WO2014128371A2 - Procédé de réalisation de couches minces structurées en 3d - Google Patents

Procédé de réalisation de couches minces structurées en 3d Download PDF

Info

Publication number
WO2014128371A2
WO2014128371A2 PCT/FR2014/000044 FR2014000044W WO2014128371A2 WO 2014128371 A2 WO2014128371 A2 WO 2014128371A2 FR 2014000044 W FR2014000044 W FR 2014000044W WO 2014128371 A2 WO2014128371 A2 WO 2014128371A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
mold
pattern
stack
front face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2014/000044
Other languages
English (en)
Other versions
WO2014128371A3 (fr
Inventor
Hélène PORTHAULT
Frédéric Le Cras
Sylvain Franger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to US14/770,238 priority Critical patent/US9972827B2/en
Publication of WO2014128371A2 publication Critical patent/WO2014128371A2/fr
Publication of WO2014128371A3 publication Critical patent/WO2014128371A3/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D9/00—Electrolytic coating other than with metals
    • C25D9/04—Electrolytic coating other than with metals with inorganic materials
    • C25D9/08—Electrolytic coating other than with metals with inorganic materials by cathodic processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0438—Processes of manufacture in general by electrochemical processing
    • H01M4/045—Electrochemical coating; Electrochemical impregnation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/025—Electrodes composed of, or comprising, active material with shapes other than plane or cylindrical
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a stack of thin layers comprising at least one structured three-dimensional pattern.
  • the electrochemical micro-accumulators may be made by successive deposition in thin layers of a positive electrode material, an electrolyte, and a negative electrode material. This electro-chemically active stack may have a total thickness of a few tens of micrometers.
  • ALD ALD for the abbreviation of "Atomic Layer Deposition”
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • the 3D pattern is formed by a blind hole opening into the front face of the first mold.
  • FIG. schematically, a perspective view of a mold used in a method according to a particular mode of implementation
  • Figure 2 illustrates schematically a sectional view along the axis AA of the mold of Figure 1;
  • FIGS. 3 to 7 schematically illustrate, in section, different steps of implementing the method according to different modes of implementation
  • FIGS. 8A and 8B illustrate images produced by scanning electron microscopy of a substrate covered by a layer of lithiated cobalt oxide.
  • a first step of the method consists in providing a first mold.
  • the first mold 2 is provided with a textured front face 2a having a first 3D pattern 3 and possibly a substantially planar portion.
  • 3D pattern means any three-dimensional geometric shape formed on the front face 2a of the first mold 2.
  • the three-dimensional geometric shape may be either in the form of a cavity emerging on the flat portion of the front face 2a, or a projecting relief on the flat part of the front 2a.
  • the front face 2a comprising the first 3D pattern is either a concave surface or a convex surface.
  • the first 3D pattern is a cavity having the shape of an inverted square pyramid, whose base is disposed on the front face 2a of the first mold 2.
  • the rear face of the mold 2 may be flat or textured.
  • the front face 2a of the first mold 2 is electrically conductive.
  • the first mold 2 may be a metal strip or an insulating substrate covered with an electrically conductive layer.
  • the first mold 2 is a silicon substrate coated with a metal layer based on platinum or another noble metal.
  • the first mold 2 comprising the first 3D pattern can be produced by a conventional technique used in the field of microelectronics.
  • the first 3D pattern can be produced using an anisotropic etching, for example an RIE (RIE) engraving, or any other micro-machining technique by volume.
  • the front face 2a of the first mold 2 is smooth and has the least possible roughness. As illustrated in FIG.
  • the method also comprises a step of depositing a first layer 4 of the stack on the textured front face 2a of the first mold 2 so as to cover the first 3D pattern 3 by means of a layer keep on going.
  • the first layer 4 completely covers, and advantageously conformally, the pattern 3 without leaving any surface of the 3D pattern 3 discovered.
  • the first layer 4 is deposited so as to overflow the first pattern 3.
  • the first layer 4 has a thickness between 10 nm and 40 / vm.
  • the first layer 4 thus produced comprises a first front face 4a in contact with the front face 2a of the first mold 2.
  • the deposition of the layer 4 is a compliant deposit allowing to have consistent thicknesses of the first layer 4 in the pattern 3 and on the flat portion of the first mold 2.
  • a conformal deposition of the first layer 4 provides a substantially constant thickness at any point of said layer. Therefore, the first layer 4 matches the shape of the first mold 2 so that the first face 4a has a geometric shape identical to that of the front face 2a, and retains the same 3D drawing present on the mold.
  • At least a first additional layer 4 ' is advantageously deposited on the first layer 4.
  • the first additional layer 4' is advantageously a continuous and / or conformal layer.
  • the surface of the first additional layer 4 ' retains substantially the same pattern of the first mold 2.
  • the deposition of the first layer 4 and the additional layer 4' can be achieved by a conventional thin film deposition technique, for example by a PVD deposit (PVD), or a CVD deposit (CVD for the abbreviation "Chemical Vapor Deposition”), or an LPCVD deposit, or an ALD deposit.
  • the first mold 2 is removed so as to release the first face 4a of the first layer 4 thus having a complementary second 3D 3a pattern of the first 3D pattern 3.
  • the step of removing the first mold 2, or demolding reveals the surface 4a of the first layer 4 which has been in contact with the front face 2a of the first mold 2.
  • the state surface of the first front face 4a revealed advantageously has a surface state substantially identical to the surface state of the front face 2a of the first mold 2.
  • the demolding can be achieved by any known means such as a conventional technique of thin film transfer, applying tearing force 5 and 6 and / or shear 7 and 8 and / or torsion (not shown).
  • the withdrawal of the first mold 2 can also be achieved by a selective etching that can eliminate the first mold 2.
  • a second layer 9 is then deposited on the first face 4a of the first layer 4, after removal of the first mold 2, so as to cover the second 3D pattern 3a by means of a continuous layer.
  • the second layer 9 is advantageously deposited on the first front face 4a which has substantially the same surface state as the front face 2a of the mold 2.
  • the surface of the front face 2a is devoid of asperities.
  • the second layer 9 may be deposited with a conventional non-compliant deposition technique, knowing that the deposit will be more consistent on an outgrowth than in a cavity.
  • the first pattern 3 of the first mold 2 is formed by a blind hole 3 emerging on the front face 2a of the first mold 2.
  • a blind hole 3 opening on the front face 2a thus makes it possible to form, in the first layer 4, a second pattern 3a protruding from the first front face 4a.
  • the deposited layers using conventional deposition techniques such as PVD deposition or spin-coating deposition, are of better quality on protruding 3D patterns than on 3D cavities.
  • Conventional deposits made on protruding 3D patterns generally make it possible to produce more conformal layers, in terms of thickness and continuity, in comparison with deposits made in cavities.
  • the second layer 9 deposited on the first layer 4 is advantageously compliant and itself comprises a 3D protruding pattern.
  • the deposition of one or more layers on the second layer 9 can also be achieved with conventional deposition techniques to form a stack of conformal layers.
  • a support substrate 10 is placed on the first layer 4, before the step of removing the first mold 2.
  • the support substrate 10 is arranged in such a way that the first layer 4 is interposed between the support substrate 10 and the first mold 2.
  • the support substrate 10 is then disposed on the last additional layer deposited on the first layer 4.
  • the support substrate 10 provides a mechanical support to the first layer (or to the stack comprising the first layer 4 and the additional layers) after the removal of the first mold 2.
  • Supporting substrate 10 is a substrate having a thickness substantially greater than the sum of the thicknesses of the first layer 4 and the additional layers 4 '.
  • the thickness of the substrate 10 is greater than 5 times, and advantageously greater than 10 times, the sum of the thicknesses of the layers (4 and 4 ') interposed between the first mold 2 and the support substrate 10.
  • the support substrate 10 is an adhesive substrate.
  • adhesive substrate is meant a substrate, at least one of the two main faces has adhesive properties so as to be carried on the stack comprising the first mold 2 and the first layer 4.
  • the support substrate 10 can thus be glued on the first layer 4, and participate advantageously in the detachment step of the first layer 4 from the first mold 2.
  • the various deposits of thin layers can be made in such a way that the bonding energy between each two successive layers is greater than a first bonding energy E1 between the first layer 4 and the first mold 2.
  • the adhesive support substrate can be bonded with a bonding energy Ec greater than the first bonding energy E1.
  • tensile (5, 6) and / or shear forces (7, 8) can be applied on the first mold 2 and the support substrate 10, to achieve the detachment of the first layer 4 of the first mold 2.
  • the forces 5, 6, 7 and 8 can achieve, thus, the transfer of the first layer 4 of the mold 2 to the support substrate 10. Therefore, after demolding, the second layer 9 can be deposited on the first face 4a having the second pattern 3a complementary to the first pattern 3.
  • the support substrate 10 can also be removed from the stack comprising the first layer 4 after the removal of the first mold 2.
  • the removal of the support substrate 10 can be carried out by etching the adhesive bond between the support substrate 10 and the substrate. by stacking, or by dissolving the support substrate 10 in a chemical bath, or using any other known technique.
  • a self-supported stack comprising the first 4 and second 9 thin layers can be made without using any mechanical support substrate.
  • This particular mode of implementation can realize a stack of layers having a reduced thickness, thus facilitating the miniaturization of devices comprising such a stack.
  • the second layer 9 may be silica-based and the first pattern 3 may be shaped so as to produce structures and shapes as diverse as micropyramids and line networks, having lateral dimensions and conforming depths of the order of a few hundred or even a few tens of nanometers.
  • micro-structured thin layers can be used to make devices in the field of photovoltaic cells, or in the field of optoelectronics and optical imaging, for example microlenses, waveguides, etc.
  • the method for producing the thin-film stack described above is an easy-to-implement method advantageously forming a stack of thin layers with a 3D architecture, which are compliant and without any roughness.
  • this type of process can be advantageously implemented to easily perform large scale optoelectronic devices or optical performance.
  • a third layer 11 is deposited on the second layer 9.
  • the second layer 9 is interposed between the first 4 and third 11 layers.
  • the second layer 9 forms a solid electrolyte layer so that the stack of the first, second and third layers 4, 9 and 11 form a stack of electrochemically active layers 12 of a microphone -accumulator bank 13.
  • the electric micro-accumulator 13 is a lithium accumulator (Li).
  • the solid electrolyte is an electrically insulating material having a high ionic conductivity.
  • the solid electrolyte may be, for example, lithium oxynitride and phosphorus (LiPON), a material of the family Thio-LiSICON (Li 4- xGei. X P x S 4 (0 ⁇ x ⁇ 1)) or a solid polymer SPE (SPE for the abbreviation of "Solid Polymer Electrolyte”), etc.
  • LiPON lithium oxynitride and phosphorus
  • Thio-LiSICON Li 4- xGei. X P x S 4 (0 ⁇ x ⁇ 1)
  • SPE solid polymer SPE
  • the electric micro-accumulator 13 comprises a first collector 14 of electric current in contact with the first layer 4 and a second collector 15 of electric current in contact with the third layer 11.
  • the first 14 and second 15 current collectors are made of material electrically conductive, for example, titanium or tungsten.
  • the layers forming the first 14 and second current collectors may be deposited by conventional vacuum deposition techniques such as PVD, evaporation, etc. Preferably, said layers have sufficient thicknesses to cover the surface asperities of the first 4 and third 1 1 layers.
  • the first 14 and second 5 current collectors have thicknesses between 0.5 and 5 ⁇ .
  • this embodiment also includes the deposition of an additional layer 4 'electrically conductive on the first layer 4, before the step of removing the first mold 2.
  • Said additional layer 4' is configured to form the first collector 14 of electric micro-accumulator 13 (see Figures 3A and 7).
  • the additional layer 4 ' is configured to collect the cathodic or anodic current generated in the first layer 4 of the electric microaccumulator 13.
  • the additional layer 4 '(or 14) can be deposited by PVD, CVD, LPCVD or ALD before the step of removing the first mold 2.
  • the layer 4' (or 14) can be based on platinum (Pt), titanium (Ti) or gold-based (Au).
  • the layer 4 '(or 14) has a thickness ranging from 10 nm to a few micrometers.
  • the support substrate 10 is an electrically conductive substrate and is configured to form the first current collector 14 of the electric micro-accumulator 13.
  • the method of producing the micro-accumulator 13 described above is an easy method to implement advantageously forming an electrochemically active stack of layers 12 with a 3D architecture.
  • the demolding of the first layer 4 makes it possible to deposit the solid electrolyte layer (the second layer 9) on a smooth surface devoid of asperities.
  • this mode of implementation can achieve a thin film stack compliant with a 3D architecture, thus improving the performance of the micro-accumulator.
  • a 3D architecture can increase the surface capacity, and thus maximize the energy density of the stack while maintaining low ionic and electronic transport distances.
  • the first 4 and third 11 layers may respectively form the anode and the cathode of the electric microaccumulator 13.
  • the anode of an electrochemical micro-accumulator means an electrode configured to include a reaction electrochemical oxidation device for emitting electrons when the electric micro-accumulator is in active mode, ie when it delivers an electric current.
  • the anode of the electric microaccumulator 13 comprises lithium metal, a compound capable of reversibly inserting lithium or a compound capable of forming an alloy with lithium.
  • the anode preferably has a thickness between 10 nm and 22 advantageously between 10 nm and 10 ⁇ m.
  • cathode of an electrochemical micro-accumulator an electrode configured to be the seat of an electrochemical reduction reaction intended to intercalate ions, for example of lithium, when the micro-accumulator is in discharge, in other words , when it provides an electric current.
  • the cathode of the electric micro-accumulator 13 comprises a lithiated oxide of a transition metal, or a mixture of metals (M), of formula LiM x O y , or a material selected from titanium oxysulfide (TiOS) vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) and titanium disulfide (TiS 2 ).
  • the cathode has a thickness between 500 nm and ⁇ ⁇ , advantageously between 1 ⁇ and 5 ⁇ .
  • the thicknesses of the various layers forming the electric micro-accumulator 13 can vary from a few nanometers to several micrometers, the total thickness of the stack not exceeding a few tens of micrometers.
  • the first 4 and third 11 layers can respectively form the cathode and the anode of the electric micro-accumulator 13.
  • the textured front face 2a of the first mold 2 is electrically conductive, and the first layer 4 is deposited by an electrodeposition hydrothermal route.
  • the first mold 2 may be a metal strip based on titanium or based on a noble metal such as platinum.
  • the first mold 2 may also be a substrate, for example a silicon substrate or a polymer substrate of the PEN or PET type, covered by a metal layer.
  • the substrate may have a thickness ranging from a few tens of micrometers to a few hundred micrometers. The thickness of the metal layer is much lower than that of the substrate, it is at least ten times smaller than the thickness of the substrate on which it is deposited.
  • the electrodeposit in the hydrothermal route can be carried out in a pressure tight enclosure at temperatures between 125 and 250 ° C.
  • the enclosure comprises an electrolytic solution preferably comprising a metal salt based on transition metal "M” and a lithium salt.
  • the metal salt is of the nitrate or acetate type of the transition metal "M”
  • / or the lithium salt is a lithium hydroxide salt (LiOH).
  • Said transition metal "M” is advantageously chosen from the group comprising nickel, cobalt, titanium, manganese, and a mixture of these metals.
  • the first layer 4 deposited comprises a lithiated oxide comprising cobalt, or manganese, or nickel, or titanium.
  • the first layer deposited is based on a lithiated cobalt oxide (LiCoO 2 ), or on a lithiated nickel oxide (LiNiO 2 ) or on a lithiated manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) or on a lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ).
  • the metal salt of the solution is a nitrate or acetate of cobalt (Co), or nickel (Ni), or manganese (Mn) or titanium (Ti).
  • concentrations of metal salt and lithium salt can vary from a few thousandths of mol / l to several mol / l.
  • the pressure within the chamber is self generated by evaporation of a portion of the electrolytic solution, and corresponds to the saturation vapor pressure.
  • the chamber is maintained at a temperature configured to maintain a saturating vapor pressure within the chamber between 4 and 45 bar.
  • the temperature is preferably between 125 ° C and 250 ° C.
  • the substrate on which the electrodeposition is envisaged and a counter-electrode are immersed in the electrolytic solution inside the sealed enclosure.
  • the counter-electrode is preferably based on platinum or another noble metal. Therefore, the electrodeposition is carried out by imposing a current or a voltage between the substrate and the counter-electrode.
  • the imposed current density between the substrate and the counter-electrode is generally between 0.1 and 100 mA cm 2 .
  • the time of electrodeposition in hydrothermal route depends on the nature of the layer to be deposited as well as its thickness, it is typically between a few minutes and a few tens of hours.
  • the electrodeposition in hydrothermal route makes it possible to deposit layers having thicknesses between tens of nm and tens of ⁇ .
  • the production of the first layer 4, for example of LiCoO 2 , by a hydrothermal electrodeposition electrode advantageously makes it possible to form a thin layer, on textured substrates, having very good conformities which can be between 80 and 100%.
  • conformity we mean a rate which is calculated from the difference in thickness between different areas of the deposited layer.
  • FIGS. 8A and 8B show images made by scanning electron microscopy (SEM) of a thin layer of LiCoC 2 formed by hydrothermal electrodeposition on a textured substrate based on silicon. The electrodeposition was carried out at a temperature of 125 ° C.
  • FIGS. 8A and 8B show respectively a perspective view, and a sectional and side view of the substrate covered by the LiCo0 2 layer.
  • the textured substrate has cavities in the form of inverted pyramids.
  • the pyramid has a square base of a size of 20 x 20 ⁇ 2 , and a height of 15 ⁇ .
  • the electrodeposition in hydrothermal route advantageously allows the formation of a L1COO2 layer with a thickness of about 2.56 ⁇ , having a very good conformity, of the order of 97 %, between the bottom of the cavities and the surface.
  • the electrodeposition technique in the hydrothermal route advantageously allows the production of conformal layers even on textured substrates having cavities, unlike conventional deposition techniques, such as PVD deposition which induces significant shading effects. Such effects can be detrimental for the production of a stack comprising several electrochemically active layers, intended to form an electrochemical micro-accumulator.
  • the electrodeposition technique in the hydrothermal route differs from conventional vacuum deposition techniques, in particular, deposits ALD, PVD and CVD, in that it can have a high deposition rate, typically a speed between 10 and 300 nm / min.
  • the rates of deposition of LiCoO 2 layers by PVD are very slow, they are typically around ten nm / min.
  • the electrodeposition of the first layer 4 hydrothermally can be followed by a heat treatment at a temperature between 300 and 1100 ° C.
  • the first layer is heated to a temperature within this temperature range.
  • the heat treatment can be carried out in an inert or reactive atmosphere according to the desired properties and the nature of the deposited material.
  • the heat treatment advantageously makes it possible to obtain particular properties of the first layer 4 electrodeposited in the hydrothermal route, in particular properties related to the densification and the crystallinity of the deposited layer. Therefore, the heat treatment can advantageously improve the quality of the first layer, thereby generating an improvement in the characteristic quantities of all-solid electric micro-accumulators, such as capacity and resistance to cycling.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)

Abstract

Le procédé de réalisation d'un empilement de couches munies d'au moins un motif structuré en 3D, comporte les étapes suivantes : - prévoir un premier moule (2) muni d'une face avant (2a) texturée comportant un premier motif 3D (3); - déposer une première couche (4) de l'empilement sur la face avant (2a) texturée de manière à recouvrir le premier motif 3D (3) au moyen d'une couche continue (4), la première couche ayant une première face (4a) en contact avec la face avant (2a) du moule (2); - retirer le premier moule (2) de manière à libérer la première face (4a) de la première couche (4) présentant un deuxième motif 3D (3a) complémentaire du premier motif 3D (3); - déposer une deuxième couche (9) de l'empilement sur la première face (4a) de la première couche (4), de manière à recouvrir le deuxième motif 3D (3a) au moyen d'une couche continue.

Description

Procédé de réalisation de couches minces structurées en 3D
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un procédé de réalisation d'un empilement de couches minces comportant au moins un motif tridimensionnel structuré.
État de la technique
Depuis quelques décennies, le domaine des micro et nanotechnologies connaît une évolution incessante, qui s'est transformée au fil des ans en une course effrénée à la performance et à la miniaturisation. L'amélioration des procédés de réalisation de couches ou d'empilements de couches minces structurés, selon des formes géométriques en trois dimensions, n'échappe pas aux effets de cette évolution incessante. En effet, ce type d'empilements de couches minces offre un large spectre d'applications intéressantes, notamment pour réaliser des structures nanométriques ou micrométriques destinées à former des dispositifs microélectroniques, optiques, ou encore biotechnologiques. À titre d'exemple, les micro-accumulateurs électrochimiques peuvent être réalisés par dépôts successifs en couches minces d'un matériau d'électrode positive, d'un électrolyte, et d'un matériau d'électrode négative. Cet empilement électro-chimiquement actif, peut avoir une épaisseur totale de quelques dizaines de micromètres. Il s'avère qu'une augmentation des performances de ce type de micro-accumulateurs peut être obtenue par une configuration d'électrodes non plus de géométrie planaire (2D ou en deux dimensions), mais de géométrie tridimensionnelle (3D). L'article [On the electrochemistry of an anode stack for all-solid-state 3D- integrated batteries, L. Baggetto et al., Journal of Power Sources, 189(1) 402-410, (2009)] décrit la réalisation d'un substrat comportant des tranchées ou des pores non traversant, permettant d'atteindre des gains de surface avec un facteur de forme de l'ordre de 25 à 28. Le substrat muni de tranchées sert à former un empilement de couches minces pour la réalisation de micro-accumulateurs électrochimiques. Le substrat de silicium, est tout d'abord gravé pour créer les tranchées et augmenter la surface développée. L'étape de gravure est suivie d'un dépôt d'une couche barrière à la diffusion du lithium par ALD (ALD pour l'abréviation anglaise de « Atomic Layer Déposition »), puis une couche de silicium d'environ 50 nm constituant l'électrode négative est formée par LPCVD (LPCVD pour l'abréviation anglaise de « Low Pressure Chemical Vapour Déposition »). Ainsi, une demi- cellule électrochimique : substrat / couche barrière / anode, de géométrie 3D, a pu être réalisée.
Ce type d'empilement de couches minces permet d'améliorer les performances électrochimiques. En effet, l'article [3D négative électrode stacks for integrated all-solid-state lithium-ion microbatteries, L. Baggetto et al., Journal of Materials Chemistry, 20(18) 3703-3708, (2010)] décrit la réalisation de tests en électrolyte liquide de ce type de demi-cellule. Les résultats électrochimiques des tests réalisés ont montré que cette configuration 3D permet de multiplier la capacité de stockage par cinq en comparaison d'une configuration planaire. Cependant, ce type d'empilement de couches minces sur le substrat souffre d'un manque de conformité des épaisseurs des couches déposées. En outre, ce type d'architecture rend difficile le dépôt d'une couche d'électrolyte solide pour réaliser des microaccumulateurs électrochimiques opérationnels. Objet de l'invention
Il existe un besoin de prévoir un procédé de réalisation d'un empilement de couches comportant au moins un motif structuré en 3D, facile à mettre en œuvre, efficace et permettant d'obtenir des dépôts conformes sur l'ensemble des texturations.
On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un procédé de réalisation d'un empilement de couches comportant au moins un motif structuré en 3D, le procédé comportant les étapes suivantes :
- prévoir un premier moule muni d'une face avant texturée comportant un premier motif 3D ;
- déposer une première couche de l'empilement sur la face avant texturée de manière à recouvrir le premier motif 3D au moyen d'une couche continue, la première couche ayant une première face en contact avec la face avant du moule ;
- retirer le premier moule de manière à libérer, la première face de la première couche présentant un deuxième motif 3D complémentaire du premier motif 3D ;
- déposer une deuxième couche de l'empilement sur la première face de la première couche, de manière à recouvrir le deuxième motif 3D au moyen d'une couche continue.
Avantageusement, le motif 3D est formé par un trou borgne débouchant en face avant du premier moule.
On prévoit également le dépôt avantageux d'une troisième couche sur la deuxième couche, la troisième couche formant une couche d'électrolyte, et l'empilement des première, deuxième et troisième couches formant un empilement de couches électrochimiquement actif d'un micro-accumulateur électrochimique. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement, une vue en perspective, d'un moule utilisé dans un procédé selon un mode particulier de mise en oeuvre ;
- la figure 2 illustre schématiquement, une vue en coupe selon l'axe AA du moule de la figure 1 ;
- les figures 3 à 7 illustrent schématiquement, en coupe, différentes étapes de réalisation du procédé selon différents modes de mise en œuvre ;
- les figures 8A et 8B illustrent des images réalisées par microscopie électronique à balayage d'un substrat recouvert par une couche d'oxyde de cobalt lithié.
Description de modes préférentiels de réalisation
Selon un mode particulier de mise en œuvre d'un procédé de réalisation d'un empilement de couches muni d'un motif structuré en 3D, une première étape du procédé consiste à prévoir un premier moule. Comme illustré aux figures 1 et 2, le premier moule 2 est muni d'une face avant 2a texturée, comportant un premier motif 3D 3 et éventuellement une partie sensiblement plane. Par motif 3D, on entend toute forme géométrique tridimensionnelle réalisée sur la face avant 2a du premier moule 2. La forme géométrique tridimensionnelle peut être soit sous forme d'une cavité débouchant sur la partie plane de la face avant 2a, soit un relief faisant saillie sur la partie plane de la face avant 2a. Autrement dit, la face avant 2a comportant le premier motif 3D est, soit une surface concave soit une surface convexe. À titre d'exemple et comme illustré à la figure 1 , le premier motif 3D est une cavité ayant la forme d'une pyramide carrée renversée, dont la base est disposée sur la face avant 2a du premier moule 2. La face arrière du moule 2 peut être plane ou texturée.
Préférentiellement, la face avant 2a du premier moule 2 est électriquement conductrice. Le premier moule 2 peut être un feuillard métallique ou un substrat isolant recouvert d'une couche électriquement conductrice. Avantageusement, le premier moule 2 est un substrat en silicium revêtu d'une couche métallique à base de platine ou d'un autre métal noble. Le premier moule 2 comportant le premier motif 3D peut être réalisé par une technique classique utilisée dans le domaine de la microélectronique. Par exemple, en disposant d'un substrat de silicium, le premier motif 3D peut être réalisé à l'aide d'une gravure anisotropique par exemple une gravure RIE (RIE pour l'abréviation anglaise de « Reactive Ion Etching »), ou tout autre technique de micro-usinage en volume. Préférentiellement, la face avant 2a du premier moule 2 est lisse et présente le moins d'aspérité possible. Comme illustré à la figure 3A, le procédé comporte également une étape de dépôt d'une première couche 4 de l'empilement sur la face avant texturée 2a du premier moule 2 de manière à recouvrir le premier motif 3D 3 au moyen d'une couche continue. Autrement dit, la première couche 4 recouvre complètement, et avantageusement de façon conforme, le motif 3 sans laisser aucune surface du motif 3D 3 découverte. En outre, la première couche 4 est déposée de manière à déborder du premier motif 3. Préférentiellement, la première couche 4 a une épaisseur comprise entre 10 nm et 40 /vm. La première couche 4 ainsi réalisée, comporte une première face avant 4a en contact avec la face avant 2a du premier moule 2. De manière avantageuse, le dépôt de la couche 4 est un dépôt conforme permettant d'avoir des épaisseurs conformes de la première couche 4 dans le motif 3 et sur la partie plane du premier moule 2. Un dépôt conforme de la première couche 4 permet d'obtenir une épaisseur sensiblement constante en tout point de ladite couche. Dès lors, la première couche 4 épouse la forme du premier moule 2 de manière que la première face 4a ait une forme géométrique identique à celle de la face avant 2a, et conserve à l'identique le dessin 3D présent sur le moule.
Au moins une première couche additionnelle 4' est avantageusement déposée sur la première couche 4. De même, la première couche additionnelle 4' est avantageusement une couche continue et/ou conforme. Ainsi, la surface de la première couche additionnelle 4' conserve sensiblement le même dessin du premier moule 2. Le dépôt de la première couche 4 et de la couche additionnelle 4' peut être réalisé par une technique classique de dépôt de couches minces, par exemple par un dépôt PVD (PVD pour l'abréviation anglaise de « Physical Vapor Déposition »), ou un dépôt CVD (CVD pour l'abréviation anglaise de « Chemical Vapor Déposition »), ou un dépôt LPCVD, ou encore un dépôt ALD.
Comme illustré aux figures 3B et 3C, après l'étape de dépôt d'au moins la première couche 4, le premier moule 2 est retiré de manière à libérer la première face 4a de la première couche 4 présentant ainsi un deuxième motif 3D 3a complémentaire du premier motif 3D 3. L'étape de retrait du premier moule 2, ou démoulage, permet de révéler la surface 4a de la première couche 4 qui a été en contact avec la face avant 2a du premier moule 2. Ainsi, l'état de surface de la première face avant 4a révélée, a avantageusement un état de surface sensiblement identique à l'état de surface de la face avant 2a du premier moule 2. Le démoulage peut être réalisé par tout moyen connu tel qu'une technique classique de transfert de couches minces, en appliquant une force d'arrachement 5 et 6 et/ou de cisaillement 7 et 8 et/ou de torsion (non représentée). Le retrait du premier moule 2 peut également être réalisé par une gravure sélective pouvant éliminer le premier moule 2.
Une deuxième couche 9 est ensuite déposée sur la première face 4a de la première couche 4, après le retrait du premier moule 2, de manière à recouvrir le deuxième motif 3D 3a au moyen d'une couche continue. Ainsi, la deuxième couche 9 est avantageusement déposée sur la première face avant 4a qui a sensiblement le même état de surface que la face avant 2a du moule 2. Préférentiellement, la surface de la face avant 2a est dépourvue d'aspérités. Autrement dit, une surface ayant une faible rugosité, de préférence inférieure à 10 nm, et avantageusement une rugosité RMS inférieure à 5 nm. La deuxième couche 9 peut être déposée avec une technique de dépôt classique non conforme, sachant que le dépôt sera plus conforme sur une excroissance que dans une cavité.
Avantageusement, le premier motif 3 du premier moule 2 est formé par un trou borgne 3 débouchant en face avant 2a du premier moule 2. Un trou borgne 3 débouchant en face avant 2a permet ainsi de former, dans la première couche 4, un deuxième motif 3a en saillie de la première face avant 4a. Par ailleurs, les couches déposées, en utilisant des techniques de dépôt classiques telle qu'un dépôt PVD ou un dépôt de type spin-coating, sont de meilleures qualités sur des motifs 3D en saillie que sur des motifs 3D sous forme de cavités. Les dépôts classiques réalisés sur des motifs 3D en saillie permettent généralement de réaliser des couches plus conformes, en termes d'épaisseur et de continuité, en comparaison des dépôts réalisés dans des cavités. De ce fait, la deuxième couche 9 déposée sur la première couche 4 est avantageusement conforme et comporte elle-même un motif 3D en saillie. Dès lors, le dépôt d'une ou de plusieurs couches sur la deuxième couche 9 peut également être réalisé avec des techniques de dépôts classiques pour former un empilement de couches conformes. Selon un mode particulier de mise en œuvre illustré à la figure 4, un substrat de support 10 est disposé sur la première couche 4, avant l'étape du retrait du premier moule 2. Le substrat de support 10 est disposé de manière que la première couche 4 soit interposée entre le substrat de support 10 et le premier moule 2. Dans le cas d'un dépôt, avant le démoulage, d'une ou de plusieurs couches additionnelles sur la première couche 4, le substrat de support 10 est alors disposé sur la dernière couche additionnelle déposée sur la première couche 4. Le substrat de support 10 fournit un support mécanique à la première couche (ou à l'empilement comportant la première couche 4 et les couches additionnelles) après le retrait du premier moule 2. Le substrat de support 10 est un substrat ayant une épaisseur largement supérieure à la somme des épaisseurs de la première couche 4 et des couches additionnelles 4'. Préférentiellement, l'épaisseur du substrat 10 est supérieure à 5 fois, et avantageusement supérieur à 10 fois, la somme des épaisseurs des couches (4 et 4') interposées entre le premier moule 2 et le substrat de support 10.
Avantageusement, le substrat de support 10 est un substrat adhésif. Par substrat adhésif, on entend un substrat dont au moins une des deux faces principales présente des propriétés adhésives de manière à être reportée sur l'empilement comportant le premier moule 2 et la première couche 4. Le substrat de support 10 peut ainsi être collé sur la première couche 4, et participer avantageusement à l'étape de décollement de la première couche 4 depuis le premier moule 2. En effet, les différents dépôts de couches minces (la première couche 4 et éventuellement la ou les couches additionnelles 4') peuvent être réalisés de manière que l'énergie de liaison entre chaque deux couches successives soit supérieure à une première énergie de liaison E1 entre la première couche 4 et le premier moule 2. De manière analogue, le substrat de support 10 adhésif peut être collé avec une énergie de liaison Ec supérieure à la première énergie de liaison E1. Dès lors, des forces de traction (5, 6) et/ou de cisaillement (7, 8) peuvent être appliquées sur le premier moule 2 et le substrat de support 10, pour réaliser le décollement de la première couche 4 du premier moule 2. Comme illustré aux figures 4 et 5, les forces 5, 6, 7 et 8 peuvent réaliser, ainsi, le transfert de la première couche 4 du moule 2 vers le substrat de support 10. De ce fait, après le démoulage, la deuxième couche 9 peut être déposée sur la première face 4a comportant le deuxième motif 3a complémentaire du premier motif 3.
Le substrat de support 10 peut également être retiré de l'empilement comportant la première couche 4 après le retrait du premier moule 2. Le retrait du substrat de support 10 peut être effectué en attaquant chimiquement la liaison adhésive entre le substrat de support 10 et l'empilement, ou encore en dissolvant le substrat de support 10 dans un bain chimique, ou en utilisant toute autre technique connue. Ainsi, un empilement auto-porté comportant les première 4 et deuxième 9 couches minces peut être réalisé sans avoir recours à aucun substrat de support mécanique. Ce mode particulier de mise en œuvre, peut réaliser un empilement de couches ayant une épaisseur réduite, facilitant ainsi la miniaturisation des dispositifs comportant un tel empilement.
Dans le domaine de l'optique et de la photonique, la micro-structuration à des échelles inférieures à la longueur d'onde optique, notamment à des longueurs d'onde allant du visible au proche infrarouge, permet un traitement efficace du signal optique. En effet, il est désormais possible de piéger la lumière à la surface ou dans un volume d'un support et de la faire interagir avec d'autres grandeurs physiques dans des conditions entièrement nouvelles. À titre d'exemple, la deuxième couche 9 peut être à base de silice et le premier motif 3 peut être conformé de manière à réaliser des structures et des formes aussi diverses que des micropyramides et des réseaux de lignes, présentant des dimensions latérales et en profondeur conformes de l'ordre de quelques centaines, voire quelques dizaines de nanomètres. De telles couches minces micro-structurées peuvent être utilisées pour réaliser des dispositifs dans le domaine des cellules photovoltaïques, ou encore dans le domaine de l'optoélectronique et de l'imagerie optique, par exemple des microlentilles, des guides d'onde, etc.
Le procédé de réalisation de l'empilement de couches minces décrit ci- dessus est un procédé facile à mettre en œuvre formant avantageusement un empilement de couches minces avec une architecture 3D, conformes et dépourvues d'aspérités. Ainsi, ce type de procédé peut être avantageusement mis en œuvre pour réaliser facilement et à grande échelle des dispositifs optoélectroniques ou optiques performants.
Selon un mode particulier de mise en œuvre illustré aux figures 6 et 7, une troisième couche 11 est déposée sur la deuxième couche 9. Autrement dit, la deuxième couche 9 est interposée entre les première 4 et troisième 11 couches. Selon ce mode de mise en œuvre avantageux, la deuxième couche 9 forme une couche d'électrolyte solide de sorte que l'empilement des première, deuxième et troisième couches 4, 9 et 11 forme un empilement de couches électrochimiquement actives 12 d'un micro-accumulateur électrique 13. Préférentiellement, le micro-accumulateur électrique 13 est un accumulateur au lithium (Li). L'électrolyte solide est un matériau électriquement isolant ayant une forte conductivité ionique. L'électrolyte solide peut être par exemple, en oxynitrure de lithium erde phosphore (LiPON), un matériau de la famille des Thio-LiSICON (Li4-xGei.xPxS4 (0<x<1)) ou encore un polymère solide SPE (SPE pour l'abréviation anglaise de « Solid Polymer Electrolyte »), etc.
Le micro-accumulateur électrique 13 comporte un premier collecteur 14 de courant électrique en contact avec la première couche 4 et un deuxième collecteur 15 de courant électrique en contact avec la troisième couche 11. Les premier 14 et deuxième 15 collecteurs de courant sont en matériau électriquement conducteur, par exemple, en titane ou en tungstène. Les couches formant les premier 14 et deuxième 15 collecteurs de courant peuvent être déposées par des techniques classiques de dépôt sous vide comme la PVD, l'évaporation, etc. Préférentiellement, lesdites couches ont des épaisseurs suffisantes pour couvrir les aspérités de surface des première 4 et troisième 1 1 couches. Typiquement, les premier 14 et deuxième 5 collecteurs de courant ont des épaisseurs comprises entre 0,5 et 5 μιη. Avantageusement, ce mode de mise en œuvre comporte également le dépôt d'une couche additionnelle 4' électriquement conductrice sur la première couche 4, avant l'étape de retrait du premier moule 2. Ladite couche additionnelle 4' est configurée pour former le premier collecteur 14 de courant du micro-accumulateur électrique 13 (cf. figures 3A et 7). Autrement dit, la couché additionnelle 4' est configurée pour collecter le courant soit cathodique soit anodique généré dans la première couche 4 du microaccumulateur électrique 13.
La couche additionnelle 4' (ou 14) peut être déposée par PVD, CVD, LPCVD ou ALD avant l'étape de retrait du premier moule 2. À titre d'exemple, la couche 4' (ou 14) peut être à base de platine (Pt), de titane (Ti) ou à base d'or (Au). Préférentiellement, la couche 4' (ou 14) a une épaisseur allant de 10 nm à quelques micromètres. De manière plus avantageuse, le substrat de support 10 est un substrat électriquement conducteur et il est configuré pour former le premier collecteur 14 de courant du micro-accumulateur électrique 13.
Le procédé de réalisation du micro-accumulateur 13 décrit ci-dessus est un procédé facile à mettre en œuvre formant avantageusement un empilement de couches 12 électrochimiquement actif avec une architecture 3D. Le démoulage de la première couche 4 permet de déposer la couche d'électrolyte solide (la deuxième couche 9) sur une surface lisse dépourvue d'aspérités. Ainsi, ce mode de mise œuvre peut réaliser un empilement de couches minces conformes avec une architecture 3D, permettant ainsi d'améliorer les performances du micro-accumulateur électrique. Effectivement, une architecture 3D permet d'augmenter la capacité surfacique, et ainsi de maximiser la densité d'énergie de l'empilement tout en maintenant de faibles distances de transport ioniques et électroniques. Selon un autre mode particulier de réalisation, les première 4 et troisième 11 couches peuvent former respectivement l'anode et la cathode du microaccumulateur électrique 13. Par anode d'un micro-accumulateur électrochimique, on entend une électrode configurée de manière à comporter une réaction électrochimique d'oxydation destinée à émettre des électrons lorsque le micro-accumulateur électrique est en mode actif, autrement dit lorsqu'il débite un courant électrique. Préférentiellement, l'anode du microaccumulateur électrique 13 comporte du lithium métal, un composé capable d'insérer réversiblement du lithium ou un composé pouvant former un alliage avec le lithium. L'anode a, de préférence, une épaisseur comprise entre 10 nm et 22
Figure imgf000014_0001
avantageusement entre 10 nm et 10 //m.
Par cathode d'un micro-accumulateur électrochimique, on entend une électrode configurée de manière à être le siège d'une réaction électrochimique de réduction destinée à intercaler des ions, par exemple de lithium, lorsque le micro-accumulateur est en décharge, autrement dit, lorsqu'il fournit un courant électrique. Préférentiellement, la cathode du micro-accumulateur électrique 13 comporte un oxyde lithié d'un métal de transition, ou d'un mélange de métaux (M), de formule LiMxOy, ou un matériau choisi parmi Poxysulfure de titane (TiOS), le pentoxyde de vanadium ( V205) et le disulfure de titane (TiS2). De préférence, la cathode a une épaisseur comprise entre 500 nm et Ί Ομπ , avantageusement entre 1 μηη et 5 μιτι. De manière générale, les épaisseurs des différentes couches formant le micro-accumulateur électrique 13 peuvent varier de quelques nanomètres à plusieurs micromètres, l'épaisseur totale de l'empilement ne dépassant pas quelques dizaines de micromètres.
Selon un autre mode particulier de mise en oeuvre, les première 4 et troisième 11 couches peuvent former respectivement la cathode et l'anode du micro-accumulateur électrique 13. Avantageusement, la face avant texturée 2a du premier moule 2 est électriquement conductrice, et la première couche 4 est déposée par un électrodépôt en voie hydrothermale. À titre d'exemple, le premier moule 2 peut être un feuillard métallique à base de titane ou à base d'un métal noble comme le platine. Le premier moule 2 peut être également un substrat, par exemple un substrat de silicium ou un substrat polymère de type PEN ou PET, recouvert par une couche métallique. Le substrat peut avoir une épaisseur allant de quelques dizaines de micromètres à quelques centaines de micromètres. L'épaisseur de la couche métallique est largement inférieure à celle du substrat, elle est au moins dix fois inférieure à l'épaisseur du substrat sur lequel elle est déposée.
L'électrodépôt en voie hydrothermale peut être réalisé dans une enceinte étanche sous pression à des températures comprises entre 125 et 250 °C. Lors d'un électrodépôt d'un oxyde lithié, à base d'au moins un métal de transition « M », de formule LiMxOy> l'enceinte comporte une solution électrolytique comportant, de préférence, un sel métallique à base du métal de transition « M » et un sel de lithium. Avantageusement, le sel métallique est de type nitrate ou acétate du métal de transition « M », et/ou le sel de lithium est un sel d'hydroxyde de lithium (LiOH). Ledit métal de transition « M » est avantageusement choisi dans le groupe comprenant le nickel, le cobalt, le titane, le manganèse, et un mélange de ces métaux. Avantageusement, la première couche 4 déposée comporte un oxyde lithié comportant du cobalt, ou du manganèse, ou du nickel, ou encore du titane. Préférentiellement, la première couche déposée est à base d'un oxyde de cobalt lithié (LiCo02), ou d'un oxyde de nickel lithié (LiNi02) ou d'un oxyde de manganèse lithié (LiMn204) ou d'un oxyde de titane lithié (Li4Ti5012). Ainsi, le sel métallique de la solution est un nitrate ou acétate de cobalt (Co), ou de nickel (Ni), ou de manganèse (Mn) ou de titane (Ti). Les concentrations en sel métallique et en sel de lithium peuvent varier de quelques millièmes de mol/L à plusieurs mol/L.
Lors de l'électrodépôt en voie hydrothermale, la pression au sein de l'enceinte est auto générée par une évaporation d'une partie de la solution électrolytique, et elle correspond à la pression de vapeur saturante. Préférentiellement, l'enceinte est maintenue à une température configurée pour maintenir une pression de vapeur saturante au sein de l'enceinte comprise entre 4 et 45 bars. La température est, de préférence, comprise entre 125°C et 250°C. Le substrat sur lequel l'électrodépôt est envisagé et une contre-électrode, sont plongés dans la solution électrolytique à l'intérieur de l'enceinte étanche. La contre-électrode est préférentiellement à base de platine ou d'un autre métal noble. Dès lors, l'électrodépôt est réalisé en imposant un courant ou une tension entre le substrat et la contre-électrode. La densité de courant imposée entre le substrat et la contre-électrode est généralement comprise entre 0,1 et 100 mA cm2. Le temps de l'électrodépôt en voie hydrothermale dépend de la nature de la couche à déposer ainsi que de son épaisseur, il est typiquement compris entre quelques minutes et quelques dizaines d'heures. L'électrodépôt en voie hydrothermale permet de déposer des couches ayant des épaisseurs comprises entre des dizaines de nm et des dizaines de μιη.
La réalisation de la première couche 4, par exemple en LiCo02, par un électrodépôt en voie hydrothermale permet avantageusement de former une couche mince, sur des substrats texturés, ayant de très bonnes conformités qui peuvent être comprises entre 80 et 100%. Par conformité, on entend un taux qui est calculé à partir de la différence d'épaisseur entre différentes zones de la couche déposée. Les figures 8A et 8B représentent des images réalisées par microscopie électronique à balayage (MEB) d'une couche mince de LiCoC½ formée par électrodépôt en voie hydrothermale sur un substrat texturé à base de silicium. L'électrodépôt a été réalisé à une température de 125 °C pendant une heure, en utilisant une densité de courant de 3 mA.cm"2 et une solution électrolytique comportant du LiOH avec une concentration de 4 mol.L'1 et du Co(N03)2 avec une concentration de 0,5 mol.L"1. Les figures 8A et 8B représentent respectivement une vue en perspective, et une vue en coupe et de côté du substrat recouvert par la couche de LiCo02. Le substrat texturé comporte des cavités sous forme de pyramides renversées. La pyramide a une base carrée d'une taille de 20 x 20 μπι2, et une hauteur de 15 μηη. Comme on peut observer sur les images MEB, l'électrodépôt en voie hydrothermale permet avantageusement la formation d'une couche en L1C0O2 d'une épaisseur d'environ de 2,56 μηι, ayant une très bonne conformité, de l'ordre de 97 %, entre le fond des cavités et la surface.
La technique d 'électrodépôt en voie hydrothermale permet avantageusement la réalisation de couches conformes même sur des substrats texturés comportant des cavités, contrairement aux techniques de dépôts classiques, comme le dépôt PVD qui induit des effets d'ombrage importants. De tels effets peuvent s'avérer néfastes pour la réalisation d'un empilement comportant plusieurs couches électrochimiquement actives, destinées à former un micro-accumulateur électrochimique. De plus, la technique d'électrodépôt en voie hydrothermale se distingue par rapport aux techniques de dépôt sous vide classiques notamment, les dépôts ALD, PVD et CVD, en ce qu'elle peut avoir une vitesse de dépôt élevée, typiquement une vitesse comprise entre 10 et 300 nm/min. À titre de comparaison, les vitesses de dépôt de couches LiCo02 par PVD sont très lentes, elles sont typiquement d'une dizaine de nm/min. Avantageusement, l 'électrodépôt de la première couche 4 par voie hydrothermale peut être suivi d'un traitement thermique à une température comprise entre 300 et 1100 °C. Autrement dit, la première couche est chauffée à une température comprise dans cette gamme de températures. Le traitement thermique peut être réalisé dans une atmosphère inerte ou réactive selon les propriétés recherchées et la nature du matériau déposé. En particulier, le traitement thermique permet d'obtenir, de manière avantageuse, des propriétés particulières de la première couche 4 électrodéposée en voie hydrothermale, notamment des propriétés liées à la densification et à la cristallinité de la couche déposée. Dès lors, le traitement thermique peut avantageusement améliorer la qualité de la première couche, engendrant de ce fait une amélioration des grandeurs caractéristiques des micro-accumulateurs électriques tout solide, comme la capacité et la tenue au cyclage.

Claims

Revendications
1. Procédé de réalisation d'un empilement de couches comportant au moins un motif structuré en 3D, le procédé comportant les étapes suivantes :
- prévoir un premier moule (2) muni d'une face avant (2a) texturée comportant un premier motif 3D (3) ;
- déposer une première couche (4) de l'empilement sur la face avant (2a) texturée de manière à recouvrir le premier motif 3D (3) au moyen d'une couche continue (4), la première couche ayant une première face (4a) en contact avec la face avant (2a) du moule (2) ; procédé caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes :
- retirer le premier moule (2) de manière à libérer la première face (4a) de la première couche (4) présentant un deuxième motif 3D (3a) complémentaire du premier motif 3D (3) ;
- déposer une deuxième couche (9) de l'empilement sur la première face (4a) de la première couche (4), de manière à recouvrir le deuxième motif 3D (3a) au moyen d'une couche continue.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'avant le retrait du premier moule (2), au moins une première couche additionnelle (4') est déposée sur la première couche (4), la première couche (4) séparant la première couche additionnelle (4') du premier moule (2).
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le motif 3D (3) est formé par un trou borgne (3) débouchant en face avant (2a) du premier moule (2).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'avant le retrait du premier moule (2), un substrat de support (10) est disposé sur la première couche (4) de manière que la première couche (4) soit interposée entre le moule (2) et le substrat de support (10).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat de support (10) est un substrat adhésif configuré de manière à être collé à une couche continue de l'empilement.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat support (10) est enlevé après le retrait du premier moule (2).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une troisième couche (11) est déposée sur la deuxième couche (9) formant une couche d'électrolyte, et en ce que l'empilement des première, deuxième, et troisième couches (4, 9, 11) forme un empilement de couches électrochimiquement actif (12) d'un micro-accumulateur électrique (13).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les première et troisième couches (4, 11) forment l'anode et la cathode du microaccumulateur électrique (13).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la face avant texturée (2a) du moule (2) est électriquement conductrice, et en ce que la première couche (4) est déposée par un électrodépôt en voie hydrothermale.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première couche (4) comporte un oxyde lithié d'au moins un métal de transition choisi dans le groupe comprenant le nickel, le cobalt, le manganèse, le titane et un mélange de ces métaux.
11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'après l'électrodépot en voie hydrothermale, la première couche (4) est chauffée à une température comprise entre 300 °C et 1100 °C.
12. Procédé selon les revendications 2 et 7, caractérisé en ce que la première couche additionnelle (4') est une couche électriquement conductrice formant un premier collecteur de courant (14) du microaccumulateur électrique (13).
13. Procédé selon les revendications 4 et 7, caractérisé en ce que le substrat de support (10) est électriquement conducteur, et en ce qu'il forme le premier collecteur de courant (14) du micro-accumulateur électrique (13).
14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première couche additionnelle (4') a une épaisseur allant de 10 nm à quelques micromètres.
PCT/FR2014/000044 2013-02-25 2014-02-24 Procédé de réalisation de couches minces structurées en 3d Ceased WO2014128371A2 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/770,238 US9972827B2 (en) 2013-02-25 2014-02-24 Method for producing 3D-structured thin films

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1300426 2013-02-25
FR1300426A FR3002482B1 (fr) 2013-02-25 2013-02-25 Procede de realisation de couches minces structurees en 3d

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2014128371A2 true WO2014128371A2 (fr) 2014-08-28
WO2014128371A3 WO2014128371A3 (fr) 2014-11-27

Family

ID=48613696

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2014/000044 Ceased WO2014128371A2 (fr) 2013-02-25 2014-02-24 Procédé de réalisation de couches minces structurées en 3d

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9972827B2 (fr)
FR (1) FR3002482B1 (fr)
WO (1) WO2014128371A2 (fr)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10886523B2 (en) * 2018-05-24 2021-01-05 Xerion Advanced Battery Corporation Electroplating lithiated transition metal oxides using low purity starting precursors
US11233288B2 (en) 2018-07-11 2022-01-25 International Business Machines Corporation Silicon substrate containing integrated porous silicon electrodes for energy storage devices
US12170353B2 (en) * 2019-01-02 2024-12-17 International Business Machines Corporation Method of making a lithium energy storage device
US10833301B2 (en) 2019-01-02 2020-11-10 International Business Machines Corporation Through silicon via energy storage devices
KR20210110142A (ko) * 2020-02-28 2021-09-07 한국과학기술원 리튬 금속 전지용 음극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6650000B2 (en) * 2001-01-16 2003-11-18 International Business Machines Corporation Apparatus and method for forming a battery in an integrated circuit
US20060121345A1 (en) * 2003-12-04 2006-06-08 Kiyotaka Yasuda Electrode for secondary battery, process of producing the electrode, and secondary battery
US7682739B2 (en) * 2004-05-12 2010-03-23 Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd. Negative electrode for nonaqueous secondary battery and process of producing the same
US20060134501A1 (en) * 2004-11-25 2006-06-22 Lee Jong-Ki Separator for fuel cell, method for preparing the same, and fuel cell stack comprising the same
US20080063866A1 (en) * 2006-05-26 2008-03-13 Georgia Tech Research Corporation Method for Making Electrically Conductive Three-Dimensional Structures
FR2957280B1 (fr) 2010-03-12 2012-07-13 Centre Nat Rech Scient Procede de fabrication d'un complexe metallique
JP5691107B2 (ja) * 2011-01-17 2015-04-01 富山住友電工株式会社 高耐食性を有する金属多孔体及びその製造方法
DE102011002083A1 (de) * 2011-04-15 2012-10-18 Kunststoff-Institut für mittelständische Wirtschaft NRW GmbH (KIMW NRW GmbH) Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffurformwerkzeuges sowie Kunststoffurformwerkzeug

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
L. BAGGETTO ET AL., JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY, vol. 20, no. 18, 2010, pages 3703 - 3708
L. BAGGETTO ET AL., JOURNAL OF POWER SOURCES, vol. 189, no. 1, 2009, pages 402 - 410

Also Published As

Publication number Publication date
US9972827B2 (en) 2018-05-15
US20160006016A1 (en) 2016-01-07
FR3002482B1 (fr) 2015-05-29
WO2014128371A3 (fr) 2014-11-27
FR3002482A1 (fr) 2014-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2409352B1 (fr) Microbatterie au lithium et son procédé de fabrication
EP1675207B1 (fr) Electrolyte structuré pour microbatterie
EP2774196B1 (fr) Procede de fabrication de batteries en couches minces entierement solides
EP1885916A2 (fr) Elaboration par voie electrolytique d&#39;elements nanocomposites conducteurs auto-supportes
WO2004114437A2 (fr) Procede de preparation d&#39;electrode a partir d&#39;un materiau poreux, electrode ainsi obtenue et systeme electrochimique correspondant
WO2014128371A2 (fr) Procédé de réalisation de couches minces structurées en 3d
EP2867942B1 (fr) Batterie de type lithium-ion avec une cathode a porosité variable et procédé correspondant
FR3068831A1 (fr) Procedes de realisation d&#39;un faisceau electrochimique d&#39;un accumulateur metal-ion au moyen d&#39;une membrane a electrolyte polymere gelifie, accumulateurs associes
FR3121553A1 (fr) Fabrication d&#39;anodes par lamination de motifs, anodes fabriquées ainsi, et dispositifs électrochimiques incorporant de telles anodes
CA3236850A1 (fr) Procede de production d&#39;une anode pour batteries au lithium
EP3055249B1 (fr) Substrat microstructure
EP2941793B1 (fr) Procédé de fabrication de batteries de type lithium-ion
WO2018091844A1 (fr) Réalisation de batteries 3d par voie liquide
EP3734712B1 (fr) Dispositif de stockage et procédé de fabrication
FR3105882A1 (fr) Electrode composite comprenant un métal et une membrane polymère, procédé de fabrication et batterie la contenant
EP2893584B1 (fr) Procédé pour la réalisation d&#39;un électrolyte à base de lithium pour micro-batterie solide
FR3058836A1 (fr) Micro-batterie au lithium et procede de fabrication
FR3054727A1 (fr) Dispositif electrochimique, tel qu’une microbatterie ou un dispositif electrochrome, et son procede de realisation
EP4704162A1 (fr) Dispositif de stockage et procédé de fabrication
EP4531151A1 (fr) Batterie en couches solides, et son procede d&#39;obtention
FR2972301A1 (fr) Procede de fabrication d&#39;une membrane poreuse electriquement conductrice, et dispositif correspondant.
FR2972300A1 (fr) Element pour boitier, en particulier pour biopile, et procede de fabrication

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14711548

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14770238

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14711548

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2