CN102255102A - 用于制造薄层电池的方法和相应的薄层电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造薄层电池的方法和相应的薄层电池，其中，为了形成所述电池（10）的层序列而将多个层（16，18，20，36，38）彼此相继地施加在衬底（14）的衬底表面上并且将先前施加的层至少之一（18，20，38）的不同区域（24，26，28；30，32，34；42，44，46）彼此横向分开。规定：所述分开借助于激光束来进行。本发明还涉及相应的薄层电池（10）。

Description

用于制造薄层电池的方法和相应的薄层电池

技术领域

本发明涉及一种用于制造薄层电池的方法，其中，为了形成电池的层序列而将多个层彼此相继地施加在衬底的衬底表面上并且将先前施加的层至少之一的不同区域彼此横向分开。

背景技术

构造成薄层电池或薄膜电池的电池已经公知。这种电池例如构造成锂离子电池并且由溅射或蒸镀层的层叠堆构成，所述溅射或蒸镀层由作为电解质的Li₃PO₄（或Li_xPO_yN_z）、作为阴极的Li_1+xCo_xO₂和作为阳极的锂硅合金构成。作为阴极例如使用金属层。

也适于不处于功率谱下端的应用的扩展构型是所谓的三维的薄层电池（3D薄层电池）。在这种三维的薄层电池中，在三维结构化的衬底表面上折叠施加在其上的薄层电池的可用面。因此，在衬底基面相同的情况下可储存多倍（例如四十倍）的容量，此外，所储存的电荷可更快速地接收和输出。由此也提供比在施加在平面衬底表面上的薄层电池情况下高的功率。

两个类型的薄层电池的共同点在于，层叠堆的对于电池功能而言所需的不同层必须不同地结构化。阴极与阳极之间的短路必须抑制，因为再小的泄露电流也可使电池的特性急剧变差。电极至少之一因此典型地必须成形得比电解质层小，以便避免所谓的“边缘短接（Randschlüsse）”。但对于这种薄层电池所使用的材料对空气和湿气敏感。微电子装置的“经典”制造方法、尤其是借助于光刻胶和显影剂化学进行光刻结构化因此仅仅在一定条件下合适。在三维的薄层电池中还附加添加难度：相应的衬底表面的相对高的拓扑可在光刻结构化时妨碍掩蔽。

发明内容

具有权利要求1中所述特征的根据本发明的方法提供优点：该方法即使在真空或保护气体氛围下也能够使层的各个层区域结构化。为此，根据本发明借助于激光束进行层区域的分开。不同区域的分开通过激光切割来进行。相应的用于激光切割的激光装置的激光束在此优选可被聚焦和取向为使得先前施加的层的材料被除掉。在此形成至少将在分开时刻处于最上方的层完全分离的切入口和在层内部不再彼此导电连接的层区域。通过扫过直到那时施加的层的表面的部分区域，层区域也可完全被去除。所述施加层尤其是沉积层。薄层电池优选构造成锂离子电池。

借助于激光束进行的这种分开可特别好地与层的气相沉积相组合。气相沉积或者是物理气相沉积（PVD：physical vapour deposition）或者是化学气相沉积CVD方法（CVD：chemical vapour deposition）。物理气相沉积优选是蒸镀和/或溅射，优选的CVD方法是ALD方法（Atomic Layer Depositon（原子层沉积））。衬底是半导体衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底和/或塑料衬底。如果衬底是半导体衬底，则在一个优选实施形式中在该半导体衬底上构造电子电路装置（集成电路）。

尤其是规定，所述层之一是阴极层，所述层之一是薄层电池的阳极层。

根据本发明方法的一个有利构型，规定下述方法步骤：（a）在衬底表面上或在先前施加在衬底表面上的绝缘层上施加第一层，在第一层上施加第二层，（b）将第二层的区域彼此横向分开和/或将第一层的区域彼此以及第二层的区域彼此横向分开，（c）在第二层上施加第三层，在第三层上施加第四层，以及（d）将第四层的区域彼此横向分开和/或将第三层的区域彼此以及第四层的区域彼此横向分开。

对于该方法步骤尤其适用：第一层是集流层，第二层是薄层电池的阴极层。构造成阴极层的第二层尤其是由LiCoO₂构成。在一个优选实施例中，所述第一的两个层不是单独结构化的，而是一起借助于激光束被结构化。为了结构化而运行相应的、具有与两个第一层的材料和厚度相匹配的参数的激光装置。尤其是通过这种结构化形成单独的第一区域和单独的第二区域，该单独的第一区域稍后向外形成阴极触点，该单独的第二区域稍后向外形成集流触点。第三层是电解质层，第四层是阳极层。在第二结构化步骤中，阳极层相对于处于其下方的电解质层选择性通过激光束切割并且电池的阳极区域与所述层的其余部分电绝缘。为了结构化而运行相应的、具有与第三和第四层的材料和厚度相匹配的参数的激光装置。电绝缘的第二区域设置在电池结构上，以便在稍后的步骤中制造与被掩埋的集流器的接触。

根据本发明的另一个有利构型，在施加第四层之前将第三层结构化。尤其是在此将第四层的电绝缘的第二区域内部的第三层的一个区域去除并且使第一和第二层的相应区域释放（freigestellt），以便在稍后的步骤中可直接制造与被掩埋的集流器或与阴极层的接触。

根据本发明的另一个有利构型规定，还施加覆盖层，所述覆盖层至少部分地覆盖这些层。对于这样的薄层电池所使用的材料对空气和湿气是敏感的并且通过覆盖层保护以免受这些影响。

尤其是规定，至少一个层的区域的分开是绝缘性分开，在所述绝缘性分开中，所述层的待分开的区域在所述层内部彼此电绝缘。

在本发明的一个优选构型中规定，阴极层和/或阳极层构造成层序列的被掩埋的层并且向外建立与其接触部（Kontaktierung）的穿通接触。

在本发明的另一个优选构型中规定，所述层至少之一的施加在气相沉积设备中执行并且所述层的区域的分开也在所述气相沉积设备中执行。优选全部层在同一个就地的气相沉积设备中沉积，其中所述分开也在所述气相沉积设备中执行。就地的气相沉积设备在沉积时以及在分开设备的环境空气时封装待制造和/或已制造的薄层电池。为了所述分开，该设备具有窗，激光束通过所述窗可到达设备内部。

尤其是规定，提供三维结构化的衬底表面，在所述衬底表面上施加所述层。这样制造的薄层电池是三维的薄层电池。在这种三维的薄层电池中，将施加在其上的薄层电池的可用面折叠到三维结构化的衬底表面上，因此，在衬底基面相同的情况下可储存多倍的容量，此外，所储存的电荷更快速地接收和输出。由此也提供了比在施加在平面衬底表面上的薄层电池情况下高的功率。

最后有利地规定，借助于激光束在至少一个区域中去除先前施加的层至少之一。

另外，本发明还涉及一种薄层电池，尤其是根据上述方法来制造的薄层电池，具有衬底和电池的层序列，所述层序列具有多个彼此相继施加在衬底的衬底表面上的层，其中，先前施加的层至少之一的不同区域通过至少一个分开结构彼此横向分开，并且其中所述分开结构由至少一个在所述层中借助于激光束制造的切入口形成。

根据所述薄层电池的一个有利的进一步构型规定，所述层之一是阴极层，所述层之一是阳极层。尤其是规定，阴极层和/或阳极层构造成层序列的被掩埋的层并且向外建立与其接触部的穿通接触。

尤其是规定，薄层电池构造成三维的薄层电池。为此，衬底具有相应结构化的衬底表面，三维的薄层电池的层序列的层施加在所述衬底表面上。

附图说明

下面借助于多个实施变型方案的附图来更详细描述本发明。附图示出：

图1至图5    根据本发明制造方法的优选实施形式的薄层电池的逐步的结构，其中图5示出了相应的薄层电池的剖面视图，

图6    根据本发明制造的三维的薄层电池的剖面视图，

图7    根据第一实施例的多个在共同衬底上制造并且在图5中所示的薄层电池的分割，以及

图8    根据第二实施例的多个在共同衬底上制造并且在图5中所示的薄层电池的分割。

具体实施方式

图1至图5示出了根据本发明制造方法的优选实施形式的薄层电池10的逐步的结构。在此，图1示出了构造成半导体衬底12的衬底14，该衬底上施加有（沉积的）绝缘层16。在绝缘层16上首先沉积一个构造成集流层的第一层18。接着在该第一层18上沉积第二层20，该第二层例如由LiCoO₂构成并且形成薄层电池10的阴极层。第一的两个层18、20在所示例子中不是单独地而是一起被结构化。

图2示出了第一的两个层18、20的接着的结构化。借助于未示出的用于激光切割的激光装置的合适的参数，借助于激光束引入在两个第一层18、20或第二层20的层厚上延伸的切入口22，所述切入口将待制造的电池10的阴极区域28电释放并且与其余区域24、26横向分开。处于其下方的集流层18的区域30、32、34在此至少在切入口22的一部分处也彼此横向分开。所述分开在所示实施例中与第二层20（阴极层）的区域的分开同时进行。必要时，也可选择性地将具有其它参数的接触部区域24与有源的阴极材料分开，但在此集流层（第一层18）必须绝对保持无损，即能导电。相应的部位在图2中通过标记M来表示。

图3示出了在第二层20上沉积的第三层36和沉积在第三层336上的第四层38，该第三层构造成电解质层，该第四层构造成阳极层。被掩埋的层又不进行结构化。此外，阴极层的也被掩埋的结构用虚线示出。

在另一个结构化步骤中，为了将区域42、44、46分开而借助于激光束在第四层38中引入切入口40。借助于该激光结构化，第四层38（阳极层）选择性地相对于处于其下方的第三层36（电解质层）通过激光束和匹配的参数被切开并且电池10的阳极区域42与层38的其余区域44、46因此被电绝缘。这在图4中示出。电绝缘的第二区域46设置在电池结构上，以便在后面的步骤中建立与被掩埋的第一层18（集流层）的接触（在此用点线示出）。

视阳极材料而定，阳极层（第四层38）可直接被接触或者还必须涂覆合适的材料。为了接触阴极层（第二层20），例如借助于激光局部地将阴极区域中的合适的材料加热，由此通过材料扩散到电解质层（第三层36）中和阴极层（第二层20）中而建立能导电的穿通接触部48（通孔连接）（参见图5）。如果阳极层（第四层38）不是已经由合适的材料构成，则例如可施加并且加热合适的膏。阴极的接触面50和阳极的接触面52被形成。最后可以选择性地给电池10设置钝化层（未示出），以便提高电池的寿命。阴极和阳极的接触因此应匹配。

图5描述了在该情况下被掩埋的阴极层借助于“激光烧结”即借助于局部加热先前被绝缘的焊盘区域46来接触。通过提高温度激活例如也存在于该区域中的上面的金属或专门施加的膏的扩散并且局部地掺杂经过电解质层。两个电极层（第二层20和第四层38）因此可从上侧接触。未示出的其它变型方案是或者横向地例如通过引入或处理到衬底14中的电路、或者通过衬底14中的接触部（通孔）来接触下部的电极层（第二层20），其中所述衬底14中的接触部（通孔）能够实现从衬底背侧的接触。视导电能力而定，也可使用衬底14本身作为引线，但每个串联电阻降低电池10的功率值。在另一个变型方案中，第三层（电解质层）36在施加第四层（阳极层）38之间选择性地去除并且因此使否则被掩埋的层可接触地被释放。在施加钝化层时应相应匹配接触的过程。

因此，通过掩蔽方法的不相关性也可将衬底14以任意拓扑（例如深的沟或孔）结构化。这尤其是在图6中所示的三维薄层电池54的制造方面是有利的。因为激光结构化与未结构化衬底14的掩模或状态不相关，所以必要时仅须将沉积与衬底14匹配，但不是结构化。三维的薄层电池54的衬底14是三维的结构化的衬底56，该衬底例如具有彼此平行延伸的沟58，所述沟允许产生三维折叠的薄层电池（三维的薄层电池54）。

通过将层16、18、20、36、38预先结构化可将电池10最后分割，而例如不存在由于在锯开时电池材料散布而造成短路的风险。功能区域与半导体衬底12的边缘绝缘。在附图中，阳极的切割线60关于阴极切口的切割线62稍微向外移动。通过合适地定位切入口22、40，也可避免例如由于在第一次激光结构化时抛出材料而短路，所述抛出材料例如刺透电解质层。

图7示出了在分割电池10时的衬底14。决定性的是，在通过激光结构化锯开时的短路可被可靠抑制。

作为替换方案，在无干扰性抛出情况下合适地结构化下方的层时，阳极的结构化也可借助于一个步骤来进行，在该步骤中，薄层电池的上部的层（第四层38）仅仅被锯开。该层38的在此形成的区域是阳极区域42，该阳极区域具有阳极的接触面52，另一个区域是阴极区域28中的设置在阳极下方的阴极的接触区域50。

图8中示出了一个变型方案，其中敏感的含锂离子的层通过上部的金属层或第一钝化层直到被锯开而得到保护。只是通过沿着线64有目的地锯开上部的层（第四层38）以及金属或钝化层并且通过沿着线66锯开总结构而接着分割所述总结构的分配给各个电池10的部分，电池10就制造完毕。在此，通过结构化被隐藏的层而可保证在锯开时不形成短路。可接着施加（另一个）钝化层（例如Al₂O₃，借助于ALD：Atomic Layer Deposition(原子层沉积)）。

所述结构当然也可以其它顺序即通过被掩埋的阳极层和上方的阴极层来实现。

作为衬底考虑多种材料，重要的是对在沉积层时所需的温度的抗耐性，以及必要时在激光结构化时足够的选择性。示例性地可列举：

硅衬底，必要时具有集成电路或集成的微机械结构元件，或者具有穿通接触部，

玻璃衬底，必要时具有集成的穿通接触部，

陶瓷，以及

温度稳定的聚合物。

薄层电池的各个功能面（例如集流器，阴极，电解质，阳极，集流器，钝化，参见图1）彼此相继地施加尤其是沉积。通过用合适的方法、典型地用具有匹配的波长、功率、脉冲长度、脉冲频率和/或扫描速度的激光方法处理而将绝缘切口引入到各自的层中。通常这在施加下一个层之前进行。目的在于，可靠地横向绝缘期望的层，但处于其下方的层必要时不受损害或不影响其功能。

结构化在激光方法中也可就地例如通过沉积设备的腔中的相应的光学窗来进行。腔被在切割时脱离的微粒污染可通过合适的措施避免，例如将腔抽真空或保护气体冲刷。

激光结构化与衬底状态无关，即例如也可处理具有大拓扑的预先结构化的衬底（3D薄层电池）。

得到下面的优点：

· 显著改善的用于使层结构化的可能性，尤其是与遮蔽掩模相比较。衬底（尤其是晶片）上的位置可得到明显更有效的利用并且下脚料减少。

· 通过限制到简单的绝缘切口，衬底上的面的结构化例如可在几分钟之内并且由此与例如光刻方法和单独蚀刻步骤相比极快速地进行。

· 结构化仅与衬底的实际上去除的区域相互作用。其余区域的结构和形状是任意的，只要不产生遮蔽。由此在衬底中可存在深的结构或通孔。

· 通过将沉积和结构化分开，也不进行掩蔽的“下溢（Unterlaufen）”，例如在CVD方法和遮蔽掩模情况时会出现的那样——例如在非完美平坦地贴靠的遮蔽掩模下沉积的情况。

· 不仅从一个衬底到下一个衬底而且在考虑可分割性情况下在一个唯一衬底上，电池大小和形状可快速且灵活地满足要求。不需要用于制造掩模的外部步骤，仅须改变激光编程。

· 可以节省“在芯片上”位置地通过使层相应结构化来实现：为了提高可用电压而将不同电池串联连接。

· 就地结构化的可能性允许在无真空断裂或无对空气和湿分敏感地作出反应的锂层与损害性或甚至毁坏性氛围接触的情况下制造这种电池10。为此仅须在沉积设备中设置光学窗，其中该沉积设备允许必要时在不同腔中沉积所需全部的层。

Claims (11)

1. 用于制造薄层电池（10）的方法，其中，为了形成所述电池（10）的层序列而将多个层（16，18，20，36，38）彼此相继地施加在衬底（14）的衬底表面上并且将先前施加的层（18，20，38）至少之一的不同区域（24，26，28；30，32，34；42，44，46）彼此横向分开，其特征在于：所述分开借助于激光束来进行。

2. 根据权利要求1的方法，其特征在于：所述层之一（20，38）是阴极层，以及所述层之一（38，20）是阳极层。

3. 根据上述权利要求之一的方法，其特征在于下述步骤：

-在所述衬底表面上或在先前施加在所述衬底表面上的绝缘层（16）上施加第一层（18），在所述第一层（18）上施加第二层（20），

-将所述第二层（20）的区域（24，26，28）彼此横向分开或者将所述第一层（18）的区域（30，32，34）彼此以及所述第二层（20）的区域（24，26，28）彼此横向分开，

-在所述第二层（20）上施加第三层（36），在所述第三层（36）上施加第四层（38），以及

-将所述第四层（38）的区域（42，44，46）彼此横向分开或者将所述第三层（36）的区域彼此以及所述第四层（38）的区域彼此横向分开。

4. 根据权利要求2或3的方法，其特征在于：所述阴极层和/或阳极层构造成所述层序列的被掩埋的层（18，20，36）并且向外建立与其接触部的穿通接触（48）。

5. 根据上述权利要求之一的方法，其特征在于：另外施加覆盖层，所述覆盖层完全或部分地覆盖所述层（16，18，20，36，38）。

6. 根据上述权利要求之一的方法，其特征在于：至少一个层的区域（24，26，28；30，32，34；42，44，46）的分开是绝缘的分开，在所述绝缘的分开中，所述层（18，20，38）的待分开的区域（24，26，28；30，32，34；42，44，46）在该层（18，20，38）内部彼此电绝缘。

7. 根据上述权利要求之一的方法，其特征在于：所述层（16，18，20，36，38）至少之一的施加在气相沉积设备中执行并且至少一个层（18，20，38）的区域（18，20，38）的分开也在所述气相沉积设备中执行。

8. 根据上述权利要求之一的方法，其特征在于：提供三维结构化的衬底表面，在所述三维结构化的衬底表面上施加所述层（16，18，20，36，38）。

9. 根据上述权利要求之一的方法，其特征在于：借助于激光束在至少一个区域中去除所述先前施加的层（16，18，20，36，38）至少之一。

10. 薄层电池（10），尤其是根据上述权利要求之一的方法来制造，具有衬底（12）和所述电池（10）的层序列，所述层序列具有多个彼此相继施加在所述衬底（14）的衬底表面上的层（16，18，20，36，38），其中，先前施加的层（18，20，38）至少之一的不同区域（24，26，28；30，32，34；42，44，46）通过至少一个分开结构（22，40）彼此横向分开，其中，所述分开结构（22，40）由至少一个在所述层（18，20，38）中借助于激光束制造的切入口（22，40）形成。

11. 根据权利要求10的薄层电池，其特征在于：所述层之一（20，38）是阴极层，以及所述层之一（38，20）是阳极层。

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