JP6150587B2 - パターン形成方法、構造体、櫛型電極の製造方法、及び二次電池 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施形態に係るパターン形成方法を示す横断面図である。図1を参照して、本発明の実施形態に係るパターン形成方法について説明する。なお、図1では、n=2の場合について説明する。
この工程において、まず、所望のマスクを介して、1番目のレジスト層2を選択露光させる。これにより、1番目のレジスト層2の形成にポジ型レジスト組成物を用いた場合には、将来、ガイド孔3aとなる部分が現像液に対して可溶となり、将来、ガイド孔3aとならない箇所が現像液に対して不溶のままとなる。一方、1番目のレジスト層2の形成にネガ型レジスト組成物を用いた場合には、将来、ガイド孔3aとならない箇所が現像液に対して不溶となり、将来、ガイド孔3aとなる部分が現像液に対して可溶のままとなる。必要に応じて、選択露光後に加熱(PEB)が施される。
この工程では、図1(c)で示される工程で形成されたガイド孔3aに、スクリーン印刷法により、1番目のパターン材料を充填する。即ち、ガイド孔3aを鋳型として、支持体1の表面に1番目のパターン材料層4aを形成させる。
この工程では、1番目のレジスト層2を除去する。具体的には、例えば、剥離液を用いて、1番目のレジスト層2を剥離する方法が挙げられる。この場合、剥離方法は、特に限定されず、浸漬法、スプレー法、シャワー法、パドル法等を用いることができる。また、剥離液としては、レジスト層に用いられるレジスト組成物の成分に合わせて適宜選択すればよく、例えば、3〜15質量%の水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、有機アミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液、トリエタノールアミン、N―メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、その他プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のレジスト溶媒等が挙げられる。剥離処理時間は、特に限定されないが、例えば1〜120分間程度である。なお、剥離液は、25〜60℃程度に加温してもよい。
この工程により、1番目のパターン材料からなる1個のパターンが支持体上に形成される。
この工程では、支持体1と1番目のパターン材料層4aとの上に、レジスト組成物を塗布して2番目のレジスト層5を形成させる。2番目のレジスト層5には、後に説明するように、パターン材料層4bを形成させるためのガイド孔3bが形成される。このガイド孔3bは、パターン材料層4bを形成させる際の鋳型となるので、パターン材料層4bを形成させるのに十分な深さを有するように形成させる必要がある。また、2番目のレジスト層5は、1番目のパターン材料層4aの上に形成されるので、1番目のパターン材料層4aの保護層としても機能する。即ち、1番目のパターン材料層4aの上に2番目のレジスト層5を形成させないで、後述のとおり、ガイド孔3bを形成させると、その過程で1番目のパターン材料層4aが現像液に触れて、流出してしまう。上述のとおり、1番目のパターン材料層4aの上に2番目のレジスト層5を形成させることで、1番目のパターン材料層4aが現像液に触れて流出してしまうのを防ぐことができる。
この工程において、まず、所望のマスクを介して、2番目のレジスト層5を選択露光させる。これにより、2番目のレジスト層5の形成にポジ型レジスト組成物を用いた場合には、将来、ガイド孔3bとなる部分が現像液に対して可溶となり、将来、ガイド孔3bとならない箇所が現像液に対して不溶のままとなる。一方、2番目のレジスト層5の形成にネガ型レジスト組成物を用いた場合には、将来、ガイド孔3bとならない箇所が現像液に対して不溶となり、将来、ガイド孔3bとなる部分が現像液に対して可溶のままとなる。必要に応じて、選択露光後に加熱(PEB)が施される。
この工程では、図1(g)で示される工程で形成されたガイド孔3bに、スクリーン印刷法により、2番目のパターン材料を充填する。即ち、ガイド孔3bを鋳型として、支持体1の表面に2番目のパターン材料層4bを形成させる。
この工程では、2番目のレジスト層5を除去する。具体的には、例えば、剥離液を用いて、2番目のレジスト層5を剥離する方法が挙げられる。剥離方法、剥離液、剥離処理時間は、図1(e)で示される工程について説明したのと同様である。
なお、図1では、n=2の場合について説明したが、nが3以上の場合については、図1(c)〜(f)で示される工程を必要回数繰り返すことにより、同一又は異なるパターン材料からなるn個のパターンを支持体上に形成することができる。
以下、比較のために、図2に示すパターン形成方法について簡単に説明する。
図2(e)で示される工程では、1番目のレジスト層2と1番目のパターン材料層4aとの上に、ポジ型レジスト組成物を塗布して2番目のレジスト層5を形成させる。2番目のレジスト層5は、1番目のパターン材料層4aの保護層として機能する。
図2(f)で示される工程では、所望のマスクを介して、1番目のレジスト層2及び2番目のレジスト層5を選択露光させる。選択露光を受けた1番目のレジスト層2及び2番目のレジスト層5は、現像される。現像された1番目のレジスト層2及び2番目のレジスト層5には、支持体1の表面まで貫通するガイド孔3bが形成される。必要に応じて、選択露光後に加熱(PEB)や、現像後にアフターキュアやポストベークが施される。
図2(g)で示される工程では、図2(f)で示される工程で形成されたガイド孔3bに、スクリーン印刷法により、2番目のパターン材料を充填する。即ち、ガイド孔3bを鋳型として、支持体1の表面に2番目のパターン材料層4bを形成させる。
図2(h)で示される工程では、1番目のレジスト層2及び2番目のレジスト層5を除去する。
以上のとおりにして、1番目及び2番目のパターン材料からなる2個のパターンが支持体上に形成される。
なお、図2では、n=2の場合について説明したが、nが3以上の場合については、図2(c)〜(e)で示される工程を必要回数繰り返すことにより、同一又は異なるパターン材料からなるn個のパターンが支持体上に形成される。
櫛型電極11aと櫛型電極11bとの間には、空間又は両者を隔離するセパレータ(図示せず)が設けられ、両者が電気的に分離される。櫛型電極11a及び11bは、表面が不導体である基板14の表面に形成される。このような基板14としては、表面に酸化膜を有するシリコン基板が例示される。上記シリコン基板は、更に上記酸化膜の上層に後述の密着付与層が形成されたものであることが好ましい。
m−クレゾール及びp−クレゾールの混合物(m−クレゾール/p−クレゾール=6/4(質量比))とホルムアルデヒドとを酸触媒の存在下で常法により付加縮合して得たクレゾール型ノボラック樹脂(質量平均分子量30000)70質量部と、感光剤として1,4−ビス(4−ヒドロキシフェニルイソプロピリデニル)ベンゼンのナフトキノン−1,2−ジアジド−5−スルホン酸ジエステル15質量部と、可塑剤としてポリメチルビニルエーテル(質量平均分子量100000)15質量部とに対して、溶剤としてプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)を固形分濃度が40質量%になるように添加してから、混合して溶解させ、レジスト組成物1を得た。このレジスト組成物1は、ノボラック系であり、非化学増幅系であり、ポジ型である。
m−クレゾール及びp−クレゾールの混合物(m−クレゾール/p−クレゾール=6/4(質量比))とホルムアルデヒドとを酸触媒の存在下で常法により付加縮合して得たクレゾール型ノボラック樹脂(質量平均分子量10000)52.5質量部と、ポリヒドロキシスチレン樹脂VPS−2515(日本曹達社製) 10質量部と、下記式(1)で表される樹脂27.5質量部と、下記式(2)で表される樹脂10質量部と、酸発生剤として下記式(3)で表される化合物2質量部と、増感剤として1,5−ジヒドロキシナフタレン2質量部と、添加剤としてトリエチルアミン0.01質量部及びサリチル酸0.02質量部と、溶剤としてPGMEA 107質量部及びガンマブチロラクトン6質量部とを混合して溶解させることによりレジスト組成物2を得た。このレジスト組成物2は、化学増幅系であり、ポジ型である。
スクリーン印刷法を用いて、図3に示す櫛型電極11a及び11bを作製した。
(集電体の形成)
まず、上層に密着付与層としてチタンの薄膜が形成された酸化膜を有するシリコン基板の表面(つまり、チタン薄膜表面)に、スパッタ法により、導電層としてアルミニウム膜(厚さ:200nm)を形成した。この基板上に、合成例1のポジ型レジスト組成物1をスピンコート法により塗布し、1.5μmのレジスト層を形成させ、120℃にて1分間乾燥させた。そして、図3に示す櫛型電極11a及び11bに対応するパターンを有するマスクを用いて、レジスト層に選択露光(ghi混合線、露光量100mJ/cm2)を行った。次いで、TMAH2.38質量%のアルカリ現像液で1分間現像した。現像後に、アルミニウムエッチング液(H3PO4:HNO3:H2O=4:1:1.6(質量比))でディップ法によりアルミニウム膜とチタン薄膜をエッチングし、アルミニウムパターン(チタン薄膜のパターンを下層に有するパターン)を形成して、櫛型集電体12a及び12bを形成した。
集電体の形成されたシリコンウェーハの表面に、合成例1のレジスト組成物をスピンコート法により塗布し、50μmのレジスト層を形成させ、140℃にて5分間乾燥させた。そして、形成された櫛型の集電体12aと平面視で同一形状となるポジマスクを使用して、櫛型の集電体の上部に位置するレジスト層に露光(ghi混合線、露光量60mJ/cm2)した。次いで、活性化工程として85℃にて3分間ベークを行い、アルカリ現像液で現像した。これにより、シリコンウェーハの表面に、集電体12aと平面視で同一形状となる櫛型形状のガイド孔を形成させた。なお、ガイド孔の底部には、集電体12aが露出していた。
LiFePO4粒子36.54g、導電助剤としてアセチレンブラック2.52g、分散剤としてカルボキシメチルセルロース2.10g、及び結着剤としてスチレンブタジエンゴム(SBR)0.84gを混合し(質量比は87:6:5:2)、更に58gの水を加えて混合し、固形分42質量%の分散液を得た。この分散液を自転・公転ミキサー(商品名:あわとり練太郎、(株)シンキー製)にて2000rpmで10分間回転させて、更に混合・分散を行い、得られた混合物を正極活物質として用いた。
(レジスト層の剥離−1)
レジスト層をアセトンにて剥離した。
正極活物質が堆積されたシリコンウェーハの表面に、合成例2のレジスト組成物2をスピンコート法により塗布し、60μmのレジスト層を形成させ、140℃にて1分間乾燥させた。
形成された櫛型の集電体12bと平面視で同一形状となるポジマスクを使用して、櫛型の集電体の上部に位置するレジスト層に露光(ghi混合線、露光量60mJ/cm2)した。次いで、活性化工程として85℃にて3分間ベークを行い、アルカリ現像液で現像した。これにより、保護層としても機能する上記レジスト層により正極活物質を保護しつつ、シリコンウェーハの表面に、集電体12bと平面視で同一形状となる櫛型形状のガイド孔を形成させた。なお、ガイド孔の底部には、集電体12bが露出していた。
Li4Ti5O12粒子36.54g、導電助剤としてアセチレンブラック2.52g、分散剤としてカルボキシメチルセルロース2.10g、及び結着剤としてSBR0.84gを混合し(質量比は87:6:5:2)、更に58gの水を加えて混合し、固形分42質量%の分散液を得た。この分散液を自転・公転ミキサー(商品名:あわとり練太郎、(株)シンキー製)にて2000rpmで10分間回転させて、更に混合・分散を行い、得られた混合物を負極活物質として用いた。
最後にレジスト層をアセトンにて剥離して、櫛型電極11a及び11bを得た。スクリーン印刷法により電極活物質を充填するのに要した時間は、15分という非常に短い時間であった。
インジェクション法を用いて、図3に示す櫛型電極11a及び11bを作製した。
(集電体の形成)
実施例1と同様にして、櫛型集電体12a及び12bを形成した。
集電体の形成されたシリコンウェーハの表面に、合成例1のレジスト組成物をスピンコート法により塗布し、50μmのレジスト層を形成させ、140℃にて5分間乾燥させた。そして、形成された櫛型の集電体と平面視で同一形状となるポジマスクを使用して、櫛型の集電体の上部に位置するレジスト層に露光(ghi混合線、露光量60mJ/cm2)した。次いで、活性化工程として85℃にて3分間ベークを行い、アルカリ現像液で現像した。これにより、シリコンウェーハの表面に、櫛型形状のガイド孔を形成させた。なお、ガイド孔の底部には、集電体が露出していた。
マイクロピペットを使用して、上記で形成させたガイド孔のうち、正極に対応するものの周辺に実施例1の正極活物質を、負極に対応するものの周辺に実施例1の負極活物質を滴下し、櫛型パターンを有する各ガイド孔へ慎重に流しこんだ。その後、100℃にて5分間乾燥させ、活物質層を形成した。最後にレジスト層をアセトンにて剥離して、櫛型電極11a及び11bを得た。インジェクション法により電極活物質を充填するのに要した時間は、3時間という非常に長い時間であった。
実施例1で得られた櫛型電極11a及び11bの上面及び断面を、SEM及びEDX(エネルギー分散型X線分光法)で観察した。なお、断面の観察は、SEMのみで行った。結果を図4に示す。ここで、図4(a1)、(b)、及び(c)は同視野の写真を示す。図4(a1)及び(a2)に示すとおり、櫛型電極11a及び11bにおいて、正極活物質及び負極活物質は、ガイド孔の形状に従って、ばらつきなく充填されていることが確認できた。図4(a1)では、一番左が負極であり、右に向かって負極と正極とが交互に並んでいる。また、図4(b)に示すとおり、正極にはリンが存在することが観察され、正極活物質が充填されていることが確認できた。一方、図4(c)に示すとおり、負極にはチタンが存在することが観察され、負極活物質が充填されていることが確認できた。なお、図4(c)では、正極でもシグナルが検出されたが、これは、密着付与層の形成に用いられたチタンが検出されたものである。図4(c)では、正極よりも負極でシグナルが強く検出されていることから、負極に負極活物質が充填されていることが分かる。
(レジスト層における発泡の有無)
実施例1において負極活物質層を形成させた段階でレジスト層の断面をSEMで観察したところ、レジスト層において発泡は確認されなかった。結果を図5(a)に示す。
実施例1における(集電体の形成)、(ガイド孔の作製−1)、及び(活物質層の形成−1)の記載に従って、櫛型集電体12a及び12bの形成、レジスト層の形成、ガイド孔の形成、並びに正極活物質層の形成を行った。
シリコンウェーハの表面に形成されたレジスト層及び正極活物質層の上に、合成例2のレジスト組成物2をスピンコート法により塗布し、10μmのレジスト層を形成させ、140℃にて1分間乾燥させて、保護膜を形成させた。
(ガイド孔の作製−2)
形成された櫛型の集電体12bと平面視で同一形状となるポジマスクを使用して、櫛型の集電体の上部に位置するレジスト層に露光(ghi混合線、露光量60mJ/cm2)した。次いで、活性化工程として85℃にて3分間ベークを行い、アルカリ現像液で現像した。これにより、正極活物質を上記保護層により保護しつつ、シリコンウェーハの表面に、集電体12bと平面視で同一形状となる櫛型形状のガイド孔を形成させた。なお、ガイド孔の底部には、集電体12bが露出していた。
ガイド孔が形成されたシリコンウェーハに対して、スクリーン印刷を行い、ガイド孔に実施例1の負極活物質を充填し、100℃にて5分間乾燥させ、負極活物質層を形成させた。スクリーン印刷は、角度45°に研磨された硬さ60°のシリコンスキージを備えたスクリーン印刷機(MT−320T型、マイクロ・テック(株)製)を使用して、スキージ圧180MPa、スキージ速度15.0mm/sにて行った。
(レジスト層の剥離)
最後にレジスト層をアセトンにて剥離して、櫛型電極11a及び11bを得た。
負極活物質層を形成させた段階でレジスト層の断面をSEMで観察したところ、レジスト層において発泡が確認された。発泡の結果、(ガイド孔の作製−2)で形成させたガイド孔の形状は歪んでおり、図5(b)に示すとおり、このガイド孔に負極活物質が十分に充填されていない箇所が確認された。また、上記ガイド孔に負極活物質が十分に充填されていても、このガイド孔の形状が歪んでいるために、負極活物質層の形状が崩れている箇所も確認された。
[実施例4]
正極活物質及び負極活物質を調製する際に、原料の質量比をいずれも87:6:5:2から81:12:5:2へ変更し、櫛型電極全体のサイズ、歯の太さ、隣接する2本の歯同士の間隔、歯の長さ、歯の本数、及び活物質層の厚さを表1に示すとおりに設定した以外は、実施例1と同様にして、図3に示す櫛型電極11a及び11bを作製した。
得られた櫛型電極11aと11bとの間隙を電解質液A(炭酸ビニレンが5質量%添加されている1MのLiPF6溶液(溶媒は体積比1:1の炭酸エチレン・炭酸ジエチル混合液))で満たして、二次電池(実施例4)を作製した(サンプル数は3)。
これらの二次電池について、電流値を50μAに設定して、充電及び放電を行った。充放電曲線を図6に示す。3サンプルとも同程度の容量であり再現性が確認された。また、この充放電曲線から読み取った放電容量の値を表1に示す。
2 1番目のレジスト層
3a、3b ガイド孔
4a、4b パターン材料層
5 2番目のレジスト層
11a、11b 櫛型電極
12a、12b 集電体
13a、13b 活物質層
14 基板
Claims (6)
- 同一又は異なるパターン材料からなるn個(nは2以上の整数)のパターンを支持体上に形成するパターン形成方法であって、
前記支持体の表面にレジスト組成物を塗布して1番目のレジスト層を形成させ、
k番目(kは1〜(n−1)の整数)のパターン材料及びk番目のレジスト層について、kが1の場合からkが(n−1)の場合まで順番に、下記(1)〜(4):
(1)露光及び現像により、k番目のレジスト層を貫通するガイド孔を形成させること、
(2)スクリーン印刷法により前記ガイド孔にk番目のパターン材料を充填すること、
(3)前記k番目のレジスト層を除去すること、及び
(4)前記支持体と1番目からk番目までのパターン材料との上に、レジスト組成物を塗布して(k+1)番目のレジスト層を形成させること
を繰り返し、
露光及び現像により、n番目のレジスト層を貫通するガイド孔を形成させ、
前記現像は、前記(k+1)番目のレジスト層が前記1番目からk番目までのパターン材料の上に在る状態で行い、
スクリーン印刷法により前記ガイド孔にn番目のパターン材料を充填し、
n番目のレジスト層を除去することを含むパターン形成方法。 - 同一又は異なるパターン材料からなるn個(nは2以上の整数)のパターンを支持体上に形成するパターン形成方法であって、
前記パターン材料は、正極活物質又は負極活物質であり、
前記支持体の表面にレジスト組成物を塗布して1番目のレジスト層を形成させ、
k番目(kは1〜(n−1)の整数)のパターン材料及びk番目のレジスト層について、kが1の場合からkが(n−1)の場合まで順番に、下記(1)〜(4):
(1)露光及び現像により、k番目のレジスト層を貫通するガイド孔を形成させること、
(2)スクリーン印刷法により前記ガイド孔にk番目のパターン材料を充填すること、
(3)前記k番目のレジスト層を除去すること、及び
(4)前記支持体と1番目からk番目までのパターン材料との上に、レジスト組成物を塗布して(k+1)番目のレジスト層を形成させること
を繰り返し、
露光及び現像により、n番目のレジスト層を貫通するガイド孔を形成させ、
スクリーン印刷法により前記ガイド孔にn番目のパターン材料を充填し、
n番目のレジスト層を除去することを含むパターン形成方法。 - 同一又は異なるパターン材料からなるn個(nは2以上の整数)のパターンを支持体上に形成するパターン形成方法であって、
前記支持体の表面にレジスト組成物を塗布して1番目のレジスト層を形成させ、
k番目(kは1〜(n−1)の整数)のパターン材料及びk番目のレジスト層について、kが1の場合からkが(n−1)の場合まで順番に、下記(1)〜(4):
(1)露光及び現像により、k番目のレジスト層を貫通するガイド孔を形成させること、
(2)スクリーン印刷法により前記ガイド孔にk番目のパターン材料を充填すること、
(3)前記k番目のレジスト層を除去すること、及び
(4)前記支持体と1番目からk番目までのパターン材料との上に、レジスト組成物を塗布して(k+1)番目のレジスト層を形成させること
を繰り返し、
露光及び現像により、n番目のレジスト層を貫通するガイド孔を形成させ、
スクリーン印刷法により前記ガイド孔にn番目のパターン材料を充填し、
n番目のレジスト層を除去することを含むパターン形成方法(但し、前記ガイド孔に充填した前記パターン材料を420〜550℃において焼成することを含まない。)。 - パターンを備える構造体の製造方法であって、
前記パターンは、請求項1〜3の何れか1項に記載のパターン形成方法により形成される、製造方法。 - 正極及び負極がそれぞれ櫛型形状として形成され、前記正極及び負極が櫛型形状の歯の部分で互い違いに組み合うように対向配置された櫛型電極の製造方法であって、
基板の表面に導電層を形成させ、当該導電層をパターニングして集電体を形成させ、
請求項1〜3の何れか1項に記載のパターン形成方法を用いて、前記集電体上に前記正極及び負極を形成させることを含む製造方法。 - 櫛型電極を有する二次電池の製造方法であって、
前記櫛型電極は、請求項5記載の製造方法により製造される、製造方法。
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