The diploma thesis deals with the treatment of polycaprolactone (PCL) nanofibers. PCL fibers were subjected to the deposition of plasma amine polymers in a low pressure pulsed radiofrequency capacitively coupled discharge using cyclopropylamine monomer (CPA). Collagen as an extracellular matrix (ECM) protein was immobilized and cell proliferation on the modified nanofiber surface was monitored. Untreated PCL fibers were also subjected to the deposition of an antibacterial copper layer, and the fibers were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and energy dispersive spectroscopy (EDX).

The rise of superbugs, including antibiotic-resistant bacteria, and virus outbreaks, such as the recent coronavirus scare, illustrate the need for rapid detection of disease pathogens. Widespread availability of rapid disease identification would facilitate outbreak prevention and specific treatment. The ARROW biosensor microchip can directly detect single molecules through fluorescence-based optofluidic interrogation. The nature of the microfluidic channels found on optofluidic sensor platforms sets some of the ultimate sensitivity and accuracy limits and can result in false negative test results. Yet higher sensitivity and specificity is desired through hydrodynamic focusing. Novel 3D hydrodynamic focusing designs were developed and implemented on the ARROW platform, an optofluidic lab-on-a-chip single-molecule detector device. Microchannels with cross-section dimensions smaller than 10 μm were formed using sacrificial etching of photoresist layers covered with plasma-enhanced chemical-vapor-deposited silicon dioxide on a silicon wafer. Buffer fluid carried to the focusing junction enveloped an intersecting sample fluid, resulting in 3D focusing of the sample stream. The designs which operate across a wide range of fluid velocities through pressure-driven flow were integrated with optical waveguides in order to interrogate fluorescing particles and confirm 3D focusing, characterize diffusion, and quantify optofluidic detection enhancement of single viruses on chip.

<p>A new electron cyclotron plasma enhanced chemical vapour deposition (ECR-PECVD) reactor has been installed and tested at McMaster University. The focus of this project was the installation of the reactor and the growth of silicon oxide, silicon oxynitride, cerium doped silicon oxynitride and aluminium doped silicon oxide films to test the capabilities of the reactor. Silicon oxide films were prepared with near-stoichiometric compositions and silicon rich compositions. Good repeatability of the growths was seen. An increase in deposition temperature showed stable refractive index and a decrease in the growth rates. Silicon oxynitride films of varying compositions were prepared, and showed a non-uniformity of ~1% and growth rates of ~3.5 nm/min. Films prepared with a low oxygen flow were seen to be nitrogen rich. Although the depositions using Ce(TMHD)4 showed significant cerium incorporation, there was also high carbon contamination. One likely cause of this is the high sublimator temperature used during depositions or a thermal shock to the precursor during initial system calibration. A definitive cause of the carbon contamination has not been established. The cerium films showed strong blue luminescence after post-deposition annealing in N2 above 900° C. A drop in the luminescence was observed at 1100° C and a return of the luminescence at 1200° C. Generally, high cerium incorporation was associated with higher total luminescence. Al(THMD)3 was evaluated as an aluminium precursor for Al-doped silicon oxide films. The films showed aluminium content up to 6% demonstrating the viability of using Al(THMD)3 as a Al doping precursor.</p> / Master of Applied Science (MASc)

Harte amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) haben in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Diese Art von Hartstoffschichten wird zunehmend für die Reduzierung von Reibung und Verschleiß in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. In der Forschung, aber auch für Kleinserien, werden a-C:H-Schichten üblicherweise mit Hochfrequenzplasmaentladungen abgeschieden. Eine Alternative ist die Plasmaaktivierung mit einer asymmetrisch bipolar gepulsten Spannung im Mittelfrequenzbereich. Auf diese Weise wird eine homogene Beschichtung großer Substratflächen mit qualitativ hochwertigen Schichten ermöglicht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der plasmagestützten Abscheidung von harten a-C:H-Schichten mit mittelfrequenzgepulsten Entladungen. Zur Schichtabscheidung werden Ethin-Argon- und Isobuten-Argon-Gasgemische verwendet. Der Einfluss des Prozessdrucks auf den Abscheideprozess und die Schichteigenschaften wird untersucht. Dazu wurden Argonentladungen und Beschichtungsplasmen mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert. Zur Charakterisierung der Schichteigenschaften wurden unter anderem Nanoindentation-Messungen, elastische Rückstreudetektionsanalysen und thermische Desorptionsspektroskopie verwendet. Zur Untersuchung des Einflusses der Ionen auf das Schichtwachstum wird ein Modell zur Identifizierung von Ionenspezies in Beschichtungsplasmen vorgestellt. In Verbindung mit der Messung der Substratströme konnte der Ionenanteil am Schichtwachstum bestimmt werden. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit untersucht ein Hybridverfahren, in dem die mittelfrequenzgepulste Entladung mit einer zusätzlichen ECR-Entladung kombiniert wird. Es wird gezeigt, dass durch dieses Hybridverfahren eine deutliche Steigerung der Abscheiderate harter a-C:H-Schichten erreicht werden kann. Die abgeschiedenen Schichten wurden zusätzlich bezüglich ihrer Oberflächenstruktur und ihrer Verschleißfestigkeit untersucht.

The dissertation thesis deals with the preparation and characterisation of a-CSi:H and a CSiO:H thin films prepared using the process of plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD). Tetravinylsilane (TVS) and its mixtures with argon and oxygen were used to deposit films on both planar substrates and fibre bundles. Main characterisation techniques were employed to study the topography of films, namely atomic force microscopy (AFM). Their mechanical properties were studied through nanoindentation; the nanoscratch test was used to assess the film adhesion to the substrate. Other analysed properties were internal stress and friction coefficient. The particular attention was paid to the work of adhesion and its determination. This knowledge was further applied to the preparation of surface treatments of glass fibres and, subsequently, polymer composites. Those were tested using the push-out test and the short beam shear test. Based on the results, the effects of deposition conditions and the relationships between the studied properties and quantities were determined.

Harte amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) haben in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Diese Art von Hartstoffschichten wird zunehmend für die Reduzierung von Reibung und Verschleiß in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. In der Forschung, aber auch für Kleinserien, werden a-C:H-Schichten üblicherweise mit Hochfrequenzplasmaentladungen abgeschieden. Eine Alternative ist die Plasmaaktivierung mit einer asymmetrisch bipolar gepulsten Spannung im Mittelfrequenzbereich. Auf diese Weise wird eine homogene Beschichtung großer Substratflächen mit qualitativ hochwertigen Schichten ermöglicht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der plasmagestützten Abscheidung von harten a-C:H-Schichten mit mittelfrequenzgepulsten Entladungen. Zur Schichtabscheidung werden Ethin-Argon- und Isobuten-Argon-Gasgemische verwendet. Der Einfluss des Prozessdrucks auf den Abscheideprozess und die Schichteigenschaften wird untersucht. Dazu wurden Argonentladungen und Beschichtungsplasmen mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert. Zur Charakterisierung der Schichteigenschaften wurden unter anderem Nanoindentation-Messungen, elastische Rückstreudetektionsanalysen und thermische Desorptionsspektroskopie verwendet. Zur Untersuchung des Einflusses der Ionen auf das Schichtwachstum wird ein Modell zur Identifizierung von Ionenspezies in Beschichtungsplasmen vorgestellt. In Verbindung mit der Messung der Substratströme konnte der Ionenanteil am Schichtwachstum bestimmt werden. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit untersucht ein Hybridverfahren, in dem die mittelfrequenzgepulste Entladung mit einer zusätzlichen ECR-Entladung kombiniert wird. Es wird gezeigt, dass durch dieses Hybridverfahren eine deutliche Steigerung der Abscheiderate harter a-C:H-Schichten erreicht werden kann. Die abgeschiedenen Schichten wurden zusätzlich bezüglich ihrer Oberflächenstruktur und ihrer Verschleißfestigkeit untersucht.

In der vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung eines MEMS Herstellungsverfahrens beschrieben. Der Bosch patentierte EPyC-Prozess bietet die Möglichkeit komplexe MEMS-Strukturen mit hoher Effektivität auf engem Raum herzustellen. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Untersuchung und Optimierung der EPyC-Einzelprozesse, sowie der Aufbau eines Mikrospiegelantriebs mit 40 μm hohen Elektrodenfingern für hohe z-Auslenkungen. Die Herstellung von MEMS-Strukturen mit dem EPyC-Prozess erfordert eine gute elektrische und mechanische Funktionalität der dicken epitaktischen Siliziumschichten. Durch Wiederholung der EPyC-Zyklen entsteht eine 3D-Opferstruktur. Die Herausforderung besteht darin, hohe Volumina an Polysilizium am Ende des Prozesses vollständig zu entfernen. Durch das Wiederholen von fünf EPyC Zyklen wurde der Mikrospiegelantrieb mit 40 μm hohen vertikalen Kammelektroden erfolgreich hergestellt. Anschließend wurde der Mikrospiegelantrieb mit dem optimierten Silizium-Ätzprozess in zwei Schritten freigestellt. Damit der Mikrospiegelantrieb mechanisch beweglich und elektrisch funktional wird, wurde die SiO2-Passivierung auf den Funktionsstrukturen mittels HF-Gasphasenätzen erfolgreich entfernt. Die elektrischen und mechanischen Funktionalitäten des Mikrospiegelantriebes wurden mittels Laservibrometer geprüft und bestätigt.:1 Einleitung 1 1.1 Stand der Technik 3 1.2 Zielsetzung 6 1.3 EPyC-Prozess 7 2 Methoden 16 2.1 Abscheideverfahren 16 2.1.1 Chemische Depositionsverfahren 16 2.1.2 LPCVD-Verfahren 17 2.1.3 Thermische Oxidation 22 2.1.4 Kathodenstrahlzerstäubung (Sputtern) 23 2.2 Silizium Dotieren 24 2.3 Strukturieren von Silizium mit dem DRIE-Prozess (Deep Reactive Ion Etching) 24 2.4 Strukturieren von dielektrischen Schichten: Reaktiven Ionenätzen (RIE) 27 2.5 Gasphasenätzen von Oxid mit HF-Dampf 28 2.6 Isotopes Silizium-Opferschicht Trockenätzen 28 2.6.1 Plasmaloses isotropes Siliziumätzen mit Xenondifluorid 28 2.6.2 Plasmaunterstütztes isotropes Siliziumätzen mit Schwefelhexafluorid 31 2.7 Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten 31 2.7.1 Kristallstruktur 31 2.7.2 Mechanische Charakterisierung 33 2.7.3 Elektrische Charakterisierung 37 2.8 Elektrische und mechanische Charakterisierung der hergestellten 3D-MEMS Struktur 38 3 Ergebnisse 41 3.1 Ablauf des Herstellungsprozesses eines einzelnen EPyC-Zyklus mit unterschiedlich dicken Epi und ihre Charakterisierung 41 3.1.1 Ablauf der Abscheidung eines einzelnen EPyC-Zyklus 44 3.1.2 Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten 50 3.1.2.3.1 Epi-Schicht (𝒅 = 𝟐𝟎 μ𝒎) 61 3.1.3 DRIE-Prozess für dicke Epi-Schichten 64 3.1.4 Trench-Verfüllung 69 3.1.5 Siliziumopferschichttechnik 86 3.2 Herstellung eines Mikrospiegelantriebs mittels fünf EPyC Zyklen 105 3.2.1 Ablauf der Mikrospiegelantriebsherstellung mittels EPyC-Prozesses 106 3.2.2 Charakterisierung des hergestellten Mikrospiegelantriebs 115 4 Zusammenfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Eigene Veröffentlichungen Thesen