CN102035029A - 用于形成薄膜锂离子电池的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成锂离子型电池的方法，包括以下连续步骤：在衬底中形成沟道；相继且保形地沉积包括阴极集电极层、阴极层、电解质层、以及阳极层的层叠，该层叠具有的厚度小于所述沟道的深度；在所述结构上形成填充所述沟道中剩余的空间的阳极集电极层；以及平坦化所述结构，以露出所述阴极集电极层的上表面。

Description

用于形成薄膜锂离子电池的方法
技术领域
本发明涉及一种用于形成薄膜锂离子电池的方法。
背景技术
锂离子型电池具有如下优点：包括固态不易燃电解质，该电解质还在宽范围的温度下具有良好的离子导电性。这样的电池可以有利地用在移动电子设备(例如移动电话或便携式计算机)中。
为了形成薄膜锂离子电池、典型为尺寸小于2.5cm×2.5cm的电池，通常采用通过阴影掩膜(shadow mask)溅射的技术。这样的技术包括将阴影掩膜放在支承物或衬底上，并且通过该掩膜来溅射形成电池的不同的层。
然而，对于大规模生产薄膜锂离子型电池而言，使用阴影掩膜相对昂贵。实际上，对于涉及掩膜的每一次溅射，所溅射的成分也沉积在掩膜上。因此，在每次使用掩膜之间，需要移除和回收掩膜上所沉积的不同的层。
凭借通过阴影掩膜进行溅射而形成电池的技术也有不适用于形成较小尺寸(小于3mm的侧面长度)的电池的缺点，由于对于这样的尺寸出现掩膜对准问题。现在，这样的电池可以有利地用作备用电池，以在主电池出现故障时将关键数据保存在存储器中。
为了形成小的锂离子型电池，可以预期采用集成电路领域中公知且受控的光刻技术。然而，这样的技术在应用于大的衬底表面积上时相对昂贵。此外，光刻方法需要使用通过湿法工艺(通常为基于溶剂的水混合物)移除的树脂，这将引起与基于高活性锂的电池层的化学反应。这样的技术因而不适合用于形成锂离子型电池。
因此，需要一种方法，使得能够以薄膜技术形成相对廉价且小型的锂离子型电池，适用于存在形成这样的电池的高活性材料的情况。
发明内容
本发明的一实施例的目的在于提供一种使得能够形成平面薄膜锂离子型电池的方法，该方法与这样的电池中存在的材料的活性兼容。
本发明的一实施例的另一目的在于提供一种使得能够以合理的成本形成小型平面薄膜锂离子型电池的方法。
因而，本发明实的一施例提供一种用于形成锂离子型电池的方法，包括以下连续步骤：
(a)在衬底中形成沟道；
(b)相继且保形地沉积层叠，该层叠包括阴极集电极层、阴极层、电解质层以及阳极层，该层叠具有的厚度小于所述沟道的深度；
(c)在所述结构上形成填充沟道中剩余的空间的阳极集电极层；以及
(d)平坦化所述结构，以露出所述阴极集电极层的上表面。
根据本发明的一实施例，所述方法在步骤(d)之后还包括以下步骤：
在所述结构上形成保护层，并且在所述保护层中在所述阳极集电极层上限定第一贯通开口并且在所述阴极集电极层上限定第二贯通开口；以及
在所述第一开口和所述第二开口中且在所述保护层的一部分上分别形成第一导电区域和第二导电区域。
根据本发明的一实施例，所述方法还包括步骤：在所述第一导电区域上形成第一接触部，并且在所述第二导电区域上形成第二接触部。
根据本发明的一实施例，所述方法在步骤(c)之前还包括形成籽晶层的步骤。
根据本发明的一实施例，所述阳极集电极层是在所述籽晶层上在低温下通过电解生长而得以形成的，所述籽晶层由钛和铜的层叠形成。
根据本发明的一实施例，所述衬底由硅或者氧化硅制成，所述阴极集电极层由钛、钨、钼、钽、铂、或者这些材料的合金或层叠制成，所述阴极层由钛锂氧代硫化物(LiTiOS)、钴锂氧化物(LiCoO2)、或者能够插入锂在锂离子型电池中可用作阴极的任何材料制成，所述电解质层由锂磷氮氧化物(LiPON)制成，所述阳极层以硅、锗、碳、或者这些材料的合金或层叠制成，所述阳极集电极层由铜制成。
根据本发明的一实施例，所述阴极集电极层、所述阴极层、所述电解质层、以及所述阳极层是通过物理气相沉积形成的。
根据本发明的一实施例，所述保护层由包括第一层和第二SiO2层的层叠形成，所述第一层由陶瓷、Al2O3、SiN或者ZrO2制成。
根据本发明的一实施例，所述沟道具有范围在5μm至30μm之间的深度，所述阴极集电极层具有范围在100nm至500nm之间的厚度，所述阴极层具有范围在1μm至10μm之间的厚度，所述电解质层具有范围在1μm至3μm之间的厚度，以及所述阳极层具有范围在10nm至800nm之间的厚度。
根据本发明的一实施例，还提供一种锂离子型电池，包括：衬底，该衬底包括沟道；阴极集电极层，该阴极集电极层在所述沟道的壁和底部上且在所述衬底上；包括阴极层、电解质层、阳极层以及阳极集电极层的层叠，该层叠沿着所述沟道的壁和底部在所述阴极集电极层上形成，所述层叠填充所述沟道；以及保护层，在所述绝缘层和所述层叠上延伸，分别在所述阳极集电极层和所述阴极集电极层上在所述保护层中形成有第一和第二贯通开口。
下面将结合附图在具体实施例的以下非限制性描述中详细讨论本发明的前述目的、特征和优点。
附图说明
图1A至图1E示出根据本发明第一实施例的用于形成薄膜平面锂离子型电池的方法的步骤的结果；
图2A和图2B示出根据本发明第二实施例的用于形成薄膜平面锂离子型电池的方法的步骤的结果；以及
图3A至图3D示出根据本发明第三实施例的用于形成薄膜平面锂离子型电池的方法的步骤的结果。
具体实施方式
为了清楚，在不同附图中相同部件具有相同标号，此外，通常在小的薄膜构件的表示中，各个附图并非是按比例的。
图1A至图1E示出用于形成薄膜平面锂离子型电池的方法的步骤的结果(两个电极接触部都形成在器件的表面)。
在图1A所示的步骤中，以包括衬底10的结构开始，其中形成沟道12。作为示例，衬底10可以由硅、高电阻系数的硅、或者氧化硅制成。沟道12可以例如借助于预先形成有适当图案的树脂通过光刻而获得。优选地，沟道12具有范围在5μm至30μm之间的深度，衬底的表面尺寸范围在700μm至900μm之间。
在衬底10的上表面上以及在沟道12的底部和壁上形成有形成锂离子型电池的不同的层的层叠14。层叠14可以通过连续的物理气相沉积(PVD)形成。
层叠14包括以下各层。
-形成阴极集电极的第一层16。作为示例，该层可以由钛、钨、钼、钽、铂或者这些材料的合金或层叠而制成，并且具有范围在100nm至500nm之间的厚度。
-形成电池阴极的第二层18，由例如LiTiOS(钛锂氧代硫化物)或者LiCoO2(钴锂氧化物)的材料制成，具有范围在1μm至10μm之间的厚度，更通常地，层18可以由在锂离子型电池中可用作阴极的引入锂的任何材料制成。
-形成电池电解质的第三层20，例如由LiPON(锂磷氮氧化物)或者能够形成固态锂离子单格电池电解质的任何其它材料制成。第三层20具有范围在1μm至3μm之间的厚度。
-形成电池阳极的第四层22，例如由硅、锗、碳或这些材料的层叠或合金制成。第四层具有范围在10μm至800μm之间的厚度。
因而，形成锂离子型电池的有源部分的层叠14可以具有范围在5μm至15μm之间的厚度，该厚度小于沟道12的深度。
在层叠14上形成有形成用于阳极集电极的籽晶层的第五层24。作为示例，该层可以由钛和铜的层叠而形成。该层还形成保护屏障，用于层叠的较低层，并且主要用于特别由活性锂化合物形成的层18和20。作为示例，籽晶层24可以具有范围在100nm至300nm之间的厚度。应注意，如果形成阳极集电极层的材料能够直接形成在电池阳极上，则籽晶层24可以省略。
应注意，在图1以及之后所有附图中，示出构成锂离子型电池的单个基本单格电池(elementary cell)。应理解，在衬底10上可以彼此相邻地形成很多电池(battery)。作为示例，两个相邻电池的有源区域可以分隔开例如范围在200μm至500μm之间的小于1mm的距离。应注意，每一基本电池之间的划线(scribeline)可以具有小于100μm的宽度。
在图1B所示的步骤中，在籽晶层24上，已在低温(以免引起由锂化合物制成的各层的反应)下通过电解生长而形成例如由铜制成的阳极集电极层26。提供了电解生长，从而铜26完全填充沟道12中剩余的空间，并且还形成在整个结构的表面。
在图1C所示的步骤中，已经执行对图1B所示结构的平坦化或抛光，以移除位于阴极集电极层16的上表面之上的所有的层，从而露出该层。
为了执行这种平坦化，可以使用任何已知的化学机械抛光(CMP)或者纯机械方法。此外，为了移除层叠14的不同的层(除了层16之外)，可以连续使用不同类型的平坦化浆料。为了避免层20和22的材料的反应，将使用非水性浆料。在传统上，可以通过检测驱动转矩或漩涡电流的变化或者通过原位可视化监视来确定阴极集电极层16的平面化停止。
在图1D所示的步骤中，已经在整个器件上形成绝缘保护层。在所示的示例中，这种保护由两个层28和30的层叠形成。应注意，保护层可以由适当材料的单层形成。层叠28/30负责保护在图1C的步骤中与空气接触的、层叠14的活性材料部分(层18和20)。为此，在整个结构上沉积的第一层28可以是陶瓷、Al2O3、SiN、或者ZrO2。层30是钝化层，该钝化层完成层28所提供的第一潮湿屏障级，而不必是防止锂扩散的屏障。作为示例，层30可以由SiO2制成。优选地，层28具有几十纳米的厚度，层30具有1μm左右的厚度。
第一贯通开口32形成在阳极集电极层26的一部分之上的层叠28/30中。开口32使得能够在阳极集电极层26上进行接触。在阴极集电极16的一部分之上、在衬底10的表面，在层叠28/30中形成第二贯通开口34。开口34使得能够在阴极集电极层16上形成接触部。
优选地，开口32和34具有范围在50μm至500μm之间的宽度。作为示例，开口32和34可以通过光刻形成，由于存在用于保护有源电池层的层叠28/30，使得可以使用这种方法。
在图1E所示的步骤中，已在开口32的位置以及在层叠28/30的区域上形成第一金属化部36。金属化部36在阳极集电极区域26上形成接触区域。在开口34的位置以及在层叠28/30的区域上形成第二金属化部38，以在阴极集电极区域16上形成接触区域。
作为示例，金属化部36和38可以通过在金属或导电层的完全平板沉积之后适当地蚀刻该层而形成。金属化部36和38可以由铝和钽、铝和钛、或者铝和钽氮化物的层叠而形成。
例如，通过在整个结构上沉积厚的氧化硅层、BCB、树脂、以及更通常的聚合抗蚀剂而在该结构上执行对整个器件(未示出)的封装。于是在封装层中形成两个贯通开口，以使得能够形成第一接触部和第二接触部。第一接触部40穿过封装而形成在金属化部36上，第二接触部42穿过封装而形成在金属化部38上。在所示的示例中，接触部40和42是通过引线键合方法而形成的示例。
因此，获得形成在薄膜中的平面锂离子型基本电池。然后执行对基本电池的切割步骤。有利地，在此公开的方法提供在低温(低于300℃)下执行的一系列步骤，该方法与活性锂化合物材料的各层的存在是兼容的，并且避免了这些材料的恶化。
图2A至图2B示出图1A至图1E的方法的第一变型的步骤的结果，这些步骤从图1D所示的结构开始执行(图1A至图1C的步骤是共同的)。
在图2A所示的步骤中，已在图1D所示的结构上形成下块金属化(UnderBump Metallization，UBM)层的两个部分44和46。在开口32的位置以及在层叠28/30的区域上形成部分44，在开口34的位置以及在层叠28/30的区域上形成部分46。为了形成这两个部分44和46，可以例如在图1D所示的整个器件上形成UBM结构，此后，可以例如通过树脂掩膜利用光刻来适当地蚀刻该结构。
在传统上，每一部分44和46由三层的层叠形成，第一层在下导电层(16或22)上提供键合，第二层形成防止下导电层与第三层之间的扩散的屏障，以及第三层提供焊料的粘附且改进其可湿性。
在图2A所示的步骤中，分别在UBM部分44、46上形成焊料块48、49。焊料块48和49可以通过任何已知方法形成在图2B所示的结构上。作为示例，焊料块48和49可以具有范围在200μm至250μm之间的直径。
于是可以执行图2B所示结构的封装，以保护该组件并且使其硬化。于是切割在衬底10上形成的基本电池。
图3A至图3D示出图1A至图1E所述的方法的第二变型的步骤的结果，这些步骤从图1C的结构开始执行(图1A和图1B是共同的)。
在图3A所示的步骤中，已在图1C所示的整个器件上形成绝缘保护结构。在所示示例中，该保护是由例如由与以上结合图1D所述材料的相同的材料制成的两个层28和30的层叠形成的。
在阳极集电极层26的一部分上、在层叠28/30中形成贯通开口50。开口50使得能够在阳极集电极层26上形成接触部。优选地，开口50具有范围在50μm至500μm之间的宽度。作为示例，开口50可以通过光刻形成，由于存在用于保护有源电池层的层叠28/30，使得可以使用这种方法。
在图3B所示的步骤中，已在开口50的位置以及在层叠28/30的区域上形成金属化部52。金属化部52在阳极集电极区域26上形成接触区域。作为示例，金属化部52可以由铝和钽、铝和钛、或者铝和钽氮化物的层叠形成。然后在整个器件上沉积例如由氧化硅或氧化物的合金以及氮化硅制成的覆盖金属化部52的绝缘钝化层54。
在图3C所示的步骤中，已在阴极集电极层16的一部分之上的钝化层52和层叠28/30中形成贯通开口56，以露出该层。作为示例，开口56可以借助于树脂掩膜通过光刻形成。
于是在开口56的位置以及在阴极集电极层16的区域上形成金属化部58。金属化部58在阴极集电极区域16上形成接触区域。然后在整个器件上沉积例如以氧化硅或氧化物的层叠以及氮化硅制成的绝缘钝化层(未示出)。作为示例，金属化部58可以由铝和钽、铝和钛、或者铝和钽氮化物的层叠形成。
在图3D所示的步骤中，已在上钝化层(未示出)中形成贯通开口，以在阴极金属化部58上形成接触部62。形成在上钝化层和钝化层54中的第二贯通开口60使得能够在金属化部52上形成接触部64。
在所示的示例中，接触部62和64是引线键合接触部。应注意，接触部62和64可以被制成焊料块的形式，金属化部52和58于是被UBM层叠所替换。
在图3A至图3D所示的变型中描述的方法具有避免了两个电池电极直接短路的优点。因而，如果所形成的电池不处于初始短路状态，则该变型是优选的。在相反的情况下(电池处于电极初始短路的状态)，可以使用图1A至图1E以及图2A至图2B所示的方法(在图1E和图2A所述的步骤中电极短路，之后对导电层36/38或UBM 44/46蚀刻)。
已经描述了本发明的具体实施例。对于本领域技术人员会想到各种改动和修改。特别地，应注意，图1A所示的初始结构可以通过在绝缘衬底上沉积绝缘层而获得，该绝缘层具有范围在5μm至30μm之间的厚度，且在该绝缘层中形成贯通开口。
此外，应注意，用于形成电池的有源层叠的材料在此仅作为示例而给出，并且可以使用任何能够被保形地沉积的材料，用于形成这些层。

Claims (10)

1.一种用于形成锂离子型电池的方法，包括以下连续步骤：
(a)在衬底(10)中形成沟道(12)；
(b)相继且保形地沉积层叠(14)，该层叠包括阴极集电极层(16)、阴极层(18)、电解质层(20)以及阳极层(22)，该层叠具有的厚度小于所述沟道的深度；
(c)在所述结构上形成填充所述沟道(12)中剩余的空间的阳极集电极层(26)；以及
(d)平坦化所述结构，以露出所述阴极集电极层(16)的上表面。
2.根据权利要求1所述的方法，在步骤(d)之后还包括以下步骤：
在所述结构上形成保护层(28，30)，并且在所述保护层中、在所述阳极集电极层(26)上限定第一贯通开口(32，50)，并且在所述阴极集电极层(16)上限定第二贯通开口(34，56)；以及
在所述第一开口和所述第二开口中以及在所述保护层的一部分上分别形成第一导电区域(36，44，52)和第二导电区域(38，46，58)。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括步骤：在所述第一导电区域(36，44，52)上形成第一接触部(40，48，64)，并且在所述第二导电区域(38，46，58)上形成第二接触部(42，49，62)。
4.根据权利要求1所述的方法，在步骤(c)之前还包括形成籽晶层(24)的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述阳极集电极层(26)是在所述籽晶层(24)上在低温下通过电解生长而形成的，所述籽晶层由钛和铜的层叠形成。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述衬底(10)由硅或氧化硅制成，所述阴极集电极层(16)以钛、钨、钼、钽、铂、或者这些材料的合金或层叠制成，所述阴极层(18)由钛锂氧代硫化物(LiTiOS)、钴锂氧化物(LiCoO2)、或者能够引入可在锂离子型电池中用作阴极的锂的任何材料制成，所述电解质层(20)由锂磷氮氧化物(LiPON)制成，所述阳极层(22)由硅、锗、碳、或者这些材料的合金或层叠制成，所述阳极集电极层(26)由铜制成。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极集电极层(16)、所述阴极层(18)、所述电解质层(20)以及所述阳极层(22)通过物理气相沉积(PVD)形成。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述保护层由包括第一层(28)和第二SiO2层(30)的层叠形成，所述第一层(28)由陶瓷、Al2O3、SiN或者ZrO2制成。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述沟道(12)具有范围在5μm至30μm之间的深度，所述阴极集电极层(16)具有范围在100nm至500nm之间的厚度，所述阴极层(18)具有范围在1μm至10μm之间的厚度，所述电解质层(20)具有范围在1μm至3μm之间的厚度，所述阳极层(22)具有范围在10nm至800nm之间的厚度。
10.一种锂离子型电池，包括：
衬底(10)，该衬底包括沟道(12)；
阴极集电极层(16)，在阴极集电极层在所述沟道的壁和底部上，并且在所述衬底上；
在所述阴极集电极层(16)上、沿着所述沟道(12)的壁和底部形成的包括阴极层(18)、电解质层(20)、阳极层(22)以及阳极集电极层(26)的层叠，所述层叠填充所述沟道；以及
保护层(28，30)，该保护层在所述绝缘层和所述层叠上延伸，在所述保护层中、分别在所述阳极集电极层(26)和所述阴极集电极层(16)上形成有第一贯通开口(32，50)和第二贯通开口(34，56)。
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