WO2019056977A1 - 一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳及其制作方法 - Google Patents

一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳及其制作方法 Download PDF

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tab
etching
solution
etching technique
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朱永长
邱立凡
邱启东
金振川
雷玉平
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青海盈天能源有限公司
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    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00—Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/02—Etching
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of graphene cell cores, and more particularly to a semiconductor etching technique for producing graphene cell cores and methods therefor.
  • the battery is divided into positive and negative poles.
  • the tab is the metal conductor that leads the positive and negative poles from the battery core. It is a raw material for lithium ion polymer battery products. Generally speaking, the battery has positive and negative poles. It is the contact point when charging and discharging. This point of contact is not the piece of copper that we see on the outside of the battery, but a connection inside the battery.
  • the existing polar ear is divided into three materials, the anode of the battery uses aluminum (A1) material, the negative electrode uses nickel (Ni) material, and the negative electrode also has copper nickel-plated (Ni_Cu) material, which are both composited by film and metal strip. Made.
  • the core component of the battery consists of a positive electrode and a negative electrode, so the presence of the positive and negative electrodes directly affects the performance of the battery.
  • the positive electrode sheet is composed of: foamed nickel (conductor) and positive electrode chemical raw materials.
  • the negative electrode sheet is composed of: steel strip and negative electrode chemical raw materials. Simply put, the chemical raw material is tightly bonded to the foamed nickel (steel strip) by pulling the slurry to form a positive electrode sheet (negative electrode sheet).
  • the negative electrode determines the stability and overcharge performance of the battery.
  • the positive pole determines the capacity of the battery. If the battery is in production:
  • the negative electrode plate is heavy, which will affect the battery in the assembly process, making it difficult to enter the shell, causing the positive and negative electrode sheets to be scrapped or short-circuited during the shell-in process, and the battery material is wasted due to the weight of the negative electrode sheet, which reduces the battery material. Utilization rate.
  • both the positive and negative electrode sheets have a large influence on the battery, both light and heavy.
  • the pole piece split is mainly to pick out the light piece and the heavy piece to match the pole pieces of the same grade to prevent the battery. Mixing occurs and affects battery performance.
  • the different pieces of the pole pieces mixed with the battery have an influence on the visible, so in the operation of this process, it is necessary to accurately grasp the weight of the pole piece, and strictly operate according to the process requirements, and should not be careless.
  • the most important function of the foamed nickel is to function as a conductive and adsorbing chemical raw material, so the surface density of the foamed nickel has a certain influence on the production of the battery.
  • A The higher the density of the foamed nickel surface, the denser the pore size, so the conductivity of the battery is better.
  • Graphene is a single layer of carbon atoms with a large specific surface area, and several tons of graphene can fill the earth.
  • the object of the present invention is to solve the above problems, and provide a positive electrode sheet and a negative electrode sheet by using a glow discharge method to generate charged particles containing ions, electrons, and highly reactive neutral atoms and molecules and radicals.
  • a semiconductor etching technique for producing graphene cell cores And comprising a tab, the upper and lower ends of the tab are wavy, and the ends of the tab are covered with graphene.
  • a semiconductor etching technique produces a graphene cell core, the inner layer of the graphene being in meshing engagement with the undulating structure of the tab.
  • a semiconductor etching technique for producing a graphene cell core the steps of which include: A, removing unprocessed tabs, and diffusing chemical etching solution onto the surface of the tab;
  • step C the product in step C is diffused from the surface of the etching material into the solution, and discharged with the solution;
  • a semiconductor etching technique for producing a graphene cell core wherein the chemical reaction in step B is to first oxidize the surface of the tab, and then dissolve the oxide layer and discharge it with the solution. Repeatedly to achieve the etching effect.
  • the semiconductor etching process produces a graphene cell core, and the etching rate is controlled by changing the solution concentration and temperature, and the solution concentration can change the rate at which the reactant reaches the tab, generally In other words, as the concentration of the solution increases, the etch rate will increase, and increasing the temperature of the solution by the ear accelerates the rate of chemical reaction, thereby accelerating the etch rate.
  • the semiconductor etching technique described is a method for producing a graphene cell core, and the wet etching of several materials commonly used in the step B includes: silicon, silicon dioxide, silicon nitride, and aluminum.
  • the method for fabricating a graphene cell core is described in a semiconductor etching technique, and the step B is plasma etching.
  • the semiconductor etching technique described is a method for producing a graphene cell core, and the plasma-etched wire material is aluminum or an aluminum alloy.
  • the graphene present in the free state or deposited on the substrate is not completely flat, but has an intrinsic microscopic surface.
  • the scale of the pleats, so the etching technology can ensure that the graphene material and the positive and negative sheets are closely combined, and the search ratio and uniformity of etching become important.
  • Traditional reactive ion etching systems have high operating pressure, no The method achieves vertical sidewall etching, and uniformity is not easily maintained on the graphene cells, so it will no longer be suitable, and instead a high-density plasma system will be used.
  • Such a system not only produces high-density plasma under extremely low pressure conditions, but also reduces the use of DC bias, thereby reducing or eliminating component damage caused by plasma, and the etching rate is also increased by the increase of ion density. Capacity can also be increased. Good uniformity is also achieved on graphene cells, increasing productivity.
  • FIG. 2 is a schematic structural view of a post-etched tab
  • FIG 3 is a schematic structural view of a tab before etching.
  • graphene is a basic constituent unit of fullerenes (0-dimensional), carbon nanotubes (1 dimensional), and graphite (3-dimensional), and can be regarded as an infinite aromatic. molecule.
  • graphene is a two-dimensional honeycomb-like lattice structure that is closely packed by a single layer of carbon atoms, and looks like a plane composed of a hexagonal grid. Each carbon atom forms a regular hexagon with the surrounding carbon atoms through sp2 hybridization. Each hexagonal unit is actually similar to a benzene ring. Each carbon atom contributes an unbonded electron.
  • the thickness of the single layer of graphene is only 0.335nm, about one-twentieth of the diameter of the hair.
  • Graphene is divided into layers, which are roughly classified into a single layer, a double layer, and a few layers of graphene.
  • the first two classes have similar electronic spectra, all of which are zero bandgap semiconductors (the valence band and the conduction band are compared to a half of the semimetal), and have carriers in both holes and electrons.
  • the double-layer graphene can be further divided into a symmetric double layer and an asymmetric double layer graphene.
  • the former has a valence band and a conduction band microcontact, and does not change its zero band gap structure; and for the latter, the two pieces of graphene are between A significant band gap is produced, but by designing a double gate structure, the transistor can be shown to be clearly off.
  • Pattern Transfer which produces charged particles containing ions, electrons, etc. and a highly chemically active neutral
  • the etching technique of pattern transfer is performed by electricity of molecules and molecules.
  • a semiconductor etching technique for producing a graphene cell core comprising a tab 1 , wherein the upper and lower ends of the tab 1 are wavy, and the ends of the tab 1 are coated with graphene 2 .
  • the inner layer of the graphene 2 is in meshing engagement with the undulating structure of the tab 1.
  • a semiconductor etching process for producing a graphene cell core the steps of which include: A, removing the unprocessed tab 1 , the chemical etching solution diffuses to the surface of the tab 1;
  • step C the product in step C is diffused from the surface of the etching material into the solution, and discharged with the solution;
  • the chemical reaction in the step B is to first oxidize the surface of the tab 1 and then dissolve the oxide layer and discharge it with the solution, so as to repeat the etching effect.
  • the wet etching of several substances commonly found in step B includes: silicon, silicon dioxide, silicon nitride, and aluminum. In the step B, it is plasma etching.
  • the rate of etching is controlled by varying the concentration and temperature of the solution.
  • the concentration of the solution changes the rate at which the reactive species reaches the tab 1 .
  • the etching rate increases, and the solution of the ear increases.
  • the temperature accelerates the rate of chemical reaction, thereby accelerating the etch rate.
  • the plasma etched wire material is aluminum or an aluminum alloy. It is the most important wire material in the production of graphene cells. It is widely used because of its low resistance, easy deposition and etching. In the advanced graphene cell core, since the density of the element is limited by the area occupied by the wire, the non-isotropic etching of the metal layer can reduce the spacing between the metal wires, thereby increasing the wiring capability of the wire, so aluminum Dry etching of aluminum alloys is a very important step in the fabrication of graphene cells.

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Abstract

一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳，包括极耳(1)，所述极耳(1)的上下两端为波浪形结构，位于所述极耳(1)的两端包覆有石墨烯(2)，由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，故进行蚀刻技术可以确保石墨烯材料和正负极片密切结合，蚀刻的寻找比与均匀度就变的很重要，此类系统不但能在极低压条件下产生高密度电浆，并能可减少直流偏压之使用，因而降低或消除电浆所导致的元件损伤，而蚀刻速率也因离子密度的增加而增加，产能也可因而提高，提高生产率。

Description

发明名称：一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳及其制作方法 技术领域
[0001] 本发明涉及一种石墨烯电芯极耳的技术领域， 尤其是涉及一种半导体蚀刻技术 生产石墨烯电芯极耳及其方法。
背景技术
[0002] 电池是分正负极的， 极耳就是从电芯中将正负极引出来的金属导电体， 是锂离 子聚合物电池产品的一种原材料， 通俗的说电池正负两极的耳朵是在进行充放 电时的接触点。 这个接触点并不是我们看到的电池外表的那个铜片， 而是电池 内部的一种连接。 现有的极耳分为三种材料， 电池的正极使用铝 (A1)材料， 负极 使用镍 (Ni)材料， 负极也有铜镀镍 (Ni_Cu)材料， 它们都是由胶片和金属带两部 分复合而成。 电池的核心组成部份是由正极片和负极片组成， 所以正负极片的 附料直接影响着电池的性能。 正极片是由： 发泡镍 (导电体)及正极化学原材料组 成。 负极片是由： 钢带及负极化学原材料组成。 简单的说就是将化学原材料通 过拉浆将它紧紧的与发泡镍 (钢带)连接在一起， 就形成了正极片 (负极片)。
[0003] 在电池组制作过程中有如下规律： 负极片决定电池的稳定性能及过充 (放)性能 。 正极决定电池的容量。 如果电池在生产过程中：
[0004] A: 正极片偏轻， 则会导致电池 "低容量"；
[0005] B: 正极片偏重， 则会导致电池在充电过程中漏液、 鼓底， 若更严重则会导致 电池爆炸；
[0006] C: 负极片偏轻， 则会导致电池在充电过程中漏液、 鼓底， 若更严重则会导致 爆炸；
[0007] D: 负极片偏重， 则会影响电池在组装过程中难以入壳， 导致正负极片在入壳 过程中报废或短路， 另因负极片偏重导致电池原材料浪费而降低了电池的物料 利用率。
[0008] 所以正负极片无论是偏轻与偏重都会对电池有较大影响。
[0009] 极片分档主要是将偏轻与偏重的极片挑出将相同档次的极片相匹配， 防止电池 出现混配现象， 而影响电池的性能。 其不同重量的极片混配对电池有影响可见 ， 所以在操作此工序时需准确把握住极片的重量， 严格按照工艺要求进行操作 ， 不可粗心大意。
[0010] 发泡镍最主要的作用是起到导电及吸附化学原材料的作用， 所以发泡镍的面密 度对电池的制作有一定的影响。
[0011] A: 发泡镍面密度越高， 孔径就越密， 所以电池的导电性能就越好。
[0012] B: 因发泡镍密度较高， 而导致化学原材料的填充量减少， 使电池的容量无法 达到工艺设计要求。
[0013] C: 由于发泡镍密度过高， 极片在切片或运转过程中产生的毛刺就越多， 所以 也易导致电池在卷绕过程中短路。
[0014] 所以我们在使用发泡镍时需严格按照工艺要求进行操作
[0015] 石墨烯是单层碳原子， 其比表面积巨大， 有几吨的石墨烯便可以将地球铺满。
巨大地比表面积且导电性能， 使之成为充电电池的救星。 电动力汽车之所以到 现在还没有广泛应用， 就是因为电池的能量储存密度低与充电性能的问题。 由 于石墨烯的巨大比表面积， 能够使电池具有很高的储能密度， 而且由于其阴阳 两极面积巨大， 可以使电池在短短几分钟甚至是几秒内边完成充电。 研究表明 ， 用石墨烯制出的电池理论上是现有锂电池同体积下容量的数十倍， 而且由于 石墨烯的导电性能优异， 比银还要好， 电子在石墨烯上运动能量几乎不损耗。 电池工作时几乎不发热， 这使得电池更加耐用。
技术问题
问题的解决方案
技术解决方案
[0016] 本发明的目的是解决上述提出的问题， 提供将正极片及负极片， 利用辉光放电 方式， 产生包含离子、 電子等带电粒子及具有高度化学活性的中性原子与分子 及自由基的电浆来进行图案转印的蚀刻方式的一种导体蚀刻技术生产石墨烯电 芯极耳的方法。
[0017] 本发明的目的是以如下方式实现的： 一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳 ， 包括极耳， 所述极耳的上下两端为波浪形结构， 位于所述极耳的两端包覆有 石墨烯。
[0018] 所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳， 所述石墨烯的内层与极耳的 波浪形结构啮合连接。
[0019] 一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制作方法， 其步骤包括： A、 取出 未加工的极耳， 化学蚀刻液扩散至极耳的表面；
[0020] B、 等待蚀刻液与极耳发生化学反应；
[0021] C、 将步骤 C中反应后的产物从蚀刻材料的表面扩散至溶液中， 并随着溶液排 出；
[0022] D、 控制上述三个步骤的速率。
[0023] 所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制作方法， 步骤 B中化学反 应为将极耳的表面先予以氧化， 再将此氧化层溶解， 并随溶液排出， 如此反覆 进行以达到蚀刻效果。
[0024] 所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制作方法， 蚀刻的速率是通 过改变溶液浓度及温度进行控制的， 溶液浓度可改变反应物质到达离开极耳的 速率， 一般而言， 当溶液浓度增加时候， 蚀刻速率将会提高， 耳提高溶液温度 可加速化学反应速率， 从而加速蚀刻速率。 所述的一种半导体蚀刻技术生产石 墨烯电芯极耳的制作方法， 步骤 B中常见几种物质的湿式蚀刻包括： 硅、 二氧化 硅、 氮化硅及铝。
[0025] 所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制作方法， 所述步骤 B中为 电浆蚀刻。 所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制作方法， 所述 电浆蚀刻的导线材料为铝或铝合金。
发明的有益效果
有益效果
[0026] 本发明的优点： 由于二维晶体在热力学上的不稳定性， 所以不管是以自由状态 存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整， 而是在表面存在本征的微观 尺度的褶皱， 故进行蚀刻技术可以确保石墨烯材料和正负极片密切结合， 蚀刻 的寻找比与均匀度就变的很重要。 传统的活性离子蚀刻系统因操作压力高， 无 法达到垂直的侧壁蚀刻， 在石墨烯电芯上均匀度亦不易维持， 因此将不再适用 ， 取而代之的将是高密度电浆系统。 此类系统不但能在极低压条件下产生高密 度电浆， 并能可減少直流偏压之使用， 因而降低或消除电浆所导致的元件损伤 ， 而蚀刻速率也因离子密度的增加而增加， 产能也可因而提高。 在石墨烯电芯 上亦能保持良好的均匀性， 提高生产率。
对附图的简要说明
附图说明
[0027] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解， 下面根据具体实施例并结合附图， 对本发明作进一步详细的说明， 其中
[0028] 图 1是本发明的结构示意图；
[0029] 图 2是蚀刻后极耳的结构示意图；
[0030] 图 3是蚀刻前极耳的结构示意图。
实施该发明的最佳实施例
本发明的最佳实施方式
[0031] 见图 1至图 3所示， 石墨烯是富勒烯 (0维)、 碳纳米管 (1维)、 石墨 (3维)的基本组 成单元， 可以被视为无限大的芳香族分子。 形象来说， 石墨烯是由单层碳原子 紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构， 看上去就像由六边形网格构成的平面。 每个碳原子通过 sp2杂化与周围碳原子构成正六边形， 每一个六边形单元实际上 类似一个苯环， 每一个碳原子都贡献一个未成键的电子， 单层石墨烯的厚度仅 为 0.335nm， 约为头发丝直径的二十万分之一。
[0032] 石墨烯按照层数划分， 大致可分为单层、 双层和少数层石墨烯。 前两类具有相 似的电子谱， 均为零带隙结构半导体 (价带和导带相较于一点的半金属)， 具有空 穴和电子两种形式的载流子。 双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨 烯， 前者的价带和导带微接触， 并没有改变其零带隙结构； 而对于后者， 其两 片石墨烯之间会产生明显的带隙， 但是通过设计双栅结构， 能使其晶体管呈示 出明显的关态。
[0033] 使用已非常成熟的半导体工艺， 将正极片及负极片， 禾 lj用辉光放电 (Glow
Discharge)方式， 产生包含离子、 電子等带电粒子及具有高度化学活性的中性原 子与分子及自由基的电来进行图案转印 (Pattern Transfer)的蚀刻技术。
[0034] 由于二维晶体在热力学上的不稳定性， 所以不管是以自由状态存在或是沉积在 基底上的石墨烯都不是完全平整， 而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱， 蒙 特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。 这种微观褶皱在横向上的尺度 在 8〜10nm范围内， 纵向尺度大概为 0.7〜1.0nm。 这种三维的变化可引起静电的 产生， 所以使石墨单层容易聚集。 同时， 褶皱大小不同， 石墨烯所表现出来的 电学及光学性质也不同。
[0035] 一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳， 包括极耳 1， 所述极耳 1的上下两端 为波浪形结构， 位于所述极耳 1的两端包覆有石墨烯 2。 所述石墨烯 2的内层与极 耳 1的波浪形结构啮合连接。
[0036] 一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制作方法， 其步骤包括： A、 取出 未加工的极耳 1， 化学蚀刻液扩散至极耳 1的表面；
[0037] B、 等待蚀刻液与极耳 1发生化学反应；
[0038] C、 将步骤 C中反应后的产物从蚀刻材料的表面扩散至溶液中， 并随着溶液排 出；
[0039] D、 控制上述三个步骤的速率。
[0040] 所述步骤 B中化学反应为将极耳 1的表面先予以氧化， 再將此氧化层溶解， 并隨 溶液排出， 如此反覆进行以达到蚀刻效果。 步骤 B中常见几种物质的湿式蚀刻包 括： 硅、 二氧化硅、 氮化硅及铝。 所述步骤 B中为电浆蚀刻。
[0041] 蚀刻的速率是通过改变溶液浓度及温度进行控制的， 溶液浓度可改变反应物质 到达离开极耳 1的速率， 一般而言， 当溶液浓度增加时候， 蚀刻速率将会提高， 耳提高溶液温度可加速化学反应速率， 从而加速蚀刻速率。
[0042] 所述电浆蚀刻的导线材料为铝或铝合金。 是石墨烯电芯极耳制作过程中最主 要的导线材料。 它具有低电阻、 易於沉积及蚀刻等优点而广为大家所采用。 在 先进石墨烯电芯极耳中， 由于元件的密度受限于导线所占之面积， 加上金属层 非等向性蚀刻可使得金属导线间的间距縮小， 藉以增加导线之接线能力， 因此 铝及铝合金的乾蚀刻在石墨烯电芯极耳制作过程中是一個非常重要的步骤。
[0043] 以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于 限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改 进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书
一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳， 其特征在于： 包括极耳 (1 )， 所述极耳 (1)的上下两端为波浪形结构， 位于所述极耳 (1)的两端包 覆有石墨烯 (2)。
根据权利要求 1所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳， 其 特征在于： 所述石墨烯 (2)的内层与极耳 (1)的波浪形结构啮合连接。 根据上述权利要求 1至 2所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极 耳的制作方法， 其步骤包括： A、 取出未加工的极耳 (1)， 化学蚀刻 液扩散至极耳 (1)的表面；
B、 等待蚀刻液与极耳 (1)发生化学反应；
C、 将步骤 C中反应后的产物从蚀刻材料的表面扩散至溶液中， 并随 着溶液排出；
D、 控制上述三个步骤的速率。
根据权利要求 3所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制 作方法， 其特征在于： 步骤 B中化学反应为將极耳 (1)的表面先予以氧 化， 再將此氧化层溶解， 并隨溶液排出， 如此反覆进行以达到蚀刻 效果。
根据权利要求 4所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制 作方法， 其特征在于： 蚀刻的速率是通过改变溶液浓度及温度进行 控制的， 溶液浓度可改变反应物质到达离开极耳 (1)的速率， 一般而 言， 当溶液浓度增加时候， 蚀刻速率将会提高， 耳提高溶液温度可 加速化学反应速率， 从而加速蚀刻速率。
根据权利要求 5所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制 作方法， 其特征在于： 步骤 B中常见几种物质的湿式蚀刻包括： 硅、 二氧化硅、 氮化硅及铝。
根据权利要求 6所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制 作方法， 其特征在于： 所述步骤 B中为电浆蚀刻。
根据权利要求 7所述的一种半导体蚀刻技术生产石墨烯电芯极耳的制 作方法， 其特征在于： 所述电浆蚀刻的导线材料为铝或铝合金
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