Estrutura de microlâmpadas energizadas em escala micrométrica - Cassimiro, Vinicius Roberto de Sylos (2020)
Essa tese apresenta um estudo sobre as características estruturais de filmes finos, aplicados como camada de proteção à oxidação em microlâmpadas, assim como as modificações químicas e estruturais induzidas pelo aquecimento decorrente da sua operação. As microlâmpadas estudadas foram produzidas no Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD) da POLI-USP, e têm aplicações em microdispositivos. Sua fabricação consiste na deposição de filmes por Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) e sputtering, sobre substratos de silício. A camada de proteção analisada trata-se de um filme aplicado sobre um pequeno filamento de Cr. Quatro diferentes materiais foram utilizados como camada de proteção: a-SiC, a-SiOxNy, AlN e TiO2 A intensidade e duração da corrente elétrica aplicada ao dispositivo foram variadas (até 50mA e por 10s até 1,0h). A linha de luz LUCIA, do síncrotron SOLEIL (França), utilizada nesse trabalho, possui feixe microfoco (3 x 3 m2), o que permitiu avaliar, por espectroscopia de absorção de raios X (XANES), a microrregião termicamente afetada, exatamente sobre o filamento. Os resultados demonstraram que os filmes de a-SiOxNy e TiO2 (rutilo) são os mais indicados para a aplicação, pois, além de termicamente estáveis, permitem menor dissipação de calor. As camadas de proteção de AlN e a-SiC mostraram alterações estruturais em decorrência do aumento da temperatura com a operação do dispositivo. Para auxiliar no estudo desses materiais, amostras adicionais de filmes finos, crescidos sobre substratos extensos convencionais, foram produzidas e estudadas pelas técnicas: espectroscopia de absorção de raios X (região XANES e EXAFS), fluorescência de raios X com incidência rasante (GIXRF) e espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS). Uma pequena oxidação nos filmes de AlN das microlâmpadas foi observada com o aumento da temperatura e o material apresentou o início de um processo de cristalização em correntes maiores. As camadas de proteção de a-SiC demonstraram oxidação intensa e crescente com o aumento da duração e intensidade da corrente elétrica aplicada à microlâmpada. Adicionalmente, observou-se que o a-SiC apresentou diferenças estruturais na microrregião sobre o filamento, em comparação com um filme de referência, depositado sobre Si. Os resultados obtidos com os filmes finos adicionais indicaram a difusão de Cr e O no a-SiC. Espectros XANES teóricos de estruturas de a-SiC, elaboradas por dinâmica molecular, foram calculados com o software Finite Difference Method Near Edge Structure (FDMNES) com o objetivo de estudar as modificações induzidas pela presença do Cr e O no material. Concluiu-se que a forma construtiva das microlâmpadas resultou em um carbeto de silício, depositado por PECVD, fora das condições ideais, possivelmente devido à presença de uma cavidade abaixo do filamento, que reduziu a temperatura do substrato no momento da deposição. Tais condições, provavelmente, favoreceram a difusão de Cr e O na matriz do carbeto de silício, causando as modificações estruturais observadas.