CN102035030A - 用于形成垂直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，包括以下步骤：在至少局部导电的衬底上形成绝缘层，该绝缘层具有贯通开口；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绝缘层的厚度；在所述结构上形成阳极集电极层，该阳极集电极层填充所述开口中剩余的空间；以及平坦化所述结构，以露出所述绝缘层的上表面。

Description

用于形成垂直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垂直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，该电解质在宽范围的温度下还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、典型地为尺寸小于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，对于这类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，可以考虑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。这样的技术的实现方式因此对于制造锂离子型电池而言是复杂的。
因此，需要一种方法，使得能够以薄膜技术形成相对廉价的锂离子型电池，适用于存在形成此电池的高活性材料的情况。
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供一种方法，使得能够形成垂直薄膜锂离子型电池，与这样的电池中存在的材料的反应性兼容。
本发明的实施例的另一目的在于提供一种方法，用于以合理的成本形成小型垂直薄膜锂离子型电池。
因而，本发明的实施例提供一种用于形成锂离子型电池的方法，包括以下步骤：(a)在至少局部导电的衬底上形成包括贯通开口的绝缘层；(b)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(stack)，该层叠具有的厚度小于所述绝缘层的厚度；(c)在所述结构上形成填充所述开口中的剩余空间的阳极集电极层；以及(d)平坦化该结构，以露出所述绝缘层的上表面。
根据本发明的实施例，所述方法在步骤(d)之后还包括步骤：在所述结构上形成至少一个保护层，在所述阳极集电极层上的所述保护层中形成开口，以及在所述保护层的开口中以及所述保护层的一部分之上形成导电区域。
根据本发明的实施例，所述方法还包括步骤：在所述导电层上形成第一接触部，以及在所述衬底上形成第二接触部。
根据本发明的实施例，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形成的，所述籽晶层以钛和铜的层叠形成。
根据本发明的实施例，所述衬底以掺杂硅或者金属制成，所述阴极集电极层以钛、钨、钼、钽、铂、或者这些材料的层叠制成，所述阴极层以钛锂氧代硫化物(LiTiOS)、钴锂氧化物(LiCoO2)、或者能够引入锂的任何材料制成，所述电解质层以锂磷氮氧化物(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，以及所述阳极集电极层以铜制成。
根据本发明的实施例，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(PVD)形成的。
根据本发明的实施例，所述保护层是以第一层和第二SiO2层的层叠形成的，所述第一层以陶瓷、Al2O3、SiN或ZrO2制成。
根据本发明的实施例，所述绝缘层具有范围在5μm至30μm之间的厚度，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。
本发明的实施例还提供一种锂离子型电池，包括：支撑绝缘层的至少局部导电的衬底，该绝缘层包括第一贯通开口；以及在所述开口的壁和底部上的包括阴极集电极层、阴极层、电解质层、阳极层以及阳极集电极层的层叠，所述层叠填充所述第一开口。
附图说明
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，其中，图1至图7示出根据本发明实施例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1至图7示出用于形成锂离子型电池的方法的步骤的结果。
在图1所示的步骤中，从包括导电衬底10的结构开始，在导电衬底10上形成绝缘材料层12。在绝缘材料层中形成开口14，该开口14跨越该层的整个厚度。作为示例，衬底10可以具有范围在500μm至800μm之间的厚度，并且可以由掺杂硅或者金属制成。绝缘层12可以由氧化硅制成。
为了获得这种结构，绝缘层可以全部沉积在导电衬底10上，此后，借助于预先形成所适用的图案的树脂，可以通过光刻而蚀刻该层以创建开口14。优选地，氧化物层具有范围在5μm至30μm之间的厚度。
应注意，在图1以及之后的附图中，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(battary)。其中，绝缘区域12使得能够为不同的基本电池定界。作为示例，两个相邻电池的有源区域可以分隔开小于1mm的距离，例如范围在200μm至500μm之间的距离。应注意，两个基本电池之间的划线(scribe line)可以小于100μm。
在图2所示的步骤中，在绝缘部分12的上表面和壁上，以及在导电衬底10的外表面上，在图1的器件上形成了形成锂离子型电池的不同层的层叠16。层叠16可以是通过连续的物理气相沉积(PVD)而形成的。
层叠14包括以下各层。
-形成阴极集电极的第一层18。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20，以例如LiTiOS(钛锂氧代硫化物)、LiCoO2(钴锂氧化物)或者LiFePO4(锂铁磷酸盐)的材料制成，具有范围在1μm至10μm之间的厚度。更通常地，层20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22，例如以LiPON(锂磷氮氧化物)或能够形成固态锂离子单格电池的电解质的任何其它材料制成。第三层22具有范围在1μm至3μm之间的厚度。
-形成电池阳极的第四层24，例如以硅、锗、碳或这些材料的层叠或合金制成。第四层具有范围在10nm至800nm之间的厚度。
因此，形成锂离子型电池的有源部分的层18至24的层叠16可以具有范围在5μm至15μm之间的厚度，该厚度小于绝缘层12的厚度。
在层叠16上形成有形成用于阳极集电极的籽晶层的第五层26。作为示例，该层可以由钛和铜的层叠形成。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22和24。作为示例，籽晶层26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26可以省略。
在图3所示的步骤中，在籽晶层26上已在低温下(以免引起以锂化合物制成的各层的反应)通过电解生长而形成例如以铜制成的阳极集电极层28。提供了电解生长，从而铜28完全填充开口14中剩余的空间，并且还形成在位于绝缘区域12上的层26中的部分的表面。
在图4所示的步骤中，执行了对图3所示结构的平坦化或抛光，以移除位于绝缘材料部分12的上表面上的所有的层，从而露出该绝缘材料。
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16的不同的层，可以连续使用不同类型的平坦化浆料。为了避免层20和22的材料的任何反应，使用非水性浆料。
在图5所示的步骤中，在整个器件上形成绝缘保护层。在所示示例中，这种保护是以两个层30和32的层叠而形成的。层叠30/32负责保护在图4的步骤中与空气接触的层叠16中的活性材料的部分(层20和22)。为此，沉积在整个结构上的第一层30可以是陶瓷、Al2O3、SiN、ZrO2、或可能形成防止潮湿和锂扩散的屏障的任何其它材料。层32是钝化层，该钝化层使得能够完成通过层30所提供的第一潮湿屏障级，而无需是防止锂扩散的屏障。作为示例，层32可以由SiO2制成。优选地，层30具有几十纳米的厚度，层32具有1μm左右的厚度。
在阳极集电极层28的一部分上，在层叠30/32中形成开口34。优选地，开口34具有范围在50μm至500μm之间的宽度。开口34使得能够在阳极集电极层28上形成接触部。作为示例，开口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30/32，使得可以使用这种方法。
在图6所示的步骤中，在开孔34的位置以及在在层叠30/32的区域上形成金属化部36。金属化部36在阳极集电极区域28上形成接触区域。作为示例，金属化部36可以通过在金属或导电层的完全平板沉积之后适当蚀刻该层而形成。金属化部36可以由铝和钽、铝和钛、或者铝和钽氮化物的层叠而形成。
在图7所示的步骤中，图6的器件已经被封装(未示出)，并且已经在电池的两侧形成接触部。作为示例，该封装可以通过在整个结构上沉积氧化硅和氮化硅的层叠、BCB、聚合抗蚀剂等来执行。于是在封装层中形成开口(未示出)，以使得能够在金属化层36上形成第一接触部38(阳极接触部)。接触部38可以通过任何已知的方法(例如引线键合类型方法)形成在金属化部36上。
对于阴极，在衬底10的下表面上、在层18至28的层叠的前面形成第二接触部。例如，可以在衬底10的下表面上形成导电区域40，可以在导电区域40上焊接引线42。应注意，作为变型，下接触部也可以通过将电池放在其表面形成有导电轨道的支撑物上而形成。
这样，获得形成在薄膜中的垂直锂离子型基本电池。然后执行对基本电池的切割的步骤。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。
以上已经描述了本发明的具体实施例。本领域技术人员会想到各种改动和修改。特别地，应注意，也可以通过在绝缘衬底中形成沟道而获得图1所示的初始结构，该绝缘衬底被制成为在沟道位置是局部导电的，以使得能够在衬底的背面上形成接触部40。
此外，用于形成电池的有源层叠的材料可以不同于以上提及的材料，也就是说，可以为使得能够形成薄膜锂离子型电池的任何已知的材料。

Claims (10)

1.一种用于形成锂离子型电池的方法，包括以下步骤：
(a)在至少局部导电的衬底(10)上形成绝缘层(12)，该绝缘层包括贯通开口(14)；
(b)相继且保形地沉积层叠(16)，该层叠(16)包括阴极集电极层(18)、阴极层(20)、电解质层(22)以及阳极层(24)，该层叠具有的厚度小于所述绝缘层的厚度；
(c)在所述结构上形成阳极集电极层(28)，该阳极集电极层(28)填充所述贯通开口(14)中剩余的空间；以及
(d)平坦化该结构，以露出所述绝缘层(12)的上表面。
2.根据权利要求1所述的方法，在所述步骤(d)之后还包括以下步骤：
在所述阳极集电极层(28)之上，在所述结构上形成至少一个保护层(30，32)，并且在所述保护层中限定开口(34)；以及
在所述保护层的开口中以及在所述保护层的一部分之上形成导电区域(36)。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在所述导电层(28)上形成第一接触部(38)且在所述衬底(10)上形成第二接触部(42)的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，在所述步骤(c)之前还包括形成籽晶层(26)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(28)是在所述籽晶层(26)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)由掺杂硅或者金属制成，所述阴极集电极层(18)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(20)由钛锂氧代硫化物(LiTiOS)、钴锂氧化物(LiCoO2)、或者能够引入锂的任何材料制成，所述电解质层(22)由锂磷氮氧化物(LiPON)制成，所述阳极层(24)由硅、锗、碳、或者这些材料的合金或层叠制成，以及所述阳极集电极层(28)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(18)、所述阴极层(20)、所述电解质层(22)以及所述阳极层(24)是通过物理气相沉积(PVD)形成的。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述保护层是由第一层(30)和第二SiO2层(32)的层叠形成的，所述第一层(30)由陶瓷、Al2O3、SiN或ZrO2制成。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述绝缘层具有范围在5μm至30μm之间的厚度，所述阴极集电极层(18)具有范围在100nm至500nm之间的厚度，所述阴极层(20)具有范围在1μm至10μm之间的厚度，所述电解质层(22)具有范围在1μm至3μm之间的厚度，所述阳极层(24)具有范围在10nm至800nm之间的厚度。
10.一种锂离子型电池，包括：
支撑绝缘层(12)的至少局部导电的衬底(10)，该支撑绝缘层(12)包括第一贯通开口(14)；以及
在所述开口(14)的壁和底部上的包括阴极集电极层(18)、阴极层(20)、电解质层(22)、阳极层(24)以及阳极集电极层(28)的层叠，所述层叠填充所述第一开口。
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