Piezoresistive thin film by metal-induced crystallization

Abstract

Dispositivos MEMS baseados no método de transdução piezoresistivo não só têm um processo de fabrico simples ou podem demonstrar boa sensibilidade associada ao material piezoresistivo usado como também providencia o uso de eletrónica de instrumentação simples. Uma vez que os dispositivos MEMS são fabricados a baixas temperaturas (<500 ◦C), existe um grande interesse em desenvolver materiais piezoresistivos que sejam compatíveis com técnicas de fabrico de dispositivos MEMS. De igual modo, a junção de materiais piezoresisitvos com dispositivos MEMS flexíveis abre portas para inúmeras aplicações, o que intensifica a motivação de desenvolver materiais piezoresistivos a baixas temperaturas. O presente trabalho apresenta o fabrico de um material piezorresistivo, silício policristalino, pela cristalização induzida por metal mediada por AlSiCU. Esta é a primeira vez, do melhor conhecimento da autora que este material é utilizado como catalisador deste processo de cristalização. O material foi desenvolvido sobre uma bolacha de silício e as condições de fabrico foram variadas de modo a obter um filme cristalino à temperatura mais baixa possível. A viabilidade de desenvolver dispositivos flexíveis com polissílicio foi investigada a partir do teste de cristalização deste material sobre uma camada polimérica. O material demonstrou uma estrutura semelhante à obtida sobre a bolacha de silício e foi ainda possível padronizar o material sem que este se desagregasse da camada polimérica. Numa fase posterior, dispositivos de teste foram projetados e fabricados de modo a ser possível caracterizar eletrica e mecanicamente o material desenvolvido. O polissilício obtido apresenta um Coeficiente de Temperatura (TCR) de -0.000298 /◦C e um Fator de Gauge (GF) of 12.31. Os dispositivos fabricados neste trabalho demonstram sensibilidade à radiação, o que significa que este material poderá ser utilizado para aplicações de foto deteção.

MEMS devices based on the piezoresistive transduction mechanisms, not only have simple fabrication pro cesses, or can achieve good sensitivity associated with the piezoresistive material used, but also enables the use of simple instrumentation electronics. Due to the low-temperature procedure used to manufac ture MEMS devices (<500 ◦C), there is interest in creating piezoresistive materials that are compatible with MEMS fabrication techniques. The development of low-temperature piezoresistive materials not only provides compatibility with standard Silicon-based MEMS fabrication processes, but also enables the ex ploration of such material in other types of substrates, like flexible, polymer-based ones, opening the door for many device applications. This work presents the fabrication of a piezoresistive material, polycrystalline silicon, by a metal in duced crystallization process mediated by AlSiCu at temperatures as low as 450 ◦C. It is the first time, to the best of the author’s knowledge, that this alloy has been used as crystallization catalyst. The material was obtained on top of a Si wafer, and the fabrication conditions were varied in order to obtain a crystalline film at the lowest temperature possible. The feasibility of developing flexible devices with poly-Si was then investigated by testing the crystallization technique on top of a polymeric layer. The material showed a similar structure to the one obtained on top of the Si wafer and could be patterned without flaking from the polymeric layer. In a posterior phase, some test devices were designed and fabricated to allow the electrical and mechanical characterization of the material. The poly-Si developed shows a Temperature Coefficient of Resistance (TCR) of -0.000298 /◦C and a Gauge Factor (GF) of 12.31. The devices fabricated in this work also show sensitivity to radiation, meaning that the developed material can be posteriorly used for photo-detection applications.