CN1384543A - 柔性集成单片电路 - Google Patents

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Abstract

一种柔性的集成单片电路,它基本上由柔性电路元件、柔性电路元件间的连接元件和由至少一层包含一种聚合物的材料层组成的柔性包覆层而构成的,它适于作为小而便利的集成电路用于安装在进行物体和人的后勤跟踪的柔性数据载体上的电子设备。本发明也涉及一种制造柔性集成单片电路的方法,其中集成单片电路元件和连接元件被形成在半导体基片的内部或上部,带有背向半导体基片的集成电路元件的主表面被用聚合物树脂包覆,并且半导体基片被去除。该方法基于半导体技术中传统的加工步骤并且通过小数量的加工步骤制造一种柔性集成单片电路。

Description

柔性集成单片电路
技术领域
发明涉及一种由柔性电路元件组成的柔性集成单片电路。
背景技术
传统的单片集成电路包括广泛不同的电路元件，例如：在普通单晶体半导体晶片内部或者在其上部结合的二极管、晶体管、电阻器、电容器和线圈。由半导体晶带、绝缘层区域和金属导电连接组成的多路、复杂的集成电路结构非常薄，厚度通常不超过几个微米。电荷载流子在薄层和通道中实际上在芯片的表面运动。
实验表明，层厚小于50μm的半导体材料薄层自身是柔性的，并且，具有该层厚的集成电路在被重复弯曲压迫后依然保持运行。使芯片变为刚性的只是传统结构的半导体芯片的大的相对于电路元件的深度的厚度。
如果具有功能性元件及其相互连接的表面层被成功地从刚性的基上分离，制造柔性的集成电路是可能的。
因为对用于构成在柔性数据载体上的、用于物体和人的后勤学跟踪的电子仪器的小而便利的集成电路的需求的增长，已知，此种柔性集成电路已经成为广泛的技术努力的目标。
特别是对于作为数据存储卡或聪明卡的芯卡，其发展趋势是朝着一种具备数据传输的、带有或不带有接触件的多功能卡的方向，以使芯片卡的使用能够被扩展到广泛不同的领域，例如：付款、健康、电信和安全。为个这个目的，它们被配备了比以往更大尺寸的半导体电路，以便在卡上容纳更多的电子功能。如果以传统半导体工艺在一个刚性芯片上实现这些半导体电路，当使用者弯曲该卡时，它们将容易爆裂和断开。因此，需要一种用于具备高集成化、能够经受强机械负载的芯片卡的集成电路。
从US6027958可知一种柔性集成电路，该集成电路包括在一个在二氧化硅层上的硅半导体材料，一个用硅半导体材料制造的集成电路，一个二氧化硅或氮化硅的、用于密封集成电路的包围层，和一个连接到集成电路的柔性支持层。
但是，US6027958中的柔性集成电路具有有关制造和操作的多方面的缺陷。其制造过程包括多个步骤，因而，实质上增加了制造成本和不合格品的百分比。也必须特别关注各层的质量，并且尤其关注其中的相互粘附和在柔性集成电路中伴随的脱层效果。SiO2或Si3N4的包围层是易碎的、容易断裂、容易显示出裂缝，并且具有差的粘着力。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种柔性集成电路，它具有改良的粘接特性，并且它能够以简单而便宜的方式、以基本上的任何尺寸被实现。
在本发明中，该发明目的是通过一种柔性集成单片电路而实现的，该柔性集成电路基本上是由柔性电路元件、柔性电路元件间的连接元件、和由至少一层含有聚合物的材料层组成的柔性包覆层而构成。
由含有聚合物的材料层制成的柔性包覆层同时具有三个功能：它充当一个钝化层；充当一个平面化层；和充当集成电路元件及其相互连接元件的机械支撑。聚合物层用于使电路元件钝化和平面化。同时，聚合物层使最终产品具有足够的机械稳固性，以便充当集成单片电路唯一的支撑。
本发明优选的是，聚合物是从聚酰亚胺、聚碳酸酯、碳氟化合物、聚砜(polysulphon)、环氧化合物、苯酚、三聚氰胺、聚酯、和硅树脂或其共聚物的组群中选择。
尤其优选的是，聚合物是从聚酰亚胺树脂的组群中选择。由此，本发明中的集成单片电路将因此表现出非常低的脱层风险。
在本发明的一个实施例中，所述材料层包括用于机械加固包覆层的加固材料。
在本发明的另一个实施例中，所述材料层包括导热填充材料。该填充材料用于提高对聚合物材料低的热传导率的热传导率补偿。
柔性集成单片电路的所述材料层可以包括一种用于集成电路光学屏蔽的颜料。在本发明的一个进一步的实施例中，所述材料层包括导电填充材料。一种具备导电填充材料的包覆层可能通过压力接触制造接触件而不用费力地蚀刻接触件孔。另外，该导电填充材料可以同时为电路元件形成电磁屏蔽。
包覆层也可以包括一个区域板，再次用于集成电路的电磁屏蔽。
在本发明的一个优选的实施例中，包覆层包括一个在柔性集成单片电路第一表面上的第一层和在第二表面上的第二层。电路元件被这样装入一个聚合物薄膜。该双面包覆层能够减少表面压力，并且为柔性集成单片电路的两个主表面提供了机械支撑。
本发明的一个进一步优选的实施例中，由至少一层包含聚合物的包覆材料层组成的柔性包覆层的两边(或表面)装备有柔性电路元件。这样具有以下重要的优点：首先，包装密度可以增加到两倍；其次，已经注意到这样的设备几乎不会蜷缩；它保持完全平整的状态。这可能是归功于柔性包覆层两面压力的平衡。这是非常重要的特征，因为，它为那些要求是平的被加工设备提供了可能的各种加工工序，例如：切成小方块的工序或者加标记工序。考虑到该特征，所述设备优先地具备一个关于柔性包覆层对称的结构。最后，一个优点是柔性包覆层是透明的，因此，包覆层两边的柔性电路元件可以在光学上彼此联系，当一个电路元件可以是一个包含例如III-V半导体材料的发光设备；而另一个电路元件可以包含对上述一个电路元件发出的光敏感的半导体材料。
本发明还涉及一种制造柔性集成单片电路的方法。由此，集成单片电路元件和连接元件形成在一个半导体基片的内部和上面，背向半导体基片的集成电路元件主表面被包覆着聚合物树脂，并且，半导体基片被去除。
该方法基于半导体工艺中通常的加工步骤，并且将以少数的加工步骤制造一种柔性集成单片电路。
在本发明的一个优选方法的实施例中，柔性包覆层的双面以相同的方式装备了柔性电路元件。这具有上面提到的重要优点。包括电路元件的半导体主体基片可以以相同方式、或者以相同或不同的步骤被去除。
尤其优选的是一种含有聚合物的包覆层由旋转包覆工艺提供的方法。旋转包覆工艺具有极好的平整化效果。在旋转包覆工艺中包覆的措施能够弄平集成电路元件表面的台阶，以便获得具有平坦表面的电路。
如果柔性包覆层的另一个侧面被进一步装备柔性电路元件，包含聚合物的包覆层被优选地配备一个二氧化硅的薄层(例如0.5μm厚)以替代装备一个被称为底层涂料的层，例如MOPS(＝甲基丙烯丙氧基三甲氧基硅烷(metacryloxypropyltrimethoxysilane))，在粘接剂被涂于其上之前，包含增进的(柔性)电路元件的增进的半导体主体被永久地连接上，然后，在包覆层任何一边的半导体主体(半导体)基片可以同时或者分别地被去除。
附图简述
本发明将参照六幅附图被更详细地说明。
图1至6以横截面的方式图示了根据本发明中制造方法的中间产品。
发明的具体实施方式
本发明中的柔性集成单片电路基本上由柔性电路元件、柔性电路元件间的连接元件、和一个柔性包覆层组成，所述柔性包覆层包括至少一层含有聚合物的包覆材料。例如，这样的集成电路可以被构成为数据存储电路、数字电路、或模拟电路。
柔性集成单片电路的电路元件2可以由任何适当的有源或无源的元件组成，例如：二极管、肖脱基二极管、CMOS晶体管、场效应晶体管、薄膜晶体管、电容器、电阻器、线圈、微和毫微元件例如LR和UV传感器、气体传感器、光电元件、及其各自的连接元件。
连接元件表示集成电路元件被上涂料的区域之间的电接触件、以及使集成单片电路的单独元件互相联接的电接触件。它们使电连接延伸到集成单片电路的边缘，在那里它们被加宽至结合垫板。通常连接元件被安排在柔性集成单片电路的一个或两个主表面上。
柔性集成单片电路进一步包括一柔性包覆层，该柔性包覆层由至少一层含有聚合物的包覆材料组成。此外，该柔性包覆层可以包括其他材料层，例如：电绝缘于集成电路或另外使其免于周围环境影响的电介质材料。该柔性包覆层也可以由两层组成，每一层安排在集成电路元件两个主表面之一上，共同密封集成电路，位于第二面上的第二层减少了表面的压力。
聚合物层的厚度典型地在1至50μm之间，优选2至5μm。
可以被利用的聚合物是例如：环氧化物、苯酚、三聚氰胺、聚酯、和硅树脂及其单独或混合其它聚合物的共聚体，并且该聚合物可以通过纤维、颜料、填充物、玻璃或金属来增强。在更高的操作温度依然稳定的高等级产品是基于聚酰亚胺树脂、]碳氟化合物树脂(聚四氟乙烯)、聚砜树脂。
尤其优选的材料层是从聚酰亚胺和苯环丁二烯形成的组群中选择的聚合物树脂。
聚酰亚胺是由芳香基和酸酰亚胺基组成的聚合物树脂。聚酰亚胺聚合物例如是：聚酰亚胺、聚异酰亚胺、顺丁烯二酰亚胺、双马来酰亚胺(bismaeinimides)、聚酰胺酰亚胺、聚中酰亚胺(polymidimides)、聚酰胺酯和聚酰亚胺-异吲哚喹唑啉二酮酰亚胺(isoindoloquinazolinedionimide)。优选的聚酰亚胺是Kapton，它是由4，4’-氧二苯胺(oxydianilihne)和苯四酸、二酸酐(dianhydride)缩聚而成的。
聚酰亚胺充当一个电压缓冲器。它们具有极好的划痕抵抗力，这使得它们适于作为机械保护层。
一个替换的、优选的、可以被使用的柔性包覆层材料是苯并环丁二烯(benzocyclobutadiene)。其特征表现为低的吸水作用和较低的加工温度。
在一个进一步优选的实施例中，材料层是一个被装填的聚合物，装填的材料层可以获得机械加固、聚合物层的热或电传导性的改进、或电路元件的光学屏蔽。
合适的机械加固材料是，例如：有机聚合纤维，如芳族聚酸胺纤维、碳纤维或玻璃纤维。导热填充材料的加入能够提高树脂基体的热传导性。聚合物层充当某种程度的热电阻，在判断集成单片电路热平衡时必须将它们考虑进去。优选使用氧化铝、氮化硼、和表面氧化的铜微粒。
用于提高导电性的填充物能够补偿聚合物材料的低导电性。作为等方性的导电填充物，平坦微粒状的或薄片状的银是最合适的填充物。进一步优选的导电填充物是石墨与包括铜、硼、金、或铝的金属微粒。
可以采用的、用于光学屏蔽的颜料是SnO2、ITO、TiO2、和ZnO。
本发明的柔性集成单片电路以这样的步骤被制造，其中，集成单片电路元件和连接元件被形成在半导体基片的内部和上面，背向半导体基片的集成电路元件和连接元件的第一表面具有一个由至少一层含有聚合物的材料层组成的包覆层，并且，半导体基片被去除。
以下将参考图1至图6更详细地说明制造第一实施例中的柔性集成单片电路的方法，图1至图6以截面图的形式表示了制造过程中的几步。
集成单片电路首先被构造在一个部件内，在该部件内所有的集成电路元件，例如：二极管、晶体管、电阻器、包括集成电路元件的连接元件被安排在一公用区的内部或上部，第一临时基片是一种技术人员已知的方式，以便组成上述部件。
图1表示一个平坦的第一临时半导体基片1。半导体基片1可以从多个可能的基片中选择，例如：半导体性质的单晶硅、半导体性质的多晶硅、半导体性质的非晶硅、依附于玻璃上的硅、依附于青玉上的硅、依附于石英上的硅。图1所示的半导体基片是一个具有单晶硅晶片11和氧化层12的SOI基片。
通过传统的半导体技术，例如平面工艺或SOI工艺，有源的也可能无源的电路元件2形成在基片的一个主表面内部或上部。
为制造该集成电路元件，在或邻近一个确定传导性类型和确切传导率等级的单晶体的表面进行加工。引入电路元件，例如：通过平面工艺或SOI工艺选择性地采用氧化步骤、影印石版步骤、选择蚀刻步骤、和中间掺杂步骤例如扩散或离子培植。
整个晶片表面被覆盖着金属、金属硅化物、或大大地掺杂质的多晶硅，用于制造金属、金属硅化物、或大大地掺杂质的多晶硅的连接元件，使集成电路的电路元件彼此连接和连接到位于电路边缘的接触垫片，在其上面，所述层的多余区域通过湿的化学药品或干燥蚀刻术被除去，以得到一个构造。
然后，装在半导体基片上的集成电路元件包含其连接元件在其背向半导体基片的表面上覆盖上柔性包覆层3。
为此，一个由聚合物组成的包覆材料薄层被提供在它的全部或部分表面上。优选地，所述层通过旋转包覆、喷雾或薄膜构造而提供，并且随后被硬化。
聚酰亚胺树脂层的初始材料是通过溶解在溶剂中的聚酰亚胺的化学前体而形成。在将物质旋转包覆在晶片上后，溶剂在100摄氏度蒸发干燥，在温度为300至400摄氏度时，产生聚合。
在本发明的一个实施例中，聚合物层包括一个区域板(浮动结)。为制造区域板，第一聚合物薄层被提供，然后是一层很薄的导电材料，随后是再一层的聚合物。
随后，被柔性层3覆盖的，具有第一临时半导体基片1和安排在其上的电路元件2的晶片以这样的方式被加固，即通过一个粘接层或释放层将晶片的第一主表面覆盖在一个第二临时载体基片(加工晶片)5上面。如图3和图4中所示。
上述粘接层优选这样的一种层，它能够在热处理过程中或通过溶剂的方式或其他对电路元件不构成相当大的热、机械或化学负荷的方式而轻易地再被去除。热处理过程应在300摄氏度以下，尤其在150摄氏度以下进行，合适的粘接层是一种光阻材料层，该光阻材料可溶于丙酮。该粘接层可以通过旋转包覆被提供。或者，该粘接层可以由蜡制成。
第二临时载体或加工晶片可以由任何合适的材料制成，例如：半导体材料、陶瓷材料如氧化铝、玻璃、石英、或者象铝一样的金属。
现在，从其他主表面除去第一临时半导体基片，直到集成电路元件的后面被显露出来，参看图5。
除去第一半导体基片的合适方法是研磨、湿的化学蚀刻、和晶片后面的抛光。
在研磨过程中，晶片的电路面被用蜡固定在一个研磨机械的转子上，这样它的后面在研磨盘上滑动。研磨剂是与蜡混合的碳化硅或氧化铝粉末。在此种方式中，晶片的厚度可以被减至250μm。
或者，通过湿的化学蚀刻溶剂移去第一基片是可能的，其间，一种涂料或蜡掩盖被构成的表面。氢氟酸和硝酸的稀释混合物提供了1到2μm/min可能的蚀刻速度。该蚀刻步骤也可以在研磨步骤后进行。
除去第一基片的一种合适方法是抛光法，覆盖金刚石的旋转的抛光盘以粗略的方式快速地除去晶片后面不必要材料。在一个后序的细抛光阶段，小于100nm的粗糙程度和±3μm的晶片厚度公差被获得。
或者，如果集成电路元件被提供在一个容易被分开的基片层上，例如一个疏松的二氧化硅层，第一基片可以被分裂开。
在制造工序中的此处，如果这样预期，一个具有结合垫片的附加镀金属层面可以被提供在集成电路元件裸露的后面上。同样地，一个进一步的聚合物层可以被提供在所述后面。在另一实施里中，一个也可以用于增强机械稳定性的保护金属箔，可以通过适当的方式被粘附，或者通过其他方式被提供。
然后，第二临时载体或加工晶片和柔性包覆层之间的连接可以被除去。合适的方法是，例如，通过扎紧胶带并扯掉金属箔而剥离柔性集成电路，或通过粘着层的化学、热、机械处理。
如图6所示，在从临时加工晶片分离后，和粘着层可能的处理过程后，柔性包覆层和具备连接元件的电路元件一同形成柔性集成电路。
具有集成电路元件连同其相关连接的半导体薄膜对进一步的处理是有用的，它充分被接触且摆脱第一半导体基片的剩余部分，并且具有一个被定义的后表面。
整个结构是柔性的，且可以被用在弯曲状态，但是它也可以选择被连接到一个固定不变或易弯曲的基片。整个集成电路元件保持柔性对于一些应用是有利的，例如：用于将其安装在电子生活消费品的弯曲机架上，或简单地减少其重量。同时，大面积的柔性集成电路可以简单地被卷起以便运输。
它可以用于上面提到的应用，也用于利用传统标记技术的应用、用于仓库内容后勤管理的通过无线电遥控数据传输方式的仓库物品的标记、货物的标记、太阳能电池的大面积的集成板表面、以及用于具有薄膜晶体管的平的图像屏幕。
实施例
在具有以传统的平面工艺或SOI工艺得到的集成单片电路(图1)的硅晶片制造过程的最后，具有几个微米厚的液态的聚合物薄膜(图2)被提供在元件的侧面，并且被硬化。所述聚合物薄膜可以通过商业上可得到的着色仪器，在半导体框架的制造过程中被提供。聚酰亚胺是尤为合适的，因为其交联后具有很好的机械和热稳定性。在对粘接剂(第一层)进行合适的预处理后，通过一种以后容易被除去(图3，4)的粘接剂将一个载体盘(图3)固定在覆盖着聚酰亚胺的晶片上。合适的是，例如，经热或紫外(UV)照射而硬化的丙烯酸脂或环氧胶。载体盘(例如玻璃)提供了充足的刚性，使得在后续硅基片去除到一个薄的残留层及其进一步的处理中能够利用半导体制造中的常用机器。载体盘在以后的阶段被再次除去，并且可以被再利用，对于最终产品来说，粘接剂也没用意义。
现在，通过机械抛光和/或湿的化学蚀刻，支撑元件的晶片中的硅从后侧被除去，以降至一个预期的厚度(典型的厚度是0.2至20μ)，一个合适的蚀刻停止层(图4，5)，例如SOI晶片的被掩盖的氧化物或硅晶片内一个浓厚的掺杂层，用于控制硅的去除。
一个单晶硅薄层保留下来，它包括布线层和钝化层和通过粘接层连接到载体晶片的聚酰亚胺层。
留在包括所有电路元件的载体晶片上的层在其蚀刻后表面上被覆盖额外的钝化层(例如等离子体氮化物或BCB)，并且被提供接触孔以用于后续的电接触。在该侧面上，通过半导体制造中的通常工序也可能提供进一步的敷金属层，所以，后续的集成电路在其上部的和下部的侧面具有一个或几个布线平面。
载体晶片然后被去除(图6)。该去除可以是一种纯机械分离，因为具有集成电路的聚酰亚胺薄片(Kapton)被剥离载体晶片，或通过化学方式被分离。
集成单片电路在一个薄的、柔性的(如果这样预期)和透明的、充当载体晶片的薄片上部和下部拥有布线和钝化层。该方法不限于SOI晶片，并且可以用于在半导体制造工艺中所有的传统的半导体晶片。
在一个有利的变更中，另一具有集成单片电路元件的硅晶片被附着在第一硅晶片上以代替图3中的载体盘2。代替临时的粘胶剂，粘胶剂被使用在被计划成永久的情况下。如图4中所示，第一硅晶片的基片被去除，例如通过CMP(＝化学机械磨光)，也是在这样的情况下，以相同的方式，第二硅晶片的基片被去除，这样变更的结果，在图中没有显示，是一个柔性包覆层，例如两侧覆盖了柔性电路元件的聚酰亚胺。
所描述的方法对于个别的集成电路(ICs)是不实用的，但是区别于和优于目前已知方法的是晶片剥离工序。
个别的集成电路可以通过从薄片切削或在后续的再粘贴工艺中被迅速获得。

Claims (13)

1.一种柔性集成单片电路，它基本上由柔性电路元件、柔性电路元件间的连接元件和由至少一层含有一种聚合物的材料层组成的柔性包覆层而构成的。
2.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述聚合物选自聚酰亚胺、聚碳酸酯、碳氟化合物、聚砜(polysulphon)、环氧化物、苯酚、三聚氰胺、聚酯和硅氧烷树脂或它们的共聚物的组群。
3.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述聚合物选自聚酰亚胺树脂的组群。
4.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述包覆材料包括一加固材料。
5.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述包覆材料包括一导热填充材料。
6.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述包覆材料包括一导电填充材料。
7.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述包覆材料包括一颜料。
8.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述包覆层包括一区域板。
9.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述包覆层包括一个在柔性集成单片电路第一表面上的第一层和第二表面上的第二层。
10.如权利要求1中的柔性集成单片电路，其特征在于上述柔性包覆层在其互相相对的两个主表面上装备有电路元件。
11.一种制造柔性集成单片电路的方法，其中，集成单片电路元件和连接元件被形成在半导体基片的内部或上部，带有背向半导体基片的集成电路元件的主表面被用聚合物树脂包覆，并且半导体基片被去除。
12.一种制造如权利要求10中的柔性集成单片电路的方法，其特征在于位于电路元件对面的包覆层的其他主表面也以相同的方式装备有进一步的电路元件。
13.如权利要求11或12中的柔性集成单片电路的制造方法，其特征在于上述包覆层包括一在旋转包覆工艺中提供的聚合物。
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