filmes finos: fundamentos e aplicações - IFSC - USP
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Filmes Finos<br />
Fundamentos & Aplicações<br />
Antonio Ricardo Zanatta<br />
Laboratório de Filmes Finos<br />
<strong>IFSC</strong> – <strong>USP</strong>
Índice<br />
Filmes Finos<br />
principais características-atributos<br />
Lei de Moore & Filmes Finos<br />
definição x aspectos tecnológicos<br />
Pesquisas no LFF-<strong>IFSC</strong><br />
<strong>filmes</strong> de Si ou Ge → fotônica & spintrônica
Filmes Finos<br />
O que é ?<br />
película de área ilimitada (praticamente 2d)<br />
dimensões típicas de ~ 1 µm<br />
Aplicação !
Filmes Finos<br />
Aplicações<br />
Mecânicas<br />
Ópticas<br />
Eletrônicas
Motivação<br />
Lei de Moore<br />
“the number of transistors on a chip doubles about every two years”<br />
Gordon E. Moore (1965)<br />
co-fundador da Intel ®<br />
Lei empírica<br />
complexidade dos circuitos vs custo<br />
memórias, internet, câmeras CCD, etc.<br />
susceptível ao mercado + sociedade<br />
etc.<br />
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
Motivação<br />
Lei de Moore<br />
2µm 65nm<br />
0.1µm<br />
10µm<br />
0.5µm<br />
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
Micro-Eletrônica<br />
Intel ®<br />
TFT – thin film transistor<br />
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
Micro-Eletrônica<br />
Intel ®<br />
65nm products (2005 – 2006)<br />
Intel® Xeon<br />
Intel® Core 2 Duo<br />
Intel® Core 2 Quad<br />
45nm products (2007 →)<br />
Intel® Core Atom<br />
Intel® vPro<br />
Intel® Core i7 with 4 and 6 cores<br />
32nm products (2010 →)<br />
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
Micro-Eletrônica<br />
Intel ®<br />
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
1958<br />
Micro-Eletrônica<br />
Status<br />
Tecnologia baseada no Si<br />
2000<br />
Lei de Moore (30 anos) + ~ 5 gerações de processadores<br />
Intel & IBM – tecnologia de 30 nm (extreme UV photolithography)<br />
Eletrônica a nível molecular/atômico (?)
Futuro ?<br />
alguma- Ônica ...<br />
Eletrônica<br />
Convencional<br />
(Micro-Eletrônica)<br />
Fotônica<br />
?<br />
Nanoeletrônica<br />
?<br />
Spintrônica<br />
?<br />
Plasmônica<br />
?<br />
⇒ Necessidade de novos materiais/processos !
Futuro ?<br />
Fotônica & Spintrônica ...<br />
elétrons x fótons<br />
rapidez (~ c) e fluxo<br />
“sem” conexões<br />
elétrons + spins<br />
dados combinados (carga & spin)<br />
polarização
Micro-Eletrônica<br />
Filmes Finos
Filmes Finos<br />
Síntese<br />
Particle Beam<br />
Plasma<br />
Photon (Laser)<br />
Thermal<br />
Deposition<br />
IBAD (sputter)<br />
MBE<br />
EB<br />
Implantation<br />
Sputtering<br />
(PE) CVD<br />
Polymerization<br />
Ion plating<br />
Chemical<br />
Evaporation<br />
Ablation<br />
Evaporation<br />
CVD<br />
(EB)<br />
Etching<br />
Milling<br />
Reactive IB<br />
Chem-assisted<br />
Sputtering<br />
Plasma<br />
Reative ion<br />
Ablation<br />
Chem-assisted<br />
Chem-assisted<br />
Surface<br />
modification<br />
Modification<br />
Texturing<br />
e-lithography<br />
Ox-Anodization<br />
Nitriding<br />
Cleaning<br />
Annealing<br />
Chem-assisted<br />
hν-lithography<br />
Chem-assisted<br />
CVD<br />
PVD
Preparo<br />
Sputtering<br />
gas entrance<br />
plasma<br />
ion<br />
target<br />
generator<br />
target<br />
substrate<br />
vacuum<br />
ejected species<br />
particles
Filmes Finos<br />
Cinética de Formação<br />
6. Formação de<br />
Canais e de<br />
Buracos<br />
7. Continuidade<br />
1. Chegada da Partícula<br />
ao Substrato<br />
2. Reemigração,<br />
Evaporação<br />
1<br />
5. Crescimento e<br />
Coalescência<br />
4. Ilhas de<br />
Nucleação<br />
3. Colisões,<br />
Combinações<br />
7
Filmes Finos<br />
Técnicas de Caracterização
Filmes Amorfos<br />
Composição x Estrutura<br />
amorphous GaAsN alloys<br />
Ni-doped amorphous Si films<br />
a-GaAsN 30%<br />
10 at.%<br />
x5<br />
Transmission (%)<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
a-GaAs<br />
30%<br />
Scattering intensity (arb. units)<br />
1 at.%<br />
0.3 at.%<br />
undoped<br />
400 600 800 1000 1200 1400<br />
Photon wavelength (nm)<br />
150 300 450 600 750 900 1050 1200<br />
Raman shift (cm -1 )
Lab de Filmes Finos<br />
Atividades<br />
Pesquisa básica envolvendo:<br />
Novos materias e/ou processos<br />
compatíveis com a atual eletrônica<br />
Materiais (Fotônica / Spintrônica)<br />
(Si, Ge, nitretos, dopados c/ RE, TM, etc.)<br />
Dimensões reduzidas<br />
(<strong>filmes</strong> + micro- ou nano-estruturas)<br />
Filmes <strong>finos</strong> + processamento<br />
(rf sputtering & T, laser, etc.)<br />
Caracterização<br />
óptica convencional + parcerias
Lab de Filmes Finos<br />
Exemplos<br />
Spintrônica<br />
Filmes de SiMn<br />
Fotônica<br />
Filmes de Si e de Ge<br />
dopados com RE
Filmes à base de Si ou Ge<br />
Material Fotônico ?<br />
UV<br />
VIS<br />
IR<br />
1D<br />
polymeric Si<br />
low dimensional<br />
Si/SiO 2<br />
system<br />
device quality<br />
a-Si:H<br />
PL intensity (arb. units)<br />
Yb 3+<br />
Nd 3+<br />
Er 3+ , Pr 3+<br />
Dy 3+ , Sm<br />
3+ , Ho 3+<br />
Er 3+<br />
porous Si<br />
Ho 3+ , Er 3+<br />
Pr 3+<br />
3D<br />
bulk Si<br />
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600<br />
Photon wavelength (nm)
Cristalização Induzida<br />
LIC – <strong>filmes</strong> de a-GeN:RE<br />
20k<br />
15k<br />
10k<br />
5k<br />
Scattering intensity (arb. units)<br />
1.0k<br />
0<br />
100 200 300 400 500 600 700<br />
Raman Shift (cm -1 )<br />
500.0<br />
0.0<br />
100 200 300 400 500 600 700<br />
Raman Shift (cm -1 )<br />
Scattering intensity (arb. units)
LIC + ativação de RE 3+<br />
<strong>filmes</strong> de a-GeN dopados<br />
Er<br />
Sm<br />
Sm3<br />
PL intensity (arb. units)<br />
Er1<br />
Pr<br />
Er2<br />
Pr1<br />
Pr2<br />
Er3<br />
Pr3<br />
Ho<br />
Sm1<br />
Ho1<br />
Sm2<br />
Ho2<br />
Ho3<br />
500 550 600 650 700 750 550 600 650 700 750 800<br />
Photon wavelength (nm)
LIC + ativação de RE 3+<br />
Padrões Luminescentes (a-GeN:RE)<br />
10µm
Lab. de Filmes Finos<br />
Filmes de a-SiN dopados com RE<br />
UV<br />
Er<br />
VIS<br />
Sm<br />
Yb<br />
IR<br />
Er<br />
PL intensity (arb. units)<br />
1d & 2d<br />
Si systems<br />
porous Si<br />
c-Si<br />
Nd<br />
device quality<br />
a-Si:H<br />
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600<br />
Photon wavelength (nm)
Lab de Filmes Finos<br />
Exemplos<br />
Spintrônica<br />
Filmes de SiMn<br />
Fotônica<br />
Filmes de Si e de Ge<br />
dopados com RE
Lab de Filmes Finos<br />
Filmes de SiMn<br />
ion<br />
target<br />
28<br />
2.0<br />
co-sputtering<br />
alvos combinados<br />
composição do plasma<br />
Mn content (at.%)<br />
24<br />
20<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
Mn content (at.%)<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
0 20 40 60 80<br />
Mn area (mm 2 )<br />
EDX<br />
XPS<br />
RBS<br />
0 500 1000 1500 2000<br />
Mn area (mm 2 )
Lab de Filmes Finos<br />
Filmes de SiMn<br />
(a)<br />
Mn-free<br />
(b)<br />
4.2 at.%<br />
(c)<br />
20 at.%<br />
MnSi 1.7<br />
MnSi 1.7<br />
900 o C<br />
Scattering intensity (arb. units)<br />
~ 525 cm -1 750 o C<br />
~ 475 cm -1 600 o C<br />
as-deposited<br />
o<br />
900 o C<br />
750 o C<br />
~ 525 cm -1 600 o C<br />
as-deposited<br />
~ 475 cm -1<br />
900 o C<br />
750 o C<br />
~ 525 cm -1 600 o C<br />
~ 475 cm -1<br />
as-deposited<br />
200 400 600 800<br />
Raman shift (cm -1 )<br />
200 400 600 800<br />
Raman shift (cm -1 )<br />
200 400 600 800<br />
Raman shift (cm -1 )
600 o C (a) 750 o C (d) 900 o C<br />
(g)<br />
Lab de Filmes Finos<br />
Filmes de SiMn<br />
3 µm<br />
(b) (e) (h)
Lab de Filmes Finos<br />
Filmes de SiMn
Lab de Filmes Finos<br />
Filmes de SiMn<br />
(a)<br />
imagem de AFM<br />
(b)<br />
imagem de MFM<br />
3µm
Lab de Filmes Finos<br />
Filmes de SiMn<br />
(a)<br />
500<br />
400<br />
(b)<br />
20<br />
10<br />
AFM height (nm)<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
MFM voltage (mV)<br />
500<br />
400<br />
(c)<br />
20<br />
10<br />
500<br />
400<br />
-500 -250 0 250 500<br />
Distance (nm)<br />
(d)<br />
20<br />
10<br />
AFM height (nm)<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
MFM voltage (mV)<br />
AFM height (nm)<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
MFM voltage (mV)<br />
0<br />
-30<br />
0<br />
-30<br />
-500 -250 0 250 500<br />
Distance (nm)<br />
-500 -250 0 250 500<br />
Distance (nm)
Lab de Filmes Finos<br />
Filmes de SiMn<br />
momento magnético<br />
500 – 1000 nm<br />
momento magnético<br />
50 – 100 nm
Filmes Finos<br />
Fundamentos & Aplicações<br />
Filmes Finos<br />
deposição, processamento, características<br />
Aplicação em Micro-Eletrônica<br />
Lei de Moore, miniaturização-performance<br />
Exemplos<br />
Fotônica (Si:RE e Ge:RE), Spintrônica (SiMn)
Laboratório de<br />
Filmes Finos<br />
islands of<br />
c-Si<br />
2 µm<br />
Ruby microcrystals<br />
10 µm 25 µm<br />
material’s<br />
synthesis<br />
optical<br />
characterization<br />
10 µm<br />
luminescent patterns<br />
A.R. Zanatta<br />
Laboratório de Filmes Finos – LFF<br />
http://lff.webgrupos.com.br/
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