HCTOR BEZ MEDINA

ESTUDO DE VIABILIDADE DE INTEGRAO DE MICRO-LMPADAS INCANDESCENTES COM FILTROS INTERFERENCIAIS

So Paulo 2011

HCTOR BEZ MEDINA

ESTUDO DE VIABILIDADE DE INTEGRAO DE MICRO-LMPADAS INCANDESCENTES COM FILTROS INTERFERENCIAIS

Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do titulo de Doutor em Engenharia. rea de Concentrao: Engenharia Eltrica. Orientador: Professor Doutor Marco Isaas Alayo Chvez

So Paulo 2011

Este exemplar foi revisado e alterado em relagio i versio original, sobresponsabilidade rinica do autor e com a anuGncia de seu orientador.

Sio Paulo,27 de Maio de 2011.

Assinatura do autor

Assinatura do orientador

FICHA CATALOGRAFICA

Medina, H6ctor B6ezEstudo de viabilidade de integragdo de

micro-limpadas incandescentes com filtros interferenciais / H.B.Medina. -- ed. rev. - Sio Paulo.2011.

1O2 p.

Tese (Doutorado) - Escola Polit6cnica da Universidade deSio Paulo. Departamento de Engenharia de Sistemas Eletr6-nicos.

1. Optica etetr6nica 2. Microeletr6nica 3. Sistemas microele-tr6nicos l. Universidade de Sio Paulo. Escola Polit6cnica.Departamento de Engenharia de Sistemas Eletr6nicos ll. t.

Dedico este trabalho aos meus Pais e Irmos com muito carinho

AGRADECIMENTOS

So muitas as pessoas que quero agradecer. Primeiramente ao meu orientador Prof.

Dr. Marco Isaas Alayo Chvez pela orientao precisa e competente durante o

Doutorado.

Aos tcnicos da sala limpa, Cristina, Joo e Antonio Marco, pela ajuda na fabricao

dos dispositivos e, em especial, Teresa, Rita e Alexandre pela autentica orientao

e contribuio cientifica incondicional. Todos eles foram verdadeiros amigos.

Carolina Carvalho Previdi Nunes pela grande ajuda na caracterizao dos

dispositivos finais. Ademais, pelo apoio e carinho nas horas difceis, com os quais

me fortaleci para o termino deste trabalho. Ela sempre estar presente na minha

vida.

Aos meus amigos Daniel Baraldi, Fernando Miranda e Gustavo Martins, pela grande

amizade e por terem me recebido como um membro a mais em suas famlias.

Aos membros da banca julgadora, Profa. Dra. Mrcia Carvalho de Abreu Fantini,

Prof. Dr. Julio Roberto Bartoli, Prof. Dr. Roberto Koji Onmori e Prof. Dr. Ricardo

Rodrigues de Frana Bento, pelas importantes contribuies ao texto final e pelos

conselhos profissionais.

Aos meus amigos no Mxico que a pesar da distncia, sempre estiveram presentes.

We have designed our civilization based on science and technology and at the same

time arranged things so that almost no one understands anything at all about science

and technology. This is a clear prescription for disaster.

Carl Sagan (1934 1996)

SUMRIO 1 INTRODUO ...................................................................................................... 15

2 ESTADO DA ARTE E OBJETIVO ......................................................................... 20

2.1.Estado da Arte ................................................................................................ 20

2.1.1. Integrao de dispositivos pticos. ...................................................... 24

2.1.2. Fontes luminosas. ................................................................................ 25

2.1.3. Filtros interferenciais. ........................................................................... 27

2.2.Objetivo ........................................................................................................... 28

3 DESCRIO DO DISPOSITIVO FABRICADO ..................................................... 30

3.1.Materiais e filmes usados. .............................................................................. 30

3.1.1. Equipamentos Utilizados ...................................................................... 31

3.1.2. Caracterizao dos filmes usados. ...................................................... 38

3.2.Micro Lmpada Incandescente. ...................................................................... 44

3.3.Filtro Interferencial Multicamadas. .................................................................. 50

3.4.Dispositivo. ..................................................................................................... 51

4 SIMULAO E CARACTERIZAO DOS DISPOSITIVOS FABRICADOS ........ 53

4.1.Resultados para Micro Lmpadas. ................................................................. 53

4.1.1. Simulao da emisso em micro-lmpadas. ........................................ 53

4.1.2. Caracterizao das micro-lmpadas. ................................................... 55

4.1.3. Comparao de resultados: Micro-lmpadas incandescentes. ............ 56

4.2.Resultados para Filtros Interferenciais. .......................................................... 65

4.2.1. Simulao de filtros interferenciais. ...................................................... 65

4.2.2. Caracterizao dos filtros interferenciais. ............................................. 71

4.2.3. Comparao de resultados: Filtros interferenciais. .............................. 72

4.3.Resultados para o Dispositivo Integrado. ....................................................... 77

5 CONSIDERAES FINAIS .................................................................................. 83

5.1.Concluses. .................................................................................................... 83

5.2.Trabalhos Futuros. .......................................................................................... 85

ANEXO 1 ................................................................................................................... 90

ANEXO 2 ................................................................................................................... 95

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .......................................................................... 96

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Perfil do ndice de refrao do ncleo em uma rede de Bragg e

resposta espectral [40]. ........................................................................ 28

Figura 3.1 Configurao triodo do sistema PECVD utilizado. ................................ 33

Figura 3.2 Diagrama esquemtico do sistema de PECVD utilizado no LME. ..... 34

Figura 3.3 Diagrama esquemtico do sistema de Sputtering utilizado. ............... 37

Figura 3.4 Esquema indicando os feixes incidente, refletido e transmitido

num sistema composto de um filme e um substrato. ......................... 39

Figura 3.5 Grfico dos ndices de refrao medidos em funo dos fluxos

dos gases. .......................................................................................... 40

Figura 3.6 Determinao por mtodo ptico do stress residual em filmes

depositados por PECVD. ................................................................... 42

Figura 3.7 Grfico do Stress residual medido em funo dos fluxos dos

gases. ................................................................................................ 44

Figura 3.8 Processo de fabricao da micro-lmpada incandescente. ............... 46

Figura 3.9 Detalhe do filamento da micro-lmpada. ............................................ 47

Figura 3.10 Mscaras utilizadas na fabricao da micro-lmpada, a)

definio de filamentos de pads, b) definio de cavidades no

silcio e c) abertura dos contatos eltricos. ........................................ 48

Figura 3.11 Detalhe das mscaras utilizadas na fabricao da micro-

lmpada. ............................................................................................ 48

Figura 3.12 Fotografias pticas das micro-lmpadas, a) filamento

incandescente e b) cavidade no silcio. .............................................. 49

Figura 3.13 Distribuio de um conjunto de micro-lmpadas numa seo da

lmina de silcio. ................................................................................. 50

Figura 3.14 Etapas de fabricao do filtro interferencial multicamadas. ............... 51

Figura 3.15 Micro-lmpada com filtro depositado sobre vidro. .............................. 52

Figura 4.1 Arranjo para caracterizao das micro-lmpadas. ............................. 56

Figura 4.2 Poder emissivo espectral simulado para um corpo negro ideal a

diferentes temperaturas. .................................................................... 57

Figura 4.3 Poder emissivo espectral simulado para um corpo negro a

diferentes temperaturas. .................................................................... 58

Figura 4.4 Poder emissivo espectral simulado para a aproximao de corpo

cinza a diferentes temperaturas. ........................................................ 58

Figura 4.5 Primeiro caso de intensidade de luz emitida para diferentes

valores de corrente aplicada. ............................................................. 60

Figura 4.6 Segundo caso de intensidade de luz emitida para diferentes

valores de corrente aplicada. ............................................................. 61

Figura 4.7 Terceiro caso de intensidade de luz emitida para diferentes

valores de corrente aplicada. ............................................................. 61

Figura 4.8 Diferentes nveis de emisso de luz de uma micro-lmpada

incandescente. ................................................................................... 62

Figura 4.9 Micro-lmpada com filamento de cromo queimado. ........................... 63

Figura 4.10 Diferentes nveis de emisso de luz de uma micro-lmpada

incandescente. ................................................................................... 63

Figura 4.11 Diferentes nveis de luz emitida pela micro-lmpada em

vermelho. ........................................................................................... 64

Figura 4.12 Diferentes nveis de luz emitida pela micro-lmpada em verde. ........ 64

Figura 4.13 Mxima intensidade de luz emitida pela micro-lmpada em azul. ..... 65

Figura 4.14 Reflexo e transmisso de uma onda plana na interface entre

dois meios semi-infinitos homogneos e isotrpicos. ........................ 65

Figura 4.15 Reflexo e transmisso em uma estrutura estratificada com

mltiplas camadas. ............................................................................ 67

Figura 4.16 Comparao da transmitncia simulada e medida para um filtro

com 9 camadas. ................................................................................. 72

Figura 4.17 Comparao da transmitncia simulada e medida para um filtro

com 11 camadas. ............................................................................... 73

Figura 4.18 Comparao da transmitncia simulada e medida para um filtro

com 13 camadas. ............................................................................... 74

Figura 4.19 Comparao da transmitncia simulada para filtros com 13

camadas com diferentes espessuras das camadas constituintes. ..... 75

Figura 4.20 Comparao da transmitncia simulada para filtros com 13

camadas com diferentes combinaes de ndices de refrao. ......... 76

Figura 4.21 Seo da lmina com dois conjuntos de micro-lmpadas com

filtro integrado. ................................................................................... 77

Figura 4.22 Comparao entre a transmitncia medida do filtro e a do

dispositivo integrado utilizando um filtro com 9 camadas. ................. 78

Figura 4.23 Sensitividade relativa do detector usado para a caracterizao

do dispositivo integrado. .................................................................... 79

Figura 4.24 Comparao entre a transmitncia medida do filtro e a do

dispositivo integrado utilizando um filtro com 11 camadas. ............... 80

Figura 4.25 Comparao entre a transmitncia medida do filtro e a do

dispositivo integrado utilizando um filtro com 13 camadas. ............... 81

Figura 4.26 Espectros de transmitncia simulada para luz detectada em

diferentes ngulos. ............................................................................. 82

Figura 5.1 Conjunto de mscaras de micro-lmpadas com filamento de

20x20 m. .......................................................................................... 86

Figura 5.2 Conjunto de mscaras de micro-lmpadas com filamento de

20x40 m. .......................................................................................... 86

Figura 5.3 Conjunto de mscaras de micro-lmpadas com filamento de

20x80 m. .......................................................................................... 87

Figura 5.4 Micro-lmpadas triplas com filamentos de trs diferentes

tamanhos: a) 20x20 m, b) 20x40 m, e c) 20x80 m ....................... 88

Figura 5.5 Cavidade no silcio para uma micro-lmpada tripla. ........................... 88

Figura 5.6 Trs micro-lmpadas em paralelo emitindo luz. ................................. 89

LISTA DE TABELAS Tabela 1 Classificao dos equipamentos de deposio. ................................. 32Tabela 2 Valores de ndices de refrao dos filmes estudados. ....................... 41

Tabela 3 Valores de stress residual dos filmes usados. ................................... 43

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

BOE Buffered Oxide Etch.

CCD Charge-Coupled Device.

CVD Chemical Vapor Deposition.

DPECVD Direct Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition.

FWHM Full Width at Half Maximum.

GNMD Grupo de Novos Materiais e Dispositivos.

KOH Hidrxido de Potssio.

LED Light-Emitting Diode.

LME Laboratrio de Microeletrnica.

MEMS Microelectromechanical systems.

MFC Mass Flow Controller.

MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Deposition.

MOEMS Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems.

MOS Estrutura Metal xido Semicondutor.

PECVD Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition.

RF Radiofreqncia.

RPECVD Remote Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition.

sccm Standard cubic centimeters per minute.

SOA Semiconductor Optical Amplifier.

SOI Silicon on Insulator.

USB Universal Serial Bus.

UV Ultravioleta.

WDM Wavelength Division Multiplexing.

WDDM Wavelength Division Demultiplexing.

RESUMO

No presente trabalho foi realizado um estudo da viabilidade de integrar dois

dispositivos pticos: micro-lmpadas incandescentes e filtros interferenciais com o

objetivo de construir um dispositivo nico com caractersticas prprias. A fabricao

destes dispositivos pticos foi feita utilizando materiais dieltricos, obtidos por

deposio qumica a vapor assistida por plasma (PECVD), e usando tcnicas

convencionais de microeletrnica desenvolvidas neste laboratrio. So

apresentadas simulaes numricas, processo de fabricao e caracterizao de

cada um dos dois dispositivos pticos assim como a caracterizao do dispositivo

ptico integrado obtido. As micro-lmpadas incandescentes foram fabricadas a partir

de um filamento de cromo, isolado do meio ambiente por duas camadas dieltricas

de oxinitreto de silcio, sendo alimentado eletricamente com uma tenso contnua

com a finalidade de aumentar a temperatura do filamento at atingir a

incandescncia. Com a finalidade de reduzir a dissipao trmica nessa regio, o

filamento foi projetado e construdo para ficar suspenso atravs de uma corroso

anisotrpica parcial do substrato de silcio. Por outro lado, os filtros interferenciais

foram fabricados sobre substratos de vidro a partir de uma srie de camadas

depositadas por PECVD alternadas de Si3N4 e SiO2, com espessuras de 240 e 340

nm e ndices de refrao de 1.91 e 1.46 respectivamente, com a finalidade de

produzir picos de atenuao na transmitncia da luz na regio do visvel do espectro

eletromagntico. Foram construdos filtros com 9, 11 e 13 camadas. Os resultados

deste trabalho mostraram que possvel realizar a integrao eficiente destes dois

dispositivos pticos para produzir uma fonte luminosa que permite a filtragem de

uma determinada faixa de comprimentos de onda. Foi demonstrado tambm que

tanto a largura da faixa, como a regio de filtragem, podem ser controladas atravs

do ndice de refrao, espessuras e nmero de camadas constituintes do filtro

interferencial. Os resultados das simulaes numricas mostraram-se bastante

coerentes com os resultados experimentais obtidos.

Palavras chave: Micro-lmpadas, Filtros Interferenciais, PECVD, Oxinitreto de silcio,

ptica integrada, Integrao monoltica.

ABSTRACT

In the present work was realized a study of the viability of integrating two optical

devices: incandescent micro-lamps and interferometric filters with the intention of

obtaining a single device with specific characteristics. The fabrication of these optical

devices was made using dielectric materials, obtained by plasma-enhanced chemical

vapor deposition (PECVD), and using conventional microelectronics techniques

developed at this laboratory. Numeric simulations, fabrication process and

characterization of each one of the two optical devices as well as the characterization

of the obtained integrated optical device are presented. The incandescent micro-

lamps were fabricated from a chromium filament, isolated from the environment by

two dielectric silicon oxynitride layers, which is powered electrically with a continuous

voltage with the purpose of increasing the temperature of the filament to reach the

incandescence. With the purpose of reducing the thermal dissipation in that area, the

filament was designed and fabricated to be suspended through a partial anisotropic

etch of the silicon substrate. On the other hand, the interferometric filters were

fabricated on glass substrates starting from a series of alternate Si3N4 and SiO2

layers deposited by PECVD, with thickness of 240 and 340 nm and refraction

indexes of 1.91 and 1.46 respectively, with the purpose of producing light

transmittance attenuation peaks in the visible region of the electromagnetic spectrum.

Filters were fabricated with 9, 11 and 13 layers. The results of this work showed that

it is possible to develop the efficient integration of these two optical devices to

produce a luminous source that it allows the filtering of a certain range of

wavelengths. It was also demonstrated that, the bandwidth as well as the filtering

area, can be controlled through the refraction index, thickness and number of

constituent layers of the interferometric filter. The results of the numeric simulations

showed to be quite coherent with the obtained experimental results.

Keywords: Micro-lamps, Interferometric filters, PECVD, Silicon oxynitride, Integrated

optics, Monolithic integration.

15

1 INTRODUO

O campo da ptica usualmente descreve o comportamento da luz visvel,

infravermelha e ultravioleta. Porm, j que a luz uma onda eletromagntica, ela

apresenta um comportamento similar aos raios X, micro-ondas, ondas de rdio,

dentre outras formas de radiao eletromagntica. Por causa disto, a ptica pode ser

considerada como uma subrea do eletromagnetismo. Mas, por outro lado, alguns

fenmenos pticos dependem da natureza quntica da luz, o qual relaciona a ptica

com a mecnica quntica. por esta dualidade, que alguns fenmenos pticos

podem ser melhor descritos com a teoria eletromagntica como, por exemplo, a

interferncia de luz ou o guiamento, enquanto que outros fenmenos podem ser

descritos pela teoria quntica, como a emisso e absoro de luz [1].

Os aspectos da cincia pura no campo da ptica freqentemente so chamados de

cincia ptica ou fsica ptica enquanto que as cincias da ptica aplicada so

freqentemente chamadas de engenharia ptica. As inovaes mais recentes em

engenharia ptica so freqentemente categorizadas como fotnica ou

optoeletrnica [2], mas os limites entre estas reas e a ptica propriamente dita so

incertos e os termos so usados invariavelmente em diversas reas sem nenhuma

diferenciao, embora o termo optoeletrnica tenha uma conotao mais slida em

dispositivos que incluam funes eltricas e pticas [2].

Depois do comeo da era da microeletrnica, a miniaturizao dos circuitos tem

evoludo a passos longos, apoiada pela evoluo da Tecnologia Planar, e tambm

pelo desenvolvimento de diversos tipos de tecnologias, que vo desde o conforto e

entretenimento residencial at a explorao espacial [3]. O principal componente

desta revoluo o transistor MOS, que tem evoludo em duas formas: primeiro, tem

sido construdo em dimenses cada vez menores, e segundo, o nmero de

transistores interligados em um nico circuito tem aumentado de algumas poucas

dezenas a centenas de milhes. Alm disso, medida que as dimenses dos

transistores continuarem diminuindo, os limites fundamentais impostos pela

mecnica quntica e as propriedades dos materiais podero ser atingidos [3]. Tudo

16

isto tem levado inevitavelmente ao desenvolvimento da tecnologia nanoeletrnica [4,5], onde o tamanho dos dispositivos est se aproximando ao tamanho de

aglomerados atmicos, e onde as propriedades do material diferem muito daquelas

observadas em materiais volumtricos (bulk). Por outro lado, esta tendncia

determina restries na reduo adicional de dispositivos microeletrnicos, pois

certas propriedades nessas escalas nanomtricas sero prejudicadas e at podem

impedir o correto funcionamento dos dispositivos microeletrnicos [6]. Por esse

motivo, outras alternativas tecnolgicas que cumpram com as mesmas

funcionalidades da microeletrnica tero que ser pesquisadas [7,8]. Entre elas pode-

se mencionar o desenvolvimento dos circuitos pticos integrados [10].

Na forma mais geral, um circuito ptico integrado desenhado para realizar uma

determinada funo atravs da integrao de trs etapas; uma fonte de luz, um

sistema de guiamento para a interconexo de componentes funcionais e, finalmente,

detectores, todos em um nico substrato. Realizando esta integrao, pode-se

esperar um sistema ptico mais compacto, estvel e funcional. Os circuitos pticos

integrados so divididos em dois tipos: circuito ptico integrado monoltico, quando

as trs etapas bsicas mencionadas so feitas com os mesmo materiais e utilizando

a mesma tecnologia e esto integrados em um nico substrato; circuito ptico

integrado hbrido quando cada uma das trs etapas feita com os materiais e

tecnologias apropriadas para cada caso e, posteriormente, so montados em um

nico substrato [9].

Os materiais mais usados na fabricao de dispositivos pticos so os compostos

dos elementos dos grupos III e V da tabela peridica que se caracterizam como

materiais de gap direto1. Porm, uma situao presente nos sistemas pticos que

o controle lgico e/ou analgico destes dispositivos continua ainda sendo realizado

atravs de microeletrnica convencional usando a tecnologia de circuitos integrados

de silcio [10]. O material proposto para se realizar a unio dessas duas tecnologias,

ptica e eletrnica, usando integrao monoltica naturalmente o silcio. Ainda

mais, o silcio um substrato atraente no campo da ptica devido ao fato de ter boas

1 Quando, no diagrama de bandas, o mnimo da banda de conduo corresponde ao mesmo valor de vetor de onda do estado do mximo da banda de valncia.

17

propriedades mecnicas e trmicas, o que facilitaria a integrao de diversos

dispositivos pticos e microeletrnicos [11].

Da mesma forma que a reduo do tamanho dos componentes microeletrnicos a

base de silcio tem reduzido o custo por megabyte, a integrao monoltica ptica

usando a tecnologia de silcio reduziria os custos por bit transmitido, e ao mesmo

tempo aumentaria a funcionalidade [12]. A automao, tamanho da lmina,

rendimento, volume e desenho para a fabricao dos componentes pticos tm sido

as peas chave para a indstria ptica e ainda mais, todos os conhecimentos

adquiridos durante os primeiros anos de fabricao dos dispositivos microeletrnicos

de silcio esto sendo exploradas na rea da ptica com o benefcio adicional de

poderem-se escolher tcnicas comprovadas e bem estabelecidas [10].

Adicionalmente, as semelhanas entre as reas de silcio e pticas so tais que

muitos dos equipamentos de processamento de semicondutores usados na rea de

silcio poderiam ser usados em ptica [12].

Assim, a complexidade esperada da seguinte gerao de conexes pticas de

comunicao, arquitetura de redes e sistemas comutados est conduzindo

inevitavelmente integrao monoltica de dispositivos pticos. Isto por que a

maioria dos dispositivos pticos requer guias de onda confinadas hermeticamente

para se ter um desempenho otimizado, o que resulta em difceis tolerncias de

alinhamento submicromtrico. Assim, substituindo estas conexes alinhadas

individualmente com guias de onda produzidas fotolitograficamente, seria possvel

reduzir os custos e tamanho e aumentar a robustez de encapsulamento [13,14,15].

Como um exemplo de aplicao dos dispositivos optoeletrnicos pode-se mencionar

o uso deles na comunicao a longas distncias tanto para alta velocidade como

para banda larga. As telecomunicaes com integrao monoltica eletrnica e

ptica incluiro guias de onda que podem ser fabricadas com materiais eletro-

pticos de forma a proporcionar vrias funes de telecomunicao diferentes, tais

como subdiviso, multiplexao, demultiplexao, comutao, modulao e

amplificao e, todas estas funes teriam controle eletrnico acompanhado de um

sistema integrado com os dispositivos pticos [16].

A optoeletrnica integrada em silcio tem muitas vantagens, como por exemplo, o

controle dos sistemas eletrnicos baseados em silcio, pois a fabricao de

18

dispositivos pticos em silcio o mtodo mais eficiente para a integrao de um

sistema eletro-ptico [17]. Com o silcio possvel fabricar diferentes estruturas e

geometrias usando a tecnologia planar, facilitando assim a obteno de dispositivos

pticos com este tipo de substrato. Alm disso, o silcio o material de substrato

mais usado hoje em dia, devido sua abundncia, e que particularmente

preparado para a integrao em grande escala e produo em massa com uma

excelente uniformidade e reprodutibilidade.

Finalmente, o desenvolvimento da tecnologia de fabricao de estruturas em escala

nanomtrica ter um grande impacto em micro-ptica, pois os sistemas pticos no

passado tm sido volumtricos e com componentes pticos caros, tais como

espelhos ou divisores de feixe de luz. Estes componentes requerem alinhamento

preciso na ordem de micrmetros [18]. Mediante o uso da tecnologia de

microfabricao, possvel construir MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical

Systems) e assim, pode-se reduzir o tamanho dos sistemas pticos atuais. Portanto,

a optoeletrnica baseada em silcio mostra-se de baixo custo, altamente robusta e

multifuncional, o que leva a um futuro brilhante para a produo em massa de

MOEMS e optoeletrnica integrada [16].

Neste trabalho, apresentado um estudo de viabilidade de integrao de micro-

lmpadas incandescentes com filtros interferenciais. A presente tese divide-se em

cinco captulos, sendo o primeiro esta introduo.

No capitulo 2 apresentada uma reviso do estado da arte de dispositivos pticos

em geral assim como da sua integrao em dispositivos mais complexos. Da mesma

forma, apresentada uma reviso dos temas referentes a fontes luminosas e filtros

interferenciais. Finalmente, neste capitulo, apresentado o objetivo deste trabalho.

No capitulo 3 apresentada uma descrio completa dos dispositivos fabricados,

considerando materiais utilizados, tcnicas de fabricao e equipamentos. Tambm,

so apresentadas as tcnicas de caracterizao dos materiais utilizados.

O capitulo 4 consiste de uma reviso dos resultados obtidos das simulaes

numricas e das caracterizaes dos dispositivos fabricados. Estes resultados so

apresentados em trs partes, sendo a primeira referente as micro-lmpadas, a

segunda aos filtros interferenciais e a terceira referente ao dispositivo que integra os

19

dois tipos de dispositivos. So analisados e comparados os resultados tericos com

os experimentais.

Finalmente, no capitulo 5 so apresentadas as concluses do trabalho assim como

um trabalho em andamento e algumas propostas de trabalhos futuros.

20

2 ESTADO DA ARTE E OBJETIVO

2.1. Estado da Arte

Um circuito ptico integrado do tipo monoltico o ideal, mas a sua implementao

muito difcil porque os materiais comumente usados na fabricao de cada etapa

so diferentes [9]. Por outro lado, um circuito ptico integrado do tipo hbrido

relativamente fcil de fabricar, pois podem ser utilizados diversos materiais e

tcnicas de processamento apropriadas para cada componente. Porm, na

integrao hbrida existe um problema com a montagem dos trs componentes

bsicos devido a problemas de alinhamento entre os componentes [9]. Um circuito

ptico monoltico integrado completamente funcional ainda no existe, mas o termo

aceito comumente [9]. assumido incorretamente que os circuitos pticos

integrados so dispositivos que contm circuitos integrados com as linhas de

interconexo eltrica substitudas por linhas pticas. Tambm, sendo que a

velocidade de propagao de um sinal ptico muito maior que a de um sinal

eltrico, incorreto concluir que o processamento do sinal muito mais rpido em

um circuito ptico que em circuitos eletrnicos j que, neste caso, a transmisso de

dados no depende da velocidade da luz e sim da velocidade de processamento do

circuito eletrnico. Assim, esta velocidade s um pouco maior para os circuitos

pticos e, portanto, o ganho em rapidez pequeno simplesmente substituindo linhas

eltricas por linhas pticas [9].

A histria dos circuitos pticos integrados pode ser dividida em trs geraes. A

primeira gerao se ocupa da ptica convencional, na qual os sistemas pticos so

formados com arranjos de componentes pticos do tipo bulk em grandes bancadas

pticas. O tamanho do sistema da ordem de 1m2, e o dimetro do feixe ptico

pode ser to grande como 1 cm. A segunda gerao chamada de micro-ptica,

onde os sistemas so montados com o tipo bulk, exceto os componentes micro-

pticos tais como diodos emissores de luz (LED), diodos laser, fibras e lentes. Estes

componentes discretos tm boas caractersticas; porm, acontecem problemas na

montagem e alinhamento ptico dos componentes porque seu tamanho da ordem

de 1mm. No existem meios de fixar perfeitamente os componentes depois de

serem alinhados tornando difcil um alinhamento estvel [9].

21

Os circuitos pticos integrados so dispositivos pticos da terceira gerao,

formados principalmente por guias de onda monomodo cujas larguras esto na

ordem de micrmetros na qual um feixe de luz se propaga. Isto , os dispositivos

pticos da primeira e segunda gerao podem ser tratados por ptica geomtrica,

mas os dispositivos da terceira gerao tm que ser tratados com teoria

eletromagntica. Da mesma forma, um circuito ptico integrado no tem problemas

de montagem, j que vrios elementos discretos so integrados em um nico

substrato, no sendo necessrios ajustes dos eixos pticos ou posicionamento

preciso posterior, sendo que o alinhamento estvel mantido. O dispositivo pode,

portanto, resistir a vibraes e mudanas de temperatura. Este o maior mrito dos

circuitos pticos integrados monoliticamente [9].

Trabalhar com dispositivos pticos resulta em inmeras vantagens tais como:

insensibilidade ao rudo eletromagntico, medies sem contato e a vantagem da

integrao, que por sua vez, envolve a miniaturizao e melhor confiabilidade [19].

Outra vantagem so os custos, estes podem ser reduzidos significativamente com o

uso de uma quantidade menor de conexes pticas entre os componentes, que so

difceis e caras. Outras caractersticas importantes so a melhoria na integridade do

sinal, em comparao com os mtodos de transporte eltrico tradicionais [11] assim

como a integrao de vrios elementos em um nico substrato fino em uma rea

pequena. O circuito ptico obtido com esta tcnica torna-se bastante compacto e

leve e com isto possvel a produo em massa, acarretando como conseqncia a

diminuio de preos em um futuro prximo [9]. Alm disso, um material compatvel

com a tecnologia ptica e com a microeletrnica seria benfico para ambas as

reas. Por exemplo, a interconexo ptica de dispositivos microeletrnicos poderia

resolver problemas, tais como a reflexo de onda, relao de impedncias, etc., que

limitam as interconexes eltricas [10].

Um material com o qual se pode conseguir a compatibilidade dessas duas

tecnologias naturalmente o silcio [11], pois a tecnologia microeletrnica j est bem

desenvolvida com este material. Porm, apesar do sucesso como material

eletrnico, o silcio tem recebido pouca ateno como material ptico por diversas

razes, como por exemplo, no tem um mecanismo inerente para a emisso de luz,

22

pois um material de gap indireto2, o que leva impossibilidade de fabricar

dispositivos emissores de luz. Porm, tem havido mudanas significativas na

optoeletrnica baseada em silcio com o desenvolvimento de alguns dispositivos

optoeletrnicos usando o silcio [10]. Entre os exemplos de desenvolvimento para

conseguir uma fonte de luz de silcio pode-se citar: dopagem com rbio para superar

o gap indireto do silcio [20], fabricar nanoaglomerados de silcio que aumentam os

efeitos qunticos [21,22] e amplificao ptica atravs do efeito Raman [23], o que

poderia resultar no s em um amplificador ptico, mas tambm, eventualmente em

uma fonte de luz [10] ou utilizar silcio poroso como fontes eletroluminescentes [24,25,26].

Assim, o fato de trabalhar com substratos de silcio, proporciona caractersticas

adicionais que so convenientes para a integrao, como ter uma tecnologia

avanada e de baixo custo [3]. Isto significa que, considerando a grande

infraestrutura para a fabricao de dispositivos microeletrnicos de silcio, existe um

grande conhecimento adquirido que pode ser usado na fabricao de dispositivos

pticos. Deste modo, se em um futuro prximo existisse a necessidade de fabricar

dispositivos pticos a base de silcio com dimenses crticas de centenas de

nanmetros, a infraestrutura para as prximas geraes de circuitos pticos j

existe, pois essa tecnologia j foi desenvolvida para os circuitos microeletrnicos em

silcio [10]. Alm disso, utilizar o silcio como substrato de integrao ajuda a dissipar

o calor pela alta condutividade trmica que ele possui (156 W/mK [27]). Isto , o

silcio proporciona uma diminuio dos requisitos de energia de operao, e assim,

esta melhora na confiabilidade do dispositivo, devido s reduzidas temperaturas de

operao, representaria a possibilidade de reduzir a necessidade de outros

componentes para dissipao de calor [11].

Os avanos para a integrao ptica e microeletrnica na tecnologia do silcio j

esto sendo feitos e vrias pesquisas esto sendo realizadas procurando

principalmente uma compatibilidade com os processos utilizados em cada caso.

Tambm, existem pesquisas em guias de onda baseadas em compostos de silcio,

j que estas ligas apresentam um ndice de refrao apropriado, elas so

2 Quando, no diagrama de bandas, o mximo da banda de valncia no coincide no mesmo ponto do valor do vetor de onda do estado do mnimo da banda de conduo.

23

transparentes nos comprimentos de onda utilizados na rea de sensores e

telecomunicaes e, possuem espessuras controlveis da ordem de micrmetros.

Com isso, clara a necessidade e a importncia do estudo e desenvolvimento de

dispositivos baseados nestes compostos.

Vrios resultados [28,29,30,31,32,33] mostram que os guias de onda de oxinitreto de silcio

(SiOxNy) permitem uma baixa atenuao da luz e um ndice de refrao ajustvel, o

que muito conveniente no caso de acoplamento com fibras pticas comerciais,

pois permite um acoplamento ptico apropriado. Diversas pesquisas tm sido

realizadas em busca de melhorar as caractersticas dos filmes que devero ser

usados na fabricao dos dispositivos pticos integrados [34,35]. Especificamente,

tm-se desenvolvido trabalhos dirigidos fabricao e caracterizao de filmes de

xido de silcio (SiO2) e SiOxNy depositados por PECVD (Plasma Enhanced

Chemical Vapor Deposition) buscando aplicaes em microeletrnica, ptica

integrada e sistemas micro-eletro-mecnicos (MEMS). Nestes trabalhos observou-se

que possvel controlar as propriedades mecnicas, fsicas e pticas dos materiais

atravs da variao dos diferentes parmetros de deposio.

Esforos esto sendo realizados para conseguir uma integrao completa de fontes

de luz com sistemas de guiamento e detectores em um nico substrato de silcio [36],

mas as pesquisas sobre integrao de fontes de luz ainda so elementares,

principalmente porque o silcio no um material de gap direto o que obriga a

fabricao de estruturas complexas para conseguir desenvolver um dispositivo

emissor de luz eficiente. Por outro lado, resultados mostram que

consideravelmente mais fcil obter emisso trmica baseada em lmpadas

incandescentes feitas de silcio policristalino, tungstnio ou outros materiais

condutores. O intervalo de comprimentos de onda em que estas fontes luminosas

emitem maior, abrangendo desde o visvel at o infravermelho, o que faz dos

dispositivos emissores de luz incandescentes apropriados como fontes de luz em

aplicaes de ptica integrada. Estas micro-lmpadas incandescentes podem ser

usadas em diversas aplicaes como, por exemplo, espectrofotometria, sensores de

presso, displays, entre outros [37,38,39,40].

24

2.1.1. Integrao de dispositivos pticos.

Tm-se reportado alguns avanos na fabricao de dispositivos pticos integrados

do tipo monoltico, tais como um dispositivo transmissor/receptor integrado com

amplificadores pticos semicondutores (SOA) usando guias de onda [41]. Entre as

caractersticas que os autores mencionam pode-se destacar que estes dispositivos

apresentam um alto desempenho, e que tm integrado um fotodiodo detector

fabricado com uma estrutura de um guia de onda tipo ridge, resultando assim na

obteno de menor corrente no escuro e menor capacitncia parasita [41]. Este

dispositivo fabricado usando a tcnica de deposio qumica a vapor de

compostos metalorgnicos (MOCVD) e compostos III e V da tabela peridica. A

obteno de dispositivos pticos mais complexos cria a possibilidade para o

desenvolvimento de uma nova lgica ptica com diversas aplicaes como, por

exemplo, multiplexao por diviso de comprimento de onda (WDM Wavelength

Division Multiplex) [42], redes pticas passivas [42] e filtros interferenciais [43].

Como componentes essenciais para a seleo e monitoramento de comprimentos

de onda, assim como para uma reconfigurao rpida das redes pticas, tm se

desenvolvido filtros pticos ajustveis baseados nos efeitos eletro-ptico [44],

acstico-ptico [45], termo-ptico [46,47] ou MEMS [48]. Pensando particularmente nesse

tipo de dispositivos, o silcio um forte candidato como material estrutural para a

fabricao de filtros pticos sintonizveis devido ao alto coeficiente termo-ptico que

ele apresenta [49,50]. Inclusive, a tecnologia de ajuste trmico baseada no efeito

termo-ptico j comumente usada em sistemas de filtragem baseados em silcio [46,51,52].

Diferentes configuraes para a fabricao destes filtros tm sido propostas. Li, et al. [53] apresentam um mtodo para fabricar um filtro ajustvel termicamente com um

intervalo de ajuste de 26 nm. Nessa estrutura, um espelho de alta refletividade

depositado no fundo de uma cavidade formada por um ataque anisotrpico desde a

parte traseira da lmina onde uma camada de SiO2 enterrada no substrato SOI

serve como camada etch stop. Devido remoo do silcio na cavidade, a potncia

do aquecedor de metal no dissipada para o substrato, diminuindo assim o

consumo de potncia fornecido ao dispositivo. Desta forma, o filtro tem um intervalo

de ajuste maior.

25

Em um trabalho realizado por Martins [54], foram feitas as simulaes numricas,

fabricao e caracterizao de filtros interferenciais usando filmes de dieltricos

depositados sobre substratos de silcio e vidro tipo Corning (7059), utilizando a

tcnica de PECVD. Os dispositivos foram construdos usando processos

convencionais de microeletrnica e consistiram em camadas peridicas com

espessura e ndices de refrao apropriados para produzir picos da atenuao na

transmitncia de luz na regio do visvel. As simulaes numricas foram realizadas

baseando-se nas caractersticas pticas dos filmes dieltricos e, para a

caracterizao dos filtros interferenciais, o feixe monocromtico de um laser de He-

Ne foi direcionado aos filtros e a luz resultante na sada foi conduzida para um

detector.

Um filtro depositado sobre vidro (filtro vertical) e um filtro depositado sobre silcio

com cavidades (filtro suspenso) foram montados sobre uma estrutura que permite

uma variao trmica e angular de modo a ser possvel medir suas respostas em

funo da variao destes dois parmetros. Tambm, um filtro depositado sobre

silcio (filtro horizontal) foi montado sobre um dispositivo trmico, a fim de medir sua

resposta variao de temperatura. Quando os filtros foram submetidos a uma

mudana na temperatura, o efeito termo-ptico prprio dos materiais utilizados

origina uma variao do ndice de refrao do material, o que produziu um

deslocamento nos picos da atenuao, que puderam ser previstos por simulaes

numricas [54]. Esta caracterstica permitiu que estes dispositivos fossem usados

como sensores termo-pticos. Por outro lado, quando o filtro vertical e o filtro

suspenso so submetidos a variaes angulares entre a normal ao plano do filtro e o

feixe de laser, produzida uma variao na potncia da luz de sada, o que permite

que estes dispositivos sejam usados como sensores angulares.

2.1.2. Fontes luminosas.

Alm da incluso de dispositivos eletrnicos para o controle de dispositivos pticos,

integrados em uma nica tecnologia, hoje em dia tambm necessria a integrao

com uma fonte luminosa, com a finalidade de obter um circuito ptico integrado

26

completo. As fontes luminosas so classificadas em dois critrios [55]. O primeiro de

acordo com sua natureza, tendo duas categorias, as fontes naturais (o sol) e as

fontes artificiais (uma lanterna ou uma vela). O segundo critrio de acordo com a

forma em que produzem a emisso, tendo aqui duas categorias bsicas: as

incandescentes (o filamento de uma lmpada) ou luminescentes (uma luminria de

tubo).

Na eletrnica, o silcio um material de gap indireto, o que dificulta a fabricao de

dispositivos emissores de luz. Por outro lado, as fontes incandescentes apresentam

emisso trmica, gerada pelo aquecimento de um filamento no qual flui uma corrente

eltrica, j que quando um corpo adquire uma determinada temperatura, os tomos

sofrem colises que os levam a estados excitados, com a subseqente perda da

excitao e produo de radiao em um espectro contnuo [56]. Existem diferentes

materiais, como o silcio policristalino [57] ou tungstnio, que podem ser usados para

fabricar lmpadas incandescentes, obtendo uma emisso em uma larga faixa do

espectro, desde o visvel ao infravermelho, facilitando a sua integrao com

dispositivos pticos.

Em um trabalho anterior, Rehder, et al. [58] demonstraram a viabilidade de integrao

de guias de onda com uma fonte de luz simples, sendo esta luz emitida desde um

micro-resistor incandescente de cromo embutido em uma regio auto-sustentada de

SiOxNy. Para a obteno deste dispositivo foi feita uma corroso anisotrpica do

substrato de silcio usando uma soluo em KOH com a finalidade de separar o

micro-resistor do substrato, o que reduz a dissipao trmica nessa regio, o que

permite ao micro-resistor atingir temperaturas de incandescncia. Depois de um

processo de micro-recozimento na estrutura da micro-lmpada, possvel acoplar a

luz guias de onda fabricadas sobre o mesmo substrato de silcio e controlar a

potncia de sada ajustando a corrente que flui atravs da micro-lmpada. Neste

trabalho, o filamento coberto por um filme de SiOxNy proporcionando a mesma

funcionalidade que um dispositivo de cavidade isolada. Esse recobrimento

necessrio, pois o filamento resistivo aquecido pela corrente quando exposto ao

ambiente (oxignio, misturas de gases e partculas contaminantes) pode oxidar-se e

ter as suas caractersticas de emisso modificadas, o que compromete o tempo de

vida da micro-lmpada [58].

27

2.1.3. Filtros interferenciais.

As redes de comunicao pticas permitem uma maior interconexo para o trfego

de informao em diferentes pontos no mundo e, ao mesmo tempo, demandam uma

grande largura de banda como resultado de novos servios que estimulam muitas

inovaes na rea da ptica [43]. A necessidade de colocar canais de comunicao

no domnio da ptica tem posicionado a transmisso com WDM como um dos

mtodos mais usados para aumentar a capacidade e tem permitido o

desenvolvimento de mtodos pticos para implementao de sistemas de redes.

Acompanhando a evoluo das redes pticas em comunicaes, com nfase em

transmisso com WDM, existe a proliferao de novos dispositivos pticos, muitos

dos quais so baseados em redes de Bragg [43].

Um refletor Bragg consiste em uma srie de camadas de materiais alternados com

ndice de refrao varivel, ou em uma variao peridica de alguma caracterstica,

como a espessura, resultando numa variao peridica do ndice de refrao efetivo

do guia. Cada interface das camadas origina uma reflexo parcial de uma onda e as

muitas reflexes se combinam atravs de interferncia construtiva, atuando as

camadas como um refletor de alta qualidade. O intervalo de comprimentos de onda

que refletido chamado rejeita-faixa fotnico [59], assim, a luz com estes

comprimentos de onda proibida de se propagar na estrutura.

Com o mesmo princpio do refletor Bragg, uma rede de Bragg pode ser construda

sobre um segmento curto de um guia de onda ptica para refletir alguns

comprimentos de onda da luz em particular e transmitir os outros. Isto se consegue

fazendo-se uma variao peridica do ndice de refrao do ncleo, conforme

mostrado na Figura 2.1, o que gera um espelho dieltrico de um comprimento de

onda especfico [59]. Portanto, uma rede de Bragg pode ser usada como um filtro

ptico para bloquear certos comprimentos de onda ou como um refletor de

comprimento de onda especifico [60].

28

Figura 2.1 Perfil do ndice de refrao do ncleo em uma rede de Bragg e resposta

espectral [43].

As redes de Bragg tm se desenvolvido como componentes importantes numa

variedade de aplicaes pticas, devido s propriedades nicas de filtragem e

versatilidade. Dispositivos baseados em redes de Bragg feitos de fibras pticas so

reconhecidos pelo seu uso em lasers de comprimento de onda estabilizada, lasers

de fibras, amplificadores Raman, conversores de comprimento de onda, redes

pticas passivas, multiplexadores e demultiplexadores por diviso de comprimento

de onda, compensadores de disperso, equalizadores de ganho [43], entre outros.

Os filtros passa-faixa so considerados como um dos dispositivos mais

fundamentais em administrao de redes pticas de mltiplos comprimentos de

onda e na maioria dos sistemas de comunicao onde necessria a

demultiplexao de comprimentos de onda (WDDM) [43]. Existem varias tcnicas

para fabricar estes filtros passa-faixa utilizando redes de Bragg. Uma aproximao

baseada no princpio de interferometria, onde as redes so incorporadas em

configuraes Saganac, Michelson ou Mach-Zehnder [43].

2.2. Objetivo

O objetivo deste trabalho integrar dois dispositivos, desenvolvidos anteriormente

no grupo, com o intuito de obter um dispositivo nico com caractersticas prprias.

Estes dois dispositivos so: micro-lmpadas incandescentes e filtros interferenciais.

Para conseguir isto, foi preciso simular numericamente, fabricar e caracterizar cada

um destes dispositivos de forma separada assim como caracterizar o dispositivo

integrado obtido.

Resposta espectral

Entrada Transmitida Refletida

29

A fabricao destes dispositivos feita utilizando os materiais e tcnicas de

fabricao desenvolvidos no Laboratrio de Microeletrnica (LME).

30

3 DESCRIO DO DISPOSITIVO FABRICADO

Em trabalhos anteriores foi demonstrada a viabilidade da fabricao de micro-

lmpadas incandescentes [58] e filtros interferenciais [54] separadamente. Neste

trabalho prope-se a integrao destes dois dispositivos, com o objetivo de se obter

um dispositivo com caractersticas prprias.

Neste capitulo sero apresentadas as etapas de fabricao das micro-lmpadas,

filtros interferenciais e do dispositivo que os integra. Tambm feita uma descrio

dos materiais, tcnicas e equipamentos utilizados na fabricao e caracterizao dos

materiais e dispositivos.

3.1. Materiais e filmes usados.

No Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD), diversas pesquisas tm sido

realizadas buscando melhorar as caractersticas dos dispositivos pticos fabricados,

atravs da correlao do desempenho ptico com as propriedades estruturais e

tambm com os parmetros de processo dos filmes de SiOxNy depositados por

PECVD [28,29,30,31,32,33]. Tm-se desenvolvido trabalhos dirigidos fabricao e

caracterizao de filmes tanto de SiO2 como de SiOxNy com diferentes composies

qumicas buscando aplicaes em microeletrnica, ptica integrada e MEMS. Nestes

trabalhos observou-se que possvel controlar as propriedades mecnicas, fsicas e

pticas destes materiais atravs da variao dos diferentes parmetros de

deposio como, por exemplo, a potncia do gerador de radiofreqncia (RF), os

fluxos dos gases reativos, assim como a presso e temperatura de processo [28,29,30,31,32,33].

Os filmes estudados no GNMD e utilizados neste trabalho foram depositados pela

tcnica PECVD em baixa temperatura (320C), a uma potncia de 200W, usando

xido nitroso (N2O), nitrognio (N2) e silana (SiH4) como gases reativos, obtendo-se,

31

assim, filmes com composies que vo desde SiO2 at nitreto de silcio (Si3N4).

importante mencionar que, para se obter as diferentes composies nos filmes, os

fluxos de N2O e de N2 foram variados, mantendo-se sempre o fluxo total de N2O+N2

em 75 sccm enquanto que o fluxo de SiH4 foi mantido constante em 30 sccm.

Assim, quando se utiliza 75 sccm de N2O (em ausncia de N2), forma-se um filme de

SiO2, e quando se utiliza 75 sccm de N2 (em ausncia de N2O), forma-se um filme de

Si3N4. Com as misturas intermedirias apresentam-se diferentes composies de

SiOxNy. Para estes casos, o fluxo dos gases foi variado em intervalos de 15 sccm.

Os filmes foram depositados sobre lminas de silcio com orientao cristalogrfica

(100) e resistividade entre 1-10 cm.

3.1.1. Equipamentos Utilizados

No desenvolvimento deste trabalho duas tcnicas de processamento foram

utilizadas principalmente, sendo estas a tcnica de PECVD e a tcnica de Sputtering

(deposio por pulverizao catdica). Aqui so apresentadas as descries dos

equipamentos utilizados nestas tcnicas.

Deposio Qumica a Vapor (CVD)

A deposio qumica a vapor (CVD) consiste na formao de camadas slidas e

estveis, graas a uma reao heterognea do tipo gsslido ou gslquido na

superfcie do substrato onde as reaes qumicas podem acontecer de duas formas:

pirlise ou reduo do hidrognio [61]. Para ambos os tipos de reao, a forma de se

fornecer energia para que ocorram as reaes incluem: ativao trmica por eltrons

(plasma de Radiofreqncia RF ou Corrente continua DC), por ftons (UV ou

laser), ou, inclusive, uma combinao destas duas.

Por outro lado, os fenmenos fsicos que determinam o regime de deposio so: o

transporte dos gases reativos em direo superfcie do substrato aquecido, a

32

prpria temperatura na superfcie da lmina, a velocidade de reao dos gases na

superfcie do substrato, a presso em que ocorre a reao e a concentrao das

espcies reativas [61]. A geometria do equipamento de deposio tambm influencia

fortemente nos parmetros dos filmes depositados. Os equipamentos utilizados para

se depositarem camadas dieltricas e semicondutoras por CVD podem ser

classificados como indicado na Tabela 1 [61].

Tabela 1 Classificao dos equipamentos de deposio.

Temperatura [C]

Presso Atmosfrica

Baixa presso

Baixa presso com plasma

Parede quente3 Parede

fria Parede quente

Parede fria

Parede quente

Parede fria

200-500 0 1 1 0 0 2 500-1000 0 1 1 0 0 0

0 No usado comercialmente. 1 Uso limitado. 2 Uso dominante.

Cabe destacar que em muitas aplicaes necessrio depositar uma variedade de

filmes finos usando baixas temperaturas de substrato. Nesses casos, a tcnica de

CVD assistida por plasma (PECVD) uma alternativa excelente para depositar

filmes a temperaturas menores sem comprometer a qualidade dos filmes

depositados anteriormente e/ou do substrato utilizado. Por exemplo, podem-se

depositar filmes de SiO2 de alta qualidade entre 300 e 350C, enquanto que para

CVD necessrio utilizar temperaturas no intervalo de 650 a 850C a fim de se

produzirem filmes de qualidade similar [61].

A tcnica PECVD usa ondas eletromagnticas de RF para gerar um plasma no qual

a energia transferida a uma mistura de gases reativos, o que transforma estes em

radicais reativos, ons, tomos neutros, molculas e outras espcies altamente

ionizadas. Estes fragmentos atmicos e moleculares so adsorvidos na superfcie do

substrato e, dependendo da natureza destas interaes, acontece um processo de

corroso ou deposio no substrato. A formao das espcies reativas e energticas

acontece por colises na fase gasosa, sendo que o substrato pode ser mantido a

uma baixa temperatura. Assim, a formao do filme a uma temperatura menor que a

3 Refere-se s paredes do reator.

33

necessria para os processos CVD convencionais uma das maiores vantagens da

tcnica PECVD [61].

Dependendo do tipo de acoplamento do campo eltrico de RF podemos classificar

os sistemas PECVD como: reatores com eletrodos externos e acoplamento indutivo

e reatores com eletrodos internos e acoplamento capacitivo. Porm, outra

classificao dos sistemas PECVD considera a localizao onde se forma o plasma

com relao ao substrato, definindo-se duas categorias: a excitao por plasma

direto (DPECVD), que de fato o PECVD propriamente dito e a excitao por

plasma remoto (RPECVD). A diferena entre estas duas tcnicas se deve ao fato de

que para RPECVD pode-se selecionar o gs reagente que ser excitado pelo

plasma, ou seja, nem todos os gases que intervm no processo de deposio

precisam ser excitados.

Sistema PECVD do Laboratrio de Microeletrnica (LME)

Para este trabalho foi utilizado um sistema PECVD com acoplamento capacitivo.

Tem-se uma configurao do tipo triodo com as duas grades, nas quais se aplica a

excitao de RF (13.56 MHz), e o portasubstrato, que considerado como o

terceiro eletrodo, que pode ser polarizado tanto positiva como negativamente em

relao ao eletrodo ativo da excitao de RF. Uma fotografia ptica deste sistema

mostrada na Figura 3.1.

Figura 3.1 Configurao triodo do sistema PECVD utilizado.

Porta-substrato

Grade 1 (Terra)

Grade 2 (Eletrodo ativo)

34

Com esta configurao, pode-se decompor os gases reativos pela excitao do

plasma em uma regio afastada do portasubstrato, a fim de se diminuir o

bombardeamento inico no filme que est sendo depositado. Outro motivo pelo qual

se tem o portasubstrato em uma posio invertida para se evitar a possvel

acumulao de particulados slidos na superfcie da amostra que est sendo

processada. Estes particulados podem ser provenientes do desprendimento de

filmes residuais depositados nas paredes da cmara de deposio ou da prpria

estrutura da montagem interna da cmara. Na Figura 3.2 mostrado um diagrama

esquemtico do sistema PECVD utilizado pelo GNMD do Laboratrio de

Microeletrnica.

Figura 3.2 Diagrama esquemtico do sistema de PECVD utilizado no LME.

A cmara de deposio tem uma geometria cbica e feita de ao inoxidvel. O

fluxo dos gases que so introduzidos nesta cmara controlado por um

multicontrolador digital (MKS modelo 647B), que permite o controle de at oito linhas

de gases e determina a abertura do MFC (Mass Flow Controller) com um sinal

eltrico. O sistema de aquecimento do tipo resistivo, podendo chegar at uma

temperatura de 400 C monitorada com um termopar do tipo K.

V A

MFC

Cmera dedeposio

RF

Aquecimento

Controlador de gases

Sistema Pre-Vacuo

Sistema Alto Vacuo

(+)

35

A cmara de deposio colocada em alto vcuo antes da deposio dos filmes

com a finalidade de garantir uma deposio livre de contaminantes prejudiciais s

caractersticas dos filmes depositados. Este sistema composto por uma bomba

difusora (Edwards modelo 160 Stak Str Man) assistida por uma bomba mecnica

rotativa de paletas de duplo estgio (Varian modelo SD-300), o que permite obter

presses prximas a 10-6 Torr na cmara de processo. A presso em alto vcuo

monitorada com um medidor de ionizao do tipo catodo frio (Edwards modelo AIM-

S).

Por outro lado, o sistema de vcuo usado durante a deposio possui uma bomba

mecnica rotativa (Leybold-Heraeus modelo Trivac) em srie com uma bomba de

deslocamento tipo Booster (Leybold-Heraeus modelo Ruvac). A presso de

processo pode ser controlada com uma vlvula tipo borboleta de acionamento

eltrico (Throttle Valve) e monitorada com um medidor do tipo Baratron, capaz de

medir valores da ordem de 10-3 Torr.

A excitao subministrada com uma fonte de radiofreqncia (Advanced Energy

modelo RFX600A) que opera a 13.56 MHz atravs de um acoplador de impedncias

(Advanced Energy modelo ATX600). Uma vez gerado, o sinal de RF reage com a

mistura gasosa para formar o plasma, atravs das duas grades que conformam o

acoplamento capacitivo.

Deposio por Pulverizao Catdica (Sputtering)

O sistema de pulverizao catdica a principal alternativa para a evaporao de

filmes finos de metais na fabricao microeletrnica j que tem melhor cobertura de

superfcies que contm degraus, produz danos por radiao muito menores que a

evaporao por feixe de eltrons (Electron Beam Evaporation) e muito melhor ao

produzir filmes de materiais compostos e ligas [62,63].

Um sistema de pulverizao catdica simples constitudo por um reator de plasma

de placas paralelas dentro do qual se produz vcuo. Para a gerao da pulverizao

catdica, a cmara de processo deve ter uma geometria tal que os materiais de alvo

36

devem estar localizados no eletrodo onde se concentra a mxima densidade de ons

do plasma [62,63]. A pulverizao catdica originada principalmente pelo intercmbio

de momento entre os ons e o material a ser depositado, devido s colises. J que

a primeira coliso empurra os tomos para dentro do material, as colises

posteriores entre os tomos tm como resultado a expulso de alguns dos tomos

prximos superfcie para fora do material.

Uma vantagem importante da pulverizao catdica que os filmes depositados tm

a mesma concentrao que o alvo, o que pode parecer contraditrio j que o

rendimento de pulverizao (Sputter yield)4 depende do peso atmico das espcies

envolvidas. Porm, apesar dos componentes do alvo se pulverizarem em

velocidades diferentes, por se tratar de um fenmeno superficial, a vaporizao de

uma espcie de forma preferencial enriquece a superfcie com os tomos das

espcies restantes, o que compensa de forma efetiva a diferena entre as

velocidades de pulverizao, tendo assim os filmes depositados a mesma

concentrao, ou muito prxima, da concentrao do alvo [62,63].

O processo de pulverizao quase no tem restries quanto aos materiais de alvo,

podendo ir desde metais puros, at semicondutores e isolantes. A deposio requer

condies de vcuo da ordem de 10-6 Torr e um fluxo controlado de gs no interior

da cmara. A deposio pode ser realizada com plasma de um gs no reativo (um

gs inerte) ou de gs reativo (gs inerte e gs reativo) com um ou mltiplos alvos.

Neste ltimo caso o filme depositado um produto da reao do gs com os tomos

desprendidos do alvo (Sputtering Reativo) [63]. Na Figura 3.3 apresenta-se um

diagrama do sistema de deposio por pulverizao catdica usado no

desenvolvimento deste trabalho.

4 Nmero de tomos expulsos por on incidente.

37

Figura 3.3 Diagrama esquemtico do sistema de Sputtering utilizado.

O sistema de Sputtering existente no LME, em particular, composto de duas

cmaras, uma para carregar amostras (Load Lock), e outra propriamente para o

processo de deposio. A cmara Load Lock, tem um sistema de pr-vcuo

suficiente para que, depois de carregar as amostras, tem-se um fechamento

hermtico e um ambiente livre de impurezas. Este sistema de pr-vcuo

constitudo por uma bomba turbomolecular em srie com uma bomba mecnica.

Com este sistema, os valores de vcuo obtidos esto em torno de 10-5 Torr onde

poderia se conseguir valores menores deixando o sistema ligado por mais tempo,

mas, como o objetivo s carregar as amostras, este valor suficiente. O sistema

de alto vcuo para o processo de deposio constitudo por uma bomba

turbomolecular (modelo STP-1003C), em srie com uma bomba mecnica (modelo

E2M80). Com este sistema podem-se conseguir valores de vcuo da ordem de 10-7

Torr.

Assim como utilizado na tcnica de PECVD, a excitao para a formao do plasma

fornecida por uma fonte de radiofreqncia (Advanced Energy modelo RFX600A)

que opera a 13.56 MHz, junto com um acoplador de impedncias (Advanced Energy

modelo ATX600). O fluxo dos gases que entram na cmara controlado por um

microcontrolador digital que permite o controle de at quatro linhas de gases e a

abertura dos MFC. As leituras de vcuo so feitas com diferentes medidores

Cmera dedeposio

(+)

40

Sistema Pre-Vacuo

Sistema Alto Vacuo

MFC

Controlador de gases

RF

Cmera Load Lock

38

localizados em pontos estratgicos do sistema, e monitoradas com um controlador

do tipo ACG. J no interior da cmara de processo, o eletrodo ativo est na parte

inferior do Torus de RF, enquanto que o eletrodo de terra est na parte superior. O

alvo do material a depositar est em contato direto com o eletrodo ativo. entre este

alvo e o eletrodo de terra que se forma o plasma.

Por outro lado, importante mencionar que alm dos equipamentos aqui descritos,

conta-se com uma sala limpa com diversos equipamentos que so essenciais no

desenvolvimento do trabalho tais como um perfilmetro (Alpha Step 500) para se

determinar as espessuras dos filmes dieltricos e metlicos depositados e

equipamentos para se fazer todos os processos de alinhamento e fotolitografia

necessrios durante o processo.

3.1.2. Caracterizao dos filmes usados.

A caracterizao dos materiais utilizados para a fabricao dos dispositivos pticos

de grande importncia e muito relevante para o desenvolvimento deste trabalho.

Nesta seo, apresentam-se duas das tcnicas de caracterizao utilizadas mais

freqentemente: Elipsometria, para se determinar o ndice de refrao e a espessura

de filmes e a medida do raio de curvatura tanto do substrato como dos filmes para se

calcular o stress residual. Estas tcnicas so importantes para se correlacionar as

condies de deposio com as propriedades mecnicas, fsicas e pticas dos

filmes. Apesar do controle existente nos diferentes parmetros de deposio

(temperatura, fluxo de gases, presso), tm-se observado algumas diferenas nas

condies de deposio, refletindo-se em mudanas de algumas das propriedades

fsicas e qumicas dos filmes (espessura, ndice de refrao).

39

Elipsometria

A elipsometria espectroscpica uma tcnica de anlise ptica baseada na

mudana do estado de polarizao da luz que incide sobre um material, conforme

mostrado na Figura 3.4. Esta anlise no destrutiva sendo til na determinao

das espessuras de filmes finos e constantes pticas de materiais, tal como o ndice

de refrao [70].

Figura 3.4 Esquema indicando os feixes incidente, refletido e transmitido num sistema

composto de um filme e um substrato.

O mtodo consiste em avaliar as mudanas no estado de polarizao da luz

causada pela sua reflexo numa superfcie. Com esta tcnica assume-se que a luz

incidente tenha uma polarizao plana que possa ser resolvida em duas

componentes, uma paralela ao plano de incidncia e a outra perpendicular a este

plano. O plano de incidncia definido pelos feixes incidente e refletido. O estado de

polarizao determinado pela amplitude relativa das ondas refletidas das

componentes paralela (p) e perpendicular (s) ao plano de incidncia, bem como

pela diferena de fase entre as duas ondas (p - s) [1].

Considerando o caso de um substrato coberto por um nico filme transparente: a

relao entre as duas amplitudes relativas (p/s) e a diferena de fase (p - s),

sofrem mudanas durante a reflexo devido ao ndice de refrao do substrato (n3),

ngulo de incidncia (1), ndice de refrao do filme (n2) e espessura do filme (d).

Se o ndice de refrao do substrato conhecido e se o filme for no absorvente

(coeficiente de extino, k2=0), ento, os nicos parmetros desconhecidos sero o

ndice de refrao (n2) e a espessura do filme transparente (d). Assim, conhecendo o

estado de polarizao da luz incidente e refletida, podem ser determinados o ndice

1

2

3

n1

n2

n3

d

Filme

Substrato

40

de refrao e a espessura do filme transparente [1]. Apesar da teoria bsica da

elipsometria ter sido desenvolvida por Drude [1], ela no ser detalhada neste

trabalho sendo apresentados aqui unicamente os resultados das anlises. Na Figura

3.5, mostra-se o comportamento destes ndices de refrao em funo da

composio dos filmes depositados.

Figura 3.5 Grfico dos ndices de refrao medidos em funo dos fluxos dos gases.

Do grfico da Figura 3.4 observa-se que o maior ndice de refrao para o Si3N4 e

o menor para o SiO2. Para as composies intermediarias de SiOxNy, o

comportamento do ndice de refrao decrescente.

Na Tabela 2 so mostrados os valores experimentais medidos de ndices de

refrao, segundo a composio dos filmes e a mistura de gases usada durante a

deposio. Cabe destacar que em todos esses filmes, a potencia, presso e

temperatura de processo foram mantidos em 200 W, 33 mTorr e 320 C,

respectivamente.

0 15 30 45 60 751.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.075 60 45 30 15 0

Fluxo de N2

[sccm]

ndi

ce d

e re

fra

o

Fluxo de N2O [sccm]

41

Tabela 2 Valores de ndices de refrao dos filmes estudados.

Fluxo de N2O N2 [sccm]

Material depositado

ndice de refrao

0 75 Si3N4 1.91 15 60 SiOxNy 1.65 30 45 SiOxNy 1.56 45 30 SiOxNy 1.51 60 15 SiOxNy 1.47 75 0 SiO2 1.46

Caracterizao do Stress residual dos filmes.

Esta caracterizao feita com o objetivo de se calcular o stress residual (ou tenso

mecnica) atravs da utilizao da medida por mtodos pticos da variao da

curvatura do substrato de silcio e dos filmes depositados. Esta caracterizao

importante, pois a espessura total das estruturas pode chegar a vrios micrmetros

o que pode provocar envergaduras ou, em um caso extremo, o trincamento dos

filmes constituintes do dispositivo. A Figura 3.6 mostra um esquema desta

caracterizao.

42

Figura 3.6 Determinao por mtodo ptico do stress residual em filmes depositados por

PECVD.

Neste arranjo utiliza-se um laser de HeNe com comprimento de onda de 632.8 nm

e espelhos que mudam a trajetria do feixe em direo amostra. O feixe refletido

redirecionado atravs de um conjunto de espelhos que aumentam o percurso total

do feixe com o objetivo de aumentar a resoluo da medida. As leituras dos valores

so feitas deslocando-se a amostra de uma distncia determinada (x) ao longo da

direo perpendicular ao feixe incidente e medindo-se em um anteparo o

deslocamento (y) produzido no feixe refletido. O raio de curvatura pode ser

determinado por:

yxLR La

= 2 (1)

onde LL a distncia percorrida pelo feixe aps a reflexo na superfcie da amostra.

Uma vez estabelecida a curvatura antes e depois da deposio do filme, o stress

residual total pode ser calculado usando-se [64]:

Espelho

Espelho

Espelho

Substrato

Tela

Laser

x

y

43

=

SSf

S

RRdD

vE 11.

)1(6

2

(2)

onde o stress residual, ES o Mdulo de Young do substrato de silcio, a

Relao de Poisson do substrato de silcio, D a espessura do substrato de silcio, d

a espessura do filme, RS e RSf so os raios de curvatura do substrato de silcio

antes e depois da deposio do filme respectivamente.

O stress residual pode ser compressivo ou tensivo. No primeiro caso, o filme tende a

se expandir, provocando uma deformao convexa. Quando tensivo, o filme tende a

se contrair, produzindo-se uma deformao cncava. O stress residual total , por

conveno, de valor negativo para amostras convexas e de valor positivo para

amostras cncavas. A Tabela 3 mostra os valores experimentais medidos de stress

residual, segundo a composio dos filmes e a mistura de gases usada durante a

deposio.

Tabela 3 Valores de stress residual dos filmes usados.

Fluxo de N2O N2 [sccm] Material

Stress [MPa]

0 75 Si3N4 129 15 60 SiOxNy 36 30 45 SiOxNy -1 45 30 SiOxNy -153 60 15 SiOxNy -201 75 0 SiO2 -309

Na Figura 3.7, mostra-se o comportamento do stress residual em funo da

composio dos filmes depositados.

44

Figura 3.7 Grfico do Stress residual medido em funo dos fluxos dos gases.

Pode observar-se que para o filme de SiOxNy, com os parmetros de deposio de

30 sccm de N2O e 45 sccm de N2, tem-se o menor valor de stress, muito prximo a

zero. Neste trabalho foram utilizados filmes com estas condies de deposio com

o objetivo de evitar trincamento durante a fabricao dos dispositivos.

3.2. Micro Lmpada Incandescente.

Nesta seo apresentada a estrutura de uma micro-lmpada baseada em um

filamento incandescente. Para a fabricao desta estrutura um filamento de cromo

colocado entre dois filmes de SiOxNy que o deixam isolado da atmosfera [58]. O

processo de fabricao mostrado na Figura 3.8 e tem as seguintes etapas de

processo:

0 15 30 45 60 75-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

15075 60 45 30 15 0

Fluxo de N2 [sccm]

Stre

ss [M

Pa]

Fluxo de N2O [sccm]

SiO2

Si3N4

45

a) Parte-se de um substrato de silcio cristalino,

b) feita a deposio da primeira camada PECVD de SiOxNy com uma

espessura de 500 nm. O SiOxNy utilizado aqui o que apresenta a menor

tenso mecnica das diferentes composies estudadas,

c) Em seguida, deposita-se uma camada de cromo de 400 nm pela tcnica de

sputtering,

d) definida a geometria dos filamentos e dos contatos eltricos por

fotolitografa e corroso da camada de cromo,

e) Deposita-se a segunda camada de SiOxNy de 500 nm com o objetivo de isolar

o filamento do meio ambiente, evitando-se assim a oxidao do cromo e a

ruptura prematura do filamento quando incandesce,

f) So feitas duas etapas de fotogravao e corroso nas camadas de SiOxNy

depositadas. A primeira para definir as reas onde so expostos os contatos

eltricos do filamento (pads) e a segunda para expor as regies no substrato

de silcio onde sero formadas as cavidades. Neste ponto usa-se a soluo

Buffered Oxide Etch (BOE - NH4F 40% + HF 49%) para se fazer a corroso

do SiOxNy,

g) As regies do substrato de silcio que foram expostas so corrodas em uma

soluo de KOH (28%) criando-se uma cavidade e formando-se assim uma

estrutura suspensa.

46

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g)

Figura 3.8 Processo de fabricao da micro-lmpada incandescente.

47

Um desenho esquemtico detalhado da micro-lmpada mostrado na Figura 3.9.

Nesta imagem pode-se observar o filamento suspenso e a cavidade no substrato de

silcio.

Figura 3.9 Detalhe do filamento da micro-lmpada.

O filamento de cromo foi projetado com uma rea de 20x20 m, que so as

dimenses mnimas com as quais ainda consegue-se obter uma boa resoluo com

o equipamento de fotolitografa utilizado.

Para a fabricao das micro-lmpadas, foi projetado um conjunto de trs mscaras.

Uma seo de cada uma destas mscaras mostrada na Figura 3.10, as quais

foram utilizadas nas etapas (d) e (f) do processo de fabricao descrito acima.

100

m

20 m

20 m

190

m

100 m

190 m

48

(a) (b) (c)

Figura 3.10 Mscaras utilizadas na fabricao da micro-lmpada, a) definio de filamentos

de pads, b) definio de cavidades no silcio e c) abertura dos contatos eltricos.

A Figura 3.10a mostra uma seo da mscara de campo claro que serve para definir

os filamentos. So mostrados dois conjuntos conformados por 5 micro-lmpadas

cada um e que possuem um contato eltrico comum, que serve para otimizar a

caracterizao eltrica e aumentar a densidade de dispositivos em uma rea

determinada. Na Figura 3.10b mostrada a correspondente seo da mscara de

campo escuro que serve para definir as cavidades por onde ser corrodo o

substrato de silcio para deixar suspenso o filamento. Finalmente, a Figura 3.10c

mostra a seo da mscara de campo escuro que define os contatos eltricos onde

ser aplicada a tenso eltrica. Os detalhes das mscaras que definem a micro-

lmpada so mostrados na Figura 3.11.

Figura 3.11 Detalhe das mscaras utilizadas na fabricao da micro-lmpada.

Observa-se que para formar a cavidade no silcio, usa-se uma abertura triangular e,

como a hipotenusa deste tringulo est em 45 em relao ao plano (110), a

corroso isotrpica do silcio em KOH origina a formao de uma cavidade

quadrada.

49

Na Figura 3.12 so mostradas duas fotografias pticas das micro-lmpadas

fabricadas. Pode-se observar em 3.11a o filamento de cromo e em 3.11b a cavidade

formada no substrato de silcio que deixa o filamento suspenso.

(a) (b)

Figura 3.12 Fotografias pticas das micro-lmpadas, a) filamento incandescente e b)

cavidade no silcio.

Na Figura 3.13 observa-se a distribuio de dois conjuntos, com 5 micro-lmpadas

cada um, em uma seo da lmina de silcio. Na lmina de silcio foram fabricados

14 conjuntos com 5 micro-lmpadas cada um.

50

Figura 3.13 Distribuio de um conjunto de micro-lmpadas numa seo da lmina de silcio.

As caracterizaes eltricas mostraram que as trilhas de cromo ficaram totalmente

contnuas havendo contato eltrico com todas as micro-lmpadas incandescentes.

3.3. Filtro Interferencial Multicamadas.

Aqui apresentada a estrutura de um filtro interferencial multicamadas construdo

sobre um substrato de vidro. O procedimento de fabricao desta estrutura

mostrado na Figura 3.14 e tem duas etapas.

a) Parte-se de um substrato de vidro tipo Corning do tipo 7059, previamente

limpo com um detergente neutro Extran (pH 7.5),

51

b) Deposita-se sobre o substrato de vidro, pela tcnica de PECVD, as camadas

de Si3N4 e SiO2 alternadas que conformam a estrutura do filtro interferencial

multicamadas.

(a) (b)

Figura 3.14 Etapas de fabricao do filtro interferencial multicamadas.

Para a fabricao da estrutura do filtro, as camadas so depositadas de forma

alternada para ter o mesmo efeito de um refletor Bragg. As espessuras das camadas

foram previamente simuladas para produzir picos de atenuao na regio do visvel

do espectro eletromagntico (tipicamente entre 400 e 700 nm) com um programa

desenvolvido neste trabalho e que se encontra detalhado no Anexo 1. Com este

programa possvel determinar o comportamento do filtro assim como as

caractersticas que ele dever ter (ndice de refrao, espessuras e nmero de

camadas), para filtrar uma determinada regio do espectro visvel.

3.4. Dispositivo.

O dispositivo estudado neste trabalho, mostrado na Figura 3.15, fabricado atravs

da utilizao das estruturas descritas anteriormente: uma micro-lmpada

incandescente e um filtro interferencial depositado sobre vidro. Na imagem observa-

se a representao reduzida de uma micro-lmpada, do conjunto de 5, com os

respectivos contato eltrico.

52

Figura 3.15 Micro-lmpada com filtro depositado sobre vidro.

A combinao destas duas estruturas tem como resultado um dispositivo com

caractersticas prprias. Para se conseguir uma rpida unio destas estruturas, foi

usada uma graxa a base de silicone nas laterais das lminas, j que em primeira

instncia no necessrio que as duas lminas fiquem unidas hermeticamente.

Para isto, precisa-se que a geometria das mscaras seja projetada de tal forma que

as micro-lmpadas coincidam o melhor possvel dentro da rea do filtro. Uma vez

alinhadas, as lminas so unidas pelas laterais.

Tambm, o fato do vidro usado como substrato ser transparente, permite que todos

os comprimentos de onda gerados pela micro-lmpada cheguem ao filtro idealmente

sem perdas e, assim, pode-se filtrar uma faixa destes comprimentos de onda na

sada do filtro. Os contatos eltricos (pads) das micro-lmpadas so localizados nas

bordas da lmina para facilitar o acesso a eles durante a caracterizao eltrica.

Contatos eltricos Filtro

Filamento incandescente

53

4 SIMULAO E CARACTERIZAO DOS DISPOSITIVOS FABRICADOS

Neste captulo so analisados os resultados das simulaes numricas e das

caracterizaes dos dois dispositivos fabricados (micro-lmpadas incandescentes e

filtros interferenciais). Para cada um dos dispositivos apresentada uma

comparao entre os resultados simulados e medidos. Tambm, no final deste

captulo, so apresentados os resultados da caracterizao feita quando os dois

dispositivos esto integrados.

As simulaes numricas foram feitas utilizando o software comercial Mathcad.

Foram feitos dois programas, descritos nos Anexos 1 e 2, com os quais foi possvel

reproduzir o comportamento dos dispositivos estudados. Igualmente, a infraestrutura

usada, bem como a montagem implementada para a caracterizao de cada

dispositivo detalhada neste capitulo, nas sees correspondentes a cada

dispositivo.

4.1. Resultados para Micro Lmpadas.

4.1.1. Simulao da emisso em micro-lmpadas.

Considerando-se que a micro-lmpada funciona sob o princpio de um filamento

incandescente de cromo, as simulaes so feitas baseando-se na teoria de

radiao trmica de um corpo negro [65]. Um corpo negro um objeto terico ou ideal

que absorve toda a luz e toda a energia radiante que incide nele. Nada da radiao

incidente refletida ou passa atravs do corpo negro. Apesar do seu nome, o corpo

negro emite luz e constitui um modelo fsico ideal para o estudo da emisso de

radiao eletromagntica de qualquer outro corpo.

54

Todos os corpos emitem energia em forma de ondas eletromagnticas, sendo esta

radiao tanto mais intensa quanto mais elevada for a temperatura do emissor. A

energia radiante emitida por um corpo temperatura ambiente escassa e

corresponde a comprimentos de onda superiores a aqueles da luz visvel. Ao se

elevar a temperatura no s se aumenta a energia emitida como tambm ocorre a

comprimentos de onda mais curtos. Por esse motivo possvel observar a mudana

de cor de um corpo quando ele aquecido. Os corpos no emitem com igual

intensidade em todas as freqncias e comprimentos de onda, uma vez que seguem

a Lei de Planck [65,66],

1

12),( 23

=

kTh

echTI (3)

onde, h a constante de Planck, a freqncia da luz, c a velocidade da luz, k

a constante de Boltzmann e T a temperatura. Derivando a eq.(3) obtm-se o Poder

Emissivo Espectral (ou irradincia espectral), que a quantidade de energia radiante

emitida por unidade de superfcie e tempo entre um intervalo de freqncias [65,66].

Assim, o Poder Emissivo Espectral em funo do comprimento de onda dado por,

1

12),( 52

=

kThc

e

hcTE

(4)

Para temperaturas iguais, a energia emitida pelo corpo depende da natureza da

superfcie desse corpo; desta forma, uma superfcie fosca ou negra tem um poder

emissivo maior que uma superfcie brilhante.

Mas os objetos reais nunca se comportam como corpos negros ideais. Em vez disso,

a radiao emitida a uma dada freqncia s uma frao da emisso ideal. A

emissividade de um material especifica qual a frao de radiao de corpo negro

ideal capaz de ser emitido pelo corpo real. A emissividade depende do comprimento

de onda da radiao, ngulo de emisso assim como da temperatura e acabamento

da superfcie [65,66]. Em alguns casos conveniente supor que existe um valor de

emissividade constante para todos os comprimentos de onda, sempre menor que 1

(que a emissividade de um corpo negro). Esta aproximao denomina-se

aproximao do corpo cinza. Na literatura foram encontrados diferentes valores de

55

emissividade para o cromo, sendo considerado o valor de =0.1 para as simulaes deste trabalho [67,68,69]. Assim, o clculo do poder emissivo espectral fica [65,66],

1

12),( 52

=

kThc

e

hcTE

(5)

4.1.2. Caracterizao das micro-lmpadas.

A caracterizao das micro-lmpadas foi realizada utilizando-se um Espectrmetro

de Fibra ptica de alta resoluo (Ocean Optics HR2000) que opera em um

intervalo de comprimentos de onda de 200 a 1100 nm. Este equipamento consiste

de um espectrmetro acoplado com uma fibra ptica que permite a deteco de luz

in situ. O equipamento integra uma bancada ptica de alta resoluo, um conversor

analgico/digital de 12 bits, componentes eletrnicos programveis, um detector

CCD de silcio e uma porta USB de alta velocidade, sendo que o equipamento tem

uma resoluo de 0.035 nm. O conversor analgico/digital permite capturar e

transferir um espectro completo a uma memria a cada milisegundo, quando se

conecta o espectrmetro a um computador via a porta USB.

As amostras so montadas sobre uma base com micro-posicionadores, permitindo

uma movimentao nos trs eixos cartesianos. A fibra ptica posicionada acima da

micro-lmpada, no intuito de coletar a luz emitida pelas micro-lmpadas, sendo o

arranjo montado tal como mostrado na Figura 4.1. Como o filamento muito menor

que o detector, ele pode ser considerado como uma fonte pontual de radiao.

56

Figura 4.1 Arranjo para caracterizao das micro-lmpadas.

Uma tenso eltrica aplicada nos contatos da micro-lmpada utilizando-se um

conjunto de micro-pontas conectadas a uma fonte programvel (Agilent E3649A),

que tambm mede a corrente eltrica que circula pelo filamento. A tenso aplicada

vai desde zero volt, sendo incrementada em pequenos valores (da ordem de mV)