專利名稱：形成薄膜鋰離子電池的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種形成薄膜鋰離子電池的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及形成這種 電池的方法。
背景技術：
鋰離子型電池是由陰極層、電解質層和陽極層的疊層形成。在電池充電期間，鋰離 子從陰極移動到陽極，而在電池放電期間，鋰離子從陽極移動到陰極。陰極層、電解質層和陽極層的材料根據通過電池希望獲得的電壓和其所需應用進 行選擇。特別是，對于諸如電話或計算機的便攜設備中的數據備份/保留用途，所提供的電 池通常供給小于2V的電壓。為獲得該電壓，供給范圍在4V和4. 5V之間的電壓的電池可以 與電壓遞降電路一起使用。這種電池例如包含鋰鈷氧化物陰極(LiCoC^)。也可以使用提供 小于3V電壓的電池，例如包含基于鈦氧硫化物(TiOS)的陰極的電池。在本文中考慮后一 種電池。圖1圖示了形成于薄層內的鋰離子型電池的實施例。該電池形成在覆蓋有薄絕緣層12的基材10上，該薄絕緣層例如由氧化硅、四氮化 三硅或這些材料的疊層形成。在絕緣層12的表面形成陰極集電極層14，該陰極集電極層例 如由鈦制成。層14包括在區(qū)域A內的第一部分，在其表面形成電池的活性疊層。層14包 括用于在其表面上容納電觸點的第二部分。在活性層A內，在層14的表面形成陰極層16。舉例來說，層16可以由TiOS制 成，TiOS是能夠插入鋰離子的材料。在層16的表面形成電解質層18，例如，鋰磷氧氮化物 (LiPON)。在所示的實施例中，層18從層16的一個側面上延伸到與絕緣層12接觸。層18 也在層14上沿著層16的輪廓延伸。在電解質層18的表面形成陽極層20，該陽極層例如由硅或鍺制成。這種非晶體 材料在電池運轉期間在穿過它們的鋰的影響下具有變?yōu)閷щ姷奶匦?，鋰與硅或鍺短暫地結I=I O在陽極層20的表面形成陽極集電極層22，該陽極集電極層22例如由鈦制成。在 所示的實施例中，層22在層20上和在電解質層18的延伸部分上延伸，從而到達絕緣層12 的表面。層22在絕緣層12上的延伸部分能夠形成陽極觸點。應當注意到，除了它們的電 功能之外，鈦層14和20也成為防止鋰擴散的阻擋層。在所示的實施例中，觸點焊盤M和沈在絕緣層12的表面形成的層14和22的延 伸部分上形成。通常，觸點元件例如導線或焊料塊然后形成在觸點焊盤M和沈上，或直接 形成在層14和22的延伸部分上。接著鈍化層形成在整個設備上。應當注意，如果沒有提 供層22的延伸部分，觸點焊盤沈也可以形成在層16、18、20和22的疊層的表面上。諸如圖1中的、具有由TiOS制成的層16的、與鋰離子相關的結構通常按照如下所 述形成。通過適合的掩?；蛲ㄟ^整個板層的蝕刻，在絕緣層12的表面形成陰極集電極層 14。然后，在陰極集電極層的表面形成TiOS層。通過鋰的直接熱金屬蒸發(fā)，將這個層變成LiTiOS層，從而成為陰極層16。接著，通過適合的掩?；蛲ㄟ^蝕刻，在陰極層16的表面形 成層18,20和22。通過上述方法插入鋰不能形成優(yōu)質的陰極層16。這種品質缺陷被認為源于下述 事實，即在這個步驟期間和在接下來的例如形成焊料塊的加熱步驟中，鋰的含硫化合物比 如Li2S、Li2SO3或Li2SO4形成在TiOS層的表面和穿過TiOS層的體積。這種化合物降低了 陰極層的品質，并因而降低了電池的性能。因而需要一種方法，其形成包含品質改善的LiTiOS陰極層的薄膜鋰離子型電池。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方式的一個目的是提供一種形成薄膜鋰離子型電池的方法，其能夠 克服已知方法的缺陷。因而，本發(fā)明的一個實施方式提供一種形成集成鋰離子型電池的方法，其包括如 下連續(xù)步驟在基材上，形成電池的能容納鋰離子的材料制成的陰極層、電解質層和陽極層 的疊層；在陽極層和陰極層之間形成短路；進行鋰的熱蒸發(fā)；和斷開陽極層和陰極層之間 的短路。按照本發(fā)明的一個實施方式，該方法包括在疊層下基材上形成陰極集電極層的準 備步驟，陰極集電極層包括形威用于容納陰極接頭的第一焊盤和用于容納陽極接頭的分離 的第二焊盤，陽極層和陰極層之間的短路通過在第一和第二焊盤之間延伸的導電帶形成， 陽極層一直延伸到第二焊盤。按照本發(fā)明的實施方式，斷開短路的步驟通過進行光刻或由激光切割該導電帶進 行。按照本發(fā)明的實施方式，該方法進一步包括，在蒸發(fā)步驟之后，形成陽極集電極層 的步驟和在該結構上形成鈍化層的步驟。按照本發(fā)明的實施方式，陰極層由鈦氧硫化物(TiOQ制成和陽極層由硅或鍺制 成。按照本發(fā)明的實施方式，電解質層由鋰磷氧氮化物(LiPON)制成。按照本發(fā)明的實施方式，陰極集電極層、導電帶和焊盤由同樣的材料制成。按照本發(fā)明的實施方式，基材用絕緣層覆蓋。按照本發(fā)明的一個實施方式進一步提供一種鋰離子型電池，其包括在基材表面 的包括延伸部分、導電帶的陰極集電極層，所述延伸部分形成第一焊盤和第二焊盤，所述導 電帶形成在第一和第二焊盤之間；在陰極集電極層表面的陰極層、電解質層和陽極層的疊 層，陽極層與第二焊盤接觸；和在陽極層上延伸并與第二焊盤接觸的陽極集電極層，導電帶 被斷開。本發(fā)明前述目的、特征和優(yōu)點將通過下面的具體實施方式
的非限制性描述并結合 附圖進行詳細論述。


圖1，如前所述，圖示了傳統的鋰離子型的電池；和圖2A至2E是圖示按照本發(fā)明實施方式的方法的實施例步驟的三維視圖。具體實施例方式為克服已知方法的缺點，本發(fā)明人提供一種用于形成薄膜鋰離子型電池的方法， 其中一旦形成電解質層和陽極層就在陰極層中插入鋰離子。在這個步驟中，電池是短路的。圖2A至2E是圖示用于制造鋰離子電池的方法步驟的結果的三維視圖。在這些圖 中，示出了形成鋰離子型電池的單個單元電池。通常，許多單元電池同時在相同基材的表面 上形成。在圖2A圖示的步驟，由包括諸如硅晶片的基材30的結構開始，在硅晶片的表面形 成絕緣層32(通過圖2A及其后附圖中的虛線限定)。在絕緣層32的表面形成例如由鈦制 成的導電材料的層34，該導電材料形成防止鋰擴散的阻擋層。層34包括不同的部分。該層的第一部分在用于容納電池的活性疊層的區(qū)域A的 水平面形成。層34繼續(xù)形成用于容納陰極接頭的焊盤36。層34的分離部分形成用于容納 陽極接頭的焊盤38。導電帶40形成在焊盤36和38之間。帶40可以由與層34相同的材 料形成或與層34不同的導電材料形成。舉例來說，層34以及焊盤36和38以及帶40可以這樣形成，即通過將鈦層沉積在 整個板上，接著對該層通過掩模進行蝕刻。它也可以通過掩模直接沉積形成。在圖2B中圖示的步驟，在活性區(qū)域A的水平面，鈦氧硫化物(TiOQ層42已經在 層34上形成。層42并不在焊盤36和38上方延伸，并優(yōu)選在比層34的表面低的活性層A 的表面上延伸。這能夠避免在不同疊層之間的定位和短路的任何問題。層42形成用于形 成電池陰極的初始層。舉例來說，層42可以具有范圍在1 μ m至5 μ m之間的厚度。在圖2C圖示的步驟，電解質層44例如鋰磷氧氮化物(LiPON)已經在層42的表面 形成。層44包括在層34和焊盤38之間與絕緣層32和焊盤38接觸的延伸部分46。層44 也可以在焊盤38上略微延伸。進一步地，優(yōu)選，它略微延伸超過活性層A內的層42從而接 觸層34。如已知的，LiPON是電絕緣體。因而，層42與接著形成在疊層上的層絕緣。舉例 來說，層42和44可以通過適合的掩模形成，層44可以具有范圍在1 μ m和3 μ m之間的厚 度。在圖2D圖示的步驟，在活性區(qū)域A的水平面，陽極層48形成在電解質層44上。舉 例來說，層48可以由硅或無定形鍺制成。層48包括在電解質層44的延伸部分46上方的 延伸部分50。延伸部分50被提供用于與陽極焊盤38接觸。舉例來說，層48可以具有范圍 從50nm至800nm的厚度。然后僅僅進行鋰離子的插入，以將TiOS層42變成LiTiOS層。為了該目的，通過 熱金屬蒸發(fā)將鋰沉積在陽極層48上。層48的硅或鍺然后在鋰的影響下變成導電，并且電 池開始在通過延伸部分50和帶40的短路下運轉。在它們蒸發(fā)期間，鋰離子從陽極層48移 動到陰極層42，電池到達完全放電狀態(tài)，此時鋰離子是位于陰極層內的多數成分。這種在層42中插入鋰離子的方法相當于電池被連接到載荷時的正常運轉。由延 伸部分40形成的短路維持在鋰的整個蒸發(fā)和Li+離子滲透入層42期間。提供的蒸發(fā)時間 大約是1小時。在圖2E圖示的步驟，陽極集電極層52已經在前述結構上形成。該層在活性層A 內延伸，遍布層34、42、44和48的疊層。層52包括在延伸部分50上方延伸從而與陽極焊盤38接觸的延伸部分M。層52例如可以由鈦制成。然后，接頭區(qū)域(分別是56和58，沒有詳細示出)分別在焊盤36、焊盤38上形成。 然后鈍化和密封層可以在整個設備上形成。應當注意接頭區(qū)域56和58也可以在此處所述 方法的任何其它步驟之后形成。按照一個實施方式，在密封步驟之前或之后，在焊盤36和38之間的延伸部分40 內進行切割。切口 60可以通過激光或通過光刻蝕刻步驟實施。因而，陽極電極和陰極電極 被分開，不再短路的電池準備被充電。應當注意，形成帶40的材料可以由不同于陰極集電 極層34的導電材料制成，從而使得這個切割步驟變輕松。此處公開的方法具有下述優(yōu)點，即一旦陰極層已經被電解質層和陽極層覆蓋，就 提供鋰離子插入陰極層的步驟。因而，可以獲得與以前電池相比具有更好充電容量和能夠 有更大量操作循環(huán)的電池。此外，該電池能夠經受比現有電池更好的熱處理(例如，在連續(xù) 焊接步驟期間)。在電池的制造之后，通常進行測試。為進行該測試，對電池放電。此處公開的方法 具有下述優(yōu)點，即形成的電池在其制造結束時具有放電狀態(tài)。因而在進行測試之前不必提 供電池放電步驟。本發(fā)明的具體實施方式
已經被描述。本領域技術人員將想到各種變型和修改。特 別是，應當注意此處公開的方法包括幾個關鍵步驟形成陽極層、電解質層和陽極層的疊 層，陰極層用于容納鋰；使得陽極層和陰極層短路；使得鋰離子經由鋰的金屬蒸發(fā)通過陽 極層和電解質層滲透入陰極層；和斷開陽極層和陰極層之間的短路。因而，可以不同于此處所述那樣地實施在陽極層和陰極層之間形成短路的步驟和 一旦插入鋰就斷開短路的步驟。此處公開的方法提供小于3V輸出電壓的電池。除了其他，這樣的電池特別好地適 合于給數據保持電路(實時計時器，非易失性RAM...)供電。這種變動、修改和改進被認為是本說明書的一部分，并被認為屬于本發(fā)明的宗旨 和范圍之內。因而，上述說明僅僅是作為例子，并非用于限定。本發(fā)明僅僅如在下面的權利 要求及其及等同物中所限定的那樣限定。
權利要求
1.一種用于形成集成鋰離子型電池的方法，其包括如下連續(xù)步驟在基材(30)上，形成電池的能容納鋰離子的材料制成的陰極層(34)、電解質層02)和 陽極層(44)的疊層；在所述陽極層和所述陰極層之間形成短路；進行鋰的熱蒸發(fā)；和斷開所述陽極層和所述陰極層之間的短路。
2.如權利要求1的方法，其包括在所述疊層下所述基材上形成陰極集電極層(34)的準 備步驟，所述陰極集電極層包括形成用于容納陰極接頭(56)的第一焊盤(36)和用于容納 陽極接頭(58)的分離的第二焊盤(38)，所述陽極層和所述陰極層之間的短路通過在第一 和第二焊盤(36，38)之間延伸的導電帶GO)形成，所述陽極層G8) —直延伸到第二焊盤 (38)。
3.如權利要求2的方法，其中通過激光或進行光刻來切割帶00)從而實施斷開所述短 路的步驟。
4.如權利要求1的方法，進一步包括，在蒸發(fā)步驟之后，形成陽極集電極層(5 的步驟 和在該結構上形成鈍化層的步驟。
5.如權利要求1的方法，其中所述陰極層由鈦氧硫化物(TiOQ制成和所述陽極層由硅 或鍺制成。
6.如權利要求1的方法，其中所述電解質層由鋰磷氧氮化物(LiPON)制成。
7.如權利要求2的方法，其中所述陰極集電極層(34)、所述導電帶00)和焊盤(36， 38)由同樣的材料制成。
8.如權利要求1的方法，其中所述基材(30)由絕緣層(3 覆蓋。
9.一種鋰離子型電池，其包括在基材(30)的表面的包括延伸部分、導電帶GO)的陰極集電極層(34)，所述延伸部分 形成第一焊盤(36)和第二焊盤(38)，所述導電帶00)形成在所述第一焊盤和所述第二焊 盤之間；在所述陰極集電極層表面的陰極層(42)、電解質層04)和陽極層08)的疊層，所述陽 極層與所述第二焊盤接觸；和在所述陽極層G8)上延伸并與所述第二焊盤(38)接觸的陽極集電極層(52)，所述導電帶被斷開。
全文摘要
一種用于形成集成鋰離子型電池的方法，其包括如下連續(xù)步驟在基材上，形成電池的能容納鋰離子的材料制成的陰極層、電解質層和陽極層的疊層；在陽極層和陰極層之間形成短路；進行鋰的熱蒸發(fā)；和斷開陽極層和陰極層之間的短路。
文檔編號H01M4/66GK102055021SQ201010535489
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權日2009年11月6日
發(fā)明者戴爾芬·蓋伊-博伊索, 皮埃爾·布伊隆 申請人:意法半導體(圖爾)公司