[發明專利]經蝕刻的硅結構、形成經蝕刻的硅結構的方法及其用途

無效

• 申請號: 201380015837.7
• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN104204292A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 劉峰名;Y·江;克里斯托夫·邁克爾·弗蘭德;喬納通·斯皮德
• 申請（專利權）人: 奈克松有限公司
• 主分類號: C23C18/00
• 分類號: C23C18/00;C09K13/08;H01L21/00;C23C14/00
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;張英

技術領域

本發明涉及蝕刻硅的方法、經蝕刻的硅結構、含經蝕刻的硅結構的電極和包括經蝕刻的硅結構的裝置。

背景技術

包含孔或細長柱狀結構的經蝕刻的硅結構可以被應用于寬范圍的應用中，包括電化學電池、金屬離子電池如鋰離子電池、鋰空氣電池、液流電池(flow?cell?battery)、其他能量存儲裝置如燃料電池、熱電池、光伏裝置如太陽能電池、過濾器、傳感器、電和熱電容器、微流體裝置、氣體/蒸汽傳感器、熱或電介質絕緣裝置、用于控制或改變光或電磁輻射的其他形式的透射、吸收或反射，層析或傷口敷料的裝置。

多孔硅顆粒還可以用于消費者護理產品中的配料或活性劑的存儲、控制遞送或定時釋放，護理產品包括口腔衛生和化妝品、食品或其他營養品、或者包括在內部或外部將藥物遞送至人體或動物體的藥用產品的醫療產品。

經蝕刻的硅還可以形成電子電路的結構導體或半導體組件。

圖1中示出了常規的鋰離子可再充電電池的結構。該電池包括單個電池，但是也可以包括多個電池。還已知其他金屬離子的電池，例如，鈉離子和鎂離子電池，并且具有基本上相同的電池結構。

該電池包括用于陽極10的集電體(例如，銅)和用于陰極12的集電體(例如，鋁)，適當時兩者都可外部連接至負載或再充電電源。復合陽極層14覆蓋集電體10并且含鋰金屬氧化物類復合陰極層16覆蓋集電體12(為了避免任何懷疑，如在本文中使用的，以電池被放置在負載上的含義使用術語“陽極”和“陰極”，在這個含義中，負極是指陽極并且正極是指陰極)。

陰極包括能夠釋放和重吸收鋰離子的材料，例如，鋰類金屬氧化物或磷酸鹽、LiCoO₂、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂、LiMn_xNi_xCo_1-2xO₂或LiFePO₄。

在石墨類復合陽極層14和含鋰金屬氧化物類復合陰極層16之間提供多孔塑料墊片(spacer)或隔板(separator)20。流體電解質材料分散在多孔塑料墊片或隔板20、復合陽極層14和復合陰極層16內。在一些情況下，多孔塑料墊片或隔板20可以被聚合物電解質材料代替，并且在這種情況下，聚合物電解質材料存在于復合陽極層14和復合陰極層16兩者內。聚合物電解質材料可以是固體聚合物電解質或凝膠型聚合物電解質并且可以結合隔板。

當電池充滿電時，鋰已經從含鋰金屬氧化物陰極層16經過電解質被輸送到陽極層14。在石墨類陽極層的情況下，鋰與石墨反應產生化合物LiC₆。在復合陽極層中的電化學活性材料石墨具有372mAh/g的最大電容。(如在本文中使用的，“活性材料”或“電活性材料”是指能夠在電池分別的充電階段和放電階段期間插入到它的結構并從中釋放出如鋰、鈉、鉀、鈣或鎂的金屬離子的材料。優選地，材料能夠插入和釋放鋰。)

已知的是硅用作金屬離子電池(例如，鋰離子電池)的陽極。硅具有顯著高于石墨的最大電容。然而，不同于在插入和釋放金屬離子期間基本上保持不變的活性石墨，將金屬離子插入至硅的過程導致伴隨著顯著膨脹的顯著的結構變化。例如，將鋰離子插入硅中導致Si-Li合金的形成。例如，“Insertion?Electrode?Materials?for?Rechargeable?Lithium?Batteries”，Winter?et?al，Adv.Mater.1988，10，No.10，第725-763頁中描述了Li離子插入陽極材料的影響。

US?7402829公開了蝕刻硅基板以形成通過銀的無電鍍沉積從用于鋰離子電池中的硅基板延伸的硅柱陣列。WO?2009/010758公開了蝕刻硅粉以制造用于鋰離子電池的硅材料。得到的經蝕刻的顆粒包含在它們的表面上的柱。當進行重復的充電/放電循環時，這些結構硅電極示出了良好的電容保持力，并且相信這種良好的電容保持力是由于硅柱吸收與來自沒有柱斷裂或損壞的主硅的鋰插入/抽出相關的體積膨脹/收縮。

可以如WO?2007/083152中描述的蝕刻硅，其中，通過無電鍍沉積方法將銀沉積在硅表面上，隨后蝕刻在沉積的銀下面的硅。在無電鍍沉積中，將硅暴露于例如硝酸銀的金屬鹽和例如HF的氟離子源的溶液中。氟離子與硅反應產生電子(方程式1)，其導致銀鹽的銀離子還原(方程式2)：