專(zhuān)利名稱(chēng)：包括電源及電源保護(hù)裝置的微型或納米電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括呈沉積在襯底上的薄膜的形式的電源以及用于保護(hù)該電源免受環(huán)境大氣影響的裝置。
背景技術(shù)：
呈沉積在襯底上的薄膜形式的電源包括與環(huán)境大氣反應(yīng)的元件，并且能夠造成電源的快速惡化。構(gòu)成微電池(micro-battery)的負(fù)極的金屬鋰?yán)缗c空氣接觸而快速氧化，特別是在潮濕的情況下。因此，在微電子設(shè)備中所必需的是利用一種與其使用兼容的、有效的保護(hù)來(lái)保護(hù)這些電源免受環(huán)境空氣的影響。
美國(guó)專(zhuān)利5,561,004描述了一種薄膜式鋰電池，其利用至少一個(gè)附加層保護(hù)薄膜式鋰電池免受外部大氣的影響。該保護(hù)層以薄膜的形式直接沉積在電池的鋰電極上，以便全部覆蓋該電極的露出部分。用于形成這些保護(hù)層的材料為金屬、陶瓷、陶瓷金屬組合物、聚對(duì)亞苯基二甲基金屬(parylene-metal)組合物、聚對(duì)亞苯基二甲基陶瓷(parylene-ceramic)組合物或者聚對(duì)亞苯基二甲基陶瓷金屬(parylene-ceramic-metal)組合物。這種涂層提供電池化學(xué)保護(hù)，但不提供防止機(jī)械侵入物的保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改善包括形成在襯底上的微型或納米電子器件的安全性。
根據(jù)本發(fā)明，利用根據(jù)所附權(quán)利要求書(shū)的器件實(shí)現(xiàn)該目的，更具體地是利用以下事實(shí)該保護(hù)裝置包括密封的腔體，其中設(shè)置有未被保護(hù)的電源，任何環(huán)境大氣滲入該密封的腔體從而由于氧化造成電源的損壞，由此使得該器件無(wú)法工作。
該腔體可以處于真空狀態(tài)或者填充有惰性氣體。
根據(jù)本發(fā)明的一新裝置，該器件包括設(shè)置在腔體內(nèi)部并探測(cè)腔體內(nèi)壓力變化的壓力傳感器以使當(dāng)壓力變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)該器件無(wú)法工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一新裝置，該腔體填充有由硅樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、聚合物、易熔玻璃或者從銦、錫、鉛或它們的合金選出的金屬。
該電源可以由微電池或者微超級(jí)電容(micro-supercapacitance)形成。


通過(guò)以下只是作為非限制性示例并在附圖中加以表示的本發(fā)明的具體實(shí)施例，其它優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加顯而易見(jiàn)，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的器件的第一實(shí)施例；圖2示出了在腔體被封閉之前，根據(jù)本發(fā)明的器件的第二實(shí)施例；圖3表示根據(jù)圖2的器件的腔體的封閉的特定實(shí)施例；圖4表示可以構(gòu)成該電源的微超級(jí)電容；圖5示出了使得該器件無(wú)法工作的特定實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1表示一器件，其中一電源形成在集成電路1上，而集成電路1自身形成在絕緣襯底2上。該電源被設(shè)計(jì)成提供集成電路1的元件的至少一部分。在一替換實(shí)施例(未示出)中，該電源和集成電路被并排設(shè)置在襯底2上。當(dāng)電源形成在集成電路上時(shí)，集成電路的頂層可以用作襯底。但是，集成電路的頂層的形貌(不平表面)和/或密度可能不適合實(shí)現(xiàn)呈現(xiàn)電源所需的電氣特性的附加層。在一優(yōu)選實(shí)施例中，中間絕緣層3沉積在集成電路上并用作支撐電源的不同元件的襯底。沉積在集成電路上的中間絕緣層3足夠厚，以便在形成電源前如果需要能夠在其頂面上被平坦化。該中間絕緣層可以由礦物材料(玻璃、SiO2等)或有機(jī)材料(聚合物、環(huán)氧樹(shù)脂(epoxy)等)制成。它的平坦化可以通過(guò)機(jī)械或機(jī)械化學(xué)裝置(例如通過(guò)拋光)實(shí)現(xiàn)。如果中間絕緣層利用液體裝置形成在集成電路上，平坦的中間絕緣層也可以直接獲得。平坦的中間絕緣層優(yōu)選地覆蓋整個(gè)集成電路2和襯底1(圖1)。該電源隨后制作在用作襯底的中間絕緣層3上。
由任何適合的公知材料制成的襯底2特別可以是硅、玻璃、塑料襯底等。集成電路1也可以以公知的方式制成，利用任何類(lèi)型的用于集成半導(dǎo)體制造的技術(shù)。
電源可以由微電池形成，其厚度包括在7μm和30μm之間(優(yōu)選為大約15μm)，例如通過(guò)傳統(tǒng)化學(xué)汽相沉積(CVD)或者物理汽相沉積(PVD)技術(shù)形成的鋰微電池。薄膜式的這種微電池在文件WO-A98/48467和US-A-5,561,004中特別地被描述了。
以公知的方式，微電池的工作原理是基于微電池的正極中堿金屬離子或質(zhì)子的插入和抽出，優(yōu)選地為來(lái)自金屬鋰電極的鋰離子Li+。微電池由利用CVD或PVD獲得的疊層形成，分別構(gòu)成兩個(gè)電流收集極4a和4b、正極5、電解質(zhì)6和負(fù)極7。
集成電路1的焊盤(pán)8a和8b的連接、集成電路頂部的安裝通過(guò)中間絕緣層3以便與構(gòu)成微電池的連接盤(pán)的電流收集極4a和4b連接。由此通過(guò)所述形成連接盤(pán)的相關(guān)層之間的金屬連接實(shí)現(xiàn)集成電路與微電池之間的電連接。由微電池形成的電源因而供給集成電路1的至少一部分元件，微電池形成在集成電路1上。
微電池1的元件可以由各種材料制成-例如金屬電流收集極4a和4b可以是鉑(Pt)、鉻(Cr)、金(Au)或鈦(Ti)基的。
-正極5可以由LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、CuS、CuS2、WOySz、TiOySz、V2O4或V3O8以及這些釩氧化物和金屬硫化物的鋰化合物。
-電解質(zhì)6是良好的離子導(dǎo)體和電絕緣體，可以由硼、鋰氧化物或鋰鹽基的玻璃質(zhì)材料形成。
-負(fù)極7可以由通過(guò)熱蒸發(fā)沉積的金屬鋰、通過(guò)鋰基金屬合金或者通過(guò)SiTON、SnNx、InNx、SnO2等類(lèi)型的插入化合物來(lái)形成。
依賴(lài)于所使用的材料，微電池的工作電壓包括在2V和4V之間，并具有大約100μAh/cm2的表面電容。微電池的充電僅需要幾分鐘的充電。
必需的是防止元件，更具體地為電源，受到周?chē)h(huán)境的影響。包括在微電源的構(gòu)件中的某些元件實(shí)際上對(duì)大氣條件敏感。特別地，構(gòu)成微電池負(fù)極的金屬鋰接觸空氣、特別是潮濕的情況下快速氧化。
美國(guó)專(zhuān)利第5,561,004號(hào)中描述的用于防止以薄膜形式獲得的鋰電池接觸外部大氣的涂層提供了電池的化學(xué)保護(hù)，但沒(méi)有提供防止機(jī)械類(lèi)型侵入物進(jìn)入器件的保護(hù)。
根據(jù)本發(fā)明，該器件包括密封的腔體9，其中設(shè)置有所需保護(hù)的器件的部件，也即，至少為電源。在圖1至3中，電源和集成電路1被完全容納于腔體9中。集成電路和電源可以獨(dú)立地設(shè)置或者以組件的形式設(shè)置在腔體9中，但是優(yōu)選地被直接制作在腔體中，其底部用作襯底。
在第一實(shí)施例中，由圖1表示，腔體9由蓋子10封閉，蓋子10密接在所需保護(hù)的元件上方，更具體地，密接在微電池的上方。所述蓋子優(yōu)選地由硅、金屬、聚合物、環(huán)氧樹(shù)脂或者玻璃板形成，其中腔體9被蝕刻。蓋子10被固定到襯底2上或者被固定到用作微電池襯底的中間板3上，以便包住所需保護(hù)的該元件的部件。在圖1中，腔體9因而被蓋子和中間板3束縛住。除了焊盤(pán)8a和8b之外的連接墊可以設(shè)置在外部上。
可以采用任意能夠?qū)崿F(xiàn)腔體9密封的合適的工具進(jìn)行組裝，具體地通過(guò)粘貼或者通過(guò)陽(yáng)極粘接(anodic bonding)(“Anodic bonding below 180℃ forpackaging and assembling of MEMS using lithium”，Shuichi Shoji，D.E.C.E.，Waseda University，3-4-1，ohkubo，Shinjuku，Tokyo 169，1997，IEEE)?？梢岳檬孪瘸练e在所要組裝的至少一個(gè)表面上的聚合物或者環(huán)氧樹(shù)脂膠或者光敏樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)粘貼。根據(jù)另一組裝替換例，粘貼可以利用以珠狀或薄層形式沉積的例如可熔玻璃的可熔材料或者熔點(diǎn)比鋰低的共晶金屬(例如鋰或者鉛-錫合金)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
將蓋子10組裝在襯底2或者在中間絕緣層3上優(yōu)選地在真空中或者在惰性氣體(例如氬氣或氮?dú)?中進(jìn)行，使得電源位于具有中性或者保護(hù)性氣氛的密封腔體中。如果出現(xiàn)侵入物或試圖進(jìn)入的侵入物，包含在腔體中的惰性氣體選出并且環(huán)境大氣進(jìn)入腔體9并直接于所要保護(hù)的部件接觸。由于電源是由反應(yīng)性非常強(qiáng)的材料例如與空氣中的濕氣反應(yīng)的鋰構(gòu)成的，所以任何試圖進(jìn)入到器件中的造成這些材料與大氣接觸的侵入物導(dǎo)致電源的損壞并因此使得該器件無(wú)法工作，這增加了防止未經(jīng)授權(quán)的用戶(hù)試圖接觸集成電路的保護(hù)。將電源集成在與安裝集成電路相同的襯底上的實(shí)際目的是保護(hù)該集成電路，電源至少部分地為集成電路供電。例如對(duì)于智能卡，電源可以用于在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)例如機(jī)密代碼的敏感信息。如果出現(xiàn)侵入物情況下電源的損壞將刪除使得該卡防干擾的信息并因此不能使用。
在第二實(shí)施例中，由圖2表示，在蓋子被封閉之前，腔體9橫向被包圍所有需要保護(hù)的部件的壁11束縛，壁11的高度大于所需保護(hù)的部件的厚度。在第一變型例中，由玻璃制成的壁11形成在襯底2上，其形成利用以下方法絹印、利用自動(dòng)注入器型的注入器注入粉末和前體、利用打印機(jī)針頭中使用的微注入器注入、通過(guò)光刻或注入沉積玻璃或樹(shù)脂珠、或者蝕刻厚層。在第二實(shí)施例中，腔體通過(guò)蝕刻襯底2獲得，集成電路1和電源隨后被嵌在襯底2中。腔體9可以利用固定到壁11上的并由與上述蓋子10相同類(lèi)型的板形成的蓋子以緊密封的方式被封閉。
在另一實(shí)施例中，由圖3表示，腔體9填充有設(shè)計(jì)用來(lái)提高保護(hù)并由硅樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、聚合物、可熔玻璃或者選自銦、錫、鉛或它們的合金中的金屬構(gòu)成的填充材料。為了實(shí)現(xiàn)更好的密封，此外被填充的腔體9可以被附加保護(hù)涂層12覆蓋。后者可以由通過(guò)沉積(例如通過(guò)CVD或PVD)或者通過(guò)粘貼薄的金屬帶獲得的薄的金屬層或絕緣層形成。
所述電源必須提供足夠的電力以在該器件的使用壽命期間進(jìn)行一定數(shù)量的操作，同時(shí)具有盡可能小的尺寸并與集成電路的尺寸兼容，特別與集成電路的厚度(幾十到幾百微米)兼容。
微超級(jí)電容可以構(gòu)成另一適合的電源。這種超級(jí)電容采用與微電池相同類(lèi)型的技術(shù)以薄膜的形式實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，它通過(guò)在最好由硅制成的絕緣襯底2上堆疊分別構(gòu)成底部電流收集極13、底部電極14、電解質(zhì)15、頂部電極16和頂部電流收集極17的層來(lái)形成。
微超級(jí)電容的元件可以由不同的材料制成。電極14和16可以具有由碳或者例如RuO2、IrO2、TaO2或MnO2的金屬氧化物形成的基底。電解質(zhì)15可以是與微電池的電解質(zhì)類(lèi)型相同的玻璃質(zhì)電解質(zhì)。該微超級(jí)電容可以具有大約10μAh/cm2的表面電容并且它的完全充電可以在小于1秒的時(shí)間內(nèi)完成。
微超級(jí)電容的特別的實(shí)施例可以用于由圖4表示的根據(jù)本發(fā)明的器件中。該微超級(jí)電容形成在絕緣硅襯底2上。它在5個(gè)連續(xù)的沉積步驟中形成-在第一步驟中，通過(guò)利用射頻陰極濺射沉積厚度微0.2±0.1μm的鉑層來(lái)形成底部電流收集極13。
-在第二步驟中，在氬氣和氧氣(Ar/O2)的混合物中在室溫條件下通過(guò)反應(yīng)射頻陰極濺射利用金屬釕靶制作由釕氧化物(RuO2)制成的底部電極14。所形成的層具有1.5±0.5μm的厚度。
-在第三步驟中，形成具有1.2±0.4μm厚度的構(gòu)成電解質(zhì)15的層。
這是通過(guò)在部分氮?dú)鈮毫ο虏捎肔i3PO4或0.75(Li2O)-0.25(P2O5)靶的陰極濺射獲得的Lipon型(Li3PO2.5N0.3)的導(dǎo)電玻璃。
-在第四步驟中，由釕氧化物(RuO2)制成的頂部電極以與第二步驟過(guò)程中的底部電極14相同的方法制作。
-在第五步驟中，由鉑制成的頂部電流收集極17以與第一步驟過(guò)程中的底部電流收集極13相同的方法形成。
當(dāng)腔體9未填充有填充材料時(shí)通過(guò)在腔體9內(nèi)安裝壓力傳感器可以進(jìn)一步提高器件的保護(hù)。該壓力傳感器探測(cè)腔體內(nèi)的任何壓力變化并且當(dāng)壓力變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)使該器件無(wú)法工作。無(wú)論比大氣壓力低(真空)或高，腔體的內(nèi)部壓力根據(jù)裝置的質(zhì)量(泄漏等)易隨時(shí)間變化。它隨時(shí)間的演變無(wú)法預(yù)見(jiàn)并且無(wú)法從外部測(cè)量。因此腔體的內(nèi)部壓力構(gòu)成了防干擾標(biāo)志(code)。這種保護(hù)使得在受控的惰性氣氛中進(jìn)行的侵入無(wú)效。
在圖5所示的實(shí)施例中，一般處于開(kāi)啟狀態(tài)的開(kāi)關(guān)18與電源19并聯(lián)。當(dāng)壓力變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)開(kāi)關(guān)18被壓力傳感器自動(dòng)關(guān)閉，隨后將電源19短路使其立即放電從而造成該器件無(wú)法工作。開(kāi)關(guān)18例如可以由壓力傳感器薄膜形成，它的一面在腔體損壞時(shí)接觸大氣壓，由此產(chǎn)生的移動(dòng)使得電源短路。
在一變型例中，未示出，壓力傳感器由電源供電并由集成電路1控制。集成電路1周期性地讀壓力傳感器測(cè)量的壓力值，并通過(guò)差分比較探測(cè)腔體的泄漏或者惡意的侵入物。當(dāng)壓力變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，集成電路1使得該器件無(wú)法工作，例如通過(guò)利用由晶體管形成的電子開(kāi)關(guān)使電源放電。腔體中壓力測(cè)量的頻率被加以調(diào)整以便使侵入物不可能進(jìn)入該器件，同時(shí)限制電能的消耗。
權(quán)利要求
1.一種微型或納米電子器件，包括以薄膜形式沉積在襯底上的電源以及用于保護(hù)該電源免于接觸環(huán)境大氣的裝置，其特征在于，該保護(hù)裝置包括密封腔體(9)，其中設(shè)置有未保護(hù)的電源，任何環(huán)境大氣進(jìn)入該密封腔體中的滲入由于氧化而造成該電源的損壞，由此使得該器件無(wú)法工作。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，該腔體(9)填充有惰性氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，該腔體(9)內(nèi)部處于真空。
4.如權(quán)利要求2或3所述的器件，其特征在于，該器件包括設(shè)置在腔體內(nèi)并探測(cè)腔體內(nèi)壓力變化的壓力傳感器以便當(dāng)壓力變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)使該器件無(wú)法工作。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于，當(dāng)壓力變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)所述壓力傳感器將電源(19)短路。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于，所述腔體(9)被蓋子(10)封閉。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其特征在于，所述蓋子(10)由硅、金屬、聚合物、環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃板形成。
8.如權(quán)利要求7所述的器件，其特征在于，所述腔體(9)在蓋子(10)中被蝕刻。
9.如權(quán)利要求6至8中任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于，所述蓋子(10)通過(guò)粘貼被固定。
10.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述腔體(9)填充有由硅樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、聚合物、可熔玻璃或者選自銦、錫、鉛或它們的合金中的金屬構(gòu)成的填充材料。
11.如權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述被填充的腔體(9)被保護(hù)性涂層(12)覆蓋。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，所述保護(hù)性涂層(12)由利用半導(dǎo)體制造技術(shù)形成的薄層構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，所述保護(hù)性涂層(12)由粘貼到該被填充的腔體上的薄金屬帶構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求1至13中任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于，該腔體(9)通過(guò)在襯底(2)中蝕刻來(lái)形成，所述電源形成在該腔體的底部。
15.如權(quán)利要求1至13中任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于，該腔體(9)橫向被包圍所有需要保護(hù)的部件的壁(11)束縛，所述壁的高度大于需要保護(hù)的部件的厚度。
16.如權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于，所述壁(11)通過(guò)在襯底上的絹印來(lái)形成。
17.如權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于，所述壁(11)通過(guò)在襯底上的注入來(lái)形成。
18.如權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于，所述壁(11)通過(guò)在襯底上的光刻來(lái)形成。
19.如權(quán)利要求1至18中任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于，所述電源由微電池形成。
20.如權(quán)利要求1至18中任一權(quán)利要求所述的器件，其特征在于，所述電源由微超級(jí)電容形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種器件，其包括密封的腔體(9)，其中設(shè)置有由微電池或微超級(jí)電容構(gòu)成的未保護(hù)電源。任何環(huán)境大氣進(jìn)入該密封腔體中的滲入由于氧化而造成該電源的損壞，由此使得該器件無(wú)法工作。腔體(9)可以處于真空下或者填充有惰性氣體。壓力傳感器設(shè)置在腔體內(nèi)并且探測(cè)腔體內(nèi)壓力變化以便當(dāng)壓力變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)使該器件無(wú)法工作。腔體(9)可以采用蓋子(10)封閉或者填充有由硅樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、聚合物、可熔玻璃或者選自銦、錫、鉛或它們的合金中的金屬構(gòu)成的填充材料。
文檔編號(hào)H01L23/20GK1575523SQ02820965
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月22日
發(fā)明者讓·布龍, 拉費(fèi)爾·薩洛特, 海倫·魯奧特, 吉勒斯·波龐 申請(qǐng)人:原子能委員會(huì)