(57)【要約】【課題】LiTiOSのカソード層の品質が改善された薄膜リチウムイオン電池を作製する方法を提供する。【解決手段】リチウムイオンの受容が可能な材料から形成されカソード層(42)、電解質層(44)、及びアノード層(48)の積層体を基板(30)に形成するステップと、アノード層(48)及びカソード層(42)間の短絡部分を形成するステップと、リチウムを熱蒸着させるステップと、アノード層(48)及びカソード層(42)間の短絡部分を開放するステップとを備えて、集積型のリチウムイオン電池を作製する。【選択図】図２Ｅ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積型のリチウムイオン電池を作製する方法において、
リチウムイオンの受容が可能な材料から形成されたカソード層、電解質層、及びアノード層の積層体を基板に形成するステップ、
前記アノード層及びカソード層間の短絡部分を形成するステップ、
リチウムを熱蒸着させる熱蒸着ステップ、並びに
前記アノード層及びカソード層間の短絡部分を開放する開放ステップ
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記基板上であって前記積層体の下に、カソード接続部を形成するための第１のパッドとアノード接続部を形成するための第２のパッドとを含むカソードコレクタ層を形成する前段階のステップを更に備えており、
前記アノード層及びカソード層間の短絡部分は、前記第１のパッド及び第２のパッド間に延びる導電性のストリップによって形成されており、
前記アノード層は、前記第２のパッドまで延びていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記開放ステップは、レーザ光照射又はフォトリソグラフィにより前記ストリップを切断することにより行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱蒸着ステップの後に、アノードコレクタ層を形成するステップ、及び、パッシベーション層を形成するステップを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記カソード層はチタンオキシ硫化物（TiOS）から形成されており、
前記アノード層はシリコン又はゲルマニウムから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記電解質層は、リン酸リチウムオキシナイトライド（LiPON ）から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記カソードコレクタ層、前記ストリップ、前記第１のパッド及び前記第２のパッドは、同一の材料から形成されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記基板は、絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
リチウムイオン電池において、
基板の表面に設けられて、第１のパッド及び第２のパッドを含むカソードコレクタ層と、
前記第１のパッド及び第２のパッド間に形成された導電性のストリップと、
前記カソードコレクタ層の表面に設けられて、カソード層、電解質層、及び前記第２のパッドと接するアノード層の積層体と、
前記アノード層上に延びて、前記第２のパッドと接するアノードコレクタ層とを備えており、
前記ストリップは途切れていることを特徴とするリチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜リチウムイオン電池を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、カソード層、電解質層及びアノード層の積層体から作製されている。電池の充電中に、リチウムイオンがカソード層からアノード層に移動する一方、電池の放電中に、リチウムイオンがアノード層からカソード層に移動する。
【０００３】
カソード層、電解質層及びアノード層の材料は、電池に求められる電圧、及び電池の所望の適用例に応じて選択される。特に、電話又はコンピュータのような携帯機器におけるデータのバックアップ／保持のための適用例では、電池は、一般的に２Ｖ未満の電圧を供給するために設けられている。このような電圧を得るために、降圧回路と共に使用されて４乃至４.5Ｖの電圧を供給する電池が使用されてもよい。このような電池は、例えば、コバルト酸リチウム（LiCoO2）から形成されたカソードを備えている。例えば、チタンオキシ硫化物（TiOS）に基づくカソードを備えて、３Ｖ未満の電圧を供給する電池が更に使用されてもよい。ここでは、後者のタイプの電池を検討している。
【０００４】
図１は、薄層によるリチウムイオン電池の例を示している。
【０００５】
電池は、薄い絶縁層12で覆われた基板10に作製されており、絶縁層12は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物又はこれらの材料の積層体から形成されている。絶縁層12の表面には、例えばチタンから形成されたカソードコレクタ層14が形成されている。カソードコレクタ層14は、活性領域A に第１部分を含んでおり、第１部分の表面に電池の活性層が形成されている。カソードコレクタ層14は、電気接点のための第２部分を表面に更に含んでいる。
【０００６】
活性領域A 内のカソードコレクタ層14の表面に、カソード層16が形成されている。カソード層16は、一例として、リチウムイオンの受容が可能な材料であるTiOSから形成されている。カソード層16の表面には、電解質層18が形成されており、電解質層18は、例えばリン酸リチウムオキシナイトライド（LiPON ）から形成されている。示された例では、電解質層18はカソード層16の一側面に延びて、絶縁層12と接している。電解質層18は、更にカソード層16の外形に沿ってカソードコレクタ層14に延びている。
【０００７】
電解質層18の表面には、アノード層20が形成されており、アノード層20は、例えばシリコン又はゲルマニウムから形成されている。このような非晶質の材料は、電池の動作中に、アノード層20を横切ってシリコン又はゲルマニウムと一時的に合金化されるリチウムの影響下で導電性になる特徴を有する。
【０００８】
アノード層20の表面には、アノードコレクタ層22が形成されており、アノードコレクタ層22は、例えばチタンから形成されている。アノードコレクタ層22は、示された例では、アノード層20及び電解質層18の延長部分に延びて、絶縁層12の表面に達している。絶縁層12上のアノードコレクタ層22の延長部分により、アノード接点の形成が可能になる。尚、これらの電気的な機能に加えて、カソードコレクタ層14及びアノード層20は、リチウムの拡散に対する障壁層として更に機能する。
【０００９】
示された例では、接続パッド24及び接続パッド26が、絶縁層12の表面に形成されたカソードコレクタ層14及びアノードコレクタ層22の延長部分に夫々形成されている。一般的にはその後、ワイヤ又は半田バンプのような接続要素が、接続パッド24及び接続パッド26上に夫々形成されるか、又はカソードコレクタ層14及びアノードコレクタ層22の延長部分に直接夫々形成される。その後パッシベーション層が、形成された構造体全体に形成される。尚、アノードコレクタ層22の延長部分が設けられていない場合、接続パッド26は、カソード層16、電解質層18、アノード層20及びアノードコレクタ層22の積層体の表面に形成されてもよい。
【００１０】
リチウムイオンに関連してTiOSから形成されたカソード層16を備えた図１に示されているような構造は、一般的に以下に示すように形成される。カソードコレクタ層14が、適合されたマスク、又はフルプレート層のエッチングにより絶縁層12の表面に形成される。その後、TiOS層が、カソードコレクタ層14の表面に形成される。このTiOS層は、リチウムを直接熱蒸着することにより、LiTiOS層に変化してカソード層16になる。その後、適合されたマスク又はエッチングによって、電解質層18、アノード層20及びアノードコレクタ層22がカソード層16の表面に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２１８３８０５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の方法によるリチウムの注入では、優れた品質のカソード層16が形成され得ない。この品質の欠如は、リチウムを注入するステップ、及び例えば半田バンプを形成するためのその後の加熱ステップの間に、Li2S、Li2SO3又はLi2SO4のようなリチウムの硫黄化合物が、TiOS層を横切ってTiOS層の表面に形成されるためであると考えられている。このような硫黄化合物は、カソード層の品質を低下させ、ひいては電池の性能を低下させる。
【００１３】
従って、LiTiOSのカソード層の品質が改善された薄膜リチウムイオン電池を作製する方法が必要である。
【００１４】
本発明の目的は、公知の方法の欠点を克服する薄膜リチウムイオン電池を作製する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従って、本発明は、集積型のリチウムイオン電池を作製する方法において、リチウムイオンの受容が可能な材料から形成されたカソード層、電解質層、及びアノード層の積層体を基板に形成するステップ、前記アノード層及びカソード層間の短絡部分を形成するステップ、リチウムを熱蒸着させる熱蒸着ステップ、並びに前記アノード層及びカソード層間の短絡部分を開放する開放ステップを備えていることを特徴とする方法を提供する。
【００１６】
本発明によれば、前記方法は、前記基板上であって前記積層体の下に、カソード接続部を形成するための第１のパッドとアノード接続部を形成するための第２のパッドとを含むカソードコレクタ層を形成する前段階のステップを更に備えており、前記アノード層及びカソード層間の短絡部分は、前記第１のパッド及び第２のパッド間に延びる導電性のストリップによって形成されており、前記アノード層は、前記第２のパッドまで延びている。
【００１７】
本発明によれば、前記開放ステップは、レーザ光照射又はフォトリソグラフィにより前記ストリップを切断することにより行われる。
【００１８】
本発明によれば、前記方法は、前記熱蒸着ステップの後に、アノードコレクタ層を形成するステップ、及び、パッシベーション層を形成するステップを更に備えている。
【００１９】
本発明によれば、前記カソード層はチタンオキシ硫化物（TiOS）から形成されており、前記アノード層はシリコン又はゲルマニウムから形成されている。
【００２０】
本発明によれば、前記電解質層は、リン酸リチウムオキシナイトライド（LiPON ）から形成されている。
【００２１】
本発明によれば、前記カソードコレクタ層、前記ストリップ、前記第１のパッド及び前記第２のパッドは、同一の材料から形成されている。
【００２２】
本発明によれば、前記基板は、絶縁層で覆われている。
【００２３】
本発明は、更に、リチウムイオン電池において、基板の表面に設けられて、第１のパッド及び第２のパッドを含むカソードコレクタ層と、前記第１のパッド及び第２のパッド間に形成された導電性のストリップと、前記カソードコレクタ層の表面に設けられて、カソード層、電解質層、及び前記第２のパッドと接するアノード層の積層体と、前記アノード層上に延びて、前記第２のパッドと接するアノードコレクタ層とを備えており、前記ストリップは途切れていることを特徴とするリチウムイオン電池を提供する。
【００２４】
本発明の前述の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない特定の実施形態について以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のリチウムイオン電池を示す図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る方法の一例のステップを示す概略斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態に係る方法の一例のステップを示す概略斜視図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態に係る方法の一例のステップを示す概略斜視図である。
【図２Ｄ】本発明の実施形態に係る方法の一例のステップを示す概略斜視図である。
【図２Ｅ】本発明の実施形態に係る方法の一例のステップを示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
公知の方法の欠点を克服するために、本発明は、電解質層及びアノード層を形成した後、リチウムイオンをカソード層に注入して薄膜リチウムイオン電池を作製する方法を提供する。リチウムイオンをカソード層に注入するステップの間、電池を短絡する。
【００２７】
図２Ａ乃至２Ｅは、リチウムイオン電池を製造する方法のステップを示す概略斜視図である。これらの図面では、リチウムイオン電池を作製する単一の基本的なセルが示されている。従来通りに、多くの基本的な電池が、同一の基板の表面に同時に作製される。
【００２８】
図２Ａに示されたステップでは、例えばシリコンウェハから形成された基板30の表面に、図２Ａ乃至２Ｅに点線で区切られている絶縁層32を形成する。絶縁層32の表面には、リチウムの拡散に対する障壁層として機能するカソードコレクタ層34を形成する。カソードコレクタ層34は、導電性材料から形成されており、例えばチタンから形成されている。
【００２９】
カソードコレクタ層34は、様々な部分を含んでいる。カソードコレクタ層34の第１部分が、電池の活性積層体を形成するための活性領域A に設けられている。カソードコレクタ層34には、カソード接続部を形成するための第１のパッド36が更に形成されている。カソードコレクタ層34の別の部分には、アノード接続部を形成するための第２のパッド38が形成されている。導電性のストリップ40が、第１のパッド36及び第２のパッド38間に形成されている。ストリップ40は、カソードコレクタ層34の材料と同一の材料から形成されてもよく、又はカソードコレクタ層34の材料とは異なる導電性材料から形成されてもよい。
【００３０】
一例として、カソードコレクタ層34、第１のパッド36、第２のパッド38及びストリップ40が、チタンのフルプレート層の蒸着、及びその後のマスクによるフルプレート層のエッチングによって形成されてもよい。カソードコレクタ層34は更に、マスクによる直接的な蒸着によって形成されてもよい。
【００３１】
図２Ｂに示されたステップでは、TiOS層42を、活性領域A 内のカソードコレクタ層34上に形成する。TiOS層42は、第１のパッド36及び第２のパッド38上に延びておらず、好ましくは、活性領域A 内のカソードコレクタ層34の表面より低い面に延びている。このため、異なる層間の配列及び短絡のあらゆる問題を回避することが可能になる。TiOS層42には、電池のカソードを形成するための初期層が形成される。一例として、TiOS層42は、１乃至５μm の厚さを有してもよい。
【００３２】
図２Ｃに示されたステップでは、TiOS層42の表面に電解質層44を形成する。電解質層44は、例えば、リン酸リチウムオキシナイトライド（LiPON ）から形成されている。電解質層44は、カソードコレクタ層34及び第２のパッド38間に、絶縁層32及び第２のパッド38と接する延長部分46を含んでいる。電解質層44は、第２のパッド38上に僅かに延びてもよい。更に、電解質層44は、活性領域A 内のTiOS層42を越えて僅かに延びてカソードコレクタ層34と接することが好ましい。公知であるように、LiPON は電気絶縁体である。従って、TiOS層42は積層体上に続いて形成される層から絶縁される。一例として、TiOS層42及び電解質層44は、適合されたマスクによって形成されてもよく、電解質層44は、１乃至３μm の厚さを有してもよい。
【００３３】
図２Ｄに示されたステップでは、活性領域A 内の電解質層44上にアノード層48を形成する。一例として、アノード層48は、シリコン又は非晶質のゲルマニウムから形成されてもよい。アノード層48は、電解質層44の延長部分46上に延長部分50を含んでいる。アノード層48の延長部分50は、第２のパッド38と接するために設けられている。一例として、アノード層48は、50乃至800 nmの厚さを有してもよい。
【００３４】
その後で、リチウムの熱蒸着によってリチウムイオンの注入を行って、TiOS層42をLiTiOS層に変化させてカソード層42を形成する。このため、リチウムが、熱蒸着によってアノード層48に堆積する。そのため、アノード層48のシリコン又はゲルマニウムが、リチウムの影響下で導電性になり、電池は、アノード層48の延長部分50及びストリップ40によって短絡し始める。このような蒸着中に、リチウムイオンはアノード層48からカソード層42に移動して、電池は、リチウムイオンの大部分がカソード層42に存在する完全な放電状態に達する。
【００３５】
カソード層42にリチウムを注入するこの処理は、電池が負荷に接続されたときの電池の通常動作に相当する。ストリップ40により形成された短絡部分が、リチウムの全蒸着、及びリチウムイオンのカソード層42への浸透中に維持される。蒸着時間は、約１時間であってもよい。
【００３６】
図２Ｅに示されたステップでは、アノードコレクタ層52を構造体に形成する。アノードコレクタ層52は、活性領域A 内のカソードコレクタ層34、カソード層42、電解質層44及びアノード層48の積層体上に延びている。アノードコレクタ層52は延長部分54を含んでおり、アノードコレクタ層52の延長部分54は、アノード層48の延長部分50上を延びて第２のパッド38と接している。アノードコレクタ層52は、例えばチタンから形成されてもよい。
【００３７】
詳細には示されていないカソード接続部56及びアノード接続部58を、第１のパッド36及び第２のパッド38に夫々形成する。その後、封入のためのパッシベーション層を、形成された構造体全体に形成する。尚、カソード接続部56及びアノード接続部58は、ここに述べられた方法の他の任意のステップの後に形成してもよい。
【００３８】
本実施形態によれば、アノードコレクタ層52を形成するステップの前又は後に、第１のパッド36及び第２のパッド38間のストリップ40を切断する。切断部分60が、レーザ光照射、又はフォトリソグラフィエッチングによって形成されてもよい。従って、アノード電極及びカソード電極は分離されて、今では短絡されていない電池が充電される状態にある。尚、ストリップ40は、この切断ステップを容易にするために、カソードコレクタ層34の材料とは異なる導電性材料から形成されてもよい。
【００３９】
ここに開示された方法は、カソード層を電解質層及びアノード層で覆った後、前記カソード層にリチウムイオンを注入するステップを提供するという利点を有する。従って、従来の電池と比較すると、優れた充電容量を有し、より多くの動作サイクルを可能にする電池が得られる。またこの電池は、公知の電池より熱加工（例えば、後の溶接ステップ）に更に耐えられ得る。
【００４０】
電池の製造後、一般的には検査が行われる。この検査を行なうために、電池が放電される。ここに開示された方法は、電池の作製後に放電状態の電池が得られるという利点を有する。従って、検査を行なう前に、電池を放電するステップが不必要である。
【００４１】
本発明の特定の実施形態が述べられている。様々な変更及び調整が当業者に想起される。特に、ここに開示された方法は、リチウムを受容するためのカソード層、電解質層及びアノード層の積層体を形成するステップ、アノード層及びカソード層を短絡するステップ、リチウムの熱蒸着によって、アノード層及び電解質層を介してリチウムイオンをカソード層に浸透させるステップ、及びアノード層及びカソード層間の短絡を開放するステップという複数の主要なステップを備えている。
【００４２】
従って、アノード層及びカソード層間の短絡部分を形成するステップ、及びリチウムを注入した後、前記短絡部分を開放するステップが、ここに開示されている方法とは異なるように行なわれてもよい。
【００４３】
ここに開示されている方法は、３Ｖ未満の電圧を供給する電池を提供する。このような電池は、特に、電力データを保持する回路（リアルタイムクロック、不揮発性RAM 等）に特に適している。
【００４４】
このような変更、調整及び改良が、本開示の一部であることを意図しており、本発明の趣旨及び範囲内であることを意図している。従って、前述の記載は、単なる一例であり、本発明を限定することを意図していない。本発明は、以下の特許請求の範囲及びその均等物にのみ制限される。
【符号の説明】
【００４５】
30  基板
32  絶縁層
34  カソードコレクタ層
36  第１のパッド
38  第２のパッド
40  導電性のストリップ（短絡部分）
42  カソード層
44  電解質層
48  アノード層
52  アノードコレクタ層
56  カソード接続部
58  アノード接続部 
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2011100731.tif 000005
【図２Ｃ】
2011100731.tif 000006
【図２Ｄ】
2011100731.tif 000007
【図２Ｅ】
2011100731.tif 000008