(57)【要約】【課題】容量を維持しながら電池構造の全体の厚さを薄くできる電池構造を提供する。【解決手段】電池構造に関する技法が開示される。支持基板を有するベース基板および電池層が準備される。電池層は、支持基板上に形成された保護層と、保護層上に形成されたフィルム電池要素と、フィルム電池要素を覆う絶縁体と、を含む。電池層は、支持基板の底部を上向きにしてベース基板上に配置される。次いで、支持基板は、保護層によってフィルム電池要素を保護しながら、少なくとも一部はエッチングによって電池層から除去される。ベース基板および２つ以上の電池層を含む積層電池構造も開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層電池構造を製造するための方法であって、
ベース基板を準備することと、
支持基板上に形成された電池層を準備することであって、前記電池層が前記支持基板上に形成された保護層、前記保護層上に形成されたフィルム電池要素、および前記フィルム電池要素を覆う絶縁体を含む、前記準備することと、
前記支持基板の底部を上向きにして前記ベース基板上に前記電池層を配置することと、
前記保護層によって前記フィルム電池要素を保護しながら、少なくとも一部はエッチングによって前記支持基板を前記電池層から除去することと、
を含む方法。
【請求項２】
所望の数の前記電池層が積層されるまで、
１つの別の支持基板上に形成された追加の電池層を前記別の支持基板の底部を上向きにして積層することであって、前記追加の電池層が保護層、フィルム電池要素、および絶縁体を含む、前記積層することと、
前記別の支持基板を少なくとも一部はエッチングによって前記追加の電池層から除去することと、
を交互に繰り返すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各電池層の前記フィルム電池要素が集電体および前記集電体と接触する電池セルを含み、前記方法が、
少なくとも１つの層を貫いて前記少なくとも１つの層の下の層まで延在するように、前記ベース基板上に積層された前記電池層にビア・ホールを形成することであって、前記層までの前記支持基板が前記エッチングによって除去されている、前記形成することと、
前記ビア・ホールに導電性材料を充填するか、または前記ビア・ホールの内面に導電性材料を堆積させて、前記電池層の少なくとも１つの集電体に電気的に接続された導電性経路を形成することと、
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ビア・ホールを形成することが、
前記集電体を残したまま、レーザ加工によって前記電池層の少なくとも１つの保護層および少なくとも１つの絶縁体を穿孔すること、
を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ビア・ホールが複数のセクションを有し、前記複数のセクションが、前記電池層の底部から頂部に拡大する少なくとも１つの水平寸法を有し、前記ベース基板に対して水平面内で互いに重なり合い、前記導電性経路が、異なる電池層内の複数の集電体とのコンタクトを有し、各コンタクトが前記複数の集電体のそれぞれの表面で得られる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電池層の頂部に配線層を構築することをさらに含み、前記配線層が前記導電性経路を外部端子と接続する導体性パターンを含む、
請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記支持基板を除去することが、
前記保護層に達するまで前記支持基板をウェット・エッチングすること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記支持基板がガラス材料で作られ、前記ウェット・エッチングがバッファード・フッ化水素酸溶液を使用してエッチングすることを含み、前記保護層が前記バッファード・フッ化水素酸溶液に対するエッチ・ストッパとして機能し、前記ベース基板が前記バッファード・フッ化水素酸溶液に対する耐性を有する材料で作られている、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース基板には、その上に形成されたベース電池層が設けられ、前記ベース電池層が前記ベース基板上に形成されたフィルム電池要素と、前記ベース基板上に形成された前記フィルム電池要素を覆う絶縁体と、を含み、前記電池層が、前記電池層を前記ベース基板上に配置する際に前記ベース電池層の前記絶縁体上に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ベース基板と、
前記ベース基板上の２つ以上の電池層であって、各電池層が、
保護層、
前記保護層上に形成されたフィルム電池要素、および
前記フィルム電池要素を覆う絶縁体、を備える、
前記２つ以上の電池層と、
を備え、
前記電池層が、各絶縁体がベース基板側にあり、各保護層が前記ベース基板側とは反対側にあり、前記電池層の上側の電池層の前記絶縁体が前記電池層の下側の電池層に接合するように、前記ベース基板に対して上下逆さまに積層されている、
積層電池構造。
【請求項１１】
前記電池層の前記上側の電池層の前記絶縁体が、前記電池層の前記下側の電池層の前記保護層に表面接合している、請求項１０に記載の積層電池構造。
【請求項１２】
前記上側の電池層の前記絶縁体と前記下側の電池層の前記保護層との間に介在する剛性材料がない、請求項１１に記載の積層電池構造。
【請求項１３】
前記ベース基板がベース電池層を備え、前記ベース電池層が、前記ベース基板上に形成されたフィルム電池要素と、前記ベース基板上に形成された前記フィルム電池要素を覆う絶縁体と、を含み、前記２つ以上の電池層が前記ベース電池層の前記絶縁体上に配置されている、請求項１０に記載の積層電池構造。
【請求項１４】
各電池層の前記フィルム電池要素が集電体および前記集電体と接触する電池セルを含み、前記積層電池構造が、
前記電池層の少なくとも１つの層を貫いて形成された１つまたは複数の導電性経路であって、それぞれが前記電池層の少なくとも１つの集電体に電気的に接続されている、前記１つまたは複数の導電性経路
をさらに備える、請求項１０に記載の積層電池構造。
【請求項１５】
１つの導電性経路が、異なる電池層の複数の集電体とのコンタクトを有するビアを含み、各コンタクトが前記複数の集電体のそれぞれの表面で得られる、請求項１４に記載の積層電池構造。
【請求項１６】
前記ビアが複数のセクションを有し、前記複数のセクションが、前記電池層の底部から頂部に拡大する少なくとも１つの水平寸法を有し、前記ベース基板に対して水平面内で互いに重なり合っている、請求項１５に記載の積層電池構造。
【請求項１７】
前記２つ以上の電池層の頂部に構築された配線層であって、１つの導電性経路を外部端子と接続する導体性パターンを含む、前記配線層
をさらに備える、請求項１４に記載の積層電池構造。
【請求項１８】
前記保護層が、バッファード・フッ化水素酸溶液を使用するウェット・エッチングに対するエッチ・ストッパとして使用可能な材料で作られている、請求項１０に記載の積層電池構造。
【請求項１９】
前記保護層が窒化ケイ素で作られている、請求項１０に記載の積層電池構造。
【請求項２０】
各電池層が、
支持基板上に形成された層構造を準備することであって、前記層構造が、前記保護層、前記フィルム電池要素、および前記絶縁体を含み、前記保護層が前記支持基板上に形成されている、前記準備することと、
前記支持基板の底部を上向きにして前記層構造を積層することと、
前記保護層によって前記フィルム電池要素を保護しながら、少なくとも一部はエッチングによって前記支持基板を前記層構造から除去することと、
によって提供される、請求項１０に記載の積層電池構造。
【請求項２１】
電子部品および積層電池構造を含む電子デバイスであって、前記積層電池構造が、
ベース基板、
前記ベース基板上の２つ以上の電池層、および
前記積層電池構造を前記電子部品に接続するための配線層
を備え、
各電池層が、
保護層、
前記保護層上に形成されたフィルム電池要素であり、前記配線層を介して前記電子部品に電力を供給するために使用される、前記フィルム電池要素、および
前記フィルム電池要素を覆う絶縁体
を備え、
前記電池層が、各絶縁体がベース基板側にあり、各保護層が前記ベース基板側とは反対側にあり、前記電池層の上側の電池層の前記絶縁体が前記電池層の下側の電池層に接合するように、前記ベース基板に対して上下逆さまに積層されている、
電子デバイス。
【請求項２２】
前記積層電池構造が配線基板上に取り付けられ、前記配線層が前記配線基板の一部として設けられ、前記電子部品が前記配線基板に取り付けられるか、または前記積層電池構造が、前記電子部品が取り付けられる基板として機能する、請求項２１に記載の電子デバイス。
【請求項２３】
支持基板上に形成された電池層を前記支持基板の底部を上向きにしてベース基板上に配置することであって、前記電池層が、前記支持基板上に形成された保護層、前記保護層上に形成されたフィルム電池要素、および前記フィルム電池要素を覆う絶縁体を含む、前記配置することと、
前記保護層によって前記フィルム電池要素を保護しながら、少なくとも一部はエッチングによって前記支持基板を前記電池層から除去することと、
を含む、積層電池構造製造方法。
【請求項２４】
ベース基板を準備することと、
支持基板上に形成されたデバイス要素層を準備することであって、前記デバイス要素層が前記支持基板上に形成された保護層、前記保護層上に形成されたデバイス要素、および前記デバイス要素を覆う接着材料を含む、前記準備することと、
前記デバイス要素層を前記支持基板の底部を上向きにして前記ベース基板上に配置することと、
前記デバイス要素層の前記保護層に達するまで、前記支持基板を前記支持基板の前記底部からエッチングすることと、
を含む、積層構造を製造するための方法。
【請求項２５】
所望の数の前記デバイス要素層が積層されるまで、
１つの別の支持基板上に形成された追加のデバイス要素層を前記別の支持基板の底部を上向きにして積層することと、
前記別の支持基板をエッチングによって前記追加のデバイス要素層から除去することと、
を交互に繰り返すことをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電池技術に関し、より詳細には積層電池構造および積層電池構造を製造するための方法に関する。本発明は、積層構造を製造する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、固体薄膜電池（ＳＴＦＢ）は、小さな占有面積および安全な性質という点でモノのインターネット（ＩｏＴ）デバイスのための有望な充電式電池として注目を集めている。しかしながら、一般に、ＳＴＦＢは、十分なエネルギー容量を有していない。負極の厚さに対する制限によりＳＴＦＢの容量が制限され、ＳＴＦＢを厚くすることは、技術的に困難であることが知られているため、積層（または３次元パッケージング）は、ＳＴＦＢを使用して電池の容量を拡大させるための解決策の１つである。しかしながら、ＳＴＦＢが製造される基板の厚さは、大容量電池を実現する際のボトルネックになる。
【０００３】
半導体デバイス製造プロセスの分野では、機械的な研削によってウエハの厚さを減らすためのプロセスであるウエハ裏面研削がウエハを薄くするための最も一般的な技法として知られている。しかしながら、ウエハ裏面研削プロセスを適用して積層膜電池構造を製造するにはいくつかの欠点がある。そうした欠点には、機械的な研削によって薄くすることができる基板の厚さの限界が含まれる。たとえウエハを７５〜５０μｍまで薄くできたとしても、基板の厚さは、約１０マイクロメートル（約１０μｍ）以下にすることが可能なＳＴＦＢの厚さよりも依然として数倍厚い。
【０００４】
第１の薄膜電池および第２の薄膜電池を含む積層薄膜電池が提案されており、この積層薄膜電池では負極集電体および正極集電体（current collector）が第１の表面に形成され、第１および第２の薄膜電池は、それぞれの第１の表面が互いに向かい合うように積層されている（米国特許第９，６３４，３３４号）。しかしながら、薄膜電池が製造される基板の厚さは、依然として大容量電池を実現するためのボトルネックである。
【０００５】
多層のリチウム電気化学セルを含むモノリシックに集積された薄膜固体リチウム電池デバイスも提案されている（米国特許出願第２０１２／００５８３８０号）。しかしながら、多層のリチウム電気化学セルは、物理的気相堆積技法によって連続して製造されるため、負極に採用することができる材料は、集積された薄膜固体リチウム電池デバイスでは制限される。ＬｉＣｏＯ２などの負極材料は、他の構成要素の熱抵抗の観点から連続的な積層が困難になるために用いることができない高温アニール・プロセスを必要とする。
【０００６】
したがって、容量を維持しながら電池構造の全体の厚さを薄くできる電池構造が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第９，６３４，３３４号
【特許文献２】米国特許出願第２０１２／００５８３８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、この電池構造を含む積層電池構造およびその積層電池構造を製造するための方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態によると、積層電池構造を製造するための方法が提供される。本方法は、ベース基板を準備することを含む。本方法は、支持基板上に形成された電池層を準備することも含み、電池層が、支持基板上に形成された保護層、保護層上に形成されたフィルム電池要素、およびフィルム電池要素を覆う絶縁体を含む。本方法は、支持基板の底部を上向きにしてベース基板上に電池層を配置することをさらに含む。本方法は、保護層によってフィルム電池要素を保護しながら、少なくとも一部はエッチングによって支持基板を電池層から除去することをさらに含む。
【００１０】
本発明の実施形態による方法によって製造された積層電池構造は、積層電池構造の容量および製造コストを維持しながら、全体の厚さをより薄くすることができ、製造コストも、フィルム電池要素を保護しながら、エッチングによってフィルム電池要素が形成される支持基板を薄くすることができ、または除去することができるため低い。
【００１１】
好ましい実施形態では、本方法は、所望の数の電池層が積層されるまで、別の支持基板を有する追加の電池層をこの別の支持基板の底部を上向きにして積層することと、この別の支持基板を少なくとも一部はエッチングによって追加の電池層から除去することと、を交互に繰り返すことをさらに含む。追加の電池層は、保護層、フィルム電池要素、および絶縁体を含む。これによって、電池構造の全体の厚さを維持しながら、積層電池構造の容量を拡大することができる。１個の電池層を積層することによって増加する厚さが小さいため、ある特定の厚さ内で積層される電池層の数を増加させることが可能である。
【００１２】
他の好ましい実施形態では、支持基板を除去することは、保護層に達するまで支持基板をウェット・エッチングすることを含む。保護層の背後のフィルム電池要素に損傷を与えることなく、費用対効果の大きいウェット・エッチングによって支持基板を完全に除去することができるため、基板薄層化に起因する製造コストの増加を抑制しながら、可能な限り全体の厚さを低減させることが可能である。
【００１３】
さらなる好ましい実施形態では、支持基板は、ガラス材料で作られ、ウェット・エッチングは、バッファード・フッ化水素酸（ＢＨＦ）溶液を使用したエッチングを含むことができ、保護層は、ＢＨＦ溶液に対するエッチ・ストッパとして機能し、ベース基板は、ＢＨＦ溶液に対する耐性を有する材料で作られている。したがって、支持基板除去のスループットを高めることができ、ベース基板を保護するためのツールまたは材料を不要にすることができる。
【００１４】
さらなる好ましい実施形態では、ベース基板には、その上に形成されたベース電池層が設けられ、ベース電池層は、ベース基板上に形成されたフィルム電池要素と、ベース基板上に形成されたフィルム電池要素を覆う絶縁体と、を含む。電池層は、電池層をベース基板上に配置する際に、ベース電池層の絶縁体上に配置される。これにより、製造プロセスがより効率的になる。
【００１５】
さらなる他の好ましい実施形態では、各電池層のフィルム電池要素は、集電体と、集電体と接触する電池セルと、を含む。本方法は、少なくとも１つの層を貫いて少なくとも１つの層の下の層まで延在するように電池層にビア・ホールを形成することをさらに含み、この層までの支持基板がエッチングによって除去される。本方法は、ビア・ホールに導電性材料を充填するか、またはビア・ホールの内面に導電性材料を堆積させて、電池層の少なくとも１つの集電体に電気的に接続された導電性経路を形成することをさらに含む。少なくとも２つの電池層に延在するビア・ホールをまとめて製造することができるため、導電性経路の製造プロセスを簡略化することができる。
【００１６】
さらなる他の好ましい実施形態では、ビア・ホールを形成することは、集電体を残したまま、レーザ加工によって電池層の少なくとも１つの保護層および少なくとも１つの絶縁体を穿孔することを含む。したがって、導電性経路の製造コストを下げることができる。
【００１７】
さらなる他の好ましい実施形態では、ビア・ホールは、複数のセクションを有し、複数セクションは、ベース基板上に積層された電池層の底部から頂部に拡大する少なくとも１つの水平寸法を有し、ベース基板に対して水平面内で互いに重なり合っている。導電性経路は、異なる電池層の複数の集電体とのコンタクトを有し、各コンタクトが複数の集電体のそれぞれの表面で得られる。したがって、導電性経路と集電体との間のコンタクトの信頼性を向上させることができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態によると、ベース基板と、ベース基板上の２つ以上の電池層と、を含む積層電池構造が提供される。各電池層は、保護層と、保護層上に形成されたフィルム電池要素と、フィルム電池要素を覆う絶縁体と、を含む。本積層電池構造では、電池層は、各絶縁体がベース基板側にあり、各保護層がベース基板側とは反対側にあり、電池層の上側の電池層の絶縁体が電池層の下側の電池層に接合するように、ベース基板に対して上下逆さまに積層されている。
【００１９】
本発明の実施形態による積層電池構造は、その容量を維持しながらより薄い全体の厚さを有することができ、または電池構造の全体の厚さを維持しながら大容量を有することができる。１個の電池層を積層することによって増加する厚さが小さいため、ある特定の厚さ内で積層される電池層の数を増加させることが可能である。
【００２０】
他の好ましい実施形態では、電池層の上側の電池層の絶縁体は、電池層の下側の電池層の保護層に接合する表面を有する。さらなる他の好ましい実施形態では、上側の電池層の絶縁体と下側の電池層の保護層と間には介在する剛性材料がない。これにより、全体の厚さを低減させることが可能になる。
【００２１】
本発明のさらなる他の実施形態によると、電子部品および積層電池構造を含む電子デバイスが提供される。本積層電池構造は、ベース基板と、ベース基板上の２つ以上の電池層と、積層電池構造を電子部品に接続するための配線層と、を含む。各電池層は、保護層を含む。各電池層は、保護層上に形成されたフィルム電池要素も含み、このフィルム電池要素は、配線層を介して電子部品に電力を供給するために使用される。各電池層は、フィルム電池要素を覆う絶縁体をさらに含む。本電子デバイスでは、電池層は、各絶縁体がベース基板側にあり、各保護層がベース基板側とは反対側にあり、電池層の上側の電池層の絶縁体が電池層の下側の電池層に接合するように、ベース基板に対して上下逆さまに積層されている。
【００２２】
本発明のさらなる他の実施形態による電子デバイスは、電池の占有面積を小さく保ちながら、大容量の電池を有することができる。
【００２３】
本発明のさらなる他の実施形態によると、積層電池構造が提供される。本積層電池構造は、支持基板を有する電池層を、支持基板の底部を上向きにしてベース基板上に配置することによって製造され、電池層が、支持基板上に形成された保護層と、保護層上に形成されたフィルム電池要素と、フィルム電池要素を覆う絶縁体と、を含む。本積層電池構造は、保護層によってフィルム電池要素を保護しながら、少なくとも一部はエッチングによって支持基板を電池層からさらに除去することによって製造される。
【００２４】
本発明の実施形態による積層電池構造は、フィルム電池要素を保護しながら、フィルム電池要素が形成される支持基板を薄くすることができ、または除去することができるため、その容量を維持しながら、より薄い全体の厚さを有することができる。
【００２５】
本発明の別の実施形態によると、積層構造を製造するための方法が提供される。本方法は、ベース基板を準備することを含む。本方法は、支持基板上に形成された保護層と、保護層上に形成されたデバイス要素と、デバイス要素を覆う接着材料と、を含む、支持基板を有するデバイス要素層を準備することを含む。本方法は、支持基板の底部を上向きにしてベース基板上にデバイス要素層を配置することを含む。本方法は、デバイス要素層の保護層に達するまで支持基板の底部から支持基板をエッチングすることをさらに含む。
【００２６】
本発明の実施形態による積層構造は、デバイス要素を保護しながらデバイスが形成される支持基板が除去されるため、積層構造内の積層デバイス層の数を維持しながら、より薄い全体の厚さを有することができる。
【００２７】
さらなる特徴および利点は、本発明の技法を介して実現される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書で詳細に説明されており、特許請求される発明の一部と考えられる。
【００２８】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結びの特許請求の範囲において具体的に指摘され、かつ明確に特許請求される。本発明の前述および他の特徴ならびに利点は、添付図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかである。図面内の要素および層のサイズと相対位置は、必ずしも縮尺通りには描かれないことに留意されたい。これらの要素または層の一部は、図面の読みやすさを改善するために、任意に拡大および配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の断面図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最初の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最初の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最初の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最初の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最初の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの中間の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図８】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの中間の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図９】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの中間の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最後の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図１１】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最後の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図１２】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造の製造プロセスの最後の１／３の部分のステップで得られる構造の断面図である。
【図１３】本発明の例示的な実施形態による積層電池構造内の接続された集電体の概略図である。
【図１４】本発明の例示的な実施形態による階段状構造を有するビアを製造するためのプロセスである。
【図１５】本発明の例示的な実施形態による階段状構造を有するビアを製造するためのプロセスである。
【図１６】本発明の例示的な実施形態による階段状構造を有するビアを製造するためのプロセスである。
【図１７】本発明の例示的な実施形態による階段状構造を有するビアを製造するためのプロセスである。
【図１８】本発明の例示的な実施形態による階段状構造を有するビアを製造するためのプロセスである。
【図１９】本発明の例示的な実施形態による階段状構造を有するビアを製造するためのプロセスである。
【図２０】本発明の他の実施形態による積層電池構造の断面図である。
【図２１】本発明の他の実施形態による積層電池構造の断面図である。
【図２２】本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態による積層電池構造を含む電子デバイスである。
【図２３】本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態による積層電池構造を含む電子デバイスである。
【図２４】本発明の例示的な実施形態による、新規の支持基板除去プロセスを適用する場合と適用しない場合の積層電池構造間の比較を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
ここで、本発明が特定の実施形態を使用して説明され、以下で説明する実施形態は、例としてのみ参照されると理解され、本発明の範囲を限定することは意図されていない。
【００３１】
本発明による１つまたは複数の実施形態は、積層電池構造、積層電池構造を製造するための方法、この方法によって製造された積層電池構造、積層電池構造を含む電子デバイスを対象とし、大きな電池容量を容積効率のよいやり方で実現することができる。
【００３２】
以下、図１を参照して、本発明の例示的な実施形態による積層電池構造を説明する。
【００３３】
図１は、積層電池構造１００の概略図を示す。積層電池構造１００の断面図が図１に示されている。図１に示すように、積層電池構造１００は、ベース基板１０２と、それぞれが少なくとも１つのフィルム電池要素を含む、ベース基板１０２上に積層された複数の電池層１１０、１４０と、積層電池層１１０、１４０に形成された１対のビア１７２、１７４と、積層電池層１１０、１４０の頂部に構築された配線層１８０と、を含む。
【００３４】
記載された実施形態では、ベース基板１０２上に積層された電池層は、フィルム電池要素が上を向いた上向きのベース電池層１１０と、フィルム電池要素が下を向いた２つ以上の下向きの電池層１４０と、を含むことができる。図１に示す積層電池構造１００では、１つの上向きのベース電池層１１０と、上向きのベース電池層１１０上に積層された２つの下向きの電池層１４０Ａ、１４０Ｂとがある。
【００３５】
上向きのベース電池層１１０は、ベース基板１０２上に形成されてもよい。上向きのベース電池層１１０は、ベース基板１０２上に形成されたフィルム電池要素１２０と、フィルム電池要素１２０を覆う絶縁体１３２と、を含むことができる。下向きの電池層１４０は、上向きのベース電池層１１０の絶縁体１３２上に配置されてもよい。
【００３６】
各下向きの電池層１４０は、保護層１４４と、保護層１４４上に形成されたフィルム電池要素１５０と、フィルム電池要素１５０を覆う絶縁体１６２と、を含む。
【００３７】
下向きの電池層１４０のフィルム電池要素１５０の向きは、上向きのベース電池層１１０の向きと反対であることに留意されたい。各下向きの電池層１４０は、各絶縁体１６２がベース基板１０２の側にあり、各保護層１４４がベース基板側とは反対側にあるように、ベース基板１０２に対して上下逆さまに、下にある電池層（１１０または１４０）上に配置されている。下向きの電池層１４０は、電池層の上側の電池層の絶縁体（例えば、１６２Ｂ）が、電池層の下側の電池層（例えば、１４０Ａ）に接合し、最下部の下向きの電池層の絶縁体（すなわち、図１の１６２Ａ）が上向きのベース電池層１１０に接合するように、積層されている。
【００３８】
ベース基板１０２は、ほんの数例を挙げると、シリコン、アルミナセラミック、ガラス、マイカなどの剛性材料のいずれか１つで作られてもよい。しかしながら、フィルム電池要素１２０の製造プロセスが負極材料の加熱プロセスを含むことがあるため、ベース基板１０２は、負極材料の加熱プロセスに耐えることができる耐熱材料で作られているのが好ましい。
【００３９】
保護層１４４は、積層電池構造１００の製造プロセスにおいて実行されることがあるウェット・エッチングに対するエッチ・ストッパとして使用可能な化学的に耐性のある材料で作られてもよい。製造プロセスについては後で説明する。特定の実施形態では、保護層１４４は、バッファード・フッ化水素酸（ＢＨＦ）溶液を使用するウェット・エッチングに対するエッチ・ストッパとして使用可能な化学的に不活性な材料で作られている。保護層１４４は、湿気または液体が電解質などのフィルム電池要素１５０の構成要素に侵入するのを防ぐこともできる。フィルム電池要素１５０の製造プロセスを考慮すると、フィルム電池要素１５０が製造される保護層１４４は、負極材料の加熱プロセスに耐えることができる耐熱材料で作られているのが好ましい。ビア１７２、１７４の製造プロセスを考慮すると、ビア・ホールが製造される保護層１４４は、レーザ加工することが可能な比較的低いドライ・エッチング耐性を有する材料で作られているのが好ましい。そうした材料には、窒化ケイ素ＳｉＮ（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）が含まれるが、これに限定されない。しかしながら、他の実施形態では、材料がビア・ホールの製造を妨げず、エッチング耐性および耐熱性を有する限り、ポリシリコンなどの他の無機材料も使用することができる。保護層１４４の材料は、蒸着技法を含む実質的にあらゆる標準的な手段によって堆積させることができる。保護層１４４の厚さは、約０．１〜約１．０μｍの範囲にあってもよい。
【００４０】
例えば、絶縁体１３２、１６２は、摂氏１５０〜２５０度の範囲にあってもよいある特定の硬化温度を有する樹脂などの接着材料から作られてもよい。レーザによって穿孔することができる任意のレーザ加工可能な接着性樹脂を絶縁体１３２、１６２の材料として使用することができる。そのような樹脂には、ほんの数例を挙げると、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂などが含まれてもよい。
【００４１】
上向きのベース電池層１１０と最下部の下向きの電池層１４０Ａは、電池層１１０、１４０Ａの絶縁体１３２、１６２Ａによって接合されてもよい。下側および上側の下向きの電池層（例えば、１４０Ａ、１４０Ｂ）は、それらの間に設けられた上側絶縁体（例えば、１６２Ｂ）によって接合されてもよい。
【００４２】
硬化させることによって、上向きのベース電池層１１０の絶縁体１３２と最下部の下向きの電池層１４０Ａの絶縁体１６２Ａとが、一体的に一緒に固定され得る。上側の電池層の絶縁体（例えば、１６２Ｂ）は、下側の電池層の保護層（例えば、１４４Ａ）に表面接合していてもよい。図１に示す最終的な積層電池構造１００では、上側の電池層の絶縁体（例えば、１６２Ｂ）と下側の電池層の保護層（例えば、１４４Ａ）との間には介在する剛性材料がない。
【００４３】
下向きの電池層１４０の各フィルム電池要素１５０は、負極集電体（ＣＣＣ）１５２と、負極集電体１５２に接続された負極１５４と、負極１５４にインタフェースする電解質１５６と、電解質１５６にインタフェースする正極１５８と、正極１５８に接続された正極集電体（ＡＣＣ）１６０と、を含むことができる。負極１５４、電解質１５６、および正極１５８は、集電体１５２、１６０と接触する電池セルを構成する。上向きのベース電池層１１０のフィルム電池要素１２０は、下向きの電池層１４０のフィルム電池要素１５０と同一または同様の構造を有してもよく、負極集電体１２２、正極集電体１３０、および集電体１２２、１３０と接触する電池セルを含むこともでき、この電池セルが負極１２４、電解質１２６、および正極１２８を含むことができる。
【００４４】
負極集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂ、および正極集電体１３０、１６０Ａ、１６０Ｂは、負極１２４、１５４および正極１２８、１５８のそれぞれの材料に適切である限り、金属（例えば、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕなど）および他の導電性材料（例えば、グラファイト、カーボン・ナノチューブなど）のいずれかで作られてもよい。負極集電体１２２および正極集電体１３０は、ベース基板１０２上に形成されてもよい。負極集電体１５２Ａ、１５２Ｂおよび正極集電体１６０Ａ、１６０Ｂは、それぞれの保護層１４４Ａ、１４４Ｂ上に形成されてもよい。
【００４５】
保護層１４４が導電性材料で作られている場合、集電体１５２、１６０と保護層１４４との間に介在する追加の非導電層があってもよいことに留意されたい。また、ベース基板１０２が導電性材料で作られている場合、集電体１２２、１３０とベース基板１０２との間に追加の非導電層があってもよいことに留意されたい。
【００４６】
負極１２４、１５４は、ほんの数例を挙げると、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４などの結晶質またはナノ結晶質のリチウム層間化合物（intercalation compound）で作られてもよい。負極１２４、１５４の材料は、スパッタリングなどの蒸着技法を含む実質的にあらゆる標準的な手段によって堆積させることができ、低温堆積によって得られたフィルムは、所定のアニール温度（通常摂氏５００〜７００度の範囲）でアニールされて、完全な結晶相を得ることができる。あるいは、負極１２４、１５４の材料は、基板を所定の堆積温度で加熱しながら、蒸着技法を含む実質的にあらゆる標準的な手段によって堆積させることができる。ナノ結晶質のＬｉｘＭｎ２−ｘＯ４などのアニールされていない他の負極材料は、負極材料の候補から除外されなくてもよい。
【００４７】
電解質１２６、１５６は、リチウム酸化物ベースの電解質（例えば、リチウム・リン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）、リチウム・ランタン・チタン酸化物（ＬＬＴＯ）など）、リチウム硫化物ベースの電解質、およびホウリン酸リチウム（ＬｉＢＰ）などの他のリン酸リチウムベースの電解質を含む、セラミック電解質などの固体電解質のいずれかであってもよい。電解質１２６、１５６は、スパッタリングなどの蒸着技法を含む実質的にあらゆる標準的な手段によって堆積させることができる。図１に示す実施形態では、電解質１２６、１５６は、負極１２４、１５４の表面およびエッジを完全に覆うように負極１２４、１５４上に堆積させることができる。
【００４８】
正極１２８、１５８は、シリコン、および絶縁体１３２、１６２の硬化温度よりも高い融点を有する材料のいずれかで作られてもよい。具体的には、正極１２８、１５８は、リチウムを含まない正極であってもよく、正極は、初期充電時に電解質１２６、１５６と正極集電体１３０、１６０との界面で金属リチウムの電気めっきまたはリチウム化を施すことによって形成されてもよい。あるいは、正極１２８、１５８は、シリコン・スズ酸窒化物（ＳｉＴＯＮ）、スズ、および亜鉛窒化物などのリチウムイオン正極であってもよい。前述の正極材料を用いることによって、正極１２８は、絶縁体１３２、１６２を硬化する温度に耐えることができる。しかしながら、他の実施形態では、摂氏１８０度の融点を有する金属リチウムは、正極材料が絶縁体１３２、１６２を硬化する硬化温度に耐えることができる限り、正極材料の候補から除外されなくてもよい。
【００４９】
好ましい実施形態では、各フィルム電池要素１２０、１５０は、全固体薄膜電池、より具体的には全固体リチウムイオン薄膜電池として製造することができる。特定の実施形態では、フィルム電池要素１２０、１５０の全体の厚さは、約１０マイクロメートル（例えば、約１０μｍ）以下であってもよい。
【００５０】
ビア１７２、１７４は、積層電池層１１０、１４０内に形成され、外部デバイスと積層電池層１１０、１４０内のフィルム電池要素１２０、１５０との間の導電性経路を提供することができる。記載された実施形態では、ビア１７２、１７４は、少なくとも１つの電池層（図１の１４０Ｂ、１４０Ａ）を貫いて、少なくとも１つの電池層の下の層（図１の１１０）まで延在することができ、１つまたは複数の保護層（図１の１４４Ｂ、１４４Ａ）および１つまたは複数の絶縁体（図１の１６２Ｂ、１６２Ａ、１３２）を含むことに留意されたい。
【００５１】
各ビア１７２（または１７４）は、積層電池層１１０、１４０の少なくとも１つを貫いて開けられたビア・ホールに形成されてもよい。ビア・ホールは、１つまたは複数の電池層１１０、１４０をまとめて貫いて形成されてもよい。ビア・ホールは、導電性材料（例えば、はんだペースト）を充填するか、またはその内面に導電性材料（例えば、金属）を堆積させて、ビア１７２、１７４を形成することによって導電性にされる。
【００５２】
各ビア１７２（または１７４）は、積層電池層１１０、１４０の集電体１２２、１５２（または１３０、１６０）の少なくとも１つに電気的に接続されている。１つまたは複数の実施形態では、各ビアは、異なる電池層の複数の集電体とのコンタクトを有し、各コンタクトが複数の集電体のそれぞれの表面で得られる。
【００５３】
図１に示す記載された実施形態では、ビア１７２は、負極集電体（例えば、１２２、１５２Ａ、１５２Ｂ）のそれぞれの表面でコンタクトを有することができる。ビア１７４は、正極集電体（例えば、１３０、１６０Ａ、１６０Ｂ）のそれぞれの表面でコンタクトを有することができる。
【００５４】
図１によると、ビア１７２（または１７４）は、下向きの電池層１４０Ａ、１４０Ｂの集電体１５２Ａ、１５２Ｂ（１６０Ａ、１６０Ｂ）と接触していないように見えることに留意されたい。しかしながら、ビア１７２（または１７４）は、それぞれ異なる断面で集電体１５２Ａ、１５２Ｂ（または１６０Ａ、１６０Ｂ）と接触している。異なる断面の集電体１５２、１６０の輪郭が図１の破線によって示されている。
【００５５】
積層電池層１１０、１４０の頂部に構築された配線層１８０は、ビア１７２、１７４を、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリなどの外部デバイスに接続可能な外部端子と接続する導電性要素（配線パターン）を有することができる。配線層１８０も配線層の絶縁体として樹脂から作られていてもよい。樹脂は、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂、ポリイミド、および他のポリマのいずれかであってもよい。
【００５６】
積層電池構造１００の構造は、図１に示す特定の実施形態に限定されなくてもよい。図１には示されていないが、積層電池構造１００に追加の層があってもよい。例えば、フィルム電池要素１２０、１５０は、絶縁体１３２、１６２の樹脂の堆積前に、他の保護コーティングによって覆われてもよい。
【００５７】
また、積層電池構造１００内のフィルム電池要素１２０、１５０のレイアウトは、フィルム電池要素１２０、１５０がすべてビア１７２、１７４によって並列に接続された図１に示す特定の実施形態に限定されなくてもよい。
【００５８】
他の実施形態では、フィルム電池要素１２０、１５０の少なくとも２つが、ビアまたは配線層１８０などの表面配線層あるいはその両方を使用することによって直列に接続されるようなレイアウトが用いられてもよい。フィルム電池要素１２０、１５０を直列に接続することにより、積層電池構造の小さな占有面積を維持しながら、積層電池構造１００の端子電圧を増加させることができる。各要素を直列に接続することによって、電位差の低下のためにこれまでは事実上使用されていない電極材料を用いることができるため、電極材料の設計選択の幅を広げることができる。また、他の態様では、適切な直列接続を有する積層電池構造１００から複数の端子電圧を得ることができる。
【００５９】
特定の実施形態では、複数の層間の相互接続は、ビアだけでなく、それぞれのビア構造によって各電気経路を各集電体から積層体の頂部まで配線した後に配線層１８０などの他の表面配線層によっても実現することができる。ビアは、頂部層から底部層までを含むすべての層を貫いて開けられてもよく、または中間層の集電体で孔を終端することによって、層の一部を貫いて開けられてもよい。ビアが頂部から底部までのすべての層を貫いて開けられたとしても、ビアは、すべての集電体と接続している必要はなくてもよい。
【００６０】
以下、一連の図２〜図６、図７〜図９、および図１０〜図１２を参照して、本発明の例示的な実施形態による積層電池構造１００を製造するためのプロセスを説明する。
【００６１】
図２〜図６、図７〜図９、および図１０〜図１２は、積層電池構造１００の製造プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。
【００６２】
図２に示すように、製造プロセスは、フィルム電池要素１２０が製造されるベース基板１０２を準備するステップを含むことができる。特定の実施形態では、このステップによって準備されたベース基板１０２は、ＢＨＦ溶液および熱に対する耐性を有するバルク・シリコンで作られている。負極集電体１２２、負極１２４、電解質１２６、正極１２８、および正極集電体１３０を含むフィルム電池要素１２０は、下向きの電池層１４０のフィルム電池要素１５０に関して以下で例示的に説明されるような実質的にあらゆる標準的なプロセスによってベース基板１０２上に製造され得る。
【００６３】
図３に示すように、製造プロセスは、フィルム電池要素１２０およびベース基板１０２上に絶縁体１３２を形成して、ベース基板１０２上に形成されたベース電池層１１０を得るステップも含むことができる。特定の実施形態では、本ステップは、フィルム電池要素１２０上に絶縁材料を堆積させるサブステップと、下向きの電池層１４０に関して以下で例示的に説明されるような適切な方法によって平坦な頂面１３２ａを得るために、絶縁材料を平坦化する後続のサブステップと、を含むことができる。
【００６４】
図４に示すように、製造プロセスは、保護層１４４が形成される支持基板１４２を準備するステップをさらに含むことができる。フィルム電池要素１５０が製造される支持基板１４２は、好ましくは、負極１５４の加熱プロセスに耐えることができる耐熱材料で作られている。特定の実施形態では、本ステップによって準備された支持基板１４２は、ＢＨＦ溶液中で比較的高いエッチング速度およびまた耐熱性を有するガラス材料で作られている。保護層１４４は、ＢＨＦ溶液を使用するウェット・エッチングに対するエッチ・ストッパとして使用可能な化学的に耐性のある材料で作られてもよい。特定の実施形態では、保護層１４４は、ＢＨＦ溶液中での低いエッチング速度およびまた耐熱性を有する窒化ケイ素ＳｉＮ（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）で作られている。保護層１４４は、ほんの数例を挙げると、ＲＦマグネトロン・スパッタリング、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）などの蒸着技法を含む実質的にあらゆる標準的な手段によってガラス基板上に形成することができる。
【００６５】
図５に示すように、製造プロセスは、保護層１４４を間に介在させて支持基板１４２上にフィルム電池要素１５０を製造するステップを含むことができる。フィルム電池要素１５０は、任意の従来のプロセスを使用することによって支持基板上に製造することができる。例えば、フィルム電池要素１５０は、一連の蒸着プロセスによって製造することができる。
【００６６】
フィルム電池要素１５０を製造する例示的なプロセスには、（ａ）保護層１４４に正極および負極の集電体１５２、１６０を堆積させるステップと、（ｂ）低温下で負極集電体１５２に負極１５４を堆積させるステップと、（ｃ）所定のアニール温度（例えば、摂氏５００〜７００度の範囲）で負極１５４をアニールして完全な結晶相を得るステップと、（ｄ）負極１５４を完全に覆って電解質１５６を堆積させるステップと、（ｅ）電解質１５６および正極集電体１６０に正極１５８を堆積させるステップと、が含まれてもよい。他の実施形態では、本プロセスは、（ｆ）ステップ（ｂ）および（ｃ）の代わりに、支持基板１４２を加熱しながら所定の堆積温度の下で負極集電体１５２に負極１５４を堆積させるステップを含むことができる。
【００６７】
図６に示すように、製造プロセスは、フィルム電池要素１５０および保護層１４４上に絶縁体１６２を形成して、保護層１４４が間に介在した、支持基板１４２上に形成された電池層１４０を得るステップをさらに含むことができる。
【００６８】
特定の実施形態では、絶縁体１６２を形成するステップは、フィルム電池要素１５０上に絶縁材料を堆積させるサブステップと、絶縁材料を圧搾（squeeze）すること、絶縁材料をフライカット（fly-cut）すること、または絶縁材料を化学的および機械的に研磨することによって平坦な頂面１６２ａを得るために絶縁材料を平坦化する後続のサブステップと、を含むことができる。あるいは、平坦化のサブステップは、堆積させた絶縁材料を保持する支持基板１４２を高速で回転させて保護層１４４の頂面全体にわたって絶縁材料を一様に分布させるスピンオングラス技法に基づいて行われてもよい。
【００６９】
一連の図４〜図６に記載されたステップを所定の回数繰り返すことよって、それぞれの支持基板１４２上に形成される所望の数の電池層１４０を別々に準備することができる。一連の図４〜図６に記載されたステップを、並列または直列に繰り返すことができ、一連の図２〜図３に記載されたステップの後または前に実行することができることに留意されたい。
【００７０】
図７に示すように、製造プロセスは、支持基板１４２Ａを有する電池層１４０Ａを支持基板１４２Ａの底部を上向きにしてベース基板１０２上に配置するステップを含むことができる。記載された実施形態では、ベース基板１０２には、その上に形成されたベース電池層１１０が設けられているため、電池層１４０は、絶縁体１６２がベース基板１０２側になるように上下逆さまにベース電池層１１０の絶縁体１３２上に配置され、フィルム電池要素１５０Ａが製造される保護層１４４（および支持基板１４２Ａ）がベース基板側とは反対側にある。
【００７１】
図８に示すように、製造プロセスは、保護層１４４Ａによってフィルム電池要素１５０Ａを保護しながら、エッチングによって支持基板１４２Ａを電池層１４０Ａから除去するステップを含むことができる。エッチングは、化学エッチングであってもよい。記載された実施形態では、支持基板１４２は、図８に示すように保護層１４４に達するまで、その下にある構造をそのままにして、支持基板１４２をウェット・エッチングすることによって電池層１４０から完全に除去することができる。支持基板１４２がガラス材料で作られ、ベース基板１０２がシリコン材料で作られている場合、ＢＨＦ溶液を使用するウェット・エッチングは、シリコン上の二酸化ケイ素ＳｉＯ２に対して高い選択性を有するため用いることができる。保護層１４４は、ＢＨＦウェット・エッチングに対するエッチ・ストッパとして機能する。
【００７２】
ベース基板１０２がシリコンなどのＢＨＦに対して耐性を有する材料で作られている場合、ウェット・エッチング中にベース基板１０２の裏面を保護する必要はない。したがって、ベース基板１０２を保護するための特別のツールまたは材料を不要にすることができる。しかしながら、他の実施形態では、ＢＨＦに対する耐性を有しない材料は、ウェット・エッチング中に裏面保護を可能にするウエハ・チャックなどの任意の公知のツールまたは窒化ケイ素などの化学的に耐性のある材料によってベース基板１０２の裏面を保護することができる限りは、ベース基板１０２の材料として除外されない。
【００７３】
支持基板１４２は、図８の電池層１４０から完全に除去されるとして示されていること留意されたい。しかしながら、支持基板１４２が一部はエッチングによって電池層１４０Ａから除去される代替の実施形態も考えられてもよい。
【００７４】
図９に示すように、製造プロセスは、所望の数の電池層１４０が積層されるまで、追加の電池層（例えば、１４０Ｂ）を繰り返し積層するステップを含むことができる。追加の電池層１４０を繰り返し積層するステップは、別の支持基板１４２を有する追加の電池層１４０を積層するサブステップと、追加の電池層１４０から支持基板１４２を除去するサブステップと、を交互に実行するステップを含むことができる。各繰り返しステップ・サイクルでは、支持基板１４２を有する追加の電池層１４０は、支持基板１４２の底部を上向きにして積層される。次いで、支持基板１４２は、図８を参照して説明したのと同じやり方で少なくとも一部はエッチングによって追加の電池層１４０から除去される。
【００７５】
特定の実施形態では、所望の数の電池層１４０が積層された後、電池層１４０を積層するごとに一部分硬化されることがある絶縁体１３２、１６２Ａ、１６２Ｂは、絶縁体１３２、１６２Ａ、１６２Ｂの樹脂を硬化温度にさらすことによって完全に硬化される。絶縁体１３２、１６２Ａ、１６２Ｂを完全に硬化することによって、積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの上層および下層のそれぞれが互いに堅く固定される。
【００７６】
図１０に示すように、製造プロセスは、ビア・ホール１７０ａ、１７０ｂを積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂ内に形成するステップを含むことができる。ビア・ホール１７０ａ、１７０ｂは、少なくとも１つの層までの支持基板１４２がエッチングによって除去されると、少なくとも１つの層を貫いてその下にある層まで延在することができる。図１０では、電池層１４０Ａまでの支持基板１４２Ｂ、１４２Ａがエッチングによって除去されており、ビア・ホール１７０ａ、１７０ｂは、２つの電池層１４０Ｂ、１４０Ａを貫いてその下にある層１１０まで延在している。ビア・ホール１７０ａ、１７０ｂは、ベース基板１０２に対して垂直または斜めに積層電池層内に形成されてもよい。
【００７７】
レーザ加工可能な絶縁体材料が絶縁体１３２、１６２Ａ、１６２Ｂに使用される場合、集電体１２２、１３０、１５２、１６０を残しながら、レーザ加工によって積層電池層の絶縁体１６２Ｂ、１６２Ａ、１３２および保護層１４４Ｂ、１４４Ａの両方を直接穿孔することによってビア・ホール１７０ａ、１７０ｂを形成することができる。孔は、数十マイクロメートルの寸法（例えば、５０μｍ径／幅）を有することができる。
【００７８】
図１１に示すように、製造プロセスは、導電性材料をビア・ホール１７０ａ、１７０ｂに充填して、導電性経路としてビア１７２、１７４を形成するステップを含むことができる。導電性材料の充填は、はんだペースト充填などの実質的にあらゆる標準的な手段によって実行することができる。記載された実施形態では、各ビア１７２（または１７４）は、積層電池層のそれぞれの集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂ（または１３０、１６０Ａ、１６０Ｂ）に電気的に接続されている。代替の実施形態では、製造プロセスは、導電性材料で充填する代わりに、ビア・ホール１７０ａ、１７０ｂの内面に導電性材料を堆積させるステップを含んでもよい。
【００７９】
一連の図１０〜図１１に記載されたステップの実行によって、それぞれがそれぞれの集電体に接続された導電性経路が積層電池層１１０、１４０内に形成され得る。導電性経路を製造するためのプロセスは、後でより詳細に説明する。
【００８０】
図１２に示すように、製造プロセスは、電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの頂部に配線層１８０を構築するステップ含むことができる。配線層１８０は、ビア１７２、１７４を外部端子と接続する導電性要素を有することができ、この導電性要素は、ＣＰＵまたはメモリなどの外部デバイスに接続するために使用される。絶縁体として樹脂が導電性要素上に形成されてもよい。
【００８１】
前述の説明は、単一の積層電池構造１００に焦点を当てたが、製造プロセスは、チップまたはパッケージ・レベルだけでなく、ウエハまたはパネル・レベルでも行うことができる。特定の実施形態では、ベース基板１０２および支持基板１４２は、ウエハまたはパネルの形態を有してもよく、ベース基板１０２および支持基板１４２は、その上に形成された複数のフィルム電池要素１２０、１５０を含むことができる。ウエハまたはパネルの形態であってもよい複数の電池層１１０、１４０を接合した後に、それぞれが図１に示す積層電池構造１００と同一の構造を有する複数のチップにダイシングされ得る。
【００８２】
図２〜図６、図７〜図９、および図１０〜図１２に示す例示的な実施形態によると、積層するために準備された各電池層１１０、１４０は、その上に既に別々に製造されたフィルム電池要素１２０、１５０を有するため、積層電池構造１００の他の構成要素は、下層の正極などの以前に形成された他の構成要素が、後で上層に形成される負極に対する加熱プロセスに耐える必要がある複数層の電気化学セルを順次製造する順次積層とは対照的に、負極１２４、１５４の加熱プロセスによる損傷を受けない。言いかえれば、負極１２４、１５４の材料は、他の構成要素を損傷することなく、結晶相に変換され得る。
【００８３】
積層後の最も可能性の高い熱プロセスは、絶縁体１３２、１６２および配線層１８０の硬化である場合があるため、他の構成要素は、積層電池構造１００の構成要素が硬化温度に耐えることができる限りは、製造プロセス全体を通して損傷を受けない。
【００８４】
一連の図１３および図１４〜図１８を参照して、本発明の例示的な実施形態による階段状構造を有するビアを製造するプロセスを説明する。
【００８５】
図１３は、積層電池構造１００のビア１７２によって接続された集電体１２２、１５２の概略図を示す。図１３には、積層電池構造１００の断面図２００、積層前の（図１３の破線の円Ｐによって示されるような）負極集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂの周囲の部分の３つの電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの上面図２１０、２２０、２３０がある。断面図２００と上面図２１０、２２０、２３０の関係は、図１３の矢印およびラベルによって表されている。断面図２００は、図１３の上面図２１０、２２０、２３０の「Ｘ」によって示される断面に対応する。断面図２００の断面に現われない集電体１５２、１６０の輪郭が図１３の破線によって示されていることに留意されたい。
【００８６】
図１３には、積層ステップ直後、ビア・ホール形成ステップ直後、および充填ステップ直後の積層電池層の上面図２４０、２５０、２６０がそれぞれさらにある。図１４〜図１８は、階段状構造を有するビア１７２を製造するプロセスを示す。図１４〜図１８に示す断面図は、図１３の「Ｖ」によって示される断面に沿った、破線の円Ｐによって示される部分の拡大図に対応する。
【００８７】
１番目の層（すなわちベース電池層１１０）の上面図２１０に示すように、ベース基板１０２と、上面図２１０において破線の矩形によって示される負極集電体１２２と、絶縁体１３２とが層状になっている。上面図２２０、２３０に示すように、絶縁体１６２と、上面図２２０、２３０において破線の矩形によっても示される負極集電体１５２と、保護層１４４とが、２番目および３番目の層（すなわち電池層１４０Ａ、１４０Ｂ）のそれぞれついて層状になっている。負極集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂの位置は、（場合によってはフィルム電池要素１２０、１５０Ａ、１５０Ｂの全体構造と一緒に）ベース基板１０２の水平面内の方向に沿ってシフトされていることに留意されたい。
【００８８】
図１３の上面図２４０は、所望の数の電池層１１０、１４０の積層ステップ直後の積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの頂面を示す。図１４は、積層ステップ直後の積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの断面図を表す。図１３の上面図２４０に示すように、３番目の電池層１４０Ｂの保護層１４４Ｂの頂面を積層ステップの直後に見ることができる。
【００８９】
図１３の上面図２５０は、ビア・ホール形成ステップ直後の積層電池層１１０、１４０Ａの頂面を示す。図１５は、ビア・ホール形成ステップ直後の積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの断面図を表す。保護層１４４Ｂ、１４４Ａおよび絶縁体１６２Ｂ、１６２Ａ、１３２を頂部から底部まで穿孔することによって、ビア・ホール１７０ａが積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂを貫いて製造される。集電体１５２Ｂ、１５２Ａ、１２２は、レーザ穿孔に対するストッパとして機能することができ、したがって、集電体１５２Ｂ、１５２Ａ、１２２は、絶縁体１６２Ｂ、１６２Ａ、１０２上に残り、それらの下にある構造がレーザ加工の経過後にそのままであることに留意されたい。
【００９０】
図１５に示すように、ビア・ホール１７０ａは、積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの底部から頂部に拡大する少なくとも１つのそれぞれの水平寸法を有してもよく、各セクションがベース基板１０２の水平面内で互いに重なり合ってもよい。図１３の上面図２５０に示すように、ビア・ホール形成ステップ後に、ベース基板１０２に対して法線方向から見ると、すべての負極集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂの表面を、ビア・ホール１７０ａを通して見ることができる。
【００９１】
図１６〜図１８は、スルー・ホール１７０ａを形成した後のビア製造のプロセスを構造の断面図で示す。図１９は、スルー・ホール１７０ａを形成した後のビア製造の代替のプロセスを構造の断面図で示す。
【００９２】
図１６に示すように、ビア・ホール１７０ａの内面は、絶縁材料（例えば、ポリマ）１７６でコーティングされてもよい。絶縁材料のコーティングは、蒸着重合（vapor deposition polymerization）などのあらゆる標準的な手段によって実行することができる。
【００９３】
次いで、図１７に示すように、負極集電体１２２、１５２Ａ、１５４Ｂに堆積させた絶縁材料１７６の部分が、負極集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂの表面を露出させるように標準的な異方性エッチングによってエッチ・バックされてもよい。この時点で、ビア・ホール１７０ａは、複数のセクションを有することができ、セクションのそれぞれが、負極集電体（例えば、負極集電体１５２Ａ、１５２Ｂ）を露出させるテラス（terrace）、または負極集電体（例えば、負極集電体１２２）を露出させる内側底面を有する。
【００９４】
図１８に示すように、導電性材料が孔１７０ａに充填されてビア１７２を形成する。図１３の上面図２６０は、充填ステップ直後の積層電池層１１０、１４０Ａの頂面を示す。上面図２６０に示すように、充填ステップ後、ベース基板１０２に対して法線方向から見ると、３番目の電池層１４０Ｂの保護層１４４Ｂの頂面に露出するビア１７２の頂部端を見ることができるが、すべての負極集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂは、導電性材料によって覆われている。あるいは、図１９に示すように、導電性材料をビア・ホール１７０ａの内面に堆積させてビア１７２を形成することができる。
【００９５】
集電体１５２、１２２以外にビア・ホール１７０ａの内面に露出する導電性材料がない場合、ビア・ホール１７０ａの内面をコーティングするステップおよび絶縁材料１７６の部分をエッチ・バックするステップは、省略されてもよいことに留意されたい。保護層１４４が窒化ケイ素などの絶縁材料で作られ、支持基板１４２がエッチングによって完全に除去されているか、または支持基板１４２がまだ一部存在する場合は、支持基板１４２がガラスなどの絶縁材料で作られている特定の実施形態では、コーティングのステップおよびエッチ・バックのステップを省略することができる。
【００９６】
図１８および図１９に示すこのような階段状構造によって、積層電池構造１００は、ビア１７２と積層電池構造１００の集電体１２２、１５２Ａ、１５２Ｂとの間に信頼性の高いコンタクトを有することができる。
【００９７】
以下、図２０および図２１を参照して、本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態による積層電池構造の変形形態を説明する。
【００９８】
前述の実施形態では、例示を目的として、積層電池構造１００に３つの電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂがある。しかしながら、積層電池構造１００の電池層１１０、１４０の数は、上述した特定の実施形態に限定されなくてもよい。１つまたは複数の他の実施形態では、２つまたは４つ以上の電池層１１０、１４０が積層電池構造１００を形成するために積層されてもよい。
【００９９】
図２０は、上向きのベース電池層２１０および８つの下向きの電池層２４０Ａ〜２４０Ｈを有する積層電池構造２００を示し、合計９つの電池層がベース基板２０２上に積層され、９つの電池層のそれぞれがフィルム電池要素２２０、２５０を有する。
【０１００】
さらに、前述の実施形態では、下向きの電池層１４０は、ベース電池層１１０が間に介在するベース基板１０２上に形成されるとして説明されている。しかしながら、他の実施形態では、下向きの電池層１４０は、ベース電池層１１０が間に介在しないベース基板１０２上に直接形成されてもよい。
【０１０１】
図２１は、ベース基板３０２上に積層された９つの下向きの電池層３４０Ａ〜３４０Ｉを有する積層電池構造３００を示し、これらの電池層のそれぞれがフィルム電池要素３５０を有する。
【０１０２】
積層電池構造２００を製造するためには単に８回の積層ステップを実行する必要があるが、積層電池構造３００を製造するためには９回実行する必要があり、したがって、ベース電池層２１０を有する積層電池構造２００は、積層電池構造３００よりも有利である。
【０１０３】
以下、図２２および図２３を参照して、本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態による積層電池構造１００を含む電子デバイスの概略図を説明する。本電子デバイスは、ＩｏＴデバイスに使用することができる。
【０１０４】
図２２は、積層電池構造１００を含む電子デバイスのシステム・オン・パッケージ構成の概略図を表す。図２２に示すように、積層電池構造１００は、プロセッサ、メモリ、センサなどの１つまたは複数の外部電子部品１９２Ａ、１９２Ｂが取り付けられた配線基板１９０上に取り付けられてもよい。
【０１０５】
図２３は、積層電池構造１００を含む電子デバイスのシステム・オン・電池構成の概略図を表す。図２３に示すように、積層電池構造１００は、１つまたは複数の電子部品１９２Ａ、１９２Ｂが取り付けられたインタポーザまたは基板として機能する。本実施形態では、積層電池構造１００は、積層電池構造１００を積層電池構造１００に取り付けられた１つまたは複数の電子部品と接続するために、積層電池層１１０、１４０Ａ、１４０Ｂの頂面に配線層１８０を有する。システム・オン・電池構成は、さらなる小型化に有利な可能性がある。
【０１０６】
電子デバイスの電源が小さな占有面積を有するため、電子デバイスの全体的なサイズを小型化することができる。
【０１０７】
本発明の１つまたは複数の実施形態によると、電池構造の全体の厚さを、その容量を維持しながら薄くすることができ、あるいは電池構造の全体の厚さを維持しながら電池構造の容量を大きくすることができる。
【０１０８】
図２４を参照して、本発明の例示的な実施形態による新規の支持基板除去プロセスを適用する場合と適用しない場合の積層電池構造間の比較を説明する。
【０１０９】
図２４は、中間基板のない場合とある場合の３つの電池層を有する積層電池構造を示す。図２４Ａに示す積層電池構造は、１つのベース電池層１１０および２つの電池層１４０Ａ、１４０Ｂを有し、製造プロセス中にフィルム電池要素１５０Ａ、１５０Ｂを支持するために使用される支持基板１４２Ａ、１４２Ｂが新規の支持基板除去プロセスによって完全に除去されている。一方、図２４Ｂに示す積層電池構造５００も１つのベース電池層５１０および２つの電池層５４０Ａ、５４０Ｂを有し、フィルム電池要素５５０Ａ、５５０Ｂが形成される基板５４２Ａ、５４２Ｂが最終的な構造５００にまだ存在する。
【０１１０】
上述したように、たとえ基板５４２Ａ、５４２Ｂを標準的な裏面研削プロセスによって７５〜５０μｍまで薄くすることができるとしても、基板５４２Ａ、５４２Ｂの厚さは、約１０マイクロメートル（約１０μｍ）以下とすることができるフィルム電池要素５２０、５５０Ａ、５５０Ｂの厚さよりもまだ数倍厚い。
【０１１１】
図２４Ｂに示すように、積層電池構造５００には絶縁体５６２と基板５４２が交互にある。したがって、積層前に絶縁体５６２を除去する必要があり、これは、絶縁体５６２に孔を形成するために、フォトリソグラフィによる事前パターニング・プロセスを使用する可能性がある。また、積層後にシリコンの可能性がある基板５４２を穿孔するために異方性ドライ・エッチング・プロセスが必要である。事前パターニング・プロセスおよび異方性ドライ・エッチング・プロセスは両方とも、高価なプロセスである。したがって、ビア・ホールの穿孔の費用が増加する。
【０１１２】
図２４Ｂに示す中間基板５４２を有する電池構造とは対照的に、本発明の１つまたは複数の実施形態による積層電池構造１００は、フィルム電池要素１５０が形成される支持基板１４２を薄くすることができ、または好ましくは、保護層１４４によってフィルム電池要素１５０を保護しながら除去することができるため、容量を維持しながら全体の厚さを薄くすることができる。言いかえれば、積層電池構造は、電池構造の全体の厚さを維持しながら大容量を有することができる。１個の電池層を積層することによって増加する厚さが小さいため、ある特定の厚さおよびある特定の容積内で積層される電池層の数を増加させることが可能である。したがって、これは容積効率がよいと言うことができる。
【０１１３】
前述の実施形態では、複数の薄いフィルム電池要素を有する積層構造が説明された。しかしながら、本発明による１つまたは複数の実施形態は、複数の薄いフィルム電池要素を有する積層構造に限定されず、積層構造を製造するための方法も対象とし、電池以外の、複数のデバイスを有する高度に集積化されたデバイス構造を新規のやり方で実現することができる。
【０１１４】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で使用されるように、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」および「その（the）」は、文脈上そうでないと明白に示さない限り、複数形を同様に含むことが意図されている。用語「備える」または「備えている」あるいはその両方は、本明細書で使用される場合、述べられた特徴、ステップ、層、要素、または構成要素あるいはその組合せの存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、ステップ、層、要素、構成要素、またはそれらのグループあるいはその組合せの存在もしくは追加を排除するものではないことをさらに理解されよう。
【０１１５】
以下の特許請求の範囲における、対応する構造、材料、行為、およびすべての手段またはステップに加えて機能要素の均等物は、もしある場合は、具体的に請求されるような他の請求される要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことが意図されている。本発明の１つまたは複数の態様の説明は、例示および説明を目的として提示されたが、開示された形態において網羅的であること、または本発明を限定することは意図されていない。
【０１１６】
記載された実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実際の応用または技術的改良を最も良く説明するか、または当業者が本明細書で開示された実施形態を理解することができるように選択された。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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