Mit dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Weiterentwicklung der akustischen lasermesstechnischen Verfahren zur Ermittlung von mechanischen und elastischen Eigenschaften von mikromechanischen Mehrschichtsystemen geleistet. Zu diesen Eigenschaften zählen das E-Modul, die Dichte, die Dicke sowie die Poissonzahl. Die meisten akustischen lasermesstechnischen Verfahren basieren auf der optischen Erzeugung von breitbandigen akustischen Wellen in einem Schichtsystem und der Ermittlung der Geschwindigkeit dieser Wellen durch eine Zweipunkte-Messung. Durch die spektrale Analyse des Wellenzuges an den zwei Messpunkten wird die Dispersionskurve als Relation zwischen Geschwindigkeit und Frequenz der Welle ermittelt. Ausgehend von geeigneten Modellen des Schichtsystems werden die mechanischen und elastischen Eigenschaften des Schichtsystems so lange variiert, bis eine Übereinstimmung zwischen modellierter und gemessener Dispersionskurve stattfindet. In der vorliegenden Arbeit wurde die optische Erzeugung der akustischen Wellen schmalbandig realisiert. Dadurch wurde die Zweipunkte-Messung durch eine Einpunktmessung ersetzt und damit die Ungenauigkeit der Wegmessung eliminiert. Außerdem wird die spektrale Analyse des Wellenzuges auf eine einfachere FFT-Berechnung reduziert. Bei der Modellierung wurde ein bestehendes Randelementenmodell auf eine unbegrenzte Zahl von Schichten innerhalb vom Schichtsystem erweitert. In diesem erweiterten Modell ist es möglich, beliebige Kombinationen von Eigenschaften unterschiedlicher Schichten gleichzeitig zu ermitteln. Außerdem können Mehrschichtsysteme mit beliebiger kristalliner Orientierung der Schichten untersucht werden. Um die Grenzen des entwickelten Verfahrens zu zeigen, wurden verschiedene Mehrschichtsysteme untersucht. Darunter ist z.B. ein Schichtsystem mit einer hexagonal angeordneten AIN-Schicht. Weiterhin wurde ein Schichtsystem mit einem sehr niedrigen messbaren Dispersionseffekt von weniger als 1% (polykristalline Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat) untersucht. Außerdem wurde ein Schichtsystem mit einer Silizium-Germanium-Mischschicht untersucht und aus den Parametern E-Modul, Dichte und Poissonzahl die Germaniumkonzentration in der Schicht ermittelt. / This thesis represents a further development of the existing laser acoustic techniques for the measurement of mechanical and elastic properties of micromechanical multi layer systems. Most of the existing laser acoustic techniques are based on the optothermal generation of broadband surface acoustic waves in a layer system. To measure the velocity of the generated waves, a two points measurement of the wave train is typically performed. From the analysis of the spectrum of the wave trains at the two points, a dispersion curve (velocity of the surface acoustic wave against frequency) can be determined experimentally for the layer system. The dispersion relation is also determined through an appropriate model for the layer system. When the mechanical and elastic properties of the layer system are changed in the model, until the modeled and the experimental dispersion curves match in a least square sense, then the mechanical and elastic properties are found. In the present thesis, the optothermal generation of the surface acoustic waves is performed in a narrowband setup. A second point for the measurement of the acoustic wave train is not needed. The use of only one measurement point instead of two ameliorates the accuracy of the measurement (no distance measurement between two points is needed). Further, no spectrum analysis of the wave train is replaced with a simpler FFT. From the frequency of the wave train and the given wavelength from the generation mask, the velocity for each frequency can be determined easily. For the modeling of the dispersion curve, an existing BEM model is expanded to consider an unlimited number of layers. In this new model, any combination of properties can be determined for layers and substrates with any cristalline orientation given. The developed method is used to determine the properties of many challenging multi layer systems.One layer system has an AIN layer with a hexagonal structure. Another layer system has a very low dispersion effect of less than 1% velocity difference over the frequency range (polycristalline silicon on a silicon substrate). Another layer system contains a Silicon-Germanium layer. From the measured properties Young's modules, density and Poisson ration of this layer, the germanium concentration is determined.

Mit dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Weiterentwicklung der akustischen lasermesstechnischen Verfahren zur Ermittlung von mechanischen und elastischen Eigenschaften von mikromechanischen Mehrschichtsystemen geleistet. Zu diesen Eigenschaften zählen das E-Modul, die Dichte, die Dicke sowie die Poissonzahl. Die meisten akustischen lasermesstechnischen Verfahren basieren auf der optischen Erzeugung von breitbandigen akustischen Wellen in einem Schichtsystem und der Ermittlung der Geschwindigkeit dieser Wellen durch eine Zweipunkte-Messung. Durch die spektrale Analyse des Wellenzuges an den zwei Messpunkten wird die Dispersionskurve als Relation zwischen Geschwindigkeit und Frequenz der Welle ermittelt. Ausgehend von geeigneten Modellen des Schichtsystems werden die mechanischen und elastischen Eigenschaften des Schichtsystems so lange variiert, bis eine Übereinstimmung zwischen modellierter und gemessener Dispersionskurve stattfindet. In der vorliegenden Arbeit wurde die optische Erzeugung der akustischen Wellen schmalbandig realisiert. Dadurch wurde die Zweipunkte-Messung durch eine Einpunktmessung ersetzt und damit die Ungenauigkeit der Wegmessung eliminiert. Außerdem wird die spektrale Analyse des Wellenzuges auf eine einfachere FFT-Berechnung reduziert. Bei der Modellierung wurde ein bestehendes Randelementenmodell auf eine unbegrenzte Zahl von Schichten innerhalb vom Schichtsystem erweitert. In diesem erweiterten Modell ist es möglich, beliebige Kombinationen von Eigenschaften unterschiedlicher Schichten gleichzeitig zu ermitteln. Außerdem können Mehrschichtsysteme mit beliebiger kristalliner Orientierung der Schichten untersucht werden. Um die Grenzen des entwickelten Verfahrens zu zeigen, wurden verschiedene Mehrschichtsysteme untersucht. Darunter ist z.B. ein Schichtsystem mit einer hexagonal angeordneten AIN-Schicht. Weiterhin wurde ein Schichtsystem mit einem sehr niedrigen messbaren Dispersionseffekt von weniger als 1% (polykristalline Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat) untersucht. Außerdem wurde ein Schichtsystem mit einer Silizium-Germanium-Mischschicht untersucht und aus den Parametern E-Modul, Dichte und Poissonzahl die Germaniumkonzentration in der Schicht ermittelt. / This thesis represents a further development of the existing laser acoustic techniques for the measurement of mechanical and elastic properties of micromechanical multi layer systems. Most of the existing laser acoustic techniques are based on the optothermal generation of broadband surface acoustic waves in a layer system. To measure the velocity of the generated waves, a two points measurement of the wave train is typically performed. From the analysis of the spectrum of the wave trains at the two points, a dispersion curve (velocity of the surface acoustic wave against frequency) can be determined experimentally for the layer system. The dispersion relation is also determined through an appropriate model for the layer system. When the mechanical and elastic properties of the layer system are changed in the model, until the modeled and the experimental dispersion curves match in a least square sense, then the mechanical and elastic properties are found. In the present thesis, the optothermal generation of the surface acoustic waves is performed in a narrowband setup. A second point for the measurement of the acoustic wave train is not needed. The use of only one measurement point instead of two ameliorates the accuracy of the measurement (no distance measurement between two points is needed). Further, no spectrum analysis of the wave train is replaced with a simpler FFT. From the frequency of the wave train and the given wavelength from the generation mask, the velocity for each frequency can be determined easily. For the modeling of the dispersion curve, an existing BEM model is expanded to consider an unlimited number of layers. In this new model, any combination of properties can be determined for layers and substrates with any cristalline orientation given. The developed method is used to determine the properties of many challenging multi layer systems.One layer system has an AIN layer with a hexagonal structure. Another layer system has a very low dispersion effect of less than 1% velocity difference over the frequency range (polycristalline silicon on a silicon substrate). Another layer system contains a Silicon-Germanium layer. From the measured properties Young's modules, density and Poisson ration of this layer, the germanium concentration is determined.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen der Transport und die Manipulation optisch angeregter Elektronen-Spins in (110) Quantenfilmen (quantum wells, QWs) mittels akustischer Oberflächenwellen (surface acoustic waves, SAWs). Der starke räumliche Einschluss der Ladungsträger im akustisch erzeugten Potenzial erlaubt spinerhaltenden Ladungsträgertransport mit der akustischen Geschwindigkeit. Auf diese Weise wird langreichweitiger Spintransport über Distanzen > 60 microns demonstriert, welche Spinlebenszeiten von mehr als 20 ns entsprechen. Erreicht werden diese extrem langen Spinlebenszeiten durch drei Effekte: (i) Der D''yakonov-Perel''-Mechanismus ist für Spins in Wachstumsrichtung von (110)-QWs in III-V-Halbleitern unterdrückt. (ii) Aufgrund des Typ-II piezoelektrischen Potenzials der akustischen Oberflächenwelle ist der Bir-Aronov-Pikus Spinrelaxations-Mechanismus sehr schwach. (iii) Der starke Einschluss der Ladungsträger in mesoskopische Bereiche stabilisiert den Spin zusätzlich. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine Anisotropie des Spintransports in einem externen Magnetfeld (Bext) nachgewiesen. Hierzu wurde die elektronische Spindynamik während des akustischen Transports entlang der [001]- bzw. [1-10]-Richtung untersucht. Während des Transports entlang der [001]-Richtung führt die Präzession der Elektronenspins um das fluktuierende interne Magnetfeld (Bint), das vom Fehlen eines Inversionszentrums im GaAs-Kristallgitter herrührt, zu Spinkohärenzzeiten von etwa 2 ns. Im Gegensatz hierzu ist beim Transport entlang der [1-10]-Richtung die Spinrelaxation für Spins in Wachstumsrichtung um eine Größenordnung langsamer. Grund hierfür ist die endliche mittlere Größe des internen effektiven Magnetfeldes Bint für Transport entlang dieser Richtung. Die beobachtete Anisotropie in der Spindynamik für die beiden Transportrichtungen wird vollständig im Rahmen der Spin-Bahn-Kopplung und des D''yakonov-Perel''-Mechanismus beschrieben und quantitativ erklärt. / In this work, we employ surface acoustic waves (SAWs) to transport and manipulate optically generated spin ensembles in (110) GaAs quantum wells (QWs). The strong carrier confinement into the SAW piezoelectric potential allows for the transport of spin-polarized carrier packets along well-defined channels with the propagation velocity of the acoustic wave. In this way, spin transport over distances exceeding 60 microns is achieved, corresponding to spin lifetimes longer than 20 ns. The demonstration of such extremely long spin lifetimes is enabled by three main factors: (i) Suppression of the D''yakonov-Perel'' spin relaxation mechanism for z-oriented spins in (110) III-V QWs; (ii) Suppression of the Bir-Aronov-Pikus spin relaxation mechanism caused by the type-II SAW piezoelectric potential; (iii) Suppression of spin relaxation induced by the mesoscopic carrier confinement into narrow stripes along the SAW wave front direction. A spin transport anisotropy under external magnetic fields (Bext) is demonstrated for the first time. Employing the well-defined average carrier momentum impinged by the SAW, we analyze the spin dephasing dynamics during transport along the [001] and [1-10] in-plane directions. For transport along [001], fluctuations of the internal magnetic field (Bint), which arises from the spin-orbit interaction associated with the bulk inversion asymmetry of the crystal, lead to decoherence within 2 ns as the spins precess around Bext. In contrast, for transport along the [1-10] direction, the z-component of the spin polarization is maintained for times one order of magnitude longer due to the non-zero average value of Bint. The dephasing anisotropy between the two directions is fully understood in terms of the dependence of the spin-orbit coupling on carrier momentum direction, as predicted by the D''yakonov-Perel'' mechanism for the (110) system.

Higher frequencies in the MHz and GHz range and the increasing miniaturization lead to a higher load of the SAW (surface acoustic wave) metallizations. This higher SAW load and the intrinsic stresses result in a stress induced material transport, called acoustomigration. These microstructural changes can destroy the characteristic of the SAW device. Different Al based material combinations were investigated by different authors to improve the reliability of the metallizations and to delay the cost-intensive change to Cu based metallizations. The Cu based metallizations with TaSiN diffusion barriers were also investigated in this work. The barrier layers are necessary to impede the oxygen diffusion into the Cu layer and the Cu diffusion into the piezoelectric substrate. Also in this work the analytical TEM were used as a tool to investigate these microstructural changes in the SAW electrodes. Chemical changes in the metallizations were analysed by EDXS and EELS. The locally high resolved stress measurement in metallizations is a challenge for the future. The CBED (convergent beam electron diffraction) technique has shown the best resolution, however, it can only be applied to TEM lamellas. The aim of this work was to measure the stress within the SAW metallizations by using the CBED method. With it, we could correlate the microstructural changes with the causing stresses within the metallizations. To qualify the CBED method the thermal expansion of Al and Cu single crystals was measured by using a new model for thin TEM lamallas.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen Konzepts für Herstellung und Handhabung von Mikrofluidiksystemen auf der Basis akustischer Oberflächenwellen (SAW) sowie der Nutzung dieses Konzepts zur Fertigung anwendungsrelevanter Teststrukturen. Schwerpunkte sind dabei unter anderem eine hohe Leistungsbeständigkeit und Lebensdauer der Chipbauelemente und eine hohe technologische Flexibilität bezüglich Herstellung und Einsatz. Ausgehend von einer modularen Betrachtungsweise der Bauelemente wurden vielseitig einsetzbare, elektrisch-optimierte Interdigitalwandler entworfen, verschiedene Herstellungsvarianten für vergrabene Interdigitalwandler hoher Leistungsbeständigkeit auf piezoelektrischen Lithiumniobat-Substraten entwickelt und experimentell verifiziert, ein Sputterverfahren für amorphe SiO2-Dünnschichten hoher Qualität optimiert und eine Federstiftkontakt-Halterung entworfen. Durch Kombination dieser Technologien wurden SAW-Bauelemente für die mikrofluidische Aktorik mit hoher Performance und Reproduzierbarkeit entworfen, charakterisiert und beispielhaft für das elektroakustische Zerstäuben von Fluiden und das Mischen in Mikrokanälen eingesetzt.

Higher frequencies in the MHz and GHz range and the increasing miniaturization lead to a higher load of the SAW (surface acoustic wave) metallizations. This higher SAW load and the intrinsic stresses result in a stress induced material transport, called acoustomigration. These microstructural changes can destroy the characteristic of the SAW device. Different Al based material combinations were investigated by different authors to improve the reliability of the metallizations and to delay the cost-intensive change to Cu based metallizations. The Cu based metallizations with TaSiN diffusion barriers were also investigated in this work. The barrier layers are necessary to impede the oxygen diffusion into the Cu layer and the Cu diffusion into the piezoelectric substrate. Also in this work the analytical TEM were used as a tool to investigate these microstructural changes in the SAW electrodes. Chemical changes in the metallizations were analysed by EDXS and EELS. The locally high resolved stress measurement in metallizations is a challenge for the future. The CBED (convergent beam electron diffraction) technique has shown the best resolution, however, it can only be applied to TEM lamellas. The aim of this work was to measure the stress within the SAW metallizations by using the CBED method. With it, we could correlate the microstructural changes with the causing stresses within the metallizations. To qualify the CBED method the thermal expansion of Al and Cu single crystals was measured by using a new model for thin TEM lamallas.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen Konzepts für Herstellung und Handhabung von Mikrofluidiksystemen auf der Basis akustischer Oberflächenwellen (SAW) sowie der Nutzung dieses Konzepts zur Fertigung anwendungsrelevanter Teststrukturen. Schwerpunkte sind dabei unter anderem eine hohe Leistungsbeständigkeit und Lebensdauer der Chipbauelemente und eine hohe technologische Flexibilität bezüglich Herstellung und Einsatz. Ausgehend von einer modularen Betrachtungsweise der Bauelemente wurden vielseitig einsetzbare, elektrisch-optimierte Interdigitalwandler entworfen, verschiedene Herstellungsvarianten für vergrabene Interdigitalwandler hoher Leistungsbeständigkeit auf piezoelektrischen Lithiumniobat-Substraten entwickelt und experimentell verifiziert, ein Sputterverfahren für amorphe SiO2-Dünnschichten hoher Qualität optimiert und eine Federstiftkontakt-Halterung entworfen. Durch Kombination dieser Technologien wurden SAW-Bauelemente für die mikrofluidische Aktorik mit hoher Performance und Reproduzierbarkeit entworfen, charakterisiert und beispielhaft für das elektroakustische Zerstäuben von Fluiden und das Mischen in Mikrokanälen eingesetzt.:i Kurzzusammenfassung . 5 ii Abstract. 5 iii Inhaltsverzeichnis . 7 iv Abkürzungen und Symbole . 9 1 Überblick . 11 2 Grundlagen und Stand der Technik . 13 2.1 Mikrofluidik . 13 2.1.1 Vom Labor zum Chiplabor . 13 2.1.2 Besonderheiten in miniaturisierten Fluidvolumina . 16 2.2 SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 18 2.2.1 Akustische Oberflächenwellen (SAW) . 18 2.2.2 SAW-Mikrofluidik . 19 2.2.3 SAW-induzierte Strömung ("Acoustic Streaming") . 22 2.2.4 Anforderungen an SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 24 2.2.5 Schädigung SAW-basierter Mikrofluidiksysteme . 26 2.3 Dünnschichten für SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 28 2.3.1 Überblick . 28 2.3.2 Metallisierungssysteme für Interdigitalwandler . 28 2.3.3 Amorphe SiO2-Schichten . 30 2.3.4 Deck- und Funktionsschichten . 32 3 Analysemethoden . 35 4 Technologiekonzept für SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 47 4.1 Modulare Systembeschreibung . 47 4.2 Substratmodul . 50 4.3 Transducermodul . 52 4.3.1 Layout der PSAW-Chipbauelemente . 52 4.3.2 Reinigungsverfahren . 53 4.3.3 Übersicht der untersuchten Herstellungsverfahren . 54 4.3.4 Nasschemisches Ätzverfahren für Al/Ti . 56 4.3.5 Lift-Off Verfahren für Al/Ti . 62 4.3.6 Damaszentechnik für Al2O3/Cu/Ta-Si-N . 65 4.3.7 Vergleich der Herstellungsverfahren . 72 4.4 Funktionsmodul . 75 4.4.1 Hochqualitative SiO2-Schichten . 75 4.4.2 Mikrokanäle . 88 4.4.3 Silanisierung. 88 4.5 Handlingmodul . 90 5 Realisierung und Charakterisierung SAW-basierter Fluidaktoren . 93 5.1 Flexibles Layout für Aktorik-Chipbauelemente . 93 5.2 Chiplayouts für spezielle Anwendungen . 95 5.2.1 Chiplayouts zur IDT-Charakterisierung . 95 5.2.2 Chiplayouts für stehende Wellenfelder . 96 5.2.3 Chiplayouts für "SAW-Stabmixer" . 98 5.2.4 Chiplayouts für tropfenbasierte Fluidik auf Oberflächen . 99 5.3 Wärmeeintrag in Fluide durch "acoustic streaming" . 101 5.4 SAW-basierte Fluidzerstäubung . 104 6 Zusammenfassung & Ausblick . 111 v Literaturverzeichnis . 115 vi Abbildungsverzeichnis . 123 vii Tabellenverzeichnis . 128 viii Selbstständigkeitserklärung . 129 ix Anhang . 131 A1 Bestimmung der Abtragsrate beim Cu-CMP . 131 A2 Ellipsometrie-Modell . 133 A3 "Thin plate spline" Methode für räumlich verteilte Messwerte . 134 A4 Modell des Kammerdrucks . 134 A5 Verzeichnis weiterer Formeln . 136 A6 Visual Basic Programm zur Aerosolcharakterisierung . 138 A7 Visual Basic Programm zur Steppplan-Generierung . 144

Exziton-Polaritonen in Mikrokavitäten sind Quasi-Teilchen, die unter bestimmten physikalischen Konditionen kondensieren und damit in einen energetisch gleichen, gemeinsamen makroskopischen Quantenzustand (MQZ) übergehen können. Exziton-Polariton-Kondensate können mithilfe von akustischen Oberflächenwellen moduliert werden, um ihre Eigenschaften zu verändern. Dies ist insbesondere von großer Relevanz für zukünftige Anwendungen. In dieser Arbeit wurden die Struktur sowie die Dynamik der Exziton-Polariton-Kondensate in den durch die akustischen Oberflächenwellen erzeugten quadratischen Gittern untersucht. Es wurde dazu die Wellenfunktion der Exziton-Polariton-Kondensate im Rahmen der spektroskopischen und zeitaufgelösten Messungen im Orts- und Impulsraum abgebildet. Die MQZ wurden in einer optisch-parametrischen Oszillatorkonfiguration resonant angeregt. Die spektroskopischen Messungen zeigten, dass Exziton-Polariton-Kondensate in akustischen quadratischen Gittern aus unterschiedlichen MQZ, nämlich aus einem zwei-dimensionalen Gap-Soliton (2D GS) umgeben von mehreren ein-dimensionalen MQZ, und einem inkohärenten Strahlungshintergrund zusammengesetzt sind. Im Rahmen der zeitaufgelösten Experimente wurde die Dynamik der Wellenfunktion des 2D GS untersucht. Die zeitaufgelösten Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Intensität der von dem 2D GS emittierten Photolumineszenz (PL) als auch die Kohärenzlänge des 2D GS zeitlich oszillieren. Die Intensität der PL und die Kohärenzlänge hängen von der Anregungsleistung, der Größe des Laserspots sowie von der relativen Position des akustischen Gitters und dem Laserspot ab. Im Ausblick dieser Arbeit wurde theoretisch die Anregung von Tamm-Plasmon/Exziton- Polaritonen (TPEP) sowie deren Modulation mithilfe von akustischen Oberflächenwellen diskutiert. TPEP entstehen durch die Superposition der in der Grenzschicht zwischen Mikrokavität und Metall angeregten Tamm-Plasmonen und den in der Mikrokavität erzeugten Exziton-Polaritonen. / Microcavity (MC) exciton-polaritons can form condensates, i.e. macroscopic quantum states (MQSs), as well under a periodic potential modulation. The modulation by a surface acoustic wave (SAW) provides a powerful tool for the formation of tunable lattices of MQSs in semiconductor MC. In this work, fundamental aspects of the structure and dynamics of exciton-polariton condensate in acoustic square lattices were investigated by probing its wavefunction in real- and momentum space using spectral- and time-resolved studies. The MQSs were resonantly excited in an optical parametric oscillator configuration. The tomographic study revealed that the exciton-polariton condensate structure self-organises in a concentric structure, which consists of a single, two-dimensional gap soliton (2D GS) surrounded by one-dimensional MQSs and an incoherent background. 2D GS size tends to saturate with increasing particle density. The experimental results are supported by a theoretical model based on the variational solution of the Gross-Pitaevskii equation. Time-resolved studies showed the evolution of the 2D GS wavefunction at the acoustic velocity. Interestingly, the photoluminescence (PL) intensity emitted by the 2D GS as well as its coherence length oscillate with time. The PL oscillation amplitude depends on the intensity and the size of the exciting laser spot, and increases considerably for excitation intensities close to the optical threshold power for the formation of the MQS. In the outlook, the formation of Tamm-Plasmon/Exciton-Polariton (TPEP) hybrid states and their modulation by SAWs was theoretically discussed. Here, the upper DBR is partly replaced by a thin metal layer placed on top of the MC. In this case, TPEP form by the superposition of Tamm plasmons at the metal-semiconductor interface and the exciton-polaritons in the MC.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen Bauelemente, die auf der Basis von sog. akustischen Oberflächenwellen, in der Fachsprache üblicherweise mit dem Begriff SAW (surface acoustic wave) bezeichnet, arbeiten. In den vergangenen ca. 40 Jahren haben SAW-Bauelemente einen außerordentlich starken Aufschwung erlebt. Den Beginn markierte ein neuartiger Zwischenfrequenz-Filter für Fernsehgeräte am Ende der 1960er Jahre. Heute finden sich unterschiedliche Arten dieser Bauelemente in nahezu jedem Bereich unseres täglichen Lebens wieder. Als Beispiele können hier allgemein die draht-, funk- und fasergestützte Daten- und Signalübertragung und im Speziellen Mobil- und Schnurlostelefone oder Fernbedienungen genannt werden. Inzwischen sind auch neue Anwendungen in der Sensorik sowie der Identifikationstechnik hinzugekommen. Es gibt für SAW-Bauelemente eine Entwicklung hin zu höheren Arbeitsfrequenzen, steigenden Leistungen, erhöhter Zuverlässigkeit, weiterer Miniaturisierung und zunehmender Modulintegration, wobei alle Anforderungen bei gleichzeitig sinkenden Herstellungskosten realisiert werden müssen. Dabei zeichnet sich ab, dass mit den herkömmlichen Herstellungstechnologien nicht alle Bedürnisse erfüllt werden können. So ist z.B. die Lift-off-Technik, mit der ein Großteil der Bauelemente hergestellt wird, nicht auf beliebig kleine Strukturen anwendbar. Eine Alternative bildet die sog. Damaszentechnologie, die auch zur Herstellung modernster Mikroprozessoren eingesetzt wird. Dabei werden die Metallelektroden anstatt auf dem Substrat aufzuliegen, in das Substrat eingelassen, woraus sich für zukünftige SAWBauelemente Vorteile ergeben können, wie z.B. eine erhöhte Leistungsbeständigkeit, kostengünstige Abscheideverfahren, eine Reduktion der Strukturgrößen und eine planare Oberfläche. Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt darin, die Damaszentechnologie erstmalig auf SAW-Strukturen anzuwenden und mit den Vorteilen der Cu-Technologie zu kombinieren. Als inhaltliche Schwerpunkte wurden die Herstellung von Demonstratorbauelementen und die Bewertung der Prozessschritte, die Eigenschaftsbestimmung der Strukturen sowie deren Schädigungsverhalten bei Leistungsbelastung definiert.

Surface polaritons, i.e., collective oscillations of the surface charges, strongly influence the optical response at the micro- and nanoscale and have to be accounted for in modern nanotechnology. Within this thesis, certain basic phenomena involving surface polaritons are investigated by means of the semianalytical multiple-multipole (MMP) method. The results are compared to experiments. In the first part, the surface plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticles is analyzed. This resonant collective oscillation of the free electrons in a metallic nanoparticle leads to an enhancement and confinement of the local electric field at optical frequencies. The local electric field can be further increased by tailoring the shape of the particle or by using near-field-interacting dimers or trimers of gold nanospheres. The hot spots found under such conditions increase the sensitivity of surface-enhanced Raman scattering by several orders of magnitude and simultaneously reduce the probed volume, thereby providing single-molecule sensitivity. The sub-wavelength-confined strong electromagnetic field associated with a SPR provides the basis for scattering-type near-field optical microscopy or tip-enhanced Raman spectroscopy, where the metal particle serves as a probe that is scanned laterally in the vicinity of a substrate. The presence of the latter causes a characteristic shift of the SPR towards lower frequencies. This effect originates in the near-field interaction of the surface charges on the objects. Furthermore, the excitation of higher-order modes becomes possible in case of an excitation by a strongly inhomogeneous wave, such as an evanescent wave. These modes may significantly contribute to the near field but have only very little influence on the far-field signature. Instead of using resonant probes, one may place a nonresonant probe in the vicinity of a substrate having a high density of electromagnetic surface states. This also produces a resonance of the light scattering by the system. Especially polar crystals, such as the investigated silicon carbide, feature such a high density of surface phonon polariton states in the mid-infrared spectral region, which can be excited due to the near-field interaction with a polarized particle. Thereby, a resonance is created leading to a strong increase of the electric field at the interface. In the second part of the thesis, special emphasis is put on surface plasmon polaritons (SPPs). Such propagating surface waves can be excited directly by plane waves only at patterned interfaces. This process is studied for the case of a groove. The groove breaks the translational invariance, so that the SPPs can be launched locally at the edges of the groove. Additionally, the mode(s) inside the groove are excited. These modes can basically be understood as metal-insulator-metal cavity modes. Their dispersion strongly depends on the groove width. The cavity behavior caused by the finite depth provides another degree of freedom for optimizing the SPP excitation by plane waves. Thin metallic films deposited on glass offer two different SPP waveguide modes, each of which can be addressed preferentially by a proper choice of the width of the groove. The reflection, transmission, scattering, and the conversion of the modes at discontinuities such as edges, steps, barriers, and grooves can be controlled by appropriately designing the geometry at the nanoscale. Furthermore, the excitation of SPPs at single and multiple slits in thin-film metal waveguides on glass and their propagation and scattering is shown by scanning near-field optical experiments. Such waveguide structures offer a means for transporting light in a confined way. Especially triangularly shaped waveguides can be used to guide light in sub-wavelength spaces. / Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit subwellenlängenkleinen Teilchen bzw. Oberflächenstrukturen ermöglicht nicht nur eine Miniaturisierung optischer Geräte, sondern erlaubt sehr interessante Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und Nahfeldoptik. In der vorliegenden Arbeit werden die zu Grunde liegenden Effekte im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe der semianalytischen Methode der multiplen Multipole (MMP) analysiert, und die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Im ersten Teil werden Oberflächenplasmonenresonanzen (engl. surface plasmon resonance - SPR) einzelner und wechselwirkender Metallteilchen untersucht. Die dabei auftretende resonante kollektive Schwingung der freien Elektronen des Partikels bewirkt eine deutliche Erhöhung und Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes in seiner Umgebung. Die spektrale Position und die Stärke der SPR eines Nanoteilchens, die von dessen geometrischer Form, Permittivität und Umgebung abhängen, können nur im Grenzfall sehr kleiner Teilchen elektrostatisch beschrieben werden, wohingegen der verwendete semianalytische MMP-Ansatz weitaus flexibler ist und insbesondere auch auf größere Partikel, Teilchen mit komplizierterer Form bzw. Ensembles von Partikeln anwendbar ist. Die betrachteten einzelnen kleinen (< Wellenlänge) Goldkügelchen und Silberellipsoide besitzen eine stark ausgeprägte SPR im sichtbaren optischen Bereich. Diese ist auf eine dipolartige Polarisierung des Teilchens zurückzuführen. Höhere Moden der Polarisation können entweder als Folge von Retardierungseffekten an größeren (mit der Wellenlänge vergleichbaren) Teilchen oder bei der Verwendung inhomogener (z.B. evaneszenter) Wellen angeregt werden. Partikel, die sich in der Nähe eines Substrates befinden, unterliegen der Nahfeldwechselwirkung zwischen den (lichtinduzierten) Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Teilchens und des Substrats. Dies führt zu einer Verschiebung der SPR zu niedrigeren Frequenzen und einer Erhöhung des lokalen elektrischen Feldes. Letzteres bildet die Grundlage z.B. der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie und der optischen Nahfeldmikroskopie mit Streulichtdetektion. Dasselbe Prinzip bewirkt ein stark überhöhtes elektrisches Feld zwischen miteinander wechselwirkenden Nanopartikeln, welches z.B. die Sensitivität der oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie um mehrere Größenordnungen steigern kann. Im Gegensatz zur SPR einzelner Nanopartikel kann die Resonanz der Lichtstreuung im Fall eines Partikels in der Nähe eines Substrats aus der durch die Nahfeldwechselwirkung induzierten Anregung elektromagnetischer Oberflächenzustände entstehen. Diese wirken ihrerseits auf das Nanopartikel zurück, wobei eine resonante Lichtstreuung beobachtbar ist. Dieser, am Beispiel einer metallischen Nahfeldsonde über einem Siliziumcarbid-Substrat analysierte, Effekt ermöglicht bei einer ganzen Klasse von polaren Kristallen interessante Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik basierend auf der hohen Dichte von Oberflächenphononpolaritonen dieser Kristalle im mittleren infraroten Spektralbereich und deren nahfeldinduzierten Anregung. Im zweiten Teil der Arbeit werden kollektive Anregungen von Elektronen an Metalloberflächen untersucht. Die dabei auftretenden plasmonischen Oberflächenwellen (engl. surface plasmon polaritons - SPPs) weisen einen exponentiellen Abfall der Intensität senkrecht zur Grenzfläche auf. Diese starke Lokalisierung der Energie an der Oberfläche bildet die Grundlage vieler Anwendungen, z.B. im Bereich der hochempfindlichen Detektion (bio)chemischer Verbindungen oder für eine zweidimensionale Optik (engl. plasmonics). Das Aufheben der Translationsinvarianz längs der Oberfläche ermöglicht die direkte Anregung von SPPs durch ebene Wellen. Die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Geometrie wird am Beispiel eines Nanograbens untersucht. Dabei werden neben den SPPs ebenfalls eine oder mehrere Moden im Graben angeregt. Folglich ermöglicht die geeignete Wahl der Grabengeometrie die Optimierung der Umwandlung von ebenen Wellen in SPPs. Im - in der Praxis weit verbreiteten - Fall asymmetrisch eingebetteter metallischer Dünnschichtwellenleiter existieren zwei Moden. In Abhängigkeit von der Grabenbreite kann die eine oder die andere Mode bevorzugt angeregt werden. Die Analyse der Wechselwirkung von SPPs mit Oberflächenstrukturen, z.B. Kanten, Stufen, Barrieren und Gräben, zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Reflexions-, Transmissions- und Abstrahleigenschaften durch die gezielte Wahl der Geometrie der "Oberflächendefekte" auf der Nanoskala und deckt die zu Grunde liegenden Mechanismen und die daraus resultierenden Anforderungen bei der Herstellung neuer plasmonischer Komponenten auf. Exemplarisch wird das Prinzip der SPP-Anregung an einzelnen und mehreren Gräben in dünnen metallischen Filmen sowie der subwellenlängen Feldlokalisierung an sich verjüngenden metallischen Dünnschichtwellenleitern unter Verwendung der optischen Nahfeldmikroskopie experimentell gezeigt.