<p>Bonding techniques intended for assembling space microsystems are studied in this work. One of the largest problems in bonding pre-processed semiconductor wafers are the severe process restrictions imposed by material compatibility issues. Plasma processes have shown to be good for sensitive materials integration why the influence of different plasma parameters on the bondability of wafers is particularly studied. Conventional wet chemical and field-assisted methods are also examined. The resulting bond quality is assessed in terms of mechanical strength, homogeneity, and yield.</p><p>The effect of spaceflight environment on the reliability of wafer bonds is also investigated. Both high and low temperature annealed bonds are found to be very robust. Effects observed are that low temperature bonds are reinforced by thermal cycling in vacuum and that high temperature bonds degrade slightly by low dose γ irradiation.</p><p>Adhesion quantification is important for all bonding. Development of accurate quantification methods is considered necessary since most methods at hand are limited. This work includes the development of the blister test method. Former test structures are improved to be more practical to work with and to yield low experimental scatter. A physical stress model for the improved structure is suggested with which successful predictions of fracture for different test specimen configurations are made. The blister test method is used throughout this work to assess the strength of wafer bonds. The physics background and modelling of other common test methods are also thoroughly analysed. The methods’ practical capabilities and limitations are commented; origin and mitigation of measurement errors are discussed. It is shown that all methods can be significantly improved by small means.</p><p>Weibull statistics is introduced as a tool to characterise wafer bonds. This method is suitable to use in brittle materials design as the inherent variability in strength can be properly accounted for.</p>

Bonding techniques intended for assembling space microsystems are studied in this work. One of the largest problems in bonding pre-processed semiconductor wafers are the severe process restrictions imposed by material compatibility issues. Plasma processes have shown to be good for sensitive materials integration why the influence of different plasma parameters on the bondability of wafers is particularly studied. Conventional wet chemical and field-assisted methods are also examined. The resulting bond quality is assessed in terms of mechanical strength, homogeneity, and yield. The effect of spaceflight environment on the reliability of wafer bonds is also investigated. Both high and low temperature annealed bonds are found to be very robust. Effects observed are that low temperature bonds are reinforced by thermal cycling in vacuum and that high temperature bonds degrade slightly by low dose γ irradiation. Adhesion quantification is important for all bonding. Development of accurate quantification methods is considered necessary since most methods at hand are limited. This work includes the development of the blister test method. Former test structures are improved to be more practical to work with and to yield low experimental scatter. A physical stress model for the improved structure is suggested with which successful predictions of fracture for different test specimen configurations are made. The blister test method is used throughout this work to assess the strength of wafer bonds. The physics background and modelling of other common test methods are also thoroughly analysed. The methods’ practical capabilities and limitations are commented; origin and mitigation of measurement errors are discussed. It is shown that all methods can be significantly improved by small means. Weibull statistics is introduced as a tool to characterise wafer bonds. This method is suitable to use in brittle materials design as the inherent variability in strength can be properly accounted for.

Transparente Elektroden finden breite Verwendung in unterschiedlichen kommerziellen Produkten. Dünnschichtsolarzellen basieren ebenso auf diesen Funktionsschichten wie Displays oder organische Leuchtdioden. Im Falle von Dünnschichtsolarzellen kann durch gezielte Einstellung der Oberflächentextur der transparenten Elektrode ein entscheidender Einfluss auf die erreichbare Effizienz genommen werden. Dabei wird eine Verlängerung der Weglänge des Lichtes im Absorbermaterial durch Mehrfachreflexionen angestrebt. Häufig werden dafür Schichten transparenter leitfähiger Oxide (TCO) gezielt texturiert. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung transparenter Elektroden stellt die Verwendung feiner Metallgitter dar. Diese ermöglichen hohe Leitfähigkeiten im Bereich der Gitterstege und hohe Transparenz im Bereich zwischen den Stegen. In dieser Arbeit sollte ein auf nasschemischen Prozessen basierendes Verfahren entwickelt werden, mit dem es möglich ist, sowohl strukturierte TCO-Elektroden als auch Metallgitter unterschiedlicher Geometrien gezielt herzustellen. Die Leistungsfähigkeit der Elektroden sollte anhand der Integration in entsprechende Bauteile bewertet werden. Namentlich sollte dieser Prozess für Cd2SnO4 (engl. Cadmium Tin Oxide, CTO) als ein TCO-Material hoher Transparenz und Leitfähigkeit sowie für Silber und Kupfer als metallische Systeme anwendbar sein. Als zielführende Methode kam die Nanoprägelithographie (von engl. Nanoimprint Lithography, NIL) zum Einsatz. Dieses Verfahren erlaubt die schnelle, einfache und kostengünstige Herstellung strukturierter Oberflächen. Grundsätzlich wird dazu ein strukturierter Elastomerstempel in eine Schicht eines zu vernetzenden Materials gepresst. Während des Pressens findet die Vernetzung statt. Nach anschließender Separation von Stempel und Schicht resultiert eine strukturierte Oberfläche. Gängige Präkursorensysteme für anorganische Verbindungen, bei denen Vernetzungsprozesse ablaufen, stellen Sol-Gel-Methoden und sogenannte polymere Präkursoren dar. Für letztere werden Metallzitrate mit Ethylenglykol verestert, um ein vernetztes Polymer zu generieren. Nach thermischem Entfernen der Organik bleibt das Metalloxid zurück. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Präkursorensystem entwickelt worden, das Metallionen komplexiert, auf Glassubstrate beschichtet werden kann und eine thermische Polymerisation erlaubt. Aus dem erhaltenen polymeren Präkursor konnten die Zielverbindungen durch thermisches Zersetzen einerseits in Pulverform und andererseits über vorhergehende Schleuderbeschichtung in Form dünner Schichten erhalten werden. Im Falle des kubischen Cd2SnO4 wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals eine Nanopulver-Synthese mit phasenreinem Produkt aus flüssigem Präkursor beschrieben. Dafür stellten sich der Anteil der verwendeten organischen Bestandteile sowie die Zersetzungsgeschwindigkeit als entscheidende Einflussparameter heraus. Zudem wurden CTO Dünnschichten mit dem beschriebene Präkursor hergestellt. Eine optimale Brenntemperatur zur Erzeugung phasenreiner CTO-Schichten von 700 ‰ wurde ermittelt. Die Zersetzungsgeschwindigkeit (bzw. Aufheizrate) beeinflusste die Oberflächenmorphologie der erhaltenen Schichten maßgeblich. Eine schrittweise Zersetzung (100 ‰°C, 200 °C‰, Zieltemperatur) führte dabei in effizienter Weise zu kompakten Schichten. Diese zeigten sehr gute optische und elektronische Eigenschaften. So konnten etwa 300 nm dicke CTO-Schichten mit spezifischen Widerständen von ca. 1 • 10^(−5) Ohm m bei einer Transmission von etwa 80 % (inklusive Glassubstrat) erhalten werden. Derartige CTO-Schichten konnten erfolgreich als transparente Frontelektroden für a-Si Dünnschichtsolarzellen verwendet werden. Ein positiver Einfluss periodischer Linienstrukturen auf die Lichteinfangeigenschaften und den resultierenden Photostrom im Vergleich zu flachen CTO-Schichten wurde bestätigt. Auch für die Herstellung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen konnten die CTO-Schichten erfolgreich eingesetzt werden. Die erreichten Effizienzen lagen jedoch lediglich im Bereich von 3 bis 3,6 %. Ein signifikanter Unterschied zwischen flachen und strukturierten Proben konnte nicht ausgemacht werden. Durch die reduzierenden Eigenschaften von Zitronensäure und Ethylenglykol gegenüber Ag+ und Cu2+ Ionen war es möglich, die Metalle in elementarer Form durch einfache thermische Behandlung des Präkursors zu erhalten. Während dieser Prozess für silberhaltige Systeme relativ einfach zu realisieren war, musste bei kupferhaltigen Proben die Bildung oxidischer Nebenphasen festgestellt werden. So war für Letzteres eine reduktive Nachbehandlung vollständig oxidierter Proben im Wasserstoffplasma zielführend und lieferte leitfähige Dünnschichten mit hohem Cu(0)-Anteil. Im Falle von Silber führte eine geeignete thermische Behandlung der Präkursorschicht zu dünnen, leitfähigen Silberschichten mit spezifischen Widerständen von ca. 6 • 10^(−8) Ohm m (Festkörper: ca.1 • 10^(−8) Ohm m). Die Übertragung des NIL-Prozesses gelang sowohl für silber- als auch kupferhaltige Systeme. Mit NIL-strukturierten Silberdünnschichten gelang so die Herstellung semitransparenter Elektroden mit spezifischen Widerständen von 2,2 • 10^(−7) Ohm m, welche in Elektrolumineszenzbauteilen verwendet wurden. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen, die für die Zersetzung des Silberpräkursors nötig waren (ca. 250 ‰ ), war die Fertigung entsprechender Elektroden und Bauteile auch auf Polyimidfolien möglich. Insgesamt bleibt die Erkenntnis, dass NIL-strukturierte dünne Schichten erfolgreich in optoelektronische Bauteile integriert werden konnten. Variable Präkursorsysteme erlauben die Herstellung verschiedener Schichten und somit Anwendungen in unterschiedlichen Bauteilen. Polymere Präkursoren haben sich als geeignet für dieses Vorgehen erwiesen und können relativ einfach auf diverse oxidische Stoffsysteme übertragen werden. Gleichzeitig eignen sie sich zur Herstellung metallischer transparenter Elektroden durch NIL-Strukturierung, was insbesondere im Hinblick auf flexible Bauteile von Vorteil ist.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.

Ziel ist die räumliche Abbildung biologischer Materialien (Knochen, Kollagenfibrillen und Zähne) hinsichtlich deren Struktur auf der Nanometerskala mit Hilfe der Nanotomographie. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. Für die Nanotomographie wurden Ätzprotokolle an Zähnen, Kollagenfibrillen und Knochen entwickelt, die einen gleichmäßigen Abtrag bewirken. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe der manuellen Registrierung korrigiert und zu einem Volumenbild rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis sind dabei erste hochaufgelöste Volumenbilder einzelner Kollagenfibrillen im nativen Knochen. Neben der konventionellen Nanotomographie wird ein Ansatz zur automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens und Zahnes demonstriert. Mit Hilfe von mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Techniken wurden die verschiedenen Strukturebenen des humanen Zahn und Knochens abgebildet und die räumlichen Strukturen der TM-AFM-Bilder auf der Mikro- und Nanometerskala eingeordnet. Darüber hinaus konnte mit Hilfe analytischer Messmethoden die chemische Zusammensetzung des kortikalen nativen Knochens erfasst werden und Änderungen durch das Ätzen detektiert werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.

Der Siliciumauflöseprozess in HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen unterscheidet sich vom Ätzprozess in HF-HNO3-H2O-Standardmischungen in Bezug auf die Reaktivität gegenüber Silicium, erzielte Oberflächenmorpholgien sowie die beim Ätzen entstehenden gelösten und gasförmigen Produkte. Durch die Behandlung in H2SO4-reichen HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen werden auf Siliciumwafern Texturen mit hoher Rauigkeit und geringer Reflexion erzeugt. mc-Si-Solarzellen texturiert durch eine H2SO4-reiche Ätzlösung weisen vergleichend zu Solarzellen mit Standardtexturen höhere Wirkungsgrade auf. In HF-HNO3-H2SO4/H2O-Lösungen mit hohen Schwefelsäurekonzentrationen (c(H2SO4) > c(H2O)) wirkt sowohl das Salpetersäuremolekül HNO3 als auch das Nitrylion NO2+ als Oxidationsmittel. Trifluorsilan HSiF3 und Hexafluordisiloxan F3SiOSiF3 wurden erstmalig als gasförmige Produkte des sauren nasschemischen Ätzens identifiziert. Anhand von Modellreaktionen zur Reaktivität von Nitrylionen wurde deren Reduktionssequenz im Siliciumätzprozess aufgeklärt.

The aim of this research is to develop a wet-chemical silvering method for a three-dimensional (3D) textile material made of polyethylene terephthalate (PET) to prevent and eliminate biological contaminants in drinking water and other liquid-containing systems. Three-dimensional textile fabrics are particularly well-suited as silvered disinfection materials in water systems, because they have 3D structures, pressure-elastic textile design, and provide large contact areas. Furthermore, water can easily be passed through the structure. The developed wet-chemical procedures are based on aminosilane, which consists of at least two amine groups and is well-suited to form a silver diamine complex. The silvered textile material was coated with cationic silver. After the chemical reduction, the cationic silver turns into metallic silver on the surface of PET spacer fabrics. The surface morphology of silver-coated spacer fabrics was analyzed and the uniform silver layer on the PET fiber surface was found. X-ray diffraction and energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis spectrums showed that the silver was immobilized on the PET fiber surface. The layer thickness and the silver amount were also determined. The silvered spacer fabrics can be used in sealing and/or cooling water systems; therefore, the silver ion release in water was analyzed. Furthermore, textile physical tests for the measurement of breaking force and elongation were carried out. No significant change in breaking force and elongation was observed after silvering of PET spacer fabric.

High-performance yarns such as aramid fibers are nowadays used to reinforce composite materials due to their advantageous physico-chemical properties and their low weight. They are also resistant to heat and fire. Para-aramid filament yarns (p-AFs) wound on a cylindrical dyeing package have been silvered successfully by means of a newly developed wetchemical filament yarn metallization process on a laboratory scale. The surface morphology of untreated and silvered p-AF was determined by means of scanning electron microscopy. The chemical structure of the surfaces (contents of carbon, oxygen, nitrogen and silver) was determined by means of energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The eliminated and newly formed groups of p-AF before and after silvering were detected by infrared spectroscopy (Fourier transform—attenuated total reflectance). After metallization, the silver layer thickness, the mass-related silver content and washing and rubbing fastness were assessed. Furthermore, textile-physical examinations concerning Young’s modulus, elongation at break and electrical conductivity were performed. Subsequently, the electrically conductive p-AFs were integrated in thermoset composite materials reinforced by glass fibers and para-aramid.

Doped ZnO nanoparticles were synthesized by three different methods – electrochemical deposition under oxidizing conditions (EDOC) , combustion method and wet chemical synthesis – for investigating the oxygen gas sensing response. Ga-doped ZnO was mostly synthesized but also In-doped ZnO was made. The samples were analyzed by XRD, SEM, EDX and TEM. Gas response curves are given alongside with Langmuir fitted curves and data for pure ZnO and Ga-doped ZnO. DFT quantum chemical investigation of cluster models ZnO nanoparticles were performed to evaluate defect effects and oxygen and nitrogen dioxide reactions with the ZnO surface. Defects were investigated by DOS and HOMO-LUMO plots , and are oxygen vacancy, zinc vacancy, zinc interstitial and gallium doping by replacing zinc with gallium. Oxygen and nitrogen dioxide reactions were investigated by computing Mulliken charges, bond lengths, DOS spectra and HOMO-LUMO plots.