JP2011071118A - 薄膜リチウムイオン電池を形成するための方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】全固体平面薄膜型リチウムイオン二次電池を安価に形成するための方法を提供する。
【解決手段】シリコン又はシリコン酸化物からなる基板10上に溝を形成するステップと、陽極コレクタ層16、陽極層18、固体電解質層20および陰極層22を備えた積み重ねを堆積するステップと、この積み重ねは溝の深さより小さい厚さを有し、溝の中に残る空間を満たす陰極コレクタ層26を形成するステップと、陰極コレクタ層26の露出表面を平坦化するステップとを含む事を特徴とし、陽極側リード42と陰極側リード40は同一面側に配置される。
【選択図】図1E
【解決手段】シリコン又はシリコン酸化物からなる基板10上に溝を形成するステップと、陽極コレクタ層16、陽極層18、固体電解質層20および陰極層22を備えた積み重ねを堆積するステップと、この積み重ねは溝の深さより小さい厚さを有し、溝の中に残る空間を満たす陰極コレクタ層26を形成するステップと、陰極コレクタ層26の露出表面を平坦化するステップとを含む事を特徴とし、陽極側リード42と陰極側リード40は同一面側に配置される。
【選択図】図1E
Description
本発明は、薄膜リチウムイオン電池を形成するための方法に関する。
リチウムイオン型の電池は固体非可燃性電解質から構成される利点を有している。これはさらに広い温度範囲で良好なイオン伝導率を有している。このような電池は、携帯電話やラップトップコンピュータのような携帯電子器機に使用されることに適している。
薄膜リチウムイオン電池、2.5cm×2.5cmより小さい大きさを有する典型的な電池を形成するため、シャドーマスクを通したスパッタリング技術が通常用いられる。このような技術は、台または基盤の上にシャドーマスクを置き、マスクを通し、電池を形成する異なった層をスパッタリングすることを備える。
しかしながら、薄膜リチウムイオン型電池の大規模な製造のため、シャドーマスクの使用はかなり費用がかかる。実際、マスクを含むスパッタリングで、スパッタ成分はマスク上に堆積される。したがって、マスクの使用の間、マスク上に堆積した異なった層を除去して再使用する必要がある。
シャドーマスクを通しスパッタリングによって電池を形成する技術はまた、より小さな寸法(3mm辺長より小さい)の電池を形成するために適用されないという欠点を有している。マスク調節問題がそのような寸法で発生するためである。現在、そのような電池は、主電池欠陥の発生時にメモリ内のキーデータを保存するためのバックアップ電池として使用される利点を有している。
小さいリチウムイオン型電池を形成するため、リソグラフィー技術を適用することが考えられている。この技術は集積回路の分野でよく知られ、制御されている。しかしながら、大きな基盤表面積に適用する場合、そのような技術は比較的高価である。さらにリソグラフィー技術は、樹脂の使用を要求する。これは、湿式処理(一般的に、溶剤ベースの水性混合物)によって除去されるが、これは高反応リチウム型電池の層と化学反応を引き起こす。このような技術はリチウムイオン型電池の製造に適していない。
したがって、そのような電池を形成する高反応材料の存在に適応し、比較的安価で小さいリチウムイオン型電池を薄膜技術で形成することが可能な方法の要求が存在する。
本発明の実施形態の目的は、そのような電池に存在する材料の反応性と両立できる平面薄膜リチウムイオン型電池を形成することが可能な方法を提供することである。
本発明の実施形態の他の目的は、手ごろな価格で小さい平面薄膜リチウムイオン型電池を形成するための方法を提供することである。
したがって、本発明の実施形態は、リチウムイオン型電池を形成するための方法であって、
(a)基板上に溝を形成するステップと、
(b)連続的かつ等角的に、陰極コレクタ層、陰極層、電解質層および陽極層を備える積み重ねを堆積するステップと、この積み重ねは溝の深さより小さい厚さを有し、
(c)溝の中に残る空間を満たす陽極コレクタ層を構造上に形成するステップと、
(d)陰極コレクタ層の上表面を露出するため、構造を平坦化するステップとを含む。
(a)基板上に溝を形成するステップと、
(b)連続的かつ等角的に、陰極コレクタ層、陰極層、電解質層および陽極層を備える積み重ねを堆積するステップと、この積み重ねは溝の深さより小さい厚さを有し、
(c)溝の中に残る空間を満たす陽極コレクタ層を構造上に形成するステップと、
(d)陰極コレクタ層の上表面を露出するため、構造を平坦化するステップとを含む。
本発明の実施形態によれば、方法はさらに、ステップ(d)の後に構造の上に保護層を形成し、前記保護層内で陽極コレクタ層の上に第1の貫通開口と陰極コレクタ層の上に第2の貫通開口を定めるステップと、
第1の開口と第2の開口の中、保護層の一部分上に、それぞれ第1と第2の導電領域を形成するステップを含む。
第1の開口と第2の開口の中、保護層の一部分上に、それぞれ第1と第2の導電領域を形成するステップを含む。
本発明の実施形態によれば、方法はさらに、第1の導電領域の上に第1の接触と第2の導電領域の上に第2の接触を形成するステップを含む。
本発明の実施形態によれば、方法はさらに、ステップ(c)の前にシード(Seed)層を形成するステップを含む。
本発明の実施形態によれば、陽極コレクタ層はシード層上で低い温度で電解質成長によって形成され、シード層はチタンおよび銅の積み重ねによって形成される。
本発明の実施形態によれば、基板はシリコンまたはシリコン酸化物から作られ、陰極コレクタ層はチタン、タングステン、モリブデン、タンタル、プラチナまたはこれらの材料の合金また積み重ねから作られ、陰極層は、チタンリチウム酸硫化物(LiTiOS)、コバルトリチウム酸化物(LiCoO2)、またはリチウムイオン型電池の陰極として利用可能なリチウムを挿入することが可能な材料から作られ、電解質層は、リチウムリン酸窒化物(LiPON)から作られ、陽極層はシリコン、ゲルマニウム、炭素、またはこれらの材料の合金また積み重ねから作られ、陽極コレクタ層は、銅から作られる。
本発明の実施形態によれば、陰極コレクタ層、陰極層、電解質層および陽極層は物理気相成長法によって形成される。
本発明の実施形態によれば、保護層は、セラミック、Al2O3、SiN、またはZrO2から作られる第1の層と第2のSiO2層の積み重ねから形成される。
本発明の実施形態によれば、溝は5から30μmの間の深さを有し、陰極コレタタ層は100から500nmの間の厚さを有し、陰極層は1から10μmの間の厚さを有し、電解質層は1から3μmの間の厚さを有し、陽極層は10から800nmの間の厚さを有する。
本発明の実施形態によれば、溝を備える基板と、基板上で溝の壁と底に沿う陰極コレクタ層と、陰極コレクタ層の上で、溝の壁と底に沿って形成された、溝を満たす積み重ねである陰極層、電解質層、陽極層、陽極コレクタ層の積み重ねと、絶縁層と積み重ねの上に広がる保護層とを備え、第1と第2の貫通開口は前記保護層内、それぞれ陽極コレクタ層と陰極コレクタ層の上に形成されるリチウムイオン型電池がさらに提供される。
本発明の前述の目的、特徴、および効果は、添付の図面とともに、以下の特別な実施形態の非制限的記載によって詳細に説明される。
明確化のため、同じ要素は異なった図で同じ参照番号で示される。さらに、小さい薄膜構成要素の表現において通常、それぞれは、同じ縮尺でない。
図1Aから図1Eは、薄膜平面リチウムイオン型電池を形成するための方法のステップの結果を示す(両電極接触は装置の表面で形成される)。
図1Aに示されたステップで、溝12が形成された基板10を備える構造から開始する。例として、基板10は、シリコン、高抵抗性のシリコンまたはシリコン酸化物から作られる。溝12は、例として、リソグラフィによって、適合したパターンが事前に形成された樹脂の手段によって得られる。好ましくは、溝12は、50から30μmの間の深さの範囲を有し、基板の表面直径は、700から900μmの間の範囲である。
リチウムイオン型電池を形成する異なった層の積み重ね14は、基板10の上表面上と溝12の底と壁上に形成される。積み重ね14は物理気相成長法(PVD)の連続によって形成される。
積み重ね14は以下の層を備える。
−陰極コレクタを形成する第1の層16。この層は、例として、チタン、タングステン、モリブデン、タンタル、プラチナまたはこれらの材料の合金また積み重ねから作られ、100から500nmの間の厚さの範囲を有する。
−電池陰極を形成する第2の層18。LiTiOS(チタンリチウム酸硫化物)、またはLiCoO2(コバルトリチウム酸化物)のような材料から作られ、1から10μmの間の厚さの範囲を有する。より一般的に層18はリチウムイオン型電池の陰極として使用可能なリチウムを挿入することが可能な材料から作られる。
−電池電解質を形成する第3の層20。例えば、LiPON(リチウムリン酸窒化物)または固体リチウムイオンセル電解質を形成することが可能な他の材料から形成される。第3の層20は、1から3μmの間の厚さの範囲を有する。
−電池陽極を形成する第4の層22。例として、シリコン、ゲルマニウム、炭素、またはこれらの材料の合金また積み重ねから作られる。第4の層は、10から800nmの間の厚さの範囲を有する。
−陰極コレクタを形成する第1の層16。この層は、例として、チタン、タングステン、モリブデン、タンタル、プラチナまたはこれらの材料の合金また積み重ねから作られ、100から500nmの間の厚さの範囲を有する。
−電池陰極を形成する第2の層18。LiTiOS(チタンリチウム酸硫化物)、またはLiCoO2(コバルトリチウム酸化物)のような材料から作られ、1から10μmの間の厚さの範囲を有する。より一般的に層18はリチウムイオン型電池の陰極として使用可能なリチウムを挿入することが可能な材料から作られる。
−電池電解質を形成する第3の層20。例えば、LiPON(リチウムリン酸窒化物)または固体リチウムイオンセル電解質を形成することが可能な他の材料から形成される。第3の層20は、1から3μmの間の厚さの範囲を有する。
−電池陽極を形成する第4の層22。例として、シリコン、ゲルマニウム、炭素、またはこれらの材料の合金また積み重ねから作られる。第4の層は、10から800nmの間の厚さの範囲を有する。
したがって、リチウムイオン型電池の活性部分を形成する積み重ね14は、5から15μmの間の厚さの範囲を有する。この厚さは溝12の深さより小さい。
陽極コレクタのためのシード層を形成する第5の層24は、積み重ね14上に形成される。例として、この層はチタンおよび銅の積み重ねから形成される。この層も積み重ねの低い層のため、主に、とりわけ反応リチウム化合物を形成する層18と20のため保護バリアを形成する。例としてシード層24は、100から300nmの間の厚さの範囲を有する。陽極コレクタ層を形成する材料が直接電池陽極に形成されることができる場合、シード層24は省略できることに注意すべきである。
図1Aと以下の図の中で、リチウムイオン型電池を形成する一つの基本のセルが示されることに注意すべきである。多くの電池は基板10上にお互い隣り合って形成されることを理解すべきである。例として、2つの近接した電池の活性領域は1mmより小さい、例えば、200から500μmの間の距離によって分けられる。それぞれの基本電池の間の筆写の線は100μmより小さい幅を有することに注意すべきである。
図1Bに示されたステップで、陽極コレクタ層26は、例として銅から形成され、(リチウム化合物から作られた層で反応を生じさせることを避けるため)低い温度で、シード層24上に、電解質成長によって形成される。電解質成長が提供され、銅26が溝12の中に残っている空間を満たし、および完全な構造の表面を形成する。
図1Cに示されたステップで、図1Bの構造の平坦化または研磨が行われ、陰極コレクタ層16の上部表面の上に置かれたすべての層が取り除かれ、この層が露出する。
この平坦化を行うため、任意の知られた化学機械研磨(CMP)または純粋な機械的方法が使用される。さらに、層16を除いた積み重ね14の異なった層を除去するため、平坦化スラリーの異なった種類が連続的に使用される。層20と22の材料の反応を妨げるため、非水性スラリーが使用される。伝統的に、陰極コレクタ層16上の平坦化停止は、駆動トルクまたは渦電流の変化の検出によって、または原位置での外観検査によって決定される。
図1Dに示されたステップで、絶縁保護層は完全に装置上に形成される、示された例では、この保護は2つの層28と30の積み重ねによって形成される。保護層は適応した材料の1つの層から形成されることに注意すべきである。積み重ね28/30は、図1Cのステップで空気と接触している積み重ね14の反応材料の部分(層18と20)を守ることを担当している。このため、完全な構造上に堆積した第1の層28は、セラミック、Al2O3、SiN、またはZrO2である。層30は、層28によって提供された第1の湿気バリアレベルを完全にする不動態化層である。リチウムの拡散に対するバリアである必要はない。例では層30はSiO2から作られる。好ましくは、層28は、数十ナノメートルの厚さを有し、層30は、1μmオーダの厚さを有する。
第1の貫通開口32は、陽極コレクタ層26の部分の上、積み重ね28/30中に形成される。開口32は陽極コレクタ層26上で接触を形成することができる。第2の貫通開口34は、基板10の表面で、陰極コレクタ層16の部分の上、積み重ね28/30中に形成される。開口34は陰極コレクタ層16上で接触を形成することができる。
好ましくは、開口32と34は、50から500μmの間の幅の範囲を有する。例として、開口32と34はリソグラフィによって形成される。このような方法の使用は、活性電池層を保護するための積み重ね28/30の存在によって可能となる。
図1Eに示されたステップで、第1のメタライゼーション36は、開口32のレベルで、および積み重ね28/30上に形成される。メタライゼーション36は陽極コレクタ領域26上で接触領域を形成する。第2のメタライゼーション38は、開口34のレベルで、および積み重ね28/30上に形成される。メタライゼーション38は陰極コレクタ領域16上で接触領域を形成する。
例として、メタライゼーション36と38は、金属または導電層の完全なプレートの堆積によって形成され、必要に応じてこの層のエッチングが次に続く。メタライゼーション36と38は、アルミニウムとタンタル、アルミニウムとチタン、またはアルミニウムとタンタル窒化物の積み重ねから形成される。
完全な装置のカプセル化(図示せず)は、この構造上で行われる。例として、完全な構造を覆い、薄いシリコン酸化物層、BCB、樹脂、より一般的には重合可能なレジストの堆積によって行われる。2つの貫通開口は、第1と第2の接触を形成することができるカプセル化層の中に形成される。第1の接触40は、メタライゼーション36上、カプセル化を通して形成される。第2の接触42は、メタライゼーション38上、カプセル化を通して形成される。示された例では、接触40と42は、例えば、ワイヤーボンディング型の手法によって、形成される。
薄膜で形成される平面薄膜リチウムイオン型の基本電池が、このようにして得られる。基本の電池をさいの目に切るステップが実行される。ここで開示された方法は、反応的リチウム化合物材料の層の存在と両立し、これらの材料の劣化を避ける低い温度(300℃以下)で一連のステップが効果的に実行される。
図2Eから図2Fは、図1Aから図1Eの方法の第1の変形のステップの結果を示す。これらのステップは、図1Dの構造から実行される(図1Aから図1Cのステップは共通である)。
図2Eに示されたステップで、アンダーバンプメタライゼーション(UBM)層の2つの部分44と46が図1Dの構造の上に形成される。部分44は開口32のレベルで、積み重ね28/30の範囲上に形成され、部分46は開口34のレベルで、積み重ね28/30の範囲上に形成される。2つの部分44と46を形成するため、例えばUMB構造が図1Dの完全な構造上に形成される。その後、この構造は樹脂マスクを通したリソグラフィによって、必要に応じてエッチングされる。
従来通りに、各部分44と46は3層の積み重ねから形成される。第1の層は低導電層(16または22)上で結合を提供し、第2の層は、低導電層と第3の層との間の拡散に対するバリアを形成し、第3の層は、はんだの接着の提供し、およびこれの湿潤性を向上する。
図2Eに示されたステップで、はんだバンプ48、49はそれぞれ、UMB部分44、46上に形成される。はんだバンプ48と49は、既知の方法によって図2Fの構造上に形成される。例として、はんだバンプ48と49は、200から250μmの間の直径を有している。
図2Fの構造のカプセル化は、組み立てを保護および固定するために行われる。基板10上の基本電池はさいの目に切られる。
図3Dから図3Gは、図1Aから図1Eの方法の第2の変形のステップの結果を示す。これらのステップは、図1Cの構造から実行される(図1Aから図1Bのステップは共通である)。
図3Dに示されたステップで、絶縁保護構造は図1Cの完全な構造上に形成される。示された例の中で、この保護は2つの層28と30の積み重ねから形成される。例として、図1Dに関連して上記で記載したのと同じ材料で作られる。
貫通開口50は、陽極コレクタ層26の部分の上、積み重ね28/30の中に形成される。開口50は陽極コレクタ層26上で接触を形成することができる。好ましくは、開口50は、50から500μmの間の幅の範囲を有する。例として、開口50はリソグラフィによって形成される。このような方法の使用は、電池の活性層を保護するための積み重ね28/30の存在によって可能となる。
図3Eに示されたステップで、メタライゼーション52は、開口50のレベルで積み重ね28/30上に形成される。メタライゼーション52は陽極コレクタ領域26上で接触領域を形成する。例として、メタライゼーション52は、アルミニウムとタンタル、アルミニウムとチタン、またはアルミニウムとタンタル窒化物の積み重ねから形成される。メタライゼーション52を被覆する絶縁不動態化層54は、例としてシリコン酸化物または酸化物とシリコン窒化物の合金から作られ、完全な装置上に堆積する。
図3Fに示されたステップで、貫通開口56は、不動態化層52の中および陰極コレクタ層16の部分の上の積み重ね28/30の中に、この層をさらすため形成される。例として開口56は、樹脂マスクの手段によってリソグラフィーによって形成される。
メタライゼーション58は、開口56のレベルで陰極コレクタ層16の領域上に形成される。メタライゼーション58は陰極コレクタ層16の上で接触領域を形成する。例として、絶縁不動態化層は、シリコン酸化物または酸化物とシリコン窒化物の積み重ね(図示せず)から作られ、完全な装置上に堆積する。例として、メタライゼーション58は、アルミニウムとタンタル、アルミニウムとチタン、またはアルミニウムとタンタル窒化物の積み重ねから形成される。
図3Gに示されたステップで、貫通開口は、上部不動態化層の中に形成され、図示されないが、陰極メタライゼーション58の上で接触62を形成する。第2の貫通開口60は、上部不動態化層の中および不動態化層54の中の中に形成され、メタライゼーション52の上で接触64を形成することができる。
図示された例で、接触62と64は、ワイヤーボンディング接触である。接触62と64は、はんだバンプの形状で作られ、メタライゼーション52と58は、UMB積み重ねを置き換える。
図3Dから図3Gの変形で記載された方法は、2つの電池電極の直接の短絡を避ける効果を有している。したがって、もし、形成された電池が、最初から短絡状態にない場合、この変形は好ましい。逆の場合(最初から短絡状態である)は、図1Aから図1Eと図2Dから図2Fの方法が、(導電層36/38またはUBM44/46のエッチング前の図1Eから図2Eの電極を短絡に)用いられる。
本発明の特定の実施形態が開示された。さまざまな改良と変形が当業者にとって可能である。特に図1Aの最初の構造は、貫通開口が形成される5から30μmの間の厚さを有する絶縁層を絶縁基板上に堆積することによっても得られることに注意すべきである。
さらに、電池の活性積み重ねを形成するために用いられる材料は、ここでは例示として与えたのみであり、等角的に堆積することができる任意の材料がこれらの層を形成するために用いられることに注意すべきである。
10 導電基板
12 溝
14 積み重ね
16 第1の層
18 第2の層
20 第3の層
22 第4の層
24 第5の層
26 陽極コレクタ層
28 層
30 層
32 第1の貫通開口
34 第2の貫通開口
36 第1のメタライゼーション
38 第2のメタライゼーション
40 第1の接触
42 第2の接触
44 部分
46 部分
48 はんだバンプ
49 はんだバンプ
50 貫通開口
52 メタライゼーション
54 絶縁不動態化層
56 貫通開口
58 メタライゼーション
60 第2の貫通開口
62 接触
64 接触
12 溝
14 積み重ね
16 第1の層
18 第2の層
20 第3の層
22 第4の層
24 第5の層
26 陽極コレクタ層
28 層
30 層
32 第1の貫通開口
34 第2の貫通開口
36 第1のメタライゼーション
38 第2のメタライゼーション
40 第1の接触
42 第2の接触
44 部分
46 部分
48 はんだバンプ
49 はんだバンプ
50 貫通開口
52 メタライゼーション
54 絶縁不動態化層
56 貫通開口
58 メタライゼーション
60 第2の貫通開口
62 接触
64 接触
Claims (10)
- (a)基板(10)上に溝(19)を形成するステップと、
(b)連続的かつ等角的に、陰極コレクタ層(16)、陰極層(18)、電解質層(20)および陽極層(22)を備える積み重ね(14)を堆積するステップと、この積み重ねは溝の深さより小さい厚さを有し、
(c)溝(12)の中に残る空間を満たす陽極コレクタ層(26)を構造上に形成するステップと、
(d)陰極コレクタ層(16)の上表面を露出するため、構造を平坦化するステップと、
を含むことを特徴とするリチウムイオン型電池を形成するための方法。 - ステップ(d)の後に、
構造の上に保護層(28、30)を形成し、前記保護層内で陽極コレクタ層(26)の上に第1の貫通開口(32、50)と陰極コレクタ層(16)の上に第2の貫通開口(34、56)を定めるステップと、
第1の開口と第2の開口の中、保護層の一部分上に、それぞれ第1(36、44、52)と第2(38、46、58)の導電領域を形成するステップを、
さらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 第1の導電領域(36、44、52)の上に第1の接触(40、48、64)と第2の導電領域(38、46、58)の上に第2の接触(42、49、62)を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- ステップ(c)の前にシード層(24)を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 陽極コレクタ層(26)はシード層(24)上で低い温度で電解質成長によって形成され、シード層はチタンおよび銅の積み重ねによって形成されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 基板(10)はシリコンまたはシリコン酸化物から作られ、陰極コレクタ層(16)はチタン、タングステン、モリブデン、タンタル、プラチナまたはこれらの材料の合金また積み重ねから作られ、陰極層(18)は、チタンリチウム酸硫化物(LiTiOS)、コバルトリチウム酸化物(LiCoO2)、またはリチウムイオン型電池の陰極として利用可能なリチウムを挿入することが可能な材料から作られ、電解質層(20)は、リチウムリン酸窒化物(LiPON)から作られ、陽極層(22)はシリコン、ゲルマニウム、炭素、またはこれらの材料の合金また積み重ねから作られ、陽極コレクタ層(26)は、銅から作られることを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載の方法。
- 陰極コレクタ層(16)、陰極層(18)、電解質層(20)および陽極層(22)は物理気相成長法(PVD)によって形成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- 保護層は、セラミック、Al2O3、SiN、またはZrO2から作られる第1の層(28)と第2のSiO2層(30)の積み重ねから形成されることを特徴とする請求項2から7のいずれか1項に記載の方法。
- 溝(12)は5から30μmの間の深さを有し、陰極コレタタ層(16)は100から500nmの間の厚さを有し、陰極層(18)は1から10μmの間の厚さを有し、電解質層(20)は1から3μmの間の厚さを有し、陽極層(22)は10から800nmの間の厚さを有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
- 溝(12)を備える基板(10)と、
基板上で溝の壁と底に沿う陰極コレクタ層(16)と、
陰極コレクタ層(16)の上で、溝(12)の壁と底に沿って形成された、溝を満たす積み重ねである陰極層(18)、電解質層(29)、陽極層(22)、陽極コレクタ層(26)の積み重ねと、
絶縁層と積み重ねの上に広がる保護層(28、32)とを備え、
第1(32、50)と第2(34、56)の貫通開口は前記保護層内、それぞれ陽極コレクタ層(26)と陰極コレクタ層(16)の上に形成されることを特徴とするリチウムイオン型電池。
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