuziehen, sind die leitfähigen Ränder auf einem unterschiedlichen elektrischen Potential oder einer Ladung als die Ionen. Dies kann auf verschiedene Weisen erreicht werden, einschließlich dadurch, dass die Ränder in elektrische Kommunikation mit der elektrischen Leistungssenke 702 gesetzt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel, das oben ausgeführt ist, ist die elektrische Verbindungsoberfläche 402 in elektrische Kommunikation mit der elektrischen Leistungssenke 702 gesetzt. Bei diesem Beispiel ist die Kommunikation zwischen der elektrischen Verbindungsoberfläche 402 und der Arbeitsoberfläche 202 eingerichtet, dadurch, dass eine oder beide der ersten und zweiten Materialschichten 102 und 104 leitfähig sind. Wenn beide leitfähig sind, außer dass eine auf der Arbeitsoberfläche 202 nicht leitfähig ist, liefern diese leitfähigen Materialien eine elektrische Kommunikation zu den Rändern, die an der Arbeitsoberfläche leitfähig sind, obwohl nicht jede an der Arbeitsoberfläche leitfähig ist. Dadurch können die ersten Materialränder 302 oder die zweiten Materialränder 304 (abhängig davon, welche an der Arbeitsoberfläche 202 leitfähig ist) die Ionen anziehen, um Drähte für das Nanodraht-Array aufzubauen.
Bei einer Implementierung setzt die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202 Ionen aus, durch Platzieren der Arbeitsoberfläche 202 in einem Ionenbad. Die Ionen in dem Bad können Gold-, Tantal-, Aluminium- oder Nickel-Ionen sein, um nur einige zu nennen. Das Material an den ersten Materialrändern 302 kann ebenfalls Gold-, Tantal-, Aluminium- oder Nickel-Ionen sein, um nur einige zu nennen.
Bei einer anderen Implementierung platziert die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202 in ein Ionenbad aus Nickelionen, die eine positive Ladung aufweisen. Bei dieser Implementierung sind die ersten Materialränder 302 aus Tantal aufgebaut und die zweiten Materialränder 304 sind aus Aluminiumoxid aufgebaut. Das Material der zweiten Materialschicht 104 ist Aluminium, aber die zweiten Materialränder 304 wurden oxidiert. Bei diesem Beispiel bilden sich Drähte, die eine Nano-Größenbereich-Tiefe aufweisen, die aus Nickel gebildet sind, an den ersten Materialrändern 302, wenn die ersten Materialränder 302 auf einem ausreichend negativen Potential im Vergleich zu den Nickelionen sind. Unter Fortsetzung dieses Beispiels sind die ersten Materi alränder 302 auf einem elektrischen Potential, das niedriger ist als das der Nickelionen. Dieses niedrigere elektrische Potential wird durch elektrische Kommunikation von den ersten Materialrändern 302 durch die ersten Materialschichten 102 und die elektrische Verbindungsoberfläche 402 zu der elektrischen Leistungssenke 702 geschaffen. Ferner ist bei diesem Beispiel das Bad aus Nickelionen (nicht gezeigt) mit einer elektrischen Leistungsquelle (nicht gezeigt) verbunden, die verursacht, dass dieselben positiv geladen bleiben und/oder werden.
Bei Block 616 lagert die Plattform 500 Ionen elektrochemisch auf die Ränder der leitfähigen Schichten ab. Wie oben gezeigt ist, ziehen die ersten und zweiten Materialränder 302 oder 304, die auf der Arbeitsoberfläche 202 leitfähig sind, Ionen an, wenn die Ränder auf einem geeigneten elektrischen Potential im Vergleich zu den Ionen sind. Die Plattform 500 fährt fort, Ionen auf die Ränder aufzubringen, bis Drähte einer geeigneten Dicke und Tiefe erzeugt sind. Diese Dicke kann im Nanometergrößenbereich oder größer sein. Bei einer Implementierung ist diese Dicke ungefähr dieselbe wie die Tiefe der Drähte. Bei einer anderen Implementierung ist diese Dicke geringer als die Tiefe der Drähte, was den Drähten eine geringere Dicke als Tiefe verleiht. Bei einer wiederum anderen Implementierung ist die Dicke größer als die Tiefe der Drähte.
12 und 13 zeigen Drähte, die an einem Beispiel der Arbeitsoberfläche 202 aufgebaut sind.
Genauer gesagt zeigt 12 eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels des Übergitters 100 mit Beispielen der Arbeitsoberfläche 202, der elektrischen Verbindungsoberfläche 402, der elektrischen Leistungssenke 702 und der schwachhaftenden Schicht 802, mit exemplarischen Drähten 1202 auf der Arbeitsoberfläche 202. Hier sind die Drähte 1202 auf den leitfähigen Rändern (hier den ersten Material rändern 302) aber auf der schwachhaftenden Schicht 802 aufgebaut.
Genauer gesagt zeigt 13 eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels des Übergitters 100 mit Beispielen der Arbeitsoberfläche 202 mit einem welligen Querschnitt, der elektrischen Verbindungsoberfläche 402, der elektrischen Leistungssenke 702 und den Drähten 1202. Hier sind die Drähte innerhalb der Wellen aufgebaut, die durch Erodieren der ersten Materialschichten 102 auf der Arbeitsoberfläche 202 verursacht wurden.
Bei einer wiederum anderen Implementierung von Block 616 platziert die Plattform 500 die Arbeitsoberfläche 202 in ein Bad mit anderen geladenen Objekten, die folgende umfassen, jedoch nicht auf dieselben beschränkt sind: ionisierte anorganische Moleküle, ionisierte organische Moleküle, ionisierte biologische Moleküle, ionisierte Polymere, geladenes Metall, Halbleiter oder isolierende Nanopartikel und chemische Cluster bzw. Gruppen oder Komplexe der oben Genannten. Bei dieser Implementierung führt das elektrische Feld, das durch die Arbeitsoberfläche 202 induziert wird, zu einer elektrophoretischen Aufbringung der Objekte auf den leitfähigen Rändern der Arbeitsoberfläche 202. Dieses Verfahren macht es möglich, Halbleiter-, Keramik-, organische, polymerische und andere Typen von Nanodrähten zu bilden.
Bei einer wiederum anderen Implementierung von Block 616 induziert das elektrische Feld, das durch die Arbeitsoberfläche 202 erzeugt wird, eine chemische Reaktion zwischen gelösten chemischen Stoffen und Wasser (in einem Bad, in das die Arbeitsoberfläche 202 platziert ist) an den leitfähigen Rändern der Arbeitsoberfläche 202. Dies führt zu einer elektrolytischen Aufbringung der Reaktionsprodukte auf den leitfähigen Rändern, wodurch Nanodrähte gebildet werden.
Bei Block 618 stellt die Plattform 500 ein Array-Substrat bereit. Dieses Array-Substrat ist wirksam, um die Drähte zu halten, die auf der Arbeitsoberfläche 202 gebildet sind.
14 zeigt Beispiele des Übergitters 100, der Arbeitsoberfläche 202, der schwachhaftenden Schicht 802, der Drähte 1202 und ein exemplarisches Array-Substrat 1400. Das Array-Substrat 1400 umfasst eine starkhaftende Schicht 1402. Diese starkhaftende Schicht 1402 ermöglicht die Übertragung der Drähte 1202 von dem Übergitter 100 auf das Array-Substrat 1400. Die starkhaftende Schicht 1402 wirkt mit einer Haftkraft, die größer ist als die Haftkraft zwischen den Drähten 1202 und der Arbeitsoberfläche 202. Wenn eine schwachhaftende Schicht 802 zwischen den Drähten 1202 und der Arbeitsoberfläche 202 vorhanden ist, kann die starkhaftende Schicht 1402 von einer Haftkraft sein, die nur moderat oder moderat niedrig ist, die aber größer ist als die Haftkraft der schwachhaftenden Schicht 802 auf den Drähten 1202.
Bei Block 620 bringt die Plattform 500 die Drähte 1202 mit dem Array-Substrat 1400 in Kontakt. Dadurch werden die Drähte 1202 von dem Übergitter 100 auf das Array-Substrat 1400 übertragen.
14 zeigt das Array-Substrat 1400 und das Übergitter 100, bevor dieselben in physischen Kontakt gesetzt werden. Nachdem die Plattform 500 die Drähte 1202 mit der starkhaftenden Schicht 1402 des Array-Substrats 1400 in Berührung bringt, werden die Drähte 1202 auf das Array-Substrat 1400 übertragen.
Bei Block 622 entfernt die Plattform 500 das Übergitter 100 von dem Array-Substrat 1400 und lässt die Drähte 1202 auf dem Array-Substrat 1400.
15 zeigt ein Beispiel des Array-Substrats 1400 und der Drähte 1202, nachdem die Drähte 1202 übertragen wurden.
Hier umfasst das Array-Substrat 1400 ein exemplarisches Array 1502 der Drähte 1202.
16 zeigt ein Flussdiagramm 1600 zum elektrochemischen Erzeugen eines Nanodraht-Arrays. Dieses Flussdiagramm 1600 zeigt ein exemplarisches Verfahren zum Erzeugen eines Nanodraht-Arrays, hier unter Verwendung einer elektrochemischen Auflösung und eines Elektroplattierens, um Material von dem Übergitter 100 auf ein Substrat zu übertragen.
Bei einer anderen Implementierung (nicht gezeigt) wird das Material von dem Substrat auf das Übergitter übertragen. Bei dieser anderen Implementierung weist das Substrat einen dünnen leitfähigen Film auf, und das Übergitter wird elektrochemisch verwendet, um den dünnen leitfähigen Film des Substrats in ein Array aus Nanodrähten zu ätzen. Somit ist das Material des dünnen leitfähigen Films des Substrats, das nach dem Ätzen bleibt, ein Nanodraht-Array.
Bei Block 1602 schafft die Plattform 500 das Übergitter 100. Dies kann mit einem der exemplarischen Übergitter 100 ausgeführt werden, die oben gezeigt sind. Bei einer Implementierung schafft die Plattform 500 das Übergitter 100, das in 4 gezeigt ist, das die Arbeitsoberfläche 202 und die elektrische Verbindungsoberfläche 402 aufweist.
Bei Block 1604 wird die elektrische Leistungssenke 702 an die elektrische Verbindungsoberfläche 402 angebracht. Die elektrische Leistungssenke 702 kann eine Quelle oder Masse/Senke sein.
Bei Block 1606 erodiert die Plattform 500 eine der ersten oder zweiten Materialschichten 102 oder 104 auf der Arbeitsoberfläche 202. Diese Erosion kann durch Ätzen oder andere ähnliche Weisen ausgeführt werden, wie in der obigen Beschreibung im Hinblick auf Freilegen, Erosion und/oder Ätzen ausgeführt wurde.
Bei einer Implementierung ätzt die Plattform 500 die zweiten Materialschichten 104 auf der Oberfläche 202. Dies erzeugt eine wellige Arbeitsoberfläche 202, wobei die ersten Materialränder 302 über die der zweiten Materialschichten 304 hervorstehen.
17 zeigt eine dreidimensionale Ansicht von Beispielen des Übergitters 100 und der Arbeitsoberfläche 202, nachdem die zweiten Materialränder 304 erodiert wurden. Bei dieser Darstellung ist das Material der ersten Materialschichten 102 leitfähig, wurde jedoch über das der zweiten Materialschichten 104 hinaus freigelegt, dadurch, dass die zweiten Materialschichten 104 weggeätzt sind, um Rillen in den zweiten Materialschichten 104 zu erzeugen. Dies legt vorzugsweise das leitfähige Material der ersten Materialschichten 102 auf der Arbeitsoberfläche 202 frei. Wie aus 17 ersichtlich ist, verursacht dieses Ätzen, dass die Arbeitsoberfläche 202 wellig wird und sich die ersten Materialränder 302 über die zweiten Materialränder 304 erstrecken.
Bei Block 1608 schafft die Plattform ein leitfähiges Empfangssubstrat. Dieses leitfähige Empfangssubstrat ist verwendbar, um Material von Schichten der ersten Materialschichten 102 oder der zweiten Materialschichten 104 zu übertragen. Material kann in kleinen Mengen übertragen werden, aber ausreichend, um Nano-Größenbereich-Drähte einer ausreichenden Tiefe von den Rändern der ersten und/oder zweiten Materialränder 302 und 304 zu erzeugen.
Bei Block 1610 löst die Plattform 500 leitfähiges Material von einem oder mehreren Rändern der Materialschichten, um das leitfähige Material auf das leitfähige Empfangssubstrat aufzubringen. Dies kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden, einschließlich durch elektrochemische Aufbringung von freiliegenden Rändern der Schichten auf das leitfähige Empfangssubstrat.
Bei einer Implementierung, die teilweise in 18 gezeigt ist, wird Material von den ersten Materialrändern 302 übertragen, um Drähte auf dem leitfähigen Empfangssubstrat zu erzeugen. Um diese Übertragung von Material zu erleichtern, sind die ersten Materialränder 302 und das leitfähige Empfangssubstrat auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen.
18 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht von Beispielen des Übergitters 100, der Arbeitsoberfläche 202, der elektrischen Verbindungsoberfläche 402 und der elektrischen Leistungssenke 702, bei der sich die Arbeitsoberfläche 202 mit den ersten Materialrändern 302 über die zweiten Materialränder 304 hinaus erstreckt. 18 zeigt ferner ein exemplarisches, leitfähiges Empfangssubstrat 1802 in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Leistungsquelle 1804. Bei dieser Implementierung umfasst das leitfähige Empfangssubstrat 1802 eine Isolierschicht 1806, auf der die Drähte 1202 aufgebaut sind.
Die Plattform 500 kann die Übertragung von Material von den ersten Materialrändern 302 auf das leitfähige Empfangssubstrat 1802 ermöglichen, dadurch, dass die freiliegenden Ränder (hier die ersten Materialränder 302) sehr nahe an dem leitfähigen Empfangssubstrat 1802 platziert sind. Bei einer Implementierung platziert die Plattform 500 diese innerhalb von Nanometern voneinander. Bei einer anderen innerhalb von mehreren zehn Nanometern voneinander. Die Nähe beeinflusst die Feinheit der aufgebrachten Leitungen.
Um ferner die Übertragung von Material zu erleichtern, kann die Plattform 500 das leitfähige Empfangssubstrat 1802 und die ersten Materialränder 302 in einen Elektrolyten platzieren, der in der Lage ist, Ionen von Materialien zu tragen, die an den ersten Materialrändern 302 vorhanden sind.
Bei dem vorliegenden Beispiel, das teilweise in 18 gezeigt ist, platziert die Plattform 500 die ersten Materialränder 302 und das leitfähige Empfangssubstrat 1802 in einen Elektrolyten, der in der Lage ist, die Materialien an den ersten Materialrändern 302 aufzulösen. Bei einem Beispiel ist das Material bei den ersten Materialrändern 302 Nickel. Bei diesem Beispiel wird der Nickel durch den Elektrolyten aufgelöst, um Nickelionen zu werden: Diese Nickelionen sind geladene Partikel und werden an das leitfähige Empfangssubstrat 1802 angezogen. Die Nickelionen bauen sich dann im Lauf der Zeit auf der Schicht 1806 des leitfähigen Empfangssubstrats 1802 auf und bilden die Drähte 1202 aus Nickel. Nachdem eine gewünschte Dicke und Tiefe der Drähte 1202 erreicht ist, entfernt die Plattform 500 das leitfähige Empfangssubstrat 1802 von der Arbeitsoberfläche 202 des Übergitters 100.
Die Materialien bei den freiliegenden ersten Materialrändern 302 können mehrere Materialien umfassen. Bei einer Implementierung, die teilweise in 19 dargestellt ist, umfassen die ersten Materialränder 302 vier unterschiedliche Materialien.
19 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht von Beispielen des Übergitters 100, der Arbeitsoberfläche 202, der elektrischen Verbindungsoberfläche 402 und der elektrischen Leistungssenke 702, wobei die Arbeitsoberfläche 202 die ersten Materialränder 302 aufweist, die sich über die zweiten Materialränder 304 hinaus erstrecken und mehrere Materialien umfassen. 19 zeigt ferner ein Beispiel des leitfähigen Empfangssubstrats 1802 in elektrischer Kommunikation mit der elektrischen Leistungsquelle 1804. Bei dieser Implementierung umfasst das leitfähige Empfangssubstrat 1802 die Isolierschicht 1804, auf der die Drähte 1202 aufgebaut sind.
Bei dieser Implementierung platziert die Plattform 500 die ersten Materialränder 302 in einen Elektrolyten, der in der Lage ist, jedes der vier Materialien aufzulösen. Diese Materialien können z. B. abwechselnde Schichten der ersten Materialschichten 102 aus Tantal, Nickel, Aluminium und Gold umfassen. Die Plattform 500 fährt dann wie oben fort.
Wenn jedoch eine bestimmte Beabstandung benötigt wird, kann ein Elektrolyt verwendet werden, der nicht in der Lage ist, eines oder mehrere der vier Materialien ausreichend aufzulösen, wodurch Drähte in einem Array erzeugt werden, die größere Abstände zwischen Bestimmten der Drähte aufweisen.
Nanodraht-Arrays, die mit den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt werden, können auch für eine Weiterverarbeitung und Herstellung anderer Typen von Nanodrähten verwendet werden. Bei einer Implementierung werden Nanodrähte auf einem dünnen Metall- oder Halbleiter-Film hergestellt. Dann werden diese Nanodrähte als eine Hartmaske verwendet, um das Material des Films wegzuätzen, wodurch ein anderer Satz aus Nanodrähten erzeugt wird, der aus dem Material des Films hergestellt ist.
Obwohl die Erfindung hierin in einer Sprache beschrieben ist, die spezifisch für strukturelle Merkmale und Verfahrensschritte ist, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung, die in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, nicht notwendigerweise auf die spezifischen beschriebenen Merkmale oder Schritte beschränkt ist. Statt dessen stellen die spezifischen offenbarten Merkmale und Schritte bevorzugte Formen zum Implementieren der beanspruchten Erfindung dar.
Zusammenfassung
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein System (500) und Verfahren (600, 1600) zum Erzeugen von Nanodrähten (1202). Ein Nanodraht (1202) kann erzeugt werden durch Aussetzen (614) von Schichten (102, 104) des Materials in einem Übergitter (100) und Auflösen und Übertragen (1610) von Material von Rändern (302) der freiliegenden Schichten (102) auf ein Substrat (1802). Der Nanodraht (1202) kann ferner erzeugt werden durch Aussetzen (614) von Schichten eines Materials (102) in einem Übergitter (100) und Aufbringen von Material auf Ränder (302) der freiliegenden Schichten (102).

Claims

Ein System, das folgende Merkmale aufweist: ein Übergitter (100) mit mehreren abwechselnden Schichten, die erste abwechselnde Schichten (102) eines ersten Materials und zweite abwechselnde Schichten (104) eines zweiten Materials umfassen, wobei zumindest eine Schicht der mehreren abwechselnden Schichten eine Länge, eine Dicke und eine Tiefe aufweist, wobei die mehreren abwechselnden Schichten in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Dicke aufgebracht sind; wobei: die mehreren abwechselnden Schichten eine erste Oberfläche (202) aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zu der Dicke erstreckt, wobei die erste Oberfläche (202) einen ersten Abschnitt (302) der ersten abwechselnden Schichten (102) und einen zweiten Abschnitt (304) der zweiten abwechselnden Schichten (104) umfasst; und die mehreren abwechselnden Schichten eine zweite Oberfläche (402) aufweisen, die physisch von der ersten Oberfläche (202) getrennt ist, wobei die zweite Oberfläche (402) für eine elektrische Kommunikation mit den mehreren abwechselnden Schichten vorliegt.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Material an der zweiten Oberfläche (402) leitfähig ist, aber an der ersten Oberfläche (202) ausreichend isoliert ist, um an der ersten Oberfläche (202) nicht-leitfähig zu sein.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Material leitfähig ist, das zweite Material nicht-leitfähig ist und die zweite Oberfläche (402) zwei oder mehr der ersten abwechselnden Schichten (102) freilegt.
Ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Herstellen von Nanometer-Dicke-Drähten durch: Aussetzen (614) einer Arbeitsoberfläche (202) eines Übergitters (100) mit abwechselnden Schichten eines zweiten leitfähigen Materials (102) und eines oder mehrerer anderer Materialien (104) gegenüber Ionen eines ersten leitfähigen Materials, wobei die Arbeitsoberfläche (202) freiliegende Ränder (302 und 304) der abwechselnden Schichten (102 und 104) aufweist, wobei die freiliegenden Ränder (302 und 304) eine Dicke und eine Länge aufweisen; elektrochemisches Aufbringen (616) der Ionen auf die oder in die Nähe der freiliegenden Ränder (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102), um Drähte (1202) des ersten leitfähigen Materials zu erzeugen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das elektrochemische Aufbringen (616) das Erzeugen einer Spannungsdifferenz zwischen den freiliegenden Rändern (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102) und einem Bad umfasst, das die Ionen enthält.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner das Behandeln der Arbeitsoberfläche (202) aufweist, um zu verursachen, dass die freiliegenden Ränder (304) der anderen Materialien nicht-leitfähig sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner das Ätzen der Arbeitsoberfläche (202) aufweist, um die freilie genden Ränder (302) des zweiten leitfähigen Materials (102) zu erodieren, um eine Distanz entfernt von der Arbeitsoberfläche (202) entlang einer Tiefe zu sein, die senkrecht zu der Länge und der Dicke ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner folgende Schritte aufweist: Aufbringen (608) einer dünnen schwachhaftenden Schicht (802) auf die freiliegenden Ränder (302 und 304), die eine leitfähige Eigenschaft der freiliegenden Ränder (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102) vor dem Aufbringen der Ionen nicht wesentlich stört; Bereitstellen eines Substrats (1400) mit einer starkhaftenden Schicht (1402); in Kontakt bringen der Drähte (1202), die auf den freiliegenden Rändern (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102) sind, auf die starkhaftende Schicht (1402); und Entfernen der freiliegenden Ränder (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102), um die Drähte (1202) von den freiliegenden Rändern (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102) zu lösen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner folgende Schritte aufweist: Bereitstellen (618) eines Substrats (1400) mit einer starkhaftenden Schicht (1402); in Kontakt bringen (602) der Drähte (1202), die auf den freiliegenden Rändern (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102) sind, auf die starkhaftende Schicht (1402); und Entfernen (622) der freiliegenden Ränder (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102), um die Drähte (1202) auf der starkhaftenden Schicht (1402) des Substrats (1400) zu lassen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner folgende Schritte aufweist: Aufbringen (608), vor dem Ablagern, einer dünnen ersten Haftschicht (802) auf die freiliegenden Ränder (302), die eine leitfähige Eigenschaft der freiliegenden Ränder (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102) nicht wesentlich stört; Bereitstellen (618) eines Substrats (1400) mit einer zweiten Haftschicht (1402), wobei die zweite Haftschicht (1402) einen höheren Haftkoeffizienten im Hin blick auf die Drähte (1202) aufweist als die erste Haftschicht (802); in Kontakt bringen (602) der Drähte (1202), die auf den freiliegenden Rändern (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102) sind, auf die zweite Haftschicht (1402); und Entfernen (622) der freiliegenden Ränder (302) der zweiten leitfähigen Materialschichten (102), um die Drähte (1202) auf der zweiten Haftschicht (1402) zu lassen.