High Precision Stress Measurements in Semiconductor Structures by Raman Microscopy

Stress in silicon structures plays an essential role in modern semiconductor technology. This stress has to be measured and due to the ongoing miniaturization in today’s semiconductor industry, the measuring method has to meet certain requirements. The present thesis deals with the question how Raman spectroscopy can be used to measure the state of stress in semiconductor structures. In the first chapter the relation between Raman peakshift and stress in the material is explained. It is shown that detailed stress maps with a spatial resolution close to the diffraction limit can be obtained in structured semiconductor samples. Furthermore a novel procedure, the so called Stokes-AntiStokes-Difference method is introduced. With this method, topography, tool or drift effects can be distinguished from stress related influences in the sample. In the next chapter Tip-enhanced Raman Scattering (TERS) and its application for an improvement in lateral resolution is discussed. For this, a study is presented, which shows the influence of metal particles on the intensity and localization of the Raman signal. A method to attach metal particles to scannable tips is successfully applied. First TERS scans are shown and their impact on and challenges for high resolution stress measurements on semiconductor structures is explained.Spannungen in Siliziumstrukturen spielen eine entscheidende Rolle für die moderne Halbleitertechnologie. Diese mechanischen Verspannungen müssen gemessen werden und die fortlaufende Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie stellt besondere Anforderungen an die benutzte Messmethode. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema, inwieweit Raman Spektroskopie zur Spannungsmessung in Halbleiterstrukturen geeignet ist. Im ersten Kapitel wird der Zusammenhang zwischen Raman Peakverschiebung und mechanischer Spannung erläutert. Es wird gezeigt wie man detaillierte stress maps in strukturierten Halbleiterproben erhält mit einer Auflösung nahe am Diffraktionslimit. Darüber hinaus wird ein neuartiges Verfahren, die sogenannte Stokes-AntiStokes-Differenz Methode vorgestellt mit deren Hilfe man Einflüsse von Topographie, Geräteeffekten und Drift von den zu messenden Spannungszuständen in der Probe unterscheiden kann. Im nächsten Kapitel wird diskutiert, inwiefern der Ansatz von Tip-enhanced Raman Scattering (TERS), also spitzenverstärkter Raman Streuung genutzt werden kann um die laterale Auflösung bei Raman Spannungsmessungen zu erhöhen. Hierzu wird eine Studie präsentiert, die zeigt, welchen Einfluss Metallpartikel auf Erhöhung und Lokalisierung des Ramansignals haben. Eine Methode um Metallpartikel an scannbare Spitzen anzubringen wird erfolgreich angewendet. Erste TERS-Scans werden gezeigt und deren Bedeutung und Herausforderungen bei der hochaufgelösten Messung von Spannungen in Halbleiterstrukturen wird erläutert

Die Expression des Interleukin-1-Rezeptors Typ 1 im Verlauf einer Antigen-induzierten Monoarthritis im Kniegelenk der adulten Ratte und Einflüsse von Interleukin-1-beta auf Neurone der Hinterwurzelganglien

In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass Interleukin 1β (IL-1β) über eine gesteigerte Produktion verschiedener proalgetischer Mediatoren Hyperalgesie und mechanische Allodynie bishin zu Knochen- und Knorpelschäden verursachen kann und ihm damit eine zentrale Rolle in der Genese und Chronifizierung von Schmerzen während chronisch-inflammatorischer Krankheiten wie z. B. der rheumatoiden Arthritis (RA) zukommt. In der Arbeit wurde zum einen die Grundexpression des Interleukin-1-Rezeptors 1 (IL-1RI) an lumbalen Hinterwurzel¬ganglienzellen (DRG-Neurone) der adulten Ratte als Modell für primär afferente Neurone in histologischen Schnitten untersucht. Außerdem wurde geprüft, ob der IL-1RI im zeitlichen Verlauf einer Entzündung Veränderungen in seiner Expression zeigt. Dazu wurde die IL-1RI-Expression an lumbalen DRG-Neuronen jeweils ipsi- und kontralateral nach Induktion einer Monoarthritis im Kniegelenk der adulten Ratte zu verschiedenen Zeitpunkten immunhistochemisch an Schnitten untersucht. Als Entzündungsmodell diente eine unilaterale Antigen-induzierte Arthritis (AIA) des Kniegelenks der Ratte. Es konnte gezeigt werden, dass der IL-1RI in DRG-Neuronen der Ratte zu ca. 25 bis 30 % exprimiert wird und diese Expression im AIA-Modell in der chronischen Phase sowohl ipsilateral (entzündete Seite) als auch kontralateral (nicht entzündete Seite) signifikant auf ca. 50 bis 60 % ansteigt. Dieses Ergebnis spricht dafür, dass IL-1β sowohl in der Chronifizierung der RA als auch in der Entwicklung der kontralateralen Hyperalgesie eine Rolle spielen könnte. Sowohl die Grundexpression des IL-1RI als auch die Erhöhung der Expression im verwendeten Entzündungsmodell betrifft vor allem kleine und mittelgroße DRG-Neurone, die die Somata von nozizeptiven Afferenzen beinhalten. Außerdem wurde geprüft, ob IL-1β an peripheren Neuronen einen Einfluss auf die Expression nozizeptions¬relevanter Rezeptoren hat. Bisher gibt es einige Hinweise darauf, dass proinflammatorische Zytokine wie z.B. Tumornekrosefaktor α den TRPV1-Rezeptor (transient receptor potential vanilloid 1) hochregulieren können. Dieser oft als Markerrezeptor für die TRP-Familie gebrauchte Ionenkanal spielt eine wichtige Rolle bei der Hitzenozizeption. Es wurde dessen Expression an kultivierten DRG-Neuronen nach 2 tägiger Zugabe von IL-1β untersucht. Dabei konnte ein Anstieg der TRPV1-Rezeptorexpression von ca. 21 auf 32 % gezeigt werden. Antagonisiert man diesen Effekt durch die zusätzliche Gabe von IL-1RA, fällt die TRPV1-Rezeptorexpression wieder auf das Ausgangsniveau. Neben dieser langfristigen Wirkung von IL-1β ist auch ein kurzfristiger Signalweg untersucht worden: Obwohl einige Zytokine über intrazelluläre Kalzium¬konzentrations¬veränderungen in DRG-Neuronen signalisieren, scheint IL-1β nicht in diese Signalwege eingebunden zu sein. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit gibt es einen ersten Hinweis dafür, dass auch IL-1β nicht nur über die bekannte Sensibilisierung, sondern auch über eine mögliche Steigerung der Expression des TRPV1-Rezeptors in DRG-Neuronen Einfluss auf die Entstehung entzün-dungsassoziierter thermischer Hyperalgesie nehmen könnte

Combined influence of ectoine and salt: spectroscopic and numerical evidence for compensating effects on aqueous solutions

Ectoine is an important osmolyte, which allows microorganisms to survive in extreme environmental salinity. The hygroscopic effects of ectoine in pure water can be explained by a strong water binding behavior whereas a study on the effects of ectoine in salty solution is yet missing. We provide Raman spectroscopic evidence that the influence of ectoine and NaCl are opposing and completely independent of each other. The effect can be explained by the formation of strongly hydrogen-bonded water molecules around ectoine which compensate the influence of the salt on the water dynamics. The mechanism is corroborated by first principles calculations and broadens our understanding of zwitterionic osmolytes in aqueous solution. Our findings allow us to provide a possible explanation for the relatively high osmolyte concentrations in halotolerant bacteria

A survey of carbon nanotube interconnects for energy efficient integrated circuits

This article is a review of the state-of-art carbon nanotube interconnects for Silicon application with respect to the recent literature. Amongst all the research on carbon nanotube interconnects, those discussed here cover 1) challenges with current copper interconnects, 2) process & growth of carbon nanotube interconnects compatible with back-end-of-line integration, and 3) modeling and simulation for circuit-level benchmarking and performance prediction. The focus is on the evolution of carbon nanotube interconnects from the process, theoretical modeling, and experimental characterization to on-chip interconnect applications. We provide an overview of the current advancements on carbon nanotube interconnects and also regarding the prospects for designing energy efficient integrated circuits. Each selected category is presented in an accessible manner aiming to serve as a survey and informative cornerstone on carbon nanotube interconnects relevant to students and scientists belonging to a range of fields from physics, processing to circuit design

Implications for the Binding of the Protein G5P to DNA

Microorganisms accumulate molar concentrations of compatible solutes like ectoine to prevent proteins from denaturation. Direct structural or spectroscopic information on the mechanism and about the hydration shell around ectoine are scarce. We combined surface plasmon resonance (SPR), confocal Raman spectroscopy, molecular dynamics simulations, and density functional theory (DFT) calculations to study the local hydration shell around ectoine and its influence on the binding of a gene-S-protein (G5P) to a single-stranded DNA (dT(25)). Due to the very high hygroscopicity of ectoine, it was possible to analyze the highly stable hydration shell by confocal Raman spectroscopy. Corresponding molecular dynamics simulation results revealed a significant change of the water dielectric constant in the presence of a high molar ectoine concentration as compared to pure water. The SPR data showed that the amount of protein bound to DNA decreases in the presence of ectoine, and hence, the protein-DNA dissociation constant increases in a concentration- dependent manner. Concomitantly, the Raman spectra in terms of the amide I region revealed large changes in the protein secondary structure. Our results indicate that ectoine strongly affects the molecular recognition between the protein and the oligonudeotide, which has important consequences for osmotic regulation mechanisms

Curriculum Guidelines for Undergraduate Programs in Data Science

The Park City Math Institute (PCMI) 2016 Summer Undergraduate Faculty Program met for the purpose of composing guidelines for undergraduate programs in Data Science. The group consisted of 25 undergraduate faculty from a variety of institutions in the U.S., primarily from the disciplines of mathematics, statistics and computer science. These guidelines are meant to provide some structure for institutions planning for or revising a major in Data Science

Intraoperative mechanical ventilation practice in thoracic surgery patients and its association with postoperative pulmonary complications: Results of a multicenter prospective observational study

Abstract: Background: Intraoperative mechanical ventilation may influence postoperative pulmonary complications (PPCs). Current practice during thoracic surgery is not well described. Methods: This is a post-hoc analysis of the prospective multicenter cross-sectional LAS VEGAS study focusing on patients who underwent thoracic surgery. Consecutive adult patients receiving invasive ventilation during general anesthesia were included in a one-week period in 2013. Baseline characteristics, intraoperative and postoperative data were registered. PPCs were collected as composite endpoint until the 5th postoperative day. Patients were stratified into groups based on the use of one lung ventilation (OLV) or two lung ventilation (TLV), endoscopic vs. non-endoscopic approach and ARISCAT score risk for PPCs. Differences between subgroups were compared using χ2 or Fisher exact tests or Student’s t-test. Kaplan–Meier estimates of the cumulative probability of development of PPC and hospital discharge were performed. Cox-proportional hazard models without adjustment for covariates were used to assess the effect of the subgroups on outcome. Results: From 10,520 patients enrolled in the LAS VEGAS study, 302 patients underwent thoracic procedures and were analyzed. There were no differences in patient characteristics between OLV vs. TLV, or endoscopic vs. open surgery. Patients received VT of 7.4 ± 1.6 mL/kg, a PEEP of 3.5 ± 2.4 cmH2O, and driving pressure of 14.4 ± 4.6 cmH2O. Compared with TLV, patients receiving OLV had lower VT and higher peak, plateau and driving pressures, higher PEEP and respiratory rate, and received more recruitment maneuvers. There was no difference in the incidence of PPCs in OLV vs. TLV or in endoscopic vs. open procedures. Patients at high risk had a higher incidence of PPCs compared with patients at low risk (48.1% vs. 28.9%; hazard ratio, 1.95; 95% CI 1.05–3.61; p = 0.033). There was no difference in the incidence of severe PPCs. The in-hospital length of stay (LOS) was longer in patients who developed PPCs. Patients undergoing OLV, endoscopic procedures and at low risk for PPC had shorter LOS. Conclusion: PPCs occurred frequently and prolonged hospital LOS following thoracic surgery. Proportionally large tidal volumes and high driving pressure were commonly used in this sub-population. However, large RCTs are needed to confirm these findings. Trial registration: This trial was prospectively registered at the Clinical Trial Register (www.clinicaltrials.gov; NCT01601223; registered May 17, 2012.