專利名稱：用于制造薄層電池的方法和相應的薄層電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于制造薄層電池的方法，其中，為了形成電池的層序列而將多個層彼此相繼地施加在襯底的襯底表面上并且將先前施加的層至少之一的不同區(qū)域彼此橫向分開。
背景技術：
構(gòu)造成薄層電池或薄膜電池的電池已經(jīng)公知。這種電池例如構(gòu)造成鋰離子電池并且由濺射或蒸鍍層的層疊堆構(gòu)成，所述濺射或蒸鍍層由作為電解質(zhì)的Li3PO4 (或LixP0yNz)、 作為陰極的Li1+xC0jA和作為陽極的鋰硅合金構(gòu)成。作為陰極例如使用金屬層。也適于不處于功率譜下端的應用的擴展構(gòu)型是所謂的三維的薄層電池(3D薄層電池)。在這種三維的薄層電池中，在三維結(jié)構(gòu)化的襯底表面上折疊施加在其上的薄層電池的可用面。因此，在襯底基面相同的情況下可儲存多倍(例如四十倍)的容量，此外，所儲存的電荷可更快速地接收和輸出。由此也提供比在施加在平面襯底表面上的薄層電池情況下高的功率。兩個類型的薄層電池的共同點在于，層疊堆的對于電池功能而言所需的不同層必須不同地結(jié)構(gòu)化。陰極與陽極之間的短路必須抑制，因為再小的泄露電流也可使電池的特性急劇變差。電極至少之一因此典型地必須成形得比電解質(zhì)層小，以便避免所謂的“邊緣短接(Randschlilsse)”。但對于這種薄層電池所使用的材料對空氣和濕氣敏感。微電子裝置的“經(jīng)典”制造方法、尤其是借助于光刻膠和顯影劑化學進行光刻結(jié)構(gòu)化因此僅僅在一定條件下合適。在三維的薄層電池中還附加添加難度相應的襯底表面的相對高的拓撲可在光刻結(jié)構(gòu)化時妨礙掩蔽。

發(fā)明內(nèi)容
具有權利要求1中所述特征的根據(jù)本發(fā)明的方法提供優(yōu)點該方法即使在真空或保護氣體氛圍下也能夠使層的各個層區(qū)域結(jié)構(gòu)化。為此，根據(jù)本發(fā)明借助于激光束進行層區(qū)域的分開。不同區(qū)域的分開通過激光切割來進行。相應的用于激光切割的激光裝置的激光束在此優(yōu)選可被聚焦和取向為使得先前施加的層的材料被除掉。在此形成至少將在分開時刻處于最上方的層完全分離的切入口和在層內(nèi)部不再彼此導電連接的層區(qū)域。通過掃過直到那時施加的層的表面的部分區(qū)域，層區(qū)域也可完全被去除。所述施加層尤其是沉積層。 薄層電池優(yōu)選構(gòu)造成鋰離子電池。借助于激光束進行的這種分開可特別好地與層的氣相沉積相組合。氣相沉積或者是物理氣相沉積(PVD physical vapour exposition)或者是化學氣相沉積CVD方法(CVD chemical vapour deposition).物理氣相沉積優(yōu)選是蒸鍍和/或濺射，優(yōu)選的CVD方法是 ALD方法(Atomic Layer D印ositon(原子層沉積))。襯底是半導體襯底、陶瓷襯底、玻璃襯底和/或塑料襯底。如果襯底是半導體襯底，則在一個優(yōu)選實施形式中在該半導體襯底上構(gòu)造電子電路裝置(集成電路)。
尤其是規(guī)定，所述層之一是陰極層，所述層之一是薄層電池的陽極層。根據(jù)本發(fā)明方法的一個有利構(gòu)型，規(guī)定下述方法步驟(a)在襯底表面上或在先前施加在襯底表面上的絕緣層上施加第一層，在第一層上施加第二層，(b)將第二層的區(qū)域彼此橫向分開和/或?qū)⒌谝粚拥膮^(qū)域彼此以及第二層的區(qū)域彼此橫向分開，(c)在第二層上施加第三層，在第三層上施加第四層，以及(d)將第四層的區(qū)域彼此橫向分開和/或?qū)⒌谌龑拥膮^(qū)域彼此以及第四層的區(qū)域彼此橫向分開。對于該方法步驟尤其適用第一層是集流層，第二層是薄層電池的陰極層。構(gòu)造成陰極層的第二層尤其是由LiCoA構(gòu)成。在一個優(yōu)選實施例中，所述第一的兩個層不是單獨結(jié)構(gòu)化的，而是一起借助于激光束被結(jié)構(gòu)化。為了結(jié)構(gòu)化而運行相應的、具有與兩個第一層的材料和厚度相匹配的參數(shù)的激光裝置。尤其是通過這種結(jié)構(gòu)化形成單獨的第一區(qū)域和單獨的第二區(qū)域，該單獨的第一區(qū)域稍后向外形成陰極觸點，該單獨的第二區(qū)域稍后向外形成集流觸點。第三層是電解質(zhì)層，第四層是陽極層。在第二結(jié)構(gòu)化步驟中，陽極層相對于處于其下方的電解質(zhì)層選擇性通過激光束切割并且電池的陽極區(qū)域與所述層的其余部分電絕緣。為了結(jié)構(gòu)化而運行相應的、具有與第三和第四層的材料和厚度相匹配的參數(shù)的激光裝置。電絕緣的第二區(qū)域設置在電池結(jié)構(gòu)上，以便在稍后的步驟中制造與被掩埋的集流器的接觸。根據(jù)本發(fā)明的另一個有利構(gòu)型，在施加第四層之前將第三層結(jié)構(gòu)化。尤其是在此將第四層的電絕緣的第二區(qū)域內(nèi)部的第三層的一個區(qū)域去除并且使第一和第二層的相應區(qū)域釋放(freigestellt)，以便在稍后的步驟中可直接制造與被掩埋的集流器或與陰極層的接觸。根據(jù)本發(fā)明的另一個有利構(gòu)型規(guī)定，還施加覆蓋層，所述覆蓋層至少部分地覆蓋這些層。對于這樣的薄層電池所使用的材料對空氣和濕氣是敏感的并且通過覆蓋層保護以免受這些影響。尤其是規(guī)定，至少一個層的區(qū)域的分開是絕緣性分開，在所述絕緣性分開中，所述層的待分開的區(qū)域在所述層內(nèi)部彼此電絕緣。在本發(fā)明的一個優(yōu)選構(gòu)型中規(guī)定，陰極層和/或陽極層構(gòu)造成層序列的被掩埋的層并且向外建立與其接觸部(Kontaktierung)的穿通接觸。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選構(gòu)型中規(guī)定，所述層至少之一的施加在氣相沉積設備中執(zhí)行并且所述層的區(qū)域的分開也在所述氣相沉積設備中執(zhí)行。優(yōu)選全部層在同一個就地的氣相沉積設備中沉積，其中所述分開也在所述氣相沉積設備中執(zhí)行。就地的氣相沉積設備在沉積時以及在分開設備的環(huán)境空氣時封裝待制造和/或已制造的薄層電池。為了所述分開，該設備具有窗，激光束通過所述窗可到達設備內(nèi)部。尤其是規(guī)定，提供三維結(jié)構(gòu)化的襯底表面，在所述襯底表面上施加所述層。這樣制造的薄層電池是三維的薄層電池。在這種三維的薄層電池中，將施加在其上的薄層電池的可用面折疊到三維結(jié)構(gòu)化的襯底表面上，因此，在襯底基面相同的情況下可儲存多倍的容量，此外，所儲存的電荷更快速地接收和輸出。由此也提供了比在施加在平面襯底表面上的薄層電池情況下高的功率。最后有利地規(guī)定，借助于激光束在至少一個區(qū)域中去除先前施加的層至少之一。另外，本發(fā)明還涉及一種薄層電池，尤其是根據(jù)上述方法來制造的薄層電池，具有襯底和電池的層序列，所述層序列具有多個彼此相繼施加在襯底的襯底表面上的層，其中， 先前施加的層至少之一的不同區(qū)域通過至少一個分開結(jié)構(gòu)彼此橫向分開，并且其中所述分開結(jié)構(gòu)由至少一個在所述層中借助于激光束制造的切入口形成。根據(jù)所述薄層電池的一個有利的進一步構(gòu)型規(guī)定，所述層之一是陰極層，所述層之一是陽極層。尤其是規(guī)定，陰極層和/或陽極層構(gòu)造成層序列的被掩埋的層并且向外建立與其接觸部的穿通接觸。尤其是規(guī)定，薄層電池構(gòu)造成三維的薄層電池。為此，襯底具有相應結(jié)構(gòu)化的襯底表面，三維的薄層電池的層序列的層施加在所述襯底表面上。


下面借助于多個實施變型方案的附圖來更詳細描述本發(fā)明。附圖示出
圖1至圖5根據(jù)本發(fā)明制造方法的優(yōu)選實施形式的薄層電池的逐步的結(jié)構(gòu)，其中圖5 示出了相應的薄層電池的剖面視圖，
圖6根據(jù)本發(fā)明制造的三維的薄層電池的剖面視圖，
圖7根據(jù)第一實施例的多個在共同襯底上制造并且在圖5中所示的薄層電池的分割，
以及
圖8根據(jù)第二實施例的多個在共同襯底上制造并且在圖5中所示的薄層電池的分割。
具體實施例方式圖1至圖5示出了根據(jù)本發(fā)明制造方法的優(yōu)選實施形式的薄層電池10的逐步的結(jié)構(gòu)。在此，圖1示出了構(gòu)造成半導體襯底12的襯底14，該襯底上施加有(沉積的)絕緣層 16。在絕緣層16上首先沉積一個構(gòu)造成集流層的第一層18。接著在該第一層18上沉積第二層20，該第二層例如由LiCoO2構(gòu)成并且形成薄層電池10的陰極層。第一的兩個層18、 20在所示例子中不是單獨地而是一起被結(jié)構(gòu)化。圖2示出了第一的兩個層18、20的接著的結(jié)構(gòu)化。借助于未示出的用于激光切割的激光裝置的合適的參數(shù)，借助于激光束引入在兩個第一層18、20或第二層20的層厚上延伸的切入口 22，所述切入口將待制造的電池10的陰極區(qū)域觀電釋放并且與其余區(qū)域?qū)Α?26橫向分開。處于其下方的集流層18的區(qū)域30、32、34在此至少在切入口 22的一部分處也彼此橫向分開。所述分開在所示實施例中與第二層20 (陰極層)的區(qū)域的分開同時進行。 必要時，也可選擇性地將具有其它參數(shù)的接觸部區(qū)域M與有源的陰極材料分開，但在此集流層(第一層18)必須絕對保持無損，即能導電。相應的部位在圖2中通過標記M來表示。圖3示出了在第二層20上沉積的第三層36和沉積在第三層336上的第四層38， 該第三層構(gòu)造成電解質(zhì)層，該第四層構(gòu)造成陽極層。被掩埋的層又不進行結(jié)構(gòu)化。此外，陰極層的也被掩埋的結(jié)構(gòu)用虛線示出。在另一個結(jié)構(gòu)化步驟中，為了將區(qū)域42、44、46分開而借助于激光束在第四層38 中引入切入口 40。借助于該激光結(jié)構(gòu)化，第四層38(陽極層)選擇性地相對于處于其下方的第三層36 (電解質(zhì)層)通過激光束和匹配的參數(shù)被切開并且電池10的陽極區(qū)域42與層38 的其余區(qū)域44、46因此被電絕緣。這在圖4中示出。電絕緣的第二區(qū)域46設置在電池結(jié)構(gòu)上，以便在后面的步驟中建立與被掩埋的第一層18 (集流層)的接觸(在此用點線示出)。
視陽極材料而定，陽極層(第四層38)可直接被接觸或者還必須涂覆合適的材料。 為了接觸陰極層(第二層20)，例如借助于激光局部地將陰極區(qū)域中的合適的材料加熱，由此通過材料擴散到電解質(zhì)層(第三層36)中和陰極層(第二層20)中而建立能導電的穿通接觸部48 (通孔連接)(參見圖5)。如果陽極層(第四層38)不是已經(jīng)由合適的材料構(gòu)成，則例如可施加并且加熱合適的膏。陰極的接觸面50和陽極的接觸面52被形成。最后可以選擇性地給電池10設置鈍化層(未示出)，以便提高電池的壽命。陰極和陽極的接觸因此應匹配。圖5描述了在該情況下被掩埋的陰極層借助于“激光燒結(jié)”即借助于局部加熱先前被絕緣的焊盤區(qū)域46來接觸。通過提高溫度激活例如也存在于該區(qū)域中的上面的金屬或?qū)ｉT施加的膏的擴散并且局部地摻雜經(jīng)過電解質(zhì)層。兩個電極層(第二層20和第四層 38)因此可從上側(cè)接觸。未示出的其它變型方案是或者橫向地例如通過引入或處理到襯底 14中的電路、或者通過襯底14中的接觸部(通孔)來接觸下部的電極層(第二層20)，其中所述襯底14中的接觸部(通孔)能夠?qū)崿F(xiàn)從襯底背側(cè)的接觸。視導電能力而定，也可使用襯底14本身作為引線，但每個串聯(lián)電阻降低電池10的功率值。在另一個變型方案中，第三層 (電解質(zhì)層)36在施加第四層(陽極層)38之間選擇性地去除并且因此使否則被掩埋的層可接觸地被釋放。在施加鈍化層時應相應匹配接觸的過程。因此，通過掩蔽方法的不相關性也可將襯底14以任意拓撲(例如深的溝或孔)結(jié)構(gòu)化。這尤其是在圖6中所示的三維薄層電池M的制造方面是有利的。因為激光結(jié)構(gòu)化與未結(jié)構(gòu)化襯底14的掩?；驙顟B(tài)不相關，所以必要時僅須將沉積與襯底14匹配，但不是結(jié)構(gòu)化。三維的薄層電池M的襯底14是三維的結(jié)構(gòu)化的襯底56，該襯底例如具有彼此平行延伸的溝58，所述溝允許產(chǎn)生三維折疊的薄層電池(三維的薄層電池M)。通過將層16、18、20、36、38預先結(jié)構(gòu)化可將電池10最后分割，而例如不存在由于在鋸開時電池材料散布而造成短路的風險。功能區(qū)域與半導體襯底12的邊緣絕緣。在附圖中，陽極的切割線60關于陰極切口的切割線62稍微向外移動。通過合適地定位切入口 22、40，也可避免例如由于在第一次激光結(jié)構(gòu)化時拋出材料而短路，所述拋出材料例如刺透電解質(zhì)層。圖7示出了在分割電池10時的襯底14。決定性的是，在通過激光結(jié)構(gòu)化鋸開時的短路可被可靠抑制。作為替換方案，在無干擾性拋出情況下合適地結(jié)構(gòu)化下方的層時，陽極的結(jié)構(gòu)化也可借助于一個步驟來進行，在該步驟中，薄層電池的上部的層(第四層38)僅僅被鋸開。該層38的在此形成的區(qū)域是陽極區(qū)域42，該陽極區(qū)域具有陽極的接觸面52，另一個區(qū)域是陰極區(qū)域觀中的設置在陽極下方的陰極的接觸區(qū)域50。圖8中示出了一個變型方案，其中敏感的含鋰離子的層通過上部的金屬層或第一鈍化層直到被鋸開而得到保護。只是通過沿著線64有目的地鋸開上部的層(第四層38)以及金屬或鈍化層并且通過沿著線66鋸開總結(jié)構(gòu)而接著分割所述總結(jié)構(gòu)的分配給各個電池 10的部分，電池10就制造完畢。在此，通過結(jié)構(gòu)化被隱藏的層而可保證在鋸開時不形成短路?？山又┘?另一個)鈍化層(例如Al2O3,借助于ALD =Atomic Layer D印osition (原子層沉積))。所述結(jié)構(gòu)當然也可以其它順序即通過被掩埋的陽極層和上方的陰極層來實現(xiàn)。
作為襯底考慮多種材料，重要的是對在沉積層時所需的溫度的抗耐性，以及必要時在激光結(jié)構(gòu)化時足夠的選擇性。示例性地可列舉
硅襯底，必要時具有集成電路或集成的微機械結(jié)構(gòu)元件，或者具有穿通接觸部， 玻璃襯底，必要時具有集成的穿通接觸部， 陶瓷，以及溫度穩(wěn)定的聚合物。薄層電池的各個功能面(例如集流器，陰極，電解質(zhì)，陽極，集流器，鈍化，參見圖1) 彼此相繼地施加尤其是沉積。通過用合適的方法、典型地用具有匹配的波長、功率、脈沖長度、脈沖頻率和/或掃描速度的激光方法處理而將絕緣切口引入到各自的層中。通常這在施加下一個層之前進行。目的在于，可靠地橫向絕緣期望的層，但處于其下方的層必要時不受損害或不影響其功能。結(jié)構(gòu)化在激光方法中也可就地例如通過沉積設備的腔中的相應的光學窗來進行。 腔被在切割時脫離的微粒污染可通過合適的措施避免，例如將腔抽真空或保護氣體沖刷。激光結(jié)構(gòu)化與襯底狀態(tài)無關，即例如也可處理具有大拓撲的預先結(jié)構(gòu)化的襯底 (3D薄層電池)。得到下面的優(yōu)點
顯著改善的用于使層結(jié)構(gòu)化的可能性，尤其是與遮蔽掩模相比較。襯底(尤其是晶片)上的位置可得到明顯更有效的利用并且下腳料減少?！ねㄟ^限制到簡單的絕緣切口，襯底上的面的結(jié)構(gòu)化例如可在幾分鐘之內(nèi)并且由此與例如光刻方法和單獨蝕刻步驟相比極快速地進行?！そY(jié)構(gòu)化僅與襯底的實際上去除的區(qū)域相互作用。其余區(qū)域的結(jié)構(gòu)和形狀是任意的，只要不產(chǎn)生遮蔽。由此在襯底中可存在深的結(jié)構(gòu)或通孔?！ねㄟ^將沉積和結(jié)構(gòu)化分開，也不進行掩蔽的“下溢(Unterlaufen)”，例如在CVD 方法和遮蔽掩模情況時會出現(xiàn)的那樣——例如在非完美平坦地貼靠的遮蔽掩模下沉積的情況?！げ粌H從一個襯底到下一個襯底而且在考慮可分割性情況下在一個唯一襯底上， 電池大小和形狀可快速且靈活地滿足要求。不需要用于制造掩模的外部步驟，僅須改變激光編程?！た梢怨?jié)省“在芯片上”位置地通過使層相應結(jié)構(gòu)化來實現(xiàn)為了提高可用電壓而將不同電池串聯(lián)連接?！ぞ偷亟Y(jié)構(gòu)化的可能性允許在無真空斷裂或無對空氣和濕分敏感地作出反應的鋰層與損害性或甚至毀壞性氛圍接觸的情況下制造這種電池10。為此僅須在沉積設備中設置光學窗，其中該沉積設備允許必要時在不同腔中沉積所需全部的層。
權利要求
1.用于制造薄層電池(10)的方法，其中，為了形成所述電池(10)的層序列而將多個層(16，18，20，36，38)彼此相繼地施加在襯底(14)的襯底表面上并且將先前施加的層(18， 20，38)至少之一的不同區(qū)域(24J6，28 ；30,32,34 ；42，44，46)彼此橫向分開，其特征在于 所述分開借助于激光束來進行。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于所述層之一(20，38)是陰極層，以及所述層之一(38，20)是陽極層。
3.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征在于下述步驟-在所述襯底表面上或在先前施加在所述襯底表面上的絕緣層(16)上施加第一層 (18)，在所述第一層(18)上施加第二層(20)，-將所述第二層(20)的區(qū)域(24，26, 28)彼此橫向分開或者將所述第一層(18)的區(qū)域 (30,32,34)彼此以及所述第二層(20)的區(qū)域(24，沈，28)彼此橫向分開，-在所述第二層(20 )上施加第三層(36 )，在所述第三層(36 )上施加第四層(38 )，以及-將所述第四層(38)的區(qū)域(42，44，46)彼此橫向分開或者將所述第三層(36)的區(qū)域彼此以及所述第四層(38)的區(qū)域彼此橫向分開。
4.根據(jù)權利要求2或3的方法，其特征在于所述陰極層和/或陽極層構(gòu)造成所述層序列的被掩埋的層(18，20，36)并且向外建立與其接觸部的穿通接觸(48)。
5.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征在于另外施加覆蓋層，所述覆蓋層完全或部分地覆蓋所述層(16，18，20，36，38)。
6.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征在于至少一個層的區(qū)域(24，沈，28；30, 32,34 ；42,44,46)的分開是絕緣的分開，在所述絕緣的分開中，所述層(18，20，38)的待分開的區(qū)域(24，洸，28 ；30, 32, 34 ；42，44，46)在該層(18，20，38)內(nèi)部彼此電絕緣。
7.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征在于所述層(16，18，20，36，38)至少之一的施加在氣相沉積設備中執(zhí)行并且至少一個層(18，20，38)的區(qū)域(18，20，38)的分開也在所述氣相沉積設備中執(zhí)行。
8.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征在于提供三維結(jié)構(gòu)化的襯底表面，在所述三維結(jié)構(gòu)化的襯底表面上施加所述層(16，18，20, 36，38)。
9.根據(jù)上述權利要求之一的方法，其特征在于借助于激光束在至少一個區(qū)域中去除所述先前施加的層(16，18，20，36，38)至少之一。
10.薄層電池(10)，尤其是根據(jù)上述權利要求之一的方法來制造，具有襯底(12)和所述電池(10)的層序列，所述層序列具有多個彼此相繼施加在所述襯底(14)的襯底表面上的層(16，18，20，36，38)，其中，先前施加的層(18，20，38)至少之一的不同區(qū)域(24，26，28 ； 30，32，34 ；42，44，46)通過至少一個分開結(jié)構(gòu)(22，40)彼此橫向分開，其中，所述分開結(jié)構(gòu) (22，40)由至少一個在所述層(18，20，38)中借助于激光束制造的切入口(22，40)形成。
11.根據(jù)權利要求10的薄層電池，其特征在于所述層之一(20，38)是陰極層，以及所述層之一(38，20)是陽極層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造薄層電池的方法和相應的薄層電池，其中，為了形成所述電池(10)的層序列而將多個層(16，18，20，36，38)彼此相繼地施加在襯底(14)的襯底表面上并且將先前施加的層至少之一(18，20，38)的不同區(qū)域(24，26，28；30，32，34；42，44，46)彼此橫向分開。規(guī)定所述分開借助于激光束來進行。本發(fā)明還涉及相應的薄層電池(10)。
文檔編號H01M10/04GK102255102SQ20111012742
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月17日 優(yōu)先權日2010年5月18日
發(fā)明者克勞斯 A., 莫爾施 G., 博內(nèi) L., 皮爾克 T. 申請人:羅伯特·博世有限公司