專利名稱：用于創(chuàng)建納米線的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例涉及一種方法和裝置。具體而言，它們涉及一種用于創(chuàng)建硅納米 線(nanowire)的方法。
背景技術(shù)：
納米線是直徑非常小的線纜。納米線的直徑通常是納米量級。納米線的長度可以 改變，但是通常在長度上至少為數(shù)十或數(shù)百納米。納米線可以通過諸如硅的材料制成。硅納米線提供了使得能夠高效電荷傳輸?shù)囊痪S電子通道。這使得對于需要高效電 荷傳輸?shù)亩喾N不同應(yīng)用，硅納米線很有用。例如，硅納米線可以被用作為電池中的電觸點。能夠通過使用一種簡單和廉價的方法來創(chuàng)建納米線會很有用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的多種(但不一定是所有的)實施例，提供了一種方法，包括a)在包 括硅的基底上沉積掩蔽材料；b)通過使用第一過程去除所述掩蔽材料，相比于硅所述第一 過程優(yōu)先去除所述掩蔽材料，并且被配置用于部分地去除掩蔽材料；c)通過使用第二過程 去除硅，相比于掩蔽材料所述第二過程優(yōu)先去除硅；d)重復(fù)步驟序列a)、b)和c)，直到對 步驟序列a)、b)和c)的重復(fù)被停止為止，其中對步驟序列a)、b)和c)的重復(fù)創(chuàng)建了納米 線。根據(jù)本發(fā)明的多種(但不一定是所有的)實施例，提供了一種裝置，包括金屬層； 包括凹陷的納米線的硅基底；以及與所述凹陷的納米線和所述金屬層接觸的電解液。所述裝置可以用于存儲電能。例如，所述裝置可以是電池。


為了更好地理解本發(fā)明的實施例的多種示例，現(xiàn)在將通過示例僅對附圖進(jìn)行參 考，在附圖中圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的一種方法的框圖；圖2A至2E示意性示出對納米線的創(chuàng)建；以及圖3A至3E示意性示出根據(jù)本發(fā)明實施例的一種用于創(chuàng)建包括硅納米線的裝置的 方法。
具體實施例方式附圖示出了一種方法，包括a)在包括硅的基底21上沉積(cbposit) 11掩蔽材料25 ；b)通過使用第一過程去除13所述掩蔽材料25，相比于硅所述第一過程優(yōu)先去除 掩蔽材料，并且被配置用于部分地去除掩蔽材料；c)通過使用第二過程從基底21去除15硅，相比于掩蔽材料25所述第二過程優(yōu)先去除硅；d)重復(fù)步驟序列a)、b)和C)，直到對步驟序列a)、b)和C)的重復(fù)被停止為止，其中對步驟序列a)、b)和C)的重復(fù)創(chuàng)建了納米線。步驟a)、b)和c)可以是短持續(xù)時間的過程(量級1秒)，并且步驟序列a)、 b)和 c)可以重復(fù)N次，以便創(chuàng)建納米線35，其中Ml <N<M2，并且其中M2>M1，并且M1是范 圍在2至10000之間的任意自然數(shù)，并且M2是范圍在3至10001之間的任意自然數(shù)。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的一種方法的框圖。所述方法可用于在硅 基底21的表面上創(chuàng)建納米線35。[100]硅晶片可被用作為基底21。硅基底21可以是重?fù)?雜的。在框11，掩蔽材料25被沉積在包括硅的基底21上。掩蔽材料25可以使用鈍化氣(passivating gas)來創(chuàng)建。鈍化氣可以包括構(gòu)成 材料層的任意氣體，所述材料層隨后保護底層基底21不被蝕刻。在本發(fā)明的某些實施例中，掩蔽材料25可以包括聚合物。例如，鈍化氣可以包括 C4F8，其構(gòu)成了包括聚四氟乙烯(PTFE)的掩蔽材料25。在框13，通過使用第一過程去除掩蔽材料25，相比于硅所述第一過程優(yōu)先去除掩 蔽材料25。第一過程可以使用任意適當(dāng)過程。例如，第一過程可以是化學(xué)蝕刻過程。例如，第 一過程可以使用氧等離子體。在框15，通過使用第二過程從基底21去除硅，相比于掩蔽材料25所述第二過程優(yōu) 先去除硅。第二過程可以使用化學(xué)蝕刻劑。例如，第二過程可以使用SF6。在框15之后，所述過程返回框11，并且重復(fù)框11、13、15的循環(huán)。在框11，掩蔽材 料25被沉積在包括硅的基底21上。現(xiàn)在，基底除了具有硅之外，還具有來自框11、13、15 的第一循環(huán)的掩蔽材料的殘存物。接下來，在框13，通過使用第一過程去除掩蔽材料25，相 比于硅所述第一過程優(yōu)先去除掩蔽材料25。接著，在框15，通過使用第二過程從基底21去 除硅，相比于掩蔽材料25所述第二過程優(yōu)先去除硅。接著，再次重復(fù)框11、13、15的循環(huán)?？?1、13、15的序列被持續(xù)重復(fù)，直到所述重復(fù)停止為止。重復(fù)的次數(shù)可以被用于 控制由所述方法形成的納米線35的長度。作為示例，納米線可以直徑為幾納米，并且長度 為數(shù)百納米。在停止對框11、13、15的序列的持續(xù)重復(fù)之后，所述方法可以移動到框17。在框 17，可以去除剩余的掩蔽材料25。這可以通過在較長時段內(nèi)應(yīng)用第一過程來實現(xiàn)。相比于 硅第一過程優(yōu)先去除掩蔽材料25。在本發(fā)明的某些實施例中，在框13處的第一過程的持續(xù)時間可以受到控制。相對 于硅，第一過程優(yōu)先去除掩蔽材料。增加第一過程的持續(xù)時間減少了所形成的納米線的數(shù) 量，例如，其增加了隨機分布的納米線35之間的平均間距。增加納米線35之間的間距改 變了納米線集合的光學(xué)屬性，尤其是光散射屬性。隨著平均間距的改變，從納米線集合反射 的光的顏色可以改變。假定增加第一過程的持續(xù)時間減少了掩蔽材料25的有效殘存物27的“生存率”。 假定這些有效殘存物27可以在第二過程(框15)的期間掩蔽硅21 (其最終構(gòu)成納米線35)不被蝕刻。在本發(fā)明的某些實施例中，所述方法可以在感應(yīng)耦合等離子體(ICP)系統(tǒng)中執(zhí)行。在所述實施例中，硅基底21被放置于ICP系統(tǒng)的容器(chamber)內(nèi)?？梢蕴峁┖?， 以便當(dāng)正在執(zhí)行所述方法時冷卻硅基底21。提供等離子體的線圈可以連接于13. 56MHz的 射頻電源。所使用的鈍化氣可以包括C4F8。C4F8的流動速率可以是200sCCm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘 米每分鐘)。第一過程可以使用氧等離子體。氧等離子體的流動速率可以是lOOsccm。第 二過程可以使用SF6。SF6的流動速率可以是250SCCm。壓力可以保持為大約5X10_2mbar。 所使用的主要電感器功率可以是600W，并且基底功率可以是50W。鈍化(框11)的持續(xù)時 間可以被固定為1.5s，并且第二蝕刻過程(框15)的持續(xù)時間可以被固定為0.8s。第一過 程(框13)的持續(xù)時間可以在0.5至1.5s之間變化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)第一過程的持續(xù)時間上的 變化使得硅納米線35的密度能夠如上所述地進(jìn)行變化。改變該過程并實現(xiàn)滿意結(jié)果可以是可能的。三個關(guān)鍵參數(shù)在于控制掩蔽材料的 沉積的參數(shù)、影響優(yōu)先去除掩蔽材料的第一過程的參數(shù)、以及影響優(yōu)先去除硅的第二過程 的參數(shù)。通過使用鈍化氣可以實現(xiàn)對掩蔽材料25的沉積。一個示例是C4F8。C4F8的流動速 率可以被固定在100和300SCCm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)之間，但是優(yōu)選值是200SCCm。此 步驟的持續(xù)時間可以被固定在1和3秒之間，但是優(yōu)選持續(xù)時間是1. 5s。第一過程可以使用氧等離子體。氧等離子體的流動速率可以被固定在50和 150SCCm之間，但是優(yōu)選值是lOOsccm。此步驟的持續(xù)時間可以在0. 5和2. 0秒之間變化， 以控制納米線的間距。第二過程可以使用SF6。SF6的流動速率可以被固定在100和400SCCm之間，但是 優(yōu)選值是250sCCm。此步驟的持續(xù)時間可以被固定在0. 5和1. 5秒之間，但是優(yōu)選持續(xù)時間 是 0. 8s。針對掩蔽材料的優(yōu)選沉積速率(200sCCm)、用于第一過程的蝕刻劑的優(yōu)選沉積速 率(lOOsccm)、以及用于第二過程的蝕刻劑的優(yōu)選沉積速率(250sCCm)的比率是4 2 5， 其大致為2 1 2。針對掩蔽材料沉積的優(yōu)選處理時間(1.5s)、第一過程的優(yōu)選處理時間(0.5至 1.5s)、以及第二過程的優(yōu)選處理時間(0.8s)的比率在15 5 8至15 15 8之間變 化。第一過程的持續(xù)時間可以小于掩蔽材料沉積的持續(xù)時間。第一過程的持續(xù)時間可以小于第二過程的持續(xù)時間。第一過程的持續(xù)時間可以大于第二過程的持續(xù)時間。圖2A至2E示意性示出在參考圖1描述的方法期間，基底21如何可以根據(jù)當(dāng)前以 及尚未證明的假設(shè)來進(jìn)行發(fā)展。當(dāng)前相信，作為框11和13的結(jié)果，掩蔽材料25的殘存物27初始被留在硅基底21 的表面23上。這在圖2A中示意性示出。在框11處沉積的掩蔽材料25的量以及在框13處的第一過程的長度可以受到控 制，從而使得掩蔽材料25的隨機分布的殘存物27平均具有理想間距。在框15的第二過程可以去除某些殘存物材料，但是其主要去除硅(圖2B)。將第二過程的持續(xù)時間保持很短可以防止殘存物27被第二過程完全去除。將第二過程的持續(xù) 時間保持很短可以防止如果第二過程不是完全非均質(zhì)的則在殘存物27下面的硅基底21被 破壞。
當(dāng)前相信，作為框11和13的重復(fù)的結(jié)果，掩蔽材料的某些殘存物27被保留在硅 基底21上。在框15的第二過程主要去除硅，其中硅被暴露在掩蔽材料的殘存物27之間。 處于殘存物27之下的硅不會被去除，從而開始納米線35的形成。這在圖2B中示意性示
出ο通過對框11、13、15的循環(huán)的持續(xù)重復(fù)，可以相信，平均來說殘存物27按它們初 始被形成的樣子被保留(圖2C)，并且重復(fù)地從其它地方去除硅(圖2D)最終形成納米線 (圖2E)。相信納米線35被創(chuàng)建在掩蔽材料的殘存物27之下，通過每次循環(huán)增長一點點。本發(fā)明的實施例提供下述優(yōu)點，即，它們提供了一種創(chuàng)建硅納米線35的簡單方 法。所述方法可以在室溫下執(zhí)行，其使得該方法較容易，并減少成本。本發(fā)明的實施例還提供下述優(yōu)點，即，它們可以在硅基底21的任意表面上執(zhí)行。 這使得該方法在創(chuàng)建包括硅納米線35的裝置時是有用的，因為納米線可以在所述裝置內(nèi) 被創(chuàng)建。圖3A至3E示意性示出根據(jù)本發(fā)明實施例的一種用于創(chuàng)建包括硅納米線的裝置的 方法。在所示實施例中，所述裝置是電池?？梢岳斫?，在本發(fā)明其它實施例中，其它類型的 裝置可以被創(chuàng)建。在圖3A中，提供了硅基底21。硅基底的大小可以由將被創(chuàng)建的電池的大小來確定。在硅基底21的下表面42上提供金屬層41。金屬例如可以是鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦 (Ti)、金(Au)、或鎳(Ni)。在硅基底21的上表面上提供SiO2層45。硅基底可以是[100]晶片。SiO2層45 保護由SiO2層45覆蓋的硅基底21的部分免受所執(zhí)行的蝕刻過程。例如由受掩蔽的蝕刻在SiO2層45中提供間隙。間隙將硅基底21的部分47保持 暴露，從而蝕刻過程可以在硅基底21上所暴露的部分47上執(zhí)行。其余的SiO2層45構(gòu)成 用于隨后的蝕刻過程的掩蔽。在圖3B中，硅基底21的所暴露部分47已經(jīng)被蝕刻。蝕刻去除了在硅基底21的 所暴露部分47下面的至少部分硅基底21。由于由SiO2層45覆蓋的硅基底21的部分被保 護不被蝕刻，因此在SiO2層45之下的硅基底21沒有被去除。因此，蝕刻在硅基底21中創(chuàng) 建了凹槽43。凹槽43具有深度d。深度d可以是10至300毫米量級。凹槽的深度可以通 過控制執(zhí)行刻蝕的時間量來控制。在所示示例中，蝕刻是非均質(zhì)的，并且凹槽具有與3102掩 膜45的邊緣疊合的、基本直立的側(cè)壁。用于創(chuàng)建SiO2掩膜45以及蝕刻凹槽43的適當(dāng)過程是半導(dǎo)體工程中已知的。在圖3C中，已經(jīng)在凹槽43的底部創(chuàng)建納米線35。納米線35可以使用以上結(jié)合圖 1描述的方法來創(chuàng)建。納米線的間距可以通過改變在框13的第一過程的持續(xù)時間來控制， 所述第一過程優(yōu)先去除掩蔽材料25。由于納米線已經(jīng)在凹槽43的底部從表面23向下構(gòu)成，因此它們不會到達(dá)凹槽頂 部。這保護納米線35不受到機械傷害。
在圖3D中，電解液49已經(jīng)被添加到凹槽43。在圖3D所示的實施例中，電解液49 完全覆蓋納米線35，并且充滿了凹槽43。電解液49可以包括使得能夠?qū)щ姷娜我馊芤骸ｋ娊庖?9可以包括液體或凝膠。 例如，電解液49可以包括以碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯1 1混合的IM LiPF6。在圖3E中，另一金屬層51被置為與電解液49電接觸。在圖3E所示的實施例中， 另一金屬層51包括邊緣部分50和中間部分52。金屬層51的邊緣部分50被置為覆蓋SiO2 層45的某些部分。SiO2層45使得金屬層51的邊緣部分50與硅基底21隔離。金屬層51的中間部分52在凹槽43上延伸，并且與電解液49電接觸，從而電 解液 49使能在硅納米線35和金屬層51之間的電荷傳輸。金屬層51可以包括鋰。例如，金屬層51可以包括LiFeP04。金屬層51可以完全覆蓋凹槽43，從而凹槽43被密封。金屬層51可以防止電解液 49在使用期間從凹槽43泄露。圖3E所示的裝置可以被用作為電池。硅納米線35充當(dāng)陽極，而金屬層51充當(dāng)陰 極。當(dāng)在所述裝置中施加電位差時，電解液49使得鋰離子能夠在金屬層51和硅納米線35 之間轉(zhuǎn)移。鋰離子向硅納米線35的轉(zhuǎn)移使得鋰離子被納米線35吸收。這減少了納米線之間 的間距，其導(dǎo)致納米線集合的光學(xué)屬性的改變。當(dāng)電池充電時，納米線集合可以改變顏色， 并且納米線35的集合的顏色可以提供對于電池中存儲的電荷量的指示。在本發(fā)明的某些 實施例中，可以提供透明部分，以使得用戶能夠查看納米線35的集合。例如，透明部分可 以在金屬層51中提供。因此，本發(fā)明的實施例提供了一種用于創(chuàng)建自封裝電池的方法。本發(fā)明的實施例 可以被用于在凹槽43底部就地創(chuàng)建硅納米線35。凹槽43接著可以被用作為用于存儲電解 液的腔體，所述電解液由陰極密封。在本發(fā)明的某些實施例中，除了由上述方法創(chuàng)建的電池之外，硅基底21可以包括 其它裝置，諸如電路。對于圖中的框的特定順序的圖示不是必然地意味著針對這些框存在所需或優(yōu)選 的順序，并且這些框的順序和安排可以變化。此外，某些步驟可以被省略。盡管已經(jīng)在前文段落中參考多種示例描述了本發(fā)明的實施例，但是應(yīng)該理解，在 不脫離所要求保護的發(fā)明的范圍的情況下，可以做出對所給出示例的修改。前文描述所述的特征可以通過除了明確描述的組合之外的組合而使用。盡管已經(jīng)參考某些特征描述了功能，但是這些功能是可以由其它特征執(zhí)行的，不 管這些特征已描述還是未描述。盡管已經(jīng)參考某些實施例描述了特征，但是這些特征也可以在其它實施例中呈 現(xiàn)，不管這些實施例已描述還是未描述。當(dāng)在前述說明書中試圖注意到被確信為具有特定重要性的那些特征時，應(yīng)該理 解，申請者要求對關(guān)于在前引用和/或在附圖中示出的任意可取得專利的特征或者特征結(jié) 合的保護，而不管是否對于其進(jìn)行了特定的強調(diào)。
權(quán)利要求
一種方法，包括a)在包括硅的基底上沉積掩蔽材料；b)通過使用第一過程去除所述掩蔽材料，相比于硅所述第一過程優(yōu)先去除所述掩蔽材料，并且被配置用于部分地去除掩蔽材料；c)通過使用第二過程去除硅，相比于掩蔽材料所述第二過程優(yōu)先去除硅；d)重復(fù)步驟序列a)、b)和c)，直到對步驟序列a)、b)和c)的重復(fù)被停止為止，其中對步驟序列a)、b)和c)的重復(fù)創(chuàng)建納米線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟a)、b)和c)是短持續(xù)時間的過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟a)、b)和c)是這樣的過程，其每一個具有以 秒為量級的持續(xù)時間，并且步驟序列a)、b)和c)被重復(fù)超過十遍。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，進(jìn)一步包括f)去除任意其余的掩蔽材料。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述基底是[100]硅基底。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述第一過程的持續(xù)時間被控制，從而控 制所述納米線的平均間距。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中針對所述第一過程使用氧等離子體。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述掩蔽材料包括聚合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述聚合物是聚四氟乙烯。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述掩蔽材料通過使用C4F8創(chuàng)建。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中針對所述第二過程使用SF6。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述掩蔽材料通過使用C4F8創(chuàng)建，其中所 述第一過程持續(xù)時間受控并且使用氧等離子體，并且其中所述第二過程使用SF6。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述硅基底的表面在所述硅基底的凹槽 中提供。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括用電解液充滿所述凹槽，以及用提供與電解液 電接觸的金屬層。
15.一種裝置，包括由權(quán)利要求1-14中任一項所述的方法形成的納米線。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述裝置包括電池。
17.一種裝置，包括金屬層；包括凹陷的納米線的硅基底；以及與所述凹陷的納米線和所述金屬層接觸的電解液。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述金屬層覆蓋所述納米線凹陷于其中的凹 槽，并且所述硅基底位于所述金屬層和另一金屬層之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求17至15中任一項所述的裝置，其中所述金屬層包括鋰，并且電荷通 過鋰離子的移動而在所述金屬層和所述納米線之間轉(zhuǎn)移。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中當(dāng)鋰離子轉(zhuǎn)移到所述納米線時，所述納米線之 間的間隔減少，并且從所述納米線反射的光改變顏色。
全文摘要
本發(fā)明提供用于創(chuàng)建納米線的方法和裝置，包括a)在包括硅的基底上沉積掩蔽材料；b)通過使用第一過程去除所述掩蔽材料，相比于硅所述第一過程優(yōu)先去除所述掩蔽材料；c)通過使用第二過程去除硅，相比于掩蔽材料所述第二過程優(yōu)先去除硅；d)連續(xù)重復(fù)步驟序列a)、b)和c)，以控制對納米線的創(chuàng)建；以及e)停止對步驟序列a)、b)和c)的重復(fù)。
文檔編號H01M10/0525GK101935016SQ201010218079
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者A·科利, P·希拉拉爾 申請人:諾基亞公司