Neste trabalho é apresentado em detalhe a fabricação de dispositivos com contato túnel em grafeno, com foco nas caracterizações físico-químicas de barreiras túnel de Al2O3, crescidas sobre grafeno. Uma investigação detalhada das interfaces Co/Al2O3/grafeno é apresentada. Técnicas de caracterização tais como Raman, AFM, HRTEM, STEM, EDX, EELS são utilizadas, assim como processos de nanofabricação de dispositivos via litografia por feixe de elétrons. Os resultados mostram o crescimento de barreira via nucleação de clusters tipo Volmer-Weber e a existência de contatos Co/grafeno via pinholes através da barreira. A fabricação de barreiras finas com espessura nominal de 1 nm resulta no recobrimento parcial do grafeno por camadas com espessura atingindo cerca de 4 nm. A espessura mínima de barreira para a cobertura total da superfície do grafeno é alcançada através da deposição nominal de uma camada de Al2O3 de 3 nm. A caracterização elétrica dos contatos apresenta um caráter assimétrico, semelhante a um diodo túnel, sendo resultante de componentes de contato túnel, associadas a possível formação de cargas e, também, condução via pinholes, assim como efeitos da geometria dos contatos. / In this work, we report the devices constructions and a detailed investigation of the structural and chemical characteristics of thin evaporated Al2O3 tunnel barriers of variable thickness grown onto single-layer graphene sheets. Advanced electron microscopy (HRTEM, STEM) and spectrum-imaging techniques were used to investigate the Co/Al2O3/graphene/SiO2 interfaces. Direct observation of pinhole contacts was achieved using FIB cross-sectional lamellas. Spatially resolved EDX spectrum profiles confirmed the presence of direct point contacts between the Co layer and the graphene. The chemical nature of the Al2O3 barriers was also analyzed using electron energy loss spectroscopy (EELS). On the whole, the high surface diffusion properties of graphene led to Volmer-Weber-like Al2O3 film growth, limiting the minimal possible thickness for complete barrier coverage onto graphene surfaces using standard Al evaporation methods. The results indicate a minimum thickness of nominally 3 nm Al2O3, resulting in a 0.6 nm rms rough film with a maximum thickness reaching 5 nm. The electrical characterization of the device contacts seems to be a resultant of tunneling contact behavior associated to charge trapping,pinhole contacts and geometry of the contacts.

Neste trabalho é apresentado em detalhe a fabricação de dispositivos com contato túnel em grafeno, com foco nas caracterizações físico-químicas de barreiras túnel de Al2O3, crescidas sobre grafeno. Uma investigação detalhada das interfaces Co/Al2O3/grafeno é apresentada. Técnicas de caracterização tais como Raman, AFM, HRTEM, STEM, EDX, EELS são utilizadas, assim como processos de nanofabricação de dispositivos via litografia por feixe de elétrons. Os resultados mostram o crescimento de barreira via nucleação de clusters tipo Volmer-Weber e a existência de contatos Co/grafeno via pinholes através da barreira. A fabricação de barreiras finas com espessura nominal de 1 nm resulta no recobrimento parcial do grafeno por camadas com espessura atingindo cerca de 4 nm. A espessura mínima de barreira para a cobertura total da superfície do grafeno é alcançada através da deposição nominal de uma camada de Al2O3 de 3 nm. A caracterização elétrica dos contatos apresenta um caráter assimétrico, semelhante a um diodo túnel, sendo resultante de componentes de contato túnel, associadas a possível formação de cargas e, também, condução via pinholes, assim como efeitos da geometria dos contatos. / In this work, we report the devices constructions and a detailed investigation of the structural and chemical characteristics of thin evaporated Al2O3 tunnel barriers of variable thickness grown onto single-layer graphene sheets. Advanced electron microscopy (HRTEM, STEM) and spectrum-imaging techniques were used to investigate the Co/Al2O3/graphene/SiO2 interfaces. Direct observation of pinhole contacts was achieved using FIB cross-sectional lamellas. Spatially resolved EDX spectrum profiles confirmed the presence of direct point contacts between the Co layer and the graphene. The chemical nature of the Al2O3 barriers was also analyzed using electron energy loss spectroscopy (EELS). On the whole, the high surface diffusion properties of graphene led to Volmer-Weber-like Al2O3 film growth, limiting the minimal possible thickness for complete barrier coverage onto graphene surfaces using standard Al evaporation methods. The results indicate a minimum thickness of nominally 3 nm Al2O3, resulting in a 0.6 nm rms rough film with a maximum thickness reaching 5 nm. The electrical characterization of the device contacts seems to be a resultant of tunneling contact behavior associated to charge trapping,pinhole contacts and geometry of the contacts.

Neste trabalho é apresentado em detalhe a fabricação de dispositivos com contato túnel em grafeno, com foco nas caracterizações físico-químicas de barreiras túnel de Al2O3, crescidas sobre grafeno. Uma investigação detalhada das interfaces Co/Al2O3/grafeno é apresentada. Técnicas de caracterização tais como Raman, AFM, HRTEM, STEM, EDX, EELS são utilizadas, assim como processos de nanofabricação de dispositivos via litografia por feixe de elétrons. Os resultados mostram o crescimento de barreira via nucleação de clusters tipo Volmer-Weber e a existência de contatos Co/grafeno via pinholes através da barreira. A fabricação de barreiras finas com espessura nominal de 1 nm resulta no recobrimento parcial do grafeno por camadas com espessura atingindo cerca de 4 nm. A espessura mínima de barreira para a cobertura total da superfície do grafeno é alcançada através da deposição nominal de uma camada de Al2O3 de 3 nm. A caracterização elétrica dos contatos apresenta um caráter assimétrico, semelhante a um diodo túnel, sendo resultante de componentes de contato túnel, associadas a possível formação de cargas e, também, condução via pinholes, assim como efeitos da geometria dos contatos. / In this work, we report the devices constructions and a detailed investigation of the structural and chemical characteristics of thin evaporated Al2O3 tunnel barriers of variable thickness grown onto single-layer graphene sheets. Advanced electron microscopy (HRTEM, STEM) and spectrum-imaging techniques were used to investigate the Co/Al2O3/graphene/SiO2 interfaces. Direct observation of pinhole contacts was achieved using FIB cross-sectional lamellas. Spatially resolved EDX spectrum profiles confirmed the presence of direct point contacts between the Co layer and the graphene. The chemical nature of the Al2O3 barriers was also analyzed using electron energy loss spectroscopy (EELS). On the whole, the high surface diffusion properties of graphene led to Volmer-Weber-like Al2O3 film growth, limiting the minimal possible thickness for complete barrier coverage onto graphene surfaces using standard Al evaporation methods. The results indicate a minimum thickness of nominally 3 nm Al2O3, resulting in a 0.6 nm rms rough film with a maximum thickness reaching 5 nm. The electrical characterization of the device contacts seems to be a resultant of tunneling contact behavior associated to charge trapping,pinhole contacts and geometry of the contacts.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de fabricação de elementos micro-ópticos utilizando-se litografia por feixe de elétrons, empregando o resiste SU-8, negativo e amplificado quimicamente, sobre substrato de Si. Para tanto, é realizado o estudo dos parâmetros do efeito de proximidade a, b e h para se modelar e controlar os efeitos do espalhamento dos elétrons no resiste e no substrato, e se altera o processamento convencional do SU-8 para se obter um processo com baixo contraste. A determinação dos parâmetros do efeito de proximidade para o sistema de escrita direta e amostra SU-8 / Si é feita experimentalmente e por simulação de Monte Carlo. Particularmente, verifica-se a dependência dos mesmos com a profundidade do resiste. Primeiramente utilizando o software PROXY, obtêm-se a, b e h da observação de padrões de teste revelados. Chega-se a 4m para o parâmetro () que mede o retroespalhamento dos elétrons pelo substrato e 0,7 para a relação (h) entre a intensidade destes com aquela dos elétrons diretamente espalhados pelo resiste (alcance dado por a). Ainda, com esses dados, estima-se o diâmetro do feixe do microscópio eletrônico de varredura a partir da equação de aproximação de espalhamento direto para pequenos ângulos (a = 128nm na superfície do resiste) e se determina a resolução lateral do processo (a = 800nm na interface resiste/ substrato, para um filme de 2,4m). Em seguida, usa-se o software CASINO para se calcular os parâmetros de proximidade a partir da curva de densidade de energia dissipada no resiste obtida pela simulação da trajetória de espalhamento dos elétrons. Confrontam-se, finalmente, os valores obtidos pelos dois métodos. Em relação ao processamento do resiste SU-8, são determinadas as condições experimentais para a fabricação de estruturas tridimensionais por litografia de feixe de elétrons. Especificamente, busca-se desenvolver um processo com características (espessura, contraste, sensibilidade e rugosidade) adequadas para a fabricação de micro-dispositivos ópticos. Inicia-se com o levantamento das curvas de contraste e da sensibilidade do SU-8 para determinadas temperaturas de aquecimento pós-exposição. Obtém-se contraste abaixo de 1 para aquecimento pós-exposição abaixo da temperatura de transição vítrea do resiste, mantendo-se sensibilidade elevada (2C/cm2). Em seguida, mede-se a rugosidade da superfície do filme revelado para diferentes doses de exposição. Para finalizar, submete-se a amostra a um processo de cura e escoamento térmico, para melhorar a dureza e a rugosidade do resiste a ser utilizado como dispositivo final Consegue-se um valor de rugosidade (40nm) inferior a 20 vezes o comprimento de onda de diodo laser de eletrônica de consumo. Por fim, é produzido um dispositivo com perfil discretizado em 16 níveis como prova de conceito. / This work aims at developing an electron-beam lithography process for the fabrication of microoptical elements using the negative tone chemically amplified resist SU-8 on Si substrate. A study of the proximity effect parameters a, b and h is carried out to model and control the electron scattering both in the resist and in the substrate, and the SU-8 standard processing conditions are changed to achieve a low contrast process. The determination of the SU-8 / Si proximity effect parameters and its dependence with resist depth is done employing an experimental method and through Monte Carlo simulations. First, a, b and h are obtained comparing exposed patterns calculated by the software PROXY. b, the parameter which measures the backscattering of the electrons by the substrate, is equal to 4m and the value of h, the ratio of the dose contribution of backscattered electrons to that of the forward scattered (related to a), is 0.7. The extrapolation of exposed patterns data is used to estimate the scanning electron microscope beam diameter through the equation for low angle scattering (a = 128nm at the resist surface) and the lateral resolution of the process is determined (a = 800nm at the resist/ substrate interface, for a 2.4m film). With aid of the software CASINO, Monte Carlo simulations of the scattering trajectories of electrons in substrate and resist materials are calculated, recording the energy that they dissipate through collisions along their path. The results obtained representing the profile of the energy dissipated in the resist are used to determine the proximity effect parameters. The experimental method results are compared to that obtained by simulation. Regarding the SU-8 processing, the process parameters for the fabrication of three-dimensional structures by electron-beam lithography are determined. The process is designed to have specifications (thickness, contrast, sensitivity and surface roughness) suitable for microoptical elements fabrication. It begins with the determination of the SU-8 contrast curve and its sensitivity for specific post-exposure bake temperatures. A below the unit contrast process with high sensitivity (2C/cm2) is achieved postannealing the sample below the resist glass transition temperature. The film surface roughness is measured after resist development for different exposure doses, and a controlled hardbake (cure) and reflow is carried to enhance both the mechanical properties and the surface roughness of the structures that will remain as part of the final device. A RMS roughness of 40nm, lower than 20 times the wavelength of consumer electronics laser diode, is obtained. The electron-beam process designed is applied to the fabrication of a microelement with a 16-level profile discretization.

Eletrônica utilizando polímero em substituição ao silício é uma área de pesquisa recente com perspectivas econômicas promissoras. Compósitos de polímeros com partículas metálicas apresentam interessantes propriedades elétricas, magnéticas e ópticas e têm sido produzidos por uma grande variedade de técnicas. Implantação iônica de metais utilizando plasma é um dos métodos utilizados para obtenção desses compósitos condutores. Neste trabalho é realizada implantação de íons de ouro de baixa energia em PMMA utilizando plasma. O PMMA tem grande importância tecnológica sendo largamente utilizado como resiste em litografias por feixe de elétrons, raios-X, íons e deep-UV. Como resultado da implantação iônica de baixa energia em PMMA há formação de uma camada nanométrica de material condutor. Esse novo material, denominado compósito isolante-condutor, permite criar micro e nanodispositivos através de técnicas largamente utilizadas em microeletrônica. Medidas elétricas são realizadas in situ em função da dose de íons metálicos implantada, o que permite um estudo das propriedades de transporte desses novos materiais, que podem ser modeladas pela teoria da percolação. Simulações utilizando o programa TRIDYN permitem obter a profundidade e o perfil da implantação dos íons. São mostradas caracterizações importantes tais como Microscopia Eletrônica de Transmissão, Microscopia de Varredura por Tunelamento, Espalhamento de Raios-X a Baixos Ângulos, Difração de Raios-X e Espectroscopia UV-vis. Essas técnicas permitem visualizar e investigar o caráter nanoestruturado do compósito metal-polímero. Ainda como parte deste projeto, as camadas condutoras formadas no polímero são caracterizadas quanto à manutenção das suas características de elétron resiste. / Electronics using polymers instead of silicon is a recent research area with promising economic perspectives. Polymer with metallic particles composites presents interesting electrical, magnetic and optical properties and they have been produced by a broad variety of techniques. Metal ion implantation using plasma is one of the used methods to obtain conductor composites. In this work it is performed low energy gold ion implantation in PMMA by using plasma. PMMA has great technological importance once it is broadly used as resist in electron-beam, X-ray, ion and deep UV lithography. As a result of low energy ion implantation in PMMA, a nanometric conducting layer is formed. This new material, named insulator-conductor composite, can allow the creation of micro and nanodevices through well known microelectronics techniques. Electrical measurements are performed in situ as a function of metal ions implanted dose, which allows the investigation of electrical transport of these new materials, which can be modeled by the percolation theory. Simulations using TRIDYN computer code provide the prediction of depth profile of implanted ions. Important characterizations are showed such as Transmission Electron Microscopy, Scanning Tunneling Microscopy, Small Angle X-Ray Scattering, X-Ray Diffraction and UV-vis Spectroscopy. These techniques allow to visualize and to investigate the nanostructured character of the metal-polymer composite. Still as a part of this project, the conducting layers formed are characterized in relation to the maintenance of their characteristics as electron-beam resist.

Eletrônica utilizando polímero em substituição ao silício é uma área de pesquisa recente com perspectivas econômicas promissoras. Compósitos de polímeros com partículas metálicas apresentam interessantes propriedades elétricas, magnéticas e ópticas e têm sido produzidos por uma grande variedade de técnicas. Implantação iônica de metais utilizando plasma é um dos métodos utilizados para obtenção desses compósitos condutores. Neste trabalho é realizada implantação de íons de ouro de baixa energia em PMMA utilizando plasma. O PMMA tem grande importância tecnológica sendo largamente utilizado como resiste em litografias por feixe de elétrons, raios-X, íons e deep-UV. Como resultado da implantação iônica de baixa energia em PMMA há formação de uma camada nanométrica de material condutor. Esse novo material, denominado compósito isolante-condutor, permite criar micro e nanodispositivos através de técnicas largamente utilizadas em microeletrônica. Medidas elétricas são realizadas in situ em função da dose de íons metálicos implantada, o que permite um estudo das propriedades de transporte desses novos materiais, que podem ser modeladas pela teoria da percolação. Simulações utilizando o programa TRIDYN permitem obter a profundidade e o perfil da implantação dos íons. São mostradas caracterizações importantes tais como Microscopia Eletrônica de Transmissão, Microscopia de Varredura por Tunelamento, Espalhamento de Raios-X a Baixos Ângulos, Difração de Raios-X e Espectroscopia UV-vis. Essas técnicas permitem visualizar e investigar o caráter nanoestruturado do compósito metal-polímero. Ainda como parte deste projeto, as camadas condutoras formadas no polímero são caracterizadas quanto à manutenção das suas características de elétron resiste. / Electronics using polymers instead of silicon is a recent research area with promising economic perspectives. Polymer with metallic particles composites presents interesting electrical, magnetic and optical properties and they have been produced by a broad variety of techniques. Metal ion implantation using plasma is one of the used methods to obtain conductor composites. In this work it is performed low energy gold ion implantation in PMMA by using plasma. PMMA has great technological importance once it is broadly used as resist in electron-beam, X-ray, ion and deep UV lithography. As a result of low energy ion implantation in PMMA, a nanometric conducting layer is formed. This new material, named insulator-conductor composite, can allow the creation of micro and nanodevices through well known microelectronics techniques. Electrical measurements are performed in situ as a function of metal ions implanted dose, which allows the investigation of electrical transport of these new materials, which can be modeled by the percolation theory. Simulations using TRIDYN computer code provide the prediction of depth profile of implanted ions. Important characterizations are showed such as Transmission Electron Microscopy, Scanning Tunneling Microscopy, Small Angle X-Ray Scattering, X-Ray Diffraction and UV-vis Spectroscopy. These techniques allow to visualize and to investigate the nanostructured character of the metal-polymer composite. Still as a part of this project, the conducting layers formed are characterized in relation to the maintenance of their characteristics as electron-beam resist.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de fabricação de elementos micro-ópticos utilizando-se litografia por feixe de elétrons, empregando o resiste SU-8, negativo e amplificado quimicamente, sobre substrato de Si. Para tanto, é realizado o estudo dos parâmetros do efeito de proximidade a, b e h para se modelar e controlar os efeitos do espalhamento dos elétrons no resiste e no substrato, e se altera o processamento convencional do SU-8 para se obter um processo com baixo contraste. A determinação dos parâmetros do efeito de proximidade para o sistema de escrita direta e amostra SU-8 / Si é feita experimentalmente e por simulação de Monte Carlo. Particularmente, verifica-se a dependência dos mesmos com a profundidade do resiste. Primeiramente utilizando o software PROXY, obtêm-se a, b e h da observação de padrões de teste revelados. Chega-se a 4m para o parâmetro () que mede o retroespalhamento dos elétrons pelo substrato e 0,7 para a relação (h) entre a intensidade destes com aquela dos elétrons diretamente espalhados pelo resiste (alcance dado por a). Ainda, com esses dados, estima-se o diâmetro do feixe do microscópio eletrônico de varredura a partir da equação de aproximação de espalhamento direto para pequenos ângulos (a = 128nm na superfície do resiste) e se determina a resolução lateral do processo (a = 800nm na interface resiste/ substrato, para um filme de 2,4m). Em seguida, usa-se o software CASINO para se calcular os parâmetros de proximidade a partir da curva de densidade de energia dissipada no resiste obtida pela simulação da trajetória de espalhamento dos elétrons. Confrontam-se, finalmente, os valores obtidos pelos dois métodos. Em relação ao processamento do resiste SU-8, são determinadas as condições experimentais para a fabricação de estruturas tridimensionais por litografia de feixe de elétrons. Especificamente, busca-se desenvolver um processo com características (espessura, contraste, sensibilidade e rugosidade) adequadas para a fabricação de micro-dispositivos ópticos. Inicia-se com o levantamento das curvas de contraste e da sensibilidade do SU-8 para determinadas temperaturas de aquecimento pós-exposição. Obtém-se contraste abaixo de 1 para aquecimento pós-exposição abaixo da temperatura de transição vítrea do resiste, mantendo-se sensibilidade elevada (2C/cm2). Em seguida, mede-se a rugosidade da superfície do filme revelado para diferentes doses de exposição. Para finalizar, submete-se a amostra a um processo de cura e escoamento térmico, para melhorar a dureza e a rugosidade do resiste a ser utilizado como dispositivo final Consegue-se um valor de rugosidade (40nm) inferior a 20 vezes o comprimento de onda de diodo laser de eletrônica de consumo. Por fim, é produzido um dispositivo com perfil discretizado em 16 níveis como prova de conceito. / This work aims at developing an electron-beam lithography process for the fabrication of microoptical elements using the negative tone chemically amplified resist SU-8 on Si substrate. A study of the proximity effect parameters a, b and h is carried out to model and control the electron scattering both in the resist and in the substrate, and the SU-8 standard processing conditions are changed to achieve a low contrast process. The determination of the SU-8 / Si proximity effect parameters and its dependence with resist depth is done employing an experimental method and through Monte Carlo simulations. First, a, b and h are obtained comparing exposed patterns calculated by the software PROXY. b, the parameter which measures the backscattering of the electrons by the substrate, is equal to 4m and the value of h, the ratio of the dose contribution of backscattered electrons to that of the forward scattered (related to a), is 0.7. The extrapolation of exposed patterns data is used to estimate the scanning electron microscope beam diameter through the equation for low angle scattering (a = 128nm at the resist surface) and the lateral resolution of the process is determined (a = 800nm at the resist/ substrate interface, for a 2.4m film). With aid of the software CASINO, Monte Carlo simulations of the scattering trajectories of electrons in substrate and resist materials are calculated, recording the energy that they dissipate through collisions along their path. The results obtained representing the profile of the energy dissipated in the resist are used to determine the proximity effect parameters. The experimental method results are compared to that obtained by simulation. Regarding the SU-8 processing, the process parameters for the fabrication of three-dimensional structures by electron-beam lithography are determined. The process is designed to have specifications (thickness, contrast, sensitivity and surface roughness) suitable for microoptical elements fabrication. It begins with the determination of the SU-8 contrast curve and its sensitivity for specific post-exposure bake temperatures. A below the unit contrast process with high sensitivity (2C/cm2) is achieved postannealing the sample below the resist glass transition temperature. The film surface roughness is measured after resist development for different exposure doses, and a controlled hardbake (cure) and reflow is carried to enhance both the mechanical properties and the surface roughness of the structures that will remain as part of the final device. A RMS roughness of 40nm, lower than 20 times the wavelength of consumer electronics laser diode, is obtained. The electron-beam process designed is applied to the fabrication of a microelement with a 16-level profile discretization.