DE102016105219A1 - Halbleiterbatterie und Halbleitervorrichtung, die eine Halbleiterbatterie enthält - Google Patents

Halbleiterbatterie und Halbleitervorrichtung, die eine Halbleiterbatterie enthält Download PDF

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Ludwig Heitzer
Marko Lemke
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Abstract

Eine Halbleiterbatterie enthält ein Substrat, ein Batterieanodenhalbleitermaterial, das in oder über dem Substrat angeordnet ist, ein Batteriekathodenmaterial, das in oder über dem Substrat angeordnet ist, und einen Batterieelektrolyten, der zwischen dem Batterieanodenhalbleitermaterial und dem Batteriekathodenmaterial angeordnet ist. Ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial hat eine erste Fläche und eine zweite Fläche. Das Substrat ist mindestens teilweise in das Verkapselungsmaterial eingebettet. Eine Anodenelektrode ist elektrisch mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial verbunden und ist über der zweiten Fläche des Verkapselungsmaterials angeordnet. Eine Kathodenelektrode ist elektrisch mit dem Batteriekathodenmaterial verbunden und ist über der ersten Fläche des Verkapselungsmaterials angeordnet.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen die Technik der Halbleiterbatterien und Halbleitervorrichtungen, die eine Halbleiterbatterie und eine Halbleiterkomponente enthalten.
  • HINTERGRUND
  • Batterien von begrenzter Größe werden weithin in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel Mobilgeräte, Uhren, Fernbedienungen, Taschenrechner usw. Es ist wünschenswert, kleine, kostengünstige Batterien mit schneller Aufladung und kostengünstigen Herstellungsprozessen bereitzustellen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Halbleiterbatterie umfasst ein Substrat und ein Batterieanodenhalbleitermaterial, das in oder über dem Substrat angeordnet ist. Ein Batteriekathodenmaterial ist in oder über dem Substrat angeordnet, und ein Batterieelektrolyt ist zwischen dem Batterieanodenmaterial und dem Batteriekathodenmaterial angeordnet. Ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial hat eine erste Fläche und eine zweite Fläche. Das Substrat ist mindestens teilweise in das Verkapselungsmaterial eingebettet. Eine Anodenelektrode ist über der zweiten Fläche des Verkapselungsmaterials angeordnet. Die Anodenelektrode ist elektrisch mit dem Batterieanodenmaterial verbunden. Eine Kathodenelektrode ist über der ersten Fläche des Verkapselungsmaterials angeordnet. Die Kathodenelektrode ist elektrisch mit dem Kathodenbatteriematerial verbunden.
  • Eine Halbleitervorrichtung umfasst ein Substrat und ein Batterieanodenhalbleitermaterial, das in oder über dem Substrat angeordnet ist. Ein Batteriekathodenmaterial ist in oder über dem Substrat angeordnet, und ein Batterieelektrolyt ist zwischen dem Batterieanodenmaterial und dem Batteriekathodenmaterial angeordnet. Eine elektronische Komponente ist von dem Substrat getrennt und ist elektrisch mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial und mit dem Batteriekathodenmaterial verbunden. Die Halbleitervorrichtung umfasst des Weiteren ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial. Das Substrat und die elektronische Komponente sind mindestens teilweise in das Verkapselungsmaterial eingebettet.
  • Ein Halbleiterbatteriewafer umfasst einen Halbleiterwafer mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche gegenüber der ersten Fläche. Eine Gruppierung erster Löcher ist in der ersten Fläche des Halbleiterwafers angeordnet. Jedes erste Loch nimmt mindestens einen Teil eines Batteriekathodenmaterials und mindestens einen Teil eines Batterieelektrolyten auf.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbatterie umfasst das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen in oder auf einem Wafer. Der Wafer wird in einzelne Substrate getrennt, die jeweils mindestens eine Halbleiter-Batteriestruktur umfassen. Die Substrate werden in einer voneinander beabstandeten Beziehung auf einem Träger platziert. Die Substrate werden in einem elektrisch isolierenden Material verkapselt, um einen Verkapselungskörper zu bilden. Der Verkapselungskörper umfasst eine erste Fläche, die von dem Träger abgewandt ist, und eine zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche. Eine erste elektrische Schicht wird über der ersten Fläche des Verkapselungskörpers ausge bildet. Der Verkapselungskörper wird zu einzelnen Halbleiterbatterien vereinzelt.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung umfasst das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen in oder auf einem Wafer. Der Wafer wird in einzelne Substrate getrennt, die jeweils mindestens eine Halbleiter-Batteriestruktur umfassen. Die Substrate werden in einer voneinander beabstandeten Beziehung auf einem Träger platziert. Die elektronischen Komponenten werden auf dem Träger platziert. Die Substrate und die elektronischen Komponenten werden in einem elektrisch isolierenden Material verkapselt, um einen Verkapselungskörper zu bilden. Eine elektrische Schicht wird auf der ersten Fläche des Verkapselungskörpers ausgebildet. Der Verkapselungskörper wird zu einzelnen Halbleitervorrichtungen vereinzelt, die jeweils mindestens eine Halbleiter-Batteriestruktur und eine elektronische Komponente enthalten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beiliegenden Zeichnungen dienen dem Zweck, ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen zu ermöglichen, und sind in diese Spezifikation integriert und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien dieser Ausführungsformen. Der Fachmann wird weitere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen zu würdigen wissen, wenn sie anhand der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht unbedingt maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • 5A–5S sind Querschnittsansichten, die eine beispielhafte Halbleiterbatterie während der Herstellung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulichen.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleitervorrichtung oder eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleitervorrichtung oder eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 8 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die eine Halb leiter-Batteriestruktur gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen enthält.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleitervorrichtung oder eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleitervorrichtung oder eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Halbleitervorrichtung oder eine beispielhafte Halbleiterbatterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil von ihr bilden und in denen zur Veranschaulichung konkrete Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht werden Richtungsbezeichnungen, wie zum Beispiel „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorder-“, „Hinter-“ „oben“, „unten“ usw., mit Bezug auf die Ausrichtung der Figur(en) beschrieben. Weil Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Ausrichtungen positioniert sein können, werden die Richtungsbezeichnungen zum Zweck der Veranschaulichung verwendet und sind in keiner Weise einschränkend. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist darum nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen im vorliegenden Text beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes ausgesagt ist.
  • Des Weiteren bedeuten im Sinne dieser Spezifikation die Begriffe „gebondet“, „angebracht“, „verbunden“, „gekoppelt“ und/oder „elektrisch verbunden/elektrisch gekoppelt“ nicht, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander in Kontakt stehen müssen, und es können sich auch Elemente oder Schichten zwischen den „gebondeten“, „angebrachten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen befinden. Jedoch können, gemäß der Offenbarung, die oben erwähnten Begriffe optional auch die konkrete Bedeutung haben, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander in Kontakt stehen, d.h. dass keine Elemente oder Schichten zwischen den „gebondeten“, „angebrachten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sind.
  • Des Weiteren kann das Wort „über“, das mit Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, das bzw. die „über“ einer Fläche ausgebildet oder angeordnet ist, im vorliegenden Text in dem Sinne verwendet werden, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit, der gemeinten Fläche angeordnet (z.B. platziert, ausgebildet, abgeschieden usw.) ist. Das Wort „über“, das mit Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, das bzw. die „über“ einer Fläche ausgebildet oder angeordnet ist, kann im vorliegenden Text in dem Sinne verwendet werden, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „indirekt auf“ der gemeinten Fläche angeordnet (z.B. platziert, ausgebildet, abgeschieden usw.) ist, wobei sich ein(e) oder mehrere zusätzliche Teile, Elemente oder Schichten zwischen der gemeinten Fläche und dem Teil, dem Element oder der Materialschicht befindet. Das Gleiche gilt analog für die Begriffe „unter“, „unten“, „unterhalb“ usw.
  • Die im vorliegenden Text beschriebenen Substrate können aus verschiedenen Materialien bestehen, darunter kristalline, polykristalline oder amorphe Materialien. Zum Beispiel können die Substrate aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium, oder einem elektrisch isolierenden Material, wie zum Beispiel Glas, bestehen.
  • Das Batterieanodenhalbleitermaterial kann mindestens ein Material der folgenden Gruppe von Materialien enthalten oder daraus bestehen: Silizium, dotiertes Silizium, und eine Materialverbindung, die Silizium enthält.
  • Das Halbleiter-Batteriekathodenmaterial kann mindestens ein Material der folgenden Gruppe von Materialien enthalten oder daraus bestehen: Lithium, Kobalt, Nickel, Aluminium, Sauerstoff, Eisen, Phosphor, Mangan, Vanadium, Manganspinell, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt, Lithium-Eisenphosphat (dotiert oder undotiert), Olivin (LiCoO2) LiNiO2, LiNii-x, CoxO2, LiNi0,85Co0,1Al0,05O2, LiNi0,33Cu0,33Mn0,33O2, LiMn2O4 (Spinell-Struktur), LiFePO4, V2O5, LiMn2O4, LiFePO4, Edelstahl und jedes andere mögliche Material zum Bilden einer Katode oder einer Kathodenschicht.
  • Ein Batterieelektrolyt ist zwischen dem Batterieanodenmaterial und dem Batteriekathodenmaterial angeordnet. Das Batterieelektrolytmaterial kann Lithium, Phosphor, Lithium-Phosphor, Oxynitrid, ein Polymer, LiPF6, LiBF4, Polyoxyethylen, Thio-Liscon, LiPO1-xN1-y (LiPON), LISICON-Materialien und NASICON-Materialien und jedes andere mögliche Material zum Bilden einer Schicht aus Batterieelektrolyt enthalten oder daraus bestehen.
  • Ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial kann dafür verwendet werden, das Substrat und zum Beispiel eine oder mehrere elektronische Komponenten, sofern vorhanden, mindestens teilweise zu verkapseln. Das Verkapselungsmaterial kann ein duroplastisches Material oder ein thermoplastisches Material enthalten oder daraus bestehen. Ein duroplastisches Material kann zum Beispiel auf der Basis eines Epoxidharzes, eines Silikonharzes oder eines Acrylharzes hergestellt werden. Ein thermoplastisches Material kann zum Beispiel ein oder mehrere Materialien enthalten, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyamidimid (PAI) und Polyethylen-Terephthalat (PET). Thermoplastische Materialien schmelzen unter dem Einfluss von Druck und Wärme während des Formens oder Laminierens und erhärten (umkehrbar) beim Abkühlen und Fortnehmen des Drucks.
  • Das Verkapselungsmaterial kann ein Polymermaterial enthalten oder daraus bestehen, z.B. ein duroplastisches Polymermaterial. Das Verkapselungsmaterial kann mindestens eines von Folgendem enthalten oder daraus bestehen: ein gefülltes oder ungefülltes Formmaterial, ein gefülltes oder ungefülltes thermoplastisches Material, ein gefülltes oder ungefülltes duroplastisches Material, ein gefülltes oder ungefülltes Laminat, ein faserverstärktes Laminat, ein faserverstärktes Polymerlaminat und ein faserverstärktes Polymerlaminat mit Füllstoffpartikeln.
  • Das Verkapselungsmaterial kann über dem Substrat und zum Beispiel über der einen oder den mehreren elektronischen Komponenten beispielsweise durch Formen oder Laminieren ausgebildet werden.
  • Im ersten Fall, d.h. wenn das Verkapselungsmaterial ein Formmaterial ist, können verschiedene Techniken, wie zum Beispiel Kompressionsformen, Spritzgießen, Pulverformen, Flüssigkeitsformen oder filmunterstütztes Formen (Film-Assisted Molding, FAM) verwendet werden, um ein Verkapselungsmaterial oder einen Verkapselungskörper (z.B. einen künstlichen Wafer), der mehrere Verkapselungsmaterialien enthält, zu bilden. Das Formmaterial kann so aufgebracht werden, dass das eine oder die mehreren Substrate und zum Beispiel die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten, sofern vorhanden, überformt werden.
  • Im zweiten Fall, d.h. wenn das Verkapselungsmaterial aus einem Laminatmaterial besteht, kann das Verkapselungsmaterial die Form eines Stücks einer Schicht haben, z.B. eines Stücks einer elektrisch isolierenden Folie oder Lage, die über das eine oder die mehreren Substrate und zum Beispiel die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten, sofern vorhanden, laminiert wird. Wärme und Druck können über eine Zeitdauer angelegt werden, die geeignet ist, das Stück einer Folie oder Lage an der darunterliegenden Struktur zu befesti gen. Während des Laminierens ist die elektrisch isolierende Folie oder Lage fließfähig (d.h. sie ist in einem plastischen Zustand), was zur Folge hat, dass Lücken zwischen dem einen oder den mehreren Substraten und zum Beispiel der einen oder den mehreren elektronischen Komponenten oder sonstigen topologischen Strukturen mit dem Polymermaterial der elektrisch isolierenden Folie oder Lage ausgefüllt werden. Die elektrisch isolierende Folie oder Lage kann jedes zweckmäßige thermoplastische oder duroplastische Material enthalten oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die isolierende Folie oder Lage ein Prepreg (kurz für „vorimprägnierte Fasern“) enthalten oder daraus bestehen, das zum Beispiel aus einer Kombination einer Fasermatte, zum Beispiel Glas- oder Kohlefasern, und eines Harzes, zum Beispiel eines duroplastischen oder thermoplastischen Materials, besteht. Prepreg-Materialien werden in der Regel zur Herstellung von PCBs (gedruckten Leiterplatten) verwendet.
  • Die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten, sofern vorhanden, können jeweils ein Halbleiterchip sein. Dieser oder diese Halbleiterchips können von unterschiedlichem Typ sein, können durch verschiedene Technologien hergestellt werden und können zum Beispiel integrierte Schaltkreise enthalten, zum Beispiel monolithische integrierte elektrische, elektro-optische oder elektro-mechanische Schaltkreise. Genauer gesagt, kann ein Halbleiterchip zum Beispiel einen oder mehrere von einem Sensorschaltkreis, einem logischen integrierten Schaltkreis, einen analogen integrierten Schaltkreis, einem integrierten Mischsignalschaltkreis und einem Speicherschaltkreis enthalten.
  • Der oder die oben erwähnten Halbleiterchips können aus speziellem Halbleitermaterial hergestellt werden, wie zum Beispiel Si, SiC, SiGe, GaAs, GaN, AlGaN, InGaAs, InAlAs usw., und können des Weiteren anorganische und/oder organische Materialien enthalten, die keine Halbleiter sind.
  • Der oder die oben erwähnten Halbleiterchips können Steuerschaltkreise, Mikroprozessoren, Speicherschaltkreise und/oder mikroelektromechanische Komponenten enthalten. Sie können zum Beispiel Sensoren oder Detektoren enthalten (wie zum Beispiel einen Temperatursensor/-detektor, einen Magnetfeldsensor/-detektor, einen Stromfeldsensor/-detektor, einen Wirkkraftsensor/-detektor, einen Beschleunigungssensor/-detektor, einen Drucksensor/-detektor, ein Mikrofon, einen optischen Sensor/Detektor).
  • Die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten, sofern vorhanden, können jeweils als eine passive oder eine aktive Komponente ausgelegt sein. Wenn sie zum Beispiel als eine passive Komponente ausgelegt ist, so kann die elektronische Komponente ein sogenanntes PID (Passive Integrated Device) sein. Ein PID kann eines oder mehrere von einer Kapazität, einer Induktivität und einem Widerstand implementieren.
  • Wenn sie als eine aktive Komponente ausgelegt ist, so kann die elektronische Komponente von jedem Typ von Halbleiterchips sein, die oben beschrieben wurden, insbesondere Sensor/Detektor- und/oder logische Chips. Wenn mehrere elektronische Komponenten beteiligt sind, so ist es möglich, dass mindestens eine aktive Komponente und mindestens eine passive Komponente enthalten sind in dem Verkapselungsmaterial.
  • Die Halbleiterbatterien oder Halbleitervorrichtungen können durch einen eWLP(embedded Wafer Level Packaging)-Prozess hergestellt werden. In diesem Fall werden Substrate und zum Beispiel elektronische Komponenten, sofern vorhanden, in einer voneinander beabstandeten Beziehung auf einem Träger platziert. Dann wird ein isolierendes Material über dem Träger, den Substraten und zum Beispiel den elektronischen Komponenten aufgebracht, um einen Verkapselungskörper zu bilden (auch als ein künstlicher Wafer bezeichnet). Folglich kann der künstliche Wafer eine große Anzahl von Substraten und zum Beispiel elektronischen Komponenten enthalten. Der künstliche Wafer wird dann in einzelne Halbleiterbatterien oder einzelne Halbleitervorrichtungen geteilt, die jeweils durch das Verkapselungsmaterial verkapselt werden.
  • Eine Halbleiterbatterie kann eine sogenannte Knopfzelle sein. Knopfzellen sind kleine einzellige Batterien in der Form eines Knopfes. Knopfzellen werden weithin in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen verwendet, z.B. Taschenrechner, Uhren, Hörgeräte, Fernbedienungen, Spielzeuge, LED-Lampen, Reservebatterien, Echtzeitbatterien, Displays, Laserpointer, Minitaschenlampen, Glückwunschkarten mit Melodie, Alarmsysteme, Computer (z.B. Fahrradcomputer), Blutzuckermessgeräte, Autoschlüssel, Autostereoanlagen, elektronische Datenbanken, medizinische Anwendungen, Zeitmesser, Insulinpumpen, mediale Anwendungen und Thermometer. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Halbleiterbatterie, z.B. eine Knopfzelle, ein Substrat (das so bearbeitet ist, dass es eine Halbleiter-Batteriestruktur enthält), das in dem Verkapselungsmaterial eingebettet ist, aber keine elektronische Komponente. In anderen Ausführungsformen umfasst die Halbleiterbatterie, z.B. eine Knopfzelle, zusätzlich eine elektronische Komponente, zum Beispiel ein PID, einen Mikrocontroller-IC oder einen Thermometersensor IC, die auch in das Verkapselungsmaterial eingebettet ist. Die elektronische Komponente stellt mindestens eine zusätzliche Funktion zur „Batterie funktion“ der Halbleiterbatterie bereit. In diesem Fall kann das Substrat, das die Halbleiter-Batteriestruktur enthält, zusätzlich als eine interne Stromversorgung zum Betreiben der elektronischen Komponente dienen. Zum Beispiel kann die Halbleiterbatterie eine „intelligente Batterie“ sein.
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der Offenbarung umfasst ein Substrat, das eine Halbleiter-Batteriestruktur und mindestens eine elektronische Komponente enthält, wobei beide in das Verkapselungsmaterial eingebettet sind. Die elektronische Komponente stellt eine Funktion der Halbleitervorrichtung bereit. Die Halbleiter-Batteriestruktur kann als eine interne Stromversorgung zum Betreiben der elektronischen Komponente dienen. Zum Beispiel kann die Halbleitervorrichtung jede beliebige Halbleitervorrichtung sein, die mit einer internen Halbleiter-Batteriestruktur ausgestattet ist, d.h. einem Sensor/Detektor, Mikrocontroller usw.
  • 1 veranschaulicht eine Halbleiterbatterie 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Halbleiterbatterie 100 enthält ein Substrat 110. Das Substrat 110 ist mindestens teilweise in ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial 120 eingebettet. Das Verkapselungsmaterial 120 hat eine erste Fläche 120a und eine zweite Fläche 120b gegenüber der ersten Fläche 120a. Die Halbleiterbatterie 100 umfasst des Weiteren eine Kathodenelektrode 140, die über der ersten Fläche 120a des Verkapselungsmaterials 120 angeordnet ist, und eine Anodenelektrode 130, die über der zweiten Fläche 120b des Verkapselungsmaterials 120 angeordnet ist.
  • Das Substrat 110 kann einer Halbleiter-Batteriestruktur 150 zugeordnet sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Halbleiter-Batteriestruktur 150 monolithisch in das Sub strat 110 integriert sein, wie zum Beispiel in 1 veranschaulicht. In anderen Ausführungsformen kann die Halbleiter-Batteriestruktur 150 über dem Substrat 110 angeordnet sein.
  • Die Halbleiter-Batteriestruktur 150 enthält ein Batterieanodenhalbleitermaterial 151 in oder über dem Substrat 110, ein Batteriekathodenmaterial 152 in oder über dem Substrat 110 und einen Batterieelektrolyt 153, der zwischen dem Batterieanodenhalbleitermaterial 151 und dem Batteriekathodenmaterial 152 angeordnet ist. In 1 ist keine spezielle Anordnung des Batterieanodenhalbleitermaterials 151, des Batteriekathodenmaterials 152 und des Batterieelektrolyten 153 dargestellt, da es eine Vielzahl verschiedener Designs zum Implementieren der Halbleiter-Batteriestruktur 150 gibt. Zum Beispiel sind horizontale mehrschichtige Strukturen oder vertikale grabenartige Strukturen zum Anordnen des Batterieanodenhalbleitermaterials 151, des Batteriekathodenmaterials 152 und des Batterieelektrolyten 153 zwischen dem Batterieanodenhalbleitermaterial 151 und dem Batteriekathodenmaterial 152 möglich.
  • Der Begriff „Halbleiterbatterie“ im Sinne dieser Offenbarung hat die Bedeutung, dass das Batterieanodenmaterial 151 ein Halbleitermaterial ist. Zum Beispiel kann das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 Silizium, dotiertes Silizium oder eine Materialverbindung, die Silizium enthält, enthalten oder daraus bestehen. Das Silizium kann kristallin, polykristallin oder amorph sein. In allen diesen Fällen ist die Halbleiterbatterie eine Siliziumbatterie.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 durch das intrinsische Material des Substrats 110 gebildet. Oder anders ausgedrückt: Das Substrat 110 kann Silizium enthalten oder daraus bestehen, z.B. kristallines, polykristallines oder amorphes Silizium. Genauer gesagt, kann das Substrat 110 ein Silizium-Die oder ein Silizium-Chip sein, z.B. ein Silizium-Die oder Silizium-Chip, die aus einem Wafer gesägt wurden.
  • Des Weiteren kann die Halbleiter-Batteriestruktur 150 die Eigenschaft haben, dass sie dafür konfiguriert ist, mittels herkömmlicher Chip-Produktionsprozessschritte hergestellt zu werden. Insofern kann das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 während einer herkömmlichen Halbleiterbearbeitung generiert und bearbeitet (z.B. abgeschieden, strukturiert, dotiert usw.) werden, das Batteriekathodenmaterial 152 kann während einer herkömmlichen Halbleiterbearbeitung generiert und bearbeitet (z.B. abgeschieden, strukturiert, dotiert usw.) werden, und der Batterieelektrolyt 153 kann während einer herkömmlichen Halbleiterbearbeitung generiert und bearbeitet (z.B. abgeschieden, strukturiert, dotiert) werden. Halbleiterbearbeitungs-Abscheidungstechniken können chemisches Aufdampfen (CVD) oder physikalisches Aufdampfen (PVD) enthalten.
  • Die CVD-Bearbeitung kann zum Beispiel Niederdruck-CVD (LPCVD) oder Ultrahochvakuum-CVD (UHVCVD) sowie Plasma-verstärktes CVD (PECVD) enthalten. CVD-Prozesse können insbesondere dafür verwendet werden, Silizium, Polysilizium, amorphes Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid usw. abzuscheiden. Eine PVD-Bearbeitung kann eine Vielzahl verschiedener Sputter-, Aufdampfungs- oder Epitaxie-Prozesse enthalten, wie zum Beispiel Ionenstrahlsputtern (IBS), reaktives Sputtern, Vakuumaufdampfung oder Molekularstrahlepitaxie (MBE).
  • Des Weiteren kann das Generieren der Halbleiter-Batteriestruktur 150 Strukturierungsprozesse zum Entfernen ausgewählter Abschnitte von Material enthalten, z.B. Substratmaterial, Batterieanodenhalbleitermaterial 151, Batteriekathodenmaterial 152 und/oder Batterieelektrolyt 153. Strukturierungsprozesse können einen oder mehrere eines Maskierungsprozesses, eines Lithographieprozesses und eines Ätzprozesses enthalten. Zum Beispiel kann ein Photoresist aufgetragen werden; der Photoresist kann mit einem Lichtmuster belichtet werden; der Photoresist kann entwickelt werden; der entwickelte (oder unentwickelte) Photoresist kann entfernt werden, und das darunterliegende Material, das durch den entfernten Photoresist freigelegt wurde, kann geätzt werden.
  • Wie in 1 veranschaulicht, kann eine zweite Fläche 110b des Substrats 110 bündig mit der zweiten Fläche 120b des Verkapselungsmaterials 120 abschließen. Die Anodenelektrode 130 kann sowohl über der zweiten Fläche 120b des Verkapselungsmaterials als auch über der zweiten Fläche 110b des Substrats 110 angeordnet sein. Die Anodenelektrode 130 kann eine durchgehende leitende Schicht sein, die 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% oder mehr oder auch 100% der Grundfläche (d.h. die gesamte Grundfläche) (die Fläche der zweiten Fläche 110b und der zweiten Fläche 120b zusammen) der Halbleiterbatterie 100 bedecken kann.
  • In ähnlicher Weise kann die Kathodenelektrode 140 eine durchgehende leitende Schicht sein, die 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% oder mehr oder auch 100% der Oberseite (d.h. die gesamte Oberseite) (z.B. die erste Fläche 120a des Verkapselungsmaterials 120) der Halbleiterbatterie 100 bedecken kann.
  • Die Kathodenelektrode 140 kann durch eine erste elektrische Interconnect-Verbindung 141 mit dem Batteriekathodenmaterial 152 in oder über dem Substrat 110 verbunden sein. Die erste elektrische Interconnect-Verbindung 141 kann durch Durchkontaktierungen (elektrische Durchgangsverbindungen) gebildet werden, die sich zwischen der Kathodenelektrode 140 und dem Batteriekathodenmaterial 152 erstrecken. Insofern kann das Verkapselungsmaterial 120 die (obere) erste Fläche 110a des Substrats 110 vollständig bedecken, und die erste elektrische Interconnect-Verbindung 141 kann durch das Verkapselungsmaterial 120 hindurch verlaufen, das über der ersten Fläche 110a des Substrats 110 angeordnet ist, um eine Verbindung zu dem Batteriekathodenmaterial 152 herzustellen. Des Weiteren kann ein Teil der, oder können alle Seitenflächen 110c, des Substrats 110 teilweise oder vollständig durch Verkapselungsmaterial 120 bedeckt sein.
  • Die Anodenelektrode 130 und die Kathodenelektrode 140 können jeweils durch eine Metallisierungsschicht gebildet werden, die mindestens ein Material der folgenden Gruppe von Materialien enthalten oder daraus bestehen kann: ein Metall, eine Metalllegierung, ein Übergangsmetall, Platin, Kupfer, Aluminium, Gold, Titan, Vanadium, Molybdän, Tantal, Nickel, Stahl usw.
  • Die Form der Halbleiterbatterie 100, oder genauer gesagt, ihre Abmessungen (seitliche Abmessung L, Höhe H) können den einschlägigen Batteriespezifikationen verschiedener Knopfzellen entsprechen, die in der Normungsliteratur angegeben sind. Oder anders ausgedrückt: Die Halbleiterbatterie 100 kann als eine Knopfzelle in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen, wie zum Beispiel oben angesprochen, verwendet werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Halbleiterbatterie 100 darum als eine eWLP(embedded Wafer Level Packaging)-Halbleiterbatterie oder eine eWLP-Halbleiter-Knopfzelle bezeichnet werden. Wie oben angesprochen, bezieht sich der Begriff „Halbleiterbatterie“ auf das Halbleitermaterial der Batterieanode 151, z.B. Silizium. Der Begriff „Halbleiterbatterie“ kann sich zusätzlich auf die Tatsache beziehen, dass das Substrat 110 und die Halbleiter-Batteriestruktur 150 durch herkömmliche Halbleiterbearbeitungsschritte hergestellt werden können. Der Begriff „eWLP“ (embedded Wafer Level Packaging) betrifft die Technik des Verkapselns (Packaging) des Substrats 110. eWLP kann Folgendes umfassen: Generieren eines künstlichen Wafers, der aus einer Gruppierung von Substraten 110 zusammengesetzt ist, die in ein Paneel von (immer noch integralen) Verkapselungsmaterialien 120 eingebettet sind (dieser künstliche Wafer oder dieses Paneel wird auch als ein Verkapselungskörper bezeichnet), Aufbringen von Metallisierungsschichten auf beide Seiten des künstlichen Wafers zum Generieren der Anodenelektrode 130 und der Kathodenelektrode 140 der Halbleiterbatterie 100, und Vereinzeln des künstlichen Wafers zu einzelnen Halbleiterbatterien 100, wie in 1 veranschaulicht.
  • Die Halbleiterbatterie 100 kann eine Festkörperelektrolytbatterie bilden, d.h. eine Festkörperbatterie, wobei die Batterieelektroden (d.h. die Batterieanode 151 und die Batteriekatode 152) durch Festkörpermaterialien bereitgestellt werden und der Batterieelektrolyt ebenfalls ein Festkörpermaterial ist. Die Halbleiterbatterie 100 kann eine Primär- oder eine Sekundärbatterie sein, d.h. die Halbleiterbatterie 100 kann eine nicht-wiederaufladbare Batterie bzw. eine wiederaufladbare Batterie sein. Die Halbleiterbatterie 100 (und alle Beispiele von Batterien, die in dieser Offenbarung beschrieben sind) kann eine kleine kostengünstige Batterie mit einem kostengünstigen Herstellungsprozess, hohen Entladeströmen und zum Beispiel schnellem Laden sein.
  • Gemäß 2 kann eine Halbleiterbatterie 200 ein Substrat 110 umfassen, das ein Halbleitermaterial enthält oder daraus besteht, z.B. Silizium oder jedes andere der oben angesprochenen Halbleitermaterialien, das gleichzeitig das Halbleitermaterial der Batterieanode 151 ist. 2 veranschaulicht ein konkretes Beispiel der Halbleiter-Batteriestruktur 150. Die Halbleiter-Batteriestruktur 150 kann eine Gruppierung erster Löcher 251 umfassen, die in der ersten Fläche 110a des Substrats 110 bereitgestellt ist. Zur besseren Veranschaulichung ist nur eine Anzahl von zwei ersten Löchern 251 dargestellt, während in der Praxis eine Anzahl von mehreren hundert oder tausend ersten Löchern 251 vorhanden sein kann. Jedes erste Loch 251 kann mindestens einen Teil des Batteriekathodenmaterials 152 und mindestens einen Teil des Batterieelektrolyten 153 aufnehmen. Das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 kann durch die Innenwände der ersten Löcher 251, d.h. durch das Material des Substrats 110, bereitgestellt werden.
  • Wie in 2 veranschaulicht, kann der Batterieelektrolyt 153 das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 und das Batteriekathodenmaterial 152 trennen. Genauer gesagt, können die Innenwände der ersten Löcher 251 vollständig durch eine Schicht des Batterieelektrolyten 153 bedeckt sein. Ein Raum, der durch die Innenwände des Batterieelektrolyten 153 definiert wird, kann dann teilweise oder vollständig mit Batteriekathodenmaterial 152 gefüllt werden. Das Batteriekathodenmaterial 152 innerhalb jedes ersten Lochs 251 kann dann elektrisch mit der Kathodenelektrode 140 durch die erste elektrische Interconnect-Verbindung 141 verbunden werden, die durch eine Gruppierung von Durchkontaktierungen gebildet werden kann. Jede Durchkontaktierung kann einem ersten Loch 251 zugeordnet sein. Alternativ kann, wie weiter unten noch ausführlich erläutert wird, die erste Fläche 110a des Substrats 110 mit einer internen Umverteilungsstruktur (nicht gezeigt) versehen sein, die für das lochweise elektrische Verbinden des Batteriekathodenmaterials 152 konfiguriert ist. In diesem Fall kann die Anzahl von Durchkontaktierungen der ersten elektrischen Interconnect-Verbindung 141 kleiner als die Anzahl erster Löcher 251 sein, und kann zum Beispiel sogar nur 1 sein.
  • Es ist anzumerken, dass die Halbleiterbatterie 200 als ein spezielles Beispiel der Halbleiterbatterie 100 angesehen werden kann. Darum gilt die Offenbarung in Bezug auf die Halbleiterbatterie 100 auch für die Halbleiterbatterie 200 und umgekehrt.
  • Gemäß 3 kann eine Halbleiterbatterie 300 mit einem Substrat 110 eines isolierenden Materials versehen sein, z.B. einem Material, das Glas umfasst oder daraus besteht. Die erste Fläche 110a des Substrats 110 kann mit einer Gruppierung erster Löcher 351 versehen sein, ähnlich der Gruppierung erster Löcher 251, wie in Verbindung mit 2 beschrieben. Die ersten Löcher 351 nehmen mindestens einen Teil des Batteriekathodenmaterials 152, mindestens einen Teil des Batterieelektrolyten 153 und mindestens einen Teil des Batterieanodenhalbleitermaterials 151 auf. Das heißt, in dem Beispiel von 3 wird das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 als eine erste Schicht bereitgestellt, die die Innenwände der ersten Löcher 351 teilweise oder vollständig bedeckt. Auf diese Weise werden die ersten Löcher 351 mit einem Halb leiterwandmaterial versehen, das das gleiche Material wie das Wandmaterial der ersten Löcher 251 in der Halbleiterbatterie 200 sein kann. Die übrige Anordnung der Halbleiter-Batteriestruktur 150 der Halbleiterbatterie 300 ist ähnlich der Halbleiter-Batteriestruktur 150 der Halbleiterbatterie 200. Das heißt, die ersten Löcher 351, die mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial 115 beschichtet sind, werden mit einer Schicht aus Batterieelektrolyt 153 versehen, und der Innenraum, der durch die Schicht aus Batterieelektrolyt 153 definiert wird, kann teilweise oder vollständig mit Batteriekathodenmaterial 152 gefüllt sein.
  • Des Weiteren kann zwar in der Halbleiterbatterie 200 das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 direkt elektrisch mit der Anodenelektrode 130 der Halbleiterbatterie 200 über das Substrat 110 (das das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 bereitstellen kann) verbunden sein, doch kann in der Halbleiterbatterie 300 auch eine interne zweite elektrische Interconnect-Verbindung (nicht gezeigt), wie zum Beispiel eine interne Verdrahtung des Halbleitersubstrats 110, dafür verwendet werden, eine Interconnect-Verbindung zwischen dem Batterieanodenhalbleitermaterial 151 und der Anodenelektrode 130 herzustellen, da das Substrat 110 der Halbleiterbatterie 300 aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen kann. Somit wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine interne Verdrahtung in dem Substrat 110 der Halbleiterbatterie 300 bereitgestellt, um das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 elektrisch mit der Anodenelektrode 130 zu verbinden. Alternativ können die ersten Löcher 351 als Durchgangslöcher ausgelegt sein, die vollständig durch das Substrat 110 hindurch verlaufen, so dass die Anodenelektrode 130 an ihrem unteren Ende frei liegt. Das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 kann dann als eine Schicht aufgebracht werden, um die Seiten wände und die frei liegenden Bereiche der Anodenelektrode 130 an den unteren Enden der ersten Löcher 351 zu bedecken. Die elektrische Verbindung zwischen dem Batterieanodenhalbleitermaterial 151 und der Anodenelektrode 130 wird dann durch den direkten Kontakt der Batterieanodenhalbleitermaterialschicht 151 mit der Anodenelektrode 130 an den unteren Enden der ersten Löcher 351 hergestellt.
  • Mit Ausnahme dass das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 eine Schicht ist, die die Innenwände der ersten Löcher 351 bedeckt, und dass es elektrisch beispielsweise durch eine interne Verdrahtung mit der Anodenelektrode (siehe oben) verbunden ist, können alle Eigenschaften der Halbleiterbatterie 300 gleich oder ähnlich den entsprechenden Eigenschaften der Halbleiterbatterien 200 und 100 sein, und es wird auf die obige Offenbarung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Mit Bezug auf die 2 und 3 kann die Anordnung eines (ersten) Lochs 251, 351, das den Batterieelektrolyten 153 und das Batteriekathodenmaterial 152 aufnimmt, als ein (grundlegendes) Batterieelement der Halbleiter-Batteriestruktur 150 in oder auf dem Halbleitersubstrat 110 angesehen werden. Jedoch ist anzumerken, dass dies nur eine von mehreren Möglichkeiten ist, wie ein solches (grundlegendes) Batterieelement ausgelegt werden kann, und dass andere Batterieelement-Designs als das „Lochkonzept“, wie in den 2 und 3 veranschaulicht, möglich sind.
  • Allgemein können Silizium-Knopfzellenbatterien, wie zum Beispiel die Halbleiterbatterien 100, 200, 300, mit dem einzigartigen Merkmal einer hohen C-Rate versehen werden. Die C-Rate ist das Verhältnis des Entladestroms zur Batteriekapazität. Es können C-Raten von beispielsweise 0,5–100 1/h erhalten werden. Diese hohen C-Raten erlauben hohe Entladeströme.
  • Entladeströme von mindestens 20, 30, 40 oder 50 A/cm3 können erreicht werden. Diesen hohen C-Raten stehen C-Raten von << 1/h für den Fall existierender Knopfzellenbatterie-Technologien gegenüber.
  • Eine gravimetrische Energiedichte von mindestens 50, 70, 90, 110, 130, 150 mAh/g und eine volumetrische Energiedichte von mindestens 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600 mAh/cm3 können möglich sein. Die gravimetrische Energiedichte kann im Vergleich zu existierenden Technologien um einen Faktor von beispielsweise 2 höher sein. Die volumetrische Energiedichte kann im Vergleich zu existierenden Technologien ebenfalls um einen Faktor von beispielsweise 2 höher sein.
  • Des Weiteren erlauben die Halbleiterbatterien 100, 200, 300 kleine Package-Volumen, und folglich kann ein großes Verhältnis von aktivem Volumen zu Gesamt-Package-Volumen erhalten werden. Wenn das Volumen des Substrats 110 als das aktive Volumen genommen wird und das Volumen der Halbleiterbatterie, das durch die Form der Halbleiterbatterie 100, 200, 300 definiert wird (d.h. einschließlich des Volumens des Verkapselungsmaterials 120 und der Batterieelektroden 130, 140), als das Gesamt-Package-Volumen genommen wird, so kann ein Verhältnis von mindestens 50%, 60%, 70%, 80%, 90% erhalten werden.
  • 4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zur Herstellung einer Halbleiterbatterie 100, 200, 300. Bei S1 wird eine Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen in oder auf einem Wafer gebildet. Wie oben beschrieben, können mehrere verschiedene Halbleiter-Batteriestrukturen 150 verwendet werden.
  • Bei S2 wird der Wafer in einzelne Substrate getrennt, die jeweils mindestens eine Halbleiter-Batteriestruktur umfassen. Beispiele von Substraten 110 und Halbleiter-Batteriestrukturen 150 wurden in Verbindung mit den 1–3 beschrieben.
  • Bei S3 werden die Substrate in einer voneinander beabstandeten Beziehung auf einem Träger platziert. Wie unten noch ausführlicher erläutert wird, kann der Träger ein zeitweiliger (d.h. temporärer) Träger sein (der später im Herstellungsprozess entfernt wird), oder kann ein dauerhafter Träger sein (der zum Beispiel eine Elektrode der Halbleiterbatterie bildet).
  • Bei S4 werden die Substrate in einem elektrisch isolierenden Material verkapselt, um einen Verkapselungskörper zu bilden, wobei der Verkapselungskörper eine erste Fläche, die von dem Träger abgewandt ist, und eine zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche umfasst.
  • Bei S5 wird eine erste elektrische Schicht auf der ersten Fläche des Verkapselungskörpers ausgebildet. Die erste elektrische Schicht kann zum Beispiel die Kathodenelektrode 140 bilden. Die erste elektrische Schicht kann zum Beispiel auch die erste elektrische Interconnect-Verbindung 141 bilden.
  • Bei S6 wird der Verkapselungskörper zu einzelnen Halbleiterbatterien vereinzelt, wie zum Beispiel Halbleiterbatterien 100, 200, 300. Die Vereinzelung des Verkapselungskörpers kann somit die Verkapselungsmaterialien 120 jeder Halbleiterbatterie 100, 200, 300 bilden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen in oder auf einem Wafer des Weiteren das Generieren mehrerer erster Gruppierungen erster Löcher in einer ersten Fläche des Wafers umfassen, wobei die Innenwände der ersten Löcher ein Batterieanodenhalbleitermaterial umfassen. Es ist anzumerken, dass der Wafer entweder ein Halbleiterwafer (z.B. ein Siliziumwafer) sein kann oder ein Wafer aus einem anderen Material (z.B. ein Glaswafer) sein kann, wobei die Innenwände der ersten Löcher mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial beschichtet sind, wie zuvor in Verbindung mit 3 beschrieben.
  • Das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen kann des Weiteren umfassen, ein Batterieelektrolytmaterial in die ersten Löcher einzuleiten und ein Batteriekathodenmaterial über dem Batterieelektrolytmaterial auszubilden.
  • Wie unten noch ausführlicher erläutert wird, kann das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen ein Prozess sein, der das Bearbeiten des Wafers auf beiden Hauptflächen umfassen kann. Das heißt, der Prozess kann des Weiteren das Generieren mehrerer zweiter Gruppierungen von zweiten Löchern in einer zweiten Fläche des Wafers gegenüber der ersten Fläche des Wafers umfassen. Ähnlich den ersten Löchern können die Innenwände der zweiten Löcher das Batterieanodenhalbleitermaterial umfassen.
  • Ebenfalls ähnlich der Bearbeitung der ersten Fläche des Wafers kann dann Elektrolytmaterial in die zweiten Löcher eingeleitet werden, und Batteriekathodenmaterial kann über dem Batterieelektrolytmaterial ausgebildet werden.
  • Der Prozess des Verkapselns der Substrate in einem elektrisch isolierenden Material kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das Verkapseln der Substrate in dem elektrisch isolierenden Material Formen umfassen. Gemäß einer weiteren Möglichkeit kann der Prozess des Verkapselns der Substrate in einem elektrisch isolierenden Material Laminieren umfassen.
  • 5A–5S veranschaulichen Querschnittsansichten einer Halbleiterbatterie, wie zum Beispiel Halbleiterbatterien 100, 200, 300, während der Herstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Gemäß 5A kann ein Wafer 510W bereitgestellt werden. Der Wafer 510W kann zum Beispiel ein Siliziumwafer sein, z.B. ein 12″-Siliziumwafer. Der Wafer 510W kann eine Dicke H1 von gleich oder größer oder kleiner als 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm, 1000 µm, 1100 µm, 1200 µm haben.
  • Eine Maskenschicht 511, wie zum Beispiel ein Photoresist, kann dann auf einer ersten Fläche 510Wa des Wafers 510W aufgebracht werden. Die Maskenschicht 511 kann eine Dicke T von gleich oder größer oder kleiner als 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm, 60 µm haben. Das Aufbringen der Maskenschicht 511 kann während der Front-End-Waferbearbeitung bewerkstelligt werden. Der Wafer 510W kann während des Aufbringens der Maskenschicht 511 gedreht werden, um eine dünne und gleichmäßige Maskenschicht 511 zu erreichen.
  • Gemäß 5B wird die Maskenschicht 511 strukturiert. Das Strukturieren der Maskenschicht 511 kann durch Bestrahlen der Maskenschicht (z.B. des Photoresists) 511 durch ultraviolettes Licht erfolgen. Dann werden entweder die belichteten oder die nicht-belichteten Bereiche der Maskenschicht 511 durch Auflösen entfernt. 5B veranschaulicht anhand einer Vereinfachung das Generieren von nur zwei Bereichen, in denen die Maskenschicht 511 entfernt wird. In der Praxis wird in der Regel eine viel größere Anzahl von Öffnungen in der Maskenschicht 511 erzeugt, z.B. gleich oder mehr als einige tausend pro Substratfläche. Zum Beispiel können mindestens 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% der gesamten Substratfläche der Maskenschicht 511 entfernt werden. Oder anders ausgedrückt: Es kann eine recht dichte Gruppierung von Öffnungen erzeugt werden.
  • Gemäß 5C können dann Löcher oder Gräben 551 in dem Wafer 510W in Ausrichtung auf die Öffnungen ausgebildet werden. Die Löcher 551 können den ersten Löchern 251 von 2 oder den ersten Löchern 351 von 3 entsprechen. Die Löcher 551 können eine Tiefe D von gleich oder größer oder kleiner als 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm haben. Wenn nur die erste Fläche 510Wa des Wafers zu bearbeiten ist, so kann die Tiefe D der Löcher 551 mindestens 80%, 90%, 95%, 98% von H1 betragen. Wenn der Wafer 510W von beiden Flächen aus bearbeitet werden soll, so kann die Tiefe D der (ersten) Löcher 551 mindestens 40%, 45%, 48% von H1 betragen. Die Ausbildung der (ersten) Löcher 551 kann so ausgeführt werden, dass ein hohes Seitenverhältnis (High Aspect Ratio, HAR) erhalten wird. Es kann beispielsweise eine HAR-Siliziumätzung mittels Nassätzen, reaktivem Ionenätzen (RIE), Plasmaätzen mit geringer Dichte usw. ausgeführt werden.
  • Gemäß 5D kann die Maskenschicht 511 nach dem Ausbilden der Löcher 551 entfernt werden.
  • Im Folgenden wird zum Zweck der vereinfachten Erklärung angenommen, dass die Löcher 551 vom Typ erster Löcher 251 sind, wie in 2 offenbart. Das heißt, es wird – ohne Verlust der Allgemeingültigkeit – angenommen, dass der Wafer 510W das Halbleitermaterial (z.B. Silizium) bereitstellt, das als das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 fungiert. Jedoch gilt die folgende Beschreibung analog für die Herstellung der Halbleiterbatterie 300 mit ersten Löchern 351, wobei das Batterieanodenhalbleitermaterial 151 durch eine Wandbeschichtung der Löcher 551 bereitgestellt wird. In diesem Fall wird im Anschluss an die in 5D veranschaulichte Herstellungsstufe zuerst die Halbleitermaterialschicht (nicht gezeigt) innerhalb der Löcher 551 abgeschieden um das Batterieanodenhalbleitermaterial zu bilden. Dies kann durch einen Siliziumabscheidungs- oder Epitaxieprozess erfolgen.
  • Mit Bezug auf 5E wird dann eine Schicht des Batterieelektrolyten 153 an den Innenwänden der Löcher 551 abgeschieden. Die Schicht des Batterieelektrolyten 153 kann als ein Separator zwischen dem Batterieanodenmaterial 151 und dem anschließend aufzubringenden Batteriekathodenmaterial 152 dienen.
  • Die Schicht des Batterieelektrolyten 153 kann eine Dicke zwischen 20 und 50 nm haben. Die Schicht des Batterieelektrolyten 153 kann zum Beispiel LiPON oder Thio-Liscon oder irgend ein anderes geeignetes Material, das als ein Batterieelektrolyt verwendet werden kann, umfassen oder daraus bestehen.
  • Mit Bezug auf 5F werden die Löcher 551 dann mit dem Batteriekathodenmaterial 152 gefüllt. Das Batteriekathodenmaterial 152 kann zum Beispiel Lithium-Kobalt (LCO) oder jedes andere geeignete Material umfassen oder daraus bestehen. Wie in 5F schematisch veranschaulicht, kann ein Hohlraum am oberen Ende des Loches 551 ausgespart werden, um die Ausdeh nung des Halbleitermaterials beispielsweise während des Wiederauflademodus zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann sich Silizium während des Wiederaufladens bis zu 300 % ausdehnen. Die Ausdehnung wird durch Interkalation hervorgerufen, was das umkehrbare Einschließen oder Einfügen eines Moleküls oder Ions in eine Verbindung mit einer Gitterstruktur bedeutet.
  • Gemäß 5G kann der Hohlraum, der am oberen Ende von Loch 551 ungefüllt gelassen wurde, beispielsweise teilweise oder vollständig mit einem viskosen Fluid oder einer Flüssigkeit 541 ausgefüllt werden. Das viskose Fluid oder die Flüssigkeit 541 kann die mechanische Stabilität der Struktur während einer solchen Ausdehnung erhöhen.
  • Mit Bezug auf 5H kann eine isolierende Schicht 561 über der ersten Fläche 510Wa des Wafers 510W aufgebracht werden. Die isolierende Schicht 561 kann die erste Fläche 510Wa des Wafers 510W teilweise oder vollständig bedecken. Insbesondere kann die isolierende Schicht 561 die Löcher 551 bedecken und verschließen. Die isolierende Schicht 561 kann zum Beispiel eine harte Passivierungsschicht sein, wie zum Beispiel eine Siliziumoxidschicht, eine Siliziumnitridschicht oder sonstige anorganische isolierende Schichten. Die isolierende Schicht 561 kann alternativ eine organische dielektrische Schicht sein, wie zum Beispiel eine Polymerschicht.
  • 5I und 5J betreffen eine beispielhafte Ausführungsform, bei der beide Seiten des Wafers 510W bearbeitet werden. Eine Bearbeitung beider Seiten des Wafers 510W kann das Erhalten eines maximalen Verhältnisses von aktivem Batterievolumen (d.h. dem akkumulierten Lochvolumen) und Substratvolumen ermöglichen. Ungeachtet dessen können die in den 5I–5J veranschaulichten Prozesse weggelassen werden, wenn nur eine einzige Seite (z.B. die erste Fläche 510Wa) des Wafers 510W verwendet werden soll.
  • Genauer gesagt, veranschaulicht 5I das Umdrehen des Wafers 510W. 5J veranschaulicht eine Stufe während der Herstellung, wo die in den 5A–H veranschaulichten Prozesse an der zweiten Fläche 510Wb des Wafers 510W wiederholt werden. Aus Gründen der Stabilität kann ein Steg 552 beispielsweise mit einer Dicke von wenigen µm zwischen den oberseitigen (zweiten) und den unterseitigen (ersten) Löchern 551 gelassen werden. Eine Dicke des Steges 552 kann gleich oder größer oder kleiner als 50 µm, 40 µm, 30 µm, 20 µm, 10 µm, 5 µm sein.
  • 5K veranschaulicht das Zerschneiden eines Wafers. Während des Zerschneidens des Wafers werden die Substrate 110 aus dem Wafer 510W herausgeschnitten. Das Zerschneiden des Wafers kann durch mechanisches Zerschneiden ausgeführt werden, wie zum Beispiel Zerschneiden mit einer Schneide, Sägen usw., oder durch Zerschneiden mit einem Laser. Das Zerschneiden mit einem Laser erlaubt das Erhalten jeder gewünschten Form der Substrate 110. Zum Beispiel ist eine gekrümmte oder kreisförmige Form der Substrate 110 möglich. Die Designvielfalt kann zu einem hohen Nutzbarkeitsgrad des Wafervolumens und folglich zu einer hohen volumetrischen Energiedichte der Halbleiterbatterie führen. Es ist anzumerken, dass viele der Knopfzellen eine Kreisform haben, und somit könnte das Volumen der Halbleiterbatterie am besten mittels eines kreisförmigen Substrats ausgenutzt werden. Des Weiteren kann das Zerschneiden mit einem Laser einen minimalen Materialverlust des Wafermaterials ermöglichen. Zum Beispiel kann Stealth-Dicing fast ohne Schnittfugenverluste und Späne während des Zerschneidens ausgeführt werden.
  • Die Anzahl der Substrate 110 und somit die Anzahl von Halbleiterbatterien, die aus einem einzelnen Wafer 510W hergestellt werden können, sind von der gewünschten Kapazität der Halbleiterbatterie abhängig. Je kleiner die Anzahl der Substrate 110 ist, die aus dem Wafer 510W herausgeschnitten werden, desto höher kann die Kapazität jeder Halbleiterbatterie sein. Wenn zum Beispiel der Zerschneideprozess von 5K weggelassen wird, so kann eine einzelne Knopfzelle mit der Größe des Wafers 510W erzeugt werden. Eine solche Halbleiterbatterieknopfzelle kann als „Wafer-Knopfzellenbatterie“ bezeichnet werden.
  • Mit Bezug auf 5L kann das vereinzelte Substrat 110 dann in einer voneinander beabstandeten Beziehung auf einem Träger 530 platziert werden. Der Träger 530 kann zum Beispiel eine Platte oder Lage aus Metall sein, z.B. ein Leiterrahmen. Zum Beispiel kann der Träger 530 Metall, z.B. Kupfer, enthalten oder daraus bestehen, und kann eine Dicke von gleich oder weniger oder größer als 100 µm, 150 µm, 200 µm, 250 µm, 300 µm haben. Der Träger 530 kann ein dauerhafter Träger sein, d.h. ein Träger, der nicht in einer späteren Stufe des Herstellungsprozesses von der Halbleiterbatterie entfernt wird. In anderen Ausführungsformen kann der Träger 530 ein zeitweiliger Träger sein, der nur für anschließende Herstellungsprozesse verwendet zu werden braucht, wie zum Beispiel den Verkapselungsprozess, der aber später entfernt wird und keinen Teil der fertigen Halbleiterbatterie bildet.
  • Der Träger 530 kann seitliche Abmessungen D1, D2 von mindestens einigen zehn Zentimetern haben. Zum Beispiel kann der Träger 530, wie in 5L dargestellt, eine seitliche Ab messung D1 von 30 cm und eine seitliche Abmessung D2 von 40 cm haben.
  • Mit Bezug auf die 5L–M können die Substrate 110 dann auf dem Träger 530 platziert und fest angebracht werden. Wenn der Träger 530 ein dauerhafter Träger ist (z.B. ein Leiterrahmen), so kann Löten, Weichlöten, Hartlöten, Diffusionslöten, Sintern oder leitfähiges Kleben verwendet werden. Wenn der Träger 530 ein zeitweiliger Träger ist, so kann ein Klebeband oder ähnliches Befestigungsmittel dafür verwendet werden, die Substrate 110 vorübergehend an dem Träger 530 zu befestigen.
  • Wenn der Träger 530 ein dauerhafter Träger ist, so kann der Träger (z.B. Leiterrahmen) 530 zuerst aufgeraut werden. Die Substrate 110 können mit einer sehr dünnen Schicht (z.B. von gleich oder größer oder kleiner als 1 µm, 2 µm, 3 µm, 4 µm, 5 µm) einer Rückseitenmetallisierung, wie zum Beispiel AuSn, bedeckt werden. Die Rückseitenmetallisierung kann dann erwärmt werden, und alle Substrate 110 können auf der rauen Fläche des Trägers 530 platziert und daran gebondet werden (siehe 5M, die ein gebondetes Substrat 110 zeigt).
  • Mit Bezug auf 5N können die Substrate 110 dann mit dem elektrisch isolierenden Verkapselungsmaterial 120 verkapselt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Verkapselungsprozess durch Laminierung ausgeführt werden. Während der Laminierung werden eine oder mehrere Laminatschichten 521, 522 beispielsweise unter Anwendung von Wärme und/oder Druck auf den Träger 530 und die Substrate 110 laminiert. Die eine oder die mehreren Laminatschichten 521, 522 können Ausschnitte haben (Laminatschicht 521) oder können durchgehend sein (Laminatschicht 522). Des Weiteren kann die oberste Laminatschicht 522 optional mit einer oberen Metallschicht 540 versehen werden. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die obere Metallschicht 540 auf den Verkapselungskörper aufgebracht wird, nachdem der Laminierungsprozess beendet wurde.
  • Gemäß einer weiteren Möglichkeit wird ein Formungsprozess (Gusserfahren) verwendet, um den Verkapselungskörper bereitzustellen. In einem Formungsprozess wird der Träger 530 mit den darauf platzierten Substraten 110 in eine untere Hälfte eines Formwerkzeugs (nicht gezeigt) eingesetzt. Das Formwerkzeug wird dann geschlossen, indem eine obere Hälfte des Formwerkzeugs auf die untere Hälfte gesetzt wird, um einen Formhohlraum zu bilden. Der Träger 530 mit dem darauf platzierten Substrat 110 wird dann dem Formungsprozess unterzogen, der das Einspritzen von Formmaterial in den Formhohlraum umfasst. Danach werden die Formhälften geöffnet, und der Verkapselungskörper, der den Träger 530 und die Substrate 110 in das Formmaterial eingebettet enthält, wird entfernt.
  • 5O veranschaulicht einen beispielhaften Prozess zum Ausbilden der ersten elektrischen Interconnect-Verbindung 141 zwischen der oberen Metallschicht 540 (die später die Kathodenelektrode 140 bildet) und dem Batteriekathodenmaterial 152. Zum Beispiel können Löcher 542 in der (ersten) Fläche 520a des Verkapselungskörpers 520 ausgebildet werden. Die Löcher 542 können auf das Batteriekathodenmaterial 152 ausgerichtet werden, das zum Beispiel in jedem der Löcher (nicht gezeigt) auf dem Substrat 110 enthalten ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Löcher 542 in die erste Fläche 520a des Verkapselungskörpers 520 gebohrt werden. Um sehr präzise zu bohren, können die Orte der Löcher 542 zuerst durch Fotolithografie definiert werden. Insofern kann ein Photoresist (nicht gezeigt) zum Beispiel auf die obere Metallschicht 540 aufgebracht werden und kann zum Beispiel durch Laserdirektbildgabe oder jeden anderen geeigneten Belichtungsprozess belichtet werden. Der Photoresist (nicht gezeigt) kann dann entwickelt und teilweise entfernt werden. Die obere Metallschicht 540 (z.B. eine Kupferfolie) kann dann fortgeätzt werden, und der Photoresist (nicht gezeigt) kann vollständig entfernt werden. Anschließend kann ein Laser, wie zum Beispiel ein CO2-Laser, dafür verwendet werden, durch das Laminatmaterial oder Formmaterial des Verkapselungskörpers 520 zu bohren. Die strukturierte obere Metallschicht 540 kann während des Laserbohrprozess als eine Maske dienen.
  • Mit Bezug auf 5P können die Löcher 542 dann mit einem leitenden Material ausgefüllt werden, wie zum Beispiel Kupfer, um die erste elektrische Interconnect-Verbindung, z.B. Durchkontaktierungen 141, zu bilden. Dieser Prozess kann das Vorbereiten der Fläche der Löcher 542 zum Plattieren (z.B. Reinigen), das Abscheiden einer leitfähigen Schicht an den Seitenwänden der Löcher 542 zum Ermöglichen des Plattierens und das Abscheiden des Plattierungsmaterials (z.B. Kupfer) in die Löcher 542 zu Bilden der Durchkontaktierungen 141 enthalten. Obgleich sich die oben erwähnten Prozesse auf das galvanische Plattieren beziehen, können auch andere Plattierungsverfahren, wie zum Beispiel chemisches Plattieren (auch als stromloses Plattieren bezeichnet) verwendet werden. In diesem Fall wird anstelle der Abscheidung einer leitfähigen Schicht eine Keimschicht für chemisches Plattieren an Seitenwänden der Löcher 542 abgeschieden, und der Plattierungsprozess wird stromlos ausgeführt.
  • Mit Bezug auf 5Q können beide Seiten der Baugruppe (der Verkapselungskörper 520, der mit dem Träger 530 und der oberen Metallschicht 540 versehen ist) mit einer Schicht 570 beispielsweise aus Nickel beispielsweise durch Galvanisieren bedeckt werden.
  • Mit Bezug auf 5R kann die Baugruppe – oder insbesondere der Verkapselungskörper 520 – dann zu einzelnen Halbleiterbatterien 500 vereinzelt werden (siehe 5S). Das Vereinzeln des Verkapselungskörpers 520 kann durch Schneiden, Ätzen, Prägen oder jeden anderen geeigneten Prozess zum Teilen des Verkapselungskörpers 520 in einzelne Stücke ausgeführt werden. Die fertigen Halbleiterbatterien 500, wie in 5S gezeigt, können direkt aus dem Verkapselungskörper 520 geschnitten werden. Gemäß einer Möglichkeit werden keine weiteren Herstellungsschritte zum Bereitstellen der fertigen Halbleiterbatterien 500 benötigt. Der Vereinzelungsprozess kann so ausgeführt werden, dass Halbleiterbatterien (z.B. Knopfzellen) 500 einer gekrümmten oder kreisförmigen Form erzeugt werden. Jedoch ist auch jede andere Form der Halbleiterbatterien 500 möglich.
  • Obgleich praktisch alle Herstellungsprozesse bis zum Vereinzelungsprozess auf (künstlicher) Waferebene ausgeführt werden können, ist es auch möglich, dass einige der abschließenden Herstellungsprozesse auf der Ebene einer einzelnen Halbleiterbatterie ausgeführt werden. Das heißt, dass beispielsweise die obere Metallschicht 540 auf einzelne Halbleiterbatterien 500 anstatt auf den Verkapselungskörper 520 aufgebracht werden kann.
  • Wie aus dem oben Dargelegten zu erkennen ist, wird das elektrisch isolierende Verkapselungsmaterial 120 der Halblei terbatterie 500 durch Vereinzeln des Verkapselungskörpers 520 in einzelne Batterien gebildet. Analog kann die Kathodenelektrode 140 durch Vereinzeln der oberen Metallschicht 540 und – sofern vorhanden – der Schicht 570 gebildet werden. Analog kann die Anodenelektrode 130 der Halbleiterbatterie 500 durch Vereinzeln des Trägers 530 und – sofern vorhanden – der Schicht 570 gebildet werden.
  • Mit Bezug auf 6 enthält eine Halbleitervorrichtung 600 ein Substrat 110, eine elektronische Komponente 610 und ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial 120. Das elektrisch isolierende Verkapselungsmaterial 120 bettet mindestens teilweise das Substrat 110 ein und bettet mindestens teilweise die elektronische Komponente 610 ein.
  • Das Substrat 110 kann gemäß jeder oben offenbarten Ausführungsform ausgelegt sein. Insbesondere kann das Substrat 110 ein Halbleitermaterial oder ein isolierendes Material enthalten oder daraus bestehen. Das Substrat 110 enthält eine Halbleiter-Batteriestruktur 150, wie oben beschrieben.
  • Die elektronische Komponente 610 kann ein integrierter Schaltkreis, z.B. ein Halbleiterchip, sein, in dem ein integrierter Schaltkreis monolithisch ausgebildet ist. Die elektronische Komponente 610 kann ein integrierter Logikschaltkreis, ein Mikrocontroller, ein Sensor usw. sein. Insbesondere kann die elektronische Komponente 610 ein Temperatursensor, ein Magnetfeldsensor, ein Stromfeldsensor oder ein Beschleunigungssensor sein.
  • Die elektronische Komponente 610 kann als eine aktive Vorrichtung oder eine passive Vorrichtung konfiguriert sein. Wenn die elektronische Komponente 610 als eine passive Vor richtung konfiguriert ist, so kann sie eine PID (Passive Integrated Device) sein, in der ein oder mehrere passive Bauelemente (Widerstand, Induktivität, Kondensator oder Kombinationen davon) in einem monolithischen Halbleiterchip ausgebildet sind.
  • Die Halbleitervorrichtung 600 kann mit externen Anschlüssen 630, 640 versehen sein. Der externe Anschluss 640 kann elektrisch mit dem Batteriekathodenmaterial verbunden sein, das in der Halbleiter-Batteriestruktur 150 enthalten ist. Der externe Anschluss 630 kann elektrisch mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial 151 verbunden sein, das in der Halbleiter-Batteriestruktur 150 enthalten ist.
  • Des Weiteren kann der externe Anschluss 640 elektrisch mit einer ersten Kontaktinsel 611 der elektronischen Komponente 610 verbunden sein. Der externe Anschluss 630 kann elektrisch mit einer zweiten Kontaktinsel 612 der elektronischen Komponente 610 verbunden sein. Die erste und die zweite Kontaktinsel 611, 612 können Stromversorgungskontaktinseln der elektronischen Komponente 610 sein.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Halbleitervorrichtung 600 eine „intelligente“ Halbleiterbatterie sein, d.h. eine Halbleiterbatterie, die mit einer Funktion ausgestattet ist, die zusätzlich zu der Basis-Batteriefunktion vorhanden ist, die durch das Substrat 110 bereitgestellt wird. Die zusätzliche Funktion kann durch die elektronische Komponente 610 bereitgestellt werden. Die zusätzliche Funktion kann zum Beispiel eine oder mehrere aus folgender Gruppe von Funktionen sein: Spannungsmessung, Temperaturmessung, Bereitstellen einer Kapazität, eines Widerstands oder einer Induktivität zwischen der ersten und der zweiten Kontaktinsel 611, 612, Steuern eines Lade- und/oder Entladeprozesses, Erfassen einer externen Quantität, wie zum Beispiel eines Magnetfeldes, eines elektrischen Feldes, einer Beschleunigung usw. Jedoch ist es auch möglich, dass die Halbleitervorrichtung 600 keine Knopfzellenbatterie ist, d.h. dass die externen Anschlüsse 630, 640 nicht als Knopfzellenbatterieelektroden ausgelegt sind.
  • Die elektronische Komponente 610 kann des Weiteren mit einem Mittel zum Kommunizieren mit externen Anwendungen ausgestattet sein. Zum Beispiel kann die elektronische Komponente 610 mit einer NFC(Nahfeldkommunikations)-Schaltung ausgestattet sein. Die NFC-Schaltung kann durch die Halbleiter-Batteriestruktur 150 des Substrats 110 mit Strom versorgt werden und kann dafür konfiguriert sein, zum Beispiel Messwerte, Leseergebnisse, Quantitäten in Bezug auf den Ladestatus der Halbleiter-Batteriestruktur 150 usw. an eine externe Anwendung zu melden. Die NFC kann in der elektronischen Komponente 610 (oder in einer zweiten elektronischen Komponente, die in 6 nicht gezeigt ist) implementiert werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Halbleitervorrichtung 600 eine Knopfzellenbatterie. Der externe Anschluss 630 kann dann die Anodenelektrode 130 einer solchen „intelligenten“ Knopfzellenbatterie bilden, und der externe Anschluss 640 kann die Kathodenelektrode 140 einer solchen „intelligenten“ Knopfzellenbatterie bilden.
  • Im Hinblick auf die Merkmale und Eigenschaften des Substrats 110, des Verkapselungsmaterials 120, der Halbleiter-Batteriestruktur 150, der Anodenelektrode 130 und der Kathodenelektrode 140 wird auf die obige Offenbarung verwiesen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Des Weiteren wird auf die obige Offenbarung im Hinblick auf den beispielhaften Prozess der 5A–5S zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 600 verwiesen. Der oben beschriebene Prozess braucht lediglich durch einen Schritt des zusätzlichen Platzierens elektronischer Komponenten 610 in einer voneinander beabstandeten Beziehung neben den Substraten 110 modifiziert zu werden (siehe 5L). Davon abgesehen, treffen alle verschiedenen Ausführungsformen der Herstellung einer Halbleiterbatterie 100, 200, 300 analog auch auf die Herstellung der Halbleitervorrichtung 600 zu.
  • Mit Bezug auf 7 wird eine Halbleitervorrichtung 700 offenbart. Die Halbleitervorrichtung 700 kann der Halbleitervorrichtung 600 ähneln, mit der Ausnahme, dass mindestens ein zusätzlicher externer Anschluss 650 bereitgestellt wird. Der externe Anschluss 650 kann elektrisch mit der elektronischen Komponente 610 verbunden sein. Der externe Anschluss 650 kann einen E/A-Port zu der elektronischen Komponente 610 bilden. Es ist anzumerken, dass die Halbleitervorrichtung 700 nicht unbedingt eine Knopfzellenbatterie zu bilden braucht. Es kann auch möglich sein, dass das Substrat 110 lediglich als eine interne Batterie oder Stromquelle zum Betreiben der elektronischen Komponente 610 fungiert, ohne die Möglichkeit der Stromversorgung externer Vorrichtungen bereitzustellen. In diesem Fall brauchen keine Anodenelektrode 130 (oder kein externer Anschluss 630) und/oder keine Kathodenelektrode 140 (oder kein externer Anschluss 640) für externe Vorrichtungen zugänglich zu sein. Vielmehr ist es möglich, dass diese Strukturen durch interne Verdrahtungen ersetzt werden, die in das Verkapselungsmaterial 120 eingebettet sind und die teilweise oder vollständig durch das Verkapselungsmaterial 120 bedeckt sein können. Die Kommunikation mit externen Anwendungen kann entweder über den oder die E/A-Ports 650 oder zum Beispiel durch Funkkommunikation (z.B. NFC), wie oben beschrieben, ausgeführt werden.
  • 8 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung 600, 700, die eine Halbleiter-Batteriestruktur 150 gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält. Bei S1 wird eine Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen 150 in oder auf einem Wafer gebildet. Allgemein kann das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen in oder auf einem Wafer enthalten, mehrere erste Gruppierungen erster Löcher in einer ersten Fläche des Wafers zu generieren, wobei die Innenwände der ersten Löcher ein Batterieanodenhalbleitermaterial umfassen; ein Batterieelektrolytmaterial in die ersten Löcher einzuleiten; und ein Batteriekathodenmaterial über dem Batterieelektrolytmaterial auszubilden. Das Ausbilden einer Gruppierung von Batteriehalbleiterstrukturen in oder auf einem Wafer kann optional des Weiteren enthalten, mehrere zweite Gruppierungen von zweiten Löchern in einer zweiten Fläche des Wafers gegenüber der ersten Fläche des Wafers zu generieren, wobei die Innenwände der zweiten Löcher das Batterieanodenhalbleitermaterial umfassen; das Batterieelektrolytmaterial in die zweiten Löcher einzuleiten; und ein Batteriekathodenmaterial über dem Batterieelektrolytmaterial auszubilden. Die 5A–5J veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen für das Ausbilden solcher Halbleiter-Batteriestrukturen 150.
  • Bei S2 wird der Wafer in einzelne Substrate 110 getrennt, die jeweils mindestens eine Halbleiter-Batteriestruktur 150 umfassen. 5K zeigt ein Beispiel dieses Prozesses.
  • Bei S3 werden die Substrate 110 in einer voneinander beabstandeten Beziehung auf einem Träger platziert. Die 5L–5M können diesen Prozess beispielhaft veranschaulichen.
  • Bei S3’ werden elektronische Komponenten 610 auf dem Träger platziert. Jede elektronische Komponente 610 kann neben einem Substrat 110 platziert werden. Auf diese Weise kann eine Gruppierung von Paaren der Substrate 110 und elektronischen Komponenten 610 zusammengestellt werden. Es ist natürlich auch möglich, mehrere elektronische Komponenten 610, die verschieden sein können, neben einem Substrat 110 zu platzieren. In diesem Fall können Halbleitervorrichtungen 600, 700, die ein einzelnes Substrat 110 und mehrere beispielsweise verschiedene elektronische Komponenten 610 enthalten, hergestellt werden.
  • Bei S4’ werden die Substrate 110 und die elektronischen Komponenten 610 in einem elektrisch isolierenden Material verkapselt, um einen Verkapselungskörper 520 zu bilden. Das Verkapseln der Substrate 110 und elektronischen Komponenten in einem elektrisch isolierenden Material kann mindestens eines von Formen oder Laminieren enthalten. Beispiele dieser Prozesse sind in 5N gezeigt.
  • Bei S5 wird eine erste elektrische Schicht auf einer ersten Fläche des Verkapselungskörpers 520 gebildet. Dieser Prozess kann enthalten: Ausbilden einer ersten elektrischen Interconnect-Verbindung auf der ersten Fläche des Verkapselungskörpers durch Aufbringen einer ersten Metallisierungsschicht auf der ersten Fläche des Verkapselungskörpers; und Generieren mehrerer Durchkontaktierungen in der ersten Fläche des Verkapselungskörpers, die dafür konfiguriert sind, die erste Metallisierungsschicht elektrisch mit den Halbleiter-Batte riestrukturen zu verbinden. Dieser Prozess kann zum Beispiel im Einklang mit der Beschreibung zu den 5N–5Q ausgeführt werden.
  • Bei S6’ wird der Verkapselungskörper 520 zu einzelnen Halbleitervorrichtungen 600, 700 vereinzelt, die jeweils mindestens ein Substrat und eine elektronische Komponente enthalten. Dieser Prozess wurde beispielhaft durch die 5R–5S und die entsprechende Beschreibung veranschaulicht.
  • 9–11 sind Querschnittsansichten, die Beispiele von Verdrahtungen in Halbleitervorrichtungen (z.B. 600, 700) oder Halbleiterbatterien (z.B. 100, 200, 300, 500) gemäß verschiedenen Ausführungsformen veranschaulichen.
  • 9 veranschaulicht ein Beispiel des elektrischen Verbindens des Substrats 110 mit der Anodenelektrode 130 (oder dem externen Anschluss 630) und mit der Kathodenelektrode 140 (oder dem externen Anschluss 640). Wie zuvor beschrieben, kann das Substrat 110 direkt an der Anodenelektrode 130 (oder dem externen Anschluss 630) angebracht (z.B. gelötet oder durch einen leitenden Klebstoff geleimt) werden. Die Anodenelektrode 130 (oder der externe Anschluss 630) kann aus einem Träger 530 (z.B. Leiterrahmen) geschnitten werden, oder kann als eine Metallisierung auf die zweite Fläche 120b des Verkapselungsmaterials 120 und die zweite Fläche 110b des Substrats 110 aufgebracht werden. Des Weiteren kann, wenn die in 9 gezeigte Struktur Teil einer Halbleitervorrichtung, wie zum Beispiel der Halbleitervorrichtungen 600, 700, ist, der externe Anschluss 630 Teil einer Umverteilungsschicht (Redistribution Layer, RDL) sein. Eine Umverteilungsschicht kann eine oder mehrere Metallisierungsschichten und eine oder mehrere isolierende Schichten (nicht gezeigt), die zwischen den Metallisierungsschichten aufgenommen sind, enthalten. Die RDL kann vollständig durch Dünnfilmprozesse auf Waferebene hergestellt werden. In diesem Fall wird ein zeitweiliger Träger 530 während der Herstellung verwendet (siehe 5L–5O), und wird entfernt, nachdem der Verkapselungskörper 520 und zum Beispiel der externe Anschluss 540 gebildet wurden. Die RDL wird dann auf (künstlicher) Waferebene auf die Unterseite des Verkapselungskörpers 520 aufgebracht, die (zu dieser Zeit) die frei liegenden zweiten Flächen 110b der Substrate (und die frei liegenden Unterseiten der elektronischen Komponenten 610, die zum Beispiel zweite Kontaktinseln 612 enthalten) und die zweiten Flächen 120b der Verkapselungsmaterialien 120, die (auf dieser Stufe des Ablaufs) immer noch in den (künstlichen) Wafer, der durch den Verkapselungskörper 520 gebildet wird, integriert sind, umfasst.
  • Gleichermaßen kann die Kathodenelektrode 140 (oder der externe Anschluss 640) durch eine RDL ersetzt werden, falls eine Halbleitervorrichtung, wie zum Beispiel die Halbleitervorrichtung 600 oder 700, in Betracht gezogen wird.
  • 10 veranschaulicht ein Beispiel des elektrischen Verbindens eines Substrats 110, wie zum Beispiel in 5J veranschaulicht, mit der Anodenelektrode 130 (oder dem externen Anschluss 630) und mit der Kathodenelektrode 140 (oder dem externen Anschluss 640) der Halbleiterbatterie oder Halbleitervorrichtung. Die Anodenelektrode 130 (oder der externe Anschluss 630) kann mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial 151 (z.B. dem Volumensubstrat 110, siehe 2) oder mit einer Halbleiterschicht (siehe 3) durch eine zweite elektrische Interconnect-Verbindung verbunden sein, die in diesem Beispiel mittels Durchkontaktierungen 1031 realisiert ist. Das Batteriekathodenmaterial 152 der Batterieelemente, die nach unten in Richtung der Anodenelektrode 130 (oder des externen Anschlusses 630) weisen, ist mittels Durchkontaktierungen 1041 elektrisch mit einer Metallisierungsschicht 1045 verbunden. Die Metallisierungsschicht 1045, die Teil einer Laminatschicht des Verkapselungskörpers 520 sein kann, kann elektrisch mit der Kathodenelektrode 140 (oder dem externen Anschluss 640) mittels einer Durchführung 1042 verbunden sein. Die Durchführung 1042 kann so angeordnet sein, dass sie durch das Verkapselungsmaterial 120 (oder den Verkapselungskörper 520) hindurch verläuft. Die Metallisierungsschicht 1045, die Durchführung 1042 und die Durchkontaktierungen 1041 können einen Teil der ersten elektrischen Interconnect-Verbindung bilden, die dafür verwendet wird, das Batteriekathodenmaterial mit der Kathodenelektrode 140 (oder dem externen Anschluss 640) der Halbleiterbatterie oder Halbleitervorrichtung zu verdrahten. Die Durchführung 1042 sowie alle anderen Teile der elektrischen Interconnect-Verbindung und der Anodenelektroden 130, Kathodenelektroden 140 oder externen Anschlüsse 630, 640 kann auf (künstlicher) Waferebene erzeugt werden, d.h. vor dem Schneidschritt, der zum Beispiel in 5R veranschaulicht ist.
  • 11 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel elektrischer Verbindungen mit dem Substrat 110 ähnlich dem in 10 veranschaulichten Beispiel veranschaulicht. Als ein Unterschied zu dem Beispiel von 10 wird die Durchführung 1042, die durch das Verkapselungsmaterial 120 verläuft, weggelassen und wird durch eine Durchführung 1142 ersetzt, die durch das Substrat 110 verläuft. Die Durchführung 1142 kann als eine TSV (Through Silicon Via) ausgelegt sein. Die Metallisierungsschicht 1045 kann weggelassen und beispielsweise durch eine Substratmetallisierung 1145 ersetzt werden, die sich beispielsweise über der isolierenden Schicht 561 erstreckt.
  • Oder anders ausgedrückt: Wenn Batterieelemente auf beiden Seiten des Substrats 110 angeordnet sind, so kann eine Durchführung zum elektrischen Verbinden des Batteriekathodenmaterials 152 der nach unten weisenden Batterieelemente der Halbleiter-Batteriestruktur entweder durch das Verkapselungsmaterial 120 (siehe Durchführung 1042) oder durch das Substrat 110 (siehe Durchführung 1142) hindurch verlaufen.
  • Obgleich im vorliegenden Text konkrete Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, versteht der Durchschnittsfachmann, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen an die Stelle der konkret gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen treten können, ohne dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Diese Anmeldung soll jegliche Adaptierungen oder Variationen der konkreten, im vorliegenden Text besprochenen Ausführungsformen in sich aufnehmen. Darum ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente eingeschränkt wird.

Claims (20)

  1. Halbleiterbatterie, die aufweist: ein Substrat; ein Batterieanodenhalbleitermaterial in oder über dem Substrat; ein Batteriekathodenmaterial in oder über dem Substrat; einen Batterieelektrolyten, der zwischen dem Batterieanodenhalbleitermaterial und dem Batteriekathodenmaterial angeordnet ist; ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, wobei das Substrat mindestens teilweise in das Verkapselungsmaterial eingebettet ist; eine Anodenelektrode, die über der zweiten Fläche des Verkapselungsmaterials angeordnet ist, wobei die Anodenelektrode elektrisch mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial verbunden ist; und eine Kathodenelektrode, die über der ersten Fläche des Verkapselungsmaterials angeordnet ist, wobei die Kathodenelektrode elektrisch mit dem Batteriekathodenmaterial verbunden ist.
  2. Halbleiterbatterie nach Anspruch 1, wobei das Batterieanodenhalbleitermaterial durch das Substrat gebildet wird.
  3. Halbleiterbatterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Batterieanodenhalbleitermaterial auf Silizium basiert.
  4. Halbleiterbatterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Fläche des Verkapselungsmaterials der zweiten Fläche des Verkapselungsmaterials gegenüberliegt.
  5. Halbleiterbatterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zweite Fläche des Substrats bündig mit der zweiten Fläche des Verkapselungsmaterials abschließt, wobei die Anodenelektrode des Weiteren über der zweiten Fläche des Substrats angeordnet ist.
  6. Halbleiterbatterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat eine erste Fläche und eine zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche umfasst, wobei die erste Fläche des Substrats mit einer ersten Gruppierung erster Löcher versehen ist, wobei jedes erste Loch mindestens einen Teil des Batteriekathodenmaterials und mindestens einen Teil des Batterieelektrolyten aufnimmt.
  7. Halbleiterbatterie nach Anspruch 6, die ferner aufweist: eine erste elektrische Interconnect-Verbindung, die konfiguriert ist, das Batteriekathodenmaterial, das in jedem der ersten Löcher enthalten ist, elektrisch mit der Kathodenelektrode zu verbinden.
  8. Halbleiterbatterie nach Anspruch 6 oder 7, wobei die zweite Fläche des Substrats mit einer Gruppierung zweiter Löcher versehen ist, wobei jedes zweite Loch mindestens einen Teil des Batteriekathodenmaterials und mindestens einen Teil des Batterieelektrolyten aufnimmt.
  9. Halbleiterbatterie nach Anspruch 7 und 8, wobei die erste elektrische Interconnect-Verbindung des ferner konfiguriert ist, das Batteriekathodenmaterial, das in jedem der zweiten Löcher enthalten ist, elektrisch mit der Kathodenelektrode zu verbinden.
  10. Halbleiterbatterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner aufweist: eine zweite elektrische Interconnect-Verbindung, die dafür konfiguriert ist, das Batterieanodenhalbleitermaterial elektrisch mit der Anodenelektrode zu verbinden.
  11. Halbleiterbatterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verkapselungsmaterial Seitenflächen des Substrats vollständig bedeckt.
  12. Halbleiterbatterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verkapselungsmaterial eine oder beide der ersten Fläche des Substrats und der zweiten Fläche des Substrats vollständig bedeckt, mit Ausnahme von Durchkontaktierungen, die in mindestens einer der ersten Fläche und der zweiten Fläche des Verkapselungsmaterials ausgebildet sind.
  13. Halbleitervorrichtung, die aufweist: ein Substrat; ein Batterieanodenhalbleitermaterial in oder über dem Substrat; ein Batteriekathodenmaterial in oder über dem Substrat; einen Batterieelektrolyten, der zwischen dem Batterieanodenhalbleitermaterial und dem Batteriekathodenmaterial angeordnet ist; eine elektronische Komponente, die von dem Substrat getrennt und elektrisch mit dem Batterieanodenhalbleitermaterial und dem Batteriekathodenmaterial verbunden ist, und ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial, wobei das Substrat mindestens teilweise in das Verkapselungsmaterial eingebettet ist und die elektronische Komponente mindestens teilweise in das Verkapselungsmaterial eingebettet ist.
  14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die elektronische Komponente ein integrierter Schaltkreis ist, insbesondere mindestens einer von Folgendem: ein passives integriertes Bauelement, ein integrierter Logikschaltkreis, ein Mikrocontroller, ein Sensor, ein Temperatursensor, ein Magnetfeldsensor, ein Stromfeldsensor, ein Wirkkraftsensor, ein Beschleunigungssensor, ein Drucksensor, ein Mikrofon und ein optischer Sensor.
  15. Halbleiterbatteriewafer, der aufweist: einen Halbleiterwafer mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche gegenüber der ersten Fläche; und eine Gruppierung erster Löcher, die in der ersten Fläche des Halbleiterwafers angeordnet sind, wobei jedes erste Loch mindestens einen Teil eines Batteriekathodenmaterials und mindestens einen Teil eines Batterieelektrolyten aufnimmt.
  16. Halbleiterbatteriewafer nach Anspruch 15, der ferner eine Gruppierung zweiter Löcher aufweist, die in der zweiten Fläche des Halbleiterwafers angeordnet sind, wobei jedes zweite Loch mindestens einen Teil des Batteriekathodenmaterials und mindestens einen Teil des Batterieelektrolyten aufnimmt.
  17. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbatterie, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen in oder auf einem Wafer; Trennen des Wafers in einzelne Substrate, die jeweils mindestens eine Halbleiter-Batteriestruktur umfassen; Platzieren der Substrate in einer voneinander beabstandeten Beziehung auf einem Träger; Verkapseln der Substrate in einem elektrisch isolierenden Material, um einen Verkapselungskörper zu bilden, wobei der Verkapselungskörper eine erste Fläche, die von dem Träger abgewandt ist, und eine zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche umfasst; Ausbilden einer ersten elektrischen Schicht auf der ersten Fläche des Verkapselungskörpers; und Vereinzeln des Verkapselungskörpers in einzelne Halbleiterbatterien.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen in oder auf einem Wafer umfasst: Generieren mehrerer erster Gruppierungen erster Löcher in einer ersten Fläche des Wafers, wobei die Innenwände der ersten Löcher ein Batterieanodenhalbleitermaterial umfassen; Einleiten eines Batterieelektrolytmaterials in die ersten Löcher; und Ausbilden eines Batteriekathodenmaterials über dem Batterieelektrolytmaterial.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Ausbilden einer Gruppierung von Halbleiter-Batteriestrukturen ferner umfasst: Generieren mehrerer zweiter Gruppierungen von zweiten Löchern in einer zweiten Fläche des Wafers gegenüber der ersten Fläche des Wafers, wobei die Innenwände der zweiten Löcher das Batterieanodenhalbleitermaterial umfassen; Einleiten des Batterieelektrolytmaterials in die zweiten Löcher; und Ausbilden eines Batteriekathodenmaterials über dem Batterieelektrolytmaterial.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Verkapseln der Substrate in einem elektrisch isolierenden Material mindestens eines von Formen oder Laminieren umfasst.
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