Dissertationen und Habilitationen

In dieser Arbeit werden die Entstehungsmechanismen strukturierter Hartchromschichten untersucht, die durch ihre einstellbaren tribologischen Eigenschaften für die technische Anwendung interessant sind. Sie entstehen durch Gleichstrom-Abscheidung aus Elektrolyten auf Basis von Chrom(VI)-Oxid, Schwefelsäure und Methansulfonsäure und weisen klar abgegrenzte Bereiche auf, die sich in Schichtaussehen und -dicke unterscheiden. Der Forschungsstand zur Chromabscheidung aus sechswertigen Elektrolyten und zum chemischen Verhalten der Elektrolytbestandteile wird zunächst umfassend dargestellt, analysiert und bewertet. Als Arbeitshypothese wird daraus abgeleitet, dass eine lokal unterschiedliche Inhibition der Kathodenoberfläche durch die bei der Reduktion entstehenden Kathodenfilme der Grund für die Oberflächenstrukturierung sein könnte. Im experimentellen Teil erfolgt die Untersuchung des Elektrolytsystems in Hinblick auf Stromdichte, Abscheidungsdauer, Temperatur und Elektrolytzusammensetzung, den Einfluss der Grundwerkstofftopografie sowie Zusammenhänge zwischen Schichtaussehen und -eigenschaften. Löslichkeit und Zusammensetzung der Kathodenfilme werden untersucht und Elektrolyte mit Hilfe von Stromdichte-Potential-Kurven und galvanostatischen Versuchen charakterisiert. Wesentliche Erkenntnisse sind : - Die Bildung der Flächenanteile der einzelnen Schichtbereiche hängt linear von der mittleren Stromdichte ab. Hingegen wird die Wachstumsgeschwindigkeit der Schichtbereiche von einer jeweiligen lokalen Stromdichte bestimmt. Hieraus wird die Existenz einer diskontinuierlichen Stromdichteverteilung auf der Oberfläche abgeleitet. - Chromsäure und Schwefelsäure wirken bei der Strukturentstehung als Gegenspieler der Methansulfonsäure. Letztere löst die Strukturentstehung aus. Sie führt oft zur Bildung schwerlöslicher Kathodenfilme. - Es besteht ein starker Zusammenhang zwischen der Art des Kathodenfilms und dem Schichtaussehen. Die Chromabscheidung erfolgt zwischen Kathodenoberfläche und Kathodenfilm. Der zum Schichtaussehen führende Oberflächenzustand stellt sich bei Änderung der Abscheidungsbedingungen während der Abscheidung neu ein. - Die Kathodenfilme bestehen wahrscheinlich aus polymeren Chrom(III)-Hydroxokomplexen, die als weitere Liganden Chromat, Sulfat und Wasser enthalten. - Schwefelsäure und Methansulfonsäure beeinflussen unabhängig voneinander die Form der Stromdichte-Potential-Kurve, wobei einem bestimmten Kurvenbereich bei methansulfonsäurehaltigen Elektrolyten die Bildung eines dicken Kathodenfilms zugeordnet werden kann. - In galvanostatischen Versuchen zeigt sich nach wenigen Sekunden eine Strukturierung der Kathode. Sie erreicht nach etwa einer Minute einen stationären Zustand.Die Ergebnisse bestätigen die Hypothese zur Inhibierung durch Kathodenfilme. Aus ihnen wird eine Vorstellung zur Strukturausbildung im Elektrolytsystem Chromsäure-Schwefelsäure-Methansulfonsäure abgeleitet.

Die primäre Zielstellung dieser Dissertation ist die Entwicklung ungekühlter, unimorph deformierbarer Spiegel (DM) zum Ausgleich thermischer Linsen in Hochleistungslasersystemen. Die sekundäre Zielstellung ist die Entwicklung eines Herstellungsprozesses für DM, der hauptsächlich auf Waferleveltechnologien beruht und somit manuelle Prozesse reduziert. Der DM besteht aus einem Spiegelsubstrat auf dessen Rückseite eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei Elektroden aufgebracht ist. Diese Art von Spiegeln wurde bereits erfolgreich in Hochleistungslasersystemen eingesetzt. Eine weitere Erhöhung der Laserleistungsdichte erfordert jedoch neue thermische Kompensationstechniken, bei der die Spiegelperformance nicht durch Temperaturschwankungen in der Spiegelbaugruppe vermindert wird. Ein hierfür entwickeltes Mehrlagendesign integriert mehrere Schichten in den Spiegelaufbau, dessen thermo-mechanische Parameter sich vom Substrat und der piezoelektrischen Schicht unterscheiden. Mittels analytischen Methoden und der Methode der finiten Elemente wurde eine Optimierung im Hinblick auf großen piezoelektrischen Hub und optimierte thermisch-induzierte Deformation durchgeführt. Diese wird entweder durch eine homogene Temperaturveränderung in der Spiegelmembran oder durch Absorption von Laserstrahlung generiert. Die dabei hervorgerufenen Veränderungen werden abhängig von Diskontinuitäten der piezoelektrischen Schicht, den mechanischen Randbedingungen, der spiegelnden Kupferschichtdicke und der Spiegelfassungsmaterialen simuliert. Ein aus sechs Arbeitsschritten bestehende Herstellungsprozess für DM mit siebgedruckter piezoelektrischer Aktorstruktur wurde entwickelt. Fünf Schritte sind davon auf Waferlevel prozessierbar. Einzig die Bearbeitung der Spiegelfläche mittels eines ultrapräzisen Drehprozesses ist keine Serienfertigung. Im Gegensatz zum Stand der Technik für DM ist die elektrische Verdrahtung der strukturierten Elektroden auch auf Waferlevel prozessierbar und das Spiegelsetup ist monolithisch.Thermisch induzierte Deformationen durch homogene Temperaturveränderung kann durch eine sog. zero deflection Konfiguration ausgeglichen werden. Laserinduzierte Deformationen werden mit gegenläufigen, thermisch homogen induzierten Deformationen kompensiert. Dieser Ansatz wird als Compound loading bezeichnet und in einem praktischen Spiegelaufbau umgesetzt. Im realisierten DM wird eine Deformation, induziert durch 1.3 W absorbierte Laserleistung, über eine homogene Temperaturerhöhung um 34 K kompensiert. Damit wird gezeigt, dass die entwickelten und vorwiegend mit parallelen Fertigungstechnologien hergestellten Spiegel für Hochleistungslaseranwendungen geeignet sind.

Die hier vorgelegten experimentelle Ergebnisse zeigen die Herstellung von schwarzem Siliziumzur Anwendung in Photodioden im Bereich zwischen 200 nm und 800 nm durch Plasmabearbeitung. Berechnungen verschiedener Nanostrukturgeometrien mit der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD) werden mit Ulbrichtkugel Reflexionmessungen von physikalischen Strukturen verglichen. Die spektrale Empfindlichkeit der schwazen Siliziumphotodioden im roten Bereich (675 nm - 750 nm) treffen das 0.5 A/W Ziel. Im blauen Bereich (375 nm - 425 nm) wird eine Verbesserung von Photodioden in der Wafermitte von +0.07A/W im Vergleich zu oxidebedeckten Photodioden erreicht. Klare Unterschiede zwischen verschiedenen Spitzen der Nanostrukturen werden experimentell und theoretisch belegt. Sie sind entscheidend, um die Reflexion gering zu halten. Das Entstehen der Nanostrukturen in unserer SF6/O2 Plasmamischung wird durch dieSiliziumätzrate in Abhängigkeit von der Fluorkonzentration (mit einem veränderlichen Fuor-zu-Sauerstoff Verhältnis) in zwei Bereichen erklärt. In einem Bereich gibt es überschüssige Fluorradikalerzeugung (schwache Passivierung) und im anderen überschüssige Fluorradikalverbrauch (starke Passivierung). Dies wird experimentell gezeigt. Inhärente Ungleichmäßigkeiten in der Plasmaanlage, die ein kleines Prozessfenster mit extrem anisotropischen Nanostrukturen und nachteiliger Mitte-zu-Rand Waferuniformität ergeben, werden durch die Einführung von einem Nanoloading Schritt beseitigt. Die Siliziumoberfläche wird am Anfang mit einer Reihe von sehr uniformen Nanopfeiler geätzt. Diese Nanoloading-Maske wird anschließend mit Chemikalien, die allein keine Nanostrukturen ergeben, plasmageätzt. Die entsprechenden Ergebnisse sind isotropischer und haben Eigenschaften, die für Reflexionsabsenkung erwünscht sind. Dadurch entwickeln wir eine Abkoppelung zwischen die Abhängigkeit der erreichbaren Nanostrukturgeometrien und Plasmaanlagengeometrie. Erweitertes Nanoloading wird benutzt, um die Prozesse erfolgreich von blanken zu maskierten Scheiben zu transferieren. FDTD Ergebnisse zeigen, dass der größte Teil der Lichtabsorbtion im Bereich vom 200 nm zu 800 nm direkt in der Antireflexschicht der Nanostrukturen stattfindet. Dies ist im starken Vergleich zu der Situation mit einer normalen Antireflexschicht. Weitere FDTD Simulationenuntersuchen die Periodizität von Nanostrukturen, und zeigen deutliche Gittereigenschaften. Die ideale Breite der Strukturen für Reflexionsabsenkung wird zwischen 100 nm und 200 nm im interessanten Spektralbereich (200 nm - 800 nm) berechnet. Periodische Strukturen mit Breiten über 200 nm reflektieren Licht in verschiedene Gitterordnungen. Die ideale Strukturhöhe für vernachlässigbare Reflexion wird in diesem Bereich mindestens 500 nm. Allerdings, erweisen sich die periodischen Stuktursimulationen nicht als die richtige Methode, um die Ulbrichtkugel Messungen von physikalischen Strukturen zu beurteilen. Das Hauptproblem ist eine Überlappung zwischen Nanostrukturen (z.B. ungetrennt während eines Plasmaprozesses) stört die Zustände für Periodizität (die Diffraction in die Komponentwinkeln) entsprechend der Breite der Stukturen, und stört auch die Gradientbrechungsindex (Dadurch ist Reflexion erhöht. FDTD Simulationen werden am Besten in Übereinstimmung mit den Eigenschaften der physikalischen selbstorganisierten Nanostrukturen gebracht, wenn eine nichtperiodische Oberfläche mit einer simuliert wird. Randbedingungen für FDTD in Bezug auf Simulationen von nichtsenkrecht einfallendem Licht in 2D werden diskutiert. Dispersion im Injektionswinkel führt zu Schwierigkeiten, wenn man Rechnungen mit einer Breitbandquelle durchführen will, weil nur einfallendes Licht mit der zentralen Wellenlänge den vorgegebenen Einfallswinkel hat. Die größte und kleinste Wellenlänge im Quellspektrum zeigen die stärkste Abweichung. Alle Wellenlägen einzeln nacheinander zu simulieren würde zu einer nicht akzeptablen Rechenzeit führen. Die hier gezeigte Lösung teilt das komplette gewünschte Spektrum, in kleinere simulierbare Bänder, und ergibt ausreichende Ergebnisse und schränkt gleichzeitig Dispersionsfehler ein. Weiterhin wird es hier gezeigt, dass eine mögliche Verbesserung der winkelabhängigen PML Leistung erreichbar ist, wenn ein Gradientindex vor der PML eingeführt wird. Es wird experimentell bewiesen, dass Reflexionsabsenkung nicht immer mit ausreichenden elektrischen Eigenschaften verbunden ist, weil das Plasmaätzen um die Oberflächentopographie zu ändern auch stark die Lebensdauer der Minoritätträger wegen eines Anstieges von Rekombination durch Gitterschädigung und einer allgemeinen Vergrößerung in Oberfläche ändert.

Siliciumgras (SG) ist eine nanoskalige Oberflächenmodifikation, welche durch selbstorganisierte Prozesse während des Plasmaätzens hervorgerufen wird. Sie kann genutzt werden, um neue Funktionalitäten zu ermöglichen oder die Effizienz von MEMS, biologischen MEMS oder MOEMS zu verbessern. Diese Eigenschaften und die einfache Herstellung macht sie zu einem viel versprechenden Forschungsthema. Diese Arbeit untersucht die Herstellung, Modifizierung und Anwendung von SG aus dem zyklischen reaktiven Ionentiefenätzprozess (c-DRIE). Zielstellung ist sowohl die kontrollierte Erzeugung als auch die Modifizierung des SG. Die Arbeit konzentriert sich auf folgende drei Hauptthemen: den selbstorganisierten Nanomaskierungsprozess (NM-Prozess), die Prozessierung und Modifikation von SG und die Integration und Anwendung in MEMS. Um eine Entstehungstheorie des SG im c-DRIE Prozess abzuleiten, werden verschiedene Analysen mittels REM, AFM, XPS und AES genutzt, als auch prozessanalytische Verfahren eingesetzt. Es wird gezeigt, dass die NM aus kohlenstoffreichen Clustern besteht, deren Morphologie über eine Variation von Prozessparametern verändert werden kann. Die Erzeugung der NM im c-DRIE Prozess basiert auf dem kontrollierten Abtrag der Passivierungsschicht. Dies wird durch eine Prozesskontrolle mittels OES erreicht, welche es erlaubt, den NM-Prozess selbst bei variierenden Prozessbedingungen zu initiieren. Es werden verschiedene Einflüsse auf die Entstehung der NM und deren Morphologie untersucht und festgestellt, dass das Phänomen der Kohlenstoffpartikelerzeugung in C4F8-Plasmen eine große Wirkung hat. Es wird die Prozessierung von SG analysiert, wobei sich zeigt, dass abhängig von den angewendeten Prozessparametern die resultierenden Profile und die Seitenwandmorphologie des SG verändert werden können. Weiterhin wird sowohl die Metallisierung von SG mittels physikalischer Gasphasenabscheidung und stromloser Galvanik als auch die Eignung von unterschiedlichem SG für die Aufbau- und Verbindungstechnik und die optische Anwendung im infraroten Bereich untersucht. Schließlich wird die Integration von SG in MEMS beschrieben. Dabei werden grundlegende Informationen zu Integrationsverfahren, Anforderungen und Einschränkungen gegeben. Abschließend wird die praktische Anwendung von SG in MEMS anhand eines thermomechanischen Cantilevers demonstriert.