[发明专利]以低温退火进行的电化学装置制造工艺

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2012年7月26日提交的美国临时申请第61/676,232号的权益，通过引用将该临时申请作为一个整体结合在此。

技术领域

本发明涉及电化学装置制造，尤其涉及以低温退火进行的电化学装置电极沉积工艺。

背景技术

已知所有固态薄膜电池(TFB)与传统的电池技术相比表现出多个优势，诸如优越的形状因子(form factor)、循环寿命、功率容量和安全性。然而，仍需兼具成本效益和大批量制造(HVM)的制造技术，以拓展TFB的市场应用。

有关TFB和TFB制造技术的过去和现行的方式大多十分保守，这些努力局限于扩展(scaling)原始橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)装置发展的基本技术，该基本技术始于1990年初期。ORNL TFB发展概要可参见N.J.Dudney,Materials Science and Engineering B 116,(2005)245-249。

图1A至图1F示出用于在基板上制造TFB的传统工艺流程。在这些附图中，俯视图显示于左侧，对应的A-A截面图显示于右侧。亦可有其他变化，例如“倒置”结构，其中先生成阳极侧，在此未示出。图2示出已根据图1A至图1F的工艺流程处理的完整TFB的截面图。

如图1A和图1B所示，处理始于在基板100上形成阴极集电器(CCC)102和阳极集电器(ACC)104。这可以通过(脉冲式)DC溅射金属靶材(～300nm)而形成层(例如，诸如Cu、Ag、Pd、Pt和Au这些主族金属、金属合金、类金属(metalloid)或碳黑)，然后对各个CCC和ACC结构进行掩模和图案化。应注意，若采用金属基板，则第一层可以是覆盖CCC 102之后沉积的“图案化电介质”(CCC需阻挡阴极中的Li与基板反应)。另外，可分别沉积CCC层和ACC层。例如，如图3所示，可在阴极之前沉积CCC，并在电解质之后沉积ACC。对于由诸如Au和Pt之类的金属形成的集电器层，所述集电器层未良好附着在例如氧化物表面，可使用诸如Ti和Cu之类的金属附着层。

接着，在图1C和图1D中，分别形成阴极层106和电解质层108。RF溅射为用来沉积阴极层106(例如LiCoO₂)和电解质层108(例如处于N₂中的Li₃PO₄)的传统方法。阴极层106的厚度可为几微米至数微米或以上，电解质层108的厚度可为约1μm至3μm或以上，以足以确保阴极与阳极之间的电隔离。

最后，在图1E和图1F中，分别形成Li层110和保护涂层(PC层)112。可利用蒸发或溅射工艺形成Li层110。Li层110的厚度可为几微米至数微米或以上(或视阴极层厚度而定为其他厚度)，PC层112的厚度可为3μm至30μm，并且可根据构成层的材料和渗透性规格需求而更厚。PC层112可为包括聚对二甲苯(或其他聚合物基材料)、金属或电介质的多层。注意，在形成Li层与PC层之间，该部分必须保持在惰性或适度惰性环境中，诸如氩气或干燥室条件。

如果CCC不起阻挡层的作用且基板和图案化/构造需要阻挡层，则在CCC102之前，可有额外的“阻挡”层沉积步骤。此外，保护涂层不必为真空沉积步骤。

在典型工艺中，例如，如果TFB性能规格需有“操作电压平台(plateau of operating voltage)”、高功率容量和延长的循环寿命，则将需要退火处理阴极层106，以改善层的结晶度。

尽管已对原始ORNL方式进行了一些改善，然而用于TFB的现有技术制造工艺仍有许多问题，以致无法兼具成本效益和大批量制造(HVM)，因而阻碍TFB的市场应用拓展。例如，现行的薄膜阴极和阴极沉积工艺的问题包括需高温退火，以达到期望的结晶相，这将造成工艺复杂度增加、低产量和限制基板材料的选择。

因此，该技术领域仍需用于TFB的兼具成本效益和大批量制造(HVM)的制造工艺和技术，以拓展TFB的市场应用。

发明内容