УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В АНТЕННЫХ СБОРКАХ ИЛИ ОТНОСЯЩИЕСЯ К АНТЕННЫМ СБОРКАМ
IMPROVEMENTS IN ANTENNA ASSEMBLIES OR RELATED TO ANTENNA ASSEMBLIES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к усовершенствованиям в антенных сборках или относящимся к ним и, в частности, касается монолитно интегрированных антенн.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны тонкопленочные беспроводные ID-метки, которые работают на частотах ниже 1 ГГц, например, в радиочастотных идентификационных метках (RFID), в связи ближнего поля (NFC), в емкостной идентификации (CAPID). Такие беспроводные ID-метки обычно содержат два субкомпонента, а именно чип или интегральную схему и антенну. Чип отвечает за электронную функциональность, такую как: согласование с антенной, выпрямление входной волны переменного тока в питание постоянного тока, хранение памяти метки, считывание входящих сигналов от считывающего устройства, передача исходящих сигналов считывающему устройству. Антенна отвечает за преобразование этих сигналов в электромагнитные волны и отправку их считывающему устройству.
2
2
Чипы и антенны изготавливаются отдельно с использованием различных технологий и собираются вместе в процессе сборки метки. Типичным форматом подготовки для чипов является нарезанная на кристаллы пластина на временном носителе, поскольку размер чипа небольшой, обычно менее 1 мм. Типичный формат подготовки для антенн - это компоненты антенны, приклеенные к временному носителю (обычно рулон на бумажной основе), и размер антенны является большим, обычно более нескольких см. Этап сборки с перекладыванием (захватом) и монтажом используется для соединения чипа и антенны.
Сборка с перекладыванием и монтажом является относительно сложным процессом и имеет несколько ограничений:
Ограниченная пропускная способность: пропускная способность процесса сборки обратно пропорциональна общему времени, необходимому для сборки одной метки. Время, в свою очередь, определяется суммой времен подэтапов и может составлять до нескольких секунд. Это является ограничением для производителей. Более того, любые задержки или сбои могут привести к нарушению процесса и еще более ограничить пропускную способность.
Ограниченный выход продукта: выход продукта зависит от пропускной способности и реализации подэтапов. Как общее правило №1 - более высокая пропускная способность (более быстрый процесс) приводит к снижению точности процесса и, следовательно, к снижению выхода продукта. Неработающие устройства выбрасываются из производства или просто теряются. Ограниченный выход продукта увеличивает стоимость метки, и это является проблемой для производителей.
Тестирование и контроль качества: любые неисправные метки должны быть удалены из завершающей подготовки. Это требует промежуточного тестирования и контроля качества. Необходимо выполнить по меньшей мере два разных этапа контроля качества для: (i) тестирования отдельных чипов и антенн перед сборкой; и для (ii) проверки готовой метки после сборки.
Наконец, процесс сборки требует современных материалов и оборудования, что влечет за собой дополнительные производственные затраты.
Полупроводниковое устройство, в котором антенна формируется как единое целое с интегральной схемой, описано в WO-A-2005/088704. Антенна формируется как единое целое со слоем компонента транзистора на подложке, причем электронные компоненты в слое компонента транзистора выполнены с возможностью соединяться с антенным элементом. Такое полупроводниковое устройство имеет улучшенную механическую прочность, но требует наличия изоляционного слоя, содержащего мелкие частицы магнитно-мягкого материала поверх антенны, чтобы уменьшить подавление генерации вихревых токов в проводящих проводах, образующих антенну, для увеличения взаимной индуктивности антенны, а также изолирующий промежуточный слой между изолирующим слоем и слоем компонента транзистора.
Однако добавление изолирующего слоя с мелкими частицами магнитно-мягкого материала и изолирующего промежуточного слоя требует по меньшей мере двух дополнительных этапов в процессе изготовления, что делает его более сложным, чем это необходимо, с более длительным временем изготовления. Более того, мелкие частицы магнитно-мягкого материала являются нестандартными материалами для изготовления тонкопленочных транзисторов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому целью настоящего изобретения является предложить монолитно интегрированное антенное устройство, в котором никакой сборки компонентов не потребуется.
Другой целью настоящего изобретения является предложить беспроводную метку, содержащую монолитно интегрированное антенное устройство.
Еще одной целью настоящего изобретения является предложить антенное устройство, содержащее чип и антенную структуру, в которой размер подложки для чипа такой же или больше, чем у антенной структуры.
Еще одной целью настоящего изобретения является предложить монолитно интегрированное антенное устройство, в котором не требуется никаких дополнительных слоев нестандартных материалов для обеспечения экранирования от электромагнитной помехи.
В соответствии с настоящим раскрытием предлагается монолитно интегрированное антенное устройство, содержащее: подложку, имеющую первую поверхность и вторую поверхность; слой компонента транзистора, содержащий по меньшей мере один электронный компонент в нем; и по меньшей мере одну антенную структуру, сформированную на одном из: на подложке и на слое компонента транзистора, при этом антенная структура выполнена с возможностью работать в частотном диапазоне от 30 кГц до 2,4 ГГц; при этом подложка выполняется так, чтобы иметь размер, который является таким же или большим, чем по меньшей мере одна антенная структура; отличающееся тем, что по меньшей мере один электронный компонент в слое компонента транзистора выполнен с возможностью быть экранированным от электромагнитной помехи.
Такое монолитно интегрированное антенное устройство имеет то преимущество, что все компоненты могут быть сформированы на одной подложке. Кроме того, благодаря конфигурированию по меньшей мере одного электронного компонента на слое компонента транзистора, который должен быть экранирован от электромагнитных помех, электромагнитное излучение не создает помехи в слое компонента транзистора данного устройства, и нет необходимости включать дополнительные нестандартные материалы.
В то время как современные технологии ID-меток приводят электронику или размер чипа к меньшим и меньшим размерам, то посредством значительного увеличения площади чипа, можно создать монолитную антенну с частотой ниже 1 ГГц непосредственно «на чипе». Это полностью исключает необходимость процесса сборки. В этом контексте монолитная интеграция означает, что и чип, и антенна изготавливаются на одной и той же подложке либо в одном, либо в последовательных процессах.
В варианте осуществления слой компонента транзистора может быть сформирован бок о бок по меньшей мере с одной антенной структурой на первой поверхности подложки. Такой вариант осуществления может использоваться как для емкостных, так и для индуктивных антенных структур.
В варианте осуществления по меньшей мере одна антенная структура формируется в виде пакета со слоем компонента транзистора и подложкой. Такой вариант осуществления может использоваться как для емкостных, так и для индуктивных антенных структур.
Антенные структуры могут быть сформированы одним из следующих способов: физическое осаждение из паровой фазы, гальваническое покрытие и печать.
В варианте осуществления по меньшей мере одна антенная структура содержит первую антенную структуру, и слой компонента транзистора сформирован на первой поверхности подложки, при этом первая антенная структура сформирована поверх по меньшей мере одного промежуточного слоя, сформированного на слое компонента транзистора.
В варианте осуществления устройство дополнительно содержит экранирующий слой, и по меньшей мере один промежуточный слой содержит первый промежуточный слой и второй промежуточный слой, разделенные экранирующим слоем.
Это имеет то преимущество, что антенна или электрод может быть экранирован от электромагнитной помехи.
В варианте осуществления первая антенная структура выполнена с возможностью простираться поверх по меньшей мере одного электронного компонента в слое компонента транзистора так, чтобы обеспечивать его экранирование.
В варианте осуществления вторая антенная структура может быть сформирована на второй поверхности подложки.
В таком варианте осуществления каждая антенная структура может работать на разных частотах в одном устройстве. Например, антенные структуры могут работать на разных частотах в диапазоне от 30 кГц до 2,4 ГГц, описанном выше. Они могут предпочтительно работать в диапазоне от 30 кГц до 300 МГц.
В варианте осуществления по меньшей мере одна антенная структура содержит первую антенную структуру, сформированную на первой поверхности подложки, и слой компонента транзистора сформирован поверх первой антенной структуры.
По меньшей мере один промежуточный слой может быть предусмотрен между первой антенной структурой и слоем компонента транзистора.
Наличие такого промежуточного слоя имеет то преимущество, что оно обеспечивает как развязку компонентов внутри структуры, так и планаризацию для подготовки к следующему этапу нанесения.
В варианте осуществления слой металла может быть выполнен с возможностью простираться поверх по меньшей мере одного электронного компонента в слое компонента транзистора так, чтобы обеспечивать его экранирование.
Экранирующий слой также может быть предусмотрен по меньшей мере в одном промежуточном слое, что разделяет его на первый и второй промежуточные слои.
Такой экранирующий слой электрически развязывает компоненты в слое компонента транзистора от антенной структуры.
В варианте осуществления слой компонента транзистора может быть сформирован на первой стороне подложки, и по меньшей мере одна антенная структура формируется на второй стороне подложки. По меньшей мере один промежуточный слой может быть расположен между по меньшей мере одной антенной структурой и второй поверхностью подложки. Экранирующий слой также может быть расположен внутри по меньшей мере одного промежуточного слоя.
В варианте осуществления элементы трассировки могут простираться через по меньшей мере один дополнительный слой для соединения со слоем компонента транзистора. Такие элементы трассировки могут быть выполнены с возможностью простираться поверх по меньшей мере одного электронного компонента в слое компонента транзистора так, чтобы обеспечивать его экранирование.
В варианте осуществления по меньшей мере одна антенная структура может содержать по меньшей мере два уложенных в виде пакета слоя металла, сформированных на подложке. Антенная структура может быть сформирована из трех уложенных в виде пакета слоев металла. Здесь антенная структура формируется бок о бок со слоем компонента транзистора.
Может быть предусмотрен слой металла, который выполнен с возможностью простираться поверх по меньшей мере одного электронного компонента в слое компонента транзистора так, чтобы обеспечивать его экранирование.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается антенное устройство, как описано выше, выполненное как дипольное антенное устройство и имеющее диапазон рабочих частот до 2,4 ГГц.
В соответствии с другим аспектом настоящего раскрытия предлагается беспроводная метка, содержащая монолитно интегрированное антенное устройство, как описано выше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего раскрытия, в качестве примера, будет сделана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует вид сверху обычной беспроводной ID-метки;
Фиг. 2а и 2b соответственно иллюстрируют обычный чип и субкомпоненты антенны для сборки ID-метки;
Фиг. 3 иллюстрирует схемы обычного процесса сборки (процесс перекладывания и монтажа);
Фиг. 4а и 4b соответственно схематически иллюстрируют обычный процесс сборки и монолитный процесс в соответствии с настоящим изобретением;
На фиг. 5а-5f иллюстрируются виды в поперечном сечении различных реализаций монолитной метки в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 6а и 6b иллюстрируют соответственно расположения индуктивной и емкостной антенн в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 6с иллюстрирует расположение дипольной антенны в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 7-12 иллюстрируют виды в поперечном сечении по вариантам осуществления, соответствующим настоящему изобретению;
Фиг. 13а и 13b соответственно иллюстрируют виды в поперечном сечении различных реализаций монолитной метки с интеграцией «бок о бок» тонкопленочного транзисторного компонента с антенной структурой в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 14 аналогична фиг. 8, но предусматривает экранирование для компонентов;
Фиг. 15-17 аналогичны соответствующим фиг. 10-12, но предусматривают дополнительное экранирование для компонентов; и
Фиг. 18а и 18b аналогичны соответствующим фиг. 13а и 13b, но предусматривают дополнительное экранирование для компонентов.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет описано в отношении конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на определенные чертежи, но изобретение не ограничивается ими. Описанные чертежи являются только схематическими и не являются ограничивающими. На чертежах размер некоторых элементов может быть преувеличен и не показан в масштабе в иллюстративных целях.
Аббревиатуры и сокращения, используемые здесь, включают:
«диэлектрики с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости» относятся к диэлектрикам, имеющим значения коэффициента диэлектрической проницаемости в диапазоне от 2 до 5;
DD
«V» обозначает напряжение питания;
«IC» обозначает интегральную схему или чип;
«TFT» обозначает тонкопленочный транзистор, называемый «компонентом TFT», «слоем компонента TFT» или просто «TFT» в последующем раскрытии;
«SAL TFT» обозначает самосовмещенный TFT;
«TFIC» обозначает тонкопленочночную интегральную схему, называемую «компонентом TFIC» или просто «TFIC»;
«RFID» обозначает радиочастотную идентификацию;
«CAPID» обозначает емкостную идентификацию;
«MIM» обозначает металл-изолятор-металл, используемый в конденсаторах;
«PVD» обозначает физическое осаждение из паровой фазы и описывает множество процессов вакуумного осаждения, таких как распыление, электронный луч, лазерная абляция и испарение, когда материал переходит из конденсированной фазы в паровую фазу, а затем обратно к конденсированной фазе тонкой пленки; металлы и оксиды металлов могут быть использованы для нанесения, и «DC-PVD» обозначает процесс PVD, в котором на мишень подается питание постоянного тока;
«PECVD» обозначает плазмо-химическое осаждение из паровой фазы (CVD), в котором тонкие пленки наносятся на подложку в твердом состоянии, начиная с газообразного состояния (пар);
«подложка TFIC» обозначает подложку для электроники или чипа в компоненте TFT; также описывается как «гибкая подложка» или просто «подложка» - подложка, имеющая размер, который является таким же или большим, чем антенный компонент, сформированный на ней, и на которой выполняются все этапы обработки для формирования интегрированной антенной структуры настоящего изобретения;
«суб 1 ГГц» обозначает диапазон рабочих частот для монолитного интегрированного антенного устройства в соответствии с настоящим раскрытием и составляет от 30 кГц до 1 ГГц, предпочтительно от 30 кГц до 300 МГц;
«монолитно интегрированная антенная структура», «монолитно интегрированное антенное устройство» или «монолитно интегрированное устройство» обозначает антенную структуру в соответствии с настоящим изобретением, в которой все этапы обработки выполняются на одной и той же подложке; и
«коэффициент добротности» обозначает меру измерения полосы пропускания антенны относительно центральной частоты полосы пропускания; антенны с высоким Q являются узкополосными, а антенны с низким Q - широкополосными - антенная структура в соответствии с настоящим изобретением является узкополосной.
2
2
Фиг. 1 иллюстрирует обычную беспроводную ID-метку 10, показывает интегральную схему (IC) или чип 12 и антенную катушку 14. Как можно видеть, размеры чипа 12 и антенны 14 значительно различаются. Как описано выше, чип и антенна предусматриваются как отдельные компоненты для процесса сборки метки, причем чип имеет размер, как правило, менее 1 мм, а антенна имеет размер несколько см.
Фиг. 2a и 2b иллюстрируют чип и субкомпоненты антенны, используемые в процессе сборки метки. Как правило, предусматривается множество чипов на временном пластинчатом носителе (фиг. 2а), и предусматривается множество антенн на временном бумажном или пленочном носителе (фиг. 2b). Фактически, чип (чипы) может быть выполнен в виде неразрезанной пластины на адгезивном слое, сформированном на слое носителя, где вырезание чипов из пластины выполняется непосредственно перед процессом перекладывания (захвата) и монтажа.
Фиг. 3 иллюстрирует схемы обычной системы 20 перекладывания и монтажа для сборки чипа IC и субкомпонентов антенны. Пластина 22 имеет множество чипов 24, установленных на ленте 26 носителя посредством клеевого слоя 28. Алмазный резак 30 используется для отделения чипов 24 на пластине 22 до их отбора и монтажа в позицию относительно антенны 42, формирующей часть RFID-метки 40, однажды отделенной от ее листа-подложки 44. Головка для перекладывания 32 робота (не показан) используется для отбора конкретного отделенного чипа 50 из пластины 22 с помощью системы 34 эжектора, и с применением вакуума, как указано стрелками «А». Система 34 эжектора содержит колпачок 36 эжектора и иглу 38 инжектора, которая взаимодействует с головкой 32 для перекладывания, чтобы переместить выбранный чип 50 с пластины 22. После того, как отобранный чип 50 был схвачен, головка 32 для перекладывания поворачивается на 180° в направлении стрелки «B», так что чип 50 теперь находится на вершине головки 32 для перекладывания, как показано. Установочная головка 33 робота (также не показан) берет чип 50 с головки 32 для перекладывания и размещает его в правильной локации на RFID-метке 40, как показано.
2
В соответствии с настоящим раскрытием изобретения описывается новая беспроводная ID-метка, в которой подложка для чипа имеет такой же размер или больше, чем размер антенны. Это нечто, идущее вразрез тому, что в настоящее время делается в данной области, поскольку чипы имеют тенденцию иметь все меньшие и меньшие размеры. Площадь чипа устройства в соответствии с настоящим раскрытием может составлять 10 мм или больше, что позволяет создавать монолитную антенну с частотами ниже 1ГГц непосредственно «на чипе», как будет описано ниже.
Фиг. 4а иллюстрирует обычную сборку 60 беспроводной метки, где TFIC-компонент (не показан) формируется на TFIC-подложке 62, а антенный компонент 64 формируется на антенной подложке 66. TFIC-подложка 62 приклеивается к антенной подложке 66, чтобы сформировать электрические соединения 68a, 68b между TFIC-компонентом и антенным компонентом 64. Соединения 68a, 68b предназначаются для электрического соединения TFIC-компонента с антенным компонентом и содержат контактные площадки для чипа, предусмотренные на TFIC-компоненте, вместе с соответствующими контактными площадками на антенной подложке 66.
В отличие от этого на фиг. 4b показывается монолитно интегрированное устройство 70 согласно настоящему раскрытию, в котором TFIC-компонент 72 и антенный компонент 74 изготовляются на одной и той же подложке как один компонент. Фактически, антенный компонент 74 формируется на TFIC-компоненте 72 с соединениями 76a, 76b, предназначенными для соединения TFIC-компонента с антенным компонентом.
Новая конструкция чипа для монолитно интегрированного устройства в соответствии с одним аспектом настоящего раскрытия описывается со ссылкой на фиг. 5a-5f, в которой интегрированная антенна формируется за счет дополнительных проводящих структур с конструкцией чипа. Как показано на фиг. 5а-5f, слои монолитно интегрированного устройства показаны, но компоненты внутри каждого слоя не показаны.
Дополнительные проводящие структуры могут быть интегрированы в различные варианты осуществления относительно электроники чипа (то есть слоя тонкопленочного транзистора (TFT-компонента или TFT)):
Бок о бок с электроникой чипа на TFIC-подложке (как показано на фиг. 5а);
Поверх электроники чипа на TFIC-подложке (как показано на фиг. 5b);
Ниже электроники чипа на TFIC-подложке (как показано на фиг. 5с);
Ниже и поверх электроники чипа на TFIC-подложке (как показано на фиг. 5d);
Ниже подложки чипа, то есть на противоположной стороне TFIC-подложки относительно слоя TFT-компонента (как показано на фиг. 5e); и
Ниже подложки чипа и поверх электроники чипа на TFIC-подложке (как показано на фиг. 5f).
Фиг. 5a иллюстрирует первый вариант осуществления монолитно интегрированного устройства 100a согласно настоящему раскрытию, которое содержит TFIC-подложку 110, на которой TFT-компонент 120 формируется бок о бок с антенной структурой 130. Тип антенны и ее формирование более подробно описывается ниже.
Фиг. 5b иллюстрирует второй вариант осуществления монолитно интегрированного устройства 100b согласно настоящему раскрытию, которое содержит TFIC-подложку 110, на которой формируется TFT-компонент 120. Антенная структура 130 сформирована поверх TFT-компонента 120, но отделяется от него промежуточным слоем 140.
Фиг. 5с иллюстрирует третий вариант осуществления монолитно интегрированного устройства 100С согласно настоящему раскрытию, которое содержит TFIC-подложку 110, на которой формируется компонент 130 антенны. TFT-компонент 120 формируется поверх антенной структуры 130, но отделяется от нее промежуточным слоем 140.
Фиг. 5d иллюстрирует четвертый вариант осуществления монолитно интегрированного устройства 100d согласно настоящему раскрытию, которое содержит TFIC-подложку 110, на которой формируется первая антенная структура 130. TFT-компонент 120 формируется поверх первой антенной структуры 130. Вторая антенная структура 130 сформирована поверх TFT-компонента 120, но отделяется от него промежуточным слоем 140.
Фиг. 5e иллюстрирует пятый вариант осуществления монолитно интегрированного устройства 100e согласно настоящему раскрытию, которое содержит TFIC-подложку 110, на которой формируется TFT-компонент 120 с антенной структурой 130, сформированной на стороне TFIC-подложки противоположной той стороне, где сформирован TFT-компонент 120. Хотя это и не показано, но между антенной структурой 130 и TFIC-подложкой 110 может быть предусмотрен промежуточный слой.
Фиг. 5f иллюстрирует шестой вариант осуществления монолитно интегрированного устройства 100f согласно настоящему раскрытию, которое содержит TFIC-подложку 110, поверх которой формируется TFT-компонент 120 с антенной структурой 130, сформированной на стороне TFIC-подложки, противоположной той стороне, где сформирован TFT-компонент 120. Вторая антенная структура 130 сформирована поверх TFT-компонента 120, но отделяется от него промежуточным слоем 140. Хотя это и не показано, но промежуточный слой может быть предусмотрен между второй антенной структурой 130' и TFIC-подложкой 110.
В каждом варианте осуществления дополнительные проводящие структуры могут формировать емкостные или индуктивные антенны.
Для индуктивных антенн интегрированные антенные структуры представляют собой проводящие структуры, выполненные таким образом, что изменение тока через один провод проводящей структуры (например, антенной структуры считывающего устройства) индуцирует напряжение на концах провода другой проводящей структуры (например, антенной структуры метки) посредством электромагнитной индукции и наоборот. Величина индуктивной связи между двумя проводниками измеряется их взаимной индуктивностью. Связь между двумя проводами может быть увеличена путем намотки их на катушки и размещения их близко друг к другу на общей оси так, чтобы магнитное поле одной катушки проходило через другую катушку. Антенная структура (или катушка) формирует электрическое соединение с электроникой чипа, как показано на фиг. 6а.
На фиг. 6а показывается индуктивная антенная структура 200, которая содержит индуктивную катушку 210, сформированную на TFIC-компоненте 220 с электрическими соединениями 230a, 230b, соединенными с электроникой в TFIC-компоненте 220.
Для емкостных антенн интегрированные антенные структуры представляют собой проводящие структуры, сконфигурированные таким образом, что изменение электрического поля между структурами индуцирует токи смещения внутри структур. Антенная структура (пластины) формирует электрическое соединение с электроникой чипа 20 (фиг. 6b).
На фиг. 6b показывается емкостная антенная структура 250, которая содержит первую и вторую пластины 260a, 260b, сформированные на TFIC-компоненте 270 с электрическими соединениями 280a, 280b, соединяющими соответствующие соединения первой и второй пластин 260a, 260b с электроникой в TFIC-компоненте 270.
Каждая из индуктивной антенной структуры 200 и емкостной антенной структуры 250, показанная на соответствующих фиг. 6а и 6b, выполняется так, чтобы работать в частотном диапазоне от 30 кГц до 1 ГГц.
Каждый вариант осуществления согласно настоящему раскрытию описывается более подробно ниже.
В конфигурации «бок о бок», показанной на фиг. 5а, TFT-компонент и антенная структура изготавливаются бок о бок непосредственно на TFIC-подложке. Возможны как индуктивные, так и емкостные антенны.
Емкостные антенны могут быть сформированы путем физического осаждения из паровой фазы (PVD) или печати. Индуктивные антенны также могут быть сформированы как путем печати, так и нанесением покрытия. Как для емкостных, так и для индуктивных антенн предлагаются TFIC с низким энергопотреблением, а для индуктивных антенн могут использоваться слои с высокой проводимостью, как описывается ниже.
Как описано выше, имеются проблемы с проводимостью металла антенны. Фактически, для индуктивной антенны проводимость должна быть высокой, что приводит к большому коэффициенту добротности в диапазоне от 5 до 30.
Для обычных металлов, нанесенных посредством технологии PVD, таких как молибден, молибден-хром, медь, золото и алюминий, необходимы толщины слоев, превышающие диапазон мкм. Такие толстые металлы редки в производстве TFIC. Гораздо более тонкие слои используются в пакете TFT от 50 до 250 нм. Поэтому требуется приспособить пакет TFT, чтобы он соответствовал требованиям проводимости монолитных индуктивных антенн, что включает в себя процесс интеграции для более толстых металлов, то есть толщиной более 1 мкм; замена материала на металлы с более высокой проводимостью, например, алюминий, медь или мультиметаллические структуры, такие как MoCr/Al/MoCr, Mo/Al/Mo и Ti/Al/Ti).
Возвращаясь теперь к фиг. 5b, где антенная структура 130 располагается поверх TFIC-подложки 110, возможны как индуктивная, так и емкостная конфигурации. Антенные структуры предпочтительно формируются путем печати или нанесения покрытия - для индуктивных конфигураций, и путем PVD или печати - для емкостных конфигураций. По сравнению с конфигурацией «бок о бок», показанной на фиг. 5а, необходимо учитывать дополнительные соображения, когда антенная структура располагается поверх или ниже подложки RFIC. В случае емкостной конфигурации следует избегать нежелательной паразитной емкостной связи между антенной и TFIC-компонентами.
С антенной структурой наверху TFT-компонента, как показано на фиг 5b, может быть большая паразитная связь между электродами антенной структуры и металлами TFT-компонента. Это может быть смягчено путем использования более толстого диэлектрического слоя (промежуточного слоя 3), как показано на фиг. 8, для развязки антенной структуры от TFIC-компонента. Емкостная связь между антенной структурой (антенной метки) и TFT-компонентом предпочтительно по меньшей мере в 100 раз меньшая емкостной связи между меткой (антенна метки) и считывающим устройством (антенна считывающего устройства). Например, когда емкостная связь между антенной метки и антенной считывающего устройства составляет порядка 20 пФ, емкостная связь между антенной метки и TFT-компонентом предпочтительно меньше 0,2 пФ. Это соответствует толщине промежуточного слоя в диапазоне от 2 до 50 мкм при использовании диэлектриков с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости, который значительно толще, чем обычные диэлектрические слои технологии TFT.
Фиг. 6с иллюстрирует дипольную антенну 300, в которой два диполя 310, 320 формируются на подложке 330. Такое устройство дипольной антенны эффективно имеет такую же архитектуру, как показано поперечными сечениями, как описано в отношении фиг.7-12, 13а, 13b, 14-17, 18a и 18b ниже. Как правило, такая дипольная антенна может увеличить рабочий диапазон до 2,4 ГГц, то есть выше уровня суб-ГГц.
2
x
x
x
x
Поперечное сечение металлооксидной TFT-архитектуры 400 показывается на фиг. 7. Показывается технология транзистора с тремя слоями металла, использующая Индий-Галлий-Цинк-Оксид (IGZO) в качестве полупроводника 420 n-типа, и транзистор представляет собой «так называемую» самосовмещенную архитектуру, подразумевающую сток-исток неперекрывающийся с контактами затвора, что снижает паразитную емкость. Для варианта осуществления, показанного на фиг. 7, TFIC-подложка 410 формирует собой основу для архитектуры 400. После этого IGZO распыляется посредством технологии DC-PVD, за которой следует этап определения активной области полупроводника. На следующем этапе с помощью технологии PECVD, в качестве диэлектрика затвора при температуре нанесения 250°С, слоем в 100 нм или 50 нм наносится диоксид кремния (SiO). После этого, в качестве металла затвора, слоем в 100 нм наносится молибден (Мо). Пакет затвор/диэлектрик структурируется на том же этапе. Затем, с помощью технологии CVD при длине волны 400 нм, наносится SiN (но в качестве альтернативы можно использовать любой другой подходящий диэлектрик для развязки). SiN, нанесенный по технологии CVD, выполняет двойное назначение - интерметаллического диэлектрика и легирования IGZO водородом в областях, не покрываемых пакетом затвор/диэлектрик. Эти этапы формируют слой 430.
Контактные отверстия для контактов «сток-исток» (SD) открываются сухим травлением, и Мо, слоем в 100 нм, наносится и структурируется для определения контактов SD, указанных как «Металл 2» и обозначенных как 440 на фиг. 7.
Подложка 410, слой 430 с его полупроводниковым компонентом 420, контактные отверстия для металла SD или контактов («Металл 2») 440 формируют пакет TFT на подложке 410.
На фиг. 8 пакет TFT, изображенный на фиг. 7 был инкапсулирован с использованием диэлектрического материала, чтобы сформировать «промежуточный слой 3», как показано слоем 450. Слой 450 диэлектрического материала может содержать фотохимически сшиваемые полимеры, но могут быть использованы другие подходящие материалы с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Третий слой («Металл 3») металла из молибден-хрома (MoCr) толщиной 100 нм, указанный как 460, был нанесен сверху и структурирован в виде антенны 460. Все этапы процесса объединения компонентов остаются ниже температурного предела 300°С. Завершенная TFT-архитектура 400' имеет толщину 35 мкм.
Большая паразитная связь между электродами и металлами TFT-компонента также может быть уменьшена путем обеспечения дополнительного экранирования для развязки антенной структуры от TFIC-компонента. Это требует размещения изолированной металлической пластины между TFIC-компонентом и антенной структурой. Это может быть достигнуто путем идентификации и экранирования компонентов, вызывающих наибольшую паразитную емкость, или путем экранирования всего TFIC-компонента с использованием непрерывного экранирующего слоя, как показано на фиг. 9. Это экранирование также может использоваться для уменьшения электромагнитных помех на электронных компонентах.
На фиг. 9 показывается металл-оксидная TFT-архитектура 500, которая аналогична архитектуре, показанной на фиг. 5с. Компоненты, которые были ранее описаны со ссылкой на фиг. 7 и 8, имеют одинаковые позиционные обозначения.
В варианте осуществления согласно фиг. 9, экранирующий слой 510 размещается поверх слоя 450 TFT-архитектуры 400', как описано выше со ссылкой на фиг. 8, и затем инкапсулируется с использованием дополнительного слоя 520 («промежуточный слой 4») диэлектрического материала. Дополнительный слой 520 диэлектрического материала может содержать фотохимически сшиваемые полимеры, но могут быть использованы другие подходящие материалы с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Слой 530 («Электрод М4») электродов формируется поверх слоя 520 аналогично слою 450 электродов, как описано выше со ссылкой на фиг. 8.
AB
CAPID
AB
CAPID
Экранирующий слой 510 может быть подключен либо к источнику питания, либо к земле. Кроме того, чтобы обеспечить лучшую развязку, конденсатор, имеющий значение в диапазоне 1пФ<C<C/2, может быть включен в реализацию, показанную на фиг. 9, и подключен к узлам A и B соединения TFT-компонента, и где C соответствует емкости конденсатора в узлах A и B, а C соответствует емкостной связи между меткой (антенной метки) и считывающим устройством (антенной считывающего устройства).
Перекрытие TFIC-компонента и антенной структуры может быть минимизировано, чтобы уменьшить нежелательную связь, например, может быть выполнена идентификация и перепроектирование компонентов с наибольшей паразитной связью. Например, длинные линии металлов могут быть сделаны более узкими и более короткими, где это возможно, без ущерба для электрических свойств (то есть проводимости).
Там, где антенная структура изготавливается ниже TFIC-компонента, как показано на фиг. 10, возможны как индуктивные, так и емкостные антенны. Для емкостных антенн предпочтительным способом изготовления является использование технологии PVD, а для индуктивных антенн предпочтительным способом изготовления является печать. Однако в дополнение к проблемам, описанным выше, как емкостные, так и индуктивные антенны, как правило, имеют неплоскую поверхность, обращенную к TFT-компоненту. Предусматривается слой планаризации, и для развязки металлов используются толстые интерметаллические диэлектрики.
Для емкостных антенн слой металла, нанесенный с помощью технологии PVD, используется для формирования пластины антенны под чипом. В конкретном случае TFT-архитектуры с двумя затворами это металл, нанесенный с помощью технологии PVD, который может быть таким же, как слой электродов заднего затвора.
Дипольные антенны также возможны с использованием TFIC-компонента, как показано на фиг. 10, и такие антенны могут быть изготовлены так же, как индуктивные и емкостные антенны.
Толщина антенной структуры является важной, особенно для индуктивной реализации, где требования проводимости диктуют необходимость в более толстом слое. Любой слой толщиной более 200 нм приведет к неплоской поверхности, запрещенной для последующего изготовления TFT. Для борьбы с непланарностью может быть добавлен слой планаризации между антенной структурой и TFT-компонентом (не показан). Материал, из которого изготавливается слой планаризации, должен выдерживать температуры, создаваемые TFT-компонентами (обычно до 400°С), а также химию фотолитографии в последующем процессе.
Для уменьшения паразитной связи могут быть реализованы два варианта, а именно: добавление экранирующего слоя между антенной структурой и TFIC-компонентом, как показано на фиг. 10; и использование металлов в более высоком слое для трассировки чипа, как показано на фиг. 11.
2
Обращаясь к архитектуре 600 на фиг. 10, TFIC-подложка 410 аналогична описанной выше со ссылкой на фиг. 7-9. Слой металла (MoCr) толщиной 100 нм наносится и структурируется для формирования электрода или антенны 610 («Электрод M00»). Слой 620 диэлектрика из Si0 («Промежуточный слой 00») наносится для развязки антенны 610. Экранирующий слой 630 («Экран М0») формируется на слое 620 диэлектрика и инкапсулируется слоем 640 («Промежуточный слой 0») диэлектрика. Слой 650, включающий в себя полупроводник 660, формируется на слое 640 диэлектрика способом, подобным тому, который описан выше с отсылкой к слою 430 на фиг. 7-9. Металл SD или контакты 670 («SD M2») формируется поверх слоя 650 как показано. Опять же, температурный предел 300°C не превышается.
Фиг. 11 иллюстрирует архитектуру 700, содержащую TFIC-подложку 410, электрод или антенну 610 («Электрод M00») и слой 620 («Промежуточный слой 0») диэлектрика согласно фиг. 9. В этом варианте осуществления слой 710 с его полупроводником 720 формируется способом, аналогичным слою 430, как описано выше со ссылкой на фиг. 7. Слой 730 диэлектрика, сформированный поверх слоя 710, имеет трассировку («Трассировка M3»), предусмотренную для соединений через промежуточный слой 740 к трассировочному металлу или элементам 750 («Трассировка M4»). Опять же, температурный предел 300°C не превышается.
Наконец, использование уровня планаризации в качестве слоя развязки может быть реализовано, как показано на фиг. 12. Фиг. 12 иллюстрирует архитектуру 800, которая аналогична архитектуре 600 на фиг. 10, но без экранирующего слоя 630. Слой 810 («Промежуточный слой 0») диэлектрика выполняет две функции, а именно функцию планаризации и развязки, и содержит очень толстый слой диэлектрика, например, фотохимически сшиваемые полимеры, но могут использоваться другие подходящие материалы с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Такой слой можно считать аналогичным слоям 620 и 640 на фиг. 10, которые были объединены в один слой.
Как показано на фиг. 5d и 5f, две антенны 130, 130' интегрированы в один и тот же TFIC-компонент 110 и реализуют TFIC-метку с двумя антеннами, где каждая антенна выполняет отдельные и свойственные им функции. Фиг. 5f фактически является версией с двумя антеннами, изображенной на фиг. 5е, а версия по фиг. 5d аналогична версии по фиг. 5с, но образует ее версию с двумя антеннами.
В соответствии с настоящим раскрытием существует три способа, которые можно использовать для изготовления новой тонкопленочной метки. Тем не менее, основной проблемой является получение высокой проводимости антенны.
Способы гальванического нанесения могут быть использованы для формирования проводящих структур для монолитно интегрированных антенн. Металлические пленки гальванического нанесения осаждаются из катионов металлов, заряд которых уменьшен приложенным электрическим током. Важной особенностью этого способа является использование посевного слоя, который добавляется к монолитной структуре в каждой точке, где антенна должна быть сформирована гальваническим нанесением, и поверх которого выполняется последующее гальваническое нанесение. Важно, чтобы однородный посевной слой, например, с использованием композиции TiW/Cu, наносился с помощью технологии PVD на пакет слоев, формирующих монолитное устройство, чтобы обеспечить однородное гальваническое нанесение. Впоследствии на пластине распределяется посредством центрифугирования и выстраивается фоторезист. Гальваническое нанесение, например, из меди, выполняется в промежутках резиста для определения антенной структуры. Резист впоследствии сдирается. После этого посевной слой протравливается, оставляя антенную структуру поверх пакета TFT.
Антенные структуры, полученные по технологии PVD могут быть нанесены либо как часть пакета TFT, либо в последующем нанесении. В случае, когда антенна наносится как часть пакета TFT, два или более слоев металлизации, например, металл затвора, металл стока-истока, металл трассировки, могут быть нанесены в виде пакета, чтобы увеличить проводимость интегрированной антенны. Это может быть достигнуто путем выборочного удаления слоев диэлектрика и полупроводника пакета TFT в области антенны, как показано на фиг. 13a и 13b.
На фиг. 13a показана архитектура SAL TFT с одним затвором или реализация 900A, в которой для формирования антенны используются, нанесенные в виде пакета три металла (металл «Gate Ml» затвора, металл «SD M2» стока-истока и металл «Трассировка M3» трассировки). Слой 920 формируется на RFIC-подложке 410, причем слой 930 сформирован поверх слоя 920. Слои «Gate Ml» металла затвора и металла «SD M2» стока-истока объединяются, образуя антенну 940. Непосредственный контакт между тремя нанесенными в виде пакета металлами (металл затвора, металл стока-истока и металл трассировки) достигается путем селективного удаления, например, путем травления, слоев диэлектрика, присутствующих на слое металла затвора, перед нанесением слоя металла стока-истока. Как только антенная структура сформировалась, получается вариант осуществления «бок о бок», подобный тому, что показан на фиг. 5а.
Аналогично, на фиг. 13b показана архитектура SAL TFT с двумя затворами или реализация 900B, в которой для формирования антенны используются два, нанесенных в виде пакета металла (металл «Gate Ml» затвора и металл «SD M2» истока-стока). Слой 920 формируется на RFIC-подложке 410 с металлом «Gate Ml» затвора и металлом «SD M2» стока-истока, обединенные для формирования антенны 950. Непосредственный контакт между нанесенными в виде пакета металлами (металлом затвора и металлом стока-истока) достигается путем селективного удаления, например, путем травления, слоев диэлектрика, присутствующих на слое металла, перед нанесением последующего слоя металла для формирования варианта осуществления «бок о бок», как описано в целом со ссылкой на фиг. 5а.
Фактически на фиг. 13a и 13b селективно удаляются слои диэлектрика и полупроводника, то есть неметаллические слои, чтобы обеспечить нанесение антенной структуры внутри монолитного интегрированного пакета.
Фиг. 14 иллюстрирует архитектуру 400А, которая аналогична архитектуре 400, показанной на фиг. 8. Компоненты, описанные ранее в отношении архитектуры 400’ на фиг. 8, обозначаются аналогичным образом. На фиг. 14 слой («Металл 3») металла или антенна 460А выполняется так, чтобы экранировать электронные компоненты в слое 430 TFIC-компонента. Электронные компоненты представлены пакетом «Металл1/Оксид1», сформированным от полупроводника 420, как показано. По сравнению с фиг. 8 электронные компоненты экранированы антенной 460А для уменьшения электромагнитной помехи на них.
Фиг. 15 иллюстрирует архитектуру 600А, которая аналогична архитектуре 600, показанной на фиг. 10. Компоненты, описанные ранее в отношении фиг. 10, обозначаются аналогичным образом. На фиг. 15 металл SD или контакты 670A («SD M2») простираются поверх электронных компонентов (пакет «GateMl/Oxide1») от полупроводника 660, как показано. По сравнению с фиг. 10, электронные компоненты экранированы металлом SD или контактами 670A для уменьшения электромагнитной помехи на них.
Фиг. 16 иллюстрирует архитектуру 700A, которая аналогична архитектуре 700, показанной на фиг. 11. Компоненты, описанные ранее в отношении фиг. 11, обозначаются аналогичным образом. На фиг. 16 металл 750А («Трассировка M4») трассировки простирается поверх электронных компонентов (пакет «GateMl/Oxide1») от полупроводника 720, как показано. По сравнению с фиг. 11 электронные компоненты экранируются металлом трассировки или элементами 750А для уменьшения электромагнитной помехи на них.
Фиг. 17 иллюстрирует архитектуру 800А, которая аналогична архитектуре 800, показанной на фиг. 12. Компоненты, описанные ранее в отношении архитектуры 800, обозначаются аналогичным образом. На фиг. 17 металл SD или контакты 670A («SD M2») простираются поверх электронных компонентов (пакет «GateMl/Oxide1») от полупроводника 660, как показано. По сравнению с фиг. 12 электронные компоненты экранированы металлом SD или контактами 670A для уменьшения электромагнитной помехи на них.
Фиг. 18a иллюстрирует архитектуру SAL TFT с одним затвором или реализацию 900A, которая аналогична реализации 900, показанной на фиг. 13a. Компоненты, описанные ранее в отношении реализации 900, обозначаются аналогичным образом. На фиг. 18а металл («Трассировка M3») трассировки, сформированный поверх слоя 930, простирается поверх электронных компонентов (пакет «GateMl/Oxide1») в слое 920, как показано. По сравнению с фиг. 13а электронные компоненты экранируются металлом («Трассировка М3») трассировки, сформированным поверх слоя 930, для уменьшения электромагнитной помехи на них.
Фиг. 18b иллюстрирует архитектуру SAL TFT с двойным затвором или реализацию 900B', которая аналогична реализации 900B, показанной на фиг. 13b. Компоненты, описанные ранее в отношении реализации 900, обозначаются аналогичным образом. На фиг. 18b металл («SD M2») SD, сформированный поверх слоя 920, простирается поверх электронных компонентов (пакет «GateMl/Oxide1») в слое 920, как показано. По сравнению с фиг. 13b электронные компоненты экранируются металлом («SD M2») SD, сформированным поверх слоя 920, для уменьшения электромагнитной помехи на них.
2
2
2
Фактически, как показано на фиг. 6а-6с, на подложке имеются области, где не осаждается никакого металла или полупроводника, которые образуют резистивные элементы, имеющие значения поверхностного сопротивления, превышающие 100 Ом/м и предпочтительно более 1000 Ом/м (также обозначаемые как «Ω.sq» или «Ω/sq») для площади более 1 мм.
Таким образом, электромагнитное излучение от считывающего устройства, сконфигурированного для считывания метки, содержащей антенное устройство, в соответствии с настоящим раскрытием, может проходить через метку без помех для компонента транзисторного слоя устройства. В частности, на фиг. 6а эта область находится внутри антенны 210 индуктивной (катушечной) антенны 200; на фиг. 6b область находится между двумя емкостными пластинами 260a и 260b емкостной (пластинчатой) антенны 250; и на фиг. 6с эта область находится между полюсами 310 и 320 дипольной антенны 300.
Дополнительные способы нанесения, такие как печать, могут использоваться для формирования проводящих структур для монолитно интегрированных антенн в соответствии с настоящим раскрытием. Процессы печати могут выполняться как этапы последующей обработки для изготовления чипа. Печать может включать в себя, но без ограничений: струйную, глубокую, офсетную, флексографию и трафаретную печать. Материалы представляют собой проводящие чернила из металлических или металл-оксидных (нано-) частиц в растворителе, часто с дополнительными полимерными связующими для регулирования вязкости. За процессом нанесения следует процесс спекания для удаления органического связующего и спекания металла для достижения более высокой проводимости. Процесс спекания может быть основан на термическом отжиге, микроволновом отжиге, лазерном отжиге или отжиге любой другой электромагнитной волной (например, видимым светом). Стоимость реализации структурированного слоя металла довольно низкая по сравнению со стандартными способами травления и обратной литографии, используемыми для металла, нанесенного по технологии PVD, однако боковое разрешение ограничивается несколькими 10 мкм. Хотя затраты на печать могут быть относительно низкими по сравнению с технологиями PVD и гальванического покрытия, есть только несколько металлов, которые позволяют легко составлять и спекать чернила, такие как серебро и, в меньшей степени, медь.
Монолитные устройства в соответствии с настоящим раскрытием являются более тонкими, и компонент антенны и компонент чипа изготавливаются на одной и той же подложке без необходимости собирать устройство из двух отдельных подложек, как описано выше со ссылкой на фиг. 2а и 2b. Возможна общая толщина устройства в диапазоне от 10 до 100 мкм, что обеспечивает несколько преимуществ в применении, например, бесшовную интеграцию ID-меток в бумагу.
2
2
Кроме того, монолитные устройства в соответствии с настоящим раскрытием являются более механически прочными, и нет необходимости в каком-либо адгезиве для соединения чипа и антенны вместе на выбранной подложке. Механическая прочность будет увеличена, поскольку новая физическая контактная поверхность между микросхемой и антенной будет больше, то есть больше 10 мм (по сравнению с используемой в традиционном процессе сборки - около 1 мм).
Монолитные устройства в соответствии с настоящим раскрытием могут быть реализованы в тонкопленочных метках RFID, NFC, CAPID. Они также могут быть использованы для тонкопленочных беспроводных датчиков.
Хотя были описаны конкретные варианты осуществления настоящего раскрытия, они приведены только в качестве примера, и возможны другие варианты осуществления.