WO2023088969A1 - Device for measuring potentials and method for producing such a device - Google Patents

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WO2023088969A1
WO2023088969A1 PCT/EP2022/082137 EP2022082137W WO2023088969A1 WO 2023088969 A1 WO2023088969 A1 WO 2023088969A1 EP 2022082137 W EP2022082137 W EP 2022082137W WO 2023088969 A1 WO2023088969 A1 WO 2023088969A1
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WO
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nanowire
layer
cover layer
substrate
plasma
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Application number
PCT/EP2022/082137
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German (de)
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Inventor
Svetlana Vitusevich
Nazarii Boichuk
Volker Weihnacht
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Forschungszentrum Jülich GmbH
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0657—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body
    • H01L29/0665—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body the shape of the body defining a nanostructure
    • H01L29/0669—Nanowires or nanotubes
    • H01L29/0673—Nanowires or nanotubes oriented parallel to a substrate

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring potentials in a biological, chemical or other sample, having a substrate and at least one nanowire arranged on the substrate and made of a semiconducting material, the nanowire being provided with a coating arrangement which has a base coating made of a includes dielectric material.
  • the invention also relates to a method for producing such a device.
  • Such measuring devices also referred to as biosensors, usually include a substrate on which a nanowire made of a semiconducting material, for example silicon, is arranged.
  • the nanowire is connected to a source contact at one end and to a drain contact at its other end, or such contacts are formed.
  • the surface of the nanowire that is not lying on the substrate is provided with a dielectric coating, which has, for example, silicon oxide (SiO2), aluminum oxide (AI2O3), hafnium oxide (HfO) or a combination of these materials.
  • a so-called liquid gate contact Spaced from the nanowire a so-called liquid gate contact is arranged, which is immersed in a liquid sample to be measured, so that the arrangement of source contact, drain contact, the nanowire and the liquid gate contact forms a field effect transistor.
  • Such an arrangement enables properties of biological samples to be measured and can be based on the basic principle of CMOS technology.
  • Such an arrangement is already known from DE 10 2013 018 850 A1, for example.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved device for measuring potentials on samples which avoids the disadvantages mentioned above. Furthermore, the object of the present invention consists in specifying a production method for such devices.
  • the coating arrangement also includes a cover layer which has or consists of carbon.
  • the invention is therefore based on the consideration of applying a further, carbon-containing coating to a base coating made of a dielectric material Apply layer so that the sample to be measured no longer has the opportunity to come into contact with the base coating of a dielectric material. This prevents ions from the sample to be measured from being able to penetrate into the base coating, so that a change in the charge state of the dielectric coating can be prevented or significantly minimized.
  • the top coat can be applied directly to the base coat. It is also conceivable that further intermediate layers are arranged or formed between the base coating and the top layer. Depending on the configuration of the device, it may also be the case that the cover layer is formed on a larger surface of the substrate, ie beyond the nanowire, since the surface of the substrate is also coated in common coating methods.
  • the cover layer preferably has diamond-like bonded carbon and graphitic-bonded carbon.
  • Graphite-like bonded carbon and diamond-like bonded carbon represent different modifications in which carbon occurs.
  • the modification of the diamond-like bonded carbon is based on the sp3 bond structure, i.e. the covalently tetragonal or tetrahedrally bonded carbon atoms have no free electrons.
  • Graphite-like bonded carbon is based on the sp2 bonding structure, with covalently trigonally bonded carbon atoms forming high-strength planes, which in turn are only loosely bonded to one another via van der Waals forces.
  • Diamond-like bonded carbon is characterized by high strength and chemical stability, but is an insulator with regard to its electrical properties.
  • graphite-like bonded carbon is electrically conductive, so that the preferably amorphous carbon layer, which acts as a top layer, through the graphite-like bonded carbon has sufficient electrical conductivity, while at the same time high stability in biological fluids is achieved through the diamond-like bonded carbon.
  • the proportion of diamond-like bonded carbon in the top layer is at least 10 atom %, in particular at least 25 atom %, preferably at least 30 atom %.
  • the proportion of diamond-like bonded carbon in the top layer is more preferably at least 40 atom %, particularly preferably at least 50 atom %.
  • a relatively high proportion of diamond-like bonded carbon leads to favorable layer properties.
  • the cover layer can also contain foreign atoms, in particular boron, silicon, nitrogen, hydrogen, molybdenum, chromium, titanium and/or iron, the proportion of foreign atoms being in particular a maximum of 20 atom % in total, preferably a maximum of 10 atom % in total.
  • Foreign atoms of this type can be introduced as a result of impurities during the deposition of the cover layer or can be introduced into the cover layer in a targeted manner in order to influence the properties.
  • the top layer is preferably designed to be partially amorphous or amorphous.
  • the top layer is preferably a ta-C or a-C layer (according to ISO 20523:2017).
  • the thickness of the cover layer is preferably at least 2 nm, in particular at least 3 nm and/or at most 100 nm, in particular at most 20 nm to be chemically stable.
  • at least one nanowire, in particular each nanowire can have a trapezoidal or a triangular cross section. If the nanowire has a trapezoidal cross-section, it preferably rests directly on the surface of the substrate with its longer base side of the trapezium.
  • the nanowire can have a height of less than 60 nm, with the height preferably being in a range between 1 nm and 50 nm.
  • the device according to the invention can also be characterized in that it has at least one field effect transistor.
  • at least one, in particular each nanowire of the device can be part of a field effect transistor and be connected to a source contact at one end and to a drain contact at the other end or have such.
  • each field effect transistor can comprise a gate contact which is spaced apart from the nanowire and is in contact or can be brought into contact with the sample.
  • the device can be part of a biosensor or form one. This means that the device can be used directly for measuring biological, chemical or other samples.
  • the base coating can have a single-layer structure and consist in particular of silicon oxide (SiO2).
  • the base coating can be constructed in multiple layers, in particular in two layers, and have an inner layer made of a first dielectric material, in particular silicon oxide (SiO2), and an outer layer made of a second dielectric material, in particular aluminum oxide (AI2O3), directly adjacent to the nanowire .
  • Dielectric materials are materials that have little or no electrical conductivity. This allows, for example, non-conductive Plastics or ceramics are considered dielectric materials.
  • Preferred dielectric materials for the present application are silicon oxide, aluminum oxide or hafnium oxide.
  • the base coating preferably has a thickness of at least 2 nm, in particular at least 5 nm and/or preferably at most 100 nm, in particular at most 50 nm.
  • the thickness of the base coating depends on the desired electrical properties.
  • the semiconducting material from which the nanowire is made can be, for example, silicon, germanium or another known semiconducting material.
  • the substrate can comprise a silicon wafer, with an oxide layer in particular being formed between the silicon wafer and the nanowire. Such an oxide layer electrically separates the nanowire from the silicon wafer.
  • the cover layer can be coated with a protective layer, which in particular contains aluminum oxide (Al2O3) and/or has a thickness of at least 5 and/or at most 10 nm.
  • a protective layer can represent a standardized design for protecting the carbon-containing top layer.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for producing a device according to the invention, which comprises the following steps: providing a substrate with at least one nanowire arranged on the substrate and made of a semiconducting material;
  • the base coating made of dielectric material and in a separate step the carbon-containing top layer are deposited one after the other.
  • the undercoat is deposited by thermal growth. If the base coating has a multi-layer structure, it is preferably produced in several sequential steps.
  • the cover layer can preferably be produced by means of physical vapor deposition (PVD) and/or chemical vapor deposition (CVD).
  • Physical vapor deposition is a vacuum-based coating process for depositing thin layers. With the help of physical processes, the starting material, which is in particular solid, is converted into the gas phase before it is fed to the object to be coated.
  • Physical vapor deposition can include, for example, thermal evaporation, in which a coating material is heated to such an extent that individual particles are detached from its atomic structure and condense on the surface of the component to be coated.
  • sputtering technologies in which surface atoms from a target, which forms the coating material, are generated by sputtering, i.e. the impact.
  • a major advantage of physical vapor deposition or chemical vapor deposition is that it is readily possible to deposit a carbon-containing top layer at low temperatures.
  • the temperature can be less than 300° C., in particular below 50° C. and preferably close to room temperature. This prevents the components of the field effect transistors from being damaged - in contrast to other methods for depositing layers containing carbon.
  • a plasma is preferably generated to deposit the cover layer.
  • the plasma can be generated by bombarding a graphite target with a pulsed laser. This process, also called PLD, enables the provision of a plasma of high-energy carbon atoms, which leads to the formation of a top layer of diamond-like carbon.
  • the plasma can be generated by means of an electrical vacuum arc discharge onto a graphite target.
  • PVD physical vacuum arc discharge
  • local evaporation takes place on a target using a vacuum arc.
  • high-current electrical discharges or gas discharges take place on a graphite target, causing the target to thermally vaporize locally at the base of the discharges, the so-called focal spots.
  • the process can be ignited by a spark.
  • a pulsed laser with a high power density can be used for ignition.
  • the arc current is ultimately concentrated in a focal point, the so-called spot.
  • the vacuum arc discharge can be operated either continuously, in the so-called DC mode, or in pulsed mode or in a combination of both modes.
  • a filter can be arranged between the target of the device for vacuum arc discharge and the device to be coated, in order to retain macro-parts, for example so-called droplets, that are thrown up.
  • macroparticles also called droplets, emitted during the vacuum arc discharge are separated from the plasma.
  • the plasma flow is preferably deflected along magnetic lines in the direction of the device to be coated, while the droplets are held back on a so-called baffle.
  • LAFAS large area filtered arc source
  • a pulsed laser can be used as the ignition source for the pulsed vacuum arc discharge. This is referred to as the so-called laser arc method.
  • the top layer is preferably deposited in a vacuum chamber.
  • the devices to be coated are preferably attached to a substrate holder which is located in the vacuum chamber.
  • the substrate holder can be rotated.
  • the substrate holder can be designed in such a way that the devices carry out several superimposed rotational movements.
  • a so-called BIAS voltage can also be applied to the substrate holder to influence the coating.
  • the particle energy of the impinging particles and thus the layer properties can be influenced.
  • both the base coat and the top coat are deposited one after the other in a vacuum chamber.
  • the vacuum chamber is advantageously evacuated to a pressure below 10 4 mbar, in particular below 5 ⁇ 10 5 mbar, before the covering layer is deposited. At such pressures, very pure carbon layers can be deposited.
  • a predominantly inert gas is preferably introduced into the vacuum chamber during the deposition of the cover layer. This can be pure argon; it is equally conceivable that mixtures predominantly of argon with small amounts of hydrogen, in particular less than 5%, preferably 2% hydrogen, are introduced into the vacuum chamber.
  • plasma etching of the surface of the base coating can take place before the top layer is deposited.
  • This can be a pretreatment by means of a glow discharge, which is also referred to as sputter etching and which preferably takes place in the vacuum chamber.
  • This cleans the surface of the base coat so that the top coat can be deposited with high adhesion.
  • the intensity during plasma etching is adjusted in such a way that there is no significant removal of the top layer of the base coating, but only a removal of adsorbates and activation of the surface.
  • the device can be heated before plasma etching. Specifically, this can be done in the vacuum chamber at a pressure of less than 5x 10 5 mbar by radiant heating for a period of about 30 minutes.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a nanowire field effect transistor
  • FIG. 2 shows a perspective representation of a silicon wafer with a multiplicity of nanowire field effect transistors
  • FIG. 3 shows a detailed view of a nanowire field effect transistor in plan view
  • FIG. 4 shows a detailed view of the illustration from FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a nanowire field effect transistor from FIGS. 3 and 4 in cross section
  • FIG. 6 shows an XPS depth profile of the nanowire field effect transistor from FIGS. 3 to 5;
  • Figure 7 shows an XPS spectrum of the surface of the nanowire field effect transistor of Figures 3 to 5.
  • FIGS. 1 to 5 show a device for measuring potentials of a biological, chemical or other sample, which is designed as a biosensor 1 in the present case.
  • the device comprises a substrate 2, which in the present case consists of a silicon wafer 3 and an oxide layer 4 on the upper side which is approximately 150 nm thick.
  • the substrate 2, which is used here for test purposes, is plate-shaped and has a square base area with an edge length of about 11 mm.
  • the device comprises a total of 32 field effect transistors 5 arranged next to one another.
  • Each field effect transistor 5 comprises a nanowire 6 made of silicon with a height of approximately 60 nm Cross-section.
  • the longer base of the trapezoid lies directly on the surface of the substrate 2 .
  • each nanowire 6 is connected to a source contact 7 at one end and to a drain contact 8 at the other end.
  • each field effect transistor 5 comprises a gate contact 9 which is arranged above nanowire 6 and at a distance from it.
  • the gate contact 9 is immersed in the liquid, so that one also speaks of a liquid gate contact.
  • the surface of the liquid is represented schematically by plane 10 .
  • the nanowires 6 and their immediate surroundings are provided with a coating arrangement 11, which can be seen in detail in FIG. This initially includes a base coating 12 made of a dielectric material, in the present case an 8 mm silicon oxide layer, which was deposited in a vacuum system by means of thermal growth.
  • the ambient pressure is less than 5 ⁇ 10 5 mbar.
  • the coating arrangement 11 also includes a cover layer 13 with a thickness of approximately 5 nm.
  • the cover layer 13 has diamond-like bonded carbon with a proportion of approximately 60 atom % and graphite-bound carbon.
  • foreign atoms in particular boron, silicon, nitrogen, molybdenum, chromium, titanium and/or iron, can be contained in the cover layer 13 in a total of at most 10 atom %.
  • the cover layer 13 is produced by means of physical vapor deposition (PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • the device is first attached to a rotatable substrate holder which is arranged in a vacuum chamber.
  • the vacuum chamber is then evacuated to a pressure of less than 5 ⁇ 10 5 mbar before the device is heated to dry the surface of the substrate and the nanowire or to eliminate a water film on the surface of the substrate and the nanowire. Specifically, this takes place over a period of about 30 minutes at an ambient pressure of less than 5 x 10-5 mbar.
  • Plasma etching is then performed to activate the surface of the base coat 12.
  • FIG. for this purpose, a linear plasma source of the type used is an anode layer source.
  • a constant voltage of 2,000 V with a current flow of 250 mA is set in the source.
  • a process gas consisting of 98% argon and 2% hydrogen is used.
  • the plasma etch source is operated for a period of 200 seconds. In principle, other periods of time, for example 60 seconds, are also conceivable. Meanwhile, the devices are rotated at a speed of 2 revolutions per minute, so that each device is treated exactly twice by the plasma source directly.
  • a laser arc module in particular one with a plasma filter, is used for the coating with the carbon-containing cover layer 13 .
  • plasma is generated, starting from a graphite target, by means of a vacuum arc discharge.
  • a pulsed laser is used as an ignition aid for the vacuum arc evaporation.
  • the laser arc module is operated with a clock frequency of 75 Hertz and a maximum discharge current of 1,600 amperes is used. In this case, no BIAS voltage is applied to the substrate holder.
  • a total of 5,250 pulses are carried out in order to achieve a layer thickness of around 5 nanometers.
  • the temperature of the device is consistently below 50°C.
  • the layer produced in this way was examined by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • FIG. 6 The result of such an examination is initially shown in FIG.
  • the surface of the cover layer 13 was recorded.
  • the spectrum shown in FIG. 6 shows specific binding energies that are characteristic of different bonds. It can be seen that the proportion of graphitic bonded carbon (sp2) in the surface is about 35 atomic %, while the proportion of diamond-like bonded carbon (sp3) is about 60 atomic %. The remaining shares are accounted for by compounds of carbon and oxygen.
  • the surface was bombarded with argon ions during the XPS investigation. The depth profile clearly shows a carbon-containing layer on the surface (solid line), including a layer of silicon oxide (roughly dashed line), before the material of the nanowire 6 (silicon) follows below.
  • the nanowire field-effect transistors provided with such a carbon-containing cover layer 13 have a significantly higher stability when in contact with corresponding test liquids, which leads to a significantly smaller change in the electrical properties of the field-effect transistors over time.

Abstract

The present invention relates to a device for measuring potentials on a biological, chemical or other sample, comprising a substrate (2) and at least one nanowire (6) made of a semiconducting material and arranged on the substrate (2), the nanowire (6) being provided with a coating arrangement (11) which comprises a base coating (12) of a dielectric material. The invention further relates to a method for producing such a device.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Vorrichtung zur Messung von Potentialen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung Device for measuring potentials and method of manufacturing such a device
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Potentialen an einer biologischen, chemischen oder anderen Probe, mit einem Substrat und mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Nanodraht aus einem halbleitenden Material, wobei der der Nanodraht mit einer Beschichtungsanordnung versehen ist, welche eine Grundbeschichtung aus einem dielektrischen Material umfasst. The present invention relates to a device for measuring potentials in a biological, chemical or other sample, having a substrate and at least one nanowire arranged on the substrate and made of a semiconducting material, the nanowire being provided with a coating arrangement which has a base coating made of a includes dielectric material.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung. The invention also relates to a method for producing such a device.
Eigenschaften insbesondere biologischer Proben hängen häufig mit der Aufnahme, Abnahme oder räumlichen Umorganisation elektrischer Ladungen zusammen. Dadurch können die Eigenschaften indirekt über Veränderungen von Potentialen gemessen werden, die diese Ladungen bei Annäherung an eine Messvorrichtung verursachen. Solche auch als Biosensor bezeichneten Messvorrichtungen umfassen meist ein Substrat, auf welchem ein Nanodraht aus einem halbleitenden Material, beispielsweise Silizium, angeordnet ist. An einem Ende ist der Nanodraht mit einem Source-Kontakt, an seinem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt verbunden, bzw. solche Kontakte sind ausgebildet. Dabei ist die nicht auf dem Substrat aufliegende Oberfläche des Nanodrahts mit einer dielektrischen Beschichtung versehen, welche beispielsweise Siliziumoxid (SiO2) Aluminiumoxid (AI2O3), Hafniumoxid (HfO) oder eine Kombination dieser Werkstoffe aufweist. Von dem Nanodraht beabstandet ist ein sogenannter Liquid Gate-Kontakt angeordnet, welcher in eine flüssige, zu messende Probe eingetaucht wird, sodass die Anordnung aus Source- Kontakt, Drain- Kontakt, dem Nanodraht und dem Liquid- Gate- Kontakt einen Feldeffekttransistor bildet. Eine solche Anordnung ermöglicht die Messung von Eigenschaften biologischer Proben und kann auf dem Grundprinzip der CMOS-Technik basieren. Beispielsweise ist eine solche Anordnung aus der DE 10 2013 018 850 A1 vorbekannt. Properties of biological samples in particular are often related to the uptake, decrease or spatial reorganization of electrical charges. This allows the properties to be measured indirectly via changes in potentials caused by these charges when approaching a measuring device. Such measuring devices, also referred to as biosensors, usually include a substrate on which a nanowire made of a semiconducting material, for example silicon, is arranged. The nanowire is connected to a source contact at one end and to a drain contact at its other end, or such contacts are formed. In this case, the surface of the nanowire that is not lying on the substrate is provided with a dielectric coating, which has, for example, silicon oxide (SiO2), aluminum oxide (AI2O3), hafnium oxide (HfO) or a combination of these materials. Spaced from the nanowire a so-called liquid gate contact is arranged, which is immersed in a liquid sample to be measured, so that the arrangement of source contact, drain contact, the nanowire and the liquid gate contact forms a field effect transistor. Such an arrangement enables properties of biological samples to be measured and can be based on the basic principle of CMOS technology. Such an arrangement is already known from DE 10 2013 018 850 A1, for example.
Derartige Vorrichtungen haben sich grundsätzlich bewährt. Jedoch wird zu teilen als nachteilig empfunden, dass die Beschichtung des Nanodrahts mit einem dielektrischen Material oder einer Kombination mehrerer dielektrischen Materialien in Bioflüssigkeiten nicht immer stabil ist. Als Grund dafür können die geringe Qualität der dielektrischen Schichten angesehen werden, die mit relativ hohen Temperaturen hergestellt werden. Dadurch treten Defekte in den Beschichtungen auf, durch welche Ionen aus der Probe in die dünne dielektrische Schicht eindringen und mit der Zeit deren Ladungszustand verändern können. Such devices have basically proven themselves. However, it is felt to be disadvantageous to share that the coating of the nanowire with a dielectric material or a combination of several dielectric materials is not always stable in biofluids. The reason for this can be seen in the low quality of the dielectric layers, which are produced at relatively high temperatures. This causes defects in the coatings, through which ions from the sample can penetrate the thin dielectric layer and change its charge state over time.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung von Potentialen an Proben zu schaffen, welche die vorstehend genannten Nachteile vermeidet. Ferner besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Herstellungsverfahren für solche Vorrichtungen anzugeben. The object of the present invention is therefore to provide an improved device for measuring potentials on samples which avoids the disadvantages mentioned above. Furthermore, the object of the present invention consists in specifying a production method for such devices.
Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Beschichtungsanordnung ferner eine Deckschicht umfasst, welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht. This object is achieved in a device of the type mentioned at the outset in that the coating arrangement also includes a cover layer which has or consists of carbon.
Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, auf eine Grundbeschichtung aus einem dielektrischen Material eine weitere, kohlenstoffhaltige Schicht aufzubringen, so dass die zu messende Probe keine Möglichkeit mehr hat, mit der Grundbeschichtung aus einem dielektrischen Material in Kontakt zu kommen. Dadurch wird verhindert, dass Ionen aus der zu messenden Probe in die Grundbeschichtung eindringen können, so dass eine Veränderung des Ladungszustands der dielektrischen Beschichtung verhindert bzw. erheblich minimiert werden kann. The invention is therefore based on the consideration of applying a further, carbon-containing coating to a base coating made of a dielectric material Apply layer so that the sample to be measured no longer has the opportunity to come into contact with the base coating of a dielectric material. This prevents ions from the sample to be measured from being able to penetrate into the base coating, so that a change in the charge state of the dielectric coating can be prevented or significantly minimized.
Die Deckschicht kann dabei direkt auf die Grundbeschichtung aufgebracht werden. Denkbar ist auch, dass weitere Zwischenschichten zwischen der Grundbeschichtung und der Deckschicht angeordnet bzw. ausgebildet sind. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung kann es auch sein, dass die Deckschicht auf einer größeren Oberfläche des Substrats, das heißt über den Nanodraht hinaus, ausgebildet ist, da bei gängigen Beschichtungsverfahren die Oberfläche des Substrats mitbeschichtet wird. The top coat can be applied directly to the base coat. It is also conceivable that further intermediate layers are arranged or formed between the base coating and the top layer. Depending on the configuration of the device, it may also be the case that the cover layer is formed on a larger surface of the substrate, ie beyond the nanowire, since the surface of the substrate is also coated in common coating methods.
Bevorzugt weist die Deckschicht diamantartig gebundenen Kohlenstoff und graphitartig gebundenen Kohlenstoff auf. Graphitartig gebundener Kohlenstoff und diamantartig gebundener Kohlenstoff stellen dabei verschiedene Modifikationen dar, in denen Kohlenstoff vorkommt. Die Modifikation des diamantartig gebundenen Kohlenstoffs basiert dabei auf der Bindungsstruktur sp3, das heißt die kovalent tetragonal oder tetraedrisch gebundenen Kohlenstoffatome besitzen keine freien Elektronen. Graphitartig gebundener Kohlenstoff basiert demgegenüber auf der Bindungsstruktur sp2, wobei kovalent trigonal gebundene Kohlenstoffatome hochfeste Ebenen formen, welche wiederum untereinander nur locker über van-der-Waals-Kräfte gebunden sind. Diamantartig gebundener Kohlenstoff zeichnet sich dabei durch eine hohe Festigkeit und chemische Stabilität aus, ist jedoch hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften ein Isolator. Demgegenüber ist graphitartig gebundener Kohlenstoff elektrisch leitfähig, sodass die bevorzugt amorphe Kohlenstoffschicht, welche als Deckschicht fungiert, durch den graphitartig gebundenen Kohlenstoff eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, gleichzeitig durch den diamantartig gebundenen Kohlenstoff eine hohe Stabilität in biologischen Flüssigkeiten erzielt wird. The cover layer preferably has diamond-like bonded carbon and graphitic-bonded carbon. Graphite-like bonded carbon and diamond-like bonded carbon represent different modifications in which carbon occurs. The modification of the diamond-like bonded carbon is based on the sp3 bond structure, i.e. the covalently tetragonal or tetrahedrally bonded carbon atoms have no free electrons. Graphite-like bonded carbon, on the other hand, is based on the sp2 bonding structure, with covalently trigonally bonded carbon atoms forming high-strength planes, which in turn are only loosely bonded to one another via van der Waals forces. Diamond-like bonded carbon is characterized by high strength and chemical stability, but is an insulator with regard to its electrical properties. In contrast, graphite-like bonded carbon is electrically conductive, so that the preferably amorphous carbon layer, which acts as a top layer, through the graphite-like bonded carbon has sufficient electrical conductivity, while at the same time high stability in biological fluids is achieved through the diamond-like bonded carbon.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Anteil an diamantartig gebundenen Kohlenstoff in der Deckschicht mindestens 10 Atom%, insbesondere mindestens 25 Atom%, bevorzugt mindestens 30 Atom%. Weiter bevorzugt beträgt der Anteil an diamantartig gebundenem Kohlenstoff in der Deckschicht mindestens 40 Atom%, besonders bevorzugt mindestens 50 Atom%. Ein relativ hoher Anteil von diamantartig gebundenem Kohlenstoff führt zu günstigen Schichteigenschaften. According to a preferred embodiment, the proportion of diamond-like bonded carbon in the top layer is at least 10 atom %, in particular at least 25 atom %, preferably at least 30 atom %. The proportion of diamond-like bonded carbon in the top layer is more preferably at least 40 atom %, particularly preferably at least 50 atom %. A relatively high proportion of diamond-like bonded carbon leads to favorable layer properties.
Die Deckschicht kann ferner Fremdatome, insbesondere Bor, Silizium, Stickstoff, Wasserstoff, Molybdän, Chrom, Titan und/oder Eisen enthalten, wobei der Anteil der Fremdatome insbesondere insgesamt höchstens 20 Atom%, bevorzugt insgesamt höchstens 10 Atom% beträgt. Derartige Fremdatome können durch Verunreinigungen beim Abscheiden der Deckschicht eingebracht werden oder gezielt zur Beeinflussung der Eigenschaften in die Deckschicht eingebracht werden. The cover layer can also contain foreign atoms, in particular boron, silicon, nitrogen, hydrogen, molybdenum, chromium, titanium and/or iron, the proportion of foreign atoms being in particular a maximum of 20 atom % in total, preferably a maximum of 10 atom % in total. Foreign atoms of this type can be introduced as a result of impurities during the deposition of the cover layer or can be introduced into the cover layer in a targeted manner in order to influence the properties.
Die Deckschicht ist bevorzugt teilamorph oder amorph ausgebildet. Vom Grundtyp her ist die Deckschicht bevorzugt eine ta-C bzw. a-C-Schicht (gemäß ISO 20523:2017). The top layer is preferably designed to be partially amorphous or amorphous. In terms of the basic type, the top layer is preferably a ta-C or a-C layer (according to ISO 20523:2017).
Bevorzugt beträgt die Dicke der Deckschicht mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 3 nm und/oder höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 20 nm. Eine derartige Dicke der Deckschicht führt einerseits zu einer lediglich äußerst geringen Änderung der elektrischen Eigenschaften eines Feldeffekttransistors, andererseits ist sie hinreichend dick, um chemisch stabil zu sein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht einen trapezförmigen oder einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Weist der Nanodraht einen trapezförmigen Querschnitt auf, so liegt er bevorzugt mit seiner längeren Grundseite des Trapezes direkt auf der Oberfläche des Substrats an. Der Nanodraht kann dabei eine Höhe von weniger als 60 nm aufweisen, wobei die Höhe bevorzugt in einem Bereich zwischen 1nm und 50nm liegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass diese mindestens einen Feldeffekttransistor aufweist. In konkreter Ausgestaltung kann mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht der Vorrichtung Bestandteil eines Feldeffekttransistors sein und an einem Ende mit einem Source-Kontakt und an einem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt verbunden sein oder solche aufweisen. The thickness of the cover layer is preferably at least 2 nm, in particular at least 3 nm and/or at most 100 nm, in particular at most 20 nm to be chemically stable. In a further embodiment of the invention, at least one nanowire, in particular each nanowire, can have a trapezoidal or a triangular cross section. If the nanowire has a trapezoidal cross-section, it preferably rests directly on the surface of the substrate with its longer base side of the trapezium. The nanowire can have a height of less than 60 nm, with the height preferably being in a range between 1 nm and 50 nm. The device according to the invention can also be characterized in that it has at least one field effect transistor. In a specific embodiment, at least one, in particular each nanowire of the device can be part of a field effect transistor and be connected to a source contact at one end and to a drain contact at the other end or have such.
In an sich bekannter Weise kann jeder Feldeffekttransistor einen Gate-Kontakt umfassen, welcher von dem Nanodraht beabstandet ist und mit der Probe in Kontakt steht oder bringbar ist. In a manner known per se, each field effect transistor can comprise a gate contact which is spaced apart from the nanowire and is in contact or can be brought into contact with the sample.
Die Vorrichtung kann Bestandteil eines Biosensors sein oder einen solchen bilden. Das bedeutet, dass die Vorrichtung direkt zur Messung an biologischen, chemischen oder anderen Proben eingesetzt werden kann. The device can be part of a biosensor or form one. This means that the device can be used directly for measuring biological, chemical or other samples.
In weiterer Ausgestaltung kann die Grundbeschichtung einlagig aufgebaut sein und insbesondere aus Siliziumoxid (SiO2) bestehen. Alternativ kann die Grundbeschichtung mehrlagig, insbesondere zweilagig aufgebaut sein und unmittelbar an den Nanodraht angrenzend eine innere Schicht aus einem ersten dielektrischen Material, insbesondere aus Siliziumoxid (SiO2), und eine äußere Schicht aus einem zweiten dielektrischen Material, insbesondere aus Aluminiumoxid (AI2O3), aufweisen. Bei dielektrischen Materialien handelt es sich um solche Materialien, die lediglich eine geringe oder keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Damit können beispielsweise nichtleitende Kunststoffe oder Keramiken als dielektrische Materialien gelten. Bevorzugte dielektrische Materialien für die vorliegende Anwendung sind Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder Hafniumoxid. In a further embodiment, the base coating can have a single-layer structure and consist in particular of silicon oxide (SiO2). Alternatively, the base coating can be constructed in multiple layers, in particular in two layers, and have an inner layer made of a first dielectric material, in particular silicon oxide (SiO2), and an outer layer made of a second dielectric material, in particular aluminum oxide (AI2O3), directly adjacent to the nanowire . Dielectric materials are materials that have little or no electrical conductivity. This allows, for example, non-conductive Plastics or ceramics are considered dielectric materials. Preferred dielectric materials for the present application are silicon oxide, aluminum oxide or hafnium oxide.
Die Grundbeschichtung weist bevorzugt eine Dicke von mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 5 nm und/oder bevorzugt von höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 50 nm auf. Die Dicke der Grundbeschichtung hängt dabei von den angestrebten elektrischen Eigenschaften ab. The base coating preferably has a thickness of at least 2 nm, in particular at least 5 nm and/or preferably at most 100 nm, in particular at most 50 nm. The thickness of the base coating depends on the desired electrical properties.
Bei dem halbleitenden Material, aus welchem der Nanodraht besteht, kann es sich beispielsweise um Silizium, Germanium oder ein anderes bekanntes halbleitendes Material handeln. The semiconducting material from which the nanowire is made can be, for example, silicon, germanium or another known semiconducting material.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Substrat einen Silizium-Wafer umfassen, wobei zwischen dem Silizium-Wafer und dem Nanodraht insbesondere eine Oxidschicht ausgebildet ist. Durch eine solche Oxidschicht wird der Nanodraht von dem Silizium-Wafer elektrisch getrennt. In a further configuration of the device according to the invention, the substrate can comprise a silicon wafer, with an oxide layer in particular being formed between the silicon wafer and the nanowire. Such an oxide layer electrically separates the nanowire from the silicon wafer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Deckschicht mit einer Schutzschicht überzogen sein, welche insbesondere Aluminiumoxid (AI2O3) enthält und/oder eine Dicke von mindestens 5 und/oder von höchstens 10 nm aufweist. Eine solche Schutzschicht kann eine standardisierte Ausführung zum Schutz der kohlenstoffhaltigen Deckschicht darstellen. According to a preferred embodiment, the cover layer can be coated with a protective layer, which in particular contains aluminum oxide (Al2O3) and/or has a thickness of at least 5 and/or at most 10 nm. Such a protective layer can represent a standardized design for protecting the carbon-containing top layer.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Nanodraht aus einem halbleitenden Material; The object on which the invention is based is also achieved by a method for producing a device according to the invention, which comprises the following steps: providing a substrate with at least one nanowire arranged on the substrate and made of a semiconducting material;
- Beschichten des Nanodrahts mit einer Grundbeschichtung, welche eine Schicht aus einem dielektrischen Material umfasst; - coating the nanowire with a base coat comprising a layer of dielectric material;
- Abscheidung einer Deckschicht, welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht. - Deposition of a top layer which contains or consists of carbon.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass nacheinander zunächst die Grundbeschichtung aus dielektrischen Material und in einem separaten Schritt die kohlenstoffhaltige Deckschicht abgeschieden wird. According to the invention, it is therefore provided that first the base coating made of dielectric material and in a separate step the carbon-containing top layer are deposited one after the other.
Bevorzugt wird die Grundbeschichtung durch thermisches Wachstum abgeschieden. Besitzt die Grundbeschichtung einen mehrlagigen Aufbau, so wird diese bevorzugt in mehreren sequentiellen Schritten erzeugt. Preferably, the undercoat is deposited by thermal growth. If the base coating has a multi-layer structure, it is preferably produced in several sequential steps.
Die Deckschicht kann bevorzugt mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung handelt es sich um ein vakuumbasiertes Beschichtungsverfahren zur Abscheidung dünner Schichten. Dabei wird mithilfe physikalischer Verfahren das insbesondere feste Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt, bevor es zum zu beschichtenden Gegenstand geführt wird. Physikalische Gasphasenabscheidung kann beispielsweise das thermische Verdampfen umfassen, bei welchem ein Beschichtungsmaterial soweit aufgeheizt wird, dass sich einzelne Teilchen aus seinem Atomverbund lösen und auf der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils kondensieren. Daneben existieren auch Sputtertech- nologien, bei welchen Oberflächenatome aus einem Target, welches das Beschichtungsmaterial bildet, durch Sputtern, das heißt den Aufprall ener- giereicher Teilchen, meistens Argomonen, herausgelost werden. Dem gegenüber wird bei der chemischen Gasphasenabscheidung auf der Oberfläche eines zu beschichtenden Bauteils aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden. Ein wesentlicher Vorteil der physikalischen Gasphasenabscheidung oder der chemischen Gasphasenabscheidung ist, dass die Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Deckschicht bei niedrigen Temperaturen ohne weiteres möglich ist. Die Temperatur kann dabei weniger als 300°C betragen, insbesondere unterhalb von 50°C liegen und bevorzugt nahe der Raumtemperatur liegen. Dadurch wird verhindert, dass - anders als bei anderen Verfahren zur Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Schichten - die Komponenten der Feldeffekttransistoren beschädigt werden. The cover layer can preferably be produced by means of physical vapor deposition (PVD) and/or chemical vapor deposition (CVD). Physical vapor deposition is a vacuum-based coating process for depositing thin layers. With the help of physical processes, the starting material, which is in particular solid, is converted into the gas phase before it is fed to the object to be coated. Physical vapor deposition can include, for example, thermal evaporation, in which a coating material is heated to such an extent that individual particles are detached from its atomic structure and condense on the surface of the component to be coated. In addition, there are also sputtering technologies in which surface atoms from a target, which forms the coating material, are generated by sputtering, i.e. the impact. greedy particles, mostly argomons, are extracted. In contrast, in chemical vapor deposition, a solid component is deposited on the surface of a component to be coated as a result of a chemical reaction from the vapor phase. A major advantage of physical vapor deposition or chemical vapor deposition is that it is readily possible to deposit a carbon-containing top layer at low temperatures. The temperature can be less than 300° C., in particular below 50° C. and preferably close to room temperature. This prevents the components of the field effect transistors from being damaged - in contrast to other methods for depositing layers containing carbon.
Bevorzugt wird zur Abscheidung der Deckschicht ein Plasma erzeugt. Die Plasmaerzeugung kann dabei durch den Beschuss eines Targets aus Graphit mit einem gepulsten Laser erfolgen. Dieses Verfahren, auch PLD genannt, ermöglicht die Bereitstellung eines Plasmas aus hochenergetischen Kohlenstoffatomen, welches zur Ausbildung einer Deckschicht mit diamantartigem Kohlenstoff führt. A plasma is preferably generated to deposit the cover layer. The plasma can be generated by bombarding a graphite target with a pulsed laser. This process, also called PLD, enables the provision of a plasma of high-energy carbon atoms, which leads to the formation of a top layer of diamond-like carbon.
Alternativ kann die Plasmaerzeugung mittels einer elektrischen Vakuumbogenentladung auf ein Graphittarget erfolgen. Bei diesem PVD-Verfahren erfolgt ein lokales Verdampfen auf einem Target mittels eines Vakuumlichtbogens. Dabei finden stromstarke elektrische Entladungen oder Gasentladungen auf einem Graphittarget statt, die bewirken, dass das Target lokal am Fußpunkt der Entladungen, den so genannten Brennflecken thermisch verdampft. Die Zündung des Prozesses kann dabei durch einen Abreißfunken erfolgen. Alternativ kann für die Zündung ein gepulster Laser mit einer hohen Leistungsdichte verwendet werden. Der Bogenstrom wird letztlich konzentriert in einem Brennfleck, dem sogenannten Spot. Dieser ist sichtbar als hell leuchtender Fleck mit einem Durchmesser von etwa 1 mm und hat nur eine kurze Lebensdauer, da sich beim Verdampfen von Material lokal die Emissionsbedingungen verschlechtern und der Strom über eine andere Stelle fließt. Die Vakuumlichtbogenentladung kann entweder kontinuierlich, im so genannten DC-Modus, oder im gepulsten Modus oder in einer Kombination beider Modi betrieben werden. Alternatively, the plasma can be generated by means of an electrical vacuum arc discharge onto a graphite target. In this PVD process, local evaporation takes place on a target using a vacuum arc. In this case, high-current electrical discharges or gas discharges take place on a graphite target, causing the target to thermally vaporize locally at the base of the discharges, the so-called focal spots. The process can be ignited by a spark. Alternatively, a pulsed laser with a high power density can be used for ignition. The arc current is ultimately concentrated in a focal point, the so-called spot. This is visible as brightly glowing spot with a diameter of about 1 mm and has only a short lifespan, since the emission conditions deteriorate locally when material evaporates and the current flows through a different location. The vacuum arc discharge can be operated either continuously, in the so-called DC mode, or in pulsed mode or in a combination of both modes.
In weiterer Ausgestaltung kann ein Filter zwischen dem Target der Vorrichtung zur Vakuumbogenentladung und zur zu beschichtenden Vorrichtung angeordnet sein, um hochgeschleuderte Makroteile, beispielsweise sogenannte Droplets, zurückzuhalten. Mit anderen Worten werden bei der Vakuumlichtbogenentladung emittierte Makroteilchen, auch Droplets genannt, vom Plasma abgetrennt. Dazu wird der Plasmafluss bevorzugt entlang magnetischer Linien in Richtung der zu beschichtenden Vorrichtung abgelenkt, während die Droplets auf einem sogenannten Baffle zurückgehalten werden. Ein Beispiel für einen solchen Filter, der in verschiedenen Bauformen eingesetzt werden kann, ist das sogenannte large area filtered arc source (LAFAS)- System, bei dem der Plasmafluss durch Ringmagneten um einen Winkel von etwa 90° umgelenkt wird, während die Makroteilchen, beispielsweise Droplets, durch die Magnetfelder kaum beeinflusst werden und nicht auf die beschichtende Vorrichtung gelangen können. In a further embodiment, a filter can be arranged between the target of the device for vacuum arc discharge and the device to be coated, in order to retain macro-parts, for example so-called droplets, that are thrown up. In other words, macroparticles, also called droplets, emitted during the vacuum arc discharge are separated from the plasma. For this purpose, the plasma flow is preferably deflected along magnetic lines in the direction of the device to be coated, while the droplets are held back on a so-called baffle. An example of such a filter, which can be used in various designs, is the so-called large area filtered arc source (LAFAS) system, in which the plasma flow is deflected by ring magnets through an angle of around 90°, while the macroparticles, for example Droplets, through which the magnetic fields are hardly influenced and cannot reach the coating device.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein gepulster Laser als Zündquelle für die gepulste Vakuumbogenentladung verwendet werden. Man spricht hier von dem sogenannten Laser-Arc-Verfahren. In a further embodiment of the method according to the invention, a pulsed laser can be used as the ignition source for the pulsed vacuum arc discharge. This is referred to as the so-called laser arc method.
Die Abscheidung der Deckschicht erfolgt bevorzugt in einer Vakuumkammer. Bevorzugt werden die zu beschichtenden Vorrichtungen an einem Substrathalter, welcher sich in der Vakuumkammer befindet, befestigt. Um eine gleichmäßige Beschichtung an einer Vielzahl von Vorrichtungen zu erzielen, kann der Substrathalter in Rotation versetzt werden. Insbesondere kann der Substrathalter derart ausgestaltet sein, dass die Vorrichtungen mehrere überlagerte rotatorische Bewegungen durchführen. Zur Beeinflussung der Beschichtung kann auch eine sogenannte BIAS-Spannung an dem Substrathalter angelegt werden. Dadurch können die Teilchenenergie der auftreffenden Teilchen und damit die Schichteigenschaften beeinflusst werden. Es ist auch denkbar, dass sowohl die Grundbeschichtung, als auch die Deckschicht in einer Vakuumkammer nacheinander abgeschieden werden. The top layer is preferably deposited in a vacuum chamber. The devices to be coated are preferably attached to a substrate holder which is located in the vacuum chamber. To achieve uniform coating on a variety of fixtures, the substrate holder can be rotated. In particular, the substrate holder can be designed in such a way that the devices carry out several superimposed rotational movements. A so-called BIAS voltage can also be applied to the substrate holder to influence the coating. As a result, the particle energy of the impinging particles and thus the layer properties can be influenced. It is also conceivable that both the base coat and the top coat are deposited one after the other in a vacuum chamber.
Vorteilhafterweise wird die Vakuumkammer vor der Abscheidung der Deckschicht auf einen Druck unterhalb von 104 mbar, insbesondere unterhalb von 5x 105 mbar evakuiert. Bei solchem Drücken können sehr reine Kohlenstoffschichten abgeschieden werden. Bevorzugt wird während der Abscheidung der Deckschicht ein überwiegend inertes Gas in die Vakuumkammer eingeleitet. Dabei kann es sich um reines Argon handeln; gleichermaßen ist es denkbar, dass Gemische überwiegend aus Argon mit geringen Anteilen Wasserstoff, insbesondere weniger als 5%, bevorzugt 2% Wasserstoff, in die Vakuumkammer eingeleitet werden. The vacuum chamber is advantageously evacuated to a pressure below 10 4 mbar, in particular below 5×10 5 mbar, before the covering layer is deposited. At such pressures, very pure carbon layers can be deposited. A predominantly inert gas is preferably introduced into the vacuum chamber during the deposition of the cover layer. This can be pure argon; it is equally conceivable that mixtures predominantly of argon with small amounts of hydrogen, in particular less than 5%, preferably 2% hydrogen, are introduced into the vacuum chamber.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vor der Abscheidung der Deckschicht ein Plasmaätzen der Oberfläche der Grundbeschichtung stattfinden. Dabei kann es sich um eine Vorbehandlung mittels einer Glimmentladung handeln, welche man auch als Sputterätzen bezeichnet und die bevorzugt in der Vakuumkammer stattfindet. Dadurch wird die Oberfläche der Grundbeschichtung gereinigt, sodass die Deckschicht mit einer hohen Adhäsion abgeschieden werden kann. Gleichzeitig wird die Intensität beim Plasmaätzen so eingestellt, dass es zu keinem nennenswerten Abtrag der obersten Lage der Grundbeschichtung kommt, sondern lediglich eine Entfernung von Adsorbaten und eine Aktivierung der Oberfläche stattfindet. Um einen möglicherweise vorhandenen Wasserfilm auf dem Substrat bzw. auf dem Nanodraht zu beseitigen, kann vor dem Plasmaätzen die Vorrichtung aufgeheizt werden. Konkret kann dies in der Vakuumkammer bei einem Druck von weniger als 5x 105 mbar durch Strahlungsheizen für eine Dauer von etwa 30 Minuten erfolgen. In a further embodiment of the method according to the invention, plasma etching of the surface of the base coating can take place before the top layer is deposited. This can be a pretreatment by means of a glow discharge, which is also referred to as sputter etching and which preferably takes place in the vacuum chamber. This cleans the surface of the base coat so that the top coat can be deposited with high adhesion. At the same time, the intensity during plasma etching is adjusted in such a way that there is no significant removal of the top layer of the base coating, but only a removal of adsorbates and activation of the surface. In order to eliminate any water film that may be present on the substrate or on the nanowire, the device can be heated before plasma etching. Specifically, this can be done in the vacuum chamber at a pressure of less than 5x 10 5 mbar by radiant heating for a period of about 30 minutes.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen With regard to further advantageous refinements of the invention, reference is made to the subclaims and to the following description of an exemplary embodiment with reference to the attached drawing. Show in the drawing
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Nanodraht- Feldeffekttransistors; FIG. 1 shows a schematic representation of a nanowire field effect transistor;
Figur 2 einen Silizium-Wafer mit einer Vielzahl von Nanodraht- Feldeffekttransistoren in perspektivischer Darstellung; FIG. 2 shows a perspective representation of a silicon wafer with a multiplicity of nanowire field effect transistors;
Figur 3 eine Detailansicht eines Nanodraht- Feldeffekttransistors in Draufsicht; FIG. 3 shows a detailed view of a nanowire field effect transistor in plan view;
Figur 4 eine Detailansicht der Darstellung aus Figur 3; FIG. 4 shows a detailed view of the illustration from FIG. 3;
Figur 5 einen Nanodraht- Feldeffekttransistor aus den Figuren 3 und 4 im Querschnitt; FIG. 5 shows a nanowire field effect transistor from FIGS. 3 and 4 in cross section;
Figur 6 ein XPS-Tiefenprofil des Nanodraht- Feldeffekttransistors aus den Figuren 3 bis 5; Figur 7 ein XPS Spektrum der Oberfläche des Nanodraht- Feldeffekttransistors der Figuren 3 bis 5. FIG. 6 shows an XPS depth profile of the nanowire field effect transistor from FIGS. 3 to 5; Figure 7 shows an XPS spectrum of the surface of the nanowire field effect transistor of Figures 3 to 5.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen eine Vorrichtung zur Messung von Potentialen einer biologischen, chemischen oder anderen Probe, welche vorliegend als Biosensor 1 ausgebildet ist. FIGS. 1 to 5 show a device for measuring potentials of a biological, chemical or other sample, which is designed as a biosensor 1 in the present case.
Die Vorrichtung umfasst, wie insbesondere in den Figuren 1 und 5 erkennbar ist, ein Substrat 2, welches vorliegend aus einen Siliziumwafer 3 und einer obenseitigen, etwa 150 nm dicken Oxidschicht 4 besteht. Das Substrat 2, welches vorliegend für Testzwecke verwendet wird, ist dabei plattenförmig ausgebildet und hat eine quadratische Grundfläche mit einer Kantenlänge von etwa 11 mm. As can be seen in particular in FIGS. 1 and 5, the device comprises a substrate 2, which in the present case consists of a silicon wafer 3 and an oxide layer 4 on the upper side which is approximately 150 nm thick. The substrate 2, which is used here for test purposes, is plate-shaped and has a square base area with an edge length of about 11 mm.
Ferner umfasst die Vorrichtung, wie in Figur 2 erkennbar ist, insgesamt 32 nebeneinander angeordnete Feldeffekttransistoren 5. Jeder Feldeffekttransistor 5 umfasst einen Nanodraht 6 aus Silizium mit einer Höhe von etwa 60 nm. Die Nanodrähte 6 besitzen, wie in Figur 5 erkennbar ist, einen trapezförmigen Querschnitt. Dabei liegt die längere Grundseite des Trapezes direkt auf der Oberfläche des Substrats 2 an. Furthermore, as can be seen in FIG. 2, the device comprises a total of 32 field effect transistors 5 arranged next to one another. Each field effect transistor 5 comprises a nanowire 6 made of silicon with a height of approximately 60 nm Cross-section. In this case, the longer base of the trapezoid lies directly on the surface of the substrate 2 .
Jeder Nanodraht 6 ist, wie in der schematischen Darstellung der Figur 1 erkennbar ist, an einem Ende mit einem Source-Kontakt 7 und an dem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt 8 verbunden. Ferner umfasst jeder Feldeffekttransistor 5 einen Gate-Kontakt 9, der oberhalb vom Nanodraht 6 und von diesem beabstandet angeordnet ist. Bei der Messung eines Potentials einer Probe taucht dabei der Gate-Kontakt 9 in die Flüssigkeit ein, so dass man auch von einem Liquid-Gate-Kontakt spricht. Die Oberfläche der Flüssigkeit ist dabei durch die Ebene 10 schematisch dargestellt. Die Nanodrähte 6 und deren unmittelbare Umgebung sind mit einer Beschichtungsanordnung 11 versehen, die im Detail in der Figur 5 erkennbar ist. Diese umfasst zunächst eine Grundbeschichtung 12 aus einem dielektrischen Material, vorliegend eine 8 mm Siliziumoxidschicht, die in einer Vakuumanlage mittels thermischen Wachstums abgeschieden wurde. Der Umgebungsdruck beträgt dabei weniger als 5 x 105 mbar. As can be seen in the schematic illustration in FIG. 1, each nanowire 6 is connected to a source contact 7 at one end and to a drain contact 8 at the other end. Furthermore, each field effect transistor 5 comprises a gate contact 9 which is arranged above nanowire 6 and at a distance from it. When measuring a potential of a sample, the gate contact 9 is immersed in the liquid, so that one also speaks of a liquid gate contact. The surface of the liquid is represented schematically by plane 10 . The nanowires 6 and their immediate surroundings are provided with a coating arrangement 11, which can be seen in detail in FIG. This initially includes a base coating 12 made of a dielectric material, in the present case an 8 mm silicon oxide layer, which was deposited in a vacuum system by means of thermal growth. The ambient pressure is less than 5×10 5 mbar.
Die Beschichtungsanordnung 11 umfasst ferner eine Deckschicht 13 mit einer Dicke von etwa 5 nm. Die Deckschicht 13 weist diamantartig gebundenen Kohlenstoff mit einem Anteil von etwa 60 Atom% und graphitartig gebundenen Kohlenstoff auf. Ferner können Fremdatome, insbesondere Bor, Silizium, Stickstoff, Molybdän, Chrom, Titan und/oder Eisen insgesamt höchstens 10 Atom% in der Deckschicht 13 enthalten sein. The coating arrangement 11 also includes a cover layer 13 with a thickness of approximately 5 nm. The cover layer 13 has diamond-like bonded carbon with a proportion of approximately 60 atom % and graphite-bound carbon. Furthermore, foreign atoms, in particular boron, silicon, nitrogen, molybdenum, chromium, titanium and/or iron, can be contained in the cover layer 13 in a total of at most 10 atom %.
Die Deckschicht 13 wird erfindungsgemäß mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) hergestellt. Zunächst wird dazu die Vorrichtung an einem in einer Vakuumkammer angeordneten und rotierbaren Substrathalter befestigt. Anschließend wird die Vakuumkammer evakuiert bis zu einem Druck von weniger als 5 x 105 mbar, bevor die Vorrichtung aufgeheizt wird, um die Oberfläche des Substrats und des Nanodrahts zu trocknen beziehungsweise einen Wasserfilm auf der Oberfläche des Substrats und des Nanodrahts zu beseitigen. Konkret erfolgt dies über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten bei einem Umgebungsdruck von weniger als 5 x 10-5 mbar. Anschließend wird ein Plasmaätzen durchgeführt, um die Oberfläche der Grundbeschichtung 12 zu aktivieren. Dazu wird eine lineare Plasmaquelle, vom Typ her eine Anode-Layer-Source verwendet. Es wird in der Quelle eine konstante Spannung von 2.000 V bei 250 mA Stromfluss eingestellt. Es wird ein Prozessgas bestehend aus 98% Argon und 2% Wasserstoff eingesetzt. Die Plasmaätzquelle wird für eine Dauer von 200 Sekunden betrieben. Auch andere Zeitdauern, beispielsweise 60 Sekunden, sind prinzipiell denkbar. Währenddessen werden die Vorrichtungen in eine Rotation mit einer Geschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Minute versetzt, sodass jede Vorrichtung exakt zweimal von der Plasmaquelle direkt behandelt wird. According to the invention, the cover layer 13 is produced by means of physical vapor deposition (PVD). For this purpose, the device is first attached to a rotatable substrate holder which is arranged in a vacuum chamber. The vacuum chamber is then evacuated to a pressure of less than 5×10 5 mbar before the device is heated to dry the surface of the substrate and the nanowire or to eliminate a water film on the surface of the substrate and the nanowire. Specifically, this takes place over a period of about 30 minutes at an ambient pressure of less than 5 x 10-5 mbar. Plasma etching is then performed to activate the surface of the base coat 12. FIG. For this purpose, a linear plasma source of the type used is an anode layer source. A constant voltage of 2,000 V with a current flow of 250 mA is set in the source. A process gas consisting of 98% argon and 2% hydrogen is used. The plasma etch source is operated for a period of 200 seconds. In principle, other periods of time, for example 60 seconds, are also conceivable. Meanwhile, the devices are rotated at a speed of 2 revolutions per minute, so that each device is treated exactly twice by the plasma source directly.
Für die Beschichtung mit der kohlenstoffhaltigen Deckschicht 13 wird ein Laser-Arc-Modul, insbesondere ein solches mit einem Plasmafilter, verwendet. Konkret wird Plasma erzeugt, ausgehend von einem Graphittarget, mittels einer Vakuumbogenentladung. Als Zündhilfe für die Vakuumbogenverdampfung wird ein gepulster Laser benutzt. Dabei wird das Laser-Arc-Modul mit einer Taktfrequenz von 75 Hertz betrieben und ein maximaler Entladungsstrom von 1.600 Ampere verwendet. An den Substrathalter wird dabei keine BIAS-Spannung angelegt. Insgesamt werden 5.250 Pulse durchgeführt, um eine Schichtdicke von etwa 5 Nanometer zu erreichen. Die Temperatur der Vorrichtung liegt dabei durchgehend unterhalb von 50°C. A laser arc module, in particular one with a plasma filter, is used for the coating with the carbon-containing cover layer 13 . Concretely, plasma is generated, starting from a graphite target, by means of a vacuum arc discharge. A pulsed laser is used as an ignition aid for the vacuum arc evaporation. The laser arc module is operated with a clock frequency of 75 Hertz and a maximum discharge current of 1,600 amperes is used. In this case, no BIAS voltage is applied to the substrate holder. A total of 5,250 pulses are carried out in order to achieve a layer thickness of around 5 nanometers. The temperature of the device is consistently below 50°C.
Die auf diese Weise erzeugte Schicht wurde mittels Röntgen- Photoelektronen- Spektroskopie (XPS) untersucht. Dabei handelt es sich um eine Untersuchungsmethode, die eingesetzt wird, um Informationen über die Elementzusammensetzung der Oberfläche und über den chemischen Bindungszustand zu erlangen. Die Informationstiefe liegt dabei üblicherweise im Bereich bis zu 3 nm oder weniger Atomlagen. The layer produced in this way was examined by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). This is an examination method that is used to obtain information about the elemental composition of the surface and about the chemical bonding state. The information depth is usually in the range of up to 3 nm or less atomic layers.
Das Ergebnis einer solchen Untersuchung ist zunächst in Figur 6 dargestellt. Dazu wurde die Oberfläche der Deckschicht 13 aufgenommen. Das in der Figur 6 dargestellte Spektrum zeigt bestimmte Bindungsenergien, die für verschiedene Bindungen charakteristisch sind. Es ist zu entnehmen, dass der Anteil an graphitartig gebundenem Kohlenstoff (sp2) in der Oberfläche etwa 35 Atom% beträgt, während der Anteil der diamantartig gebundenem Kohlenstoff (sp3) etwa 60 Atom% beträgt. Die restlichen Anteile entfallen dabei auf Verbindungen von Kohlenstoff mit Sauerstoff. Für das in der Figur 7 dargestellte Tiefenprofil wurde während der XPS Untersuchung die Oberfläche mit Argon-Ionen beschossen. Das Tiefenprofil zeigt deutlich an der Oberfläche eine kohlenstoffhaltige Schicht (durchgezo- gene Linie), darunter eine Schicht aus Siliziumoxid (grob gestrichelte Linie), bevor sich unterhalb das Material des Nanodrahts 6 (Silizium) anschließt. The result of such an examination is initially shown in FIG. For this purpose, the surface of the cover layer 13 was recorded. The spectrum shown in FIG. 6 shows specific binding energies that are characteristic of different bonds. It can be seen that the proportion of graphitic bonded carbon (sp2) in the surface is about 35 atomic %, while the proportion of diamond-like bonded carbon (sp3) is about 60 atomic %. The remaining shares are accounted for by compounds of carbon and oxygen. For the depth profile shown in FIG. 7, the surface was bombarded with argon ions during the XPS investigation. The depth profile clearly shows a carbon-containing layer on the surface (solid line), including a layer of silicon oxide (roughly dashed line), before the material of the nanowire 6 (silicon) follows below.
Die mit einer solchen kohlenstoffhaltigen Deckschicht 13 versehenen Nanodraht-Feldeffekttransistoren haben gegenüber einer Ausführung ohne eine solche kohlenstoffhaltige Deckschicht 13 bei Kontakt mit entsprechenden Testflüssigkeiten eine deutlich höhere Stabilität, was über die Zeit zu einer deutlich geringeren Änderung der elektrischen Eigenschaften der Feldeffekttransistoren führt. Compared to an embodiment without such a carbon-containing cover layer 13, the nanowire field-effect transistors provided with such a carbon-containing cover layer 13 have a significantly higher stability when in contact with corresponding test liquids, which leads to a significantly smaller change in the electrical properties of the field-effect transistors over time.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Biosensor 1 biosensor
2 Substrat 3 Silizium- Wafer 2 substrate 3 silicon wafer
4 Oxidschicht 4 oxide layer
5 Feldeffekttransistor 5 field effect transistor
6 Nanodraht 6 nanowire
7 Source-Kontakt 8 Drain-Kontakt 7 source contact 8 drain contact
9 Gate-Kontakt 9 gate contact
10 Probenoberfläche 10 sample surface
11 Beschichtungsanordnung 11 coating arrangement
12 Grundbeschichtung 13 Deckschicht 12 base coat 13 top coat

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Vorrichtung zur Messung von Potentialen an einer biologischen, chemischen oder anderen Probe, mit einem Substrat (2) und mindestens einem auf dem Substrat (2) angeordneten Nanodraht (6) aus einem halbleitenden Material, wobei der Nanodraht (6) mit einer Beschichtungsanordnung (11) versehen ist, welche eine Grundbeschichtung (12) aus einem dielektrischen Material umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsanordnung (11) ferner eine Deckschicht (13) umfasst, welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht. 1. A device for measuring potentials in a biological, chemical or other sample, having a substrate (2) and at least one nanowire (6) made of a semiconducting material arranged on the substrate (2), the nanowire (6) having a coating arrangement (11) which comprises a base coating (12) of a dielectric material, characterized in that the coating arrangement (11) further comprises a top layer (13) which comprises or consists of carbon.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) diamantartig gebundenen Kohlenstoff und graphitartig gebundenen Kohlenstoff aufweist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the cover layer (13) has diamond-like bonded carbon and graphite-bonded carbon.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an diamantartig gebundenem Kohlenstoff in der Deckschicht (13) mindestens 10 Atom%, insbesondere mindestens 25 Atom%, bevorzugt mindestens 50 Atom% beträgt. 3. Device according to claim 2, characterized in that the proportion of diamond-like bonded carbon in the top layer (13) is at least 10 atom %, in particular at least 25 atom %, preferably at least 50 atom %.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) Fremdatome, insbesondere Bor, Silizium, Stickstoff, Wasserstoff, Molybdän, Chrom, Titan und/oder Eisen, bevorzugt mit einem Anteil von insgesamt höchstens 20 Atom%, besonders bevorzugt mit einem Anteil von höchstens 10 Atom%, enthält. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cover layer (13) contains foreign atoms, in particular boron, silicon, nitrogen, hydrogen, molybdenum, chromium, titanium and/or iron, preferably with a total proportion of at most 20 atomic %. particularly preferably in a proportion of at most 10 atom %.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Deckschicht (13) mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 3 nm, und/oder höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 20 nm beträgt. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the cover layer (13) is at least 2 nm, in particular at least 3 nm, and/or at most 100 nm, in particular at most 20 nm.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht (6) einen trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt aufweist. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one, in particular each nanowire (6) has a trapezoidal or triangular cross section.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Feldeffekttransistor (5) aufweist. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has at least one field effect transistor (5).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht (6) Bestandteil eines Feldeffekttransistors (5) ist und an einem Ende mit einem Source-Kontakt (7) und an einem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt (8) verbunden ist oder solche aufweist. 8. The device according to claim 7, characterized in that at least one, in particular each nanowire (6) is part of a field effect transistor (5) and at one end with a source contact (7) and at the other end with a drain contact ( 8) is connected or has such.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Feldeffekttransistor (5) einen Gate-Kontakt (9) umfasst, welcher von dem Nanodraht (6) beabstandet ist und mit der Probe in Kontakt steht oder bringbar ist. 9. Device according to claim 8, characterized in that each field effect transistor (5) comprises a gate contact (9) which is spaced apart from the nanowire (6) and is in contact or can be brought into contact with the sample.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil eines Biosensors (1) ist oder einen solchen bildet. 19 10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device is part of a biosensor (1) or forms such. 19
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundbeschichtung (12) einlagig aufgebaut ist und insbesondere aus Siliziumoxid (SiC^) besteht. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the base coating (12) is constructed in one layer and consists in particular of silicon oxide (SiC ^).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundbeschichtung (12) mehrlagig, insbesondere zweilagig aufgebaut ist und unmittelbar an den Nanodraht (6) angrenzend eine innere Schicht aus einem ersten dielektrischen Material, insbesondere aus Siliziumoxid (SiO2), und eine äußere Schicht aus einem zweiten dielektrischen Material, insbesondere aus Aluminiumoxid (AI2O3), aufweist. 12. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the base coating (12) has a multilayer structure, in particular two layers, and an inner layer made of a first dielectric material, in particular silicon oxide (SiO2), directly adjoining the nanowire (6). , and an outer layer of a second dielectric material, in particular aluminum oxide (AI2O3).
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundbeschichtung (12) eine Dicke von mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 5 nm, und/oder von höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 50 nm aufweist. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the base coating (12) has a thickness of at least 2 nm, in particular at least 5 nm, and/or at most 100 nm, in particular at most 50 nm.
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) einen Silizium-Wafer (3) umfasst, wobei zwischen dem Silizium- Wafer (3) und dem Nanodraht (6) insbesondere eine Oxidschicht (4) ausgebildet ist. 14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate (2) comprises a silicon wafer (3), in particular an oxide layer (4) being formed between the silicon wafer (3) and the nanowire (6). .
15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht mit einer Schutzschicht überzogen ist, welche insbesondere Aluminiumoxid (AI2O3) enthält und/oder eine Dicke von mindestens 5 und/oder von höchstens 10 nm aufweist. 15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cover layer is coated with a protective layer which contains in particular aluminum oxide (Al2O3) and/or has a thickness of at least 5 and/or at most 10 nm.
16. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, welches die folgenden Schritte umfasst: 20 16. A method for producing a device according to any one of the preceding claims, which comprises the following steps: 20
- Bereitstellen eines Substrats (2) mit mindestens einem auf dem Substrat (2) angeordneten Nanodraht (6) aus einem halbleitenden Material; - Providing a substrate (2) with at least one on the substrate (2) arranged nanowire (6) made of a semiconductive material;
- Beschichten des Nanodrahts (6) mit einer Grundbeschichtung (12), welche eine Schicht aus einem dielektrischen Material umfasst; - coating the nanowire (6) with a base coating (12) comprising a layer of dielectric material;
- Abscheidung einer Deckschicht (13), welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht. - Deposition of a cover layer (13) which has carbon or consists of it.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht durch thermisches Wachstum abgeschieden wird. 17. The method according to claim 16, characterized in that the dielectric layer is deposited by thermal growth.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt wird. 18. The method according to claim 16 or claim 17, characterized in that the cover layer (13) is produced by means of physical vapor deposition (PVD) and/or chemical vapor deposition (CVD).
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abscheidung der Deckschicht (13) ein Plasma erzeugt wird. 19. The method according to claim 18, characterized in that a plasma is generated to deposit the cover layer (13).
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugung durch den Beschuss eines Targets aus Graphit mit einem gepulsten Laser erfolgt. 20. The method according to claim 19, characterized in that the plasma is generated by bombarding a target made of graphite with a pulsed laser.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugung mittels einer elektrischen Vakuumbogenentladung auf ein Graphittarget erfolgt. 21 21. The method according to claim 19, characterized in that the plasma is generated by means of an electrical vacuum arc discharge onto a graphite target. 21
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmafilterung vorgesehen ist, um Makropartikel, die bei der Vakuumbogenentladung entstehen, aus dem Plasma abzutrennen. 22. The method as claimed in claim 21, characterized in that plasma filtering is provided in order to separate macroparticles, which are produced during the vacuum arc discharge, from the plasma.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster Laser als Zündquelle für die gepulste Vakuumbogenentladung verwendet wird. 23. The method according to claim 21 or 22, characterized in that a pulsed laser is used as the ignition source for the pulsed vacuum arc discharge.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Deckschicht (13) in einer Vakuumkammer erfolgt. 24. The method according to any one of claims 18 to 23, characterized in that the deposition of the cover layer (13) takes place in a vacuum chamber.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Deckschicht (13) die Vakuumkammer auf einen Druck unterhalb von 104 mbar, insbesondere unterhalb von 5 x 105 mbar evakuiert wird. 25. The method according to claim 24, characterized in that before the deposition of the cover layer (13), the vacuum chamber is evacuated to a pressure below 10 4 mbar, in particular below 5×10 5 mbar.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abscheidung der Deckschicht (13) ein überwiegend inertes Gas, insbesondere Argon, in die Vakuumkammer eingeleitet wird. 26. The method according to claim 24 or 25, characterized in that a predominantly inert gas, in particular argon, is introduced into the vacuum chamber during the deposition of the cover layer (13).
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Deckschicht (13) ein Plasmaätzen der Oberfläche der Grundbeschichtung (12) stattfindet. 27. The method according to any one of claims 16 to 26, characterized in that plasma etching of the surface of the base coating (12) takes place before the deposition of the cover layer (13).
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Plasmaätzen die Vorrichtung aufgeheizt wird, um die Substratoberfläche zu trocknen und/oder einen Wasserfilm auf der Substratoberfläche zu entfernen. 28. The method according to claim 27, characterized in that the device is heated before the plasma etching in order to dry the substrate surface and/or to remove a film of water on the substrate surface.
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