[发明专利]电化学装置的微波快速热处理

说明书

相关申请的交叉引用

本申请案是2008年5月21日申请的美国专利申请案第12/124,918号的部分继续申请案，通过引用将所述部分继续申请案的内容全部并入本文中。

技术领域

本发明涉及电化学装置的微波快速热处理，且尤其涉及薄膜电池、电致变色装置和锂离子电池的某些层的微波退火工艺。

背景技术

已知所有固态薄膜电池(TFB)较传统电池技术表现出多个优点，比如较佳的形状因子(form factor)、循环寿命、功率容量和安全性。然而仍需兼具成本效益和批量生产(HVM)能力的生产技术，以使TFB的广泛市场应用成为可能。

涉及TFB和TFB生产技术的过去和现在的技术方法大多十分保守，这些技术方法局限于缩放原始美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory；ORNL)装置开发的基本技术，所述基本技术始于20世纪90年代初期。ORNL TFB的发展概要可参见N.J.Dudney,Materials Science and Engineering(材料科学与工程)B 116,(2005)245-249。

图1A至图1F图示用于在基板上制造TFB的传统工艺流程。这些图中，顶视图示于左侧，对应的A-A截面图示于右侧。亦有其他变化，例如先生长阳极侧的“倒置”结构，在此则未图示所述“倒置”结构。图2图示完整的TFB截面，可根据图1A至图1F的工艺流程形成该TFB。

如图1A及图1B所示，工艺过程始于形成阴极集电器(CCC)102和阳极集电器(ACC)104于基板100上。这能通过(脉冲式)直流(DC)溅射金属靶材(约300nm)以形成层(例如诸如铜(Cu)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)和金(Au)之类的主族金属、金属合金、准金属或碳黑)，然后对CCC和ACC结构中的每一结构进行掩模和图案化来实现。应注意若采用金属基板，则毯覆(blanket)CCC 102后沉积的第一层可以是“图案化电介质”(可能需要CCC来阻挡阴极中的锂(Li)与基板反应)。另外，可分别沉积CCC层和ACC层。例如，如图3所示，可在阴极前沉积CCC，并且可在电解质后沉积ACC。就由诸如Au和Pt之类的金属形成的集电器层而言，集电器层无法良好地附着至例如氧化物表面，故可使用诸如Ti和Cu之类的金属附着层。

接着，在图1C及图1D中，分别形成阴极层106和电解质层108。RF(射频)溅射已经成为用来沉积阴极层106(例如LiCoO₂)和电解质层108(例如N₂中的Li₃PO₄)的传统方法。然而脉冲式DC已用于沉积LiCoO₂。阴极层106的厚度能够是几微米至数微米或更多微米，电解质层108的厚度能够是约1微米至3微米。

最后，在图1E及图1F中，分别形成锂(Li)层110和保护涂层(PC层)112。能使用蒸镀或溅射工艺形成Li层110。Li层110的厚度能够是几微米至数微米或更多微米(或取决于阴极层厚度的其他厚度)，PC层112的厚度能够在3微米至5微米的范围内，且PC层112的厚度更多的取决于构成PC层112的材料。PC层112能够是聚对二甲苯(或其他聚合物基材料)、金属或电介质的多层。注意在形成Li层与PC层之间此部分必须保持在惰性或适度惰性环境中，例如氩气或干燥室条件。

若CCC不能当作“阻挡”层且若基板和图案结构/体系结构需要这种阻挡层，则在CCC 102之前，可有附加的阻挡层沉积步骤。并且，保护涂层不必为真空沉积步骤。

在典型工艺中，若TFB性能规格要求“操作电压的平稳(plateau)”、高功率容量和延长的循环寿命，则需对阴极层106进行退火，以提高该层的结晶度。

尽管已对原始ORNL方法进行若干改进，但现有技术的用于TFB的制造工艺仍有许多问题，这些问题阻止所述制造工艺兼具成本效益和批量生产(HVM)能力，因而阻碍TFB的广泛市场应用。例如，当前技术水平的薄膜阴极和阴极沉积工艺的问题包括：(1)低沉积速率，所述低沉积速率导致低产量和低效率的成本降低(经济)比例，及(2)需高温退火处理结晶相，这造成工艺复杂度增加、低产量及限制基板材料的选择。

因此，此技术领域仍需兼具成本效益和批量生产(HVM)能力的用于TFB的制造工艺和技术，从而使TFB的广泛市场应用成为可能。

发明内容