CN104347837B

CN104347837B - 电池单元以及用于制造电池单元的方法

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Publication number: CN104347837B
Application number: CN201410370246.8A
Authority: CN
Inventors: B·格勒; M·佐尔格; M·福斯特; K·施穆特
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: DE102014110839A1; US20150037685A1; US9627670B2; CN104347837A

Abstract

本发明公开了一种电池单元以及用于制造电池单元的方法，并且具体地，实施例提供了一种包括多孔隔膜的电池单元，多孔隔膜包括转换的半导体材料。多孔隔膜将电池单元的第一半单元和第二半单元分隔开。多孔隔膜包括允许离子和/或电解质在第一半单元和第二半单元之间移动的通道。

Description

电池单元以及用于制造电池单元的方法

技术领域

本公开涉及一种电池单元以及用于制造电池单元的方法。

背景技术

随着诸如笔记本、便携式电话、照相机和其他的便携式电子设备的使用增多以及随着电驱动汽车的使用增多，具有高能量密度的二次或者可再充电电池作为用于这些设备的电源已经受到增多的关注。这样的可再充电电池的示例是锂离子可再充电电池。

此外，需要相对较低量电能的集成电路或电子器件越来越多用于许多应用中。因此，将需要提供可以向这些集成电路或电子器件供应能量的小型化电池。

发明内容

根据第一方面，实施例提供了一种用于提供或制造电池单元的方法。方法包括形成半导体衬底的多孔部分。多孔部分提供或者用作用于将电池单元的第一半单元与第二半单元分隔开的隔膜。隔膜包括允许离子和/或电解质在第一半单元和第二半单元之间移动的通道。

根据另一方面，实施例提供了一种用于在多个单独的衬底层的堆叠中提供电池单元的方法。方法包括向第一半导体衬底层的第一表面中形成对应于第一半单元的第一空腔的至少一部分，以使得第一空腔的底部由第一表面以下的衬底材料限定。向第一空腔的底部中形成多孔半导体材料部分，以使得第一空腔的底部由多孔半导体材料部分提供。向第一衬底层的与第一表面相对的第二表面中形成对应于第二半单元的第二空腔的至少一部分，以使得第二空腔的底部由多孔半导体材料部分提供。多孔半导体材料部分提供了用于将电池单元的第一半单元与第二半单元分隔开的隔膜。隔膜包括允许离子和/或电解质在第一空腔和第二空腔之间移动的通道。第一半单元和/或第二半单元的其他部分形成在至少一个其他单独的半导体衬底层中。第一半导体衬底层和至少一个其他单独的半导体衬底层被堆叠以获得电池单元或者其至少部分。

根据另一方面，实施例涉及一种电池单元。电池单元包括半导体衬底的多孔部分。多孔部分提供或者用作用于将电池单元的第一半单元与第二半单元分隔开的隔膜。隔膜包括允许离子和/或电解质在第一半单元和第二半单元之间移动的通道。

根据另一方面，实施例涉及一种用于制造电池单元的方法，包括将半导体材料转换为多孔隔膜。多孔隔膜被配置用于将电池单元的第一半单元与第二半单元分隔开，并且包括允许离子和/或电解质在第一半单元和第二半单元之间移动的通道。

根据另一方面，实施例涉及一种用于制造电池单元的方法，包括形成多孔隔膜，形成多孔隔膜包括增加半导体材料的多孔性。在增加多孔性之后，方法进一步包括氧化半导体材料。

根据另一方面，实施例涉及一种电池单元，包括正电极、负电极、以及在正电极和负电极之间的多孔隔膜。多孔隔膜主要包括氧化的半导体材料。此外，电解质与正电极、负电极和多孔隔膜接触。

根据另一方面，实施例涉及一种用于制造电化电池的方法，包括将半导体材料转换为多孔隔膜，其中多孔隔膜被配置用于将电化电池的第一半单元与第二半单元分隔开。多孔隔膜包括允许离子和/或电解质在第一半单元和第二半单元之间移动的通道。在一个或多个实施例中，电化电池可以是电池单元。在一个或多个实施例中，电化电池可以是燃料电池。

根据另一方面，实施例涉及一种用于制造电化电池的方法，包括形成多孔隔膜，形成多孔隔膜包括增加半导体材料的多孔性。在增加多孔性之后，方法进一步包括氧化半导体材料。在一个或多个实施例中，电化电池可以是电池单元。在一个或多个实施例中，电化电池可以是燃料电池。

根据另一方面，实施例涉及一种电化电池，包括阳极、阴极、以及在阳极和阴极之间的多孔隔膜。多孔隔膜主要包括氧化的半导体材料。在一个或多个实施例中，电化电池可以是电池单元。在一个或多个实施例中，电化电池可以是燃料电池。在一个或多个实施例中，基本上所有多孔隔膜可以是氧化的半导体材料。在一个或多个实施例中，氧化的半导体材料可以是硅玻璃。

根据另一方面，实施例涉及一种电化电池，包括阳极、阴极、以及在阳极和阴极之间的多孔隔膜。多孔隔膜主要包括硅玻璃。在一个或多个实施例中，基本上所有多孔隔膜可以是硅玻璃。在一个或多个实施例中，电化电池可以是电池单元。在一个或多个实施例中，电化电池可以是燃料电池。

根据另一方面，实施例涉及一种包括多孔隔膜的电池单元，多孔隔膜包括转换的半导体材料。多孔隔膜将电池单元的第一半单元与第二半单元分隔开。多孔隔膜包括允许离子和/或电解质在第一半单元和第二半单元之间移动的通道。转换的半导体材料可以对于离子和/或电解质的侵蚀基本上是惰性的。

附图说明

以下将仅借由示例的方式并且参考附图描述装置和/或方法的一些实施例，其中：

图1示出了用于形成电池单元的示例性方法的流程图以及得到的电池单元；

图2a、图2b、图2c示出了用于形成电池单元的方法以及得到的电池单元的另一实施例；

图3示出了用于向第一衬底中形成多孔分隔体薄膜的过程的实施例；

图4示出了向单独的半导体层的堆叠中集成的电池单元的实施例；以及

图5示出了耦合至集成在形成了电池单元的堆叠的至少一个单独的层中的电路的电池单元。

图6示出了燃料电池的实施例的框图。

具体实施方式

现在将更充分地参照其中示出了一些示例性实施例的附图来描述各个示例性实施例。在附图中，为了明晰可以扩大线条、层和/或区域的厚度。

因此，尽管示例性实施例能够具有各种修改形式和备选形式，但是借由附图中的示例示出了其实施例，并且在本文中将详细描述。然而应该理解的是，并非意在将示例性实施例限定于所公开的具体形式，而是与之相反，示例性实施例将覆盖落入本公开的范围内的所有修改形式、等价形式以及备选形式。贯穿对附图的描述相同附图标记表示相同或相似的元件。

应该理解的是，当元件被称作“连接”或者“耦合”至另一元件时，其可以直接连接或者耦合至另一元件，或者可以存在居间元件。相反地，当元件被称作“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在居间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应该以类似方式理解(例如“在……之间”相对于“直接在……之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等)。

在本文中使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并且并非意在限定示例性实施例。如在本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文明确给出相反指示。应该进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“具有”规定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并未排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。

除非明确给出相反限定，在本文中使用的所有术语(包括技术和科技术语)具有示例性实施例所属技术领域的技术人员通常理解的相同含义。应该进一步理解的是，例如那些在通常使用的词典中限定的术语应该解释为具有与相关领域的背景中它们含义一致的含义，并且不应以理想化或过度正式的意义解释，除非在本文中明确限定。

以下说明书中使用的术语“载体”或“半导体载体”可以包括具有半导体表面的任何基于半导体的材料。载体和结构应该理解为包括硅(Si)、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SoS)、掺杂和未掺杂的半导体、由基底半导体基座支撑的硅外延层、以及其他半导体结构。此外，术语“载体”或“半导体载体”进一步包括任何种类的半导体层，其可以是单晶、多晶或非晶的，其形成在合适的衬底材料上。此外，载体可以包括绝缘体。具体示例包括玻璃，例如石英玻璃(例如SiO₂)、陶瓷或聚合物。此外，术语“衬底”也可以包括具有半导体表面的任何基于半导体的结构。半导体未必是基于硅的。半导体也例如可以是碳化硅、硅锗、锗、锗、氮化镓或砷化镓。衬底可以包括半导体或绝缘体。具体示例包括玻璃(例如氧化硅，SiOx)、陶瓷或聚合物。

在本说明书上下文中使用的术语“连接”或“互连”意味着相应部件可以相互信号连接。例如，其他元件可以设置在部件之间。此外，相应部件未必物理地连接，只要信号可以在它们之间交换。此外，术语“连接”和“互连”也涵盖其中例如未施加电压的情形。

电池包括一个或多个电池单元。在一个示例中，电池可以是单个电池单元。在另一示例中，电池可以包括多个电池单元。电池单元可以耦合在一起(例如电耦合在一起)。电池单元可以以串联和/或并联配置电耦合在一起。电池单元可以是不可再充电的一次电池单元。电池单元可以是二次电池单元，该二次电池单元是可再充电的电池单元。电池可以是包括一个或多个不可再充电的一次电池单元的一次电池。电池可以是包括一个或多个可再充电的二次电池单元的二次电池。电池单元也可以称作原电池。

电池(例如电池单元)可以从发生在单元内的自发氧化还原反应获取电能。电池单元是电化电池的示例。

电化电池的另一示例是燃料电池。与电池单元相反，燃料电池可以不用完或者需要再充电。其可以工作，只要从单元外部连续提供燃料和氧化剂。燃料电池可以采用氧气或另一氧化剂将来自燃料的化学能转换为电能。氢气是燃料的示例。也可以使用诸如天然气和类似甲醇的酒精之类的碳氢化合物。燃料电池可能需要燃料和氧气/空气的恒定来源以维持化学反应。它们可以能够产生电能，只要供应这些输入。应该理解的是，虽然根据电池单元讨论了在本文中所描述的构思，但是它们也适用于其他形式的电化电池，诸如例如燃料电池。

电池单元可以包括由盐桥连接的两种不同金属。电池单元可以包括由多孔隔膜分隔开的个体半单元。每个半单元可以至少包括导电电极和电解质。电解质可以能够输运离子。在一个或多个实施例中，每个半单元的电解质可以不同。在一个或多个实施例中，半单元的电解质可以包括相同的电解质。半单元可以理解为电池单元的局部单元。

因此，电池单元可以包括第一半单元和第二半单元。第一半单元和第二半单元可以由多孔隔膜分隔开。第一半单元可以包括正电极。在一个或多个实施例中，对于可再充电电池单元而言，正电极可以在放电期间用作阴极，并且在再充电期间用作阳极。对于可再充电电池单元而言，负电极可以在放电期间用作阳极，并且在再充电期间用作阴极。

用于电池单元的电解质可以例如包括固体、液体和/或胶体。在一个或多个实施例中，电解质可以包括非固体电解质。在一个或多个实施例中，电解质可以包括液体电解质和/或胶体电解质。在一个或多个实施例中，电解质可以包括液体电解质。在一个或多个实施例中，电解质可以包括胶体电解质。在一个或多个实施例中，胶体电解质可以包括聚合物材料。

作为示例，可再充电锂离子电池单元可以包括：包含例如含锂的过渡金属氧化物等的正电极、包含例如碳材料的负电极、非水性电解质，以及设置在正电极和负电极之间的分隔体隔膜。

图1示意性示出了根据实施例的用于提供(例如形成)电池(例如电池单元)的示例性制造方法1或工艺的流程图。

以下所描述的工艺1可以使用半导体技术中广泛已知的若干方法或动作。因此，关于制造电池单元而执行的任何动作也可以用于处理可以形成在相同芯片上的集成电路。在附图中示出的示例仅示出了制造电池单元元件的示例性动作。然而，明显可以理解的是，所采用的工艺或其一部分也可以用于处理与电池单元集成的电路元件，尽管附图中并未明确示出。

根据实施例，用于提供(例如形成)电池单元的方法1包括动作S10，从半导体衬底的一部分形成多孔隔膜。多孔隔膜可以能够将电池单元的第一半单元与第二半单元分隔开。在一些实施例中，半导体衬底例如可以是半导体晶片。多孔隔膜可以包括允许例如锂离子的离子和/或电解质自身在第一半单元和第二半单元之间移动或穿行的通道。在一个或多个实施例中，用于每个半单元的电解质可以例如是胶体电解质(诸如聚合物胶体电解质)。在一个或多个实施例中，用于每个半单元的电解质可以是液体电解质。在一些实施例中，用于每个半单元的电解质可以是任何非固体电解质。多孔隔膜可以是允许特定分子或离子(诸如通过迁移或扩散)穿过其的(半透性)隔膜，该离子例如在Li离子电池的情形中为锂离子。

如稍后所述，多孔隔膜对于电解质和/或由电解质所输运的离子(例如锂离子)的侵蚀而言是抵抗性或者惰性的。

此外，方法1可以包括另一可选的动作S20，提供(例如通过形成)第一半单元和/或第二半单元。已经如上描述了第一和第二半单元。如上所述，第一半单元和第二半单元可以均包括电极以及电解质。第一半单元的电极可以例如是正电极(例如阳极)或负电极(例如阴极)。同样地，第二半单元的电极可以是负电极或正电极(因此，第二半单元的电极可以是第一半单元的相反电极)。

第一半单元的电极和/或第二半单元的电极可以均位于与多孔隔膜分离的层(例如半导体层)中。第一半单元的电极可以例如形成在与用于多孔隔膜的半导体衬底不同的半导体衬底(例如半导体晶片)中。同样地，用于第二半单元的电极可以例如形成在与多孔隔膜的半导体晶片不同的半导体衬底(例如半导体晶片)中。在一些实施例中，第一半单元的电极可以包括导电层(例如金属层)。导电层可以是箔。同样地，在一些实施例中，第二半单元的电极可以包括导电层(例如金属层)。该导电层可以是箔。

因此，电池单元可以包括两个或多个单独的层。单独的层可以例如包括两个或多个单独的半导体衬底。单独的层可以包括一个或多个半导体层以及一个或多个导电层(诸如箔，例如袋状箔(pouch foil))。

在方法1的另一可选的动作S30中，可以堆叠或者层叠第一半导体衬底以及至少一个另一单独的层以形成电池(例如电池单元)。在一个或多个实施例中，在动作S30期间可以接合单独的层。

因此，一些实施例提出了借由以堆叠在彼此之上的至少两个单独的层的堆叠(层叠)提供电池的结构(例如电池单元)而制造或生产电池(例如二次或可再充电电池)的一个或多个电池单元，该电池诸如可再充电或二次锂离子电池。在实施例中，通过使衬底材料多孔而向半导体衬底层中形成至少多孔分隔体隔膜。在一些实施例中，第一半单元和/或第二半单元的其他结构(诸如空腔和/或电极)形成在其他单独的半导体衬底层中或者由其提供。这允许使用已知的半导体工艺技术和/或将电池(例如电池单元)靠近集成电路而放置，集成电路可以集成在与电池(例如电池单元)相同的半导体衬底层中。因此，可以进一步减小电子装置的尺寸。

现在转向参照图2a、图2b以及图2c，将描述方法1的示例性实施例，其中通过堆叠三个不同的层来提供(例如形成)电池(例如电池单元)20。在一个示例中，至少两个层(层10和层12)可以提供作为单独的(例如不同的)半导体晶片。因此单独的晶片10、12可以是通常分别用于集成电路和其他微器件的制造的晶片。因此，单独的衬底或晶片10、12可以包括任何如上所述的材料。例如，单独的衬底可以包括可以是单晶、多晶或非晶的硅材料。硅材料可以掺杂有任何掺杂剂，如传统使用的诸如硼(B)、砷(As)、磷(P)或锑(Sb)。在该实施例中，第三层由柔性的导电层(例如箔)提供。

首先参照图2a，图2a示出了形成多孔隔膜16的处理动作S10。在一些实施例中，从第一层/衬底10(例如第一半导体层/衬底)的至少一部分形成多孔隔膜16的动作S10可以包括将层/衬底10的一部分转换为多孔隔膜16。转换可以例如是化学转换，其可以通过施加化学制品至层/衬底10而实现。在一些实施例中，转换可以以任何方式实现，诸如通过施加热量或电磁辐射。动作S10可以因此包括将半导体材料转换(例如化学转换)为多孔隔膜的动作。

参照图2a，图2a示出了一系列处理动作S10，包括动作S11、S12和S13。参照处理动作S11，提供半导体层/衬底10。层/衬底10可以例如是半导体晶片。参照动作S12，动作S12示出了在第一层/衬底10的两侧之上提供(例如形成)掩模层14。动作S12也示出了通过移除层14的一部分而图形化每个掩模层14。用于限定特定结构的位置并且刻蚀的光刻方法可以通常用于微制造以在制造期间从层/衬底10的表面化学地移除层。

参照动作S12，动作S12示出了随后可以由一种或多种刻蚀剂15刻蚀第一层/衬底10以便在层/衬底10的两侧上形成空腔17-1和17-2。空腔17-1和17-2可以例如是沟槽或孔。通常，它们可以具有任何横截面形状。

可以使用诸如液相(“湿法”)或等离子体相(“干法”)刻蚀剂之类的相应刻蚀剂15而借由传统的湿法和/或干法(等离子体)刻蚀工艺执行用以形成空腔17-1和17-2的刻蚀。观察到的是，在所示实施例中，开口17-1和17-2并未穿透层/衬底10。

如从图2a的工艺概述进一步可见，从第一层/衬底10的至少一部分形成多孔隔膜16(S10)可以也包括向第一衬底10的第一(例如顶)表面中形成(例如刻蚀)用于第一半单元26-1的第一空腔17-1的至少一部分，以使得由在第一表面之下的衬底材料限定或形成第一空腔17-1的底部(参见S13)。也即，第一空腔17-1可以不穿过整个衬底10。替代地，其厚度可以小于衬底的厚度，例如可以在100μm至200μm的范围内。此外，可以向第一衬底10的与第一表面相对的第二(例如底)表面中形成(刻蚀)对应于第二半单元26-2的第二空腔17-2的至少一部分，以使得由将第一空腔17-1与第二空腔17-2分离的衬底材料的层16提供第二空腔17-2的底部。此外，第二空腔17-2可以不穿过整个衬底10。替代地，其深度也可以小于衬底的厚度。第一和/或第二空腔17-1、17-2的体积可以取决于所追求的电池(例如电池单元)容量。

现在参照动作S13，S13示出了多孔隔膜16的形成。增加了层/衬底10的至少一部分的多孔性。在一些实施例中，动作S13可以通过增加半导体材料的多孔性而实现。

在一些实施例中，可以通过电化学刻蚀层/衬底10而增加多孔性。取决于刻蚀的类型、半导体中掺杂剂的类型和/或浓度，可以获得不同厚度、多孔性和结构尺寸(例如直径从几nm至几μm)的多孔层。例如，可以通过在氢氟酸/乙醇/水(HF/EtOH/H₂O)和氢氟酸/表面活性剂/水(HF/Decon/H₂O)电解质中对硅晶片的阳极氧化而制造多孔硅层。所形成的多孔硅的诸如厚度和多孔性之类的物理参数可以被分别确定为HF、EtOH、Decon的浓度的函数。例如，越高的HF可以减小多孔性，而越高的EtOH可以增加多孔性并且可以有助于产生均匀阳极氧化并且多孔的硅层。自然，其他工艺也能够获得多孔硅。

在可选的其他制造动作期间，多孔隔膜16的至少表面部分可以被氧化。在一些实施例中，对多孔隔膜的氧化可以氧化多孔材料的至少一部分(例如材料块的至少一部分可以氧化)。在一些实施例中，多孔隔膜16的材料的基本上全部可以被完全氧化。在一些实施例中，多孔隔膜16的材料的至少25％(例如按体积)可以被氧化。在一些实施例中，多孔隔膜16的材料的至少50％(例如按体积)可以氧化。在一些实施例中，多孔隔膜16的材料的至少75％(例如按体积)可以氧化。在一些实施例中，多孔隔膜16的材料的至少90％可以氧化。在一些实施例中，多孔隔膜16的基本上全部材料可以被氧化。

氧化可以有助于至少部分地防止离子(例如锂离子)安置在多孔隔膜16中。也即，通过氧化多孔隔膜16，多孔隔膜16可以形成为化学惰性。在其中层/衬底10包括Si的情形中，对多孔隔膜16的氧化可以将Si转换为玻璃(例如硅玻璃)。硅玻璃可以例如是二氧化硅。玻璃可以例如包括SiO_x。SiO_x可以例如包括SiO₂。在一个或多个实施例中，多孔隔膜16可以包括Si。对多孔隔膜16的氧化可以将Si转换为SiO_x。在一个或多个实施例中，SiO_x可以包括SiO₂。

由于多孔隔膜16的氧化，氧化物的薄层也可以覆盖剩余的第一层/衬底10。也即，用于形成电池(例如电池单元)20的方法可以包括，至少氧化多孔隔膜16的材料表面。氧化可以包括热氧化。

在一个实施例中，对多孔隔膜16的氧化可以导致仅氧化多孔隔膜16的材料表面。然而，在一些实施例中，多孔隔膜的氧化可以导致氧化进入大部分多孔隔膜中。在一些实施例中，多孔隔膜材料的主要部分可以被氧化。在一些实施例中，多孔隔膜的基本上全部可以氧化。在一些实施例中，多孔隔膜的至少25％可以被氧化。在一些实施例中，多孔隔膜的至少50％可以被氧化。在一些实施例中，多孔隔膜的多于50％可以被氧化。在一些实施例中，多孔隔膜的至少75％可以被氧化。在一些实施例中，多孔隔膜的至少90％可以被氧化。在一些实施例中，由多孔隔膜的体积(例如由多孔隔膜材料的体积)表示百分比。

可以以不同方式实现多对孔隔膜的氧化。在一个或多个实施例中，氧化可以包括湿法氧化工艺。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括应用一种或多种化学制品。例如，可以采用HCl和乙醇实现氧化。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括干法氧化工艺。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括热工艺。例如，可以通过加热多孔隔膜材料而实现氧化。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括等离子体工艺(例如等离子体氧化)。等离子体氧化可以发生在氧等离子体中。

在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括湿法和/或干法氧化工艺。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括仅一个或多个湿法工艺。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括仅一个或多个干法工艺。

在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括化学工艺和/或热工艺和/或等离子体工艺。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括热工艺和/或等离子工艺。在一个或多个实施例中，氧化工艺可以包括热工艺。在一个或多个实施例中，有可能的是，单独使用化学工艺以氧化多孔隔膜可能不足以实现充分的氧化以保护多孔隔膜免受其环境(例如免受其化学环境)。

应该注意的是，氧化工艺可以使得多孔隔膜对于特定离子和/或特定电解质的侵蚀而呈惰性。例如，其可以有助于使得多孔隔膜对于Li离子侵蚀呈惰性。其也可以有助于使得多孔隔膜对于Na离子侵蚀呈惰性。

应该注意的是，存在许多其他方法以使得多孔隔膜对于离子(例如Li离子和/或诸如Na离子的其他离子)的侵蚀、和/或对于电解质的侵蚀而呈惰性。

图3示出了用于形成多孔隔膜16(S10)的一些示例性制造动作。

在图3中所示第一制造动作a)期间，可以向Si晶片10的正面中刻蚀第一空腔17-1以便于获得用于电解质的一些空间。在图3所示另一制造动作b)期间，可以向第一空腔17-1或其底部中(电化学地)刻蚀多孔部分/层16。在图3所示另一制造动作c)期间，多孔层16可以完全被氧化或者至少在很大程度上被氧化以便避免离子(例如锂离子)稍后安置在多孔层或隔膜16中。在一个或多个实施例中，氧化多孔层16可以使其呈化学惰性。在硅晶片10的情形中，例如对多孔Si层16的氧化可以导致SiO_x的多孔层，例如多孔玻璃，诸如SiO₂。由于对多孔层16的氧化，剩余的晶片也可以由氧化物薄层覆盖。也即，用于提供电池(例如电池单元)20的方法可以包括，在第一衬底10内提供多孔隔膜16同时或者之后，氧化所形成的多孔部分/层16的材料表面，以使得多孔隔膜16的至少表面包括氧化的半导体材料。根据一些实施例，图3所示的氧化动作c)可以包括对衬底材料的热氧化。

根据图3所示制造动作d)，可以向晶片10的背面中刻蚀第二空腔17-2以便在第二半单元中提供用于电解质的空间，以露出多孔层16，并且保留层16作为多孔隔膜。例如对于图3的动作d)所使用的、例如四甲基氢氧化铵(TMAH)的刻蚀剂可以选择性地移除Si而保留层16的玻璃(SiOx)。

多孔隔膜16可以设置在位于层10的相对侧上的两个开口17-1、17-22之间。在两个相邻空腔17-1、17-22之间的、具有比第一衬底10更小高度或厚度的多孔层16对应于其中多孔隔膜16被形成为在原电池或电池单元20的第一和第二半单元26-1、26-2之间的分隔体的材料区域(如图4所示)。当第一衬底10可以具有约150μm总厚度时，例如多孔隔膜16可以具有约50μm的厚度。因此，第一和/或第二空腔17-1、17-2也可以分别具有约50μm的深度。更大或更小尺寸也是可能的。多孔分隔体隔膜16可以分别形成在第一和/或第二空腔17-1、17-2的底部中，以使得第一和/或第二空腔17-1、17-2的底部由多孔隔膜16提供或形成。换言之，多孔分隔体隔膜16界定了或者分离了第一半单元26-1与第二半单元26-2。

参照图2b，根据一些实施例，提供第一半单元和/或第二半单元的其他部件的可选的动作S20可以包括，在至少一个单独的第二层/衬底12中形成用于半单元26-1、26-2的至少一个的至少一个电极结构18。这由图2b的可选的制造动作S21至S23示意性地示出。

为了提供电极结构18，空腔19可以形成在衬底12的表面中(S22)。可以通过通常已知的用于半导体制造的刻蚀方法形成空腔19，例如如果使用单晶硅的衬底或载体12，则取决于晶向使用氢氧化钾(KOH)以用于提供空腔19的侧表面的湿法化学刻蚀。然而，如明显应该理解的，可以采用备选的刻蚀方法(例如干法刻蚀)。例如可以选择空腔19的深度以便于实现电池单元的所需存储容量。空腔19的底侧可以形成有源硅表面。

此外，可以具有扩散阻挡层功能的钝化层(未示出)可以形成或者提供在衬底12的表面之上，而留下了空腔19的底侧未被覆盖。钝化层可以包括氧化硅(SiO₂)和/或氮化硅(Si₃N₄)、聚合物、酰亚胺、旋涂玻璃(SOG)、聚乙烯或这些材料的任意组合。其他示例包括金属或金属与如上所述材料的组合。在钝化层沉积期间，第二衬底12中的空腔19的底侧可以由合适的材料掩蔽以便于防止钝化层的沉积。

随后，可选地并且图2b中未详细示出地，可以执行处理以在空腔19的底侧上的有源表面中形成三维结构21，例如沟槽结构，以便于增加其表面积。该处理可以包括光刻方法和通过刻蚀工艺的图形化，执行电化学处理，湿法化学处理，通过使用合适的沉积工艺而形成原生高温结构。因此，促进了Li离子的插入，并且可以补偿由于锂的插入而引起的电极材料的机械膨胀。例如，沟槽、棱锥、柱体等可以形成在空腔19的底侧上。例如，可以使用钝化层作为掩模而执行这些动作。

此后，可以在暴露的硅材料上形成或者提供薄金属层，从而形成了电极，例如阳极。例如，金属层可以具有约10至100nm的厚度。材料可以包括具有与锂形成合金的可能性的金属，诸如Ag、Al、Au、Pd或Pt。其他示例包括Zn、Cd、Hg、B、Ga、En、Th、C、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Be、Se、Te。例如，金属层可以通过溅射或通常已知的任何其他沉积工艺形成。例如，Ag在大约500mV电压下与Li形成合金，而Si在大约330mV的电压下形成合金。因此，当应用Ag-金属层时，在采用锂冲入Si材料之前在阳极18的表面处将形成Ag-Li合金，以使得Li离子将以均匀方式移动至Si阳极。此外，由于合金层，防止了在阳极表面上形成原生SiO₂层，使得进一步增强了离子输运。此外，在Si阳极中插入Li原子将以更均匀方式完成，使得将改进锂电池(例如电池单元)的性能。另外，由于薄金属层的存在，增强了在充电和放电期间电极的机械稳定性。也即，阳极结构18可以进一步包括包含沉积在阳极的面对电解质的一侧上的金属的层，其中阳极可以包括由硅制成的部件。

已经观察到的是，在第一充电循环期间充电时间将增加。这可能是由于存在于阳极结构18的表面上的薄金属层。然而，在许多充电循环之后，充电速率将等于采用不具有金属层的阳极的情形。

在已经在单独的层/结构10、12中形成或提供多孔隔膜16和其他结构18、19、21之后，衬底10、12可以堆叠在彼此之上以便于通过堆叠衬底10、12中的对应结构而形成电池(例如电池单元)20或者至少其一部分。这由图2c的动作S30示出。因此堆叠第一衬底10和至少一个其他单独的衬底12可以包括，通过相互键合和/或粘合(参见附图标记24)单独的衬底10、12而接合第一和至少一个其他单独的衬底12，如传统半导体制造工艺所已知的。在图2c的示例中可以见到的是，衬底10中的第二空腔17-2和衬底12中的空腔19一起形成了用于第二半单元26-2的电解质的空腔或体积。衬底10中的第一空腔17-1形成了用于第一半单元26-1的电解质的空腔或体积。

在图2c的示例中，第一半单元26-1可以由例如用于提供或形成阴极的其他电极结构22所覆盖。对于阴极，例如可以采用可以用于锂离子电池的通常已知的电材料。示例包括LiCoO₂、LiNiO₂、LiNi_1-xCo_xO₂、LiNi_0.85Co_0.1Al_0.05O₂、LiNi_0.33Co_0.33Mn_0.33O₂、LiMn₂O₄尖晶石和LiFePO₄。该电极结构22可以形成到其他单独的半导体衬底层中，或者借由例如诸如袋状箔的导电箔而提供。

在已经制造电池单元20的结构之后，电解质可以填充进入第一半单元和/或第二半单元26-1、26-2中。电解质可以包括通常用于锂电池的电解质，诸如在无水的疏质子溶剂中的诸如LiPF₆、LiBF₄之类的盐，无水的疏质子溶剂诸如碳酸丙二酯、碳酸二甲酯或1,2-二甲氧基甲烷、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯等，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚偏二氟乙烯六氟丙烯(PVDF-HFP)或其他聚合物之类的聚合物，Li₃PO₄N等。为此目的，如图4的示例性截面图所示，去往第一半单元和/或第二半单元26-1、26-2的至少一个空腔17-1、17-2的至少一个开口31可以提供在至少一个其他单独的衬底中。接着，电解质可以穿过至少一个开口31填充进入至少一个空腔17-1、17-2中。在至少一个空腔中填充电解质之后，可以再次密封至少一个开口31。

因此，所述方法S1的实施例可以产生电池单元20，其包括半导体衬底10的多孔部分16，多孔部分16提供或者用作隔膜以用于将电池单元20的第一半单元26-1与第二半单元26-2分隔开，其中隔膜16包括允许离子和/或电解质在第一半单元和第二半单元26-1、26-2之间移动的通道。

根据一些实施例，电池单元20可以包括多个单独的衬底层10、12的堆叠，其中多孔隔膜16提供在堆叠的第一半导体衬底层10中。因此第一半单元26-1和/或第二半单元26-2的其他部分(诸如空腔和/或电极)可以提供或者形成在堆叠的至少一个其他单独的层12中。至少一个其他单独的层12、22可以由其他单独的半导体晶片和/或柔性箔实现，包括袋状箔，以用于封闭第一半单元和/或第二半单元26-1、26-2的至少一个空腔17-1、17-2并且提供至少一个电极。

电极结构22的材料可以包括如上所述的示例。此外，电极结构22可以例如由金属箔提供，或者可以由关于第二半导体衬底12和其电极18如上解释说明的类似工艺而在第三半导体衬底中制造电极结构22。也即，用于提供电池单元20的方法1也可以包括如图4的示例所示在单独的第三半导体衬底32中提供用于第二半单元的第二电极22。第一半导体衬底10可以布置在第二半导体衬底12与第三半导体衬底32之间，以获得包括电池单元20的三维结构的分层的衬底堆叠，其中该结构包括具有其电极22的第一半单元26-1，具有其电极18的第二半单元26-2，以及在第一半单元和第二半单元26-1、26-2之间的多孔隔膜16。由图4示意性示出了得到的堆叠电池单元20的实施例。

如图4的截面图所示，电池单元20包括形成在单独的第二(半导体)衬底层32中的用于第一半单元26-1的第一电极22。用于第二半单元26-2的第二电极18形成在单独的第三(半导体)衬底层12中。第一(半导体)衬底层10布置在第二和第三衬底层12-1、12-2之间以获得包括电池单元20的结构的堆叠，其中结构包括具有第一电极22的第一半单元26-1，具有第二电极18的第二半单元26-2，以及在第一半单元26-1与第二半单元26-2之间的多孔隔膜16。

图5示出了耦合至电池单元20的集成电路(IC)40的截面图。

在图5中，电池单元20可以具有类似于如上所述和所示结构的结构。在此，在一个示例中由分别密封了第一半单元26-1和第二半单元26-2的柔性导电箔的两个单独的层提供电极18、22。电极18、22耦合至集成电路40以便向其提供电能。此外，集成电路40的电路元件41至44可以提供在与电池单元20的多孔隔膜16的相同的半导体衬底10中或上。例如，电路元件41至44可以包括晶体管，电阻器，电容器，MEMS(微机电系统)器件，传感器，能量采集器、例如从外部源(例如太阳能、热能、风能、盐分梯度和动能)采集能量的装置，用于接收能量的装置，用于转换能量的装置、诸如例如太阳能电池，用于发射能量的装置、诸如RFID(射频识别装置)，显示装置，视频装置或音频装置，音乐播放器，信号处理电路，信息处理电路，信息存储电路，或这些装置等中的任意装置的部件。电路元件41至44的其他示例包括控制了对于电池单元20的充电或放电过程的电路。例如，电路元件41至44可以配置用于控制电池单元20的充电以使得在已经达到其完全存储容量之前停止充电。电路元件41至44可以形成在半导体衬底10中，或者它们可以形成在位于半导体衬底10之上的单独的层中。在一些实施例中，单独的层可以是单独的半导体衬底12、32，如参照图4所述。因此，单独的半导体衬底12、32可以包括电池单元20的额外的三维结构，诸如其他空腔、沟槽、阱和或电极。

电池单元20可以形成在与IC 40相同的半导体衬底10中。备选地，电池单元20的至少一部分可以形成在放置于半导体衬底10之上的层中。元件隔离沟槽50可以形成在电池单元20和IC 40之间以便于防止锂原子扩散进入集成电路40。可以采用如前所述的钝化层的材料(例如氧化硅和/或氮化硅)填充元件隔离沟槽50。取决于所采用的制造方法，钝化层以及集成电路40的元件隔离沟槽50可以由相同层制成。

根据实施例，电池单元的所有元件(然而至少分隔体隔膜)可以制造在晶片上，并且可以相互堆叠和耦合。所需的空腔和结构可以刻蚀进入例如Si和/或玻璃的相应衬底层中。随后电池单元所需的固体可以提供至或在衬底(例如电极、连接器、阻挡层等)上。随后可以通过例如键合或粘合而接合预制造的衬底层。在最后的高温制造动作之后，电解质可以经由此后可以再次密封的开口而提供进入空腔或体积中。

应该注意的是，在本文中所述实施例的全部可以适用于所有类型电化电池，包括但不限于电池单元以及燃料电池。图6示出了燃料电池60的实施例的框图。燃料电池60可以包括阳极62，阴极64以及在阳极62和阴极64之间的电解质66。在某些燃料电池中，多孔隔膜(诸如在本文中所述的多孔隔膜)可以放置在阳极62和阴极64之间，以替代电解质66或者可能地除了电解质66之外。多孔隔膜也可以用于在阳极62和阴极64之间传导离子(例如氢离子)。诸如氢气H₂的燃料可以施加至阳极62，而诸如氧气O₂或空气的氧化剂可以施加至阴极64。燃料可以在阳极62处氧化以便于释放电子e-(可能借助于催化剂)。电子可以通过负载68在外部从阳极62传导至阴极64。在阴极64处，氧化剂可以被还原并且电子被消耗(也可能借助于催化剂)。

说明书和附图仅示出了本公开的原理，因此将知晓的是，本领域技术人员能够预期各种布置，尽管在本文中并未明确描述或示出，但是各种布置体现本公开的原理并且被包括在其精神和范围内。此外，在本文中所述所有示例原则上明确地意在仅为了教导目的，以帮助读者理解本公开的原理以及由发明人推进本领域所贡献的概念，并且应该解释为并非限定于这些具体所述示例和条件。此外，在本文中引用原理、方面和本公开实施例及其具体示例的所有陈述意在包括其等价方式。

功能性模块应该理解为包括配置用于分别执行特定功能的电路的模块。因此，“用于某物的装置”可以理解为“配置用于或者适用于某物的装置”。配置用于执行特定功能的装置因此并未暗示这些装置必需执行功能(在给定时间点处)。

附图中所示各个元件(包括任何功能性模块)的功能可以通过使用专用硬件以及能够与合适的软件协作执行软件的硬件而提供。此外，在本文中作为“装置”所描述的任何实体可以对应于或者被实施为“一个或多个模块”、“一个或多个装置”、“一个或多个单元”等。当由处理器提供时，可以由单个专用处理器、由单个共享处理器、或者由其中一些可以共享的多个个体处理器提供功能。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应解释为排他性地涉及能够执行软件的硬件，并且可以暗示地包括但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及非易失性存储器。也可以包括常规的和/或用户定制的其他硬件。

本领域技术人员应该知晓的是，任何框图在本文中表示了体现本公开的原理的示意性电路的概念图。类似地，应该知晓的是，任何流程图、流程框图、状态转换图、伪代码等表示可以基本上表现在计算机可读媒介中并且因此由计算机或处理器执行的各种处理，不论是否明确示出了这些计算机或处理器。

此外，所附权利要求因此被并入到详细说明书中，其中每个权利要求可以独立作为单独的实施例。尽管每个权利要求可以独立作为单独的实施例，但是应该注意的是，尽管独立权利要求可以涉及与一个或多个其他权利要求特定组合的权利要求，其他实施例也可以包括从属权利要求与相互从属或独立的权利要求的主题的组合。在本文中提出这些组合，除非陈述了特定组合并非有意。此外，意在也将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即便该权利要求并非直接从属于独立权利要求。

应该进一步注意的是，可以由具有用于执行这些方法的相应动作的每一个的装置的装置来实施在说明书或权利要求中所述方法。

此外，应该理解的是，说明书或权利要求中所描述的多个动作或功能的公开描述不应解释为在具体顺序内。因此，多个动作或功能的公开将不限于这些特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因而不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或者可以划分为多个子动作。这些子动作可以包括在该单个动作的公开内并且作为其一部分，除非明确地排除在外。

Claims

1.一种用于在多个层的堆叠中制造电池单元的方法，包括：

从半导体衬底层的第一表面开始，向所述第一表面中形成与第一半单元对应的第一空腔的至少一部分，从而所述第一空腔的底部由在所述第一表面下方的半导体材料限定；

将形成所述第一空腔的底部的半导体材料转换为多孔隔膜，从而所述第一空腔的底部由所述多孔隔膜提供；

从所述半导体衬底层的与所述第一表面对应的第二表面开始，向所述第二表面中形成与第二半单元对应的第二空腔的至少一部分，从而所述第二空腔的底部由能够将所述电池单元的所述第一半单元与所述第二半单元分隔开的所述多孔隔膜提供，所述多孔隔膜包括允许离子和/或电解质在所述第一半单元和所述第二半单元之间移动的通道；以及

在第二分离层和第三分离层中分别形成所述第一半单元和所述第二半单元中的又一些部分，其中形成所述第一半单元和所述第二半单元中的又一些部分包括：

提供第一电极，所述第一电极在分离的第二层中在用于所述第一半单元的所述第一空腔之上延伸；

提供第二电极，所述第二电极在分离的第三层中在用于所述第二半单元的所述第二空腔之上延伸；以及

堆叠所述半导体衬底层和所述第二分离层和所述第三分离层，以通过将所述半导体衬底层布置在用于获得包括所述电池单元的结构的所述堆叠的分离的第二层和第三层之间来获得所述电池单元或其至少一些部分，所述结构包括所述第一半单元、第二半单元和多孔隔膜，所述第一半单元具有在所述第一空腔之上的所述第一电极并且限定在所述第一空腔的底部和所述第一电极之间的空间，所述第二半单元具有在所述第二空腔之上的所述第二电极并且限定在所述第二空腔的底部和所述第二电极之间的另一空间，以及所述多孔隔膜在所述第一半单元和所述第二半单元之间；

其中所述第二分离层和所述第三分离层由分离的半导体晶片和/或分离的导电箔形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中转换所述半导体材料包括化学处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其中转换所述半导体材料包括热处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其中转换所述半导体材料包括增加所述半导体材料的多孔性。

5.根据权利要求1所述的方法，其中转换所述半导体材料包括将所述材料转换为对于所述离子和/或电解质呈惰性的材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其中转换所述半导体材料包括氧化所述半导体材料。

7.根据权利要求6所述的方法，其中转换所述半导体材料包括转换所述半导体材料的一部分，并且包括氧化所述半导体材料的全部部分。

8.根据权利要求6所述的方法，其中氧化所述半导体材料包括加热所述半导体材料。

9.根据权利要求6所述的方法，其中氧化所述半导体材料包括按体积氧化所述半导体材料的至少50％。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质是非固体电解质。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质包括胶体电解质。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体材料包括硅。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池单元是可再充电电池单元。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池单元是锂离子电池单元，并且所述多孔隔膜允许所述电解质中的锂离子在所述锂离子电池单元的所述第一半单元和所述第二半单元之间移动。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体材料形成半导体衬底的至少一部分。