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DE102012017894A1 - Method for applying an oxide layer to a surface - Google Patents

Method for applying an oxide layer to a surface Download PDF

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DE102012017894A1
DE102012017894A1 DE201210017894 DE102012017894A DE102012017894A1 DE 102012017894 A1 DE102012017894 A1 DE 102012017894A1 DE 201210017894 DE201210017894 DE 201210017894 DE 102012017894 A DE102012017894 A DE 102012017894A DE 102012017894 A1 DE102012017894 A1 DE 102012017894A1
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DE
Germany
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process gas
substrate
layer
plasma
base element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE201210017894
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German (de)
Inventor
Sebastian Dahle
Wolfgang Maus-Friedrichs
Alfred Weber
Wolfgang Viöl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Clausthal
Hochschule fuer Angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim Holzminden Gottingen
Original Assignee
Technische Universitaet Clausthal
Hochschule fuer Angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim Holzminden Gottingen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Technische Universitaet Clausthal, Hochschule fuer Angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim Holzminden Gottingen filed Critical Technische Universitaet Clausthal
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Abstract

The method comprises plasma coating a surface (4) of a substrate (2) with a preparation layer (12) using a first process gas containing base element in a gaseous compound so that the preparation layer includes the base element, and plasma treating the preparation layer using a second process gas containing molecular oxygen. The first process gas contains a gaseous precursor, and a carrier gas. The element includes a metal or a semiconductor. The second process gas is air. The substrate is made of a metallic, semiconducting, ceramic or organic material, and includes micro- or nanoparticles.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Oxidschicht aus einem Oxid eines Grundelementes auf eine Oberfläche eines Subtrates. Die Beschichtung von Oberflächen von Substraten mit Oxidschichten aus Oxiden unterschiedlichster Grundelemente, wie beispielsweise Titan, Silizium oder ähnlichem wird heute in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen moderner Technik verwendet. So können beispielsweise Dachpfannen mit einer Titandioxid-Partikel-Beschichtung versehen werden, die anschließend thermischen Behandlungen unterzogen werden müssen. Durch Oxidschichten können zudem dielektrische Schichten für Solarzellenanwendungen und für Feldeffekttransistoren in der Mikroelektronik, hydrophobe Passivierungsschichten für unterschiedlichste Anwendungen, Antireflexbeschichtungen auf Gläsern oder biofunktionale Schichten, beispielsweise auf medizinischen Implantatwerkstücken, erzeugt werden. Diese Anwendungen beziehen sich allein auf die Verwendung von Siliziumoxidschichten. Natürlich sind auch andere Grundelemente, wie beispielsweise Germanium, Arsen, Bor, Phosphor oder Tellur verwendbar, wodurch sich weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben.The invention relates to a method for applying an oxide layer of an oxide of a base element to a surface of a substrate. The coating of surfaces of substrates with oxide layers of oxides of various basic elements, such as titanium, silicon or the like is used today in a variety of applications of modern technology. For example, roof tiles can be provided with a titanium dioxide particle coating, which must then be subjected to thermal treatments. Oxide layers can also be used to produce dielectric layers for solar cell applications and for field effect transistors in microelectronics, hydrophobic passivation layers for a wide variety of applications, antireflection coatings on glasses or biofunctional layers, for example on medical implant workpieces. These applications relate solely to the use of silicon oxide layers. Of course, other basic elements, such as germanium, arsenic, boron, phosphorus or tellurium can be used, resulting in further applications.

Die Herstellung von Oxidschichten im industriellen Maßstab gestaltet sich jedoch vor allem wegen der benötigten Reinheiten der aufgebrachten Schichten technisch aufwändig und teuer. Insbesondere im Bereich mikroelektronischer Bauteile und Produkte müssen die aufgebrachten Schichten besonders rein sein, da selbst geringste Einflüsse auf die aufgebrachten Schichten zwischen oder während der Produktionsschritte nicht vernachlässigt werden können.However, the production of oxide layers on an industrial scale is technically complex and expensive, above all because of the required purities of the applied layers. Particularly in the field of microelectronic components and products, the applied layers must be particularly pure, since even the slightest influence on the applied layers between or during the production steps can not be neglected.

Herkömmlicherweise werden Oxidschichten durch Plasmabeschichtungsverfahren auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrates aufgebracht. Dabei wird das Grundelement, dessen Oxid die Oxidschicht bilden soll, in Form von gasförmigen Verbindungen, so genannter Präkursoren, bereitgestellt. Im Falle von Silizium kann dies Silan, Siloxane oder ein Derivat dieser Verbindungen sein. Diese Präkursoren werden zumindest auch als Prozessgas für die Plasmabeschichtung verwendet. Ein wesentliches Problem bei der Herstellung derartiger Oxidschichten mittels Plasmabeschichtung besteht darin, dass ein vorzeitiger direkter Kontakt des Präkursors mit Sauerstoff verhindert werden muss, da dies beispielsweise bei Siliziumoxidschichten zum Ausfällen von Nanopartikeln führen würde.Conventionally, oxide layers are applied to the surface of the substrate to be coated by plasma coating methods. In this case, the base element whose oxide is to form the oxide layer, in the form of gaseous compounds, so-called precursors provided. In the case of silicon, this may be silane, siloxanes or a derivative of these compounds. These precursors are also used at least as process gas for the plasma coating. A major problem in the production of such oxide layers by means of plasma coating is that premature direct contact of the precursor with oxygen must be prevented, since this would lead to precipitation of nanoparticles, for example in the case of silicon oxide layers.

Zur Lösung dieses Problems sind unterschiedliche Ansätze in der Literatur diskutiert worden.To solve this problem, different approaches have been discussed in the literature.

Beispielsweise soll durch spezielle Strömungsvorgänge innerhalb der Beschichtungsvorrichtung ein direkter vorzeitiger Kontakt zwischen dem Präkursor und Sauerstoff verhindert werden. Dies hat jedoch einen relativ komplizierten und damit kosten- und zeitaufwändigen Aufbau zur Folge. Andere Ansätze versuchen, andere Gase bei der Herstellung der Oxidschicht zu verwenden. So ist beispielsweise vorgeschlagen worden, als Sauerstoffquellen Kohlendioxid und Stickoxide anstelle von molekularem Sauerstoff zu verwenden. Anstelle der sehr reaktiven Präkursoren, wie zum Aufbringen einer Siliziumoxidschicht beispielsweise verwendetem Silan, werden zudem andere, weniger reaktive Präkursoren, wie beispielsweise gasförmige Siloxane oder Entsprechungen anderer Grundelemente vorgeschlagen.For example, should be prevented by special flow processes within the coating device direct premature contact between the precursor and oxygen. However, this has a relatively complicated and thus costly and time-consuming construction result. Other approaches attempt to use other gases in the production of the oxide layer. For example, it has been proposed to use as oxygen sources carbon dioxide and nitrogen oxides instead of molecular oxygen. In place of the very reactive precursors, such as silane used for depositing a silicon oxide layer, for example, other, less reactive precursors, such as gaseous siloxanes or equivalents of other basic elements, are proposed.

Die vorgeschlagenen Lösungen weisen jedoch entweder den Nachteil auf, dass sie komplizierte Vorrichtungen und/oder Prozessführungen benötigen, oder dass aufgrund der geringeren Reaktivität der verwendeten Prozessgase ein deutlich erhöhter Zeitaufwand für die Beschichtung der Oberflächen des Substrates benötigt wird. Zudem kann es bei der Verwendung weniger reaktiver Präkursoren zu unerwünschten Ablagerungen anderer Substanzen auf der zu beschichtenden Oberfläche kommen. Die Herstellung von Schichten mit besonders hoher Reinheit und Güte ist somit mit diesen Verfahren nur schwer und unter größtem Aufwand möglich.However, the proposed solutions either have the disadvantage that they require complicated devices and / or process guides, or that due to the lower reactivity of the process gases used a significantly increased time required for the coating of the surfaces of the substrate. In addition, the use of less reactive precursors may lead to unwanted deposits of other substances on the surface to be coated. The production of layers with particularly high purity and quality is thus possible with these methods only with difficulty and with the greatest effort.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen einer Oxidschicht vorzuschlagen, das für unterschiedlichste Materialien und Grundelemente schnell, einfach und kostengünstig durchführbar ist und durch das dennoch Schichten nahezu jeder gewünschten Qualität und Reinheit auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden können.The invention is therefore based on the object to propose a method for applying an oxide layer that is fast, easy and inexpensive feasible for a variety of materials and basic elements and still layers of almost any desired quality and purity can be applied to the surface to be coated.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren, das die folgenden Schritte aufweist:

  • a) Plasmabeschichten der Oberfläche des Substrates mit einer Vorbereitungsschicht, wobei ein erstes Prozessgas verwendet wird, das das Grundelement in einer gasförmigen Verbindung enthält, so dass die Vorbereitungsschicht das Grundelement enthält,
  • b) Plasmabehandeln der Vorbereitungsschicht, wobei ein zweites Prozessgas verwendet wird, das Sauerstoff enthält.
The invention achieves the stated object by a generic method which has the following steps:
  • a) plasma coating the surface of the substrate with a preparation layer, wherein a first process gas is used, which contains the base element in a gaseous compound, so that the preparation layer contains the base element,
  • b) plasma treating the preparation layer using a second process gas containing oxygen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Oxidschicht aus einem Oxid des Grundelementes nicht in einem einzigen Schritt auf die Oberfläche aufgebracht werden muss, sondern dass zunächst eine Vorbereitungsschicht aufgebracht werden kann, die anschließend leicht in ein Oxid umgewandelt werden kann. Dies hat den technisch bedeutenden Vorteil, dass zum Aufbringen der Vorbereitungsschicht ein Prozessgas verwendet werden kann, das keinen Sauerstoff enthält, so dass das Risiko vorzeitiger Oxidation des Grundelementes ausgeschlossen ist. Dadurch kann es auch nicht zum Ausfällen von Nanopartikeln oder zu sonstigen Störungen im Prozessablauf kommen. Der apparative Aufbau zum Durchführen eines derartigen Verfahrens ist denkbar einfach, da beispielsweise lediglich zwei Plasmavorrichtungen nacheinander verwendet werden müssen. Komplizierte apparative Aufbauten, um beispielsweise bestimmte Strömungseigenschaften und -wege der Prozessgase zu erreichen, um einen vorzeitigen Kontakt des Grundelements mit Sauerstoff zu verhindern, sind unnötig. Dabei können besonders einfach dielektrisch behinderte Plasmen verwendet werden, deren Handhabung aus dem Stand der Technik seit langem bekannt ist.The invention is based on the finding that the oxide layer of an oxide of the base element does not have to be applied to the surface in a single step, but that first of all a preparatory layer can be applied, which can then be easily converted into an oxide. This has the technical significant advantage that for applying the preparation layer, a process gas can be used that contains no oxygen, so that the risk of premature oxidation of the base element is excluded. This can not lead to the precipitation of nanoparticles or other disturbances in the process flow. The apparatus design for carrying out such a method is very simple since, for example, only two plasma devices have to be used one after the other. Complicated equipment structures, for example, to achieve certain flow characteristics and paths of the process gases to prevent premature contact of the base element with oxygen, are unnecessary. In this case, dielectrically impeded plasmas, whose handling from the prior art has been known for a long time, can be used in a particularly simple manner.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat zudem den Vorteil, dass bei der ersten Plasmabeschichtung ein reduzierend wirkendes Plasma verwendet wird, während im zweiten Schritt ein oxidierend wirkendes Plasma verwendet wird. Dies führt zu einer zumindest nahezu vollständigen Reinigung der Oberfläche des Substrates von Adsorbaten und anderen Verschmutzungen, die sich herkömmlicherweise im Laufe der Zeit auf dem Substrat ansammeln. Eine aufwändige vorherige Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche ist somit nicht nötig, wodurch das Beschichtungsverfahren weiter verschlankt und die Beschichtungskosten weiter gesenkt werden.The inventive method also has the advantage that in the first plasma coating, a reducing plasma is used, while in the second step, an oxidizing plasma is used. This results in at least nearly complete cleaning of the surface of the substrate of adsorbates and other contaminants that traditionally accumulate on the substrate over time. An expensive prior cleaning of the surface to be coated is therefore not necessary, whereby the coating process further streamlined and the coating costs are further reduced.

Vorteilhafterweise besteht das erste Prozessgas aus der gasförmigen Verbindung des Grundelementes. Dies bedeutet, dass das Prozessgas im Rahmen der erreichbaren chemischen Reinheiten lediglich aus der gasförmigen Verbindung des Grundelementes besteht. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise besonders reine Vorbereitungsschichten aufbringen, die nahezu ausschließlich aus dem Grundelement bestehen.Advantageously, the first process gas consists of the gaseous compound of the base element. This means that within the scope of the achievable chemical purities, the process gas merely consists of the gaseous compound of the basic element. In this way, it is possible, for example, to apply particularly pure preparatory layers which consist almost exclusively of the base element.

Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, dass das erste Prozessgas einen gasförmigen Präkursor, der das Grundelement in der gasförmigen Verbindung enthält, und ein Trägergas beinhaltet. Vorzugsweise ist das Trägergas dabei Stickstoff oder ein Edelgas. Auf diese Weise lässt sich die Vorbereitungsschicht, die während des ersten Plasmabeschichtungsvorganges auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht wird, beeinflussen. Wird als erstes Prozessgas beispielsweise eine Mischung aus Silan (SiH4) als Präkursor und Stickstoff (N2) als Trägergas verwendet, wobei 97% Stickstoff und 3% des Präkursors verwendet werden, führt dies im ersten Plasmabeschichtungsprozess beispielsweise zu einer fast stöchiometrischen Si3N4-Schicht. Natürlich sind auch andere, vorzugsweise inerte, Trägergase und andere Mischungsverhältnisse des Präkursors mit dem Trägergas möglich. Der Vorteil einer derartigen Siliziumnitridschicht gegenüber einer reinen Siliziumschicht liegt darin, dass beim Oxidieren des Siliziums in dem zweiten Plasmabeschichtungsvorgang der in der Vorbereitungsschicht enthaltene Stickstoff durch den Sauerstoff ersetzt wird. Auch wenn das gewünschte Siliziumoxid eine andere Kristallstruktur und eine andere stöchiometrische Verteilung als das Siliziumnitrid aufweist, besitzen beide Verbindungen doch in etwa die gleiche Atomdichte. Dies bedeutet, dass die aufgebrachte Vorbereitungsschicht bereits die nahezu gewünschte Dichte von Atomen des Grundelementes, in diesem Fall also Silizium, aufweist. Natürlich sind entsprechende Auswahlen für das verwendete Trägergas und den verwendeten Präkursor auch für andere Grundelemente und gewünschte Oxidschichten möglich.However, it may also be advantageous that the first process gas includes a gaseous precursor containing the base member in the gaseous compound and a carrier gas. The carrier gas is preferably nitrogen or a noble gas. In this way, the preparation layer, which is applied to the surface of the substrate during the first plasma coating process, can be influenced. If, for example, a mixture of silane (SiH 4 ) as precursor and nitrogen (N 2 ) as the carrier gas is used as the first process gas, 97% nitrogen and 3% of the precursor being used, this leads, for example, to an almost stoichiometric Si 3 N in the first plasma coating process 4- layer. Of course, other, preferably inert, carrier gases and other mixing ratios of the precursor with the carrier gas are possible. The advantage of such a silicon nitride layer over a pure silicon layer is that when the silicon is oxidized in the second plasma coating process, the nitrogen contained in the preparation layer is replaced by the oxygen. Although the desired silica has a different crystal structure and stoichiometric distribution than the silicon nitride, both compounds have approximately the same atomic density. This means that the applied preparation layer already has the almost desired density of atoms of the base element, in this case silicon. Of course, appropriate choices for the carrier gas used and the precursor used are also possible for other primitives and desired oxide layers.

Das Grundelement ist vorteilhafterweise ein Metall oder Halbleiter. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn die gasförmige Verbindung eine Verbindung des Grundelementes mit Wasserstoff ist. Je nach verwendetem Grundelement bieten sich hierbei folglich Silane für Silizium aber auch Germane für Germanium, Arsane für Arsen, Borane für Bor, Bismutane für Bismut, Phosphane für Phosphor, Plumbane für Blei, Selane für Selen, Stannane für Zinn, Stibane für Antimon und Tellane für Tellur als jeweiliges Grundelement an. Natürlich können auch Derivate der genannten Gase oder weitere, weniger reaktive Prozessgase verwendet werden. Welche chemische Zusammensetzung das erste Prozessgas tatsächlich aufweisen soll, kann individuell für die jeweils gewünschte aufzubringende Oxidschicht gewählt werden und ist für die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung unerheblich, solange das erste Prozessgas das Grundelement in einer gasförmigen Verbindung und vorzugsweise keinen Sauerstoff aufweist. Weitere Kriterien können die spätere Verwendung des so beschichteten Substrates und beispielsweise thermische und/oder mechanische Belastungen, denen das Substrat später ausgesetzt werden wird, sein.The primitive is advantageously a metal or semiconductor. It has proven to be particularly advantageous if the gaseous compound is a compound of the base element with hydrogen. Depending on the basic element used, silanes for silicon, but also germanium for germanium, arsenic for arsenic, borane for boron, bismuthine for bismuth, phosphane for phosphorus, lead for lead, selenium for selenium, stannane for tin, stibane for antimony and tellane for tellurium as the respective basic element. Of course, derivatives of said gases or other, less reactive process gases can be used. Which chemical composition the first process gas should actually have, can be selected individually for the desired oxide layer to be applied and is irrelevant to the operation of the present invention, as long as the first process gas has the base element in a gaseous compound and preferably no oxygen. Further criteria may be the subsequent use of the thus coated substrate and, for example, thermal and / or mechanical stresses to which the substrate will later be exposed.

Als zweites Prozessgas wird vorteilhafterweise Luft verwendet. Für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung muss die Luft, die als zweites Prozessgas verwendet werden soll, nicht vorbehandelt, gereinigt oder auf sonstige Weise bearbeitet werden. Das zweite Prozessgas ist in diesem Fall folglich kostenlos in unbegrenzter Menge verfügbar. Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise Verunreinigungen durch in der Luft vorhandenen Stickstoff oder durch andere Elemente in der aufzubringenden Oxidschicht nicht oder nur zu einem vernachlässigbaren Anteil auftreten. Interessanterweise verfügt das aus dem zweiten Prozessgas Luft hergestellte Plasma in einem weit überwiegenden Anteil lediglich über reaktiven Sauerstoff, während reaktive Bestandteile anderer Elemente, beispielsweise Sticksoff, quasi nicht auftreten. Doch selbst wenn derartige reaktive Anteile in dem aus Luft erzeugten Plasma enthalten sind, haben diese nahezu keine Möglichkeit, sich aufgrund der hohen Reaktivität des Sauerstoffs im Luftplasma auf der Oberfläche des Substrates niederzuschlagen und die Oxidschicht in irgendeiner Form zu verunreinigen.As the second process gas, air is advantageously used. For a method according to an embodiment of the present invention, the air to be used as the second process gas need not be pretreated, cleaned or otherwise processed. The second process gas is therefore available for free in unlimited quantities. Experiments have shown that, for example, contamination by nitrogen present in the air or by other elements in the oxide layer to be applied does not occur or only to a negligible extent. Interestingly, the plasma produced from the second process gas air has in a vast majority only reactive oxygen, while reactive constituents of others Elements, such as Sticksoff, virtually do not occur. However, even if such reactive moieties are contained in the plasma generated from air, they have almost no possibility of precipitating on the surface of the substrate due to the high reactivity of the oxygen in the air plasma and contaminating the oxide layer in any way.

Für andere Anwendungen kann es vorteilhaft sein, als zweites Prozessgas molekularen Sauerstoff zu verwenden. Dieser kann innerhalb der chemisch erreichbaren Reinheit ausschließlich oder als Mischung verwendet werden. So ist es beispielsweise denkbar, reinen molekularen Sauerstoff mit inerten Gasen zu vermengen und diese Mischung als zweites Prozessgas zu verwenden. Reiner Sauerstoff bezieht sich dabei naturgemäß auf die chemisch erreichbaren und auf dem Markt erhältlichen Reinheiten. Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff ist es beispielsweise gegebenenfalls möglich, in der aufgebrachten Vorbereitungsschicht enthaltenen interstitiellen Wasserstoff zu reduzieren und eine noch höhere Reinheit der aufgebrachten Oxidschicht zu erreichen. Versuche, bei denen eine Siliziumoxidschicht auf eine Oberfläche eines Substrates aufgebracht wurde, haben gezeigt, dass sowohl atmosphärische Luft als auch reiner Sauerstoff als zweites Prozessgas zu einer fast stöchiometrischen Siliziumdioxidschicht führen. Dabei liegen typische Einwirkzeiten der Plasmen auf nicht porösen Oberflächen bei unterhalb einer Sekunde für Schichtdicken von einigen, beispielsweise 3 bis 7 nm. Insbesondere bei der Verwendung atmosphärischer Luft wurde festgestellt, dass in der Luft enthaltene Aerosole aufgrund von selbstreinigenden Prozessen und der hohen Reaktivität des Sauerstoffs keine Verunreinigungen der aufgebrachten Oxidschicht hervorrufen.For other applications, it may be advantageous to use molecular oxygen as the second process gas. This can be used exclusively or as a mixture within the chemically achievable purity. For example, it is conceivable to mix pure molecular oxygen with inert gases and to use this mixture as the second process gas. Naturally, pure oxygen refers to the chemically achievable purities available on the market. By using pure oxygen, for example, it may be possible to reduce interstitial hydrogen contained in the applied preparation layer and to achieve even higher purity of the applied oxide layer. Experiments in which a silicon oxide layer has been applied to a surface of a substrate have shown that both atmospheric air and pure oxygen as the second process gas result in an almost stoichiometric silicon dioxide layer. Typical exposure times of the plasmas on non-porous surfaces are below one second for layer thicknesses of a few, for example 3 to 7 nm. In particular, when using atmospheric air, it has been found that aerosols contained in the air due to self-cleaning processes and the high reactivity of the oxygen do not cause contamination of the deposited oxide layer.

Vorzugsweise ist das Substrat ein metallisches, halbleitendes, keramisches oder organisches Material. Besonders vorteilhafterweise können als Substrat auch Nanopartikel, die mittlere Partikeldurchmesser von beispielsweise 10 bis 50 nm aufweisen; oder Mikro-Partikel verwendet werden. Grundsätzlich können alle Oberflächen, auf die mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens eine Schicht aufgebracht werden kann, auch durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet werden. Dies gilt für dreidimensional geformte Bauteile aus nahezu jedem Material, wie beispielsweise Metall, Keramik, Holz oder anderen organischen Werkstoffen, wie auch für poröse Oberflächen und Mikro- und Nanopartikel.Preferably, the substrate is a metallic, semiconductive, ceramic or organic material. Particularly advantageously, nanoparticles which have an average particle diameter of, for example, 10 to 50 nm can also be used as the substrate; or micro particles are used. In principle, all surfaces to which a layer can be applied by means of a plasma coating process can also be coated by a method according to the present invention. This applies to three-dimensionally shaped components made of almost any material, such as metal, ceramic, wood or other organic materials, as well as porous surfaces and micro- and nanoparticles.

Im Vergleich zu Plasmabeschichtungsverfahren aus dem Stand der Technik, bei denen eine Oxidschicht eines Grundelementes in einem einzigen Beschichtungsvorgang auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht wird, verfügen durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebrachte Schichten über einen weiteren Vorteil. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Vorbereitungsschicht auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht, in der sich das Grundelement befindet. Anschließend wird diese Schicht durch die zweite Plasmabehandlung in die gewünschte Oxidschicht umgewandelt. Der reaktive Sauerstoff aus dem Plasma, das aus dem zweiten Prozessgas erzeugt wird, trifft folglich auf die Oberfläche der Vorbereitungsschicht und muss, um diese vollständig in die gewünschte Oxidschicht umwandeln zu können, in diese Schicht eindringen. Die Eindringtiefe, bis zu der die Vorbereitungsschicht in die gewünschte Oxidschicht umgewandelt wird, hängt dabei naturgemäß von den gewählten Elementen und Materialien und von der Einwirkzeit des sauerstoffhaltigen Plasmas ab. Dies bedeutet, dass es bei nicht-oxidischen Oberflächen zwischen dem Substrat und der aufgebrachten Oxidschicht keine scharfe und klare Oxidgrenze gibt, sondern dass der „Oxidierungsgrad” von der Oberfläche der aufgebrachten Schicht in das Material hinein abnimmt. Es entsteht ein so genannter Gradientenwerkstoff, der den Vorteil aufweist, dass die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Druck- und Zugfestigkeit, Elastizität und Wärmeausdehnungskoeffizient, stetig von den Werten der aufgebrachten Oxidschicht auf die Werte des darunter liegenden Substrates übergehen, so dass diese Beschichtung insbesondere thermischen und mechanischen Belastungen deutlich besser standhält, als eine in einem Verfahrensschritt aufgebrachte Oxidschicht.Compared to prior art plasma coating processes in which an oxide layer of a primer is applied to the surface to be coated in a single coating operation, layers applied by a process according to the present invention have a further advantage. In a method according to the invention, the preparation layer is first applied to the surface of the substrate in which the base element is located. Subsequently, this layer is converted by the second plasma treatment into the desired oxide layer. The reactive oxygen from the plasma generated from the second process gas thus impinges on the surface of the preparation layer and, in order to be able to completely convert it into the desired oxide layer, has to penetrate into this layer. The penetration depth up to which the preparation layer is converted into the desired oxide layer naturally depends on the selected elements and materials and on the exposure time of the oxygen-containing plasma. This means that with non-oxidic surfaces between the substrate and the applied oxide layer there is no sharp and clear oxide boundary, but that the "degree of oxidation" from the surface of the applied layer into the material decreases. The result is a so-called gradient material, which has the advantage that the physical properties, such as compressive and tensile strength, elasticity and thermal expansion coefficient, steadily from the values of the applied oxide layer on the values of the underlying substrate, so that this coating in particular thermal and mechanical loads much better withstand than a deposited oxide layer in one step.

Mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es folglich möglich, nahezu jede gewünschte Oxidschicht auf nahezu jede zu beschichtende Oberfläche aufzubringen, ohne dass komplizierte Versuchsaufbauten verwendet werden müssten. Zudem kann nahezu jede gasförmige Verbindung des Grundelementes zumindest als Teil des ersten Prozessgases verwendet werden, während als zweites Prozessgas insbesondere Luft verwendet werden kann. Das Verfahren ist somit nahezu universell für alle gewünschten Oxidschichten einsetzbar und einfach, sicher und insbesondere kostengünstig durchführbar.Thus, with a method according to the present invention, it is possible to apply almost any desired oxide layer to almost any surface to be coated, without the need for complex experimental setups. In addition, almost any gaseous compound of the base element can be used at least as part of the first process gas, while in particular air can be used as the second process gas. The method can thus be used almost universally for all desired oxide layers and simple, safe and cost-effective in particular feasible.

Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigenWith the aid of a drawing, an embodiment of the present invention will be explained in more detail below. Show it

1 – die schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 1 - The schematic representation of an apparatus for carrying out a method according to an embodiment of the present invention and

2a bis 2c – Röntgen-Fotoelektronen-Spektren einer Oberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten während des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2a to 2c - X-ray photoelectron spectra of a surface to different Times during the process according to an embodiment of the present invention.

1 zeigt ein Substrat 2, das eine Oberfläche 4 aufweist, auf die eine Oxidschicht 6 aufgebracht werden soll. Dazu wird es entlang der Richtung eines Pfeiles 8 durch eine dafür vorgesehene Vorrichtung bewegt. Zunächst wird auf die Oberfläche 4 mit einer ersten Plasmavorrichtung 10, die in 1 schematisch dargestellt ist, eine Vorbereitungsschicht 12 aufgebracht. In der ersten Plasmavorrichtung 10 wird dabei aus einem ersten Prozessgas ein erstes Plasma erzeugt, wobei das erste Prozessgas das Grundelement, aus dessen Oxid die Oxidschicht 6 aufgebaut werden soll, in einer gasförmigen Verbindung enthält. Auch die Vorbereitungsschicht 12 enthält das Grundelement. Die Vorbereitungsschicht 12 kann dabei beispielsweise eine reine Schicht aus diesem Element, beispielsweise Titan oder Silizium, sein oder Anlagerungen aus einem anderen Material enthalten, das beispielsweise aus einem Trägergas, das Teil des ersten Prozessgases ist, auf der Oberfläche 4 abgeschieden wird. Anschließend durchläuft das Substrat 2 mit der Vorbereitungsschicht 12 auf der Oberfläche 4 eine zweite Plasmavorrichtung 14, in der aus einem zweiten Prozessgas ein zweites Plasma erzeugt wird, das auf die Vorbereitungsschicht 12 auf der Oberfläche 4 des Substrates 2 gelenkt wird. Dabei wird die Vorbereitungsschicht 12 so bearbeitet, dass die Oxidschicht 6 aus dem gewünschten Oxid entsteht. 1 shows a substrate 2 that has a surface 4 has, on the one oxide layer 6 should be applied. For this it becomes along the direction of an arrow 8th moved by a dedicated device. First, the surface 4 with a first plasma device 10 , in the 1 is shown schematically, a preparation layer 12 applied. In the first plasma device 10 In this case, a first plasma is generated from a first process gas, wherein the first process gas is the basic element, from whose oxide the oxide layer 6 is to be built up, containing in a gaseous compound. Also the preparatory shift 12 contains the primitive. The preparatory shift 12 may be, for example, a pure layer of this element, such as titanium or silicon, or contain deposits of another material, for example, from a carrier gas, which is part of the first process gas, on the surface 4 is deposited. Subsequently, the substrate passes through 2 with the preparatory shift 12 on the surface 4 a second plasma device 14 in which a second plasma is generated from a second process gas, which is on the preparation layer 12 on the surface 4 of the substrate 2 is steered. This is the preparatory shift 12 edited so that the oxide layer 6 arises from the desired oxide.

Soll die Oxidschicht 6 auf die Oberfläche von Nano- oder Mikropartikeln aufgebracht werden, können diese als Pulver durch die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung geblasen werden. Natürlich muss der tatsächliche apparative Aufbau dafür verändert und an die geänderten Substrateigenschaften angepasst werden. Damit ist es möglich, sowohl die Oberfläche von Nanopartikeln mit einer Vorbereitungsschicht zu versehen, als auch diese Vorbereitungsschicht in die gewünschte Oxidschicht umzuwandeln. Vorteilhafterweise kann dies alles in einer Produktionsanlage geschehen, in die nur die entsprechenden Gase, die als erstes Prozessgas und als zweites Prozessgas verwendet werden sollen, eingebracht werden.Should the oxide layer 6 applied to the surface of nano- or microparticles, these can be used as powders by the in 1 blown schematically shown device. Of course, the actual apparatus design must be changed and adapted to the changed substrate properties. Thus, it is possible to provide both the surface of nanoparticles with a preparation layer, as well as to convert this preparation layer into the desired oxide layer. Advantageously, all of this can be done in a production plant into which only the corresponding gases which are to be used as the first process gas and as the second process gas are introduced.

Die 2a bis 2c zeigen beispielhaft drei Röntgen-Photoelektronen-Spektren zu verschiedenen Zeitpunkten in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, mit dem auf anatase Titandioxid-Nanopartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 21 nm eine Siliziumdioxidschicht aufgebracht wird. In allen Spektren wird eine Zählrate herausgelöster Elektronen über deren Bindungsenergie aufgetragen.The 2a to 2c show, by way of example, three X-ray photoelectron spectra at different points in time in a method according to an exemplary embodiment of the present invention, with which a silicon dioxide layer is applied to anatase titanium dioxide nanoparticles having a mean particle diameter of 21 nm. In all spectra, a count rate of released electrons is plotted over their binding energy.

2a zeigt ein Spektrum der Nanopartikel im Ausgangszustand. Man erkennt bei einer Bindungsenergie von ca. 290 Elektronenvolt (eV) einen Kohlenstoffpeak 16, der auf atmosphärische Verunreinigungen hindeutet, die sich auf der Oberfläche der Titandioxid-Nanopartikel befinden. Die übrigen drei Peaks, die in 2a gezeigt sind, entsprechen zwei Titanpeaks 18 sowie einem Sauerstoffpeak 20. 2a shows a spectrum of the nanoparticles in the initial state. It can be seen at a binding energy of about 290 electron volts (eV) a carbon peak 16 indicative of atmospheric contaminants located on the surface of titanium dioxide nanoparticles. The remaining three peaks in 2a are shown correspond to two titanium peaks 18 and an oxygen peak 20 ,

In diesem Zusammenhang bedeutet beispielsweise ein Titanpeak, dass Elektronen dieser Bindungsenergie durch die eingestrahlte Röntgenstrahlung von Titanatomen gelöst wurden. Aus der Fläche dieser Peaks können Aussagen über den Anteil des jeweiligen Elementes auf der mit der Röntgenstrahlung bestrahlten Oberfläche der Nanopartikel getroffen werden.In this context, for example, a titanium peak means that electrons of this binding energy were dissolved by the incident X-ray of titanium atoms. From the area of these peaks, statements about the proportion of the respective element on the surface of the nanoparticles irradiated with the X-ray radiation can be made.

2b zeigt ein Röntgen-Photoelektronen-Spektrum der Titandioxid-Nanopartikel, nachdem diese zum ersten Mal plasmabeschichtet wurden. Als Prozessgas wurde dabei eine Mischung aus 3% Silan (SiH4) und 97% Stickstoff (N2) verwendet. Man erkennt, dass der in 2a noch deutlich sichtbare Kohlenstoffpeak 16 hier kaum mehr ins Gewicht fällt. Es tritt also ein Reinigungseffekt der Oberfläche 4 auf, ohne dass diese zuvor vorbehandelt worden wäre. 2 B shows an X-ray photoelectron spectrum of titanium dioxide nanoparticles after being plasma-coated for the first time. The process gas used was a mixture of 3% silane (SiH 4 ) and 97% nitrogen (N 2 ). It can be seen that the in 2a still clearly visible carbon peak 16 hardly any more here. So there is a cleaning effect of the surface 4 without having been previously pretreated.

In 2b sind deutlich mehr Peaks erkennbar, als dies in 2a der Fall ist. Neben den noch immer vorhandenen Titanpeaks 18 und dem Sauerstoffpeak 20 sind nun zwei Siliziumpeaks 22 sowie ein Stickstoffpeak 24 erkennbar. Nach dem ersten Plasmabeschichten der Oberfläche 4 des Substrates 2 mit dem genannten Prozessgas hat sich folglich ein Teil des Stickstoffs aus dem Trägergas (N2) sowie Silizium aus dem Präkursor Silan auf der Oberfläche 4 niedergeschlagen.In 2 B are clearly more peaks visible than this in 2a the case is. In addition to the still existing titanium peaks 18 and the oxygen peak 20 are now two silicon peaks 22 and a nitrogen peak 24 recognizable. After the first plasma coating of the surface 4 of the substrate 2 Consequently, part of the nitrogen from the carrier gas (N 2 ) and silicon from the precursor silane on the surface have with the process gas mentioned 4 dejected.

2c zeigt das Rönten-Photoelektronen-Spektrum, nachdem die Nanopartikel ein zweites Mal plasmabehandelt wurden, wobei als zweites Prozessgas atmosphärische Luft verwendet wurde. Neben dem nun deutlich hervortretenden Sauerstoffpeak 20 und den beiden Titanpeaks 18 sind auch die beiden Siliziumpeaks 22 sowie der Stickstoffpeak 24 noch vorhanden. Wobei der Stickstoffpeak 24 jetzt jedoch insbesondere im Vergleich zu den übrigen Peaks deutlich geringer geworden ist. 2c shows the X-ray photoelectron spectrum after the nanoparticles have been plasma-treated a second time, using atmospheric air as the second process gas. In addition to the now clearly emerging oxygen peak 20 and the two titanium peaks 18 are also the two silicon peaks 22 and the nitrogen peak 24 still there. The nitrogen peak 24 now, however, has become significantly lower, especially in comparison to the other peaks.

Nach dem ersten Plasmabeschichten befindet sich auf der Oberfläche der Nanopartikel eine leicht unterstöchiometrische Silizium-Nitrid-Vorbereitungsschicht, da im Substrat 2, das aus Titandioxid besteht, Sauerstoff enthalten ist.After the first plasma coating, a slightly substoichiometric silicon nitride preparation layer is present on the surface of the nanoparticles, since in the substrate 2 which consists of titanium dioxide, containing oxygen.

Detailliertere hier nicht gezeigte weitere Auswertungen der Eigenschaften der Schicht nach Abschluss der Plasmabehandlung haben ergeben, dass sich in der Siliziumdioxidschicht, die die Oxidschicht 6 auf dem Substrat 2 bildet, ein Anteil von weniger als 3% an Siliziumnitrid befindet. Die Oxidschicht 6 enthält fast ausschließlich Silizium in der Si4+-Form, was eine stöchiometrische Siliziumdioxidbildung (SiO2) belegt. Anhand der Titanpeaks 18 konnte gezeigt werden, dass noch immer reine Partikel vorliegen und keine weiteren chemischen Einflüsse auftreten. Durch mikroskopische Aufnahmen konnte eine vollständige Bedeckung der Oberfläche bestätigt werden. Der Anteil des Kohlenstoffs beträgt nur noch 2,3%. Damit hat sich gezeigt, dass die Verwendung eines Prozessgases mit 3% Silan als Präkursor und 97% Stickstoff als Trägergas für den ersten Prozessschritt eine Reinigung der Oberfläche 4 der Substrate 2 von nahezu allen oxidischen Adsorbaten bewirkt. Während des Schichtwachstums wurden die verbliebenen Reste der Adsorbate in Form von atomarem Kohlenstoff auf der Oberfläche der hergestellten Vorbereitungsschicht 12 nach außen getragen. Es kommt zu einem Aufschwimmen dieser Kohlenstoffreste auf der Vorbereitungsschicht 12.More detailed not shown here further evaluations of the properties of the layer after completion of the plasma treatment have shown that in the silicon dioxide layer, the oxide layer 6 on the substrate 2 forms a proportion of less than 3% of silicon nitride. The oxide layer 6 contains almost exclusively silicon in the Si 4+ -form, which proves stoichiometric silicon dioxide (SiO 2 ) formation. Based on the Titanpeaks 18 it could be shown that there are still pure particles and no further chemical influences occur. Microscopic images confirmed complete coverage of the surface. The proportion of carbon is only 2.3%. Thus, it has been shown that the use of a process gas with 3% silane as precursor and 97% nitrogen as carrier gas for the first process step, a cleaning of the surface 4 the substrates 2 caused by almost all oxidic adsorbates. During layer growth, the remaining residues of the adsorbates were in the form of atomic carbon on the surface of the prepared preparation layer 12 carried to the outside. It comes to a floating of these carbon residues on the preparation layer 12 ,

Der zweite Prozessschritt, in dem die Vorbereitungsschicht 12 durch Plasmabehandeln mit einem sauerstoffhaltigen Plasma bearbeitet wird, hat neben einer nahezu vollständigen Umwandlung der Vorbereitungsschicht 12 in die gewünschte Oxidschicht 6 zusätzlich die verbliebenen atomaren Kohlenstoffreste, beispielsweise in Form von Kohlendioxid von der Oberfläche entfernt. Zudem wurden stöchiometrische Defekte an der Partikeloberfläche durch das oxidierende Plasma im zweiten Prozessschritt vollständig ausgeheilt. Wie bereits dargelegt, können mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterschiedlichste Oberflächen verschiedenster Materialien mit einer Vielzahl unterschiedlicher Oxidschichten von verschiedenen Grundelementen beschichtet werden. Mögliche Schichtdicken betragen zwischen einzelnen Monolagen und mehreren, beispielsweise fünfzehn oder zwanzig Nanometer. Für die meisten Anwendungen, beispielsweise dem Korrosionsschutz sind Schichtdicken von 2 bis 5 nm ausreichend.The second process step, in which the preparatory shift 12 is processed by plasma treatment with an oxygen-containing plasma, in addition to an almost complete conversion of the preparation layer 12 in the desired oxide layer 6 in addition, the remaining atomic carbon radicals, for example in the form of carbon dioxide removed from the surface. In addition, stoichiometric defects on the particle surface were completely cured by the oxidizing plasma in the second process step. As already stated, with a method according to an embodiment of the present invention, a very wide variety of surfaces of very different materials can be coated with a multiplicity of different oxide layers of different basic elements. Possible layer thicknesses are between individual monolayers and several, for example fifteen or twenty nanometers. For most applications, such as corrosion protection, layer thicknesses of 2 to 5 nm are sufficient.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
Substratsubstratum
44
Oberflächesurface
66
Oxidschichtoxide
88th
Pfeilarrow
1010
Erste PlasmavorrichtungFirst plasma device
1212
Vorbereitungsschichtpreparation layer
1414
Zweite PlasmavorrichtungSecond plasma device
1616
KohlenstoffpeakCarbon peak
1818
TitanpeakTitan peak
2020
Sauerstoffpeakpeak oxygen
2222
Siliziumpeaksilicon peak
2424
Stickstoffpeaknitrogen peak

Claims (10)

Verfahren zum Aufbringen einer Oxidschicht (6) aus einem Oxid eines Grundelementes auf eine Oberfläche (4) eines Substrats (2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Plasmabeschichten der Oberfläche (4) des Substrates (2) mit einer Vorbereitungsschicht (12), wobei ein erstes Prozessgas verwendet wird, dass das Grundelement in einer gasförmigen Verbindung enthält, so dass die Vorbereitungsschicht (12) das Grundelement enthält, b) Plasmabehandeln der Vorbereitungsschicht (12), wobei ein zweites Prozessgas verwendet wird, das Sauerstoff enthält.Method for applying an oxide layer ( 6 ) of an oxide of a primer on a surface ( 4 ) of a substrate ( 2 ), the method comprising the following steps: a) plasma coating the surface ( 4 ) of the substrate ( 2 ) with a preparatory shift ( 12 ), wherein a first process gas is used, which contains the base element in a gaseous compound, so that the preparation layer ( 12 ) contains the base element, b) plasma treating the preparation layer ( 12 ) using a second process gas containing oxygen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prozessgas aus der gasförmigen Verbindung des Grundelementes besteht.A method according to claim 1, characterized in that the first process gas consists of the gaseous compound of the base element. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prozessgas einen gasförmigen Präkursor, der das Grundelement in der gasförmigen Verbindung enthält, und ein Trägergas beinhaltet.A method according to claim 1, characterized in that the first process gas includes a gaseous precursor containing the base member in the gaseous compound and a carrier gas. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas Stickstoff oder ein Edelgas ist.A method according to claim 3, characterized in that the carrier gas is nitrogen or a noble gas. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement ein Metall oder ein Halbleiter ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the basic element is a metal or a semiconductor. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Verbindung eine Verbindung des Grundelementes mit Wasserstoff ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gaseous compound is a compound of the base element with hydrogen. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Prozessgas Luft ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second process gas is air. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Prozessgas molekularer Sauerstoff ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second process gas is molecular oxygen. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) ein metallisches, halbleitendes, keramisches oder organisches Material ist.Process according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 2 ) is a metallic, semiconducting, ceramic or organic material. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (2) Mikro- oder Nanopartikel verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as substrate ( 2 ) Micro or nanoparticles are used.
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