Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Integration of dielectrics with increased porosity is required to reduce the capacitance of interconnects. However, the conventional dual damascene integration approach is causing negative effects to these materials avoiding their immediate implementation. A post-CMP curing approach could solve some of these issues. However, materials with porogens being stable at temperatures of the barrier-seed deposition process are not common, hindering this approach. Here, we report on an extended dual-damascene integration approach which permits post-CMP curing.

In dieser Arbeit ist es gelungen, die Bedeutung physikalisch-chemischer Mechanismen in der Biomineralisation gegenüber der bisher angenommenen Dominanz spezifischer biomolekularer Erkennungsmechanismen aufzuzeigen. Dazu wurden drei Ansätze verfolgt: Zum einen wurden Studien zur Calciumcarbonatkristallisation durchgeführt. Zum anderen wurde das Biomineral Perlmutt intensiv untersucht. Als drittes wurde ein Modellsystem entwickelt, mit dem künstliches Perlmutt synthetisiert und ein Mechanismus für die Perlmuttmineralisation vorgeschlagen werden konnte. <br><br> Im ersten Schritt wurden in einem simplen Kristallisationsansatz komplexe Calciumcarbonatüberstrukturen ohne die Verwendung von Additiven synthetisiert. Es wurde gezeigt, daß diese durch orientierte Anlagerung von Nanopartikeln gebildet werden, bei der dipolare Felder eine wichtige Rolle zu spielen scheinen. Dieser Mechansimus war bislang für Calciumcarbonat unbekannt und ermöglicht die Synthese komplexer Kristallmorphologien, wodurch die Frage aufgeworfen wird, ob er bei der Biomineralbildung von Bedeutung sein kann. Durch Einsatz minimaler Mengen eines einfachen, synthetischen Additivs bei der Kristallisation wurden zu Überstrukturen angeordnete Aragonitplättchen synthetisiert, die von einer wenige nm dicken Schicht aus amorphen Calciumcarbonat umgeben sind. Eine solche Schicht wurde auch bei den Aragonitplättchen Perlmutts entdeckt (s.u.) und bietet möglicherweise in verschiedenen Systemen eine Erklärung für die Stabilisierung der sonst metastabilen Aragonitphase. <br><br> Im zweiten Schritt wurden bei der Untersuchung von natürlichem Perlmutt zwei bislang unbekannte Strukturmerkmale entdeckt: Es gibt Bereiche, die nicht aus den charakteristischen Plättchen bestehen, sondern wesentlich weniger stark mineralisert sind. Die Mineralphase besteht in diesen Bereichen aus Nanopartikeln. Es wurde weiterhin gezeigt, daß die Aragonitplättchen von einer wenige nm dicken Schicht aus amorphem Calciumcarbonat umgeben ist. Die gängigen Modelle der Perlmuttbildung sind mit diesen Beobachtungen nicht zu vereinbaren und somit zu hinterfragen. Dagegen deuten diese Ergebnisse ein Wachstum von Perlmutt über ACC-Nanopartikel an. <br><br> Unter der Annahme der Bedeutung physikalisch-chemischer Mechanismen in der Biomineralisation wurde schließlich als dritter Schritt ein Ansatz zur in vitro-Retrosynthese von Biomineralien ausgehend von ihrer unlöslichen Matrix entwickelt. <br><br> Mit diesem Ansatz ist es erstmals gelungen, künstliches Perlmutt auf synthetischem Wege herzustellen, das morphologisch nicht vom Original zu unterscheiden ist. Die existierenden Unterschiede konnten zeigen, daß der Mineralisationsprozeß nicht auf ein spezifisches Mikroumgebungssystem beschränkt, sondern "allgemeiner gültig"' sein muß. <br><br> Bei der Retrosynthese gibt es zwei Schlüsselfaktoren: Zum einen die demineralisierte unlösliche Perlmuttmatrix als dreidimensionales Gerüst für das künstliche Perlmutt, zum anderen amorphe Precursorpartikel, die die Mineralphase bilden. Es werden keinerlei Proteine oder andere Biomoleküle verwendet. Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, den Mineralisationsprozeß an einem in vitro-Modellsystem zu verfolgen, was für das in vivo-System, wenn überhaupt, nur unter starken Einschränkungen möglich ist.<br><br> Es wurde gezeigt, daß das künstliche Perlmutt über die Mesoskalentransformation von ACC-Precursorn innerhalb der Matrix gebildet wird und als möglicher Mechanismus bei der Biomineralisation von natürlichem Perlmutt diskutiert. Es konnte in der vorliegenden Arbeit konsequent gezeigt werden, daß die Imitation von Biomineralisationsprozessen in in vitro-Ansätzen möglich ist, wobei chemisch-physikalische Parameter dominieren. <br><br> In zukünftigen Studien sollten einerseits die mechanischen Eigenschaften des künstlichen Perlmutts untersucht werden, wofür sich in Vorversuchen im Rahmen dieser Arbeit die Nanoindentierung als geeignet herausgestellt hat. Es sollte geprüft werden, ob das hier ermittelte Prinzip zur Mineralisierung in der Materialentwicklung angewendet werden kann. Andererseits sollte die Retrosynthese auf andere Systeme ausgeweitet und in vivo-Studien durchgeführt werden, um die Gültigkeit der vorgeschlagenen Mechanismen zu überprüfen. / This thesis highlights the importance of physical-chemical mechanisms in biomineralisation and, thus, challenges the widely accepted dominance of specific biomolecular recognition mechanisms. <br><br> The work is divided into three parts: the first part addresses the crystallisation of calcium carbonate; the second part focuses on an intensive study of the biomineral, nacre, and, lastly, a retrosynthesis model system is designed and applied to synthesize artificial nacre. A mechanism for nacre mineralisation in nature is proposed. <br><br> Initially, complex calcium carbonate superstructures were synthesized in the absence of any additive. These were shown to grow by an oriented attachment mechanism of nanoparticles, presumably under the influence of dipolar fields. This growth mechanism has, to date, not been described for calcium carbonate. This mechanism opens the possibility to synthesize complex crystal morphologies of calcium carbonate and arises the question as to whether it plays a role in the growth of biominerals. <br><br> With the presence of small amounts of additives in calcium carbonate crystallisation it was possible to synthesize superstructures of aragonite platelets, each of which surrounded by a layer of amorphous calcium carbonate (ACC). Such ACC layers were also found in natural nacre (see below) and may explain the stabilisation of the metastable calcium carbonate polymorph aragonite. <br><br> In the second part of this thesis two unknown features of nacre structures were distinguished: Some areas within the nacre do not consist of the characteristic aragonite platelets but are mineralized only to a low degree. In these areas the mineral phase is clearly composed of nanoparticles. Furthermore, the aragonite platelets of nacre are shown to be surrounded by an ACC layer. Both observations contradict the classical models of nacre growth mechanisms but hint towards a growth via ACC nanoparticles. <br><br> Assuming the importance of physical-chemical mechanisms in biomineralisation, an approach for the in vitro retrosynthesis of biominerals was designed. Through this, it was possible, for the first time, to synthesize artificial nacre, which was indistinguishable in morphology from the original. The non-morphological differences between original and synthesized nacre showed that the biological process of mineralization is not limited to one specific microenvironment, but must be more general. <br><br> Two key factors are of importance for the retrosynthesis approach: 1) The demineralised nacre matrix, which forms a scaffold for the artificial mineral phase and; 2) amorphous nanoparticles as precursors, which transform into the mineral phase. No proteins or other biomolecules were utilized. In this way, the biomineralisation process could be followed in an in vitro model, a process, which is hardly possible in such detail under in vivo conditions. This work proves that the artificial nacre grows by a mesoscale transformation of ACC nanoparticles, and discusses this mechanism as a possible growth mechanism of natural nacre. This work consequently shows that it is possible to imitate biomineralisation processes in vitro and that, in–vitro, these processes are driven by physico-chemical parameters. <br><br> Future studies will involve investigation of the mechanical properties of the artificial nacre. First experiments indicate, that nanoindentation is hereby suitable. The potential application of the in vitro mineralization mechanism for new material development will be investigated. Furthermore, the retrosynthesis will be applied to other biomineral systems and, subsequently, in vivo studies will be performed so as to investigate the role of the proposed mechanisms for the natural biomineralisation process.

Integration of dielectrics with increased porosity is required to reduce the capacitance of interconnects. However, the conventional dual damascene integration approach is causing negative effects to these materials avoiding their immediate implementation. A post-CMP curing approach could solve some of these issues. However, materials with porogens being stable at temperatures of the barrier-seed deposition process are not common, hindering this approach. Here, we report on an extended dual-damascene integration approach which permits post-CMP curing.

Das chemisch-mechanische Planarisieren (CMP) in der Halbleiterindustrie ist ein Prozess mit sehr vielen Einflussgrößen, wobei das Polierergebnis unter anderem von den Eigenschaften der Wechselwirkungskomponenten Wafer, Poliersuspension und Polierpad abhängig ist. Bei der Entwicklung neuer Schaltkreisentwürfe werden die strukturellen Abhängigkeiten der Topografie nach dem CMP häufig im Verlauf von zeit- und kostenintensiven Lernzyklen aufgedeckt und angepasst. Um Dauer und Kosten für die Entwicklung neuer Schaltkreise zu reduzieren, sollte im Rahmen eines BMBF-Projektes ein umfassendes Gesamtmodell, welches den Polierprozess ausführlich beschreibt, entwickelt werden. Für die Umsetzung dieses Vorhabens ist ein umfassendes qualitatives und quantitatives Verständnis der mechanisch-hydrodynamischen und physikalisch-chemischen Mechanismen zu erarbeiten, welche den Materialabtrag und die Planarisierung beim CMP bestimmen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zum einen, mittels direkter Kraftmessung am AFM die Wechselwirkungskräfte zwischen den Festkörperoberflächen von Schleifpartikel und Wafer sowie zwischen den Schleifpartikeln untereinander in CMP-relevanten Flüssigkeiten und ihre Bedeutung für das CMP zu untersuchen. Um die Wechselwirkungskräfte am AFM bestimmen zu können, war zuvor die Entwicklung einer geeigneten Versuchsanordnung nötig. Zur Absicherung der Ergebnisse aus den Kraftmessungen wurde eine Methode erarbeitet, um die zwischenpartikulären Wechselwirkungen mittels rheologischer Untersuchungen indirekt bestimmen zu können. Des Weiteren fanden rheologische Messungen zur Untersuchung der Fließeigenschaften der Poliersuspensionen statt, wobei außerdem der Einfluss anwendungsrelevanter hydrodynamischer Kräfte auf die Stabilität der Poliersuspension zu überprüfen war. Als Poliersuspensionen kamen kommerziell verfügbare Slurries sowie eine Modellslurry zum Einsatz. Neben Systemen mit dispergierten Silica-Partikeln wurde auch eine Slurry mit Ceria-Partikeln als disperse Phase betrachtet. Die kontinuierliche Phase einer Poliersuspension ist ein Mehrkomponentensystem und enthält unterschiedlichste Additive. Untersucht wurde der Einfluss von pH-Wert und Elektrolytkonzentration auf die Wechselwirkungskräfte, das Fließverhalten sowie den Materialabtrag.

In unserem täglichen Leben begegnen wir Tropfen oft in physikalischen Systems, beispielsweise als Öltropfen in Salatsoße. Diese Tropfen sind meist chemisch inaktiv. In biologischen Zellen bilden Proteine und RNA zusammen Tropfen. Zellen sind chemisch aktiv, so dass die Tropfenkomponenten neu gebildet, abgebaut und modifiziert werden können. In dieser Doktorarbeit wird das dynamische Verhalten von chemisch aktiven Tropfen mit analytischen und numerischen Methoden untersucht. Um das dynamische Verhalten von solchen aktiven Tropfen zu untersuchen, benutzen wir ein Minimalmodell mit zwei Komponenten, die zwei Phasen bilden und durch chemische Reaktionen ineinander umgewandelt werden. Die chemischen Reaktionen werden durch das Brechen von Detailed Balance aus dem Gleichgewicht gehalten, so dass die Tropfen chemisch aktiv sind. Wir konzentrieren uns auf den Fall, in dem Tropfenmaterial im Tropfen in die äußere Komponente umgewandelt wird, und in der äußeren Phase erzeugt wird. Wir finden ein vielfältiges dynamisches Phasendiagramm mit Regionen, in denen Tropfen schrumpfen und verschwinden, Regionen, in denen Tropfen eine stabile stationäre Größe besitzen, und Regionen, in denen eine Forminstabilität zu komplexer Tropfen-Dynamik führt. In der letzten Region deformieren sich Tropfen typischenweise prolat, verformen sich zu einer Hantel, und teilen sich in zwei Tochtertropfen, die wieder anwachsen. Dies kann zu Zyklen von Wachstum und Teilung von Tropfen führen, bis die Tropfen das gesamte Volumen füllen. Während spherische Tropfen durch die chemischen Reaktionen entgegen ihrer Oberflächenspannung deformiert werden, können Tropfen- Zylinder und Platten durch chemische Reaktionen stabilisiert werden. Generell ist die Dynamik von Tropfen ein hydrodynamisches Problem, da die Oberflächenspannung von deformierten Tropfen hydrodynamische Flüsse erzeugt. Wir finden, dass chemische Reaktionen entgegen die Oberflächenspannung Arbeit verrichten können, so dass die Tropfenteilung auch unter Berücksichtigung hydrodynamischer Flüsse möglich ist. Diese Doktorarbeit zeigt, dass die Kombination von chemische Reaktionen und Phasenseparation unter Nichtgleichgewichtsbedingungen zu neuem dynamischen Verhalten führen kann. Die Ergebnisse zeigen die Relevanz von chemischen Reaktionen zum Verständnis von Phasenseparation in biologischen Systemen auf, und können bei der Umsetzung der diskutierten Phänomene in experimentellen Systemen helfen. Die Tropfenteilung, die in dieser Doktorarbeit diskutiert wird, erinnert an die Teilung von biologischen Zellen. Davon motiviert schlagen wir vor, dass die Teilung von chemisch aktiven Tropfen ein Mechanismus für die Replikation von Tropfen-artigen Protozellen am Ursprung des Lebens gewesen sein könnte.:1. Introduction 2. Theory of multi-component phase-separating systems with chemical reactions 3. Minimal model for chemically active droplets in two formulations 4. Shape instability of spherical droplets with chemical reactions 5. Dynamical behavior of chemically active droplets 6. Shape instability of droplets with various geometries 7. Role of hydrodynamic flows in chemically driven droplet division 8. Chemically active droplets as a model for protocells at the origin of life 9. Conclusion Appendices / In our everyday environment, we regularly encounter liquid-liquid phase separation in physical systems such as oil droplets in vinegar. These droplets tend to be chemically inert. In biological cells, protein and RNA may together form liquid droplets. Cells are chemically active, so that droplet components can be created, degraded and modified. In this thesis we study the influence of nonequilibrium chemical reactions on the shape dynamics of a droplet theoretically, using analytical and numerical methods. To discuss the dynamical behavior that results from combining phase separation and chemical reactions in sustained nonequilibrium conditions, we introduce a minimal model with only two components that separate into distinct phases. These two components are converted into each other by chemical reactions. The reactions are kept out of equilibrium by breaking of detailed balance, so that the droplet becomes active. We concentrate on the case where the reaction inside the droplet degrades droplet material into the outer component, and where the reaction outside creates new droplet material. We find that chemically active droplets have a rich dynamic phase space, with regions where droplets shrink and vanish, regions where droplets have a stable stationary size, and regions where the flux-driven instability leads to complex dynamic behavior of droplets. In the latter, droplets typically elongate into a dumbbell shape and then split into two symmetrical daughter droplets. These droplets then grow until they have the same size as the initial droplet. This can lead to cycles of growth and division, so that an initial droplet divides until droplets fill the simulation volume. We analyze the stationary spherical state of the droplet, which is created by a balance of the fluxes driven by the chemical reactions. We find that stationary droplets may have a shape instability, which is driven by the continuous fluxes across the droplet interface and which may trigger the division. We also find that while reactions may destabilize spherical droplet shapes despite the surface tension of the droplet, they can have stabilizing effects on cylindrical droplets and droplet plates. Generally, the shape dynamics of droplets is a hydrodynamic problem because surface tension in non-spherical droplets drives hydrodynamic flows that redistribute material and deform the droplet shape. We therefore study the influence of hydrodynamic flows on the shape changes of chemically active droplets. We find that chemical reactions in active droplets can perform work against surface tension and flows, so that the droplet division is possible even in the presence of hydrodynamic flows. The present thesis highlights how the combination of basic physical behaviors – phase separation and chemical reactions – may create novel dynamic behavior under sustained nonequilibrium conditions. The results demonstrate the importance of considering chemical reactions for understanding the dynamics of droplets in biological systems, as well as proposes a minimalist model for experimentalists that are interested in creating a system of dividing droplets. Finally, the division of chemically active droplets is reminiscent of the division of biological cells, and it motivates us to propose that chemically active droplets could have provided a simple mechanism for the self-replication of droplet-like protocells at the origin of life.:1. Introduction 2. Theory of multi-component phase-separating systems with chemical reactions 3. Minimal model for chemically active droplets in two formulations 4. Shape instability of spherical droplets with chemical reactions 5. Dynamical behavior of chemically active droplets 6. Shape instability of droplets with various geometries 7. Role of hydrodynamic flows in chemically driven droplet division 8. Chemically active droplets as a model for protocells at the origin of life 9. Conclusion Appendices

No description available.

Das chemisch-mechanische Planarisieren (CMP) in der Halbleiterindustrie ist ein Prozess mit sehr vielen Einflussgrößen, wobei das Polierergebnis unter anderem von den Eigenschaften der Wechselwirkungskomponenten Wafer, Poliersuspension und Polierpad abhängig ist. Bei der Entwicklung neuer Schaltkreisentwürfe werden die strukturellen Abhängigkeiten der Topografie nach dem CMP häufig im Verlauf von zeit- und kostenintensiven Lernzyklen aufgedeckt und angepasst. Um Dauer und Kosten für die Entwicklung neuer Schaltkreise zu reduzieren, sollte im Rahmen eines BMBF-Projektes ein umfassendes Gesamtmodell, welches den Polierprozess ausführlich beschreibt, entwickelt werden. Für die Umsetzung dieses Vorhabens ist ein umfassendes qualitatives und quantitatives Verständnis der mechanisch-hydrodynamischen und physikalisch-chemischen Mechanismen zu erarbeiten, welche den Materialabtrag und die Planarisierung beim CMP bestimmen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zum einen, mittels direkter Kraftmessung am AFM die Wechselwirkungskräfte zwischen den Festkörperoberflächen von Schleifpartikel und Wafer sowie zwischen den Schleifpartikeln untereinander in CMP-relevanten Flüssigkeiten und ihre Bedeutung für das CMP zu untersuchen. Um die Wechselwirkungskräfte am AFM bestimmen zu können, war zuvor die Entwicklung einer geeigneten Versuchsanordnung nötig. Zur Absicherung der Ergebnisse aus den Kraftmessungen wurde eine Methode erarbeitet, um die zwischenpartikulären Wechselwirkungen mittels rheologischer Untersuchungen indirekt bestimmen zu können. Des Weiteren fanden rheologische Messungen zur Untersuchung der Fließeigenschaften der Poliersuspensionen statt, wobei außerdem der Einfluss anwendungsrelevanter hydrodynamischer Kräfte auf die Stabilität der Poliersuspension zu überprüfen war. Als Poliersuspensionen kamen kommerziell verfügbare Slurries sowie eine Modellslurry zum Einsatz. Neben Systemen mit dispergierten Silica-Partikeln wurde auch eine Slurry mit Ceria-Partikeln als disperse Phase betrachtet. Die kontinuierliche Phase einer Poliersuspension ist ein Mehrkomponentensystem und enthält unterschiedlichste Additive. Untersucht wurde der Einfluss von pH-Wert und Elektrolytkonzentration auf die Wechselwirkungskräfte, das Fließverhalten sowie den Materialabtrag.

Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff weist ausgezeichnete thermische, mechanische und chemische Eigenschaften auf. Aufgrund seiner Faserarchitektur und Porosität zeigt dieser eine mit metallischen und polymeren Werkstoffen vergleichbar hohe Schadenstoleranz. Die Herstellung komplexer Leichtbaustrukturen aus C/C-Verbunden ist jedoch zeit- und kostenintensiv. Ein neuer Ansatz stellt die Integration geometrisch simpler C/C-Verbunde in komplexe, problemlos zu realisierende polymere Strukturen dar. Ein derartiges Werkstoffkonzept vereint die Vorteile seiner Komponenten in einem ganzheitlichen Werkstoffsystem. Einen Nachteil stellt jedoch die geringe wechselseitige Adhäsion seiner Komponenten dar. Die Innovation dieses Beitrags stellt sich einerseits der Herausforderung die mechanischen Eigenschaften der C/C-Verbunde in Abhängigkeit der intrinsischen Porosität zu beeinflussen. Dies geschieht durch Veränderung der chemischen und physikalischen Vernetzungsbedingungen des Matrixprecursors. Andererseits soll die dadurch herrührende inhärente Porosität zur Vergrößerung der wirksamen äußeren Oberfläche und zur gezielten Verbesserung der Adhäsion zum Polymer führen. Es wird ein Kohlenstoffprecursor mit variabler offener Porosität entwickelt und daraus neuartige verschiedenporöse C/C-Verbunde hergestellt und untersucht. Im Anschluss werden die verschiedenporösen C/C-Verbunde mit ausgewählten Polymeren unter definierten Konsolidierungsparametern thermisch gefügt und deren wechselseitiges Adhäsionsverhalten bewertet. / Fibre-reinforced ceramic matrix composite materials are characterized by excellent thermal, mechanical and chemical properties. Their high tolerance regarding damaging is a result of the intrinsic fibre structure and porosity. Due to this fact, they offer outstanding dampening characteristics, as is the case for polymeric materials. The production of complex structures is very time consuming and expensive. The integration of simple geometric ceramic composite materials in complex polymeric structures is regarded as a new approach for the production of these materials. These easy-to-produce hybrid ceramic/polymer compound materials combine the advantages of ceramics and polymers in one material system. However, one main disadvantage of these materials is the mutual adhesion of the two components. This article deals with the challenge of the manipulation of the mechanical properties of the C/C composites depending on the intrinsic porosity. This is realized by altering the physical and chemical wetting/coating conditions of the matrix precursor. In addition, the inherent porosity is supposed to increase the effective outer surface and specifically improve the adhesion. For this purpose, a novel carbon precursor with an adjustable open porosity is developed and investigated further. During this different versions of the CFRP and various C/C materials of different production steps are produced and examined. The variation of the precursors is supposed to take place in the polymeric state. The different C/C composites are subsequently thermally bonded with selected polymers and defined consolidation parameters. The mutual joining and connection behaviour is investigated further.