EP1438748A2 - Composant micro ou nano-electronique comportant une source d'energie et des moyens de protection de la source d'energie - Google Patents

Composant micro ou nano-electronique comportant une source d'energie et des moyens de protection de la source d'energie

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EP1438748A2
EP1438748A2 EP02795333A EP02795333A EP1438748A2 EP 1438748 A2 EP1438748 A2 EP 1438748A2 EP 02795333 A EP02795333 A EP 02795333A EP 02795333 A EP02795333 A EP 02795333A EP 1438748 A2 EP1438748 A2 EP 1438748A2
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micro
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Rapha[L Salot
Hélène ROUAULT
Gilles Poupon
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Abstract

Le composant comporte une cavité (9) étanche dans laquelle est disposée la source d'énergie (4-7) non protégée, constituée par une micro-batterie ou une micro-supercapacité. Toute pénétration de l'atmosphère ambiante dans la cavité étanche provoque, par oxydation, la destruction de la source d'énergie, rendant ainsi le composant inutilisable. La cavité (9) peut être sous vide ou remplie d'un gaz inerte. Un capteur de pression peut être disposé à l'intérieur de la cavité et détecter une variation de pression à l'intérieur de la cavité pour rendre le composant inutilisable lorsque la variation de pression dépasse un seuil prédéterminé. La cavité (9) peut être fermée par un capot (10) ou remplie par un matériau de remplissage constitué de résine de silicone, de résine thermodurcissable, de polymère, d'époxy, de verre fusible ou d'un métal choisi parmi l'indium, l'étain, le plomb ou leurs alliages.

Description

Composant micro ou nano-électronique comportant une source d'énergie et des moyens de protection de la source d'énergie
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un composant micro ou nano-électronique comportant une source d'énergie réalisée sous forme de films minces déposés sur un substrat et des moyens de protection de la source d'énergie vis-à-vis de l'atmosphère ambiante.
État de la technique
Les sources d'énergie réalisées sous la forme de films minces déposés sur un substrat comportent des éléments qui réagissent avec l'environnement ambiant, pouvant provoquer une détérioration rapide de la source d'énergie. Le lithium métallique constituant l'électrode négative d'une micro-batterie, par exemple, s'oxyde rapidement au contact de l'air, notamment en présence d'humidité. Il est donc indispensable de protéger ces sources d'énergie de l'air ambiant par une protection efficace et compatible avec leur utilisation en microélectronique.
Le brevet US 5561004 décrit une batterie au lithium, réalisée sous forme de films minces, protégée de l'atmosphère extérieure par au moins une couche supplémentaire. Les couches de protection sont déposées sous forme de films minces directement sur l'électrode en lithium de la batterie de manière à recouvrir totalement les parties exposées de cette électrode. Les matériaux utilisables pour former ces couches de protection sont le métal, la céramique, une combinaison céramique-métal, une combinaison parylène-métal, une combinaison parylène-céramique ou une combinaison parylène-céramique- métal. Ce type de revêtement permet une protection chimique de la batterie, mais n'offre pas de protection contre une effraction de type mécanique.
Objet de l'invention
L'invention a pour but d'améliorer la sécurité d'un composant micro ou nano- électronique comportant une source d'énergie formée sur un substrat.
Selon l'invention, ce but est atteint par un composant selon les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que les moyens de protection comportent une cavité étanche dans laquelle est disposée la source d'énergie non protégée, toute pénétration de l'atmosphère ambiante dans la cavité étanche provoquant, par oxydation, la destruction de la source d'énergie, rendant ainsi le composant inutilisable.
La cavité peut être sous vide ou remplie par un gaz inerte.
Selon un développement de l'invention, le composant comporte un capteur de pression disposé à l'intérieur de la cavité et détectant une variation de pression à l'intérieur de la cavité pour rendre le composant inutilisable lorsque la variation de pression dépasse un seuil prédéterminé.
Selon un autre développement de l'invention, la cavité est remplie par un matériau de remplissage constitué de résine de silicone, de résine thermodurcissable, de polymère, d'époxy, de verre fusible ou d'un métal choisi parmi l'indium, l'étain, le plomb ou leurs alliages. La source d'énergie peut être constituée par une micro-batterie ou une micro- supercapacité.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un composant selon l'invention.
La figure 2 illustre un second mode de réalisation d'un composant selon l'invention, avant fermeture de la cavité.
La figure 3 représente un mode particulier de fermeture de la cavité d'un composant selon la figure 2.
La figure 4 représente une micro-supercapacité pouvant constituer la source d'énergie. La figure 5 illustre un mode particulier de mise hors service du composant.
Description de modes particuliers de réalisation.
La figure 1 représente un composant dans lequel une source d'énergie est formée sur un circuit intégré 1 , lui-même formé sur un substrat isolant 2. La source d'énergie est destinée à alimenter au moins une partie des éléments du circuit intégré 1. Dans une variante de réalisation (non représentée) la source d'énergie et le circuit intégré sont disposés côte à côte, sur le substrat 2. Lorsque la source d'énergie est formée sur le circuit intégré, la couche supérieure du circuit intégré peut lui tenir lieu de substrat. La topologie (surface tourmentée) et/ou la densité de la couche supérieure du circuit intégré peuvent cependant être mal adaptées à la réalisation de couches supplémentaires présentant les propriétés électriques désirées pour la source d'énergie. Dans un mode de réalisation préféré, une couche isolante intermédiaire 3 est déposée sur le circuit intégré et sert de substrat supportant les divers éléments de la source d'énergie. La couche isolante intermédiaire 3 déposée sur le circuit intégré est suffisamment épaisse pour pouvoir être aplanie sur sa face supérieure, avant la formation de la source d'énergie, si nécessaire. La couche isolante intermédiaire peut être en matériau minéral (verre, Si02, etc..) ou en matériau organique (polymère, époxy, etc.). Son aplanissement peut être réalisé par des moyens mécaniques ou mécano-chimiques (par polissage, par exemple). Une couche isolante intermédiaire plane peut également être obtenue directement si elle est formée sur le circuit intégré par voie liquide. La couche isolante intermédiaire 3, plane, recouvre, de préférence, la totalité du circuit intégré 2 et du substrat 1 (figure 1). La source d'énergie est alors fabriquée sur la couche isolante intermédiaire 3, qui lui sert de substrat.
Le substrat 2, constitué de tout matériau approprié connu, peut notamment être un substrat en silicium, en verre, en plastique, etc.. Le circuit intégré 1 est également réalisé de manière connue, par tout type de technologie utilisée pour la fabrication de semi-conducteurs intégrés.
La source d'énergie peut être constituée par une micro-batterie, dont l'épaisseur est comprise entre 7μm et 30μm (de préférence de l'ordre de 15μm), par exemple par une micro-batterie au lithium formée par les techniques classiques de dépôt en phase vapeur par voie chimique (« chemical vapor déposition » :CVD) ou physique (« physical vapor déposition » :PVD). Une telle micro-batterie, sous forme de films minces, est notamment décrite dans les documents WO-A-9848467 et US-A-5561004.
Le principe de fonctionnement d'une micro-batterie repose, de manière connue, sur l'insertion et la désinsertion d'un ion de métal alcalin ou d'un proton dans l'électrode positive de la micro-batterie, de préférence un ion lithium Li+ issu d'une électrode en lithium métallique. La micro-batterie est formée par un empilement de couches obtenues par dépôt CVD ou PVD, constituant respectivement deux collecteurs de courant 4a et 4b, une électrode positive 5, un électrolyte 6 et une électrode négative 7.
Des plots de connexion 8a et 8b du circuit intégré 1 , équipant la partie supérieure du circuit intégré, traversent la couche isolante intermédiaire 3 pour venir en contact avec les collecteurs de courant 4a et 4b constituant les plots de connexion de la micro-batterie. Les connexions électriques entre le circuit intégré et la micro-batterie sont ainsi assurées par le contact métallique entre les couches associées constituant les plots de connexion. La source d'énergie que constitue la micro-batterie peut ainsi alimenter au moins une partie des éléments du circuit intégré 1 sur lequel elle est formée.
Les éléments de la micro-batterie peuvent être réalisés en divers matériaux : - Les collecteurs de courant 4a et 4b, métalliques, peuvent, par exemple, être à base de platine (Pt), de chrome (Cr), d'or (Au) ou de titane (Ti). - L'électrode positive 5 peut être constituée de LiCo02, de LiNi02, de
LiMn204, de CuS, de CuS2, de WOySz, de TiOySz, de V204 ou de V3O8 ainsi que des formes lithiées de ces oxydes de vanadium et de sulfures métalliques. - L'électrolyte 6, bon conducteur ionique et isolant électrique, peut être constitué par un matériau vitreux à base d'oxyde de bore, d'oxydes de lithium ou de sels de lithium.
- L'électrode négative 7 peut être constituée par du lithium métallique déposé par évaporation thermique, par un alliage métallique à base de lithium ou par un composé d'insertion de type SiTON, SnNx, lnNx, Sn02, etc..
Selon les matériaux utilisés, la tension de fonctionnement d'une micro-batterie est comprise entre 2V et 4V, avec une capacité surfacique de l'ordre de 100μAh/cm2. La recharge d'une micro-batterie ne nécessite que quelques minutes de chargement.
Il peut être indispensable de protéger le composant, et plus particulièrement la source d'énergie, de l'environnement ambiant. En effet, certains éléments entrant dans la composition d'une micro-source d'énergie sont sensibles aux conditions atmosphériques. Le lithium métallique constituant l'électrode négative des micro-batteries, en particulier, s'oxyde rapidement au contact de l'air, notamment en présence d'humidité.
Le type de revêtement décrit dans le brevet US 5561004 pour protéger de l'atmosphère extérieure une batterie au lithium, réalisée sous forme de films minces, permet une protection chimique de la batterie, mais n'offre pas de protection du composant contre une effraction de type mécanique.
Selon l'invention, le composant comporte une cavité étanche 9 dans laquelle sont disposées les parties à protéger du composant, c'est-à-dire au moins la source d'énergie. Sur les figures 1 à 3, la source d'énergie et le circuit intégré 1 sont en totalité logés dans la cavité 9. Le circuit intégré et la source d'énergie peuvent être disposés séparément ou sous forme d'un ensemble dans la cavité 9, mais sont de préférence fabriqués directement dans la cavité, dont le fond sert de substrat.
Dans un premier mode de réalisation, représenté à la figure 1 , la cavité 9 est fermée par un capot 10 qui est rapporté sur les éléments à protéger, plus particulièrement sur la micro-batterie. Le capot est, de préférence, constitué par une plaque de silicium, de métal, de polymère, d'époxy ou de verre, dans laquelle est gravée la cavité 9. Le capot 10 est fixé sur le substrat 2 ou sur la plaque intermédiaire 3 servant de substrat à la micro-batterie, de manière à entourer les parties à protéger du composant. Sur la figure 1 , la cavité 9 est ainsi délimitée par le capot et par la plaque intermédiaire 3. Des plots de connexion autres que les plots 8a et 8b peuvent être sortis vers l'extérieur.
L'assemblage peut être réalisé par tout moyen approprié permettant d'assurer l'étanchéité de la cavité 9, notamment par collage ou par scellement anodique (« Anodic bonding below 180°C for packaging and assembling of MEMS using lithium », Shuichi Shoji, D.E.C.E., Waseda University, 3-4-1 , ohkubo, Shinjuku, Tokyo 169, 1997, IEEE). Le collage peut être réalisé à l'aide d'une colle, en polymère ou en époxy, ou d'une résine photosensible déposée au préalable sur au moins une des surfaces à assembler. Selon une autre variante d'assemblage, le collage peut être réalisé par l'intermédiaire d'un matériau fusible, comme du verre fusible déposé sous forme d'un cordon ou d'une couche mince ou un métal eutectique (indium ou alliage plomb-étain, par exemple) dont la température de fusion est inférieure à celle du lithium.
L'assemblage du capot 10 sur le substrat 2 ou sur la couche isolante intermédiaire 3 est de préférence réalisé sous vide ou sous gaz inerte (argon ou azote, par exemple), de manière à ce que la source d'énergie se trouve dans une cavité étanche ayant une atmosphère neutre ou protectrice. En cas d'effraction ou de tentative d'intrusion, le gaz inerte éventuellement contenu dans la cavité s'échappe et l'atmosphère ambiante pénètre dans la cavité 9 et vient directement en contact avec les parties à protéger. La source d'énergie étant constituée par des matériaux très réactifs, comme le lithium qui réagit à l'humidité de l'air, toute tentative d'intrusion dans le composant conduisant à la mise au contact avec l'atmosphère de ces matériaux provoque une destruction immédiate de la source d'énergie et, en conséquence, rend le composant inutilisable, ce qui en renforce la sécurité vis-à-vis d'un utilisateur non-autorisé qui tente d'accéder au circuit intégré. En effet, l'intégration d'une source d'énergie sur le même substrat qu'un circuit intégré, qu'elle alimente au moins en partie, a essentiellement pour but la sécurisation du circuit intégré. Dans le cas d'une carte à puce, par exemple, la source d'énergie peut être utilisée pour sauvegarder dans une mémoire une information sensible, comme un code confidentiel. La destruction de la source d'énergie en cas d'intrusion supprime cette information, rendant la carte inviolable et son utilisation ultérieure impossible.
Dans un second mode de réalisation, représenté à la figure 2 avant fermeture de la cavité 9, la cavité 9 est délimitée latéralement par une paroi 11 entourant l'ensemble des parties à protéger, la hauteur de la paroi 11 étant supérieure à l'épaisseur des parties à protéger. Dans une première variante de réalisation, la paroi 11, en verre, est formée sur le substrat 2 par sérigraphie, par injection de poudres et de précurseurs au moyen d'un injecteur de type injecteur de véhicule automobile, par injection au moyen de micro-injecteurs du type utilisé dans les têtes d'imprimante, par dépôt d'un cordon de verre ou de résine par photolithographie ou par injection, ou par gravure d'une couche épaisse. Dans une seconde variante de réalisation, la cavité est réalisée par gravure du substrat 2, le circuit intégré 1 et la source d'énergie étant alors enfouis dans le substrat 2. La cavité 9 peut être fermée de manière étanche par un capot fixé à la paroi 11 et constitué par une plaque du même type que le capot 10 décrit ci- dessus.
Dans un autre mode de réalisation, représenté à la figure 3, la cavité 9 est remplie par un matériau de remplissage destiné à améliorer la protection et constitué de résine de silicone, de résine thermodurcissable, de polymère, d'époxy, de verre fusible ou d'un métal choisi parmi l'indium, l'étain, le plomb ou leurs alliages. Pour assurer une meilleure étanchéité, la cavité 9 remplie peut, de plus, être recouverte par un revêtement protecteur additionnel 12. Ce dernier peut être constitué par une couche mince, métallique ou isolante, obtenue par dépôt (par exemple CVD ou PVD) ou par collage d'une mince feuille métallique.
La source d'énergie doit fournir suffisamment d'énergie pour effectuer un nombre limité d'opérations pendant la durée de vie du composant, tout en ayant des dimensions aussi faibles que possibles, compatibles avec les dimensions des circuits intégrés, notamment avec leur épaisseur (de quelques dizaines à quelques centaines de microns).
Une micro-supercapacité peut constituer une autre source d'énergie appropriée.
Une telle supercapacité est réalisée sous forme de films minces, avec le même type de technologie que les micro-batteries. Comme représenté à la figure 4, elle est constituée par l'empilement, sur un substrat isolant 2, de préférence en silicium, de couches constituant respectivement un collecteur de courant inférieur 13, une électrode inférieure 14, un électrolyte 15, une électrode supérieure 16 et un collecteur de courant supérieur 17.
Les éléments de la micro-supercapacité peuvent être réalisés en divers matériaux. Les électrodes 14 et 16 peuvent être à base de carbone ou d'oxydes de métaux comme Ru02, Ir02, Ta02 ou Mn02. L'électrolyte 15 peut être un électrolyte vitreux du même type que celui des micro-batteries. La micro- supercapacité peut avoir une capacité surfacique de l'ordre de 10μAh/cm2 et sa charge complète peut être obtenue en moins d'une seconde.
Un mode particulier de réalisation d'une micro-supercapacité utilisable dans un composant selon l'invention est représenté à la figure 4. La micro-supercapacité est formée sur le substrat isolant 2, en silicium. Elle est formée en cinq étapes successives de dépôt : - Dans une première étape, le collecteur de courant inférieur 13 est formé par dépôt d'une couche de platine de 0,2±0,1μm d'épaisseur, par pulvérisation cathodique radiofrequence.
Dans une seconde étape, l'électrode inférieure 14, en oxyde de ruthénium
(Ru02) est réalisée à partir d'une cible de ruthénium métallique, par pulvérisation cathodique radiofrequence réactive dans un mélange d'argon et d'oxygène (Ar / O2) à température ambiante. La couche formée a une épaisseur de 1 ,5±0,5μm.
Dans une troisième étape, une couche de 1 ,2±0,4μm d'épaisseur, constituant l'électrolyte 15, est formée. C'est un verre conducteur de type Lipon (Li3PO2 5N03), obtenu par pulvérisation cathodique sous pression partielle d'azote avec une cible de Li3P04 ou 0,75(Li2O)-0,25(P2O5).
Dans une quatrième étape, l'électrode supérieure 16, en oxyde de ruthénium (Ru02) est réalisée de la même manière que l'électrode inférieure 14 pendant la seconde étape. - Dans une cinquième étape, le collecteur de courant supérieur 17, en platine, est formé de la même manière que le collecteur de courant inférieur 13 pendant la première étape. Il est possible d'améliorer encore la sécurisation du composant, lorsque la cavité 9 n'est pas remplie par un matériau de remplissage, en disposant un capteur de pression à l'intérieur de la cavité 9. Le capteur de pression détecte toute variation de pression à l'intérieur de la cavité et rend le composant inutilisable lorsque la variation de pression dépasse un seuil prédéterminé. La pression interne de la cavité, qu'elle soit inférieure (vide) ou supérieure à la pression atmosphérique, est susceptible de varier dans le temps en fonction de la qualité de l'assemblage (fuite, etc.). Son évolution dans le temps est imprévisible et non mesurable de l'extérieur. La pression interne de la cavité constitue ainsi un code inviolable. Une telle protection rend inefficace une intrusion qui serait effectuée en atmosphère contrôlée et inerte.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5, un interrupteur 18, normalement ouvert, est connecté en parallèle sur la source d'énergie 19.
L'interrupteur 18 est automatiquement fermé par le capteur de pression lorsque la variation de pression dépasse le seuil prédéterminé, court-circuitant alors la source d'énergie 19, qui se décharge immédiatement, provoquant la mise hors service du composant. L'interrupteur 18 peut, par exemple, être constitué par une membrane du capteur de pression, dont une face est soumise à la pression atmosphérique en cas de détérioration de la cavité et dont le déplacement provoque le court-circuit de la source d'énergie.
Dans une variante de réalisation, non représentée, le capteur de pression est alimenté par la source d'énergie et géré par le circuit intégré 1. Le circuit intégré
1 lit périodiquement la valeur de la pression mesurée par le capteur de pression et détecte, par comparaison différentielle, toute fuite de la cavité ou toute intrusion malintentionnée. Lorsque la variation de pression dépasse le seuil prédéterminé, le circuit intégré 1 provoque une mise hors service du composant, par exemple par décharge de la source d'énergie à travers un interrupteur électronique constitué par un transistor. La fréquence de mesure de la pression dans la cavité est ajustée de manière à rendre impossible toute intrusion dans le composant, tout en limitant la consommation d'énergie.

Claims

Revendications
1. Composant micro ou nano-électronique comportant une source d'énergie réalisée sous forme de films minces déposés sur un substrat et des moyens de protection de la source d'énergie vis-à-vis de l'atmosphère ambiante, composant caractérisé en ce que les moyens de protection comportent une cavité (9) étanche dans laquelle est disposée la source d'énergie non protégée, toute pénétration de l'atmosphère ambiante dans la cavité étanche provoquant, par oxydation, la destruction de la source d'énergie, rendant ainsi le composant inutilisable.
2. Composant selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la cavité (9) est remplie par un gaz inerte.
3. Composant selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'intérieur de la cavité (9) est sous vide.
4. Composant selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de pression disposé à l'intérieur de la cavité et détectant une variation de pression à l'intérieur de la cavité pour rendre le composant inutilisable lorsque la variation de pression dépasse un seuil prédéterminé.
5. Composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur de pression court-circuite la source d'énergie (19) lorsque la variation de pression dépasse le seuil prédéterminé.
6. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cavité (9) est fermée par un capot (10).
7. Composant selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capot (10) est constitué par une plaque de silicium, de métal, de polymère, d'époxy ou de verre.
8. Composant selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cavité (9) est gravée dans le capot (10).
9. Composant selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le capot (10) est fixé par collage.
10. Composant selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la cavité (9) est remplie par un matériau de remplissage constitué de résine de silicone, de résine thermodurcissable, de polymère, d'époxy, de verre fusible ou d'un métal choisi parmi l'indium, l'étain, le plomb ou leurs alliages.
11. Composant selon la revendication 10, caractérisé en ce que la cavité (9) remplie est recouverte par un revêtement protecteur (12).
12. Composant selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le revêtement protecteur (12) est constitué par une couche mince formée par des techniques de fabrication de semi-conducteurs.
13. Composant selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le revêtement protecteur (12) est constitué par une feuille métallique mince collée sur la cavité remplie.
14. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la cavité (9) est formée par gravure dans le substrat (2), la source d'énergie étant formée sur le fond de la cavité.
15. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la cavité (9) est délimitée latéralement par une paroi (11) entourant l'ensemble des parties à protéger, la hauteur de la paroi étant supérieure à l'épaisseur des parties à protéger.
16. Composant selon la revendication 15, caractérisé en ce que la paroi (11) est formée par sérigraphie sur le substrat.
17. Composant selon la revendication 15, caractérisé en ce que la paroi (11) est formée par injection sur le substrat (2).
18. Composant selon la revendication 15, caractérisé en ce que la paroi (11) est formée par photolithographie sur le substrat (2).
19. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que la source d'énergie est constituée par une micro-batterie.
20. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que la source d'énergie est constituée par une supercapacité.
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