Post on 20-Jan-2019
Filmes FinosFilmes FinosFundamentos Fundamentos & Aplicações & Aplicações
Antonio Ricardo Zanatta
Laboratório de Filmes Finos
IFSC – USP
Índice
� Filmes Finosprincipais características-atributos
� Lei de Moore & Filmes Finos � Lei de Moore & Filmes Finos definição x aspectos tecnológicos
� Pesquisas no LFF-IFSC filmes de Si ou Ge → fotônica & spintrônica
Filmes Finos
O que é ?O que é ?película de área ilimitada (praticamente 2d)
dimensões típicas de ~ 1 µm
Aplicação !Aplicação !
MotivaçãoLei de Moore
“the number of transistors on a chip doubles about every two years”
Gordon E. Moore (1965)
co-fundador da Intel ®
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
Lei empírica
complexidade dos circuitos vs custo
memórias, internet, câmeras CCD, etc.
susceptível ao mercado + sociedade
etc.
2µµµµm 65nm
MotivaçãoLei de Moore
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
10µµµµm
0.5µµµµm
0.1µµµµm
Micro-EletrônicaIntel ®
TFT – thin film transistor
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
Micro-EletrônicaIntel ®
65nm products (2005 – 2006)
Intel® Xeon
Intel® Core™ 2 Duo
Intel® Core™ 2 Quad
45nm products (2007 →)
http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm
45nm products (2007 →)
Intel® Core™ Atom™
Intel® vPro™
Intel® Core™ i7 with 4 and 6 cores
32nm products (2010 →)
1958
Micro-EletrônicaStatus
� Tecnologia baseada no Si
� Lei de Moore (30 anos) + ~ 5 gerações de processadores
� Intel & IBM – tecnologia de 30 nm (extreme UV photolithography)
� Eletrônica a nível molecular/atômico (?)
2000
Futuro ?alguma- Ônica ...
FotFotôônicanica ??NanoeletrNanoeletrônicaônica ??
EletrEletrônicaônica ConvencionalConvencional(Micro(Micro--EletrEletrôônicanica))
⇒⇒ Necessidade de novos materiais/processos !Necessidade de novos materiais/processos !
NanoeletrNanoeletrônicaônica ??SpintrSpintrônicaônica ??PlasmPlasmônicaônica ??
Futuro ? Fotônica & Spintrônica ...
elétrons x fótons
rapidez (~ c) e fluxo
“sem” conexões
elétrons + spinsdados combinados (carga & spin)
polarização
Filmes Finos Síntese
Particle BeamParticle Beam PlasmaPlasma Photon (Laser)Photon (Laser) ThermalThermal
Deposition
IBAD (sputter)
MBE
EB
Implantation
Sputtering
(PE) CVD
Polymerization
Ion plating
Chemical
Evaporation
Ablation
Evaporation
CVD
(EB)
EtchingMilling
Reactive IB
Chem-assisted
Sputtering
Plasma
Reative ion
Ablation
Chem-assistedChem-assisted
Surface modification
Modification
Texturing
e-lithography
Ox-Anodization
Nitriding
Cleaning
Annealing
Chem-assisted
hν-lithography
Chem-assisted
CVDCVD
PVDPVD
ion
target
subs
trat
e
plasmagas entrance
generator
Preparo Sputtering
particlesejected speciesvacuum
subs
trat
e
targ
et
Filmes Finos Cinética de Formação
7. Continuidade
6. Formação de
Canais e de
Buracos
2. Reemigração,
Evaporação
1. Chegada da Partícula
ao Substrato11
5. Crescimento e
Coalescência4. Ilhas de
Nucleação
3. Colisões,
Combinações
77
x510 at.%
Sca
tterin
g in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
Ni-doped amorphous Si films
a-GaAsN30%
Tra
nsm
issi
on (
%)
amorphous GaAsN alloys
Filmes Amorfos Composição x Estrutura
150 300 450 600 750 900 1050 1200
undoped
0.3 at.%
1 at.%
Sca
tterin
g in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
Raman shift (cm-1)
400 600 800 1000 1200 1400
7
6
5
4
3
2
130%
Tra
nsm
issi
on (
%)
Photon wavelength (nm)
a-GaAs
Lab de Filmes Finos Atividades
Pesquisa básica envolvendo:
� Novos materias e/ou processosNovos materias e/ou processoscompatíveis com a atual eletrônica
� Materiais (Fotônica / Spintrônica) Materiais (Fotônica / Spintrônica) (Si, Ge, nitretos, dopados c/ RE, TM, etc.)(Si, Ge, nitretos, dopados c/ RE, TM, etc.)
� Dimensões reduzidas
(filmes + micro- ou nano-estruturas)
� Filmes finos + processamento(rf sputtering & T, laser, etc.)
� Caracterizaçãoóptica convencional + parcerias
Lab de Filmes Finos Exemplos
�� SpintrônicaSpintrônicaFilmes de SiMn
�� Fotônica Fotônica Filmes de Si e de Ge
dopados com RE
Filmes à base de Si ou Ge Material Fotônico ?
IRVISUV
PL
inte
nsity
(ar
b. u
nits
)
device quality
a-Si:H
low dimensional
Si/SiO2 system
1D
polymeric Si
3+
Er3+
Er3+
, Pr3+
, Sm
3+, H
o3+
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
3D
bulk Si
PL
inte
nsity
(ar
b. u
nits
)
Photon wavelength (nm)
porous Si
Nd3+
Yb3+
Pr3+
Ho3+
, Er3+
Dy3+
, Sm
Cristalização Induzida LIC – filmes de a-GeN:RE
15k
20k
Sca
tterin
g in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
100 200 300 400 500 600 7000.0
500.0
1.0k
Sca
tterin
g in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
Raman Shift (cm-1)
100 200 300 400 500 600 7000
5k
10k
Sca
tterin
g in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
Raman Shift (cm-1)
Er3Er2
Er1
Er Sm3
Sm2
Sm1
SmP
L in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
LIC + ativação de RE3+filmes de a-GeN dopados
500 550 600 650 700 750 550 600 650 700 750 800
Pr1
Pr2Pr3
Photon wavelength (nm)
Pr
PL
inte
nsity
(ar
b. u
nits
)
Ho1 Ho2
Ho3
Ho
Lab. de Filmes Finos Filmes de a-SiN dopados com RE
Yb
Nd
Sm ErEr
IRVISUVP
L in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
device quality a-Si:H
1d & 2dSi systems
c-Si
porous Si
PL
inte
nsity
(ar
b. u
nits
)
Photon wavelength (nm)
Lab de Filmes Finos Exemplos
�� SpintrônicaSpintrônicaFilmes de SiMn
�� Fotônica Fotônica Filmes de Si e de Ge
dopados com RE
Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn
ion
target
20
24
28
0.5
1.0
1.5
2.0
Mn
cont
ent (
at.%
)
coco--sputtering sputtering aalvos combinados lvos combinados
composição do plasma composição do plasma
0 500 1000 1500 2000
0
4
8
12
16
0 20 40 60 80
0.0
0.5
Mn
cont
ent (
at.%
)
Mn area (mm2)
EDX
XPS
RBS
Mn
cont
ent (
at.%
)
Mn area (mm2)
900oC
o
Mn-free
Sca
tterin
g in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
(a)
900oC
750oC
MnSi1.7
4.2 at.%(b)
750oC
(c)
20 at.%MnSi
1.7
900oC
Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn
200 400 600 800
~ 525 cm-1
750oC
~ 475 cm-1
600oC
as-deposited
Sca
tterin
g in
tens
ity (
arb.
uni
ts)
Raman shift (cm-1)
200 400 600 800
~ 525 cm
-1
750oC
~ 475 cm-1
600oC
as-deposited
Raman shift (cm-1)
200 400 600 800
~ 525 cm-1
600oC
750oC
Raman shift (cm-1)
as-deposited
~ 475 cm-1
Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn
(a) (b)
imagem de AFM imagem de AFM imagem de MFM imagem de MFM
3µm
Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn
(a)
0
100
200
300
400
500
AF
M h
eigh
t (nm
)
-30
-20
-10
0
10
20
MF
M v
olta
ge (
mV
)
(b)
-500 -250 0 250 500
0
Distance (nm)
-30
-500 -250 0 250 500
0
100
200
300
400
500
AF
M h
eigh
t (nm
)
Distance (nm)
-30
-20
-10
0
10
20
MF
M v
olta
ge (
mV
)
(c)
-500 -250 0 250 500
0
100
200
300
400
500
AF
M h
eigh
t (nm
)
Distance (nm)
-30
-20
-10
0
10
20
MF
M v
olta
ge (
mV
)
(d)
Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn
momento magnético momento magnético
500 500 –– 1000 nm 1000 nm
momento magnético momento magnético
50 50 –– 100 nm 100 nm
Filmes Finos Fundamentos & Aplicações
� Filmes Finosdeposição, processamento, características
� Aplicação em Micro-Eletrônica� Aplicação em Micro-EletrônicaLei de Moore, miniaturização-performance
� ExemplosFotônica (Si:RE e Ge:RE), Spintrônica (SiMn)