Orientador: Prof. Dr. Michel Oliveira da Silva Dantas / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. / Sensores de vacuo sao amplamente utilizados tanto no ambito industrial como no da pesquisa cientifica, pois possuem aplicacoes em diversas tecnicas de fabricacao e de analise, como a microscopia eletronica de varredura (MEV), a litografia por feixe de eletrons, e a espectrometria de massa, entre outras. Dentre os diversos tipos de sensores de vacuo destacam-se os baseados em efeito de campo (FE - Field Emission Device), que sao dispositivos que emitem eletrons em vacuo na presenca de um elevado campo eletrico. A literatura destaca diversas vantagens destes dispositivos: operacao em temperatura ambiente, reducao de consumo de potencia e tensao de operacao, obtencao de altas densidades de correntes em areas reduzidas, e rapido tempo de resposta. Existem diversas tecnicas de microfabricacao que podem ser utilizadas para obtencao de dispositivos FE, destacando-se a tecnica HI-PS (gHydrogen Implantation . Porous Siliconh), que proporciona baixa complexidade e custo. No entanto, para obtencao de FEs com sistema anodo-catodo integrado, a tecnica HI-PS apresenta algumas limitacoes, como o elevado numero de etapas de processo, a necessidade de elevada temperatura e tempo de oxidacao, e principalmente a isolacao eletrica deficiente entre as estruturas do anodo e do catodo, propiciando a existencia de correntes de fuga pelo gcorpoh do dispositivo. Frente a estes problemas, este trabalho apresenta estrategias estudadas para aprimorar a tecnica HI-PS de microfabricacao de dispositivos de emissao de campo integrados. Visando a reducao do numero de etapas de processo e a eliminacao de defeitos, inicialmente, foi estudada a utilizacao de fotorresiste como mascara a implantacao ionica de hidrogenio. Esta estrategia se mostrou viavel, resultando na formacao seletiva de silicio poroso e na obtencao de micropontas (catodos) com altura em torno de 10 ¿Êm e diametro dos apices em torno de dezenas de nanometro, dimensoes estas atestadas por MEV. Tambem foi pesquisada a utilizacao de fotorresiste como camada dieletrica, que se mostrou inviavel para a aplicacao proposta devido aos valores de correntes de fuga relativamente elevados. Para melhorar a isolacao eletrica entre as estruturas do anodo e do catodo, a estrategia pesquisada foi a utilizacao de oxido de silicio poroso (Ox-PS) como camada dieletrica entre as referidas estruturas. Para obtencao do Ox-PS, foram estudados diferentes parametros de oxidacao, como temperatura, tempo de processo, gradiente de temperatura de oxidacao (pre-oxidacao), e processo de recozimento termico pos-oxidacao em ambiente Forming Gas. Para as caracterizacoes morfologicas do Ox-PS, foram analisados, por meio de microscopia otica, parametros como espessura, estabilidade estrutural, taxa de corrosao e oxidacao total da camada PS, sendo este ultimo realizado atraves da tecnica Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Para a caracterizacao eletrica da corrente de fuga, foram confeccionados dispositivos MOS, caracterizados eletricamente por aparato constituido por um analisador de parametros semicondutores. O Ox-PS obtido com T = 1000 ¿C, t = 1 h, e com recozimento termico pos-oxidacao em ambiente Forming Gas apresentou significativa reducao da corrente de fuga (de 30 nA para 0,125 nA), comprovando, deste modo, sua potencialidade para a aplicacao proposta. Ja na fabricacao do FE integrado, o Ox-PS obtido nestas condicoes apresentou elevada instabilidade estrutural, gerando a necessidade de implementar processos de pre-oxidacao para obtencao da estrutura anodo-catodo integrada. Atraves dos parametros adequados, foi finalmente comprovada a viabilidade da otimizacao da tecnica HI-PS atraves das estrategias estudadas, possibilitando a fabricacao do dispositivo FE integrado contendo micropontas de alturas de aproximadamente 10 micrometros e apices da ordem de dezenas de nanometros circundadas pela estrutura do anodo com distancias de separacao de aproximadamente 20 micrometros. Com a otimizacao dos processos de fabricacao, almeja-se futuramente implementar o dispositivo FE integrado obtido por HI-PS no desenvolvimento de sensores compactos e de baixo custo e complexidade de fabricacao. / Vacuum sensors are widely used in industry and in scientific research, because they can be applied in several fabrication and analysis techniques, such as Scanning Electron Microscopy (SEM), electron beam lithography and mass spectrometry, for example. Among the large number of vacuum sensors, we can highlight the Field Emission Devices (FE), which are devices that emit electrons in vacuum environment when submitted to a high electric field. The literature reports several advantages of these devices: operation at room temperature, low power consumption, high current densities in small areas, and fast response times. Several microfabrication techniques allow obtaining FE devices, including the HI-PS (Hydrogen Implantation ¿ Porous Silicon) technique, which is remarkable due to its low complexity and cost. However, HI-PS presents some limitations when applied to obtain FE with integrated anode-cathode system: high number of process steps, high temperature and oxidation times, and mainly the poor electrical insulation between anode-cathode structures, which results in leakage currents through the bulk of these devices. In this context, this work shows strategies to improve the HI-PS technique for microfabrication of integrated FE devices. First, we use photoresist as mask for hydrogen ion implantation aiming at defects elimination and reduction of process steps. This strategy resulted in the selective formation of porous silicon and in obtaining microtips (cathodes) with 10 ìm height and apex around tens of nanometers, as verified by Scanning Electron Microscopy (SEM). In addition, photoresist was tested as dielectric between anodecathode structures, but the high leakage current measured hindered the use of this material for the proposed application. The main strategy researched to improve the electrical insulation between anode-cathode structures was the use of oxidized porous silicon (Ox-PS) as dielectric. To obtain Ox-PS, we studied oxidation parameters such as temperature, time, pre-oxidation, and post-oxidation annealing. Optical Microscopy and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) were applied to analyze morphological aspects such as thickness, stability, etch rates and full oxidation of PS layers. A semiconductor parameter analyzer was used to characterize the leakage current from fabricated MOS devices. The Ox-PS obtained with T = 1000 °C, t = 1 h, and post-oxidation annealing in Forming Gas environment showed remarkable decrease of leakage current in comparison to the other oxidation conditions (from 30 nA to 0,125 nA), which demonstrates potentiality for the proposed application. Additionally, a pre-oxidation process was introduced to improve structural stability of Ox-PS layers. After this implementation, the optimization viability of HI-PS technique was finally proved, allowing obtaining an integrated FE device with microtips with 10 micrometers height and apex about tens of nanometers surrounded by the anode structure. The separation distance between anode-cathode structures was about 20 micrometers. With the optimization of fabrication process, we intend to implement hereafter the integrated FE device obtained by HI-PS technique in the development of compact sensors with low cost and low fabrication complexity.

A oxidação anódica local utilizando o Microscópio de Força Atômica (AFM - Atomic Force Microscopy) foi investigada aplicando-se uma tensão negativa entre sonda de nitreto de silício e superfícies de Si. Todas as amostras foram limpas em uma solução de 1 NH4OH (30%): 1H2O2 (38%): 4H2O(DI) a 80ºC conhecida na literatura como SC1 (Standard Cleaning 1) ou, alternativamente, uma imersão em solução diluída de ácido hidrofluorídrico seguido de SC1 ou fervura em álcool isopropílico. As nano-oxidações consistiram de padrões quadrados localizados de óxido com área de 0,25 µm² e foram obtidos através do crescimento de linhas paralelas com espaço e comprimento interlinear constante (<2 nm) e várias varreduras dos quadrados em uma mesma área. Das análises de AFM, foram obtidos perfis transversais e 3D, os quais foram empregados na obtenção da espessura do óxido como função da tensão aplicada, número de varreduras e intervalo de tempo após a limpeza SC1. Foi observado que a espessura aumenta com a tensão negativa aplicada e com o número de varreduras. Também foram realizadas simulações para levantar as distribuições de tensão e de campo elétrico no sistema sonda-ar-silício ou sonda-ar-óxido-silício(substrato). Observou-se uma oxidação local assistida por um alto campo elétrico capaz de induzir difusão iônica local finita na extremidade da sonda. Foi simulado também o efeito das diferentes terminações de sonda do AFM, circular ou pontiaguda, no campo elétrico e na queda de tensão. Foram também realizadas oxidações com sondas recobertas com ouro em superfícies de Si precedidas de imersão simples em solução de ácido hidrofluorídrico seguido ou não do procedimento de limpeza SC1. Por fim, análises de absorção por infravermelho (FTIR) foram realizadas em superfícies de Si oxidadas por AFM para analisar a estrutura dos óxidos anódicos obtidos. A oxidação anódica utilizando sondas de nitreto de silício ocorre apenas após pré-limpeza terminada com SC1, sendo catalisada pelos altos campos elétricos (_ 106 V/cm), tendo como elementos reagentes, as espécies H2O adsorvidas e o óxido nativo hidrolisado na superfície após a etapa de limpeza SC1. / Local anodic oxidation of silicon using Atomic Force Microscopy (AFM) was investigated by applying a negative voltage between silicon nitride tip and Si surfaces. All samples were cleaned with an ammonium-based solution known in literature as standard cleaning 1 (SC1) or a dip in a diluted hydrofluoric acid solution followed by SC1 or, also, boiling in isopropyl alcohol. Localized squares patterns of oxide, 0.25 µm² in area, were formed by growing parallel lines with constant interlinear spacing and length and several scans in the same area. From AFM analysis with non-biased tip, it was obtained 3D and section profiles, which were used to obtain the oxide thickness as a function of the applied voltage, number of scans and interval of time after SC1 cleaning. It was noteworthy that thickness increases with the applied negative voltage and with the number of scans. Simulations were performed in order to model voltage and electric field distributions of the system tip-air-silicon or tip-air-oxide-silicon(substrate) indicating a local oxidation assisted by high electrical field and local ionic diffusion of species. It was simulated the effect of tip termination, circular or sharpen, on the electric field and voltage distributions. In addition, oxidations were performed using Au coated tips onto Si surfaces previously dipped in diluted hydrofluoric acid solution followed or not by SC1 cleaning process. Finally, infrared absorption analysis (FTIR) were performed in order to analise the structure of the obtained anodic oxides. The anodic oxidation using silicon nitride tips has occurred only after SC1 precleaning step, being catalized by high electric field (_ 106 V/cm), having as reagents, the adsorbed water species and hydrolized native oxide on the surface after the SC1 cleaning step.