Tantalum and tantalum nitride thin films are routinely applied as diffusion barriers in state-of-the-art metallization systems of microelectronic devices. In this work, such films were prepared by reactive magnetron sputtering on silicon and oxidized silicon substrates and studied by spectroscopic ellipsometry in the spectral range from 190 nm to 2.55 μm. The complex refractive index for thick films (75 to 380 nm) was modeled using a Lorentz-Drude approach. These models were applied to film stacks of 20 nm TaN / 20 nm Ta on unoxidized and thermally oxidized Si. With free oscillator parameters, accurate values of the film thicknesses were obtained according to cross-sectional scanning electron microscope (SEM) measurements. At the same time, a strong variation of the optical properties with film thickness and substrate was observed.

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This dissertation explores strategies to create micro-scale tools with integrated electronic and mechanical functionalities. Recently developed approaches to control the shape of flexible micro-structures are employed to fabricate micro-electronic instruments that embed components for sensing and actuation, aiming to expand the toolkit of minimally invasive surgery. This thesis proposes two distinct types of devices that might expand the boundaries of modern surgical interventions and enable new bio-medical applications. First, an electronically integrated micro-catheter is developed. Electronic components for sensing and actuation are embedded into the catheter wall through an alternative fabrication paradigm that takes advantage of a self-rolling polymeric thin-film system. With a diameter of only 0.1 mm, the catheter is capable of delivering fluids in a highly targeted fashion, comprises actuated opposing digits for the efficient manipulation of microscopic objects, and a magnetic sensor for navigation. Employing a specially conceived approach for position tracking, navigation with a high resolution below 0.1 mm is achieved. The fundamental functionalities and mechanical properties of this instrument are evaluated in artificial model environments and ex vivo tissues. The second development explores reshapeable micro-electronic devices. These systems integrate conductive polymer actuators and strain or magnetic sensors to adjust their shape through feedback-driven closed loop control and mechanically interact with their environment. Due to their inherent flexibility and integrated sensory capabilities, these devices are well suited to interface with and manipulate sensitive biological tissues, as demonstrated with an ex vivo nerve bundle, and may facilitate new interventions in neural surgery.:List of Abbreviations 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives and structure of this dissertation 2 Background 2.1 Tools for minimally invasive surgery 2.1.1 Catheters 2.1.2 Tools for robotic micro-surgery 2.1.3 Flexible electronics for smart surgical tools 2.2 Platforms for shapeable electronics 2.2.1 Shapeable polymer composites 2.2.2 Shapeable electronics 2.2.3 Soft actuators and manipulators 2.3 Sensors for position and shape feedback 2.3.1 Magnetic sensors for position and orientation measurements 2.3.2 Strain gauge sensors 3 Materials and Methods 3.1 Materials for shapeable electronics 3.1.1 Metal-organic sacrificial layer 3.1.2 Polyimide as reinforcing material 3.1.3 Swelling hydrogel for self assembly 3.1.4 Polypyrrole for flexible micro actuators 3.2 Device fabrication techniques 3.2.1 Photolithography 3.2.2 Electron beam deposition 3.2.3 Sputter deposition 3.2.4 Atomic layer deposition 3.2.5 Electro-polymerization of polypyrrole 3.3 Device characterization techniques 3.3.1 Kerr magnetometry 3.3.2 Electro-magnetic characterization of sensors 3.3.3 Electro-chemical analysis of polypyrrole 3.3.4 Preparation of model environments and materials 3.4 Sensor signal evaluation and processing 3.4.1 Signal processing 3.4.2 Cross correlation for phase analysis 3.4.3 PID feedback control 4 Electronically Integrated Self Assembled Micro Catheters 4.1 Design and Fabrication 4.1.1 Fabrication and self assembly 4.1.2 Features and design considerations 4.1.3 Electronic and fluidic connections 4.2 Integrated features and functionalities 4.2.1 Fluidic transport 4.2.2 Bending stability 4.2.3 Actuated micro manipulator 4.3 Magnetic position tracking 4.3.1 Integrated magnetic sensor 4.3.2 Position control with sensor feedback 4.3.3 Introduction of magnetic phase encoded tracking 4.3.4 Experimental realization 4.3.5 Simultaneous magnetic and ultrasound tracking 4.3.6 Discussion, limitations, and perspectives 5 Reshapeable Micro Electronic Devices 5.1 Design and fabrication 5.1.1 Estimation of optimal fabrication parameters 5.1.2 Device Fabrication 5.1.3 Control electronics and software 5.2 Performance of Actuators 5.2.1 Blocking force, speed, and durability 5.2.2 Curvature 5.3 Orientation control with magnetic sensors 5.3.1 Magnetic sensors on actuated device 5.3.2 Reference magnetic field 5.3.3 Feedback control 5.4 Shape control with integrated strain sensors 5.4.1 Strain gauge curvature sensors 5.4.2 Feedback control 5.4.3 Obstacle detection 5.5 Heterogenous integration with active electronics 5.5.1 Fabrication and properties of active matrices 5.5.2 Fabrication and operation of PPy actuators 5.5.3 Site selective actuation 6 Discussion and Outlook 6.1 Integrated self assembled catheters 6.1.1 Outlook 6.2 Reshapeable micro electronic devices 6.2.1 Outlook 7 Conclusion Appendix A1 Processing parameters for polymer stack layers A2 Derivation of magnetic phase profile in 3D Bibliography List of Figures and Tables Acknowledgements Theses List of Publications

Die Dissertation verfolgt die Fragestellung biologische Materialien in herkömmlichen elektronischen Strukturen einzusetzen. Im Verlauf der Darstellung werden deshalb die elektrischen Eigenschaften von DNA mit Hinblick auf diesen Einsatz untersucht. Dabei wird zunächst gezeigt, dass sich native DNA durch seine geringe elektrische Leitfähigkeit wahrscheinlich nicht für einen Einsatz in elektronischen Stromkreisen eignet. Deswegen wird ein alternativer Ansatz entwickelt, bei dem DNA zur Assemblierung von dünnen Metalldrähten verwendet wird. Es wird ein Verfahren entwickelt, mit dem Palladium- und Platincluster mit einer Größe von 3 nm auf der DNA erzeugt werden können. Durch die weitere Anlagerung von Metall gelang die kontinuierliche Bedeckung der DNA mit Metall. Im Ergebnis entstehen metallische Clusterketten und Nanodrähte mit einem Durchmesser von 20 bis 100 nm und mehreren Mikrometern Länge. Diese metallischen Strukturen wurden erfolgreich zwischen zwei Goldkontakte integriert. Bei den Messungen konnte eine gute elektrische Leitfähigkeit mit linearer Strom-Spannungsabhängigkeit beobachtet werden. Damit sind diese Strukturen als Verbindungselemente in Schaltkreisen geeignet und somit kann DNA in einem Schaltkreis als strukturgebendes Element für die Assemblierung von Metalldrähten Verwendung finden. Die Anwendungsmöglichkeiten der in dieser Arbeit entwickelten DNA-Metallisierung erstrecken sich jedoch nicht nur auf den technologischen Bereich. Insbesondere konnten in den erzeugten Nanostrukturen Quanteneffekte der schwachen Lokalisierung und Elektron-Elektron-Wechselwirkung nachgewiesen werden. Diese Phänomene führen bei tiefen Temperaturen zu einem Widerstandsanstieg mit sinkender Temperatur. Grund für dieses Verhalten sind die geringen Abmessungen der Probe und eine stark gestörte innere Struktur der Nanodrähte. Damit erscheint die Assemblierung von nanoskaligen Strukturen auf einem biologischen Template als realistisches Konzept zur Untersuchung von Quantenphänomenen kleinster Strukturen.

Der Siegeszug der Mikroelektronik ist faszinierend. In den vergangenen Jahrzehnten bestimmte die Mikroelektronik das Geschehen in der Informationstechnik: Immer leistungsstärkere Computer, vernetzte Systeme und das Internet sind ohne Mikroelektronik nicht denkbar. Weltweit haben Mikroelektronik-Firmen ihre strategischen Ziele im Rahmen einer in regelmäßigen Abständen aktualisierten “Roadmap” niedergelegt. Alle gehen davon aus, dass die bisher zu beobachtende Steigerung der Leistungsfähigkeit mikroelektronischer Produkte auch in den nächsten Jahrzehnten fortgesetzt werden wird. Das bedeutet konkret, dass an vielen Stellen – auch in der heutigen Massenfertigung der Mikroelektronik – die charakteristischen Abmessungen der Einzelelemente im Nanometerbereich liegen, also eigentlich schon als Nanoelektronik bezeichnet werden können. Hinzu kommt ein weiteres, ebenso spannendes Feld: die Mikrosystemtechnik.

Die Dissertation verfolgt die Fragestellung biologische Materialien in herkömmlichen elektronischen Strukturen einzusetzen. Im Verlauf der Darstellung werden deshalb die elektrischen Eigenschaften von DNA mit Hinblick auf diesen Einsatz untersucht. Dabei wird zunächst gezeigt, dass sich native DNA durch seine geringe elektrische Leitfähigkeit wahrscheinlich nicht für einen Einsatz in elektronischen Stromkreisen eignet. Deswegen wird ein alternativer Ansatz entwickelt, bei dem DNA zur Assemblierung von dünnen Metalldrähten verwendet wird. Es wird ein Verfahren entwickelt, mit dem Palladium- und Platincluster mit einer Größe von 3 nm auf der DNA erzeugt werden können. Durch die weitere Anlagerung von Metall gelang die kontinuierliche Bedeckung der DNA mit Metall. Im Ergebnis entstehen metallische Clusterketten und Nanodrähte mit einem Durchmesser von 20 bis 100 nm und mehreren Mikrometern Länge. Diese metallischen Strukturen wurden erfolgreich zwischen zwei Goldkontakte integriert. Bei den Messungen konnte eine gute elektrische Leitfähigkeit mit linearer Strom-Spannungsabhängigkeit beobachtet werden. Damit sind diese Strukturen als Verbindungselemente in Schaltkreisen geeignet und somit kann DNA in einem Schaltkreis als strukturgebendes Element für die Assemblierung von Metalldrähten Verwendung finden. Die Anwendungsmöglichkeiten der in dieser Arbeit entwickelten DNA-Metallisierung erstrecken sich jedoch nicht nur auf den technologischen Bereich. Insbesondere konnten in den erzeugten Nanostrukturen Quanteneffekte der schwachen Lokalisierung und Elektron-Elektron-Wechselwirkung nachgewiesen werden. Diese Phänomene führen bei tiefen Temperaturen zu einem Widerstandsanstieg mit sinkender Temperatur. Grund für dieses Verhalten sind die geringen Abmessungen der Probe und eine stark gestörte innere Struktur der Nanodrähte. Damit erscheint die Assemblierung von nanoskaligen Strukturen auf einem biologischen Template als realistisches Konzept zur Untersuchung von Quantenphänomenen kleinster Strukturen.

Aus der Einleitung S. 7: „...Für die DDR war, besonders in den achtziger Jahren, die Mikroelektronik die Schlüsseltechnologie, für deren Aufbau die politische Führung unverhältnismäßig große Mittel bereit stellte. Dabei hatte die Staatspartei die Bedeutung der Mikroelektronik als einer Schlüsseltechnologie mit erheblichen ökonomischen Konsequenzen erst sehr spät erkannt...”

High Electron Mobility Transistoren (HEMTs), basierend auf dem Materialsystem GaN/AlGaN/GaN, wurden entworfen, hergestellt und elektrisch charakterisiert. Für das Maskendesign kam das CAD-Programm LasiCAD zum Einsatz. Das Design umfasste bis zu sechs Lithographieebenen. Die Herstellung der Bauelemente geschah unter Reinraumbedingungen und unter Nutzung einer vorhandenen Technologie für Transistoren mit kleiner Gate-Peripherie (Doppelgate-Transistoren), die teilweise optimiert wurde. Daneben wurden Prozesse zur Herstellung von Multifinger-HEMTs entwickelt, wobei die Metallisierung der Drainkontakte mittels Electroplating von Gold vorgenommen wurde. Zur elektrischen Charakterisierung der Bauelemente wurden sowohl Gleichstromcharakteristiken, d.h. die Ausgangskennlinienfelder und Verläufe der Steilheit, als auch das Großsignalverhalten für cw-Betrieb bei 2 GHz gemessen. Dabei zeigten die Transistoren eine auf die Gatebreite bezogene Ausgangsleistungsdichte von mehr als 8 W/mm und eine Effizienz größer als 40%, einhergehend mit vernachlässigbarer Drainstromdispersion der unpassivierten Bauelemente.

Herstellung anwendungsbezogener SiO2- Grabenstrukturen im sub-μm-Bereich durch RIE und ICP-Prozesse.

Im vergangenen Jahr wurden die Forschungsprofillinien der Technischen Universität Chemnitz erneut auf den Prüfstand gestellt. Ein ausführlicher Diskussionsprozess in allen Fakultäten, in der Kommission für Forschung und Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses sowie im Rektoratskollegium hat mit der Bestätigung folgender sechs Forschungsprofillinien durch den Senat der TU Chemnitz Anfang des Jahres 2005 seinen vorläufigen Abschluss gefunden: 1. Neue Materialien und neue Werkstoffe 2. Ganzheitliche Produktion 3. Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik 4. Kundenorientierte Gestaltung von vernetzten Wertschöpfungsketten 5. Kommunikation, Medien, Technik 6. Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen Die vorliegende Sonderausgabe des Universitätsmagazins “TU-Spektrum” widerspiegelt die Breite der untersuchten Fragestellungen in den sechs Profillinien. Diese Publikation soll außerdem dazu beitragen, die wissenschaftliche Diskussion innerhalb und außerhalb der TU anzuregen. Weitere Informationen zur Forschung an der TU Chemnitz finden Sie im Internet unter www.tu-chemnitz.de. Zudem ist der Bereich Wissenschaftliche Dienste Ihr erster Ansprechpartner, wenn es um die Vermittlung von Forschungsleistungen der TU sowie um Forschungskooperationen geht.