[发明专利]用于形成薄膜锂离子电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于形成薄膜锂离子电池的方法。

背景技术

锂离子型电池具有如下优点：包括固态不易燃电解质，该电解质还在宽范围的温度下具有良好的离子导电性。这样的电池可以有利地用在移动电子设备(例如移动电话或便携式计算机)中。

为了形成薄膜锂离子电池、典型为尺寸小于2.5cm×2.5cm的电池，通常采用通过阴影掩膜(shadow mask)溅射的技术。这样的技术包括将阴影掩膜放在支承物或衬底上，并且通过该掩膜来溅射形成电池的不同的层。

然而，对于大规模生产薄膜锂离子型电池而言，使用阴影掩膜相对昂贵。实际上，对于涉及掩膜的每一次溅射，所溅射的成分也沉积在掩膜上。因此，在每次使用掩膜之间，需要移除和回收掩膜上所沉积的不同的层。

凭借通过阴影掩膜进行溅射而形成电池的技术也有不适用于形成较小尺寸(小于3mm的侧面长度)的电池的缺点，由于对于这样的尺寸出现掩膜对准问题。现在，这样的电池可以有利地用作备用电池，以在主电池出现故障时将关键数据保存在存储器中。

为了形成小的锂离子型电池，可以预期采用集成电路领域中公知且受控的光刻技术。然而，这样的技术在应用于大的衬底表面积上时相对昂贵。此外，光刻方法需要使用通过湿法工艺(通常为基于溶剂的水混合物)移除的树脂，这将引起与基于高活性锂的电池层的化学反应。这样的技术因而不适合用于形成锂离子型电池。

因此，需要一种方法，使得能够以薄膜技术形成相对廉价且小型的锂离子型电池，适用于存在形成这样的电池的高活性材料的情况。

发明内容

本发明的一实施例的目的在于提供一种使得能够形成平面薄膜锂离子型电池的方法，该方法与这样的电池中存在的材料的活性兼容。

本发明的一实施例的另一目的在于提供一种使得能够以合理的成本形成小型平面薄膜锂离子型电池的方法。

因而，本发明实的一施例提供一种用于形成锂离子型电池的方法，包括以下连续步骤：

(a)在衬底中形成沟道；

(b)相继且保形地沉积层叠，该层叠包括阴极集电极层、阴极层、电解质层以及阳极层，该层叠具有的厚度小于所述沟道的深度；

(c)在所述结构上形成填充沟道中剩余的空间的阳极集电极层；以及

(d)平坦化所述结构，以露出所述阴极集电极层的上表面。

根据本发明的一实施例，所述方法在步骤(d)之后还包括以下步骤：

在所述结构上形成保护层，并且在所述保护层中在所述阳极集电极层上限定第一贯通开口并且在所述阴极集电极层上限定第二贯通开口；以及

在所述第一开口和所述第二开口中且在所述保护层的一部分上分别形成第一导电区域和第二导电区域。

根据本发明的一实施例，所述方法还包括步骤：在所述第一导电区域上形成第一接触部，并且在所述第二导电区域上形成第二接触部。

根据本发明的一实施例，所述方法在步骤(c)之前还包括形成籽晶层的步骤。

根据本发明的一实施例，所述阳极集电极层是在所述籽晶层上在低温下通过电解生长而得以形成的，所述籽晶层由钛和铜的层叠形成。

根据本发明的一实施例，所述衬底由硅或者氧化硅制成，所述阴极集电极层由钛、钨、钼、钽、铂、或者这些材料的合金或层叠制成，所述阴极层由钛锂氧代硫化物(LiTiOS)、钴锂氧化物(LiCoO₂)、或者能够插入锂在锂离子型电池中可用作阴极的任何材料制成，所述电解质层由锂磷氮氧化物(LiPON)制成，所述阳极层以硅、锗、碳、或者这些材料的合金或层叠制成，所述阳极集电极层由铜制成。

根据本发明的一实施例，所述阴极集电极层、所述阴极层、所述电解质层、以及所述阳极层是通过物理气相沉积形成的。

根据本发明的一实施例，所述保护层由包括第一层和第二SiO₂层的层叠形成，所述第一层由陶瓷、Al₂O₃、SiN或者ZrO₂制成。

根据本发明的一实施例，所述沟道具有范围在5μm至30μm之间的深度，所述阴极集电极层具有范围在100nm至500nm之间的厚度，所述阴极层具有范围在1μm至10μm之间的厚度，所述电解质层具有范围在1μm至3μm之间的厚度，以及所述阳极层具有范围在10nm至800nm之间的厚度。