JP2005506714A - 電源と電源保護手段とを備えたマイクロまたはナノ電子部品 - Google Patents

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Abstract

本発明は、マイクロ電池またはマイクロスーパーキャパシタンスからなる非保護電源（４から７）が配置された封止キャビティ（９）を備えた部品に関する。封止キャビティへの外気のあらゆる侵入は酸化による電源の破壊を引き起こし、部品を動作不能にする。キャビティ（９）は真空であっても、不活性ガスによって充填されていてもよい。圧力センサがキャビティ内に配置されて、キャビティ内の圧力変動を検出し、圧力変動が所定の閾値を超えると部品を動作不能にする。キャビティ（９）はカバー（１０）によって閉鎖されても、シリコン樹脂、熱硬化性樹脂、ポリマ、エポキシ樹脂、可融性ガラス、あるいはインジウム、スズ、鉛、またはこれらの合金から選択された金属からなる充填材料によって充填されてもよい。

Description

【背景技術】
【０００１】
本発明は、基板上に堆積された薄膜の形態の電源と、該電源を周囲雰囲気から保護するための手段とを備えたマイクロまたはナノ電子部品に関する。
【０００２】
基板上に堆積された薄膜の形態の電源は周囲雰囲気に反応する要素を備えており、電源の急速な劣化を招く可能性がある。例えば、マイクロ電池の陰極を構成する金属リチウムは空気と反応して、特に湿気があると急速に酸化する。従って、マイクロ電子部品でのこれらの電源の使用に適合する効率的な保護によって、電源を外気から保護することが必要不可欠である。
【０００３】
米国特許第５，５６１，００４号明細書は、少なくとも１つの追加層によって外気から保護された、薄膜の形態のリチウム電池について説明した。保護層は薄膜の形態で、電池のリチウム電極に直接堆積されており、この電極の露出部分を全体的に被覆した。これらの保護層の形成に使用された材料は金属、セラミック、セラミックと金属の組み合わせ、パリレン(parylene)と金属の組み合わせ、パリレンとセラミックの組み合わせ、あるいはパリレンとセラミックと金属の組み合わせである。このタイプの被覆は電池を化学的に保護するが、機械的な侵入からは保護することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、基板上に形成された電源を備えたマイクロまたはナノ電子部品の安全性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によると、この目的は、添付の請求項に従った部品によって、より具体的には、保護手段は非保護電源が配置された封止キャビティを備えており、封止キャビティへの周囲雰囲気の侵入は酸化による電源の破壊を招く結果、部品を動作不能にするということによって達成される。
【０００６】
キャビティは真空であっても、不活性ガスによって充填されていてもよい。
【０００７】
本発明の展開によると、部品は、キャビティ内に配置され、かつキャビティ内の圧力変動を検出し、圧力変動が所定の閾値を超えると部品を動作不能にする圧力センサを備えた。
【０００８】
別の展開によると、キャビティは、シリコン樹脂、熱硬化性樹脂、ポリマ、可融性ガラス、あるいはインジウム、スズ、鉛、またはこれらの合金から選択された金属からなる充填材料によって充填された。
【０００９】
電源はマイクロ電池またはマイクロスーパーキャパシタンスによって形成可能である。
【００１０】
他の利点および特徴は、非限定的例としてのみ用いられ、かつ添付の図面に示されたように、本発明の具体的実施形態に関する以下の説明からより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、電源が、絶縁基板２上に形成された集積回路１自体の上に形成された部品を示した。電源は集積回路１の要素の少なくとも一部を供給するように設計された。代替実施形態において（図示せず）、電源および集積回路は基板２上に並んで配置された。電源が集積回路上に形成された場合、集積回路の上層はそのための基板として作用し得る。しかしながら、集積回路の上層のトポロジー（不均一な表面）および／または密度は、電源に必要な電気的特徴を示す追加層を実現するのに不適切である場合がある。好ましい実施形態において、中間絶縁層３は集積回路上に堆積されて、電源の様々な要素をサポートする基板として作用する。集積回路上に堆積された中間絶縁層３は十分厚く、電源が形成される前に、必要に応じてその上面で平坦化可能である。中間絶縁層は無機材料（ガラス、ＳｉＯ２など）または有機材料（ポリマ、エポキシなど）から形成されてもよい。平坦化は、（例えば研磨による）機械的またはメカノケミカル手段によって実現可能である。平坦な中間絶縁層はまた、液体手段によって集積回路上に形成される場合には直接得ることが可能である。平坦な中間絶縁層３は好ましくは、集積回路２および基板１の全体を被覆する（図１）。そして電源はそのための基板として作用する中間絶縁層３上に形成される。
【００１２】
任意の適切な既知の材料からなる基板２はとりわけ、シリコン、ガラス、プラスチック基板などであってもよい。集積回路１はまた、集積半導体の製造に使用される任意のタイプの技術によって既知の方法で形成される。
【００１３】
電源は、厚さが７μｍから３０μｍ（好ましくは約１５μｍ）のマイクロ電池、例えば従来の化学気相成長（ＣＶＤ）または物理気相成長（ＰＶＤ）技術によって形成されたリチウムマイクロ電池によって形成可能である。薄膜の形態のこのようなマイクロ電池はとりわけ、ＷＯ−Ａ−９８／４８４６７号明細書およびＵＳ−Ａ−５，５６１，００４号明細書に説明された。
【００１４】
マイクロ電池の動作原理は既知の通り、アルカリ金属イオンまたはプロトンのマイクロ電池の陽極に対する挿入および除去、好ましくは金属リチウム電極からのリチウムイオンＬｉ＋に基づいた。マイクロ電池は、それぞれ２つの電流コレクタ４ａおよび４ｂと、陽極５と、電解質６と、陰極７とを構成するＣＶＤまたはＰＶＤによって得られる積層によって形成された。
【００１５】
集積回路の上部分に備えられた、集積回路１のパッド８ａおよび８ｂの接続は中間絶縁層３を通過して、マイクロ電池の接続パッドを構成する電流コレクタ４ａおよび４ｂと接触する。従って、集積回路とマイクロ電池の電気的接続は接続パッドを形成する関連層間の金属的接触によって実現される。従って、マイクロ電池によって形成された電源は、これが形成された集積回路１の要素の少なくとも一部を供給することができる。
【００１６】
マイクロ電池１の要素は種々の材料によって形成可能である。すなわち以下の通りである。
−金属電流コレクタ４ａおよび４ｂは例えばプラチナ（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、またはチタン（Ｔｉ）系であってもよい。
−陽極５はＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＣｕＳ、ＣｕＳ２、ＷＯｙＳｚ、ＴｉＯｙＳｚ、Ｖ２Ｏ４またはＶ３Ｏ８、およびこれらの酸化バナジウムと硫化金属のリチウム化合物によって形成可能である。
−良好なイオン導体かつ電気絶縁体である電解質６は、ホウ素、酸化リチウム、またはリチウム塩基を有するガラス質材料によって形成可能である。
−陰極７は、熱蒸着によって堆積された金属リチウム、リチウム系金属合金、またはＳｉＴＯＮ、ＳｎＮｘ、ＩｎＮｘ、ＳｎＯ２などの挿入化合物によって形成可能である。
【００１７】
使用された材料に応じて、マイクロ電池の動作電圧は２Ｖから４Ｖであり、約１００μＡｈ／ｃｍ２の表面容量を有した。マイクロ電池の再充電は数分の充電でよい。
【００１８】
部品、とりわけ電源を周囲環境から保護することは必要不可欠である。マイクロ電源の組成に含まれた特定の要素は事実、大気条件により影響を受けやすい。とりわけマイクロ電池の陰極を構成した金属リチウムは、空気と接触すると、特に湿気があると急速に酸化する。
【００１９】
薄膜の形態で実現されたリチウム電池を外気から保護するための、米国特許第５，５６１，００４号明細書に記載された被覆タイプは電池を化学的に保護するが、機械的な侵入からは保護することができない。
【００２０】
本発明によると、部品は、保護すべき部品のパーツ、すなわち少なくとも電源が配置された封止キャビティ９を備えた。図１から３において、電源および集積回路１はキャビティ９に完全に収容された。集積回路および電源は別個に配置されても、あるいはキャビティ９にアセンブリの形態で配置されてもよいが、好ましくはキャビティに直接形成され、その底部は基板として作用する。
【００２１】
図１に示された第１の実施形態において、キャビティ９は、保護すべき要素上、より具体的にはマイクロ電池上に嵌合するカバー１０によって閉鎖される。カバーは好ましくはシリコン、金属、ポリマ、エポキシ、またはキャビティ９がエッチングされたガラスプレートによって形成される。カバー１０は基板２、またはマイクロ電池の基板として作用する中間プレート３に固定され、保護すべき部品のパーツを囲んでいる。図１において、従ってキャビティ９はカバーまたは中間プレート３と隣接する。パッド８ａおよび８ｂ以外のパッドの接続は外部でなされてもよい。
【００２２】
組み立ては、実現するキャビティ９の密閉性を実現する任意の適切な手段によって、とりわけ接着または陽極接着によって実行されても良い（「リチウムを使用するＭＥＭＳの実装および組み立てのための１８０度以下の陽極接着」（Ａｎｏｄｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ ｂｅｌｏｗ １８０℃ ｆｏｒ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｏｆ ＭＥＭＳ ｕｓｉｎｇ ｌｉｔｈｉｕｍ）ショウジ シュウイチ（Ｓｈｕｉｃｈｉ Ｓｈｏｊｉ）、Ｄ．Ｅ．Ｃ．Ｅ．、東京都新宿区大久保３−４−１早稲田大学、１６９号、１９９７年、ＩＥＥＥ）。接着はポリマまたはエポキシ接着剤、あるいは組み立てる表面の少なくとも１つに事前に堆積された感光性樹脂によって実現可能である。別の組み立て方法によると、接着は、ビーズまたは薄層の形態で堆積された可融性ガラス、またはその溶融温度がリチウムよりも低い共融金属（例えばインジウム、鉛−スズ合金）などの可融性材料によって実現可能である。
【００２３】
カバー１０の基板２または中間絶縁層３への取り付けは好ましくは真空において、または不活性ガス（例えばアルゴン、窒素）によって実行され、電源は中性または保護雰囲気を有する封止キャビティ内にある。侵入すなわち意図的な侵入の場合、キャビティに含まれた不活性ガスは漏れ、周囲雰囲気がキャビティ９に入り、保護すべきパーツと直接接触するようになる。電源が、空気の湿気に反応するリチウムなどの非常に反応性の高い材料によって構成されたと、これらの材料を外気と接触させることになる部品への意図的な侵入は電源の急速な破壊を引き起こし、その結果部品を動作不能にし、集積回路にアクセスを試みた不正ユーザに対する安全性を高めることになる。少なくとも部分的に供給した、集積回路と同一基板上の電源を統合することは、集積回路を固定するという目的を有した。例えばスマートカードの場合、電源を使用して機密コードなどの機密情報をメモリに記憶することができる。侵入による電源の破壊はこの情報を削除し、カードを改ざん防止して、その後の使用を不可能にする。
【００２４】
図２に示された、カバー９が閉鎖される前の第２の実施形態において、キャビティ９は保護すべき全パーツを囲んでいる壁１１と横方向に隣接しており、壁１１の高さは保護すべきパーツの厚さよりも大きい。第１の代替実施形態において、ガラスからなる壁１１はセリグラフィ、自動注入タイプのインジェクタによる粉末および前駆体の注入、プリンタヘッドに使用されたタイプのマイクロインジェクタによる注入、フォトリソグラフィまたは注入によるガラスまたは樹脂ビーズの堆積、あるいは厚層のエッチングによって基板２上に形成される。第２の実施形態において、キャビティは基板２のエッチングによって実現され、次いで集積回路１と電源は基板２に埋め込まれる。キャビティ９は、壁１１上に固定され、かつ上記のカバー１０と同一タイプのプレートによって形成されたカバーによって密閉可能である。
【００２５】
図３に示された別の実施形態において、キャビティ９は、保護を強化するように設計され、かつシリコン樹脂、熱硬化性樹脂、ポリマ、エポキシ、可融性ガラス、あるいはインジウム、スズ、鉛、またはこれらの合金から選択された金属からなる充填材料によって充填された。より良好な封止を実現するために、充填されたキャビティ９はさらに追加保護被覆１２によって被覆可能である。後者は堆積（例えばＣＶＤまたはＰＶＤ）または薄い金属ストリップの接着によって得られる薄い金属または絶縁層によって形成可能である。
【００２６】
電源は十分な電力を供給して、集積回路の寸法、とりわけその厚さ（数十から数百ミクロン）に適合した可能な限り小さいサイズを有しつつ、部品の耐用年数中に限られた数の動作を実行しなければならない。
【００２７】
マイクロスーパーキャパシタンスは別の適切な電源を構成可能である。このようなスーパーキャパシタンスはマイクロ電池と同一タイプの技術によって薄膜の形態で実現された。図４に示されたように、それは、それぞれが底部電流コレクタ１３と、底部電極１４と、電解質１５と、上部電極１６と、上部電流コレクタ１７とを構成した層を、好ましくはシリコンからなる絶縁基板２上に接着することによって形成された。
【００２８】
マイクロスーパーキャパシタンスの要素は様々な材料から形成可能である。電極１４および１６はＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＴａＯ２、またはＭｎＯ２などの炭素または金属酸化物によって形成されたベースを有することができる。電解質１５は、マイクロ電池と同一タイプのガラス質の電解質であってもよい。マイクロスーパーキャパシタンスは約１０μＡｈ／ｃｍ２の表面容量を有することができ、その完全充電は１秒未満で実行可能である。
【００２９】
本発明に従った部品において使用可能なマイクロスーパーキャパシタンスの具体的実施形態は図４に示された。マイクロスーパーキャパシタンスは絶縁シリコン基板２上に形成された。それは５つの連続する堆積ステップにおいて形成される。
−第１のステップにおいて、底部電流コレクタ１３は、厚さ０．２±０．１μｍのプラチナ層をＲＦ陰極スパッタリングによって堆積することによって形成される。
−第２のステップにおいて、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）からなる底部電極１４は、室温でのアルゴンと酸素の混合物（Ａｒ／Ｏ２）における反応性ＲＦ陰極スパッタリングによって金属ルテニウムターゲットから形成される。形成された層は１．５±０．５μｍの厚さを有する。
−第３のステップにおいて、電解質１５を構成する厚さ１．２±０．４μｍの層が形成される。これは、Ｌｉ３ＰＯ４または０．７５（Ｌｉ２Ｏ）−０．２５（Ｐ２Ｏ５）ターゲットによって窒素分圧下での陰極スパッタリングによって得られるＬｉｐｏｎタイプ（Ｌｉ３ＰＯ２．５Ｎ０．３）の導電性ガラスである。
−第４のステップにおいて、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）からなる上部電極１６は、第２のステップ時に底部電極１４と同様に形成される。
−第５のステップにおいて、プラチナからなる上部電流コレクタ１７は、第１のステップ時に底部電流コレクタ１３と同様に形成される。
【００３０】
部品の固定はさらに、キャビティ９が充填材料によって充填されていない場合、キャビティ９内部に圧力センサを嵌合することによってさらに強化される。圧力センサはキャビティ内の圧力変動を検出し、圧力変動が所定の閾値を超えると部品を動作不能にする。キャビティの内部圧は、それが大気圧より低くても（真空）高くても、アセンブリの品質（漏れなど）によって経時的に変化する傾向がある。その経時的な変化は予測できず、外部からは測定不可能である。従って、キャビティの内部圧は改ざん防止コードを構成する。このような保護は制御された不活性雰囲気において実行される侵入を無効にする。
【００３１】
図５に示された実施形態において、通常開いたスイッチ１８が電源１９に平行に接続された。スイッチ１８は、圧力変動が所定の閾値を超えると圧力センサによって自動的に閉じられて、放電する電源１９をショートさせ、部品を即座に動作不能にする。スイッチ１８は例えば、圧力センサの膜によって形成されてもよく、その一方の面はキャビティが劣化する場合には大気圧にさらされ、その動きは電源のショートを引き起こす。
【００３２】
図示されていない代替実施形態において、圧力センサは電源によって供給され、集積回路１によって管理された。集積回路１は圧力センサによって測定された圧力値を定期的に読み取り、差分比較によってキャビティの漏れや悪意のある侵入を検出する。圧力変動が所定の閾値を超えると、集積回路１は部品を、例えばトランジスタによって形成された電子スイッチを介して電源を放電することによって動作不能にする。キャビティ内の圧力の測定回数は、電力消費を制限しながら、部品への侵入を不可能にするように調整される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に従った部品の第１の実施形態を示す。
【図２】キャビティが閉鎖される前の、本発明に従った部品の第２の実施形態を示す。
【図３】図２に従った部品のキャビティの閉鎖に関する具体的実施形態を示す。
【図４】電源を構成可能なマイクロスーパーキャパシタンスを示す。
【図５】部品を動作不能にすることについての具体的実施形態を示す。

Claims (20)

  1. 基板上に堆積された薄膜の形態の電源と、前記電源を周囲雰囲気から保護するための手段とを備えたマイクロまたはナノ電子部品であって、前記保護手段は前記非保護電源が配置された封止キャビティ（９）を備えており、前記封止キャビティへの周囲雰囲気の侵入が酸化による前記電源の破壊を引き起こす結果、前記部品を動作不能にすることを特徴とする、部品。
  2. 前記キャビティ（９）は不活性ガスによって充填されたことを特徴とする、請求項１に記載の部品。
  3. 前記キャビティ（９）の内部は真空であることを特徴とする、請求項１に記載の部品。
  4. 前記キャビティ内に配置され、かつ前記キャビティ内の圧力変動を検出するための圧力センサを備えており、前記圧力変動が所定の閾値を超えると前記部品を動作不能にすることを特徴とする、請求項２または３に記載の部品。
  5. 前記圧力変動が前記所定の閾値を超えると、前記圧力センサは前記電源（１９）をショートさせることを特徴とする、請求項４に記載の部品。
  6. 前記キャビティ（９）はカバー（１０）によって閉鎖されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の部品。
  7. 前記カバー（１０）はシリコン、金属、ポリマ、エポキシ、またはガラスプレートによって形成されたことを特徴とする、請求項６に記載の部品。
  8. 前記キャビティ（９）は前記カバー（１０）においてエッチングされたことを特徴とする、請求項７に記載の部品。
  9. 前記カバー（１０）は接着によって固定されたことを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載の部品。
  10. 前記キャビティ（９）は、シリコン樹脂、熱硬化性樹脂、ポリマ、可融性ガラス、あるいはインジウム、スズ、鉛、またはこれらの合金から選択された金属からなる充填材料によって充填されたことを特徴とする、請求項１に記載の部品。
  11. 前記充填されたキャビティ（９）は保護被覆（１２）によって被覆されたことを特徴とする、請求項１０に記載の部品。
  12. 前記保護被覆（１２）は、半導体製造技術によって形成された薄層によって構成されたことを特徴とする、請求項１１に記載の部品。
  13. 前記保護被覆（１２）は、前記充填されたキャビティ上に接着された薄い金属ストリップによって構成されたことを特徴とする、請求項１１に記載の部品。
  14. 前記キャビティ（９）は前記基板（２）におけるエッチングによって形成されており、前記電源は前記キャビティの底部に形成されたことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の部品。
  15. 前記キャビティ（９）は、保護すべき全パーツを囲む壁（１１）と横方向に隣接しており、前記壁の高さは前記保護すべきパーツの厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の部品。
  16. 前記壁（１１）は前記基板上にセリグラフィ(serigraphy)によって形成されたことを特徴とする、請求項１５に記載の部品。
  17. 前記壁（１１）は前記基板上に注入によって形成されたことを特徴とする、請求項１５に記載の部品。
  18. 前記壁（１１）は前記基板上にフォトリソグラフィによって形成されたことを特徴とする、請求項１５に記載の部品。
  19. 前記電源はマイクロ電池によって形成されたことを特徴とする、請求項１から１８のいずれか一項に記載の部品。
  20. 前記電源はマイクロスーパーキャパシタンスによって形成されたことを特徴とする、請求項１から１８のいずれか一項に記載の部品。
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