JP2015502635A - リチウム電池、リチウム電池を製造するための方法、集積回路、および集積回路を製造するための方法 - Google Patents
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Abstract
リチウム電池は、カソード、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、カソードとアノードの間に配置されたセパレータ素子、電解質、および基板を備える。アノードは基板上に配置され、またはアノードは基板と一体形成される。
Description
ノートブック、携帯電話、カメラなど携帯用電子装置の使用が増えるとともに、また電流駆動の自動車の使用が増えるとともに、これらの装置向けの電源として、エネルギー密度の高いリチウム・イオン2次電池がますます脚光を浴びてきている。
通常、リチウム・イオン2次電池は、リチウム含有遷移金属酸化物などを含む正極、炭素材料を含む負極、および非水電解質、ならびに正極と負極の間に配置されたセパレータを備える。
容量および性能に対する要求の増大に応えるために、電池のエネルギー蓄積容量を増大でき、その結果として得られるリチウム電池を簡単に製造できるように、新規のアノード材料を開発することが望ましい。
さらに、必要とする電気エネルギーの量が比較的少ない集積回路または電子装置が、多くの用途において使用されることが増えている。これらの集積回路または電子装置にエネルギーを供給する小型電池を提供することが、本発明の一目的である。
小型電池の製造方法、ならびに、小型電池を含む集積回路および電子装置を提供することが、さらなる目的である。
これらの問題の解決策は、独立クレームにおいて明示されている。各実施形態は、従属クレームにおいて定義されている。
リチウム電池の一実施形態によれば、リチウム電池は、カソード、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、カソードとアノードの間に配置されたセパレータ素子、電解質、および基板を備える。アノードは基板上に配置され、またはアノードは基板と一体形成される。
リチウム電池を製造する方法の一実施形態によれば、この方法は、基板の表面にアノードを形成するステップと、セパレータ素子を形成するステップと、セパレータ素子がカソードとアノードの間に配置されるようカソードを形成するステップと、アノード、カソード、および基板によって形成された空間に電解質を充填するステップとを含む。
集積回路の一実施形態によれば、集積回路は、半導体基板に形成された回路素子およびリチウム電池を備える。リチウム電池は、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、および基板を備える。リチウム電池は、基板に形成されるか、または基板上の層に形成される。
集積回路を製造する方法の一実施形態によれば、この方法は、半導体基板に回路素子を形成するステップと、リチウム電池を形成するステップとを含む。半導体基板の表面上、または半導体基板上の半導体層にアノードを形成することによって、リチウム電池が形成される。
リチウム電池を製造する方法の別の実施形態によれば、この方法は、第1の半導体基板に回路素子を形成するステップと、第2の半導体基板の表面上にアノードを形成することによって、リチウム電池を形成するステップと、第1の半導体基板と第2の半導体基板を共通のハウジング内にパッケージ化するステップとを含む。
電子装置の一実施形態によれば、この電子装置は、電気回路およびリチウム電池を備える。リチウム電池は、カソード、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、カソードとアノードの間に配置されたセパレータ素子、電解質、および基板を備える。アノードは基板上に配置され、または基板と一体形成される。
電子装置の別の実施形態によれば、この電子装置は、電気回路および集積回路を備える。集積回路は、半導体基板に形成される回路素子、およびリチウム電池を備える。リチウム電池は、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、および半導体基板を備える。リチウム電池は、半導体基板に形成されるか、または半導体基板上の層に形成される。
以下の詳細な説明を読み、添付の図面を見れば、さらなる特徴および利点が当業者には理解されよう。
添付図面は、本発明の実施形態をさらに理解できるように添付されており、本明細書に組み込まれ、またその一部分をなす。各図面は、本発明の実施形態を示しており、その記述とともに原理を説明する働きをする。以下の詳細な説明を参照することによって、さらによく理解されるにつれて、本発明の他の実施形態および意図された利点の多くが容易に理解されよう。図面の各要素は、必ずしも互いに縮尺通りではない。同じ参照番号は、対応する同様の部品を指す。
以下の詳細な説明では、本発明を実施することができる具体的な実施形態を示す添付図面について述べる。この点に関しては、「頂部」、「底部」、「前部」、「後部」、「先行」、「後続」など方向を表す用語は、説明している(1つまたは複数の)図の向きに関して使用されている。本発明の各実施形態の構成要素は、複数の異なる向きに配置することができるので、方向を表す用語は、説明するために使用されるものであって、限定するものではない。特許請求の範囲によって定義された範囲から逸脱することなく、別の実施形態を利用してもよく、構造的または論理的な変更を加えてもよいことを理解されたい。
以下の説明で使用されている「キャリア」または「半導体キャリア」という用語には、半導体表面を有する任意の半導体ベースの構造体が含まれ得る。キャリアおよび構造体は、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)、シリコン・オン・サファイア(SoS)、ドープ半導体およびアンドープ半導体、ベースの半導体下地によって支持されたシリコンのエピタキシャル層、ならびに他の半導体構造を含むものと理解されたい。さらに、「キャリア」または「半導体キャリア」という用語は、任意の種類の半導体層をさらに含み、これらは、結晶質、多結晶質、非晶質でもよく、適切な基板材料上に形成される。さらに、キャリアは、絶縁体を含んでもよい。具体例として、石英ガラス(SiO2)などのガラス、セラミック、またはポリマーを含む。さらに、「基板」という用語にもまた、半導体表面を有する任意の半導体ベースの構造体が含まれ得る。半導体は、シリコン・ベースである必要はない。半導体はまた、炭化ケイ素、シリコン・ゲルマニウム、ゲルマニウムヒ素またはガリウムヒ素とすることもできる。基板は、半導体または絶縁体を含んでもよい。具体例として、石英ガラス(SiO2)などのガラス、セラミック、またはポリマーを含む。
この明細書の文脈において使用される「接続された」または「相互接続」という用語は、それぞれの構成要素が互いに信号接続されていてもよいことを意味する。たとえば、さらなる要素を各構成要素間に配置してもよい。さらに、それぞれの構成要素は、それらの間で信号が交換できている限り、物理的に接続されている必用はない。さらに、「接続された」および「相互接続」という用語は、たとえば、電圧が印加されない場合をも含む。
図1Aには、リチウム電池2の一例の横断面図が示してある。この横断面図は、図6Bに示すII〜II間に沿って見たものである。
図1Aに示すリチウム電池は、カソード13、シリコンで作製される構成要素を含むアノード17、カソード13とアノード17の間に配置されたセパレータ素子18、電解質12、および基板19を備え、アノード17は基板19上に配置される。たとえば、アノード17は、基板19と一体形成してもよい。あるいは、アノード17は、基板19上に形成される追加の層でもよい。アノード17、セパレータ素子18、および電解質12は、シリコン体1に配置された溝31内に配置してもよい。たとえば、アノード17は、溝31の壁を形成してもよい。溝31は、側壁および底部側を含んでもよく、アノード17は、溝31の底部側を形成してもよい。アノード17はさらに、薄い金属層11を含んでもよい。
基板19は、前述の通り任意の材料から作製してもよい。基板19にパターン形成してもよい。したがって、図1Aに示すように、溝31を基板19に形成してもよい。アノード17は、単結晶質、多結晶質、または非晶質でもよい、シリコン材料を含んでもよい。シリコン材料は、ホウ素(B)、ヒ素(As)、リン(P)またはアンチモン(Sb)など、通常使用される任意のドーパントでドープしてもよい。アノード17の活性シリコン表面は、平面でもよく、またはパターン形成されてもよい。たとえば、ピラミッド、トレンチ、カラムなどの3次元構造を、アノードの表面に形成してもよい。電解質12に接触するアノード17の表面上に、薄い金属層11を形成してもよい。たとえば、金属層11は、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、金(Au)、パラジウム(Pd)または白金(Pt)を含んでもよい。リチウムと合金を形成する金属を使用してもよい。さらなる例として、Zn、Cd、Hg、B、Ga、In、Th、C、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、SeおよびTeを含む。金属層11の厚さは、100nm未満で、たとえば1nmより厚くてもよい。たとえば、Agは、ほぼ500mVの電圧でLiと合金を形成するが、Siは、ほぼ330mVの電圧で合金を形成する。したがって、Ag金属層を加えるとき、Si材料をリチウムで充電する前にアノード17の表面でAg−Li合金が形成されることになり、その結果、LiイオンがSiアノードに一様に移動することになる。さらに、金属層のおかげで、アノード表面上への自然のSiO2の形成が防止され、その結果、イオンの輸送がさらに促進される。さらに、SiアノードへのLi原子の挿入がより一様に実現して、その結果、リチウム電池の性能が改善されることになる。さらに、薄い金属層が存在するおかげで、充放電中での電極の機械的安定性が改善する。
充電時間は、第1の充電サイクル中に増えるようになることが分かってきた。これは、アノード17の表面上に存在する薄い金属層11が原因になることがある。しかし、充電サイクルを何度も繰り返した後、充電速度は、金属層がないアノードを利用する場合に等しくなる。
カソード13については、リチウム・イオン電池に使用されている、一般に知られている電気材料を利用してもよい。例として、LiCoO2、LiNiO2、LiNii−xCoxO2、LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiMn2O4スピネル、およびLiFePO4を含む。電解質には、プロピレンカーボネート、炭酸ジメチル、または1,2−ジメトキシメタン、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートなど、水分のない非プロトン性溶媒中のたとえばLiPF6、LiBF4などの塩、ポリマー、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)もしくはポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロペン(PVDF−HFP)または他のポリマーなど、Li3PO4Nなど、リチウム電池向けに普通使用される電解質が含まれ得る。
セパレータ18は、アノード17とカソード13を、互いに電気的かつ空間的に分離する。しかし、蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換できるよう、セパレータ18はイオンに対して透過性でなければならない。セパレータ18の材料の例として、ファイバ・ガラス、ポリエチレン、または微細孔材料などの材料で作製される不織布を含む。さらに、いくつかの層を含んでもよい微細孔シートから作製される膜を利用することができる。さらなる例として、セラミック材料で被覆された不織布を含む。さらなる例が、当技術分野で知られている。
シーラント14は、カソード13上に形成してもよい。シーラント14によって、水密と気密が可能になる。シーラント14の材料の例として、よく知られたポリマー、たとえばポリイミドを含む。パッシベーション層10は、シリコン体1の、アノード17を形成しない部分に形成される。より具体的には、溝31の側壁が、パッシベーション層10で覆われる。さらに、基板19の外側または電池のハウジングが、パッシベーション層10で覆われる。パッシベーション層10は、酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)、ポリマー、イミド、スピンオン・ガラス(SOG)、ポリエチレン、金属、またはこれらの材料の任意の組合せ、たとえばポリマーと金属の積層構造など、様々な材料を含んでもよい。パッシベーション層10は、隣接する構成要素にリチウム原子が拡散するのを防止する。
導電層15、16は、電池2の裏側に形成される。たとえば、銅などの金属層16を裏側に形成してもよく、TiWなどの界面層15が、アノード材料17と銅層16の間に配置される。たとえば、界面層15の厚さは、50〜150nmの範囲、たとえば100nmでもよい。さらに、銅層16の厚さは、500nmを超えてもよく、たとえば1μm以上でもよい。あるいは、電流は、たとえば多結晶シリコンもしくはドープ・シリコンで作製された、埋込み層または埋込みチャネルを使用して放電してもよい。
電池2は、再充電可能なリチウム・イオン電池、すなわちリチウム・イオン2次電池でもよい。さらなる実施形態によれば、電池2は、再充電可能でない1次電池でもよい。
シリコンはリチウムの挿入容量が大きいので、図1Aに示した電池2は、エネルギー貯蔵において容量が改善されている。すなわち、シリコンに貯蔵すなわち挿入できるリチウム原子の量は、従来の場合よりもはるかに多い。アノード17はシリコンを含むので、シリコンまたは一般半導体の処理方法を利用してもよい。具体的には、従来の電池と比較してサイズの小さい電池を製造するのに、小型サイズを製造するための方法を効果的に適用することができる。各実施形態によれば、パッケージ化は、ガラス化合物またはモールド化合物など、半導体処理で知られている材料を含む。さらなる実施形態によれば、アノード17は、基板19と一体化してもよい。これらの場合、半導体処理方法を利用して、電池2をさらに小型化してもよい。知られている半導体処理方法によれば、より速く、より一様に、またより効率的にシリコン材料にリチウムを挿入できるよう、小型サイズの構造体を形成してもよい。さらに、長期間にわたる機械的な高い安定性も得られる。さらに、リチウム電池を含む単一ダイに、追加の構成要素を一体化することが可能である。
図1Aに示すように、アノード17は、シリコン体1に形成された溝31内に配置される。任意選択的に、アノード17はさらに3次元表面構造を含み、その結果、アノード17の活性表面が増大する。それにより、リチオ化によってシリコンの体積が増大するという有害な結果を防止することができる。さらに、セパレータ18が存在するので、シリコンの体積が増大するのが緩和され、その結果、リチオ化による機械ストレスが低減される。図1Aに示した構造では、基板19は、電池2のハウジング34を形成する。一実施形態によれば、アノード17は、基板19およびハウジング34と一体形成してもよい。
図1Bには、リチウム電池2のさらなる一例の横断面図が示してある。この横断面図は、たとえば図3Bに示すII〜II間に沿って見てもよい。
図1Bに示すリチウム電池2は、カソード13、シリコンで作製される構成要素を含むアノード17、カソード13とアノード17の間に配置されたセパレータ素子18、電解質12を備え、これらは基板19上に配置される。基板19にパターン形成してもよい。たとえば、複数の溝またはカラムを基板19に形成してもよい。たとえば、溝またはカラムをエッチングで形成してもよい。あるいは、溝またはカラムを平面上に選択的に成長させて、延在部分19aを形成してもよい。延在部分19aは、基板19の平面に対して深さがdであり、ここで深さdは20〜100μmである。基板19は、前述の通り任意の基板材料から作製してもよい。溝またはカラムの形状は、長方形の断面である必要はない。各実施形態によれば、ピラミッドなどの様々な形状も利用してよい。
アノード17は、半導体層17aを含んでもよく、この半導体層は、前述の半導体材料のうち任意の材料を含んでもよい。アノード17は、基板19の表面上の層として形成してもよい。たとえば、基板19の電池部分では、アノード17を形成する半導体層17aが、基板19の表面全体を覆う。しかし、明らかに理解できるように、さらなる実施形態によれば、基板19は半導体基板でもよく、基板19の表面部分は、結果として得られる電池2のアノード17を形成する。これまで説明してきたのと同様に、電解質12に接触するアノード17の表面上に、薄い金属層11を形成してもよい。金属層11の材料は、前述の材料から選択してもよい。金属層11の厚さは、100nm未満で、たとえば1nmより厚くてもよい。図1Bに示した電池2の残りの構成要素は、図1Aに示した電池の構成要素と同じでもよい。パッシベーション層10は、基板19および電池2の側壁部分に形成される。カソード13は、セパレータ18上に形成されて、電解質12を密閉する。これまで説明してきたように、シーラント14は、カソード13上に形成してもよい。
図2Aおよび2Bには、電池2および回路素子20を含む集積回路36が示してある。図2Aの横断面図は、図2Bに示すIII〜III間に沿って見たものである。図2Aでは、電池2は、図1Aおよび1Bに示す構造と同様の構造を有してもよい。さらに、回路素子20は、半導体基板1の中または上に形成してもよい。たとえば、回路素子20は、トランジスタ、抵抗器、キャパシタ、MEMS(微小電気機械システム)装置、センサ、エネルギー・ハーベスタ、たとえば外部エネルギー源(たとえば、ソーラー・パワー、熱エネルギー、風力エネルギー、塩分勾配、および運動エネルギー)からエネルギーを取り出す装置、エネルギーを受けるための装置、太陽電池などエネルギーを変換するための装置、たとえばRFID(無線周波数認識装置)などエネルギーを放射するための装置、表示装置、ビデオ装置もしくはオーディオ装置、音楽プレーヤ、単一処理回路、情報処理回路、情報記憶回路、またはこれらの装置などのいずれかの構成要素を含んでもよい。回路素子20のさらなる例として、充電プロセスまたは放電プロセスを制御する回路を含む。たとえば、回路素子20は、電池2の充電を制御して、その結果、その完全な蓄電容量に達する前に充電が停止するように構成されてもよい。回路素子20は、半導体基板1に形成してもよく、または半導体基板上に配置された層に形成してもよい。電池2は、同じ半導体基板1に形成してもよい。あるいは、電池2は、半導体基板1上に配置された層に形成してもよい。電池2と回路素子20の間に素子分離トレンチ30を形成して、集積回路3へのリチウム原子の拡散を防止してもよい。以上に記載の通り、素子分離トレンチ30は、パッシベーション層10の材料で満たしてもよい。利用される製造方法に応じて、集積回路36のパッシベーション層10および素子分離トレンチ30は、同じ層から作製してもよい。
図2Bには、図2Aに示した集積回路36の上面図が示してある。電池2は、酸化ケイ素および/または窒化ケイ素で満たされてもよい素子分離トレンチ30によって密閉される。ダイの周辺部分には、集積回路3が示してある。明らかに理解できるように、図2Bには、構成の一例のみが示してあり、さらに適切な構成が容易に考えられる。一実施形態によれば、エネルギーを利用するセンサまたは他の構成要素を、1つの集積回路3によって実装してもよい。さらに、エネルギー・ハーベスタを、他の集積回路3によって実装してもよい。この構成を用いる場合、センサを駆動するための電気エネルギーを、集積回路36において生成して蓄積してもよい。切口35は、集積回路36の端部に配置してもよい。これらの集積回路36のいくつかは、直列に接続してもよい。ハンダ付けパッドは、集積回路36のハウジングの外側に配置してもよい。
図3には、電子装置50の一実施形態が示してあり、いくつかのチップが、1つの層内に配置され、1つのハウジング55によって収容されている。すなわち、この構成によれば、電池を含むいくつかの構成要素が、共通のパッケージによってパッケージ化される。しかし、これらは、モノリシックに集積化されるものではない。図に示すように、キャリア基板54の一方の側には、たとえば、図1Aおよび1Bに示した電池が配置された電池基板51を含むいくつかのチップ、ならびに集積回路(IC)基板53を配置してもよい。たとえば、ポリマー、セラミックなどの絶縁材料を含んでもよい中間素子52a、52b、52cは、電池基板51とIC基板53の間に配置してもよい。図2Aを参照して先に述べた回路素子20は、IC基板53内に配置してもよい。電池基板51およびIC基板53は、キャリア基板54によって、互いに物理的に接続される。さらに、キャリア基板54内に導電線を配置して、構成要素間の電気接触を可能にしてもよい。たとえば、キャリア基板54は、任意の適切な基板材料、またはセラミック、ポリマーなどの絶縁基板から作製してもよい。キャリア基板54の厚さは、20〜100μmでもよい。電池基板51およびIC基板53の厚さは、ほぼ200μmでよい。図3に示す電子装置50のサイズは、たとえば、半導体チップのサイズにほぼ同様でもよく、1×1mm2〜数百mm2の範囲、たとえば4×4mm2または5×5mm2でもよい。サイズが4×4mm2のこのような電池の典型的な蓄電容量は、ほぼ約10mAh程度でもよい。一実施形態によれば、エネルギーを利用するセンサまたは他の構成要素は、IC基板53に配置してもよいが、電池は電池基板51に配置され、エネルギー・ハーベスタはIC基板53またはさらなる集積回路基板に配置される。この構成を用いる場合、センサを駆動するための電気エネルギーを、やはりセンサを備える電子装置50において生成して蓄積してもよい。
図4には、電子装置60のさらなる例が示してある。この電子装置60は、第1の基板61および第2の基板62を備える。図1Aおよび1Bに関して先に述べた電池が、第1の基板61内に配置される。電気回路、たとえば図2Aを参照して先に述べた回路素子20を備える集積回路は、第2の基板62内に配置してもよい。さらに、このような構成要素または回路素子は、第1の基板61内に配置してもよい。たとえば、何らかの電気回路を第1の基板61内に配置してもよく、追加の集積回路または回路素子を第2の基板62内に配置してもよい。第1の基板61および第2の基板62を、1つの層に配置してもよい。しかし、これらの層を互いに異なる層に配置してもよい。たとえば、これらの層を積み重ねてもよい。第1の基板61および第2の基板62は、同じサイズでも異なるサイズでもよい。第1の基板と第2の基板、および/または第1の基板61と第2の基板62の各素子は、1つまたは複数のワイヤ63によって相互接続してもよい。これらをハウジング65によって収納してもよい。さらに、電子装置60のハウジング65の内部の構成要素は、接点64を介してアクセス可能でもよい。電子装置60内の構成要素の特定の構成は、たとえば、特定の使用条件および電子装置60の特定の実装形態に依存してもよい。一実施形態によれば、電池が第1の基板61に配置され、エネルギーを利用するセンサまたは他の構成要素が第2の基板62に配置され、エネルギー・ハーベスタが第1の基板61または第2の基板62に配置されてもよい。この構成を用いる場合、センサを駆動するための電気エネルギーを、やはりセンサを備える電子装置60において生成して蓄積してもよい。電子装置60の典型的なサイズは、約1×1mm2〜数百mm2であり、たとえば10×10mm2未満である。
図5には、電子装置70のさらなる実施形態が示してある。この電子装置70は、第1の電池71a、および場合によっては第2の電池71bを備える。明らかに理解できるように、電子装置70は、3つ以上の電池を備えてもよい。第1の電池71aおよび第2の電池71bは、別々のハウジング72a、72bによって収容される。さらに、第1の電池71a、第2の電池71bは互いに接続される。電子装置70はさらに、別のハウジング73によって収容された電子構成要素74を備える。電子構成要素74の例として、任意の種類の電気装置または前述の回路素子20を含む。電子構成要素74のさらなる例として、コンピュータ、たとえばパーソナル・コンピュータもしくはノートブック、サーバ、ルータ、ゲーム機、たとえばビデオ・ゲーム機、さらなる例として、ポータブル・ビデオ・ゲーム機、グラフィックス・カード、携帯型情報端末、デジタル・カメラ、携帯電話、任意の種類の音楽プレーヤなどのオーディオ・システム、ビデオ・システム、または、自動車、オートバイ、個人の輸送装置、もしくは電池駆動できる任意の種類の機器を含む。当業者には、電池駆動できる電子装置のさらなる例が容易に考えられる。たとえば、電子装置74は、携帯用電子装置でも、非携帯用電子装置でもよい。図5に示した構成によれば、電池71a、71bならびに電子構成要素74は、別々に収容されており、組み立てられて機能的な電子装置70を形成してもよい。電子装置70の典型的なサイズは、たとえば、1×1mm2〜数百mm2の範囲である。
図6〜10には、電池および/または集積回路を製造するプロセスの一例が示してある。
以下に説明するプロセスは、半導体技術においてよく知られているいくつかの方法を使用する。したがって、同じチップ上に形成してもよい集積回路を処理するのに、電池の製造に対して実行される各ステップのいずれも使用することができる。図6〜10に示した例には、電池素子のみを製造する各ステップが示してある。しかし、明らかに理解できるように、利用されるプロセスまたはその一部を使用して回路素子を処理してもよいが、それを各図面に明瞭に示してはいない。
図6Aには、キャリアの一部分の横断面図が示してあり、図6Bには、キャリアの平面図が示してある。図6Aの横断面図は、図6Bに示すI〜I間に沿って見たものである。以下の各図では、図6Aおよび6Bに示したように、II〜II間の横断面図も示してある。分離トレンチ30がキャリアに形成される。分離トレンチは、キャリア内にかなり深く延在し、その結果、後の処理ステップにおいてキャリアの裏側を薄くし、分離トレンチ30を使用して隣接する電池を互いに絶縁してもよい。分離トレンチの位置を画定し、半導体処理の技術分野で一般に知られているドライエッチングまたはウェットエッチングを含む既知の処理によってエッチングするためのリソグラフィ法を含め、一般に知られた処理法を使用して、分離トレンチが形成される。図6Bには、平面図の一例が示してある。図6Bに示すように、分離トレンチは、キャリア部分1の中心部分を囲む。図示した分離トレンチ30は長方形状を有しているが、他のどんな形状をとることもできる。具体的には、分離トレンチは、垂直および水平の連続線として形成して、メッシュを形成してもよい。分離トレンチ30のそれぞれの幅は、後で説明するように、拡散隔壁を形成する材料で分離トレンチ30を適切に満たすことができるように選択される。
したがって、溝31は、キャリア1の表面に形成してもよい。溝31は、一般に知られたエッチング法、たとえばKOHを使用する湿式化学エッチングによって形成して、単結晶シリコンのキャリアが使用される場合には結晶方向に応じて溝の傾斜側面を実現してもよい。しかし、明らかに理解できるように、代替のエッチング法を利用してもよい。溝31の深さは、電池の所望の蓄電容量を達成するように選択してもよい。溝31の下端側は、活性シリコン表面を形成する。図7Aには、溝31を形成した後でのI〜I間のダイの横断面図が示してあり、図7Bには、ダイの平面図が示してある。
溝31の下端側を覆わない状態で、拡散隔壁の機能を有してもよいパッシベーション層10が、キャリアの表面上に形成される。パッシベーション層10は、酸化ケイ素(SiO2)および/または窒化ケイ素(Si3N4)、ポリマー、イミド、スピンオン・ガラス(SOG)、ポリエチレン、またはこれらの材料の任意の組合せを含んでもよい。さらなる例として、金属、または金属と前述の材料との組合せを含む。パッシベーション層10が堆積している間、溝31の下端側を適切な材料によってマスクして、パッシベーション層10の堆積を防止してもよい。層の厚さを調整して、コンフォーマル・ライナまたは充填剤を分離トレンチ30に形成してもよい。たとえば、後の処理ステップにおいて単電池を絶縁するために分離トレンチ30が使用される場合、パッシベーション層10はコンフォーマル・ライナを形成することができる。一方で、後の処理ステップにおいて分離トレンチ30が素子絶縁トレンチとして使用される場合、パッシベーション層10は充填剤を形成することができる。図8には、パッシベーション層10をコンフォーマル・ライナとして形成した後の、一例の横断面図が示してある。
次いで、場合によっては、活性表面に3次元構造体を形成するための処理を実行して、その表面積を増大させてもよい。この処理は、リソグラフィ法、および、エッチング・プロセス、電気化学的プロセスの実行、湿式化学プロセス、適切な堆積プロセスを使用することによる自然の高温構造物の形成によるパターン形成を含んでもよい。それにより、Liイオンの挿入が容易になり、リチウムの挿入によるアノード材料の機械的な膨張が補償される。たとえば、トレンチ、ピラミッド、カラムなどを、溝31の下端側に形成してもよい。たとえば、パッシベーション層10をマスクとして使用して、これらのステップを実行してもよい。図9には、溝31の下端側から垂直に延在するトレンチ構造32が示してある。トレンチ構造32は、溝31の平面の底部側から測定した深さdが約20〜700μmでもよい。しかし、さらに、トレンチ構造32に下部構造を形成してもよい。たとえば、トレンチ構造32のそれぞれに、水平に延在する下部構造を形成してもよい。さらなる例では、トレンチ構造32にメソ細孔などを形成して、その表面積を拡大してもよい。
その後、露出したシリコン材料上に薄い金属層11が形成されて、アノードを形成する。金属層11の厚さは、約10〜100nmでもよい。その材料は、Ag、Al、Au、Pd、またはPtなどの金属を含んでもよく、これらにはリチウムと合金を形成する可能性がある。さらなる例として、Zn、Cd、Hg、B、Ga、En、Th、C、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Be、SeおよびTeを含む。一般に知られているように、金属層11は、スパッタリングまたは他の任意の堆積プロセスによって形成してもよい。その後、セパレータまたはセパレータ・スタック18が溝31に形成される。セパレータまたはセパレータ・スタック18は、一般に知られている方法によって形成してもよい。次いで、電解質材料12が、溝31内に満たされる。これもまた、一般に知られている方法によって実行される。
その後、カソード13が、溝31上に配置される。カソード13の材料は、前述の各例を含んでもよい。カソード13は、一般に知られている方法で形成してもよい。最後に、シーラント材料14が、カソード13の表面上に形成される。その後、ダイが、裏側から薄くされることになる。たとえば、これは、化学的機械的研磨(CMP)またはエッチングによって実行してもよい。薄くするこのステップにより、単電池を絶縁することができる。しかし、たとえば切断またはレーザ・カッティングなど、各素子を絶縁する代替方法が実行可能である。図10には、電池を絶縁した後の横断面図の一例が示してある。
次いで、キャリア1の裏側に、裏側メタライゼーションが形成される。たとえば、まず既知の方法によってTiの界面層15が形成され、それに続いて、銅または他の任意の適切な導電性材料などの金属層16が形成されてもよい。金属層16の厚さは、約500nm〜50μmでもよい。
その後、金属層16をパターン形成して、電池によって生成される電流を放電するための導電ラインを形成してもよい。
電池を製造するための各ステップを図6〜10に示してきたが、この方法は、図2に示す集積回路を製造することができるように修正できることが明確に理解されよう。たとえば、半導体基板に形成された回路を含む集積回路、およびリチウム電池を製造するために、素子分離トレンチ30(図2A参照)を形成して、パッシベーション層を形成するステップにおいて充填剤が形成されるように、ある程度の幅を有することができる。
図11には、電池を形成する方法の一例を示す流れ図が示してある。図に示すように、この方法は、基板の表面にアノードを形成するステップ(S11)と、セパレータ素子を形成するステップ(S21)と、セパレータ素子がカソードとアノードの間に配置されるようカソードを形成するステップ(S31)と、アノード、カソード、および基板によって形成された空間に電解質を充填するステップ(S41)とを含む。たとえば、アノードを形成するステップは、基板に溝を形成することによって基板の表面にパターン形成するステップを含み、この溝の壁がアノードを形成する。この方法はさらに、シリコン体の少なくとも一部分に、金属を含む層を形成するステップ(S51)を含む。
図12には、集積回路を製造する方法を示す。図に示すように、この方法は、半導体基板に回路素子を形成するステップ(S2、S21、S22、S23)およびリチウム電池を形成するステップ(S3)を含んでもよく、リチウム電池を形成するステップは、半導体基板の表面上、または半導体基板上の半導体層にアノードを形成するステップ(S31、S32、S33)を含む。半導体基板に回路素子を形成するステップ(S21、S22、S23)、およびリチウム電池を形成するステップ(S31、S32、S33)は、共通の処理ステップを含んでもよい。たとえば、それぞれの方法は、共通および非共通の処理ステップを含んでもよい。したがって、処理ステップには、続いて実行されるステップもあれば、同時に実行されるステップもある。
図13には、一実施形態による電子装置40が概略的に示してある。図13に示すように、電子装置40は、電気回路41および電池42を備えてもよい。電池42は、たとえば図1Aおよび1Bを参照してこれまで述べてきた電池でもよい。さらなる実施形態によれば、電池42は、たとえば図2Aおよび2Bを参照してこれまで述べてきた集積回路でもよい。より具体的には、電池42はさらに、図2Aに示した回路素子20を備えてもよい。あるいは、図3および4に関してこれまで説明してきたように、電池42および電気回路41は、別々のチップまたはダイに実装してもよい。電池42および電気回路41が別々のチップに配置されるとき、電池42は、相互接続部44を介して電気回路41と接続されてもよい。電気回路41は、データを処理するための処理装置を備えてもよい。電気回路41はさらに、データを表示するための1つまたは複数の表示装置を備えてもよい。電気回路41はさらに、データを送信するための送信機を備えてもよい。電子装置40はさらに、特定の電子システムを実装するように構成された構成要素を備えてもよい。一実施形態によれば、電子装置40はさらに、電気エネルギーを電池42に供給できるエネルギー・ハーベスティング装置43を備えてもよく、このエネルギーは、太陽、熱、運動、または他の種類のエネルギーから生成されたものである。たとえば、電子装置40は、タイヤ空気圧センサなどのセンサでもよく、電気回路41はさらに、センサ回路、および、場合によっては、検知したデータを外部受信機に送信する送信機を備える。別の実施形態によれば、電子装置40は、アクチュエータ、RFIDタグ、またはスマート・カードでもよい。たとえば、スマート・カードはさらに、指紋センサを備えてもよく、このセンサは、電池42が供給するエネルギーを使用して動作してもよい。
これまで本発明の各実施形態を説明してきたが、さらなる実施形態を実施してもよいことが明らかである。たとえば、さらなる実施形態は、特許請求の範囲に示す特徴の任意のサブコンビネーション、または前述の各例で説明した要素の任意のサブコンビネーションを含んでもよい。したがって、添付特許請求の範囲に記載のこの精神および範囲は、本明細書に含まれる各実施形態の説明に限定すべきではない。
Claims (27)
- カソードと、
シリコンから作製される構成要素を含むアノードと、
前記カソードと前記アノードの間に配置されたセパレータ素子と、
電解質と、
基板と
を備え、前記アノードが前記基板上に配置され、または前記アノードが前記基板と一体形成される、リチウム電池。 - 前記基板に溝が形成され、前記アノード、前記セパレータ素子、および前記電解質が、前記溝内に配置される、請求項1に記載のリチウム電池。
- 前記アノードが、前記溝の壁を形成する、請求項1または2に記載のリチウム電池。
- 前記溝が側壁と底部側を含み、前記アノードが前記溝の前記底部側を形成する、請求項2に記載のリチウム電池。
- 前記アノードがさらに、前記電解質に面する前記アノードの一方の側に配置された、金属を含む層を備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウム電池。
- 前記アノードが、前記基板上に配置された層に形成され、前記アノードを形成する前記層が、前記電池が形成される前記基板の一部分を完全に覆う、請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウム電池。
- 前記基板の表面がパターン形成される、請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウム電池。
- 複数の溝が、前記基板の前記表面に形成される、請求項7に記載のリチウム電池。
- 前記溝の深さが、20〜100μmである、請求項8に記載のリチウム電池。
- 基板の表面にアノードを形成するステップと、
セパレータ素子を形成するステップと、
前記セパレータ素子がカソードと前記アノードの間に配置されるようカソードを形成するステップと、
前記アノード、前記カソード、および前記基板によって形成された空間に電解質を充填するステップと
を含む、リチウム電池を製造する方法。 - アノードを形成するステップが、前記基板に溝を形成することによって前記基板の表面にパターン形成するステップを含み、前記溝の壁が前記アノードを形成する、請求項10に記載の方法。
- 前記溝が側壁と底部側を含み、前記アノードが前記溝の前記底部側を形成する、請求項11に記載の方法。
- アノードを形成するステップが、前記基板の表面に下部構造を形成することによって前記基板の前記表面にパターン形成するステップを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記電解質に面する前記基板の少なくとも一部分に、金属を含む層を形成するステップをさらに含む、請求項10〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 半導体基板に形成される回路素子と、
シリコンから作製される構成要素を含むアノード、および
基板
を含むリチウム電池と
を備え、前記リチウム電池が、前記基板、または前記基板上の層に形成される、集積回路。 - 前記リチウム電池が、前記基板上に形成された半導体層に形成される、請求項15に記載の集積回路。
- 前記回路素子が、エネルギー受取り装置、エネルギー放射装置、信号処理回路、情報処理回路、情報記憶回路、トランジスタ、キャパシタ、抵抗器、MEMS(微小電気機械システム)装置、センサ、アクチュエータ、エネルギー・ハーベスタ、エネルギーを変換するための装置、表示装置、ビデオ装置、オーディオ装置、音楽プレーヤ、および各装置のいずれかの構成要素からなる群から選択される、請求項15または16に記載の集積回路。
- 半導体基板に回路素子を形成するステップと、
リチウム電池を形成するステップと
を含み、リチウム電池を形成するステップが、前記半導体基板の表面上、または前記半導体基板上の半導体層にアノードを形成するステップを含む、集積回路を製造する方法。 - 前記リチウム電池を形成するステップがさらに、
セパレータ素子を形成するステップと、
前記セパレータ素子がカソードと前記アノードの間に配置されるようカソードを形成するステップと、
前記アノード、前記カソード、および前記半導体基板または半導体層によって形成された空間に電解質を充填するステップと
を含む、請求項18に記載の方法。 - 前記回路素子を形成するステップおよび前記リチウム電池を形成するステップが、共通の処理ステップを含む、請求項18または19に記載の方法。
- 第1の半導体基板に回路素子を形成するステップと、
第2の半導体基板の表面上にアノードを形成することを含む、リチウム電池を形成するステップと、
前記第1の半導体基板および前記第2の半導体基板を共通のハウジング内にパッケージ化するステップと
を含む、集積回路を製造する方法。 - 前記第1および第2の半導体基板が1つの層で構成される、請求項21に記載の方法。
- 前記第1および第2の半導体基板が積み重ねられる、請求項21に記載の方法。
- 電気回路と、
請求項1〜9のいずれか一項に記載のリチウム電池と
を備える、電子装置。 - 前記電子装置が、センサ、アクチュエータ、RFID(無線周波数認識装置)タグ、およびスマート・カードからなる群から選択される、請求項24に記載の電子装置。
- 電気回路と、
半導体基板に形成される回路素子、ならびに
シリコンから作製される構成要素を含むアノード、および
半導体基板を
含むリチウム電池を
含む集積回路と
を備え、前記リチウム電池が、前記半導体基板、または前記半導体基板上の層に形成される、電子装置。 - 前記電子装置が、センサ、アクチュエータ、RFID(無線周波数認識装置)タグ、およびスマート・カードからなる群から選択される、請求項26に記載の電子装置。
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