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)