Orientador: Marco Antonio Robert Alves / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-10T11:56:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Faria_PedroHenriqueLibrelonde_M.pdf: 1862796 bytes, checksum: 14125f2154ddd1e1590e9c04b5149128 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho realizamos uma contribuição ao estudo do processo de fabricação de microponteiras de Si ultra-finas, utilizando o processo de afinamento por oxidação térmica. Fabricamos as microponteiras de silício e submetemos as mesmas a sucessivas etapas de oxidação e remoção do óxido para obtenção de microponteiras de Si ultra-finas. Utilizamos um microscópio eletrônico (SEM ¿ Scaning Electronic Microscopy) para investigação da redução gradativa do diâmetro da ponta após cada etapa de oxidação. Para caracterização do processo, foram fabricadas microponteiras com diâmetro médio de ponta de 0,7um e após as etapas de afinamento por oxidação térmica foram obtidas microponteiras com diâmetro médio de ponta de 0,06 um. O diâmetro da ponta foi reduzido em 92 %, sem redução significativa da altura da microponteira, que se manteve em 4,5 um. A partir dos dados obtidos do processo de afinamento, caracterizamos as taxas de oxidação da ponta das microponteiras em função do diâmetro da ponta. Verificamos que, conforme proposto pelo modelo de Kao et al., a taxa de oxidação na ponta da microponteira é inferior à taxa de oxidação em uma superfície planar de Si e se reduz à medida que o diâmetro da ponta diminui. Finalmente, caracterizamos eletricamente um array de microponteiras através do levantamento das curvas características I-V (corrente-tensão) e I-t (corrente-tempo). Calculamos os parâmetros de emissão de Fowler-Nordheim, verificamos a característica de histerese na emissão por campo e analisamos a característica de estabilidade de corrente de emissão em curto prazo / Abstract: In this work, we present a contribution to the study of ultra-sharp silicon microtips fabrication process using oxidation sharpening technique. The silicon microtips were fabricated and submitted to repeated oxidation steps and oxide strip to achieve ultra-sharp tips. SEM (Scaning Electronic Microscopy) investigation were performed to observe the gradual tip diameter reduction after each oxidation step. Before the oxidation sharpening process, the silicon microtips array had initially a tip diameter of 0,7 um, and after the process the tip diameter was found in 0,06 um. The tip diameter was reduced in 92 % without any significant reduction of its height, which was kept in 4,5 um. The oxidation rate was characterized as a function of the tip diameter. The results obtained are in agreement with the model proposed by Kao et al., which states that the oxidation rate is reduced as the tip diameter become smaller. We also observed that the oxidation rates in the tips are lower than oxidation rate in flat surface of silicon. Finally, we performed the electrical characterization of the silicon microtips. We calculate the FN emission parameters and analyzed the short term stability characteristics / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Este trabalho apresenta um método de fabricação de micropontas de silício que já contém os contatos elétricos integrados à sua estrutura. O processo de fabricação das microestruturas é o foco desta pesquisa e nossa motivação futura é desenvolver dispositivos para emissão eletrônica por efeito de campo (Field Emission Devices - FED. O método em questão baseia-se: (i) no underetch anisotrópico, que ocorre em substratos de silício (100) quando orientados de maneira conveniente, em solução de KOH; (ii) na utilização de filme de oxinitreto de silício (SiOxNy), que visa o mascaramento no processo de corrosão durante a formação das micropontas e também, o suporte mecânico para as trilhas metálicas que formam o eletrodo de polarização. Tal material, obtido por Deposição Química a Vapor assistida por Plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition - PECVD), apresenta baixo stress interno e tem a função de isolar eletricamente os eletrodos do substrato de Si. Esse filme de SiOxNy viabilizou a obtenção de trilhas autosustentadas, planas e lisas, com dimensões de até 6 milímetros. Através de técnicas convencionais de fotolitografia construímos contatos elétricos de cromo auto-alinhados sobre as micropontas. Metodologicamente definimos e caracterizamos, por meio de microscopia óptica, diferentes etapas da formação das micropontas, determinamos suas respectivas taxas de corrosão e consequentemente o tempo total de sua formação, em função das dimensões iniciais da máscara. As estruturas foram fabricadas na forma de matrizes com 50, 98, 112 e 113 micropontas. O espaçamento entre elas varia de 130 a 450 ?m. O diâmetro do ápice e a altura são de aproximadamente 1 e 54 ?m respectivamente. A principal vantagem deste método de fabricação é a eliminação da necessidade de utilização de microposicionadores externos e de acionamento manual, para a integração de contatos elétricos à estrutura. Finalmente, o êxito deste método deveu-se essencialmente às propriedades exclusivas do filme de SiOxNy. / This work presents a fabrication method of silicon microtips with integrated electrical contacts into the structure. Our motivation is the future development of field emission devices - FED, however our focus in this research is the microstructure fabrication process. This method is based on: (i) anisotropic under-etch method that occurs in the silicon substrate (100), when it is oriented in convenient crystallographic direction, using KOH solution; (ii) the employment of silicon oxinitride films (SiOxNy) which aims to mask the corrosion process during the formation of the microtips, and also to give mechanically support for the metallic tracks of their electrodes. Such material, which is obtained by Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition - PECVD, exhibits internal low stress and was used to obtain electric insulation between the electrodes and the Si substrate. These SiOxNy films made possible the achievement of flat and smooth selfsustained tracks, whose dimensions can reach 6 millimeters. Through conventional photolitographic techniques, we built chromium self-aligned electrical contacts on those microtips. Methodologically, we define and characterize different stages of microtips formation, by means of optical microscopy, and we determine their respective etch rates. And consequently the entire formation time in function of the initial mask dimensions. Those structures had been manufactured in the shape of matrices with 50, 98, 112 and 113 microtips which distance between each other can vary from 130 to 450 ?m. Its diameter in the microtip apex and its height are about 1 and 54 ?m respectively. The main advantage of this fabrication method is the lack of the requirement of manual external micropositioners for the integration of electrical contacts to structure itself. Finally, this method succeeds due essentially to the SiOxNy exclusive film properties.

Este trabalho apresenta um método de fabricação de micropontas de silício que já contém os contatos elétricos integrados à sua estrutura. O processo de fabricação das microestruturas é o foco desta pesquisa e nossa motivação futura é desenvolver dispositivos para emissão eletrônica por efeito de campo (Field Emission Devices - FED. O método em questão baseia-se: (i) no underetch anisotrópico, que ocorre em substratos de silício (100) quando orientados de maneira conveniente, em solução de KOH; (ii) na utilização de filme de oxinitreto de silício (SiOxNy), que visa o mascaramento no processo de corrosão durante a formação das micropontas e também, o suporte mecânico para as trilhas metálicas que formam o eletrodo de polarização. Tal material, obtido por Deposição Química a Vapor assistida por Plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition - PECVD), apresenta baixo stress interno e tem a função de isolar eletricamente os eletrodos do substrato de Si. Esse filme de SiOxNy viabilizou a obtenção de trilhas autosustentadas, planas e lisas, com dimensões de até 6 milímetros. Através de técnicas convencionais de fotolitografia construímos contatos elétricos de cromo auto-alinhados sobre as micropontas. Metodologicamente definimos e caracterizamos, por meio de microscopia óptica, diferentes etapas da formação das micropontas, determinamos suas respectivas taxas de corrosão e consequentemente o tempo total de sua formação, em função das dimensões iniciais da máscara. As estruturas foram fabricadas na forma de matrizes com 50, 98, 112 e 113 micropontas. O espaçamento entre elas varia de 130 a 450 ?m. O diâmetro do ápice e a altura são de aproximadamente 1 e 54 ?m respectivamente. A principal vantagem deste método de fabricação é a eliminação da necessidade de utilização de microposicionadores externos e de acionamento manual, para a integração de contatos elétricos à estrutura. Finalmente, o êxito deste método deveu-se essencialmente às propriedades exclusivas do filme de SiOxNy. / This work presents a fabrication method of silicon microtips with integrated electrical contacts into the structure. Our motivation is the future development of field emission devices - FED, however our focus in this research is the microstructure fabrication process. This method is based on: (i) anisotropic under-etch method that occurs in the silicon substrate (100), when it is oriented in convenient crystallographic direction, using KOH solution; (ii) the employment of silicon oxinitride films (SiOxNy) which aims to mask the corrosion process during the formation of the microtips, and also to give mechanically support for the metallic tracks of their electrodes. Such material, which is obtained by Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition - PECVD, exhibits internal low stress and was used to obtain electric insulation between the electrodes and the Si substrate. These SiOxNy films made possible the achievement of flat and smooth selfsustained tracks, whose dimensions can reach 6 millimeters. Through conventional photolitographic techniques, we built chromium self-aligned electrical contacts on those microtips. Methodologically, we define and characterize different stages of microtips formation, by means of optical microscopy, and we determine their respective etch rates. And consequently the entire formation time in function of the initial mask dimensions. Those structures had been manufactured in the shape of matrices with 50, 98, 112 and 113 microtips which distance between each other can vary from 130 to 450 ?m. Its diameter in the microtip apex and its height are about 1 and 54 ?m respectively. The main advantage of this fabrication method is the lack of the requirement of manual external micropositioners for the integration of electrical contacts to structure itself. Finally, this method succeeds due essentially to the SiOxNy exclusive film properties.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de ensaios elétricos de dispositivos de emissão de campo para que, a partir desses ensaios, possam ser extraídas as características elétricas desses dispositivos. O sistema é composto por hardware e software dedicados e pode ser controlado local ou remotamente. O hardware inclui uma fonte de alta tensão gerenciada por um sistema microcontrolado. Para programação do microcontrolador, foi utilizado um ambiente de programação disponibilizado pelo próprio fabricante do microcontrolador. Nesse desenvolvimento foram empregados periféricos de entrada e saída do microcontrolador, tais como: leitura de teclado, manipulação de USART, ajuste do nível de saída da fonte e conversores analógicos digitais. No microcontrolador foram implantadas rotinas de configuração, personalização e varredura do display, além de envio e recebimento de informações com um computador. Para o computador foi elaborado um programa dedicado para a manipulação do sistema de ensaio utilizando o conceito de instrumentação virtual, que permite escolher o tipo de ensaio elétrico, armazenar as leituras dos ensaios e a visualização \"on-line\" do andamento do ensaio através de diversos gráficos disponíveis no programa, inclusive o gráfico de Fowler-Nordheim, adequado para o estudo de dispositivos de emissão de campo. / At this work is presented the development of a field emission devices trial system to render possible to obtain the electrical characteristics of the field emission devices. Here are shown some results taken from some trials. During the development of the trial system, it was used at the programming microcontroller stage, the environment of programming supplied by the manufacturer of the microcontroller. At this development, peripheral of input and output from the microcontroller, like, keyboard reading, USART manipulation, SPI manipulation and analogic to digital converters were used. At the microcontroller were implanted routines of configuration, customing and display sweeping, besides the transmission and the receiving of instructions came from the computer. For computer, a program was elaborated dedicated for manipulation of the trials system applying the virtual instrumentation concept, storing readings of the trials as well as the visualization \"on-line\" of the course of the trial through available graphs in the program. As an important result of this work has the establishment of a system for trial of field emission devices controlled on place or remotely, system that is composed by hardware and software in which were made several trials with acquisition and data manipulation and the presentation of received information.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de ensaios elétricos de dispositivos de emissão de campo para que, a partir desses ensaios, possam ser extraídas as características elétricas desses dispositivos. O sistema é composto por hardware e software dedicados e pode ser controlado local ou remotamente. O hardware inclui uma fonte de alta tensão gerenciada por um sistema microcontrolado. Para programação do microcontrolador, foi utilizado um ambiente de programação disponibilizado pelo próprio fabricante do microcontrolador. Nesse desenvolvimento foram empregados periféricos de entrada e saída do microcontrolador, tais como: leitura de teclado, manipulação de USART, ajuste do nível de saída da fonte e conversores analógicos digitais. No microcontrolador foram implantadas rotinas de configuração, personalização e varredura do display, além de envio e recebimento de informações com um computador. Para o computador foi elaborado um programa dedicado para a manipulação do sistema de ensaio utilizando o conceito de instrumentação virtual, que permite escolher o tipo de ensaio elétrico, armazenar as leituras dos ensaios e a visualização \"on-line\" do andamento do ensaio através de diversos gráficos disponíveis no programa, inclusive o gráfico de Fowler-Nordheim, adequado para o estudo de dispositivos de emissão de campo. / At this work is presented the development of a field emission devices trial system to render possible to obtain the electrical characteristics of the field emission devices. Here are shown some results taken from some trials. During the development of the trial system, it was used at the programming microcontroller stage, the environment of programming supplied by the manufacturer of the microcontroller. At this development, peripheral of input and output from the microcontroller, like, keyboard reading, USART manipulation, SPI manipulation and analogic to digital converters were used. At the microcontroller were implanted routines of configuration, customing and display sweeping, besides the transmission and the receiving of instructions came from the computer. For computer, a program was elaborated dedicated for manipulation of the trials system applying the virtual instrumentation concept, storing readings of the trials as well as the visualization \"on-line\" of the course of the trial through available graphs in the program. As an important result of this work has the establishment of a system for trial of field emission devices controlled on place or remotely, system that is composed by hardware and software in which were made several trials with acquisition and data manipulation and the presentation of received information.