KR101379243B1 - 고체상태 마이크로 배터리의 포토리소그래픽 제조, 싱글레이션 및 패시베이션 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

박막 리튬 배터리를 제조하는 방법은 캐소우드 전류 컬렉터, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 기판에 전용하는 단계를 포함하며, 하나 이상의 층은 습식 화학 처리를 포함하는 공정에 으해 산화 리튬화한 조성물을 함유하는 층으로부터 포토레지스트 재료의 제거를 포함하고, 포토리스그래픽 공정에 의해 적어도 부분적으로 패턴된 산화 리튬화한 조성물을 함유한다.
부가적으로, 캐소우드 재료, 애노드 재료 및 이 애노드 재료로부터 캐소우드 재료를 분리하는 LIPON 장벽/전해질 층을 갖는 습식 기판을 포함하는 공정에 으해 산화 리튬화한 조성물을 만드는 방법 및 장치를 제공한다. 실시 예에서, 방법은 복수의 전지를 덮도록 시트에 제 2 재료를 증착하는 단계와; 복수의 전지를 제 1 시트와 불리하도록 제 2 재료의 서브세트를 제거하는 단계를 포함한다.
Figure R1020097003209
배터리

Description

고체상태 마이크로 배터리의 포토리소그래픽 제조, 싱글레이션 및 패시베이션 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SOLID-STATE MICROBATTERY PHOTOLITHOGRAPHICMANUFACTURE, SINGULATION AND PASSIVATION}
본 출원은 기판으로부터 고체 상태 마이크로 배터리 포토리스그래픽 절단 및 패시베이션(보호)용 장치라는 제목의 2006년 6월 18일자의 미국가출원 일련번호 60/807,713호의 계속 출원이다.
본 발명은 고체 상태 에너지 저장 장치 분야, 특히, 고체 상태 배터리를 제조하고, 디바이스를 싱글레이션(singulation)(선택에 따라서 주위 페기 기판에 대한 소형 접속 부를 남기면서 서로 대부분 분리하거나, 이 디바이스를 완전히 분리)하고 LiPON 전해질로 배터리, 예를 들면, 리튬 배터리 장치 주위에 패시베이션(passivation)을 형성하는 방법 및 장치, 그리고 얻어지는 전지(들), 장치(들) 및/또는 배터리(들)에 관한 것으로, 상기 배터리 장치는 패시베이션 및 보호 장벽으로 LiPON을 포함한다.
전자 장치는 컴퓨터, 이동 전화, 트랙킹 시스템, 스케너 등과 같은 많은 휴대용 장치에 내장되어 있다. 휴대용 장치의 결점으로는 장치에 전원을 포함해야 한다는 것이다. 통상, 휴대용 장치는 전원으로 배터리를 이용한다. 배터리는 장치를 이용하는 동안, 적어도 장치를 구동할 수 있는 충분한 용량을 가져야한다.
충분한 배터리 용량으로 인해 나머지 장치에 비해 전원이 중량화 및/또는 대형화된다. 따라서, 충분한 에너지 용량을 갖는 소형이면서 경량의 배터리가 바람직하다.
수퍼 캐패시터와 같은 에너지 저장 장치, 광전지 및 연료전지와 같은 에너지 변환 장치는 휴대용 전자 장치 및 비 휴대용 전자 제품에 전원으로 이용하는 배터리 대체제이다. 종래의 배터리의 또 다른 결점은 누설될 수 있으며 정부 규제를 받는 유독성 물질로 제조된다는 것이다. 따라서, 많은 충/방전 라이프 사이클 동안 안전하고 고체 상태이며 재충전 가능한 전원을 제공하는 것이 바람직하다.
에너지 저장 장치의 하나의 형태는 고체 상태 박막 배터리이다.
이 박막 배터리의 예는 미국특허 제5,314, 765; 5,338,625; 5,445,906; 5,512,147;5,561,004; 5,567,720 ; 5,569,920; 5,597,660; 5,612,152; 5,654,084; 및 5,705,293호에 개시되어 있고 이를 참고로 본 명세서에 포함한다.
미국특허 제5,338,625호는 박막 배터리, 특히 박막 마이크로 배터리, 및 전자 장치용 보조 또는 제 1 내장 전원에 응용가능한 박막 마이크로배터리용 제조방법을 개시하고 있다. 미국특허 제5,445, 906호는 다수의 증착 스테이션을 이용하여 형성된 박막 배터리를 제조하는 방법 및 시스템을 개시하고 있으며, 웹 형 기판의 증착 스테이션을 통해 자동으로 이동될 때, 박막 소자 막이 순차적으로 이 웹형 기판에 집적된다.
(참고로 본 발명의 명세서에 포함된) 2004년 10월 19일에 발행되고 본 발명의 양수인에게 양도된 마크 엘, 젠손 및 조디 제이 크라센의 미국특허 제6,805,998호는 일련의 증착 스테이션을 통해 이동하는 폴리머 웹에 박막 리튬 배터리를 증착하는 고속 저온 방법을 개시한다.
(참고로 본원 명세서에 포함된) 격리 판 및 보호 장벽으로 LIPON을 갖는 리튬/공기 배터리 및 방법이라는 제목의 미국특허 출원 10/895,445는 500Å의 크롬과 뒤어어 5000Å의 구리의 진공 스퍼터 증착에 의해 실리콘 산화물의 전기 절연 층에 크롬 접착층을 증착함으로써 LiPON을 전도 기판(예를 들어, 동 또는 알루미늄)에 증착하는 단계를 포함하는 리튬 배터리를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 일부 실시 예에서, LiPON(Lithium Phosphorpos OxyNitride)는 질소 분위기에서 인산 리튬(Li3PO4)의 저압(<10mtor) 스퍼터 증착에 의해 형성된다. Li-공기 배터리의 일부 실시 예에서, LiPON이 2.55마이크론의 두께로 동 애노드 접점상에 증착되고 리튬 금속의 층이 프로필렌 카보네이트/LiPF6 전해질 용액에서 LiPON 층을 통해 전기도금되어 동 에노드 접점상에 형성된다. 일부 실시 예에서, 공기 캐소우드는 프로필렌 카보네이트/LiPF6 유기 전해질 용액으로 포화된 카본 파우더/포리프루오로아크릴레이트-바인더 코팅(Novec-1700)이다. 카본 입상을 갖는 캐소우드-접촉 층이 증착되어 대기 산소(atmospheric oxygen)가 캐소드 반응 물질로 동작할 수 있다.
이러한 구성은 전체 캐소우드 표면에 대한 공기 엑세스 및 높은 전기 용량(즉, amp-hours)을 위한 층의 조밀 적층 능력의 제한을 요구한다.
미국특허 출원 공보 제20070067984 호는 리튬 마이크로배터리를 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 리튬 화합물(lithiated compound)을 함유하는 전해질이 전해질 박막, 리튬에 대해 화학적으로 불활성인 제 1 보호 박막, 그리고 제 1 마스킹 박막을 전류 컬렉터와 캐소우드가 제공된 기판에 연속적으로 증착시킴으로써 형성된다. 단락번호 [0033]에 기재되어 있듯이, "현재, 산소, 질소 및 물에 매우 민감한 리튬 화합물을 함유하는 리튬 마이크로배터리를 구성하는 소자는 전류 컬렉터 (2a 및 2b)와 캐소우드(3)를 만드는 기술, 포토리소그래픽 기술 및 에칭에 의해 형성될 수 없다." 제조 능력, 밀도, 신뢰성이 향상되고 저렴한 코스트의 재충전 배터리를 제조할 필요가 있다.
박막 리튬 배터리를 제조하는 방법은 캐소우드 전류 컬렉터, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 기판에 적용하되, 이 층들의 적어도 하나는 리튬 화합물을 함유한다.
이 방법에서, 리튬 화합물을 함유하는 하나 이상의 층의 구성은 습식 화학 처리를 포함하는 공정에 의해 리튬 화합물을 함유하는 층으로부터 포토레지스트 재료의 제거를 포함하는 포토리소그래픽 공정에 의해 부분적으로 패턴화된다.
선행기술과는 달리, 박막 리튬 배터리를 습식 화학 처리를 사용하는 포토리소그래픽 방법을 이용하여 얻어질 수 있다는 것을 알았다.
이 방법은 선행기술의 제조기술에 비해 간단한 장비를 이용하여 공정 수를 감소하면서도 효율적이고 경제적인 장치의 제조를 제공할 수 있다.
박막 리튬 배터리를 제조하는 본 공정은 습식 화학처리를 사용하여 제거될 수 있는 포토리소그래픽 마스킹 재료 외에 부수적인 보호층 없이 수행될 수 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터, 임의의 애노드 재료 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 LiPON 장벽/전해질 층을 갖는 기판을 포함하는 제 1 시트를 제공하고 이 제 1 시트로부터 복수의 전지를 분리하도록 제 1 재료의 서브 세트에서 하나 이상의 재료 제거 공정을 수행하거나 레이저 절삭함으로써 리튬 배터리를 제조하는 방법 및 장치를 제공한다. 실시 예에서, 이 방법은 복수의 전지를 커버하도록 제 2 재료를 시트에 증착하는 단계 및 제 1 시트로부터 복수의 전지를 분리하도록 제 2 재료의 서브세트에서 하나 이상의 재료 제거 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 재료 제거 공정은 하나 이상의 포토리소그래픽 공정 또는 그의 결합을 수행하여 레이저 절삭될 수 있다.
도 1A는 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위해 부분적으로 제조된 층 구조(100A)의 개략적인 단면도이다.
도 1B는 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위한 층 구조(100B)의 개략적인 단면도이다.
도 2A는 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위해 절삭된 층 구조(200A)의 개략적인 단면도이다.
도 2B는 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위해 절삭된 층 구조(200B)의 개략적인 단면도이다.
도 3A는 본 발명의 실시 예의 절삭되고 충전된 제조 중의 고체 상태 전지(300A)의 개략적인 단면도이다.
도 3B는 본 발명의 실시 예의 절삭되고 충전된 제조 중의 고체 상태 전지(300B)의 개략적인 단면도이다.
도 4A는 본 발명의 실시 예의 재절삭된 고체 상태 전지(400A)의 개략적인 단면도이다.
도 4B는 본 발명의 실시 예의 재절삭된 고체 상태 전지(400B)의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예의 재절삭된 고체 상태 전지(500)의 개략적인 상면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위해 부분적으로 제조된 층 구조(600)의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위해 절삭된 층 구조(700)의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위해 절삭되고 충전된 제조중의 고체 상태 전지(800)의 개략적인 단면도이다. 실시예의 충전 재료(810)는 구리 알루미늄 같은 금속이다.
도 9는 본 발명의 실시 예의 제조 중의 고체 상태 전지(900)의 개략적인 단면도이다. 실시 예에서, 충전 재료(810)가 채널(812)로 절삭되어 얇은 층의 재료(810)를 남긴다. 기판이 접점 형성과 전지 분리를 위해 다시 레이저 절삭 시스템 및 다이싱 소로 이동된다. 실시 예에서, 레이저 빔 또는 다이싱 소는 각각의 전지의 상부의 접점까지 패시베이션 재료의 층을 절삭한다(도 9). 접점 형성 후, 레이저는 원 절삭 커프 폭의 일정 백분율(100% 이하)로 설정된다. 빔은 패시베이션 재료 및 기판을 절삭하여 모서리에 소형 지지 태브(1017) 및 각 전지 측부에 개구 중심(도 10)을 남긴다.
도 10은 본 발명의 실시 예의 처리 중 고체 상태 전지(1000)의 개략적인 단면도이다. 실시 예에서, 전지는 후 절삭 공정을 통해 기판에 남게 된다. 이 전지의 최종 분리는 픽 앤드 플레이스 시스템을 이용하여 개별 전지에 대한 상진 또는 하진 힘에 의해 성취된다.
도 11은 블랭킷 셀 공정 후의 본 발명의 실시 예의 처리 중 고체 상태 전지(1100)의 개략적인 단면도이다. 양 접점이 전지의 상부를 통해 액세스되는 전지인 경우, 공정은 절삭에 의한 형성을 제외하고 상술한 공정과 유사하다.
도 12는 절삭을 통해 형성된 상부 접점 및 전지를 도시한 처리 중의 고체 상태 배터리의 개략적인 단면도이다.
도 13은 적용된 패시베이션의 제 1 층을 도시한 처리 중의 고체 상태 전지(1300)의 개략적인 단면도이다.
도 14는 전지를 균일하게 커버하도록 절삭된 패시베이션 재료의 제 1 층을 도시한 처리 중의 고체 상태 전지(1400)의 개략적인 단면도이다.
도 15는 패시베이션 재료의 추가 층(들)이 적용된 것(금속)을 도시한 처리 중 고체 상태 전지(1500)의 개략적인 단면도이다.
도 16은 전지의 접점 영역이 절삭되고 전지가 기판 지지 태브를 제외하고 절삭된 것을 도시한 처리 중의 고체 상태 전지(1600)의 개략적인 단면도.
도 17은 접점 패드가 식별되고 지지 태브가 식별되는 전지의 상부를 도시한 처리중의 고체 상태 전지(1700)를 도시한 개략적인 상면도이다.
도 18은 본 발명의 방법에 의해 얻어진 고체 상태 전지(1800))의 개략적인 단면도이다.
바람직한 실시 예의 다음 상세한 설명에서, 본 발명을 실행할 수 있는 특정 실시 예를 도시한 첨부 도면을 참고로 한다.
또 다른 실시예를 이용할 수 있고 본 발명의 범위에서 벗어 나지 않으면, 구조적인 변경이 있을 수 있다.
도면에 나타난 참조 번호는 동일한 소자에 대해 같은 참조번호가 이용된다. (예를 들어, 유압, 유체 흐름 또는 이러한 압력 또는 흐름을 나타내는 전기 신호)와 같은 신호, 파이프, 튜브 또는 유체를 운반하는 도관, 전기 신호를 전달하는 와이어 또는 기타 전도체 및 접점은 동일한 참조 번호 또는 라벨로 나타내었고, 실질적인 의미는 발명의 상세한 설명의 내용에서 분명하게 확인할 수 있다.
용어
본 발명의 설명에서, 금속이라는 용어는 실질적으로 순수 단일 금속 원소 또는 합금, 또는 두 개 이상의 원소의 결합으로 그 중 하나 이상은 금속 원소를 의미한다.
기판 또는 코어라는 용어는 여러 공정 작업에 의해 바람직한 전자 구조로 변형되는, 기본적인 워크 피이스인 물리적인 구조를 일반적으로 의미한다. 실시 예에서, (동, 스테인리스스틸, 알루미늄 등과 같은) 전도체 및 (사파이어, 세라믹 또는 플라스틱/폴리머 절연체와 같은) 절연체, (실리콘과 같은) 반도체 재료, 비반도체 재료 또는 반도체 재료 및 비반도체 재료의 조합을 포함한다. 다른 실시 예에서, 기판은 실리콘 프로세서 칩과 같은 인접 구조의 CTE와 매우 근접한 열팽창계수(CTE)로 인해 선택된 (철-니켈 합금 등과 같은) 코어 시트 또는 재료의 피이스와 같은 층 구조를 포함한다.
이러한 실시 예에서, 이러한 기판 코어는 (동, 알루미늄 합금 등과 같은) 전기 및/또는 열 전도성으로 인해 선택된 재료 시트에 적층 된 후, 전기 절연, 안정성 및 엠보싱 특성으로 인해 선택된 플라스틱 층으로 커버 된다.
전해질은 전자를 전도하지 않으면서 이온(예를 들면, 양의 전하를 갖는 리튬 이온)의 이동을 통해 전류를 전도하는 재료이다. 전기 전지 또는 배터리는 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐소우드를 갖는 장치이다. 유전체는 전류에 대해 비 전도성인 재료로, 예를 들어, 플라스틱, 세라믹, 및 유리가 있다. 실시 예에서, LipON와 같은 재료는 리튬에 대한 소오스 또는 싱크(sink)가 LipON 층에 인접할 때 전해질 역할을 할 수 있고, 동 또는 알루미늄과 같은 두 개의 금속 층 사이에 배치될 때 LiPON을 통과할 수 있는 이온을 형성하지 않는 유전체 역할을 할 수 있다.
실시 예에서, 장치는 신호와 전력을 수평으로 운반하는 와이어링 트레이스와 신호와 전력을 트레이스 층 사이에 수직으로 운반하는 바이어스를 갖는 절연 플라스틱/폴리머 층(유전체)을 포함한다.
수직이라는 용어는 기판의 주 표면에 실질적으로 수직 하다는 의미로 정의한다. 높이 또는 깊이는 기판의 주 표면에 수직 방향의 거리를 의미하는 것으로 정의한다. "리튬 화합물을 함유하는 층" 이라는 용어는 어떤 형태로, 즉 금속 리튬, 리튬 합금 및 화합물을 함유하는 리튬을 포함하는 층을 의미하는 것으로 정의한다.
리튬 화합물을 함유하는 층의 예는 특히, 금속 리튬인 경우에, 애노드, 특히, LiPON의 경우에, 전해질 및, 특히 캐소우드가 리튬 이온의 소오스 역할을 할 수 있는 LiCoO2 와 같은 재료인 경우에, 캐소우드를 포함한다.
본 명세서에서 사용했듯이, LiPON은 리튬 포스포러스 옥시니트라이드(lithium phosphorus oxynitride) 재료를 말한다. 하나의 예가 Li3PO4N이다. 다른 예는 전해질을 가로질러 리튬 이온 이동도를 증가하도록 높은 비율의 질소를 함유한다.
위에서 설명했듯이, 본 발명의 일 실시 예는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 리튬 화합물을 함유하는 하나 이상의 층이 습식 화학 처리를 포함하는 공정에 의해 리튬 화합물을 포함하는 층으로부터 포토레지스트 재료를 제거하는 포토리소그래피 기술로 적어도 부분적으로 패턴화된다.
바람직한 실시 예에서, 리튬 화합물을 함유하는 층은 캐소우드 재료이거나 전해질이다. 바람직한 실시 예에서, 박막 배터리는 최초에는 애노드 없이 구성되지만 리튬 이온의 소오스 역할을 할 수 있는 캐소우드 층이 구비된다. 박막 배터리 실시 예의 충전시에, 애노드를 형성하기 위해 금속 리튬이 전해질과 애노드 사이에 도금된다.
배터리가 "버텀 업(bottom up)"구조로 층에 설치되는 것에 있어서, 그 기판에는 캐소우드 전류 컬렉터, 캐소우드, 고체 전해질, (위에서 설명한 바와 같이, 설치과정 중 임의적인) 애노드, 애노드 전류 컬렉터 및 하나 이상의 캡슐화 재료가 제공된다.
선택에 따라, 캐소우드와 애노드는 나란히 또는 다른 구성으로 제공된다. 대안적으로, 배터리는 "업사이드 다운(upsideside down)" 순서로 설치될 수 있고, 이때 층은 상술한 순서 반대로 형성된다. 당업자에 의해 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 층들은 적층 공정에 의해 개별적으로 및 함께 설계될 수 있다. 본 발명의 구성에서, 전해질이 에지 당 약 5-약 20 마이크론의 오버레이 거리(overlay distance)로 캐소우드를 상부적층한다. 바람직하게는 에지 당 약 5-약 20 마이크론의 언더레이 거리로 전해질이 캐소우드를 하부적층 하는 구성이 특히 고려되었다.
본 발명의 포트리소그래피 기술은,
a) 포토레지스트 재료를 리튬 화합물을 함유하는 하나 이상의 층의 표면에 가하는 단계와;
b) 패턴을 제공하기 위해 포토레지스트 재료를 처리하는 단계와;
c) 포트레지스트 재료의 부분을 제거하기 위해 현상액을 발라서 리튬 화합물을 함유하는 층의 마스크된 부분과 마스크 되지 않은 부분을 형성하는 단계와;
d) 리튬 화합물을 함유하는 층의 마스크 되지 않은 부분을 제거하는 단계와;
e) 습식 화학 처리에 의해 리튬 화합물을 함유하는 층으로부터 나머지 포토레지스트 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에서, 포트리소그래피 기술에 의해 리튬 화합 물을 함유하는 층의 패턴화가 리튬 화합물을 함유하는 층의 초기 형성의 약 72 시간 내에 수행될 때 배터리의 우수한 성능이 얻어진다는 것을 알았다.
바람직하기로는, 포토리소그래픽 기술에 의해 리튬 화합물을 함유하는 층의 패턴화는 약 48시간 내에 수행되며, 더 바람직하게는, 리튬 화합물을 함유하는 층의 초기 형성의 약 30 시간 내에 수행된다.
실시 예에서, 본 발명은 (실질적으로 균일한 블랭킷 처리로 기판의 표면에 재료를 층착 하여) 재료의 대형 기판상에 제조된 복수의 층의 캐소우드-전해질 애노드 구조를 갖는 대형 시트로부터 경계를 형성하고 개별 배터리 전지를 분리하는 방법과 장치를 제공한다.
하나의 실시 예의 포트레지시트는 포지티브 톤 포토레지스트(positive tone photoresist)이고, 다른 실시 예에서는 네가티브 톤 포토레지스트이다. 이러한 포토레지스트는 선행기술에 공지되어 있다. 리튬 화합물을 함유하는 층으로부터 나머지 포토레지스트 재료를 제거하는데 이용되는 습식 화학 처리는 비수용성 처리이다.
바람직하기로는 습식 화학 처리는 N-메틸피로리던과 같은 유기 용매를 가하는 것을 포함한다. 선택에 따라서는, 습식 화학 처리는 플라즈마 O2 화학물질과 같은 플라즈마 화학물질의 응용에 의해 실행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 캐소우드 전류 컬렉터, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터 및 전해질 층을 적용하는 두 개 이상의 처리 단계가 상이한 처리 장치로 수행된다. 박막 리튬 배터리 제조 중에, 리튬 화합물을 함유하는 하나 이상의 층이 처리 단계 사이에서 통상적인 공기 조건에 노출되어도, 만족스러운 배터리가 얻어질 수 있다는 것을 발견하였다.
하나의 실시 예에서, 명세서는 재료로부터 전지가 형성되고, 패시베이션 되면, 제거되는 방법을 개시하고 있다. 일부 실시 예에서, 본 발명은 전지를 형성하며(예를 들어, 폴리머, 포트레지스트, LiPON 또는 기타 적당한 재료 및/또는 전도체, 및/또는 증기와 산소 장벽에 이용되는 금속과 같은 절연 및 평탄화 재료(표면을 평탄화하는 재료, 따라서 후에 재료는 표면 커버리지가 더 좋아짐)), 패시베이션 재료로 전지의 측벽을 코팅하는 데 사용되는 트랜치용 재료를 제거하는 레이저 절삭 및 다이싱 소(dicing saw) 기술을 이용한다. 다른 실시 예에서( 도 18참조), 레이저 절삭 기술 대신에 포토리소그래픽 기술이 사용되어 재료를 마스크하며 제거하기 위한 패시베이션 및/또는 전도체로 코팅되는 배터리 재료의 바람직한 패턴을 남기게 된다 더구나, 레이저 절삭 기술과 같이 이용되는 기술은 포토리소그래픽 기술의 실시 예에 이용된다(이와 반대도 가능).
개략적인 도면은 실물 치수에 맞는 것은 아니다. 설명한 박막 배터리의 수직 두께는 (일부 실시 예에서는 디바이스 측폭(lateral width) (예를 들어, 1000 마이크론(=1mm)에서 10000마이크론(=10mm), 다른 실시 예에서는 수 센티미터인 것)에 비하여 매우 얇다(일부 실시 예에서는 약 10마이크론 이하이고, 다른 실시 예에서는 4 마이크론 이하).
더구나, 본 발명의 일부 실시 예에서의 트랜치는 약 10 마이크론 또는 이하의 폭이다. 특히, 새도우 마스크 기술에 비하여 포토리소그래픽 기술은 트랜치 폭 및 기타 수치를 매우 작게 및/또는 매우 정확하게 한다.
일부 실시 예에서, 본 발명의 배터리 전지 장치는 여러 특허 및 특허 출원의 재료, 공정 및 기술(예를 들어, 미국가특허출원 60/700,425, 미국출원 10/895,445, 미국특허 출원 11/031,217( D. Tarnowski 등의 2005년 1월 6일 제출한 "하나 이상의 층을 갖는 층 장벽 구조 및 방법"), 미국특허 출원 11/458,091(J. Klaassen의 2006년 7월 17일 제출한 "연 및 경 전해질 층을 갖는 박막 배터리 및 방법", 및 미국특허 6,805,998호)을 이용하는데 참조로 여기에 포함되어 진다.
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레이저 절삭 및/또는 다이싱 소 기술
도 1A는 본 발명의 실시 예의 다수의 고체 상태 배터리(예를 들어, 전력 저장용 배터리 전지)를 제조를 위해 부분적으로 만들어진 층 구조(100A)("블랭킷(blanket)"이라 함)의 개략적인 단면도이다.
실시 예에서, 구조(100A)는, 여러 실시 예에서 금속 포일 또는 실리콘 또는 사파이어 웨이퍼 또는 예를 들어, KaptonTM 과 같은 플라스틱 박막인 기판(110)에서 시작한다( 고체 상태 배터리는 기판(110)이라고 하는 캐리어 재료상에서 제조된다). 이 기판은 실리콘, 세라믹, 금속 포일 (철 또는 비철 및 합금), 플렉시블 폴리머(예를 들어, KaptonTM , 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등), 및 강성 폴리머 와 복합재(composite)(즉, 인쇄 회로 기판(PCB) 재료)를 포함하는 재료로부터 선택할 수 있다.
실시 예에서, 기판이 선택된 시트 사이즈로 제공되거나, 다른 실시 예에서는 재료의 연속 롤(roll)로 제공된다. 일부 실시 예에서, 실리콘 질소화물 또는 산화 실리콘(SiO2)과 같은 임의적 절연 층(112)이 이용되는 기판에 따라 그리고 이 기판(110)의 저부 또는 측부를 통해 전기전도가 바람직한지 여부에 따라 기판(110)에 증착된다.
일부 실시 예에서, (절연 층으로 역할을 하는) 복수의 기상 장벽(vapor barrier)이 층(112)에 이용되며, 이는 David Tarnowski 등의 2005년 1월 6일자에 제출된 "하나 이상의 특정 층을 갖는 층 장벽 구조 및 방법"이라는 제목의 미국특허 출원 제 11/031,217호에 개시되어 있다.
실시 예에서, 접착 층(114)(예를 들어, 크롬 또는 티타늄과 같은 금속 또는 기타 적합한 접착 재료가 증착되고, 다음에 캐소우드 접촉 층(116)(동, 니켈 또는 알루미늄과 같은 금속 또는 캐소우드로 이동하지 않도록 선택되는 적절한 전도 재료)가 증착된다. (리튬 코발트 산화물 LiCoO2와 같은) 캐소우드 재료(118)가 증착되고 LiPON 및 리튬 전도 폴리머 전해질 또는 기타 적절한 전해질, 예를 들어, 연(soft) 및 경(hard) 전해질 층을 갖는 박막 배터리 및 방법이라는 제목의 미국특허 출원 11/458,091호에 기재된 복수 층 전해질과 같은 하나 이상의 전해질 층(120)으로 커버 된다.
실시 예에서, (예를 들어, 동, 니켈, 또는 알루미늄 및/또는 이 동, 니켈 또는 알루미늄으로 덮힌 리튬과 같은) 애노드 및/또는 애노드 접촉 재료가 증착된다 (일부 실시 예에서는, 애노드 접촉 재료(예를 들어, 동이나 니켈)가 LiPON 전해질에 증착되고 리튬이 후에 (배터리의 최초 충전에 의해)도금된다). 일부 실시예에서, 후에 전지는 아노드 접촉재료(122) 상으로 전해질9124)을 통한 리튬 도금에 의해 충전된다. 일부 실시 예에서는 하나 이상의 보호 또는 패시베이션 층(123 및/또는 124)(또는 포토레지스트와 같은 절연 평활 층의 한쌍의 교호 층)을 포함하며, 이 포토레지스트는 Shipley 220 포토레지스트, 즉 2727, 2723, 2729를 포함하는 2720 시리즈; 2770 및 2772를 포함하는 2770시리즈; 2731 및 2737을 포함하는 2730 시리즈 ; PIX-1400, PIX-3476, PIXS200, PIX-6400을 포함하는 PIX 시리즈; 2525, 2555, 2575 및 2556을 포함하는 2500 시리즈와 같은 HD Microsystems로부터의 여러 폴리이미드와, Dow Chemical Company로부터의 Cycloton product numbers 3022-35, 3022-46, 3022-57 및3022-63과 같은 폴리머 재료; Dymax Corporation 으로부터의 9001과 같은 UV 경화 에폭시 및 알루미늄 또는 동가 같은 금속 층을 포함한다.
각각의 층은 바람직한 전지 에너지 밀도를 제공하기 위해 적절한 재료로 바람직한 두께로 증착된다.
일부 경우에, 기판(금속 포일(예를 들어, 동 포일)과 같은 전도체로 만들어지는 경우)은 전지의 전기 접점 역할을 할 수 있다. 일부 실시 예에서, 포지티브 부분(즉, 기판(110), 절연체(112), 접착 층(116), 캐소우드 접점(116), 캐소우드 재료(118) 및 하나의 LiPON 층 (전해질(120)의 일부))이 제 1 서브 시트로 형성되는 반면, LiPON 층(전해질(120)의 또 다른 부분)에 의해 (도면에 대하여) 저면 위에 피복된 애노드 접착 층(112)이 제 2 서브 시트 역할을 하고, 이 제 1 및 제 2 서브 시트 사이에 연(soft) 전해질 층(전해질(120)의 또 다른 부분)을 사용하여 함께 적층 된다. 일부 실시 예에서, 연 전해질 층은 "연 및 경 전해질 층을 갖는 박막 배터리 및 방법"이라는 제목의 미국특허 출원 11/458,091호에 기재된 적절한 폴리머 층(고체, 겔 또는 액체/스폰지) 또는 리튬염 및 폴리포스파젠(polyphosphazene)을 포함한다.
일부 실시 예에서, 기판(110)의 두께는 약 500 마이크론(또는 이보다 얇음 )에서 약 1000 마이크론(또는 이보다 두꺼움)이다( 일부 실시 예에서는 525 또는 625 마이크론 실리콘 웨이퍼). 다른 실시 예에서, 기판(110)은 25 마이크론 또는 이보다 얇게 할 수 있는 폴리머 층( 예를 들면 Kapton)을 포함한다. 일부 실시 예에서는 층(112)은 약 1 마이크론의 실리콘 질소화물이고, 층 (114)는 약 0.5 마이크론의 티타늄이고, 층(116)은 약 0.5 마이크론의 니켈이고, 층(116)은 약 5-10 마이크론의 리튬 코발트 산화물이고, 전해질 층(120)은 약 1-2.5 마이크론의 LiPON이고, 층(112)은 약 3마이크론의 동이다. 추가 층이 상부에 부가된다(예를 들어, Shipley 220 포토레지스트와 같은 10 마이크론의 폴리머, 7 마이크론의 동 또는 알루미늄과 같은 금속 , 다음 10 이상 마이크론의 Shipley 220 포토레지스토와 같은 폴리머, 다음, 3-7 마이크론의 동 또는 알루미늄).
도 1B는 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지를 제조하는 층 구조(100B)의 개략적인 단면도이다. 일부 실시 예에서, 층 구조(100B)는 도 1A에서 설명한 것과 유사한 참조번호가 붙은 층을 갖는다. 주의: 싱글레이션 프로세스(Singulation process)는 단일 또는 복수 층 패시베이션 공정에 이용할 수 있다. 절삭 공정(레이저 또는 기타 방사 절삭(" 레이저 절삭"이라 함) 및/또는 (커프(kerf)의 소잉 또는 스크라이빙 및/또는 포토레지스트 형성 에칭 또는 용해)에 의해 재료를 제거하는 것으로 정의된) 절삭 공정을 이용하여 복수 구성(심지어, 다른 시트 상에서 다른 구성에서도)의 기저 구성(금속 접점)에 대해 접촉 영역을 개방하게 하여, 상이한 셀 크기 또는 전기 접촉 구성 및/또는 하나 이상의 보호층에 의해 커버 될 수 있는 노광 측벽을 제공한다.
배터리 전지 장치 및/또는 기타 장치의 연속 층이 (포토레지스트 기술을 이용하여 패턴화될 수 있거나 새도우 마스크에 의해 형성된 블랭킷 증착 중 일부 하나로) 증착될 수 있고, 다른 패턴이 레이저 절삭되거나 반도체 공정과 유사한 방식으로 선택적으로 제거된다. 일부 실시 예에서, 레이저 절삭은 주변 영역의 과열 또는 용해를 방지하도록 일련의 얕은 절삭-제거 단계(블랭킷을 가로지르는 복수의 레이저 절삭 통로가 좌우 및 위 아래로 여러 번 절삭되며, 매번 적은 양(shallow amount)의 추가 재료를 제거한다)를 이용하여 바람직한 깊이까지 수행된다. 일부 실시 예에서, 레이저 절삭 통로는 인터리브 패턴(예를 들어, 제 1 통과시, 모든 3개의 인접한 수직선 중 제 1 수직선과 모든 3개의 인접한 수평 수직선 중 제 1의 수평 수직선을 제 1 깊이로 절삭하고, 제 2 통과시, 모든 3개의 인접한 수직선 중 제 2 수직선과 모든 3개의 인접한 수평 수직선 중 제 2의 수평 수직선을 제 1 깊이로 절삭하고 그리고, 제 3 통과시, 모든 제 3 인접한 수직선 중 제 1의 수직선과 모든 제3 인접한 수평 수직선 중 제 1의 수평 수직선을 제 1 깊이로 절삭한 다음, 각각의 선을 제 2 (더 깊은)깊이로 절삭하는 것을 반복하며, 선택에 따라서는 다음 에는 더 깊은 깊이로 절삭함)을 따른다.
일부 실시 예에서, 완성된 블랭킷 또는 시트 또는 전지 재료(100A) 또는 (100B) 롤부(rolled section)의 일부가 절삭 및/또는 컷팅을 위해 위치 조절 테이블에 위치한다. 여러 실시 예에서, 레이저 또는 건식 -또는 습식-웨이퍼-다이싱 소(dry-or-wet-wafer-dicing saw)가 절삭 공정을 위해 재료의 블랭킷으로부터 적절한 크기의 전지를 절단하도록 프로그램된다. 전지들 사이의 제거된 영역을 커프라 부른다(예를 들어, 후술되는 채널(211 또는 212)).
일부 실시 예에서, 이 절단된 기판의 일부를 남기면서 개별 전지를 서로 분리하도록 전지 재료(100A) 또는 (100B)를 통해 부분적으로 절삭이 이루어진다. 일부 실시 예에서, 기판은 절단되어 복수의 피이스(piece)로 분리되며, 이 각각의 피이스는 하나 이상의 전지를 갖는다. 다음에 하나 이상의 패시베이션 층이 전지의 방금 노출된 측부를 밀봉하기 위해 부가된다. 일부 실시예에서, 후에 전지는 다른 것들과 완전히 분리된다.
도 2A는 본 발명의 일부 실시 예의 고체 상태 전지를 제조하기 위한 절단된 층 구조(200A)의 개략적인 단면도이다. 일부 실시 예에서, 일련의 커프 또는 채널이 재료의 레이저 절삭에 의해 절단된다(예를 들어, 단일 절단을 이용하거나 반복하는 얕은 절삭에 의해). 일부 실시 예에서, 도 2A에 도시되어 있듯이, 수직 벽 채널(211)이 절단되어 배터리 층의 복수의 아일랜드(210)를 남긴다. 다른 실시 예에서 도 2B에 도시되어 있듯이, 경사진 채널(212)이 절단된다. 일부 실시예에서, 각 아일랜드는 위에서 볼 때 사각형이다. 또 다른 실시 예에서, 아일랜드가 다른 형상을 할 수 있다. 다른 실시 예에서, 많은 복수의 아일랜드가 시트(100A)의 정면을 가로질러 양면에 형성된다.
도 2B는 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지를 제조하기 위한 절단된 층 구조(200B)의 개략적인 단면도이다.
후의 증착 층이 측벽을 완전히 덮도록 경사 채널(212)이 절단된다. 일부 실시 예에서, 대량의 복수의 아일랜드가 시트(200B)의 정면을 가로질러 양면에 형성된다.
일부 실시 예에서, 절삭 공정은 정밀 제어된 속도로 재료의 증발 또는 절삭을 통해 증착 재료를 제거한다. 레이저 또는 다이싱 소는 적절한 깊이 제어를 위해(도 2A 및 도 2B에 수직 한) z축으로 제어되며, 추가 재료가 증착되도록 커프 폭이 설정된다. (복수의 얕은 절단을 이용하는) 절삭의 제어된 속도는 증착 층이 용융, 스미어링(smearing) 또는 재료 크로스오버(material crossover)럴 초래할 정도로 열 영향을 받지 않는다.
일부 실시 예에서, 재료가 활성 재료의 초기 층 아래 약 1-5마이크론의 깊이로 기판을 향해 절삭된다(도 2). 나머지 기판으로부터 완전히 분리되기 전에 전지에 대한 기계적인 지지대 역할을 한다.
다음, 전지가 형성된 기판이 패시베이션 적용을 위한 구역으로 이동한다. 패시베이션은 단일 폴리머 층, 폴리머와 금속 층의 스택, 또는 고체 상태 절연체와 금속 층의 스택을 포함할 수 있다. 도 3A는 본 발명의 실시 예의 절삭 및 충전된 제조 중의 고체 상태 전지(100A)의 개략적인 단면도이다. 공정은 단일 폴리머 보호 피복을 이용하는데. 이 폴리머 재료의 막(film)은 기판 위에 적용되어 절삭된 영역의 커프(211 또는 212)를 충전하며 전지의 상부를 덮는다(도 3A 또는 도 3B).
일부 실시 예에서, 폴리머 재료(324)는 미스트 스프레이(mist spray),베이퍼 프라임(vapor prime)을 통해 적용되거나 재료의 점성에 따라 닥터 브레이드(doctor blade)로 분배되어 평탄화된다.
도 3B는 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지 제조를 위해 절삭되어 충전된 제조 중의 고체 상태 전지(300B)의 개략적인 단면도이다. 일부 실시 예에서, 폴리머 재료(324)가 채널을 충전하고 아일랜드(210)의 상부를 덮는다.
도 4A는 본 발명의 실시 예의 재 절삭된 고체 상태 전지(400A)의 개략적인 도면이다. 일부 실시 예에서, 기판은 접점 형성 및 전지 분리를 위해 레이저 절삭 시스템(또는 소 머시인 또는 에칭/용해 스테이션)으로 다시 이동된다.
레이저 빔 또는 다이싱 소는 패시베이션 재료(324)를 통해 수직 벽 채널(411)을, 그리고 각각의 전지의 상부 상의 접점(예를 들어, 애노드 접촉 층(122))에 대한 개구부(413)를 절삭하거나(도 4A), 패시베이션 재료(324)를 통해 경사 벽 채널(412)을, 그리고 각각의 전지의 상부 상의 접점에 대한 개구부(414)를 절삭한다(도 4B).
접점 형성 후에 따라 레이저 또는 다이싱 소가 원래 절삭 커프 폭의 일정 백분율로 설정된다. 각각의 전지 측부의 모퉁이 및 중심에 있는 작은 지지 태브를 제외하고 빔이 패시베이션 재료 및 기판을 통해 절삭한다(도 4A, 도 4B 및 도5).
도 4B는 본 발명의 실시 예의 재절삭된 고체 상태 전지(400B)의 개략적인 단면도이다. 이 실시 예에서, 전지의 측면은 패시베이션 층(324)의 양호한 시일링을 제공하도록 경사지어 있다(도 1B, 2B 및 3B의 상기 설명 참조). 도 5는 본 발명의 실시 예의 재절삭된 고체 상태 전지(500)의 상 면도이다. 일부 실시 예에서, 전지(500)는 도 4A의 재절삭된 고체 상태 전지(400B)의 상면 도를 나타내는 반면, 다른 실시 예에서는 전지 (500)는 도 4B의 재절삭된 고체 상태 전지(400B)의 상면 도를 나타낸다.
이들 도면은 채널 (도 4A의 실시 예의 경우)(411) 또는 (도 4B의 경우)(412)의 부분(즉, 관통 슬롯(416))이 절삭되는 반면, 나머지 부분은 당분간 절단된 배터리를 연결상대로 유지하여 처리하기 위해 태브(417)로 남겨져 있다. 즉, 전지는 후 절삭 작업(post-ablation operation)를 통해 외측 폐기 기판에 연결되어 있다. 픽 앤 플레이스 시스템(pick-and-place system)을 이용하여 개별 전지에 대한 상진 및 하진 력(upward and downward force)에 의해 최종 분리가 성취된다.
도 6은 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지를 제조하는(일부 실시 예에서, 도 2A 또는 도 2B와 유사한) 부분적으로 제조된 층 구조(600)의 개략적인 단면도이다.
색션 I에서 설명했듯이, 초기 전지 형성 후, 폴리머 재료의 막(film)이 기판에 적용되어 절삭 층을 충전하고 전지 상면을 덮는다(도6). 폴리머 재료는 미스트 스프레이, 베이퍼 프라임에 의해 적용되거나 재료의 점성에 따라 닥터 블레이드로 분배되거나 평탄화된다. 패시베이션 재료는 적절한 수준의 고상도로 경화된다. 절연 고체 상태 필름을 이용할 때, 이 재료는 마그네트론 스퍼터링 또는 증기 증착에 의해 적용된다(도6).
도 7은 본 발명의 실시 예의 고체 상태 전지를 제조하는 (일부 실시 예에서는 도 3A 또는 도 3B와 유사한) 절삭된 층 구조(700)의 대략적인 단면도이다. 과잉 폴리머 또는 절연체를 제거하기 위해 기판을 다시 레이저 절삭 시스템 또는 다이싱 소에 이동한다.
레이저 빔 또는 다이싱 소는 전지를 완전히 커버하는 층을 남긴 채 패시베이션 재료를 절삭한다.
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도 8은 본 발명의 실시 예의 절삭 및 충전된 제조과정 중의 고체 상태 전지(800)의 개략적인 단면도이다. 일부 실시 예에서, 금속(810) 층이 증착된다. 기판은 금속 증착을 위해 진공 실에 배치된다. 일부 실시 예에서, 이는 마그네트론 스퍼터링 또는 진공 증착을 통해 성취된다(도 8).
기판은 접점 형성 및 전지 분리를 위해 다시 레이저 절삭 시스템 또는 다이싱 소로 이동된다.
레이저 빔 또는 다이싱 소는 각각의 전지의 상면의 접점까지 패시베이션 재료 층을 절삭한다. 접점 형성 후, 레이저는 원 절삭 커프의 일정 백분율로 설정된다. 빔은 각각의 전지 측부의 모퉁이 및 중심에 있는 작은 지지 태브를 제외하고 패시베이션 재료와 기판을 절삭한다(도 10).
도 9는 본 발명의 실시 예의 제조 중 고체 상태 전지(900)의 개략적인 단면도이다. 일부 실시 예에서, 충전 재료(810)는 채널(812)로 절삭되어 충전 재료 (810)의 얇은 층을 남긴다. 일부 실시 예에서, 기판이 접점 형성 후 및 전지 분리를 위해 레이저 절삭 시스템 또는 다이싱 소로 다시 이동한다. 일부 실시 예에서, 레이저 빔 또는 다이싱 소는 각각의 전지의 상부의 접점까지 패시베이션 재료의 층을 절삭한다(도 9). 접점 형성 후, 레이저는 원 절삭 커프 폭의 일정 백분율(100% 미만)로 설정된다. 빔은 각각의 전지 측부의 모퉁이 및 개구부 중심의 작은 지지 태브(1017)를 제외하고 패시베이션 재료 및 기판을 절삭한다(도 10).
도 10은 본 발명의 실시 예의 처리 중 고체 상태 배터리(1000)의 개략적인 단면도이다. 일부 실시 예에서, 전지는 후 절삭 작업(post allation operation)을 통해 기판에 유지된다.
픽 앤드 플레이스 시스템(pick and place system)을 이용하여 개별 전지에 대한 상진 및 하진 힘에 의해 전지의 분리가 성취된다.
도 11은 블랭킷 전지 공정 후 본 발명의 실시 예의 처리 중 고체 상태 전지(1100)의 개략적인 단면도이다. 양 접점이 전지의 상부를 통해 액세스되는 전지에 있어서, 공정은 절삭을 제외하고는 전술한 것과 유사하다.
도 12는 절삭을 통해 형성된 상측 접점 및 전지를 도시한 제조 중 고체 상태 전지(1200)의 개략적인 단면도이다.
도 13은 패시베이션의 제 1 층이 적용된 것을 도시하는 제조 중 고체 상태 전지(1300)의 개략적인 단면도이다.
도 14는 전지를 균일하게 덮도록 패시베이션 재료의 제 1 층이 절삭된 것을 보여주는 처리 중 고체 상태 전지(1500)의 개략적인 단면도이다.
도 15는 패시베이션 재료의 추가 층(들)이 붙여진(즉 금속이 붙여진) 것을 도시한 처리 중의 고체 상태 전지의 개략적인 단면도이다.
도 16은 전지의 접점 영역이 절단되고 전지가 기판 지지 태브를 제외하고 절단된 것을 도시한 처리 중 고체 상태 전지(1600)의 개략적인 단면도이다.
도 17은 식별된 접촉 태브와 지지 태브를 갖는 전지의 상면 도를 도시한 처리 중 중의 고체 상태 전지(1700)의 개략적인 상면 도이다.
포토리소그래픽 기술
마이크로 전자 장치에 백업 파워(backup power)를 제공하는데 이용되지는 배터리는 크기가 다양하나, 회로기판상의 트레이스에 용접된 금속 태브를 이용하여 회로기판에 장착된 코인 전지가 일반적이다. 배터리의 최소 크기는 주위로부터 배터리를 보호하기 위하여 일차적으로 금속 캐니스터(canister) 및 가스킷을 요구하는 제한 때문에 직경이 수 미리미터로, 두께가 1-2mm 미리미터로 제한된다.
이러한 제한은 배터리가 전력을 제공하게 될 집적회로를 포함하는 패키지에 배터리의 일체화를 배제한다.
박막 고체 상태 배터리는 여러 두께의 여러 기판에서 성취될 수 있다. 지금까지, 고체 상태 박막 배터리는 배터리 구성에 사용되는 각 필름이 마스크 개구를 통해 증착되는 새도우 마스크 기술을 이용하여 제조해오고 있다. 이러한 어프로치는 층의 중첩, 마스크 공차, 마스크 개구부의 주변 아래에 증착된 필름의 블로우 언더(blow under) 등으로 인하여 배터리 측면의 최소 실제 크기를 10 미리미터로 제한된다. 이 어프로치는 기판 및 소정의 마스크 작업으로 기판에 이미 존재하는 필름에 마스크의 물리적 적용으로 인해 미립자가 발생하는 경향이 있다. 이러한 미립자가 배터리 구조에 들어가 배터리가 충전/방전될 때 예측할 수 없는 작용을 하기 때문에, 이들 미립자는 잠재적인 고장 원인이 된다.
본 발명은 여러 필름이 증착된 다음, 패턴화되고 원하지 않는 구역을 제거하는 기술을 개시하고 있다. 이 기술에 의해, 배터리의 푸트프린트(footprint)가 측면에 약 1 미리미터에서 수십 센티미터까지 허용된다. 더구나, 이 기술을 이용하면, 배터리가 집적회로 제조에 이용되는 배터리와 유사하게 기판에 설치되어 최종 어셈블리와 집적 공정을 더 간단하게 하고 비용효율적으로 할 수 있다. 층간의 어버랩/언더랩에 대하여 여러 방법이 가능하고 특정 영역의 재료를 선택적으로 제거하는 여러 방법이 또한 가능하다. 배터리 구조의 많은 필름에 대하여 습식 또는 건식 에칭이 가능하고 여러 광 감지 재료가 소정의 층을 패터링 하는데 이용될 수 있다.
일부 배터리 구조의 재료는 수용성이어서, 비수용성 포토레지스트 현상액 및 포스트 에칭 레지스트 스트립퍼를 이용하여 재료가 남아 있어야 하는 영역에서 재료 제거를 방지한다. 패턴화된 재료 및/또는 제공해야할 설계 구조와의 양립성에 따라 네가티브 톤(tone)과 포지티브 톤 레지스터가 가능하다.
마이크로 배터리를 제조하기 위해, 증착되고 포토 형상화(photo shaped )되고 다음에 순서대로 또는 반대 순서로 또는 두 개의 조합으로 증착된다.
인접 층에 대한 한 개의 층의 오버레이 거리(overlay distance)는 마스크 정렬기 공차(mask aligner tolerance), 에치 크기 변화, 마스크 바이어스(mask bias)를 포함하는 여러 인자 및 리튬 도금 및 기밀 캡슐화를 포함하는 배터리 성능에 관한 여러 인자에 의존한다.
도 18은 접점 포토리소그래픽 기술로 형성된 전지 층 및/또는 접점영역을 보여주는 고상 전지(1800)의 단면도이다.
임의 적으로, 포토리스그래픽 기술은 기판 지지 태브를 제외하고, 전지를 절단하는데 이용된다. 일부 실시 예에서, 전기(1800)는 기판(1801)에 증착된 연속 층에 의해 형성되어 있다. 다른 실시 예에서, 연속 층의 일부는 기판(1800)에 적층되며 다른 층은 기판 및 기판의 층에 적층될 상부 층에 증착된다(이는 미국특허 출원 제 11/458,091호에 개시). 또 다른 실시 예에서, 기판(1801)은 캐소우드 전류 컬렉터 층(1802), 캐소우드 재료(1803), 전해질 층(1804)(예를 들면, 상술한 미국특허 출원 제 11/458,091호에 개시된 LiPON 또는 복수의 전해질 층), 배터리가 조립된 후 충전되는 경우, 애노드 전류 컬렉터 층(1805) (또는 애노드 재료가 먼저 증착되는 경우, 애노드 전류 컬렉터 층(1805)에 의해 추종 되는 애노드 재료), 엔캡슐런트(1807) 및 (엔캡슐런트(1807)를 관통하는 구멍 또는 바이어를 통해 애노드 전류 컬렉터 층(1805)과 접하는) 금속 층(1807)에 의해 덮혀진다.
실시 예는 기판 층(1801)에 실리콘, 알루미나, 동, 스테인레스 스틸 또는 알루미늄을 이용한다. 일부 실시 예에서, 기판 두께는 금속 포일에 대해 0.001"에서 실리콘 및 알루미늄에 대해 대략 0.030"이다.
배터리 크기는 약 1 제곱mm 또는 그 이하에서 2 제곱 센티 또는 그 이상의 범위 일 수 있다.
이러한 크기의 배터리는 실질적인 방전 용량을 제공하고 제조하기에 경제적으로 실용적이다. 배터리는 요구에 따라 정사각형, 직사각형, 원형 또는 피라미드 형태를 할 수 있다.
일부 실시 예에서, 배터리 구성은 금속 포일의 경우를 제외하고 캐소우드 전류 컬렉터(1801)의 증착에서 시작하는데, 이 기판은 전류 컬렉터 역할을 할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 기판은 절연 층( 예를 들어, 상부 금속 층(1807)으로부터 캐소우드 접촉 기판을 절연하는 SiO2)에 의해 덮여져 있으며, 이 절연 층은 캐소우드 접촉을 위해 절연체에 구멍을 남기도록 패턴화된다. 일부 실시 예에서, 전류 컬렉터(1801)는 Ti/Ni 스택을 포함하며, 이 Ti는 접착을 촉진하기 위해 기판에 직접 증착되고, 캐소우드(예를 들어, LiCoO2)가 Ni에 접착이 잘되기 때문에, Ni는 캐소우드(1803)과 접촉한다. 또 다른 어프로치는 Al/Ni를 이용하며, Al는 핵생성 사이트를 방지하거나 감소시키고, 특히 캐소우드 두께가 수 마이크론으로 증가할 때 캐소우드에서 발생하는 균열을 방지하도록 응력 완화 층의 역할을 한다. 일부 실시 예에서, 전류 컬렉터 필름 두께는 Ti에 대해 약 0.05-0.2 마이크론이고 Ni에 대해 약 0.1-0.5 마이크론이다. Al가 이용되는 경우, 필름 두께는 약 0.5-9마이크론이다.
전류 컬렉터를 패턴화하기 위해 포토레지스트를 사용하고, 전류 컬렉터를 형성하기 위해 습식 또는 건식 에칭 화학 물질을 이용한 후, 레지스트가 용매 및 플라즈마 O2 화학 작용을 이용하여 제거되고 다음 층이 이 경우에는 캐소우드가 증착된다.
일부 실시 예에서, 캐소우드(1803)는 소정의 응용을 위한 충전/방전 용량 요건에 따라 약 3-15 마이크론이다. 이 재료는 통상 LiCoO2 이다. 약 3 마이크론 이하 두께의 캐소우드가 생성되지만, 마이크로 배터리에 대한 방전 용량은 응용 요건을 만족시키기에 통상 매우 낮다. 얇은 캐소우드가 충분한 경우가 있고, 제조 기술 및 배터리 구조가 이 얇은 캐소우드 장치에 잘 적용되는 경우가 있다. 일부 실시 예에서, 캐소우드는 SPR 220과 같은 포지티브 톤 포토레지스트(positive tone photoresist)를 이용하여 패턴화되고 습식 화학 장치를 사용하여 에칭된다. 기저 캐소우드 전류 컬렉터에 대한 캐소우드의 오버레이는 에지 당 약 5 ~ 20 마이크론(소형)이다. 포토마스크는 두 층 사이의 최악의 비 정합과, 두 필름의 에치 및 오버에치로 인한 사이즈 변경을 수용하도록 크기가 되어 있다. 포토레지스트는 임의적으로 플라즈마 O2 화학 장치와 연결된 N-methylpyrrolidon(NMP)와 같은 용매를 사용하여 제거된다.
캐소우드 측벽 프로화일(sidewall profile)은 후속 층(예를 들어, LiPON, 애노드 금속 등)이 그 측벽을 어떠케 잘 덮을 것인가를 결정하기 때문에 이 측벽 프로화일이 중요하다.
가파르거나 요입(re-entrant) 측벽은 스탭 커버러지(step coverage)가 낮고. 일부 경우에 필름 커버러지가 불연속적으로 되게 한다. 따라서, 경사진 측벽이 바람직하다. 새도우 마스크 증착은 필름이 최대 두께인 점으로부터 필름이 테이퍼 되지 않은 점까지 측정할 때 100 마이크론 이상인 길고 테이퍼된 프로화일이 된다. 포토 패턴화되고 습식 에칭된 LiCoO2 에서 측벽을 수직, 음 또는 양으로 경사지게 할 수 있다. 후자의 경우가 바람직한 경사이다. 법선으로부터 20-70도의 경사는 필름의 테이퍼 영역에 너무 많은 디바이스 영역(device area)을 희생하지 않으면서, 수직 또는 요입 측벽의 바람직하지 않은 부작용을 방지하는데 적절하다. 이 범위의 각은 포토레지스트 재료, 노광, 현상 시간, LiPON 에칭 화학 물질 및 에칭 파라미터(예를 들어, 온도, 교반 등)의 적절한 조합으로 성취될 수 있다.
캐소우드가 패턴화되자마자, 캐소우드가 어닐되고, 다음에 고체 전해질, 즉, LiPON(1804)이 2727, 2723, 2729를 포함하는 2720 시리즈, 2770 및 2772 를 포함하는 2770 시리즈, 2731 및 2737을 포함하는 2730 시리즈와 같은 HD 마이크로시스템의 여러 폴리이미드와, Dow Chmical Company의 WL-5351 및 WL-3010과 같은 포토디파인어블 실리콘(photodefinable silicon)과 같은 네가티브 톤 포토레지스트를 이용하여 증착, 포토 패턴화 된다.
LiPON이 수용성이기 때문에,가장 상업상 이용가능한 포지티브 톤 레지스트는 물을 기반으로한 현상액으로 인해 LiPON을 패턴하는데 적절하지 않다. 전해질 두께는 통상적으로 약 0.5-2.5마이크론이다. 대안적으로, LiPON은 캐소우드를 패턴하기 전에 증착된 다음, 위에서 설명했듯이, 캐소우드가 패턴될 수 있다. 첫 번째의 경우, LiPON 크기는 기저 캐소우드에 비해 크거나 작을 수 있다. 후자의 경우에는, LiPON은 캐소우드 포토마스크로 패턴이 LiPON을 지나 연장하도록 캐소우드에 비해 작아야 한다.
LiPON 보더(border)는 캐소우드 전류 컬렉터 에지를 지나 연장할 수 있거나 전류 컬렉터 보더에 못미쳐서 종단된다. LiPON을 전류 컬렉터 보더 내에 한정함으로써 캐소우드에 대한 접촉은 후에 전류 컬렉터 또는 와이어 본딩, 솔더링, 전도 에폭시 등 엑세스를 위해 노출되는 전류 컬렉터 부분을 남김으로써 이루어질 수 있다. 상부 및 저부 표면 접촉 시스템을 이용할 때, 캐소우드 전류 컬렉터가 전도 기판을 통해 액세스된다. 오버레이/언더레이 거리는 에지 당 약 5-20 마이크론이다. 포토레지스트는 비수용성 용매 및 임으로 플라즈마 O2 화학물질을 이용하여 제거된다. 다음, 애노드 및/또는 애노드 전류 컬렉터(1805)가 약 0.5-3마이크론으로 증착될 수 있다. 구리, 알루미늄 또는 니켈이 애노드 전류 컬렉터의 Li 도금 애노드로 사용될 수 있다.
또한, 알루미늄이 이용될 수 있는데, 이 알루미늄은 도금이 아니라, 합금, 애노드 및 디바이스 성능 역할을 하지만, 충전 전압이 다른 수 있다. 일부 실시 예에서, LiPON이 캐소우드에 비해 작은 경우, 애노드는 완전히 LiPON 상부에 존재해야 하거나(그렇지 않으면, 배터리는 전기적으로 단락될 것이다), LiPON이 캐소우드에 비해 큰 경우, 애노드는 LiPON 주변 너머로 연장하지 말아야 한다. 그렇지 않으면, 장치는 단락될 것이다. 일부 실시 예에서, 기저 LiPON이 애노드 형성 중 포토레지스트 현상액 또는 기타 수용액에 노출되는지 여부에 따라 네가티브 톤 또는 포지티브 톤 포토레지스트를 이용하여 패턴화된다.
다시, 전형적인 오버랩/언더랩 거리는 에지당 약 5-20이다. 일부 실시 예에서, 애노드는 Ti 및 Al인 경우에 반응성 이온 에칭(RIG)으로 그리고 Cu 및 Ni인 경우 습식 화학 물질로 에칭된다. 일부 실시 예에서, 습식 화학 물질은 Ti 및 Al을 에칭하는데 이용되지만, 건식 에칭이 청결 및 에칭 제어를 위해 그리고, 수용성 에칭 용매를 이용하는 경우, 습식 화학물질이 부주의로 LiPON을 에칭하는 것을 방지하는데 바람직하다.
일부 실시 예에서, 애노드는 기저 재료를 성형(shaping)하기 전에 성형된다. 일부 실시 예에서, 포토레지스트가 용매와 플라즈마 O2 화학물질의 재료를 이용하여 제거된다. 직하의 필름에 대해 순차적으로 작은 하나 이상의 연속 증착 층을 갖는 피라미드식 스택의 경우, 배터리 적층에서 이러한 구성을 갖는 층은 순차적으로 증착된 후, 스택에서 가장 작은 층에서 시작하여 패턴화된다.
일부 실시 예에서, 다음 단계는 장치를 캡슐화하거나 패시베이션하고 전도 에폭시, 와이어 본드, 솔더로 접속하기 위한 액세스를 위해 애노드/애노드 전류 컬렉터를 배터리 주변으로 이동시킨다.
배터리 재료가 증기, 산소 및 환경 오염물의 노출로부터 보호되도록 캡슐화되는 것이 바람직하다. 리튬은 다른 성분 및 화합물과 용이하게 반응하여 배터리의 생성 후에 외부 세계와 격리되어야 한다. 일부 실시 예에서, 이것은 결함 및 비평면을 평활하게 하기 위하여 - 흔히 실리콘, 폴리이미드, 에폭시 또는 위에서 설명한 폴리머와 같은 유기물질이 각각의 층(1806)에 이용되며 - 스핀 온 재료(spin on material)의 복수, 교호 층을 이용하여 성취되며, 다음에 Al 또는 Cu와 같은 금속 층이 외부 오염 물질이 활성 배터리 구조로 흘러들어가는 것을 방지하기 위해 증착된다.
본 발명의 실시 예에서, 하나 이상의 질화물층과 하나 이상의 금속 층을 포함하는 대안적인 캡슐화 구조가 고려된다. 다층 스택의 연속 층은 약 15-30 마이크론까지 선행 층의 보더(border) 너머로 연장한다. 이것은 실 링(seal ring)를 제공한다. 유기층 두께는 약 8-10마이크론이고, 상부 금속 층을 애노드/애노드 전류 컬렉터에 전기적으로 연결하게 하는 바이어(via)를 포함한다.
금속은 각각의 증착 층에 대해 약 1-3 마이크론의 두께를 갖는다. 최종 층은 통상 실리콘 질화물로 약 0.5-`1 마이크론의 두께를 가지며, 추가적인 기밀 보호를 하며, 집적회로 패키지 재료와 양립할 수 있다. 이 층은 마멸 및 핸들링 손상에 대한 물리적 장벽과 같은 역할을 한다.
기판이 캐소우드 전류 컬렉터와 접촉하는데 이용되는 경우 캐소우드 전류 컬렉터는 완전히 밀봉되어서, 전기접촉을 위한 엑세스를 제공하기 위해 캐소우드 전류 컬렉터 태브가 패시베이션 처리 중 노출해야 하는 경우에 비해 양호한 기밀 밀봉을 제공한다. 유기질/금속/유기질/금속의 다층에 대한 다른 어프로치는 유기재료의 단일의 평활 층을 이용한 다음, 동 또는 니켈 또는 금의 두꺼운 층을 전기 도금하여 습기 및 산소 장벽과 애노드에 대한 접점을 제공하는 것이다.
일부 실시 예에서, 배터리 스택의 일부 층에 대해, 직각을 갖는 것보다는 모퉁이를 모따기하는 것이 바람직하다. 일부 실시 예에서, 이것은 두 개 이상의 라인 새그먼트(line segment)를 이용하여 포토마스크에 모퉁이를 형성함으로써 성취된다. 포토 및 에칭 처리는 포토마스크에서 그려진 것보다 점차 더 모퉁이를 자연적으로 둥글게한다. 일부 실시 예에서, 장점은 주로 응력완화로 필름의 응력 파괴의 가능성을 감소하는 것이다. 다른 장점은 캐소우드가 더 두꺼워지기 때문에, 높은 측벽에 대한 포토레지스트 커버리지가 직각을 갖는 구조에 비해 증가할 것이다.
본 발명의 일부 실시 예의 특징은 애노드 접점을 갖는 기판, 이 애노드 접점위에 증착된 LiPON 전해진 분리기 및 LiPON과 애노드 접점 사이의 리튬 애노드 재료의 도금 층을 포함하는 장치를 제공한다.
일부 실시 예에서, 애노드 접점은 동을 포함하고 기판은 폴리머를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 LiPON을 애노드 접점에 증착하는 증착 스테이션, 선택사항으로 애노드 기판을 형성하기 위해 리튬을 애노드 접점에 도금하는 도금 스테이션, 캐소우드 기판을 형성하도록 캐소우드 재료를 기판에 증착하고 LiPON을 캐소우드 재료에 증착하는 캐소우드 증착 스테이션과, 캐소우드 기판과 애노드 기판사이에 샌드위치된 폴리머 전해질 재료를 사용하여 애노드 기판을 캐소우드 기판에 조립하는 어셈블리 스테이션을 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에서, 증착 스테이션은 LiPON의 스퍼터 증착을 포함한다.
일부 실시 예에서, LiPON은 애노드 접점에 증착되며, 이 두께는 약 0.1 마이크론과 약 1 마이크론 사이이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층의 두께는 약 0.1마이크론 이하이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 약 0.1마이크론 이다. 일부 실시 예에서는 이 LiPON 층은 약 0.2마이크론이다. 일부 실시 예에서 이 LiPON 층은 약 0.3 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.4 마이크론이다.
일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.7마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.0 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.1 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.2 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.3마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.4 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.7 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.0 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.1 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.2 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.3 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.4 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2,6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.7 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 3.0 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 3.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 4 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 4.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 5.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 7 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 10 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 10 마이크론 이상이다.
일부 실시 예에서, LiPON 은 캐소우드 접점에 증착되어 있으며 그 두께는 약 0.1 마이크론과 약 1 마이크론 사이이다. 일부 실시 예에서, 이 캐소우드의 LiPON 층은 약 0.1 마이크론 이하이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.1 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.2 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.3 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.4 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.5마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.7 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.0 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.1 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1,2 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.3 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.4 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.7 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.0 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.1 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.2 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.3 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.4 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.7 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 3 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 3.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 4 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 4.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 5.5 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 6 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 7 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 8 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 9 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 10 마이크론이다. 일부 실시 예에서, 이 LiPON 층은 약 10 마이크론 이상이다
일부 실시 예에서, 금속 스테이션은 애노드의 도금된 리튬과 그 상대 전극 사이에서 0.6mA로 약 40mV의 전압과 약 0.9mA/cm2의 밀도로 전기도금을 수행한다.
본 발명의 실시 예에서, 리튬이 애노드 커넥터상에 도금되도록 액체 프로필렌 카보네이트/LiPF6 전해질 용액 및 LiPON 장벽/전해질 층을 통해 전도된다. 본 발명의 실시 예에서, 리튬이 캐소우드 커넥터 상에서 도금되도록 액체 프로필렌 카본네이트/LiPF6 전해질 용액 및 LiPON 장벽/전해질 층을 통해 전도된다.
본 발명의 실시 예는 애노드, 캐소우드 및 전해질 구조를 갖는 배터리를 포함하는 장치를 제공하는 것으로, 이 애노드는 리튬을 포함하는 애노드 재료와, 애노드의 적어도 일부를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하며, 캐소우드는 리튬을 포함하는 캐소우드 재료와, 캐소우드의 적어도 일부를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하며, 전해질 구조는 애노드를 덮은 LiPON 장벽/전해질 층과 캐소우드를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층 사이에 샌드위치된 폴리머 전해질 재료를 포함한다.
이 장치의 실시 예에서, 캐소우드 재료는 캐소우드 접촉 재료상에 증착된 LiCoO2 를 포함하며 다음 캐소우드를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층이 증착된다.
이 장치의 실시 예에서, 리튬 애노드 재료가 애노드를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 통해 동 애노드 접점상에 도금된다.
이 장치의 실시 예에서, 애노드 재료는 NiPON 장벽/전해질 층에 의해 적어도 부분적으로 덮힌 금속 시트의 양 주 표면상에 증착된다.
이 장치의 실시 예에서, 캐소우드 재료가 금속 시트의 양 주 표면에 증착되고, LiPON 장벽/전해질 층에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있다.
이 장치의 실시 예에서, 캐소우드 접촉 재료는 캐소우드 재료가 증착된 금속 매쉬를 포함한다.
장치의 실시 예에서, 리튬 애노드 재료는 애노드 접촉 층을 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 통해 애노드 접촉 포일의 양 주 표면에 도금된다.
장치의 일부 실시 예에서, 리튬 애노드 재료가 접촉 포일을 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 통해 접촉 포일의 제 1 주표면상에 도금되고, 리튬 캐소우드 재료가 접촉 포일의 제 2 주표면상에 증착된 다음, 캐소우드를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층이 스퍼터링에 의해 증착된다.
이 장치의 실시 예에서, 리튬 캐소우드 재료가 캐소우드 접촉 포일의 양 주 표면상에 증착된 다음, 캐소우드를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층이 스퍼터링에 의해 증착된다.
이 장치의 실시 예에서, 리튬 캐소우드 재료가 캐소우드 접촉 매쉬의 양 주 표면 상에 증착된 후, 캐소우드를 덮는 LiPON 장벽/ 전해질 층이 스퍼터링에 의해 증착된다.
실시 예에서, 본 발명의 또 다른 태양은 리튬을 포함하는 애노드 재료와, 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/ 전해질을 포함하는 제 1 시트를 제공하는 단계와; 리튬을 포함하는 캐소우드 재료와, 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 2 시트를 제공하는 단계와; 제 1 시트의 애노드 재료 층을 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 2 캐소우드 시트의 캐소우드 재료를 덮는 LiPON/전해질 층사이에 폴리머 전해질 재료를 샌드위치하는 단계를 포함하는 방법을 구비한다.
본 발명의 실시 예는 리튬을 포함하는 애노드 재료와, 이 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 3 시트를 제공하는 단계와; 리튬을 포함하는 캐소우드 재료와 이 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 4 시트를 제공하는 단계와; 제 3 시트의 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 4 시트의 캐소우드 층을 덮는 LiPON 장벽/전해질 층 사이에 폴리머 전해질 재료를 샌드위치하는 단계와;
제 1 시트의 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 4 시트의 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/ 전해질 층 사이에 폴리머 전해질 재료를 샌드위치하는 단계를 구비한다.
이 방법의 실시 예에서, 애노드는 LiPON 층을 통해 동 애노드 접촉 층상에 층으로 증착된다.
이 방법의 실시 예에서, 리튬 애노드의 증착이 프로필렌 카보네이트/LiPF6 전해질 용액에서 전기 도금에 의해 성취된다.
이 방법의 실시 예에서, 제 1 시트는 애노드 재료 반대 표면에 캐소우드 재료와 이 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하며; 제 2 시트는 리튬을 포함하는 애노드 재료와 이 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하며, 이 방법은 제 1 표면상에 리튬을 포함하는 애노드 재료와, 이 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층, 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면상의 리튬을 포함하는 애노드 재료와, 이 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/ 전해질 재료를 포함하는 제 3 시트를 제공하는 단계와; 제 1 시트의 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 3 시트의 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층사이에 폴리머 전해질 층을 샌드위치시키는 단계를 구비한다.
일부 실시 예에서, 본 발명의 태양은 리튬을 포함하는 애노드 재료와, 이 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 1 시트와, 리튬을 포함하는 캐소우드 재료와, 이 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 2 시트와, 제 1시트의 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 1 캐소우드 시트의 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층 사이에 폴리머 전해질 재료를 샌드위치하는 수단을 포함하는 장치를 제공한다.
이 장치의 실시 예는 리튬을 포함하는 애노드 재료와, 이 애노드 재료를 커버하는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 3 시트와; 리틈을 포함하는 캐소우드 재료와 이 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 4 시트와; 제 3 시트의 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 4 시트의 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층사이에 폴리머 전해질 재료를 샌드위치하는 수단ㄱ과; 제 1 시트의 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 4시트의 캐소우드 재료를 덮은 LiPON 장벽/전해질 층 사이에 폴리머 전해질 재료를 샌드위치 하는 수단을 구비한다.
삭제
본 발명은 기판, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터, 선택사항인 애노드 재료 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 포함하는 제 1 시트를 제공하는 단계와, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 통해 하나 이상의 재료 제거 작업을 수행하고, 서로 분리된 제 1의 복수의 배터리 전지를 남기도록 기판의 제 2 부분을 제거하지 않지만 기판의 제 1 부분을 제거하며, 제 1의 복수의 배터리 전지가 제 1 시트의 단일의 분리되지 않은 부분에 부착된다.
이 방법의 일부 실시 예는 다수의 전지의 적어도 그 측부를 덮도록 제 2 재료를 시트에 층착하는 단계를 더 포함한다.
이 방법의 실시 예는 다수의 전지를 서로 분리하도록 제 2 재료의 서브 부분(sub-portion)을 제거하기 위한 제 1 재료 제거 작업을 수행하는 단계를 포함한다. 실시 예에서, 제 2 재료는 전지를 보호하기 위해 증착된 전기 절연체이다.
삭제
실시 예에서, 제 2 재료는 LiPON을 포함한다.
실시 예서, 재료 제거 작업은 레이저 절삭을 포함한다.
실시 예에서, 재료 제거 작업은 포토리소그래피를 포함한다.
실시 예에서, 재료 제거 작업은 전지 사이에 약 10마이크론 이하의 폭을 갖는 트랜치를 형성한다. 실시예에서, 복수 전지의 적어도 그 측부를 덮기 위해 패시베이션 재료를 시트에 증착하는 것을 포함한다.
실시 예에서, 본 발명은 기판, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터, 선택사항인 애노드 재료 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 포함하는 제 1 시트의 소오스와; 서로 분리되지만 적어도 제 1 시트의 한 부분에 부착되어 남아 있는 복수의 배터리 전지를 남기도록 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터, 및 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 통해, 그리고 기판의 제 1 부분을 통하지만, 기판의 제 2 분을 통하지 않고 재료를 제거하는 수단을 포함한다.
장치의 실시 예는 복수의 전지의 적어도 측부를 덮도록 시트에 제 2 재료를 증착하는 수단과; 복수의 전지를 서로 분리하도록 제 2 재료의 서브 부분으로부터 재료를 제거하는 수단을 포함한다.
장치의 실시 예는 복수의 전지의 적어도 측부를 덮도록 제 2 재료를 시트에 증착하는 수단을 더 포함한다.
실시 예에서, 제 2 재료는 전지를 패시베이션하도록 증착된 전기 절연체이다. 제 2 재료는 LiPON을 포함한다. 실시 예에서, 제거 수단은 레이저 절삭을 포함한다. 실시 예에서, 제거 수단은 포토리소그래픽 기술을 포함한다. 실시 예에서, 재료 제거 작업은 전지 사이에 약 10마이크론 이하의 폭을 갖는 트랜치를 형성한다.
실시 예에서, 본 발명은 기판, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터, 선택사항인 애노드 재료 및 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층과; 서로 분리되지만 적어도 제 1 시트의 일 부분에 부착되어 남아있는 복수의 배터리 전지를 남기도록, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 통해, 그리고, 기판의 제 1 부분을 통하지만, 기판의 제 2 부분을 통하지 않고 재료를 제거하도록 구성된 제 1 재료 제거 스테이션을 포함하는 장치를 제공한다.
장치의 실시 예는 적어도 복수의 전지 측부를 덮도록 패시베이션 재료를 시트에 증착하는 증착 스테이션과; 제 2 재료의 서브 부분을 제거하여 복수의 전지를 서로 분리하도록 구성된 제 2 재료 제거 스테이션을 포함한다.
대안적으로, 이 방법 및 장치는 상술했듯이, 복수의 전지의 적어도 측부를 덮도록 패시베이션 재료를 시트에 증착하는 증착 스테이션을 더 포함하고, 제 1 재료 제거 스테이션은 또 다른 증착 스테이션 뒤에 배치될 수 있고, 서로 분리되지만 적어도 제 1시트의 일부분에 부착되어 남아있는 복수의 배터리 전지를 남기도록 패시베이션 재료, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 통해, 그리고 기판의 제 1 부분을 통하지만, 기판의 제 2부분을 통하지 않도록 재료를 제거하도록 구성된다.
실시 예에서, 패시베이션 재료는 하나 이상의 폴리머 층과 교번하는 하나 이상의 금속 층을 포함한다.
실시 예에서, 제 1 시트는 애노드 재료 반대 표면위에 캐소우드 재료와 이 캐소우드 재료를 덮는 LIPON 장벽/전해질 층을 포함하며, 제 2 시트는 리튬을 포함하는 애노드 재료와 이 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/ 전해질 층을 포함하며, 이 장치는 제 1 표면에 리튬을 포함하는 애노드 재료와 이 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층, 리튬을 포함하는 애노드 재료와 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층을 포함하는 제 3 시트와; 제 1 시트의 애노드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질 층과 제 3 시트의 캐소우드 재료를 덮는 LiPON 장벽/전해질층 사이에 폴리머 전해질 재료를 샌드위치 하는 수단을 더 구비한다.
상기 설명은 예시적이지 제한적이지 않다는 것을 이해해야 한다. 설명했듯이, 여러 실시 예의 많은 변경이 있다는 것을 당업자를 알 수 있을 것이다.

Claims (37)

  1. a) 기판을 포함하는 제 1 시트를 제공하는 단계와;
    b) 캐소우드 전류 컬렉터, 캐소우드 재료, 애노드 전류 컬렉터 및 이 애노드 전류 컬렉터로부터 캐소우드 재료를 분리하는 전해질 층을 기판에 적용시키는 단계를 구비하며,
    하나 이상의 상기 층은 리튬 화합물을 함유하며;
    리튬 화합물을 함유하는 하나 이상의 층의 구성은 습식 화학처리에 의해 리튬 화합물을 함유하는 캐소우드 재료를 에칭하는 것을 포함하는 포토리소그래픽 공정에 의해 적어도 부분적으로 패턴화되는 것을 특징으로 하는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    캐소우드 재료는 LiCoO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    캐소우드 재료의 구성은 양의 경사를 갖는 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    캐소우드 재료의 경사는 법선으로부터 20에서 70도 이격된 것을 특징으로 하는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    습식 화학 처리는 비 수용성 용매의 사용을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 8항에 있어서,
    비수용성 용매는 N-메틸피로리던(Methypyrrolidone)을 함유하는 것을 특징으로 하는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 삭제
  37. 제 1항에 있어서,습식 화학처리가 수용성 용매의 사용을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 리튬 배터리를 제조하는 방법.
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