(57)【要約】【課題】スパッタリングを用いて電池部材を成膜する際に、正負極が短絡することがなく、さらに、未成膜部分が生じることがない薄型電池の製造方法を提供する。【解決手段】１つの電極を備えた積層体の表面を、所定形状の開口部を有するマスクでマスキングした後、スパッタリングにより、開口部内に電池部材を成膜して、前記積層体に積層する薄型電池の製造方法であって、マスクは、絶縁材料により形成された絶縁体部と、絶縁体部の上面側に設けられた第１の導体部と、成膜された電池部材が接する開口部の壁面部に設けられた第２の導体部と、を備えており、第１の導体部および第２の導体部が、接地されている薄型電池の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの電極を備えた積層体の表面を、所定形状の開口部を有するマスクでマスキングした後、スパッタリングにより、前記開口部内に電池部材を成膜して、前記積層体に積層する薄型電池の製造方法であって、
前記マスクは、
絶縁材料により形成された絶縁体部と、
前記絶縁体部の上面側に設けられた第１の導体部と、
成膜された前記電池部材が接する前記開口部の壁面部に設けられた第２の導体部と、
を備えており、
前記第１の導体部および第２の導体部が、接地されている
ことを特徴する薄型電池の製造方法。
【請求項２】
前記第２の導体部が、前記第１の導体部から連続して、前記絶縁体部の開口部側の壁面部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄型電池の製造方法。
【請求項３】
前記第２の導体部は、
前記電池部材の成膜厚さより厚く、
前記開口部と同じ大きさの導体開口部を有し、
前記積層体と前記絶縁体部との間に、前記導体開口部と前記開口部とが合致するように配置されており、
さらに、前記第２の導体部と前記第１の導体部との間に、導通部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の薄型電池の製造方法。
【請求項４】
前記電池部材が、シリコン（Ｓｉ）製の負極界面層、もしくはシリコン界面層を含む負極層であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄型電池の製造方法。
【請求項５】
前記電池部材が、窒素置換リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）製の固体電解質であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄型電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型電池の製造方法に関し、特に、電池部材をスパッタリングにより成膜して積層させる薄型電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯用電子機器等の分野において、機器の小型化、薄型化、軽量化が進むに伴い、機器に搭載される電池に対しても、更なる小型化、薄型化、軽量化への要求が高まっている。
【０００３】
このような要求に応える電池として、電極や電解質等の電池部材を、ＰＶＤやＣＶＤ等の気相成長法を用いて成膜することにより作製される、例えば、全固体型のリチウム電池等の薄型電池が注目されている。そして、その製造方法として、成膜した材料の安定性が高く、生産性に優れたスパッタリングを用いた薄型電池の製造方法が開発されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
このスパッタリングによる成膜は、一般的に、成膜面を所定の形状、寸法の開口部を有するマスクでマスキングしてスパッタリングを行うことにより行われている。図５〜７に、薄型電池を製造する際の成膜における従来のマスキング方法の例を模式的に示す。なお、図５〜７において、それぞれ、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【０００５】
図５は、マスクとして導体マスクを、そして、スパッタリング装置のステージ（図示せず）上に載置された基板として導体基板を用いた例である。図５において、５１は導体マスク、５２は導体基板、５３は電池である。
【０００６】
電池５３は、導体マスク５１と導体基板５２とで挟持され、導体マスク５１は、成膜中に電池５３の成膜面や導体マスク５１が帯電してチャージアップしないように接地されている。
【０００７】
図５に示した例では、導体マスク５１と導体基板５２が接近しているため、例えば導体マスクに撓みが生じた場合には、両者が接触して電池の正負極が短絡する恐れがある。
【０００８】
図６は、マスクとして絶縁体マスクを、そして、スパッタリング装置のステージ（図示せず）上に載置された基板として絶縁体基板を用いた例である。図６において、６１は絶縁体マスク、６２は絶縁体基板、６３は電池であり、電池６３は、絶縁体マスク６１と絶縁体基板６２とで挟持される。
【０００９】
図６に示した例では、絶縁体マスク６１と絶縁体基板６２を用いているため、マスクに撓みが生じて基板と接触しても、正負極が短絡する恐れがない。
【００１０】
しかし、この方法は、スパッタリングにより電池６３の成膜面および絶縁体マスク６１が帯電してチャージアップする恐れがある。そして、チャージアップした膜および絶縁体マスク６１は、逆スパッタリングされて削り取られる恐れがある。
【００１１】
上記の問題を解決するため、図７に示す方法が提案されている。図７において、７１はマスク、７２は絶縁体基板、７３は電池である。マスク７１は、導体部７１ａと絶縁体部７１ｂからなり、導体部７１ａは接地されている。図７に示す方法の場合は、マスクに撓みが生じても正負極が短絡する恐れがなく、また、マスク７１には導体部７１ａが設けられているため、図６に示した方法に比べてチャージアップが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−１７９８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図７に示した方法の場合、成膜面と導体部７１ａが離れているため、絶縁体部７１ｂの近傍のチャージアップを充分に抑制することができない。このため、逆スパッタリングが発生し、特に、マスク７１の開口部のコーナー部分に未成膜部分が生じるという問題があった。
【００１４】
このように、従来のマスキング方法では、電池の正負極が短絡する恐れや、未成膜部分が生じる恐れがあり、薄型電池の製造方法として充分とは言えなかった。
【００１５】
このため、本発明は、スパッタリングにより電池部材を成膜する際に、正負極が短絡することがなく、さらに、未成膜部分が生じることがない薄型電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、鋭意研究の結果、以下の手段により前記課題を解決する方法を見出し本発明に至った。以下、各請求項の発明を説明する。
【００１７】
本発明に係る薄型電池の製造方法は、
１つの電極を備えた積層体の表面を、所定形状の開口部を有するマスクでマスキングした後、スパッタリングにより、前記開口部内に電池部材を成膜して、前記積層体に積層する薄型電池の製造方法であって、
前記マスクは、
絶縁材料により形成された絶縁体部と、
前記絶縁体部の上面側に設けられた第１の導体部と、
成膜された前記電池部材が接する前記開口部の壁面部に設けられた第２の導体部と、
を備えており、
前記第１の導体部および第２の導体部が、接地されている
ことを特徴する。
【００１８】
本発明においては、第１の導体部を絶縁体部の上面側に設けているため、成膜する際にマスクに撓みが生じた場合でも正負極が短絡することがない。
【００１９】
さらに、本発明においては、マスク開口部の壁面部に第２の導体部を設けると共に、第１の導体部と第２の導体部を接地させている。このため、マスク開口部に形成される電池部材の成膜面やマスクに電荷が溜まらず、チャージアップの発生を充分に防止することができる。この結果、逆スパッタリングの発生が防止されて、マスク開口部のコーナー部分であっても未成膜部分が生じることがない。
【００２０】
本発明における具体的なスパッタリングの方法としては限定されず、例えば、ＲＦマグネトロンスパッタリング法やＤＣスパッタリング法などを好ましく適用することができる。特に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法は、導電性がないターゲットを用いる場合にもスパッタリングが可能であるため好ましい。
【００２１】
本発明において、「１つの電極を備えた積層体」とは、正負いずれか一方の電極に、例えば、集電体、固体電解質（ＳＥ）等が設けられた積層体など、電池を構成する部材の積層体を指しており、前記積層体に他方の電極等を成膜して電池を完成させたり、既に前記積層体により完成されている電池に、さらに保護膜などを成膜するものである。
【００２２】
次に、前記した薄型電池の製造方法は、
前記第２の導体部が、前記第１の導体部から連続して、前記絶縁体部の開口部側の壁面部に形成されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明においては、第１の導体部から連続して、第２の導体部を絶縁体部の開口部側の壁面部に形成させているため、開口部の壁面部を容易に形成することができる。
【００２４】
また、第１の導体部を屈曲させて作製することにより部品点数増を抑えることができる。
【００２５】
次に、前記した薄型電池の製造方法は、
前記第２の導体部は、
前記電池部材の成膜厚さより厚く、
前記開口部と同じ大きさの導体開口部を有し、
前記積層体と前記絶縁体部との間に、前記導体開口部と前記開口部とが合致するように配置されており、
さらに、前記第２の導体部と前記第１の導体部との間に、導通部が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
本発明においては、第２の導体部を絶縁体部の壁面部に形成するのではなく、電池部材の成膜厚さより厚い第２の導体部を別途形成し、積層体と絶縁体部との間に配置している。このため、成膜面は、絶縁体部ではなく、第２の導体部と接触することとなり、より確実にチャージアップを抑制することができる。
【００２７】
また、前記の導体部を屈曲させた構造と比較しても、確実に第２の導体部が電池表面に面接触することが可能であるため、非接触部による電位の不安定性が発生しない。
【００２８】
次に、前記した薄型電池の製造方法は、
前記電池部材が、シリコン（Ｓｉ）製の負極界面層、もしくはシリコン界面層を含む負極層であることを特徴とする。
【００２９】
負極界面層は、ＳＥと負極との間に設けられる。硫化物系等のＳＥが用いられる薄型電池において、負極界面層がない場合には負極材料によるＳＥの還元分解が発生するため、サイクル性能が劣る。しかし、Ｓｉ製の負極界面層もしくはＳｉ界面層を含む負極層を設けることによりＳＥの還元分解が抑制されるため、サイクル性能が低下することを防止することができる。このため、適用可能なＳＥが制限されることがなく、薄型電池の設計の自由度が増え、より性能の高い薄型電池を提供することができる。
【００３０】
そして、このような負極界面層のＳｉ層を、従来のスパッタリングにより成膜した場合、前述した導通体マスクを使用した場合の短絡や絶縁体マスクを使用した場合のチャージアップが生じやすい。これに対して、Ｓｉ層の形成に本発明の方法を適用した場合、絶縁体マスクによる短絡防止ができ、かつ電池表面の電位が安定するため、チャージアップの発生が抑制される。このため、高性能の薄型電池を安定して製造することが可能となる。
【００３１】
次に、前記した薄型電池の製造方法は、
前記電池部材が、窒素置換リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）製の固体電解質であることを特徴とする。
【００３２】
ＬｉＰＯＮ製のＳＥを用いた場合には、負極界面層を設ける必要がない。このため、よりシンプルな工程の下に品質の良い薄型電池を製造することができる。
【００３３】
そして、このようなＬｉＰＯＮ製のＳＥを、従来のスパッタリングにより成膜した場合、膜面のチャージアップにより正極側に電子が流れることにより過放電が生じやすい。これに対して、ＬｉＰＯＮ製のＳＥの成膜に本発明の方法を適用した場合、チャージアップされる前に電子が逃げることが可能であるため、このような過放電の発生が抑制される。このため、品質の良い薄型電池を安定して製造することができる。
【００３４】
なお、上記したＳｉ製の負極界面層、ＬｉＰＯＮ製のＳＥをスパッタリングにより成膜する際には、ターゲットとしてそれぞれＳｉ、Ｌｉ３ＰＯ４の焼結体、もしくはインゴットが好ましく用いられる。これらのターゲットは、導電性がないため、スパッタリング法としては、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を適用することが好ましい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、スパッタリングを用いて電池部材を成膜するに際に、正負極が短絡することがなく、さらに、未成膜部分が生じることがない薄型電池の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態において薄型電池を製造する際の成膜におけるマスキング方法の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態において薄型電池を製造する際の成膜におけるマスキング方法の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図３】正極を備えた電池を模式的に示す図である。
【図４】負極を備えた電池を模式的に示す図である。
【図５】薄型電池を製造する際の成膜における従来のマスキング方法の例を模式的に示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図６】薄型電池を製造する際の成膜における従来のマスキング方法の例を模式的に示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図７】薄型電池を製造する際の成膜における従来のマスキング方法の例を模式的に示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の薄型電池の製造方法を実施の形態に基づいて説明する。
【００３８】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態において薄型電池を製造する際の成膜におけるマスキング方法の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。図１において、１はマスク、２はステージ上に載置された絶縁体基板、３は一部の層が未成膜の未完成の電池である。
【００３９】
（１）マスク
マスク１は、電池部材を成膜するための開口部Ａを有し、絶縁材料により形成された絶縁体部１ｂを備えている。
【００４０】
絶縁体部１ｂの上面側には第１の導体部１ａが形成されており、成膜された電池部材が接する開口部Ａの壁面部には第２の導体部１ｃが形成されている。
【００４１】
第２の導体部１ｃは第１の導体部１ａと連続して形成されており、第１の導体部１ａおよび第２の導体部１ｃは接地されている。
【００４２】
（２）薄型電池の製造方法
薄型電池は、上記のマスク１を電池３の表面に配置してマスキングを行い、スパッタリングによりマスク１の開口部Ａ内に電池部材（厚み１０ｎｍ）を成膜することにより、電池３の上に電池部材を積層して製造される。
【００４３】
上記のマスク１では、第１の導体部１ａを絶縁体部１ｂの上面側に設けているため、成膜する際にマスク１に撓みが生じた場合でも正負極が短絡することがない。また、マスク１の開口部Ａの壁面部に第２の導体部１ｃを設けると共に、第１の導体部１ｂと第２の導体部１ｃを接地させているため、開口部Ａに形成される電池部材の成膜面やマスク１に電荷が溜まらず、チャージアップの発生を充分に防止することができる。この結果、逆スパッタリングの発生が防止されて、開口部Ａのコーナー部分であっても未成膜部分が生じることがない。
【００４４】
また、上記のマスク１においては、第１の導体部１ａから連続して、第２の導体部１ｃを絶縁体部１ｂの開口部Ａ側の壁面部に形成させているため、マスク１を作成する場合に、第２の導体部１ｃを容易に形成することができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態において薄型電池を製造する際の成膜におけるマスキング方法の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【００４６】
（１）マスク
本実施の形態におけるマスク１は、開口部Ａを有し、絶縁材料により形成された絶縁体部１ｂ（厚み１ｍｍ）を備えており、絶縁体部１ｂの上面側には第１の導体部１ａ（厚み０．５ｍｍ）が形成されている。
【００４７】
また、マスク１は、電池部材を成膜するための導体開口部Ｂを有する第２の導体部１ｃ（厚み０．２ｍｍ）を備えている。第２の導体部１ｃの厚みは、電池部材の成膜厚さ（１０ｎｍ）より厚く、導体開口部Ｂの開口の大きさは、絶縁体部１ｂの開口部Ａと同じとなるように設定され、また、導体開口部Ｂの位置は開口部Ａに合致させている。
【００４８】
第２の導体部１ｃおよび第１の導体部１ａは、導通部１ｄで接続されている。導通部１ｄは、絶縁体部１ｂに貫通孔１ｅを設け、貫通孔１ｅに導体を充填することにより形成されている。なお、導通部１ｄの数は、特に限定されるものではないが、図面では４個を示している。
【００４９】
（２）薄型電池の製造方法
薄型電池は、上記のマスク１を電池３の表面に配置してマスキングを行い、スパッタリングによりマスク１の導体開口部Ｂ内に電池部材を成膜することにより、電池３の上に電池部材を積層して製造される。
【００５０】
本実施の形態のマスク１の場合、第２の導体部１ｃを絶縁体部１ｂの壁面部に形成するのではなく、電池部材の成膜厚さより厚い第２の導体部１ｃを別途形成し、電池３と絶縁体部１ｂとの間に配置しているため、成膜面は、絶縁体部１ｂではなく、第２の導体部１ｃと接触することとなり、より確実にチャージアップを抑制することができる。
【００５１】
（電池の構成例）
次に、マスク１を適用して具体的な電池３を製造する方法について説明する。図３は、正極を備えた電池３を模式的に示す図であり、正極集電体３ａ、正極３ｂ、ＳＥ層３ｃおよび負極界面層３ｄの４層の電池３を示している。そして、負極界面層３ｄの表面にマスク１（図１参照）を配置し、開口部Ａ内に現れている負極界面層３ｄ上に負極３ｅを成膜することにより、正極と負極が設けられた電池を完成させる。
【００５２】
正極集電体３ａには、例えば厚さ０．５ｍｍ程度のステンレス（ＳＵＳ）等が用いられる。正極３ｂには、厚さ２０μｍ程度に成膜されたＬｉＣｏＯ２等のリチウム複合酸化物が好ましく用いられる。ＳＥ層３ｃには、例えば厚さ１０μｍ程度に成膜されたＬｉＰＯＮが好ましく用いられる。また、負極界面層３ｄには、Ｓｉの層が好ましく用いられる。
【００５３】
なお、図３では４層の電池３を示したが、２層構造や３層構造の電池３の上に、マスク１を用いてＳＥ層（電池部材）３ｃや負極界面層（電池部材）３ｄなどを成膜する際にも本発明の方法を有効に適用できる。
【００５４】
図４は、図３とは異なり、負極を備えた電池３を模式的に示す図であり、負極集電体３ｆ、負極３ｅ、負極界面層３ｄおよびＳＥ層３ｃの４層の電池３を示している。そして、ＳＥ層３ｃの表面にマスク１（図１参照）を配置してマスク１の開口部Ａに正極（電池部材）を成膜することにより、正極と負極が設けられた電池を完成させる。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１、７１                  マスク
１ａ                      第１の導体部
７１ａ                    導体部
１ｂ、７１ｂ              絶縁体部
１ｃ                      第２の導体部
１ｄ                      導通部
１ｅ                      貫通孔
２、６２、７２            絶縁体基板
３、５３、６３、７３      電池
３ａ                      正極集電体
３ｂ                      正極
３ｃ                      ＳＥ層
３ｄ                      負極界面層
３ｅ                      負極
３ｆ                      負極集電体
５１                      導体マスク
５２                      導体基板
６１                      絶縁体マスク
Ａ                        開口部
Ｂ                        導体開口部
【図１】
2012122084.tif 000003
【図２】
2012122084.tif 000004
【図３】
2012122084.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012122084.tif 000009