鋰金屬上的固態(tài)電解質(zhì)及阻擋層及其方法
【專利摘要】制造包含鋰金屬電極的電化學(xué)裝置的方法可包含：提供基板，在所述基板表面上具有鋰金屬電極；沉積第一電介質(zhì)材料層至鋰金屬電極上，且沉積第一電介質(zhì)材料層是在氬環(huán)境中濺射Li3PO4；在沉積第一電介質(zhì)材料層后，在第一電介質(zhì)材料層上方誘發(fā)及維持氮等離子體，以提供離子轟擊第一電介質(zhì)材料層而將氮并入所述第一電介質(zhì)材料層內(nèi)；及在沉積、誘發(fā)及維持后，沉積第二電介質(zhì)材料層至經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層上，且沉積第二電介質(zhì)材料層是在含氮環(huán)境中濺射Li3PO4。電化學(xué)裝置可包含在鋰金屬電極與LiPON電解質(zhì)之間的阻擋層。本文也描述配置為制造包含鋰金屬電極的電化學(xué)裝置的工具。
【專利說明】裡金屬上的固態(tài)電解質(zhì)及阻擋層及其方法
[0001] 對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)是2012年6月14日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/523，790號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)， 所述部分繼續(xù)申請(qǐng)要求2011年6月17日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/498,480號(hào)的優(yōu)先 權(quán)，二者的全文內(nèi)容W引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開內(nèi)容的實(shí)施方式大體關(guān)于薄膜沉積，更具體地說是關(guān)于沉積固態(tài)電解質(zhì)層 (諸如LiPON)至裡金屬上的方法和相關(guān)裝置及沉積設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0004] 圖1圖示典型薄膜電池（TFB)的截面示意圖。具有陽(yáng)極集電器（anode current collector)103和陰極集電器102的TFB裝置結(jié)構(gòu)100形成于基板101上，然后為陰極104、電 解質(zhì)105和陽(yáng)極106;然而裝置可制造成具有相反順序的陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極。另外，陰極集 電器(CCC)和陽(yáng)極集電器(ACC)可分別沉積。例如，CCC可在陰極前沉積，ACC可在電解質(zhì)后沉 積。裝置可被包覆層107覆蓋，W保護(hù)環(huán)境敏感層遭氧化劑作用。例如參見"N.J.Dudney， Materials Science and lingineering B 1 16, (2005)245-249"。注意圖 1 所示TFB裝置中 的部件層并未按比例繪制。
[0005] 在典型TFB裝置結(jié)構(gòu)中，諸如圖1所示，電解質(zhì)（電介質(zhì)材料，諸如裡憐氮氧 化iPON))夾設(shè)在兩個(gè)電極（陽(yáng)極與陰極)之間。LiPON為化學(xué)穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)且具有寬工作 電壓范圍（高達(dá)5.5V)和相對(duì)高的離子導(dǎo)電率(l-2yS/cm)。固態(tài)電池，特別是薄膜型的，含有 LiPON做為電解質(zhì)，因?yàn)檫\(yùn)類電池能有超過20000次充放電循環(huán)且電容量損失/循環(huán)僅 0.001 %。習(xí)知用于沉積LiPON的方法為在化環(huán)境中物理氣相沉積(PVD)射頻(RF)瓣射LisP化 祀材。
[0006] 在Li做為陽(yáng)極材料的固態(tài)電池結(jié)構(gòu)中，Li的反應(yīng)性在制造電池方面將是一大挑 戰(zhàn)。此具挑戰(zhàn)性的情況出現(xiàn)在當(dāng)依習(xí)知順序制造電池而需保護(hù)Li陽(yáng)極時(shí)，例如在薄膜(真空 沉積）固態(tài)電池中，陰極集電器、陰極、電解質(zhì)、陽(yáng)極依此大致順序相繼形成至基板上，而留 下頂部Li陽(yáng)極待W-些方式涂覆，W免與環(huán)境氛圍反應(yīng)。另一情況出現(xiàn)在考慮先形成Li陽(yáng) 極、然后形成電解質(zhì)和陰極的"倒置"電池結(jié)構(gòu)時(shí)。此結(jié)構(gòu)可真空沉積或利用非真空方法(縫 模(slot die)、印刷等）。若為倒置電池結(jié)構(gòu)，貝喊化戈出現(xiàn)在當(dāng)電解質(zhì)層(諸如LiPON)需沉積 至Li金屬表面時(shí)。
[0007] 顯然需要能讓LiPON電介質(zhì)薄膜沉積至裡金屬表面的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)、沉積工藝 和制造設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本公開內(nèi)容包括沉積固態(tài)電解質(zhì)層(諸如LiPON)至裡金屬上的方法，LiPON是用于 高能量密度固態(tài)電池的電解質(zhì)材料。為避免在LiPO腳冗積期間氮等離子體接觸裡金屬，會(huì)先 在100%氣(Ar)環(huán)境中，使用Li3P04祀材沉積很薄的（10nm-100nn0Li3P04層化i3P04層也是固 態(tài)電解質(zhì)，然而離子導(dǎo)電率較低)至裡金屬上。Li3P化膜沉積后接著用氮等離子體處理，W改 善Li3P化膜的離子導(dǎo)電率，接著在純氮氛圍中，使用相同祀材沉積預(yù)定厚度的LiPON。
[0009] 根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施方式，制造包含裡金屬電極的電化學(xué)裝置的方法可包 含:提供基板，在所述基板的表面上具有裡金屬電極;沉積第一電介質(zhì)材料層至裡金屬電極 上，且沉積第一電介質(zhì)材料層是在氣環(huán)境中瓣射Li3P化;在沉積第一電介質(zhì)材料層后，在第 一電介質(zhì)材料層上方誘發(fā)及維持氮等離子體，W提供離子轟擊第一電介質(zhì)材料層而將氮并 入第一電介質(zhì)材料內(nèi)；及在沉積、誘發(fā)及維持后，沉積第二電介質(zhì)材料層至經(jīng)離子轟擊的第 一電介質(zhì)材料層上，且沉積第二電介質(zhì)材料層是在含氮環(huán)境中瓣射Li3P化。
[0010] 根據(jù)本公開內(nèi)容的進(jìn)一步的實(shí)施方式，電化學(xué)裝置可包含:基板，在所述基板表面 上具有裡金屬電極;在裡金屬電極上的經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層，經(jīng)離子轟擊的第 一電介質(zhì)材料層是通過在氣環(huán)境中瓣射Li3P化祀材、然后在含氮環(huán)境中等離子體處理而形 成的材料層;在經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層上的第二電介質(zhì)材料層，第二電介質(zhì)材料 層是通過在含氮環(huán)境中瓣射Li3P化而形成;在第二電介質(zhì)材料層上的第二電極。
[0011] 另外，本公開內(nèi)容提供配置為執(zhí)行本公開內(nèi)容所述方法的工具。
【附圖說明】
[0012] 在配合參閱W下本公開內(nèi)容的特定實(shí)施方式說明和附圖后，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 將更清楚明白本公開內(nèi)容的上述和其它方面與特征，其中：
[0013] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)薄膜電池的截面示意圖；
[0014] 圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式的沉積系統(tǒng)示意圖；
[0015] 圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式的用于沉積固態(tài)電解質(zhì)和阻擋層薄膜至電化 學(xué)裝置的裡金屬電極上的流程圖；
[0016] 圖4是根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式的垂直堆疊薄膜電池截面示意圖；
[0017] 圖5是根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式的薄膜沉積群集工具示意圖；
[0018] 圖6是根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式的具多個(gè)沿線（in-line)工具的薄膜沉積系 統(tǒng)不意圖；及
[0019] 圖7是根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式的沿線沉積工具示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本公開內(nèi)容的實(shí)施方式現(xiàn)將參照附圖詳述，運(yùn)僅是舉例說明本公開內(nèi)容，W供本 領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施本公開內(nèi)容。附圖包括裝置和裝置處理流程示意圖且未按比例繪制。需 注意附圖和W下實(shí)例無(wú)意將本公開內(nèi)容的保護(hù)范圍限定成單一實(shí)施方式，而是可交換所述 部分或所有元件變成其他實(shí)施方式。再者，本公開內(nèi)容的一些元件可部分或全部使用已知 部件，在此僅討論理解本公開內(nèi)容所需的已知部件，其余已知部件細(xì)節(jié)則不再寶述，W免讓 本公開內(nèi)容變得晦澀難懂。在本說明書中，除非明確陳述，否則描繪單一部件的實(shí)施方式不 應(yīng)視為限制條件;反之，本公開內(nèi)容擬涵蓋其他包括多個(gè)相同部件的實(shí)施方式，反之亦然。 再者，除非特別提出，否則本公開內(nèi)容說明書或申請(qǐng)專利范圍的任何用語(yǔ)不解釋成不常見 或特殊意義。另外，本公開內(nèi)容包含在此舉例說明的已知部件的現(xiàn)存和未來(lái)已知等效物。
[0021] 各種電化學(xué)裝置期望沉積LiPON層至裡金屬表面，包括TFB。習(xí)知用于沉積LiPON的 方法為在氮環(huán)境中物理氣相沉積(PVD)射頻(RF)瓣射Li3P化祀材。問題在于:在LiPON完全遮 蓋基板前，基板(裡金屬)一旦碰到氮等離子體，瓣射氮等離子體便會(huì)引起下列反應(yīng):6Li+化 一化isN。產(chǎn)物L(fēng)i3N對(duì)Li參考電極具有很小的電壓范圍（~0.4V)。盡管形成Li3N本身并非大 問題化i3N是Li離子導(dǎo)體），但此反應(yīng)不具自限性（self-limiting),而是持續(xù)消耗裡金屬 (電池用電荷載體），只留下陰極中用于電池操作的電荷載體。在此假設(shè)陰極W裡化完全放 電狀態(tài)沉積，由此吸引循環(huán)載體。此類無(wú)附加 Li離子電荷載體儲(chǔ)存器的電池通常因電荷載 體Li經(jīng)由電池壽命期間的各種機(jī)制損失而展現(xiàn)較低循環(huán)性和電容量保存性，運(yùn)將直接影響 電容量和循環(huán)壽命。因此，沉積LiPON至裡金屬上的可行方法是制造上述類型高性能功能電 池的關(guān)鍵。
[0022] 形成包括沉積至Li上的LiPON材料的穩(wěn)定堆疊也提供機(jī)會(huì)W制造混合性質(zhì)的電池 堆疊，例如利用很厚的非真空沉積陰極層和液態(tài)電解質(zhì)，W獲得高很多的電容量、能量密度 及降低成本。成本降低是因?yàn)椴捎眯纬珊耜帢O的非真空方法。例如，"層疊雙基板結(jié)構(gòu)"，其 中一側(cè)是基板/ACC/Li/阻擋層/LiPON,而另一側(cè)是基板/CCC/陰極/液態(tài)電解質(zhì)。
[0023] 只在Ar中瓣射的薄Li3P化阻擋層能有效防止裡金屬在后續(xù)形成LiPON的步驟期間 接觸氮等離子體。實(shí)際沉積LiPON層時(shí)，運(yùn)可有效避免裡金屬與上述氮等離子體反應(yīng)。此外， 整個(gè)工藝可在同一瓣射腔室中W連續(xù)方式進(jìn)行，無(wú)需空斷，不用溶液處理，故無(wú)附加成本。 W單個(gè)晶片為例，可使用像應(yīng)用材料公司（Applied Materials)的化dura?批式處理工具。 在"沿線"工具中，基板在多個(gè)相鄰祀材前面連續(xù)移動(dòng)，第一祀材可做為初始阻擋層涂布步 驟，其余后續(xù)祀材可用于建立所需LiPON層，此再次在單一工具中完成。為補(bǔ)償初始阻擋層 的低離子導(dǎo)電率，在先沉積Li3P化層后并入氮等離子體處理。運(yùn)不僅將提高離子導(dǎo)電率，在 后續(xù)LiPON沉積步驟期間，等離子體處理的針孔補(bǔ)救作用也給予較佳保護(hù)。顯然在Ar環(huán)境中 進(jìn)行Li3P化沉積后，有多種用等離子體處理層的方式。注意Ar等離子體可提供針孔補(bǔ)救，氮 等離子體可提供離子導(dǎo)電率和針孔補(bǔ)救。故可利用Ar等離子體瓣射，然后用氮等離子體處 理瓣射膜。
[0024] 圖2為沉積工具200的實(shí)例示意圖，沉積工具200配置為進(jìn)行根據(jù)本公開內(nèi)容的沉 積方法。沉積工具200包括真空腔室201、瓣射祀材202、基板204和基板基座205。就LiPON沉 積而言，祀材202可為L(zhǎng)i3P化，適合基板204可為娃、氮化娃覆Si、玻璃、PET(聚對(duì)苯二甲酸乙 二醋）、云母、金屬錐(諸如銅)等，并可依需求先沉積及圖案化集電器和電極層。例如參見圖 1及圖4。腔室201具有真空累系統(tǒng)206和工藝氣體輸送系統(tǒng)207。多個(gè)功率源連接至祀材。各 祀材功率源可具有匹配網(wǎng)路，用W操縱射頻(RF)電源。濾波器用于能使用兩個(gè)W不同頻率 操作的功率源，其中濾波器用作保護(hù)低頻操作的祀材電源免遭高頻損害。同樣地，多個(gè)功率 源連接至基板。連接至基板的各功率源具匹配網(wǎng)路，用W操縱射頻(RF)電源。濾波器用于能 使用兩個(gè)W不同頻率操作的功率源，其中濾波器用作保護(hù)連接至基板的低頻操作電源免遭 高頻損害。
[0025] 根據(jù)使用的沉積類型和等離子體針孔減少技術(shù)，連接至基板的一個(gè)或更多個(gè)電源 可為DC源、脈沖式DC (pDC)源、RF源等。同樣地，一個(gè)或更多個(gè)祀材電源可為DC源、pDC源、RF 源等。一些電源(PS)構(gòu)造和使用實(shí)例列于下表1。另外，根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式，組合 電源（PS)可用于沉積薄膜，此概念和構(gòu)造描述于Kwak等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開文件第 2009/0288943號(hào)，所述文件全文內(nèi)容W引用方式并入本文中；例如，除RF源外的組合電源可 有效降低沉積膜中的針孔密度。此外，可在沉積期間加熱基板。
[0026] 表 1
[0027]
[0028] *可使用小于IMHz的頻率。
[0029] 表1提供根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式的用于瓣射沉積和等離子體針孔填充工藝 的示例性電源構(gòu)造。瓣射沉積#1和#2可用于瓣射沉積材料（諸如LiPON或Li3P〇4)，使用 Li3P化祀材，在氮或氣環(huán)境中（若為后者，則后續(xù)氮等離子體處理也可為針孔填充工藝的一 部分，且可并入所需氮來(lái)改善Li3P化的裡離子離子導(dǎo)電率)瓣射沉積。
[0030] 根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式，可依據(jù)圖3的一般工藝流程進(jìn)行在Li金屬電極上 的LiPO腳冗積。工藝流程可包括:提供具有裡金屬陽(yáng)極的基板(步驟310);沉積薄LisPO油介 質(zhì)層至裡金屬陽(yáng)極上(步驟320);在基板上方誘發(fā)及維持含氮等離子體，W提供離子轟擊沉 積電介質(zhì)層而改變電介質(zhì)組成，并入氮來(lái)改善Li+離子導(dǎo)電率(步驟330);及沉積LiPON層至 已改變組成的Li3P化電介質(zhì)上(步驟340)。在此，薄電介質(zhì)層指厚度為數(shù)納米至數(shù)百納米的 Li3P化電介質(zhì)層，在實(shí)施方式中，層厚度為lOnm至l(K)nm，在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，層厚度為 20nm至60nm。
[0031] 更大體而言，根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方式，W下方法可用于制作具裡金屬電極的 電化學(xué)裝置。第一，提供基板，所述基板上具裡金屬電極;基板可為玻璃、娃、銅等。第二，通 過在氣環(huán)境中瓣射Li3P化，沉積第一電介質(zhì)材料層至裡金屬電極上。第Ξ，關(guān)閉RF祀材電源， 及改變腔室氣體W提供含氮環(huán)境，或使基板移動(dòng)到具含氮環(huán)境的不同腔室。第四，利用RF基 板電源直接施加 RF至基板，W在鄰接基板表面處產(chǎn)生局部等離子體，此等離子體將產(chǎn)生具 足夠能量的高能離子，使氮并入第一層而改善Li+離子導(dǎo)電率。第五，完成等離子體處理，接 著通過在氮環(huán)境中從Li3P化源瓣射沉積，W沉積第二電介質(zhì)材料層至經(jīng)離子轟擊的第一層 上。注意氮等離子體處理第一層也可有效消除任何已形成于第一層中的針孔。另外，注意氮 等離子體處理可在個(gè)別腔室中完成，W沉積第一層，另外，沉積第二層可在和氮等離子體處 理相同或不同的腔室中完成。
[0032] 本發(fā)明人注意到相較于在氮環(huán)境中自Li3P化祀材瓣射沉積W沉積薄膜，利用氣瓣 射Li3P〇4祀材來(lái)沉積薄膜也可改善減少薄膜針孔的效果。運(yùn)可能是因?yàn)榈獣?huì)毒化Li3P〇4祀 材，導(dǎo)致祀材微粒產(chǎn)生，微粒會(huì)造成沉積膜中的針孔，而氣不會(huì)毒化祀材，所w可減少微粒 掉落及減少針孔形成。另外，利用氣環(huán)境瓣射Li3P化、接著用氮等離子體處理移除針孔所形 成的膜呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電率優(yōu)于利用氮環(huán)境瓣射沉積、但無(wú)沉積后氮等離子體處理而得的 膜。離子導(dǎo)電率改善是因?yàn)榈入x子體處理期間能更有效地將氮并入LiPON膜。并入氮的 11口0財(cái)才料可^^3口化斯表示，其中2.5<曰<3.5,3.7<6<4.2,0.05<〇<0.3。在一定程度 上，氮含量越多，離子導(dǎo)電率越高。注意通過控制基板溫度，可提高氮等離子體處理移除針 孔及改善離子導(dǎo)電率的效率。就LiPO腳冗積而言，高溫可增進(jìn)氮并入，然而溫度不宜太高，否 則膜可能會(huì)結(jié)晶，基板溫度控制在室溫至300°C的溫度范圍內(nèi)可提供更有效率的LiPON薄膜 沉積工藝。另外，預(yù)期使用其他氣體也可獲得類似結(jié)果，諸如用氣取代氣，但比起氣，氣體 (諸如氣)的高成本限制其使用。
[0033] 下表2顯示根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式，在應(yīng)用材料公司的200mm化dura?標(biāo)準(zhǔn) 物理氣相沉積(PVD)腔室中進(jìn)行Li3P〇4沉積和氮等離子體處理的樣品等離子體配方。
[0034] 表 2
[0035]
[0036] t功率上限是因所用電源的極限，并不代表祀?yún)^(qū)決定的處理上限和祀材材料的功 率密度限制值。功率預(yù)期可提高到祀材開始破裂時(shí)的點(diǎn)值。
[0037] 表2提供工藝條件實(shí)例，用W瓣射Li3P〇4而形成薄膜，然后等離子體處理W改善Li+ 離子導(dǎo)電率，還有降低針孔密度。運(yùn)僅是許多可W使用的變化工藝條件中的一例。注意工藝 可擴(kuò)展到大面積工具。例如，具有1400mmX190mm矩形Li3P〇4祀材的沿線工具可在10千瓦下 操作。大沿線祀材可WRF功率操作，RF功率具有由祀材面積決定的上限和祀材材料的功率 密度限制值。
[0038] 另外，可改變上述工藝條件。例如，沉積溫度可更高，電源可為pDC，瓣射氣體可為 Ar/化混合物。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本公開內(nèi)容后將理解運(yùn)些參數(shù)可依需求調(diào)整，W改善 沉積膜均勻性、表面粗糖度、層密度等。
[0039] 圖4圖示根據(jù)本公開內(nèi)容方法制造具垂直堆疊的電化學(xué)裝置實(shí)例;本公開內(nèi)容的 方法也可用于制造具有圖1的一般構(gòu)造的裝置，然而本公開內(nèi)容包括在裡金屬陽(yáng)極與LiPON 電解質(zhì)之間的阻擋層。在圖4中，垂直堆疊包含:基板410、裡金屬陽(yáng)極420、阻擋層430、電解 質(zhì)層440和陰極層450。也可有(未圖示）陽(yáng)極及/或陰極用集電器、覆蓋整個(gè)堆疊的保護(hù)涂層 和陽(yáng)極與陰極用電觸點(diǎn)。
[0040] 雖然圖2圖示具有水平平面祀材和基板的腔室構(gòu)造，但祀材和基板可被保持在垂 直面中，若祀材本身會(huì)產(chǎn)生微粒，則此構(gòu)造有助于減輕微粒問題。另外，祀材和基板的位置 可交換，使得基板被保持在祀材上方。再者，基板可具有柔性且由卷盤式系統(tǒng)在祀材前面移 動(dòng)，祀材可為旋轉(zhuǎn)圓柱形祀材，祀材可為非平面，及/或基板可為非平面。
[0041] 圖5為根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施方式，用于制造 WB裝置的處理系統(tǒng)600的示意 圖。處理系統(tǒng)600包括通往群集工具620的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口（SMIF)610,群集工具裝配反應(yīng)等離 子體清潔(RPC)腔室630和處理腔室Cl-C4(641-644)，所述多個(gè)腔室可用于上述工藝步驟。 若有需要，手套箱650也可附接至群集工具。手套箱可將基板存儲(chǔ)在惰性環(huán)境中（例如處于 諸如化、化或Ar等稀有氣體中），運(yùn)在堿金屬/堿±金屬沉積后很有用。若有需要，也可使用 預(yù)燃室(ante chamber)660通往手套箱，預(yù)燃室為氣體交換室(惰性氣體換成空氣，反之亦 可），依此可在不污染手套箱的惰性環(huán)境的情況下，將基板傳送進(jìn)出手套箱。注意可W如同 裡錐制造業(yè)者所用露點(diǎn)夠低的干燥室環(huán)境來(lái)代替手套箱。腔室C1-C4可配置用于制造薄膜 電池裝置的工藝步驟，包括如上所述的：沉積Li金屬層至基板上，氮等離子體處理后的 Li3P化阻擋層，接著沉積電解質(zhì)層(例如在化中R內(nèi)賤射Li3P化祀材而得LiPON)。應(yīng)理解雖然處 理系統(tǒng)600圖示呈群集配置，但也可采用線性系統(tǒng)，其中處理腔室排成一線而無(wú)傳送腔室， 使得基板將從一個(gè)腔室連續(xù)移動(dòng)到下一個(gè)腔室。
[0042] 圖6為根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實(shí)施方式，具有多個(gè)沿線工具710、720、730、740等的 沿線制造系統(tǒng)700的示意圖。沿線工具可包括用于沉積電化學(xué)裝置中所有層的工具，例如包 括TFB。另外，沿線工具可包括預(yù)調(diào)節(jié)腔室與后調(diào)節(jié)腔室。例如，工具710可為抽真空（pump down)腔室，用W在基板移動(dòng)通過真空氣室715而至沉積工具720前建立真空。部分或所有沿 線工具可為由真空氣室715隔開的真空工具。注意處理工具的順序和生產(chǎn)線的特定處理工 具取決于所用特定電化學(xué)裝置制造方法。例如，根據(jù)本公開內(nèi)容一些實(shí)施方式，上述一個(gè)或 更多個(gè)沿線工具可專用于沉積緩沖層至Li金屬上，包括氮等離子體處理改善離子導(dǎo)電率。 另外，基板可移動(dòng)通過水平或垂直定向的沿線制造系統(tǒng)。再者，沿線系統(tǒng)適于卷盤式處理網(wǎng) 狀基板。
[0043] 為說明基板如何移動(dòng)通過諸如圖6所示沿線制造系統(tǒng)，圖7圖示基板輸送裝置750 只有一個(gè)沿線工具710就定位。含有基板810的基板保持器755(所示的基板保持器被部分地 裁切，W顯示基板)裝設(shè)在輸送裝置750或等價(jià)裝置上，使保持器和基板依指示移動(dòng)通過沿 線工具710。適用于具有垂直基板構(gòu)造的處理工具710的沿線平臺(tái)可為應(yīng)用材料公司的化W Aristo?。適用于具水平基板構(gòu)造的處理工具710的沿線平臺(tái)可為應(yīng)用材料公司的Aton?。 另外，沿線工藝可實(shí)施于卷盤式系統(tǒng)中，諸如應(yīng)用材料公司的SmartWeb?。
[0044] 根據(jù)本公開內(nèi)容實(shí)施方式，用于制造包含裡金屬電極的電化學(xué)裝置的設(shè)備包含： 第一系統(tǒng)，用于沉積第一電介質(zhì)材料層至基板上的裡金屬電極上，且沉積第一電介質(zhì)材料 層是在氣環(huán)境中瓣射Li3P化;第二系統(tǒng)，用于在第一電介質(zhì)材料層上方誘發(fā)及維持氮等離子 體，W提供離子轟擊第一電介質(zhì)材料層而并入氮于內(nèi)；及第Ξ系統(tǒng)，用于沉積第二電介質(zhì)材 料層至經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層上，且沉積第二電介質(zhì)材料層是在含氮環(huán)境中瓣射 Li3P〇4。第一、第二和第Ξ系統(tǒng)可為相同系統(tǒng)。在實(shí)施方式中，第二和第Ξ系統(tǒng)是相同系統(tǒng)。 設(shè)備可為群集工具或沿線工具。另外，在沿線或卷盤式設(shè)備中，沉積及誘發(fā)步驟可在分離的 相鄰系統(tǒng)中進(jìn)行。
[0045] 本公開內(nèi)容可用于任何使LiPO腳冗積至裡金屬表面的應(yīng)用，例如能量?jī)?chǔ)存裝置、電 致變色裝置等。
[0046] 雖然本公開內(nèi)容已經(jīng)W-些實(shí)施方式來(lái)具體的描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在 不脫離本公開內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可對(duì)形式與細(xì)節(jié)作各種改變與變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種制造電化學(xué)裝置的方法，所述電化學(xué)裝置包含鋰金屬電極，所述方法包含下列 步驟： 提供基板，在所述基板的表面上具有鋰金屬電極； 沉積第一電介質(zhì)材料層至所述鋰金屬電極上，所述沉積所述第一電介質(zhì)材料層是在氬 環(huán)境中派射L i 3PO4; 在所述沉積所述第一電介質(zhì)材料層之后，在所述第一電介質(zhì)材料層上方誘發(fā)及維持氮 等離子體，以提供離子轟擊所述第一電介質(zhì)材料層而將氮并入所述第一電介質(zhì)材料層內(nèi)； 及 在所述沉積、所述誘發(fā)及所述維持之后，沉積第二電介質(zhì)材料層至所述經(jīng)離子轟擊的 第一電介質(zhì)材料層上，所述沉積所述第二電介質(zhì)材料層是在含氮環(huán)境中濺射Li3P〇4。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一電介質(zhì)材料層的厚度在1 Onm和1 OOnm之 間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一電介質(zhì)材料層的厚度在40nm和60nm之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述沉積所述第一電介質(zhì)材料層是在第一真空腔 室中，及所述誘發(fā)及維持是在第二真空腔室中。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層的組成由化 學(xué)式 LiaP0bNc 表示，其中 2.5<a<3.5,3.7<b<4.2,且 0.05<c<0.3。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述誘發(fā)及維持提高所述第一電介質(zhì)材料層的鋰 離子離子導(dǎo)電率。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述誘發(fā)及維持降低在所述第一電介質(zhì)材料層中 的針孔密度。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述誘發(fā)及維持期間，加熱所述基板。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述沉積所述第二電介質(zhì)材料層包括在氮與氬環(huán) 境中濺射Li3P04。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二電介質(zhì)材料層的組成由化學(xué)式LiPON表 不。11. 一種電化學(xué)裝置，包含： 基板，具有在所述基板表面上的鋰金屬電極； 經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層，所述經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層在所述鋰金屬 電極上，所述經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層是通過在氬環(huán)境中濺射Li3P〇4靶材、然后在含 氮環(huán)境中等離子體處理而形成的材料層； 第二電介質(zhì)材料層，所述第二電介質(zhì)材料層在所述經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層 上，所述第二電介質(zhì)材料層是通過在含氮環(huán)境中濺射Li3P〇4而形成； 第二電極，所述第二電極在所述第二電介質(zhì)材料層上。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)裝置，其中所述經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層具 有由化學(xué)式LiaP0bN c表示的組成，其中2.5<a< 3.5,3.7<b<4.2,且0.05< c<0.3。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)裝置，其中所述第二電介質(zhì)材料層具有由化學(xué)式 LiPON表示的組成。14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)裝置，其中所述電化學(xué)裝置是薄膜電池。15. -種設(shè)備，用于制造電化學(xué)裝置，所述電化學(xué)裝置包含鋰金屬電極，所述設(shè)備包含： 第一系統(tǒng)，用于沉積第一電介質(zhì)材料層至基板上的鋰金屬電極上，且所述沉積所述第 一電介質(zhì)材料層是在氬環(huán)境中派射Li3P〇4; 第二系統(tǒng)，用于在所述第一電介質(zhì)材料層上方誘發(fā)及維持氮等離子體，以提供離子轟 擊所述第一電介質(zhì)材料層而將氮并入所述第一電介質(zhì)材料層內(nèi)；及 第三系統(tǒng)，用于沉積第二電介質(zhì)材料層至所述經(jīng)離子轟擊的第一電介質(zhì)材料層上，且 所述沉積所述第二電介質(zhì)材料層是在含氮環(huán)境中濺射Li3P〇4。
【文檔編號(hào)】H01M10/0562GK105874641SQ201480072040
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年12月10日
【發(fā)明人】立鐘·孫, 沖·蔣, 秉圣·利奧·郭, 約瑟夫·G·戈登二世
【申請(qǐng)人】應(yīng)用材料公司