TW201711261A - 用於製造具有台面結構的電池之方法與設備及包含台面結構的電池 - Google Patents

用於製造具有台面結構的電池之方法與設備及包含台面結構的電池 Download PDF

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Abstract

一種固態電池，可包含：基板；第一集電器，經沉積在基板之表面上；絕緣台面，經沉積在陰極集電器上，此絕緣台面界定固態電池之主動區域之邊界，此絕緣台面形成圍繞主動區域的連續壁；以及邊界內的主動裝置層堆疊，此堆疊包含陰極層、電解質層及第二集電器層；其中絕緣台面之高度大於主動裝置層堆疊之厚度。絕緣台面可進一步界定第一集電器之接觸區域之邊界，絕緣台面形成圍繞第一接觸區域的連續壁，且進一步包含第一導電台面，以便提供與第一集電器的電接觸。

Description

用於製造具有台面結構的電池之方法與設備及包含台面結 構的電池 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張於2015年4月28日提出申請之美國臨時申請案第62/153,771號之權益，此美國臨時申請案全部併入本文。
實施例係關於固態薄膜或厚膜電池裝置及用於製造此等電池裝置的方法及設備。
在固態薄膜或厚膜電池裝置領域，無遮罩製造技術已視為有利的，因為此等技術可賦能高容量製造，從而改良效率及降低成本。一些習知無遮罩製造技術使用雷射剝蝕以界定單元邊界並形成諸如陰極襯墊區域之接觸區域。然而，在形成諸如陰極襯墊區域之接觸區域的製程中，控制雷射剝蝕在薄底部陰極層之前停止非常困難且可造成良率損失。飛秒雷射可提供表面層之更加受控的移除，然而此以較長處理時間為代價。顯然， 需要避免此等限制的改良無遮罩薄膜或厚膜電池製造技術。
根據一些實施例，固態電池可包含：基板；第一集電器，經沉積在基板之表面上；絕緣台面，經沉積在陰極集電器上，此絕緣台面界定固態電池之主動區域之邊界，此絕緣台面形成圍繞主動區域的連續壁；以及邊界內的主動裝置層堆疊，此堆疊包含陰極層、電解質層及第二集電器層；其中絕緣台面之高度大於主動裝置層堆疊之厚度。
根據一些實施例，製造固態電池之方法可包含：提供基板；在基板上沉積第一集電器層；在第一集電器層上形成絕緣台面，此絕緣台面界定固態電池之主動區域之邊界，此絕緣台面形成圍繞主動區域的連續壁；以及沉積邊界內的主動裝置層堆疊，此堆疊包含陰極層、電解質層及第二集電器層；其中絕緣台面之高度大於主動裝置層堆疊之厚度。
根據一些實施例，製造固態電池之設備可包含：第一系統，用於在基板上毯覆沉積第一集電器層；第二系統，用於形成界定固態電池之主動區域之邊界的絕緣台面結構，此絕緣台面形成圍繞主動區域的連續壁；以及第三系統，用於毯覆沉積陰極層、電解質層及第二集電器層。
101‧‧‧基板
102‧‧‧陰極集電器層
103、104‧‧‧台面結構
105‧‧‧導電台面材料
106‧‧‧陰極層
107‧‧‧電解質層
108‧‧‧陽極集電器ACC層/陽極集電器
109‧‧‧導電台面結構
110‧‧‧封裝層
800‧‧‧處理系統
801‧‧‧群集工具
802‧‧‧反應性電漿清潔腔室
803‧‧‧標準機械介面
804‧‧‧手套箱
805‧‧‧前置腔室
811、812、813、814‧‧‧製程腔室
900‧‧‧直列製造系統
910、920、930、940‧‧‧直列工具
915‧‧‧真空氣鎖
950‧‧‧輸送機
955‧‧‧基板固持件
1010‧‧‧基板
在結合隨附圖式檢視本揭示案之特定實施例之以下描述後，本揭示案之此等及其他態樣及特徵將對本技術領域中的一般技藝者變得顯而易見。
第1A圖與第1B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示集電器層上所形成的界定電池主動區域及陰極接觸區域之台面結構；第2A圖與第2B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示第1A圖與第1B圖之陰極接觸區域上所形成的陰極接觸台面；第3A圖與第3B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示第2A圖與第2B圖之結構上所毯覆沉積的電池層之堆疊；第4A圖與第4B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示從第3A圖與第3B圖之結構之陰極接觸台面移除電池層之堆疊；第5A圖與第5B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示第4A圖與第4B圖之陽極集電器上所形成的陽極接觸台面； 第6A圖與第6B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示第5A圖與第5B圖之結構上所毯覆沉積的封裝層；第7A圖與第7B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示局部移除封裝層以曝露第6A圖與第6B圖之結構之陰極及陽極接觸台面；第8圖係根據一些實施例的用於TFB(thin film battery；薄膜電池)製造之群集工具之示意圖；第9圖係根據一些實施例的利用多個直列工具的TFB製造系統之表示；以及第10圖係根據一些實施例的第9圖之直列工具之表示。
現將參看圖式詳細描述本揭示案，將此等圖式提供作為本揭示案之說明性範例，以使得熟習此項技術者能夠實踐本揭示案。顯然，下文圖式及範例並不意謂將本揭示案之範疇限制於單個實施例，但可能經由互換所描述或圖示要素中的一些或全部而存在其他實施例。此外，在可使用已知組件部分或完全實施本揭示案之某些要素的情況下，將僅描述此類已知組件中用於理解本揭示案所必需的部分，且將忽略此類已知組件之其他部分之詳細描述以免模糊本揭示案。除非本文另有指 定，否則將對熟習此項技術者顯而易見的是，描述為在軟體中實施的實施例不應受限於此，而是可包括在硬體或軟體及硬體之組合中實施的實施例，且反之亦然。在本說明書中，除非本文另有明確闡述，否則圖示單數組件的實施例不應視為限制性；確切而言，本揭示案意欲包含包括複數個相同組件的其他實施例，且反之亦然。此外，除非明確闡述，否則申請人不欲將說明書或申請專利範圍中的任何術語歸於不常見或特定含義。進一步地，本揭示案包含在本文中經由說明所提及之已知組件的現在與將來已知等效物。
將結合薄膜固態電池裝置特定描述本文實施例。然而，熟習此項技術者將理解如何將所描述範例擴展至厚膜電池裝置及其製造技術。在本文中，術語薄膜用於指示厚度小於25.4微米的膜，而術語厚膜用於指示厚度大於或等於25.4微米的膜。請注意：塗覆薄膜之方法可為經由旋塗法、噴塗法、蒸汽冷凝法(對於聚對二甲苯塗層)、PVD(physical vapor deposition；物理氣相沉積)或CVD(chemical vapor deposition；化學氣相沉積)塗佈法等，而塗覆厚膜之方法通常使用不同組的工具及方法，諸如浸塗、漆塗、刮片、微影或凹版印刷等。薄膜固態電池在本文中指示所有組件膜為薄膜(未計入台面結構厚度)的電池，且厚膜固態電池在本文中指示一或更多個組件膜為厚膜的電池。
第1A圖、第1B圖、第2A圖、第2B圖、第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖、第5A圖、第5B圖、第6A圖、第6B圖、第7A圖與第7B圖係根據一些實施例的製造薄膜固態電池之示例性方法之俯視圖及橫截面視圖。
第1A圖與第1B圖係根據一些實施例的用於製造固態電池結構的製程之表示之俯視圖及橫截面視圖，兩圖圖示形成於基板101上的陰極集電器層102上所形成的界定電池主動區域及陰極接觸區域之台面結構103與104。
處理從準備及清潔基板101開始。基板材料可為玻璃，且在實施例中，可為矽、雲母、陶瓷、金屬、剛性材料、撓性材料、塑膠/聚合物等。此外，在實施例中，基板材料可包括氧化鋁、低溫共燃陶瓷(low temperature co-fired ceramic；LTCC)、氮化鋁、FR4玻璃強化環氧層壓片材等。應注意，基板材料可為具有積體電路的矽晶圓。電池單元可建於此等矽晶圓上作為3D整合製程的一部分。此外，亦可視情況在沉積集電器層之前於基板表面上方沉積毯覆晶粒圖案化輔助層(例如，a-Si、μc-Si或LiCoO2層)、基板封裝層、黏附層、結晶性晶種層或晶格匹配層。
在準備好基板後，在基板101上毯覆沉積陰極集電器層102(例如，Ti/Au)。在實施例中，藉由PVD實行此步驟，且所得層為約500埃至5000埃厚。
接著，在基板表面上沉積絕緣台面或壩圖案103以界定電池主動區域邊界，絕緣台面形成圍繞主動區域的連續壁。此可藉由分配法、噴射法、網印法、組裝堆疊法或微影法完成。在一些實施例中，壩或台面材料係顆粒負載聚合物，在此情況下，液態聚合物或糊膏之沉積可繼之以例如使用UV、輻射或熱能的固化步驟。在一些實施例中，壩或台面材料可為LTCC，此材料可承受稍後處理中的後續高溫退火步驟。在此等材料沉積之後可使用熟習此項技術者已知的適宜退火或固化技術。
應注意，儘管第1A圖與第1B圖僅圖示單個電池之邊界，但應顯而易見的是，此步驟可包括取決於電池類型、基板尺寸、製程是2D還是3D等沉積界定複數個且可能數百個電池之邊界的圖案。根據某些態樣，本揭示案之製程提供相同基板上圖案化之微型電池之間較佳的電隔離。此外，本揭示案之製程亦幫助避免良率除錯問題，其中多個電氣電池堆疊短路之網路可拉低全域開路電壓。
接著，如第2A圖與第2B圖所示，在電池之角落陰極襯墊區域內的陰極集電器102上沉積導電台面材料105，如台面103及104所界定，此材料將形成與陰極集電器層的電接觸。在實施例中，導電材料為低黏度墨水，諸如購自Creative Materials、Microfab或類似導電墨水供應商的導電銀墨水。在其他實施例 中，可使用諸如購自Microcoat、Heraeus或類似導電糊膏供應商之銀膏的材料。導電材料之沉積可藉由分配法、噴射法、網印法、組裝堆疊法或微影法完成，且可視需要繼之以適宜退火或固化。
接著，如第3A圖與第3B圖所示，視需要毯覆沉積及退火TFB堆積層。在此範例中，在先前沉積陰極集電器層102上方毯覆沉積陰極層106(例如，LiCoO2(LCO))且在約500至700攝氏度下熱退火此陰極層。在陰極層上方毯覆沉積電解質層107(例如，LiPON)。在實施例中，在電解質層上方視情況毯覆沉積陽極層(未圖示)(例如，Li、Si)。在此等及其他實施例中，最後在陽極層或電解質層上方毯覆沉積陽極集電器ACC層108(例如，TiO2/Cu)。
此外，在實施例中，選擇退火時收縮的台面材料，以使得台面壁之寬度可例如在600至700攝氏度退火(針對LCO的典型退火)期間在寬度上減小18%。此類型收縮可造成台面壁拉離所沉積LCO陰極(第3B圖中的層106)，從而將允許諸如LiPON(第3B圖中的層107)之電解質的後續沉積，以覆蓋LCO層之邊緣及減少短路發生。在退火時展示出此收縮程度的台面材料包括陶瓷糊膏及在黏合劑中包含微粒的其他材料。
應注意，根據某些態樣，與堆疊之總面積相比，陰極襯墊區域之相對較小面積可能藉由所沉積台面或壩結構實行且在完成的電池裝置中產生益處。舉例而 言，電池裝置之所有主動層可佔據所界定陰極襯墊區域外部的剩餘區域，從而與使用習知無遮罩製造技術形成的電池裝置相比改良電池裝置之總體容量。在一個範例中，電池裝置之總面積為約1x10-2cm2，而陰極襯墊區域之面積為約4x10-4cm2。(請注意：與實際裝置中的情況相比，陰極襯墊區域係圖示為覆蓋圖中電池區域之更大部分，諸圖係裝置之代表，且單純出於圖示方便與清晰目的，一些特徵已繪製比實際裝置中的更大。相同註解亦適用於層及其他特徵的厚度。)
接著，如第4A圖與第4B圖所示，執行雷射剝蝕或溫和機械磨蝕平坦化製程以自導電台面結構105之頂部移除層堆疊(陰極、電解質及陽極集電器)。
接著，如第5A圖與第5B圖所示，可視情況在陽極集電器108之頂部上形成額外導電台面結構109以提供陽極的電接觸襯墊區域。此等導電台面結構可與陰極的台面結構類似形成，且可包含上文所描述之類似材料。此外，儘管不一定按比例繪製，但第5B圖圖示實施例之態樣，其中相對較高導電台面提供良好陰極(及視情況陽極)封裝與組裝連接。舉例而言，取決於電池應用，主動電池層(陰極、電解質及陽極集電器)可為約10微米厚，而可形成導電台面為約20微米至500微米高。亦應顯而易見的是，根據實施例之態樣，導電台面之高度大於所沉積電池層(陰極、電解質及陽極集電器)之厚度。
接著，如第6A圖與第6B圖所示，在整個裝置上方沉積封裝層110。封裝層可包含一或更多個諸如聚對二甲苯、環氧樹脂等聚合物材料層及/或其他封裝層。視需要，此等層可具有內建式原位熱或UV退火或固化製程。在實施例中，封裝層可為10微米至20微米厚，並且若需要，可更厚以提供適當表面平坦化。可在真空腔室中藉由室溫蒸汽冷凝製程沉積聚對二甲苯。通常經由諸如旋塗、浸塗、粉末塗佈之製程方法塗覆環氧樹脂及其他聚合物以實現充分表面平坦化及有效水分/氣體穿透阻障層。
接著，如第7A圖與第7B圖所示，部分移除封裝層110以曝露導電台面之頂部，此等頂部形成陰極及視情況陽極的電池襯墊接觸區域。可使用雷射剝蝕製程以部分移除封裝層。
第8圖係根據本揭示案之一些實施例的用於製造具有台面結構的TFB裝置之處理系統800之示意圖。處理系統包括標準機械介面(standard mechanical interface；SMIF)803至群集工具801，此群集工具配備有反應性電漿清潔(reactive plasma clean；RPC)腔室802及製程腔室811、812、813及814，此等腔室可用於上文所描述之毯覆沉積步驟中。若需要，亦可將手套箱804附接於群集工具。若使用，手套箱可在惰性環境(例如，在諸如He、Ne或Ar之惰性氣體下)中儲存基板，此用於鹼金屬/鹼 土金屬沉積之後。若需要，亦可使用至手套箱的前置腔室805，前置腔室為氣體交換腔室(惰性氣體至空氣且反之亦然)，從而允許移送基板進出手套箱而不污染手套箱中的惰性環境。(請注意：可用足夠低露點之乾燥室環境替換手套箱，如鋰箔製造商所使用。)腔室C1-C4可經配置用於製造薄膜電池裝置的製程步驟，此等步驟可包括：陰極層之沉積(例如，藉由RF濺射LiCoO2)；電解質層之沉積(例如，在N2中RF濺射Li3PO4)；鹼金屬或鹼土金屬之沉積；及可能絕緣及導電台面結構之沉積與退火。適宜群集工具平臺之範例包括顯示器群集工具。應理解，儘管已圖示群集排列用於處理系統800，但可使用直列系統，其中處理腔室排成一行而無移送腔室，使得基板自一個腔室至下一腔室連續移動。
第9圖圖示根據本發明之一些實施例的具有多個直列工具910、920、930及940的直列製造系統900之表示，但可使用比說明性圖式中所示更多的工具。根據實施例，直列工具可包括用於沉積TFB裝置之所有主動層及台面結構的工具。此外，直列工具可包括預調節及後調節腔室。舉例而言，工具910可為向下泵送腔室，以便在基板移動穿過真空氣鎖915進入沉積工具920中之前建立真空。直列工具中的一些或全部可為藉由真空氣鎖915分離的真空工具。請注意：製程線中的製程工具及特定製程工具之次序將由所使用之特定TFB裝置製造方法決定，上文提供此次序之特定範例。 此外，可將基板移動穿過水平或者垂直定向的直列製造系統。
為了圖示基板穿過諸如第9圖所示之直列製造系統的移動，在第10圖中圖示基板輸送機950，其中僅一個直列工具910處於適當位置中。在輸送機950或等效裝置上安裝含有基板1010的基板固持件955(以部分剖面圖示基板固持件，使得可看到基板)，以便移動固持件及基板穿過直列工具910，如所指示。在一些實施例中，處理工具910的直列平臺可經配置用於垂直基板，且在一些實施例中，經配置用於水平基板。
根據本發明之實施例，用於形成薄膜電池的設備可包含：第一系統，用於在基板上毯覆沉積第一集電器層；第二系統，用於形成界定固態電池之主動區域之邊界的絕緣台面結構，此絕緣台面形成圍繞主動區域的連續壁；以及第三系統，用於毯覆沉積陰極層、電解質層及第二集電器層。此外，絕緣台面可進一步界定第一集電器之接觸區域之邊界，此絕緣台面形成圍繞第一接觸區域的連續壁，且設備可進一步包含第四系統，用於在接觸區域上沉積第一導電台面。此外，設備可包含第五系統，用於從第一導電台面之頂表面移除陰極層、電解質層及第二集電器層。此外，設備可包含第六系統，用於在第二集電器上方沉積封裝層。此外，設備可包含第七系統，用於在第二集電器上沉積第二導電台面。此等系統可為群集工具、直列工具、獨立工具或前述工具 之一或更多者之組合。此外，系統可包括與一或更多個其他系統共用的一些工具。
實施例中的絕緣台面結構提供用於堆疊電池單元的結構支撑件，對各個電池單元之主動區域提供保護，台面壁高於主動裝置層之厚度。
儘管已參閱自頂表面電連接至陰極與陽極兩者的固態電池特定描述本揭示案，但在其他實施例中，可在導電基板上製造固態電池，且可穿過基板產生與底部集電器的電連接，在此情況下，可在不具有第2A圖與第2B圖之絕緣台面壁104及導電台面105的情況下製造電池。
儘管已參閱製造成在底部(更靠近基板)上具有陰極及在頂部上具有陽極的固態電池特定描述本揭示案，但在一些實施例中，可製造成在底部(更靠近基板)具有陽極及在頂部上具有陰極的固態電池。
儘管已參閱本揭示案之一些實施例特定描述本揭示案，但對於本技術領域中的一般技藝者應顯而易見的是，可在不脫離本揭示案之精神及範疇的情況下實行形式及細節上的變化及修改。隨附申請專利範圍意欲包含此類變化及修改。
101‧‧‧基板
102‧‧‧陰極集電器層
103‧‧‧台面結構
104‧‧‧台面結構

Claims (20)

  1. 一種固態電池，包含：一基板；一第一集電器，經沉積在該基板之表面上；一絕緣台面，經沉積在該陰極集電器上，該絕緣台面界定該固態電池之一主動區域之一邊界，該絕緣台面形成圍繞該主動區域的一連續壁；以及該邊界內的一有效裝置層堆疊，該堆疊包含一陰極層、一電解質層及一第二集電器層；其中該絕緣台面之一高度大於該主動裝置層堆疊之一厚度。
  2. 如請求項1所述之固態電池，其中該絕緣台面進一步界定該第一集電器之一接觸區域之一邊界，該絕緣台面形成圍繞該第一接觸區域的一連續壁，且進一步包含一第一導電台面，以便提供與該第一集電器的電接觸，其中在該接觸區域上沉積該第一導電台面，且其中該第一導電台面之一高度大於該主動裝置層堆疊之一厚度。
  3. 如請求項1所述之固態電池，進一步包含一第二導電台面，經沉積在該第二集電器上，以便產生與該第二集電器的電接觸。
  4. 如請求項1所述之固態電池，進一步包含該 主動裝置層堆疊上方的一封裝層。
  5. 如請求項1所述之固態電池，其中該主動裝置層堆疊進一步包含一陽極層。
  6. 如請求項1所述之固態電池，其中該固態電池係一薄膜固態電池。
  7. 一種製造一固態電池之方法，該方法包含以下步驟：提供一基板；在該基板上沉積一第一集電器層；在該第一集電器層上形成一絕緣台面，該絕緣台面界定該固態電池之一主動區域之一邊界，該絕緣台面形成圍繞該主動區域的一連續壁；以及沉積該邊界內的一有效裝置層堆疊，該堆疊包含一陰極層、一電解質層及一第二集電器層；其中該絕緣台面之一高度大於該主動裝置層堆疊之一厚度。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該絕緣台面進一步界定該第一集電器之一接觸區域之一邊界，該絕緣台面形成圍繞該接觸區域的一連續壁，且進一步包含以下步驟：在沉積該有效裝置層堆疊之前，在該接觸區域上沉積一第一導電台面，以便提供與該第一集電器的電接觸，其中該第一導電台面之一高度大於該 主動裝置層堆疊之一厚度。
  9. 如請求項7所述之方法，進一步包含以下步驟：在該沉積該主動裝置層堆疊之步驟後，自該第一導電台面之一頂表面移除該主動裝置層堆疊。
  10. 如請求項7所述之方法，進一步包含以下步驟：在該第二集電器上沉積一第二導電台面，以便產生與該第二集電器的電接觸。
  11. 如請求項7所述之方法，進一步包含以下步驟：在該主動裝置層堆疊上方沉積一封裝層。
  12. 如請求項7所述之方法，其中該主動裝置層堆疊進一步包含一陽極層。
  13. 如請求項7所述之方法，其中該固態電池係一薄膜固態電池。
  14. 一種用於製造一固態電池之設備，該設備包含：一第一系統，用於在一基板上毯覆沉積一第一集電器層；一第二系統，用於形成界定該固態電池之一主動區域之一邊界的一絕緣台面結構，該絕緣台面形成圍繞該主動區域的一連續壁；以及一第三系統，用於毯覆沉積一陰極層、一電解質層及一第二集電器層。
  15. 如請求項14所述之設備，其中該絕緣台面進一步界定該第一集電器之一接觸區域之一邊界，該絕緣台面形成圍繞該第一接觸區域的一連續壁，且進一步包含一第四系統，用於在該接觸區域上沉積一第一導電台面。
  16. 如請求項15所述之設備，進一步包含一第五系統，用於從該第一導電台面之一頂表面移除該陰極層、該電解質層及該第二集電器層。
  17. 如請求項14所述之設備，進一步包含一第六系統，用於在該第二集電器上方沉積一封裝層。
  18. 如請求項14所述之設備，進一步包含一第七系統，用於在該第二集電器上沉積一第二導電台面。
  19. 如請求項14所述之設備，其中該主動裝置層堆疊進一步包含一陽極層。
  20. 如請求項14所述之設備，其中該設備包含直列處理系統。
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