Untersuchungen zum Mechanismus der Mikromaskierung in reaktiven Tiefenätzprozessen (DRIE) zur Herstellung nanostrukturierter Siliciumoberflächen "Black Si". - 140 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
In den letzten Jahren haben Trockenätzverfahren bei der Strukturierung von Silicium an Bedeutung gewonnen. Bei der Erzeugung senkrechter Seitenwände tritt ein Nebeneffekt auf, der wegen seines Erscheinungsbildes "Black Silicon" genannt wird. Um die nadelartige Struktur des "Black Silicon" zu beeinflussen oder zu unterdrücken, wird in dieser Arbeit der Mechanismus der Mikromaskierung untersucht. Dazu werden die Grundlagen des reaktiven Ionentiefenätzens und der Oberflächeanalyse dargelegt. Weiterhin wird die Methode der Experimentellen Prozessanalyse vorgestellt. Mit ihr werden die Einflüsse der Prozessparameter auf die Mikromaskierung untersucht. Es kann gezeigt werden, dass besonders die Passivierungsdauer und die Passivierungsleistung diese beeinflussen. Außerdem wird der Einfluss von Waferverunreinigungen und Sauerstoff untersucht. Beide können Ursache für die Mikromaskierung ausgeschlossen werden. Weiterhin werden eine Röntgen Photoelektronen Spektroskopie und der Augerelektronen Spektroskopie durchgeführt. Die Ergebnisse die Oberflächeanalysen lassen den Schluss zu, dass während des ersten Passivierungsschritts eine reine Kohlenstoffschicht auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden wird. Es kann gezeigt werden, dass diese Schicht während des Ätzschritts Cluster bilden, die mikromaskierend wirken. In der Arbeit werden mögliche Strukturen der Kohlenstoffschicht vorgestellt. Außerdem werden alternative Methoden der Mikromaskierung vorgestellt.
Microfluidic PET tracer synthesizer. - 105 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Positron-Emissions-Tomographie (PET) ist ein in vivo Bildgebungsverfahren in der Medizin und findet Anwendung in Praxis und Forschung. Die Leistungsfähigkeit von PET Scannern wird bestimmt durch die Eigenschaften des eingesetzten Kontrastmittels. Verbesserungen der Bildgebung können durch die Verwendung maßgeschneideter Kontrastmittel erreicht werden, welche mit den relevanten biologischen Prozessen spezifisch in Wechselwirkung treten. Deshalb sind Syntheseautomaten, welche eine Vielzahl von verschiedenen Kontrastmitteln je nach Bedarf produzieren können und dabei geringe Anforderungen an Benutzer und Infrastruktur stellen, von großem Interesse. Die Miniturisierung der PET Radiosynthese hin zu einem mikrofluidischen Prozess hat zahlreiche Vorteile, wie z.B. die effizientere Flächennutzung von kostenintensiven Heißzellen und Radiolaboratorien und die Möglichkeit der parallelen Produktion von mehreren Kontrastmitteln an einem Tag. Weitere Vorteile sind Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit einer präziese kontrollierbaren und automatisierten Prozessumgebung für die Radiosynthese sowie auswechselbare mikrofluidische Einwegkomponenten, welche die Anforderungen der medizinischen Qualitätssicherung erfüllen. Diese Arbeit präsentiert die schrittweise Entwicklung eines integrierten mikrofluidischen Systems aus Cyclo-Olefin-Copolymeren (COC oder Topas) zur Synthese des PET Kontrastmittels [18F]FMISO (1-(2'-nitro-1'-imidazolyl)-3-fluoro-2-propanol). Der Schwerpunkt dieser Studie liegt dabei auf der Miniturisierung von drei Kernprozessen der [18F]FMISO Synthese: (A) Konzentration von [18F] und Phasentransfer von [H218O] in Dimethylsulfoxid (DMSO), (B) Radiomarkierung des mit der Schutzgruppe Tetrahydropyranyl (THP) versehenen Precursors NITTP (1-(2'-nitro-1'-imidazolyl)-2-O-tetrahydropyranyl-3-O-toluenesulfonylpropanediol) und (C) Schutzgruppenentfernung unter Verwendung von Chlorwasserstoffsäure. Die Systemkomponente für den Phasentransfer wurde gemäß eines elektrochemischen Prinzips von Alexoff entworfen. Das dabei präsentierte Sandwich-Design mit einer PTFE Meanderdichtung ermöglicht den schnellen und zuverlässigen Test verschiedener Elektrodenwerkstoffe und Elektrodenabstände bis in den Mikrometerbereich. Die Mikroreaktoren für Radiomarkierung und Schutzgruppenentfernung wurden durch spanende Bearbeitung von COC5013 Substraten hergestellt. Die Kanalbreite beträgt 0,5mm und die internen Volumina liegen im Bereich von 50æl bis 500ml. Weiterhin wurde ein Versuchsaufbau für Radiomarkierung und Schutzgruppenentfernung entworfen, welcher Umluftöfen und Spritzenpumpen verwendet, welche innerhalb einer LabView Umgebung kontrolliert und automatisiert werden können. Die in Versuchen erreichte Radiomarkierungseffizient liegt bei 62% bei 100&ayn;C Reaktionstemepratur und 4min Reaktionszeit. In einem exemplarischen Versuchslauf mit kombinierter Radiomarkierung und Schutzgruppenentfernung konnte eine Gesamtausbeute von 14% erzielt werden. Basierend auf diesen Resultaten wurde ein Entwurf für einen integrierten mikrofluidischen [18F]FMISO Synthesechip erstellt.
Investigation of final cleaning and coating process for electro-optical apertures. - 90 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die konstante Verkleinerung elektronischer Geräte, sowie der Bedarf der Integration vielfältiger Funktionen auf einem einzigen Chip, haben zur extremen Miniaturisierung elektronischer Bauelemente geführt. - Die Elektronenstrahllithographie ist einer der Schlüsseltechnologien um Strukturen im Nanometerbereich auf Wafern zu übertragen. - MAPPER Lithography BV hat ein neues Konzept von Elektronenstrahllithographie entwickelt. Es erlaubt Strukturen auf Wafern zu übertragen, unter Verwendung eines masklosen Systems, das 10.000 parallelen, einzeln ansteuerbare, Strahlen einsetzt. - Kern der Maschine ist das Aperturenfeld, das der Hauptelektronenstrahl teilt. - Kontamination und strukturelle Fehler in der Struktur der Aperturen können Fehlfunktion hervorrufen. Einen Verfahren zur Reinigung von Aperturenfeldern und eine Optimierung ihres Herstellungsprozesses wird in dieser Arbeit dargelegt. - Methoden zur Beseitigung der Kontamination auf Siliziumstrukturen werden untersucht und verglichen. - Weiterhin wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit ein Simulationsprogramm entwickelt, das eine effiziente Modellierung von Sputterprozesse erlaubt. - Durch ein effizientes Reinigungsprozess, sowie durch Zeit- und Materialersparnis mit Hilfe rechnergestützter Simulation konnte die Produktivität bedeutend gesteigert werden.
Electrowetting auf superhydrophoben Oberflächen. - 136 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten des Electrowetting on dielectrics auf nanoskaligen superhydrophoben Oberflächen. Ziel war es einen Tropfen durch Anlegen einer Spannung in einer speziellen Oberflächenstruktur zu versenken. Hierbei wurde speziell der Effekt des Electrowettings auf Black-Silicon und stark strukturieren Oberflächen untersucht. Ein erstes Kapitel widmet sich der Theorie und den Anwendungsmöglichkeiten des Electrowetting on dielectrics, sowie einigen Erläuterungen zum Black Silicon. Im Folgenden wurden eine Vielzahl von Electrowettingaufbauten auf die Wirkung bei Electrowetting untersucht. Große Probleme verursachte hierbei die beim Electrowetting on dielectrics notwendige Isolationsschicht. Unterschiedliche Isolationsmaterialien (Siliziumdioxid, Siliziumnitrid) wurden auf Black Silicon getestet, wobei nur das Siliziumnitrid aus einem LPCVD-Prozess (low pressure chemical vapor deposition) das Black Silicon für die durchgeführten Versuche ausreichend isolierte. Untersucht wurde auch, inwieweit Black Silicon Oberflächen hydrophob sind und ob ein Tropfen eines Mediums auf der Oberfläche aufliegt. Es zeigte sich, dass der Tropfen vollständig von den Black Silicon Nadeln getragen wird. Im weiteren Verlauf sollte das unerwartete Verhalten des Tropfens auf den Black Silicon Oberflächen, welches beim Electrowetting beobachtet wurde, begründet werden. Dies gelang aufgrund der schwierigen Beobachtbarkeit und der hohen Verlaufgeschwindigkeiten nicht. Schlussendlich wurden auch lithographisch stark strukturierte Oberflächen als Grundelektrode für das Electrowetting genauer betrachtet. Es wurde untersucht, ob die Tropfen auf diesen Strukturen aufliegen, und wie sie sich hierbei das Electrowetting verhält. Es zeigte sich, dass die Tropfen bei den kleinsten Gräben von 5 æm Breite in die Zwischenräume sinken. Das Verlaufen durch den Electrowettingeffekt wurde vermutlich durch die starke Strukturierung vollkommen verhindert. Auch auf den strukturierten Wafern kam es immer wieder zur Elektrolyse. Die Strukturen zu isolieren gelang in dieser Arbeit nicht. Abschließend lässt sich festhalten, dass es weder im Black Silicon noch in den lithographischen Strukturen gelang einen Tropfen zu versenken.
Konzeption und Aufbau von Helixspulen in LTCC. - 125 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die vorliegende Diplomarbeit entstand im Fachgebiet Mikromechanische Systeme der Technischen Universität Ilmenau. In der Arbeit wurden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten für Helixspulen und einer Spiralspule mit 8 Windungen in einem LTCC-Bauelement hergeleitet. Mit dem Ziel größtmöglicher Induktivität im Bauteil wurden für beide Spulentypen, Optimierungsroutinen für das Programm SESAM entwickelt. Basis der Optimierungsroutinen ist die Berechnung des Magnetkreises anhand magnetischer Netzwerkmodelle bei gleichzeitiger Beachtung aller fertigungsbedingten Restriktionen. Unter Nutzung der Routinen wurden die optimalen Hauptabmessungen und zugehörigen Induktivitätswerte der Bauelemente bestimmt. - Mit dem Ziel den Leitungswiderstand zu senken, ergeben sich 4 Varianten von Helixbauelementen. Die Ergebnisse der Optimierung bestätigen, dass durch Helixspulen größere Induktivitätswerte erreicht werden als mit der Spiralspule. Die Spiralspule besitzt im vorgegebenen Bauraum von 15x15x1,5 mmџ eine Induktivität von 14,4 [Mikrohenry].Mit den vier Helixvarianten lassen sich zwei- bis sechsfach höhere Werte erzielen. - Auf Grundlage der Optimierungsergebnisse wurden unterschiedliche Helixbauelemente für die Fertigung konzipiert und zum Gesamtlayout des LTCC-Stapels zusammengeführt. Die zur Fertigung benötigten Prägewerkzeuge, Stanzdaten und Siebe sind aus dem Gesamtlayout abgeleitet und hergestellt worden. - Aufgrund von Herstellungsproblemen der Prägewerkzeuge konnten, keine funktionstüchtigen Bauelemente gefertigt werden. Aus diesem Grund ist es im Rahmen der Diplomarbeit nicht möglich, die Simulations-Ergebnisse der FEM-Analyse mit den Induktivitätswerten der gefertigten Bauelemente zu vergleichen.
Untersuchung zum Wachstum von Silizium-Nanodrähten. - 77 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
In der Diplomarbeit wurde ein PECVD-Verfahren zur Synthese von Silizium- Nanodrähten, bei Temperaturen unter 400˚C entwickelt. Nanodrähte konnten unter einem breiten Spektrum von Wachstumsprozessparametern erzeugt werden. Die Ergebnisse sind in der Arbeit vorgestellt und diskutiert. Es wurde ein Standardprozess definiert. Als Katalysator des Wachstums wurden Goldpartikel verwendet, die durch thermische Clusterung in einem schnellen Temperaturprozess (rapid thermal process-RTP) aus Goldschichten erzeugt wurden. Mögliche Wachstumsmechanismen werden diskutiert und mit Stand der Forschung verglichen.
Herstellung eines Demonstrators für das miniaturisierte Magnetventil. - 97 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Die ständige Forderung nach Miniaturisierung und Steigerung der Leistungsfähigkeit komplexer technischer Systeme erfordert eine zunehmende Funktionenintegration in den Bauteilen, umfangreiche Simulationen zur Optimierung und neue Wege hinsichtlich der verwendeten Materialien sowie der Fertigungs- und Fügetechnologien. - Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Optimierung und Herstellung eines Demonstrators für ein bereits entworfenes, hoch funktionenintegrierendes, elektromagnetisches Mikroventil. Dazu gehören die Minimierung des Verlustdruckes und der Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal, sowie die Verbesserung der Magnetkreisparameter des Aktors im Ventil. Des Weiteren müssen geeignete Fügeverfahren für die Ventilbauteile evaluiert und angewendet werden. - Mittels Ansys wurden die kritischen Stellen im Strömungskanal ermittelt und kontinuierlich verbessert. Dazu gehören der Ventileinlass- und Auslasskanal, sowie der Dichtsitz am Eingang zur Ventilkammer. Als Ergebnis der Simulationen konnte der Strömungswiderstand und somit der Verlustdruck sowie die Strömungsgeschwindigkeit erheblich gesenkt werden. - Im nächsten Schritt wurde der Magnetkreisanker als Schlüsselelement der Magnetkreisoptimierung hinsichtlich seines Durchmessers optimiert. Dazu sind heterogene und homogene Ansätze zur Realisierung der Feder entstanden, sowie geeignete Materialien untersucht und bewertet worden. Mittels Ansys gelang eine wesentliche Verkleinerung des Mäanderfederdurchmessers in Hinsicht auf eine ätztechnische und galvanische Fertigung. Als Ergebnis konnte das Spulenfenster und somit das magnetisch aktive Volumen der Spule wesentlich vergrößert werden, wodurch eine höhere magnetische Durchflutung ermöglicht wird. In der anschließenden Simulation des gesamten Magnetkreises wurden mit Ansys die resultierenden Magnetkreisparameter bestimmt und das Ventil geometrisch an diese angepasst. - Mittels ätztechnischer und galvanischer Fertigung wurde der als Mäanderfeder ausgeführte Magnetkreisanker im Batchverfahren hergestellt. Die Gehäuseteile sind mittels Lasergravur aus MIM-Rohlingen (Metal Injektion Molding) entstanden. Die Ventilkammer ist mittels Ansys auf ihre Druckfestigkeit überprüft worden. - Die Evaluierung geeigneter Fügeverfahren für die Ventilkammer und das Ventilgehäuse ermöglichten die Bewertung und Auswahl für dieses Ventil. Als geeignet erwiesen sich dabei das Laserschweißen und ein neuartiges Lötverfahren mittels "Microfoils" zum Fügen der Einzelteile. Hinweise zum Fügeprozess bilden die Grundlage zum Aufbau des Demonstrators.
Prozessoptimierung eines Materialverbundes zwischen Silicium und low temperature cofired ceramics (LTCC). - 62 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die Optimierung eines Materialverbundes aus Silicium und Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC). Genutzt wird eine nanostrukturierte Siliciumoberfläche aus modifiziertem Black Silicon und ein niedrigschmelzendes Glas-Keramik-System (BGK), dass im Wärmeausdehnungskoeffizienten an den des Siliciums angepasst ist. Ausgangspunkt dieser Arbeit waren erste Bondversuche, die eine mittlere Bondfestigkeit von 800 N/cmø ergaben. Darauf aufbauend wurden im Rahmen dieser Arbeit Fügeparameter ausgewählt und hinsichtlich der Festigkeit des Verbundsubstrates optimiert. Die Festigkeit der Verbindung wurde in Zerreißversuchen ermittelt und unter Berücksichtigung von Methoden des DoE der dazugehörige Versuchsplan erarbeitet. Dabei wurde eine mittlere Bondfestigkeit von ˜1700N/cmø bestimmt. Als Hauptparameter stellten sich dabei die Laminierdauer und der Laminierdruck heraus. Das Bestätigungsexperiment mit den optimalen Parametern ergibt Werte am unterem Erwartungshorizont.
Piezoelektrische Funktionsstrukturen aus AlN für integrierte mikrotechnische Sensoren. - 101 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Diese Arbeit beschäftigt sich mit piezoelektrischen Schallsensoren und Schallerregern, die mit den Technologien der Mikrosystemtechnik hergestellt werden können. Im Schwerpunkt dieser Arbeit steht die Schallsensorik. Als piezoelektrisches Material kommt das in der Mikrosystemtechnik bisher noch eher selten eingesetzte Aluminiumnitrid zum Einsatz. Im Fokus stehen Biegewandler in Form von Kreis- und Quadratmembranen sowie Brücken- und Zungenstrukturen. Am Rande werden auch Schallsensoren und Schallerreger auf Basis von SAWs (surface acoustic waves) betrachtet. Neben der Geometrie der Biegewandler werden verschiedene Anwendungsformen (Monomorph, Bimorph, Parallel-Bimorph und Serien-Bimorph) diskutiert und mittels der Finite-Element-Methode simuliert. Es sind verschiedene technologische Konzepte dargestellt und in zwei Prozessen sind Biegewandler in Form eines Bimorphs hergestellt worden. Als Biegewandler sind hauptsächlich Kreismembranen prozessiert worden. Biegewandler in Form von Quadratmembranen und Brückenstrukturen konnten auch erfolgreich hergestellt werden. Die Durchmesser bzw. die Kantenlängen der Biegewandler sind zwischen ein bis drei Millimeter und die Dicke liegt bei weniger als einem Mikrometer. Durch Messungen kann ein Funktionsnachweis der Sensoren erbracht werden. Abgeschlossen wird die Arbeit mit der Untersuchung von Versteifungen und Flexibilisierungen auf das mechanische Verhalten der Wandler mittels der Finite-Element-Methode.
Miniaturisiertes resonantes Magnetventil - fertigungstechnische Umsetzung. - 113 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein neuartiges pneumatisches Mikroventil aufgebaut, welches mit einem elektromagnetischen Resonanzaktor betrieben wird. Für die erfolgreiche fertigungstechnische Umsetzung des mechatronischen Systems wird der Grobentwurf des Mikroventils in ein feindimensioniertes und fertigungsgerechtes Design überführt. Die konstruktive Gestaltung erfolgt unter dem Ziel der Volumenintegration. Der Konzeption und Dimensionierung der Ventilfeder kommt aufgrund des kleinen Bauraums und der dynamischen Forderungen eine besondere Bedeutung zu. Die Ventilfeder muss bei vergleichsweise hoher Steifigkeit dauerfest ausgelegt sein. Mit Hilfe der Laser-Feinbearbeitung kann eine Feder gefertigt werden, die sowohl den Anforderungen als auch den Restriktionen genügt. Der Schaltungsentwurf zur Steuerung des Resonanzventils sowie das Layout der Leiterplatte wird dokumentiert. Der Prozess der Systemintegration legt im Rahmen der messtechnischen Eigenschaftsabsicherung der Ventilkomponenten von der Spezifikation abweichende Werkstoffparameter offen. Die Folgen sind eine gegenüber dem Systemmodell verringerte Reluktanzkraft in den Endlagen des Ventilankers, eine geringere Steuerbarkeit sowie ein erhöhter Energiebedarf des realisierten Funktionsmusters. Dennoch konnte die Funktion des Ventils nachgewiesen sowie die aus dem Funktionsprinzip hervorgehenden Vorteile dargestellt werden. Im Rahmen des Systementwurfs wird einem besonders interessanten Detailansatz nachgegangen: der funktionellen und technologischen Integration von Ventilfeder und Anker. Der vollkommen neue Ansatz verkörpert die Konstruktionsziele der Funktionen- und Volumenintegration. Die Ergebnisse der Betrachtungen zur Miniaturisierung haben gezeigt, dass das realisierte Resonanzventil in seinen Abmessungen noch wesentlich verkleinert werden kann: Mit dem Prinzip des querschnittsvergrößerten Dauermagneten ist eine Reduktion des Ventilvolumens unter Einhaltung aller funktionellen Parameter wie Nennweite und Schaltfrequenz um mehr als eine Größenordnung auf ein Gesamtvolumen des Ventilaktors von etwa 0.3 cmџ möglich. Die im Vergleich zum Eisenquerschnitt des magnetischen Rückschlusses vergrößerte Querschnittsfläche des Dauermagneten ermöglicht die Ausnutzung der hohen Sättigungsflussdichte von Eisen-Kobalt-Legierungen und somit die entscheidende Verkleinerung des Aktorvolumens.