DE102015111498A1

DE102015111498A1 - Verfahren zum Herstellen einer Batterie, Batterie und integrierte Schaltung

Info

Publication number: DE102015111498A1
Application number: DE102015111498.4A
Authority: DE
Inventors: Rafael Janski; Susanne Kräuter; Michael Sorger; Kamil Karlovsky
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2017-01-19
Also published as: US10476112B2; US20170018813A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie (2) weist ein Definieren eines aktiven Bereichs (107) und einer Bondingzone (108) in einer ersten Hauptoberfläche (110) eines ersten Halbleitersubstrats (100), ein Ausbilden eines ersten Grabens (104) in der Bondingzone (108), ein Ausbilden einer Anode (11) am ersten Halbleitersubstrat (100) in dem aktiven Bereich (107) und ein Ausbilden einer Kathode (12) an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger (150, 550, 750, 820, 900) auf. Das Verfahren weist überdies ein Stapeln des ersten Halbleitersubstrats (100) und des Trägers (150, 550, 750, 820, 900), so dass die erste Hauptoberfläche (110) des ersten Halbleitersubstrats (100) auf einer einer ersten Hauptoberfläche (153) des Trägers (150, 550, 750, 820, 900) benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum (130) zwischen dem ersten Halbleitersubstrat (100) und dem Träger (150, 550, 750, 820, 900) ausgebildet wird, und ein Bilden eines Elektrolyten (230) im Hohlraum (130) auf.

Description

HINTERGRUND
Mit dem zunehmenden Einsatz tragbarer elektronischer Vorrichtungen wie zum Beispiel Notebooks, tragbare Telefone, Kameras und andere und mit dem zunehmenden Einsatz stromgetriebener Automobile haben Lithium-Ionen-Sekundärbatterien mit hoher Energiedichte als Leistungsquelle bzw. Stromversorgung Aufmerksamkeit geweckt.
Ferner werden Versuche unternommen, Halbleitervorrichtungen oder halbleiterbasierte Vorrichtungen mit einer integrierten Stromversorgung zu schaffen.
Lithium-Ionen-Sekundärbatterien enthalten typischerweise eine Kathode mit einem Lithium enthaltenden Übergangsmetalloxid oder dergleichen, eine Anode, die typischerweise aus einem Kohlenstoffmaterial besteht, und einen nichtwässrigen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz enthält, sowie einen zwischen der Anode und der Kathode gelegenen Separator.
Um die zunehmenden Ansprüche an Kapazität und Leistung zu erfüllen, sind neue Konzepte für Lithium-Ionen-Batterien wünschenswert, die in einfacher Art und Weise hergestellt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie ein Definieren eines aktiven Bereichs und eines Bondingbereichs bzw. einer Bondingzone in einer ersten Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats, ein Ausbilden eines ersten Grabens in der Bondingzone, ein Ausbilden einer Anode am ersten Halbleitersubstrat in dem aktiven Bereich, ein Ausbilden einer Kathode an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger, ein Stapeln des ersten Halbleitersubstrats und des Trägers, so dass die erste Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats auf einer einer ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet wird, und ein Bilden eines Elektrolyten im Hohlraum auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Batterie ein erstes Halbleitersubstrat mit einer ersten Hauptoberfläche, wobei die erste Hauptoberfläche einen aktiven Bereich und eine Bondingzone aufweist, wobei ein erster Graben in der Bondingzone ausgebildet ist, eine Anode beim ersten Halbleitersubstrat in dem aktiven Bereich, einen ein isolierendes Material aufweisenden Träger, wobei der Träger eine erste Hauptoberfläche aufweist, und eine Kathode am Träger auf. Das erste Halbleitersubstrat und der Träger sind so gestapelt, dass die erste Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats auf einer der ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist, und ein Hohlraum ist zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet. Die Batterie weist ferner einen Elektrolyten im Hohlraum auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie ein Definieren eines aktiven Bereichs und einer Bondingzone in einer ersten Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats, ein Ausbilden einer Anode am ersten Halbleitersubstrat im aktiven Bereich, ein Ausbilden einer Kathode an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger, ein Aufbringen eines Klebstoffs auf die Bondingzone, und ein Stapeln des ersten Halbleitersubstrats und des Trägers auf, so dass die erste Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats auf einer einer ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist und ein Hohlraum zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet wird. Das Verfahren weist ferner ein Härten des Klebstoffs, indem UV-Strahlung auf eine Seitenwand des Trägers angewendet wird, wobei die Seitenwand senkrecht zur ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats ist, und ein Bilden eines Elektrolyten im Hohlraum auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Batterie ein erstes Halbleitersubstrat mit einer ersten Hauptoberfläche, eine Anode am ersten Halbleitersubstrat, einen ein isolierendes Material aufweisenden Träger, wobei der Träger eine erste Hauptoberfläche aufweist, und eine Kathode am Träger sowie eine leitende oder Halbleiterschicht über dem Träger auf, auf einer Seite entgegengesetzt zur ersten Hauptoberfläche des Trägers, wobei die leitende oder Halbleiterschicht sich entlang der gesamten Breite des Trägers erstreckt, wobei die leitende oder Halbleiterschicht mit der Kathode elektrisch gekoppelt ist. Das erste Halbleitersubstrat und der Träger sind so gestapelt, dass die erste Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats auf einer der ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet ist. Die Batterie weist ferner einen Elektrolyten im Hohlraum auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung dieser Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen geben entsprechend ähnliche Teile an.
1A bis 1F veranschaulichen Prozessmerkmale eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie;
2A bis 2D veranschaulichen Details eines Bondingprozesses;
3A und 3B veranschaulichen weitere Details des Bondingprozesses;
4 veranschaulicht ein Beispiel eines Härteprozesses;
5A bis 5D veranschaulichen ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung einschließlich einer Lithium-Ionen-Batterie gemäß einer Ausführungsform;
6A und 6B veranschaulichen integrierte Schaltungen einschließlich einer Lithium-Ionen-Batterie gemäß Ausführungsformen;
7A bis 7C veranschaulichen Flussdiagramme von Verfahren gemäß Ausführungsformen;
8A veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie;
8B veranschaulicht eine integrierte Schaltung gemäß einer Ausführungsform;
9A veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie;
9B veranschaulicht eine integrierte Schaltung gemäß einer Ausführungsform; und
10 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie, wie ”Oberseite”, ”Boden”, ”Vorderseite”, ”Rückseite”, ”vorne”, ”hinten” usw. in Bezug auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Darstellung verwendet und ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem durch die Patentansprüche definierten Bereich abzuweichen.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht begrenzend. Insbesondere können Elemente der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Elementen von verschiedenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Die Begriffe ”Wafer”, ”Substrat” oder ”Halbleiterwafer”, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind zu verstehen, so dass sie Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von Silizium, getragen durch eine Basishalbleiterunterlage, und andere Halbleiterstrukturen einschließen. Der Halbleiter braucht nicht auf Silizium zu beruhen. Der Halbleiter könnte ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) das Halbleitersubstratmaterial bilden.
In dieser Beschreibung bedeuten die Ausdrücke „gekoppelt” und/oder „elektrisch gekoppelt” nicht notwendigerweise eine direkte Kopplung – zwischenliegende Elemente können zwischen den „gekoppelten” oder „elektrisch gekoppelten” Elementen vorliegen. Der Ausdruck „elektrisch verbunden” beabsichtigt die Beschreibung einer niederohmschen elektrischen Verbindung zwischen den elektrisch verbundenen Elementen.
Der Begriff ”lateral” und ”horizontal”, wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder -körpers beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Die bzw. eines Chips sein.
Der Begriff ”vertikal”, wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder Halbleiterkörpers angeordnet ist.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß einer Ausführungsform erläutert. Das Verfahren verwendet ein Halbleitersubstrat. Dementsprechend können allgemeine Halbleiterbearbeitungsverfahren angewendet werden. Zum Beispiel können die Halbleiterbearbeitungsverfahren auf einem Waferniveau durchgeführt werden, um so eine Vielzahl von Batterien parallel herzustellen. Nach Herstellen der Batterien können die einzelnen Batterien isoliert oder getrennt werden, indem ein Wafer-Vereinzelungs- oder -Sägeprozess durchgeführt wird. Zum Beispiel können Verfahren zum Herstellen miniaturisierter Größen effektiv angewendet werden, um eine Batterie mit einer geringen Größe im Vergleich zu herkömmlichen Batterien herzustellen. Ferner können Komponenten integrierter Schaltungen einfach mit der Batterie integriert werden. Die folgende Beschreibung beschreibt eine allgemeine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie. Spezifische Beispiele verwendeter Materialien werden später unter Bezugnahme auf 6A diskutiert werden.
Ein erstes Halbleitersubstrat 100, welches Silizium aufweisen kann, wird bearbeitet, um eine Anode 11 einer Lithium-Ionen-Batterie zu schaffen. Insbesondere kann eine Vertiefung 130 ausgebildet werden, gefolgt von Gräben 125, um eine strukturierte bzw. gemusterte Oberfläche zu schaffen. Zum Beispiel kann die Vertiefung 130 eine Tiefe von 0 bis 200 μm aufweisen. Die Gräben können eine Breite von 15 bis 60 μm, zum Beispiel 25 bis 50 μm, aufweisen. Ferner können die Gräben eine Distanz von 30 bis 100 μm, zum Beispiel 40 bis 80 μm, beispielsweise 50 μm, aufweisen. Ein aktiver Bereich 107 und eine Bondingzone 108 können beispielsweise in der ersten Hauptoberfläche 110 des ersten Substrats definiert werden. Allgemein gesprochen sollen Komponenten zum Implementieren der Funktionalität der Batterie innerhalb des aktiven Bereichs bzw. der aktiven Zone 107 angeordnet werden. Zum Beispiel wird die Anode innerhalb der aktiven Zone 107 angeordnet. Ferner soll der Elektrolyt in oder benachbart zu der aktiven Zone angeordnet werden. Die Vertiefung 130 zum Ausbilden eines Hohlraums wird beispielsweise in der aktiven Zone 107 geschaffen. Die Bondingzone 108 ist überdies an einem Randteil des ersten Halbleitersubstrats oder der resultierenden Batterie angeordnet. Wie unter Bezugnahme auf 3A ausführlicher diskutiert werden wird, kann zum Beispiel die Bondingzone die aktive Zone umschließen. Die aktive Zone 107 kann in einer zentralen Zone des ersten Halbleitersubstrats oder der resultierenden Batterie angeordnet sein.
Eine Rückseitenmetallisierung (Element) 145 kann auf der zweiten Hauptoberfläche 120 des ersten Halbleitersubstrats 100 ausgebildet werden. 1A veranschaulicht eine Querschnittansicht eines Beispiels eines resultierenden ersten Substrats 100.
Ein ein isolierendes Material aufweisender Träger 150 wird dann bearbeitet, um eine Kathode zu bilden. Zum Beispiel kann der Träger 150 ein Glaswafer oder irgendein anderer Wafer sein, der aus einem isolierenden Material besteht. Beispielsweise wird eine Hartmaskenschicht 162 einer ersten Hauptoberfläche 153 und einer zweiten Hauptoberfläche 151 des Trägers 150 benachbart ausgebildet. Die Hartmaskenschicht 162 wird gemustert, um eine Öffnung zum Ätzen einer Öffnung im Glasträger zu schaffen (1B).
Danach wird ein Ätzschritt, zum Beispiel unter Verwendung von HF (Fluorwasserstoffsäure bzw. Flusssäure) als ein Ätzmittel, durchgeführt, um eine Öffnung 152 im Träger 150 auszubilden. Die Öffnung 152 wird so ausgebildet, dass sie sich von der ersten Hauptoberfläche 153 zur zweiten Hauptoberfläche 151 erstreckt (1C).
Nach Entfernen der Reste der Hartmaskenschicht 162 kann ein planares zweites Substrat 155 mit einem Halbleiter- oder leitfähigen Material mit dem Träger, zum Beispiel unter Verwendung eines anodischen Bondens oder eines anderen Bondingverfahrens, das zum Bonden planarer Oberflächen geeignet ist, gebondet werden (1D).
Danach kann eine schützende leitfähige Schicht 157 wie etwa eine Aluminiumschicht auf der Oberfläche der resultierenden Öffnung 152 ausgebildet werden. Jedes beliebige Material, das einen Kontakt der Lithiumquelle und des Materials des zweiten Substrats 155 verhindern kann, kann als das Material der schützenden leitenden Schicht 157 verwendet werden. Aufgrund des Vorhandenseins der schützenden leitfähigen Schicht 157 kann eine Diffusion der Lithiumatome in dem Material des zweiten Substrats 155 verhindert werden. Dies ist nützlich in dem Fall, in dem das zweite Substrat 155 ein Halbleitermaterial aufweist. 1E zeigt eine Querschnittansicht einer resultierenden Struktur.
Eine leitfähige Schicht 158 wird auf der Oberseite des zweiten Substrats 155 ausgebildet, um einen elektrischen Kontakt zu schaffen. Ferner wird eine Lithiumquelle 159 in die Öffnung 152 gefüllt. Wenn das erste Substrat 100 und der Träger 150 zusammengebaut werden, wird ein Hohlraum 154 geschaffen. Gemäß der Ausführungsform wird der Hohlraum 154 zwischen dem ersten Substrat 100, dem Träger 150 und dem Halbleiterwafer 155 ausgebildet. Ein Elektrolyt 230 und ein Separatorelement 235 werden in den Hohlraum 154 gefüllt. Danach wird die erste Hauptoberfläche 153 des ersten Trägers 150 an die erste Hauptoberfläche 110 des ersten Substrats 100 wie durch die abwärts gewandten Pfeile in 1F angezeigt gebondet. Dies kann zum Beispiel unter Verwendung eines UV-härtbaren Klebstoffs bewerkstelligt werden.
Der Prozess zum Bonden des Trägers an das erste Substrat 100 wird unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren detaillierter erläutert. Gräben 104, 105 sind in der ersten Hauptoberfläche 110 der Bondingzone 108 definiert. Zum Beispiel kann nur ein Graben 104 gebildet werden, wie in 2A gezeigt ist. Der Graben 104 kann zum Beispiel der aktiven Zone 107 benachbart oder einem Randteil des ersten Halbleitersubstrats 100 benachbart angeordnet sein. Der Graben 104 kann so ausgebildet sein, dass er die aktive Zone 107 durchgehend umgibt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Graben 104 unterbrochen sein.
2B zeigt eine Ausführungsform, gemäß der ein erster Graben 104 der aktiven Zone 107 benachbart angeordnet ist und ein zweiter Graben 105 der lateralen Grenze des ersten Halbleitersubstrats oder der resultierenden Batterie benachbart angeordnet ist. Die Gräben 104, 105 können beispielsweise durch Ätzen, zum Beispiel Nassätzen oder Plasmaätzen, geschaffen werden. Die Gräben 104, 105 können zum Beispiel eine Tiefe von annähernd 100 bis 300 μm, zum Beispiel 150 bis 250 μm, aufweisen. Eine Breite kann von 150 bis 250 μm oder 450 bis 550 μm, zum Beispiel 470 bis 520 μm, betragen. Wenn sie durch Plasmaätzen geschaffen werden, können sie eine Breite und eine Tiefe wie oben angegeben aufweisen. Gemäß einer anderen Ausführungsform können sie eine Tiefe von annähernd 30 bis 80 μm, zum Beispiel 40 bis 60 μm, haben. Eine Breite der Gräben kann 20 bis 40 μm, zum Beispiel 25 bis 35 μm, betragen. Eine Distanz zwischen den Gräben kann 2 bis 3 mm betragen, falls sie eine Tiefe von mehr als 100 μm aufweisen. Falls sie eine Tiefe von weniger als 100 μm aufweisen, kann eine Distanz annähernd 1 bis 2 mm, zum Beispiel 1,6 mm, betragen.
2C zeigt einen Klebstoff, der auf die erste Hauptoberfläche 110 des ersten Substrats 100 aufgebracht ist. Zum Beispiel kann der Klebstoff unter Verwendung von UV-Strahlung nach Zusammenbau der Batterie gehärtet werden. Der Klebstoff kann in gemusterter Art und Weise aufgebracht werden. Insbesondere kann der Klebstoff lokal, zum Beispiel durch einen Druckprozess wie etwa Siebdruck, Schablonendruck oder Tintenstrahldruck, aufgebracht werden. Als Konsequenz ist kein separates Mustern des Klebstoffs notwendig. Ferner kann die Menge an Kleber perfekt eingestellt werden, und eine Topografie im Substrat kann reduziert werden. Wenn das erste Substrat 100 an den Träger 150, wie durch die Pfeile in 1F angezeigt ist, gebondet wird, kann unnötiger Kleber in den Gräben gesammelt werden. Als Konsequenz wird verhindert, dass sich Kleber mit dem Elektrolyt mischt, was nützlich sein kann, falls der Elektrolyt ein flüssiger Elektrolyt ist. Aufgrund des Vorhandenseins der Gräben 105 kann ferner der unnötige Kleber in den zweiten Gräben 105 gesammelt werden. Dadurch kann die Ausbildung einer Sägespur (engl.: sawing track) zwischen Anode und Kathode und zwischen benachbarten Batteriestapeln verhindert werden, und der Sägeprozess nach Abschluss der Herstellung der Batterie kann weiter vereinfacht werden.
2D zeigt eine Ausführungsform, gemäß der der Klebstoff lokal ohne Ausbilden der Gräben 104, 105 aufgebracht ist. Auch gemäß dieser Ausführungsform weist das Verfahren zum Bonden des ersten Substrats 100 an den Träger 150 den Vorteil auf, dass nach Aufbringen des Klebstoffs kein Musterprozess zum Mustern des Klebstoffs notwendig ist.
3A veranschaulicht eine Draufsicht des ersten Substrats nach einem lokalen Aufbringen des Klebstoffs 160, zum Beispiel durch einen Druckprozess, wohingegen 3B eine Draufsicht nach einem Bonden des Substrats 100 an den Träger 150 veranschaulicht. Wie dargestellt ist, umschließen die Gräben 104, 105 die aktive Zone 107. Der erste Graben 104 ist der aktiven Zone 107 benachbart angeordnet, wohingegen der zweite Graben 105 bei einem äußeren Randteil der Bondingzone 108 angeordnet ist. Der Klebstoff 160 ist zwischen dem ersten Graben 104 und dem zweiten Graben 105 angeordnet. Nach Durchführen des Bondingprozesses hat sich der Klebstoff verbreitet bzw. verschmiert und wurde in den Gräben 104, 105 gesammelt. Als Konsequenz mischt sich der Klebstoff nicht mit dem Elektrolyt, noch verbreitet sich der Klebstoff 160 außerhalb der Bondingzone oder außerhalb des ersten Halbleitersubstrats.
Aufgrund des Vorhandenseins der ersten und zweiten Gräben kann die Batterie besser gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit geschützt werden. Zum Beispiel wird die Diffusionslänge für Feuchtigkeit vergrößert. Ferner kann der in den Gräben vorhandene Klebstoff Feuchtigkeit absorbieren. Als Konsequenz wird verhindert, dass Feuchtigkeit in die Batterie eindringt, wodurch die Lebensdauer der Batterie erhöht werden kann. Aufgrund des Merkmals, dass der Klebstoff nur lokal aufgebracht wird, können überdies Klebstoffstränge bzw. -fäden sehr dünn sein, wodurch Möglichkeiten für die Feuchtigkeit, in die Batterie einzudringen, reduziert werden können.
Klebstoffe, welche unter Verwendung von UV-Strahlung gehärtet werden können, können im Vergleich zu thermisch härtbaren Klebstoffen bei reduzierten Temperaturen ausgehärtet werden.
Dementsprechend wird der Wärmehaushalt der Batterie nicht herausgefordert bzw. beeinträchtigt (engl.: challenged). Zum Beispiel können Acrylatklebstoffe verwendet werden. Diese Klebstoffe können zum Beispiel keine Lösungsmittel enthalten, so dass das Lösungsmittel nicht mit dem Elektrolyt, zum Beispiel dem flüssigen Elektrolyt, reagieren kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann UV-Strahlung zum Härten des Klebstoffs über eine Seitenwand des ein isolierendes Material aufweisenden Trägers eingeführt werden. 4 zeigt ein Beispiel einer entsprechenden Gestaltung. Wie dargestellt ist, ist der Träger 150 über dem ersten Halbleitersubstrat 100 gestapelt. Das zweite Substrat 155 ist über den Träger 150 gestapelt. Der UV-härtbare Klebstoff 160 ist zwischen dem ersten Halbleitersubstrat 100 und dem Träger 150 angeordnet. Eine UV-Quelle 103 ist in seitlicher Richtung bezüglich der Stapelrichtung des ersten Halbleitersubstrats 100 und des Trägers 150 angeordnet. Die UV-Quelle 103 emittiert UV-Licht, das entlang der Grenzfläche zwischen dem Träger und dem Klebstoff und ferner entlang dem Träger über die Klebstoffschicht geführt wird. Als Folge ist es möglich, das UV-Licht über den Träger in den inneren Teil des gestapelten Halbleitersubstrats und Trägers einzuführen, was ein Aushärten des Klebstoffs von einem zentralen Teil des Schichtstapels aus erlaubt. Aufgrund des Vorhandenseins des isolierenden Trägers, welcher für das UV-Licht transparent ist, kann das UV-Licht in das Innere des Schichtstapels geführt bzw. gelenkt werden. Eine Bestrahlung mit UV-Strahlung kann zum Beispiel für ungefähr 1 h durchgeführt werden.
5A bis 5D veranschaulichen einen alternativen Prozessablauf zum Herstellen einer Batterie, wenn UV-Licht nicht von einer lateralen Seite, sondern von einer Oberseite des Waferstapels eingeführt wird. Obgleich 5D nur einen Graben 104 zeigt, versteht es sich offensichtlich, dass ein oder mehrere weitere Gräben 107 in der ersten Hauptoberfläche 110 des Halbleitersubstrats 100 ausgebildet sein können. 5A zeigt ein planares zweites Substrat 555 (zum Beispiel ein Halbleitersubstrat oder eine leitfähige Schicht), das ähnlich dem Träger 150 und dem planaren Halbleiterwafer 155, dargestellt in 1D, an einen ein isolierendes Material aufweisenden Träger 550 gebondet ist, nach einem Ätzen einer Öffnung 552 im Träger.
Danach wird eine weitere Hartmaskenschicht 563 auf der Oberseite 556 des zweiten Substrats 555 gebildet. Die Hartmaskenschicht 563 wird gemustert, um eine Hartmaske zu schaffen, wodurch die Randteile des zweiten Substrats 555 unbedeckt bleiben. Ein Ätzschritt zum Ätzen des zweiten Substrats wird dann durchgeführt, um Teile der zweiten Hauptoberfläche 551 des Trägers 550 freizulegen. Aufgrund dieses Musterschritts werden die Randteile der kombinierten Substrate transparent für UV-Licht, was ein Aushärten von der Oberseite aus unter Verwendung eines UV-härtbaren Klebstoffs ermöglicht.
5B zeigt ein Beispiel einer resultierenden Struktur. Gemäß einer Modifikation des oben beschriebenen Verfahrens kann der Träger 550 zuerst gemustert werden, zum Beispiel durch Ätzen der Öffnung 552, gefolgt von einem Anbringen des Trägers 550 an dem zweiten Substrat 555. Gemäß einer Ausführung bzw. Implementierung können die obigen Schritte zum Entfernen eines Randteils des zweiten Substrats 555 in der Art und Weise durchgeführt werden, wie oben beschrieben wurde. Alternativ dazu kann der Träger 550 an das zweite Substrat 555 auf eine Art und Weise angebracht werden, so dass ein Randteil des Trägers 550 nicht durch das zweite Substrat 555 bedeckt ist.
Danach kann eine schützende leitfähige Schicht 557 wie etwa eine Aluminiumschicht auf der Oberfläche der resultierenden Öffnung 552 ausgebildet werden. Jedes beliebige Material, das einen Kontakt der Lithiumquelle und des Materials des zweiten Substrats 555 verhindern kann, kann als das Material der schützenden leitfähigen Schicht 557 genutzt werden. Aufgrund des Vorhandenseins der schützenden leitfähigen Schicht 557 kann eine Diffusion der Lithiumatome im zweiten Substrat 555 verhindert werden, was nützlich ist, wenn das zweite Substrat 555 ein Halbleitermaterial aufweist. 5C zeigt ein Beispiel einer resultierenden Struktur.
Eine leitfähige Schicht 558 wird auf der Oberseite des zweiten Substrats 555 ausgebildet, um einen elektrischen Kontakt zu schaffen, während die Randteile der Oberseite des Trägers 550 unbedeckt bleiben. Ferner wird die Lithiumquelle 559 in die Öffnung 552 gefüllt. Wenn das erste Halbleitersubstrat 100, der Träger 550 und das zweite Substrat 555 zusammengebaut werden, wird ein Hohlraum 554 geschaffen. Der Elektrolyt 230 und das Separatorelement 235 werden in den Hohlraum 554 gefüllt. Danach wird die erste Hauptoberfläche 553 des Trägers 550 an die erste Hauptoberfläche 110 des ersten Substrats 100 gebondet, wie durch die abwärts gewandten Pfeile in 5D angezeigt ist. Dies kann zum Beispiel bewerkstelligt werden unter Verwendung eines UV-härtbaren Klebstoffs in der Art und Weise, wie oben unter Bezugnahme auf 2A bis 2D, 3A und 3B erläutert worden ist. Danach wird ein Härteschritt unter Verwendung von UV-Strahlung durchgeführt. Wie in 5D veranschaulicht ist, kann dieser Härteschritt von der Oberseite des zweiten Substrats 555 aus durchgeführt werden.
6A zeigt eine Querschnittansicht eines Beispiels einer Batterie 2 gemäß einer Ausführungsform. Die Batterie 2 von 6A kann als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt sein.
Die in 6A dargestellte Batterie 2 weist ein erstes Halbleitersubstrat 100 mit einer ersten Hauptoberfläche 110 auf, wobei die erste Hauptoberfläche 110 einen aktiven Bereich 107 und eine Bondingzone 108 aufweist, wobei ein erster Graben 104 in der Bondingzone 108 ausgebildet ist. Die Batterie weist ferner eine Anode 11 am ersten Halbleitersubstrat 100 im aktiven Bereich 107 der ersten Hauptoberfläche 110 des ersten Halbleitersubstrats 100 auf. Die Batterie umfasst ferner einen ein isolierendes Material aufweisenden Träger 150, wobei der Träger 150 eine erste Hauptoberfläche 153 aufweist. Die Batterie weist eine Kathode 12 am Träger 150 auf. Das Halbleitersubstrat 100 und der Träger 150 sind so gestapelt, dass die erste Hauptoberfläche 110 des ersten Halbleitersubstrats auf einer der Hauptoberfläche 153 des Trägers 150 benachbarten Seite angeordnet ist. Ein Hohlraum 153 ist zwischen dem Halbleitersubstrat 100 und dem Träger 150 ausgebildet. Ferner weist die Batterie einen Elektrolyten 230 im Hohlraum 130 auf.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Batterie überdies einen zweiten Graben 105 in der Bondingzone 108 aufweisen.
Gemäß allen Ausführungsformen kann die Anode 11 mit dem ersten Halbleitersubstrat integral bzw. einteilig ausgebildet sein und ein Halbleitermaterial aufweisen. Das erste Halbleitersubstrat kann ein Siliziumsubstrat sein. Beispielsweise kann die Anode 11 Siliziummaterial aufweisen, welches monokristallin, polykristallin oder amorph sein kann. Das Siliziummaterial kann mit einem beliebigen Dotierstoff, wie er gewöhnlich genutzt wird, dotiert sein, wie etwa Bor (B), Arsen (As), Phosphor (P), Antimon (Sb), Gallium (Ga), Indium (In) oder Selen (Se). Die aktive Siliziumoberfläche der Anode 11 kann planar oder gemustert sein. Zum Beispiel können dreidimensionale Strukturen wie Gräben, Pyramiden und Säulen in der Oberfläche der Anode ausgebildet sein.
Die Kathode 12 ist am Träger ausgebildet. Beispielsweise kann die Kathode einer Oberseite oder einer Unterseite des Trägers benachbart ausgebildet sein. Die Kathode kann auf einem Unterlagenelement ausgebildet sein, das am Träger angebracht ist. Die Kathode kann ein oder mehrere Kathodenmaterialen aufweisen. Als ein Kathodenmaterial 159 können allgemein bekannte Materialien verwendet werden, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, wie etwa LiCoO₂, LiNiO₂, LiNi_1-xCo_xO₂, Li(NiO_0,85Co_0,1Al_0,05)O₂, Li(Ni_0,33Co_0,33Mn_0,33)O₂, LiMn₂O₄-Spinell und LiFePO₄. Als ein weiteres Beispiel kann die Kathode eine Matrix aus NiCoAl-Oxid (NCA) aufweisen, das eingelagertes Lithium enthält. Die die Kathode bildenden Materialien können als eine über einem geeigneten Substrat oder dem Träger ausgebildete Schicht ausgeführt sein.
Der Träger 150 weist ein isolierendes Material auf. Beispielsweise kann der Träger 150 aus dem isolierenden Material wie zum Beispiel einem isolierenden Polymer oder Glas bestehen. Alternativ dazu kann der Träger mehrere Schichten aufweisen, die eine isolierende Schicht enthalten.
Der Elektrolyt 230 kann Elektrolyte einschließen, die gewöhnlich für Lithiumbatterien genutzt werden, wie etwa LiPF₆, LiBF₄ oder Salze, welche Fluor nicht enthalten, wie etwa LiPCl₆, LiClO₄, in wasserfreien protonenfreien Lösungsmitteln wie zum Beispiel Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxymethan, Ethylencarbonat, Diethylcarbonat und andere, Polymere, zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder andere Polymere, feste Elektrolyte wie etwa Li₃PO₄N und andere. Flüssige Elektrolyte können zum Beispiel genutzt werden, beispielsweise Elektrolyte, die hohe Temperaturen, die höher als 80°C sind, nicht aushalten. Wie sich offensichtlich versteht, können auch feste oder flüssige Elektrolyte verwendet werden, die höhere Temperaturen als 80°C aushalten. Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden wird, können, falls fluorfreie Salze und fluorfreie Lösungsmittel als Elektrolyte verwendet werden, Probleme vermieden werden, wenn das Gehäuse der Batterie aus Glas bestehende Komponenten enthält.
Das Separatorelement 235 trennt die Anode 11 und die Kathode 12 räumlich und elektrisch voneinander.
Der Separator 235 sollte für die Ionen permeabel sein, so dass eine Umwandlung der gespeicherten elektrischen Energie in elektrische Energie erreicht werden kann. Beispiele des Materials des Separatorelements 235 umfassen Vliesmaterial, das aus Materialien wie zum Beispiel Fiberglas, Polyethylen oder mikroporösen Materialien besteht. Ferner können Membranen verwendet werden, welche aus einem mikroporösen Blatt bestehen, das mehrere Schichten aufweisen kann. Weitere Beispiele umfassen Vliesmaterial, welches mit einem keramischen Material beschichtet ist. Wie sich offensichtlich versteht, kann man auf das Separatorelement 235 verzichten, wenn beispielsweise der Elektrolyt ein fester Elektrolyt ist.
Die Batterie 2 kann eine wiederaufladbare oder sekundäre Lithium-Ionen-Batterie sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Batterie eine Primärbatterie sein, welche nicht wiederaufladbar ist. Die hierin beschriebene Batterie 2 weist eine verbesserte Kapazität zur Energiespeicherung auf, da Silizium eine große Kapazität zur Einlagerung von Lithium aufweist. Mit anderen Worten, die Menge an Lithiumatomen, die in Silizium gespeichert oder eingelagert werden kann, ist viel größer als in herkömmlichen Fällen. Da – wie im Folgenden diskutiert werden wird – das erste Substrat ein Halbleitermaterial aufweisen kann, können allgemeine Halbleiterbearbeitungsverfahren verwendet werden. Insbesondere können Verfahren zum Herstellen miniaturisierter Größen effektiv angewendet werden, um eine Batterie mit einer geringen Größe im Vergleich zu herkömmlichen Batterien herzustellen. Ferner können Komponenten einer integrierten Schaltung 1 leicht mit der Batterie 2 integriert werden.
Die in 6A dargestellte integrierte Schaltung 1 kann beispielsweise überdies verschiedene Schaltungselemente 340 wie etwa leitfähige Leitungen 341, 344, Widerstände 342, Transistoren 343 und weitere Schalter aufweisen.
Die Schaltungselemente 340 können in oder auf einem beliebigen Halbleitermaterial angeordnet sein. Zum Beispiel können sie der zweiten Hauptoberfläche 120 des ersten Substrats 100 benachbart oder der zweiten Hauptoberfläche 152 des zweiten Substrats 155 benachbart angeordnet sein.
Allgemein können die Länge und Breite der Batterie in einem Bereich von 5 bis 15 mm liegen. Eine Fläche der Batterie kann zum Beispiel annähernd 10 mm × 10 mm betragen. Die Länge und die Breite des aktiven Bereichs bzw. der aktiven Zone 107 können im Bereich von 3,5 bis 5,5 mm liegen. Zum Beispiel kann eine Fläche der aktiven Zone 107 annähernd 4,5 mm × 4,5 mm betragen. Die Form der Batterie und der aktiven Zone 107 müssen nicht quadratisch sein.
Gemäß der in 6A gezeigten Ausführungsform erstrecken sich das zweite Substrat 155 und/oder die leitfähige Schicht 158 lateral bis zur gleichen Breite wie das erste Halbleitersubstrat 100. Das zweite Substrat 155 und/oder die leitfähige Schicht 158 können zum Beispiel über dem Träger 150 und dem ersten Halbleitersubstrat 100 gestapelt sein, so dass sie die Bondingzone 108 bedecken. In diesem Fall kann der Klebstoff zum Bonden des Trägers 150 an das erste Halbleitersubstrat 100 durch laterales Einstrahlen von UV-Strahlung gehärtet werden.
Dementsprechend kann die Batterie 2 als ein erstes Halbleitersubstrat 100 mit einer ersten Hauptoberfläche 110 aufweisend definiert sein. Die Batterie weist ferner eine Anode 11 beim ersten Halbleitersubstrat 100 auf. Die Batterie enthält überdies einen ein isolierendes Material aufweisenden Träger 150, wobei der Träger 150 eine erste Hauptoberfläche 153 aufweist. Die Batterie weist eine Kathode 12 beim Träger 150 und eine leitende oder Halbleiterschicht 155, 158 über dem Träger auf einer Seite entgegengesetzt zur ersten Hauptoberfläche des Trägers 150 und elektrisch gekoppelt mit der Kathode auf. Die leitende oder Halbleiterschicht 155, 158 erstreckt sich lateral entlang der gesamten Breite des Trägers. Das Halbleitersubstrat 100 und der Träger 150 sind so gestapelt, dass die erste Hauptoberfläche 110 des ersten Halbleitersubstrats auf einer der ersten Hauptoberfläche 153 des Trägers 150 benachbarten Seite angeordnet ist. Ein Hohlraum 130 ist zwischen dem Halbleitersubstrat 100 und dem Träger 150 ausgebildet. Die Batterie weist überdies einen Elektrolyten 230 im Hohlraum 130 auf. Die leitfähige Schicht kann zum Beispiel als das zweite Substrat 155 oder eine leitfähige Schicht 158 über dem zweiten Substrat 155 implementiert bzw. ausgeführt sein.
6B zeigt eine Ausführungsform einer Batterie 2 oder einer integrierten Schaltung 1, die unter Verwendung des Verfahrens hergestellt werden können, das unter Bezugnahme auf 5A bis 5D beschrieben wurde, das heißt indem UV-Strahlung von der Oberseite eingestrahlt wird. Wie veranschaulicht ist, erstrecken sich die leitfähige Schicht 558 und das zweite Substrat 555 nicht ganz über die Bondingzone 108. Näher beschrieben wird zumindest ein Randteil der Bondingzone 108 nicht durch die leitfähige Schicht 558 und die Halbleiterschicht 555 bedeckt, um so zu ermöglichen, dass UV-Strahlung die Bondingzone von der Oberseite bestrahlt. Die Batterie 2 oder integrierte Schaltung 1 kann ferner einen ersten und optional einen zweiten Graben 104, 105 in der Bondingzone 108 aufweisen.
7A bis 7C veranschaulichen Beispiele von Verfahren zum Herstellen einer Batterie.
Wie in 7A gezeigt ist, weist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie ein Definieren eines aktiven Bereichs und einer Bondingzone in einer ersten Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats (S700), ein Ausbilden eines ersten Grabens (S710) in der Bondingzone, ein Ausbilden einer Anode an dem ersten Halbleitersubstrat in dem aktiven Bereich (S720), ein Ausbilden einer Kathode an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger (S730), ein Stapeln des ersten Halbleitersubstrats und des Trägers (S740), so dass die erste Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats auf einer einer ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet wird, und ein Bilden eines Elektrolyten im Hohlraum (S750) auf.
Wie in 7B gezeigt ist, weist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie ein Definieren eines aktiven Bereichs und einer Bondingzone in einer ersten Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats (S800), ein Ausbilden einer Anode an dem ersten Halbleitersubstrat (S810) im aktiven Bereich, ein Ausbilden einer Kathode an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger (S820), ein Aufbringen eines Klebstoffs auf die Bondingzone (S830), ein Stapeln des ersten Halbleitersubstrats und des Trägers, so dass die erste Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats auf einer einer ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist (S840), wobei ein Hohlraum zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet wird, ein Härten des Klebstoffs, indem UV-Strahlung auf eine Seitenwand des Trägers angewendet wird (S850), wobei die Seitenwand senkrecht zur ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats ist, und ein Bilden eines Elektrolyten im Hohlraum (S860) auf.
Wie in 7C gezeigt ist, weist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie ein Definieren eines aktiven Bereichs und einer Bondingzone in einer ersten Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats (S900), ein Ausbilden einer Anode an dem ersten Halbleitersubstrat (S910) im aktiven Bereich, ein Ausbilden einer Kathode an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger (S920), ein Aufbringen eines Klebstoffs auf die Bondingzone (S930) in einer gemusterten Art und Weise, ein Stapeln des ersten Halbleitersubstrats und des Trägers, so dass die erste Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats auf einer einer ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist (S940), wobei ein Hohlraum zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet wird, und ein Bilden eines Elektrolyten im Hohlraum (S950) auf. Der Ausdruck ”Aufbringen des Klebstoffs in einer gemusterten Art und Weise” soll bedeuten, dass der Klebstoff zu dem Zeitpunkt, zu dem er auf die Bondingzone aufgebracht wird, gemustert wird. Beispiele von Verfahren zum Aufbringen des Klebstoffs in einer gemusterten Art und Weise umfassen einen Druckprozess wie etwa Siebdruck, Schablonendruck oder Tintenstrahldruck. Der Klebstoff kann ein UV-härtbarer Klebstoff sein, kann aber verschiedene Klebstoffarten wie zum Beispiel thermisch härtbare Klebstoffe und andere umfassen.
Das Verfahren und die Batterie, die hierin beschrieben wurden, können in vielfältiger Weise modifiziert werden.
Wie oben unter Bezugnahme auf 1B und 1C beschrieben wurde, kann das zweite Substrat 155 (Halbleiter oder leitendes Substrat) ein planares Halbleitersubstrat sein und kann am ein isolierendes Material aufweisenden Träger 150 durch anodisches Bonden angebracht werden. Gemäß einer Modifikation kann das zweite Substrat 155 an den Träger 150 durch Heißprägen gebondet werden. Detaillierter beschrieben kann ein zweites Substrat, das ein leitfähiges Material wie zum Beispiel ein Metall oder ein beliebiges Halbleitermaterial wie etwa Silizium aufweisen kann, gemustert werden, um einen über- bzw. vorstehenden Teil auszubilden. Die gemusterte zweite Hauptoberfläche des zweiten Substrats wird an einen Träger gebondet. Zum Beispiel kann der Träger eine isolierende Schicht wie etwa einen Glasträger aufweisen. Der Träger kann beliebige andere transparente Materialien wie zum Beispiel ein Polymer aufweisen. Das zweite Substrat kann mit dem Träger zum Beispiel durch Heißprägen gebondet werden. Gemäß dem Heißprägeverfahren werden das zweite Substrat und der Träger auf eine Temperatur oberhalb des Glasübergangspunktes erhitzt. Als Folge passt der Träger seine Form an die Oberfläche des zweiten Substrats an. Ferner bilden die gebondeten Substrate planare Hauptoberflächen. Als eine Folge dieser Bearbeitungssequenz ist das zweite Substrat in den Träger eingebettet.
Die folgenden Figuren veranschaulichen weitere Modifikationen der Batterie 2, der integrierten Schaltung 1 und des Verfahrens zum Herstellen der Batterie. Wie sich offensichtlich versteht, kann das Halbleitersubstrat überdies einen zweiten Graben 105 in der Bondingzone aufweisen.
Der obere Teil von 8A zeigt einen Träger 750, in den ein Teil des zweiten Substrats 755 eingebettet wurde. Bonden des zweiten Substrats 755 an den Träger 750 unter Verwendung eines Heißprägeverfahrens hat ein kompaktes Gehäuse zur Folge, da das zweite Substrat 755 in den Träger 750 eingebettet wird. Optional wird ein Schleifschritt, ein CMP-(chemischmechanisches Polieren)Schritt, ein Ätzschritt oder eine Kombination dieser Prozesse durchgeführt, um Teile des zweiten Substrats 755 zu entfernen, die über einem vorstehenden Teil der zweiten Hauptoberfläche des Trägers 750 angeordnet sind. Eine resultierende Oberfläche der gebondeten Schichten enthält Material des zweiten Substrats 755 sowie Material des Trägers 750. Gemäß einer weiteren Option kann das zweite Substrat 755 beibehalten werden und sich lateral über die gesamte Breite des Trägers 750 (nicht veranschaulicht) erstrecken. Ferner wird eine Öffnung 752 in der ersten Hauptoberfläche 753 des Trägers 750 gebildet, um einen Teil der zweiten Hauptoberfläche 756 des zweiten Substrats 755 freizulegen. Eine schützende leitfähige Schicht 757 kann über der Oberfläche der resultierenden Öffnung 752 ausgebildet werden. Die schützende leitfähige Schicht 757 kann zum Beispiel aus Aluminium (Al) bestehen.
Das die Kathode bildende Material wie zum Beispiel NCA (NiCoAl-Oxid, das eingelagertes Lithium enthält) kann dann in die Öffnung 752 gefüllt werden. Ferner kann ein oberster Metallisierungskontakt 158 über und in Kontakt mit dem verbleibenden Teil des zweiten Substrats 755 ausgebildet werden. Wie sich offensichtlich versteht, kann alternativ dazu ein Teil des zweiten Substrats 755 als ein oberster Metallisierungskontakt genutzt werden.
Ein Elektrolyt 230 kann in die Vertiefung 130 gefüllt werden, die im ersten Substrat 100 ausgebildet ist, um den Hohlraum in der Art und Weise zu definieren, wie oben unter Bezugnahme auf 1F erläutert wurde, gefolgt von einem Ausbilden des Separatorelements 235. Die erste Hauptoberfläche 753 des Trägers 750 wird dann an die erste Hauptoberfläche 110 des ersten Substrats 100 gebondet, wie durch die abwärts gewandten Pfeile in 8A angezeigt ist. Dies kann zum Beispiel unter Verwendung eines UV-härtbaren Klebstoffs 160 in der Art und Weise, wie unter Bezugnahme auf 2A bis 2D, 3A, 3B und 4 erläutert worden ist, bewerkstelligt werden.
8B zeigt ein Beispiel einer resultierenden Batterie 2 oder integrierten Schaltung 1. Insbesondere sind Komponenten der Batterie oder integrierten Schaltung, die in 8B gezeigt ist, ähnlich jenen, die oben unter Bezugnahme auf 6A beschrieben wurden. Gräben 104, 105 können im ersten Halbleitersubstrat 100 ausgebildet sein. Abweichend von der Ausführungsform von 6A ist das zweite Substrat nicht so angeordnet, dass es eine planare Oberfläche aufweist, sondern ist in den Glasträger 750 eingebettet.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann ein leitfähiges Abdeckungselement 805 wie etwa eine Metallfolie an den ein isolierendes Material aufweisenden Träger 820 angebracht werden. Das leitfähige Abdeckungselement kann zum Beispiel eine leitfähige Folie 805 aufweisen, die eine Metallfolie wie etwa eine Aluminiumfolie sein kann. Wenn das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform umgesetzt wird, kann zuerst ein ein isolierendes Material aufweisender Träger wie zum Beispiel ein Glasträger gemustert werden, um eine Aussparung 825 aufzuweisen. Das leitfähige Abdeckungselement 805 kann am Träger 820 angebracht werden. Ferner kann ein Kathodenmaterial 810 im benachbarten Hohlraum 825 ausgebildet werden. Das Kathodenmaterial 810 kann dem leitfähigen Abdeckungselement 805 direkt benachbart sein und mit diesem in physikalischem Kontakt stehen. Eine Vorbereitungs- bzw. Primer-Schicht oder eine Klebstoffschicht kann zwischen dem leitfähigen Abdeckungselement 805 und dem Kathodenmaterial 810 angeordnet werden. Die (nicht veranschaulichte) Primer-Schicht kann eine Adhäsion zwischen dem leitfähigen Abdeckungselement 805 und dem Kathodenmaterial 810 verbessern. Das leitfähige Abdeckungselement 805 bildet die Oberseite des Gehäuses der resultierenden Lithium-Ionen-Batterie 2. Das leitfähige Abdeckungselement 805 kann eine Metallfolie oder eine leitfähige Metallverbundfolie, zum Beispiel eine leitfähige Metalloxidfolie, sein. Das Material der leitfähigen Folie kann zum Beispiel eine Metalllegierung aufweisen. Das Kathodenmaterial 810 steht in Kontakt mit dem Elektrolyt 230 und implementiert eine Lithiumquelle. Der Träger 820 mit dem leitfähigen Abdeckungselement 805 wird an ein Substrat 100 gebondet, wie durch in 9A dargestellte Pfeile angezeigt ist. Der Prozess eines Bondens des Trägers an das erste Halbleitersubstrat wird in der Art und Weise durchgeführt, welche oben unter Bezugnahme auf 2A bis 2D, 3A, 3B und 4 erläutert wurde.
9B zeigt ein Beispiel einer resultierenden Struktur. Wie dargestellt ist, ist der ein isolierendes Material aufweisende Träger 820 an das erste Halbleitersubstrat 100 gebondet. Ein leitfähiges Abdeckungselement 805 ist auf einer Oberseite des Trägers 820 angeordnet. Zum Beispiel kann sich das leitfähige Abdeckungselement 805 lateral entlang der gesamten Breite des Trägers 820 und des ersten Halbleitersubstrats 100 erstrecken. Weitere Elemente der Batterie 2 oder der integrierten Schaltung können ähnlich sein, wie oben diskutiert wurde. Gräben 104, 105 können im ersten Halbleitersubstrat 100 angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Kathode 12 an der ersten Oberfläche 910 eines ein isolierendes Material aufweisenden Trägerelements 900 ausgebildet werden. Elektrische Verbindungselemente 930 können im Träger 900 angeordnet sein und sich von der ersten Hauptoberfläche 910 zur zweiten Hauptoberfläche 920 erstrecken. Leitfähige Elemente 940 können auf der zweiten Hauptoberfläche des Trägers 900 angeordnet sein. Zum Beispiel kann ein Ausbilden der elektrischen Verbindungselemente ein Ausbilden von Durchgangslöchern im Träger, zum Beispiel durch Ätzen, und ein Füllen der Durchgangslöcher mit dem leitfähigen Material umfassen. Dies kann zum Beispiel bewerkstelligt werden unter Verwendung eines Siebdrucks, Tintenstrahldrucks, eines CVD-(”chemisches Dampfphasenabscheidungs”-)Verfahrens, Elektroplattierens, elektrolosen Plattierens oder irgendeines anderen geeigneten Verfahrens, das aus der Halbleiterbearbeitung bekannt ist. Gemäß einer weiteren Ausführung kann ein leitendes Material, das aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial bestehen kann, in Glas geprägt werden. Zum Beispiel können die leitfähigen Elemente in den Träger gedrückt werden, der bei einer Temperatur oberhalb des Glasübergangspunktes des Trägers gehalten wird, so dass die leitenden Elemente im Träger eingebaut werden können. Gemäß einer weiteren Ausführung kann man das Trägermaterial wieder auf ein leitendes Material aufschmelzen lassen (engl.: reflow).
Zum Ausbilden der Kathode 12 wird dann ein Teil einer Kathodenmaterialschicht 915 auf der ersten Hauptoberfläche 910 des das isolierende Material aufweisenden Trägers ausgebildet. Die Kathodenmaterialschicht 915 kann unter Verwendung allgemein bekannter Techniken wie zum Beispiel fotolithografischer Verfahren und anderen gemustert werden. Zum Beispiel kann die Dicke der Kathodenmaterialschicht 915 100 bis 300 μm betragen. Gemäß einer weiteren Ausführung kann die Kathode 12 gebildet werden, indem eine leitfähige Paste aufgebracht wird, oder durch Tintenstrahldrucken. Gemäß einer Ausführungsform kann eine dünne leitfähige oder Metallschicht zwischen der Kathodenmaterialschicht 915 und dem elektrischen Verbindungselement 930 ausgebildet werden.
Danach wird eine Rückseitenmetallisierung 940 auf der zweiten Hauptoberfläche 920 des Trägers 900 geschaffen. Der Elektrolyt 230 wird in den Hohlraum gefüllt, und ein Separator 235 kann im Hohlraum geschaffen werden. Danach kann der Träger 900 an das erste Halbleitersubstrat gebondet werden, wie durch Pfeile in 10 angezeigt ist. Der Prozess eines Bondens kann in einer ähnlichen Weise durchgeführt werden, wie oben unter Bezugnahme auf 2A bis 2D, 3A, 3B und 4 diskutiert wurde. Als Folge wird eine weitere Batterie mit ähnlichen Elementen, wie oben diskutiert wurde, erhalten.
Innerhalb des Kontexts der vorliegenden Beschreibung kann im Allgemeinen die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung eine Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten von Daten aufweisen. Die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung kann ferner eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen zum Anzeigen von Daten aufweisen. Die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung kann überdies einen Sender zum Übertragen von Daten aufweisen. Die elektrische Vorrichtung oder die integrierte Schaltung kann ferner Komponenten aufweisen, welche dafür eingerichtet sind, ein spezifisches elektronisches System umzusetzen. Gemäß einer Ausführungsform kann die elektrische Vorrichtung oder die integrierte Schaltung überdies eine Energiegewinnungsvorrichtung aufweisen, die elektrische Energie an die Batterie 2 liefern kann, wobei die Energie aus solarer, thermischer, kinetischer oder anderen Arten von Energie erzeugt wurde. Zum Beispiel kann die elektrische Vorrichtung oder die integrierte Schaltung ein Sensor wie etwa ein Reifendrucksensor sein, wobei die elektrische Schaltung oder die integrierte Schaltung ferner eine Sensorschaltungsanordnung und optional einen Sender aufweist, der erfasste bzw. abgefühlte Daten an einen externen Empfänger sendet. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die elektrische Vorrichtung oder die integrierte Schaltung ein Aktuator bzw. Stellglied, ein RFID-Tag oder eine Smartcard sein. Eine Smartcard kann zum Beispiel zusätzlich einen Fingerabdrucksensor aufweisen, der unter Verwendung von von der Batterie 2 abgegebener Energie betrieben werden kann.
Während Ausführungsbeispiele der Erfindung oben beschrieben sind, ist es offensichtlich, dass weitere Ausführungsbeispiele ausgestaltet werden können. Beispielsweise können weitere Ausführungsbeispiele irgendeine Unterkombination von Merkmalen, die in den Patentansprüchen angegeben sind, oder irgendeine Unterkombination von Elementen, die in den oben gegebenen Beispielen beschrieben sind, umfassen. Demgemäß sollen der Kern und der Bereich der beigefügten Patentansprüche nicht auf die Beschreibung der hier enthaltenen Ausführungsbeispiele begrenzt sein.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Batterie (2), aufweisend: Definieren eines aktiven Bereichs (107) und einer Bondingzone (108) in einer ersten Hauptoberfläche (110) eines ersten Halbleitersubstrats (100); Ausbilden eines ersten Grabens (104) in der Bondingzone (108); Ausbilden einer Anode (11) am ersten Halbleitersubstrat (100) im aktiven Bereich (107); Ausbilden einer Kathode (12) an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger (150, 550, 750, 820, 900); Stapeln des ersten Halbleitersubstrats (100) und des Trägers (150, 550, 750, 820, 900), so dass die erste Hauptoberfläche (110) des ersten Halbleitersubstrats (100) auf einer einer ersten Hauptoberfläche (153) des Trägers (150, 550, 750, 820, 900) benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum (130) zwischen dem ersten Halbleitersubstrat (100) und dem Träger (150, 550, 750, 820, 900) ausgebildet wird; und Bilden eines Elektrolyten (230) im Hohlraum (130).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Ausbilden eines zweiten Grabens (105) in der Bondingzone (108).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend ein Ausbilden eines Klebstoffs (160) in der Bondingzone (108) vor einem Stapeln des ersten Halbleitersubstrats (100) und des Trägers (150).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Klebstoff (160) durch einen Druckprozess ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Klebstoff (160) als eine strukturierte Schicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner aufweisend ein Verfahren zum Härten des Klebstoffs (160), wobei UV-Strahlung auf eine Seitenfläche des Trägers gestrahlt wird, wenn das Härteverfahren durchgeführt wird.
Batterie (2), aufweisend: ein erstes Halbleitersubstrat (100) mit einer ersten Hauptoberfläche (110), wobei die erste Hauptoberfläche (110) einen aktiven Bereich (107) und eine Bondingzone (108) aufweist, wobei ein erster Graben (104) in der Bondingzone (108) ausgebildet ist; eine Anode (11) am ersten Halbleitersubstrat (100) im aktiven Bereich (107); einen ein isolierendes Material aufweisenden Träger, wobei der Träger (150, 550, 750, 820, 900) eine erste Hauptoberfläche (153) aufweist; eine Kathode (12) am Träger (150, 550, 750, 820, 900); wobei das erste Halbleitersubstrat (100) und der Träger (150, 550, 750, 820, 900) so gestapelt sind, dass die erste Hauptoberfläche (110) des ersten Halbleitersubstrats (100) auf einer der ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum (130) zwischen dem ersten Halbleitersubstrat (100) und dem Träger (150, 550, 750, 820, 900) ausgebildet ist; und einen Elektrolyten (230) im Hohlraum (130).
Batterie (2) nach Anspruch 7, wobei die Bondingzone (108) den aktiven Bereich (107) umschließt.
Batterie (2) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste Graben (104) den aktiven Bereich (107) umschließt.
Batterie (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner aufweisend einen zweiten Graben (105) in der Bondingzone (108).
Batterie (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Bondingzone (108) den Träger (150, 550, 750, 820, 900) berührt.
Batterie (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist, wobei die Anode (11) eine aus Silizium bestehende Komponente aufweist.
Integrierte Schaltung (1), aufweisend: eine Batterie (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 12 und ein Schaltungselement (340).
Integrierte Schaltung (1) nach Anspruch 13, wobei das Schaltungselement (340) im ersten Halbleitersubstrat (100) ausgebildet ist.
Integrierte Schaltung (1) nach Anspruch 13, wobei das Schaltungselement (340) in einem weiteren Halbleitersubstrat getrennt vom ersten Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Integrierte Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Schaltungselement (340) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Energie empfangenden Vorrichtung, einer Energie emittierenden Vorrichtung, einer Signalverarbeitungsschaltung, einer Informationsverarbeitungsschaltung, einer informationsspeichernden Schaltung, einem Transistor, einem Kondensator, einem Widerstand, einer MEMS-(mikroelektromechanisches System)Vorrichtung, einem Sensor, einem Aktuator, einer Energiegewinnungseinrichtung, einer Vorrichtung zum Umwandeln von Energie, einer Anzeigevorrichtung, einer Videovorrichtung, einer Audiovorrichtung, einem Musikabspielgerät und Komponenten von beliebigen der Vorrichtungen besteht.
Elektronische Vorrichtung, aufweisend die integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 16.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die elektronische Vorrichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Sensor, einem Aktuator, einem RFID-(Funkfrequenz-Identifizierungsvorrichtungs-)Tag und einer Smartcard besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Batterie (2), aufweisend: Definieren eines aktiven Bereichs (107) und einer Bondingzone (108) in einer ersten Hauptoberfläche (110) eines ersten Halbleitersubstrats (100); Ausbilden einer Anode (11) am ersten Halbleitersubstrat (100) im aktiven Bereich (107); Ausbilden einer Kathode (12) an einem ein isolierendes Material aufweisenden Träger (150, 750, 820, 900); Aufbringen eines Klebstoffs (160) auf die Bondingzone (108); Stapeln des ersten Halbleitersubstrats (100) und des Trägers (150, 750, 820, 900), so dass die erste Hauptoberfläche (110) des ersten Halbleitersubstrats (100) auf einer einer ersten Hauptoberfläche (153) des Trägers (150, 750, 820, 900) benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum (130) zwischen dem ersten Halbleitersubstrat (100) und dem Träger ausgebildet wird; Härten des Klebstoffs, indem UV-Strahlung auf eine Seitenwand des Trägers (150, 750, 820, 900) angewendet wird, wobei die Seitenwand zur ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats (100) senkrecht ist; und Bilden eines Elektrolyten (230) im Hohlraum (130).
Batterie (2), aufweisend: ein erstes Halbleitersubstrat (100) mit einer ersten Hauptoberfläche (110); eine Anode (11) am ersten Halbleitersubstrat (100); einen ein isolierendes Material aufweisenden Träger (150, 750, 820, 900), wobei der Träger (150, 750, 820, 900) eine erste Hauptoberfläche aufweist; eine Kathode (12) am Träger (150, 550, 750, 820, 900); eine leitende oder Halbleiterschicht (155, 158) über dem Träger (150, 750, 820, 900) auf einer zur ersten Hauptoberfläche des Trägers entgegengesetzten Seite, wobei die leitende oder Halbleiterschicht (155, 158) sich entlang der gesamten Breite des Trägers erstreckt, wobei die leitende oder Halbleiterschicht (155, 158) mit der Kathode (12) elektrisch gekoppelt ist; wobei das erste Halbleitersubstrat (100) und der Träger (150, 750, 820, 900) so gestapelt sind, dass die erste Hauptoberfläche (110) des ersten Halbleitersubstrats (100) auf einer der ersten Hauptoberfläche des Trägers benachbarten Seite angeordnet ist, wobei ein Hohlraum (130) zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem Träger ausgebildet ist; und einen Elektrolyten (230) im Hohlraum (130).