JP2019519070A - マイクロバッテリの簡略化された気密性パッケージング - Google Patents
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Abstract
【課題】金属シーリング層が、マイクロバッテリのアノード側と、マイクロバッテリのカソード側との間に気密性シールを設けるのに使用される、マクロバッテリを提供する。
【解決手段】本出願によれば、金属シール層が、アノード側に位置する各金属アノード構造の外周まわりに形成され、次いで金属シーリング層が、カソード側にある壁構造のはんだ付け可能金属層に接合される。壁構造は、金属集電構造を露出させる空隙を含有する。空隙は、バッテリ材料で充填される。
【選択図】図１３
【解決手段】本出願によれば、金属シール層が、アノード側に位置する各金属アノード構造の外周まわりに形成され、次いで金属シーリング層が、カソード側にある壁構造のはんだ付け可能金属層に接合される。壁構造は、金属集電構造を露出させる空隙を含有する。空隙は、バッテリ材料で充填される。
【選択図】図１３
Description
本出願は、マイクロバッテリに関し、より具体的にはモノリシック金属シール方式を使用するマイクロバッテリの気密性シーリング（すなわち、パッケージング）に関する。
マイクロバッテリの気密性シーリングは、着用式（wearable）および埋込式（implantable）のヘルスケア装置に対して重要である。従来型の着用式および埋込式のヘルスケア装置において、マイクロバッテリのシーリングは、通常、ポリマー材料を使用して達成される。ポリマー・シーリングは、気密性に対して十分ではない。金属シーリングは、気密性を改善した超薄型シーリング構造を提供できることから、ポリマー・シーリングより望ましい。モノリシック金属堆積によって、マイクロバッテリのアノード電極およびカソード電極用として特に有望である、バッチ処理により高い生産効率を得ることができる。
したがって、前述の問題に対処することが、当技術分野において必要とされている。
第１の態様の観点では、本発明は、気密シール壁構造によって金属アノード構造から間隔を空けられた金属集電構造を備え、気密シール壁構造が、金属集電構造と金属アノード構造との間に空隙を画定するとともに、金属アノード構造の表面と直接接触する金属シーリング層を含有する、マイクロバッテリを提供する。
さらに別の態様の観点では、本発明は、マイクロバッテリを形成する方法であって、ハンドラ基板、リリース層、および少なくとも１つの金属アノード構造を含む第１の構造を設けることであって、金属シーリング層が各金属アノード構造の表面上に位置する、設けることと、別のハンドル基板、ポリマー接着剤、およびポリマー接着剤に埋め込まれた、少なくとも１つの金属集電構造を含む、第２の構造を設けることであって、空隙を有する壁構造が、各金属集電構造の表面上に位置し、壁構造が、はんだ付け可能金属を含む、設けることと、第１の構造の金属シーリング層を各壁構造のはんだ付け可能金属に接合することと、ハンドラ基板、別のハンドラ基板、リリース層、およびポリマー接着剤層を除去して、少なくとも１つのマイクロバッテリを提供することと、を含む方法を提供する。
マイクロバッテリのアノード側と、マイクロバッテリのカソード側の間に気密シールを提供するのに金属シーリング層が使用される、マイクロバッテリが提供され、「マイクロバッテリ」という用語は、本出願を通して、１０ミクロンから１０００ミクロンの最小寸法を有するバッテリを示すのに用いられる。本出願によれば、金属シーリング層は、アノード側に位置する各金属アノード構造の外周まわりに形成され、次いで、金属シーリング層が、カソード側にある壁構造のはんだ付け可能金属層に接合される。壁構造は、金属集電構造を露出させる、空隙を含有し、空隙にはバッテリ材料が充填されている。
本出願の一態様において、マイクロバッテリが提供される。本出願の一実施形態において、マイクロバッテリは、気密シール壁構造によって金属アノード構造から間隔を空けられた金属集電構造を含む。本出願の気密シール壁構造は、金属集電構造と金属アノード構造の間に空隙を画定するとともに、金属アノード構造の表面と直接接触する金属シーリング層を含有する。
本出願の別の態様において、マイクロバッテリを形成する方法が提供される。本出願の実施形態において、前記方法は、ハンドラ基板、リリース層、および少なくとも１つの金属アノード構造を含む第１の構造を設けることを含み、金属シーリング層が、各金属アノード構造の表面上に位置する。別のハンドル基板、ポリマー接着剤、およびポリマー接着剤に埋め込まれた、少なくとも１つの金属集電構造を含む、第２の構造が設けられ、空隙を有する壁構造が、各金属集電構造の表面上に位置するとともに、壁構造は、はんだ付け可能金属を含む。次に、第１の構造の金属シーリング層が、各壁構造のはんだ付け可能金属に接合されて、その後にハンドラ基板、別のハンドラ基板、リリース層、およびポリマー接着剤層が取り除かれて、少なくとも１つのマイクロバッテリを提供する。
次いで、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、単に例として、説明する。
次いで、本出願を、以下の考察と、本発明に添付される図面を参照して、より詳細に説明する。なお、本出願の図面は、説明目的だけで提供されるものであり、そのために、図面は実寸通りに描かれていない。また、同一の、および対応する要素は、同一の参照番号によって参照されることに留意されたい。
以下の説明においては、本出願の様々な実施形態の理解を与えるために、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、技法などの、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者によって、本出願の様々な実施形態は、これらの具体的な詳細なしでも実施することが可能であることを、理解されるであろう。別の場合には、周知の構造または処理ステップについては、本出願を分かり難くするのを避けるために、詳細には記載されていない。
層、領域または基板としての要素が、別の要素の「上（on）」または「上方（over）」にあると言及されるときには、その要素は、直接、他の要素の上にあるか、または介在要素が存在することもあることが理解されるであろう。対照的に、要素が、別の要素の「直接上に」または「直接上方に」あると言及されるときには、介在要素は存在しない。また、要素が、別の要素の「下（beneath）」または「下方（under）」にあると言及されるときには、その要素は別の要素の直接下に、または直接下方にあるか、または介在要素が存在することがあることが理解されるであろう。対照的に、要素が、別の要素の「直接下に」または「直接下方に」にあると言及されるときには、介在要素は存在しない。
最初に図１を参照すると、本出願の一実施形態により使用することのできる、ハンドラ基板１０、リリース層１２および金属シード層１４を含む、第１の例示的構造が描かれており、図１〜図５に示された第１の例示的構造は、本出願のマイクロバッテリのアノード側を表わす。図示された実施形態において、図１〜図５に示された第１の例示的構造は、第１の例示的構造が本出願のマイクロバッテリの上端構成要素として使用されることを図示するために、上側に引っくり返して示されている。本出願のマイクロバッテリの下端構成要素は、図６〜図１１に示された第２の例示的構造である。
図１の第１の例示的構造は、最初に、ハンドラ基板１０を設けることによって、形成することができる。ハンドラ基板１０は、それに限定はされないが、ガラスまたはケイ素を含む、任意のハンドラ材料で構成してもよい。本出願において使用してもよい、ハンドラ基板１０は、７００ミクロンから７８０ミクロンの厚さであってもよい。前述の厚さ値よりも小さい、またはそれよりも大きい、その他の厚さも、ハンドラ基板１０の厚さとして使用してもよい。
ハンドラ基板１０を設けた後に、ハンドラ基板１０の表面上にリリース層１２が形成される。図示のように、リリース層１２はハンドラ基板１０の表面全体を覆う、連続的な層である。リリース層１２には、後続の工程中にハンドラ基板１０から容易に除去することのできる、任意の材料を含めてもよい。一実施形態において、リリース層１２は、レーザ焼灼可能な（laser ablatable）材料である。「レーザ焼灼可能な材料」とは、レーザ焼灼を使用して除去することのできる、任意の材料を意味する。レーザ焼灼とは、レーザビームを材料に照射することによって、別の材料の表面から材料を除去する工程である。一例において、リリース層１２として使用することのできるレーザ焼灼可能な材料は、例えば、３Ｍ ＬＴＨＣ（Ｒ）のような、カーボン・ブラック・リッチ・ポリマーである。「カーボン・ブラック・リッチ」とは、２０重量％を超えるカーボン・ブラックを含有するポリマー材料を意味する。リリース層１２は、例えば、化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、気化、またはスピンオン被覆（spin-on coating）などの、堆積工程を使用して形成してもよい。リリース層１２は、１００ｎｍから２０００ｎｍの厚さとしてもよい。前述の厚さ値よりも小さいか、または大きい、その他の厚さも、リリース層１２の厚さとして用いてもよい。
リリース層１２を設けた後に、リリース層１２の表面上に金属シード層１４を形成することができる。図示されているように、金属シード層１４は、リリース層１２の表面全体を覆う、連続的な層である。一部の実施形態においては、金属シード層１４の形成を省略してもよい。それを用いるときには、金属シード層１４は、別の金属または合金の成長を促進することのできる、金属または合金を含む。本出願に使用することのできる金属シード層１４は、それに限定はされないが、Ｔｉ（３０ｎｍ）／Ｃｕ（２００ｎｍ）を含んでもよい。金属シード層１４は、物理蒸着（ＰＶＤ）工程を使用して形成してもよい。金属シード層１４は、１０ｎｍから５００ｎｍの厚さであってもよい。前述の厚さ値よりも小さい、またはそれよりも大きい、その他の厚さも、金属シード層１４の厚さとして用いてもよい。
図２を参照すると、金属シード層１４上に複数の金属アノード構造１６を形成した後の、図１の第１の例示的構造が図示されている。一部の実施形態においては、金属アノード構造１６は、リリース層１２上に形成してもよい。形成される金属アノード構造１６の数は、少なくとも１つの金属アノード構造が形成される限り、変動してもよい。
設けられる各金属アノード構造１６は、間隙（本出願の図面には具体的にラベル付けせず）によって互いに間隔が空けられている。図示された実施形態において、各金属アノード構造１６間に位置する間隙は、金属シード層１４の一部分を露出させる。各金属アノード構造１６の形状は変動してもよい。一例において、形成される各金属アノード構造１６は、円形であり（すなわち、丸く）、このことは、本出願の図４において、より良く分かる。
各金属アノード構造１６は、例えば、ニッケル、ニッケル／亜鉛、または銅のような少なくとも１種の導電性金属アノード材料を含む。一部の実施形態においては、金属アノード構造１６は、例えば、チタンのようなバリヤ材料を含めてもよい。バリヤ材料を使用するときには、最初にバリヤ材料が形成されて、続いて、少なくとも１種の第１の導電性金属アノード材料が形成される。本出願の一実施形態において、各金属アノード構造１６は、チタンの層、チタンの層の表面上のニッケルの層、およびニッケルの層の表面上の亜鉛の層の材料スタック（すなわち、Ｔｉ／Ｎｉ／Ｚｎスタック）で構成される。
金属アノード構造１６は、最初に、金属アノード構造１６が得られる、各個別構成要素のブランケット層を形成し、続いてブランケット層をパターン形成することによって、形成してもよい。金属アノード構造１６が得られる、各個別構成要素のブランケット層の形成には、１つまたは複数の堆積工程を含めてもよい。一例において、電気メッキを、金属アノード構造１６が得られる、各個別構成要素のブランケット層を堆積させるために、使用することができる。
パターン形成は、リソグラフィおよびエッチングによって実施してもよい。リソグラフィは、フォトレジスト材料（図示せず）を、パターン形成しようとする材料または材料スタックの頂上に、形成することを含む。フォトレジスト材料には、ポジ型（positive-tone）フォトレジスト組成物、ネガ型（negative-tone）フォトレジスト組成物またはハイブリッド型（hybrid-tone）フォトレジスト組成物を含めてもよい。フォトレジスト材料は、例えば、スピンオン被覆のような、堆積工程によって形成してもよい。フォトレジスト材料を形成した後に、堆積されたフォトレジスト材料は、照射のパターンに晒される。次に、露出されたフォトレジスト材料は、従来型のレジスト現像装置を使用して現像される。これによって、パターン形成しようとする材料または材料スタックの部分の頂上にパターン形成されたフォトレジストが得られる。パターン形成されたフォトレジスト材料によって得られたパターンは、その後に、少なくとも１種のパターン移転エッチング工程を使用して、下にあるパターン形成しようとする材料層または材料スタック中に移転される。通常、少なくとも１つのパターン移転エッチング工程は、異方性エッチングである。一実施形態において、例えば、反応性イオン・エッチングなどの乾式エッチング工程を使用することができる。別の実施形態においては、化学エッチングを使用することができる。さらに別の実施形態においては、乾式エッチングと湿式エッチングの組合せを使用することができる。
次に図３〜図４を参照すると、各金属アノード構造１６の物理的に露出された表面の外周まわりに金属シーリング層１８を形成した後の、図２の第１の例示的構造の異なる図が図示されている。金属シーリング層１８は、金属アノード構造１６の全体を覆わず、代わりに、金属アノード構造１６の内側部分が露出されるように、金属アノード構造１６の最外部分に限定されている。一例において、金属シーリング層１８は、リング（すなわちドーナツ）形である。
金属シーリング層１８には、気密性シールを形成するのに使用することのできる、任意の金属または合金を含めることができる。本出願の一実施形態においては、金属シーリング層１８は、インジウム含有材料を含めてもよい。「インジウム含有材料」とは、純粋インジウム金属または例えば、インジウム・スズ合金のような、インジウムの合金を意味する。金属シーリング層１８は、金属シーリング層１８が得られる金属または合金を堆積させて、その後に堆積された金属または合金にパターン形成して、金属シーリング層１８を得ることによって形成してもよい。パターン形成は、上記で定義したようなリソグラフィおよびエッチングによって実施してもよい。金属シーリング層１８は、１０００ｎｍから１００００ｎｍの厚さとしてもよい。前述の厚さ値より小さいか、またはそれより大きい、他の厚さを、金属シード層１４の厚さとして用いてもよい。
次いで図５を参照すると、金属シード層１４の露出された部分を除去した後の、図３〜図４の第１の例示的構造が図示されている。金属シード層１４の残りの部分を、以下では金属シード層部分１４Ｐと呼んでもよい。金属シード層１４を使用しない、一部の実施形態においては、本出願のこのステップは省略してもよい。
金属シード層１４の露出部分の除去は、金属シード層１４を除去するのに際して選択的である、エッチングを使用して実施してもよい。そのような実施形態において、各金属アノード構造１６および金属シーリング層１８を、合成エッチング・マスクとして使用することができる。金属シード層１４の露出部分を除去した後に、金属シード層部分１４Ｐは、金属アノード構造の最外部表面と金属シーリング層１８の最外表面とに垂直に整列された、最外表面を有する。図示されているように、リリース層１２の部分が露出されている。
次に図６を参照すると、半導体基板２０、絶縁体層２２、および絶縁体層２２上の複数の金属集電構造２４を含む、第２の例示的構造が図示されている。第２の例示的構造は、本出願において、マイクロバッテリのカソード側を得るために、使用される。本出願のマイクロバッテリのアノード側およびカソード側は、任意の順序で形成できることに留意すべきである。形成された金属集電構造２４の数は、形成された金属アノード構造１６の数に一致する。また、形成される各金属集電構造２４のそれぞれの大きさと形状は、形成されるそれぞれの各金属アノード構造１６の大きさと形状に同じである。通常、各金属集電構造２４および各金属アノード構造１６は、円形形状である。
図６の第２の例示的構造は、最初に、半導体基板２０を設けることによって形成することができる。半導体基板２０には、半導体特性を有する任意の半導体材料を含めることができる。半導体基板２０を設けるのに使用することのできる、半導体材料の例としては、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ケイ素・ゲルマニウム合金（ＳｉＧｅ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素・ゲルマニウム・カーバイド（ＳｉＧｅＣ）、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体またはＩＩ−ＶＩ化合物半導体が挙げられる。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、元素の周期律表のＩＩＩ族からの少なくとも１種の元素と、元素の周期律表のＶ族からの少なくとも１種の元素とを含む、材料である。ＩＩ−ＶＩ化合物半導体は、元素の周期律表のＩＩ族からの少なくとも１種の元素と、元素の周期律表のＶＩ族からの少なくとも１種の元素とを含む、材料である。
半導体基板２０は、通常、バルク半導体基板である。「バルク」とは、半導体基板２０全体が、上記で定義されるように、少なくとも１種の半導体材料からなることを意味する。一例において、半導体基板２０全体を、ケイ素で構成してもよい。一部の実施形態においては、バルク半導体基板は、上記で定義されるような、少なくとも２種類の異なる半導体材料を含む、多層半導体材料スタックを含んでもよい。一例において、多層半導体材料スタックは、任意の順序で、ケイ素およびケイ素・ゲルマニウム合金のスタックを含んでもよい。
半導体基板２０が得られる半導体材料は、単結晶半導体材料としてもよい。半導体基板２０は第１の厚さを有してもよい。半導体基板２０の第１の厚さは、１００ミクロンから７８０ミクロンである。前述の厚さ範囲より小さい、またはそれよりも大きい、他の厚さも、半導体基板２０の厚さとして用いてもよい。
半導体基板１０を設けた後に、絶縁体層２２が形成される。図示のように、絶縁体層２２は、半導体基板２０の全表面を覆う、連続的な層である。絶縁体層２２には、それに限定はされないが、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または酸窒化ケイ素、あるいはそれらの組合せを含む、任意の誘電体材料を含めてもよい。絶縁体層２２は、例えば、化学蒸着またはプラズマ強化化学蒸着のような堆積工程を使用して形成してもよい。絶縁体層２２は、厚さを１００ｎｍから５０００ｎｍとしてもよい。前述の厚さ値よりも小さい、またはそれよりも大きい、その他の厚さも、絶縁体層２２の厚さとして、本出願において用いてもよい。
絶縁体層２２を設けた後に、複数の金属集電構造２４を絶縁体層２２上に形成される。各集電構造２４は、例えば、チタンまたは白金などの、少なくとも１種の導電性金属材料を含む。本出願の一実施形態においては、各金属集電構造２４はチタンからなる。
金属集電構造２４は、最初に、金属集電構造２４が得られる、少なくとも１種の導電性金属材料のブランケット層を形成し、続いて、ブランケット層にパターン形成することによって形成してもよい。金属集電構造２４が得られる、少なくとも１種の導電性金属材料のブランケット層の形成には、１種または複数の堆積工程を含めてもよい。一例において、金属集電構造２４が得られる、少なくとも１種の導電性金属材料のブランケット層を堆積させるために、蒸発を使用することができる。
次に図７を参照すると、絶縁体層２２の物理的に露出された表面と、各金属集電構造２４との上にポリマー接着剤２６を形成し、ポリマー接着剤２６上にハンドラ基板２８を形成し、半導体基板２０を薄肉化した後の、図６の第２の例示的構造が図示されている。薄肉化された半導体基板は、本出願の図面において、要素２０Ｓとラベル付けされている。一部の実施形態においては、半導体基板２０の薄肉化は、省略してもよい。
使用されているポリマー接着剤２６は、絶縁体層２２の露出された表面と同様に、各金属集電構造２４の露出された（上壁および側壁を含む）表面上に形成された、連続的な層である。ポリマー接着剤２６は、このように、各金属集電構造２４を横方向に包囲して、包み込んでいる。ポリマー接着剤材料２６には、少なくとも１種のポリマー成分を含有する、任意の接着材料を含めてもよい。一例において、ポリマー接着剤２６は、ＨＤ３００７（Ｒ）（ＨＤ３００７（Ｒ）はＨＤ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓの登録商標である）のような、非感光性ポリイミドで構成されてもよい。
一実施形態において、ポリマー接着剤２６は、例えば、スピンオン被覆のような堆積工程を使用して、図６に示された第２の例示的構造の直接上に形成してもよい。ポリマー接着剤２６の厚さは、５００ｎｍから５０００ｎｍとしてもよい。前述の厚さ値よりも小さい、またはそれよりも大きい、他の厚さも、ポリマー接着剤２６の厚さとして用いてもよい。
次いで、ウエハ・ボンディング工程を使用して、ポリマー接着剤層の物理的に露出された表面上に、（第２のハンドラ基板と呼んでもよい）ハンドラ基板２８が形成される。ハンドラ基板２８には、ハンドラ基板１０用に、上記した材料の１種を含めてもよい（ハンドラ基板１０は、第１のハンドラ基板と呼んでもよい）。一実施形態において、ハンドラ基板２８が得られる材料は、ハンドラ基板１０が得られる材料と同一である。さらに別の実施形態において、ハンドラ基板２８が得られる材料は、ハンドラ基板１０が得られる材料と異なる。ハンドラ基板２８は、第１のハンドラ基板１０に対して上述した厚さ範囲の厚さであってもよい。
次に、一部の実施形態においては、半導体基板２０は、例えば、エッチング、または酸化およびエッチングの組合せのような、薄肉化工程を使用して、薄肉化してもよい。薄肉化された半導体基板２０Ｓは、第１の厚さよりも小さい、第２の厚さであってもよい。
次いで、図８を参照すると、薄肉化された半導体基板２０Ｓの物理的に露出された表面上に複数のエッチング・マスク３０を形成した後の、図７の第２の例示的構造が図示されており、半導体基板２０が薄肉化されないときには、エッチング・マスク３０は、半導体基板２０の物理的に露出された表面の直接上に形成される。すなわち、エッチング・マスク３０は、半導体材料表面上に形成される。
各エッチング・マスク３０は、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または酸窒化ケイ素、あるいはそれらの組合せのような誘電体ハード・マスク材料で構成されている。各エッチング・マスク３０は、誘電体ハード・マスク材料のブランケット層を設け、その後に、誘電体ハード・マスク材料のブランケット層にパターン形成することによって形成してもよい。誘電体ハード・マスク材料は、例えば、化学蒸着またはプラズマ強化化学蒸着のような堆積工程を使用して設けてもよい。パターン形成は、上記で定義されたようなリソグラフィおよびエッチングによって達成してもよい。各エッチング・マスク３０が得られる誘電体ハード・マスク材料は、５ｎｍから２５ｎｍの厚さであってもよい。前述の厚さ値よりも小さい、またはそれよりも大きい、他の厚さも、誘電体ハード・マスク材料の厚さとして用いてもよい。各エッチング・マスク３０は、金属シーリング層１８と同一の大きさおよび形状となるように設計されている。
次いで図９を参照すると、各エッチング・マスク３０の物理的に露出された表面上にはんだ付け可能金属３２を形成した後の、図８の第２の例示的構造が図示されている。本出願において使用されるはんだ付け可能金属３２は、ワークピース間、またはそれに対する永久的接合を生成するのに使用することができる、任意の溶融可能な金属または合金を含む。はんだ付け可能金属３２として使用することのできる、はんだ付け可能材料の例としては、それに限定はされないが、金、スズ、およびインジウムが挙げられる。はんだ付け可能金属３２は、堆積とパターン形成によって形成してもよい。はんだ付け可能金属３２は、５ｎｍから２０ｎｍの厚さでもよい。前述の厚さ値よりも小さい、またはそれよりも大きい、他の厚さも、はんだ付け可能金属３２の厚さとして用いてもよい。
次いで、図１０を参照すると、各空隙３４が壁構造（２２Ｐ、２０Ｐ、３０、３２）内部に位置する、複数の空隙３４を形成するエッチングを実施した後の、図９の第２の例示的構造が図示されている。各壁構造は、底部から頂部へと、絶縁体層２２の残り部分（以後は、絶縁体層部分２２Ｐ）、半導体基板２０の残りの部分または薄肉化された半導体基板２０Ｓ（以後、半導体材料部分２０Ｐ）、エッチング・マスク３０、およびはんだ付け可能金属３２を含む。各壁構造（２２Ｐ、２０Ｐ、３０、３２）は、垂直側壁を有し、下にある金属集電構造２４の外周まわりに位置している。各壁構造は、各金属シーリング層１８と同一の形状および大きさを有するように設計されている。一実施形態において、各壁構造（２２Ｐ、２０Ｐ、３０、３２）および各金属シーリング層１８は円形である。各空隙３４は、下にある金属集電構造２４の残りの部分を露出させる。
各空隙３４を画定するのに使用されるエッチングには、例えば、反応性イオン・エッチングのような、異方性エッチング工程を含めてもよい。エッチングは、エッチング・マスクとして、各エッチング・マスク３０を使用する。エッチング・マスクによって、最初に、半導体基板２０または薄肉化された半導体基板２０Ｓ内に開口が設けられ、次いで、エッチングによって、下にある絶縁体層２２内に開口が続いて設けられる。
図１１を参照すると、各空隙３４をバッテリ材料３６で充填した後の、図１０の第２の例示的構造が図示されている。バッテリ材料３６には、例えば、カソード材料、例えばＭｎＯ２や、電解液、セパレータ、およびヒドロゲルなどの周知の材料を含めてもよい。バッテリ材料３６は、ポリマー、液体またはゲル、あるいはそれらの組合せとしてもよく、周知の充填技法を用いて各空隙３４に供給することができる。
図１２を参照すると、図５の第１の例示的構造と図１１の第２の例示的構造を共に接合した後に形成される、複数のマイクロバッテリ（図１２において、一例として、３つが示されている）を含有する、接合構造１００が図示されている。図５の第１の例示的構造の図１１の第２の例示的構造への接合は、第１の例示的構造の金属シーリング層１８が、第２の例示的構造のはんだ付け可能金属３２と直接的な物理的接触をするように、２つの例示的構造を互いに合わせることによって実施される。接合は、高温によるはんだ付け工程、または高圧縮力での冷間溶接を介して続けられる。「高温」とは、１００℃以上の温度を意味する。「高圧縮力」は、１０ｋＮ以上の力を意味する。図１２において、要素３２Ｓは、はんだ付け可能金属３２を含む、はんだ付け結合部を表わす。
各マイクロバッテリは、気密シール壁構造によって金属アノード構造１６から間隔を空けられている、金属集電構造２４を含む。気密シール壁構造は、金属集電構造２４と金属アノード構造１６の間の空隙を画定する。気密シール壁構造は、金属アノード構造１６の表面と直接接触する、金属シーリング層１８を含有する。
気密シール壁構造は、はんだ付け可能金属３２で構成されたはんだ付け結合部３２Ｓ、誘電体ハード・マスク材料で構成されたエッチング・マスク３０、半導体材料部分２０Ｐ、および絶縁体部分２２Ｐをさらに含む。通常、気密シール壁構造（１８、３２Ｓ、３０、２０Ｐ、２２Ｐ）は、リング形である。横方向には気密シール壁構造（１８、３２Ｓ、３０、２０Ｐ、２２Ｐ）間に位置し、垂直方向には金属集電構造２４と金属アノード構造１６との間に位置する空隙が、バッテリ材料３６で充填される。
図１３を参照すると、各マイクロバッテリ（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）の単体化の後の、図１２に示された接合構造が図示されている。単体化は、第１のハンドラ基板１０、第２のハンドラ基板２８、リリース層１２、およびポリマー接着剤層２６を除去して、少なくとも１つのマイクロバッテリ（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）を提供することを含む。一実施形態において、リリース層１２と第１のハンドラ基板１０を除去するのにレーザ焼灼工程を使用することが可能であり、これに対して、別のレーザ焼灼工程またはエッチングを、ポリマー接着剤層２６と第２のハンドラ基板２８を除去するのに使用することができる。
上記のように、各マイクロバッテリ（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）は、気密シール壁構造５２によって金属アノード構造１６から間隔を空けられた、金属集電構造２４を含む。気密シール壁構造５２は、金属集電構造２４と金属アノード構造１６との間の空隙を画定するとともに、金属アノード構造１６の表面と直接接触する金属シーリング層１８を含有する。気密シール壁構造５２は、はんだ金属で構成されるはんだ付け結合部３２Ｓ、誘電体ハード・マスク材料で構成されるエッチング・マスク３０、半導体材料部分２０Ｐ、および絶縁体部分２２Ｐをさらに含む。通常、気密シール壁構造５２はリング形である。横方向には気密シール壁構造５２間に位置し、垂直方向には金属集電構造２４と金属アノード構造１６との間に位置する空隙は、バッテリ材料３６で充填される。
次いで図１４を参照すると、本出願の別の実施形態において使用することのできる、金属アノード構造（６０、６２、６４）を含有する別の第１の例示的構造が図示されている。本出願のこの実施形態の金属アノード構造は、リリース層１２の表面の直接上に位置する金属ベース６０、金属ベース６０上に位置する低温はんだ６２、および低温はんだ上に位置する導電性金属アノード材料６４を含む。上記のように定義された金属シーリング層１８は、導電性金属アノード材料６４上に存在する。
アノード・コレクタとしての役割を果たす金属ベース６０は、例えば、ニッケル、銅、または亜鉛のような任意の金属を含む。金属ベース６０は、通常、５０００ｎｍから２００００ｎｍの厚さである。低温はんだ６２は、例えば、インジウム、スズ、およびインジウム・スズ合金のような金属はんだを含む。「低温」とは、金属はんだ６２の溶融点が１６９℃未満であることを意味する。導電性金属アノード材料６４は、例えば、亜鉛、ニッケルまたは銅のような任意のアノード金属を含む。金属アノード構造（６０、６２、６４）は、当業者に周知の技法を使用して形成することができる。例えば、金属アノード構造（６０、６２、６４）は、最初に、金属ベース６０が得られる金属のブランケット層を設けることによって形成することができる。金属ベース６０が得られる金属のブランケット層は、電気メッキを含む、堆積工程によって形成してもよい。次いで、金属のブランケット層をパターン形成させる。パターン形成は、リソグラフィおよびエッチングによって達成してもよい。次に、金属はんだを、任意の堆積工程を使用して金属ベース６０上に形成する。次いで、導電性金属アノード材料６４を、金属はんだ６２上に形成する。
次いで、図１５を参照すると、本出願のさらに別の実施形態において使用することのできる金属アノード構造（７０、７２、７４）を含有する、さらに別の第１の例示的構造が図示されている。この実施形態の金属アノード構造は、リリース層１２の表面の直接上に位置する光画像化ポリマー７０、光画像化ポリマー７０上、およびその間に位置する導電性パッド７２、ならびに導電性パッド７２上に位置する導電性金属アノード材料７４を含む。図示されているように、導電性パッド７２の少なくとも一部分が、光画像化ポリマーに埋め込まれている。上記のように定義された金属シーリング層１８が、導電性金属アノード材料７４の上にある。
光画像化ポリマー７０は、別個のフォトレジスト材料を使用することなく、直接的にパターン形成をすることのできる、任意の光画像化可能ポリマー材料を含む。本出願において使用することのできる光画像化可能ポリマーの例としては、ＢＣＢ（すなわち、ベンゾシクロブテン）またはＰＳＰＩ（すなわち、感光性ポリイミド）が挙げられる。光画像化ポリマー７０は、当業者に周知の工程を使用して形成することができる。導電性パッド７２は、１種または複数種の導電性金属を含む。一例において、導電性パッド７２は、Ｔｉ／Ｎｉ／ＩｎまたはＴｉ／Ｎｉ／Ｓｎを含んでもよい。導電性金属アノード材料７４は、例えば、亜鉛またはインジウムのような任意のアノード金属を含む。金属アノード構造（７０、７２、７４）は、当業者に周知の技法を使用して形成することができる。
図１４および図１５に示される構造は、図１１に示された第２の例示的構造に接合し、その後に、上記のように単体化して、個別のマイクロバッテリを提供することができる。
本出願を具体的に示して、その好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者によって、形式および詳細における前述の変更、およびその他の変更は、本出願の範囲から逸脱することなく行うことができることを理解するであろう。したがって、本出願は、記述して図示された厳密な形式および詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に含めることを意図するものである。
Claims (20)
- 気密シール壁構造によって金属アノード構造から間隔を空けられた金属集電構造を備え、前記気密シール壁構造が、前記金属集電構造と前記金属アノード構造との間に空隙を画定するとともに、前記金属アノード構造の表面と直接接触する金属シーリング層を含有する、マイクロバッテリ。
- 前記気密シール壁構造が、
前記金属シーリング層と直接接触するはんだ付け結合部と、
前記はんだ付け結合部と直接的に物理接触するエッチング・マスクと、
前記エッチング・マスクと直接接触する半導体材料と、
前記半導体材料と直接接触する第１の表面、および前記第１の表面の反対側にある、前記金属集電構造の表面と直接接触する第２の表面を有する、絶縁材料と
をさらに含む、請求項１に記載のマイクロバッテリ。 - 前記エッチング・マスクが、窒化ケイ素または酸化ケイ素を含む、請求項２に記載のマイクロバッテリ。
- 前記金属アノード構造が、少なくとも導電性金属アノード材料を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロバッテリ。
- 前記金属アノード構造が、金属ベース、金属はんだ、および導電性金属アノード材料を含む、請求項４に記載のマイクロバッテリ。
- 前記金属アノード構造が、光画像化ポリマー、導電性パッド、および導電性金属アノード材料を含み、
前記導電性パッドの少なくとも一部分が、前記光画像化ポリマーに埋め込まれている、請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロバッテリ。 - 前記金属集電構造が導電性金属材料を含む、請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロバッテリ。
- 金属シード層が、前記金属アノード構造の別の表面上に位置する、請求項１ないし７のいずれかに記載のマイクロバッテリ。
- 前記空隙がバッテリ材料を含有する、請求項１ないし８のいずれかに記載のマイクロバッテリ。
- 前記金属シーリング層が、インジウムまたはインジウムの合金を含む、請求項１ないし９のいずれかに記載のマイクロバッテリ。
- 前記金属シーリング層がリング形である、請求項１ないし１０のいずれかに記載のマイクロバッテリ。
- ハンドラ基板、リリース層、および少なくとも１つの金属アノード構造を含む第１の構造を設けることであって、金属シーリング層が各金属アノード構造の表面上に位置する、前記設けることと、
別のハンドル基板、ポリマー接着剤、および前記ポリマー接着剤に埋め込まれた、少なくとも１つの金属集電構造を含む、第２の構造を設けることであって、空隙を有する壁構造が、各金属集電構造の表面上に位置し、前記壁構造が、はんだ付け可能金属を含む、前記設けることと、
前記第１の構造の前記金属シーリング層を各壁構造の前記はんだ付け可能金属に接合することと、
前記ハンドラ基板、前記別のハンドラ基板、前記リリース層、および前記ポリマー接着剤層を除去して、少なくとも１つのマイクロバッテリを提供することと
を含む、マイクロバッテリを形成する方法。 - 前記接合することの前に、前記空隙がバッテリ材料で充填される、請求項１２に記載の方法。
- 前記金属シーリング層がインジウムまたはインジウムの合金を含む、請求項１２または１３に記載の方法。
- 前記金属アノード構造が、少なくとも導電性金属アノード材料を含む、請求項１２ないし１４のいずれかに記載の方法。
- 前記金属アノード構造が、金属ベース、金属はんだ、および導電性金属アノード材料を含む、請求項１２ないし１５のいずれかに記載の方法。
- 前記金属アノード構造が、光画像化ポリマー、導電性パッド、導電性金属アノード材料を含み、前記導電性パッドの少なくとも一部分が、光画像化ポリマー中に埋め込まれている、請求項１２ないし１６のいずれかに記載の方法。
- 前記接合することが、はんだ付け工程を含む、請求項１２ないし１７のいずれかに記載の方法。
- 前記ハンドラ基板、前記別のハンドラ基板、前記リリース層、および前記ポリマー接着剤層を前記除去することが、少なくとも１つのレーザ焼灼工程を含む、請求項１２ないし１８のいずれかに記載の方法。
- 前記金属シーリング層が、リング形である、請求項１２ないし１９のいずれかに記載の方法。
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