[发明专利]LiCoO2的沉积

说明书

相关申请

本发明要求下列临时申请的优先权：2005年2月8日由Hongmei Zhang和Richard E.Demaray提交的临时申请60/651,363；和2004年12月8日由相同的发明人提交的临时申请60/634,818，每一份临时申请的全部内容都通过引用结合在此。

发明背景

技术领域

本发明涉及薄膜固态电池，具体而言，涉及用于电池制造的LiCoO₂膜和层的沉积。

相关技术的论述

固态薄膜电池典型地通过将薄膜层叠在衬底上使得所述膜协同产生电压而形成。所述薄膜典型地包含集电极、阴极、阳极和电解质。可以使用包括溅射和电镀的多种沉积方法沉积所述薄膜。适于这种应用的衬底常规上是能够在空气中经受至少一次高达约2小时的至少700℃的高温退火处理，以使LiCoO₂膜结晶的高温材料。这种衬底可以是具有合适结构和材料性能的任何适合的材料，例如在LiCoO₂的存在下经受后续高温处理的半导体晶片、金属片(例如钛或锆)、陶瓷如氧化铝或其它材料，所述LiCoO₂可以在这些温度循环过程中与用于电池的大多数材料经受显著的界面反应。

人们已经将除LiCoO₂以外的其它含锂的混合金属氧化物评价为结晶能储存阴极材料，其包含Ni、Nb、Mn、V并且有时还包含Co，而且包含其它过渡金属氧化物。典型地，以非晶态形式沉积所述阴极材料，然后在退火处理中加热所述材料以形成结晶材料。在LiCoO₂中，例如，在700℃以上的退火将沉积的非晶膜转变为结晶态。然而，这种高温退火严重限制了可以用作衬底的材料，诱导与含锂阴极材料的破坏性反应，并且通常需要使用昂贵的贵金属如金。这些高热预算的方法(即，长时间周期的高温)与半导体或MEM器件加工不相容，并且限制了衬底材料的选择，增加成本并且降低这些电池的产量。

已知可以实现非晶LiCoO₂在贵金属上的结晶。在Kim等中论述了这种结晶的一个实例，其中如x射线衍射数据显示，在贵金属上的LiCoO₂非晶层在700℃的20分钟常规炉退火实现了LiCoO₂材料的结晶。Kim，Han-Ki和Yoon，Young Soo，″Characteristics of rapid-thermal-annealed LiCoO₂，cathodefilm for an all-solid-state thin film microbattery，″J.Vac.Sci.Techn.A22(4)，2004年7月/8月。在Kim等中，在沉积于高温MgO/Si衬底上的铂膜上沉积LiCoO₂膜。在Kim等中表明，这些结晶膜能够构成功能性全固态Li⁺离子电池的含Li⁺离子阴极层。

有很多参考文献都公开了一种能够提供LiCoO₂膜的离子束辅助方法，所述LiCoO₂膜通过小角x射线衍射(XRD)显示出一些可观察到的结晶组成。在美国专利申请09/815,983(公布号US2002/001747)、09/815,621(公布号US2001/0032666)和09/815,919(公布号US2002/0001746)中找到了这些膜的一些实例。这些参考文献公开与沉积源并行使用第二前侧离子束或其它离子源以在衬底表面获得离子通量与LiCoO₂蒸气通量的交迭区。这些参考文献没有一份公开了在沉积过程中的膜温度数据或膜的其它温度数据以支持低温处理的主张。

很难通过溅射材料层或通过使用离子通量的轰击形成均匀的沉积。使用来自相对于衬底占据不相同的位置和范围的两种源的两种均匀的同步分布，极大地增加在实现均匀的材料沉积中所涉及的困难。这些参考文献没有公开薄膜电池的可靠制造所需的均匀的材料沉积。人们对有利于电池产品的材料均匀性的良好认识的规定是5％的1-∑(one-sigma)的材料均匀性是在薄膜制备中的标准。发现约86％具有这种均匀性的膜对于电池制造是可接受的。

还更困难的是按衬底比例来制造如200mm或300mm的尺度。实际上，在使用溅射沉积以及离子束沉积的上述讨论的参考文献中，只公开了小面积的靶和小面积的衬底。这些参考文献公开了唯一的可行性结果。在这些参考文献中没有公开由两种独立的前侧源(front side source)实现均匀的分布的方法。