Die ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) sagt voraus, dass die fortlaufende Miniaturisierung der Transistoren und Verdrahtungen auch neue Isolationsmaterialien mit äußerst niedrigen (ultralow) Dielektrizitätskonstanten k erfordern wird. Die Miniaturisierung der Bauteile der ULSI (Ultra Large Scale Integration) führt zu starken Anforderungen an die Fertigung der kritischen Bereiche (backend-of-line, BEoL). Die ITRS deutet darauf hin, dass die k-Werte bis zu 2.0 für die 45 nm Technologie reduziert werden müssen, und zu noch niedrigeren k-Werten (k  1.5) für die nachfolgenden Jahre. Ergänzend zur äußerst niedrigen dielektrischen Konstante müssen die Isolatoren auch über entsprechende mechanische Eigenschaften verfügen. Die vorliegende Arbeit stellt Forschungen vor, die das Ziel haben, mittels modernen ab-initio und halbempirischen theoretischen Methoden neuartige Isolationsmaterialien für zukünftige mikroelektronische Anwendungen zu entwerfen. Die umfangreichen eingesetzten Rechenmethoden wurden verwendet, um strukturelle und physikalische (mechanische, dielektrische und elektronische) Eigenschaften von entworfenen Zwischenschichtsdielektrika zu bestimmen. Eine neue Art von Materialien wird vorgestellt, die als ein möglicher Kandidat für isolierende ultralow-k dünne Schichte zwischen Metallleiterbahnen in zukünftigen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Technologien fungieren sollen. Die Struktur der neuartigen Materialien wird durch ein Modell beschrieben, das ein geordnetes dreidimensionales Netzwerk (Mosaikstruktur) darstellt. Dies besteht aus drei Hauptkomponenten: Knoten, Kanten und Topologie der Anordnung. Fullerenmoleküle (C60) werden als Knoten des Netzwerkes verwendet. Die Knoten werden durch Verknüpfermoleküle entlang der Kanten der Mosaikzelle angekoppelt. Dies wird durch kovalente Bindungen realisiert. Als Verknüpfermoleküle werden Kohlenwasserstoff- Kettenmoleküle verwendet. Einfache kubische, flächenzentrierte kubische und diamantähnliche Topologien werden für Anordnungen des Netzwerkes betrachtet. Das Innere einer Netzwerkzelle repräsentiert eine Nanopore der Größe in Bereich von 1 nm. Zunächst werden am Beispiel fluorierter Fullerene Probleme der molekularen Polarisierbarkeit untersucht. In Molekülen mit ionischem Beitrag zur Bindung kann der Beitrag der Kernverschiebungen (wegen des äußeren Feldes) zur statischen Polarisierbarkeit entscheidend sein. Mittels der Finite Field Methode wird die Struktur mit und ohne ein endliches äußeres elektrisches Feld optimiert. Dabei wird die Optimierung durch Minimierung der Gesamtenergie durchgeführt und die molekulare Polarisierbarkeit aus dem induzierten Dipolmoment bestimmt. In C60Fn erhöht meistens das Fluorieren die Polarisierbarkeit. Nur für n = 2 und 18, wobei das Molekül ohne ein äußeres Feld ein sehr großes Dipolmoment hat, wird die Polarisierbarkeit verringert. Für große Werte n (n = 20, 36 und 48) wird die Polarisierbarkeit pro zusätzliches Fluoratom wegen Kernverschiebungen deutlich erhöht. Die Modifizierung der Knoten des Netzwerkes wird betrachtet und die Anwendbarkeit des Additivitätsmodells diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante des reinen flächenzentrierten kubischen Fullerengitters beträgt etwa 4.4. Die Einführung der Verknüpfermoleküle zwischen benachbarten Fullerenmolekülen und die gleichzeitige Verwendung von auf Kohlenstoffatomen basierten käfigförmigen Molekülen reduziert die Dichte des Materials. Dies ergibt eine beträchtliche Verringerung der makroskopischen Polarisierbarkeit des Materials. Die Struktureinheit, die aus zwei Fullerenmolekülen und einem Kohlenwasserstoff-Verknüpfermolekül besteht, wird mittels quantenchemischer Methoden (DFTB Molekulardynamik) optimiert. Es werden die Dichte der lokalen Dipole und elektronische Effekte betrachtet, um die effektive Dielektrizitätskonstante des Modells abzuschätzen. Die Berechnungen zeigen, dass k-Werte von etwa 1.4 erreicht werden können, wenn C6H12 Kettenmoleküle verwendet werden, um die C60-Moleküle im Netzwerk mit diamantähnlicher Symmetrie zu verknüpfen. Weiterhin werden molekulare Cluster mit angelegten periodischen Randbedingungen für einfache kubische und diamantähnliche Topologien konstruiert. Kombinationen der klassischen und quantentheoretischen Methoden werden eingesetzt, um die Struktur zu optimieren, Kompressionsmodule zu berechnen und die dielektrischen Eigenschaften der fullerenbasierten Materialien zu berechnen. Dies hat das Ziel, ultralow-k Isolatoren mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften zu finden. Es wird die kovalente Verknüpfung der C60 Moleküle untersucht und sowohl die Länge und chemische Zusammensetzung des Verknüpfermoleküles als auch die Verknüpfungsgeometrie variiert. Gemäß dem entworfenen Modell werden Strukturen mit einfacher kubischer und diamantähnlicher Topologie des Netzwerkes als vielversprechende Kandidaten betrachtet. Die (statische) Dielektrizitätskonstanten k und Kompressionsmodule B sind für einige vorgeschlagene Materialien im Bereich von k = 1.7 bis 2.2 und beziehungsweise von B = 5 bis 23 GPa. Das Clausius-Mossotti Modell wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der entworfenen Strukturen verwendet. In den nächsten Schritten der Arbeit werden die Wege der Verbesserungen für das vorgeschlagene Modell betrachtet. Es wird analysiert, auf welche Art Verknüpfermoleküle an die Knoten gebunden werden können, um die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der generierten ultralow-k Strukturen zu verbessern. Es gibt zwei mögliche verschiede Arten, die Verknüpfermoleküle > C = C < und > C – CH2 – CH2 – C < an das Käfigmolekül C60 anzukoppeln. Die Berechnungen zeigen, dass es im gegenwärtigen Verbesserungsschritt möglich ist, für die einfache kubische Topologie Eigenschaftskombinationen mit k = 2.2 und B = 33 GPa zu bekommen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine theoretische Methode ¬¬– sogenannter molekularer Entwurf – entwickelt und erfolgreich angewandt. Die theoretische Behandlung ist kompliziert, weil Wechselwirkungen im atomaren Skalabereich und auf einem strukturellen Niveau von 1 nm zusammen betrachtet werden müssen. Dies Verfahren erfordert die Anwendung komplementärer theoretischen Methoden, um das gesamte Problem beschreiben zu können. Die Methoden schließen klassische, kontinuierliche theoretische und quantenchemische Näherungen ein. Der Vorteil dieser Methode ist, dass verschiedene mögliche Kandidaten für ultralow-k Dielektrika theoretisch getestet werden können, ohne teure und zeitaufwendige Experimente durchzuführen. / The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) predicts that continued scaling of devices will require insulating materials with ultralow dielectric constant k. The shrinking of device dimensions of ultra-large-scale integrated (ULSI) chips imposes strong demands on the backend of the line (BEoL) interconnect structures. The ITRS indicates that the k values need to be reduced to 2.0 for the 45 nm technology node or below (k  1.5) in the next few years. Additionally to extremely low dielectric constants, the insulating materials must have also suitable mechanical properties. The work represents research, which is aimed to support molecular design and investigations of modelled novel insulating materials for future application in microelectronics by means of theoretical ab-initio and semiempirical methods. A wide range of computational methods were used to estimate structural and physical (mechanical, dielectrical and electronic) properties of the designed interlayer dielectrics (ILDs). A new class of materials is presented that is supposed to be a potential candidate for isolating ultralow-k thin films between metal on-chip interconnects in future CMOS technology nodes. The structure of the novel materials is described by a model that assumes an ordered three-dimensional network (mosaic structure) consisting of three main components: nodes, edges and topology of arrangement. Fullerene (C60) molecules are used as the nodes of the network. The nodes are connected by linker molecules along the edges of the mosaic cells through a covalent bonding. Hydrocarbon chain molecules are used as the linkers. Simple cubic, face-centred cubic and diamond-like topologies of the network are considered. The interior of a network cell represents a nanopore of a 1-nm scale. At first problems of molecular polarizability are investigated considering the case of fluorinated fullerenes. In molecules with ionic contribution to the binding, the contribution of nuclear displacements (due to the external field) to the static polarizability can be decisive. Using the finite field method, the structure is optimized with and without a finite external electric field by a total energy minimization and the polarizability is calculated from the induced dipole moment. In C60Fn, fluorination mostly increases the molecular polarizability. Only for n = 2 and 18, where the molecule without an external field has a very large dipole moment, fluorination does decrease it. For large n (n = 20, 36, and 48), the polarizability per added F atom due to nuclear displacements is increased by a factor of about 2. The modification of the nodes of the network is considered and the validity of the additivity model is discussed. The dielectric constant of the pure fullerene face-centred cubic lattice is about 4.4. The introduction of bridge molecules between neighbouring fullerene molecules and the simultaneous usage of cage-like molecules based on carbon atoms reduces the density of the material. This results in a considerable decrease of the macroscopic polarizability of the material. The structural units of the models consisting of two fullerenes and a hydrocarbon bridge molecule are optimized by means of quantum chemical methods (DFTB molecular dynamics). The density of local dipoles and electronic effects are considered to estimate the effective dielectric constant of the models. It is shown that k values of about 1.4 can be obtained if C6H12 chain molecules are used to connect C60 molecules on a network with diamond-like symmetry. Further, molecular clusters with applied periodic boundary conditions are constructed for simple cubic and diamond-like topologies. Combinations of classical and quantum-theoretical approaches are used to optimize the structure, to calculate bulk moduli, and for the assessment of the dielectric properties of fullerene-based materials with the goal to find ultralow-k insulators with suitable mechanical properties. The covalent linking of C60 molecules is studied and the length and chemical composition of the linker molecule as well as the linkage geometry is varied. According to the molecular design-based model, structures with simple cubic and diamond-like topology of the network are proposed as promising candidates. The (static) dielectric constants k and elastic bulk moduli B of the proposed materials are in the range of k = 1.7 to 2.2 and B = 5 to 23 GPa, respectively. The Clausius-Mossotti-Model is used to estimate dielectric constants of the designed structures. In the next steps of the work the ways of improvements for the proposed model are considered. The way to connect linker molecules to the node molecules is analyzed, in order to improve the mechanical and dielectric properties of the generated ultralow-k structures. Two different types of bonding linker molecules to the cage C60 molecule with the > C = C < and > C – CH2 – CH2 – C < linker molecules are possible. It is shown that at the present improvement step it is possible to get property combinations with dielectric constant of k = 2.2 and bulk modulus of B = 33 GPa for the simple cubic topology. In this work a theoretical method called molecular design is developed and successfully applied. The theoretical treatment is difficult since interactions both on the atomic scale and on the structural level of 1 nm must be considered. This approach requires the application of complementary theoretical methods to describe the complex problems. The methods include classical, continuum theoretical and quantum-chemical approximations. The advantage of the present approach is that various possible candidates for ultralow-k dielectrics can be tested theoretically without performing expensive and time-consuming experiments.

Im Beitrag werden Forschungsergebnisse zum numerischen Entwurf textilbewehrter Verstärkungsschichten zusammengefasst. Die Ergebnisse resultieren im Wesentlichen aus den Arbeiten der Teilprojekte D2-Numerische Simulation, E3-Sicherheitsbeurteilung und E4-Numerische Langzeitprognose des Sonderforschungsbereichs 528. Zusätzlich wird auf Transferleistungen verwiesen. / The paper provides a summary of research results concerning numerical design approaches for textile reinforced structures. The outcome mainly results from the work done in the subprojects of the Collaborative Research Centre 528: D2-Numerical Simulation, E3-Reliability Assessment und E4-Numerical Long-term Prognosis. Further, the paper also points out the transfer potential.

Framework: The paper as an component of an extensive research project on design methods focuses on the question how architects could develop systematically goal-oriented architectural solutions (including innovative solutions) in the complex field of social and healthcare buildings. Questions: Within this framework, the paper, a component of the whole research project, is looking at two fundamental questions in terms of the indispensability of the contribution of architects during the planning and design process for such complicated design tasks: 1. Are there any techniques for measuring the added value contributed by architects? 2. How can architects demonstrate / communicate the added value of their contribution? Hypotheses: 1. The added value of the architects' contribution can be measured either through evaluation of the architectural solution or of the planning / design process. 2. Architects can demonstrate / communicate the added value of their contribution either through the quality of the architectural solution or the successful procedure that is therefore satisfying that architects, engineers, clients, users, etc. are included.

Die Dissertationsschrift stellt eine Toolkette zum abstrakten Entwurf von Mikrosystemen vor. Mikrosysteme können aus Elementen verschiedener physikalischer Domänen bestehen und zusätzlich digitale Hardware sowie Software enthalten. Die Erfassung und Formalisierung dieser heterogenen Systeme stellt den ersten Schritt im Entwurfsprozess dar, die damit verbundene neue Methodik des Designs von Mikrosystemen bildet den Kern der vorliegenden Arbeit. Zur Erfassung der analogen Spezifikationsteile enthält die Arbeit die Schilderung und Implementierung neuer Datenstrukturen, die ausgehend von einer ausführlichen Anforderungsanalyse geschaffen wurden. Das abstrakte Systemverhalten wird mit Hilfe hybrider Automaten modelliert, die sowohl mit speziellen hybriden Werkzeugen als auch mit SystemC-AMS simulierbar sind. Darüber hinaus beschäftigt sich die Arbeit mit der Erfassung von Signalverläufen und Schaltplaninformationen. Die formalisierten Anforderungen ermöglichen erste Prüfungen der Spezifikation auf Konsistenz. Zur Unterstützung niedriger Abstraktionsebenen wie der Differentialgleichungsebene steht ein Wandler von SystemC-AMS nach VHDL-AMS bereit. In die Systembeschreibung mit SystemC-AMS ist die Definition und Verknüpfung von Kostenparametern integrierbar. Das daraus entstehende globale Gütemaß hilft dem Entwerferteam, die optimale Systemrealisierung zu finden. / The PhD thesis proposes a toolflow for the design of microsystems on higher abstraction levels. Microsystems may consist of components using effects in different physical domains plus additional digital hardware and software. The collection and formalization of these heterogeneous systems is a first step in the design process, the associated design method ist the key point of this work. The system behavior is modeled using hybrid automata, which are checkable using hybrid modelcheckers and simulable using SystemC-AMS. Furthermore the work deals with signal forms and circuit parameters. To support modeling on lower abstraction levels like differential algebraic equations a syntax conversion from SystemC-AMS to VHDL-AMS was included. The integration of cost factors into SystemC-AMS allows design space exploration during system simulation.

Ein stetig wachsender Anteil des Aufwands zum Entwurf digitaler Schaltungen entfällt auf die funktionale Verifikation. Der Verifikationsraum als Menge aller möglichen Kombinationen von Attributen einer Komponente, d. h. der Parameter und Eingangsdaten, ist oftmals sehr groß, wodurch die Verifikation aller Kombinationen unpraktikabel wird. Deshalb verwenden moderne Methoden der funktionalen Verifikation die zufallsgesteuerte Erzeugung von Stimuli in Verbindung mit manuell definierten Spezialfällen, sog. Corner Cases, um eine möglichst hohe funktionale Abdeckung in der angestrebten Verteilung zu erzielen. Als großer Nachteil diese Ansätze führen steigende Abdeckungsanforderungen zu exponentiell ansteigenden Laufzeiten. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurden Generatoren propagiert, die nur solche Kombinationen erzeugen, die nicht bereits abgedeckt worden sind. Leider können die dabei verwendeten Verfahren das Problem nicht zufriedenstellend lösen, da auch sie im Allgemeinen zufällige Kombinationen erzeugen, um in einem zweiten Schritt zu prüfen, ob diese bereits abgedeckt sind. Im vorliegenden Beitrag werden Entscheidungsdiagramme zur Repräsentation aller zulässigen Kombinationen innerhalb des Verifikationsraums verwendet. Mit Hilfe dieses analytischen Modells kann jede beliebige Anzahl von Kombinationen in linearer Zeit erzeugt werden. Wird die vorgestellte Methode auf die Zufallserzeugung zur funktionalen Verifikation angewendet, kann diese um Größenordnungen beschleunigt werden.

Software-basierte Selbsttest (SBST) Konzepte für Prozessoren werden zunehmend interessant nicht nur durch die At-Speed Test Problematik. Auch bezüglich Stromaufnahme und Testzeit bietet dieses Testkonzept gegenüber dem Standard Verfahren wie etwa Scan-Test Vorteile. Als grundsätzlich problematisch ist die Erzeugung solcher software-basierten Testroutinen anzusehen, da bislang kein geeigneter einheitlicher Entwurfsprozess vorliegt. Deshalb wurde exemplarisch für einen einfachen 16-bit Prozessorkern sowohl eine manuelle rein funktional erstellte SBST und eine automatisch generierte auf Strukturinformationen basierende SBST untersucht um die Möglichkeiten und Grenzen eines solchen Ansatzes aufzuzeigen.

Die vorliegende Arbeit behandelt den Entwurf eines ADCs nach dem sukzessiven Approximationsverfahren (SAR). Ausgehend von den Systemanforderungen erfolgt eine Ableitung der Spezifikation des zu entwerfenden ADCs. Theoretische Betrachtungen und Highlevelsimulationen in Matlab wählen die optimale Architektur der Einzelkomponenten - kapazitives DAC Array, Komparator, Ablaufsteuerung - aus. Die Implementation selbst findet für die Analogschaltungsteile auf Transistorebene und für die digitalen Komponenten auf RT-Ebene in VHDL statt. Sie bilden die Grundlage für die Realisierung des Layouts. In dem Zusammenhang stellt die Arbeit die gängigsten Matchingmethoden für elektronische Bauelemente vor. Abschließende PEX-Simulationen (parasitic Extraction) ermitteln die statischen (INL/DNL) wie dynamischen Kennwerte (SNR) des SAR-ADCs.:Abkürzungsverzeichnis iii Formelzeichen v 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 2 2.1 Analog/Digital-Umsetzer 2 2.1.1 Umsetzungsverfahren 2 2.1.2 Statische Kennwerte 8 2.1.3 Dynamische Kennwerte 12 2.2 Technologie 17 2.2.1 Übersicht 17 2.2.2 MOS-Transistoren 17 2.2.3 Kapazitäten 18 2.2.4 Widerstände 18 2.3 Hardwarebeschreibungssprache 19 2.3.1 Übersicht 19 2.3.2 Zustandsautomat 19 2.3.3 Look-Ahead-Ausgang 20 3 Spezifikation 21 4 ADU-Topologie 23 4.1 Vorüberlegungen 23 4.1.1 Umsetzungsverfahren 23 4.1.2 Vergleich Widerstand/Kapazität 23 4.1.3 Differenziell Vs. Single-Ended 24 4.1.4 Kapazitätsarray 25 4.2 ADC High-Level Modell 30 4.2.1 Funktionsblöcke 30 4.2.2 Matlab/Simulink 31 4.2.3 Simulation 34 4.3 Parasitäre Effekte 37 4.3.1 Substratkapazität 37 4.3.2 Komparatoroffset 39 5 Schaltungsdesign & -simulation 41 5.1 Komparator 41 5.1.1 Spezifikation 41 5.1.2 Latch 41 5.1.3 Vorverstärker 43 5.1.4 Gesamtsystem 46 5.2 Schalter 46 5.2.1 Funktionsweise 46 5.2.2 Ladungseintrag 46 5.2.3 Dimensionierung & Simulation 47 5.3 Kapazitätsarray 51 5.4 SAR-Controller 51 5.4.1 Vorüberlegung 51 5.4.2 RTL Design 52 5.4.3 Simulation 55 5.4.4 Synthese 57 5.4.5 Optimierung 59 5.5 ADC (Toplevel) 59 5.5.1 Architektur 59 5.5.2 Simulation 61 6 Layout 64 6.1 Komparator 65 6.1.1 Vorverstärker 1 65 6.1.2 Vorverstärker 2 66 6.1.3 Dynamisches Latch 66 6.2 Transmission Gates 67 6.3 Kapazitätsarray 68 6.4 SAR-Controller 70 6.5 ADC (Toplevel) 70 6.6 PEX Simulation 72 6.6.1 Statischer Test 72 6.6.2 Dynamischer Test 73 7 Zusammenfassung 74 Literaturverzeichnis 76 Bücher 76 Skripte und Schriften 76 Internetlinks 78 Abbildungsverzeichnis 79 Tabellenverzeichnis 82 Anhang 84

Die ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) sagt voraus, dass die fortlaufende Miniaturisierung der Transistoren und Verdrahtungen auch neue Isolationsmaterialien mit äußerst niedrigen (ultralow) Dielektrizitätskonstanten k erfordern wird. Die Miniaturisierung der Bauteile der ULSI (Ultra Large Scale Integration) führt zu starken Anforderungen an die Fertigung der kritischen Bereiche (backend-of-line, BEoL). Die ITRS deutet darauf hin, dass die k-Werte bis zu 2.0 für die 45 nm Technologie reduziert werden müssen, und zu noch niedrigeren k-Werten (k  1.5) für die nachfolgenden Jahre. Ergänzend zur äußerst niedrigen dielektrischen Konstante müssen die Isolatoren auch über entsprechende mechanische Eigenschaften verfügen. Die vorliegende Arbeit stellt Forschungen vor, die das Ziel haben, mittels modernen ab-initio und halbempirischen theoretischen Methoden neuartige Isolationsmaterialien für zukünftige mikroelektronische Anwendungen zu entwerfen. Die umfangreichen eingesetzten Rechenmethoden wurden verwendet, um strukturelle und physikalische (mechanische, dielektrische und elektronische) Eigenschaften von entworfenen Zwischenschichtsdielektrika zu bestimmen. Eine neue Art von Materialien wird vorgestellt, die als ein möglicher Kandidat für isolierende ultralow-k dünne Schichte zwischen Metallleiterbahnen in zukünftigen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Technologien fungieren sollen. Die Struktur der neuartigen Materialien wird durch ein Modell beschrieben, das ein geordnetes dreidimensionales Netzwerk (Mosaikstruktur) darstellt. Dies besteht aus drei Hauptkomponenten: Knoten, Kanten und Topologie der Anordnung. Fullerenmoleküle (C60) werden als Knoten des Netzwerkes verwendet. Die Knoten werden durch Verknüpfermoleküle entlang der Kanten der Mosaikzelle angekoppelt. Dies wird durch kovalente Bindungen realisiert. Als Verknüpfermoleküle werden Kohlenwasserstoff- Kettenmoleküle verwendet. Einfache kubische, flächenzentrierte kubische und diamantähnliche Topologien werden für Anordnungen des Netzwerkes betrachtet. Das Innere einer Netzwerkzelle repräsentiert eine Nanopore der Größe in Bereich von 1 nm. Zunächst werden am Beispiel fluorierter Fullerene Probleme der molekularen Polarisierbarkeit untersucht. In Molekülen mit ionischem Beitrag zur Bindung kann der Beitrag der Kernverschiebungen (wegen des äußeren Feldes) zur statischen Polarisierbarkeit entscheidend sein. Mittels der Finite Field Methode wird die Struktur mit und ohne ein endliches äußeres elektrisches Feld optimiert. Dabei wird die Optimierung durch Minimierung der Gesamtenergie durchgeführt und die molekulare Polarisierbarkeit aus dem induzierten Dipolmoment bestimmt. In C60Fn erhöht meistens das Fluorieren die Polarisierbarkeit. Nur für n = 2 und 18, wobei das Molekül ohne ein äußeres Feld ein sehr großes Dipolmoment hat, wird die Polarisierbarkeit verringert. Für große Werte n (n = 20, 36 und 48) wird die Polarisierbarkeit pro zusätzliches Fluoratom wegen Kernverschiebungen deutlich erhöht. Die Modifizierung der Knoten des Netzwerkes wird betrachtet und die Anwendbarkeit des Additivitätsmodells diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante des reinen flächenzentrierten kubischen Fullerengitters beträgt etwa 4.4. Die Einführung der Verknüpfermoleküle zwischen benachbarten Fullerenmolekülen und die gleichzeitige Verwendung von auf Kohlenstoffatomen basierten käfigförmigen Molekülen reduziert die Dichte des Materials. Dies ergibt eine beträchtliche Verringerung der makroskopischen Polarisierbarkeit des Materials. Die Struktureinheit, die aus zwei Fullerenmolekülen und einem Kohlenwasserstoff-Verknüpfermolekül besteht, wird mittels quantenchemischer Methoden (DFTB Molekulardynamik) optimiert. Es werden die Dichte der lokalen Dipole und elektronische Effekte betrachtet, um die effektive Dielektrizitätskonstante des Modells abzuschätzen. Die Berechnungen zeigen, dass k-Werte von etwa 1.4 erreicht werden können, wenn C6H12 Kettenmoleküle verwendet werden, um die C60-Moleküle im Netzwerk mit diamantähnlicher Symmetrie zu verknüpfen. Weiterhin werden molekulare Cluster mit angelegten periodischen Randbedingungen für einfache kubische und diamantähnliche Topologien konstruiert. Kombinationen der klassischen und quantentheoretischen Methoden werden eingesetzt, um die Struktur zu optimieren, Kompressionsmodule zu berechnen und die dielektrischen Eigenschaften der fullerenbasierten Materialien zu berechnen. Dies hat das Ziel, ultralow-k Isolatoren mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften zu finden. Es wird die kovalente Verknüpfung der C60 Moleküle untersucht und sowohl die Länge und chemische Zusammensetzung des Verknüpfermoleküles als auch die Verknüpfungsgeometrie variiert. Gemäß dem entworfenen Modell werden Strukturen mit einfacher kubischer und diamantähnlicher Topologie des Netzwerkes als vielversprechende Kandidaten betrachtet. Die (statische) Dielektrizitätskonstanten k und Kompressionsmodule B sind für einige vorgeschlagene Materialien im Bereich von k = 1.7 bis 2.2 und beziehungsweise von B = 5 bis 23 GPa. Das Clausius-Mossotti Modell wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der entworfenen Strukturen verwendet. In den nächsten Schritten der Arbeit werden die Wege der Verbesserungen für das vorgeschlagene Modell betrachtet. Es wird analysiert, auf welche Art Verknüpfermoleküle an die Knoten gebunden werden können, um die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der generierten ultralow-k Strukturen zu verbessern. Es gibt zwei mögliche verschiede Arten, die Verknüpfermoleküle > C = C < und > C – CH2 – CH2 – C < an das Käfigmolekül C60 anzukoppeln. Die Berechnungen zeigen, dass es im gegenwärtigen Verbesserungsschritt möglich ist, für die einfache kubische Topologie Eigenschaftskombinationen mit k = 2.2 und B = 33 GPa zu bekommen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine theoretische Methode ¬¬– sogenannter molekularer Entwurf – entwickelt und erfolgreich angewandt. Die theoretische Behandlung ist kompliziert, weil Wechselwirkungen im atomaren Skalabereich und auf einem strukturellen Niveau von 1 nm zusammen betrachtet werden müssen. Dies Verfahren erfordert die Anwendung komplementärer theoretischen Methoden, um das gesamte Problem beschreiben zu können. Die Methoden schließen klassische, kontinuierliche theoretische und quantenchemische Näherungen ein. Der Vorteil dieser Methode ist, dass verschiedene mögliche Kandidaten für ultralow-k Dielektrika theoretisch getestet werden können, ohne teure und zeitaufwendige Experimente durchzuführen. / The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) predicts that continued scaling of devices will require insulating materials with ultralow dielectric constant k. The shrinking of device dimensions of ultra-large-scale integrated (ULSI) chips imposes strong demands on the backend of the line (BEoL) interconnect structures. The ITRS indicates that the k values need to be reduced to 2.0 for the 45 nm technology node or below (k  1.5) in the next few years. Additionally to extremely low dielectric constants, the insulating materials must have also suitable mechanical properties. The work represents research, which is aimed to support molecular design and investigations of modelled novel insulating materials for future application in microelectronics by means of theoretical ab-initio and semiempirical methods. A wide range of computational methods were used to estimate structural and physical (mechanical, dielectrical and electronic) properties of the designed interlayer dielectrics (ILDs). A new class of materials is presented that is supposed to be a potential candidate for isolating ultralow-k thin films between metal on-chip interconnects in future CMOS technology nodes. The structure of the novel materials is described by a model that assumes an ordered three-dimensional network (mosaic structure) consisting of three main components: nodes, edges and topology of arrangement. Fullerene (C60) molecules are used as the nodes of the network. The nodes are connected by linker molecules along the edges of the mosaic cells through a covalent bonding. Hydrocarbon chain molecules are used as the linkers. Simple cubic, face-centred cubic and diamond-like topologies of the network are considered. The interior of a network cell represents a nanopore of a 1-nm scale. At first problems of molecular polarizability are investigated considering the case of fluorinated fullerenes. In molecules with ionic contribution to the binding, the contribution of nuclear displacements (due to the external field) to the static polarizability can be decisive. Using the finite field method, the structure is optimized with and without a finite external electric field by a total energy minimization and the polarizability is calculated from the induced dipole moment. In C60Fn, fluorination mostly increases the molecular polarizability. Only for n = 2 and 18, where the molecule without an external field has a very large dipole moment, fluorination does decrease it. For large n (n = 20, 36, and 48), the polarizability per added F atom due to nuclear displacements is increased by a factor of about 2. The modification of the nodes of the network is considered and the validity of the additivity model is discussed. The dielectric constant of the pure fullerene face-centred cubic lattice is about 4.4. The introduction of bridge molecules between neighbouring fullerene molecules and the simultaneous usage of cage-like molecules based on carbon atoms reduces the density of the material. This results in a considerable decrease of the macroscopic polarizability of the material. The structural units of the models consisting of two fullerenes and a hydrocarbon bridge molecule are optimized by means of quantum chemical methods (DFTB molecular dynamics). The density of local dipoles and electronic effects are considered to estimate the effective dielectric constant of the models. It is shown that k values of about 1.4 can be obtained if C6H12 chain molecules are used to connect C60 molecules on a network with diamond-like symmetry. Further, molecular clusters with applied periodic boundary conditions are constructed for simple cubic and diamond-like topologies. Combinations of classical and quantum-theoretical approaches are used to optimize the structure, to calculate bulk moduli, and for the assessment of the dielectric properties of fullerene-based materials with the goal to find ultralow-k insulators with suitable mechanical properties. The covalent linking of C60 molecules is studied and the length and chemical composition of the linker molecule as well as the linkage geometry is varied. According to the molecular design-based model, structures with simple cubic and diamond-like topology of the network are proposed as promising candidates. The (static) dielectric constants k and elastic bulk moduli B of the proposed materials are in the range of k = 1.7 to 2.2 and B = 5 to 23 GPa, respectively. The Clausius-Mossotti-Model is used to estimate dielectric constants of the designed structures. In the next steps of the work the ways of improvements for the proposed model are considered. The way to connect linker molecules to the node molecules is analyzed, in order to improve the mechanical and dielectric properties of the generated ultralow-k structures. Two different types of bonding linker molecules to the cage C60 molecule with the > C = C < and > C – CH2 – CH2 – C < linker molecules are possible. It is shown that at the present improvement step it is possible to get property combinations with dielectric constant of k = 2.2 and bulk modulus of B = 33 GPa for the simple cubic topology. In this work a theoretical method called molecular design is developed and successfully applied. The theoretical treatment is difficult since interactions both on the atomic scale and on the structural level of 1 nm must be considered. This approach requires the application of complementary theoretical methods to describe the complex problems. The methods include classical, continuum theoretical and quantum-chemical approximations. The advantage of the present approach is that various possible candidates for ultralow-k dielectrics can be tested theoretically without performing expensive and time-consuming experiments.

Im Beitrag werden Forschungsergebnisse zum numerischen Entwurf textilbewehrter Verstärkungsschichten zusammengefasst. Die Ergebnisse resultieren im Wesentlichen aus den Arbeiten der Teilprojekte D2-Numerische Simulation, E3-Sicherheitsbeurteilung und E4-Numerische Langzeitprognose des Sonderforschungsbereichs 528. Zusätzlich wird auf Transferleistungen verwiesen. / The paper provides a summary of research results concerning numerical design approaches for textile reinforced structures. The outcome mainly results from the work done in the subprojects of the Collaborative Research Centre 528: D2-Numerical Simulation, E3-Reliability Assessment und E4-Numerical Long-term Prognosis. Further, the paper also points out the transfer potential.

Model-based design is a common methodology in the development of embedded complex control systems. Control system engineers typically prefer to use MATLAB® Simulink® and suitable automatic code generators for the development and deployment of software. Embedded systems are subject to random hardware faults; bit-flips, for example, may affect random access memory (RAM) cells and central processing unit (CPU) registers and cause data errors that may propagate to critical system outputs and result in system failures. From a dependability perspective, the design space of control systems includes the selection of a suitable (reliable) implementation of a control algorithm. Such algorithm can be implemented with model-based software development frameworks, such as Simulink using different, but functionally equivalent implementations. However, these functional equivalents may exhibit completely different reliability properties. This thesis proposes an analytical method for the evaluation of the reliability properties of control systems that are designed with Simulink models. The method is based on a transformation of the assembly code, which is generated from the Simulink model, into a formal stochastic error propagation model as well as its quantification through underlying Markov chain models and state-of-the-art probabilistic model-checking techniques. The application of the method to the functionally equivalent implementations can determine which one is less vulnerable to data errors due to random hardware faults. Fault tolerance is significant to dependable system design. Control systems can be protected with fault tolerance mechanisms to increase the reliability. Redundancy is the key underlying concept for achieving fault tolerance that is usually implemented at the hardware or software level. In the case of model-based development, redundancy mechanisms are preferable for direct application at the model level (Simulink model level). This thesis introduces a systematic classification of fault-tolerant design patterns. Such patterns can be applied to the Simulink model to tolerate random hardware faults, and taken into account during the control system design. In addition, it is more transparent and convenient for control system engineers to directly protect vulnerable parts with fault tolerance mechanisms at the model level. The rigorous reliability assessment of the embedded control systems must be conducted at the assembly level based on the modeling of data errors that occurred in RAM and CPU. However, the scalability of the assembly-level assessment method is challenging and even problematic in view of the state space explosion (SSE) problem of the underlying Markov chain models. The computational complexity may increase exponentially as the assembly code size increases. Moreover, the transformation from the Simulink models to the assembly code is a complicated procedure. It is also more convenient for control engineers to already be able to estimate reliability properties and implement possible reliability improvements at the model level in the early design phase, when the model-based design is actually applied. Therefore, this thesis proposes a model-level reliability evaluation of Simulink models to address the aforementioned problems. The efficiency of the proposed modellevel evaluation is verified by a comparison of the reliability properties that are assessed at the assembly and model levels.:1. Introduction 2. Preliminaries 3. Reliability evaluation of control algorithm implementations at the assembly level 4. Fault-tolerant design patterns 5. MORE: MOdel-based REdundancy for Simulink models 6. Model-level assessment of Simulink models 7. Conclusion