(57)【要約】  電気エネルギー蓄積装置（２０、７０）は、電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁（３２）によって分離された多数のマイクロコンテナを画定するために形成された基板（２２）を含む。第１の複数の陽極（Ａ）がマイクロコンテナの第１のサブセット（２４）中に配置され、第２の複数の陰極（Ｃ）がマイクロコンテナの第２のサブセット（２６）中に配置される。陽極および陰極はインターレースパターンに配列される。
2008505434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁によって分離された複数のマイクロコンテナを画定するように形成された基板と、および
前記マイクロコンテナの第１のサブセットに配置された第１の複数の陽極と、前記マイクロコンテナの第２のサブセットに配置された第２の複数の陰極であって、前記陽極および陰極はインターレースパターンに配置されている、第１の複数の陽極と第２の複数の陰極と、を含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記壁はこれを貫通して形成された複数の細孔を有する、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、前記壁は、マイクロ成形およびマイクロエンボス加工の少なくとも１個を用いて前記基板に設けられた多孔性分離膜を含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項４】
請求項２に記載の装置において、前記細孔の少なくとも一部は電解質で充填されている、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、前記電解質は、液体の電解質、ハイブリッドポリマー電解質（ＨＰＥ）および混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）の少なくとも１個である、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項６】
請求項２に記載の装置において、前記細孔は、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも一方を用いて形成されている、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも１個を含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記電気エネルギー蓄積装置は、リチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の１個を含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項９】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第１および第２のサブセットは、前記基板の１個の表面上に形成される、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１０】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第１および第２のサブセットは、前記基板のそれぞれ反対の表面上に形成される、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１１】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記基板は、前記マイクロコンテナの第１および第２のサブセットが形成される中間ウエハと、さらに、前記マイクロコンテナの少なくとも一方のサブセットの底面を形成するために、前記中間ウエハの１表面に結合された少なくとも１個のサイドウエハとを含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１２】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記壁は少なくとも部分的に酸化されている、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１３】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に接続された少なくとも１個の電流コレクタを含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置において、前記少なくとも１個の電流コレクタは、金属フォイルおよび金属堆積層の一方を含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１５】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記陽極および陰極は、ペースト法、真空支援挿入法および厚膜堆積法の少なくとも１個を使用して配置されている、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１６】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも１個の形状を有する、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは１よりも大きい深さ対直径比を有する、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１８】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナが、四角形、三角形および六角形のグリッドパターンに配列されている、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項１９】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナは、エッチング方法を用いて形成されている、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項２０】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記陽極は、カーボン、グラファイト、リチウム合金およびリチウムの少なくとも１個を含むリチウム挿入化合物を含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項２１】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記陰極は、ＭｏＳ２、ＦｅＳ２、ＷＳ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２およびＬｉ１＋ｘＭｎ２−ｙＯ４材料の少なくとも１個を含む、電気エネルギー蓄積装置。
【請求項２２】
基板と、
前記基板上に配置されたマイクロ回路と、さらに
前記基板中に配置されかつ前記マイクロ回路に電力を供給するように接続された電気エネルギー蓄積装置と、を含み、前記蓄積装置は、
前記基板中に形成された多数の３次元マイクロコンテナであって、電気絶縁性でイオン伝導性の壁によって分離されたマイクロコンテナと、さらに
前記マイクロコンテナの第１のサブセット中に配置された複数の陽極と、前記マイクロコンテナの第２のサブセット中に配置された複数の陰極とであって、前記陽極および陰極はインターレースパターンに配置されている陽極および陰極と、を含む、マイクロ電子装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置において、前記壁はこれを貫通する細孔を有する、マイクロ電子装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置において、前記壁は、マイクロ成形およびマイクロエンボス加工の少なくとも一方を使用して前記基板に設けられた多孔性分離膜を含む、マイクロ電子装置。
【請求項２５】
請求項２３に記載の装置において、前記細孔の少なくとも一部分は電解質で充填されている、マイクロ電子装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の装置において、前記電解質は、液体電解質、ハイブリッドポリマー電解質（ＨＰＥ）および混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）の少なくとも１個である、マイクロ電子装置。
【請求項２７】
請求項２３に記載の装置において、前記細孔は、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも一方を使用して形成されている、マイクロ電子装置。
【請求項２８】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも１個を含む、マイクロ電子装置。
【請求項２９】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記電気エネルギー蓄積装置は、リチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の１個を含む、マイクロ電子装置。
【請求項３０】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第１および第２のサブセットは、前記基板の１個の表面上に形成される、マイクロ電子装置。
【請求項３１】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第１および第２のサブセットは、前記基板のそれぞれ反対の表面上に形成される、マイクロ電子装置。
【請求項３２】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記基板は、前記マイクロコンテナの第１および第２のサブセットが形成される中間ウエハと、さらに、前記マイクロコンテナの少なくとも一方のサブセットの底面を形成するために、前記中間ウエハの１表面に結合された少なくとも１個のサイドウエハとを含む、マイクロ電子装置。
【請求項３３】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記壁は少なくとも部分的に酸化されている、マイクロ電子装置。
【請求項３４】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に接続された少なくとも１個の電流コレクタを含む、マイクロ電子装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の装置において、前記少なくとも１個の電流コレクタは、金属フォイルおよび金属堆積層の一方を含む、マイクロ電子装置。
【請求項３６】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記陽極および陰極は、ペースト法、真空支援挿入法および厚膜堆積法の少なくとも１個を使用して配置されている、マイクロ電子装置。
【請求項３７】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも１個の形状を有する、マイクロ電子装置。
【請求項３８】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは１よりも大きい深さ対直径比を有する、マイクロ電子装置。
【請求項３９】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナが、四角形、三角形および六角形のグリッドパターンに配列されている、マイクロ電子装置。
【請求項４０】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナは、エッチング方法を用いて形成されている、マイクロ電子装置。
【請求項４１】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記陽極は、カーボン、グラファイト、リチウム合金およびリチウムの少なくとも１個を含むリチウム挿入化合物を含む、マイクロ電子装置。
【請求項４２】
請求項２２乃至２７の何れか１項に記載の装置において、前記陰極は、ＭｏＳ２、ＦｅＳ２、ＷＳ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２およびＬｉ１＋ｘＭｎ２−ｙＯ４材料の少なくとも１個を含む、マイクロ電子装置。
【請求項４３】
電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法において、
マイクロコンテナが電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁によって分離されるようにして、多数の３次元マイクロコンテナを基板上に形成し、
前記マイクロコンテナの第１のサブセットに第１の複数の陽極を配置し、前記マイクロコンテナの第２のサブセットに第２の複数の陰極を配置し、前記陽極および陰極をインターレースパターンに配置する、各ステップを含む方法。
【請求項４４】
請求項４３に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記分離のための壁を貫通して細孔を形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項４５】
請求項４４に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記基板中に多孔性分離膜をマイクロ成形することおよびマイクロエンボス加工することの少なくとも一方を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項４６】
請求項４４に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記細孔の少なくとも一部分を電解質によって充填することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法において、前記電解質は、液体の電解質、ハイブリッドポリマー電解質（ＨＰＥ）および混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）の少なくとも１個である、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項４８】
請求項４４に記載の方法において、前記細孔を形成するステップは、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも一方を用いて前記細孔をエッチングすることを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項４９】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも１個を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５０】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記電気エネルギー蓄積装置は、リチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の１個を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５１】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、基板の１個の表面上にマイクロコンテナの第１および第２のサブセットを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５２】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、基板のそれぞれの反対の表面上にマイクロコンテナの第１および第２のサブセットを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５３】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記マイクロコンテナを中間のウエハ中に形成し、少なくとも１個のサイドウエハを前記中間ウエハの１表面に結合して前記マイクロコンテナの少なくとも１個のサブセットの底面を形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５４】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは前記壁を少なくとも部分的に酸化することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５５】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、さらに複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に少なくとも１個の電流コレクタを接続するステップを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５６】
請求項５５に記載の方法において、前記少なくとも１個の電流コレクタを接続するステップは、金属フォイルを設置することおよび金属層を堆積することの少なくとも一方を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５７】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記陽極および陰極を配置するステップは、ペースト法、真空支援挿入法、薄膜堆積法および厚膜堆積法の少なくとも１個を適用することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５８】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも１個の形状を有するマイクロコンテナを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項５９】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、深さ対直径比が１より大きいマイクロコンテナを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項６０】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記マイクロコンテナを、四角形、三角形および六角形のグリッドパターンの少なくとも１個に配列することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項６１】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、エッチング方法を適用することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【請求項６２】
請求項４３乃至４８の何れか１項に記載の方法において、前記陽極および陰極を配置するステップは、第１および第２の複数のマイクロコンテナの一方を電解質材料で充填している間、第１および第２の複数のマイクロコンテナの他方をブロックすることを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年４月２７日に出願された米国仮出願６０／５６６，２０５号および２００４年７月２２日に出願された米国仮出願６０／５９０，８３３号に基づいて優先権を主張する。この出願は、２００４年１０月１４日に出願されたＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＬ２００４／０００９４５に関連する。これらの関連出願は、本特許出願の譲受人に譲渡され、その開示は、参照によって本出願に含まれる。
【０００２】
本発明は、一般に電気エネルギー源に関し、特に３次元（３−Ｄ）マイクロ電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
小型で２次元の薄膜マイクロ電池はこの技術分野で周知である。例えば、参照によってその開示が本出願に含まれる米国特許第５，３３８，６２５号および第５，５６７，２１０号は、電子機器のためのバックアップあるいは予備の統合電源として使用される、薄膜マイクロ電池を記載している。この電池は、リチウム陽極と、電気化学的に安定な電解質およびバナジウム酸化物による陰極を含んでいる。この電池は、半導体チップ、半導体ダイあるいはチップキャリアの一部分上に直接形成される。
【０００４】
参照によってその開示が本出願に含まれる米国特許第６，６１０，４４０号は、マイクロ電気機械的（ＭＥＭＳ）システムあるいはその他のマイクロ回路に、集積可能なあるいは集積化されたマイクロ電池を記載している。この発明者は、間欠的反応物質を使用する、内部電力源に使用される閉鎖系マイクロ電池を記載している。この電池は、微細電極、電解質および電解質のための容器を含んでいる。
【０００５】
３次元薄膜マイクロ電池は、米国特許第６，１９７，４５０号に記載されており、この開示は参照によって本出願に含まれる。マイクロ電池および２重層キャパシタ（ＤＬＣ）のような薄膜マイクロ電気化学的エネルギー蓄積セル（ＭＥＥＳＣ）が記載されている。このエネルギー蓄積セルは２個の薄層電極、固体電解質の中間薄層および選択肢としての第４の電流コレクタ層を含んでいる。これらの層は、基板の表面上に順番に堆積される。基板は、高いアスペクト率を有し、それによって単位体積あたりの全電極面積率を増加させている任意の形状のキャビティを、多数有している。
【０００６】
３−Ｄマイクロ電池はさらにＬｏｎｇ等によって記載されている。“Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ”Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ，ｖｏｌｕｍｅ１０，ｎｕｍｂｅｒ１０４，Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００４，ｐａｇｅｓ４４６３−４４９２。これは、参照によって本出願に含まれる。
【０００７】
Ｈａｒｔ等は、３−Ｄマイクロ電池の幾何学的構成について記載している。“３−Ｄ  Ｍｉｃｒｏｂａｔｔｅｒｉｅｓ”Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌｕｍｅ５，２００３，ｐａｇｅｓ１２０−１２３。これは、参照によって本出願に含まれる。この論文は、複数の陰極−陽極アレイ構造に対する電流および電位分布を示す、限定要素シミュレーションを提示している。
【０００８】
シリコン中にキャビティアレイを形成する方法がＫｌｅｉｍａｎｎ等によって記載されている。“Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｗｉｄｅ  ａｎｄ  Ｄｅｅｐ  Ｐｏｒｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｔｃｈｉｎｇ”Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｂ，ｖｏｌｕｍｅｓ６９−７０，２０００，ｐａｇｅｓ２９−３３。これは、参照によって本出願に含まれる。マイクロキャビティアレイを形成するその他の方法が、Ｌｉ等によって記載されている。“Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｂｙ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ”Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ，ｖｏｌｕｍｅ１０８，２００３，ｐａｇｅｓ９７−１０２。これは、参照によって本出願に含まれる。著者は、高密度に配列された微小スケールで高アスペクト比を有する、熱電マイクロモジュールを形成するための方法を記載している。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の実施形態は、この分野で既知のマイクロ電池と比較して優れたエネルギー密度および容量を提供する、改良された３−Ｄマイクロ電池を提供する。
【００１０】
開示されたマイクロ電池は、基板に形成された高アスペクト比を有するマイクロコンテナの２個のセットを有している。このマイクロコンテナは、適切な陽極および陰極材料で充填され、マイクロ電池の電極として使用される。陽極および陰極はインターレースパターンに配置され、基板材料の壁で分離されている。
【００１１】
マイクロコンテナを分離する基板の壁は、イオン伝導度および電気絶縁性を強化するように処理されている。ある実施形態では、陽極および陰極間のイオン伝導度を強化するために、分離壁中に多数の微細細孔が形成される。金属支援化学エッチング法を使用して多孔性シリコン基板を形成するための方法を、以下に記載する。ある実施形態では、多孔性壁はさらに酸化されてその電気絶縁性を向上させる。多孔構造は、例えば電解液、混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）あるいはハイブリッドポリマー電解質（ＨＰＥ）のような、イオン伝導性で電気絶縁性の物質で充填される。
【００１２】
ある実施形態では、陽極および陰極マイクロコンテナは基板の反対の表面上に形成される。この構造は、マイクロコンテナを充填するプロセスを簡略化し、さらに陽極および陰極材料の混合を防止する。
【００１３】
その他の実施形態では、全てのマイクロコンテナは基板の１表面上に形成される。この構造では、特別に設計されたマスクおよび／または一時的な充填プロセスによって、異なる電極材料の混合が防止される。
【００１４】
代替的な実施形態では、マイクロコンテナは、薄膜で機械的に安定な多孔性分離膜を、基板材料中にマイクロ成形あるいはマイクロエンボス加工することによって、形成する。
【００１５】
ある実施形態では、開示された３−Ｄマイクロ電池は、このマイクロ電池と共に同じ基板上に集積化されたマイクロ回路に電力を供給するために使用される。
【００１６】
この分野で既知のその他の３−Ｄマイクロ電池と比較して、ここに記載したマイクロ電池は優れたエネルギー密度を提供する。以下に記載する製造方法は、実施するのが比較的容易である。さらに、開示した構成は、以下に示すように、陽極および陰極材料の多様性のある使用を可能とする。同様に、開示された構成は、電解液を含む多様な電解質材料の使用を可能とする。
【００１７】
本発明の原理は、多孔性分離体によって分離されたインターレース型の電極セットを使用する、例えばキャパシタのような、その他の小型のエネルギー蓄積装置を製造するためにも使用することができる。
【００１８】
したがって、本発明の一実施形態によれば、
電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁によって分離された複数のマイクロコンテナを画定するために形成された基板と、さらに
マイクロコンテナの第１のサブセット中に配置された第１の複数の陽極と、マイクロコンテナの第２のサブセット中に配置された第２の複数の陰極であって、これらの陽極および陰極がインターレースパターンに配置された、第１の複数の陽極と第２の複数の陰極と、を備える電気エネルギー蓄積装置が提供される。
【００１９】
開示された実施形態では、この壁は壁を貫通して形成された複数の細孔を有している。さらにあるいは代替的に、この壁は基板に設置された多孔性の分離膜を含んでいる。さらにあるいは代替的に、この細孔の少なくとも一部は電解質で充填されている。ある実施形態では、この電解質は、液体の電解質、ハイブリッドポリマー電解質（ＨＰＥ）および混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）の少なくとも１個を含んでいる。
【００２０】
その他の実施形態では、この細孔は、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも１個を使用して形成される。
【００２１】
さらにその他の実施形態では、基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも１個を含んでいる。
【００２２】
さらにその他の実施形態では、本電気エネルギー蓄積装置はリチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の１個を含んでいる。
【００２３】
他の実施形態では、マイクロコンテナの第１および第２のサブセットは、基板の一方の表面上に形成される。代替的な実施形態では、マイクロコンテナの第１および第２のサブセットは、基板のそれぞれ反対側の面上に形成される。さらにあるいは代替的に、このサブセットは、マイクロコンテナの第１および第２のサブセットが形成される中間ウエハと、マイクロコンテナのサブセットの少なくとも一方の底面を形成するために、中間ウエハの一表面に接続された少なくとも１個のサイドウエハを含んでいる。
【００２４】
開示された実施形態では、壁は少なくとも部分的に酸化されている。
【００２５】
他の実施形態では、この装置は、複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に接続された、少なくとも１個の電流コレクタを含んでいる。さらに、この少なくとも１個の電流コレクタは金属フォイルおよび金属堆積層の一方を含んでいる。
【００２６】
さらに他の実施形態では、陽極と陰極は、ペースト方法、真空支援挿入方法および圧膜堆積方法の少なくとも１個を使用して配置される。
【００２７】
さらに他の実施形態では、マイクロコンテナは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも１個の形状を有している。さらに他の実施形態では、多数のマイクロコンテナが、四角形、三角形、六角形のグリッドパターンの少なくとも１個に配置される。さらに他の実施形態では、多数のマイクロコンテナは、エッチング方法およびリソグラフィー方法の少なくとも１個を使用して形成される。
【００２８】
開示された実施形態では、陽極は、炭素、グラファイト、リチウム合金およびリチウムの少なくとも１個を含む、リチウム挿入化合物を含んでいる。さらに他の実施形態では、陰極は、ＭｏＳ2、ＦｅＳ2、ＷＳ2、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2およびＬｉ1+xＭｎ2-yＯ4材料の少なくとも１個を含んでいる。
【００２９】
さらに、本発明の一実施形態によれば、
基板と、
前記基板上に配置されたマイクロ回路と、さらに
前記基板上に配置され前記マイクロ回路に電力を供給するように接続された電気エネルギー蓄積装置と、を含み、前記蓄積装置は、
電気絶縁性とイオン伝導性を有する壁によって分離された、基板上に形成された多数の３次元マイクロコンテナと、さらに
マイクロコンテナの第１のサブセット中に配置された複数の陽極と、マイクロコンテナの第２のサブセット中に配置された複数の陰極であって、インターレースパターンに配置された前記複数の陽極および前記複数の陰極と、を含むマイクロ電子装置が提供される。
【００３０】
本発明の実施形態によれば、
電気絶縁性でイオン伝導性の壁によってマイクロコンテナが分離されるように、基板上に多数の３次元マイクロコンテナを形成し、さらに
インターレースパターンに配置された陽極および陰極であって、第１の複数の陽極をマイクロコンテナの第１のサブセット中に配置し、第２の複数の陰極をマイクロコンテナの第２のサブセット中に配置する、各ステップを含む、電気エネルギー蓄積装置を製造する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明は、図面を参照する以下の実施形態の記載から、さらによく理解することができる。
【００３２】
２重サイドマイクロ電池構造
図１は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池２０を概略的に示す図である。マイクロ電池２０は基板２２中に形成される。この基板は通常、半導体ウエハである。シリコンウエハの一般的な厚さは１００−８００μｍであるが、以下に記載する方法はどのような厚さのウエハであっても使用することができる。一実施形態では、基板２２はシリコンを含んでいる。代替的に、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）および炭化シリコン（ＳｉＣ）、アルミナのようなセラミック材料、ガラス、種々の熱弾性および熱可塑性ポリマー、表面酸化金属基板およびその他の適切な材料等の、別の基板材料を用いることができる。一実施形態では、この基板は、ナトリウムイオンあるいはリチウムイオン伝導体のような固体イオン伝導体を含むことができる。（このような材料の使用は、例えば、Ｏｗｅｎによる“Ｉｏｎｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｇｌａｓｓｅｓ”およびＡｒｍａｎｄによる“Ｉｏｎｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ”に記載されている。これらの論文は、“Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ”Ｓｅｑｕｅｉｒａ  ａｎｄ  Ｈｏｐｐｅｒ（編集者）、Ｎａｔｏ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｓｅｒｉｅｓ  Ｅ，Ｏｃｔｏｂｅｒ、１９８５、において発表され、これらは参照によって本出願に含まれる。）ある実施形態では、マイクロ電池はリチウムあるいはリチウムイオン電池を含んでいる。
【００３３】
マイクロ電池２０の電極は、基板２２中に形成されたキャビティの２個のセット中に配置される。なお、このキャビティはここでは“マイクロコンテナ”として言及される。マイクロコンテナ２４の第１のセットは基板２２の第１の側に形成される。マイクロコンテナ２６の第２のセットは基板の反対の側に形成される。マイクロコンテナ２４は、以下に記載するように、マイクロ電池の多重陽極として使用される。マイクロコンテナ２６は多重陰極として使用される。（陽極および陰極マイクロコンテナは、図においてそれぞれ“Ａ”および“Ｃ”で示される。陽極および陰極は、総称して“電極”として言及される。）
マイクロコンテナの２個のセットは通常、基板２２中で周期的なインターレースパターンで形成される。（このインターレースパターンはしばしば、“互いに入り込んだ”パターンとして言及される。）図１の例では、陽極と陰極は四角形のグリッド上にインターレースパターンとして配置され、このグリッドにおいて各電極は反対の極性の４個の再隣接電極を有している（即ち、各陰極は再隣接電極として４個の陽極を有し、逆の場合も同様である）。電気化学反応のほとんどは、このような反対の極性を有する最隣接電極間で起こる。他の実施形態では、陽極および陰極は、例えば上述のＨａｒｔの論文に記載した構成のように、他のパターンに配置することができる。Ｈａｒｔの論文は、四角形、三角形および六角形のグリッドを含む、マイクロコンテナの複数の代替的な配置を記載している。各配置は、マイクロ電池に要求される特定の能力、例えば、エネルギー容量、電力、および電極間の電流の均一性、のために最適化して示されている。通常、陰極数は陽極数と同じである必要はない。さらに、各電極は最隣接電極として何個の陽極および陰極を有していても良い。
【００３４】
図１の例におけるマイクロコンテナはその形状において四角形である。代替的な実施形態では、他の適切なマイクロコンテナ形状、例えば三角形、四角形、六角形または円形のマイクロコンテナを使用することができる。マイクロコンテナの特徴的な幅あるいは直径は通常、数μｍから数十μｍの範囲である。典型的なマイクロ電池におけるマイクロコンテナの全体数は、マイクロコンテナの幅、壁の厚さおよび電池の電気的仕様に依存して、数百から数万まで変化する。通常、マイクロコンテナは高いアスペクト比を有している。即ち、その深さはその幅即ち直径よりも遥かに大きい。通常、マイクロコンテナは全てが同じ大きさを有している必要はない。
【００３５】
マイクロコンテナ２４、２６の２個のセットは、この分野で既知の幾つかの技術を用いて製造することができる。例えば、上述のＫｌｅｉｍａｎｎの論文は、シリコン基板中にキャビティを形成するための電気化学的エッチング方法を記載している。上述の米国特許第６、１９７，４５０号は、基板材料中にキャビティをエッチングするための幾つかの代替的方法を記載している。“ドライエッチング”法として言及する他の例は、ＧｍｂＨ（Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ）のＲｏｂｅｒｔ  Ｂｏｓｃｈによって開発された誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法である。ＩＣＰ法は、例えば、米国特許第６，７２０，２７３号に記載されており、この開示は参照によって本出願に含まれる。他の全ての適切な方法、例えばエッチングおよび／またはリソグラフィー法、を同様にして、マイクロコンテナ２４，２６の２個のセットを形成するために使用することができる。通常、マイクロコンテナ間を分離する壁は数μｍの厚さまでエッチングされる。マイクロコンテナの形成プロセスは、キャビティが基板の反対側の表面まで貫通する前に停止される。このとき、通常、底部の厚さを１−１００μｍ、好ましくは１０−５０μｍの範囲で残しておく。ある実施形態では、マイクロコンテナを分離する基板２２の壁は、以下に説明するように、多孔性とされる。マイクロコンテナの各サブセットの底部は、マイクロコンテナ間の分離壁の厚さに対する底部の厚さに依存して、全体あるいは部分的に多孔性とされても良い。
【００３６】
代替的な実施形態では、マイクロコンテナセットのインターレース構造は、２個以上のウエハを使用することによって製造される。例えば、このインターレース構造は、３個のウエハによって製造することができる。中間のウエハをエッチングし、あるいは何らかの処理を行ってマイクロコンテナの２個のセットを構成する。この構成において、これらのマイクロコンテナはその厚さ全体を貫通するようにされても良い。２個のサイドウエハが形成される。第１のサイドウエハはマイクロコンテナセット２４に一致する穴部を含んでいる。第２のサイドウエハはマイクロコンテナセット２６に一致する穴部を含んでいる。第１のサイドウエハはマイクロコンテナセット２６に対して固形の底部を形成し、第２のサイドウエハはマイクロコンテナセット２４に対して固形の底部を形成する。これらの３個のウエハは一体に接続されて、図１に示す３−Ｄ２重サイドマイクロコンテナ構造が形成される。
【００３７】
マイクロコンテナ２４は適切な陽極材料で充填され、マイクロ電池２０の陽極として動作する。同様に、マイクロコンテナ２６は適切な陰極材料で充填され、このマイクロ電池の陰極として動作する。この技術分野で既知の幾つかの充填技術が、電極に電極材料を充填するために用いられる。例えば、ペースト法、圧力充填法、キャスト法および真空支援法等が用いられる。この技術分野で既知の全ての適切な電極材料を使用することができる。具体的な電極材料を含む、幾つかの例示的なマイクロ電池が、以下に詳細に記載される。
【００３８】
ある実施形態では、マイクロコンテナに電極材料を充填した後、全ての陽極を１個の陽極電流コレクタ２８に電気的に接続する。同様に、全ての陰極を陰極電流コレクタ３０に接続する。この２個の電流コレクタは、基板２２の表面に設置された金属層を含んでいる。電流コレクタは、銅フォイルのような薄膜金属フォイル、あるいは基板２２上に堆積された金属薄膜フィルムを含んでいる。電流コレクタ２８および３０はマイクロ電池２０の電圧端子を含んでおり、マイクロ電池によって電力が供給される回路に、適当な配線を用いて接続されている。
【００３９】
その他の実施形態では、１個または両方の電流コレクタが省略される。通常、陽極または陰極のいずれかが充分に導電的である場合、対応する電流コレクタを省略することが可能である。電極を電流コレクタとして使用するある可能な方法では、電極充填プロセスの過程において、電極材料をマイクロコンテナから溢れさせることにより、基板表面上に導電性の層を形成する。この導電層が電極間を相互接続し電流コレクタとして機能する。
【００４０】
図２は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池２０の概略断面図である。図２に示す図は、図１に“ＩＩ”で示す位置にある面における、マイクロ電池の垂直断面である。この断面図は、陽極マイクロコンテナ２４を陰極マイクロコンテナ２６から分離する基板２２を示している。キャビティ２４が陽極材料によって充填されると、陽極は電流コレクタ２８と電気接続を有するものと考えられる。陽極は電流コレクタ３０から基板材料によって電気的に絶縁されている。同様に、陰極は電流コレクタ３０と電気接続し、基板材料によって電流コレクタ２８から絶縁されている。
【００４１】
ある実施形態では、基板の複数の部分は、そのイオン伝導度および／または電的絶縁性を強化するためにさらに処理される。陽極および陰極間のイオン伝導度は、勿論、マイクロ電池２０において電流を生成するための電気化学反応の重要な部分である。一実施形態では、マイクロコンテナ間を分離する壁３２は、イオンがこれを貫通して流れることを可能とするために多孔性とされている。基板２２に細孔を形成するための１例としての方法が以下に記載される。
【００４２】
この多孔性壁は通常ナノメートルサイズの細孔（通常、直径で数十から数百ｎｍ）を含んでいる。この壁はその後、イオン伝導性で電気絶縁性の物質によって充填される。ある実施形態では、この物質は、多孔性の構造体に浸透して、その細孔を充填する電解液を含んでいる。その他の実施形態では、この物質は、ハイブリッドポリマー電解質（ＨＰＥ）あるいは混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）を含む。例示的な電解質材料、およびこれらの材料を調製する例示的な方法が、マイクロ電池を例として以下に記載される。電解質充填壁は、マイクロ電池の陽極および陰極間の多孔性分離層を含む。特に、いくつかの細孔は、壁３２の厚さ全体を横断し、陽極と陰極マイクロコンテナを接続する。このような貫通孔は、マイクロ電池における電気化学反応の一部として、それを通ってイオンが流れることを可能とする。多孔性分離体はこのようにして、電極間でイオン伝導を可能とし、一方で電気的絶縁（電子のブロック）を提供する。ある実施形態では、基板２２の複数の部分が、電気絶縁性を強化するために、電解質を挿入する前に酸化される。
【００４３】
２重サイドマイクロ電池の製造方法
図３は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池２０を製造するための方法を、概略的に説明するためのフローチャートである。この方法は、第１のマイクロコンテナ形成ステップ４０において、基板２２の一方の側にマイクロコンテナ２４の第１のセットを形成することによって開始される。上述したように、ステップ４０は通常、適当なエッチングおよび／またはリソグラフィープロセスを含んでいる。マイクロコンテナが基板の反対側まで貫通しないように、キャビティの深さが制御される。同様に、マイクロコンテナ形成ステップ４２において、マイクロコンテナの第２のセットが基板の反対側に形成される。マイクロコンテナは、通常厚さが数μｍの薄い壁によって分離される。
【００４４】
細孔形成ステップ４４において、壁３２が多孔性とされる。一実施形態では、ステップ４４は金属支援の化学エッチングプロセスを含む。一例では、基板２２は、ＰｄＣｌ2の酸性溶液（通常、０．５６４ｍＭ）中に５秒間、浸漬される。基板はその後、Ｈ2Ｏ2：エタノール：ＨＦ（１：２：４）を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、４０−６０分間浸漬される。このプロセスは通常、室温で実施される。その他の実施形態では、電気化学エッチングプロセスが使用される。電気化学エッチングプロセスは通常、基板を適切なエッチング液中に浸漬して、基板と溶液を横切って電界を印加する。この種の例示的なプロセスは、上述した米国仮特許出願６０／５６６，２０５号に記載されている。あるいは、この技術分野で既知の他の適切な方法を、基板２２に細孔を形成するために使用することができる。
【００４５】
ステップ４０−４４の結果は、基板２２の２個の対向する表面中に形成された２個のマイクロコンテナセットのインターレース構造である。このマイクロコンテナは、薄い多孔性の壁によって分離されている。
【００４６】
（インターレース状のマイクロコンテナ構造が３個の接続されたウエハを使用して製造される上記代替的な実施形態では、ステップ４０−４４は、中間ウエハに貫通孔を形成し、中間ウエハにおいてマイクロコンテナを分離する壁に複数の細孔を形成し、２個のサイドウエハ中に交互の穴セットを形成し、さらに中間ウエハの対向する表面に２個のサイドウエハをボンディングする、各ステップを含むプロセスによって置き換えられる。）
電極充填ステップ４６において、２個のマイクロコンテナセットが適切な電極材料によって充填される。分離体充填ステップ４８において、多孔性壁３２が電解質によって充填される。最後に、コレクタ設置ステップ５０において、もし必要であれば、電流コレクタ２８、３０が基板２２の表面に設置される。
【００４７】
ある実施形態では、ステップ４６および４８の順序を逆とし、電極マイクロコンテナを充填する以前に電解質を導入しても良い。
【００４８】
単サイドマイクロ電池構造
図４は、本発明の他の実施形態にかかるマイクロ電池７０を概略的に示す図である。上述のマイクロ電池２０は、基板２２の２個の表面上に形成されているが、ある場合には、３−Ｄマイクロ電池を基板の一方の側に形成することが望ましい。例えば、ある場合には、マイクロ電池は、基板２２の１表面上に形成されたマイクロ回路に、電力を供給するために使用される。このような場合には、マイクロ電池構造を基板の反対側の使用されていない表面上に適合させることが望ましい。その他の場合では、上述の図１および２に示す構造のように、２重サイド構造を可能とするには基板が厚すぎる。
【００４９】
図４は、基板２２の一方の側に形成されたマイクロコンテナのグリッドを示す。マイクロコンテナは、それぞれマイクロ電池７０の陽極および陰極として使用される、２個のインターレースセット２４および２６に分割される。図１の記載において議論したように、マイクロコンテナセット２４および２６の形状、大きさおよびパターン形状は、適切な全てのものを使用することが可能である。
【００５０】
マイクロコンテナは、上述したように、適した製造方法を用いて形成することができる。ある実施形態では、２個のウエハを用いて単サイドマイクロコンテナ構造を製造することができる。第１のウエハはマイクロコンテナの２個のセットを含み、これらはウエハの全体の厚さを貫通することが許される。第２のウエハは第１のウエハにボンディングされ、マイクロコンテナの固形の底部として作用する。
【００５１】
その他の実施形態では、インターレース状の櫛型形状の蝸牛またはスパイラル構造を、マイクロ電池７０の電極として用いることができる。
【００５２】
マイクロコンテナは、通常、厚さが数μｍの壁３２によって分離される。この壁は、上述の方法を含む、この分野で既知の全ての適した方法を用いて多孔質とされる。２重サイドマイクロ電池２０と同様に、多孔壁は、適切な電解質によって充填することによりイオン伝導性とされる。ある実施形態では、壁３２はさらに、酸化によって電気絶縁性とされる。
【００５３】
図５は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池７０の製造において使用される、マスク７２の概略上面図である。マイクロコンテナセット２４および２６の両者が、基板の同じ側から陽極材料および陰極材料によってそれぞれ充填されるので、一方のマイクロコンテナセットを充填している間、他方のマイクロコンテナセットをマスクを用いてブロックしておくことが望ましい。マスク７２の使用によって、異なる電極材料が混合されることが防止される。マスク７２は、開口７４とブロックされたセル７６の交互のグリッドを含む。マスク７２の開口およびブロックされたセルのパターンは、マイクロ電池７０の陽極および陰極パターンに一致するように設計されている。
【００５４】
マイクロコンテナ２４を陽極材料で充填する場合、マスク７２は、開口７４がマイクロコンテナ２４に一致するように基板２２の表面上に位置決めされる。ブロックされたセルはマイクロコンテナ２６と一致し、これによって、陽極材料がこれらのマイクロコンテナ中に侵入することが防止される。同様に、マイクロコンテナ２６を陰極材料で充填する場合、マスクは開口７４がマイクロコンテナ２６に一致し、ブロックされたセル７６がマイクロコンテナ２４を保護するように位置決めされる。マスクが位置決めされると、マイクロコンテナは、上述したように、適切な方法によって電極材料により充填される。
【００５５】
一実施形態では、２個の異なるマスクが使用され、各マイクロコンテナセットに対して１個のマスクが使用される。あるいは、マスクの位置を変えることによって、１個のマスクをマイクロコンテナの両セットを充填するために使用することができる。充分な精度（通常１μｍのオーダー）でマスク７２を位置決めすることができる、機械的並進および登録システムが、この分野で既知である。上述したように、マイクロコンテナのグリッドは異なる形状および構成をとることが可能である。マスク７２は使用するマイクロコンテナグリッドに一致するように形成される。さらにあるいは代替的に、マイクロコンテナセットの一方を充填する前に、ポリマー化合物のような仮の物質によって他方のマイクロコンテナを充填する。この充填により、間違った電極材料がマイクロコンテナ内に入り込むことが防止される。仮の充填はその後除去される。
【００５６】
適切な電極材料によって陽極および陰極を充填した後、もし必要なら、１個または２個の電流コレクタ（図示せず）が設けられる。
【００５７】
単サイドマイクロ電池の製造方法
図６は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の製造方法を概略的に説明するためのフローチャートである。単サイドキャビティ形成ステップ８０において、マイクロコンテナのパターンが基板２２の１表面上に形成される。グリッドはマイクロコンテナ２４および２６の２個のセットを含む。単サイド細孔形成ステップ８２において、壁３２は多孔性とされる。ある実施形態では、この壁はさらに酸化することによって電気的に絶縁性とされる。
【００５８】
マイクロコンテナ２４は、陽極充填ステップ８４において、適切な陽極材料によって充填される。上述したように、基板上にマスク７２を置いて陽極材料がマイクロコンテナ２６中に入り込むことが防止される。選択肢として、基板２２の表面を、クリーニングステップ８６においてクリーニングし、残留陽極材料を除去する。マイクロコンテナ２６は、陰極充填ステップ８６において、適正な陰極材料により充填される。陰極材料がマイクロコンテナ２４中に入り込まないように、マスク７２が基板上に配置される。（ステップＳ８４と８８の順序を逆にして、陰極を最初に充填し、陽極を２番目に充填するようにしても良い。）選択肢として、平坦化ステップ９０において、基板２２の表面をクリーニングしさらに平坦化する。
【００５９】
選択肢として、電流コレクタ形成ステップ９２において、１個または２個の電流コレクタを設けあるいは形成する。最後に、電解質充填ステップ９４において、上述した例示的な物質であるイオン伝導性物質で、壁３２を充填する。ある実施形態では、ステップ９４は、ステップ８４および８８のいずれかまたはその両方に先行して、電極材料を挿入する以前に多孔質層を電解質で充填する。
【００６０】
成形あるいはエンボス加工された多孔性分離体
代替的な実施形態（図示せず）では、薄くかつ機械的に安定な多孔性分離膜が、基板２２の適切な窪みに“マイクロ成形”または“マイクロエンボス加工”される。マイクロ成形およびマイクロエンボス加工は、ＭＥＭＳ装置の製造において使用される周知の技術である。このプロセスはマイクロコンテナエッチングプロセスと置き換えられる。この代替的なプロセスにおいて、多孔性膜は窪みを小さなキャビティに分割し、マイクロコンテナを形成する。マイクロコンテナはその後、陽極および陰極材料で充填される。電流コレクタを形成した後、もし必要ならば、多孔性膜をイオン伝導性の電解質で充填する。多孔性膜を実現しうる多孔性ポリマーおよびプラスティック材料は、この分野で既知である。このような材料は、例えば、ＨｅｃｋｅｌｅおよびＳｃｈｏｍｂｕｒｇの“Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍｏｌｄｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ”（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌｕｍ１４，２００４，ｐａｇｅｓＲ１−Ｒ１４）に記載されており、これは、参照によって本出願に含まれる。著者は、マイクロ成形に使用されている幾つかの熱可塑性ポリマーを記載している。これらのポリマーのうちの２個を材料とする電解質、つまりポリメチルメトアクリレート（ＰＭＭＡ）およびポリビニリデンフルオロライド（ＰＶＤＦ）、がＳｏｎｇ等によって、“Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｇｅｌｔｙｐｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ  ｆｏｒ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ”（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  ｓｏｕｒｃｅｓ，ｖｏｌｕｍ７７，１９９９，ｐａｇｅｓ１８３−１９７）において記載されており、これは参照によって本願に含まれる。
【００６１】
集積化マイクロ電池およびマイクロ回路
マイクロ電池の一つの応用は、マイクロ回路と同じ基板上に形成されたマイクロ電池を使用して、マイクロ電子回路に電力を供給することである。
【００６２】
図７Ａは、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電子装置の概略図である。この装置は、基板２２上に形成されたマイクロ回路１００を含んでいる。このマイクロ回路は、図１および２に記載するマイクロ電池２０のような、同じ基板上に製造された２重サイド３−Ｄマイクロ電池によって電力が供給される。
【００６３】
図７Ｂは、本発明の他の実施形態にかかるマイクロ電子装置の概略上面図である。図７Ａと同様に、マイクロ回路１００は基板２２上に形成される。図４に記載するマイクロ電池７０と同様に、マイクロ回路は、同じ基板上に形成された単サイドマイクロ電池によって電力が供給される。図７Ｂは、電池が、基板の同じ面上に、マイクロ回路と並んでマウントされている構成を示している。あるいは、このマイクロ電池およびマイクロ回路を基板２２の反対の面上に形成し、ダイの全面積を減少させることも可能である。
【００６４】
マイクロ電池の事例
以下の事例は、開示された構造および方法を使用することができる、幾つかの可能な３−Ｄマイクロ電池の実例を示す。
【００６５】
事例１
リチウムイオン陽極、ハイブリッドポリマー電解質およびＭｏＳ2陰極を含む３−Ｄマイクロ電池を、シリコン基板中に形成することができる。厚さが１０μｍの壁によって分離された５０×５０μｍのマイクロコンテナの２重サイドインターレース構造が、５００μｍ厚のシリコンウエハ中に、上述したＬｉの論文に記載されている方法を使用して形成される。２重サイド構造は、上記図１に示す構造と類似である。壁は、この構造を、Ｈ2Ｏ2：エタノール：ＨＦ（１：２：４）を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、４０−６０分間浸漬することによって多孔質化される。
【００６６】
多孔質２重サイドインターレース構造は、例えば、真空充填を含む従来のキャスティングプロセスを使用して、ハイブリッドポリマー電解質（ＨＰＥ）により充填される。ＰＶＤＦ−２８０１コポリマー（Ｋｙｎａｒ）をバインダーとして使用することができる。フュームドシリカを、ポリマー膜に対する充填剤として使用することができる。ＰＶＤＦパウダーが、高純度のサイクロペンタトン（Ａｌｄｒｉｃｈ）またはＤＭＳＯ中に溶解される。フュームドシリカ１３０（Ｄｅｇｕｓｓａ）およびプロピレンカーボネート（ＰＣ、Ｍｅｒｋ）が添加される。スラリーを、シリコン基板中の陽極および陰極マイクロコンテナを接続する貫通孔を充填するために使用する。溶媒を完全に蒸発させた後、陰極マイクロコンテナは、ポリスチレンで接続されたＭｏＳ2によって充填される。陰極材料は、遠心力によって挿入される。
【００６７】
この事例の活性陰極材料は、リチオ化グラファイトまたはパッシベーション処理された金属リチウムを含んでいても良い。リチオ化グラファイトを製造するために、２．５ｍモルのナフタレンと幾らかのリチウムフォイルが、１０ｍＬの１−メトキシブチレン中に置かれる。この混合物が、ドライアルゴンの雰囲気下でほぼ２４時間にわたって２５℃で攪拌され、リチウム−ナフタレン−１−メトキシブチレン（Ｌｉ−ＮＭ）合成物が形成される。Ｌｉ−ＮＭ合成物の形成は、溶液の色が深い紫から透明に変化したことによって、確認される。合成物を形成した後、ステンレスネットによって包まれた０．２グラムのグラファイトフレークが挿入され、インターカレーションが開始される。この溶液は、約１週間にわたって攪拌されても良い。
【００６８】
残留固体はフィルタされ、ヘキサンによって洗浄される。溶液に蒸留水を徐々に加える。体積が既知の水相ＬｉＯＨをＨＣｌによって増量する。ＬｉＯＨの計算されたモル数がＬｉ−ＮＭの初期のモル数から差し引かれ、インターカーレートされたリチウムの実際のモル数を得る。リチオ化グラファイトはポリスチレンと混合され、例えば、上記陰極材料を挿入するために使用されるのと同じ方法を用いて、陽極マイクロコンテナ中に挿入される。
【００６９】
電流コレクタはこの段階で接続される。次に、多孔性膜が、液体のリチウムイミドカーボネート（ＥＣ）：ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）１：１（ｖ／ｖ）電解質によって充填される。ポリマー膜を液体の電解質で充填する場合、ゲル状の電解質が形成される。
【００７０】
この電池の期待カットオフ電圧は１．３−２．４ボルトである。充放電電流密度は、１０−１００μＡ／ｃｍ2の範囲であると期待される。
【００７１】
事例２
リチウムイオン陽極を含む単サイド３−Ｄマイクロ電池、ハイブリッドポリマー電解質およびＭｏＳ2陰極が、シリコン基板中に形成される。厚さが１０μｍの壁によって分離された５０×５０μｍのマイクロコンテナの単サイドインターレース構造が、４００μｍ厚のシリコンウエハ中に、上述したＫｌｅｉｍａｎｎの論文に記載されている方法を使用して形成される。単サイド構造は、上記図４に示される構造と類似している。上記事例１と同様に、壁は、この構造を、Ｈ2Ｏ2：エタノール：ＨＦ（１：２：４）を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、４０−６０分間浸漬することによって多孔質化される。陰極および陽極マイクロコンテナの交互のセットの充填は、一方の電極材料を充填する間、反対のセットをマスクして置くことによって実行される。
【００７２】
事例３
リチウムイオン陽極、ハイブリッドポリマー電解質およびＦｅＳ2陰極を含む３−Ｄマイクロ電池をシリコン基板中に形成することができる。基板の準備および多孔性シリコンのＨＰＥによる充填は、上記事例１と同様の方法で実施される。パイライトベースの陰極材料は、ＦｅＳ2粉末をリチウムイミドＰ（ＥＯ）20ポリマー電解質と共にアセトニトリル中に分散させることによって、調製される。この構成材は、均一なスラリーを形成するために数時間にわたって完全に混合される。陰極マイクロコンテナは、例えば、従来のスピンコーティング法を使用して、陰極材料により充填される。陽極材料は、上記事例１で記載したように、リチオ化グラファイトを含んでいても良い。
【００７３】
このマイクロ電池のカットオフ電圧は、１．１−２．１ボルトの範囲であると期待される。充放電電流密度は約４０μＡ／ｃｍ2であると期待される。
【００７４】
事例４
本事例のマイクロ電池は、事例１と類似している。しかしながら、本事例では、陰極および陽極材料が最初にマイクロコンテナ中に挿入される。その後、液体の電解質が、例えば真空を利用して、シリコン基板の多孔性壁中に挿入される。この挿入は、壁に沿った２個の表面間に広がる多孔性構造を利用することによって、基板の両面から実施可能である。マイクロ電池のカットオフ電圧は１．３−２．４ボルトの範囲であると期待される。充放電電流密度は約５０μＡ／ｃｍ2であると期待される。
【００７５】
事例５
事例１と類似のマイクロ電池を、ＷＳ2を陰極材料として用いて製造することができる。
【００７６】
事例６
リチウムイオン陽極、液体あるいはＨＰＥ電解質、およびＬｉＣｏＯ2陰極を含むマイクロ電池を、シリコンの基板上に形成することができる。例えばメソカーボンマイクロベッド（ＭＣＭＢ）、天然、合成または膨張グラファイトのような、異なるタイプのグラファイトを、リチウムのインターカレーションのためのホスト材料として用いることができる。一実施形態では、マイクロ電池は、完全に放電した状態で製造することができる。マイクロコンテナの充填は、通常、上記事例１で記載した方法に従う。カットオフ電圧は３．０−４．２ボルトの範囲であると期待され、充放電電流密度は約０．１−１０μＡ／ｃｍ2であると期待される。
【００７７】
事例７
事例５に類似のマイクロ電池を、Ｌｉ1+xＭｎ2-yＯ4を含む陰極材料によって形成することができる。
【００７８】
カットオフ電圧は３．５−５．３ボルトの範囲であると期待され、充放電電流密度は約０．１−１０μＡ／ｃｍ2であると期待される。
【００７９】
事例８
リチウムイオン陽極、混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）およびＭｏＳ２陰極を含む３−Ｄマイクロ電池を、シリコン基板上に形成することができる。陰極材料は上記事例１と類似の方法で調製される。リチウムイミド1Ｐ（ＥＯ）20ＥＣ1９％（ｖ／ｖ）Ａｌ2Ｏ3の組成を有する、厚さが１０−２０μｍのフィルム状の混合ポリマー電解質（ＣＰＥ）を、リチウムイミド４５ｍｇ、Ｐ（ＥＯ）３００ｍｇ、ＥＣ３０ｍｇおよびＡｌ2Ｏ3１００ｍｇから調製する。平均の分子量が５×１０6であるポリエチレンＰ（ＥＯ）（Ａｌｄｒｉｃｈ）を約２４時間にわたって、４５−５０℃で真空乾燥する。ポリマースラリーは既知量のＰ（ＥＯ）、リチウムイミドおよびエチレンカーボネート（ＥＣ）を分析グレードのアセトニトリル中に、例えばＡｌ2Ｏ3（Ｂｕｅｈｌｅｒ）のような、約１５０Åの平均径を有する所要量の無機充填剤と共に、分散することによって調製される。均一な懸濁液を確実に形成するために、高速のホモゲナイザーを使用することができる。懸濁液を約２４時間にわたって攪拌しても良い。次に、ＣＰＥフィルムを３−Ｄ基板上に流し込む。貫通孔をポリマー電解質で充填するために、真空およびスピンコーティング法を使用することができる。
【００８０】
この蓄電池の電流密度は５０μＡ／ｃｍ2程度である。放電時のカットオフ電圧は１．１ボルト程度であると期待される。充電時のカットオフ電圧は２．２ボルト程度であると期待される。
【００８１】
事例９
リチウム陽極、液体または混合ＨＰＥおよびＭｏＳ2陰極を含む３−Ｄマイクロ電池を製造することができる。陽極マイクロコンテナは、約１８５℃で溶解されたリチウムによって充填される。陰極およびＨＰＥは、上記事例１と同様の方法で調製することができる。マイクロ電池の感応効率（ファラディ効率）は１００％に達するものと期待される。
【００８２】
本明細書に記載した方法および装置は主に３−Ｄマイクロ電池の製造に関するものであるが、本発明の原理は、例えばキャパシタのようなエネルギー蓄積装置を、マイクロコンテナのインターレースセットおよび多孔質分離体を使用して製造するためにも使用することができる。
【００８３】
したがって、当然のことであるが、上述した実施形態は一例として挙げたものであり、本発明は特に上記で示しかつ記載したものに限定されない。むしろ、本発明の範囲は、上述した種々の特徴の組合せおよび副次的な組合せの両者と共に、上記の記載を読むことによって当業者が思いつきかつ従来技術において開示されていない、変更および修正含む。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるマイクロ電池の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の製造に使用されるマスクの概略的上面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【図７Ａ】本発明の一実施形態にかかるマイクロ電子装置の概略的断面図である。
【図７Ｂ】本発明の他の実施形態にかかるマイクロ電子装置の概略的上面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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