DE19818968C2 - Verfahren zur Herstellung eines Transponders, Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte, die einen Transponder aufweist, sowie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Transponder und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Chipkarte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Transponders, ein Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte, die einen Transponder aufweist, sowie jeweils einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Transponder und eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Chipkarte.

Seit einigen Jahren werden kontaktlose Chipkarten hergestellt. Diese Karten enthalten Integrierte Schaltungen, die nach dem Transponderprinzip mit einer Gegenstelle über geringe oder auch größere Distanzen bis in den Meterbereich kommunizieren. Transponder sind sinngemäß fernbedienbare Sender; derartige Systeme waren bereits in den vierziger Jahren in der militärischen Luftfahrt zur Freund-Feind-Erkennung im Einsatz.

Die Technik der integrierten Schaltungen und insbesondere die extrem leistungsarme CMOS-Technik hat es seit einigen Jahren ermöglicht, derartige Transponder ohne externe Energieversorgung und auch sehr klein, beispielsweise mit Flächen von wenigen mm² zu entwickeln.

Derzeitig sind kontaktlose Chipkarten diskret aufgebaut, nämlich in dem Sinne, daß eine Integrierte Schaltung die Steuerfunktion, beispielsweise das Abschicken einer gespeicherten Zahlenfolge, und die Hochfrequenz-Schnittstelle darstellt, während insbesondere die Antenne und andere, für die HF-Schnittstelle wichtige Bauelemente (Kondensator, Abgleichwiderstand usw.) als diskrete Bauelemente vorgesehen sind.

Die Antenne herkömmlicher Transponder besteht aus einer Spule, deren Windungszahl durch die physikalischen Eigenschaften (Resonanzfrequenz, Schwingkreisgüte) und auch der zur Verfügung stehenden Fläche bestimmt ist. Die Fläche bestimmt die bei einer gegebenen, in aller Regel durch HF-Bestimmung beschränkten maximalen Feldstärke die vom Transponder für seinen Betrieb aus dem HF-Feld aufnehmbaren Leistung bzw. Energie.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 44 10 732 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte bekannt, bei dem der Chip und die Spule auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden und die Ausbildung der Spule durch Verlegung eines Spulendrahts sowie die Verbindung von Spulendrahtenden mit Anschlußflächen des Chips auf dem Substrat erfolgt. Bei dieser Chipkarte sind jeweils der Chip, die Spule und das gemeinsame Substrat nicht flächengleich, sondern ihre Flächen unterscheiden sich deutlich voneinander.

Darüber hinaus ist aus der Europäischen Patentschrift EP 0 481 776 B1 eine kontaktlose Chipkarte bekannt, bei der unter anderem eine Antenne sowie ein IC-Chip auf einem TAB-Substrat angeordnet sind. Bei dieser Chipkarte sind ebenfalls jeweils der IC-Chip, die Spule und das TAB-Substrat nicht flächengleich, sondern ihre Flächen unterscheiden sich deutlich voneinander.

Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 34 480 A1 ein IC-Kartenmodul zur Herstellung einer IC-Karte mit mindestens einer Spule und mindestens einem Chip zur Ausbildung einer Transpondereinheit bekannt, wobei der Chip und die Spule über einen Modulträger miteinander verbunden sind.

Seit einigen Jahren werden allerdings auch Systeme diskutiert und auch realisiert, die eine auf der Oberfläche der Integrierten Schaltung angeordnete, miniaturisierte Spule tragen. Ein derartiger, unter dem Namen "Coil-on-Chip" bekannter Aufbau ist beispielsweise aus P. Peitsch, Coil on Chip Capability, mst news 7/93, S. bekannt und führt zu elektrisch völlig autarken Integrierten Schaltungen, die auf kurze Distanz mit einer entsprechenden Gegenstelle kommunizieren.

Bei der Verwirklichung dieser Coil-on-Chip Systeme treten unter anderem auch fertigungstechnische Probleme auf: zum einen muß die Spule einen möglichst geringen ohmschen Widerstand aufweisen. Dadurch überschreiten die erforderlichen Schichtdicken der lithographisch geätzten Flachspulen die in der CMOS-Technik üblichen Metallschichtdicken (ca. 0,5 µm). Außerdem sind für einige Anwendungen spezielle Herstellungsverfahren für die Spule (beispielsweise BICMOS) vorteilhafter als CMOS.

Genauer gesagt kann im bekannten Stand der Technik das Problem auftreten, daß es günstig wäre, ein Teilsystem des Transponders, das insbesondere die Spule umfaßt, mit einer Technik herzustellen, die mit der Technik zur Herstellung anderer Komponenten des Transponders, beispielsweise der logischen Schaltung, zum Beispiel einer CMOS- Technik, nicht kompatibel ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Transponders bereitzustellen, mit dem das vorstehend genannte Problem beseitigt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus das Verfahren nach Anspruch 30, den Transponder nach Anspruch 31 sowie die Chipkarte nach Anspruch 32 bereit.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Herstellung eines Transponders, welcher eine Integrierte Schaltung und eine Antenne aufweist, mit den Schritten zum Ausbilden eines ersten Teilsystems des Transponders, welches die Integrierte Schaltung umfaßt, auf einem ersten Substrat, Ausbilden eines zweiten Teilsystems des Transponders, welches die Antenne aufweist, auf einem zweiten Substrat, und vertikales elektrisches und mechanisches Verbinden der beiden Teilsysteme, so daß die Antenne auf der Oberfläche der Integrierten Schaltung angeordnet wird.

Dadurch werden die folgenden Vorteile bereitgestellt:

• - Dadurch, daß die beiden Teilsysteme zuerst hergestellt und dann miteinander elektrisch und mechanisch verbunden werden, ist es möglich, diese zunächst separat zu fertigen und gegebenenfalls zu testen. Dadurch kann einerseits die Zuverlässigkeit der Komponenten erhöht werden.
• - Andererseits ist es aufgrund der separaten Fertigung möglich, zum einen Teilsysteme mit unterschiedlicher Qualität des Substrats, welches vorzugsweise ein Siliziumsubstrat ist, herzustellen, andererseits können bei den beiden Teilsystemen auch unterschiedliche Design-Anforderungen verwirklicht werden.
• - Zum anderen kann beispielsweise die Fertigung des "Peripher-Teils" auf Fertigungslinien erfolgen, die hinsichtlich der Strukturgröße und Kontamination bei weitem nicht die strengen Anforderungen der CMOS-Technik erfüllen müssen. Daher kann diese Fertigung auf alten, für die Produktion der neuesten Chipgeneration nicht mehr geeigneten Linien erfolgen. Dadurch können die Herstellungskosten verringert werden.
• - Durch die unabhängige Herstellung der lediglich durch die geometrische und elektrische Schnittstelle aufeinander abgestimmten Teile des Coil-on-Chip Transponders werden dem Hersteller erhöhte Freiheitsgrade bei der Kombination beider Komponenten gegeben. Dies kann bei Shrink(Strukturverkleinerung)- Generationen, aber auch bei Erhöhung der Komplexität des IC's Fertigungsvorteile bringen.
• - Weiterhin können bei der Herstellung des einen Teilsystems Materialien verwendet werden, die für zweckmäßige Herstellungsverfahren des anderen Teilsystems inkompatibel sind. Beispielsweise kann die Spule aus Gold - einem für MOS-Prozesse inkompatiblen Material - gefertigt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung findet somit eine Entkopplung bzw. Separation der Herstellung der eigentlichen Integrierten Schaltung von der HF-Schnittstelle statt. Nach der lehre der Erfindung sollen dabei beide Teilsysteme separat gefertigt und gegebenenfalls getestet werden. Dabei kann ein Teilsystem die logische Schaltung, also Prozessor, Speicher, Taktgenerator usw. enthalten, während das andere Teilsystem lediglich im wesentlichen passive Bauelemente, also Spule, Kondensator usw. trägt. Das andere Teilsystem kann aber auch noch Schutzelemente zum Schutz vor einer Überspannung wie beispielsweise Dioden umfassen.

Die Aufteilung auf die beiden Teilsysteme ist dabei allerdings beliebig und wird im wesentlichen von Fertigungsgesichtspunkten (Materialien, Strukturbreiten usw.) bestimmt. Zweckmäßig könnte die Realisierung der Integrierten Schaltung in einem Teilsystem und die Konzentration der für den Transponderbetrieb erforderlichen Komponenten (Energiespeicher, Schutzschaltung, Induktivität) im anderen Teilsystem erfolgen, wobei die beiden Teilsysteme vorteilhaft auf Siliziumscheiben als Substratmaterial gefertigt werden.

Anschließend werden beide Teilsysteme im wesentlichen mit den Prozeßschritten der Halbleitertechnik vertikal verbunden. Aus Gründen der Leitungswiderstände und auch der möglichst platzsparenden Anordnung eignen sich dazu vor allem das aus der deutschen Patent-Offenlegungsschrift DE-A-44 33 846 bekannte Verfahren zur Herstellung einer vertikalen Schaltungsstruktur und das aus der deutschen Patentschrift Nr. 19516487 bekannte Verfahren zur Herstellung eines vertikal integrierten Systems.

Vorzugsweise werden nicht nur die die Integrierte Schaltung des Transponders betreffenden Komponenten aus Silizium gefertigt sondern auch der HF-Teil des Transponders. Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile. Zum einen ergeben sich Vorteile thermo-mechanischer Art, da beide Komponenten mechanisch und auch thermisch das im wesentlichen gleiche Verhalten aufweisen. Des weiteren kann in diesem Fall auch auf die in der Siliziumtechnologie zu sehr hoher Reife entwickelten Verfahren der Fertigungstechnologie und insbesondere auch auf die sehr präzise Photolithographie zurückgegriffen werden.

Ein weiterer Vorteil ist durch die Möglichkeit bedingt, außer Spule, Kondensator usw. auch aktive Bauelemente auf dem HF-Substrat zu implementieren. Diese können Verstärkerschaltungen, Schutzstrukturen und auch Energiespeicher sein. Derartige Strukturen weisen in aller Regel technische Besonderheiten und einen Flächenbedarf auf, der eine Integration in digitale CMOS-Technik kostspielig macht.

Die erwähnten Verstärkerschaltungen können nach der erfindungsgemäßen Lehre in spezialisierter Technologie (bipolar, SiGe usw.) realisiert werden. Dabei benötigen derartige Technologievarianten meistens elektrisch abweichende Siliziumsubstrate, die sich von den in der IC-Technik verwendeten CMOS-Technologie hinsichtlich Leitfähigkeit und Leitungstyp unterscheiden. Schutzstrukturen können im einfachsten Fall als Dioden realisiert werden, deren nichtlineare Stromkennlinie die maximal auftretende Spannung begrenzt und somit die empfindliche, hochohmige CMOS- Schaltung schützt. Da die aufgenommene Überschußenergie in Wärme umgesetzt wird, benötigen derartige Schutzdioden eine ausreichende Fläche bzw. eine ausreichende thermische Masse, also eine ausreichende Siliziummasse. Dies ist vor allem auch für Anwendungen in Chipkarten usw. zu beachten, die eine meist nicht gute oder nicht gut definierte thermische Ankopplung an die Umgebung aufweisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Implementierung eines Energiespeichers ebenfalls vorteilhaft sein. Wie vorstehend erwähnt, bezieht der Transponder seine Energie aus dem HF-Feld, dessen Leistungsdichte durch funktechnische Vorschriften limitiert ist. Ein Energiespeicher kann nun diese Leistung über die HF-Expositionszeit speichern und dem Transponder für den Antwort-Übertragungs-Vorgang zur Verfügung stellen. Als Energiespeicher kommen neben klassischen MOS- Kondensatoren vor allem auch Kondensatoren mit energetisch hochdichten Ferroelektrika in Frage, die bekanntlich mit den CMOS-Prozessen nach dem heutigen Stand der Technik nicht kompatibel sind.

Des weiteren kommen auch Superkondensatoren in Frage, die auf Sonderformen des Siliziums, wie etwa dem mittels anodischer Oxidation erzeugten porösen Silizium, bei dem die innere Oberfläche vergrößert worden ist, beruhen. Derartige Superkondensatoren können bei einigen Volt (2,3 V) aufgrund der enormen inneren Oberfläche verhältnismäßig große Energiemengen (bis über 10 mWs/cm²) speichern. Dies reicht aufgrund der geringen Leistungsaufnahme aus, um nicht nur die im Full- Duplex-Mode auftretenden Austastlücken im msec-Bereich abzudecken, sondern auch den Betrieb über längere Zeiträume (Minuten, Stunden) sicherzustellen. Die maximal zulässige Spannung muß dabei exakt eingehalten werden, um ein Durchschlagen der monoatomaren Grenzschichten zu verhindern.

Noch höhere Speicherdichten weisen echte chemische Batterien auf, die derzeit entwickelt werden. Ein aufgrund der hohen Energiedichte favorisiertes System wird seit einige Jahren unter dem Begriff "Rocking-Chair Lithium Ion" vorangetrieben. Eine nach den Verfahren der Mikrosystemtechnik miniaturisierte Batterie könnte geringe Energiemengen im mJ-Bereich speichern und der Integrierten Schaltung zur Verfügung stellen. Auch in diesem Fall ist insbesondere auch aus Kostenüberlegungen die Fertigung auf Siliziumsubstraten vorteilhaft.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Transponders; und

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Transponder.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Aufteilung der für den Betrieb des Transponders verwendeten Komponenten in zwei Teile, Teil A und Teil B. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Antenne, die meistens separat nach feinmechanischen Methoden gefertigt ist. Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Schwingkreiskondensator für den Abgleich, Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Ladekondensator bzw. eine Batterie zur Energiespeicherung, Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Schutzschaltung, Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Hochfrequenz-Einrichtung, Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Datenspeicher, Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Datenverwaltungseinrichtung, und Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Taktgenerator.

Dabei sind bei dieser beispielhaften Aufteilung die im wesentlichen nach der Technologie der kontaktlosen Transponders-IC's gefertigte Steuer- und HF- Komponente in Teil A untergebracht. insbesondere kann es sich dabei um einen konventionellen Transponder-IC handeln.

Teil B trägt vor allem die bisher meist separat nach feinmechanischen Methoden gefertigte Antenne 1. Da auch Teil B vorzugsweise auf einem Siliziumsubstrat gefertigt wird, können zusätzlich weitere Funktionen wie Schutzschaltungen 4, Kondensatoren 2, 3 für Abgleich und Energiespeicherung, Abschirmschichten mit den Methoden der Halbleitertechnik implementiert werden.

Die Aufteilung der Komponenten in die Teile A und B kann jedoch auch auf andere Weise erfolgen. Beispielsweise können die Kondensatoren 2, 3 in Teil A untergebracht werden.

Die mechanische und elektrische Verbindung zwischen beiden Teilmodulen kann vorteilhaft, aber nicht notwendigerweise nach Verfahren erfolgen, wie sie aus dem Gebiet der vertikalen Integrationstechnik bekannt sind. Beispielsweise können die beiden Teilmodule über eine Verbindungsschicht, welche vorzugsweise ein organischer Kleber, beispielsweise eine Polyimidschicht ist miteinander verbunden werden. Diese Verbindungsschicht kann zusätzlich ein hochfrequenztaugliches Ferromagnetikum zur Induktivitätserhöhung und Bündelung der eingestrahlten oder abgestrahlten HF-Energie enthalten.

In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine der beiden Teilkomponenten dünn auszuführen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen, aus zwei Teilen aufgebauten Transponderchips. Dabei enthält der untere, zweckmäßigerweise dünne Teil die eigentlichen, für die Steuerung und Datenspeicherung nötigen Komponenten. Der untere Chip 10 kann insbesondere ein konventioneller RF-ID-Chip (z. B. SLE 44 R35) sein. Der obere enthält die Antenne 1, die vorzugsweise als eine Spiralspule ausgeführt ist, und gegebenenfalls einige wenige Halbleiter-Bauelemente wie beispielsweise Kondensatoren 2, Schutzdioden und eventuell hochdichte Energiespiecher 3 wie eine mikrominiaturisierte Batterie oder einen Superkondensator.

Der untere und der obere Chip, die übrigens nicht notwendigerweise flächengleich sein müssen, sind über eine Klebeschicht 9 miteinander verbunden.

Claims (32)

1. Verfahren zur Herstellung eines Transponders, welcher eine Integrierte Schaltung und eine Antenne aufweist, mit den Schritten zum

• - Ausbilden eines ersten Teilsystems des Transponders, welches die Integrierte Schaltung umfaßt, auf einem ersten Substrat;
• - Ausbilden eines zweiten Teilsystems des Transponders, welches die Antenne aufweist, auf einem zweiten Substrat; und
• - vertikales elektrisches und mechanisches Verbinden der beiden Teilsysteme, so daß die Antenne auf der Oberfläche der Integrierten Schaltung angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zum Herstellen von einer oder mehreren Spulen umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die eine oder mehreren Spulen planare Flachspulen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Herstellung der einen oder mehreren Spulen durch Methoden der Silizium- und/oder Mikrosystemtechnik erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zum Herstellen eines Kondensators des Schwingkreises umfaßt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zum Herstellen eines elektrisch oder mittels eines Trimmverfahrens feinjustierbaren Elements umfaßt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zum Herstellen von einem oder mehreren Widerständen zur Einstellung der Schwingkreisgüte umfaßt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zum Herstellen von aktiven Bauelementen umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die aktiven Bauelemente eine oder mehrere Verstärkerschaltungen umfassen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die eine oder mehreren Verstärkerschaltungen in einer bipolaren Schaltungstechnik realisiert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die eine oder mehreren Verstärkerschaltungen in einer speziellen Hochfrequenz-Technologie realisiert werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zum Herstellen integrierter Schutzdioden, Diodenketten oder anderer für die Verhinderung einer Zerstörung durch hohe elektrostatische oder elektromagnetische Belastung geeigneter Bauelemente umfaßt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Gar Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zum Herstellen einer oder mehrerer Energiespeicher umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der oder die Energiespeicher ein MOS- Kondensator ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Speicher ein ferroelektrisches Material als hochspeicherndes Dielektrikum umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das ferroelektrische Material Barium- Strontium-Titanat ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das ferroelektrische Material Tantalpentoxid ist.

18. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Speicher ein Superkondensator ist.

19. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt zum Herstellen eines Energiespeichers den Schritt zur Herstellung eines Speicherkondensators unter Verwendung von porösem Silizium umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt zum Herstellen eines Energiespeichers den Schritt zum Herstellen einer chemischen Batterie umfaßt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei dem der Schritt zum Ausbilden des zweiten Teilsystems den Schritt zur Integration einer Schutzschaltung zur Absicherung gegen Spannungsspitzen, Überladung usw. umfaßt.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt zum Bereitstellen einer metallischen Schicht zwischen dem ersten und zweiten Teilsystem.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Herstellen des ersten Teilsystems den Schritt zum Herstellen einer logischen Schaltung umfaßt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Schritt zum Herstellen der logischen Schaltung den Schritt zum Herstellen von Prozessor, Speicher und Taktgenerator umfaßt.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden Teilsysteme durch eine Zwischenschicht miteinander mechanisch verbunden werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Zwischenschicht ein organischer Kleber ist.

27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der organische Kleber eine Polyimidschicht ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem die Zwischenschicht ein hochfrequenztaugliches Ferromagnetikum zur Induktivitätserhöhung und Bündelung der eingestrahlten oder abgestrahlten Hochfrequenz-Energie enthält.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Herstellen des ersten Teilsystems gemäß der CMOS-Technik erfolgt.

30. Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte, die einen Transponder aufweist, mit den Schritten zum

• - Herstellen der Chipkarte,
• - Herstellen des Transponders nach einem der Ansprüche 1 bis 29.

31. Transponder, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29 hergestellt ist.

32. Chipkarte, die nach dem Verfahren nach Anspruch 30 hergestellt ist.