Antonio Ricardo Zanatta. Laboratório de Filmes Finos IFSC USP

Transcrição

1 Filmes Finos Fundamentos & Aplicações Antonio Ricardo Zanatta Laboratório de Filmes Finos IFSC USP

2 Índice Filmes Finos principais características-atributos Lei de Moore & Filmes Finos definição x aspectos tecnológicos Pesquisas no LFF-IFSC filmes de Si ou Ge fotônica & spintrônica

3 Filmes Finos O que é? película de área ilimitada (praticamente 2d) dimensões típicas de ~ 1 µm Aplicação!

4 Filmes Finos Aplicações Mecânicas Ópticas Eletrônicas

5 Motivação Lei de Moore the number of transistors on a chip doubles about every two years Gordon E. Moore (1965) co-fundador da Intel Lei empírica complexidade dos circuitos vs custo memórias, internet, câmeras CCD, etc. susceptível ao mercado + sociedade etc.

6 Motivação Lei de Moore 2µm 65nm 0.1µm 10µm 0.5µm

7 Micro-Eletrônica Intel TFT thin film transistor

8 Micro-Eletrônica Intel 65nm products ( ) Intel Xeon Intel Core 2 Duo Intel Core 2 Quad 45nm products (2007 ) Intel Core Atom Intel vpro Intel Core i7 with 4 and 6 cores 32nm products (2010 )

9 Micro-Eletrônica Intel

10 1958 Micro-Eletrônica Status Tecnologia baseada no Si 2000 Lei de Moore (30 anos) + ~ 5 gerações de processadores Intel & IBM tecnologia de 30 nm (extreme UV photolithography) Eletrônica a nível molecular/atômico (?)

11 Futuro? alguma- Ônica... Eletrônica Convencional (Micro-Eletrônica) Fotônica? Nanoeletrônica? Spintrônica? Plasmônica? Necessidade de novos materiais/processos!

12 Futuro? Fotônica & Spintrônica... elétrons x fótons rapidez (~ c) e fluxo sem conexões elétrons + spins dados combinados (carga & spin) polarização

13 Micro-Eletrônica Filmes Finos

14 Filmes Finos Síntese Particle Beam Plasma Photon (Laser) Thermal Deposition IBAD (sputter) MBE EB Implantation Sputtering (PE) CVD Polymerization Ion plating Chemical Evaporation Ablation Evaporation CVD (EB) Etching Milling Reactive IB Chem-assisted Sputtering Plasma Reative ion Ablation Chem-assisted Chem-assisted Surface modification Modification Texturing e-lithography Ox-Anodization Nitriding Cleaning Annealing Chem-assisted hν-lithography Chem-assisted CVD PVD

15 Preparo Sputtering gas entrance plasma ion target generator target substrat te vacuum ejected species particles

16 Filmes Finos Cinética de Formação 6. Formação de Canais e de Buracos 7. Continuidade 1. Chegada da Partícula ao Substrato 2. Reemigração, Evaporação 1 5. Crescimento e Coalescência 4. Ilhas de Nucleação 3. Colisões, Combinações 7

17 Filmes Finos Técnicas de Caracterização

18 Filmes Amorfos Composição x Estrutura amorphous GaAsN alloys Ni-doped amorphous Si films a-gaasn 30% 10 at.% x5 Transmission (%) a-gaas 30% Scattering intensity (arb. units) 1 at.% 0.3 at.% undoped Photon wavelength (nm) Raman shift (cm -1 )

19 Lab de Filmes Finos Atividades Pesquisa básica envolvendo: Novos materias e/ou processos compatíveis com a atual eletrônica Materiais (Fotônica / Spintrônica) (Si, Ge, nitretos, dopados c/ RE, TM, etc.) Dimensões reduzidas (filmes + micro- ou nano-estruturas) Filmes finos + processamento (rf sputtering & T, laser, etc.) Caracterização óptica convencional + parcerias

20 Lab de Filmes Finos Exemplos Spintrônica Filmes de SiMn Fotônica Filmes de Si e de Ge dopados com RE

21 Filmes à base de Si ou Ge Material Fotônico? UV VIS IR Nd 3+ Yb PL intensity (arb. units) 1D polymeric Si Ho 3+, Er 3+ Er 3+, Pr 3+ Dy 3+, Sm 3+, Ho 3+ low dimensional Si/SiO 2 system porous Si 3+ device quality a-si:h 3D bulk Si Pr 3+ Er Photon wavelength (nm)

22 Cristalização Induzida LIC filmes de a-gen:re 20k 15k 10k 5k Scattering intensity ty (arb. units) 1.0k Raman Shift (cm -1 ) Raman Shift (cm -1 ) Scattering intensity (arb. units)

23 LIC + ativação de RE 3+ filmes de a-gen dopados Er Sm Sm3 PL intensity (arb b. units) Er1 Pr Er2 Pr1 Pr2 Er3 Pr3 Ho Sm1 Ho1 Sm2 Ho2 Ho Photon wavelength (nm)

24 LIC + ativação de RE 3+ Padrões Luminescentes (a-gen:re) 10µm

25 Lab. de Filmes Finos Filmes de a-sin dopados com RE UV Er VIS Sm Yb IR Er rb. units) Nd PL intensity (ar 1d & 2d Si systems porous Si c-si device quality a-si:h Photon wavelength (nm)

26 Lab de Filmes Finos Exemplos Spintrônica Filmes de SiMn Fotônica Filmes de Si e de Ge dopados com RE

27 Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn ion target co-sputtering alvos combinados composição do plasma Mn content (at.%) Mn content (at.%) Mn area (mm 2 ) EDX XPS RBS Mn area (mm 2 )

28 Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn (a) Mn-free (b) 4.2 at.% (c) 20 at.% MnSi 1.7 MnSi o C Scattering intensity (arb. units) 750 o C ~ 525 cm o C ~ 525 cm o C o 750 o C 600 o C ~ 525 cm o C o 750 o C 600 o C ~ 475 cm -1 as-deposited ~ 475 cm -1 as-deposited ~ 475 cm -1 as-deposited Raman shift (cm -1 ) Raman shift (cm -1 ) Raman shift (cm -1 )

29 600 o C (a) 750 o C (d) 900 o C (g) Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn 3 µm (b) (e) (h)

30 Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn

31 Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn (a) imagem de AFM (b) imagem de MFM 3µm

32 Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn (a) (b) AFM height (nm) MFM voltage (mv) (c) Distance (nm) (d) AFM height (nm) MFM voltage (mv) AFM height (nm) MFM voltage (mv) Distance (nm) Distance (nm)

33 Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn momento magnético nm momento magnético nm

34 Filmes Finos Fundamentos & Aplicações Filmes Finos deposição, processamento, características Aplicação em Micro-Eletrônica Lei de Moore, miniaturização-performance Exemplos Fotônica (Si:RE e Ge:RE), Spintrônica (SiMn)

35 Laboratório de Filmes Finos islands of c-si 2 µm Ruby microcrystals 10 µm 25 µm material s synthesis optical characterization 10 µm luminescent patterns A.R. Zanatta Laboratório de Filmes Finos LFF