KR20060122842A - 리튬 마이크로 배터리의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
리튬 마이크로 배터리의 제조 공정 동안, 리튬 화합물을 포함하는 전해질은, 전류 콜렉터 (2a, 2b) 와 캐소드 (3) 가 제공되는 기판 (1) 상에, 전해질 박막층 (5a), 리튬에 대해 화학적으로 불활성인 제 1 보호 박막층 (6a), 및 제 1 마스킹 박막층 (7a) 이 연속적으로 성막되어 형성된다. 본 발명에 따르면, 제 1 마스킹 박막층 (7a) 을 선택적으로 에칭하기 위한 마스크를 생성하기 위해 제 1 마스킹 박막층 상에서 포토리소그래피 단계가 수행되고, 다음으로 제 1 보호 박막층 (6a) 및 전해질 박막층 (5a) 은 전해질 박막층 (5a) 에서 전해질을 형성하기 위해 선택적으로 에칭된다. 이러한 기술은 기판에 어떤 손상도 유발하지 않고 포토리소그래피 및 에칭에 의한 전해질의 형성을 가능하게 한다.
리튬 마이크로 배터리, 전해질
Description
발명의 배경
본 발명은 기판상에 제 1 및 제 2 전류 콜렉터, 캐소드, 리튬 화합물을 포함하는 전해질 및 리튬을 포함하는 애노드가 연속적으로 형성된 리튬 마이크로 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
기술분야
현재, 대부분의 리튬 마이크로 배터리는 마이크로 배터리를 구성하는 상이한 요소의 최종 형태를 한정하도록 설계된 마스크를 통해 박막층을 성막함으로써 제조된다. 그러므로, 일반적으로 마이크로 배터리에서, 전류 콜렉터, 캐소드 및 전해질은 기판 상에 물리적 기상 증착법 (PVD; Physical Vapor Deposition) 에 의해 획득된다. 전류 콜렉터는 예를 들어, 백금으로 이루어져 있는 반면에, 캐소드는 TiS2, TiOxSy, 또는 VxOy 로 이루어질 수 있다. 전해질은 리튬 및 LiPON 과 같은 리튬 화합물을 포함하며, 애노드는 마스크를 통한 증착법에 의해 획득된 금속 리튬의 성막에 의해 정의된다.
이러한 마스킹 (masking) 기술은 센티미터 또는 그 이상의 치수에 매우 적합하다. 그러나, 마스킹 기술은 입자 오염을 유발하고, 이용된 마스크는 성막된 층을 스크래치 (scratch) 하여 마이크로 배터리를 매우 크게 손상시킨다. 마지막으로, 마이크로 배터리의 구성성분이 아주 작은 크기이면, 특히 발생할 수 있는 에지 효과 때문에, 마스크는 유해하다고 입증될 수도 있다. 또한, 현재의 마이크로 배터리는 임의의 타입의 마이크로 전자공학 기술을 이용하는 마이크로컴포넌트에 통합되도록 개발된다. 그러므로, 마이크로 배터리를 제조하는 기술은 종래에 이용된 마이크로 전자공학 기술과 호환가능해야만 한다.
마찬가지로, 마스크를 통한 현재의 성막 기술에서는, 물, 공기 및 습기가 마이크로 배터리에 함유된 리튬 또는 리튬 화합물에 유해하기 때문에, 제조된 마이크로 배터리는 공기 중에 배치될 수도 없고 2 개의 성막 단계 사이에서 이동할 수도 없다. 그러므로, 이러한 제조 방법의 구현은 산업화하기에는 여전히 어렵다는 것을 입증하고, 매우 고가이며, 마이크로 전자공학 분야에서 구현된 기술과 호환성을 가지지 않는다.
리튬 마이크로 배터리가 제조되면, 리튬 화합물 애노드는 노출되고, 또한 외부 환경에 대항하여 애노드를 보호하기 위해 마이크로 배터리의 전체상에 보호막 (protective envelope) 을 성막한다는 것은 공지되어 있다. 예를 들어, 보호막은 금속층 및 파릴렌
(parylene
) 층에 의해 형성된다. 그러므로, 제조 공정 중 또는 최종 캡슐화 (encapsulation) 단계까지, 마이크로 배터리는 예를 들어, 아르곤과 같은 중성 분위기에 잔류한다.
특허 문헌 WO-A1-0060689 는 공기에 대한 애노드의 감도 (sensitivity) 의 문제를 개선하기 위해 금속 리튬 애노드가 배터리의 초기 충전 (charging) 중에, 애노드 전류 콜렉터와 커버층 사이에서 전기 화학적 도금으로 구성되는 리튬 배터리를 제조하는 방법을 설명한다. 그러므로, 배터리의 초기 충전 이전에, 배터리가 임의의 애노드 재료를 포함하지 않고, 충방전 용량의 손실 없이, 10 분 동안 공기 중에서 250℃ 의 온도에서의 열처리를 견딜 수 있다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 구현하기 쉽고, 저렴하며 마이크로 전자공학 분야에서 구현된 기술과 호환성이 있는 리튬 마이크로 배터리를 제조하는데 있으며, 특히, 집적 회로와 같은 마이크로컴포넌트 상에 이러한 마이크로 배터리를 통합하는데 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 전해질 형성 단계가 적어도 다음의 연속적인 동작을 포함함으로써 달성된다.
- 전류 콜렉터 및 캐소드가 제공된 기판상에, 전해질 박막층을 성막하는 단계,
- 전해질 박막층 상에, 리튬에 대해 화학적으로 비활성인 제 1 보호 박막층을 성막하고, 다음으로 제 1 마스킹 박막층을 성막하는 단계,
- 제 1 마스킹 박막층 상에 포토리소그래피에 의해 마스크를 제조하는 단계,
- 제 1 마스킹 박막층을 선택적으로 에칭하고, 다음으로, 마스크를 제거하는 단계,
- 전해질 박막층 내에서 전해질을 형성하도록 전해질 박막층 및 제 1 보호 박막층을 선택적으로 에칭하고, 다음으로, 제 1 마스킹 박막층 및 제 1 보호 박막 층을 제거하는 단계.
본 발명의 전개에 따르면, 제 1 보호 박막층은 수소화된 비정질 규소 탄화물 (hydrogenated amorphous silicon carbide), 수소화된 비정질 규소 산화탄화물 (hydrogenated amorphous silicon oxycarbide), 수소화된 비정질 규소 탄화질화물 (hydrogenated amorphous silicon carbonitride), 수소화된 비정질 탄소 (hydrogenated amorphous carbon), 불화 및 수소화된 비정질 탄소 (fluorinated and hydrogenated amorphous carbon), 그리고 불화 및 수소화된 비정질 탄소 질화물 (fluorinated and hydrogenated amorphous carbon nitride) 로부터 선택된 제 1 재료로 구성된다.
본 발명의 다른 전개에 따르면, 제 1 마스킹 박막층은 수소화된 비정질 규소 탄화물, 수소화된 비정질 규소 산화탄화물, 수소화된 비정질 규소 탄화질화물, 규소 질화물 및 규소 산화물로부터 선택되고 제 1 재료와는 별개인 제 2 재료로 구성된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 애노드의 형성은 다음의 단계를 적어도 포함한다.
- 전류 콜렉터, 캐소드, 전해질을 가진 기판상에 애노드 박막을 성막하는 단계,
- 제 3 보호 박막층을 성막하고 다음으로, 애노드 박막 상에 제 2 마스킹 박막층을 성막하는 단계,
- 제 2 마스킹 박막층 상에 포토리소그래피함으로써 마스크를 제조하는 단 계,
- 제 2 마스킹 박막층을 선택적으로 에칭하고 다음으로, 마스크를 제거하는 단계,
- 애노드 박막에서 애노드를 형성하도록 제 3 보호 박막층 및 애노드 박막을 선택적으로 에칭하고 보호 박막층 및 마스킹 박막층을 제거하는 단계.
도면의 간단한 설명
다른 이점 및 특징은 첨부된 도면에서 나타나고 비-제한적인 예로써 주어진 본 발명의 특정 실시형태의 후술되는 설명으로부터 더욱 명백해진다.
도 1 내지 도 5 는 종래 기술에 따라, 기판 상에 전류 콜렉터 및 캐소드 제조의 연속적인 단계를 나타내는 단면도이다.
도 6 내지 도 9 는 본 발명에 따른 전해질의 형성의 상이한 단계를 나타내는 단면도이다.
도 10 은 도 6 내지 도 9 에 따라 형성된 전해질의 캡슐화 단계를 나타내는 단면도이다.
도 11 내지 도 14 는 본 발명에 따른 애노드의 형성의 상이한 단계를 나타내는 단면도이다.
도 15 는 본 발명에 따라 제조된 리튬 마이크로 배터리를 나타내는 단면도이다.
도 16 은 도 15 에 따라, 보호 박막층이 제공된 리튬 마이크로 배터리의 단면도이다.
도 17 은 도 15 에 따라, 보호막이 제공된 리튬 마이크로 배터리의 단면도이다.
특정 실시형태의 설명
도 5 에 도시된 바와 같이, 리튬 마이크로 배터리 제조의 제 1 단계는 기판 (1) 의 표면 (1a) 상에 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 및 캐소드 (3) 를 형성하는 단계로 구성된다. 리튬 마이크로 배터리 제조의 제 1 단계는 임의의 타입의 공지된 방법으로도 수행될 수 있다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b), 박막층 (2) 을 형성하기 위해, 예를 들어, 두께 200 nm 를 가지는 백금, 티타늄 또는 금이 물리적 기상 증착법 (PVD) 또는 화학적 기상 증착법 (PVD) 에 의해 기판 (1) 의 전체상에 성막된다. 예를 들어, 기판 (1) 은 실리콘 웨이퍼 또는 주문형 반도체 (ASIC; Application Specific Integrated Circuit) 를 포함하는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 다음으로, 박막층 (2) 은 제 1 및 제 2 마스킹 엘리먼트 (4a 및 4b) 가 형성되도록 포토리소그래피되는 포토레지스트의 박막층으로 커버된다 (도 1). 제 1 및 제 2 마스킹 엘리먼트 (4a 및 4b) 는 플라즈마 에칭에 의해 기판 (1) 의 표면 (1a) 상에 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 의 형태와 위치를 각각 결정한다 (도 2). 예를 들어, 플라즈마 에칭은 아르곤, 질소 및 CF4 의 혼합물을 통해 수행된다.
다음으로, 캐소드 (3) 는, PVD 또는 CVD 에 의해 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 가 제공된 기판 (1) 의 표면 (1a) 의 전체상에, 약 1.5μm 의 캐소드 박막층 (3a) 을 성막함으로써 제 1 전류 콜렉터 (2a) 상에 형성된다 (도 3). 다음으로, 포토레지스트의 박막층은 캐소드 박막층 (3a) 의 전체상에 성막되고, 다음으로 제 3 마스킹 엘리먼트 (4c) 를 형성하기 위해 포토리소그래피된다 (도 4). 플라즈마 에칭 단계가 수행될 때, 제 1 전류 콜렉터 (2a) 상에 배열된 제 3 마스킹 엘리먼트 (4c) 는 캐소드 (3) 의 형태 및 위치를 결정한다 (도 5). 제 1 전류 콜렉터 (2a) 를 전체적으로 커버하고 있는 캐소드 (3) 는 이 목적을 위해 공지된 임의의 타입의 재료로 구성되고, 이 재료은 예를 들어, TiS2, V2O5 또는 "TiOS" 나 TiOxSy 로 지칭되는 티타늄 산화황화물 (titanium oxysulphide) 로 이루어질 수 있다.
최근, 산소, 질소 및 물에 매우 민감한 리튬 화합물을 함유하는 리튬 마이크로 배터리를 구성하는 요소는, 특히, 포토리소그래피 및 에칭에 의해서 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 및 캐소드 (3) 를 제조하기 위해 구현된 기술로는 형성될 수 없다. 사실상, 포토레지스트 마스킹 엘리먼트의 제거 및 구성 요소의 2 가지 제조 단계 사이에 기판 (1) 의 이동과 같은 특정 단계는, 리튬 화합물에 손상을 입히거나 및/또는 입자 오염을 유발할 수 있다. 포토리소그래피 및 플라즈마 에칭을 수행하기 전에, 보호 박막층은 리튬 화합물을 포함하는 박막층 상에 성막될 수 있다. 그러나, 이러한 보호 박막층은 특히, 마스킹 엘리먼트가 제거될 때, 리튬 화합물의 박막층의 손상을 방지하기에는 충분하지 않다.
이러한 결점을 극복하기 위해, 본 발명은 마이크로전자공학 기술, 특히, 포토리소그래피 및 플라즈마 에칭의 사용이 가능하고 리튬 화합물 층으로의 임의의 손상을 방지할 수 있는 별개의 2 개의 중첩 박막층에 의해 형성된 이중 마스킹을 사용한다. 이중 마스킹은 리튬에 대해 비활성인 재료로 구성되고, 리튬 화합물 박막층의 에칭을 가능하게 한다.
그러므로, 도 6 내지 도 9 에서 도시된 바와 같이, 예를 들어, 리튬 및 LiPON 와 같이 하나 이상의 리튬 화합물을 포함하는 전해질 (5) 은 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 및 캐소드 (3) 가 제공된 기판 (1) 의 표면 (1a) 상에 형성된다. 전해질 (5) 은 애노드 (3) 의 전체, 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 의 사이에 배열된 기판 (1) 의 표면 (1a) 의 일부, 및 제 2 전류 콜렉터 (2b) 의 일부를 커버한다 (도 9). 도 6 에 나타난 바와 같이, 전해질 (5) 을 형성하기 위해, 특히, 그것의 형태 및 위치를 한정하기 위해, 하나 이상의 리튬 화합물을 포함하고 약 1μm 의 두께를 가지는 전해질 박막층 (5a) 은 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 및 캐소드 (3) 가 제공된 기판 (1) 의 표면 (1a) 전체상에 성막된다. 예를 들어, 전해질 박막층 (5a) 의 성막은 물리적 기상 증착법에 의해 획득된다. 전해질 박막층 (5a) 에 함유된 리튬 화합물을 보호하기 위해, 리튬에 대해 화학적으로 비활성인 재료에 의해 구성된 제 1 보호 박막층 (6a) 및 제 1 마스킹 박막층 (7a) 은 전해질 박막층 (5a) 의 전체상에 연속적으로 성막되며, 즉, 이중 마스킹이라 지칭되는 적충체를 형성한다. 예를 들어, 이중 마스킹은 플라즈마 강화 화학 증착법 (PECVD) 에 의해 획득된다.
제 1 보호 박막층 (6a) 및 제 1 마스킹 박막층 (7a) 은 수소화된 비정질 규소 탄화물 (SiCxHy 또한 0<x≤1 인 SiCx:H 로 표시), 수소화된 비정질 규소 산화탄화물 (SiOxCyHz 또한 0<x≤2 및 0<y≤1 인 SiOxCy:H 로 표시) 및 수소화된 비정질 규소 탄화질화물 (SiCxNyHz 또한 0<x≤1 및 0<y≤1.33 인 SiCxNy:H 로 표시) 로부터 선택된 별개의 제 1 및 제 2 재료로 각각 구성되는 것이 바람직하다.
제 1 보호 박막층 (6a) 의 제 1 재료는 수소화된 비정질 탄소 (CHx 또는 C:H), CFxHy 또는 CFx:H 또는 불화 및 수소화된 비정질 탄화질화물 (CNxFyHz 또한 CNxFy:H 로 표시) 로 표시된 불화 및 수소화 비정질 탄소로부터 선택될 수 있다. 제 1 마스킹 박막층 (7a) 의 제 2 재료는 SiO2 와 같은 규소 산화물 또는 규소 질화물 (SiN) 로부터 선택될 수 있다. 리튬의 기본적인 재료에 대해 리튬과 관련한 비활성 재료가 규소 또는 탄소와 반응하지 않기 때문에, 수소화된 비정질 탄소 (CHx 또는 C:H) 및/또는 수소화된 비정질 규소 (SiHx 또는 Si:H) 가 사용될 수 있다. 그러나, 후자의 2 가지 재료는 그 자체 상의 리튬화 재료층의 밀집성을 보장할 만큼 충분히 불침투성을 갖지 않는다.
제 1 보호 박막층 (6a) 은 전해질 박막층 (5a) 의 밀폐된 캡슐화를 형성하도록 전해질 박막층 (5a) 을 전체적으로 커버하는 반면에, 제 1 마스킹 박막층 (7a) 은 포토리소그래피에 후속하여 전해질 박막층 (5a) 에칭을 가능하게 함으로써, 후 자의 손상 없이 수행될 수 있다.
그러므로, 도 7 에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 단계는 마스킹 박막층 (7a) 의 전체에 포토레지스트의 박막층을 성막하고, 다음으로 포토레지스트로 이루어진 제 4 마스킹 엘리먼트 (4d) 를 획득하도록 마스크를 통해 포토레지스트의 박막층을 노출시키며, (포지티브 포토레지스트의 경우) 노출된 부분은 제거된다. 제 1 마스킹 박막층의 일부를 커버하고 있는 제 4 마스킹 엘리먼트 (4d) 는 캐소드 (3) 의 전체, 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 사이에 포함된 기판의 표면 (1a) 의 일부 및 제 2 전류 콜렉터 (2b) 의 일부에 배열된다.
포토리소그래피 단계 중에 포토레지스트 마스킹 엘리먼트 및 에칭 플라즈마와 직접적으로 접촉하고 있는 제 1 마스킹 박막층 (7a) 은 제 1 보호 박막층의 에칭 특징과는 상이한 에칭 특징을 나타내고, 그 두께는 대략 수백 나노미터인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 마스킹 박막층 (7a) 은 제 1 보호 박막층 (6a) 에 우수한 접착력을 나타내고 또한, 마스킹 엘리먼트의 형태를 상당히 변형시킬 수 있는 미광의 광선을 제거함으로써, 포토리소그래피 단계에 대한 반사방지층으로써 동작할 수 있다.
제 1 보호 박막층 (6a), 제 1 마스킹 박막층 (7a) 및 전해질 박막층 (5a) 은 플라즈마 에칭에 대해 상이한 반응을 가진다. 그러므로, 선택적 에칭이 수행될 수 있게 되어, 전해질 박막층 (5a) 은 제 4 포토레지스트 마스킹 엘리먼트 (4d) 가 제거될 때 손상되지 않는다. 실제로, 마스킹 엘리먼트는, 이중 마스크에 의해 보호되지 않는 경우 전해질 박막층의 리튬 화합물을 손상시킬 수 있는 용매에 의해 일반적으로 제거된다. 그러므로 이중 마스킹 기술은 리튬을 첨가한 재료가 특히, 연속적인 에칭의 선택에 의해 주위 환경에 전혀 접촉하지 않도록 한다.
그러므로, 도 8 에 도시된 바와 같이, 제 1 마스킹 박막층 (7a) 은 잔류하는 제 1 마스킹 박막층의 형태과 위치를 정의하는 제 4 마스킹 엘리먼트 (4d) 를 통해 플라즈마에 의해 에칭된다. 예를 들어, 마스킹 박막층 (7a), 즉, 제 4 마스킹 엘리먼트 (4c) 에 의해 커버되지 않은 부분은 사실상 에칭에 의해 제거된다. 다음으로, 제 4 마스킹 엘리먼트 (4d) 는 공지된 임의의 타입의 수단, 특히, 용매의 의해서 제거된다.
도 8 및 도 9 에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 플라즈마에 의한 제 1 보호 박막층 (6a) 과 전해질 박막층 (5a) 의 선택적인 에칭에 의해, 전해질 박막층 (5a) 에 전해질 (5) 이 형성된다. 제 1 마스킹 박막층 (7a) 에 의해 커버되지 않은 제 1 보호 박막층 및 전해질 박막층의 일부만이 에칭에 의해 제거된다. 그러므로, 전해질 (5) 의 형태 및 위치는 제 1 마스킹 박막층 (7a) 이 에칭되면, 제 1 마스킹 박막층 (7a) 의 형태 및 위치에 의해 결정된다. 다음으로, 제 1 보호 박막층 (6a) 및 제 1 마스킹 박막층 (7a) 이 제거된다.
애노드를 형성하기 위해, 제조공정 중에 리튬 마이크로 배터리를 이동하는 것이 필수적일 수도 있고, 따라서, 리튬 화합물을 포함하는 전해질 (5) 을 손상시킬 수 있는 공기 중에 위치될 수도 있다. 이러한 경우에, 제 2 보호 박막층 (6b) 은 밀폐하는 방법으로 전해질 (5) 을 전체적으로 커버하도록, 전류 콜렉터 (2a 및 2b), 캐소드 (3) 및 전해질 (5) 이 제공된 기판 (1) 의 표면 (1a) 의 전체 에 성막될 수 있다 (도 10). 예를 들어, 제 2 보호 박막층 (6b) 은 제 1 보호 박막층 (6a) 과 동일한 재료에 의해 형성될 수 있고, PECVD 에 의해 성막될 수 있다. 리튬 마이크로 배터리가 중성 환경 (neutral environment) 으로 복귀되었을 때, 제 2 보호 박막층 (6b) 이 제거된다.
또한, 애노드는 금속성의 리튬으로 형성된 대부분의 경우, 마이크로 전자공학 분야에서 사용된 기술에 의해 형성될 수 있고, 또한 전해질 (5) 을 형성하기 위해 이용된 이중 마스크등을 사용하는 기술에 의해 형성될 수 있다. 그러므로, 도 11 에 도시된 바와 같이, 제 2 보호 박막층 (6b) 은 전해질 (5), 기판 (1) 의 자유 표면 (1a; free surface) 및 제 2 콜렉터 (2b) 의 자유 부분을 개방하기 위해 제거된다. 다음으로, 금속성의 리튬으로 이루어진 애노드 박막 (8a) 이 기판 (1) 의 표면 (1a) 의 전체에 균일하게 성막되어, 애노드 박막 (8a) 이 기판 (1) 의 자유 표면, 전해질 (5) 및 제 2 콜렉터 (2b) 의 자유 부분을 커버하도록 한다 (도 12). 다음으로, 제 3 보호 박막층 (6c) 및 제 2 마스킹 박막층 (7b) 이 이중 마스킹을 형성하도록 애노드 박막 (8a) 의 전체에 연속적으로 성막된다. 제 3 보호 박막층 (6c) 은 제 1 보호 박막층과 동일한 재료에 의해 형성될 수 있는 반면, 제 2 마스킹 박막층 (7b) 은 제 1 마스킹 박막층 (7a) 과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
전해질 (5) 의 형성과 동일한 방법으로, 포토레지스트의 박막층은 제 2 마스킹 박막층 (7a) 상에 성막되고, 다음으로 제 2 마스킹 박막층의 선택적인 플라즈마 에칭 동작에서 제 2 마스킹 박막층 (7a) 의 형태 및 위치를 정의하도록 설계된 제 5 마스킹 엘리먼트 (4e) 를 획득하기 위해 포토리소그래피된다 (도 14). 다음으로, 제 3 보호 박막층 (6c) 및 애노드 박막 (8a) 은 애노드 (8) 의 최종 형태 및 위치를 정의하도록, 제 2 마스킹 박막층 (7b) 을 통해 플라즈마에 의해 선택적으로 에칭된다. 도 8 에서, 애노드 (8) 는 전해질 (5) 및 제 2 콜렉터 (2b) 를 전체적으로 커버한다. 다음으로, 제 3 보호 박막층 (6c) 및 제 2 마스킹 박막층 (7b) 은 애노드 (8) 를 개방하기 위해 제거된다 (도 15). 제 3 보호 박막층 (6c) 은 제 1 보호 박막층 (6a) 과 동일한 재료로 형성되는 것이 바람직한 반면, 제 2 마스킹 박막층 (7b) 은 제 1 마스킹 박막층 (7a) 과 동일한 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
리튬 마이크로 배터리가 형성되면, 제 4 보호 박막층 (6d) 은 전류 콜렉터 (2a 및 2b), 캐소드 (3), 전해질 (5) 및 애노드 (8) 에 의해 형성된 적층체 전체에 성막될 수 있다 (도 16). 제 4 보호 박막층 (6d) 은 제 1 보호 박막층과 동일한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 제 4 보호 박막층 (6d) 은 적층체의 밀폐된 캡슐화를 가능하게 하고, 특히 애노드에서 가능하게 됨으로써 임의의 외부 오염에 대해 기판을 보호하는 것을 달성할 수 있게 한다. 다음으로, 리튬 마이크로 배터리는 애노드를 손상시키는 임의의 위험도 없이 공기 중에서 이동 또는 저장될 수 있다.
도 17 에서 도시된 다른 실시형태에서, 제 4 보호 박막층은 적어도 제 1 및 제 2 의 중첩되고 별개인 캡슐화층 (9a 및 9b) 을 포함하는 보호막 (9) 으로 대체된다. 제 1 및 제 2 캡슐화층 (9a 및 9b) 은 150℃ 이하의 성막 온도에서, 플 라즈마 강화 화학적 기상 증착법에 의해 애노드 (8) 의 전체에 연속적으로 성막된다. 제 1 캡슐화층 (9a) 은 수소화된 비정질 규소 탄화물, 수소화된 비정질 규소 산화탄화물, 수소화된 비정질 탄소, 불화된 비정질 탄소 및 수소화된 비정질 규소로부터 선택되는, 리튬에 대해 화학적으로 비활성인 적어도 하나의 재료를 포함한다. 제 2 캡슐화층 (9b) 은 수소화된 비정질 규소 탄화질화물, 수소화된 비정질 규소 질화물 및 불화된 비정질 탄소로부터 선택된 재료를 포함한다. 또한, 제 2 캡슐화층 (9b) 의 성막 이전에, 인-도핑된 (phosphorus-doped) 규소 산화물, 수소화된 비정질 탄소 및 불화된 비정질 탄소로부터 선택된 재료를 포함하는 중간층 (9c) 이 150℃ 이하의 성막 온도에서 플라즈마 강화 화학적 기상 증착법에 의해 성막될 수 있다. 또한, 수소화된 비정질 탄소 또는 불화된 비정질 탄소로 이루어진 최종층 (9c) 은 150℃ 이하의 성막 온도에서 플라즈마 강화 화학적 기상 증착법에 의해 성막될 수 있다.
본 발명은 전술된 실시형태들로 한정되지 않는다. 그러므로, 이중 마스크 기술이 리튬 화합물을 포함하는 마이크로 배터리의 임의의 구성 요소에 대해 이용될 수 있다. 예를 들어, 캐소드가 리튬 화합물을 포함한다면, 캐소드는 임의의 외부 오염에 대하여 이것을 보호하고, 수행되는 포토리소그래피 및 에칭 단계를 가능하게 하기 위해 설계된 마스킹 박막층 또는 보호층을 사용하여 전해질 (5) 과 같은 방법으로 형성된다. 또한, 임의의 공지된 타입의 에칭은 리튬 마이크로 배터리를 구성하는 상이한 요소를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 플라즈마 에칭은 건식 에칭으로 대체될 수 있다.
따라서, 리튬 마이크로 배터리를 제조하기 위한 방법은 마이크로 전자공학 분야에서 구현되는 기술과 호환성이 있고, 특히, 집적 회로와 같은 마이크로컴포넌트에 통합된 리튬 마이크로 배터리와 같은 것을 가능하게 한다. 또한, 마이크로 배터리의 구성 요소가 마스크를 통한 성막에 의해 형성되는 종래 기술과는 다르게, 에칭에 의해 마이크로 배터리를 구성하는 요소를 제조할 수 있다는 것은 마스크와 구성 요소 사이에서 물리적 접촉을 방지한다. 이것은 구성 요소의 스크래치 및 가능한 입자 오염의 위험을 감소시키고, 보다 나은 재현성을 제공함으로써, 기판으로부터 기판으로 또는 기판에서의 산출을 개선한다.
마지막으로, 마이크로 전자공학 분야에서 시행된 기술의 사용이 가능하다는 것은, 리튬 마이크로 배터리가 집적회로에 부착되어 있어야 하는 종래 기술에 따른 제조 방법과는 다르게, 집적회로에 통합된 리튬 마이크로 배터리에 대한 비용을 감소시킬 수 있게 한다.
Claims (12)
- 기판 (1) 상에, 제 1 및 제 2 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 의 형성 단계, 캐소드 (3) 의 형성 단계, 리튬 화합물을 포함하는 전해질 (5) 의 형성 단계, 및 리튬을 포함하는 애노드 (8) 의 형성 단계를 연속적으로 포함하는 리튬 마이크로 배터리를 제조하는 방법으로서,상기 전해질 (5) 의 형성 단계는:- 상기 전류 콜렉터 (2a 및 2b) 와 상기 캐소드 (3) 가 제공된 상기 기판 (1) 상에, 전해질 박막층 (5a) 을 성막하는 단계,- 상기 전해질 박막층 (5a) 상에, 리튬에 대해 화학적으로 비활성인 제 1 보호 박막층 (6a) 을 성막하고, 제 1 마스킹 박막층 (7a) 을 성막하는 단계,- 상기 제 1 마스킹 박막층 (7a) 상에 포토리소그래피에 의해 마스크 (4d) 를 제조하는 단계,- 상기 제 1 마스킹 박막층 (7a) 을 선택적으로 에칭하고, 다음으로, 상기 마스크 (4d) 를 제거하는 단계,- 상기 전해질 박막층 (5a) 내에서 전해질 (5) 을 형성하도록 상기 전해질 박막층 (5a) 및 상기 제 1 보호 박막층 (6a) 을 선택적으로 에칭하고, 상기 제 1 마스킹 박막층 (7a) 및 상기 제 1 보호 박막층 (6a) 을 제거하는 단계의 연속적인 동작을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 보호 박막층 (6a) 은 수소화된 비정질 규소 탄화물 (hydrogenated amorphous silicon carbide), 수소화된 비정질 규소 산화탄화물 (hydrogenated amorphous silicon oxycarbide), 수소화된 비정질 규소 탄화질화물 (hydrogenated amorphous carbonitride), 수소화된 비정질 탄소 (hydrogenated amorphous carbon), 불화 및 수소화된 비정질 탄소 (fluorinated and hydrogenated amorphous carbon), 불화 및 수소화된 비정질 탄소 질화물 (fluorinated and hydrogenated amorphous carbon nitride) 로부터 선택된 제 1 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 마스킹 박막층 (7a) 은 수소화된 비정질 규소 탄화물, 수소화된 비정질 규소 산화탄화물, 수소화된 비정질 규소 탄화질화물, 규소 질화물 및 규소 산화물로부터 선택된 상기 제 1 재료와는 상이한 제 2 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전해질 (5a) 이 형성되면, 제 2 보호 박막층 (6b) 이 상기 전류 콜렉터 (2a 및 2b), 상기 캐소드 (3) 및 상기 전해질 (5) 를 포함하는 상기 기판 (1) 의 전체에 성막되는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 2 보호 박막층 (6b) 은 상기 제 1 보호 박막층 (6a) 과 동일한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 애노드 (8) 의 형성 단계는,- 상기 전류 콜렉터 (2a, 2b), 상기 캐소드 (3) 및 상기 전해질 (5) 이 제공된 상기 기판 (1a) 상에 애노드 박막 (8a) 을 성막하는 단계,- 상기 애노드 박막 (5a) 상에 제 3 보호 박막층 (6c) 을 성막하고 다음으로, 제 2 마스킹 박막층 (7b) 을 성막하는 단계,- 상기 제 2 마스킹 박막층 (7b) 상에 포토리소그래피에 의해 마스크 (4e) 를 제조하는 단계,- 상기 제 2 마스킹 박막층 (7b) 을 선택적으로 에칭한 후에, 상기 마스크 (4e) 를 제거하는 단계,- 상기 애노드 박막 (8a) 에서 애노드 (8) 를 형성하도록 상기 제 3 보호 박막층 (6c) 및 상기 애노드 박막 (8a) 을 선택적으로 에칭하고, 상기 제 3 보호 박막층 (6c) 및 상기 제 2 마스킹 박막층 (7b) 을 제거하는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 3 보호 박막층 (6c) 은 상기 제 1 보호 박막층 (6a) 과 동일한 재료로 이루어지는 반면, 상기 제 2 마스킹 박막층 (7b) 은 상기 제 1 마스킹 박막층 (7a) 과 동일한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 애노드 (8) 가 형성되면, 상기 전류 콜렉터 (2a, 2b), 상기 캐소드 (3), 상기 전해질 (5) 및 상기 애노드 (8) 로 형성되는 상기 적층체 상에, 제 4 보호 박막층 (6d) 을 성막하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 4 보호 박막층 (6d) 은 제 1 보호 박막층 (6a) 과 동일한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 애노드 (8) 가 형성되면, 상기 전류 콜렉터 (2a, 2b), 상기 캐소드 (3), 상기 전해질 (5) 및 상기 애노드 (8) 에 의해 형성된 적층체 상에 임의의 외부 오염에 대해 애노드를 보호하기 위해 적층체의 전체를 커버하는 보호막 (9) 을 성막하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,적어도 제 1 및 제 2 의 별개의 중첩된 캡슐화층 (9a, 9b) 를 포함하는 상기 보호막 (9) 에서,상기 제 1 캡슐화층 (9a) 은 리튬에 대해 화학적으로 비활성이고, 수소화된 비정질 규소 탄화물, 수소화된 비정질 규소 산화탄화물, 수소화된 비정질 탄소, 불화된 비정질 탄소 및 수소화된 비정질 규소로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 반면,상기 제 2 캡슐화층 (9b) 은 수소화된 비정질 규소 탄화질화물, 수소화된 비정질 규소 질화물 및 불화된 비정질 탄소로부터 선택된 재료를 포함하며,상기 제 1 및 제 2 캡슐화층 (9a, 9b) 이 150℃ 이하의 성막 온도에서 플라즈마 강화 화학 증착법에 의해 상기 애노드 (8) 의 전체 상에 연속적으로 성막되는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 2 캡슐화층 (9b) 의 성막 이전에, 150℃ 이하의 성막 온도에서 플라즈마 강화 화학 증착법에 의해 인-도핑된 규소 산화물, 수소화된 비정질 탄소 및 불화된 비정질 탄소로부터 선택된 재료를 포함하는 중간층 (9c) 의 성막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 마이크로 배터리 제조 방법.
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