SiCer - an innovative substrate material for MEMS

Abstract
Eine neue Systemintegrationstechnologie zur Kombination eines LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic)-Foliensystems und eines nanostrukturierten Siliziumwafers zu einem Verbundsubstrat SiCer' wird vorgestellt. Die neuartige Systemintegration ermöglicht es, die Vorteile der Silizium- und Keramik-Technologie zu kombinieren. Die derzeitigen Konzepte zur Verbindung keramischer Substrate mit Siliziumwafern erfordern die Anwesenheit von Verbindungsmaterialien wie Glasfritten, Loten oder Klebstoffen. Alternativ kann über das anodische Bonden ein spezielles LTCC-Substrat, welches im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den des Siliziums angepasst ist, mit einem Siliziumwafer verbunden werden. Dieser Prozess erfordert eine kostenintensive Politur der Keramikoberfläche, welche durch die Verwendung der hier vorgestellten Verbindungstechnologie entfällt. Wahrend eines Standard-Laminationsprozesses wird der bereits vorstrukturierte Siliziumwafer oder Einzelkomponenten desselben ohne Hilfsstoffe mit einem keramischen Träger vor dem Sintern verbunden. Schwarzes Silizium (auch bekannt als Black Silicon', eine durch Selbstmaskierung im Plasmaätzprozess entstehende nanoskalige Funktionalisierung der Si-Oberflache) wird mit einer keramischen Grünfolie verpresst und anschließend druckgesintert. Der dabei entstehende Werkstoffverbund mit nanoskaligem Interface führt zu einer extrem belastbaren Verbindung, die die Festigkeit einer Bondverbindung bei weitem übersteigt.
A smart concept for micro-nano-integration based on a new bonding technique between nano-scaled, modified BSi (Black Silicon) and an adapted, unfired LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) substrate (BGK) is presented. The novel technique combines advantages of silicon and ceramic technology. Current bonding concepts of silicon on ceramics need joining materials like solders, adhesives or glass frits. Alternatively, silicon components can be mounted to a TCE-matched (thermal coefficient of expansion) and fired LTCC substrate using anodic bonding, which requires expensive surface preparation such as polishing. This step is eliminated by the use of the new technique. During a standard lamination process a self-organized, nanostructured, grass-like silicon surface is joined with the green ceramic tape. Pressure assisted sintering allows the cofiring of the laminate. Dense contact between the Black Silicon surface and the ceramic is achieved by optimization of the nano-interface and the lamination procedure. Hermeticity and gas-tightness of the interface are given.