Laboratório de Implantação Iônica

Laboratório de Implantação Iônica

Líderes: Pedro Luis Grande

Johnny Ferraz Dias

Grupo: Implantação Iônica

Ano de Criação: 1980

Página: www.implantador.if.ufrgs.br

 

Resumo

Em linhas gerais, o principal objetivo do laboratório é utilizar as técnicas PIXE, RBS, NRA, MEIS e MeV-SIMS na caracterização de diversos materiais. Também será utilizada a técnica de Micro-feixe que agrega diferentes técnicas com feixes micrométricos.

Tanto a técnica PIXE (Particle-Induced X-ray Emission) quanto as técnicas RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) e MEIS (Medium Energy Ion Scattering) permitem obter a composição elementar, e suas respectivas concentrações, dos materiais em estudo. Com a nova técnica de micro-PIXE, é possível, também, obter-se informações morfológicas dos materiais em estudo através de técnicas como micro-PIXE, micro-RBS, STIM (Scanning Transmission Ion Microscopy) e micro-NRA (Nuclear Reaction Analysis).

Basicamente, todas essas técnicas utilizam um feixe de íons que, ao penetrar no material em questão, pode induzir a produção de um raio-X característico (PIXE) por um determinado elemento e/ou pode ser retro-espalhado por esse mesmo elemento (RBS). Enquanto que o RBS é adequado para estudos de elementos leves como o carbono, oxigênio e nitrogênio, a técnica PIXE é amplamente utilizada para estudos de elementos mais pesados, a partir do sódio (incluindo metais pesados). Em particular, a técnica PIXE possui uma sensibilidade que chega à ordem de partes por milhão (ppm). Ambas as técnicas permitem analisar qualquer tipo de material na forma sólida. Finalmente, com a técnica de Micro-PIXE podemos obter mapas elementares, localizando com precisão micrométrica os diversos elementos constituintes da amostra.

Linhas de Pesquisa

  • 1. Interação de íons com a matéria:

- estudo da excitação de plasmons com feixes moleculares;

- estudos de explosão Coulombiana de moleculas e perfilometria absoluta;

- determinação de poderes de freamento em de diversos íons em alvos semi-leves;

- estudo da dispersão de energia (straggling) de diferente tipo de íons em filmes de HfO2, ZrO2 e Al2O3.

  • 2. Física de dispositivos semicondutores:

- processos tecnológicos;

- defeitos em semicondutores criados durante o processamento;

- síntese de novos materiais eletrônicos;

- medidas elétricas em micro e nano-estruturas.

  • 3. Fotoluminescência emitida por nanocristais de Si e Ge formados por implantação iônica e recozimento a alta temperatura em matrizes de SiO2 e Si3N4.

  • 4. Estudo dos processos de formação e da estrutura de nanocristais de íons (Sn, Pb, Ge) implantados em SiO2/Si e SiO2/SiN/Si.

Filmes de SiO2 crescidos sobre Si e sobre SiN/Si, são implantados com íons de Sn, Ge e Pb e submetidos à tratamento térmico para formar nanoestruturas no interior do SiO2 e nas interfaces. A caracterização microestrutural é feita com as técnicas de RBS, TEM e HRTEM. Usando tratamentos térmicos a diferentes T e diferentes atmosferas, é possível “fabricar” nanoilhas de diversos tamanhos e localizações. Resultados interessantes recentemente obtidos mostram que é possível obter nanocristais de Si unicamente nas interfaces SiO2/Si e SiO2/SiN. Estes resultados tem potencial aplicação na moderna tecnologia de informação (filtros óticos, memórias “flash”, etc).

  • 5. Investigação de filmes dielétricos nanoscópicos para utilização como dielétrico de porta em dispositivos semicondutores avançados.

-Processamento térmico. Estudo de transporte atômico. Passivação com hidrogênio e deutério. Estruturas MOS. Métodos de perfilometria com resolução sub-nanométrica por espalhamento de íons de energias intermediárias e por reações nucleares estreitas em baixas energias. Quantificação e perfilometria do hidrogênio por reação nuclear e dissolução química passo a passo.

- Filmes dielétricos crescidos termicamente sobre carbeto de silício. Investigar os mecanismos de crescimento através da mobilidade das espécies O, N, H, C e Si em filmes dielétricos durante o tratamento térmico de c-SiC em atmosferas oxidantes, nitretantes e/ou passivantes utilizando traçagem isotópica e análise com resolução subnanométrica por feixes de íons (NRA, NRP, RBS, LEIS, SIMS). Caracterizar a interface formada pelo filme dielétrico e o substrato de SiC por XPS e AFM. Modelar esses processos.

- Filmes dielétricos alternativos depositados sobre carbeto de silício. Investigar a estabilidade térmica através da mobilidade das espécies: metal, O, H, C e Si em filmes dielétricos alternativos ao SiO2 depositados sobre lâminas de carbeto de silício monocristalino durante o tratamento térmico em atmosferas oxidantes (O2), inertes (Ar, vácuo) e/ou passivantes (NO, H2) utilizando traçagem isotópica e análise com alta resolução por feixes de íons (principalmente reações nucleares). Caracterizar a interface formada por XPS, SIMS e AFM.

  • 6. Caracterização Físico-Química de Nanoestruturas de Materiais Semicondutores. O principal objetivo desse projeto é uma descrição físico-química detalhada de nanocristais semicondutores. Em tal descrição, serão abordados aspectos relacionados à alteração de sua superfície por tratamentos de passivação e funcionalização, além de sua exposição a ambientes oxidantes.

  • 7. Determinação da composição elementar de alimentos e estudo de mecanismos de transporte iônico em proteínas e células utilizando a técnica de PIXE (Particle-Induced X-ray Emission).

  • 8. Efeitos da irradiação iônica nas propriedades estruturais de filmes de carbono amorfo hidrogenado

Íons de diferentes átomos e energias são usados para estudar os efeitos da irradiação em filmes de a-C:H bem como em filmes com N e F incorporados durante os processos de deposição. Os estudos são realizados com as técnicas de RBS, reação nuclear, Raman, AFM, nanoindentação e FTIR. Os resultados obtidos mostram que a irradiação modifica a estrutura, a dureza e o módulo de Young dos filmes. Talvez, o resultado mais importante obtido recentemente é o efeito da irradiação sobre a tensão interna, que para doses mais elevadas de íons (N+ e Xe+) é nula. Face a diminuição significativa da tensão interna, atualmente estamos investigando propriedades de adesão e delaminação dos filmes irradiados.

  • 9. Análise de composição química e distribuição em profundidade dos diversos elementos componentes de nanolaminados de compostos metálicos e multicamadas nanoscópicos.

Métodos de perfilometria com resolução sub-nanométrica por espalhamento de íons de energias intermediárias e por reações nucleares estreitas em baixas energias. Quantificação e perfilometria do hidrogênio por reação nuclear e dissolução química passo a passo.

  • 10. Implantação iônica de sistemas metálicos, poliméricos e cerâmicos por imersão em plasma.

Caracterização mecânica, eletroquímica e tribológica dos sistemas implantados.

  • 11. Revestimentos protetores nanoestruturados.

Preparação e caracterização física e mecânica de multicamadas nanoestruturadas de óxidos refratários (Al2O3, TiO2, ZrO2) para revestimento de ferramentas de corte destinadas a usinagem a seco. Investigação das relações entre composição, estrutura e propriedades mecânicas.

  • 12. Aplicações da implantação iônica na otimização da estabilidade térmica da microestrutura de contatos e interconexões de Al e Cu em dispositivos microeletrônicos.

Os estudos nesta área enfocam o desenvolvimento de pesquisa sistemática, visando a evolução da microestrutura de filmes finos de Al e Cu simulando interconexões metálicas em dispositivos de microeletrônica. Os efeitos da T e da operação em altas densidades de corrente (MA.cm-2) combinam-se aumentando a taxa de criação de vacâncias, direcionando o fluxo de átomos intersticiais através das colisões elétron de condução átomo da rede cristalina (da interconexão). Este fato cria regiões ricas em vacâncias, que crescem até provocar a ruptura da interconexão (falha por eletromigração). Os efeitos da modificação de nanoestrutura das interconexões produzidas por implantação iônica e/ou por processos de tratamento térmico serão agora estudados medindo a condutividade elétrica destas interconexões (testes de vida média).

  • 13. Nanofios Semicondutores (síntese, modificação, caracterização e aplicações):

- síntese de nanofios verticalmente alinhados de ZnO através do método vapor-líquido-sólido (VLS) em substratos de Al2O3, Si, SiO2, ITO/Si, GaN/Si;

- dopagem de nanofios de ZnO por implantação iônica;

- caracterização de nanofios de ZnO por SEM, HRTEM, AFM, PL, XRD;

- medidas elétricas em nanofios individuais e grupos de fios, dopados e não dopados;

-"field emission" em nanofios de ZnO crescidos em diferentes padrões; - sensoriamento de luz e gás a base de nanofios de ZnO.

  • 14 Formação de padrões metálicos para o crescimento seletivo de nanofios semicondutores utilizando técnicas de litografia:

- litografia óptica;

- nanolitografia por AFM;

- nanolitografia por íons individuais;

- litografia por micro-feixe iônico.