DE60311531T2

DE60311531T2 - Verfahren zur herstellung von nanostrukturierten glühkörpern zur lichterzeugung

Info

Publication number: DE60311531T2
Application number: DE60311531T
Authority: DE
Inventors: Vito Lambertini; CRF. Società Consortile Azioni Daniele PULLINI; Nello Li Pira; CRF. Società Consortile Azioni Mauro BRIGNONE; CRF. Società Consortile Azioni Piermario REPETTO; Marzia Paderi; Rossella Monferino
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: EP1602123B1; CN1692469B; EP1604052A2; ATE352864T1; JP2006520697A; AU2003288694A1; DE60311531D1; WO2004079056A8; CN1692469A; JP2006514413A; EP1602123A1; US20060103286A1; ES2279204T3; JP4398873B2; DE602004028102D1; ITTO20030167A1; CN1756861A; ATE474324T1; WO2004079774A1; US20060177952A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nanostrukturierten Emitterelements für Lichtquellen, welche durch den Durchgang eines elektrischen Stroms zum Glühen gebracht werden können.
Gegenwärtig werden Metallkomponenten, die nanometrische Oberflächenstrukturen oder Reliefe aufweisen, welche gemäß speziellen Formen oder Geometrien angeordnet sind, auf einigen technologischen Gebieten, wie elektromechanischen Mikrosystemen oder MEMS, verwendet, um optisch brechende Anordnungen, medizinische Vorrichtungen, Mikroturbinen usw. zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass nanostrukturierte Filamente wichtige Anwendungen auf dem Gebiet von Glühlampen finden können.
Z. B. sind aus der US-A-4196368 oder DE-A-19845423 Glühlicht aussendende Körper mit periodischen Strukturen in dem Bereich von 1000 nm oder weniger bekannt.
Angesicht des Gesagten zielt die vorliegende Erfindung darauf, ein neues Verfahren zur Herstellung von Filamenten oder ähnlichen Emittern für Glühlichtquellen auf eine einfache und ökonomische Weise vorzuschlagen, welche nanometrische Reliefe oder Strukturen aufweisen.
Das genannte Ziel wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung eines Emitters, wie er zuvor erwähnt worden ist, erreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Verwendung einer Schicht ins Auge fasst, welche aus eloxiertem porösem Aluminium als ein Opferelement für das selektive Strukturieren des Emitters besteht.
Die Verwendung der zuvor genannten Aluminiumschicht ermöglicht es, eine Mehrzahl von Reliefen auf zumindest einer Oberfläche des Emitters oder eine Mehrzahl von Hohlräumen innerhalb des Emitters zu erhalten. Die genannten nanometrischen Reliefe oder Hohlräume werden auf dem Emitter gemäß einer zuvor definierten Geometrie angeordnet.
Auf bevorzugte Eigenschaften des Verfahrens gemäß der Erfindung wird sich in den angehängten Ansprüchen bezogen, welche einen integralen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung darstellen.
Weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen deutlich, welche lediglich als veranschaulichende, nicht einschränkende Beispiele, zur Verfügung gestellt werden, in denen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines porösen Aluminiumfilms darstellt;
2-5 schematische Ansichten sind, welche einige Schritte eines Filmausbildungsprozesses für einen Aluminiumfilm, wie denjenigen, der in 1 gezeigt ist, zeigen;
6 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines ersten nanostrukturierten Emitters darstellt, wie er gemäß der Erfindung hergestellt werden kann;
7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines zweiten nanostrukturierten Emitters darstellt, wie er gemäß der Erfindung hergestellt werden kann;
8, 9, 10 schematische Querschnitte sind, die drei verschiedene mögliche Implementierungen des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellen, wie sie verwendet werden können, um einen nanostrukturierten Emitter, wie er in 6 gezeigt ist, herzustellen;
11, 12, 13 schematische Querschnitte sind, die drei mögliche Implementierungen des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigen, wie sie verwendet werden können, um einen nanostrukturierten Emitter, wie er in 7 gezeigt ist, herzustellen;
14 schematische Querschnitte einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt, wie sie verwendet werden kann, um einen nanostrukturierten Emitter, wie er in 6 gezeigt ist, herzustellen;
15 schematische Querschnitte einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt, wie sie verwendet werden können, um einen nanostrukturierten Emitter, wie er in 7 gezeigt ist, herzustellen;
16 schematische Querschnitte einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt, wie sie verwendet werden kann, um einen nanostrukturierten Emitter, wie er in 6 gezeigt ist, herzustellen;
17 schematische Querschnitte einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt, wie sie verwendet werden kann, um einen nanostrukturierten Emitter, wie er in 7 gezeigt ist, herzustellen;
In all seinen möglichen Implementierungen zieht das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines hochgradig gleichförmigen Films in Betracht, welcher aus eloxiertem porösem Aluminium als Opferelement oder als Vorlage, in Abhängigkeit von dem Fall, in dem die genannte Aluminiumschicht direkt verwendet wird, um den gewünschten nanostrukturierten Emitter zu erhalten, oder dem Fall in dem sie indirekt zur Verwendung eines weiteren Opferelementes verwendet wird, welches erforderlich ist, um den zuvor genannten Emitter zu erhalten, hergestellt ist.
Poröse Aluminiumfilme haben in der Vergangenheit die Aufmerksamkeit für Anwendungen wie elektrische Filme in Aluminiumkondensatoren, Filme für die Festigung organischer Beschichtungen und für den Schutz von Aluminiumsubstraten auf sich gezogen.
Die Struktur des porösen Aluminiums kann idealer Weise als ein Netzwerk von hohlen Säulen schematisiert werden, welche in einer Aluminiummatrix eingelassen sind. Poröses Aluminium kann durch das Eloxieren von hochreinen Aluminiumblechen oder von Aluminiumfilmen auf Substraten wie Glas, Quarz, Silizium, Wolfram usw., erhalten werden.
1 zeigt lediglich als Beispiel einen Teil eines porösen Aluminiumfilms, der im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, welcher durch anodische Oxidation eines Aluminiumfilms auf einem geeigneten Substrat erhalten wird, wobei das letztere mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet wird. Wie es gesehen wird, umfasst die Aluminiumschicht 1 eine Reihe von im wesentlichen hexagonalen Zellen 3, die direkt einander benachbart sind, von denen jede eine gerade zentrale Öffnung aufweist, die eine Pore 4 bildet, im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 2. Das Ende jeder Zelle 3, welche auf dem Substrat 2 positioniert ist, weist einen Schließbereich mit einer im wesentlichen halbkugelförmigen Form auf, wobei sämtliche Schließbereiche zusammen einen nicht-porösen Teil des Films 1, oder eine Sperrschicht, bilden worauf sich mit dem Bezugzeichen 5 bezogen wird.
Wie es in dem Stand der Technik bekannt ist, kann der Film mit einer kontrollierten Morphologie durch geeignetes Wählen des Elektrolyts und der physikalischen und elektrochemischen Prozessparameter entwickelt werden: in Säureelektrolyten (solchen wie Phosphorsäure, Oxalsäure und Schwefelsäure) und unter geeigneten Prozessbedingungen (Spannung, Strom, Rühren und Temperatur) können hochgradig gleichförmige poröse Filme erhalten werden. Zu dem genannten Zweck können die Größe und Dichte der Zellen 3, der Durchmesser der Poren 4 und die Höhe des Films 1 variiert werden; z.B. kann der Durchmesser der Poren 4, welcher typischer Weise bei 50-100 nm liegt, durch chemische Behandlungen erhöht oder erniedrigt werden.
Wie es schematisch in 2 gezeigt ist, ist der erste Schritt bei der Herstellung eines porösen Aluminiumfilms 1 die Abscheidung einer Aluminiumschicht 6 auf dem Substrat 2, wobei das letztere z.B. aus Silizium oder Wolfram hergestellt ist. Die genannte Operation erfordert eine Abscheidung von hochgradig reinen Materialien mit einer Dicke von 1 Mikron bis zu 30 Mikron. Thermisches Verdampfen über einen E-Strahl und Sputtering sind bevorzugte Abscheidungstechniken für die Schicht 3.
Der Schritt einschließlich der Abscheidung der Aluminiumschicht 6 wird von einem Schritt gefolgt, in dem die genannte Schicht eloxiert wird. Der Eloxierungsprozess der Schicht 6 kann unter Verwendung verschiedener Elektrolytlösungen in der Abhängigkeit von der gewünschten Größe und Distanz der Poren 4 ausgeführt werden.
Wenn das Elektrolyt das selbe bleibt, sind die Konzentration, die Stromdichte und Temperatur diejenigen Parameter, die die Größe der Poren 4 stark beeinflussen. Die Konfiguration der Elektrolytzelle ist ebenso dafür wichtig, eine korrekte Verteilung der Formlinien des elektrischen Feldes mit einer entsprechenden Gleichförmigkeit des Eloxierungsprozesses zu erhalten.
3 zeigt schematisch das Ergebnis der ersten Eloxierung der Aluminiumschicht 6 auf dem Substrat 2; wie es schematisch angezeigt ist, ist der Aluminiumfilm 1a, welcher durch die erste Eloxierung auf der Schicht 6 erhalten wird, nicht in der Lage, eine gleich förmige Struktur zu erhalten. Um eine hochgradig gleichförmige Struktur, wie eine solche, auf die sich mit dem Bezugszeichen 1 in 1 bezogen wird, zu erhalten, ist es daher notwendig, nachfolgende Eloxierungsprozesse auszuführen, und insbesondere zumindest

I) einen ersten Eloxierungsprozess, dessen Ergebnis in 3 gesehen werden kann;
II) einen Reduktionsschritt durch Ätzen des nicht gleichförmigen Aluminiumfilms 6, welcher mit Hilfe von Säurelösungen (z.B. CrO₃ und H₃PO₄) ausgeführt wird; 4 zeigt schematisch das Substrat 2 nach dem genannten Ätzschritt;
III) eine zweite Eloxierung des Teils des Aluminiumfilms 1A, welcher nicht durch das Ätzen entfernt worden ist.

Der Ätzschritt, auf dem sich in II) bezogen wird, ist wichtig, um auf dem verbleibenden Aluminiumteil 1A bevorzugte Gebiete des Aluminiumwachstums in dem zweiten Eloxierungsschritt auszubilden.
Durch mehrmaliges Ausführen der aufeinanderfolgenden Operationen einschließlich des Ätzens und des Eloxierens verbessert sich die Struktur, bis sie gleichförmig wird, wie es schematisch in 5 gezeigt ist, wobei der mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Aluminiumfilm nunmehr gleichförmig ist.
Wie unten zu sehen ist, wird in einigen Implementierungen des Verfahrens gemäß der Erfindung nach dem Erhalten des gleichförmigen porösen Aluminiumfilms 1 ein Schritt ausgeführt, welcher eine vollständige oder lokale Entfernung der Sperrschicht 5 einschließt. Die Sperrschicht 5 isoliert die Aluminiumstruktur und schützt das darunter liegende Substrat 2: die Reduktion der genannten Schicht 5 ist daher bedeutsam, um, wenn notwendig, nachfolgende Elektroabscheidungsprozesse, welche einen elektrischen Kontakt erfordern, und Ätzprozesse auszuführen, in dem Fall, in dem direkt auf dem Substrat 2 dreidimensionale Nanostrukturen erhalten werden sollen.
Das zuvor genannte Verfahren einschließlich des Entfernens oder der Reduktion der Sperrschicht 5 kann zwei aufeinander folgende Stufen einschließen:

– das Erweitern der Poren 4 ohne den Durchgang eines Stromes, welches in dem selben Elektrolyt wie in der vorhergehenden Eloxierung ausgeführt wird;
– die Reduktion der Sperrschicht 5, welche durch einen Durchgang eines sehr kleinen Stroms in dem selben Elektrolyt wie in der vorhergehenden Eloxierung durchgeführt wird; in dieser Stufe wird die typische Balance einer Eloxierung nicht erreicht, wodurch Ätzprozesse mit Hinsicht auf Aluminiumausbildungsprozesse favorisiert werden.

Wie oben erwähnt, wird gemäß der Erfindung der Aluminiumfilm 1, welcher durch das zuvor beschriebene Verfahren erzeugt wird, als Vorlage für eine Nanostrukturierung, das heißt als ein Unterteil zur Herstellung von Strukturen, welche das selbe Muster aus Aluminium reproduzieren, verwendet. Wie es ersichtlich werden wird, ist es somit in Abhängigkeit von der gewählten Implementierung möglich, negative Nanostrukturen, das heißt im wesentlichen komplementär zum Aluminium und daher Säulen auf den Poren des Films 1 aufweisend, oder positive Nanostrukturen, das heißt im wesentlichen identisch zu dem Aluminium und daher mit Hohlräumen auf den Poren 4 des Films 1, herzustellen.
Die 6 und 7 zeigen teilweise und in einer schematischen Weise zwei Filamente für Glühlichtquellen, welche die zwei Arten von Strukturen, die oben bezeichnet wurden, aufweisen, welche gemäß der Erfindung ausgeführt werden können; das Filament, das mit dem Bezugszeichen 10 in 6 bezeichnet ist, weist die zuvor genannte negative Struktur auf, welche durch einen Unterteilbereich 11 gekennzeichnet ist, von dem die oben genannten Säulen, die mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet sind, ausgehen; das Filament, das mit dem Bezugszeichen 13 in 7 bezeichnet ist, weist die zuvor genannte positive Struktur auf, welche durch einen Körper 14 gekennzeichnet ist, in dem die zuvor genannten Hohlräume, die mit 15 bezeichnet sind, ausgebildet sind.
Die zum Herstellen der strukturierten Filamente 10, 13 wie in den 6 und 7 vorgeschlagenen Techniken können recht unterschiedlich sein und sie können insbesondere additive Techniken (solche wie Aufdampfung, Sputtering, chemische Dampfphasenabscheidung, Screenprinting und Elektroabscheidung), subtraktive Techniken (Ätzen) und Zwischentechniken (Eloxierung von dem unter dem Metall liegenden Aluminium) einschließen.
Zu diesem Zweck werden nun im Folgenden einige mögliche Implementierungen des Verfahrens gemäß der Erfindung beschrieben.
Erste Implementierung
8 zeigt schematisch einige Schritte einer ersten Implementierung des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei dem negative Strukturen, wie diejenige des Filaments 10 in 6, hergestellt werden.
Die ersten vier Schritte des Verfahrens schließen zumindest eine erste und eine zweite Eloxierung einer entsprechenden Aluminiumschicht auf einem geeigneten Substrat ein, wie es zuvor mit Bezug auf die 2-10 beschrieben worden ist; das Substrat 2 kann z. B. aus Silizium bestehen, und die Aluminiumschicht für den Eloxierungsprozess kann durch Sputtering oder einen E-Strahl abgeschieden werden.
Nach Erhalten des Films 1, der eine gleichförmige Aluminiumstruktur besitzt (wie es in 5 gesehen werden kann), wird das Material, das nanostrukturiert werden soll, als ein Film auf Aluminium durch Sputtering abgeschieden; somit werden, wie es beispielhaft in Teil a) von 8 gezeigt wird, die Poren von Aluminium 1 mit dem abgeschiedenen Material, z. B. Wolfram, welches mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, gefüllt.
Dem folgt die Entfernung von Aluminium 1 und von seinem Substrat 2 durch Ätzen, wie es in dem Teil b) von 8 gezeigt ist, wodurch das gewünschte Filament 10 mit negativer Nanostruktur, welches hier aus Wolfram hergestellt ist, erhalten wird.
Die Sputtering-Technik besteht in dem Abscheiden von einem Film eines hochgradig reinen Materials 20 mit einer Dicke von 1 – 30 Mikron, wodurch es jedoch nicht ermoglicht wird, Strukturen mit einem großen Seitenverhältnis auf eine ideale Weise zu reproduzieren; die oben beschriebene Implementierung wird daher verwendet, wenn der Durchmesser von Aluminiumporen 4 maximal ist.
Daher kann anstelle durch Sputtering die Abscheidung des Materials 20 durch chemische Gasphasenabscheidung oder CVD ausgeführt werden, welche als die am meisten geeignete Technik angesehen wird, Strukturen aus hochgradig reinem oder geeignet dotiertem Metall herzustellen. Das Hauptmerkmal dieser Technik besteht in der Verwendung einer Reaktionskammer, welche reduzierende Gase enthält, wodurch ein Eindringen von Metall in die hohlen Poren von Aluminium und das Abscheiden einer kontinuierlichen Schicht auf der Oberfläche ermöglicht werden. Dieses gewährleistet eine zuverlässigere Produktion von Strukturen mit einem großen Seitenverhältnis.
Zweite Implementierung
Diese Implementierung besteht wie in dem vorherigen Fall darin, negative Strukturen auszubilden, wie diejenige des Filaments 10 in 6; die Implementierung schließt im Wesentlichen dieselben anfänglichen Schritte, wie diejenigen der ersten Implementierung ein, soweit es das Abscheiden der Aluminiumschicht 6 auf dem Substrat 2 (2), eine erste Eloxierung (3) und ein nachfolgendes Ätzen (4) anbelangt. Die zweite Eloxierung (5) wird hierbei ausgeführt, um eine Schicht 1 aus dickerem porösem Aluminium als in der ersten Implementierung herzustellen.
Der dicke Aluminiumfilm 1 wird sodann von seinem Träger 2 genommen und an seinem Unterteil geöffnet, um auf eine bekannte Weise die Sperrschicht, welche zuvor mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet worden war, zu entfernen. Die entstehende Struktur des Films 1 ohne seine Sperrschicht kann in Teil a) von 9 gesehen werden.
Der folgende Schritt, wie in Teil b) von 9, besteht aus der thermischen Abscheidung oder Abscheidung durch Sputtering eines leitfähigen Metallfilms 21 aus Aluminium 1. Eine Wolframlegierung 22 wird sodann auf der so erhaltenen Struktur elektroabgeschieden, wie in dem Teil c) von 9, wobei diese Legierung die Poren des Aluminiums 1 füllt. Dann werden das Aluminium 1 und sein damit assoziierter Metallfilm 21 entfernt, wodurch das gewünschte nanostrukturierte Filament 10, welches aus einer Wolframlegierung besteht, erhalten wird, wie es in dem Teil d) von 9 gesehen werden kann.
Dritte Implementierung
Diese Implementierung besteht in dem Herstellen von negativen Strukturen aus dem einen Filament 10 in 6, mit den selben anfänglichen Schritten wie denjenigen in den vorhergehenden Implementierungen (die 2-5).
Wie es in dem Teil a) von 10 gezeigt ist, ist hier die zweite Eloxierung von einem Schritt gefolgt, in dem eine serigrafische Paste 23 auf porösem Aluminium 1 abgeschieden wird, so dass sie seine Poren füllt.
Darauf folgt ein Schritt, in dem die genannte Paste 23 gefiltert wird, wie in Teil b) von 10, und dann werden das Aluminium 1 und sein Substrat 2 entfernt, so dass die Struktur 10, wie in Teil c) von 10, erhalten wird.
Diese Implementierung ermöglicht es, Technologien niedriger Kosten zu verwenden, und gewährleistet eine Flexibilität in der Wahl von Materialien. Die Zubereitung der serigrafischen Paste ist der erste Schritt des Verfahrens; die richtige Wahl des metallischen Nanopulvers, welches z. B. Wolfram, ein Lösemittel und ein Bindemittel umfasst, ist bedeutsam dafür, eine Paste zu erhalten, welche für verschiedene Arten des Substrates 2 ideale granulometrische und rheologische Eigenschaften aufweist.
Vierte Implementierung
Diese Implementierung des Verfahrens gemäß der Erfindung zielt darauf, positive Strukturen, wie diejenige des Filaments 13 von 7, herzustellen, wobei von einer Vorlage ausgegangen wird, welche gemäß den vorherigen Implementierungen erhalten wird.
Im wesentlichen wird daher eine der vorherigen Implementierungen zunächst verwendet, um ein Substrat zu erhalten, welches dieselbe Struktur wie diejenige eines der Filamente aufweist, auf die zuvor mit dem Bezugszeichen 10 Bezug genommen wurde; auf dem genannten Substrat, welches mit dem Bezugszeichen 10a in Teil a) von 11 bezeichnet ist, wird sodann eine Schicht des Materials 24 abgeschieden, welches zum Erhalten der Endkomponente, z.B. Wolfram, durch Sputtering oder CVD, wie es in Teil b) von
11 gezeigt ist, erforderlich ist; das Material 24 bedeckt somit die Säulen 12a des zuvor genannten Substrats 10a, das als eine Vorlage fungiert.
Dann wird das Substrat 10a durch selektives Ätzen entfernt, so dass das Filament 13 mit positiven nanoporösen Strukturen, wie es in Teil d) von 11 gesehen werden kann, erhalten wird, welches mit entsprechenden Hohlräumen 15 versehen ist.
Das Substrat 10a, das gemäß den ersten drei Implementierungen, die oben beschrieben worden sind, erhalten wird, ist nicht notwendigerweise aus Wolfram hergestellt. In einer möglichen Variante wird auf dem Substrat 10a, welches in den 8 – 9 erhalten wird, eine metallische serigrafische Paste 25 abgeschieden, wie in den Teilen a) und b) von 12, welche sodann gesintert wird, wie in Teil c) von 12. Das Substrat 10a wird sodann durch selektives Ätzen entfernt, so dass das Filament 13 mit positiver nanoporöser Struktur, wie es in Teil d) von 12 gesehen werden kann, erhalten wird.
Fünfte Implementierung
Diese Implementierung des Verfahrens gemäß der Erfindung zielt ebenso darauf, positive Nanostrukturen, wie diejenige des Filaments, auf das sich zuvor mit dem Bezugzei chen 13 bezogen wurde, auszuführen, und sie schließt dieselben anfänglichen Schritte, wie diejenigen, die in den 2 – 5 gezeigt sind, mit der Abscheidung einer Aluminiumschicht 6 durch Sputtering oder einem E-Strahl auf einem Wolframsubstrat 2 (2), gefolgt von einer ersten Eloxierung des Aluminiums 6 (3) und einem Ätzschritt ( 4) ein, so dass das Substrat 2 mit Gebieten, die für das Wachstum von Aluminium 1 während der zweiten Eloxierung (5) bevorzugt sind, bereitgestellt wird.
Die Sperrschicht 5 des Aluminiums 1 wird sodann entfernt, um so die Poren 4 zu öffnen, wie es in Teil a) von 13 gesehen werden kann. Danach folgt ein Schritt eines reaktiven Ionenätzens (RIE), welches es ermöglicht, selektiv in dem Substrat 2 des offenen Unterteils der Poren 4 des Aluminiums 1 auszugraben, wie es in Teil b) von 13 gesehen werden kann.
Das verbleibende Aluminium 1 wird letztlich entfernt, so dass das Wolframsubstrat einen Körper 14 mit gleichförmigen nanometrischen Hohlräumen 15 ausbildet, wodurch das gewünschte Filament 13 erhalten wird.
Der Schritt des reaktiven Ionenätzens kann, wenn es notwendig ist, durch einen Schritt selektiven Nassätzens oder durch einen Schritt elektrochemischen Ätzens ersetzt werden.
Sechste Implementierung
Diese Implementierung des Verfahrens zielt darauf, negative Strukturen, wie diejenige des Filaments 10 von 6, herzustellen, und ihre anfänglichen Schritte sind dieselben wie in den vorhergehenden Implementierungen. Daher wird, nachdem ein gleichförmiger Film aus Aluminium auf dem entsprechenden Wolframsubstrat 2 (5) erhalten worden ist, die Sperrschicht 5 entfernt, so dass die Poren 4 auf dem Substrat geöffnet werden, wie es in dem Teil a) von 14 gesehen werden kann. Dem folgt eine elektrochemische Abscheidung einer Wolframlegierung 26 mit einem gepulsten Strom, wie es schematisch in dem Teil b) von 14 gezeigt ist, und schließlich das Entfernen von übrig gebliebenem Aluminium 1 und seinem Substrat 2, so dass das gewünschte Filament 10, wie es in Teil c) von 14 gesehen werden kann, erhalten wird.
Das Verfahren 6 besteht zunächst in den Bereiten der konzentrierten elektrolytischen Lösung für die Wolframabscheidung in die Poren 4 des Aluminiums 1; das Elektrolyt ist sehr wichtig für das korrekte Füllen der Poren, da es eine hinreichende Konzentration von Ionen in der Lösung gewährleistet. Der Schritt mit dem gepulsten Strom ermöglicht es, die Kopie der Strukturen mit einem hohen Seitenverhältnis auszuführen, und er schließt nacheinander ein

I) das Abscheiden der Wolframlegierung 26 durch Anlegen eines positiven Stroms; dieses resultiert in einer gegebenen Verarmung der Lösung nahe der Kathode, welche aus dem Aluminium 1 und seinem Substrat 2 hergestellt ist;
II) eine Ruhezeit ohne Anlegen eines Stroms, so dass die Lösung nahe der Kathode neu gemischt wird;
III) das Anlegen eines negativen Stroms, der dafür vorgesehen ist, einen Teil der Legierung 26 zu entfernen, die zuvor auf der Kathode abgeschieden worden ist, wodurch eine bessere Einebnung der abgeschiedenen Oberfläche ermöglicht wird.

Die Schritte I), II) und III), die jeweils einige Millisekunden dauern, werden zyklisch wiederholt, bis die gewünschte Struktur erhalten wird.
Siebte Implementierung
Diese Implementierung zielt darauf, positive Nanostrukturen, wie diejenige des Filaments 13, ausgehend von einem Substrat mit negativen Strukturen zu erhalten, welches durch vorherige Implementierungen erhalten wird, wenn es auch nicht notwendigerweise aus Wolfram hergestellt ist; wobei das vorgenannte Substrat mit negativer Struktur, welches als eine Vorlage fungiert, mit dem Bezugszeichen 10A in dem Teil a) von 15 bezeichnet wird.
Es wird eine Wolframschicht 27 auf dem Substrat 10A durch CVD oder Sputtering abgeschieden, wie es in dem Teil b) von 15 gesehen werden kann. Diesem folgt ein selektiver Ätzschritt, um das Substrat 10A zu entfernen, wodurch das gewünschte Filament 13 mit einer Wolframnanostruktur, wie es in dem Teil c) von 15 gesehen werden kann, erhalten wird.
Achte Implementierung
Diese Implementierung zielt darauf, negative Nanostrukturen, wie diejenige des Filaments 10 von 6, herzustellen, und ihre anfänglichen Schritte sind dieselben, wie diejenigen, die in den 2 – 5 gezeigt sind, mit der Abscheidung einer Aluminiumschicht 6 durch Sputtering oder einem E-Strahl auf einem Wolframsubstrat 2 (2), gefolgt durch eine erste Eloxierung von Aluminium 6 (3) und einem Ätzschritt (4), so dass das Substrat 2 mit Gebieten, die für das Wachstum von Aluminium 1 während der zweiten Eloxierung (5) bevorzugt sind, zur Verfügung gestellt wird.
Dem folgt ein Schritt einschließlich der Eloxierung des Wolframsubstrats 2, um das lokalisierte Wachstum des letzteren zu veranlassen, welches unterhalb der Poren 4 des Aluminiums 1 auftritt. Der genannte Schritt schließt, wie es in dem Teil a) von 16 gezeigt ist, im wesentlichen das Ausbilden von Oberflächenreliefen 2A auf dem Substrat 2 ein, die zunächst dazu führen, dass die Sperrschicht 5 des Aluminiums 1 bricht, und die dann weiterhin innerhalb der Aluminiumporen 4 wachsen.
Durch ein selektives Ätzen mit W/W-Oxid wird Aluminium 1 sodann entfernt, so dass das gewünschte Filament 10 mit negativer Nanostruktur wie in dem Teil b) von 16 erhalten wird.
Es sollte bemerkt werden, dass diese Implementierung auf einem typischen Merkmal einiger Metalle, wie etwa Wolfram und Tantal, basiert, welche unter denselben chemischen und elektrischen Bedingungen wie Aluminium eloxieren; wie oben bemerkt, tritt die genannte Eloxierung in dem mittleren Bereich der Poren 4 des Aluminiums 1 auf, wodurch die Oberfläche des Substrats 2 direkt strukturiert wird.
Neunte Implementierung
Diese Implementierung zielt darauf, positive nanoporöse Strukturen, wie diejenige des Filaments 13 von 17, ausgehend von einem Substrat auszubilden, das eine negative Struktur, wie diejenige aufweist, die durch vorherige Implementierungen erhalten wird; das genannte Substrat, das als eine Vorlage fungiert, wird mit dem Bezugszeichen 10A in dem Teil a) von 17 bezeichnet.
Es wird eine Wolframlegierung 27 auf dem genannten Substrat 10A durch elektrochemisches Abscheiden, CVD oder Sputtering abgeschieden, wie es in dem Teil b) von
17 gezeigt ist. Das Substrat 10A wird sodann durch selektives Ätzen entfernt, wodurch das gewünschte Filament 13 mit positiver oder nanoporöser Struktur erhalten wird.
Aus der obigen Beschreibung kann geschlossen werden, dass in sämtlichen beschriebenen Implementierungen des Verfahrens gemäß der Erfindung die Verwendung einer Aluminiumschicht 1 eingeschlossen ist, welche in Abhängigkeit von dem Fall direkt als Vorlage fungiert, um das gewünschte Filament mit nanometrischer Struktur 10 zu erhalten, oder welche verwendet wird, um eine Vorlage 10A für die nachfolgende Strukturierung des gewünschten Filaments 13 zu erhalten.
Die Erfindung erweist sich besonders vorteilhaft für die Strukturierung von Filamenten für Glühlichtquellen und allgemeiner für Komponenten auch in einer anderen Form hinsichtlich eines Filaments, welches durch einen Durchgang eines elektrischen Stroms zum Glühen gebracht werden kann. Es sollte bemerkt werden, dass ein Emitter, welcher gemäß der Erfindung hergestellt wird, ebenso aus einer Mehrzahl von Schichten in der Form von übereinander gelagerten strukturierten Schichten gebildet werden kann, welche mit Hilfe von porösem Aluminium gemäß den oben beschriebenen Techniken strukturiert werden.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht es z. B. auf einfache Weise auf einer oder mehreren Oberflächen eines Filaments, das z. B. aus Wolfram gebildet ist, eine Antireflektionsmikrostruktur auszubilden, welche eine Mehrzahl von Mikroreliefen umfasst, um so die elektromagnetische Emission von dem Filament im sichtbaren Spektrum zu maximieren. Die Erfindung kann vorteilhafter Weise ebenso verwendet werden, um andere Photonenkristallstrukturen, d. h. Strukturen, die aus Wolfram oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sind, die durch die Gegenwart einer Reihe von gleichförmigen Mikrohohlräumen gekennzeichnet sind, die ein Medium mit einem Brechungsindex enthalten, der von dem von Wolfram oder einem anderen verwendeten Material verschieden ist, herzustellen.
Offensichtlich können, auch wenn die grundlegende Idee der Erfindung dieselbe bleibt, Konstruktionsdetails und Ausführungsformen mit Hinsicht auf dasjenige, das beschrieben worden ist und lediglich beispielhaft gezeigt worden ist, variieren.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Emitters (10; 13) für Lichtquellen, welcher durch einen Durchgang eines elektrischen Stroms zum Glühen gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus eloxiertem porösem Aluminium (1) als Opferelement für die Strukturierung zumindest eines Teils des Emitters (10; 13) verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Struktur daraus besteht, dass sie zumindest eines von einer Mehrzahl von nanometrischen Reliefen (12), die gemäß einer im Wesentlichen vordefinierten Geometrie auf zumindest einer Oberfläche des Emitters (10) angeordnet sind, einer Mehrzahl von nanometrischen Hohlräumen (15), die gemäß einer im Wesentlichen vordefinierten Geometrie innerhalb des Emitters (13) angeordnet sind, erhält.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (2) durch aufeinander folgende Eloxierungen eines Aluminiumfilms (6) erhalten wird, der auf einer Oberfläche eines entsprechenden Substrats (2) abgeschieden ist, bis eine gleichmäßige Aluminiumstruktur erhalten wird, die eine Mehrzahl von Poren (4) ausbildet, die im Wesentlichen senkrecht zu der genannten Oberfläche des Substrats (2) sind, wobei die Aluminiumschicht (2) einen nichtporösen Bereich (5) nahe dem entsprechenden Substrat (2) besitzt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (2) entweder als Opfervorlage während der genannten Strukturierung oder als Zwischenvorlage zum Erhalten einer weiteren Opfervorlage (10A) für die genannte Strukturierung verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung einen Schritt des Abscheidens eines Materials durch Verdampfung, Sputtering, chemische Gasphasenabscheidung, Screen Printing oder Elektroabscheidung einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung einen Ätzschritt einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung einen Schritt der Eloxierung eines Metalls, das der Aluminiumschicht (1) unterliegt, einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es wird das Material (20), das dafür vorgesehen ist, die gewünschte Komponente (10; 10A) zu bilden, die eine Mehrzahl von Reliefen (12; 12A) aufweist, als ein Film auf der Aluminiumschicht (1) abgeschieden, wobei ein Teil des Materials (20) die genannten Poren (4) füllt, und sodann werden die Aluminiumschicht (1) und ihr Substrat (2) entfernt, wodurch die gewünschte Komponente (10; 10A) erhalten wird, deren Reliefe (12; 12A) aus dem Teil des genannten Materials (20) bestehen, der die genannten Poren (4) gefüllt hat.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Matertial (20) auf der Aluminiumschicht (1) durch Sputtering oder chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es wird die Aluminiumschicht (2) von ihrem Substrat (2) entfernt und an ihrem Unterteil geöffnet, wobei ihr nicht-poröser Bereich (5) entfernt wird, ein leitfähiger Metallfilm (21) wird auf der Aluminiumschicht (1) abgeschieden, das Material (22), das dafür vorgesehen ist, eine gewünschte Komponente (10; 10A) zu bilden, die eine Mehrzahl von Reliefen (12; 12A) aufweist, wird auf der von dem Metallfilm (21) und dem übrig gebliebenen Teil der Aluminiumschicht (1) gebildeten Struktur elektro-abgeschieden, wobei ein Teil des genannten Materials (20) die genannten Poren (4) füllt; sodann werden der übrig gebliebenen Teil der Aluminiumschicht (1) und der Metallfilm (21) entfernt, wodurch die gewünschte Komponente (10; 10A) erhalten wird, deren Reliefe (12; 12A) aus dem Teil des genannten Materials (20) bestehen, der die genannten Poren (4) füllt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es wird das Material (20), das dafür vorgesehen ist, die gewünschte Komponente (10; 10A) zu bilden, die eine Mehrzahl von Reliefen (12; 12A) aufweist, als eine serigraphische Paste auf der Aluminiumschicht (1) abgeschieden, wobei ein Teil der genannten Paste (23) die genannten Poren (4) füllt, die genannte Paste (23) wird gesintert, und sodann werden die Aluminiumschicht (1) und ihr Substrat (2) entfernt, wodurch die gewünschte Komponente (10; 10A) erhalten wird, deren Reliefe (12; 12A) aus dem Teil des genannten Materials (20) bestehen, der die genannten Poren (4) füllt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es werden örtlich beschränkte Teile des nicht-porösen Bereichs (5) der Aluminiumschicht (1) entfernt, um die genannten Poren (4) auf ihrem Substrat (2) zu öffnen, das Material (20), das dafür vorgesehen ist, eine gewünschte Komponente (10; 10A) zu bilden, die eine Mehrzahl von Reliefen (12; 12A) aufweist, wird durch elektrochemische Verfahren auf dem übrig gebliebenen Teil der Aluminiumschicht (1) abgeschieden, wobei ein Teil des genannten Materials (26) die genannten Poren (4) füllt und mit deren Substrat (2) in Kontakt gerät, und sodann werden der übrig gebliebene Teil der Aluminiumschicht (1) und ihr Substrat (2) entfernt, wodurch die gewünschte Komponente (10; 10A) erhalten wird, deren Reliefe (12; 12A) aus dem Teil des genannten Materials (20) bestehen, der die genannten Poren (4) gefüllt hat.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es werden das Substrat (2) und die Aluminiumschicht (1) einer Eloxierung unterzogen, so dass ein Wachstum des Substrats (2) unter den genannten Poren (4) veranlasst wird, wobei das genannte Wachstum in der Ausbildung von Oberflächenerhebungen (2A) des Substrats (2) resultiert, was zunächst dazu führt, dass Teile des nicht-porösen Bereichs (5) der Aluminiumschicht (1) brechen, und sie dann weiterhin innerhalb der genannten Poren (4) wachsen, und die Aluminiumschicht (1) wird durch selektives Ätzen entfernt, wodurch eine gewünschte Komponente (10; 10A), die eine Mehrzahl von Reliefen (12; 12A) aufweist, durch das Substrat (2) gebildet wird, wobei die genannten Oberflächenerhebungen (1A) die genannten Reliefe (12) bilden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8, 10, 11, 12, 13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte gewünschte Komponente der Emitter (10) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8, 10, 11, 12, 13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte gewünschte Komponente die genannte weitere Vorlage (10A) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es wird eine Schicht des Materials (24, 25), das dazu vorgesehen ist, den genannten Emitter (13) zu bilden, auf der genannten weiteren Vorlage (10A) abgeschieden, und die genannte weitere Vorlage (10A, 13A) wird entfernt, so dass der genannte Emitter (13) erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es wird eine Schicht des Materials, das dazu vorgesehen ist, den genannten Emitter (13) zu bilden, auf der genannten weiteren Vorlage (10A, 13A) abgeschieden, und die genannte weitere Vorlage (10A, 13A) wird entfernt, so dass der genannte Emitter (13) erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es wird eine Schicht des Materials, das dazu vorgesehen ist, den genannten Emitter (13) zu bilden, auf der genannten weiteren Vorlage (10A, 13A) abgeschieden, und die genannte weitere Vorlage (10A, 13A) wird entfernt, so dass der genannte Emitter (13) erhalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (24), das dazu vorgesehen ist, den genannten Emitter (13) zu bilden, auf der genannten weiteren Vorlage (10A, 13A) durch Sputtering oder chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird, und dadurch, dass die genannte weitere Vorlage (10A, 13A) durch selektives Ätzen entfernt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (24, 25), das dazu vorgesehen ist, den genannten Emitter (13) zu bilden, in der Form einer serigraphischen Paste (25) vorliegt, welche, nachdem sie auf der genannten weiteren Vorlage (10A, 13A) abgeschieden worden ist, gesintert wird, wobei letztere dann durch selektives Ätzen entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strukturierung die folgenden Schritte einschließt: Es wird zumindest ein Teil des nicht-porösen Bereichs (5) der Aluminiumschicht (1) entfernt, wodurch die genannten Poren (4) auf ihrem Substrat (2) geöffnet werden, das Substrat wird selektiv in den entsprechenden offenen Gebieten auf den genannten Poren (4) aufgegraben, der übrig gebliebene Teil der Aluminiumschicht (1) wird entfernt, wodurch das Substrat den genannten Emitter (13) bildet, die ausgegrabenen Gebiete des Substrats (2) die genannten Hohlräume (15) bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) durch reaktives Ionenätzen oder selektives Nassätzen oder elektrochemisches Ätzen auf den genannten offenen Gebieten ausgegraben wird.
Emitter für Lichtquellen, insbesondere ein Filament, welcher durch den Durchgang eines elektrischen Stroms zum Glühen gebracht werden kann, der durch das Verfahren gemäß einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 22 erhalten wird, wobei der Emitter zumindest eines von einer Mehrzahl von nanometrischen Reliefen (12), die gemäß einer im wesentlichen vordefinierten Geometrie auf zumindest einer Oberfläche des Emitters (10) angeordnet sind, einer Mehrzahl von nanometrischen Hohlräumen (15), die gemäß einer im wesentlichen vordefinierten Geometrie innerhalb des Emitters (13) angeordnet sind, besitzt.
Emitter gemäß Anspruch 23, in dem die genannten Reliefe (12) eine Antireflexions-Mikrostruktur bilden, so dass die elektromagnetische Ausstrahlung von dem Emitter (12) im sichtbaren Spektrum maximiert wird.
Emitter gemäß Anspruch 23, in dem die genannten Hohlräume (15) ein Teil einer Photonenkristallstruktur sind.
Verwendung von eloxiertem porösem Aluminium (1) als Opferelement für die Strukturierung zumindest eines Teils eines Emitters (10; 13) für Lichtquellen, welcher durch den Durchgang eines elektrischen Stroms zum Glühen gebracht werden kann.
Verwendung gemäß Anspruch 26, wobei während der genannten Strukturierung Aluminium (1) als Vorlage verwendet wird.
Verwendung gemäß Anspruch 26, wobei Aluminium (1) als Vorlage für das Erhalten einer weiteren Vorlage (10A, 13A) verwendet wird, welche während der genannten Strukturierung verwendet wird.
Verwendung gemäß Anspruch 26, wobei die genannte Strukturierung zumindest das Erhalten eines von einer Mehrzahl von nanometrischen Reliefen (12), die gemäß einer im wesentlichen vordefinierten Geometrie auf zumindest einer Oberfläche des Emitters (10) angeordnet sind, einer Mehrzahl von nanometrischen Hohlräumen (15), die gemäß einer im wesentlichen vordefinierten Geometrie innerhalb des Emitters (13) angeordnet sind, ermöglicht.