DE102015109991A1 - Electrical storage system with disc-shaped discrete element, process for its manufacture and its use - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung umfasst ein elektrisches Speichersystem mit einer Dicke kleiner 2mm, beinhaltend mindestens ein scheibenförmiges diskretes Element, dadurch gekennzeichnet, dass das Element eine Dickenvariation von nicht größer als 25 µm, bevorzugt von nicht größer als 15 µm, besonders bevorzugt von nicht größer als 10 µm sowie ganz besonders bevorzugt von nicht größer als 5 µm aufweist, bezogen auf die Wafer- bzw. Substratgrößen im Bereich von > 100 mm Durchmesser, insbesondere bei einer lateralen Abmessung von 100 mm·100 mm, bevorzugt bezogen auf die Wafer- bzw. Substratgrößen im Bereich > 200 mm Durchmesser, insbesondere bei einer lateralen Abmessung von 200 mm·200 mm und besonders bevorzugt bezogen auf die Wafer- bzw. Substratgrößen im Bereich > 400 mm Durchmesser, insbesondere bei einer lateralen Abmessung von 400 mm·400 mm.The invention comprises an electrical storage system with a thickness of less than 2 mm, including at least one disk-shaped discrete element, characterized in that the element has a thickness variation of not greater than 25 .mu.m, preferably not greater than 15 .mu.m, particularly preferably not greater than 10 .mu.m and most preferably not greater than 5 microns, based on the wafer or substrate sizes in the range of> 100 mm diameter, in particular at a lateral dimension of 100 mm x 100 mm, preferably based on the wafer or substrate sizes in Range> 200 mm in diameter, in particular with a lateral dimension of 200 mm x 200 mm and particularly preferably based on the wafer or substrate sizes in the range> 400 mm diameter, in particular with a lateral dimension of 400 mm x 400 mm.
Description
Elektrische Speichersysteme sind seit langem Stand der Technik und umfassen insbesondere Batterien, aber auch sogenannte Supercaps. Aufgrund der mit ihnen realisierbaren hohen Energiedichte werden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batterien im Bereich neuartiger Anwendungen wie beispielsweise der Elektromobilität diskutiert, kommen aber auch schon seit einigen Jahren in tragbaren Geräten wie beispielsweise Smartphones oder Laptops zum Einsatz. Diese herkömmlichen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich dabei insbesondere durch die Verwendung von organischen, lösungsmittelbasierten Flüssigelektrolyten aus. Diese sind allerdings brennbar und führen zu Sicherheitsbedenken hinsichtlich des Einsatzes der genannten Lithium-Ionen-Batterien. Eine Möglichkeit, organische Elektrolyte zu vermeiden, besteht im Einsatz von Festkörperelektrolyten. Dabei ist die Leitfähigkeit eines solchen Festkörperelektrolyten in der Regel deutlich, d.h. mehrere Größenordnungen, geringer als die eines entsprechenden Flüssigelektrolyten. Um dennoch akzeptable Leitfähigkeiten zu erhalten und die Vorteile einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie nutzen zu können, werden solche Festkörperbatterien heutzutage insbesondere in Form sogenannter Thin-Film-Batteries (TFB) bzw. Dünnschichtspeicherelemente hergestellt. Diese finden ihre Verwendung insbesondere in mobilen Anwendungen, beispielsweise in sogenannten Smart Cards, in der Medizintechnik und Sensorik sowie Smartphones und weiteren Anwendungen, die smarte, miniaturisierte und möglicherweise sogar flexible Energiequellen erfordern. Electrical storage systems have long been prior art and include in particular batteries, but also so-called supercaps. Due to the high energy density that can be achieved with them, especially so-called lithium-ion batteries are discussed in the field of novel applications such as electromobility, but have also been used for some years in portable devices such as smartphones or laptops. These conventional rechargeable lithium-ion batteries are characterized in particular by the use of organic, solvent-based liquid electrolytes. However, these are flammable and lead to safety concerns regarding the use of said lithium-ion batteries. One way to avoid organic electrolytes is to use solid-state electrolytes. The conductivity of such a solid electrolyte is usually clear, i. several orders of magnitude lower than that of a corresponding liquid electrolyte. In order to still obtain acceptable conductivities and to be able to use the advantages of a rechargeable lithium-ion battery, such solid-state batteries are nowadays produced in particular in the form of so-called thin-film batteries (TFB) or thin-film memory elements. These are used in particular in mobile applications, for example in so-called smart cards, in medical technology and sensor technology, as well as smartphones and other applications which require smart, miniaturized and possibly even flexible energy sources.
Ein beispielhafte Lithium-basiertes Dünnschichtspeicherelement ist in der
Eine weiteres Dünnschichtspeicherelement wird beispielhaft in der
Die für ein solches Dünnschichtspeicherelement abgeschiedenen Schichten haben in der Regel Schichtdicken im Bereich von 20µm oder weniger, typischerweise kleiner 10 µm oder sogar kleiner 5 µm; als Gesamtdicke des Schichtaufbaus können dabei 100 µm oder kleiner angenommen werden. The deposited for such a thin-film memory element layers usually have layer thicknesses in the range of 20 microns or less, typically less than 10 microns or even less than 5 microns; as the total thickness of the layer structure can be assumed 100 microns or smaller.
Im Rahmen dieser Anmeldung werden als Dünnschichtspeicherelemente beispielhaft wiederaufladbare Lithium-basierte Dünnschichtspeicherelementn und Supercaps verstanden; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Systeme beschränkt, sondern kann auch in weiteren Dünnschichtspeicherelementen, z.B. wiederaufladbaren und / oder gedruckten Dünnfilmzellen zum Einsatz kommen. For the purposes of this application, the term thin-film memory elements is understood as meaning, for example, rechargeable lithium-based thin-film memory elements and supercaps; however, the invention is not limited to these systems but may also be used in other thin film memory elements, e.g. rechargeable and / or printed thin film cells are used.
Die Herstellung eines Dünnschichtspeicherlements erfolgt dabei in der Regel über komplexe Beschichtungsverfahren, die auch die strukturierte Abscheidung der einzelnen Materialien umfassen. Dabei sind äußerst komplizierte Strukturierungen der genauen Dünnschichtspeicherelemente möglich, wie sie beispielhaft der
Die
Darüber hinaus kommt es, wie beispielhaft in der Schrift
Ein weiterer Problempunkt bei Dünnschichtspeicherelementen besteht in den verwendeten Substratmaterialien. Der Stand der Technik beschreibt dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Substratmaterialien wie beispielsweise Silizium, Glimmer, verschiedene Metalle sowie keramische Materialien. Auch die Verwendung von Glas, jedoch im wesentlichen ohne weitere Angaben zur speziellen Zusammensetzung oder genauen Eigenschaften, wird oftmals erwähnt. Another problem with thin-film memory elements is the substrate materials used. The prior art describes a variety of different substrate materials such as silicon, mica, various metals and ceramic materials. The use of glass, but essentially without further details of the specific composition or exact properties, is often mentioned.
Die
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Demgegenüber beschreibt die als in der Praxis relevante Substratmaterialien lediglich Substrate aus Metallen bzw. Metalllegierungen mit einem hohen Schmelzpunkt sowie dielektrische Materialien wie Hochquarz, Siliziumwafer, Aluminiumoxid und dergleichen. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass für die Herstellung einer Kathode aus dem üblicherweise verwendeten Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) eine Temperaturbehandlung bei Temperaturen von mehr als 400°C, durchaus auch mehr als 500°C und größer erforderlich ist, um eine für das Speichern von Li+-Ionen in diesem Material besonders günstige Kristallstruktur zu erhalten, so dass Materialien wie Polymere oder anorganische Materialien mit niedrigen Erweichungstemperaturen nicht verwendet werden können. Sowohl Metalle bzw. Metalllegierungen als auch dielektrische Stoffe weisen jedoch verschiedene Schwierigkeiten auf: Beispielsweise sind dielektrische Materialien üblicherweise spröde und können nicht in kostengünstigen Roll-ro-roll-Prozessen Verwendung finden, während andererseits Metalle bzw. Metalllegierungen dazu neigen, während der Hochtemperaturbehandlung des Kathodenmaterials zu oxidieren. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wird in der
Vielerorts diskutiert wird auch eine Umgehung der beispielsweise in der oben genannten
Die
Probleme herkömmlicher Dünnschichtspeicherelemente bestehen also zusammenfassend in der Korrosionsanfälligkeit der verwendeten Materialien, insbesondere, wenn es zur Verwendung von metallischem Lithium kommt, was komplizierte Schichtaufbauten zur Folge hat und damit hohe Kosten verursacht, sowie der Art des Substrats, das insbesondere nichtleitend, aber flexibel, hochtemperaturbeständig sowie gegenüber den verwendeten Funktionsschichten des Speicherlements möglichst inert sein und die Abscheidung von möglichst fehlerfreien Schichten mit guter Schichthaftung auf dem Substrat ermöglichen sollte. Hierbei zeigt sich allerdings, dass auch mit Substraten, die eine besonders niedrige Oberflächenrauheit aufweisen, wie beispielsweise der in der
Eine weitere Schwierigkeit, die für alle Substratmaterialien unabhängig von deren genauer Zusammensetzung gegeben ist, betrifft eine der möglichen Handlingslösungen von ultradünnem Glas. Die sogenannte Carrier-Lösung besteht darin, vor dem oder während des Beschichtungsprozesses bzw. den Transfer-Prozessschritten ultradünnen Glas auf einer Unterlage temporär zu fixieren. Dies kann wahlweise mit elektrostatischen Kräften erfolgen oder durch Verwendung einer organischen ablösbaren Klebemasse. Insbesondere im letzten Fall muss durch geeignete Wahl des Substrats bzw. des Carriers, welche in der Regel aus demselben Material gefertigt sind, gewährleistet sein, dass das Debonding, also die Ablösung des Substrats vom Carrier, möglich wird. Das Debonding führt oft zum Auftreten von Torsionsspannungen im Substrat, wobei sich diese Spannungen auch auf die auf dem Substrat befindlichen Schichten übertragen können, was ebenfalls Risse und Ablösungen der Schichten zur Folge hat, so dass sich in der Folge die durch Dickenschwankungen des Substrats angelegten Schichtfehler noch weiter verstärken. Another difficulty faced by all substrate materials, regardless of their exact composition, is one of the possible handling solutions of ultra-thin glass. The so-called carrier solution is to temporarily fix ultra-thin glass on a substrate before or during the coating process or the transfer process steps. This can be done either with electrostatic forces or by using an organic releasable adhesive. In particular, in the latter case must be ensured by a suitable choice of the substrate or the carrier, which are usually made of the same material, that the debonding, ie the detachment of the substrate from the carrier, is possible. The debonding often leads to the occurrence of torsional stresses in the substrate, whereby these stresses can also be transferred to the layers located on the substrate, which likewise results in cracks and delamination of the layers, as a consequence of which the layer defects caused by thickness variations of the substrate even further reinforce.
Einige Bearbeitungsschritte in der Herstellung von elektrischen Dünnschichtspeicherelementen können dabei prinzipiell auch durch Verwendung energiereicher optischer Energiequellen wie beispielsweise Excimer-Lasern erfolgen. Um hier alle Bearbeitungsmöglichkeiten, beispielsweise für das Schneiden von Wafern mittels Laser oder die Härtung von organischen Klebematerialien durch UV-Quellen, zu ermöglichen, ist eine gezielt modifizierbare UV-Transmission eines Substratmaterials von Vorteil. Some processing steps in the production of thin-film electrical storage elements can in principle also be done by using energy-rich optical energy sources such as excimer lasers. In order to enable all processing options here, for example for laser cutting of wafers or curing of organic adhesive materials by UV sources, a specifically modifiable UV transmission of a substrate material is advantageous.
Die Aufgabe der Erfindung umfasst die Bereitstellung eines elektrischen Speichersystems, das ein scheibenförmiges diskretes Element beinhaltet, das scheibenförmige diskrete Element sowie dessen Herstellung und Verwendung. The object of the invention comprises the provision of an electrical storage system which includes a disk-shaped discrete element, the disk-shaped discrete element and its manufacture and use.
Die vorliegende Erfindung hat ferner zur Aufgabe, ein elektrisches Speicherelement, insbesondere ein Dünnschichtspeicherelement, bereitzustellen, das die Schwächen des derzeitigen Standes der Technik mildert und eine kostengünstige Herstellung von Dünnschichtspeicherelementen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung umfasst die Bereitstellung eines scheibenförmigen Elements für die Anwendung in einem elektrischen Speicherelement sowie dessen Herstellung und Verwendung. It is a further object of the present invention to provide an electrical storage element, particularly a thin film memory element, which mitigates the shortcomings of the current state of the art and enables low cost production of thin film memory elements. A further object of the invention comprises the provision of a disk-shaped element for use in an electrical storage element as well as its production and use.
Das scheibenförmige diskrete Elementsoll die Schwächen des Standes der Technik mildern und eine ausreichende thermische Stabilität von > 400°C aufweisen, gepaart mit einer ausreichenden Stabilität gegenüber Kontamination durch Batteriekomponenten, dazu eine hohe Barrierewirkung gegenüber Feuchtigkeit und eine an die Herstellprozesse und Bedürfnisse der jeweiligen spezifischen Zelldesigns angepasste optische Transmittivität bzw. Blockierung gegenüber UV-Strahlung. Das Substrat muss darüber hinaus Beiträge leisten zu einer guten Haftung aufgebrachter Schichten, d.h. insbesondere einen geeigneten Ausdehnungskoeffizienten hinsichtlich der Abscheidung der nächstliegenden Schicht, in der Regel des LCO. The disk-shaped discrete element is intended to mitigate the deficiencies of the prior art and to have sufficient thermal stability of> 400 ° C, coupled with sufficient stability against contamination by battery components, a high barrier to moisture, and the manufacturing processes and needs of the particular cell designs adapted optical transmissivity or blocking against UV radiation. The substrate must also contribute to good adhesion of applied layers, i. in particular a suitable coefficient of expansion with regard to the deposition of the closest layer, as a rule the LCO.
Die erfindungsgemäße Aufgabe kann überraschend einfach bereits dadurch gelöst werden, dass in ein Dünnschichtspeicherelement ein scheibenförmiges diskretes Element eingefügt wird, das über eine totale Dickenvarianz (total thickness variation, ttv) im Bereich von < 25 µm, bevorzugt von < 15 µm, besonders bevorzugt von < 10 µm sowie ganz besonders bevorzugt von < 5 µm bezogen auf die verwendete Wafer- oder Substratgröße verfügt, bezogen auf die Wafer- bzw. Substratgrößen im Bereich von > 100 mm Durchmesser, insbesondere bei einer lateralen Abmessung von 100 mm·100 mm, bevorzugt bezogen auf die Wafer- bzw. Substratgrößen im Bereich > 200 mm Durchmesser, insbesondere bei einer lateralen Abmessung von 200 mm·200 mm und besonders bevorzugt bezogen auf die Wafer- bzw. Substratgrößen im Bereich > 400 mm Durchmesser, insbesondere bei einer lateralen Abmessung von 400 mm·400 mm. The object according to the invention can be achieved surprisingly simply by inserting into a thin-film memory element a disc-shaped discrete element which has a total thickness variation (ttv) in the range of <25 μm, preferably <15 μm, particularly preferably <10 microns and most preferably of <5 microns based on the used wafer or substrate size, based on the wafer or substrate sizes in the range of> 100 mm diameter, in particular at a lateral dimension of 100 mm x 100 mm, preferably based on the wafer or substrate sizes in the range> 200 mm diameter, in particular with a lateral dimension of 200 mm × 200 mm and particularly preferably based on the wafer or substrate sizes in the range> 400 mm diameter, in particular with a lateral dimension of 400 mm x 400 mm.
Als scheibenförmig wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Formkörper verstanden, bei die Ausdehnung des Elements in einer Raumrichtung um mindestens eine halbe Größenordnung geringer ist als in den beiden anderen Raumrichtungen. Als diskret wird ein Formkörper im Rahmen dieser Anmeldung verstanden, wenn er als solches trennbar von dem betrachteten elektrischen Speichersystem ist, d.h. insbesondere auch alleine vorliegen kann. In the context of this application, a disc-shaped is understood to be a shaped body in which the extent of the element in a spatial direction is smaller by at least half an order of magnitude than in the other two spatial directions. As a discrete form of a body is understood in the context of this application, if it is as such separable from the considered electrical storage system, i. in particular may be alone.
Die große Gleichmäßigkeit der Dickenverteilung des scheibenförmigen diskreten Elements ist zur Einhaltung vergleichbarer Qualität von Zelle zu Zelle essentiell. Dünnfilmbatterien werden meist auf Wafer-Level mit oder ohne Maskierung gefertigt und dann ausgeschnitten. Bei ungenügender Dickenkonstanz können Zellen auf einem Wafer bzw. auf jeden Fall von Wafer zu Wafer unterschiedliche Dicken und damit Spezifikationen z.B. bezüglich Gewicht / Energiedichte aufweisen. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn die Applikation eine extrem homogene Konstanz der Produktspezifikationen des elektrischen Speicherelements erfordert. Durch eine geringe totale Dickenvarianz können Kosten in der Qualitätsprüfung gespart bzw. Produktionsausschuss vermieden werden. The large uniformity of the thickness distribution of the disk-shaped discrete element is essential for maintaining comparable quality from cell to cell. Thin-film batteries are usually manufactured at wafer level with or without masking and then cut out. With insufficient thickness constancy, cells on a wafer, or at any rate from wafer to wafer, may have different thicknesses and thus specifications, e.g. with regard to weight / energy density. This is particularly disadvantageous if the application requires an extremely homogeneous consistency of the product specifications of the electrical storage element. Due to a low total thickness variance, costs can be saved in the quality inspection or production scrap can be avoided.
Die große Gleichmäßigkeit der Dickenverteilung des scheibenförmigen diskreten Elements hat bei dessen Verwendung als Substrat für die Abscheidung eines Dünnschichtspeicherelements darüber hinaus zur Folge, dass die Schichten darauf gleichfalls eben und ohne eine laterale Schwankung der Schichtdickenverteilung abgeschieden werden. Dies wiederum führt dazu, dass es bei nachgeschalteten Prozessschritten, beispielsweise dem Tempern der LCO-Schicht nach erfolgter Abscheidung, nicht zu lokalen Spannungen in den einzelnen Schichten selbst oder zwischen den einzelnen Schichten an den jeweiligen Grenzflächen, insbesondere auch nicht an der Grenzflächen zwischen Schicht und Substrat kommen kann. Auf diese Weise werden Risse und Ablösungen effizient vermieden. The large uniformity of the thickness distribution of the disk-shaped discrete element in its use as a substrate for the deposition of a thin-film memory element beyond the consequence that the layers are deposited thereon also level and without a lateral variation of the layer thickness distribution. This in turn means that in subsequent process steps, for example, the annealing of the LCO layer after deposition, not to local stresses in the individual layers themselves or between the individual layers at the respective interfaces, especially not at the interfaces between layer and Substrate can come. In this way, cracks and detachments are efficiently avoided.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass das Versagen von Schichten, das insbesondere im Auftreten von Rissen in der Schicht oder in der Ablösung der Schichten vom Substrat besteht, weniger durch das Vorliegen von Oberflächenunebenheiten des Substrats, sondern vielmehr durch eine Kombination von Dickenschwankungen des Substrats sowie durch Kräfte, die bei der Ablösung des Substrat von dem sogenannten Carrier auf das Substrat übertragen werden, hervorgerufen werden. It has been found that the failure of layers, which is particularly the occurrence of cracks in the layer or in the separation of the layers from the substrate, less by the presence of surface irregularities of the substrate, but rather by a combination of thickness variations of the substrate and caused by forces that are transferred to the substrate during the detachment of the substrate from the so-called carrier.
Darüber hinaus erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, wenn das scheibenförmige, diskrete Element hinsichtlich seiner Eigenschaften im UV-Bereich, also der Absorption bzw. Transmission, je nach genau gewählten Zusammensetzungen gezielt einstellbar ist In addition, it proves to be further advantageous if the disc-shaped, discrete element is selectively adjustable in terms of its properties in the UV range, ie the absorption or transmission, depending on the exact selected compositions
Diese gezielt eingestellte Transmission ermöglicht es, eine Reihe von Prozessschritten einfach durch die Behandlung mit elektromagnetischer Strahlung durchzuführen, beispielsweise
- – Unterstützung beim Debonding des Substrats vom Carrier, da auf diese Weise die organischen Haftschichten besonders wirkungsvoll gelöst werden können,
- – Aushärtung von Verkapselungsschichten zum Schutz des Speicherelements gegenüber dem Angriff korrosiver Medien, beispielsweise Sauerstoff und / oder Wasserdampf, beschrieben beispielsweise in der
DE 10 2012 206 273 A1 - – Annealing der Lithium-Cobalt-Oxid-Schicht durch hochenergetische Strahlung, um die gewünschte kristallographische Hochtemperaturphase mit dessen hoher spezifischer Speicherdichte möglichst quantitativ bereitzustellen.
- Support in debonding the substrate from the carrier, since in this way the organic adhesive layers can be solved particularly effectively,
- Curing of encapsulation layers to protect the storage element against the attack of corrosive media, for example oxygen and / or water vapor, described for example in
US Pat DE , such as10 2012 206 273 A1 - Annealing of the lithium-cobalt-oxide layer by high-energy radiation in order to provide the desired crystallographic high-temperature phase with its high specific storage density as quantitatively as possible.
Das erfindungsgemäße scheibenförmige diskrete Element weist eine Dicke nicht größer als 2 mm, bevorzugt kleiner 1 mm, besonders bevorzugt kleiner 500 µm und ganz besonders bevorzugt kleiner oder gleich 200 µm auf. Am meisten bevorzugt ist eine Substratdicke von maximal 100 µm. The disk-shaped discrete element according to the invention has a thickness not greater than 2 mm, preferably less than 1 mm, particularly preferably less than 500 μm and very particularly preferably less than or equal to 200 μm. Most preferred is a substrate thickness of at most 100 microns.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das scheibenförmige diskrete Element eine water vapour transmission rate (WVTR) von < 10–3 g/(m2·d), bevorzugt von < 10–5 g/(m2·d) und besonders bevorzugt von < 10–6 g/(m2·d) auf. In one embodiment of the invention, the disc-shaped discrete element has a water vapor transmission rate (WVTR) of <10 -3 g / (m 2 · d), preferably <10 -5 g / (m 2 · d), and more preferably of <10 -6 g / (m 2 · d).
In einer weiteren Ausführungsform weist das scheibenförmige diskrete Element einen spezifischen elektrischen Widerstand bei einer Temperatur von 350°C und einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz von größer als 1,0·106 Ohmcm auf. In another embodiment, the disk-shaped discrete element has an electrical resistivity at a temperature of 350 ° C and an alternating current having a frequency of 50 Hz of greater than 1.0 x 10 6 ohm cm.
Das scheibenförmige diskrete Element ist im weiteren gekennzeichnet durch eine maximale Temperaturbeständigkeit von mindestens 300°C, bevorzugt von mindestens 400°C, besonders bevorzugt von mindestens 500°C sowie durch einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α im Bereich von 2,0·10–6/K bis 10·10–6/K, bevorzugt von 2,5 10–6/K bis 9,5 10–6/K und besonders bevorzugt von 3,0·10–6/K bis 9,5·10–6/K. Dabei hat sich gezeigt, dass besonders gute Schichtqualitäten in einem Dünnschichtspeicherelement dann erzielt werden können, wenn zwischen der maximalen Belastungstemperatur θMax in °C und dem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α folgender Zusammenhang besteht:
Als maximale Belastungstemperatur θMax gilt dabei im Rahmen dieser Anwendung eine Temperatur, bei der die Formstabilität des Materials noch vollumfänglich gewährleistet ist und noch keine Zersetzungs- und / oder Degradationsreaktionen des Materials eingesetzt haben. Naturgemäß ist diese Temperatur je nach verwendetem Material unterschiedlich definiert. Für oxidische kristalline Materialien ist die maximale Belastungstemperatur in der Regel durch die Schmelztemperatur gegeben; für Gläser wird meist die Glasübergangstemperatur Tg angenommen, wobei bei organischen Gläsern die Zersetzungstemperatur auch unterhalb von Tg liegen kann, und für Metalle bzw. Metalllegierungen kann die maximale Belastungstemperatur näherungsweise durch die Schmelztemperatur angegeben werden, es sei denn, das Metall bzw. die Metalllegierung reagiert unterhalb der Schmelztemperatur in einer Degradationsreaktion. Within the scope of this application, the maximum load temperature θ Max is a temperature at which the dimensional stability of the material is still fully guaranteed and has not yet used any decomposition and / or degradation reactions of the material. Naturally, this temperature is defined differently depending on the material used. For oxide crystalline materials, the maximum load temperature is usually given by the melting temperature; For glasses, the glass transition temperature T g is usually assumed, with organic glasses, the decomposition temperature may be below T g , and for metals or metal alloys, the maximum load temperature can be approximately indicated by the melting temperature, unless the metal or the Metal alloy reacts below the melting temperature in a degradation reaction.
In einer weiteren Ausführungsform weist das scheibenförmige diskrete Element auf mindestens einer Seite eine Oberfläche auf, die derartig ausgestaltet, dass sie gegenüber auf dieser Oberfläche aufgebrachten Materialien inert und / oder undurchlässig ist. In a further embodiment, the disk-shaped discrete element has on at least one side a surface which is designed such that it is inert and / or impermeable to materials applied to this surface.
In einer weiteren Ausführungsform ist diese mindestens eine Oberfläche als Barriereschicht gegenüber der Diffusion von Metallen ausgebildet. In a further embodiment, this at least one surface is designed as a barrier layer with respect to the diffusion of metals.
In einer weiteren Ausführungsform ist diese mindestens eine Oberfläche als Barriereschicht gegenüber Alkali- und / oder Erdalkaliionen ausgebildet. In a further embodiment, this at least one surface is formed as a barrier layer against alkali and / or alkaline earth metal ions.
Bevorzugt handelt es sich bei diesem Metall um Lithium. Preferably, this metal is lithium.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die vertikal strukturierte Zusammensetzungsvariation durch eine Beschichtung des scheibenförmigen Elements, bevorzugt durch ein Plasma-unterstütztes Beschichtungsverfahren, erzeugt. In a preferred embodiment of the invention, the vertically structured composition variation is produced by a coating of the disc-shaped element, preferably by a plasma-assisted coating method.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich beim verwendeten Beschichtungsverfahren um ein PECVD-Verfahren, um Atomic Layer Deposition (ALD) oder gepulstes Magnetron-Sputtern. In a further embodiment of the invention, the coating method used is a PECVD method, atomic layer deposition (ALD) or pulsed magnetron sputtering.
Die Barriereschicht ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die bevorzugt mit einem der oben genannten Beschichtungsverfahren abgeschieden wird, zeichnet sich dadurch aus, dass sie amorph, mindestens röntgenamorph ist. The barrier layer is according to a further embodiment of the invention, which is preferably deposited with one of the abovementioned coating methods, is characterized in that it is amorphous, at least X-ray amorphous.
Die Beschichtung ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Oxid, Nitrid und/oder Carbid und beinhaltet weiterhin mindestens eines der Elemente Si, Al, Cr, Ta, Zr, Hf und/oder Ti. According to a further preferred embodiment of the invention, the coating is an oxide, nitride and / or carbide and furthermore contains at least one of the elements Si, Al, Cr, Ta, Zr, Hf and / or Ti.
In einer weiteren Ausführungsform wird diese auf mindestens einer Oberfläche des scheibenförmigen Elements ausgebildete Barriereschicht durch eine Dotierung bzw. Überdotierung mit einem Akali- und / oder Erdalkalimetall wie beispielsweise Lithium ausgebildet. Es zeigt sich, dass bereits geringe Gehalte an Lithium das Diffusion dieses Elements aus dem Schichtmaterialien des elektrischen Speicherelements, wie biespielsweise LiPON oder metallisches Lithium, verhindern oder reduzieren können. In a further embodiment, this barrier layer formed on at least one surface of the disk-shaped element is formed by doping or overdoping with an alkali and / or alkaline earth metal such as, for example, lithium. It turns out that even low levels of lithium prevent or reduce the diffusion of this element from the layer materials of the electrical storage element, such as LiPON or metallic lithium, for example.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Barriereschicht durch eine vertikal strukturierte Zusammensetzungsvariation der Oberfläche dergestalt ausgebildet, dass keine direkten Diffusionswege in den Bulk möglich sind. In a further embodiment, the barrier layer is formed by a vertically structured compositional variation of the surface such that no direct diffusion paths into the bulk are possible.
In einer weiteren Ausführungsform sind in der vertikal strukturierten Oberflächenzone Atome vorhanden, die schädliche Metalle wirksam gettert. In another embodiment, atoms are present in the vertically structured surface zone that effectively gasses harmful metals.
In einer weiteren Ausführungsform ist die vertikal strukturierte Zusammensetzungsvariation der Oberfläche durch eine Abfolge von Schichten ausgebildet, wobei zumindest zwei aufeinandertreffende Schichten sich untereinander in ihrer Zusammensetzung unterscheiden und die Zusammensetzung der Schichten und des scheibenförmigen Elements voneinander verschieden sind. In a further embodiment, the vertically structured composition variation of the surface is formed by a succession of layers, wherein at least two meeting layers differ in their composition and the composition of the layers and the disc-shaped element differ from one another.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die vertikal strukturierte Zusammensetzungsvariation durch eine Beschichtung des scheibenförmigen Elements, bevorzugt durch ein Plasma-unterstütztes Beschichtungsverfahren, erzeugt. In a preferred embodiment of the invention, the vertically structured composition variation is produced by a coating of the disc-shaped element, preferably by a plasma-assisted coating method.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich beim verwendeten Beschichtungsverfahren um ein PICVD-Verfahren, um Atomic Layer Deposition (ALD) oder MF-Sputtern. In a further embodiment of the invention, the coating method used is a PICVD method, atomic layer deposition (ALD) or MF sputtering.
Das erfindungsgemäße scheibenförmige Element ist aus mindestens einem Oxid oder einer Mischung oder Verbindung von Oxiden aufgebaut. The disk-shaped element according to the invention is composed of at least one oxide or a mixture or compound of oxides.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei diesem mindestens einen Oxid um SiO2. In a further embodiment of the invention, this at least one oxide is SiO 2 .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das scheibenförmige Element aus Glas aufgebaut. Im Rahmen dieser Anmeldung wird als Glas dabei ein Material bezeichnet, das im wesentlichen anorganisch aufgebaut ist und überwiegend aus Verbindungen von Metallen und / oder Halbmetallen mit Elementen der Gruppen VA, VIA und VIIA des Periodensystem der Elemente, bevorzugt jedoch mit Sauerstoff, besteht und das gekennzeichnet ist durch einen amorphen, d.h. nicht periodisch geordneten dreidimensionalen Zustand sowie einen spezifischen elektrischen Widerstand bei einer Temperatur von 350°C und einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz von größer als 1,0·106 Ohmcm aufweist. Nicht als Glas im Sinne dieser Anmeldung gilt damit insbesondere das als Festkörperionenleiter verwendete amorphe Material LiPON. In a further embodiment of the invention, the disk-shaped element is made of glass. For the purposes of this application, the term "glass" refers to a material which is of essentially inorganic structure and consists predominantly of compounds of metals and / or semimetals with elements of groups VA, VIA and VIIA of the Periodic Table of the Elements, but preferably with oxygen characterized by an amorphous, ie not periodically ordered three-dimensional state and a specific electrical resistance at a temperature of 350 ° C and an alternating current having a frequency of 50 Hz of greater than 1.0 · 10 6 Ohmcm. Not as a glass in the sense of this application is thus in particular the amorphous material LiPON used as a solid-state ion conductor.
Das erfindungsgemäße scheibenförmige Element wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch einen Schmelzprozess gewonnen. The disc-shaped element according to the invention is obtained according to a further embodiment of the invention by a melting process.
Bevorzugt wird das scheibenförmige Element in einer sich an den Schmelzprozess anschließenden Formgebungsprozess scheibenförmig ausgebildet. Diese Formgebung kann sich dabei direkt an die Schmelze anschließen (sogenannte Heißformgebung). Es ist allerdings auch möglich, dass zunächst ein fester, im wesentlichen ungeformter Körper erhalten wird, der erst in einem weiteren Schritt durch erneutes Erhitzen und mechanische Verformung in einen scheibenförmigen Zustand überführt wird. Preferably, the disk-shaped element is disc-shaped in a shaping process subsequent to the melting process. This shaping can be followed directly by the melt (so-called hot forming). However, it is also possible for a solid, essentially unshaped body to be obtained first, which is converted into a disk-shaped state only in a further step by renewed heating and mechanical deformation.
Erfolgt die Formgebung des scheibenförmigen Elements durch eine Heißformgebungsprozess, so handelt es sich in einer Ausführungsform der Erfindung um Ziehverfahren, beispielsweise Down-Draw-, Up-Draw- oder Overflow-Fusion-Verfahren. Aber auch andere Heißformgebungsprozesse sind mögliche, beispielsweise die Formgebung in einem Floatverfahren. If the shaping of the disk-shaped element takes place by means of a hot-forming process, in one embodiment of the invention it is a drawing process, for example down-draw, up-draw or overflow-fusion processes. But other hot forming processes are possible, for example, the shaping in a float process.
Beispiele Examples
In den folgenden Tabellen sind einige beispielhafte Zusammensetzungen erfindungsgemäßer scheibenförmiger Elemente zusammengestellt. The following tables list some exemplary compositions of disk-shaped elements according to the invention.
Ausführungsbeispiel 1
Die Zusammensetzung des scheibenförmigen diskreten Elements ist beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
Ausführungsbeispiel 2 Embodiment 2
Die Zusammensetzung des scheibenförmigen diskreten Elements ist weiterhin beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
Ausführungsbeispiel 3 Embodiment 3
Die Zusammensetzung des scheibenförmigen diskreten Elements ist weiterhin beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
Ausführungsbeispiel 4 Embodiment 4
Die Zusammensetzung des scheibenförmigen diskreten Elements ist weiterhin beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
Ausführungsbeispiel 5
Die Zusammensetzung des scheibenförmigen diskreten Elements ist weiterhin beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
Ausführungsbeispiel 6
Ein mögliches scheibenförmiges diskretes Element ist weiterhin beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Ausführungsbeispiel 7
Ein weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 8 Embodiment 8
Ein weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 9 Embodiment 9
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 10
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 11 Embodiment 11
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 12 Embodiment 12
Ein weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 13 Embodiment 13
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 14 Embodiment 14
Ein weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 15 Embodiment 15
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Weiterhin können im Glas enthalten sein zu 0 bis 1 Gew.-%: P2O5, SrO, BaO; sowie Läutermittel zu 0 bis 1 Gew.-%: SnO2, CeO2 oder As2O3 oder andere Läutermittel. Further, in the glass may be contained at 0 to 1 wt .-%: P 2 O 5 , SrO, BaO; and refining agents to 0 to 1 wt .-%: SnO 2 , CeO 2 or As 2 O 3 or other refining agents.
Ausführungsbeispiel 16 Embodiment 16
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Ausführungsbeispiel 17 Embodiment 17
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 18 Embodiment 18
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 19 Embodiment 19
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 20 Embodiment 20
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 21
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Ausführungsbeispiel 22 Embodiment 22
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
Ausführungsbeispiel 23 Embodiment 23
Ein nochmals weiteres scheibenförmiges diskretes Element ist beispielhaft durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gegeben:
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des scheibenförmigen diskreten Elements erhalten:
In allen oben genannten Ausführungsbeispielen können, sofern nicht bereits aufgeführt, wahlweise Läutermittel zu 0 bis 1 Gew.-%, so zum Beispiel SnO2, CeO2, As2O3, Cl–, F–, Sulfate enthalten sein. In all of the abovementioned exemplary embodiments, if not already mentioned, refining agents may optionally contain from 0 to 1% by weight, for example SnO 2 , CeO 2 , As 2 O 3 , Cl - , F - , sulfates.
Ausführungsbeispiel 25 Embodiment 25
Um ein beschichtetes scheibenförmiges diskretes Element zu erhalten, wird ein Substratmaterial wie in einem der Ausführungsbeispiele 1–8 genannt in eine Sputteranlage eingeschleust und auf einen Druck von < 10^–5 mbar abgepumpt. Das Substrat wird auf eine Temperatur von mindestens 200°C aufgeheizt. Das Prozessgas, typischerweise Argon, wird eingelassen so dass sich ein Prozessdruck von < 10^–2 mbar einstellt. Die Sputteranlage ist mit Si-haltigen Targets ausgestattet, so dass sich unter Verwendung des Reaktivgases Stickstoff ein Si3N4-haltiges Materialsystem abscheiden lässt. Eine gute Barriere lässt sich über das Sputterverfahren erzeugen, wenn die Leistungsdichte über 10W/cm2 liegt. Mit den genannten Parametern kann beispielsweise eine Schicht von 300nm Dicke abgeschieden werden. Die Dicke der Barriereschichten kann generell zwischen 10 nm und 1 µm liegen. Bevorzugte Dicken der Barriereschicht liegen zwischen 80 und 200 nm und eine besonders bevorzugte Barriereschichtdicke liegt bei etwa 100 nm. Anschließend wird das Element ausgeschleust. In order to obtain a coated disc-shaped discrete element, a substrate material as mentioned in one of the embodiments 1-8 is introduced into a sputtering system and pumped to a pressure of <10 ^ -5 mbar. The substrate is heated to a temperature of at least 200 ° C. The process gas, typically argon, is admitted so that a process pressure of <10 ^ -2 mbar is established. The sputtering system is equipped with Si-containing targets, so that can be deposited using the reactive gas nitrogen, a Si 3 N 4 -containing material system. A good barrier can be created by the sputtering method when the power density is over 10W / cm 2 . With the mentioned parameters, for example, a layer of 300 nm thickness can be deposited. The thickness of the barrier layers may generally be between 10 nm and 1 μm. Preferred thicknesses of the barrier layer are between 80 and 200 nm and a particularly preferred barrier layer thickness is about 100 nm. Subsequently, the element is discharged.
Beschreibung der Zeichnungen Description of the drawings
In
Als Verkapselung bzw. Versiegelung des elektrischen Speichersystems
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- elektrisches Speichersystem electrical storage system
- 22
- scheibenförmiges diskretes Element in der Verwendung als Substrat disc-shaped discrete element in use as a substrate
- 2121
- als Diffusionsbarriere ausgebildete Schicht auf dem Substrat layer formed as a diffusion barrier on the substrate
- 33
- Ableiterschicht für die Kathode Conductor layer for the cathode
- 44
- Ableiterschicht für die Anode Ableitschicht for the anode
- 55
- Kathode cathode
- 66
- Elektrolyt electrolyte
- 77
- Anode anode
- 88th
- Verkapselungsschicht encapsulation
- 1010
- scheibenförmiges diskretes Element als scheibenförmiger Formkörper disk-shaped discrete element as disk-shaped molding
- 101101
- als Diffusionsbarriere ausgebildete Schicht auf dem scheibenförmigen diskreten Element layer formed as a diffusion barrier on the disc-shaped discrete element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 7211351 B2 [0014] US 7211351 B2 [0014]
- US 2008/0001577 A1 [0015] US 2008/0001577 A1 [0015]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |