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
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
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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
In
In der Beschichtungsvorrichtung
Um das Substrat
Die Metallquelle ist vorzugsweise ein fester Metallkörper
Zusätzlich zu der wenigstens einen Metallquelle ist erfindungsgemäß das Verwenden einer Kohlenstoffquelle vorgesehen, um das Substrat
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
In einer beispielhaften Ausführungsform können die Metall- und Kohlenstoffkörper
Weiterhin weist die Beschichtungsvorrichtung
Folglich ist der Eingang
Der Ausgang
Zusätzlich kann in der Beschichtungsvorrichtung
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
Im Anschluss an die Beschichtung des Substrats
Nach dem Entfernen des Kohlenstoffs verbleibt eine Schicht auf dem Substrat
Es kann ferner erwünscht sein, nicht das gesamte Substrat
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
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