(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブを含む基板上でエネルギー貯蔵装置を形成するための装置であって、
第１の端部と、
第２の端部と、
前記第１の端部から前記第２の端部に延びる前記導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブを支持するための支持システムと、
前記導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブ上にアモルファスシリコン層を堆積させるために前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置された第１のチャンバであり、
１５００℃よりも高い表面温度で加熱されるように適合されたホットフィラメントと、
ホットワイヤ化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）プロセスを使用して前記導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブ上に前記アモルファスシリコン層を形成するためにシリコン含有ガスを送出するように適合されるシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドへ前記シリコン含有ガスを送出するために前記シャワーヘッドに結合されたシリコン含有ガス源と
を含む第１のチャンバと、
前記アモルファスシリコン層を陽極処理プロセスにかけるために前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置された第２のチャンバであり、
電解液を保持するように適合された処理体積部と、
前記電解液中に配置されたアノード組立体であり、前記基板に接触し、前記基板にアノード的にバイアスをかけるように移動可能であるアノード組立体と、
前記電解液中に配置されたカソード組立体と、
前記電解液を前記処理体積部に分配するように構成された１つまたは複数の入口ジェットと、
前記アモルファスシリコン層が陽極処理されて相互接続多孔性アモルファスシリコン層を形成するように前記アノード組立体および前記カソード組立体へ電力を送出するように適合された電源と
を含む第２のチャンバと
を備える装置。
【請求項２】
前記相互接続多孔性アモルファスシリコン層の相互接続細孔内に触媒材料を堆積させるために前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置された第３のチャンバであり、
処理領域に接触する表面を有し、触媒材料を含むターゲットと、
前記ターゲットの前記表面からの原子が、前記処理領域に配置された前記相互接続多孔性アモルファスシリコン層の前記相互接続細孔内に堆積されるように前記ターゲットへエネルギーを送出するように適合された電源と
を含む第３のチャンバをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置された第４のチャンバであり、
１５００℃よりも高い表面温度で加熱されるように適合されたホットフィラメントと、
ホットワイヤ化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）プロセスを使用して前記相互接続多孔性アモルファスシリコン層の前記相互接続細孔にカーボンナノチューブを形成するために炭素含有原料ガスを送出するように適合されるシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドへ前記炭素含有原料ガスを送出するために前記シャワーヘッドに結合された１つまたは複数のガス源と
を含む第４のチャンバをさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置された前記チャンバに前記導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブを供給するための前記第１の端部における供給ロールと、
前記エネルギー貯蔵装置が上に形成された前記導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブを受け取るための前記第２の端部における巻取りロールと
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第２のチャンバが、前記処理体積部に配置された、前記アノード組立体と平行なスラストプレートをさらに備え、前記スラストプレートが、前記陽極処理プロセスの間、前記アノード組立体に関連する位置において前記導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブの一部を保持するように位置決めされる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
エネルギー貯蔵装置で使用するための高表面積電極であって、
導電性表面を有する基板と、
前記導電性表面に堆積された多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料であって、
前記基板の前記導電性表面上に形成されて、一連の相互接続細孔を有する多孔性アモルファスシリコン層、および
前記多孔性アモルファスシリコン層の前記一連の相互接続細孔内に埋め込まれたカーボンナノチューブ
を含む前記多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料と
を備える、高表面積電極。
【請求項７】
前記一連の相互接続細孔が、各々が第１の直径を有して、前記多孔性アモルファスシリコン層の上面から前記多孔性アモルファスシリコン層の底面の方に延びる複数の細孔を含んでいる、請求項６に記載の高表面積電極。
【請求項８】
前記複数の細孔が前記多孔性アモルファスシリコン層の前記底面の方に延びるにつれて、前記複数の細孔の各々が多数の細孔に分割され、前記多数の細孔の各々が前記第１の直径よりも小さい第２の直径を有する、請求項７に記載の高表面積電極。
【請求項９】
前記一連の相互接続細孔が、前記多孔性アモルファスシリコン層の上面から、前記多孔性アモルファスシリコン層の底面から１０ｎｍから２００ｎｍの距離まで延びている、請求項６に記載の高表面積電極。
【請求項１０】
前記アモルファスシリコン層の前記一連の相互接続細孔内に埋め込まれた前記カーボンナノチューブの一部が、前記アモルファスシリコン層の上面を越えて延びている、請求項６に記載の高表面積電極。
【請求項１１】
エネルギー貯蔵装置で使用するための高表面積電極を形成する方法であって、
導電性表面を有する集電体上にアモルファスシリコン層を形成するステップと、
前記アモルファスシリコン層を電解液に浸漬することにより前記アモルファスシリコン層に一連の相互接続細孔を形成するステップと、
前記アモルファスシリコン層の前記一連の相互接続細孔内にカーボンナノチューブを形成するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記アモルファスシリコン層を電解液に浸漬する前記ステップが、前記電解液中に配置されてアノードとして働く金属電極と、導電性表面を有してカソードとして働く前記集電体とを用いて、前記電解液を介して電流を通過させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アモルファスシリコン層を電解液に浸漬する前記ステップが、
前記アモルファスシリコン層を第１の電圧にさらすことにより、前記アモルファスシリコン層に第１の細孔サイズを有する前記一連の相互接続細孔の第１の組の細孔を形成するステップと、
前記第１の電圧を第２の電圧に低下させることにより、前記第１の細孔サイズよりも小さい第２の細孔サイズを有する多数の細孔に前記第１の組の細孔の各々を分裂させるステップと
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記アモルファスシリコン層を電解液に浸漬する前記ステップが、前記一連の相互接続細孔の前記細孔のサイズが減少するように、ある期間にわたって低下する電圧に前記アモルファスシリコン層をさらすステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記アモルファスシリコン層が、プラズマ化学気相堆積技法またはホットワイヤ化学気相堆積技法を使用して形成される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、エネルギー貯蔵装置を形成する方法に関する。より詳細には、本明細書で説明される実施形態は電池および電気化学キャパシタを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スーパーキャパシタおよびリチウム（Ｌｉ＋）イオン電池などの急速充電、高容量エネルギー貯蔵装置は、携帯用エレクトロニクス、医学、交通、系統連系形大エネルギーストレージ、再生可能エネルギーストレージ、および無停電電源装置（ＵＰＳ）用途を含むますます増加しつつある用途で使用される。これらの用途の各々では、エネルギー貯蔵装置の充電時間および容量は重要なパラメータである。さらに、そのようなエネルギー貯蔵装置のサイズ、重量、および／または経費が重要な制限となることがある。さらに、低い内部抵抗が高性能には必要である。抵抗が低いほど、エネルギー貯蔵装置が電気エネルギーの送出で直面する制限が少ない。例えば、スーパーキャパシタの場合には、内部抵抗が低いと、スーパーキャパシタのより速くより効率的な充電および放電が可能になる。電池の場合には、電池の内部抵抗は、電池により蓄積される有用エネルギーの総量、ならびにデジタルデバイスで必要とされる高電流パルスを送出するための電池の能力を低下させることによって性能に悪影響を与える。
【０００３】
したがって、当技術分野では、より小さくてより軽く、より長いサイクル寿命を有し、よりコスト効率よく製造することができる、充電がより速く、容量がより高いエネルギー貯蔵装置が求められている。さらに、当技術分野では、貯蔵装置の内部抵抗を低減する電気貯蔵装置用構成要素が求められている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施形態は、一般に、エネルギー貯蔵装置を形成する方法に関する。より詳細には、本明細書で説明される実施形態は電池および電気化学キャパシタを形成する方法に関する。一実施形態では、電気化学デバイスで使用するための高表面積電極が提供される。高表面積電極は、導電性表面を有する基板と、基板の導電性表面上の多孔性アモルファスシリコン層であり、一連の相互接続細孔を有する、多孔性アモルファスシリコン層と、アモルファスシリコン層の一連の相互接続細孔内に埋め込まれたカーボンナノチューブとを含む。
【０００５】
別の実施形態では、エネルギー貯蔵装置で使用するための高表面積電極が提供される。高表面積電極は、導電性表面を有する基板と、導電性表面に堆積された多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料とを含む。導電性表面に堆積された多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料は、基板の導電性表面上に形成された多孔性アモルファスシリコン層であり、一連の相互接続細孔を有する、多孔性アモルファスシリコン層と、多孔性アモルファスシリコン層の一連の相互接続細孔内に埋め込まれたカーボンナノチューブとを含む。
【０００６】
さらなる別の実施形態では、エネルギー貯蔵装置で使用するための高表面積電極を形成する方法が提供される。この方法は、導電性表面を有する集電体上にアモルファスシリコン層を形成するステップと、アモルファスシリコン層を電解液に浸漬することによりアモルファスシリコン層に一連の相互接続細孔を形成するステップと、アモルファスシリコン層の一連の相互接続細孔内にカーボンナノチューブを形成するステップとを含む。
【０００７】
さらなる別の実施形態では、高表面積電極を製作する方法が提供される。この方法は、基板上にアルミニウムシリコンマトリクスを堆積させるステップと、複数の細孔を有する多孔性シリコン層を形成するようにシリコンマトリクスからアルミニウムを除去するステップと、シリコンカーボンナノチューブマトリクスを形成するように多孔性シリコン層の複数の細孔にカーボンナノチューブを成長させるステップとを含む。
【０００８】
さらなる別の実施形態では、高表面積電極を製作するための装置であり、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部から第２の端部に延びる素材の少なくとも１つのウエブと、第１の端部から第２の端部まで素材の少なくとも１つのウエブを支持するための支持システムと、第１の端部と第２の端部との間に配置された複数のチャンバであり、複数のチャンバが素材の少なくとも１つのウエブ上に高表面積電極を形成するように適合および構成され、素材の少なくとも１つのウエブが複数のチャンバを通って延びる、複数のチャンバとが備えられる。
【０００９】
さらなる別の実施形態では、導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブを含む基板上でエネルギー貯蔵装置を形成するための装置が提供される。この装置は、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部から第２の端部に延びる導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブを支持するための支持システムと、導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブ上にアモルファスシリコン層を堆積させるために第１の端部と第２の端部との間に配置された第１のチャンバと、アモルファスシリコン層を陽極処理プロセスにかけるために第１の端部と第２の端部との間に配置された第２のチャンバとを備える。第１のチャンバは、１５００℃よりも高い表面温度で加熱されるように適合されたホットフィラメントと、ホットワイヤ化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）プロセスを使用して導電性素材の少なくとも１つの連続的ウエブ上にアモルファスシリコン層を形成するためにシリコン含有ガスを送出するように適合されるシャワーヘッドと、シャワーヘッドへシリコン含有ガスを送出するためにシャワーヘッドに結合されたシリコン含有ガス源とを備える。第２のチャンバは、電解液を保持するように適合された処理体積部と、電解液中に配置されたアノード組立体であり、基板に接触し、基板にアノード的にバイアスをかけるように移動可能であるアノード組立体と、電解液中に配置されたカソード組立体と、電解液を処理体積部に分配するように構成された１つまたは複数の入口ジェットと、アモルファスシリコン層が陽極処理されて相互接続多孔性アモルファスシリコン層を形成するようにアノード組立体およびカソード組立体へと電力を送出するように適合された電源とを備える。
【００１０】
本発明の上述の特徴を詳細に理解することができるように、上述で簡単に要約した本発明のより詳細な説明が実施形態を参照して行われ、実施形態の一部が添付図面に示される。しかし、添付図面は本発明の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本発明は他の同様に有効な実施形態を認めることができるので、本発明の範囲を限定するものと考えるべきでないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】負荷に電気的接続されたＬｉイオン電池の一実施形態の概略図である。
【図２】Ａ〜Ｄは、本明細書で説明される実施形態に従って形成される高表面積電極の一実施形態の概略断面図である。
【図３】本明細書で説明される実施形態により形成された相互接続細孔を有するアモルファスシリコン層の一実施形態の概略断面図である。
【図４】本明細書で説明される実施形態により形成された多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料の一実施形態の概略断面図である。
【図５】Ａは、単層カーボンナノチューブの一実施形態の概略図である。Ｂは、多層カーボンナノチューブの一実施形態の概略図である。
【図６】本明細書で説明される実施形態による高表面積電極を形成する方法の一実施形態を要約するプロセス流れ図である。
【図７】Ａ〜Ｇは、本明細書で説明される実施形態に従って形成される高表面積電極の一実施形態の概略断面図である。
【図８】本明細書で説明される実施形態による高表面積電極を形成する方法の一実施形態を要約するプロセス流れ図である。
【図９】Ａ〜Ｄは、本明細書で説明される実施形態に従って形成される高表面積電極の一実施形態の概略等角図である。
【図１０】本明細書で説明される実施形態による高表面積電極を形成する方法の一実施形態を要約するプロセス流れ図である。
【図１１】本明細書で説明される高表面積電極を形成するのに使用することができる処理システムの一実施形態の概略平面図である。
【図１２】ウエブの形態の基板に高表面積電極を形成するための装置の一実施形態の概略側面図であり、高表面積電極を形成するための様々なチャンバが示される。
【図１３】基板上にアモルファスシリコンを堆積させるためのチャンバの一実施形態の概略側面図である。
【図１４】基板に陽極処理プロセスを行うためのチャンバの一実施形態の概略側面図である。
【図１５Ａ】基板上に触媒材料を堆積させるためのチャンバの一実施形態の概略側面図である。
【図１５Ｂ】基板上に触媒材料を堆積させるためのチャンバの別の実施形態の概略側面図である。
【図１６】基板上にカーボンナノチューブを堆積させるためのチャンバの一実施形態の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態は、一般に、エネルギー貯蔵装置を形成する方法に関する。より詳細には、本明細書で説明される実施形態は電池および電気化学キャパシタを形成する方法に関する。一実施形態では、アモルファスシリコン薄膜の細孔に堆積される炭素またはカーボンナノチューブを含む複合電極はＬｉイオン電池システムで使用するために設けられる。一実施形態では、アモルファスシリコンは、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、または低温でのホットワイヤ化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）技法などの化学気相堆積（ＣＶＤ）技法を使用して注目する基板（例えば、シリコン、半導体ウエハ、ステンレス鋼、または酸化物）に堆積される。別の実施形態では、アモルファスシリコンを堆積させる代わりに、ナノ結晶／多結晶シリコンウエハをイオンで照射してアモルファスシリコンを形成することができる。一実施形態では、アモルファスシリコン薄膜を陽極処理して、アモルファスシリコン薄膜に細孔を形成する。一実施形態では、陽極処理は電気化学浴で実行される。一実施形態では、電気化学浴はフッ化水素酸（ＨＦ）および酢酸を含む。一実施形態では、電気化学浴は５０％ＨＦ（４９％）／５０％酢酸（氷状）を含む。一実施形態では、陽極処理プロセスは２０ｍＡ／ｃｍ２と１００ｍＡ／ｃｍ２との間の電流密度で室温にて行われる。
【００１３】
一実施形態では、細孔サイズは均一である。別の実施形態では、細孔のサイズは、陽極処理プロセス中に印加される電圧を変化させることによって変化する。一実施形態では、陽極処理プロセスで形成される細孔のサイズは電流密度を変化させることによって２０ｎｍから１０００ｎｍまで変化し、その結果、アモルファスシリコン構造体に貫通細孔または相互ネットワーク細孔がもたらされる。
【００１４】
一実施形態では、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）はＣＶＤプロセスを使用して細孔に形成される。一実施形態では、ＣＮＴのＣＶＤ堆積中の温度は、メタン、アセチレン、キシレン、およびオクタンなどの様々な炭素源前駆体を使用することにより、約５００℃と８００℃との間で変化する。一実施形態では、最終的な電極構造体は、多孔性アモルファスシリコンとアモルファスシリコンの細孔に埋め込まれたまたは成長したＣＮＴとをもつ集電体を有する。アモルファスシリコンは、Ｌｉイオンと相互作用すると、より高いエネルギー密度に役立ち、一方、Ｌｉイオンのインターカレーションはサイクル性および電力密度の向上に役立つ。
【００１５】
本明細書で説明される実施形態を実施することができる特定の装置は限定されないが、カリフォルニア州、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃによって販売されるクラスタツールシステムまたはウエブベースロールツーロールシステムで実施形態を実施するのは特に有益である。本明細書で説明される実施形態を実施することができる例示的なロールツーロールおよび個別基板システムは、参照により全体が本明細書に組み込まれる、本発明の譲受人に譲渡されたＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＦＯＲＭＩＮＧ  ＥＮＥＲＧＹ  ＳＴＯＲＡＧＥ  ＯＲ  ＰＶ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＩＮ  Ａ  ＬＩＮＥＡＲ  ＳＹＳＴＥＭという名称の２００９年９月１８日に出願された米国特許仮出願第６１／２４３，８１３号（代理人整理番号ＡＰＰＭ／０１４０４４／ＡＴＧ／ＡＴＧ／ＥＳＯＮＧ）に、より詳細に、説明されている。
【００１６】
図１は、本明細書で説明される実施形態による負荷１０１に電気的接続されたＬｉイオン電池１００の一実施形態の概略図である。Ｌｉイオン電池１００の主要な機能構成要素は、アノード構造体１０２、カソード構造体１０３、セパレータ層１０４、および、対向した集電体１１１と１１３との間の領域内に配置された電解質（図示せず）を含む。有機溶媒中のリチウム塩などの電解質として様々な材料を使用することができる。電解質は、集電体１１１と１１３との間に形成された領域で、アノード構造体１０２、カソード構造体１０３、および流体透過性セパレータ層１０４に含まれる。
【００１７】
アノード構造体１０２およびカソード構造体１０３は各々Ｌｉイオン電池１００の半セルとして働き、一緒にして、Ｌｉイオン電池１００の完全作動セルを形成する。アノード構造体１０２は、集電体１１１と、リチウムイオンを保持するための炭素ベースインターカレーションホスト材料として機能を果たす多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０とを含む。同様に、カソード構造体１０３は、集電体１１３と、金属酸化物などのリチウムイオンを保持するためのインターカレーションホスト材料１１２とを含む。セパレータ層１０４は、アノード構造体１０２の構成要素とカソード構造体１０３の構成要素との間の直接電気接触を防止する誘電体の多孔性の流体透過性層である。Ｌｉイオン電池１００を形成する方法、ならびにＬｉイオン電池１００の構成部分、すなわち、アノード構造体１０２、カソード構造体１０３、およびセパレータ層１０４を構成する材料が以下で説明される。
【００１８】
従来の二次セルの伝統的な酸化還元ガルバニック作用ではなく、Ｌｉイオン二次セル化学作用は完全に可逆的なインターカレーション機構に依存しており、リチウムイオンは、インターカレーションホスト材料の結晶構造を変化させることなく、各電極のインターカレーションホスト材料の結晶格子中に挿入される。したがって、Ｌｉイオン電池の電極のそのようなインターカレーションホスト材料は、リチウムイオンの挿入または取り出しを可能し、同時に補償電子を受け入れる能力を有する開放結晶構造を有することが必要である。Ｌｉイオン電池１００において、アノード、すなわち負極は、炭素、すなわち、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０に基づく。カソード、すなわち正極はリチウムコバルト二酸化物（ＬｉＣｏＯ２）またはリチウムマンガン二酸化物（ＬｉＭｎＯ２）などの金属酸化物から製作される。カソードは、リチウムコバルト酸化物などの層状酸化物、リン酸鉄リチウムなどのポリアニオン、リチウムマンガン酸化物などのスピネル、またはＴｉＳ２（二硫化チタン）から製作することができる。例示的な酸化物は層状リチウムコバルト酸化物、またはＬｉＮｉｘＣｏ１−２ｘＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４などの混合金属酸化物とすることができる。例示的なリン酸塩は、鉄オリビン（ＬｉＦｅＰＯ４）とその異形（ＬｉＦｅ１−ｘＭｇＰＯ４など）、ＬｉＭｏＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、ＬｉＶＯＰＯ４、ＬｉＭＰ２Ｏ７、またはＬｉＦｅ１．５Ｐ２Ｏ７とすることができる。例示的なフルオロリン酸塩は、ＬｉＶＰＯ４Ｆ、ＬｉＡｌＰＯ４Ｆ、Ｌｉ５Ｖ（ＰＯ４）２Ｆ２、Ｌｉ５Ｃｒ（ＰＯ４）２Ｆ２、Ｌｉ２ＣｏＰＯ４Ｆ、Ｌｉ２ＮｉＰＯ４Ｆ、またはＮａ５Ｖ２（ＰＯ４）２Ｆ３とすることができる。例示的なケイ酸塩はＬｉ２ＦｅＳｉＯ４、Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４、またはＬｉ２ＶＯＳｉＯ４とすることができる。
【００１９】
セパレータ層１０４は、短絡を避けるためにアノード構造体１０２とカソード構造体１０３を物理的に分離したままアノード構造体１０２とカソード構造体１０３の間で移動するように、イオンチャネルを設けるように構成される。一実施形態では、セパレータ層１０４は、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０の表面上に堆積させることができ、ポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、およびそれらの組合せなどの固体ポリマーとすることができる。
【００２０】
動作中、Ｌｉイオン電池１００は、図１に示されるように、アノード構造体１０２およびカソード構造体１０３が負荷１０１に電気的に結合されると、電気エネルギーを供給する、すなわち、エネルギーが放出される。多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０から生じる電子は、アノード構造体１０２の集電体１１１から負荷１０１および集電体１１３を通ってカソード構造体１０３のインターカレーションホスト材料１１２に流れる。同時に、リチウムイオンは、アノード構造体１０２の多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０から分離または取り出され、セパレータ層１０４を通ってカソード構造体１０３のインターカレーションホスト材料１１２に移動し、インターカレーションホスト材料１１２の結晶構造中に挿入される。多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０、インターカレーションホスト材料１１２、およびセパレータ層１０４に存在する電解質は、イオン伝導を介して多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０からインターカレーションホスト材料１１２へのリチウムイオンの移動を可能にする。Ｌｉイオン電池１００は、負荷１０１の代わりにアノード構造体１０２およびカソード構造体１０３に適切な極性の起電力を電気的に結合することによって充電される。そのとき、電子はカソード構造体１０３の集電体１１３からアノード構造体１０２の集電体１１１に流れ、リチウムイオンはカソード構造体１０３のインターカレーションホスト材料１１２からセパレータ層１０４を通ってアノード構造体１０２のメソ多孔性炭素材料１１０に移動する。したがって、リチウムイオンは、Ｌｉイオン電池１００が放電される場合、カソード構造体１０３に差し込まれ、Ｌｉイオン電池１００が充電状態にある場合、アノード構造体１０２に差し込まれる。
【００２１】
図２Ａ〜２Ｄは、本明細書で説明される実施形態に従って形成される高表面積電極２００の一実施形態の概略断面図である。図２Ａにおいて、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０を形成する前の集電体１１１が概略的に示される。集電体１１１は、金属、プラスチック、グラファイト、ポリマー、カーボン含有ポリマー、複合物、または他の好適な材料などの１つまたは複数の導電性材料を含む、ホスト基板に配置された比較的薄い導電層、または単に導電性基板（例えば、フォイル、シート、プレート）を含むことができる。集電体１１１を構成することができる金属の例には、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、スズ（Ｓｎ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ステンレス鋼、それらの合金、およびそれらの組合せが含まれる。一実施形態では、集電体１１１は金属フォイルであり、その上に配置された絶縁被覆を有することができる。代替として、集電体１１１は、ガラス、シリコン、プラスチック、またはポリマー基板などの非導電性であり、物理気相堆積（ＰＶＤ）、電気化学メッキ（ＥＣＰ）、無電解メッキなどを含む当技術分野で既知の手段によってその上に形成された導電層を有するホスト基板を含むことができる。一実施形態では、集電体１１１はフレキシブルホスト基板から形成される。フレキシブルホスト基板は、上に形成された導電層をもつ、ポリエチレン、ポリプロピレン、または他の好適なプラスチックもしくはポリマー材料などの軽量で安価なプラスチック材料とすることができる。そのようなフレキシブル基板として使用するに好適な材料には、ポリイミド（例えば、ＤｕＰｏｎｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＫＡＰＴＯＮ（商標））、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアクリレート、ポリカーボネート、シリコーン、エポキシ樹脂、シリコーン官能化エポキシ樹脂、ポリエステル（例えば、Ｅ．Ｉ．  ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  ＣｏによるＭＹＬＡＲ（商標））、Ｋａｎｅｇａｆｔｉｇｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されたＡＰＩＣＡＬ  ＡＶ、ＵＢＥ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｌｔｄ．によって製造されたＵＰＩＬＥＸ、Ｓｕｍｉｔｏｍｏによって製造されたポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙによるＵＬＴＥＭ）、およびポリエチレンナフタレン（ＰＥＮ）が含まれる。代替として、フレキシブル基板は、ポリマー被覆で補強された比較的薄いガラスから構築することができる。
【００２２】
図２Ｂにおいて、アモルファスシリコン層２０４が集電体１１１の上に形成される。一実施形態では、アモルファスシリコン層２０４は約１００ｎｍから約３μｍの厚さを有する。一実施形態では、アモルファスシリコン層２０４は約５００ｎｍから約２μｍの厚さを有する。一実施形態では、アモルファスシリコン層は約７００ｎｍから約１０００ｎｍの厚さを有する。一実施形態では、アモルファスシリコン層２０４は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）またはホットワイヤ化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）などの化学気相堆積プロセスを使用して堆積される。一実施形態では、ナノ結晶／多結晶層が集電体１１１の上に形成され、続いて、アモルファスシリコン層２０４を形成するためにイオンで照射される。
【００２３】
図２Ｃにおいて、多孔性アモルファスシリコン層２０６が集電体１１１の上に形成される。一実施形態では、多孔性アモルファスシリコン層２０６は、相互接続細孔２０８を形成するためにアモルファスシリコン層２０４を陽極処理プロセスにかけることによって形成される。一実施形態では、相互接続細孔２０８の各々は約２０ｎｍから約１０００ｎｍの直径を有する。一実施形態では、相互接続細孔の各々は約１００ｎｍから約５００ｎｍの直径を有する。一実施形態では、相互接続細孔の各々は約１００ｎｍから約２００ｎｍの直径を有する。一実施形態では、相互接続細孔の各々は約３０ｎｍから約５０ｎｍの直径を有する。一実施形態では、相互接続細孔２０８は、多孔性アモルファスシリコン層２０６の上面２１０から多孔性アモルファスシリコン層２０６の底面２１１まで延び、集電体１１１の上面２１４を露出する貫通細孔である。一実施形態では、相互接続細孔２０８は多孔性アモルファスシリコン層２０６の上面２１０から延び、多孔性アモルファスシリコン層２０６の底面２１１からある距離で停止する。一実施形態では、相互接続細孔２０８は、多孔性アモルファスシリコン層２０６の上面２１０から、多孔性アモルファスシリコン層２０６の底面２１１から約１０ｎｍから約２００ｎｍまで延びる。一実施形態では、細孔２０８の直径は細孔２０８の長さに沿って変化することができる。一実施形態では、細孔の直径は、多孔性アモルファスシリコン層２０６の上面２１０から多孔性アモルファスシリコン層２０６の底面２１１まで細孔２０８の長さに沿って減少する。一実施形態では、細孔の直径は細孔２０８の長さに沿って増加する。一実施形態では、相互接続細孔２０８は、長さおよび直径が変化する分岐を有する一連の相互接続分岐構造体を含む。一実施形態では、相互接続細孔２０８の直径は、相互接続細孔２０８が多孔性アモルファスシリコン層２０６の上面２１０から多孔性アモルファスシリコン層２０６の底面２１１の方に下方に延びるにつれて減少する。一実施形態では、各細孔２０８の長さは膜の厚さと同等である。一実施形態では、各細孔２０８の長さは約０．５ミクロンと約５ミリメートルとの間にある。別の実施形態では、各細孔２０８の長さは約１００ミクロンと約５００ミクロンとの間にある。別の実施形態では、各細孔２０８の長さは約２００ミクロンである。一実施形態では、多孔性アモルファスシリコン層２０６は、同じ材料から形成された中実膜と比較して、５０％から９０％の間にある多孔率を有することができる。
【００２４】
図２Ｄにおいて、カーボンナノチューブなどのカーボン構造体が、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０を形成するために相互接続細孔２０８内に形成される。一実施形態では、カーボンナノチューブは相互接続細孔２０８の壁２１６に沿って形成される。一実施形態では、カーボンナノチューブは、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０の上面２１０を越えて延びる。
【００２５】
図３は、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０を構成することができる、本明細書で説明される実施形態により形成された相互接続細孔３０６を有するアモルファスシリコン層３０２の一実施形態の概略断面図である。アモルファスシリコン層３０２は上面３０８および底面３１０を有する。相互接続細孔は円柱孔を含むことができ、各孔は、数ナノメートルから数百ナノメートルにわたる直径「ｄｈ」、および数マイクロメートルから数百マイクロメートルにわたることができる深さ「Ｄ」を有する。一連の相互接続細孔３０６は、長さおよび直径が変化する複数の個々の細孔を含む。一実施形態では、第１の細孔３１２は上面３０８から延び、第１の直径３１４を有する。一実施形態では、第１の直径は約５００ｎｍから約１０００ｎｍである。一実施形態では、第１の直径は約７００ｎｍから約９００ｎｍである。
【００２６】
第１の細孔３１２は底面３１０に向けて下方に延び、第１の分岐構造体３１６ａ、３１６ｂを形成する。第１の分岐構造体３１６ａ、３１６ｂで、第１の細孔３１２は第２の直径３２０を有する多数の細孔３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃに分裂する。一実施形態では、第２の直径は第１の直径３１４よりも小さい。一実施形態では、第２の直径３２０は約２００ｎｍから約５００ｎｍである。一実施形態では、第２の直径３２０は約３００ｎｍから約４００ｎｍである。第１の細孔３１２は３つの細孔３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃに分裂するように示されているが、第１の細孔３１２は任意の数の細孔に分裂することができ、各細孔は同様のまたは異なる直径を有することができることを理解されたい。
【００２７】
多数の細孔３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃの各々は底面３１０に向けて下方に延び、第２の分岐構造体３２４ａ、３２４ｂを形成する。第２の分岐構造体３２４ａ、３２４ｂで、多数の細孔３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃの各々は第３の直径３２８を有する多数の細孔３２６ａ、３２６ｂ、３２６ｃに分裂する。一実施形態では、第３の直径は第２の直径３２０よりも小さい。一実施形態では、第３の直径は約２０ｎｍから約２００ｎｍである。一実施形態では、第３の直径は約５０ｎｍから約１００ｎｍである。
【００２８】
一実施形態では、相互接続細孔３０６は、アモルファスシリコン層３０２の上面３０８からアモルファスシリコン層３０２の底面３１０まで延びる貫通細孔である。一実施形態では、相互接続細孔３０６は、多孔性アモルファスシリコン層３０２の上面３０８から、多孔性アモルファスシリコン層３０２の底面３１０から平均距離３３０まで延びる。一実施形態では、平均距離３３０は約１０ｎｍから約２００ｎｍである。一実施形態では、平均距離３３０は約５０ｎｍから約１００ｎｍである。
【００２９】
図４は、本明細書で説明される実施形態により形成された多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０の一実施形態の概略断面図である。一実施形態では、カーボンナノチューブ４１０が、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０を形成するために相互接続細孔３０６内に形成される。一実施形態では、カーボンナノチューブは相互接続細孔３０６の壁４１２に沿って形成される。一実施形態では、カーボンナノチューブは、多孔性アモルファスシリコンカーボンナノチューブ複合物ベース材料１１０の上面３０８を越えて延びる。カーボンナノチューブ４１０は、互いに対して任意の配向を有することができる。一実施形態では、カーボンナノチューブ４１０は互いに対して垂直とすることができる。別の実施形態では、カーボンナノチューブ４１０は互いに平行とすることができる。一実施形態では、炭素が細孔３０６の壁４１２に沿って堆積するので、細孔当たり１つのカーボンナノチューブがある。
【００３０】
カーボンナノチューブおよび／またはカーボンナノファイバは、ナノチューブが成長する細孔と同様の直径を有するグラファイトナノフィラメントである。例えば、相互接続細孔２０８が約２０ｎｍから約１０００ｎｍの直径を有する実施形態では、細孔２０８内で成長するカーボンナノチューブは同様に約２０ｎｍから約１０００ｎｍの間の直径を有することになる。一実施形態では、カーボンナノチューブの各々は約１００ｎｍから約５００ｎｍの直径を有する。一実施形態では、カーボンナノチューブの各々は約１００ｎｍから約２００ｎｍの直径を有する。一実施形態では、カーボンナノチューブの各々は約３０ｎｍから約５０ｎｍの直径を有する。一実施形態では、カーボンナノチューブおよび／またはカーボンナノファイバは、約０．４ナノメートルから約１００ナノメートルの間の直径、および典型的には数マイクロメートルから数ミリメートルにわたる長さを有する。グラファイトナノフィラメントは、少なくとも４つの別個の構造タイプ、すなわち、管状、ヘリンボン、小板、およびリボンにより分類することができる。「ナノチューブ」という用語は管状構造体を記述するのに使用することができ、一方、「ナノファイバ」は非管状形態を記述することができる。
【００３１】
カーボンナノチューブは、一般に、単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブに分類される。図５Ａは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）の概略図である。ＳＷＣＮＴ５００は円筒状炭素分子を含むグラファイトナノフィラメントであり、円筒状炭素分子は、直径「ｄ」およびフィラメント長さ「Ｌ」の縫い目のないグラフェンチューブ５０４に巻かれたグラフェンと呼ばれるグラファイトの１原子の厚さのシートとして概念化することができる。グラフェンチューブ５０４は、フィラメント軸方向と平行な円筒状壁を形成する。ナノチューブ端部５０２の１つまたは複数は追加の炭素原子によって頂上を覆うことができる。直径「ｄ」は約０．４ナノメートルから数ナノメートルにわたることがあり、フィラメント長さ「Ｌ」は数マイクロメートルから数ミリメートルにわたることがあり、ＳＷＣＮＴ５００の大きい長さ対直径アスペクト比がナノチューブに大きい表面積対体積比を与える。
【００３２】
ＳＷＣＮＴ５００の巻かれたグラフェン層またはシートは共有結合性ｓｐ２結合で結合された炭素原子の６員六角環を含み、管状グラフェン構造体と組み合わされた結合は桁外れの強度（引張り強度）および剛性（弾性係数）をカーボンナノチューブに与える。ＳＷＣＮＴ５００は、例えば、約１ＧＰａの引張り強度および約０．２ＴＰａの弾性係数を有することができるステンレス鋼と比較して、約３０ＧＰａの平均引張り強度および約１ＴＰａの弾性係数を有することができる。カーボンナノチューブは、さらに、固体にしてはかなり低い密度（ＳＷＣＮＴ５００では約１．３ｇ／ｃｍ３）を有し、強度対重量比は既知の材料の中で最も高い。ＳＷＣＮＴ５００の電気伝導率は、グラフェンチューブ５０４を形成するのにグラフェンシートがどのように巻かれるかに応じて半導体または金属とすることができ、金属タイプのカーボンナノチューブは、最良の導電性金属によって搬送されるよりも数桁大きい電流密度を搬送することができる。
【００３３】
図５Ｂは多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）の概略図である。ＭＷＣＮＴ５１０は、直径「ｄ」のＳＷＣＮＴ５００のまわりに同軸で配列されたフィラメント長さ「Ｌ」の１つまたは複数のグラフェンチューブ５０４として概念化することができる。グラフェンチューブ５０４はフィラメント軸方向「Ａ」と平行な円筒状壁を形成し、壁は、グラファイト中のグラフェン層間の距離に近似する約０．３４ナノメートルの層間間隔５１５だけ互いに隔てられる。ＭＷＣＮＴ５１０内のチューブ（３つが示されている）または円筒状壁の数は２から５０、またはそれよりも多くにわたることができる。外側のナノチューブ５１２は、ＭＷＣＮＴ５１０内の壁の数に応じて数ナノメートルから数百ナノメートル以上にわたることができるフィラメント直径「ｄ０」を有する。
【００３４】
「カーボンナノチューブ」という用語は、典型的には、フィラメント軸と平行であり、管状構造体を形成する１つまたは複数のグラフェン層またはシートを含むナノフィラメントを記述するのに使用される。一方、「カーボンナノファイバ」という用語は、典型的には、フィラメント軸と平行である場合もあり、平行でない場合もあり、かつ管状構造体を形成しないグラフェン層を含むナノフィラメントを記述するが、構造体は、ナノファイバが断面において実質的に円形または多角形となるように形成されうる。ナノファイバ構造体の例には、ヘリンボン、小板、リボン、積層円錐、および当技術分野で知られている他のカーボンナノファイバ構造体が含まれる。あるナノファイバは各ナノファイバのフィラメント軸に沿って空洞コアまたは中央孔を有することがあるが、他のナノファイバは中実コアを有することがある。「グラファイトナノフィラメント」という用語は、本明細書では、カーボンナノチューブおよび／またはカーボンナノファイバを指すように使用される。グラファイトナノフィラメントは、限定はしないが、直線、分岐、ねじれ、渦巻き、および螺旋を含む全体的形状を有することができる。例示的なカーボンナノチューブおよびナノファイバ構造体は、参照により本明細書に組み込まれる、本発明の譲受人に譲渡されたＴＨＲＥＥ  ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＷＩＴＨ  ＨＹＢＲＩＤ  ＮＡＮＯ−ＣＡＲＢＯＮ  ＬＡＹＥＲという名称の２００９年１２月９日に出願された米国特許出願第１２／６３４，０９５号に説明されている。
【００３５】
図６は、本明細書で説明される一実施形態による高表面積電極２００を形成する方法６００の一実施形態を要約するプロセス流れ図である。ブロック６０２において、集電体１１１と同様の集電体が準備される。一実施形態では、集電体は、金属、プラスチック、グラファイト、ポリマー、カーボン含有ポリマー、複合物、または他の好適な材料などの１つまたは複数の導電性材料を含む、ホスト基板に配置された比較的薄い導電層、または単に導電性基板（例えば、フォイル、シート、プレート）を含むことができる。一実施形態では、集電体は金属フォイルであり、その上に配置された絶縁被覆を有することができる。一実施形態では、絶縁被覆は酸化ケイ素含有層などの酸化物含有層を含むことができる。代替として、集電体は、ガラス、シリコン、プラスチック、またはポリマー基板などの非導電性であり、物理気相堆積（ＰＶＤ）、電気化学メッキ（ＥＣＰ）、無電解メッキなどを含む当技術分野で既知の手段によってその上に形成された導電層を有するホスト基板を含むことができる。一実施形態では、集電体はフレキシブルホスト基板から形成される。
【００３６】
ブロック６０４において、アモルファスシリコン層２０４と同様のアモルファスシリコン層が集電体に形成される。一実施形態では、アモルファスシリコン層は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）またはホットワイヤ化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）などの当技術分野で知られている化学気相堆積プロセスを使用して堆積される。一実施形態では、アモルファスシリコン層は、ナノ結晶／多結晶層を集電体１１１の上に堆積させ、続いてナノ結晶／多結晶を照射して規則的結晶構造を改変してアモルファスシリコン構造体を形成することによって形成される。
【００３７】
ブロック６０６において、多孔性アモルファスシリコン層２０６と同様の多孔性アモルファスシリコン層が、アモルファスシリコン層に相互接続多孔性構造体を形成することによって形成される。一実施形態では、陽極処理技法を使用して、アモルファスシリコン層に相互接続多孔性構造体を形成する。陽極処理技法は集電体を電解液に浸漬することを含む。電解液は任意の酸性溶液とすることができる。好適な酸性溶液には、例えば、硫酸、リン酸、ピロリン酸、過塩素酸、酢酸、クエン酸、それらの組合せなどの無機酸、ならびにそれらのアンモニウムおよびカリウム塩を含む酸電解質派生物が含まれる。一実施形態では、電解液は５０％フッ化水素酸と５０％酢酸との組合せを含む。オプションとして、電解液は１つまたは複数の添加生成物を含むことができる。
【００３８】
アノード（正極）として働く金属電極と、カソード（負極）として働く上に堆積されたアモルファスシリコン層２０４をもつ集電体１１１とを用いて、相互接続細孔は電解液を介して直流を通過させることによって形成される。電流は、カソード（負極）で水素を、およびアノードの表面で酸素を解放する。一実施形態では、交流を使用することができる。一実施形態では、パルス電流を使用することができる。様々な溶液で必要とされる電圧は約１ボルトから約３００ボルトＤＣにわたることがある。陽極処理電流は集電体の面積とともに変化する。一実施形態では、陽極処理電流は約２０ｍＡ／ｃｍ２から約１００ｍＡ／ｃｍ２にわたる。一実施形態では、陽極処理電流は約５０ｍＡ／ｃｍ２から約８０ｍＡ／ｃｍ２にわたる。電解液濃度、酸性度、溶液温度、および電流などの条件は、サイズが変化する相互接続細孔を形成できるように変化させることができる。
【００３９】
図３を参照すると、相互接続細孔３０６の各々の直径は、細孔直径が印加電圧に比例するので陽極処理プロセス中に印加される電圧を変化させることによって制御することができる。一実施形態では、第１の電圧範囲は、上面３０８から延びる第１の直径３１４を有する第１の組の細孔３１２を形成するように印加される。一実施形態では、第１の電圧範囲は第２の電圧範囲に減少される。第１の電圧範囲が第２の電圧範囲まで減少されるときに、第１の組の細孔３１２は第１の直径よりも小さい第２の直径３２０を有する多数の細孔３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃに分裂する。一実施形態では、第２の電圧範囲は第３の電圧範囲に減少される。第２の電圧範囲が第３の電圧範囲まで減少されるときに、多数の細孔３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃの各々は第２の直径３２０よりも小さい第３の直径３２８を有する多数の細孔３２６ａ、３２６ｂ、３２６ｃに分裂する。一実施形態では、第１の細孔３１２の形成の後、陽極処理電圧を連続して低減すると、相互接続細孔のさらなる分岐が可能になる。一実施形態では、電圧が次第に低減される場合、第１の細孔は次第に分割されるが、電圧が急激に減少する場合、第１の細孔は急激に分割される。一実施形態では、第１の細孔３１２を形成するための陽極処理電圧は約４０ボルトと約１００ボルトとの間にある。一実施形態では、陽極処理電圧は１／√ｎ低減させることができ、ここで、ｎは形成される分岐の数である。例えば、１／√３低減した陽極処理電圧を使用して、多数の細孔３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃを形成することができる。
【００４０】
相互接続細孔の密度、直径、およびアライメントは、グラファイトナノフィラメントの密度、直径、およびアライメントを同様に制御することができるように制御される。相互接続細孔密度は多孔性アモルファスシリコン層の上面の単位面積当りの細孔の数である。一実施形態では、相互接続細孔は、必要に応じて、多孔性アモルファスシリコン層の上面に対して整列させることができる。
【００４１】
一実施形態では、陽極処理プロセスの終点は、集電体１１１が露出され、それが電流にスパイクを引き起こすときに到達される。相互接続細孔が貫通細孔でない実施形態では、電流スパイクは、さらに、陽極処理プロセスの間、下にある集電体１１１が露出される前に終点を検出するのに使用することができる。
【００４２】
ブロック６０８において、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバなどのグラファイトナノフィラメントが多孔性アモルファスシリコン構造体の細孔の内部に形成される。カーボンナノチューブを形成するのに使用することができる１つの望ましい処理技法は化学気相堆積プロセス（ＣＶＤ）である。カーボンナノチューブを形成するのに使用される化学気相堆積（ＣＶＤ）技法は、一般に、２つのタイプ、すなわち、触媒および非触媒に分類することができる。カーボンナノチューブの成長の制御を容易にし、支援するために触媒材料を使用する方法は触媒ＣＶＤ法と呼ばれる。触媒材料をカーボンナノチューブ成長に使用しない方法は、触媒作用ではなく加熱だけが、典型的には、ナノフィラメント成長を推進するので非触媒または熱分解ＣＶＤ法と呼ばれる。触媒ＣＶＤ法は、多くの場合、非触媒法よりもカーボンナノチューブ成長に対して優れた制御を行う。カーボンナノチューブ成長の様々な方法は、Ｋ．Ｔｅｏらにより、「Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ」、Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１０巻、１〜２２ページ、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、２００３年に説明されている。
【００４３】
グラファイトナノフィラメントのタイプ（ナノチューブまたはナノファイバ）、構造（単層、多層、ヘリンボンなど）、直径、長さ、およびアライメントは、ＣＶＤ成長パラメータを制御することによって制御することができる。成長パラメータは、限定はしないが、炭素原料ガス、キャリアガス、成長温度、成長圧力、および成長時間を含む。触媒ＣＶＤ成長では、追加の成長パラメータは、触媒サイズ、形状、組成、および触媒前駆体などの触媒パラメータを含むことができる。触媒パラメータ以外の触媒ＣＶＤ成長のためのパラメータ範囲およびオプションは、一般に、グラファイトナノフィラメントの非触媒ＣＶＤ成長に適用可能とすることができるが、より高温が非触媒ＣＶＤ法では使用されることがある。
【００４４】
一般に、グラファイトナノフィラメントの触媒ＣＶＤ成長の温度は摂氏約３００度（℃）から摂氏約３０００度（℃）にわたることができる。一実施形態では、触媒ＣＶＤ成長の温度は約６００℃から約１２００℃にわたることができるが、特にＣＶＤ成長がプラズマ増強される場合、６００℃よりも低い温度を使用することができる。成長圧力は、約０．１Ｔｏｒｒから約１気圧に、より好ましくは約０．１Ｔｏｒｒから約１００Ｔｏｒｒにわたることができるが、より低いまたはより高い圧力を使用することもできる。別の実施形態では、成長圧力は大気圧よりも上であり、約１気圧から約１０気圧にわたることができる。成長時間または「滞留時間」は所望のグラファイトナノフィラメント長さに部分的に依存し、成長時間が長いと長さが長くなる。成長時間は、約１０秒から何時間にも、より典型的には約１０分から数時間にわたることができる。一実施形態では、成長時間は約１分と約５分との間の範囲にある。
【００４５】
グラファイトナノフィラメント成長に使用される炭素原料ガスは、限定はしないが、エチレン、プロピレン、アセチレン、ベンゼン、トルエン、エタン、メタン、ブタン、プロパン、ヘキサン、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、一酸化炭素、アセトン、酸素化炭化水素、低分子量炭化水素、高分子量炭化水素、またはそれらの組合せを含むことができる。一般に、炭素原料ガスは任意の１つまたは複数の炭素含有ガスを含むことができ、炭素原料ガスは１つまたは複数の炭素含有ガスの液体または固体前駆体から得ることができる。補助ガスを炭素原料ガスと共に使用して、成長プロセスを促進することができる。補助ガスは、例えば、キャリアガス、不活性ガス、還元ガス（例えば、水素、アンモニア）、希釈ガス、またはそれらの組合せなどの１つまたは複数のガスを含むことができる。「キャリアガス」という用語は、時には、当技術分野で不活性ガス、還元ガス、およびそれらの組合せを表すのに使用される。キャリアガスのいくつかの例は水素、窒素、アルゴン、およびアンモニアである。
【００４６】
好適な触媒材料は、限定はしないが、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、マグネシウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、パラジウム、モリブデン、タングステン、クロミウム、および合金、酸化物、ならびにそれらの組合せを含むことができる。使用することができる触媒材料の組合せまたは混合物は、限定はしないが、鉄−ニッケル、鉄−モリブデン、鉄−コバルト、コバルト−ニッケル、およびコバルト−モリブデンを含む。好ましい触媒は、鉄、コバルト、ニッケル、およびそれらの合金を含む。
【００４７】
グラファイトナノフィラメントは相互接続細孔内に成長され、ナノフィラメントの密度、直径、およびアライメントは相互接続細孔の密度、直径、およびアライメントを厳密に複製することができる。触媒粒子を相互接続細孔２０８内に堆積させて、触媒ナノフィラメント成長（根元成長または先端成長のいずれか）を可能にすることができる。代替として、ナノ細孔内のグラファイトナノフィラメントの成長は非触媒反応（すなわち、熱分解）とすることができる。
【００４８】
図７Ａ〜７Ｇは、本明細書で説明される実施形態に従って形成される高表面積電極の一実施形態の概略断面図である。図８は、本明細書で説明される実施形態による高表面積電極を形成する方法の一実施形態を要約するプロセス流れ図８００である。図８に見られるシーケンスは、本明細書で説明される図７Ａ〜７Ｇに示された段階に対応する。複合材料は、図７Ａに示されるような個別の基板Ｓまたはロールツーロールプロセスのウエブに形成することができる。そのような基板Ｓが図７Ａに示される。基板Ｓは、限定はしないが、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、ステンレス鋼、もしくは銅（Ｃｕ）などの金属で製作することができる。一実施形態では、基板Ｓは、個別の基板として供給される場合、比較的非可撓性とすることができるが、ウエブ（例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、または銅フォイル）として供給される場合、比較的可撓性とすることができる。別の実施形態では、基板は、個別の基板として供給される場合、可撓性とすることができる。
【００４９】
ブロック８０２において、図７Ａに示されるように、基板Ｓが処理領域に位置づけられ、触媒材料の層７０２が基板Ｓに堆積される。一実施形態では、触媒材料層７０２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、それらの合金、それらのポリマー、およびそれらの組合せを含む。一実施形態では、触媒材料の層７０２は、上述のように、スパッタリングなどの物理気相堆積（ＰＶＤ）法、または化学気相堆積（ＣＶＤ）法を含むいくつかの方法を使用して基板Ｓ上に堆積させることができる。一実施形態では、触媒材料の層７０２は約０．２ｎｍから約２０ｎｍの厚さに堆積される。一実施形態では、触媒材料の層７０２は約２０ｎｍ未満の厚さに堆積される。
【００５０】
次に、ブロック８０４の間、図７Ｃに図示されるように、堆積された触媒材料７０２はさらに処理されて、基板Ｓ上に触媒材料のナノアイランド７０４が形成される。一実施形態では、ナノアイランド７０４を形成するのに使用される処理ステップは所望の期間の間所望の温度に基板Ｓを加熱することを含む。一実施形態では、処理領域の温度は一定とすることができ、またはある期間にわたって上昇させることができる。ナノアイランドを形成するための処理領域の温度は約３００℃と約１０００℃との間とすることができる。一実施形態では、ナノアイランドを形成するための処理領域の温度は約５００℃と約８００℃との間とすることができる。
【００５１】
次に、ブロック８０６の間、図７Ｄに図示されるように、グラファイトナノフィラメント７０６が基板Ｓ上に形成される。ナノアイランド７０４を含む基板Ｓの表面に炭素含有前駆体を供給することによって、グラファイトナノフィラメント７０６を基板Ｓの表面上に形成することができる。一実施形態では、グラファイトナノフィラメント７０６は、上述のように単層または多層であるカーボンナノチューブまたはナノファイバを含む。一実施形態では、炭素含有前駆体は、キシレン、エチレン、プロピレン、アセチレン、ベンゼン、トルエン、エタン、メタン、ブタン、プロパン、ヘキサン、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、一酸化炭素、アセトン、酸素化炭化水素、低分子量炭化水素、およびそれらの組合せを含む炭素原料ガスの群から選択される。いくつかの実施形態では、ナノチューブを形成するプロセスはプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスとすることができる。さらなる実施形態では、ナノチューブ７０６を形成するプロセスはホットワイヤ化学気相堆積プロセス（ＨＷＣＶＤ）またはｉＣＶＤプロセスとすることができる。
【００５２】
次に、ブロック８０８の間、図７Ｅに図示されるように、シリコン含有層７０８が、ブロック８０６の間に形成されたグラファイトナノフィラメント７０６の上に堆積される。一実施形態では、シリコン含有層は約０．５ｎｍ厚と約１０ｎｍ厚との間にあるアモルファスシリコン層である。一実施形態では、アモルファスシリコン層はＨＷＣＶＤプロセスを使用してグラファイトナノフィラメント７０６の上に形成される。ＨＷＣＶＤプロセスは、一般に、ホットフィラメント（通常、タングステンまたはタンタル）を使用して、反応性ガス成分（例えば、シランおよび水素）を原子ラジカルに「分解する」。ホットフィラメントは、典型的には、１５００℃よりも高い表面温度に維持される。反応種は、ホットフィラメントの表面を横切って通過した後、気相粒子形成なしに高い堆積速度を可能にする低圧雰囲気で、処理領域を通って基板まで輸送される。一実施形態では、図７Ｅに示されるように、アモルファスシリコン層７０８が堆積され、グラファイトナノフィラメント７０６を共形的に被覆する。グラファイトナノフィラメント上にアモルファスシリコン層を形成するためのシリコン含有ガスには、例えば、水素（Ｈ２）、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、およびそれらの組合せが含まれる。
【００５３】
次に、ブロック８１０の間、図７Ｆに図示されるように、ポリマー層が、ブロック８０８の間に形成されたシリコン含有層の上に堆積される。一実施形態では、アモルファスシリコン７０８が基板の表面に堆積された後、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのポリマー材料７１０がその上に堆積される。ポリマー材料７１０が、一般に、誘電体バリアを設け、かつ／またはグラファイトナノフィラメント７０６およびアモルファスシリコン層７０８の両方をカプセル化するのに使用される。一実施形態では、ポリマー材料７１０の形成された層は多孔性である。一実施形態では、ポリマー材料７１０は、開始剤による化学気相堆積（ｉＣＶＤ）プロセスを使用してアモルファスシリコン７０８およびグラファイトナノフィラメント７０６上に堆積される。ｉＣＶＤプロセスは、一般に、真空状態に維持されている処理領域中への開始剤化学種およびモノマーの両方の気相送出を必要とする。一実施形態では、ｉＣＶＤプロセスは、約３００℃と４５０℃との間の、例えば約４００℃などの低温を使用して行われる。
【００５４】
ブロック８１２の間、図７Ｇに図示されるように、素材のカソード層７１２がポリマー材料７１０の上に堆積され、カソードが形成され、複合材料構造体が完成する。一実施形態では、カソード層７１２は、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２などのリチウム遷移金属酸化物、および／またはＮｉおよびＬｉ酸化物の組合せなどのリチウム（Ｌｉ）ベース材料である。一実施形態では、カソード材料は、リチウム含有層と金属層とを含む一連の層を含む。一例では、金属層は、限定はしないが、アルミニウム、ステンレス鋼、およびニッケルを含む。カソード材料は、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＣＶＤ、ｉＣＶＤ、またはＨＷＣＶＤプロセスのうちの少なくとも１つを使用して堆積させることができる。
【００５５】
図９Ａ〜９Ｄは、本明細書で説明される実施形態に従って形成される高表面積電極の一実施形態の概略等角図である。図１０は、本明細書で説明される実施形態による高表面積電極を形成する方法の一実施形態を要約するプロセス流れ図１０００である。図１０に見られるプロセスシーケンスは、図９Ａ〜９Ｄの概略等角図に対応する。複合材料は、図９Ａに示されるような個別の基板Ｓまたはロールツーロールプロセスのウエブに形成することができる。そのような基板Ｓが図９Ａに示される。基板Ｓは、限定はしないが、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、ステンレス鋼、もしくは銅（Ｃｕ）などの金属で製作することができる。一実施形態では、基板Ｓは、個別の基板として供給される場合、比較的非可撓性とすることができるが、ウエブ（例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、または銅フォイル）として供給される場合、比較的可撓性とすることができる。別の実施形態では、基板は、個別の基板として供給された場合、可撓性とすることができる。
【００５６】
ブロック１００２において、図９Ｂに示されるように、基板Ｓはチャンバ内に位置づけられ、その中に分離されたアルミニウム（Ａｌ）相９０６をもつシリコン（Ｓｉ）マトリクス９０４の層９０２が基板Ｓに堆積される。一実施形態では、層９０２はＰＶＤスパッタリングプロセスを使用して堆積される。一実施形態では、Ａｌ５６Ｓｉ４４のターゲットが処理領域に位置決めされる。カソードＤＣおよび／またはＲＦバイアスをターゲットに印加できるように電源がターゲットに接続され、その結果、層９０２を基板Ｓの表面上に堆積させることができる。ターゲットに印加されたバイアスによって生成されたプラズマにより、ターゲット表面からの原子が取り出され、基板Ｓの露出表面に堆積される。一実施形態では、電源によって供給される電力は約１００Ｗと約２００Ｗとの間にある。一実施形態では、基板Ｓは約５０℃と約５００℃との間の基板温度に加熱することができる。一実施形態では、基板Ｓは約１００℃と約２００℃との間の基板温度に加熱される。別の実施形態では、基板Ｓは１５０℃未満の温度に加熱される。層９０２が基板Ｓ上にスパッタされるとき、アルミニウム相９０６がシリコンマトリクス９０４中で分離される。
【００５７】
基板Ｓに層９０２を形成した後、プロセス１０００はブロック１００４に進む。ブロック１００４において、アルミニウムがシリコンマトリクスからエッチングされる。一実施形態では、アルミニウムのエッチングは湿式エッチングプロセスを使用して行われる。アルミニウムがシリコンマトリクスからエッチングされた後、得られる構造体は図９Ｃに示される通りである。基板Ｓは、その上に配置された多孔性シリコン層９０８を含む。多孔性シリコン層９０８は、シリコンマトリクス９０４からアルミニウム相９０６を除去して複数の細孔９１０を形成することによって形成される。複数の細孔９１０間の距離は調整することができる。
【００５８】
次に、ブロック１００６の間、図９Ｄに図示されるように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）９１２が多孔性シリコン層９０８の細孔９１０に堆積される。一実施形態では、ＣＮＴ９１２はＣＶＤプロセスを使用して多孔性シリコン層９０８に形成される。ＣＮＴ９１２は、多孔性シリコン層９０８の細孔９１０に触媒材料のナノアイランドを形成するために、まず触媒材料を堆積し、さらに加熱することによって多孔性シリコン層９０８中に成長させることができる。基板に触媒材料を形成するためのガスおよびＣＮＴを形成するためのガスは連続して供給することができ、または同時に供給する（並行して流す）ことができる。まず触媒を形成するのに必要とされるガスを供給し、次に、ナノアイランドを形成するために触媒を加熱し、続いてＣＮＴを形成するためにガスを供給することによって、触媒粒子が比較的ないＣＮＴを形成することができる。触媒およびＣＮＴを形成するためのガスが同時に供給される場合、ある量の触媒粒子が、得られるＣＮＴに存在することがある。用途によっては、少量の汚染は許容される。したがって、並行流法の基板スループットの増加は望ましいことがある。ＣＮＴは、本明細書で説明したプロセスならびに他の既知のプロセスのうちのいずれかを使用して形成することができる。ＣＮＴは、電子の優れた電気伝導率ならびに構造体の構造完全性の支援を与える。
【００５９】
シリコンマトリクスにＣＮＴを堆積した後、実施形態によっては、追加のシリコンが、プロセス１０００のブロック１００８において、図９Ｄに示される構造体に堆積される。追加のＳｉはＨＷＣＶＤまたは他の好適なプロセスを使用して堆積させることができる。一実施形態では、シリコン含有層は約１０ｎｍ厚と約１０００ｎｍ厚との間にあるアモルファスシリコン層である。図１１を参照すると、チャンバはＨＷＣＶＤプロセスを使用してＳｉ／ＣＮＴマトリクス（図９Ｄの９０４および９１２）上にアモルファスシリコンを堆積させるように構成および適合される。グラファイトナノフィラメント上にアモルファスシリコン層を形成するためのシリコン含有ガスには、例えば、水素（Ｈ２）、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、およびそれらの組合せが含まれる。
【００６０】
図９Ｄに示される構造体は、有利には、エネルギー貯蔵装置の電極構造体の形成に使用される。シリコンマトリクス９０４の細孔９１０内に複数のナノチューブ９１２を配置することによって形成されたＳｉ−ＣＮＴナノ複合物はいくつかの利点を提供する。そのような１つの利点は、多孔性シリコンの部分的な露出により３４００ｍＡｈ／ｇを超えるより高い電流容量が可能になることである。別の利点は、細孔９１０の存在により体積膨脹（熱膨張など）を吸収するための構造体の能力である。さらに、ＣＮＴの性質は、本発明の構造体に組み込まれた場合、サイクル寿命の延長、優れた構造完全性、および優れた電子の伝導経路をもたらす。これらのナノ構造の拡張性は、さらに、電気車両（ＥＶ）および家庭用電化製品のマーケットの両方における最終製品のコストを低減することになる。
【００６１】
図１１は、本明細書で説明される高表面積電極を形成するのに使用することができる処理システム（例えば、クラスタツール１１００）の一実施形態の概略平面図である。クラスタツール１１００は真空気密処理プラットフォーム１１０１、工場インタフェース１１０２、およびシステムコントローラ１１３６を含む。プラットフォーム１１０１は、複数の処理モジュール１１０８、１１１０、１１１２、１１１４、１１１６、１１１８、１１２４と、真空基板移送チャンバ１１０３、１１０４に結合される少なくとも１つのロードロックチャンバ（ロードロックチャンバ１１２０が示される）とを含む。工場インタフェース１１０２はロードロックチャンバ１１２０によって移送チャンバ１１０４に結合される。
【００６２】
一実施形態では、工場インタフェース１１０２は、少なくとも１つのドッキングステーション１１２６、少なくとも１つの基板移送ロボット１１３８、少なくとも１つの基板移送プラットフォーム１１４０、少なくとも１つの前清浄チャンバ１１２４、および前清浄ロボット１１２２を含む。一実施形態では、ドッキングステーション１１２６は少なくとも１つの前方開口型統一ポッド（ＦＯＵＰ）を受け入れるように構成される。２つのＦＯＵＰ１１２８Ａ、１１２８Ｂが図１１のこの実施形態では示されているが、任意の数のＦＯＵＰをドッキングステーション１１２６の物理的限界内で設けることができる。基板移送ロボット１１３８は、工場インタフェース１１０２から、前洗浄プロセスを行うことができる前洗浄チャンバ１１２４に基板を移送するように構成される。前洗浄ロボット１１２２は、前洗浄チャンバ１１２４からロードロックチャンバ１１２０に基板を移送するように構成される。代替として、基板は、前洗浄チャンバ１１２４を迂回して、工場インタフェース１１０２からロードロックチャンバ１１２０に直接に移送することができる。
【００６３】
ロードロックチャンバ１１２０は、工場インタフェース１１０２に結合された第１のポートと、第１の移送チャンバ１１０４に結合された第２のポートとを有する。ロードロックチャンバ１１２０は、移送チャンバ１１０４の真空環境と工場インタフェース１１０２の実質的に周囲（例えば、大気）環境との間で基板を渡しやすくするために、必要に応じて、チャンバ１１２０を真空排気および大気にする圧力制御システム（図示せず）に結合される。
【００６４】
第１の移送チャンバ１１０４は、その中に配置された第１のロボット１１０７を有する。第１のロボット１１０７は、ロードロックチャンバ１１２０、処理モジュール１１１６および１１１８、ならびに２つの基板移送プラットフォーム１１０６Ａおよび１１０６Ｂの間で基板を移送する。第２の移送チャンバ１１０３は、その中に配置された第２のロボット１１０５を有する。第２のロボット１１０５は、２つの基板移送プラットフォーム１１０６Ａおよび１１０６Ｂと、処理モジュール１１０８、１１１０、１１１２、および１１１４との間で基板を移送する。２つの基板移送プラットフォーム１１０６Ａ、１１０６Ｂは、ロボット１１０５とロボット１１０７との間で基板を移送しやすくするために移送チャンバ１１０４と移送チャンバ１１０３との間に配置される。プラットフォーム１１０６Ａ、１１０６Ｂは、移送チャンバ１１０３、１１０４の各々で異なる操作圧力を維持することができるように、移送チャンバ１１０３、１１０４に開放されるか、または移送チャンバ１１０３、１１０４から選択的に分離される（すなわち、密閉される）ことが可能である。
【００６５】
一実施形態では、第１の移送チャンバ１１０４に結合された処理チャンバは、ホットワイヤＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ）などのＣＶＤプロセスを行うための、第３のホットワイヤＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ）チャンバ１１１８、物理気相堆積（ＰＶＤ）または化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバ１１１６とすることができる。第２の移送チャンバ１１０３に結合された処理チャンバは、第１のＰＶＤチャンバ１１１２、第２のＰＶＤチャンバ１１１４、第１のＨＷＣＶＤチャンバ１１１０、および第２のＨＷＣＶＤチャンバ１１０８とすることができる。好適なＣＶＤ、ＰＶＤ、ＨＷＣＶＤ、およびガス抜き処理チャンバはカリフォルニア州、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃから入手可能である。
【００６６】
ツール１１００の様々な構成要素を制御するために使用されるシステムコントローラ１１３６は、一般に、メモリ１１１３、中央処理装置（ＣＰＵ）１１０９、およびサポート回路１１１１を有する。システムコントローラ１１３６は、チャンバのプロセスシーケンス、ガス源からのガス流の調整、および電源からチャンバへの電力供給を制御するのに利用される。システムコントローラ１１３６は統合処理ツール１１００に結合される。システムコントローラ１１３６は、ツール１１００のプロセスチャンバの直接制御を使用することによって、または代替として、プロセスチャンバおよびツール１１００に関連するコンピュータ（またはコントローラ）を制御することによってツール１１００の動作を制御する。動作中、システムコントローラ１１３６は、ツール１１００の性能を最適化するためにそれぞれのチャンバおよびシステムからのデータ収集およびフィードバックを可能にする。
【００６７】
図１２は、ウエブの形態の基板に高表面積電極を形成するための装置１２００の一実施形態の概略側面図であり、高表面積電極を形成するための様々なチャンバが示される。図１２の基板は素材の連続的ウエブ１２０１の形態をしている。装置１２００は高表面積電極を形成するための様々なチャンバ１２０２、１２０４、１２０６、および１２０８を含む。装置１２００は、供給ロール１２１８が未処理基板、すなわちウエブ１２０１を貯蔵し、ウエブ１２０１を第１のチャンバ１２０２に供給する第１の端部１２１４を有する。装置１２００は、巻取りロール１２３０が、高表面積電極材料が上に堆積された処理済み基板、すなわちウエブ１２０３を受け取り、貯蔵する第２の端部１２１６を有する。第１の端部１２１４において、第１のダイバータローラ１２２０は供給ロール１２１８からウエブ１２０１を受け取り、ウエブ１２０１を第１のチャンバ１２０２に方向転換させる。第２の端部１２１６において、第２のダイバータローラ１２２２は最終チャンバ１２０８から処理済みウエブ１２０３を受け取り、処理済みウエブ１２０３を巻取りロール１２３０の方に方向転換させる。実施形態によっては、素材の保護ウエブ１２３４のロール１２３２は巻取りロール１２３０に経路を定めることができる。保護素材のウエブ１２３４は処理済みウエブ１２０３の隣接層間を分離し、それによって、ロール１２３０で貯蔵および／または輸送される間にウエブ１２０３を保護する。
【００６８】
一連の基板移送ポート１２２４は、処理の間各チャンバ内の所要の環境を維持しながらチャンバ間で基板を渡すことができるように装置１２００の入口および出口、ならびにチャンバ１２０２、１２０４、１２０６、および１２０８の各々の間に設けられる。一連のローラ１２２６は、素材のウエブ１２０１が様々なチャンバを通って案内されるようにウエブ１２０１を支持する。実施形態によっては、ローラ１２２６間のウエブ１２０１に追加的支持を行うためにコンベヤを形成するように駆動ベルト（図示せず）を含むことができる。ローラ１２２６は、調和して制御され、それによって、ウエブ１２０１のしわまたは伸ばしを避けるように共通駆動システム（図示せず）によって機械的に駆動することができる。ローラ１２２６は、駆動機構１３１４（図１３）がシステムコントローラ１２０５のサポート回路１２１１（図１２）から受け取った命令に基づいて次のチャンバにウエブ１２０１を進めることができる。図１２の実施形態では４つのチャンバが示されているが、より多いまたはより少ないチャンバをプロセスの数および各プロセスに所要の装置に応じて設けることができる。一実施形態では、装置１２００は、さらに、装置１２００の外の環境とチャンバの処理領域１２０２〜１２０８との間に緩衝を設けるためのロードロックとして機能を果たすシステムの両端部１２１４、１２１６の少なくとも１つにおける追加チャンバ（図示せず）を含む。供給ロール１２１８、巻取りロール１２３０、ローラ１２２６、ポート１２２４、および他のシステムアクチュエータのための様々なドライバはシステムコントローラ１２０５から制御信号が供給される。コントローラ１２０５は、装置１２００に結合されるメモリ１２０７、中央処理装置（ＣＰＵ）１２０９、およびサポート回路１２１１を有する。コントローラ１２０５は、チャンバのプロセスシーケンス、ガス源からのガス流の調整、および電源からチャンバへの電力供給を制御するのに利用される。ＣＰＵ１２０９は、工業用設定で使用することができる汎用コンピュータプロセッサの任意の形態のものとすることができる。ソフトウェアルーチンは、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、フロッピもしくはハードディスクドライブ、または他の形態のデジタルストレージなどのメモリ１２０７に格納することができる。サポート回路１２１１はＣＰＵ１２０９に従来通りに結合され、キャッシュ、クロック回路、入出力サブシステム、電源などを含むことができる。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ１２０９によって実行されたとき、プロセスが本発明に従って行われるようにプロセスチャンバを制御する専用コンピュータ（コントローラ）１２０５にＣＰＵを変換する。ソフトウェアルーチンは、装置１２００から遠隔に配置される第２のコントローラ（図示せず）によって格納および／または実行することもできる。
【００６９】
図１３は、基板上にシリコンを堆積させるためのチャンバ１２０２の一実施形態の概略側面図である。ブロック６０４の間、図２Ｂおよび１３に図示されるように、シリコン含有層はウエブ１２０１の上に堆積される。一実施形態では、シリコン含有層は約１００ｎｍ厚と約３μｍ厚との間にあるアモルファスシリコン層である。図２は集電体１１１を個別の基板として示しているが、いくつかの実施形態では、集電体１１１はウエブ１２０１などのウエブと取り替えることができることを理解されたい。一実施形態では、アモルファスシリコン層はホットワイヤ化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）プロセスを使用してウエブ１２０１の上に形成される。一実施形態では、図１３に示されるように、チャンバ１２０２はＨＷＣＶＤプロセスを使用してウエブ１２０１上にアモルファスシリコンを堆積させるように構成および適合される。ＨＷＣＶＤプロセスは、一般に、ホットフィラメント（通常、タングステンまたはタンタル）を使用して、反応性ガス成分（例えば、シランおよび水素）を原子ラジカルに「分解する」。ホットフィラメントは、典型的には、１５００℃よりもかなり高い表面温度に維持される。反応種は、ホットフィラメントの表面を横切って通過した後、気相粒子形成なしに高い堆積速度を可能にする低圧雰囲気で、処理領域１３５２を通って基板に輸送される。一例では、アモルファスシリコン層２０４が堆積され、導電性ウエブ１２０１を被覆する。これを達成するために、チャンバ１２０２は、それぞれ１つまたは複数のガス源１３１８、１３２０からバルブ１３２２、１３２４を介してプロセスガスを受け取るシャワーヘッド１３１６を含む。一実施形態では、１つまたは複数のガス源はシリコン含有ガス源を含む。バルブ１３２２、１３２４は、システムコントローラ１２０５のサポート回路１２１１から受け取った信号によって制御される。ウエブ１２０１上にアモルファスシリコンを形成するためにシャワーヘッド１３１６によって供給されるガスには、例えば、水素（Ｈ２）と、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、および／またはジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などのシリコン含有ガスとが含まれる。ＣＶＤプロセスを支援するために、抵抗性ワイヤ１３２８がウエブ１２０１の極めて近傍に配置される。電流は、システムコントローラ１２０５のサポート回路１２１１から受け取った信号に基づいて電源１３２６によってワイヤ１３２８に供給される。電流はワイヤ１３２８を加熱して、導電性ウエブ１２０１上にアモルファスシリコン２０４を形成する。ウエブ１２０１の加熱を必要とする実施形態では、１つまたは複数の加熱要素１２１２を設けることができる。
【００７０】
この実施形態では、チャンバ１２０２は、装置１２００の第１の端部１２１４に面する第１の壁１３４０と、チャンバ１２０２とチャンバ１２０４との間の第２の壁１３４０’とを含む。第２の壁１３４０’がチャンバ１２０２と１２０４との間の共有壁として示されているが、必要に応じて（例えば、チャンバ間のより優れた遮断を行うために）二重壁を使用することができる。チャンバ１２０２は、さらに、上部１３０２を含み、それは、図示のようにチャンバのすべてへの共通一体型上部とすることができ、または各チャンバは別個の上部を備えることができる。上部１３０２と同様に、チャンバ底部１３０４は、図示のようにチャンバのすべてへの共通一体型底部とすることができ、または各チャンバは別個の底部を備えることができる。
【００７１】
一実施形態では、ポンプデバイス１３３０を処理領域１３５２に結合して、その中の圧力を排気および制御する。ポンプデバイス１３３０は、処理領域１３５２の圧力を制御するように適合された従来のラフポンプ、ルートブロワ、ターボポンプ、または他の同様のデバイスとすることができる。一実施形態では、チャンバ１２０２の処理領域１３５２の圧力レベルは約７６０Ｔｏｒｒ未満に維持することができる。一実施形態では、チャンバ１２０２の処理領域１３５２の圧力レベルは約１Ｔｏｒｒ以下に維持することができる。別の実施形態では、チャンバ１２０２内の圧力レベルは約１０−３Ｔｏｒｒ以下に維持することができる。さらなる別の実施形態では、チャンバ１２０２内の圧力レベルは約１０−３Ｔｏｒｒから約１０−７Ｔｏｒｒに維持することができる。
【００７２】
図１４は、基板に陽極処理プロセスを行うための陽極処理チャンバ１２０４の一実施形態の概略側面図である。ブロック６０６の間、図２Ｃおよび１３に図示されるように、相互接続多孔性シリコン構造体２０６が形成される。陽極処理チャンバ１２０４はアモルファスシリコン層２０４に細孔を形成するように構成される。陽極処理チャンバ１２０４は、一般に、処理体積部１４０４を画定するチャンバ本体１４０３を含む。処理体積部１４０４は、処理体積部１４０４に陽極処理溶液を分配するように構成された１つまたは複数の入口ジェット１４０５と流体連通する。処理体積部１４０４は、さらに、処理体積部１４０４からメッキ溶液を除去するように構成されたドレイン１４０６と流体連通する。
【００７３】
陽極処理チャンバ１２０４は、さらに、処理体積部１４０４に配置されたアノード組立体１４２０を含む。一実施形態では、アノード組立体１４２０は実質的に垂直方位で配置される。一実施形態では、アノード組立体１４２０は、入口ジェット１４０５から通過する陽極処理浴がウエブ１２０１の表面を横切って分散された一様流を有することができるようにする複数の孔１４１８を含むことができる。
【００７４】
アノード組立体１４２０は、電気メッキ反応中に消耗しうる材料から形成することができるが、より好ましくは、非消耗材料から形成される。非消耗電極は、プロセス中にエッチングされない導電性材料、例えば、白金またはルテニウム被覆チタンなどで製作することができる。一実施形態では、アノード組立体１４２０は水平に移動可能である。
【００７５】
一実施形態では、陽極処理チャンバ１２０４は、アノード組立体１４２０と実質的に平行な、処理体積部１４０４中に配置されたスラストプレート１４３０を含む。スラストプレート１４３０は、陽極処理プロセスの間、アノード組立体１４２０に関連する位置でウエブ１２０１の一部を保持するように構成される。スラストプレート１４３０はウエブ１２０１の裏面に位置づけられ、アノード組立体１４２０はフレキシブルウエブ１２０１の前側に位置決めされる。
【００７６】
一実施形態では、スラストプレート１４３０は水平に移動可能である。移送段階の間、スラストプレート１４３０はフレキシブルウエブ１２０１から遠ざけられ、アノード組立体１４２０もスラストプレート１４３０もフレキシブルウエブ１２０１に接触しない。処理の前に、スラストプレート１４３０およびアノード組立体１４２０の少なくとも一方は他方の方に移動され、中間にフレキシブルウエブ１２０１を挟む。スラストプレート１４３０は、フレキシブルウエブ１２０１がアノード組立体１４２０と実質的に平行であり、アノード組立体１４２０から所望の距離にあることを確実にする。電源１４１７はアノード組立体１４２０とカソード組立体１４０７との間に結合され、陽極処理プロセスのための電気的バイアスが供給される。
【００７７】
図１５Ａは、基板上に触媒材料を堆積させるためのチャンバ１２０６の一実施形態の概略側面図である。ブロック６０８の間、触媒材料のオプション層が、多孔性アモルファスシリコン構造体の細孔の内部にカーボンナノチューブを形成する前に多孔性アモルファスシリコン構造体の上に堆積される。触媒材料は、限定はしないが、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの合金、Ｆｅポリマー、Ｃｏポリマー、ならびにＮｉポリマーで形成することができる。触媒材料の層は、スパッタリングなどの物理気相堆積（ＰＶＤ）法または化学気相堆積（ＣＶＤ）法を含むいくつかの方法を使用して基板Ｓ上に堆積させることができる。
【００７８】
一実施形態では、図１５Ａのチャンバ１２０６はスパッタリング堆積プロセスを使用して触媒材料を堆積させるように構成および適合される。触媒材料のターゲット１５０８がチャンバ１２０６内に設けられる。電源１５１０がターゲット１５０８に接続され、その結果、カソードＤＣおよび／またはＲＦバイアスをターゲット１５０８に印加することができ、その結果、触媒材料をウエブ１２０１の上に堆積させることができる。ターゲット１５０８に印加されたバイアスによって生成されたプラズマにより、ターゲット表面からの原子は除去され、相互接続多孔性アモルファスシリコン構造体の細孔の内部に堆積される。基板の加熱を必要とする実施形態では、１つまたは複数の加熱要素１２１２を設けることができる。加熱要素１２１２は、抵抗加熱要素、誘導コイル、または他の加熱手段を含むことができる。
【００７９】
図１５Ｂは、基板上に触媒材料を堆積させるためのチャンバ１２０６’の別の実施形態の概略側面図である。別の実施形態では、図１５Ｂのチャンバ１２０６’は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスを使用して処理領域１５４８に位置づけられた基板Ｓ上に触媒材料を堆積させるのに使用される。チャンバ１２０６’（および以下で説明されるような他のチャンバ）で見られる構成要素は、一般に、図１３のチャンバ１２０２で見られる構成要素と同様であり、したがって、同じ参照番号を有し、図１５Ｂに関して説明されないことに留意されたい。チャンバ１２０６’において、プロセガスは、それぞれ１つまたは複数のガス源１５１８、１５２０からバルブ１５２２、１５２４を介してシャワーヘッド１５１６に供給される。バルブ１５２２、１５２４は、システムコントローラ１２０５のサポート回路１２１１から受け取った信号によって制御される。シャワーヘッド１５１６に供給されるプロセスガスは触媒材料を形成するのに使用されるガス、例えば、有機金属前駆体などを含む。この実施形態では、２つのガス源１５１８、１５２０が示されているが、使用されるガスの数および組合せに応じて単一のガス源または複数のガス源を設けることができる。膜品質を改善し、堆積速度および／または膜均一性を向上させるために、ＣＶＤプロセスは、シャワーヘッド１５１６および／またはウエブ１２０１にバイアスを印加することにより強化することができる。一実施形態では、電源１５２６は、システムコントローラ１２０５のサポート回路１２１１から受け取った信号に基づいてシャワーヘッド１５１６にＲＦバイアスをかけるように構成される。印加電圧は、システム要求に応じてＲＦ、ＤＣ、またはＡＣとすることができる。別の実施形態では、誘導結合プラズマを、同様に、電源１５２６の使用によって処理領域１５４８に形成させることができる。
【００８０】
図１６は、処理領域１５５４に位置づけられた基板上にカーボンナノチューブを堆積させるためのチャンバ１２０８の一実施形態の概略側面図である。ブロック６０８の間、図２Ｄに図示されるように、カーボンナノチューブが多孔性アモルファスシリコン構造体の細孔の内部に形成される。一実施形態では、カーボンナノチューブはホットワイヤ化学気相成長（ＨＷＣＶＤ）プロセスを使用して多孔性アモルファスシリコン構造体の細孔に形成される。一実施形態では、図１６に示されるように、チャンバ１２０８は上述のようにＨＷＣＶＤプロセスを使用して基板上にカーボンナノチューブを堆積させるように構成および適合される。これを達成するために、チャンバ１２０８は、それぞれ１つまたは複数のガス源１６１８、１６２０からバルブ１６２２、１６２４を介してプロセスガスを受け取るシャワーヘッド１６１６を含む。一実施形態では、１つまたは複数のガス源は炭素含有原料ガスを含む。バルブ１６２２、１６２４は、システムコントローラ１２０５のサポート回路１２１１から受け取った信号によって制御される。ＣＶＤプロセスを支援するために、抵抗性ワイヤ１６２８がウエブ１２０１の極めて近傍に配置される。電流は、システムコントローラ１２０５のサポート回路１２１１から受け取った信号に基づいて電源１６２６によってワイヤ１６２８に供給される。電流はワイヤ１６２８を加熱して、多孔性アモルファスシリコン構造体の細孔の内部にカーボンナノチューブを形成する。
【実施例】
【００８１】
以下の仮定的な非限定の例が、本明細書で説明される実施形態をさらに示すために提供される。しかし、実施例はすべて包括的なものではなく、本明細書で説明される実施形態の範囲を限定するものではない。
【００８２】
３００ｍｍ基板上の多孔性Ｓｉ−ＣＮＴ
図１１および図９Ａ〜９Ｄを参照すると、基板Ｓは統合処理ツール１１００に移送される。基板は第１のＰＶＤチャンバ１１１２に移送され、銅がＰＶＤスパッタリングプロセスを使用して基板Ｓに堆積される。基板Ｓは第２のＰＶＤチャンバ１１１４に移され、図９Ｂに示されるように、その中に分離されたアルミニウム（Ａｌ）相９０６をもつシリコン（Ｓｉ）マトリクス９０４が基板Ｓに堆積される。次に、基板Ｓは湿式エッチングチャンバに移送され、アルミニウム相９０６が湿式エッチングプロセスを使用してシリコンマトリクス９０４から除去される。湿式エッチングは統合処理ツール１１００に結合された専用ウェットエッチングチャンバ内で行うことができ、または湿式エッチングは遠隔のチャンバで行うことができる。図９Ｃに示されるように、アルミニウムがシリコンマトリクスからエッチングされた後、複数の細孔９１０が形成される。基板Ｓは第１のＨＷＣＶＤチャンバ１１１０に移送され、ＣＮＴ９１２が図９Ｄに示されるように複数の細孔９１０に形成される。ＣＮＴ９１２の形成の後、基板Ｓは第２のＨＷＣＶＤチャンバ１１０８に移送され、追加のシリコンが図９Ｄに示される構造体に堆積される。
【００８３】
３００ｍｍ基板上のナノ構造化Ｓｉ−ＣＮＴ
図１１および図７Ｄ〜７Ｅを参照して、基板Ｓは統合処理ツール１１００に移送される。基板はＣＶＤチャンバ１１１６に移送され、触媒が気相ＣＶＤプロセスを使用して基板Ｓに堆積される。基板Ｓは第１のＨＷＣＶＤチャンバ１１１０に移送されＣＮＴ７０６が基板Ｓに形成される。ＣＮＴ７０６の形成の後、基板Ｓは第２のＨＷＣＶＤチャンバ１１０８に移送され、追加のシリコン７０８が図７Ｅに示されるように構造体に堆積される。次に、基板は第３のＨＷＣＶＤチャンバ１１１８に移送することができ、ポリマー材料７１０が基板Ｓの上に堆積される。
【００８４】
前記は本発明の実施形態に関するが、本発明の他のおよびさらなる実施形態を、本発明の基本範囲から逸脱することなく考案することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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