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 !

Filmes FinosAplicações

ÓpticasÓpticas

MecânicasMecânicas

ÓpticasÓpticas

EletrônicasEletrônicas

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 →)

Micro-EletrônicaIntel ®

http://www.intel.com/technology/silicon/index.htm

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

Micro-EletrônicaFilmes Finos

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

Filmes Finos Técnicas de Caracterização

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

LIC + ativação de RE3+Padrões Luminescentes (a-GeN:RE)

10µm

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

(b) (e) (h)

Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn

3 µm

(a) (d) (g) 600 oC 750 oC 900 oC

Lab de Filmes Finos Filmes de SiMn

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)

Laboratório de

Filmes Finos

Ruby microcrystals

islands of c-Si

2 µm

A.R. ZanattaLaboratório de Filmes Finos – LFF

http://lff.webgrupos.com.br/

10 µm 25 µm

material’s synthesis

optical characterization

luminescent patterns

10 µm