(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体薄膜バッテリーであって、
ａ）第１表面を有する基板と、
ｂ）上記基板における上記第１表面の上のカソード電流コレクタと、
ｃ）境界線を有し、上記カソード電流コレクタの上に配置され、リチウム化された化合物を含むカソード物質と、
ｄ）境界線を有し、上記カソード物質の上面と側面と覆う固体電解物層と、
ｅ）上記固体電解物層の上面に配置された、第１表面および境界線を有するアノード電流コレクタと、
ｆ）境界線を有し、上記固体電解物層、上記カソード物質および上記カソード電流コレクタを覆う第１絶縁層と、
ｇ）少なくとも上記カソード物質の境界線、上記固体電解物層の境界線、および上記第１絶縁層の境界線に重なる第１導電性金属層であって、上記カソード電流コレクタに電気的に接続され、上記カソード電流コレクタにおける規定された領域の周りで連続する金属−金属間シールを形成し、上記アノード電流コレクタの第１表面の上に第１貫通孔を有する第１導電性金属層と、
ｈ）上記第１導電性金属層を覆い、上記アノード電流コレクタの第１表面の上に第２貫通孔を有する第２絶縁層と、
ｉ）上記第１貫通孔および上記第２貫通孔を介して上記アノード電流コレクタに電気的に接続される第２導電性金属層とを備える、固体薄膜バッテリー。
【請求項２】
固体薄膜バッテリーであって、
ａ）第１表面を有する基板と、
ｂ）上記基板における上記第１表面の上のアノード電流コレクタと、
ｃ）境界線を有し、上記アノード電流コレクタの上に配置された固体電解物層と、
ｄ）境界線を有し、固体電解物層の上面に設けられ、リチウム化された化合物を含むカソード物質であって、上記カソード物質の下面と側面とが上記固体電解物層により覆われたカソード物質と、
ｅ）上記カソード物質の上面に配置された、第１表面および境界線を有するカソード電流コレクタと、
ｆ）境界線を有し、上記固体電解物層、上記カソード物質および上記アノード電流コレクタを覆うように設けられた第１絶縁層と、
ｇ）少なくとも上記カソード物質の境界線、上記固体電解物層の境界線、および上記第１絶縁層の境界線に重なる第１導電性金属層であって、上記アノード電流コレクタに電気的に接続され、上記アノード電流コレクタにおける規定された領域の周りで連続する金属−金属間シールを形成し、上記カソード電流コレクタの第１表面の上に第１貫通孔を有する第１導電性金属層と、
ｈ）上記第１導電性金属層を覆い、上記カソード電流コレクタの第１表面の上に第２貫通孔を有する第２絶縁層と、
ｉ）上記第１貫通孔および上記第２貫通孔を介して上記カソード電流コレクタに電気的に接続される第２導電性金属層とを備える、固体薄膜バッテリー。
【請求項３】
固体薄膜バッテリーであって、
ａ）第１表面を有する基板と、
ｂ）上記基板における上記第１表面の上のカソード電流コレクタと、
ｃ）境界線を有し、上記カソード電流コレクタの上に配置されるカソード物質と、
ｄ）境界線を有し、上記カソード物質の上面と側面と覆う固体電解物層と、
ｅ）上記固体電解物層の上面に設けられたアノードと、
ｆ）上記アノードの上面に配置された、第１表面および境界線を有するアノード電流コレクタと、
ｇ）境界線を有し、上記アノード、上記固体電解物層、上記カソード物質および上記カソード電流コレクタを覆う第１絶縁層と、
ｈ）少なくとも上記アノードの境界線、上記カソード物質の境界線、上記固体電解物層の境界線、および上記第１絶縁層の境界線に重なる第１導電性金属層であって、上記カソード電流コレクタに電気的に接続され、上記カソード電流コレクタにおける規定された領域の周りで連続する金属−金属間シールを形成し、上記アノード電流コレクタの第１表面の上に第１貫通孔を有する第１導電性金属層と、
ｉ）上記第１導電性金属層を覆い、上記アノード電流コレクタの第１表面の上に第２貫通孔を有する第２絶縁層と、
ｊ）上記第１貫通孔および上記第２貫通孔を介して上記アノード電流コレクタに電気的に接続される第２導電性金属層とを備える、固体薄膜バッテリー。
【請求項４】
固体薄膜バッテリーであって、
ａ）第１表面を有する基板と、
ｂ）上記基板における上記第１表面の上のアノード電流コレクタと、
ｃ）境界線を有し、上記アノード電流コレクタの上面に設けられたアノードと、
ｄ）境界線を有し、上記アノードの上に配置された固体電解物層と、
ｅ）境界線を有し、固体電解物層の上面に設けられるカソード物質であって、上記カソード物質の下面と側面とが上記固体電解物層により覆われたカソード物質と、
ｆ）上記カソード物質の上面に配置された、第１表面および境界線を有するカソード電流コレクタと、
ｇ）境界線を有し、上記アノード、上記固体電解物層、および上記カソード物質を覆う第１絶縁層と、
ｈ）少なくとも上記アノードの境界線、上記カソード物質の境界線、上記固体電解物層の境界線、および上記第１絶縁層の境界線に重なる第１導電性金属層であって、上記アノード電流コレクタに電気的に接続され、上記アノード電流コレクタにおける規定された領域の周りで連続する金属−金属間シールを形成し、上記カソード電流コレクタの第１表面の上に第１貫通孔を有する第１導電性金属層と、
ｉ）上記第１導電性金属層を覆い、上記カソード電流コレクタの第１表面の上に第２貫通孔を有する第２絶縁層と、
ｊ）上記第１貫通孔および上記第２貫通孔を介して上記カソード電流コレクタに電気的に接続される第２導電性金属層とを備える、固体薄膜バッテリー。
【請求項５】
上記アノード電流コレクタの上記第１表面は、上記基板の上記第１表面に対して略平行である、請求項１または３に記載の固体薄膜バッテリー。
【請求項６】
上記第１導電性金属層は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、金、銀、プラチナ、モリブデン、マンガン、金属合金、導電性セラミックス、および導電性にドープされた多結晶シリコンから選択される、請求項１から４の何れか１項に記載の固体薄膜バッテリー。
【請求項７】
上記固体薄膜バッテリーを囲むカプセル化材をさらに備え、１つ以上の電気リードを取り付けるための上記カソード電流コレクタに電気的に接続される露出された第１コンタクトパッドを有し、かつ、１つ以上の電気リードを取り付けるための上記アノード電流コレクタに電気的に接続される露出された第２コンタクトパッドを有する、請求項１または３に記載の固体薄膜バッテリー。
【請求項８】
上記カソード電流コレクタにおける上記領域は、上記固体薄膜バッテリーの側方境界を規定し、上記第１コンタクトパッドおよび第２コンタクトパッドは、上記規定された側方境界の上、または上記規定された側方境界内に位置する、請求項７に記載の固体薄膜バッテリー。
【請求項９】
電子機器と、
請求項１から４の何れか１項に記載の固体薄膜バッテリーと、
上記電子機器を保持するハウジングとを備え、バッテリーセルは上記ハウジング内に位置し、電力を上記電子機器に供給する、装置。
【請求項１０】
上記カソード物質は、上記固体薄膜バッテリーを組み立てた後、上記固体薄膜バッテリーを充電することによって活性アノードとして形成されたリチウム層を含む、請求項１または２に記載の固体薄膜バッテリー。
【請求項１１】
上記固体電解物層は、ＬｉＰＯＮを含む、請求項１から４の何れか１項に記載の固体薄膜バッテリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜固体エネルギー蓄積装置の分野に関し、より具体的には薄膜固体バッテリーの構築および設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクス（電子部品）は、コンピュータ、携帯電話、トラッキングシステム、スキャナ等、多くの携帯型装置に含まれている。携帯型装置においての１つの不利な点は、電源を装置に組み込む必要が生じることである。携帯型装置は、一般に、電源としてバッテリーを用いる。バッテリーは、少なくとも装置が使用される期間だけは装置に電力を供給する十分な容量を有している必要がある。バッテリーは、十分な容量を有していると、装置の他のパーツに比べて、重く、かつ／または規模が大きな電源になり得る。したがって、十分なエネルギーを蓄積でき、より小さく、より軽量のバッテリー（すなわち電源）が望まれている。スーパーコンデンサのような、他のエネルギー蓄積装置と、光電池および燃料セルのようなエネルギー変換装置とは、携帯型エレクトロニクスおよび非携帯型電気アプリケーションにおける電源として用いるためのバッテリーの代わりとなるものである。
【０００３】
従来のバッテリーにおける他の不利な点は、ある種のバッテリーでは、潜在的な毒性物質を含んで製造され、該毒性物質が漏れ出す可能性があり、政府の規制対象になるという事実である。したがって、多くの充電／放電ライフサイクルを通じて、安全であり、固体状態を維持し、再充電可能である電源を提供することが望まれている。
【０００４】
エネルギー蓄積装置の一種には、固体薄膜バッテリーがある。薄膜バッテリーの各例は、米国特許第５，３１４，７６５号明細書、米国特許第５，３３８，６２５号明細書、米国特許第５，４４５，９０６号明細書、米国特許第５，５１２，１４７号明細書、米国特許第５，５６１，００４号明細書、米国特許第５，５６７，２１０号明細書、米国特許第５，５６９，５２０号明細書、米国特許第５，５９７，６６０号明細書、米国特許第５，６１２，１５２号明細書、米国特許第５，６５４，０８４号明細書、および米国特許第５，７０５，２９３号明細書に記載されている。これらのいずれもが参照として本明細書に含まれている。米国特許第５，３３８，６２５号明細書には、薄膜バッテリー、特に薄膜マイクロバッテリーと、バックアップとして、または電子装置用の第１集積電源として応用するための方法とが記載されている。米国特許第５，４４５，９０６号明細書には、ウェブ状基板が自動的に複数の蒸着ステーションを通過するときに、上記基板上に連続して薄型バッテリー部品フィルムが形成される上記ステーションを用いる方法で、薄膜バッテリー構造を作成するための方法およびシステムが記載されている。
【０００５】
米国特許出願公開第２００５／０１４７８７７号公報では、電子回路に接続される、リチウムまたはリチウム化合物を含むような薄膜バッテリーが記載されている。周囲バリアが交互の層として蒸着されるが、上記層のうちの少なくとも１つは平滑化、平坦化、および／またはレベリングを行う物理的構造機能を有し、少なくとも１つの他の層は拡散バリア機能を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，３１４，７６５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３３８，６２５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４４５，９０６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５１２，１４７号明細書
【特許文献５】米国特許第５，５６１，００４号明細書
【特許文献６】米国特許第５，５６７，２１０号明細書
【特許文献７】米国特許第５，５６９，５２０号明細書
【特許文献８】米国特許第５，５９７，６６０号明細書
【特許文献９】米国特許第５，６１２，１５２号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，６５４，０８４号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，７０５，２９３号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００５／０１４７８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
信頼性が高く、有効期間が長く、安価に作成し得、大量生産が可能なバッテリーの需要がある。少なくとも１つの機能を達成するためにエレクトロニクスを用いてパッケージ化され得る、十分なエネルギー蓄積が可能な、より小型かつより軽量なバッテリー（すなわち、電源）に対するさらなる需要もある。環境に対してセンシティブな（悪影響を与える）部品の望ましくない露出の保護をよりよく行う必要もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、第１表面を有する基板と、上記基板における上記第１表面上の第１電流コレクタと、第１表面および境界線（外周）を有する第２電流コレクタとを備える薄膜バッテリーを提供する。上記第１電流クレクタおよび第２電流クレクタのうちの１つはアノード電流コレクタであり、他方はカソード電流コレクタである。上記バッテリーは、また、境界線を有し、カソード電流コレクタに配置されるカソード物質と、境界線を有し、上記カソード物質を上記アノード電流コレクタから分離させる電解物（電解質）と、境界線を有し、上記電解物とともに上記アノード電流コレクタを、上記カソード物質および上記カソード電流コレクタから分離させる絶縁層とを備える。第１パッシベーション層は、少なくともカソード物質の境界線、電解物の境界線、および絶縁層の境界線に概ね重なり、上記第１パッシベーション層は、上記第１電流コレクタと電気的に接続され、上記第１電流コレクタにおける規定された領域の周りのメタルシールに連続する金属を形成する。上記第１パッシベーション層は、貫通孔を有している。第２パッシベーション層は、上記第１パッシベーション層の貫通孔を介して上記第２電流コレクタに電気的に接続される。この薄膜バッテリー構造についての好ましい実施形態では、上記第１電流コレクタは、カソード電流コレクタであり、上記第２電流コレクタは、アノード電流コレクタである。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、薄膜バッテリーは、第１表面を有する基板と、上記基板の上記第１表面の上の第１電流コレクタとを備える。第１パッシベーション層は、上記第１電流コレクタに電気的に接続され、上記第１電流コレクタにおける規定された領域の周りのメタルシールに連続する金属を形成し、上記パッシベーション層は、貫通孔を有する。上記パッシベーション層および上記第１電流コレクタは、概ね囲われた領域を規定する。上記バッテリーはさらに、カソード物質と第２電流コレクタとを備え、上記第１電流コレクタおよび第２電流コレクタのうちの１つは、アノード電流コレクタであり、他方は、カソード電流コレクタである。上記カソード物質を上記アノード電流コレクタから分離する電解物層が設けられる。上記電解物層とともに、上記アノード電流コレクタを、上記カソード物質および上記カソード電流コレクタから分離する絶縁層も設けられる。上記カソード物質、第２電流コレクタ、電解物層、および絶縁層が、上記第１パッシベーション層および上記第１電流コレクタによって規定される、囲われた領域内に配置される。バッテリーは、さらに、上記第１パッシベーション層における貫通孔を介して上記第２電流コレクタに電気的に接続される第２パッシベーション層を備える。
【００１０】
薄膜バッテリーにおけるこの独特の構造は、バッテリーの境界線の全域に金属境界シールを全金属（金属のみ）にて設けることにより、特にバッテリーの各側部における、例外的な覆い（カバー）および保護を実現する。このレイアウトによって、金属／非金属の界面に沿うバッテリー構造における、センシティブ部品に直接通じる側方通路を形成する、隣接する金属および非金属層のエッジの望ましくない、環境への露出が防止される。
【００１１】
本明細書に含まれ、本願の一部を構成する添付の図面は、本発明の複数の態様を示し、実施形態の説明とともに、本発明の原理を説明する。この図面の簡単な説明は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態であるバッテリーの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本願は、「フルメタルエッジシールを含むバッテリーレイアウト」と題された、２００８年２月２７日を出願日とする米国仮特許出願第６１／０６７，２８８号の利益を請求する。上記仮出願は全て、参照として本明細書に含まれる。
【００１４】
（実施形態）
以下に説明する本発明の実施形態は、全てを網羅するものではなく、以下の詳細な説明に開示される特定の形態に本発明を限定するものでもない。選択され説明される実施形態の目的はむしろ、本発明の原理および実施についての当業者の解釈および理解を促すことである。
【００１５】
（用語）
この説明において、金属（メタル）という用語は、実質的に純粋な単一金属元素と、少なくとも１つは金属元素である２つ以上の元素の合金または組み合わせとの双方を意味する。
【００１６】
基板またはコアという用語は概ね、様々な処理操作によって所望のマイクロ電子構造に変形される基本的加工物である物理構造を意味する。いくつかの実施形態では、基板は、（サファイア、セラミック、またはプラスティック／ポリマー絶縁体等の）物質、（シリコン等の）半導体物質、非半導体、または半導体および非半導体物質の組み合わせを含んだ導電性物質（銅、ステンレススチール、アルミニウム等）を含む。他のいくつかの実施形態では、基板は、シリコンプロセッサチップ等の隣接構造の熱膨張係数（ＣＴＥ）により適合するＣＴＥについて選択される物質（例えば鉄-ニッケル合金等）のコアシートまたは断片等の重層構造を含む。このような実施形態では、このような基板コアは、電気的および／または熱伝導性に基づいて選択された物質（例えば銅、アルミニウム合金等）のシートに積層されるが、これは次に、電気的絶縁性、安定性、およびエンボス特性に基づいて選択されたプラスティック層によって覆われる。
【００１７】
電解物質は、電子に対して非伝導性である一方、イオン（プラスの電荷を有するリチウムイオン等）の動きを可能にすることによって電気的に伝導する物質である。電気セルまたはバッテリーは、電解物によって分離されるアノードおよびカソードを有する装置である。誘電体は、例えばプラスティック、セラミック、またはガラス等、電気に対して非導電性の物質である。いくつかの実施形態では、ＬｉＰＯＮ等の物質は、リチウムのソースおよびシンクがＬｉＰＯＮに隣接するときに電解物として作用し得、ＬｉＰＯＮを通過し得るイオンを形成しない、銅またはアルミニウム等の２つの金属層の間に配置されるとき、誘電体として作用し得る。いくつかの実施形態では、プラスティック／ポリマー層（誘電体）を装置が含む。上記プラスティック／ポリマー層は、信号および電力を水平方向に流すワイヤリングの各トレースと、各トレースの各層の間で垂直方向に信号および電力を流すビアとを有する。
【００１８】
本明細書において用いられる貫通孔（ビアオープニング）という用語は、本バッテリー装置の層に形成される溝、ビア、および接触開口部を含む全ての開口部を含むように定義されている。したがって、本発明は従来のビア構造のみに限定されない。
【００１９】
垂直という用語は、基板の主要な表面に対して実質的に直交することを意味するように定義される。高さまたは深さは、基板の主要な表面に対して直交する方向の距離を意味する。
【００２０】
「リチウム化された化合物を含む層」という用語は、金属リチウム、リチウムおよびリチウム含有化合物の合金を含む、任意の形態のリチウムを含む層を意味するように定義される。リチウム化された化合物を含む層の例としては、特に金属リチウムの場合はアノード、特にＬｉＰＯＮの場合は電解物、リチウムイオンのソースとして作用し得るＬｉＣｏＯ２等の物質がカソード層である場合はカソードが挙げられる。好ましい実施形態では、アノード、電解物、およびカソードは全て、リチウム化された化合物である。
【００２１】
本明細書で用いられるように、ＬｉＰＯＮは、概ね、リチウム酸窒化リン物質を意味する。一例としてＬｉ３ＰＯ４Ｎが挙げられる。他の例としては、電解物を横切るリチウムイオン移動度を増加するために窒素を高い割合で含むことが挙げられる。
【００２２】
好ましい実施形態では、リチウム化された化合物を含む層は、カソード物質または電解物である。本発明の実施形態では、薄膜バッテリーはまずアノードなしで形成されるが、リチウムイオンのソースとして作用し得るカソード層は用いる。この実施形態における薄膜バッテリーの充電を行うと、電解物とアノード電流コレクタとの間に金属リチウムがめっきされ、アノードが形成される。
【００２３】
本発明の一態様において、上記バッテリーは「ボトムアップ」構造として層の中に形成されるが、カソード電流コレクタと、カソードと、固体電解物と、（上記のように構築段階において任意に用いられる）アノード、アノード電流コレクタ、および１つ以上のカプセル化材を順に用いて基板が形成される。必要に応じて、カソードおよびアノードが横並びに、または他の構成で設けられてもよい。または、バッテリーは、上記とは逆の順で形成されてもよく、アノード電流コレクタは、基板に隣接するバッテリーの底面に配置される。この構成は、充電後にアノードが形成される場合はあまり好ましくない。それは、ある実施形態におけるこのアノード形成では、その促進のためにバッテリーのほとんどの層が移動することが必要となるからである。または、当該分野で通常行われている処理としてここで容易に理解される積層処理によって、上記層は別々に形成され、結合され得る。
【００２４】
図面を参照するが、同様のパーツに同様の数が割り当てられている。図１は、本発明の実施形態であるバッテリー１０の断面図を示す。なお、本明細書において用いられている図は尺度を示すものではない。ここで説明されている薄膜バッテリーの垂直厚さは、いくつかの実施形態における装置横幅（例えば、１０００ミクロン（＝１ｍｍ）から１０，０００ミクロン（＝１０ｍｍ））に比べて極めて低い（例えば、いくつかの実施形態では約１０ミクロンよりも低く、他の実施形態では４ミクロンよりもはるかに低い）。また、本発明のいくつかの実施形態における溝は、約１０ミクロン以下の幅を有している。ここで示すような実施形態は、基板上に配置されるカソード電流コレクタを示す。上述したように、本開示を参照して、当業者であれば、薄膜バッテリーの具体的な逆構成についても理解できるであろう。
【００２５】
バッテリー１０は、第１表面２２を有する基板２０を備える。いくつかの実施形態では、基板２０は約５００ミクロン（またはより薄い）から約１０００ミクロン（またはより厚い）の厚さを有する（例えば、いくつかの実施形態では、５２５ミクロンまたは６２５ミクロンのシリコンウェハ）。他の実施形態では、基板２０は、２５ミクロン以下のポリマー層（例えばＫａｐｔｏｎ）を含む。
【００２６】
カソード電流コレクタ２４は、基板２０の第１表面２２上に配置され、導電性物質（例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、金、銀、プラチナ、モリブデン、マンガン、金属合金、導電性セラミックス、重くドープされた多結晶シリコン等）からなり、これがカソード中に移動しないように選択される。本発明の実施形態では、カソード電流コレクタ２４は、約５ミクロンから３ミクロンの厚さを有している。
【００２７】
カソード物質２６（例えば、リチウムコバルト酸化物、ＬｉＣｏＯ２、リチウムマンガン酸化物、リチウム燐酸鉄、リチウムバナジウム酸化物、リチウムニッケル酸化物等）は、カソード電流コレクタ２４の上に配置され、境界線（外周）２８を有する。リチウムニッケルコバルト酸化物などの混合金属酸化物（例えば、上記金属の組み合わせを含むもの）も、カソードを形成するために用いることができる。本発明の実施形態では、カソード物質２６は、約１ミクロンから３ミクロンの厚さを有する。
【００２８】
第１表面３２、第２表面３３、および境界線３４を有するアノード電流コレクタ３０も設けられる。アノード電流コレクタ３０は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、金、銀、プラチナ、モリブデン、チタン、マンガン、金属合金、導電性セラミックス等の導電性物質、重くドープされた多結晶シリコン等の導電性半導体等からなる。本発明の実施形態では、アノード電流コレクタ３０は、約０．１ミクロンから１ミクロン、または好ましくは０．５ミクロンの厚さを有する。
【００２９】
アノード３６は、アノード電流コレクタ３０の第２表面３３の上に配置される。アノードは、例えば銅、ニッケル、またはアルミニウム等の金属、および／またはリチウムおよびその合金からなってもよい。本発明の実施形態では、アノード３６は、約１ミクロンから３ミクロンの厚さを有する。本発明の実施形態では、アノード３６は、最初に、製造時のバッテリー構成のパーツとしては設けられない。この実施形態では、カソード物質２５は、例えば、リチウム含有化合物を含んでいてもよく、アノード３６は、バッテリーの形成の後、例えばバッテリーの第１充電によって、リチウム金属層である活性アノードとして形成される。他の実施形態では、リチウムイオンは、グラファイト等の物質におけるアノード構造に挿入（インターカレート）される。
【００３０】
電解物層３８は、カソード物質２６をアノード電流コレクタ（あればアノード３６も）から分離する。電解物層３８は、境界線４０を有する。本発明の実施形態では、電解物層３８は、約０．１ミクロンから約１０ミクロンの厚さを有する。本発明の実施形態では、電解物層３８は、約１ミクロンから約５ミクロンの厚さを有する。電解物層３８は、カソード成分およびアノード成分の両方との物理的接触を有し、それらの間でのイオンの移動を可能にしている。電解物は電子を通さない。電解物は液体であってもよい。電解物はまた固体、半固体、またはイオンが通過可能な多孔性固体および液体の組み合わせであってもよい。いくつかの実施形態では、電解物は、単数のイオンまたは複数のイオン、およびバッテリーまたはセル内で電流を生成するために用いられる電極材に対して、略化学的に不活性または無反応性である。リチウムイオンのソースおよびリチウムイオンの目的地点が設けられれば、電解物層３８は、ＬｉＰＯＮ等の任意の電解物材からなってもよい。電解物層３８が、１つ以上の電解物材を混合した状態で、または２つ以上の個別層として含んでもよいということは、具体的に考慮される。好ましい多層電解物構造の一例が、「軟質および硬質電解物層を備える薄膜バッテリー、および方法」と題された米国特許出願第１１／４５８，０９１号に記載されている。これは本明細書における全ての目的について総合的に参照として含まれる。
【００３１】
絶縁層４２が設けられ、それは境界線４４を有している。本発明の実施形態では、絶縁層４２は、約１ミクロンから約１０ミクロンの厚さを有している。絶縁層４２は、フォトレジスト（例えば、Ｓｈｉｐｌｅｙ２２０フォトレジスト；ＨＤ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓの様々なポリイミドであり、２７２７、２７２３、２７２３を含む２７２０シリーズ、２７７０、２７７２を含む２７７０シリーズ；２７３１および２７３７を含む２７３０；ＰＩＸ−１４００、ＰＩＸ−３４７６、ＰＩＸ−Ｓ２００、ＰＩＸ−６４００を含むＰＩＸシリーズ；２５２５、２５５５、２５７５、および２５５６を含む２５００シリーズ；およびＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＣｏｍｐａｎｙのＣｙｃｌｏｔｅｎｅ製品番号３０２２−３５、３０２２−４６、３０２２−５７、および３０２２−６３等、様々な他の高分子材料；Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＣｏｍｐａｎｙのＷＬ−５３５１およびＷＬ−３０１０等の光規定可能なシリコン；Ｄｙｍａｘ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＵＶ硬化エポキシ、等）のような電気的絶縁物質からなる。いくつかの実施形態では、絶縁層４２は、シリコン酸化物、ＬｉＰＯＮ、アルミニウム酸化物、ポリマー、窒化珪素、酸窒化珪素、窒化ホウ素、セラミック、サーメット、または他の金属酸化物、窒化金属、金属カーバイド、金属オキボライド、および／または酸窒化金属等の１つ以上の物質を含み、上記金属はアルミニウム、インジウム、錫、インジウム錫、ジルコニウム、ニオビウム、タンタルまたは他の適切な金属、または他の適切な電気絶縁体である。電解物層２８とともに、絶縁層４２は、カソード成分（カソード物質２６およびカソード電流コレクタ２４）を、バッテリー１０のアノード成分（アノード電流コレクタ３０と、あればアノード３６も）から分離する。
【００３２】
第１パッシベーション層４６は、少なくともカソード物質の境界線２８、電解物の境界線４０、および絶縁層の境界線４４に概ね重なる。本明細書で説明するパッシベーション層は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、金、銀、プラチナ、モリブデン、マンガン、金属合金、導電性セラミックス等の導電性、重くドープされた多結晶シリコン等の導電性半導体からなる導電性物質を原料とするような導電性金属からなる。本発明の実施形態では、パッシベーション層は、約０．１１ミクロンから約５ミクロンの厚さを有する。第１パッシベーション層４６は、カソード電流コレクタ２４に電気的に接続され、カソード電流コレクタ２４における規定された領域の周りで連続する金属−金属間シールをさらに形成する。本発明の実施形態では、第１パッシベーション層４６およびカソード電流コレクタ２４（または、本発明の代替の実施形態におけるアノード電流コレクタ）は、約２０ミクロンから約３０ミクロンの幅を有する金属−金属間溶接を用いてシールされる。第１パッシベーション層４６は、貫通孔５０を有する。
【００３３】
第２パッシベーション層５２は、第１パッシベーション層４６の貫通孔５０を介して、アノード電流コレクタ３０に電気的に接続される。
【００３４】
好ましい実施形態では、アノード電流コレクタ３０の第１表面３２は、基板２０における第１表面２２に対して略平行である。第２パッシベーション層５２は、直接に、または中間パッシベーション層５３を介して、第１表面３２上のアノード電流コレクタ３０に電気的に接続される。単一の金属層を絶縁層４２およびアノード電流コレクタ３０の上に形成し、次いで上記形成した金属層をパッシベーション層４６および中間パッシベーション層５３へと分離することによって中間パッシベーション層５３を簡便に設けてもよい。
【００３５】
バッテリー１０は、さらに、第２パッシベーション層５２およびバッテリーの他の部材上に設けられるカプセル化材５４を有することが好ましい。バッテリーの各物質を、水蒸気、酸素、および他の環境的汚染に曝されることを防ぐために、カプセル化を行うことは望ましい。特に、リチウムは、他の元素や化合物と容易に反応する。薄膜バッテリーの各部品は、露出された周囲の各要素に対して容易に反応するので、バッテリー構造は、製造後に外界から隔離される必要がある。本バッテリーの構造によって達成される付加的な保護、特にカプセル化との組み合わせで得られる保護は非常に有利である。最終的なカプセル化材は、シリコーン、ポリイミド、エポキシ、または上述したような他のポリマー等の有機物質であることが好ましい。本発明の実施形態では、カプセル化材５４の厚さは、約８ミクロンから１０ミクロンである。本発明の実施形態では、最終的な外部層は、約０．５ミクロンから１ミクロンの厚さを有する窒化珪素であり、これは追加の密閉保護を行い、集積回路梱包材と適合する。この最終的な外部層は、また、摩擦および取り扱いの際に生じるダメージに対する何らかの物理的バリアとして機能する。
【００３６】
露出したプラスのコンタクトパッド５６は、１つ以上の電気リードを取り付けるためのものであり、上記１つ以上の電気リードが、第１パッシベーション層４６を介して、カソード電流コレクタ２４に電気的に接続される。露出したマイナスのコンタクトパッド５８は、１つ以上の電気リードを取り付けるためのものであり、上記１つ以上の電気リードが、第２パッシベーション層５２および中間パッシベーション層５３を介して、アノード電流コレクタ３０に電気的に接続される。
【００３７】
本発明の実施形態では、カソード電流コレクタ２４の領域は、バッテリーの側方境界６０を規定し、プラスのコンタクトパッド５６およびマイナスのコンタクトパッド５８は、上記規定された側方境界６０の上、または側方境界６０内に位置する。好ましくは、プラスのコンタクトパッド５６およびマイナスのコンタクトパッド５８は、カソード、アノード、および電解物材そのものの上の領域の外に配置される（すなわち、これらの物質の上には配置されない）。これは、電気リードを取り付ける処理が、取り付け点の下の物質を損傷し得る物理的力を発生させ得るからである。
【００３８】
いくつかの実施形態では、本発明のバッテリーは、ゲッター層（図示せず）を有する。ゲッター層は概ね、米国特許第５，６５４，０８４号明細書に記載されており、有害物質によるバリア層への浸透を防ぐ手助けとして、環境における有害物質の少なくとも１つの成分に対して反応する、または該成分を吸収することを目的とした層である。例えば、チタン、タンタル、リン、バリウム、エルビウム、ルビジウム、チタニウム−ジルコニウム合金、酸化コバルト、炭素、ヒドラジン、硫化ナトリウム等を含む層は、バッテリーの保護層を介する水または酸素の移動を低減するために用いられ得る。
【００３９】
ここで分かるように、薄膜バッテリーの独特な構造により、特にバッテリーの側部の保護を実現する。これは、第１パッシベーション層４６は、カソード電流コレクタ２４における規定された領域の周りでシールされ、カソード物質の境界線２８、電解物の境界線４０、および絶縁層の境界線４４にわたって保護ショルダーを形成するからである。この構造は、金属／非金属界面に沿うバッテリー構造における、環境への悪影響を与え易い部分に直接通じる側方通路を形成する、互いに隣接する金属および非金属の各層における不都合な環境露出を防止する。
【００４０】
図１に示すようなバッテリーについては別の説明も可能であるが、薄膜バッテリー１０は、
ａ）第１表面２２を有する基板２０と、
ｂ）上記基板における上記第１表面２２の上のカソード電流コレクタ２４と、
ｃ）上記カソード電流コレクタ２４に電気的に接続され、上記カソード電流コレクタにおける規定された領域の周りで連続する金属−金属間シール４８を形成し、貫通孔５０を有する第１パッシベーション層４６とを備え、
上記第１パッシベーション層４６および上記カソード電流コレクタ２４は、概ね囲われた領域を規定する。バッテリー１０はさらに、
ｄ）カソード物質２６と、
ｅ）アノード電流コレクタ３０と、
ｆ）アノード３６と、
ｇ）上記カソード物質２６を上記アノード電流コレクタ３０から分離する電解物層３８と、
ｈ）上記電解物層３８とともに、上記アノード電流コレクタ３０を上記カソード物質２６および上記カソード電流コレクタ２４から分離する絶縁層４２とを備える。上記カソード物質２６、アノード電流コレクタ３０、電解物層３８、および絶縁層４２は、上記第１パッシベーション層４６および上記カソード電流コレクタ２４によって規定される、上記囲われた領域内に配置される。
【００４１】
上記のように、アノード３６は第２表面３３の上に配置される。本発明の実施形態では、アノード３６は、まず、製造時のバッテリー構造のパーツとしては設けられない。この実施形態では、カソード物質２５は、例えば、リチウム含有化合物を含んでもよく、アノード３６は、バッテリーを充電することによりバッテリーを完成させた後のリチウム金属層である活性アノードとして形成される。
【００４２】
バッテリー１０は、さらに、第１パッシベーション層４６の貫通孔５０を介してアノード電流コレクタ３０に電気的に接続される第２パッシベーション層５２を備える。
【００４３】
上記のように、露出したプラスのコンタクトパッド５６およびマイナスのコンタクトパッド５８は、それぞれ、カソード成分およびアノード成分に電気的に接続され、バッテリーは、バッテリーの出力を必要とする装置に電気的に接続され得る。いくつかの実施形態では、バッテリーの出力を必要とする装置は回路である。回路は必要に応じて、プロセッサ、メモリ、入力装置、出力装置、およびアンテナのうちの１つ以上を有する。
【００４４】
上記コンタクトパッドは、ワイヤボンド、半田、導電性エポキシを用いた接続など、任意の適切な接続システムによって電気リードが取り付けられる。本発明の実施形態では、電子機器、本明細書において記載されるような薄膜バッテリー、および上記電子機器を保持するハウジングを備える装置を設け、バッテリーセルは上記ハウジング内に位置し、上記電子機器に電力を供給する。
【００４５】
本説明に基づくバッテリーが作成され、温度８５℃、湿度８５％のチェンバーにおいて未充電状態で１週間保存された。このバッテリーは、従来この種のバッテリーに対して求められていたように、密封したパッケージの中で保存されなかった。保存後、バッテリーは充電され、完全に機能を果たすことが分かった。
【００４６】
本明細書において用いられる全てのパーセントおよび割合は、特に他の記載がなければ重量パーセントおよび重量比を指す。本明細書で引用される全ての特許、特許出願（仮出願も含む）、および刊行物は、それぞれが本明細書の全ての目的について引用されるように、参照として含まれる。本書類によって説明される発明についての多くの特徴および有利な点を、上記の説明で記載してきた。しかしながら、本発明の特定の形態または実施形態が説明されてきた一方、形状の変更、パーツの構成などを含めた様々な変更が、本発明の精神および範囲から逸脱しない程度に行われてもよいということを理解しなくてはならない。
【図１】
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