Desenvolvimento de sondas Hall Microscópicas baseadas em filmes finos de bismuto

Abstract

Sensores de efeito Hall têm papel fundamental na detecção de campos magnéticos em diferentes aplicações científicas e tecnológicas, sendo amplamente empregados em instrumentação eletrônica, controle industrial, navegação e caracterização de materiais magnéticos. A crescente demanda por sensores de alta resolução e baixo custo impulsiona o desenvolvimento de dispositivos em escala micrométrica e nanométrica. Neste contexto, este trabalho investiga a viabilidade da fabricação de sensores Hall microscópicos baseados em filmes finos de bismuto, utilizando técnicas acessíveis de microfabricação, como litografia óptica e sputtering, com o intuito de reduzir os custos operacionais associados à aquisição de sondas comerciais para microscopia de sonda Hall de varredura (SHPM). Inicialmente, realizou-se uma análise estrutural e composicional de sondas comerciais adquiridas, destacando sua arquitetura baseada em heteroestruturas com gás de elétrons bidimensional (2DEG), como GaAs/GaAlAs, e os desafios associados à sua produção em larga escala. Em seguida, foram preparados filmes finos de bismuto sobre wafers de silício, com espessura nominal de 200 nm, por meio de deposição via magnetron sputtering sob diferentes potências (10 W, 15 W, 25 W e 30 W). As amostras foram caracterizadas eletricamente em função da temperatura (2 K a 300 K), revelando resistividades variando entre 125 μΩ·cm e 300 μΩ·cm e mobilidades entre 700 cm2V−1s−1 e 1700 cm2V−1s−1, valores condizentes com a literatura sobre bismuto policristalino. Através de medidas de efeito Hall, foram extraídos parâmetros como densidade de portadores e resistência Hall, evidenciando a dependência dessas propriedades com a potência de deposição. Observou-se que filmes depositados a menores potências exibem maior condutividade e densidade de portadores, possivelmente em razão de grãos maiores e menor rugosidade superficial. Complementarmente, foram ii iii desenvolvidos sensores Hall micrométricos com cruz de bismuto de 5 μm, utilizando máscaras projetadas e litografia óptica, seguido de corrosão úmida seletiva e deposição de contatos metálicos. Os sensores fabricados apresentaram resposta elétrica compatível com sensores comerciais, sendo testados com sucesso para avaliação de sensibilidade e corrente limite. Os resultados indicam que a fabricação local de sondas Hall com filmes finos de bismuto é tecnicamente viável e apresenta desempenho promissor para aplicações em SHPM, especialmente em ambientes onde a miniaturização, sensibilidade e economia são fundamentais. Este trabalho contribui significativamente para a consolidação de processos de microfabricação de sensores magnéticos no âmbito do Instituto de Física e Microeletrônica da UFRGS, abrindo perspectivas para o desenvolvimento de dispositivos personalizados de baixo custo e alta performance.

Hall effect sensors play a fundamental role in the detection of magnetic fields across various scientific and technological applications. They are widely used in electronic instrumentation, industrial control, navigation, and magnetic material characterization. The growing demand for high-resolution and low-cost sensors drives the development of devices at micro- and nanometric scales. In this context, this work investigates the feasibility of fabricating microscopic Hall sensors based on bismuth thin films using accessible microfabrication techniques, such as optical lithography and magnetron sputtering, with the aim of reducing the operational costs associated with acquiring commercial probes for scanning Hall probe microscopy (SHPM). Initially, a structural and compositional analysis of commercially acquired probes was carried out, highlighting their architecture based on two-dimensional electron gas (2DEG) heterostructures, such as GaAs/GaAlAs, and the challenges related to their large-scale production. Subsequently, bismuth thin films were deposited on silicon wafers with a nominal thickness of 200 nm using magnetron sputtering at different powers (10 W, 15 W, 25 W, and 30 W). The samples were electrically characterized as a function of temperature (2 K to 300 K), revealing resistivities ranging from 125 μΩ·cm to 300 μΩ·cm and mobilities between 700 cm2V−1s−1 and 1700 cm2V−1s−1, in agreement with literature values for polycrystalline bismuth. Hall effect measurements allowed the extraction of parameters such as carrier density and Hall resistance, highlighting the dependence of these properties on the deposition power. It was observed that films deposited at lower powers exhibited higher conductivity and carrier density, possibly due to larger grain sizes and lower surface roughness. Additionally, micrometric Hall sensors with 5 μm bismuth crosses were developed using custom-designed masks and optical lithography, followed iv v by selective wet etching and metallic contact deposition. The fabricated sensors showed electrical performance comparable to commercial devices and were successfully tested for sensitivity and current limit evaluation. The results indicate that the local fabrication of Hall probes using bismuth thin films is technically viable and exhibits promising performance for SHPM applications, especially in environments where miniaturization, sensitivity, and costeffectiveness are essential. This work contributes significantly to the consolidation of magnetic sensor microfabrication processes at the Institute of Physics and Microelectronics at UFRGS, opening perspectives for the development of low-cost, high-performance custom devices.