The diploma thesis is focused on the use of technical innovation as a tool for increasing competitiveness of the wire saw for cutting silicon. In the paper are described theoretical bases for solving of product innovation. Based on market analysis, customer feedback and the results of functional analysis, in the diploma thesis are proposed innovations, which should contribute to increase competitiveness of the product on the global market.

In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zu Material begrenzenden Einflüssen beim Multidrahtsägen von Silicium unter Verwendung gerader und strukturierter Drähte durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von dünnen und strukturierten Drähten auf den Drahtsägeprozess von Silicium und die erzeugten Waferqualitäten zu untersuchen. Zusätzlich galt es, Grenzen und Potentiale für den Einsatz dieser Drähte im Sägeprozess aufzuzeigen und ein Modell zu entwickeln, das den Materialabtrag in Silicium für strukturierte Drähte beschreibt. Die in dieser Arbeit verfolgten Lösungsansätze beinhalten im ersten Teil der Arbeit die Durchführung von Sägeexperimenten mit einer Eindrahtsäge. Es wurden dünne Drähte mit Durchmesser ≤ 100 µm und zwei unterschiedliche Siliciumcarbid (SiC) Korngrößenverteilungen untersucht. Zusätzlich wurden die Normalkräfte in Vorschubrichtung variiert. Im zweiten Teil der Arbeit werden Sägeexperimente mit einer Multidrahtsäge vorgestellt. Es wurden zwei unterschiedlich strukturierte Drähte mit variierten Drahtgeschwindigkeiten und Vorschüben im Vergleich zu geradem Draht untersucht. Der industrielle Einsatz dünner Drähte im Sägeprozess zur Reduzierung des Sägeverschnitts ist derzeit auf Durchmesser von 100 µm begrenzt. Die getesteten Drähte mit geringerem Durchmesser sind nicht wirtschaftlich einsetzbar, da sie zu geringe Standzeiten aufweisen und zu einer Slurryverarmung beitragen können. Es konnte eine Slurryverarmung des Schnittspalts in Silicium beobachtet werden, die um mehrere Zentimeter in den Schnittspalt ragt und dadurch den Drahtsägeprozess negativ beeinflusst, indem Sägeriefen entstehen. Die Verschleißuntersuchungen von Sägedrähten zeigen, dass eine lineare Abnahme der Drahtdurchmesserreduzierung in Abhängigkeit der akkumulierten Eingriffslänge in Silicium auftritt. Der Prozess der Durchmesserreduzierung wird maßgeblich durch die aufgebrachte Normalkraft, welche durch die Zugfestigkeit und Härte des Drahts beeinflusst wird, die Drahtgeschwindigkeit und die verwendete Korngrößenverteilung bestimmt. Es konnte durch Sägeversuche mit Drähten unterschiedlicher Hersteller gezeigt werden, dass das beobachtete Verschleißverhalten nicht einem Drahthersteller zuordenbar ist, sondern eine globalere Gültigkeit besitzt. Der industrielle Einsatz strukturierter Drähte wirkt sich positiv auf den Sägeprozess aus. Es konnten signifikant höhere Vorschübe bei ähnlichen Kräften im Vergleich zu geraden Drähten erreicht werden. Für einen Vorschub von 0,6 mm/min sind die Kraftwerte für strukturierten Draht A im Vergleich zu geradem Draht um 40% reduziert, für Draht B um 16%. Durch die Drahtstruktur wird ein größeres Slurryvolumen durch den Schnittspalt befördert, was zu einem homogeneren Materialabtrag entlang des Schnittspalts führt. Die erhöhten Vorschübe konnten sowohl für mono- wie auch für multikristallines Siliciummaterial erreicht werden. Zusätzlich wurden homogenere Waferdicken durch den Einsatz strukturierter Drähte beim Sägeprozess erzeugt. Auf Basis der Ergebnisse für strukturierte Drähte wurde ein theoretisches Modell für den Materialabtrag entwickelt, welches die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente gut beschreibt. / In the present work experimental analyses were carried out to investigate the material limiting influences in the multi wire sawing process of silicon while using thin and structured wires. The purpose of the work was to investigate influences on the wire sawing process and the resulting wafer qualities caused by thin and structured wires. Additionally, the purpose was to define the limits and potentials of thin and structured wires in industrial wire sawing processes and to develop a model which describes the material removal in silicon for structured wires. Experiments with two different SiC particle size distributions in combination with wire diameters of ≤ 100 µm and varying normal forces in feed direction were carried out in the first part of this work with a single wire saw. Experiments with two differently structured wires and variation of the wire speed and feed rate are shown in the second part using a multi wire saw. The actual limit for industrial sawing applications to reduce kerf loss is reached for 100 µm thin wire diameters. The tested lower wire diameters are uneconomical due to shorter durability and to aggravate slurry depletion effects. Such a depletion effect of several centimeters length which is detrimental for the wire sawing process was observed at the end of a sawing channel. The results of the experiments showed that the steel wire diameter is reduced linearly with the accumulated sawn length of silicon. The material removal process of the steel wire is significantly influenced by the normal force in feed direction and the hardness of the wire. The experiments with wires of different suppliers showed no difference in the material removal process. Therefore the abrasive wear of wires has a more global validation. The results of the experiments using differently structured wires showed that significantly lower forces in feed direction occur for a given feed rate in comparison to straight wires. The forces are reduced up to 40% for structured wire A and up to 16% for wire B for a feed rate of 0,6 mm/min. A higher slurry volume is transported due to the structure of the wire which enables a more homogeneous material removal process along the cutting channel. Higher feed rates were reached for mono- and multi crystalline silicon material. Additionally, more homogeneous wafer thicknesses were cut using structured wires.

L'adhésion bactérienne est la première étape du processus de formation d'un biofilm et est un enjeu majeur de la recherche depuis plusieurs dizaines d'années. Les biofilms ont des conséquences parfois dramatiques dans des domaines comme la santé, l'agroalimentaire ou la purification des eaux usées. Toutefois, l'adhésion bactérienne reste un phénomène mal compris. Dans cette thèse, l'adhésion bactérienne est étudiée sur des surfaces modèles très bien organisées et structurées, de chimie de surface variable à l'échelle moléculaire. Une méthodologie de caractérisation adaptée aux monocouches déposées sur wafers de silicium est proposée. Des surfaces modèles composées de monocouches mixtes auto-assemblées de densités variables de NH2 dans un continuum de CH, sont développées et optimisées. Ces surfaces contrôlées, de densités de 0% NH2 à 100% NH2 dans CH3, sont utilisées comme outil pour étudier l'adhésion bactérienne en conditions de culture « batch »et « temps réel ». Les résultats montrent un impact significatif sur l'adhésion bactérienne de faibles différences chimiques à l'échelle moléculaire. Les résultats des expériences menées en conditions « batch » permettent de déterminer deux zones « plateau » dans lesquelles l'adhésion bactérienne ne varie pas significativement malgré des variations importantes de la concentration en groupements amine sur la surface. Une zone de transition entre les zones « plateau » est mise en évidence, dans laquelle une faible modification de la concentration en groupement amine mène à l'augmentation / diminution significative du nombre de bactéries adhérées. Cette tendance est montrée pour deux souches différentes de bactérie. / Bacterial adhesion is the first step of biofilm formation and in the focus of research interest since several decades. Biofilms cause many problems, sometimes dramatic, for example in health, food packing or waste water purification. Despite of high interest, bacterial adhesion process is only poorly understood yet. In this work, bacterial adhesion was investigated on well-organized and structured model surfaces with various chemistries at molecular scale. For that purpose a characterization methodology was developed to sufficiently analyze monolayers on silicon wafers, and controlled mixed monolayers surfaces with different densities of NH 2 backfilled with CH3 were developed and optimized. These controlled surfaces with different densities of 0 % NH2 up to 100% NH2 were eventually used as tool to study bacterial adhesion in batch and real time conditions. The results demonstrate a significant impact on bacterial adhesion of weak difference in the surface chemistry at molecular scale. In the batch experiments, two so-called "plateaus" zones were determined, in which bacterial adhesion is not significantly different despite the change of the amine concentration on the surface. On the contrary, one transition zone exists between the "plateaus" in which a slight chunge.in the amine concentration leads to a significant increase / decrease of the bacterial adhesion. The same trend of bacteria behavior was observed for different bacterial strains.

<p> A recently developed surface grafting technique, surface-initiated atom transfer radical polymerization (ATRP), has the ability to directly graft polymer chains with controllable chain lengths, densities and functionalities from various kinds of surfaces. This thesis has two main focuses. First is to study the use of this technique in grafting monomers with special structures and functionalities. The other is to apply this technique to the modification of reactive metal surfaces. </p> <p> Both of fluorinated polymers and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)-containing polymers have very interesting properties. In this thesis, for the first time, a highly fluorinated monomer, 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate (TFEMA) and a POSS-containing monomer, POSS-MA were successfully polymerized from silicon wafers by surface-initiated ATRP. This is also the first work to use this technique to graft polymers with bulky, rigid side groups. </p> <p> To achieve very high grafting density is a big challenge for surface-initiated ATRP. We designed a novel surface-attachable difunctional initiator, 11-(2,2-bis(2bromo-2-methylpropionyloxy methyl)propionyloxy) undecyltrichlorosilane. With its help, the grafting density of PTFEMA was almost doubled, from 0.48 to 0.86chains/nm2. This is so far the most effective method to increase the grafting density. </p> <p> Unlike other kinds of materials, the surfaces of metals are active in electrochemical and acid/base reactions and this reactivity complicates A TRP reactions. With the help of triethoxysilane-based initiator and mild Fe(II)/Fe(III) catalyst system, various acrylic polymers were successfully grafted from flat nickel and copper surfaces by surface-initiated ATRP. This work provided a convenient method to prepare functional polymer coatings with very stable adhesions to the metal surfaces. The same strategy can be extended to the surface modification of a shape-memory-alloy, nitinol. </p> <p> Metal nanoparticles were also modified by this technique. Polymer shells were grafted from nickel nanoparticles surfaces. After the polymer grafting, both of the dispersibility and dispersion stability of nickel nanoparticles in appropriate solvents were greatly improved. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

In dieser Arbeit werden niederfrequente optische Messungen an vier neuartigen Supraleitern vorgestellt. Im Bereich von 100 GHz bis 3 THz zeigen die vier untersuchten Systeme – LuNi2B2C, Ba(Fe0,9Co0,1)2As2, T’-Pr2CuO4 und Si:Ga – ein sehr unterschiedliches Verhalten. Die beiden erst genannten Supraleiter sind Mehrbandsupraleiter, bei denen die Cooper-Paarkopplung unterschiedlich für verschiedene Fermiflächen ist. T’-Pr2CuO4 ist ein undotierter Kupratsupraleiter, der nach bisheriger Lehrmeinung nicht existieren dürfte. Mit THz-Spektroskopie konnte erstmals die Bildung einer Meißner-Phase in T’-Pr2CuO4 mit optischen Methoden beobachtet werden. Eine gewisse Sonderstellung nimmt Si:Ga als amorpher Supraleiter ein. Si:Ga wird durch Ionenimplantation von Gallium in einen Siliziumwafer hergestellt. Es besteht die Hoffnung, mit Si:Ga halb- und supraleitende Logikblöcke in großem Maßstab auf einem Chip vereinen zu können, da die Ionenimplantation mit den Produktionsprozessen der Halbleiterindustrie kompatibel ist.

In dieser Arbeit werden niederfrequente optische Messungen an vier neuartigen Supraleitern vorgestellt. Im Bereich von 100 GHz bis 3 THz zeigen die vier untersuchten Systeme – LuNi2B2C, Ba(Fe0,9Co0,1)2As2, T’-Pr2CuO4 und Si:Ga – ein sehr unterschiedliches Verhalten. Die beiden erst genannten Supraleiter sind Mehrbandsupraleiter, bei denen die Cooper-Paarkopplung unterschiedlich für verschiedene Fermiflächen ist. T’-Pr2CuO4 ist ein undotierter Kupratsupraleiter, der nach bisheriger Lehrmeinung nicht existieren dürfte. Mit THz-Spektroskopie konnte erstmals die Bildung einer Meißner-Phase in T’-Pr2CuO4 mit optischen Methoden beobachtet werden. Eine gewisse Sonderstellung nimmt Si:Ga als amorpher Supraleiter ein. Si:Ga wird durch Ionenimplantation von Gallium in einen Siliziumwafer hergestellt. Es besteht die Hoffnung, mit Si:Ga halb- und supraleitende Logikblöcke in großem Maßstab auf einem Chip vereinen zu können, da die Ionenimplantation mit den Produktionsprozessen der Halbleiterindustrie kompatibel ist.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

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Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.