专利名称：形成薄膜锂离子电池的方法
技术领域：
本发明涉及一种形成薄膜锂离子电池的方法。更具体地说，本发明涉及形成这种 电池的方法。
背景技术：
锂离子型电池是由阴极层、电解质层和阳极层的叠层形成。在电池充电期间，锂离 子从阴极移动到阳极，而在电池放电期间，锂离子从阳极移动到阴极。阴极层、电解质层和阳极层的材料根据通过电池希望获得的电压和其所需应用进 行选择。特别是，对于诸如电话或计算机的便携设备中的数据备份/保留用途，所提供的电 池通常供给小于2V的电压。为获得该电压，供给范围在4V和4. 5V之间的电压的电池可以 与电压递降电路一起使用。这种电池例如包含锂钴氧化物阴极(LiCoC^)。也可以使用提供 小于3V电压的电池，例如包含基于钛氧硫化物(TiOS)的阴极的电池。在本文中考虑后一 种电池。图1图示了形成于薄层内的锂离子型电池的实施例。该电池形成在覆盖有薄绝缘层12的基材10上，该薄绝缘层例如由氧化硅、四氮化 三硅或这些材料的叠层形成。在绝缘层12的表面形成阴极集电极层14，该阴极集电极层例 如由钛制成。层14包括在区域A内的第一部分，在其表面形成电池的活性叠层。层14包 括用于在其表面上容纳电触点的第二部分。在活性层A内，在层14的表面形成阴极层16。举例来说，层16可以由TiOS制 成，TiOS是能够插入锂离子的材料。在层16的表面形成电解质层18，例如，锂磷氧氮化物 (LiPON)。在所示的实施例中，层18从层16的一个侧面上延伸到与绝缘层12接触。层18 也在层14上沿着层16的轮廓延伸。在电解质层18的表面形成阳极层20，该阳极层例如由硅或锗制成。这种非晶体 材料在电池运转期间在穿过它们的锂的影响下具有变为导电的特性，锂与硅或锗短暂地结I=I O在阳极层20的表面形成阳极集电极层22，该阳极集电极层22例如由钛制成。在 所示的实施例中，层22在层20上和在电解质层18的延伸部分上延伸，从而到达绝缘层12 的表面。层22在绝缘层12上的延伸部分能够形成阳极触点。应当注意到，除了它们的电 功能之外，钛层14和20也成为防止锂扩散的阻挡层。在所示的实施例中，触点焊盘M和沈在绝缘层12的表面形成的层14和22的延 伸部分上形成。通常，触点元件例如导线或焊料块然后形成在触点焊盘M和沈上，或直接 形成在层14和22的延伸部分上。接着钝化层形成在整个设备上。应当注意，如果没有提 供层22的延伸部分，触点焊盘沈也可以形成在层16、18、20和22的叠层的表面上。诸如图1中的、具有由TiOS制成的层16的、与锂离子相关的结构通常按照如下所 述形成。通过适合的掩模或通过整个板层的蚀刻，在绝缘层12的表面形成阴极集电极层 14。然后，在阴极集电极层的表面形成TiOS层。通过锂的直接热金属蒸发，将这个层变成LiTiOS层，从而成为阴极层16。接着，通过适合的掩模或通过蚀刻，在阴极层16的表面形 成层18,20和22。通过上述方法插入锂不能形成优质的阴极层16。这种品质缺陷被认为源于下述 事实，即在这个步骤期间和在接下来的例如形成焊料块的加热步骤中，锂的含硫化合物比 如Li2S、Li2SO3或Li2SO4形成在TiOS层的表面和穿过TiOS层的体积。这种化合物降低了 阴极层的品质，并因而降低了电池的性能。因而需要一种方法，其形成包含品质改善的LiTiOS阴极层的薄膜锂离子型电池。
发明内容
本发明的实施方式的一个目的是提供一种形成薄膜锂离子型电池的方法，其能够 克服已知方法的缺陷。因而，本发明的一个实施方式提供一种形成集成锂离子型电池的方法，其包括如 下连续步骤在基材上，形成电池的能容纳锂离子的材料制成的阴极层、电解质层和阳极层 的叠层；在阳极层和阴极层之间形成短路；进行锂的热蒸发；和断开阳极层和阴极层之间 的短路。按照本发明的一个实施方式，该方法包括在叠层下基材上形成阴极集电极层的准 备步骤，阴极集电极层包括形威用于容纳阴极接头的第一焊盘和用于容纳阳极接头的分离 的第二焊盘，阳极层和阴极层之间的短路通过在第一和第二焊盘之间延伸的导电带形成， 阳极层一直延伸到第二焊盘。按照本发明的实施方式，断开短路的步骤通过进行光刻或由激光切割该导电带进 行。按照本发明的实施方式，该方法进一步包括，在蒸发步骤之后，形成阳极集电极层 的步骤和在该结构上形成钝化层的步骤。按照本发明的实施方式，阴极层由钛氧硫化物(TiOQ制成和阳极层由硅或锗制 成。按照本发明的实施方式，电解质层由锂磷氧氮化物(LiPON)制成。按照本发明的实施方式，阴极集电极层、导电带和焊盘由同样的材料制成。按照本发明的实施方式，基材用绝缘层覆盖。按照本发明的一个实施方式进一步提供一种锂离子型电池，其包括在基材表面 的包括延伸部分、导电带的阴极集电极层，所述延伸部分形成第一焊盘和第二焊盘，所述导 电带形成在第一和第二焊盘之间；在阴极集电极层表面的阴极层、电解质层和阳极层的叠 层，阳极层与第二焊盘接触；和在阳极层上延伸并与第二焊盘接触的阳极集电极层，导电带 被断开。本发明前述目的、特征和优点将通过下面的具体实施方式
的非限制性描述并结合 附图进行详细论述。
图1，如前所述，图示了传统的锂离子型的电池；和图2A至2E是图示按照本发明实施方式的方法的实施例步骤的三维视图。具体实施例方式为克服已知方法的缺点，本发明人提供一种用于形成薄膜锂离子型电池的方法， 其中一旦形成电解质层和阳极层就在阴极层中插入锂离子。在这个步骤中，电池是短路的。图2A至2E是图示用于制造锂离子电池的方法步骤的结果的三维视图。在这些图 中，示出了形成锂离子型电池的单个单元电池。通常，许多单元电池同时在相同基材的表面 上形成。在图2A图示的步骤，由包括诸如硅晶片的基材30的结构开始，在硅晶片的表面形 成绝缘层32(通过图2A及其后附图中的虚线限定)。在绝缘层32的表面形成例如由钛制 成的导电材料的层34，该导电材料形成防止锂扩散的阻挡层。层34包括不同的部分。该层的第一部分在用于容纳电池的活性叠层的区域A的 水平面形成。层34继续形成用于容纳阴极接头的焊盘36。层34的分离部分形成用于容纳 阳极接头的焊盘38。导电带40形成在焊盘36和38之间。带40可以由与层34相同的材 料形成或与层34不同的导电材料形成。举例来说，层34以及焊盘36和38以及带40可以这样形成，即通过将钛层沉积在 整个板上，接着对该层通过掩模进行蚀刻。它也可以通过掩模直接沉积形成。在图2B中图示的步骤，在活性区域A的水平面，钛氧硫化物(TiOQ层42已经在 层34上形成。层42并不在焊盘36和38上方延伸，并优选在比层34的表面低的活性层A 的表面上延伸。这能够避免在不同叠层之间的定位和短路的任何问题。层42形成用于形 成电池阴极的初始层。举例来说，层42可以具有范围在1 μ m至5 μ m之间的厚度。在图2C图示的步骤，电解质层44例如锂磷氧氮化物(LiPON)已经在层42的表面 形成。层44包括在层34和焊盘38之间与绝缘层32和焊盘38接触的延伸部分46。层44 也可以在焊盘38上略微延伸。进一步地，优选，它略微延伸超过活性层A内的层42从而接 触层34。如已知的，LiPON是电绝缘体。因而，层42与接着形成在叠层上的层绝缘。举例 来说，层42和44可以通过适合的掩模形成，层44可以具有范围在1 μ m和3 μ m之间的厚 度。在图2D图示的步骤，在活性区域A的水平面，阳极层48形成在电解质层44上。举 例来说，层48可以由硅或无定形锗制成。层48包括在电解质层44的延伸部分46上方的 延伸部分50。延伸部分50被提供用于与阳极焊盘38接触。举例来说，层48可以具有范围 从50nm至800nm的厚度。然后仅仅进行锂离子的插入，以将TiOS层42变成LiTiOS层。为了该目的，通过 热金属蒸发将锂沉积在阳极层48上。层48的硅或锗然后在锂的影响下变成导电，并且电 池开始在通过延伸部分50和带40的短路下运转。在它们蒸发期间，锂离子从阳极层48移 动到阴极层42，电池到达完全放电状态，此时锂离子是位于阴极层内的多数成分。这种在层42中插入锂离子的方法相当于电池被连接到载荷时的正常运转。由延 伸部分40形成的短路维持在锂的整个蒸发和Li+离子渗透入层42期间。提供的蒸发时间 大约是1小时。在图2E图示的步骤，阳极集电极层52已经在前述结构上形成。该层在活性层A 内延伸，遍布层34、42、44和48的叠层。层52包括在延伸部分50上方延伸从而与阳极焊盘38接触的延伸部分M。层52例如可以由钛制成。然后，接头区域(分别是56和58，没有详细示出)分别在焊盘36、焊盘38上形成。 然后钝化和密封层可以在整个设备上形成。应当注意接头区域56和58也可以在此处所述 方法的任何其它步骤之后形成。按照一个实施方式，在密封步骤之前或之后，在焊盘36和38之间的延伸部分40 内进行切割。切口 60可以通过激光或通过光刻蚀刻步骤实施。因而，阳极电极和阴极电极 被分开，不再短路的电池准备被充电。应当注意，形成带40的材料可以由不同于阴极集电 极层34的导电材料制成，从而使得这个切割步骤变轻松。此处公开的方法具有下述优点，即一旦阴极层已经被电解质层和阳极层覆盖，就 提供锂离子插入阴极层的步骤。因而，可以获得与以前电池相比具有更好充电容量和能够 有更大量操作循环的电池。此外，该电池能够经受比现有电池更好的热处理(例如，在连续 焊接步骤期间)。在电池的制造之后，通常进行测试。为进行该测试，对电池放电。此处公开的方法 具有下述优点，即形成的电池在其制造结束时具有放电状态。因而在进行测试之前不必提 供电池放电步骤。本发明的具体实施方式
已经被描述。本领域技术人员将想到各种变型和修改。特 别是，应当注意此处公开的方法包括几个关键步骤形成阳极层、电解质层和阳极层的叠 层，阴极层用于容纳锂；使得阳极层和阴极层短路；使得锂离子经由锂的金属蒸发通过阳 极层和电解质层渗透入阴极层；和断开阳极层和阴极层之间的短路。因而，可以不同于此处所述那样地实施在阳极层和阴极层之间形成短路的步骤和 一旦插入锂就断开短路的步骤。此处公开的方法提供小于3V输出电压的电池。除了其他，这样的电池特别好地适 合于给数据保持电路(实时计时器，非易失性RAM...)供电。这种变动、修改和改进被认为是本说明书的一部分，并被认为属于本发明的宗旨 和范围之内。因而，上述说明仅仅是作为例子，并非用于限定。本发明仅仅如在下面的权利 要求及其及等同物中所限定的那样限定。
权利要求
1.一种用于形成集成锂离子型电池的方法，其包括如下连续步骤在基材(30)上，形成电池的能容纳锂离子的材料制成的阴极层(34)、电解质层02)和 阳极层(44)的叠层；在所述阳极层和所述阴极层之间形成短路；进行锂的热蒸发；和断开所述阳极层和所述阴极层之间的短路。
2.如权利要求1的方法，其包括在所述叠层下所述基材上形成阴极集电极层(34)的准 备步骤，所述阴极集电极层包括形成用于容纳阴极接头(56)的第一焊盘(36)和用于容纳 阳极接头(58)的分离的第二焊盘(38)，所述阳极层和所述阴极层之间的短路通过在第一 和第二焊盘(36，38)之间延伸的导电带GO)形成，所述阳极层G8) —直延伸到第二焊盘 (38)。
3.如权利要求2的方法，其中通过激光或进行光刻来切割带00)从而实施断开所述短 路的步骤。
4.如权利要求1的方法，进一步包括，在蒸发步骤之后，形成阳极集电极层(5 的步骤 和在该结构上形成钝化层的步骤。
5.如权利要求1的方法，其中所述阴极层由钛氧硫化物(TiOQ制成和所述阳极层由硅 或锗制成。
6.如权利要求1的方法，其中所述电解质层由锂磷氧氮化物(LiPON)制成。
7.如权利要求2的方法，其中所述阴极集电极层(34)、所述导电带00)和焊盘(36， 38)由同样的材料制成。
8.如权利要求1的方法，其中所述基材(30)由绝缘层(3 覆盖。
9.一种锂离子型电池，其包括在基材(30)的表面的包括延伸部分、导电带GO)的阴极集电极层(34)，所述延伸部分 形成第一焊盘(36)和第二焊盘(38)，所述导电带00)形成在所述第一焊盘和所述第二焊 盘之间；在所述阴极集电极层表面的阴极层(42)、电解质层04)和阳极层08)的叠层，所述阳 极层与所述第二焊盘接触；和在所述阳极层G8)上延伸并与所述第二焊盘(38)接触的阳极集电极层(52)，所述导电带被断开。
全文摘要
一种用于形成集成锂离子型电池的方法，其包括如下连续步骤在基材上，形成电池的能容纳锂离子的材料制成的阴极层、电解质层和阳极层的叠层；在阳极层和阴极层之间形成短路；进行锂的热蒸发；和断开阳极层和阴极层之间的短路。
文档编号H01M4/66GK102055021SQ201010535489
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月4日 优先权日2009年11月6日
发明者戴尔芬·盖伊-博伊索, 皮埃尔·布伊隆 申请人:意法半导体(图尔)公司