DE102010042017A1 - Method for coating e.g. silicon carbide substrate for manufacture process of gas sensor utilized to detect pollutants in air, involves partially removing carbon from substrate surface subsequent to coating substrate with metal and carbon - Google Patents

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Abstract

The method involves coating a substrate (12) with metal and carbon by using a metal source e.g. fixed metal body (16), and a carbon source, where a solid carbon body (18) i.e. graphite body, and carbon-containing gas e.g. hydrocarbon-containing gas such as ethene or ethyne, are used as the carbon source. The carbon is partially removed from a surface of the substrate subsequent to coating the substrate by annealing in air or oxygen or by plasma treatment with reactive gas i.e. oxygen. The coating step is performed at temperature in a range of 250-350 degree Celsius.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mittels Kathodenzerstäubung. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats zum Beschichten des Substrats mit einem Metall und mit Kohlenstoff zur Herstellung von porösen, chemisch sensitiven Schichten für Sensoren, wie insbesondere Gassensoren.The present invention relates to a method of coating a substrate by sputtering. In particular, the invention relates to a method for coating a substrate for coating the substrate with a metal and with carbon for producing porous, chemically sensitive layers for sensors, in particular gas sensors.

Stand der TechnikState of the art

Die Verwendung von chemosensitiven Feldeffekttransistoren (ChemFET) als Sensoren zum Nachweis von Schadgasen in der Luft oder in Abgasen ist weit verbreitet. Insbesondere werden derartige Sensoren für den Nachweis von Stickoxiden (NOx) in Luft und Abgas verwendet. Chemosensitive Feldeffekttransistoren weisen insbesondere ein halbleitendes Substrat auf, in das zwei halbleitende Bereiche einer anderen Dotierung eingebracht sind, die als Source beziehungsweise Drain bezeichnet werden. Zwischen Source und Drain befindet sich eine elektrisch isolierende Schicht, auf der eine als Gate bezeichnete Elektrode angeordnet ist. Bei einem chemosensitiven Feldeffekttransistor ist auf der Gate-Elektrode eine Substanz angeordnet, die für die nachzuweisende Komponente selektiv ist, oder die Gate-Elektrode selbst weist eine derartige Selektivität auf. Dadurch lagert sich die nachzuweisende Komponente auf der Gate-Elektrode beziehungsweise auf der Schicht an, wodurch eine Veränderung des Gate-Potentials messbar wird. Dadurch sind Rückschlüsse auf das Vorhandensein und die Menge der Schadgase möglich.The use of chemosensitive field effect transistors (ChemFETs) as sensors for the detection of noxious gases in the air or in exhaust gases is widespread. In particular, such sensors are used for the detection of nitrogen oxides (NO x ) in air and exhaust gas. In particular, chemosensitive field-effect transistors have a semiconductive substrate in which two semiconductive regions of a different doping are introduced, which are referred to as source or drain. Between source and drain is an electrically insulating layer, on which an electrode called a gate is arranged. In a chemosensitive field-effect transistor, a substance which is selective for the component to be detected is arranged on the gate electrode, or the gate electrode itself has such a selectivity. As a result, the component to be detected is deposited on the gate electrode or on the layer, as a result of which a change in the gate potential can be measured. This makes it possible to draw conclusions about the presence and the amount of noxious gases.

Dabei ist es bekannt, als chemisch sensitive Schicht eine ortsaufgelöste Beschichtung mit nanoskaligen Edelmetallpartikeln, wie etwa Platin mit Beimischung von anderen Edelmetallen oder Metalloxiden, aufzubringen. Dies wird oftmals in einem nasschemischen Verfahren durch Anwendung von kohlenstoffhaltigen Lösungsmitteln mit den entsprechenden Metallen realisiert. Nach Austrocknen bildet sich eine kohlenstoffhaltige, gelartige Schicht. Durch weitere Ausheizverfahren bei höheren Temperaturen und in oxidierender oder reduzierender Atmosphäre bildet sich eine poröse und elektrisch leitfähige Schicht, die überwiegend aus Edelmetall-Nanopartikeln mit einem geringen Restkohlenstoffgehalt besteht.It is known to apply as a chemically sensitive layer, a spatially resolved coating with nanoscale noble metal particles, such as platinum with admixture of other precious metals or metal oxides. This is often realized in a wet chemical process by using carbonaceous solvents with the corresponding metals. After drying, a carbonaceous, gelatinous layer forms. Further annealing processes at higher temperatures and in an oxidizing or reducing atmosphere form a porous and electrically conductive layer, which consists predominantly of noble metal nanoparticles with a low residual carbon content.

Aus CN 101299461 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer mehrphasigen Katalysatorelektrode bekannt. Bei diesem Verfahren werden Metalle ausgehend von metallischen Pulvern umfassend Platin, Ruthenium und Seltenen Erden-Lanthaniden auf einen Kohlenstoffträger durch eine Kathodenzerstäubung aufgebracht.Out CN 101299461 A For example, a method for producing a multi-phase catalyst electrode is known. In this process, metals are deposited from metallic powders comprising platinum, ruthenium, and rare earth lanthanides onto a carbon support by sputtering.

In KR 2008048846 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer Edelmetallquelle für eine Kathodenzerstäubung beschrieben, bei dem Edelmetalle auf einen Kohlenstoffträger durch die Anwendung eines Plasmas aufgebracht werden.In KR 2008048846 A For example, a method of making a noble metal source for sputtering is described in which noble metals are deposited on a carbon support by the application of a plasma.

Aus JP 07260728 A ist ein Kohlenmonoxidsensor bekannt, der ein isolierendes Substrat umfasst, auf dem eine sensitive Schicht angeordnet ist, wobei der Sensor durch eine Kathodenzerstäubung herstellbar ist. Dabei umfasst der Sensor weiterhin eine Mehrzahl katalytisch aktiver Schichten.Out JP 07260728 A a carbon monoxide sensor is known which comprises an insulating substrate on which a sensitive layer is arranged, wherein the sensor can be produced by cathode sputtering. In this case, the sensor further comprises a plurality of catalytically active layers.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mittels Kathodenzerstäubung, wobei das Substrat durch das Verwenden einer Metallquelle und einer Kohlenstoffquelle mit Metall und Kohlenstoff beschichtet wird, und wobei der Kohlenstoff im Anschluss an das Beschichten von der Substratoberfläche zumindest teilweise entfernt wird.The present invention is a method for sputter-coating a substrate, wherein the substrate is coated with metal and carbon by using a metal source and a carbon source, and wherein the carbon is at least partially removed after coating from the substrate surface.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Prinzip der Kathodenzerstäubung, die auch als Sputtern beziehungsweise Sputterdeposition bezeichnet wird. Unter einer Kathodenzerstäubung kann im Rahmen der Erfindung ein Verfahren verstanden werden, bei dem ein zu beschichtendes Substrat zusammen mit einer als Target bezeichneten Quelle einer als Beschichtung vorgesehenen Substanz, meist eines Metalls, in einer Beschichtungsvorrichtung angeordnet wird. Das Substrat wird dabei als Anode polarisiert, oder auf einer als Anode polarisierten Elektrode angeordnet, wobei die Substanzquelle als Kathode polarisiert ist oder auf einer als Kathode polarisierten Elektrode angeordnet ist. Zwischen dem Substrat und der Substanzquelle wird meist bei Unterdruck ein Plasma ausgebildet. Bei einem Beschuss der Oberfläche der Substanzquelle mit Ionen des Plasmas werden insbesondere Atome der Substanz aus der Substanzquelle gelöst und durch ein meist elektrisches Feld auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats gefördert, wo sie kondensieren und so eine Beschichtung ausbilden.The method according to the invention is based on the principle of cathode sputtering, which is also referred to as sputtering or sputter deposition. Within the scope of the invention, cathode sputtering can be understood as meaning a process in which a substrate to be coated is arranged in a coating device together with a source, referred to as a target, of a substance, usually a metal, provided as a coating. The substrate is polarized as an anode, or arranged on an electrode polarized as an anode, wherein the substance source is polarized as a cathode or disposed on an electrode polarized as a cathode. Between the substrate and the substance source, a plasma is usually formed at negative pressure. In a bombardment of the surface of the substance source with ions of the plasma in particular atoms of the substance are dissolved from the substance source and promoted by a mostly electric field on the surface of the substrate to be coated, where they condense and form a coating.

Erfindungsgemäß sind dabei sämtliche Kathodenzerstäubungsverfahren beziehungsweise Sputterverfahren möglich, also insbesondere DC-Kathodenzerstäubung, RF-Kathodenzerstäubung, Dioden-Kathodenzerstäubung, Trioden-Kathodenzerstäubung, Magnetron-Kathodenzerstäubung oder auch Ionenstrahl-Kathodenzerstäubung.According to the invention, all sputtering methods or sputtering methods are possible, that is, in particular DC sputtering, RF sputtering, diode sputtering, triode sputtering, magnetron sputtering or ion beam sputtering.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit den im Allgemeinen bei der Halbleiterherstellung ausgeübten Verfahren weitestgehend kompatibel, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise in den Herstellungsprozess von halbeiterbasierten Sensoren eingebunden werden kann. Die Prozesskontrolle ist dadurch erfindungsgemäß unproblematisch. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden derartige Sensoren somit deutlich weniger aufwändig und damit zeitsparend und kostensparend herstellbar.The process according to the invention is largely compatible with the processes generally used in semiconductor production, so that the process according to the invention is based on simple processes Can be incorporated into the manufacturing process of semiconductor-based sensors. The process control is thereby unproblematic according to the invention. By means of the method according to the invention, such sensors are thus considerably less laborious and can thus be produced in a time-saving and cost-saving manner.

Es lassen sich erfindungsgemäß insbesondere Schichten herstellen, die eine Dicke in einem Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 300 nm aufweisen und so für die Verwendung bei einem chemosensitiven Gassensor besonders bevorzugt geeignet sind. Zusätzlich weist die erfindungsgemäß aufgebrachte Beschichtung nach dem Entfernen des Kohlenstoffs typischerweise eine Porosität in einem Bereich von ≥ 10% bis ≤ 50% auf. Dadurch wird eine sehr große Oberfläche geschaffen, wodurch beispielsweise ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Sensor eine sehr große Empfindlichkeit aufweisen kann.In particular, according to the invention it is possible to produce layers which have a thickness in a range of ≥ 10 nm to ≦ 300 nm and are therefore particularly suitable for use in a chemosensitive gas sensor. In addition, after removal of the carbon, the coating applied according to the invention typically has a porosity in a range of ≥ 10% to ≦ 50%. As a result, a very large surface area is created, as a result of which, for example, a sensor produced by the method according to the invention can have a very high sensitivity.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäß aufgebrachte Schicht nach dem Entfernen des Kohlenstoffs typischerweise einen spezifischen Widerstand in einem Bereich von ≤ 10–3 Ohm·m auf.Moreover, after removal of the carbon, the layer applied according to the invention typically has a resistivity in a range of ≦ 10 -3 ohm.m.

Als Metallquelle kann sowohl eine reine Metallquelle, insbesondere eine Reinquelle eines Edelmetalls, wie etwa Platin, Palladium oder Rhodium, dienen. Ferner sind auch Quellen von Legierungen verschiedener Metalle möglich, beispielsweise ein mit Rhodium und Chrom legiertes Platin, oder auch verschiedene Einzelquellen.The metal source may be both a pure metal source, in particular a pure source of a noble metal, such as platinum, palladium or rhodium. Furthermore, sources of alloys of various metals are possible, for example, a platinum alloyed with rhodium and chromium, or even various individual sources.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es daher möglich, zu nasschemischen Beschichtungsverfahren zumindest gleichwertige chemisch sensitive Schichten bei Verwendung eines Dünnschichtprozesses zu erhalten, der leicht in Halbleiterfertigungsprozesse einbindbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft dabei ein Kathodenzerstäubungsverfahren insbesondere für Metalle oder auch Metallgemische unter Verwendung von Kohlenstoff für die Herstellung von porösen, chemisch sensitiven, gasdurchlässigen und elektrisch leitfähigen Schichten, insbesondere für Gassensoren.The method according to the invention therefore makes it possible to obtain at least equivalent chemical-sensitive layers for wet-chemical coating processes when using a thin-layer process which can easily be incorporated into semiconductor manufacturing processes. The method according to the invention provides a cathode sputtering process, in particular for metals or even metal mixtures using carbon for the production of porous, chemically sensitive, gas-permeable and electrically conductive layers, in particular for gas sensors.

Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Kohlenstoffquelle ein fester Kohlenstoffkörper, insbesondere Graphit, verwendet. Eine derartige Kohlenstoffquelle ist besonders kostengünstig herstellbar und bietet darüber hinaus ein genau definiertes Beschichtungsergebnis.In the context of an advantageous embodiment of the method according to the invention, a solid carbon body, in particular graphite, is used as the carbon source. Such a carbon source is particularly inexpensive to produce and also offers a well-defined coating result.

In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Kohlenstoffquelle zusätzlich oder alternativ zu einer festen Kohlenstoffquelle ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas, wie etwa Ethen oder Ethin, verwendet. Auch andere kohlenstoffhaltige Gase, wie etwa Kohlenwasserstoffe mit geringem Wasserstoffgehalt und bevorzugt Mehrfachbindungen, insbesondere Alkene, Alkine und zyklische Kohlenwasserstoffe mit weniger als 10 Kohlenstoffatomen, sind erfindungsgemäß als Kohlenstoffquelle verwendbar. Das kohlenstoffhaltige Gas kann dabei zusammen mit einem Sputtergas in die Beschichtungsvorrichtung geleitet werden, so dass lediglich eine feste Metallquelle in der Vorrichtung angeordnet werden muss. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren problemlos in herkömmlichen Vorrichtungen zur Kathodenzerstäubung angewendet werden, ohne dass unverhältnismäßig aufwändige Umbauarbeiten notwendig sind. Es ist vielmehr ausreichend, einen weiteren Gasanschluss für das kohlenstoffhaltige Gas vorzusehen.In an alternative embodiment of the present invention, a carbonaceous gas, in particular a hydrocarbon-containing gas, such as ethene or ethyne, is used as the carbon source in addition to or as an alternative to a solid carbon source. Other carbonaceous gases, such as low hydrogen content hydrocarbons and preferably multiple bonds, especially alkenes, alkynes and cyclic hydrocarbons having less than 10 carbon atoms, are useful as carbon source in the present invention. The carbon-containing gas can be passed together with a sputtering gas into the coating apparatus, so that only a solid metal source must be arranged in the device. In this way, the inventive method can be easily applied in conventional sputtering devices, without disproportionately expensive conversion work is necessary. Rather, it is sufficient to provide a further gas connection for the carbon-containing gas.

Dabei ist die Einstellung einer gewünschten Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases besonders einfach, da Gase an sich leicht zu dosieren sind. Es ist besonders vorteilhaft, dass das kohlenstoffhaltige Gas eine Konzentration in einem Bereich von ≥ 30 Vol.-% bis ≤ 70 Vol.-% aufweist, wobei erfindungsgemäß insbesondere die Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases in dem Sputtergas gemeint ist. In diesem Bereich wird das Sputtergas nicht in zu großem Maße verdrängt, so dass das Austragen des Metalls aus der Metallquelle noch problemlos möglich ist. Weiterhin ist jedoch ausreichend Kohlenstoff vorhanden, um ein ausreichendes Beschichten des Substrats mit Kohlenstoff sicherstellen zu können.In this case, the setting of a desired concentration of the carbon-containing gas is particularly simple, since gases are easy to dose in itself. It is particularly advantageous for the carbon-containing gas to have a concentration in a range from ≥ 30% by volume to ≦ 70% by volume, in particular the concentration of the carbon-containing gas in the sputtering gas according to the invention. In this area, the sputtering gas is not displaced too much, so that the discharge of the metal from the metal source is still easily possible. Furthermore, however, sufficient carbon is present to ensure sufficient coating of the substrate with carbon.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine DC-Kathodenzerstäubung verwendet. Ein derartiges Verfahren verwendet eine Gleichstrom-Gasentladung und erlaubt das Arbeiten mit einem besonders geringen apparativen Aufwand, was das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach gestaltet.In the context of a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a DC cathode sputtering is used. Such a method uses a DC gas discharge and allows working with a particularly low expenditure on equipment, which makes the inventive method particularly simple.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Beschichten bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 0°C bis ≤ 500°C, insbesondere in einem Bereich von ≥ 250°C bis ≤ 350°C durchgeführt. Bei derartigen Temperaturen sind gute Ergebnisse erzielbar insbesondere mit Bezug auf die gewünschte Beschaffenheit der Beschichtung, wie etwa Zusammensetzung, Porosität oder Leitfähigkeit.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the coating is carried out at a temperature in a range of ≥ 0 ° C to ≤ 500 ° C, in particular in a range of ≥ 250 ° C to ≤ 350 ° C. At such temperatures good results can be achieved, in particular with respect to the desired nature of the Coating, such as composition, porosity or conductivity.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Beschichten bei einem Druck in einem Bereich von ≤ 100 Pa, insbesondere in einem Bereich von ≥ 0,1 Pa bis ≤ 1 Pa durchgeführt. Dies ist ein geeigneter Druck, wobei insbesondere bei einem Unterdruck gute Ergebnisse erzielbar sind, insbesondere mit Bezug auf die gewünschte Beschaffenheit der Beschichtung, wie etwa Zusammensetzung, Porosität oder Leitfähigkeit.In the context of a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the coating is carried out at a pressure in a range of ≦ 100 Pa, in particular in a range of ≥ 0.1 Pa to ≦ 1 Pa. This is a suitable pressure, wherein good results can be achieved, in particular with a negative pressure, in particular with regard to the desired nature of the coating, such as composition, porosity or conductivity.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn eine Strukturierung der aufgebrachten Schicht, insbesondere durch das Verwenden einer Schattenmaske, erfolgt. Dadurch wird das Einbringen von gewünschten Strukturen auf der Oberfläche des Substrats möglich. Die Verwendung einer Schattenmaske ist dabei besonders einfach und erzielt dabei gute Ergebnisse. Ferner weist das erfindungsgemäße Verfahren in dieser Ausgestaltung den Vorteil auf, dass eine gute Ortsauflösung in einem. Bereich von beispielsweise 10 μm oder darunter möglich ist. Eine derartige Ortsauflösung ist deutlich höher als bei vergleichbaren nasschemischen Verfahren und darüber hinaus erfindungsgemäß unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit oder der Oberflächenstruktur des zu beschichtenden Substrats. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit eines mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensors deutlich verbessert werden.It is also advantageous if structuring of the applied layer takes place, in particular by using a shadow mask. This makes it possible to introduce desired structures on the surface of the substrate. The use of a shadow mask is particularly easy and achieves good results. Furthermore, the inventive method in this embodiment has the advantage that a good spatial resolution in a. Range of for example 10 microns or less is possible. Such a spatial resolution is significantly higher than in comparable wet-chemical methods and, moreover, according to the invention, irrespective of the surface texture or the surface structure of the substrate to be coated. As a result, the performance of a sensor produced by a method according to the invention can be significantly improved.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Entfernen des Kohlenstoffs durch Tempern, insbesondere in Luft oder Sauerstoff, oder durch eine Plasmabehandlung mit einem reaktiven Gas, insbesondere Sauerstoff. Dadurch kann der Kohlenstoff mit einem verhältnismäßig einfachen Verfahren in definierter Weise und in gewünschtem Ausmaß entfernt werden, wodurch eine Beschichtung ausbildbar ist, die weitestgehend nur Metallcluster, wie etwa Edelmetallcluster, umfasst.In the context of a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the removal of the carbon by annealing, in particular in air or oxygen, or by a plasma treatment with a reactive gas, in particular oxygen. Thereby, the carbon can be removed in a defined manner and to the desired extent by a relatively simple method, whereby a coating can be formed which largely comprises only metal clusters, such as noble metal clusters.

Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren Teil eines Herstellungsprozesses eines chemosensitiven Sensors, insbesondere eines Gassensors. Insbesondere für die Herstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors für die Detektierung von Schadgasen ist das erfindungsgemäße Verfahren gut geeignet.The method according to the invention is particularly preferably part of a production process of a chemosensitive sensor, in particular of a gas sensor. In particular, for the production of a chemosensitive field effect transistor for the detection of noxious gases, the inventive method is well suited.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigtFurther advantages and advantageous embodiments of the objects according to the invention are illustrated by the drawing and explained in the following description. It should be noted that the drawing has only descriptive character and is not intended to limit the invention in any way. It shows

1 eine schematische Schnittansicht einer Beschichtungsvorrichtung von. der Seite zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 a schematic sectional view of a coating device of. the page for carrying out the method according to the invention.

In 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Beschichtungsvorrichtung 10 gezeigt. In einer derartigen Beschichtungsvorrichtung 10 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten eines Substrats 12 mittels Kathodenzerstäubung durchführbar.In 1 is a schematic sectional view of a coating apparatus 10 shown. In such a coating device 10 is the inventive method for coating a substrate 12 by cathode sputtering feasible.

In der Beschichtungsvorrichtung 10 ist das zu beschichtende Substrat 12 angeordnet. Das Substrat 12 ist kann beispielsweise ein vorprozessierter Halbleiterwafer sein, etwa aus Siliziumcarbid (SiC). Dabei dient die Beschichtung des Substrats 12 insbesondere als chemisch sensitive Gate-Elektrode eines sensitiven Sensors, wie etwa eines Gassensors zum Detektieren von Schadstoffen in der Luft oder in Abgasen. Folglich kann das erfindungsgemäße Verfahren in besonders geeigneter Weise zur Herstellung von Siliciumcarbid beziehungsweise Galliumnitrid basierten hochtemperaturtauglichen Wandlern beziehungsweise Sensoren auf Basis von chemosensitiven Feldeffekttransistoren dienen.In the coating device 10 is the substrate to be coated 12 arranged. The substrate 12 is, for example, a pre-processed semiconductor wafer, such as silicon carbide (SiC). The coating of the substrate is used 12 in particular as a chemically sensitive gate electrode of a sensitive sensor, such as a gas sensor for detecting pollutants in the air or in exhaust gases. Consequently, the method according to the invention can be used in a particularly suitable manner for the production of silicon carbide or gallium nitride based high temperature suitable transducers or sensors based on chemosensitive field effect transistors.

Um das Substrat 12 zu beschichten, können in der Beschichtungsvorrichtung 10 als Target bezeichnete Quellen von Substanzen angeordnet sein, mit denen das Substrat 12 beschichtet werden soll. So können in der Beschichtungsvorrichtung 10 beispielsweise eine Metallquelle und eine Kohlenstoffquelle angeordnet sein.To the substrate 12 To coat, can in the coating device 10 Target sources of substances may be arranged, with which the substrate 12 should be coated. Thus, in the coating apparatus 10 For example, be arranged a metal source and a carbon source.

Die Metallquelle ist vorzugsweise ein fester Metallkörper 16, und umfasst beispielsweise ein Edelmetall, wie etwa Palladium, Platin oder Rhodium. Auf diese Weise kann das Substrat 12 mit einem einzigen Metall beschichtet werden. Die Metallquelle kann ferner eine Legierung aus verschiedenen Metallen, insbesondere Edelmetallen, umfassen, um eine Mehrzahl an Metallen auf das Substrat 12 aufzutragen. Auf diese Weise wird bei einem möglichen Beschichten von mehr als einem Metall nur eine Edelmetallquelle benötigt. Alternativ kann anstatt der einen Metallquelle eine Mehrzahl an verschiedenen Metallquellen, insbesondere an festen Metallkörpern 16, in der Beschichtungsvorrichtung 10 angeordnet sein.The metal source is preferably a solid metal body 16 , and includes, for example, a noble metal such as palladium, platinum or rhodium. In this way, the substrate can 12 be coated with a single metal. The metal source may further comprise an alloy of different metals, in particular noble metals, to deposit a plurality of metals on the substrate 12 apply. In this way, in a possible coating of more than one metal, only one precious metal source is needed. Alternatively, instead of the one metal source, a plurality of different metal sources, in particular on solid metal bodies 16 in the coating apparatus 10 be arranged.

Zusätzlich zu der wenigstens einen Metallquelle ist erfindungsgemäß das Verwenden einer Kohlenstoffquelle vorgesehen, um das Substrat 12 nicht nur mit einem Metall, insbesondere einem Edelmetall, sondern auch mit Kohlenstoff zu beschichten. Die Kohlenstoffquelle kann beispielsweise als eine feste Kohlenstoffquelle ausgebildet sein. So kann vorzugsweise benachbart zu der Metallquelle ein fester Kohlenstoffkörper 18, etwa aus Graphit, in der Beschichtungsvorrichtung 10 angeordnet sein. Alternativ zu der festen Kohlenstoffquelle kann ferner eine gasförmige Kohlenstoffquelle vorgesehen sein, wie dies später erläutert wird.In addition to the at least one metal source, according to the invention, the use of a carbon source is provided around the substrate 12 not only with a metal, in particular a precious metal, but also with carbon to coat. The carbon source may be formed, for example, as a solid carbon source. Thus, preferably adjacent to the metal source, a solid carbon body 18 , such as graphite, in the coating apparatus 10 be arranged. As an alternative to the solid carbon source, a gaseous carbon source may be further provided, as will be explained later.

Gemäß einer nur beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Gleichstrom-Gasentladung verwendet werden. Um dieses auch als DC-Kathodenzerstäubung oder DC-Sputtern bezeichnete Verfahren durchzuführen, ist das Substrat 12 in der Beschichtungsvorrichtung 10 auf einer Elektrode 20 angeordnet. Dabei ist diese Elektrode 20 als Anode polarisiert, beispielsweise durch eine Spannungsquelle 22. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Substrat 12 selbst als Anode polarisiert ist, um Rückätzen, beziehungsweise Rücksputtern, oder Glimmen zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu ist die wenigstens eine Metallquelle und gegebenenfalls die feste Kohlenstoffquelle an einer Elektrode 24 angeordnet, die als Kathode polarisiert ist. Es können auch mehrere Spannungsquellen 22 und Elektroden 24 für jede Quelle verwendet werden, oder aber eine Spannungsquelle 22 alternierend auf eine Metallquelle oder Kohlenstoffquelle auf jeweils einer Elektrode 24 aufgeschaltet werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der feste Metallkörper 16 als Metallquelle und/oder der Kohlenstoffkörper 18 beziehungsweise ein leitfähiges Substrat 12 selbst als Anode beziehungsweise Kathode verwendet werden. Dies kann durch eine geeignete Verschaltung ebenfalls durch die Spannungsquelle 22 beziehungsweise durch die Mehrzahl an Spannungsquellen 22 erreicht werden.According to an exemplary and non-limiting embodiment of the method according to the invention, a direct current gas discharge may be used. To this also as DC Sputtering or sputtering is the substrate 12 in the coating apparatus 10 on an electrode 20 arranged. Here is this electrode 20 polarized as an anode, for example by a voltage source 22 , Alternatively it can be provided that the substrate 12 itself polarized as an anode to allow back etching, or sputtering, or glowing. In contrast, the at least one metal source and optionally the solid carbon source is on an electrode 24 arranged, which is polarized as a cathode. It can also be several voltage sources 22 and electrodes 24 be used for each source, or a voltage source 22 alternating to a metal source or carbon source on each one electrode 24 be switched on. Alternatively it can be provided that the solid metal body 16 as the metal source and / or the carbon body 18 or a conductive substrate 12 itself can be used as the anode or cathode. This can also be achieved by the voltage source through a suitable connection 22 or by the plurality of voltage sources 22 be achieved.

In einer beispielhaften Ausführungsform können die Metall- und Kohlenstoffkörper 16, 18 einen Durchmesser von etwa 50 mm aufweisen, wobei die Abstände der Oberflächen der Quellen zu dem zu beschichtenden Substrat 12 ebenfalls etwa 50 mm betragen, und wobei zwischen den Oberflächennormalen der Quellen und des Substrats 12 ein Winkel, insbesondere von etwa 60° eingestellt wird. Dabei kann sich das Substrat 12 während der Beschichtung drehen. Die Leistung der Spannungsquelle 22 kann in einem Bereich von ≥ 50 W bis ≤ 300 W liegen. Durch Variation des Abstandes oder der Ausrichtung der einzelnen Quellen jeweils zum Substrat 12 oder durch Einsetzen von Blenden vor die Quellen können Anpassungen der Zusammensetzung der auf dem Substrat 12 abgeschiedenen Schichten erfolgen. Eine Anpassung kann auch erfolgen, indem Metall- bzw. Kohlenstoffquellen aus getrennten Spannungsquellen 22 versorgt werden, deren Leistung oder Betriebsdauer individuell angepasst werden.In an exemplary embodiment, the metal and carbon bodies 16 . 18 have a diameter of about 50 mm, wherein the spacings of the surfaces of the sources to the substrate to be coated 12 also about 50 mm, and wherein between the surface normals of the sources and the substrate 12 an angle, in particular of about 60 ° is set. This may cause the substrate 12 rotate during coating. The power of the voltage source 22 can range from ≥ 50 W to ≤ 300 W. By varying the distance or the orientation of the individual sources in each case to the substrate 12 or by inserting apertures in front of the sources, adjustments can be made to the composition of the substrate 12 deposited layers take place. An adaptation can also be made by metal or carbon sources from separate voltage sources 22 be supplied whose performance or duration of operation are adjusted individually.

Weiterhin weist die Beschichtungsvorrichtung 10 vorzugsweise ein Gehäuse 26 auf, in dem ein Eingang 28 und ein Ausgang 30 angeordnet sind. Durch den Eingang 28 kann beispielsweise Sputtergas in das Gehäuse 24 eingeführt werden. Als Sputtergas werden insbesondere inerte Gase wie Edelgase, beispielsweise Argon, verwendet. Zusätzlich zu dem Sputtergas kann je nach Bedarf ein weiteres Gas eingeführt werden, das beispielsweise ein reaktives Gas umfassen kann. Erfindungsgemäß kann dieses reaktive Gas insbesondere ein kohlenstoffhaltiges Gas umfassen und somit als gasförmige Kohlenstoffquelle dienen. Beispielhafte und erfindungsgemäß verwendbare kohlenstoffhaltige Gase umfassen insbesondere Kohlenwasserstoffgase mit einem geringen Wasserstoffanteil, der beispielsweise durch Doppel- oder Dreifachbindungen hervorgerufen werden kann. Besonders geeignet als gasförmige Kohlenstoffquelle sind etwa Ethen oder Ethin. Bei der Verwendung einer gasförmigen Kohlenstoffquelle, also insbesondere eines kohlenstoffhaltigen Gases, liegt dieses vorzugsweise in dem Sputtergas in einer Konzentration in einem Bereich von ≥ 30 Vol.-% bis ≤ 70 Vol.-% vor. Bei einer Kombination einer festen und einer gasförmigen Kohlenstoffquelle kann die Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases etwa in einem Bereich von ≤ 10 Vol.-% liegen.Furthermore, the coating device 10 preferably a housing 26 in which an entrance 28 and an exit 30 are arranged. Through the entrance 28 For example, sputtering gas can enter the housing 24 be introduced. In particular, inert gases such as noble gases, for example argon, are used as the sputtering gas. In addition to the sputtering gas, another gas may be introduced as needed, which may include, for example, a reactive gas. According to the invention, this reactive gas may in particular comprise a carbon-containing gas and thus serve as a gaseous carbon source. Exemplary and usable according to the invention carbon-containing gases include in particular hydrocarbon gases with a low hydrogen content, which can be caused for example by double or triple bonds. Particularly suitable as a gaseous carbon source are ethene or ethyne. When using a gaseous carbon source, ie in particular a carbon-containing gas, this is preferably present in the sputtering gas in a concentration in a range of ≥ 30 vol .-% to ≤ 70 vol .-% before. With a combination of a solid and a gaseous carbon source, the concentration of the carbon-containing gas may be approximately in a range of ≦ 10% by volume.

Folglich ist der Eingang 28 vorzugsweise mit einer Quelle für das Sputtergas und gegebenenfalls mit einer gasförmigen Kohlenstoffquelle verbunden.Hence the entrance 28 preferably connected to a source of the sputtering gas and optionally to a gaseous carbon source.

Der Ausgang 30 kann beispielsweise an eine Unterdruckpumpe angeschlossen sein. Auf diese Weise kann innerhalb des Gehäuses 26 ein für das Verfahren geeigneter Duck eingestellt werden, insbesondere in einem bevorzugten Bereich von ≥ 0,1 Pa bis ≤ 1 Pa.The exit 30 For example, it can be connected to a vacuum pump. That way, inside the case 26 a duck suitable for the method can be set, in particular in a preferred range of ≥ 0.1 Pa to ≦ 1 Pa.

Zusätzlich kann in der Beschichtungsvorrichtung 10 eine Temperiereinrichtung 32 vorgesehen sein. Die Temperiereinrichtung 32 dient dazu, in der Beschichtungsvorrichtung 10 eine Temperatur einzustellen, die für das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren besonders geeignet ist. Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 0°C bis ≤ 500°C, insbesondere in einem Bereich von 250°C bis ≤ 350°C durchgeführt. Um eine derartige Temperatur einzustellen, weist die Temperiereinrichtung 32 zweckmäßigerweise eine Heizeinrichtung und gegebenenfalls eine Kühleinrichtung auf.In addition, in the coating apparatus 10 a tempering device 32 be provided. The tempering device 32 serves to in the coating apparatus 10 to set a temperature which is particularly suitable for the coating process according to the invention. Advantageously, the inventive method is carried out at a temperature in a range of ≥ 0 ° C to ≤ 500 ° C, in particular in a range of 250 ° C to ≤ 350 ° C. To set such a temperature, the tempering means 32 expediently a heating device and optionally a cooling device.

Um die einzelnen Prozessparameter, wie etwa Druck, Temperatur, Durchfluss des Gases und Ähnliches einzustellen und bei dem gewünschten Wert zu halten, kann eine Steuervorrichtung vorgesehen sein, die mit entsprechenden Sensoren, wie etwa einem Temperaturfühler, Gasdruckmesser oder Durchflussmesser verbunden ist. In Abhängigkeit der gewählten Werte der Prozessparameter und der gemessenen Werte kann die Steuervorrichtung dann die Prozessparameter in einem gewünschten Bereich halten.In order to set and maintain the individual process parameters, such as pressure, temperature, gas flow and the like, and to maintain the desired value, a control device may be provided which is connected to corresponding sensors, such as a temperature sensor, gas pressure gauge or flow meter. Depending on the selected values of the process parameters and the measured values, the control device can then keep the process parameters within a desired range.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft dann in einer beispielhaften und nicht beschränkenden Weise wie folgt ab. Nach dem Anordnen des Substrats 12, der Metallquelle, eines Sputtergases und einer Kohlenstoffquelle in der Beschichtungsvorrichtung 10 werden die gewünschten Prozessparameter, wie etwa Druck, Temperatur und Ähnliches eingestellt. Ferner wird vorzugsweise und bei dem Verwenden einer DC-Kathodenzerstäubung durch die Spannungsquelle 22 eine Spannung angelegt. Zwischen den Elektroden 20, 24 kann sich, etwa durch einen Ionisationsvorgang, aus dem Sputtergas ein Plasma bilden, dessen energiereiche Ionen auf die Kohlenstoffquelle und die Metallquelle treffen. Dadurch werden aus diesen Quellen Teilchen, in der Regel Atome oder Atomcluster, ausgetragen, welche sich durch die Potentialdifferenz zu der Anode beziehungsweise zu dem Substrat 12 bewegen und dort kondensieren, wodurch sich eine Beschichtung umfassend wenigstens ein Metall und Kohlenstoff ausbildet. Dabei bildet der Kohlenstoff für das Metall vorzugsweise eine Matrix aus, in der das Metall angeordnet ist.The method of the invention then proceeds in an exemplary and non-limiting manner as follows. After placing the substrate 12 , the metal source, a sputtering gas and a carbon source in the coating apparatus 10 the desired process parameters, such as pressure, temperature and the like are set. Further, preferably and in the Using a DC sputtering by the voltage source 22 a voltage applied. Between the electrodes 20 . 24 For example, an ionization process can produce a plasma from the sputtering gas whose high-energy ions strike the carbon source and the metal source. As a result, particles, usually atoms or atomic clusters, are discharged from these sources, which are due to the potential difference to the anode or to the substrate 12 move and condense, thereby forming a coating comprising at least one metal and carbon. The carbon for the metal preferably forms a matrix in which the metal is arranged.

Im Anschluss an die Beschichtung des Substrats 12 mit Kohlenstoff und Metall wird der Kohlenstoff von dem Substrat 12 zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, wieder entfernt. Dieser Verfahrensschritt dient dazu, dass auf dem Substrat eine reine Metallschicht entsteht, die insbesondere für eine Anwendung bei einem chemoselektiven Gassensor von Vorteil ist. Dies kann beispielsweise durch einen Temperprozess, insbesondere in Luft oder Sauerstoff, realisiert werden, der typischerweise in einem Bereich von ≥ 500°C bis ≤ 600°C angewandt wird. Dabei ist eine oxidierende Atmosphäre von Vorteil, um den Kohlenstoff beispielsweise als Kohlendioxid rückstandsfrei von dem Substrat 12 zu entfernen. Alternativ kann das Entfernen des Kohlenstoffs durch eine Plasmabehandlung mit einem reaktiven Gas, beispielsweise mit einem Sauerstoffplasma, erfolgen.Following the coating of the substrate 12 with carbon and metal, the carbon gets from the substrate 12 at least partially, preferably substantially completely, removed again. This process step serves to produce a pure metal layer on the substrate, which is advantageous in particular for use in a chemoselective gas sensor. This can be achieved, for example, by an annealing process, in particular in air or oxygen, which is typically used in a range of ≥ 500 ° C. to ≦ 600 ° C. In this case, an oxidizing atmosphere is advantageous for leaving the carbon residue-free from the substrate, for example as carbon dioxide 12 to remove. Alternatively, the removal of the carbon may be accomplished by a plasma treatment with a reactive gas, such as an oxygen plasma.

Nach dem Entfernen des Kohlenstoffs verbleibt eine Schicht auf dem Substrat 12, die im Wesentlichen ein Metall oder eine Mehrzahl von Metallen umfasst. Die Schicht liegt dabei in der Regel durch die Temperatureinwirkung während des Entfernens des Kohlenstoffes als zumindest teilversinterte Schicht vor. In besonders vorteilhafter Weise weist die fertige Beschichtung nach Beendigen des Verfahrens einen Kohlenstoffgehalt auf, der vorzugsweise in einem Bereich ≤ 0,1% liegt. Die Schicht kann beispielsweise eine Dicke in einem Bereich von 10 nm bis ≤ 300 nm und eine Porosität in einem Bereich von ≥ 10% bis ≤ 50% aufweisen. Dabei umfasst die Schicht bevorzugt Edelmetallcluster in einer Größenordnung von typischerweise ≥ 5 nm bis ≤ 10 nm.After removal of the carbon, a layer remains on the substrate 12 essentially comprising a metal or a plurality of metals. The layer is usually present as a result of the effect of temperature during the removal of the carbon as at least partially sintered layer. In a particularly advantageous manner, the finished coating has a carbon content after the end of the process, which is preferably in a range of ≦ 0.1%. The layer may, for example, have a thickness in a range of 10 nm to ≦ 300 nm and a porosity in a range of ≥ 10% to ≦ 50%. In this case, the layer preferably comprises noble metal clusters in the order of magnitude of typically ≥ 5 nm to ≦ 10 nm.

Es kann ferner erwünscht sein, nicht das gesamte Substrat 12 zu beschichten, sondern etwa eine gewünschte Struktur der Beschichtung auf dem Substrat 12 zu erhalten. Dazu ist vorzugsweise die Verwendung von abnehmbaren Schattenmasken, wie etwa lasergeschnittenen Metallfolien, möglich. Darüber hinaus kann eine Strukturierung durch die Verwendung einer Lift-Off-Schicht, insbesondere von Photolack oder einer mittels Photolack strukturierten Opferschicht, im Rahmen eines Lift-Off-Verfahrens erhalten werden.It may also be desirable, not the entire substrate 12 to coat but about a desired structure of the coating on the substrate 12 to obtain. For this purpose, the use of removable shadow masks, such as laser-cut metal foils, is preferably possible. In addition, structuring can be achieved by the use of a lift-off layer, in particular of photoresist or of a photoresist-structured sacrificial layer, in the context of a lift-off method.

Das Beschichten mit Kohlenstoff und Metall kann dabei vorzugsweise gleichzeitig erfolgen, wie oben beschrieben, oder auch zeitlich versetzt. Dazu kann beispielsweise zunächst eine Kathodenzerstäubung mit einer Kohlenstoffquelle durchgeführt werden, um eine poröse Kohlenstoffmatrix zu erhalten. Anschließend kann eine Metallquelle 16 verwendet werden, um auf beziehungsweise in die poröse Kohlenstoffmatrix das oder die Metalle abzuscheiden. Daraufhin kann wiederum der Kohlenstoff zumindest teilweise entfernt werden, um eine poröse Metallbeschichtung zu erhalten.The coating with carbon and metal can preferably take place simultaneously, as described above, or else offset in time. For this purpose, for example, first a sputtering with a carbon source can be carried out in order to obtain a porous carbon matrix. Subsequently, a metal source 16 be used to deposit on the or in the porous carbon matrix, the metal or metals. Thereafter, again, the carbon may be at least partially removed to obtain a porous metal coating.

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Claims (10)

Verfahren zum Beschichten eines Substrats (12) mittels Kathodenzerstäubung, wobei das Substrat (12) durch das Verwenden einer Metallquelle und einer Kohlenstoffquelle mit Metall und Kohlenstoff beschichtet wird, und wobei der Kohlenstoff im Anschluss an das Beschichten von der Substratoberfläche zumindest teilweise entfernt wird.Process for coating a substrate ( 12 ) by means of cathode sputtering, whereby the substrate ( 12 ) is coated with metal and carbon by using a metal source and a carbon source, and wherein the carbon is at least partially removed after coating from the substrate surface. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoffquelle ein fester Kohlenstoffkörper (18), insbesondere Graphit, verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that as carbon source a solid carbon body ( 18 ), in particular graphite, is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoffquelle ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas, wie etwa Ethen oder Ethin, verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a carbon-containing gas, in particular a hydrocarbon-containing gas, such as ethene or ethyne, is used as the carbon source. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Gas eine Konzentration in einem Bereich von ≥ 30 Vol.-% bis ≤ 70 Vol.-% aufweist.A method according to claim 3, characterized in that the carbonaceous gas has a concentration in a range of ≥ 30 vol .-% to ≤ 70 vol .-%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine DC-Kathodenzerstäubung verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a DC cathode sputtering is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 0°C bis ≤ 500°C, insbesondere in einem Bereich von ≥ 250°C bis ≤ 350°C durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the coating is carried out at a temperature in a range of ≥ 0 ° C to ≤ 500 ° C, in particular in a range of ≥ 250 ° C to ≤ 350 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten bei einem Druck in einem Bereich von ≤ 100 Pa, insbesondere in einem Bereich von ≥ 0,1 Pa bis ≤ 1 Pa durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the coating is carried out at a pressure in a range of ≤ 100 Pa, in particular in a range of ≥ 0.1 Pa to ≤ 1 Pa. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strukturierung der aufgebrachten Schicht, insbesondere durch das Verwenden einer Schattenmaske, erfolgt.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that a structuring of the applied layer, in particular by using a shadow mask, takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Kohlenstoffs durch Tempern, insbesondere in Luft oder Sauerstoff, oder durch eine Plasmabehandlung mit einem reaktiven Gas, insbesondere Sauerstoff, erfolgt.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the removal of the carbon by annealing, in particular in air or oxygen, or by a plasma treatment with a reactive gas, in particular oxygen, takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Teil eines Herstellungsprozesses eines chemosensitiven Sensors, insbesondere eines Gassensors, ist.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the method is part of a manufacturing process of a chemosensitive sensor, in particular a gas sensor.
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