[发明专利]薄膜电池及其制造方法

说明书

交互参照的相关申请案

本发明主张美国专利申请案第12/124,918号的优先权，篇名为“薄膜电池及其制造方法(Thin Film Batteries and Method for Manufacturing Same)”该案于2008年5月21日向美国专利局提出，并将全文以引用形式并入本案作为参考。

技术领域

本发明有关于薄膜电池；且特别是有关于改良的阴极材料，以及用于薄膜电池结构的某些层的沉积技术。

背景技术

各种固态薄膜电池(thin film battery，简称TFB)与传统电池技术相较之下，具有许多优点，例如优越的形状因子(form factor)、循环寿命、功率容量及安全性。然而，相关领域极需一种成本效益佳且可与高产量制造(high-volume manufacture，简称HVM)相容的生产技术，以使TFB具有更广泛的市场应用。

过往以及目前最新的TFB与TFB生产技术往往过于保守，其研发重心着重于将原本美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)在1990年代早期提出的发明基本技术加以量产化。近来，已可见到部分和改良阴极与电解质材料层的性质与沉积速率相关的研发。首先，运用了脉冲直流(pulsed DC，简称pDC)溅射技术来制备阴极(具体而言LiCoO₂；如美国专利公开案US2006/0134522)，以改进沉积速率。此外，也有在阴极(美国专利公开案US2006/0134522与美国专利US 6,921,464，后者在在靶材上施加射频)与电解质(美国专利US 6,506,289)沉积步骤中提供基板偏压，以改进某些性质。然而，相关领域仍有诸多问题待改进。

图1A至1F绘示了在基板上制造TFB的传统工艺流程图。在这些图式中，左方为上视图，而右方则显示了沿着A-A线段的对应剖面图。在传统工艺中，也可能有其他变化，例如，“反转”结构，在该结构中会先形成阳极侧，其未说明于本文中。

如图1A与1B所示，处理的第一步为在基板100上形成阴极集电器(cathode current collector，简称CCC)102与阳极集电器(anode current collector，简称ACC)104。可利用(脉冲)DC溅射金属靶材(～300nm)来形成薄层(如主族元素金属，例如Cu、Ag、Pd、Pt及Au；金属合金；类金属(metalloid)或碳黑)，之后利用掩模与图案化步骤，分别形成CCC与ACC结构。应注意到，若使用了金属基板，则在覆盖CCC 102(可能需要CCC以阻止阴极中的Li和基板进行反应)之后，可沉积图案化的电介质作为第一层。

接着，在图1C与1D中，分别形成了阴极106及电解质层108。传统上，会利用RF溅射来沉积阴极层106(如LiCoO₂)与电解质层108(如在氮气环境中沉积Li₃PO₄)。然而，此处利用脉冲DC来沉积LiCoO₂。阴极106层的厚度约为3μm，而电解质108层的厚度约为1-2μm。

最后，在图1E与1F中，分别形成Li层110与保护涂层(protective coating，简称PC)112。可利用蒸镀工艺来形成上述Li层110。Li层110的厚度约为3μm(也可以是其他厚度，此取决于阴极层的厚度)，而PC层112的厚度约为3至5μm。PC层112可以是聚对二甲苯(parylene)、金属或电介质的多层结构，如美国橡树岭国家实验室所提出的结构。应注意，在形成Li层与PC层的过程之间，必须将该部分保持在惰性环境中，例如氩气。

若CCC 102无法作为阻障层，且若基板与图案/架构需要此种阻障层结构时，可在形成CCC 102之前，进行额外的阻障层沉积步骤。此外，保护性涂层不必要为真空沉积步骤。

在典型的工艺中，如果TFB的性能规格必需要有“高工作电压(plateau of operating voltage)”以及高功率容量(power capability)的时候，必须对阴极层106进行退火工艺。关于TFB性质的概述，请参见N.J.Dudney所著的Materials Science And Engineering B 116，(2005)245-249。