(57)【要約】【課題】本発明は、固体電解質、その製造方法、およびそれを含むデバイスに関する。【解決手段】本発明の電解質は、式ＳｉｖＯｗＣｘＨｙＬｉｚ（式中、ｖ、ｗ、ｘ、ｙおよびｚは、原子のパーセンテージで０≦ｖ≦４０、５≦ｗ≦５０、ｘ＞１２、１０≦ｙ≦４０、１≦ｚ≦７０、および９５％≦ｖ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦１００％である。）の非晶質固体である。  本発明の電解質は、特にエレクトロニクスおよびマイクロバッテリーの分野での用途を見出している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の式Ｉの非晶質固体であることを特徴とする、電解質：
（数１）
ＳｉｖＯｗＣｘＨｙＬｉｚ  式Ｉ
（式中、ｖ、ｗ、ｘ、ｙおよびｚは、原子のパーセンテージであって
０≦ｖ≦４０；
５≦ｗ≦５０；
ｘ＞１２；
１０≦ｙ≦４０；
１≦ｚ≦７０；および
９５％≦ｖ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦１００％である）。
【請求項２】
式Ｉにおいて、
０≦ｖ≦１５；
１５≦ｗ≦３０；
２０≦ｘ≦４０；
１５≦ｙ≦３０；および
２０≦ｚ≦４０
であることを特徴とする、請求項１に記載の電解質。
【請求項３】
少なくとも１種のドーパント元素を最大で５ａｔ％、さらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の電解質。
【請求項４】
前記少なくとも１種のドーパント元素が、フッ素、ホウ素、リン、窒素、または後者の混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項３に記載の電解質。
【請求項５】
炭素ベース気体前駆体；
ガス状リチウム化前駆体；および
ヘリウムなどの中性キャリアガス
を含むガス状混合物の、所望の支持体上でのプラズマエンハンスト化学気相成長を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体電解質の製造方法。
【請求項６】
前記炭素ベース気体前駆体が、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳＯ）、Ｃ７Ｈ８、Ｃ６Ｈ１２、ＣＨ４、Ｃ９Ｈ１０、Ｃ２Ｈ２、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、およびこれらの混合物から選択され、前記ガス状リチウム化前駆体が、リチウムヘキサメチルジシラザン（ＬｉＨＭＤＳ）、リチウムテトラメチルヘプタンジオネート（ＬｉＴＭＨＤ）、リチウムｔｅｒｔ−ブトキシド（ＬｉＴＢＯ）、リチウムアセチルアセトネート（ＬｉＡｃａｃ）、およびこれらの混合物から選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解質、または請求項５もしくは６に記載の方法によって得られた電解質を含むことを特徴とする完全固体マイクロバッテリー。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解質、または請求項５もしくは６に記載の方法によって得られた電解質を含むことを特徴とするエレクトロクロミックシステム。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解質、または請求項５もしくは６に記載の方法によって得られた電解質を含むことを特徴とするリチウムバッテリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質、その製造方法およびそれを含むデバイスにも関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムマイクロバッテリーは、小型の電子デバイス、および半導体デバイスにも使用されている。
【０００３】
電解質は、これらのマイクロバッテリーの電気的性能に、強い影響を及ぼす構成要素である。
【０００４】
なぜなら、サイクリング中に観察された障害は、リチウムと接触している電解質の電気化学的劣化にしばしば関連しているからである。
【０００５】
マイクロバッテリーの性能は、イオンや電子伝導性など、電解質の電気的性質に密接に関連している。
【０００６】
これらのマイクロバッテリーは、チップカード、スマートラベル、リアルタイムクロックおよびマイクロシステムへの電力供給で使用される。
【０００７】
これらの適用例の全てにおいて、バッテリーの動作に必要な層は、一方では固体であることを強いられ、他方では、マイクロエレクトロニクスの工業的プロセスに適合した技法により製造されることが強いられる。
【０００８】
固体電解質の中で、２つの種類、即ちポリマーとガラスとに区別することができる。
【０００９】
固体ポリマー電解質では、リチウム塩が、ポリマーマトリックスに直接溶解される。イオン伝導率は、一般に、固体ポリマーの非晶質マトリックス内でのＬｉ＋イオンの移動度に起因する。
【００１０】
しかし、固体ポリマー電解質は、ガラス転移温度が低く、そのためにＬｉ＋イオンを捕捉することが可能であり且つその移動を阻害することが可能な、結晶ゾーンが形成される。
【００１１】
さらに、このポリマー電解質の生成方法は、基板に順応する堆積、即ち基板の全てのポイントで同じ厚さを有する堆積を、生成することができない。
【００１２】
これら2つの理由により、マイクロバッテリーを製造するために今日一般に使用されている電解質は、ガラスである。
【００１３】
「ガラス」という用語は、非晶質材料を意味すると理解される。
【００１４】
従来技術に記載したガラスの中で、ＬｉＰＯＮ（リチウムリンオキシナイトライド）やＬｉＳＯＮ（リチウム硫黄オキシナイトライド）、ＬｉＳｉＰＯＮ（リチウムケイ素リンオキシナイトライド）などの無機ガラスのみを、電解質として使用する。
【００１５】
このファミリーの中で、ＬｉＰＯＮは、リチウムに関して良好な電気化学的安定性を有するので、現行のマイクロバッテリーに最も使用される固体電解質である。しかしＬｉＰＯＮは、ある特定のポリマー電解質に比べ、周囲温度で約２×１０−６Ｓ／ｃｍという比較的低いイオン伝導率を有する。
【００１６】
それに加え、無定形炭素（ａ−ＣｘＨｙ）やＰＤＭＳ様材料（ＳｉＯｘＣｙＨｚ）などの有機ガラスは、マイクロエレクトロニクスで一般に使用されている。しかしこの場合、有機ガラスは、相互接続での絶縁体として使用され、電解有機ガラスとしては使用されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従来技術のリチウムマイクロバッテリー用固体電解質の欠点を克服するために、本発明は、電解材料を提供し、即ちリチウムイオンの伝導を可能にし、コンフォーマル様式で堆積することができ、周囲温度で安定であり、且つ１×１０−６Ｓ／ｃｍよりも大きいイオン伝導率をする電解材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この目的で、本発明は、下記の式Ｉの有機ガラスである固体非晶質電解質を提供する：
【００１９】
（数１）
ＳｉｖＯｗＣｘＨｙＬｉｚ  式Ｉ
（式中、ｖ、ｗ、ｘ、ｙおよびｚは、原子のパーセンテージで
０≦ｖ≦４０；
５≦ｗ≦５０；
ｘ＞１２；
１０≦ｙ≦４０；
１≦ｚ≦７０；および
９５％≦ｖ＋ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦１００％）。
【００２０】
本発明の固体電解質は、ポリマーではないためにガラス転移温度を持たない点が、従来技術のポリマー電解質とは区別される。
【００２１】
本発明による電解質は、その化学組成によって、従来技術のガラスである電解質とは区別され：炭素を有し、したがって有機相を有している。
【００２２】
そのような、有機ガラスタイプの固体非晶質材料は、リチウムに対する有機部分の安定性が概して良好ではないという限り、電解質を得るのに好ましくないと推測される。
【００２３】
しかし、ついに、リチウムに対する本発明の電解質の化学的安定性は、本発明の固体電解質の架橋レベルが増大した場合に増大することが発見され、このレベルは、材料の硬度のレベルによって特徴付けられるものである。
【００２４】
しかし、架橋が増大すると、リチウムに対する本発明の電解質の安定性が増大するが、同時にそのイオン伝導率が低下する。
【００２５】
この理論に拘泥するものではないが、このイオン伝導の低下は、材料の密度の増大に起因すると考えられる。
【００２６】
しかし、本発明の固体電解質中に有機相が存在することによって、網状構造が緩和され、それがイオン伝導を促進させることも発見された。
【００２７】
このように、本発明の固体電解質が１２ａｔ％超の炭素、好ましくは２０〜４０ａｔ％の炭素を含有し、且つ０．５ＧＰａ以上であるが２０ＧＰａ未満の硬度を有する場合、得られた非晶質固体電解質は、共にリチウムに対して化学的に安定であり、良好なイオン伝導特性を有する。
【００２８】
本発明の固体電解質の硬度は、ナノインデンテーションによって測定した。
【００２９】
この目的で、ＣＳＭナノ硬度測定装置は、Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ圧子を使用して連続多重サイクルモードで使用した。
【００３０】
硬度の測定がなされる面上に置かれた圧子の先端を、負荷を加えることによってサンプル内に押し込む。次いでこの負荷を、材料の部分的または完全な緩和が生じるまで、低減させる。次いで負荷／深さ曲線を使用して、硬度や弾性率などの機械的性質を計算する。
【００３１】
この場合、初期負荷１ｍＮを１０ｍＮまで増大させ、この負荷を加えることによって残された１００〜２００ｎｍの圧痕を得た。測定の全ては、２μｍの厚さを有するサンプル上で実施した。
【００３２】
より正確には、本発明の電解有機ガラスは、原子パーセンテージにおいて１２％超の炭素、好ましくは２０〜４０％の炭素、１〜７０％のリチウム、好ましくは２０〜４０％のリチウム、５〜５０％の酸素、好ましくは１５〜３０％の酸素、および０〜４０％のケイ素、好ましくは０〜１５％のケイ素、および１０〜４０％の水素、好ましくは１５〜３０％の水素を含有し、炭素、リチウム、酸素、ケイ素、および水素の原子パーセンテージの合計が、少なくとも９５％に等しい。
【００３３】
なぜなら、本発明の電解有機ガラスは、炭素、リチウム、酸素、ケイ素、および水素しか含まなくてもよいが、雰囲気に対するより大きな耐薬品性または改善された動作カバーを得るために、フッ素、ホウ素、リン、窒素、これらの混合物などの材料を添加することによってドープすることも期待できるからである。
【００３４】
このように、本発明の電解質は、追加として、少なくとも１種のドーパント元素を最大で５ａｔ％含んでもよい。
【００３５】
本発明の電解質は、ガス状リチウム化前駆体と、ヘリウムなどの中性キャリアガスとが添加された、ガス状炭素ベース前駆体の、プラズマエンハンスト化学気相成長によって得られる。
【００３６】
炭素ベース前駆体は、ａ−ＣｘＨｙまたはＳｉＯｘＣｙＨｚタイプのガラス状マトリックスを得ることを可能にし、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳＯ）、Ｃ７Ｈ８、Ｃ６Ｈ１２、ＣＨ４、Ｃ９Ｈ１０、Ｃ２Ｈ２、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、またはこれらの炭素ベース前駆体の１つまたは複数の混合物でよい。
【００３７】
リチウム化前駆体は、無定形炭素またはＳｉＯｘＣｙＨｚタイプのガラス状マトリックスを機能化するために、リチウムヘキサメチルジシラザン（ＬｉＨＭＤＳ）、リチウムテトラメチルヘプタンジオネート（ＬｉＴＭＨＤ）、リチウムｔｅｒｔ−ブトキシド（ＬｉＴＢＯ）、リチウムアセチルアセトネート（ＬｉＡｃａｃ）、またはこれらのリチウム化前駆体の１つまたは複数の混合物であることが好ましい。
【００３８】
本発明の電解質は、全固体リチウムマイクロバッテリーの要件、エレクトロクロミックシステムの要件、および一般に任意のリチウムアキュムレータの要件を満たす。
【００３９】
その製造方法は、低温で、即ち３００℃よりも低い温度での堆積の実施を可能にする、マイクロエレクトロニクスで使用される方法に適合した方法であり、さらに、その方法は、堆積された固体電解質の堆積厚さをナノメートルの範囲内に制御することを可能にする方法であり、この堆積速度は、１時間当たり５μｍよりも速い。
【００４０】
以下に引き続き記述され且つ図を参照しながら示される、例示的な記述を読むことによって、本発明がより良好に理解され、またその他の詳細および利点がより明らかにされよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
最初に、本発明の電解質を製造するための方法について、図１を参照しながら記述する。
【００４２】
ガス状リチウム化前駆体、ガス状炭素ベース前駆体、およびキャリアガスと、任意選択のドーパント元素もそれぞれ独立に、図１の２、２’、２’’、および２’’’によって示されるチャンバの１つに貯蔵する。これらを、図１の３、３’、３’’、および３’’’によって示されるダクトを介して、４、４’、４’’、および４’’’によって示される流量計に搬送し、そこでは、得られる最終化合物の化学量論量を制御することが可能になる。
【００４３】
次いで所望の割合のリチウム化前駆体、炭素ベース前駆体、任意選択のドーパント元素、およびキャリアガスを含有するガス状混合物を、図１の５によって示されるダクトを介して、図１の１によって示されるプラズマチャンバ内に搬送する。
【００４４】
ガス状混合物を、図１の６によって示されるシャワータイプの噴射システムを介して、プラズマチャンバ１内に噴射する。プラズマチャンバ１を、図１の９によって示される真空ポンプにより、１ｍｂａｒの圧力で維持する。
【００４５】
次に、ガス状混合物を、図１の７によって示される高周波プラズマにかける。次いで所望の化学組成の本発明の固体電解質を、図１の８によって示される基板ホルダ上に配置された所望の基板（図示せず）上に、所望の厚さまで堆積する。
【００４６】
プラズマチャンバ１内の圧力、および高周波プラズマの出力は、図１の１０によって示される制御装置を使用して制御する。
【００４７】
化学反応のエネルギー担体および活性剤としてのプラズマの使用により、チャンバ内に導入された前駆体が多量に分解され、これはランダムな手法で行われるが、得られた材料は、[Ｘ]ｎタイプの一般式（但しＸは、「基本単位」炭素ベース鎖を表し、ｎはこの単位の分布を表す。）により、ポリマーの場合のように記述できないことを意味する。このように、長距離秩序は得られない。得られた材料は、非晶質でありガラス状である。長いポリマー鎖が存在しないことは、ポリマー電解質で一般に観察される不安定状態の原因となるガラス転移温度および再結晶現象が、存在しないことを説明している。
【００４８】
本発明をより良く理解するために、いくつかの具体的な実施例について以下に述べるが、これらは単なる例示として示されるものであり、本発明を限定するものと見なすべきではない。
実施例１
式ＳｉＯＣＨＬｉの固体電解質の合成
図１に示され且つ上記にて示された装置を使用することによって、式Ｃ３８Ｏ２１Ｈ２２Ｌｉ１９の固体電解質は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）５００ｓｃｃｍ（標準ｃｍ３毎分）、リチウムｔｅｒｔ−ブトキシド（ＬｉＴＢＯ）１０ｓｃｃｍ、およびヘリウム２００ｓｃｃｍを含有するガス状混合物をプラズマチャンバ内に噴射することにより、得られた。
【００４９】
ガス状混合物の全てを、プラズマチャンバ１内に噴射し、７によって示される、出力１００ワットで１３．５６ＭＨｚの高周波を有するプラズマに、２０分間曝した。
【００５０】
堆積の始まりから終わりまで、プラズマチャンバ１内の全圧力を１ｍｂａｒに保った。
【００５１】
得られた電解質の硬度は、２．３ＧＰａであった。
実施例２
示差走査熱量測定
実施例１で得られた本発明の固体電解質、および従来技術で最も一般的なポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）であるポリマー電解質も、示差走査熱量測定によって分析した。
【００５２】
図２は、温度の関数として得られた曲線を表す。
【００５３】
図２にからわかるように、ポリエチレンオキシドの示差走査熱量測定曲線は、６０℃の温度で明瞭に画定されたガラス転移ピークを有するのに対し、本発明の固体電解質では、顕著な変化は観察されなかった。
【００５４】
この意味で、本発明のリチウム化ガラス状有機電解質は、固体電解質の熱安定性に関する問題の解決を、可能にする。
実施例３
本発明による電解質の架橋量がその伝導性に及ぼす影響の実証
実施例１の固体電解質と同じ式を有する固体電解質を、実施例１と同じ手法で調製したが、このときプラズマ出力は２０分間で３００Ｗとし、その結果、硬度が２０ＧＰａである電解質が得られた。
【００５５】
次いでインピーダンス分光測定を、実施例１で得られた固体電解質および実施例３で得られた固体電解質に関して実施した。
【００５６】
図３は、得られたインピーダンス曲線を表す。
【００５７】
図３からわかるように、実施例１で得られた電解質に関連するイオン伝導率は、３×１０−６Ｓ／ｃｍであるのに対し、この実施例３で得られた電解質では、このイオン伝導率が２×１０−７Ｓ／ｃｍまで低下した。
【００５８】
このように、本発明の電解質の硬度は、０．５〜２０ＧＰａまでを含めた範囲内に維持しなければならない。
実施例４
平面マイクロバッテリーの製造
平面マイクロバッテリーの例を、図４に概略的に示す。
【００５９】
図４からわかるように、平面マイクロバッテリーは、下記の層の連続積層体からなる：
−図４で、１１によって示されるシリコン基板；
−図４で、１２によって示される金アノード電流コレクタ；
−図４で、１３によって示される金カソード電流コレクタ；
−図４で、１４によって示される酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）カソード；
−図４で、１５によって示される、本発明による固体電解質；
−図４で、１６によって示されるリチウムアノード；および
−図４で、１７によって示されるパリレン封入層。
【００６０】
この平面マイクロバッテリーを製造するために、酸素の存在下でバナジウムまたはＶ２Ｏ５ターゲットからのＤＣまたはＲＦスパッタリングを行うなど、当技術分野で知られている方法によって、その２つの金電流コレクタ（１２、１３）を備えたシリコン基板１１をＶ２Ｏ５層で被覆し、カソードを形成した。
【００６１】
次いで上記実施例１で述べた技法により、電解質を堆積した。次にアノードを、リチウム源の真空蒸着によって堆積した。
【００６２】
最後に、このアセンブリを、ポリ（パラ）−キシレンまたはパリレンに封入した。
実施例５
３次元マイクロバッテリーの製造
マイクロバッテリーの３次元構造によって、アクティブ記憶領域を増大させると共に、同一の見掛けの領域も維持することが可能になる。本発明の固体電解質の使用は、マイクロバッテリーの構成材料をコンフォーマル手法で堆積させる必要があるこのタイプの構造に、特に適していた。
【００６３】
図５は、３次元構造を有するマイクロバッテリーの概略図である。
【００６４】
図５からわかるように、３次元構造を有するマイクロバッテリーは、図５の２２によって示される金カソード電流コレクタ材料の層で被覆された、図５の２１によって示されるシリコン基板からなる。
【００６５】
カソードである、酸化バナジウムＶ２Ｏ５で作製された図５の２３によって示される層を、層２２上に堆積した。この酸化バナジウム層２３は、酸素の存在下でバナジウムまたはＶ２Ｏ５ターゲットからＤＣまたはＲＦスパッタリングを行うなどの当技術分野で知られている方法により、３次元パターン上に堆積した。次いでこの層２３を、フォトリソグラフィ技法によってテクスチャ化した。
【００６６】
次いで本発明による電解質の、図５の２４によって示される層を、カソード層２３の３次元パターンに沿うように、実施例１で述べた技法により堆積した。
【００６７】
次に、図５の２５によって示されるリチウムで作製されたアノード層を、リチウム源の真空蒸着によって、本発明の固体電解質の層２４上に堆積した。
【００６８】
最後に、Ｖ２Ｏ５カソード層２３のフォトリソグラフィを介したテクスチャ化により、得られた３次元パターンに依然として沿いながら、図５の２６によって示される金アノード電流コレクタ層をアノード上に堆積した。
実施例６
エレクトロクロミックシステムの製造
本発明の有機ガラスをベースにした電解質は、エレクトロクロミックシステムで使用してもよい。このタイプのシステムでは、電圧の印加によって、その酸化状態に応じて変色する材料にまたはその材料からカチオン（例えば、リチウムカチオン）を挿入しまたは脱挿入することが、可能になる。この材料は、陽イオン源を提供する電解質に接触している。
【００６９】
本発明の固体電解質を用いて製造されるデバイスは、例えば、下記の層の連続積層体によって得られた：
−ガラス基板；
−ＤＣスパッタリングによって得られるインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）電流コレクタ；
−アルゴン＋酸素雰囲気下のＤＣスパッタリング、およびその後のアニーリングによって得られる、ＷＯ３カソードエレクトロクロミック材料；
−本発明による電解質材料；
−ＤＣスパッタリングによって得られるＺｒＯ２アノードエレクトロクロミック材料；
−ＤＣスパッタリングによって得られるＩＴＯ電流コレクタ；および
−透明なパリレン封入体。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の電解質の堆積および製造を可能にする、プラズマエンハンスト化学気相成長のための装置を概略的に示す図である。
【図２】従来のポリマー電解質および本発明のガラス状有機電解質に関する、示差走査熱量測定曲線を示す図である。
【図３】２．３ＧＰａおよび２０ＧＰａの硬度をそれぞれ有する、本発明のガラス状有機電解質で実施された、インピーダンス分光測定を示す図である。
【図４】本発明の電解質を含む平面リチウムマイクロバッテリーの断面を、概略的に示す図である。
【図５】本発明による電解質の層を含む、３次元構造を有するリチウムマイクロバッテリーを示す概略図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  プラズマチャンバ
２  チャンバ
２’  チャンバ
２’’  チャンバ
２’’’  チャンバ
３  ダクト
３’  ダクト
３’’  ダクト
３’’’  ダクト
４  流量計
４’  流量計
４’’  流量計
４’’’  流量計
５  ダクト
６  噴射システム
７  高周波プラズマ
８  基板ホルダ
９  真空ポンプ
１０  制御装置
１１  シリコン基板
１２  金アノード電流コレクタ
１３  金カソード電流コレクタ
１４  酸化バナジウムカソード
１５  固体電解質
１６  リチウムアノード
１７  パリレン封入層
２１  シリコン基板
２２  金カソード電流コレクタ材料の層
２３  カソード層
２４  固体電解質の層
２５  アノード層
２６  金アノード電流コレクタ層
【図１】
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【図２】
2008293974.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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