CN101517793B - 用于固态微电池光刻制造、切单和钝化的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种制造薄膜锂电池的方法，包括将阴极集电器、阴极材料、阳极集电器、和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层施加到基板上，其中至少一层包含锂化的化合物，通过光刻操作至少部分地图案化该包含锂化的化合物的至少一层，该光刻操作包括通过包括湿化学处理的工艺从包含锂化的化合物的层去除光刻胶材料。另外，提供一种用于制备锂电池的方法和设备，提供第一片材，包括具有阴极材料、阳极材料、和隔开阴极材料与阳极材料的LiPON/电解质层的基板；去除第一材料的子部分以从第一片材分离多个电池单元。在一些实施例中，该方法进一步包括在该片材上沉积第二材料以覆盖多个电池单元；且去除第二材料的子部分以从第一片材分离多个电池单元。

Description

用于固态微电池光刻制造、切单和钝化的方法和设备
本申请要求2006年7月18日提交的、标题为“METHOD ANDAPPARATUS FOR SOLID-STATE MICROBATTERYPHOTOLITHOGRAPHIC SINGULATION AND PASSIVATIONFROM A SUBSTRATE”的美国临时申请序列号No.60/807,713的权益，其申请作为参考全部包含在这里。
技术领域
本发明涉及固态能量存储器件领域，更具体地涉及用来制造固态电池和切单该器件(主要是相互分离，同时可选地留下对周围废弃基板的少量连接，或者完全分离该器件)以及在该电池器件例如具有LiPON电解质的锂电池器件周围创建钝化的方法和设备，其中该电池器件可选地还包括作为钝化和保护阻挡层的LiPON，和得到的电池单元、器件和/或电池。
背景技术
电子设备已经集成在许多便携装置中，如计算机、移动电话、跟踪系统、扫描仪等。这种便携装置的一个缺点是需要包括随同该装置的电源。便携装置典型地使用电池作为电源。电池必须具有足够的容量，以为该装置供电至少持续该装置处于使用中的时间长度。足够的电池容量会导致该电源十分重和/或相比该装置的其余部分更大。因此，期望具有足够能量储备的更小且更轻的电池(即，电源)。其它能量存储器件，如超级电容器，和能量转化器件，如光伏和燃料电池，是用作便携电子设备和非便携电子器械中的电源的电池的选择方案。
常规电池的另一个缺点是如下事实：其中一些是由潜在的有毒材料制造的，这些材料可能会泄露且受制于政府的管制。因此，期望提供一种电子电源，其在许多次充电/放电寿命周期期间可充电、安全且是固态的。
一种类型的能量存储器件是固态薄膜电池。在美国专利No.5,314,765、No.5,338,625、No.5,445,906、No.5,512,147、No.5,561,004、No.5,567,210、No.5,569,520、No.5,597,660、No.5,612,152、No.5,654,084和No.5,705,293中描述了薄膜电池的实例，它们每个都作为参考包含在这里。美国专利No.5,538,625描述了一种薄膜电池，尤其是一种薄膜微电池，以及使这种电池用作电子器件的备选或首选集成电源的方法。美国专利No.5,445,906描述了一种用来制造利用多个沉积台的方法形成的薄膜电池结构的方法和系统，其中当基板自动地移动通过该台时，在沉积台处在网状基板上顺序地建立薄电池部件膜。
由Mark L.Jenson和Jody J.Klaassen在2004年10月19日出版的美国专利No.6,805,998(其通过参考结合在这里)，且转让给本发明的受让人，其描述了一种用于将薄膜锂电池沉积到移动过一系列沉积台的聚合物网上的高速低温方法。
标题为“LITHIUM/AIR BATTERIES WITH LIPON ASSEPARATOR AND PROTECTIVE BARRIER AND METHOD”(通过参考将其结合在这里)的美国专利申请10/895,445描述了一种用于制备锂电池的方法，包括通过真空溅射沉积500
Figure G2007800337583D00021
的铬之后沉积5000
Figure G2007800337583D00022
的铜，通过在氧化硅的电绝缘层上沉积铬粘接层而在导电基板(例如，金属如铜或铝)上沉积LiPON。在一些实施例中，随后通过在氮气中低压(＜10mtorr＝溅射沉积正磷酸锂(Li3PO4)从而形成LiPON(氮氧化锂磷)薄膜。在Li-空气电池单元的一些实施例中，在铜阳极接触上方沉积LiPON至2.5微米厚，并且在碳酸丙烯(propylene carbonate)/LiPF6电解液中穿过LiPON层通过电镀将锂金属层形成到铜阳极接触上。在一些实施例中，空气阴极是使用碳酸丙烯/LiPF6有机电解液浸泡的碳粉/聚氟代丙烯酸酯-结合剂涂层(Novec-1700)。在其它实施例中，沉积具有碳颗粒的阴极接触层，使得大气氧能用作阴极反应物。该结构需要提供空气接触基本整个阴极表面，限制了致密地叠置用于较高电容量(即安培-小时)的层的能力。
美国专利申请公开No.20070067984描述了一种用于制造锂微电池的方法，其中包含锂化的化合物的电解质是通过在提供有集电器和阴极的基板上连续沉积电解质薄膜、关于锂化学惰性的第一保护薄膜、以及第一掩蔽薄膜形成的。如那里的段落[0033]所述的，“目前，对氧、氮和水很敏感的、构成包含锂化的化合物的锂微电池的元素不能用实现制造集电器2a和2b以及阴极3的技术、尤其是通过光刻和蚀刻的技术形成”。
需要一种制造可再充电的、具有提高的可制造性、密度和可靠性，和低成本的锂基电池。
发明内容
提供一种制造薄膜锂电池的方法，包括：将阴极集电器、阴极材料、阳极集电器和隔开阴极材料与阳极集电极的电解质层应用到基板上，其中至少一层包含锂化的化合物。在该方法中，通过光刻操作至少部分图案化含有锂化的化合物的至少一层的结构，该光刻操作包括通过包含湿法化学处理的工艺从含有锂化的化合物的层去除光刻胶材料。
与现有技术的教导相反，已经发现可以利用使用湿法化学处理的光刻操作制备薄膜锂电池。相比现有技术的制造技术，如这里描述的方法减少了步骤数并使用复杂程度降低的设备，提供了这些器件的有效且经济的制造。由此，可以优选进行制造薄膜锂电池的本工艺，除了可以利用湿法化学处理去除的光刻掩模材料之外，没有利用额外的保护层。
另一方面，本发明包括制造锂电池的方法和设备，提供第一片材，其包括具有阴极材料的基板、阳极集电极、任意的阳极材料和隔开阴极材料与阳极集电极的LiPON阻挡/电解质层；激光烧蚀或在第一材料的子部分上进行一个或多个材料去除操作，以从第一片材分离多个电池单元。在一些实施例中，该方法进一步包括在该片材上沉积第二材料以覆盖多个电池单元；和在第二材料的子部分上进行一个或多个材料去除操作，以从第一片材分离多个电池单元。一个或多个材料去除操作可以是激光烧蚀或进行一个或多个光刻操作，或它们的组合。
附图说明
图1A是用来制成本发明一些实施例的固态电池单元的部分制造的层状结构100A的示意截面图。
图1B是用来制成本发明一些实施例的固态电池单元的层状结构100B的示意截面图。
图2A是用来制成本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀的层状结构200A的示意截面图。
图2B是用来制造本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀的层状结构200B的示意截面图。
图3A是本发明一些实施例的烧蚀和填充的固态电池单元在步骤300A的示意截面图。
图3B是用来制成本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀和填充了的固态电池单元在步骤300B的示意截面图。
图4A是本发明一些实施例的再烧蚀的固态电池单元400A的示意截面图。
图4B是本发明的一些实施例的再烧蚀的固态电池单元400B的示意截面图。
图5是本发明一些实施例的再烧蚀的固态电池单元500的自顶向下的示意图。
图6是用来制成本发明一些实施例的固态电池单元的部分制造的层状结构600的示意截面图。
图7是用来制成本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀的层状结构700的示意截面图。
图8是本发明一些实施例的烧蚀和填充的固态电池单元在步骤800的示意截面图。在一些实施例中，填充材料810是金属，例如铜或铝等。
图9是本发明一些实施例的固态电池单元在步骤900的示意截面图。在一些实施例中，填充材料810在沟道812中被烧蚀，留下一薄层材料810。在一些实施例中，基板移回到激光烧蚀系统或划片机中，用于接触定义和电池单元分离。在一些实施例中，激光束或划片锯烧蚀穿过钝化材料层直到每个电池单元顶部的接触(图9)。在接触定义之后，将激光设定在原始烧蚀切口宽度的百分比(小于百分之百)。光束烧蚀穿过钝化材料，并穿过除了拐角中很小的支撑片1017之外的基板，以及每个电池单元边的开口中心(图10)。
图10是本发明的一些实施例的固态电池单元在步骤1000的示意截面图。在一些实施例中，通过烧蚀后操作，使电池单元保留在基板中。最后，电池单元的分离是通过拾取和放置系统在单个电池单元上的向上或向下的力实现的。
图11是覆盖电池单元工艺之后本发明的一些实施例的固态电池单元在步骤1100的示意截面图。在通过电池单元的顶部可接触两个接触的电池单元中；除了烧蚀限定之外，该工艺与上面描述的工艺相同。
图12是固态电池单元在步骤1200的示意截面图，示出了通过烧蚀限定的电池单元和顶部侧接触。
图13是示出涂覆了第一钝化层的固态电池单元在步骤1300的示意截面图。
图14是示出烧蚀第一层钝化材料以均匀覆盖该电池单元的固态电池单元在步骤1400的示意截面图。
图15是示出涂覆了附加钝化材料(金属)层的固态电池单元在步骤1500的示意截面图。
图16是示出电池单元的接触区域被烧蚀并且除了基板支撑片之外的电池单元被烧蚀的固态电池单元在步骤1600的示意截面图。
图17是示出具有接触焊垫识别和支撑片识别的电池单元顶视图的固态电池单元在步骤1700的示意顶视图。
图18是通过本方法制备的固态电池单元1800的示意截面图。
具体实施方式
在下面优选实施例的详细描述中，参考形成本发明一部分的附图，且附图借助说明示出了可以实践本发明的具体实施例。应该理解，也可以使用其它实施例，并且在没有偏离本发明的范围的前提下可以进行结构变化。
在图中出现的附图标记的前导数位通常对应于图号，其中首先引入部件，以便相同的附图标记通篇用来指示出现在多个图中的相同的部件。信号(例如，流压、流速或表示这种压力或流量的电子信号)，运载该流体的导管、管或管道，运载电子信号的导线或其它导体，和连接可以用相同的附图标记或标志指示，并且由其在上下文描述中的使用，其实际意义将变得更清楚。
术语
在该描述中，术语金属既应用到基本纯的单一金属元素，也应用到至少一种元素是金属性元素的两种或多种元素的合金或组合物。
术语基板或型芯通常指物理结构，该物理结构是通过各种工艺操作变形成所希望的微电子结构的基本工件。在一些实施例中，基板包括导电材料(例如铜、不锈钢、铝等)、绝缘材料(例如蓝宝石、陶瓷或塑料、聚合物绝缘体等)、半导体材料(例如硅)、非半导体、或半导体和非导体材料的组合。在一些其它的实施例中，基板包括层状结构，例如为使其热膨胀系数(CTE)更紧密地匹配相邻结构例如硅处理器芯片的CTE而选择的材料(例如铁-镍合金等)的型芯片材或片材。在一些这种实施例中，这种基板型芯被层叠到为了电和/或热传导而选择的片材(例如铜、铝合金等)，该片材随后覆盖有为了电绝缘、稳定性和压印特性而选择的塑料层。电解质是通过使离子移动(例如具有正电荷的锂离子)同时对电子不导电而导电的材料。电池单元或电池是具有被电解质隔开的阳极和阴极的装置。电介质是不导电的材料，例如塑料、陶瓷或玻璃。在一些实施例中，当用于锂的源或接收器(sink)与LiPON层相邻时，例如LiPON的材料可以用作电解质，当设置在两个金属层例如铜或铝之间时也可以用作电介质，其不会形成穿过LiPON的离子。在一些实施例中，器件包括具有布线迹线和通孔的绝缘塑料/聚合物层(电介质)，其中布线迹线水平地载送信号和电能，通孔在多层迹线之间垂直地载送信号和电能。
将术语垂直定义为基本垂直于基板的主表面的含义。高度或深度指的是在垂直于基板主表面的方向上的距离。
将术语“含锂化的化合物的层”定义为以任何形式含有锂的层，包括金属锂、锂的合金和含锂化合物。含锂化的化合物的层的实例包括阳极，尤其是金属锂；电解质，尤其是LiPON；和阴极，尤其阴极层是可以用作锂离子源的材料，例如LiCoO2。如这里使用的，LiPON通常指的是锂磷氮氧化物材料。一个实例是Li3PO4N。其它的实例结合了更高比率的氮，目的是增加整个电解质的锂离子迁移率。
如上所述，本发明一方面提供一种制造薄膜锂电池的方法，其中通过光刻操作至少部分图案化至少一个含锂化的化合物的层的结构，该光刻操作包括通过包括湿法化学处理的工艺将光刻胶材料从含锂化的化合物的层去除。
在优选实施例中，含锂化的化合物的层是阴极材料，或者是电解质。在本发明的实施例中，薄膜电池最初被构造为没有阳极，但是具有可用作锂离子源的阴极层。一旦这种薄膜电池实施例进行充电，金属锂就在电解质和阳极集电器之间被电镀，形成阳极。
应该理解，在本发明的一个方面中，该电池成层地被构造为“自下而上”的结构，由此基板提供有阴极集电器、阴极、固体电解质、阳极(如上所述其在结构阶段期间是可选的)、阳极集电器和一种或多种密封材料。可选地，阴极和阳极可以并排配置或以其它结构配置。可选地，电池可以以“自上而下”的次序构造，其中以与上面论述的相反的次序形成各层。可选地，这些层可以分开形成并通过层压工艺结合，这种工艺现在将很容易被本领域的普通技术人员所理解。
在本发明的结构中，电解质位于阴极之上，优选具有每边约5到约20微米的位于其上的距离。具体考虑了电解质位于阴极之下的结构，优选具有每边约5到约20微米的位于之下的距离。
本方法的光刻操作优选包括：
a)将光刻胶材料施加到至少一层包含锂化的化合物的层的表面上；
b)处理该光刻胶材料以提供图案；
c)施加显影剂以去除部分光刻胶材料，由此限定含锂化的化合物的层的掩模和非掩模部分；
d)去除含锂化的化合物层的非掩模部分；和
e)通过湿法化学处理，从含锂化的化合物层去除剩余的光刻胶材料。
在一个实施例中光刻胶是正性光刻胶，在另一个实施例中是负性光刻胶。这种光刻胶的实例在本领域内是众所周知的。
用来从含锂化的化合物层去除剩余光刻胶材料的湿法化学工艺优选是无水工艺。优选的，湿法化学处理包括应用有机溶剂，例如N-甲基吡咯烷酮(N-Methylpyrrolidone)。该湿法化学工艺可以可选地通过涂覆等离子体化学剂、例如等离子体O2化学剂来增加。
在本发明的一个方面中，至少两个应用阴极集电器、阴极材料、阳极集电器和电解质层的工艺步骤在不同的处理设备中进行。很惊讶地发现，在制造薄层锂电池期间，即使在工艺步骤之间至少一层含锂化的化合物的层暴露在普通的空气条件下，也能够获得满意的电池。
在本发明的一个方面中，已经发现，当在最初形成含锂化的化合物层的大约72小时内，通过光刻操作对含锂化的化合物层进行图案化时，就获得了电池的良好性能。优选的，在最初形成含锂化的化合物层的大约48小时内，更优选在30小时内，通过光刻操作对含锂化的化合物层进行图案化。
一方面，本发明提供一种用来从具有在大材料基板上加工的多层阴极-电解质阳极结构的较大片材(通过在基本均匀的覆盖工艺，在基板的表面上沉积材料)，限定各个电池单元的边界和分开各个电池单元的方法和设备。
在一些实施例中，说明书描述了电池单元如何限定、钝化和去除材料。在一些实施例中，本发明利用激光烧蚀和/或划片机技术来去除该材料，作为用来限定单个电池单元的沟槽，用钝化材料(例如，绝缘和均化材料(来拉平或平整表面的材料，使后面的材料具有更好的表面覆盖)例如聚合物、光刻胶、LiPON或其它合适的材料，和/或用于电导体的金属层和/或蒸汽和氧阻挡物)涂覆电池单元的侧面。在其它实施例中，(见图18的描述，在下面)光刻技术被用来代替激光烧蚀来掩蔽和去除材料，留下期望的电池材料图案，该图案然后通过钝化和/或导体涂覆。此外，所描述的与激光烧蚀技术一起使用的技术也用在了光刻技术的某些实施例中，反之亦然。
注意，这里使用的示意图是不按比例的：与器件横向宽度(例如，在一些实施例中为1000微米(1mm)到10,000微米(10mm)，并且在其它实施例中高达几厘米)相比，描述的薄膜电池的垂直厚度是非常薄的(例如，在一些实施例中，大约小于10微米，并且在其它实施例中甚至小于4微米)。此外，本发明的一些实施例中的沟槽大约为10微米宽或更小。尤其是，与遮光掩模技术相比，光刻技术允许沟槽宽度和其它尺寸非常小和/或非常精确。
在一些实施例中，本发明的电池单元器件使用了不同专利和专利申请(例如，美国临时专利申请60/700,425、美国专利申请10/895,445、美国专利申请11/031,217(2005年1月6日由Tarnowski等人提交的、标题为“LAYERED BARRIER STRUCTURE HAVING ONE ORMORE DEFINABLE LAYERS AND METHOD”)、美国专利申请11/458,091(2006年7月17日由J.Klaassen提交的、标题为“THIN-FILM BATTERIES WITH SOFT AND HARDELECTROLYTE LAYERS AND METHOD”)和美国专利6,805,998)的材料、工艺、技术，这些专利作为参考包含在这里，并且通常不在这里进一步描述这些专利。
激光烧蚀和/或划片技术
图1A是用于制成本发明一些实施例的多个固态电池单元(用于存储电能的电池单元)的部分制造的层状结构100A(也称为“敷层”)的示意截面图。在一些实施例中，结构100A从基板110开始，其在各种实施例中，是金属箔、或者硅或蓝宝石晶片、或者塑料膜例如KaptonTM(在称为基板110的载体材料上制备固态电池单元)。基板可以包括一种或多种材料的选择，例如包括硅、陶瓷、金属箔(含铁的、不含铁的和合金)、柔性聚合物(例如KaptonTM、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等)和包括上述聚合物、刚性聚合物和复合物的合成物(即印刷电路板(PCB)材料)。在一些实施例中，提供所选片尺寸的基板，或者在其它实施例中，提供为连续卷材料。在一些实施例中，在基板110上沉积可选的绝缘层112(例如氮化硅或氧化硅(SiO2))，这取决于所使用的基板和是否希望通过基板110的底部或侧面导电。
在一些实施例中，多层防潮(vapor)层(其还用作绝缘层)用于层112，例如在由David Tarnowski等人于2005年1月6日申请的、标题为“LAYERED BARRIER STRUCTURE HAVING ONE ORMORE DEFINABLE LAYERS AND METHOD”的美国专利申请11/031,217中所描述的，其通过参考全部结合在这里。
在一些实施例中，接着沉积粘接层114(金属例如铬或钛或其它适合的粘接材料)，并且接着沉积阴极接触层116(例如金属如铜、镍或铝或合适的导电材料，例如选择使得不会迁移到阴极中)。接着沉积阴极材料118(例如氧化锂钴，LiCoO2)，并且阴极材料118覆盖有一个或多个电解质层120(如LiPON和/或锂导电聚合物电解质或其它合适的电解质，例如如在标题为“THIN-FILM BATTERIES WITHSOFT AND HARD ELECTROLYTE LAYERS AND METHOD”的美国专利申请11/458,091中所描述的多层电解质)。在一些实施例中，沉积阳极和/或阴极接触材料(例如铜、镍或铝和/或被铜、镍或铝覆盖的锂)(在一些实施例中，在LiPON电解质上沉积阳极接触材料(例如铜或镍)，随后镀锂(例如，通过电池的第一次充电))。在一些实施例中，随后通过穿过电解质120镀锂到阳极接触材料122上给该电池充电。在一些实施例中，一个或多个保护或钝化层123和/或124(或其它的多对交替层，例如绝缘平滑层如光刻胶(例如Shipley 220光刻胶；来自HD Microsystems的各种聚酰亚胺，如2720系列，其包括2727、2723、2729；2770系列，其包括2770和2772；2730，其包括2731和2737；PIX系列，其包括PIX-1400、PIX-3476、PIX-S200、PIX-6400；2500系列，其包括2525、2555、2575和2556；和各种其它聚合物材料，如来自Dow Chemical Company的Cyclotene产品号3022-35、3022-46、3022-57和3022-63；来自Dow Chemical Company的光可限定的硅树脂，如WL-5351和WL-3010；和来自Dymax Corporation的UV可固化环氧树脂，等)和金属层例如铝或铜等)。每层都沉积有所需厚度的适当材料，以容许所希望的电池单元能量密度。在一些情况下，基板(例如，如果由导体如金属箔(例如铜箔)制成的)可以用作电池单元的电接触。在一些实施例中，形成正部分(即基板110、绝缘体112、粘接层116、阴极接触116、阴极材料118和一个LiPON层(电解质120的一部分))作为第一子片，而被LiPON层(电解质120的另一部分)覆盖在其低(相对于该图)表面上的阳极接触层112作为第二子片，接着第一和第二子片利用它们之间的软电解质层(电解质120的又一部分)层压在一起。在一些实施例中，软电解质层包括聚磷腈(polyphosphazene)和锂盐，或如在标题为“THIN-FILMBATTERIES WITH SOFT AND HARD ELECTROLYTE LAYERSAND METHOD”的美国专利申请11/458,091中描述的任何合适的聚合物层(固体、凝胶体、或液体/海绵体)。
在一些实施例中，基板110为约500微米(或更薄)至约1000微米(或更厚)厚(在一些实施例中，例如，525或625微米的硅晶片)。在其它实施例中，基板110包括可以薄至25微米或更薄的聚合物层(例如Kapton)。在一些实施例中，层112为约1微米的氮化硅，层114为约0.5微米的钛，层116为约0.5微米的镍，层118为约5至10微米的氧化锂钴，电解质层120为约1至2.5微米的LiPON，和层122为约3微米的铜。在一些实施例中，将附加层加到顶部上(例如10微米的聚合物如Shipley 220光刻胶，接着是7微米的金属如铜或铝，接着是10微米以上的聚合物如Shipley 220光刻胶，接着是3至7微米以上的金属如铜或铝)。
图1B是用于制成本发明一些实施例的固态电池单元的层状结构100B的示意截面图。在一些实施例中，层状结构100B具有与如上所述的图1A类似参考标记的层。注意：这里描述的切单工艺可以用于单层或多层钝化工艺。可以利用烧蚀工艺(这里定义为通过激光或其它辐射烧蚀去除材料(这里称为“激光烧蚀”)和/或(切割或划片切口)和/或光刻胶限定的蚀刻或分解)来开口至多个结构(甚至同一片上的不同结构)中底层特征(金属接触)的接触区，以提供不同的电池单元尺寸或电接触结构，和/或暴露被一个或多个保护层覆盖的侧壁。然后可以沉积(覆盖沉积(可以利用光刻胶技术图案化的)或通过遮光板限定的)电池单元器件和/或其它器件的后续层，且以与半导体工艺类似的方式，激光烧蚀或其它方式选择性地去除其它图案。在一些实施例中，利用一系列较浅烧蚀-去除步骤(例如横跨覆盖层上下左右的多个激光烧蚀路径被烧蚀多次，每次都去除少量的附加材料)将激光烧蚀完成到小于完全穿过的所希望的深度，目的是避免周围区域的过热或熔融。在一些实施例中，激光烧蚀路径沿着交替图案(例如，第一次，烧蚀到第一深度，每三个相邻垂直线的第一个和每三个相邻水平垂直线的第一个；第二次，烧蚀到第一深度，每三个相邻垂直线的第二个和每三个相邻水平垂直线的第二个；和第三次，烧蚀到第一深度，每三个相邻垂直线的第一个和每三个相邻水平垂直线的第一个，然后重复烧蚀每个线到第二(较深的)深度，且可选地在随后轮次时烧蚀到甚至更深的深度)。
在一些实施例中，将电池单元材料100A或100B的卷轴部分的全部覆盖或片或一部分定位在定位台上用于烧蚀和/或切割。在各种实施例中，编程激光、或者干或湿晶片划片机以从用于烧蚀工艺的覆盖材料切单适当尺寸的电池单元。电池单元之间去除的区域称为切口(例如下面描述的沟道211或212)。
在一些实施例中，切割电池单元材料100A或100B到一半以彼此分离单个电池单元，同时留下了基板一部分未被切割。在一些实施例中，切割基板并将其分成多片，每片都具有一个或多个电池单元。然后添加一个或多个钝化层以密封电池单元当前暴露的侧面。在一些实施例中，随后从彼此切单(完全分离)电池单元。
图2A是用于制成本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀的层状结构200A的示意截面图。在一些实施例中，例如，通过激光烧蚀该材料来切割(例如，利用单个切割或通过重复较浅的切割)一系列切口或沟道。在一些实施例中，切割垂直壁的沟道211，如图2A所示，留下电池层的多个岛210。在其它实施例中，切割斜壁的沟道212，如图2B所示。在一些实施例中，从上观察，每个岛形状都是矩形的。在其它实施例中，岛是所期望的选出其他形状。在一些实施例中，在横跨片材100A的面的两个维度上形成很多个岛。
图2B是用于制成本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀的层状结构200B的示意截面图。在一些实施例中，切割斜壁沟道212，目的是随后沉积的层更完全地覆盖侧壁。在一些实施例中，在横跨片材100B的面的两个维度上形成许多个岛。
在一些实施例中，烧蚀工艺包括通过以准确控制的速率汽化或切割材料来去除沉积的材料。在z轴(图2A和图2B中垂直的)上控制激光或划片机以便恰当地控制深度，设置切口宽度以容许待沉积的额外材料。烧蚀(即，利用多个浅切割)的受控速率确保了沉积层不会受到导致熔融、涂抹或材料跨接的点的热影响。在一些实施例中，在活性材料的初始层下面朝着基板以约1-5微米的深度烧蚀或切穿该材料(图2)。剩余的基板在从基板上全部分离之前用作电池单元的机械支撑。
然后将限定电池单元的基板移入用于钝化应用的区域中。在一些实施例中，钝化可以包括：单个聚合物层、聚合物和金属层的叠层、或者固态绝缘材料和金属层的叠层。
图3A是本发明一些实施例的烧蚀和填充了的固态电池单元在步骤300A的示意截面图。在一些实施例中，该工艺使用单个聚合物保护涂层，其中聚合物材料膜涂覆在基板上方，在烧蚀区中填充切口211或212并且覆盖电池单元的顶部(图3A或图3B)。在一些实施例中，聚合物材料324经由喷雾、蒸气填涂(vapor prime)，或者分散并且利用刮粉刀平整，这取决于材料的粘性。在一些实施例中，将钝化材料固化到适当的强度。
图3B是用于制成本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀和填充了的固态电池单元在步骤300B的示意截面图。在一些实施例中，聚合物材料324填充沟道并覆盖岛210的顶部。
图4A是本发明一些实施例的再烧蚀的固态电池单元400A的示意截面图。在一些实施例中，将基板移回到激光烧蚀系统(或切割机或蚀刻/分解台)中用于限定接触和分离电池单元。激光束或划片机烧蚀(切割)垂直壁沟道411穿过钝化材料324并且烧蚀开口413至每个电池单元顶部上的接触(例如阳极接触层122)(图4A)；或烧蚀(切割)斜壁沟道412穿过钝化材料324和烧蚀开口414至每个电池单元顶部(图4B)上的接触。在限定了接触之后，以初始烧蚀切口宽度的百分率设置激光器或划片机。除了每个电池单元侧的拐角和中心的小支撑片之外，激光烧蚀穿过钝化材料和基板(图4A、4B和5)。
图4B是本发明一些实施例的再烧蚀的固态电池单元400B的示意截面图。在这些实施例中，电池单元的侧壁是倾斜的，目的是提供钝化层324的更好的密封。(参见对于图1B、2B和3B的以上描述)。图5是本发明一些实施例的再烧蚀固态电池单元500自顶向下的示意图。在一些实施例中，电池单元500表示图4A的再烧蚀的固态电池单元400A的顶视图，而在其它实施例中，电池单元500表示图4B的再烧蚀的固态电池单元400B的顶视图。该图示出了切割穿通的沟道411(对于图4A的实施例)或412(对于图4B的实施例)的部分(即贯通槽416)，而留下其它部分作为小片417以保持切单的电池暂时连接，便于处理。也就是，通过烧蚀后的操作使电池单元保持连接到废弃的外部基板上。通过拾取和放置系统在单独电池单元上用向上或向下的力完成电池单元的最后分离。
图6是用于制成本发明一些实施例的固态电池单元的部分制造的层状结构600(在一些实施例中，与图2A或2B类似)的示意截面图。在如部分1中所描述的初始电池单元限定之后，在基板上方涂覆聚合物材料膜，填充烧蚀的区域并且覆盖电池单元的顶部(图6)。聚合物材料经由喷雾、蒸气填涂，或者分散并且利用刮粉刀平整，这取决于材料的粘性。使钝化材料固化到适当的强度。在使用绝缘固态膜时，通过磁控溅射或真空蒸发沉积来涂覆材料(图6)。
图7是用于制成本发明一些实施例的固态电池单元的烧蚀的层状结构700(在一些实施例中，与图3A或3B类似)的示意截面图。将基板移回激光烧蚀系统或划片机中用于去除多余的聚合物或绝缘材料。激光束或划片机烧蚀穿通钝化材料，留下完全覆盖该电池单元的层(图7)。
图8是本发明一些实施例的被烧蚀和填充的固态电池单元在步骤800的示意截面图。在一些实施例中，沉积金属层810。将基板放置在真空室中用于金属沉积。在一些实施例中，通过磁控溅射或真空蒸发完成了沉积(图8)。
将基板移回到激光烧蚀系统或划片机中用于接触限定和电池单元分离。激光束或划片机烧蚀穿过钝化材料层至每个电池单元顶部上的接触(图9)。在接触限定之后，以初始烧蚀切口宽度的百分比来设置该激光。除了每个电池单元侧的拐角和中心的小支撑片之外，光束烧蚀穿过钝化材料和基板(图10)。
图9是本发明一些实施例的固态电池单元在步骤900的示意截面图。在一些实施例中，填充材料810在沟道812中被烧蚀了，留下了薄层材料810。在一些实施例中，将基板移回到激光烧蚀系统或划片机中用于接触限定和电池单元分离。在一些实施例中，激光束或划片机烧蚀穿过钝化材料层至每个电池单元顶部上的接触(图9)。在接触限定之后，以初始烧蚀切口宽度的百分比(小于百分之百)来设置该激光。除了每个电池单元侧的拐角和开口中心的小支撑片1017之外，光束烧蚀穿过钝化材料和基板(图10)。
图10是本发明一些实施例的固态电池单元在步骤1000的示意截面图。在一些实施例中，通过烧蚀后操作使电池单元保留在基板中。通过拾取和放置系统在单独电池单元上用向上或向下的力完成电池单元的最后分离。
图11是本发明一些实施例的固态电池单元在覆盖电池单元工艺之后在步骤1100的示意截面图。在通过电池单元顶部达到接触的电池单元中，该工艺除了烧蚀限定之外与以上所描述的类似。
图12是示出通过烧蚀限定的电池单元和顶部侧接触的固态电池单元在步骤1200的示意截面图。
图13是示出涂覆了第一层钝化的固态电池单元在步骤1300的示意截面图。
图14是示出烧蚀第一层钝化材料以均匀覆盖该电池单元的固态电池单元在步骤1400的示意截面图。
图15是示出涂覆额外层的钝化材料(金属)的固态电池单元在步骤1500的示意截面图。
图16是示出电池单元的接触区域被烧蚀并且除了基板支撑片之外的电池单元被烧蚀的固态电池单元在步骤1600的示意截面图。
图17是固态电池单元在步骤1700的示意顶视图，示出了电池单元顶视图具有识别的接触焊垫和识别的支撑片。
光刻技术
用来提供微电子应用中的备用电源的电池出现了各种尺寸，但一般是利用焊接到电路板上的迹线的金属片来安装到电路板上的硬币电池。将这些电池的最小尺寸限制为几微米的直径和1-2mm的厚度，主要是由于需要以保护电池不受环境的影响的金属罐和衬垫的限制。该限制排除了电池直接集成在还包含电池将为其提供电力的集成电路的封装内。
薄膜固态电池单元可以制备在各种厚度的各种基板上。迄今，已利用遮光掩模技术制备了固态薄膜电池，由此通过掩模中的开口沉积用在电池的构造中的每个膜。由于考虑到例如层与层重叠、掩模容差、在掩模开口周边下面的沉积膜的破裂等，该方法将电池的最小实际尺寸限制为或许边长10微米。由于在给定的掩模操作下掩模到基板的物理施加和已经残留在基板上的膜，因此该方法易于产生微粒。这些微粒是潜在的故障点，这是因为当电池充电或放电时，它们已嵌入电池结构中且很可能导致不可预测的性能。本发明公开了一种沉积各种膜、接着在不希望的区域中被图案化和去除的技术。该技术允许电池的占用区的范围从边长约1毫米到边长几十厘米。而且，利用该技术，可以在与用于集成电路制造类似的基板上构造电池，由此使得最终的组装和集成工艺更简单和成本有效。
关于层与层上/下重叠，若干中实现都是可能的，且用于选择性去除特定区域中的材料的几种方法也都是可能的。湿和干蚀刻可以用于电池结构中的许多膜，且几种光敏材料可用于图案化任何给定的层。电池结构中的一些材料是水溶性的；因此，优选使用不含水的光刻胶显影剂和后蚀刻光刻胶剥离器，以避免去除将要留下材料的区域中的材料。可以是负性光刻胶和正性光刻胶，这取决于与待被图案化的材料和/或待提供的设计特征的兼容性。
为了制备微电池，必须或者以它们沉积的顺序、或者相反的顺序、或者二者组合的顺序沉积和光成形若干层材料。一层相对于相邻层的重叠距离取决于许多因素，包括掩模对准器容差、蚀刻尺寸改变、掩模偏置和涉及电池性能的任何因素，包括镀锂、密封封装等。
图18是固态电池单元1800的示意截面图，示出了光刻限定的电池单元的接触区域和/或层。可选地，除了可选的基板支撑片之外，还使用光刻技术来切单该电池单元。在一些实施例中，通过沉积在基板1801上的连续层形成电池单元1800。在其它实施例中，在基板1801上沉积一些连续层，而在层压基板和它的层的顶侧层上沉积其它层，如以上引用的美国专利申请11/458,091中所描述的。在一些实施例中，基板1801被阴极集电器层1802、阴极材料1803、电解质层1804(例如LiPON或如以上引用的美国专利申请11/458,091中所描述的多个电解质层)、在组装之后给电池充电的情况下的阳极集电器层1805(或在首先沉积阳极材料的情况下，阳极材料之后紧跟着阳极集电器层1805)、密封剂1807和金属层1807(其通过穿过密封剂1807的孔或通路接触阳极集电器层1805)覆盖。
对于基板层1801，一些实施例使用硅、氧化铝、铜、不锈钢或铝。在一些实施例中，基板厚度范围从对于金属箔的0.001″到对于硅和氧化铝约0.030″。
电池尺寸范围可以从约1平方mm或更小到2平方厘米或更大。该尺寸范围的电池给出了实际的放电容量且对于制造还是很经济实用的。电池可以是正方形、长方形、圆形或如本申请所需的各种其它形状。
在一些实施例中，除了在金属箔的情况下之外，构造电池从沉积阴极集电器1801开始，基板可以用作集电器。在一些这样的实施例中，基板被绝缘层(例如SiO2，其使阴极接触基板与顶金属层1807绝缘)覆盖，然后将其图案化以在用于阴极接触的绝缘体中留下孔。在一些实施例中，集电器1801包括Ti/Ni叠层，Ti直接沉积在基板上以促进粘接性，Ni与阴极1803接触，这是因为阴极(例如LiCoO2)很好地黏着于Ni。另一种方式使用Al/Ni，Al用作应力减缓层以防止或减少成核位置，并且尤其是当阴极厚度增加到几微米时防止阴极中出现裂缝。在一些实施例中，集电器膜厚度，对于Ti为约0.05至0.2微米，对于Ni为约0.1至0.5微米。使用Al时，膜厚度范围从约0.5至9微米。在利用光刻胶图案化集电器和利用湿或干蚀刻化学剂限定集电器之后，利用溶剂和等离子体O2化学剂去除光刻胶并沉积下一层，在该情况下，为阴极。
在一些实施例中，阴极1803厚度范围从约3至15微米，这取决于用于给定应用的充电/放电容量需求。该材料一般是LiCoO2。还制造了厚度小于约3微米的阴极，但用于微电池的放电容量通常太低而不能满足应用需求。存在薄阴极就足够的情况，且制造技术和电池几何图形也应用到这些薄阴极器件上。在一些实施例中，利用正性光刻胶如SPR 220图案化该阴极和利用湿化学剂蚀刻该阴极。阴极相对于底层阴极集电器的覆盖为每个边缘约5至20微米(小尺寸的)。设计光掩模的尺寸来考虑最差的两层之间的未对准的情形，以及来考虑由于两个膜的蚀刻和过蚀刻引起的尺寸变化。利用溶剂如N-甲基吡咯烷酮(NMP)，可选地与等离子体O2化学剂结合，来去除光刻胶。阴极的侧壁形状是很重要的，这是因为其决定了随后的层(例如LiPON、阳极金属等)将会多好地覆盖那个侧壁。陡峭或凹状侧壁会导致不良的台阶覆盖，且在一些情况下，会导致不连续的膜覆盖。这牵连到随后处理的复杂性、密闭度和可靠性；由此希望是斜侧壁。遮光掩模沉积物自然会导致长的、锥形形状，当从膜是全厚度的点测量到锥度为零的点时，延伸至差不多100微米以上。在光图案化和湿蚀刻的LiCoO2中，侧壁可以制成垂直的、负斜率的或正斜率的，后者是优选的斜率。偏离法线20至70度的斜率适合于防止垂直或凹状侧壁的不希望的副作用，而不会牺牲对于该膜的锥形区域的太多的器件面积。该角度范围可以利用光刻胶材料、曝光、显影时间、LiCoO2蚀刻化学剂和蚀刻参数(例如温度、搅拌等)的适当组合来实现。
一旦图案化了阴极，就进行退火并沉积固态电解质，LiPON1804，利用负性光刻胶进行光图案化，负性光刻胶例如是来自HDMicrosystems的各种聚酰亚胺，如2720系列，其包括2727、2723、2729；2770系列，其包括2770和2772；2730系列，其包括2731和2737；和来自Dow Chemical Company的光可限定的硅树脂，如WL-5351和WL-3010。由于LiPON是水溶性的，大多数可商业获得的正性光刻胶不适合于图案化LiPON，这是因为水基显影剂与这些光刻胶一起使用。电解质厚度一般为约0.5至2.5微米厚。可选地，可以在图案化阴极之前沉积LiPON，之后如上所述地图案化阴极。在第一种情况下，LiPON范围相对于下层的阴极可以是小尺寸的或大尺寸的；在后一情况下，LiPON相对于阴极必须是小尺寸的，目的是为了使阴极光掩模图案延伸超过LiPON。LiPON边界可以延伸超过阴极集电器边缘，或者在达不到集电器边界处终止。通过将LiPON限制到集电器边界内，可以通过留下集电器或它的一部分来制造与阴极的接触，暴露用于随后引线键合、焊接、导电环氧树脂等的连接。当要使用顶和底表面接触方案时，代替地通过导电基板接触阴极集电器。上覆盖/下覆盖的距离为每个边缘约5至20微米。利用不含水的溶剂和可选地等离子体O2化学剂来去除光刻胶。
然后沉积约0.5至3微米厚的阳极和/或阴极集电器1805。这里可以使用Cu或Ti或Ni作为阳极集电器镀Li阳极。也可以使用铝，尽管其将用作合金，而不是电镀阳极，且器件性能、充电电压等将不同。在一些实施例中，在LiPON相对于阴极尺寸小的情况下(否则电池将电性短路)，或者，在LiPON相对于尺寸大的情况下，阳极必须位于LiPON的整个顶部，阳极可以相对于阴极和LiPON尺寸小或尺寸大。在基板导电或阴极集电器超过LiPON周边的情况下，阳极必须不延伸过LiPON周边，否则器件将被短路。在一些实施例中，利用负或正性光刻胶图案化阳极，这取决于在阳极形成期间下面的LiPON是暴露于光刻胶显影剂还是其它含水溶液。再次，一般的上覆盖/下覆盖距离范围为每边约5至20微米。在一些实施例中，阳极在Ti和Al的情况下用反应性离子蚀刻(RIE)进行蚀刻，且在Cu和Ni的情况下用湿化学剂蚀刻。在一些实施例中，还可以使用湿化学剂用于蚀刻Ti和Al，但为了清洁和蚀刻控制而优选干蚀刻，且在利用含水蚀刻溶液的情况下防止湿化学剂不利地蚀刻LiPON。在一些实施例中，在成形任何下层材料之前还成形阳极。在一些实施例中，利用溶剂和等离子体O2化学剂的组合来去除光刻胶。在锥形叠层具有一个或多个连续沉积层且该沉积层随后相对于位于正下方的膜为小尺寸的情况下，可以顺序地沉积电池叠层中具有这种结构的层，图案化则从叠层中的最上部的小尺寸的层开始。
在一些实施例中，下一步骤是密封或钝化器件，且在一个实现中，使阳极/阳极集电器到达用于接触的电池的周边，以便引线键合、焊接、与导电环氧树脂连接等。封装是期望的，以便保护电池材料不被暴露到水蒸汽、氧和其它环境污染。锂容易与其它元素和化合物反应，因此在电池制造之后应当与外界隔离。在一些实施例中，这是通过使用多层来完成的，所述多层是旋涂材料的交替叠层，用于消除缺陷和非平面状表面，其中旋涂材料的交替叠层通常是有机材料，用于每个层1806，所述材料例如是硅树脂、聚酰亚胺、环氧树脂或如上所述的其它聚合物，然后以交替的方式沉积金属化层1807，如Al或Cu，用于防止外部污染物移动到活性电池结构中。在本发明的实施例中，构想了包括一层或多层氮化物和一个或多个金属层的交替密封结构。在一些实施例中，该多层叠层的每个连续层延伸超过前述层的边界约15至30微米。这提供了密封环。有机层厚度为约8至10微米，且包括用于允许上覆盖金属层电连接到阳极/阳极集电器的通路。对于每个沉积层，金属化一般为约1至3微米厚。最后一层通常是约0.5至1微米厚的氮化硅，其提供了附加的密封保护且与集成电路封装材料能共存。还多少用作烧蚀和处理损伤的物理阻挡。在使用基板接触阴极集电器的情况下，可以完全密封阴极集电器，由此与其中在用于为了电连接的随后接触的钝化工艺期间阴极集电器片必须保持暴露的情况相比，提供了更好的密封。有机/金属/有机/金属的多层叠层的替换方式是使用有机材料的单个平滑层，然后电镀厚层的铜或镍或金，以提供湿气和氧阻挡以及与阳极的电接触。
在一些实施例中，对于电池叠层中的一些层，还希望斜切拐角，而不是具有直角。在一些实施例中，这是通过在光掩模中利用两个或多个线段形成拐角来完成的。相比于在光掩模上绘制，光和蚀刻工艺自然会更逐步地圆化拐角。在一些实施例中，好处主要是应力减缓，以减小膜应力破裂的可能性。第二个好处是高侧壁上的光刻胶覆盖率，尤其是当阴极制作得更厚时，相对于具有直角的结构，高侧壁上的光刻胶覆盖率将增加。
本发明的一些实施例的一方面包括一种设备，其包括具有阳极接触的基板、沉积在阳极接触上的LiPON电解质隔离物、和在LiPON和阳极接触之间的锂阳极材料镀层。
在一些实施例中，该阳极接触包括铜且基板包括聚合物。
本发明的另一方面包括一种设备，该设备包括将LiPON沉积到阳极接触上的沉积台、将锂镀到阳极接触上形成阳极衬底的任意镀台、将阴极材料沉积在衬底上并将LiPON沉积在阴极材料上形成阴极衬底的阴极沉积台、和利用夹在阴极衬底和阳极衬底之间的聚合物电解质材料将阳极衬底装配到阴极衬底上的装配台。
在本发明的一些实施例中，沉积台包括LiPON的溅射沉积。
在一些实施例中，LiPON沉积到阳极接触上，具有大约0.1微米和大约1微米之间的厚度。在一些实施例中，阳极的LiPON层厚度小于0.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.2微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.0微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.2微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.0微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.2微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为3.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为4.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为5.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为10微米。在一些实施例中，该LiPON层大于10微米。
在一些实施例中，LiPON沉积在阴极接触上，具有大约0.1微米和大约1微米之间的厚度。在一些实施例中，阴极的LiPON层厚度小于0.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.2微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为0.9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.0微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.2微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为1.9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.0微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.1微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.2微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为2.9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为3微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为3.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为4微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为4.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为5.5微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为6微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为8微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为7微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为9微米。在一些实施例中，该LiPON层大约为10微米。在一些实施例中，该LiPON层大于10微米。
在一些实施例中，电镀台在阳极的镀锂和锂相对电极之间，以0.6mA、大约40mV的电压以及以大约0.9mA/cm2的密度进行电镀。
在本发明的一些实施例中，通过液体碳酸丙烯/LiPF6电解质溶液和对于锂的LiPON阻挡/电解质层传导锂，以将锂镀在阳极连接器上。在本发明的一些实施例中，通过液体碳酸丙烯/LiPF6电解质溶液和LiPON阻挡/电解质层，以将锂镀在阴极连接器上。
本发明的一些实施例包括一种设备，其包括具有阳极、阴极和电解质结构的电池，其中阳极包括含有锂的阳极材料和至少覆盖一部分阳极的LiPON阻挡/电解质层；阴极包括含有锂的阴极材料和至少覆盖一部分阴极的LiPON阻挡/电解质层；和电解质结构包括夹在覆盖阳极的LiPON阻挡/电解质层和覆盖阴极的LiPON阻挡/电解质层之间的聚合物电解质材料。
在该设备的一些实施例中，阴极材料包括沉积在阴极接触材料上的LiCoO2，和然后沉积覆盖阴极的LiPON阻挡/电解质层。
在该设备的一些实施例中，通过覆盖阳极的LiPON阻挡/电解质层，将锂阳极材料镀在铜阳极接触上。
在该设备的一些实施例中，阳极材料沉积在至少部分被LiPON阻挡/电解质层覆盖的金属片材的两个主面上。
在该设备的一些实施例中，阴极材料沉积在金属片材的两个主面上并且至少部分被LiPON阻挡/电解质层覆盖。
在该设备的一些实施例中，阴极接触材料包括金属网，在金属网周围沉积阴极材料。
在该设备的一些实施例中，通过覆盖阳极接触层的LiPON阻挡/电解质层，将锂阳极材料镀在阳极接触箔的两个主面上。
在该设备的一些实施例中，锂阳极材料通过覆盖接触箔的LiPON阻挡/电解质层被镀在接触箔的第一主面上，锂阴极材料沉积在该接触箔的第二主面上，并且随后通过溅射沉积覆盖该阴极的LiPON阻挡/电解质层。
在该设备的一些实施例中，锂阴极材料沉积在阴极接触箔的两个主面上，并且随后通过溅射沉积覆盖阴极的LiPON阻挡/电解质层。
在该设备的一些实施例中，锂阴极材料沉积在阴极接触网的两个主面上，并且随后通过溅射沉积覆盖阴极的LiPON阻挡/电解质层。
在一些实施例中，本发明的另一方面包括一种方法，其包括：提供第一片材，第一片材包括含有锂的阳极材料和覆盖该阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；提供第二片材，第二片材包括含有锂的阴极材料和覆盖该阴极材料的LiPON阻挡/电解质层；和将聚合物电解质材料夹在覆盖第一片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第一阴极片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间。
该方法的一些实施例进一步包括：提供第三片材，其包括含有锂的阳极材料和覆盖该阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；提供第四片材，其包括含有锂的阴极材料和覆盖该阴极材料的LiPON阻挡/电解质层；将聚合物电解质材料夹在覆盖第三片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第四片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间；和将聚合物电解质材料夹在覆盖第一片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第四片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间。
在本方法的一些实施例中，阳极被沉积为通过LiPON层的铜阳极接触层上的层。
在一些方法实施例中，通过在碳酸丙烯/LiPF6电解液中电镀来完成锂阳极的沉积。
在一些方法实施例中，第一片材包括在与阳极材料相对的面上的阴极材料和覆盖阴极材料的LiPON阻挡/电解质层；且第二片材包括含有锂的阳极材料和覆盖阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；该方法进一步包括提供第三片材，其包括含有锂的阳极材料和覆盖第一面上的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层，和包括锂的阳极材料和覆盖与第一面相对的第二面上的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；并且在覆盖第一片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第三片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间夹入聚合物电解质材料。
在一些实施例中，本发明的另一方面包括一种设备，该设备包括第一片材，该第一片材包括含有锂的阳极材料和覆盖阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；第二片材，该第二片材包括含有锂的阴极材料和覆盖阴极材料的LiPON阻挡/电解质层；和用于在覆盖第一片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第一阴极片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间夹入聚合物电解质材料的装置。
该设备的一些实施例包括第三片材，该第三片材包括含有锂的阳极材料和覆盖阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；第四片材，该第四片材包括含有锂的阴极材料和覆盖阴极材料的LiPON阻挡/电解质层；用于在覆盖第三片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第四片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间夹入聚合物电解质材料的装置，和用于在覆盖第一片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第四片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间夹入聚合物电解质材料的装置。
在一些实施例中，本发明包括一种方法，该方法包括提供第一片材，该第一片材包括基板、阴极材料、阳极集电器、任意的阳极材料、和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层；穿过阴极材料、阳极集电器和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层进行一种或多种材料的去除操作，以及去除基板的第一部分但不穿过基板的第二部分，以留下相互分离的第一多个电池单元，但其中多个第一多个电池单元保持连附到第一片材的至少单个未分离部分。
该方法的一些实施例进一步包括在片材上沉积第二材料，以覆盖至少在它们侧面上的多个电池单元。
该方法的一些实施例进一步包括执行第一材料去除操作以去除第二材料的子部分，从而使多个电池单元相互分离。
在一些实施例中，第二材料是被沉积以钝化该电池单元的电绝缘体。
在一些实施例中，第二材料包括LiPON。
在一些实施例中，材料去除操作包括激光烧蚀。
在一些实施例中，材料去除操作包括光刻。
在一些实施例中，材料去除操作在具有约10微米或以下的宽度的电池单元之间形成沟槽。
该方法的一些实施例进一步包括在该片材上沉积钝化材料以至少在电池单元的侧面上覆盖多个电池单元。
在一些实施例中，本发明包括一种设备，该设备包括第一片材的源，包括衬底、阴极材料和阳极集电器、可选的阳极材料、和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层；和用于去除穿过阴极材料、阳极集电器和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层以及去除穿过基板的第一部分但不穿过基板的第二部分以留下相互分离的多个电池单元但多个电池单元中的每一个都保持连附到第一片材的至少一个部分的材料的装置。
该设备的一些实施例进一步包括用于在该片材上沉积第二材料以至少在电池单元的侧面上覆盖多个电池单元的装置；和用于去除第二材料的子部分材料以使多个电池单元相互分离的装置。
该设备的一些实施例进一步包括用于在该片材上沉积第二材料以至少在电池单元的侧面上覆盖多个电池单元的装置。
在一些实施例中，第二材料是被沉积以钝化该电池单元的电绝缘体。在一些实施例中，第二材料包括LiPON。在一些实施例中，用于去除的装置包括激光烧蚀。在一些实施例中，用于去除的装置包括光刻。在一些实施例中，材料去除操作在具有约10微米或以下的宽度的电池单元之间形成沟槽。
在一些实施例中，本发明包括一种设备，该设备包括第一片材的源，包括衬底、阴极材料、阳极集电器、可选的阳极材料、和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层；和第一材料去除台，被配置为去除阴极材料、阳极集电器和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层，以及去除穿过基板的第一部分但不穿过基板的第二部分以留下相互分离的多个电池单元但多个电池单元中的每一个都保持连附到第一片材的至少一个部分。
该设备的一些实施例进一步包括沉积台，其在该片材上沉积钝化材料以至少在电池单元的侧面上覆盖多个电池单元；和第二材料去除台，被配置为去除第二材料的子部分以使多个电池单元相互分离。可选地，该方法和设备可包括另一沉积台，其在该片材上沉积钝化材料，以如上所述的至少在电池单元的侧面上覆盖多个电池单元，且可在另一沉积台之后设置第一材料去除台并配置为去除钝化材料、阴极材料、阳极集电器和隔开阴极材料与阳极集电器的电解质层，以及去除穿过基板的第一部分但不穿过基板的第二部分以留下相互分离的多个电池单元但多个电池单元中的每一个都保持连附到第一片材的至少一个部分。
在一些实施例中，钝化材料包括与一个或多个聚合物层交替的一个或多个金属层。
在一些实施例中，第一片材包括在与阳极材料相对的面上的阴极材料和覆盖阴极材料的LiPON阻挡/电解质层，第二片材包括含有锂的阳极材料和覆盖阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；且该设备进一步包括第三片材，该第三片材包括含有锂的阳极材料和覆盖第一面上的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层，以及含有锂的阳极材料和覆盖与第一面相对的第二面上的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层；和用于在覆盖第一片材的阳极材料的LiPON阻挡/电解质层和覆盖第三片材的阴极材料的LiPON阻挡/电解质层之间夹入聚合物电解质材料的装置。
要明白，以上描述指的是说明性的，且不是限制性的。尽管已在前面的描述中提出了如这里描述的各种实施例的众多特性和优点、以及各种实施例的结构和功能的细节，但一旦回顾了上面的描述，许多其它实施例和细节的改变对于本领域技术人员来说就将是显而易见的。因此，本发明的范围应当参考所附的权利要求、连同给这些权利要求授权的等价的整个范围确定。在所附的权利要求中，术语“包括”和“其中”分别用作各个术语“包含”和“在其中”的通俗易懂的话的等价物。而且，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，且不是指在它们的物体上强加数字需求。

Claims (19)

1.一种用于制造薄膜锂电池的方法，包括：
a)提供包括基板的第一片材；和
b)将阴极集电器、阴极材料、阳极集电器、和将阴极材料与阳极集电器隔开的电解质层施加到基板上；
其中至少其中一层包含锂化的化合物；和
其中通过光刻操作至少部分地图案化所述包含锂化的化合物的至少其中一层的结构，所述光刻操作包括通过包括湿化学处理的工艺从包含锂化的化合物的层去除光刻胶材料；
其中所述光刻操作包括
a)将光刻胶材料施加到所述包含锂化的化合物的至少其中一层的表面，
b)处理该光刻胶材料以提供图案，
c)施加显影剂以去除部分光刻胶材料，由此限定包含锂化的化合物的层的掩蔽和未掩蔽部分，
d)去除包含锂化的化合物的层的未掩蔽部分，和
e)通过湿化学处理从包含锂化的化合物的层去除剩余的光刻胶材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过光刻操作至少部分图案化的包含锂化的化合物的层是阴极材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述阴极材料包括LiCoO2。
4.如权利要求2所述的方法，其中阴极材料的结构包括具有正斜率的侧壁。
5.如权利要求4所述的方法，其中阴极材料的斜率为离法线约20至约70度。
6.如权利要求1所述的方法，其中通过光刻操作至少部分图案化的包含锂化的化合物的层是电解质。
7.如权利要求6所述的方法，其中电解质包括LiPON。
8.如权利要求7所述的方法，其中湿化学处理包括应用不含水的溶剂。
9.如权利要求8所述的方法，其中湿化学处理还包括应用等离子体O2化学剂。
10.如权利要求1所述的方法，其中光刻胶是正性光刻胶。
11.如权利要求1所述的方法，其中光刻胶是负性光刻胶。
12.如权利要求1所述的方法，其中湿化学处理包括应用有机溶剂。
13.如权利要求12所述的方法，其中有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮。
14.如权利要求1所述的方法，其中在包含锂化的化合物的层的初始形成的约72小时内进行通过光刻操作的包含锂化的化合物的层的图案化。
15.如权利要求1所述的方法，其中在包含锂化的化合物的层的初始形成的约48小时内进行通过光刻操作的包含锂化的化合物的层的图案化。
16.如权利要求1所述的方法，其中阴极材料包括LiCoO2，电解质包括LiPON，且电解质对于阴极上覆盖/下覆盖的距离为每边约5至约20微米。
17.如权利要求16所述的方法，其中电解质完全上覆盖阴极。
18.如权利要求1所述的方法，其中在不同的处理设备中执行施加阴极集电器、阴极材料、阳极集电器和电解质层的至少其中两个工艺步骤，其中在薄层锂电池的制造期间，将包含锂化的化合物的至少其中一层暴露于工艺步骤之间的一般空气状态。
19.如权利要求1所述的方法，其中在包含锂化的化合物的层的初始形成的约72小时内进行通过光刻操作的包含锂化的化合物的层的图案化。
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