DE102009057697A1 - Chemical media sensor, process for its production and uses - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen, nanogranularen Elektrodenschichten für chemische Mediensensoren, bei dem auf einem Halbleitersubstrat eine poröse Beschichtung aus Edelmetallen erzeugt wird. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung einen chemischen Mediensensor, der eine zuvor beschriebene Elektrodenbeschichtung auf einem Substrat aufweist. Erfindungsgemäß werden ebenso Verwendungsmöglichkeiten des Mediensensors angegeben.The present invention relates to a method for producing porous nanogranular electrode layers for chemical media sensors, in which a porous coating of noble metals is produced on a semiconductor substrate. Likewise, the present invention relates to a chemical media sensor having a previously described electrode coating on a substrate. According to the invention also uses of the media sensor are given.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen, nanogranularen Elektrodenschichten für chemische Mediensensoren, bei dem auf einem Halbleitersubstrat eine poröse Beschichtung aus Edelmetallen erzeugt wird. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung einen chemischen Mediensensor, der eine zuvor beschriebene Elektrodenbeschichtung auf einem Substrat aufweist. Erfindungsgemäß werden ebenso Verwendungsmöglichkeiten des Mediensensors angegeben.The present invention relates to a method for producing porous nanogranular electrode layers for chemical media sensors, in which a porous coating of noble metals is produced on a semiconductor substrate. Likewise, the present invention relates to a chemical media sensor having a previously described electrode coating on a substrate. According to the invention also uses of the media sensor are given.
Gassensitive Feldeffekttransistoren auf Halbleiter-Basis (ChemFET) finden zunehmend Verwendung in der Sensorik. Üblicherweise führt dabei die Beaufschlagung des Gates mit der zu detektierenden Testspezies (z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit bzw. ein Gas- oder Flüssigkeitsgemisch) zu einer Veränderung des Potentials an der Gateelektrode, wodurch sich die Kanalimpedanz ändert. Dadurch wird der vom Source- zum Drain-Kontakt durch den Transistor fließende Strom (Kanalstrom) geändert (z. B.
Der Halbleiter wird meist in Form dünner Scheiben (Wafer) eingesetzt, die zunächst mit den benötigten Bereichen definierter Leitfähigkeit und den Elektroden versehen werden. Nach Aufbringung der aktiven Elektrode werden die Scheiben meist in einzelne Chips geteilt und in Gehäuse montiert.The semiconductor is usually used in the form of thin slices (wafers), which are initially provided with the required areas of defined conductivity and the electrodes. After application of the active electrode, the disks are usually divided into individual chips and mounted in housing.
Für die Sensitivität der ChemFET-Sensoren auf verschiedene Gase ist die Struktur der Metallisierung der Gateelektrode entscheidend. Während geschlossene Metallfilme mit Platin oder Palladium nur auf Wasserstoff sensitiv sind, zeigen poröse Gateelektroden hohe Sensitivitäten zu Ammoniak, Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff und Stickoxiden (NO und NO2).For the sensitivity of the ChemFET sensors to different gases, the structure of the metallization of the gate electrode is crucial. While closed metal films with platinum or palladium are only sensitive to hydrogen, porous gate electrodes show high sensitivities to ammonia, hydrocarbons, hydrogen and nitrogen oxides (NO and NO 2 ).
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Herstellung der Gateelektroden von FETs durch dem Fachmann bekannte halbleiterkompatible Prozesse, wie das Aufsputtern oder Aufdampfen von Metallen, z. B. Aluminium, Platin, Nickel usw. Die bei Raumtemperatur abgeschiedenen Gateschichten sind nahezu geschlossene, unporöse und thermisch instabile metallische Filme. Die dabei erreichten Schichtdicken variieren zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern. Diese geschlossenen Metallschichten sind insbesondere bei höheren Temperaturen (T > 200°C) thermisch nicht stabil und verlieren ihre geschlossene Struktur. Die Vergröberung und Rissbildung in diesen Schichten ist nicht gezielt steuerbar und für die hier beschriebene Zielanwendung zu grobskalig.According to the state of the art, the production of the gate electrodes of FETs is carried out by semiconductor-compatible processes known to the person skilled in the art, such as the sputtering or vapor deposition of metals, eg. Aluminum, platinum, nickel, etc. The room temperature deposited gate layers are nearly closed, nonporous and thermally unstable metallic films. The achieved layer thicknesses vary between a few nanometers and a few micrometers. These closed metal layers are thermally unstable especially at higher temperatures (T> 200 ° C) and lose their closed structure. The coarsening and cracking in these layers can not be specifically controlled and are too coarse for the target application described here.
In der
Ein Feldeffekt-Sensor mit einer Gate-Elektroden-Anordnung wird beispielsweise in
Zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit des Gassensors muss die aktive Elektrode eine möglichst große Oberfläche aufweisen. Um die Baugröße zu begrenzen und Störungen zu minimieren, werden meist Schichten mit einer offen-porösen Struktur verwendet, die aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit oft aus Metallen bestehen.To achieve a high sensitivity of the gas sensor, the active electrode must have the largest possible surface area. In order to limit the size and minimize interference, usually layers are used with an open-porous structure, which often consist of metals for reasons of electrical conductivity.
So wurde bereits in
Eine sehr hohe Empfindlichkeit kann erreicht werden, wenn die innere Oberfläche der porösen Struktur und damit die Gesamtlänge der sog. Dreiphasengrenzen (Elektrode-Dielektrikum-Gasumgebung) sehr groß ist. Dies gilt insbesondere für Strukturen mit Nanometerdimensionen.A very high sensitivity can be achieved if the inner surface of the porous structure and thus the total length of the so-called three-phase boundaries (electrode-dielectric-gas environment) is very large. This applies in particular to structures with nanometer dimensions.
Die Selektivität auf der Grundlage katalytischer Aktivität wird ebenfalls durch die Strukturgrößen mitbestimmt. In der Regel wächst die katalytische Effektivität mit abnehmendem Radius der Katalysator-Partikel und mit zunehmendem Anteil frei liegender Phasengrenzen.The selectivity based on catalytic activity is also determined by the feature sizes. In general, the catalytic efficiency increases with decreasing radius of the catalyst particles and with increasing proportion of exposed phase boundaries.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik ein vereinfachtes und kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung von porösen Elektrodenschichten auf Substraten (beispielsweise als Bestandteil einer Werfer-Technologie) anzugeben, wobei sich eine verbesserte Homogenität der Porosität der Strukturen erzielen lässt. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, der aufgrund der verbesserten Homogenität der porösen Strukturierung der Elektrodenschicht eine höhere Sensitivität und eine homogenere Messgenauigkeit aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Verwendungszwecke eines derartigen Sensors anzugeben.The object of the present invention is, starting from the state of the art, a simplified and more cost-effective method for the production of porous electrode layers on substrates (for example as part of a launcher). Technology), whereby an improved homogeneity of the porosity of the structures can be achieved. It is likewise an object of the present invention to provide a gas sensor which, due to the improved homogeneity of the porous structuring of the electrode layer, has a higher sensitivity and a more homogeneous measuring accuracy. It is another object of the present invention to provide appropriate uses of such a sensor.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zur Herstellung von porösen, nanogranularen Elektrodenschichten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich des chemischen Mediensensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 sowie bezüglich der Verwendungszwecke des Mediensensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Die jeweilig abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.This object is achieved with respect to the method for producing porous, nanogranular electrode layers having the features of patent claim 1 with respect to the chemical media sensor having the features of patent claim 13 and with respect to the intended use of the media sensor having the features of patent claim 16. The respective dependent claims represent advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Herstellung von porösen, nanogranularen Elektrodenschichten für chemische Mediensensoren für Gase und/oder Flüssigkeiten vorgeschlagen, bei dem ein Substrat mittels physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) bei einem Arbeitsdruck im Bereich von 0,001 bis 5 mbar mit nanogranularen Partikeln einer katalytisch aktiven Substanz beschichtet wird.According to the invention, a method for the production of porous, nanogranular electrode layers for chemical media sensors for gases and / or liquids is proposed, in which a substrate by means of physical vapor deposition (PVD) at a working pressure in the range of 0.001 to 5 mbar with nanogranular particles of a catalytically active substance is coated.
Maßgeblich beim erfindungsgemäßen Verfahren ist dabei, dass die beim PVD-Prozess abgeschiedene Elektrodenschicht porös bzw. nanogranular strukturiert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass beim PVD-Prozess mehrere Bereiche voneinander getrennt werden. In einem ersten Bereich erfolgt dabei die Abtragung von Atomen eines Targetsubstrats, die in Richtung des zu beschichtenden Substrates beschleunigt werden. Zwischen dem Targetsubstrat und dem zu beschichtenden Substrat werden die einzelnen vom Targetsubstrat abgelösten Atome in einem Bereich der Nukleation/Clusterbildung zu nanometergroßen Partikeln agglomeriert. Diese agglomerierten Partikel, deren mittlere Durchmesser im Nanometerbereich liegen, treffen schließlich auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrates auf und werden auf dessen Oberfläche abgeschieden. Durch die Tatsache, dass nicht einzelne Atome, sondern bereits Cluster mit einer bestimmten Größe auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrates auftreffen, resultiert eine quasi inhomogene Abscheidung des Materials, aus dem die Elektrodenschicht hergestellt werden soll, was schließlich zur porösen Ausbildung der Elektrodenschicht führt.Decisive in the method according to the invention is that the electrode layer deposited in the PVD process is structured in a porous or nanogranular manner. This is achieved by separating several areas in the PVD process. In a first region, the ablation of atoms of a target substrate takes place, which are accelerated in the direction of the substrate to be coated. Between the target substrate and the substrate to be coated, the individual atoms detached from the target substrate are agglomerated in an area of nucleation / clustering into nanometer-sized particles. These agglomerated particles whose mean diameter are in the nanometer range, finally strike the surface of the substrate to be coated and are deposited on the surface thereof. Due to the fact that not individual atoms, but already clusters of a certain size impinge on the surface of the substrate to be coated, resulting in a quasi-inhomogeneous deposition of the material from which the electrode layer is to be produced, which eventually leads to the porous formation of the electrode layer.
Besonders vorteilhaft an der zuvor genannten PVD-Verfahrensweise beispielsweise im Vergleich zu aus dem Stand bekannten nasschemischen Verfahren ist dabei, dass sich gleichmäßige Beschichtungen sowohl hinsichtlich der Porosität als auch der Schichtdicke auf einfache Art und Weise herstellen lassen. Ebenso kann auf weitere Verfahrensschritte, wie sie bei der nasschemischen Verfahrensweise zwingend vorgesehen sind, verzichtet werden. Weiterhin können durch die PVD-Beschichtungsweise die zu erzielenden Schichtdecken über die Beschichtungsdauer bzw. die Rate, mit der die Nanopartikel auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrates abgeschieden werden, gezielt die elektrischen Eigenschaften der Elektrodenschicht beeinflusst werden, was bei den nasschemischen Verfahren aufgrund des nachgeschalteten zwingenden Temperierungsschrittes quasi dem Zufall überlassen blieb.It is particularly advantageous in the aforementioned PVD method, for example compared to wet-chemical methods known from the prior art, that uniform coatings can be produced in a simple manner both with regard to the porosity and the layer thickness. Likewise, it is possible to dispense with further process steps, as provided for in the wet-chemical process. Furthermore, the layer coverings to be achieved over the duration of the coating or the rate at which the nanoparticles are deposited on the surface of the substrate to be coated can specifically influence the electrical properties of the electrode layer by means of the PVD coating method, which in the case of the wet-chemical methods mandatory tempering step was left to chance.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der mittlere Partikeldurchmesser d50 der nanogranularen Partikel auf eine Größe zwischen 1 und 250 nm, bevorzugt zwischen 5 und 100 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 nm eingestellt wird. Durch derartige Partikelgrößen lassen sich einerseits optimale Abscheideraten, andererseits auch besonders vorteilhafte Porositäten der Elektrodenschichten erzielen.In a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the mean particle diameter d 50 of the nanogranular particles is set to a size between 1 and 250 nm, preferably between 5 and 100 nm, particularly preferably between 10 and 50 nm. By means of particle sizes of this type, optimal deposition rates on the one hand and particularly advantageous porosities of the electrode layers on the other hand can be achieved.
Vorteilhafte katalytisch aktive Substanzen, die auf dem Substrat abgeschieden werden können, sind dabei ausgewählt aus der Gruppe der
- a) Hauptgruppenmetalle, insbesondere Indium,
- b) Übergangsmetalle, insbesondere Platin, Palladium, Gold, Iridium, Rhodium, Ruthenium, Hafnium, Ytterbium, Zirkon, Titan, Scandium, Niob, und/oder Rhenium,
- c) Lanthanide, insbesondere Lanthan und/oder Cer,
- d) sowie deren Legierungen und/oder Mischungen.
- a) main group metals, in particular indium,
- b) transition metals, in particular platinum, palladium, gold, iridium, rhodium, ruthenium, hafnium, ytterbium, zirconium, titanium, scandium, niobium, and / or rhenium,
- c) lanthanides, in particular lanthanum and / or cerium,
- d) and their alloys and / or mixtures.
Besonders vorteilhaft werden erfindungsgemäß Edelmetalle verwendet, um diese auf den Substraten abzuscheiden.Preference is given to using noble metals according to the invention in order to deposit them on the substrates.
Bevorzugt folgt die PVD-Abscheidung mittels Sputterverfahren, wie beispielsweise Gasflusssputterverfahren oder Magnetronsputterverfahren.PVD deposition is preferably followed by sputtering techniques, such as gas flow sputtering or magnetron sputtering.
Insbesondere erfolgt die Beschichtung bei einem Druck von 0,003 mbar bis 2 mbar, im Falle von Magnetronsputtern bei 0,003 bis 0,03 mbar, im Falle von Gasflussputtern bei 0,1 bis 2 mbar. Außerdem wird bevorzugt zwischen der Sputterquelle und dem Wafer ein Abstand von mindestens 80 mm, bevorzugt 80 bis 400 mm, insbesondere 100 bis 200 mm eingestellt. Auf diese Weise werden durch das Sputtern Metallcluster in der Größe zwischen 1 bis 250 nm, vorzugsweise zwischen 10 bis 50 nm erzeugt und auf den Wafer gelenkt. Die sich dabei ergebende Poren haben einen Porendurchmesser von 0,1 bis 250 nm, vorzugsweise zwischen 1 bis 50 nm. Damit kann ein Bedeckungsgrad der zu beschichtende Fläche von 50 bis 90%, vorzugsweise von 60 bis 75% erreicht werden. Die Porosität ist notwendig, um eine ausreichend große Gesamtlänge von Dreiphasengrenzen zu bilden, die hauptverantwortlich für die am Sensor zur Signalbildung führenden Gasreaktion sind.In particular, the coating is carried out at a pressure of 0.003 mbar to 2 mbar, in the case of magnetron sputtering at 0.003 to 0.03 mbar, in the case of gas flow sputtering at 0.1 to 2 mbar. In addition, a distance of at least 80 mm, preferably 80 to 400 mm, in particular 100 to 200 mm, is preferably set between the sputtering source and the wafer. In this way, metal clusters in the size between 1 to 250 nm, preferably between 10 to 50 nm are generated by sputtering and directed onto the wafer. The resulting pores have a pore diameter of 0.1 to 250 nm, preferably between 1 to 50 nm. Thus, a degree of coverage of the surface to be coated by 50 to 90%, preferably from 60 to 75% can be achieved. The porosity is necessary to form a sufficiently large total length of three-phase boundaries that are most responsible for the gas reaction leading to the signal forming sensor.
Dabei können Schichtdicken im Bereich zwischen 10 bis 500 nm, vorzugsweise zwischen 20 bis 200 nm, erzielt werden. Diese Schichtdicken sind ausreichend für eine notwendige elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenschicht für die Funktion des Sensors und ermöglichen einen für die Sensoren geforderten schnellen Gasdurchtritt sowie Gasaustausch mit der Umgebung.In this case, layer thicknesses in the range between 10 to 500 nm, preferably between 20 to 200 nm, can be achieved. These layer thicknesses are sufficient for a necessary electrical conductivity of the electrode layer for the function of the sensor and allow for the sensors required rapid gas passage and gas exchange with the environment.
Die Substrattemperatur während des Beschichtungsvorganges beträgt zwischen Raumtemperatur (d. h. 20°C) und 250°C, vorzugsweise zwischen 80 und 140°C.The substrate temperature during the coating process is between room temperature (i.e., 20 ° C) and 250 ° C, preferably between 80 and 140 ° C.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Anforderung an die nanoporöse Elektrodenschicht werden insbesondere Edelmetalle, wie Platin, Palladium, Gold, Iridium, Rhodium, Ruthenium, Indium, Nebengruppenmetalle, insbesondere Hafnium, Lanthan, Ytterbium, Zirkonium, Titan, Scandium, Niob, Rhenium und Lanthanoide, wie Lanthan und Cer, sowie Legierungen und Mischungen davon verwendet. Für den Zweck der unterschiedlichen katalytischen Aktivität können auch Mehrfachbeschichtungen mit unterschiedlichen Materialien (= Laminate) zur Ausprägung spezifischer Selektivitäten nacheinander abgeschieden werden. Zum einen können Vorreaktionen/katalytische Umsätze von unerwünschten Gasen an oberen Materialschichten erfolgen, so dass diese später nicht zur Signalbildung beitragen. Zum anderen können Materialien die Schichten mit den Dreiphasengrenzen (= Kontaktschicht, direkt auf der Substratoberfläche) zusätzlich mechanisch, thermisch und vor korrosiven Angriffen schützen.Due to the requirement according to the invention for the nanoporous electrode layer, in particular noble metals, such as platinum, palladium, gold, iridium, rhodium, ruthenium, indium, subgroup metals, in particular hafnium, lanthanum, ytterbium, zirconium, titanium, scandium, niobium, rhenium and lanthanides, such as lanthanum and cerium, as well as alloys and mixtures thereof. For the purpose of different catalytic activity, it is also possible to sequentially deposit multiple coatings with different materials (= laminates) for the purpose of forming specific selectivities. On the one hand, pre-reactions / catalytic conversions of undesired gases to upper material layers can take place so that they do not later contribute to signal formation. On the other hand, materials can additionally protect the layers with the three-phase boundaries (= contact layer, directly on the substrate surface) mechanically, thermally and against corrosive attacks.
Zum Zweck einer ortsaufgelösten Elektrodenbeschichtung (Elektrode befindet sich nur auf einem Teilbereich des Sensorchips) kann die nanoporöse Schicht auf dem Substrat mittels verschiedener Strukturierungsmöglichkeiten strukturiert werden. Dazu eignen sich Lift-Off Prozesse, die Verwendung einer Hard-Maske und/oder sog. Rücksputterverfahren.For the purpose of a spatially resolved electrode coating (electrode is located only on a portion of the sensor chip), the nanoporous layer can be patterned on the substrate by means of different structuring options. For this purpose, lift-off processes, the use of a hard mask and / or so-called back sputtering methods are suitable.
Dabei wird die prinzipielle Vorgehensweise beispielhaft an dem Lift-Off-Prozesse beschrieben:
Das zu beschichtende Substrat wird vor der Elektrodenbeschichtung mit einem Photolack, mit z. B. einem Aufspinnverfahren, beschichtet. Der Lack wird an den Stellen, an denen sich später die nanoporöse Elektrode befinden soll, belichtet und entwickelt. D. h. an diesen Stellen ist das Substrat (der Sensor) nicht mehr mit Photolack beschichtet. Danach erfolgt wie beschrieben die Abscheidung der porösen, nanogranularen Elektrodenschicht ganzflächig auf dem Substrat (z. B. einem Wafer). Nach der Beschichtung wird der Photolack in einem organischen Lösungsmittel gelöst. Dabei werden alle Teile der Elektrodenschicht, die sich auf dem Photolack befinden, vom Substrat gelöst und man erhält eine örtlich begrenzte Elektrodenschicht.The principle procedure is described as an example at the lift-off process:
The substrate to be coated before the electrode coating with a photoresist, with z. B. a spinning process, coated. The paint is exposed and developed at the points where the nanoporous electrode is to be located later. Ie. at these points, the substrate (the sensor) is no longer coated with photoresist. Thereafter, as described, the deposition of the porous, nanogranular electrode layer takes place over the entire surface of the substrate (for example, a wafer). After coating, the photoresist is dissolved in an organic solvent. In this case, all parts of the electrode layer, which are located on the photoresist, dissolved from the substrate and gives a localized electrode layer.
Die dabei anwendungsspezifischen Strukturgrößen liegen im Bereich von 200 nm bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 300 @m.The application-specific structure sizes are in the range of 200 nm to 1 mm, preferably between 1 and 300 @m.
Die Aktivierung und Konditionierung der offenporigen, nanoporösen Schicht(en) geschieht bevorzugt durch einen oder mehrere nachgelagerte Temper- bzw. Sinterschritte bei Temperaturen zwischen 200°C und 700°C für wenige Minuten bis Stunden. Dadurch wird eine thermodynamisch stabile nanoskalige Struktur erzielt, indem Verspannungen bzw. mechnischer Stress in der Schicht durch die Abscheidung und/oder das Material reduziert und eine Ansinterung an die Substratoberfläche erreicht werden.The activation and conditioning of the open-pored, nanoporous layer (s) is preferably carried out by one or more subsequent annealing or sintering steps at temperatures between 200 ° C and 700 ° C for a few minutes to hours. As a result, a thermodynamically stable nanoscale structure is achieved by reducing stresses or mechanical stress in the layer through the deposition and / or the material and achieving sintering to the substrate surface.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass zwischen Substrat und Sputterquelle eine Potentialdifferenz angelegt wird, die bevorzugt zwischen 15 bis 200 V, besonders bevorzugt zwischen 20 und 50 V beträgt.A further preferred embodiment of the method provides that between the substrate and the sputtering source, a potential difference is applied, which is preferably between 15 to 200 V, more preferably between 20 and 50 V.
Als Sputtergas werden vorteilhaft Inertgase, insbesondere Argon, Krypton und/oder Xenon verwendet.Inert gases, in particular argon, krypton and / or xenon, are advantageously used as the sputtering gas.
Ebenso ist die Möglichkeit vorgesehen, dass neben dem Inertgas, das als Sputtergas dient, noch weitere Gase, wie z. B. Reaktivgase oder weitere Inertgase, in der Gasatmosphäre, die beim Verfahren verwendet wird, verwendet werden können. Insbesondere kommen hierbei Gase, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, einem Kohlenwasserstoff oder Mischungen hiervon, in Frage.Likewise, the possibility is provided that in addition to the inert gas, which serves as a sputtering gas, other gases such. As reactive gases or other inert gases, in the gas atmosphere, which is used in the process can be used. In particular, gases which are selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, a hydrocarbon or mixtures thereof are suitable here.
Es ist möglich, das Substrat senkrecht zu beschichten, d. h., die beim Verfahren gebildeten Nanocluster treffen in einem Einfallswinkel von ca. 90° auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrates auf, ebenso ist jedoch die Möglichkeit vorgesehen, dass das Substrat durch Schrägbedampfung beschichtet wird.It is possible to coat the substrate vertically, d. The nanoclusters formed during the process impinge on the surface of the substrate to be coated at an angle of incidence of approximately 90 °. However, it is also possible to coat the substrate by oblique vapor deposition.
Als Substratmaterialien kommen bevorzugt insbesondere Halbleiter in Frage, vor allem Halbleiter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, GaN, SiC, GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, AlxGa1-xAs, InxGa1-xN, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg(1-x)CdxTe, BeSe, BeTe und/oder HgS. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, dass die zuvor genannten Halbleitermaterialien durch Fremdatome dotiert sein können, beispielsweise N-dotiert oder P-dotiert.Suitable substrate materials particularly preferred semiconductor in question, especially semiconductor selected from the group consisting of Si, Ge, GaN, SiC, GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, Al x Ga 1-x As, In x Ga 1-x N, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg (1-x) Cd x Te, BeSe, BeTe and / or HgS. Likewise, there is the possibility that the aforementioned semiconductor materials by Foreign atoms can be doped, for example N-doped or P-doped.
Die Beschichtung kann in einem oder mehreren Beschichtungszyklen mit jeweils eigenen oder gemeinsamen Temperschritten erfolgen.The coating can be carried out in one or more coating cycles, each with its own or common Temperschritten.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein chemischer Mediensensor für Gase und/oder Flüssigkeiten bereitgestellt, der eine poröse, nanogranulare Elektrodenschicht umfasst, die zumindest bereichsweise auf einem Substrat aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Porendurchmesser d50 zwischen 0,1 und 250 nm, vorzugsweise zwischen 1 und 50 nm beträgt. Der zuvor genannte Mediensensor lässt sich dabei besonders vorteilhaft auf die zuvor genannte Verfahrensweise herstellen. Der erfindungsgemäße Mediensensor zeichnet sich durch eine große Gesamtlänge von Dreiphasengrenzen aus, die hauptverantwortlich für die am Sensor zur Signalbildung führenden Gas- oder Flüssigkeitsreaktionen sind. Durch die große Gesamtlänge der zuvor genannten Dreiphasengrenzen und der daraus resultierenden großen Oberfläche der Elektrodenschicht des Sensors weist diese eine hohe Sensitivität für zu untersuchende Analyten auf. Ebenso weist diese offenporige, nanoporöse Schicht eine hohe katalytische Aktivität auf.According to the invention, a chemical media sensor for gases and / or liquids is likewise provided, which comprises a porous, nanogranular electrode layer which is applied at least in regions to a substrate, characterized in that the average pore diameter d 50 is between 0.1 and 250 nm, preferably between 1 and 50 nm. The above-mentioned media sensor can be produced particularly advantageously on the aforementioned procedure. The media sensor according to the invention is distinguished by a large overall length of three-phase boundaries, which are mainly responsible for the gas or liquid reactions leading to signal formation at the sensor. Due to the large total length of the aforementioned three-phase boundaries and the resulting large surface of the electrode layer of the sensor, this has a high sensitivity for analytes to be examined. Likewise, this open-pore, nanoporous layer has a high catalytic activity.
Durch die Wahl der speziellen Parameter bei der Herstellung der Elektrodenschicht lässt sich die elektrische Leitfähigkeit dieser Schicht weitgehend beeinflussen und somit auf den jeweiligen Verwendungszweck maßgeschneidert anpassen. Insbesondere beträgt die elektrische Leitfähigkeit σ der Elektrodenschicht bei Raumtemperatur zwischen 1 Ω–1cm–1, bis 1 MΩ–1cm–1.By choosing the special parameters in the production of the electrode layer, the electrical conductivity of this layer can be largely influenced and thus tailor-made to the particular application. In particular, the electrical conductivity σ of the electrode layer at room temperature is between 1 Ω -1 cm -1 , to 1 MΩ -1 cm -1 .
Erfindungsgemäß werden somit insbesondere Sensoren für gasförmige und/oder flüssige Analyten bereitgestellt.According to the invention, sensors for gaseous and / or liquid analytes are thus provided in particular.
Unter Gassensoren werden nachfolgend elektronische Bauelemente verstanden, deren elektrisches Ausgangssignal abhängig ist von der Konzentration bestimmter Gase in der Umgebung der aktiven Elektrode des Gassensors. In analoger Weise sind Flüssigkeitssensoren zu verstehen.Gas sensors are understood below to mean electronic components whose electrical output signal is dependent on the concentration of specific gases in the vicinity of the active electrode of the gas sensor. Analogously, liquid sensors should be understood.
Gassensoren finden Anwendung in der Sicherheitstechnik, um vor zu hohen Konzentrationen gefährlicher Gase zu warnen oder automatische Schutzreaktionen auszulösen.Gas sensors are used in safety technology to warn of excessive concentrations of dangerous gases or trigger automatic protection reactions.
Weiterhin finden Gassensoren Anwendung bei der Steuerung chemischer Umwandlungsprozesse.Furthermore, gas sensors find application in the control of chemical conversion processes.
Ein wichtiger Bereich ist hierbei die Steuerung von Verbrennungsprozessen zur Energieerzeugung, d. h. Umwandlung chemischer in mechanische oder thermische Energie, beispielsweise in Kraftwerken, stationären Gasturbinen, Flugtriebwerken und Kolbenmotoren, insbesondere für Fahrzeuge.An important area here is the control of combustion processes for power generation, d. H. Conversion of chemical into mechanical or thermal energy, for example in power plants, stationary gas turbines, aircraft engines and piston engines, especially for vehicles.
Ziel ist hierbei die optimale Verbrennung der Brennstoffe und die Minimierung der dabei entstehenden schädlichen Abgase, wie Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe.The aim is to optimize the combustion of fuels and to minimize the resulting harmful exhaust gases, such as carbon monoxide, nitrogen oxides and hydrocarbons.
Wichtige Eigenschaften von Gassensoren sind ihre Empfindlichkeit, ihre Selektivität, ihre Ansprechzeit und ihre Lebensdauer.Important characteristics of gas sensors are their sensitivity, their selectivity, their response time and their lifetime.
Erfindungsgemäß werden ebenso die im Patentanspruch 16 genannten Verwendungszwecke des Mediensensors angegeben.According to the invention mentioned in claim 16 uses of the media sensor are also given.
Diese hier beschriebenen Sensoren werden somit insbesondere zum Messen eines Analyten mit geringer Konzentration im Bereich von ppb bis niedrige Prozentbereiche, insbesondere zum Messen im ppm-Bereich genutzt. Als Gasanalyten können insbesondere Stickoxide (NO, NO2, N2O), Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe in einem Trägergas aus Stickstoff, Sauerstoff und gegebenenfalls Wasser gemessen werden. Flüssigkeitsanalyten sind insbesondere Ionen gelöster Salze und organische Komponenten, aber auch reaktive Moleküle, wie z. B. Wasserstoffperoxid (H2O2).These sensors described here are thus used in particular for measuring an analyte with a low concentration in the range of ppb to low percentage ranges, in particular for measuring in the ppm range. In particular, nitrogen oxides (NO, NO 2 , N 2 O), ammonia, carbon monoxide and hydrocarbons in a carrier gas of nitrogen, oxygen and optionally water can be measured as gas analytes. Liquid analytes are in particular ions of dissolved salts and organic components, but also reactive molecules, such as. B. hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele sowie der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die speziell dargestellten Parameter zu beschränken.The present invention will be explained in more detail with reference to the following examples and the accompanying figures, without limiting the invention to the parameters specifically shown.
Beispiel 1:Example 1:
Beschichtung eines vorstrukturierten Siliziumwafers mit einer aktiven Elektrode aus Platin mittels GasflusssputternCoating of a pre-structured silicon wafer with a platinum active electrode by means of gas flow sputtering
Ein strukturierter Silizium-Wafer wird in eine Vakuumkammer eingebracht, die im Anschluss evakuiert wird. Der Wafer wird auf 120°C aufgeheizt. Danach wird die Vakuumkammer mit Argon gefüllt, so dass der Druck in der Beschichtungskammer 0,5 mbar beträgt.A structured silicon wafer is placed in a vacuum chamber, which is subsequently evacuated. The wafer is heated to 120 ° C. Thereafter, the vacuum chamber is filled with argon, so that the pressure in the coating chamber is 0.5 mbar.
Die Gasflusssputterquelle (mit Platin als Sputtertarget) wird bei geschlossener Quellenblende für 3 Minuten eingebrannt. Danach wird die Quellenblende geöffnet und der Wafer für 20 Minuten beschichtet. Der Wafer wird dabei linear pendelnd vor der Quelle bewegt, so dass eine möglichst homogene und flächige Beschichtung des Wafers erzielt wird. Nach Fertigstellung der Schicht erfolgt das Abtrennen der elektrischen Potentiale und Sperren der Gaszufuhr. Die Vakuumkammer wird im Anschluss belüftet und der Wafer entnommen. Nach Strukturierung der Schicht in einem nachfolgenden Temperierungsschritt erfolgt die Vereinzelung der fertigen Chips, die im Anschluss direkt montiert und verwendet werden können.The gas flow sputtering source (with platinum as a sputtering target) is burned in with the source shutter closed for 3 minutes. Thereafter, the source shutter is opened and the wafer is coated for 20 minutes. The wafer is thereby moved in a linearly oscillating manner in front of the source, so that the coating of the wafer, which is as homogeneous and as flat as possible, is achieved. After completion of the layer, the separation of the electrical potentials and blocking the gas supply takes place. The vacuum chamber is subsequently vented and the wafer removed. After structuring the layer in a subsequent tempering step, the separation of the finished chips, which can be mounted and used directly afterwards.
Beispiel 2:Example 2:
Beschichtung eines vorstrukturierten Wafers mit einer aktiven Elektrode aus Platin-Palladium-Legierung mittels MagnetronsputternCoating of a pre-structured wafer with a platinum-palladium alloy active electrode by means of magnetron sputtering
Ein strukturierter Silizium-Wafer wird in eine Vakuumkammer eingebracht, die im Anschluss evakuiert wird. Danach wird die Vakuumkammer mit Argon gefüllt, so dass der Druck in der Beschichtungskammer 0,08 mbar beträgt. Die Magnetronsputterquelle (mit einer Platin-Palladium-Legierung als Sputtertarget) wird bei geschlossener Quellenblende für 5 Minuten eingebrannt. Danach wird die Quellenblende geöffnet und der Wafer für 40 Minuten beschichtet. Der Wafer wird dabei linear pendelnd vor der Quelle bewegt, so dass eine möglichst homogene und flächige Beschichtung des Wafers erzielt wird. Nach Fertigstellung der Schicht erfolgt das Abtrennen der elektrischen Potentiale und Sperren der Gaszufuhr. Die Vakuumkammer wird im Anschluss belüftet und der Wafer entnommen. Nach Strukturierung der Schicht in einem nachfolgenden Temperierungsschritt erfolgt die Vereinzelung der fertigen Chips, die im Anschluss direkt montiert und verwendet werden können.A structured silicon wafer is placed in a vacuum chamber, which is subsequently evacuated. Thereafter, the vacuum chamber is filled with argon, so that the pressure in the coating chamber is 0.08 mbar. The magnetron sputtering source (with a platinum-palladium alloy sputtering target) is baked with the source shutter closed for 5 minutes. Thereafter, the source shutter is opened and the wafer is coated for 40 minutes. The wafer is thereby moved in a linearly oscillating manner in front of the source, so that the coating of the wafer, which is as homogeneous and as flat as possible, is achieved. After completion of the layer, the separation of the electrical potentials and blocking the gas supply takes place. The vacuum chamber is subsequently vented and the wafer removed. After structuring of the layer in a subsequent tempering step, the singulation of the finished chips takes place, which can then be directly mounted and used.
Die mit den voranstehenden Beschichtungsverfahren erzielten Beschichtungen sind in den beigefügten
In
Durch die beiden unterschiedlichen Verfahrensweisen lassen sich unterschiedliche Beschichtungen erzielen. Die gemäß dem Gasflusssputterverfahren hergestellte Beschichtung weist dabei eine gröbere Strukturierung auf als die gemäß dem Beispiel 2 hergestellte Beschichtung, die eine sehr homogene poröse Struktur aufweist.By the two different procedures, different coatings can be achieved. The coating produced according to the gas flow sputtering process has a coarser structuring than the coating produced according to Example 2, which has a very homogeneous porous structure.
Des Weiteren zeigen die gemäß dem Gasflusssputterverfahren hergestellten Metallcluster in der porösen Schicht einen mittleren Partikeldurchmesser d50 von 10 bis 100 nm, was die grobporigere Struktur bedingt. Hingegen zeigen die gemäß dem Magnetronsputterverfahren hergestellten Metallcluster einen mittleren Partikeldurchmesser d50 von < 10 bis 20 nm, wodurch eine feinskaligere nanogranulare Schichtstruktur ermöglicht wird.Furthermore, the metal clusters produced in accordance with the gas flow sputtering method in the porous layer have an average particle diameter d 50 of 10 to 100 nm, which causes the coarse-pored structure. On the other hand, the metal clusters prepared according to the magnetron sputtering method show an average particle diameter d 50 of <10 to 20 nm, thereby enabling a finer-scaled nanogranular layered structure.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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