[go: up one dir, main page]

JP5670262B2 - Thin-film lithium secondary battery manufacturing method and thin-film lithium secondary battery - Google Patents

Thin-film lithium secondary battery manufacturing method and thin-film lithium secondary battery Download PDF

Info

Publication number
JP5670262B2
JP5670262B2 JP2011130519A JP2011130519A JP5670262B2 JP 5670262 B2 JP5670262 B2 JP 5670262B2 JP 2011130519 A JP2011130519 A JP 2011130519A JP 2011130519 A JP2011130519 A JP 2011130519A JP 5670262 B2 JP5670262 B2 JP 5670262B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
lco
layer
positive electrode
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011130519A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013004173A (en
Inventor
佐々木 俊介
俊介 佐々木
光隆 廣瀬
光隆 廣瀬
嶺 佐々木
嶺 佐々木
神保 武人
武人 神保
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ulvac Inc
Original Assignee
Ulvac Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ulvac Inc filed Critical Ulvac Inc
Priority to JP2011130519A priority Critical patent/JP5670262B2/en
Publication of JP2013004173A publication Critical patent/JP2013004173A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5670262B2 publication Critical patent/JP5670262B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

この発明は、コバルト酸リチウム(LiCoO:LCO)からなる正極層を有する薄膜リチウム二次電池の製造方法、及び該製造方法にて製造される薄膜リチウム二次電池に関する。 The present invention, lithium cobaltate: a method of manufacturing a thin film lithium secondary battery having a positive electrode layer made of (LiCoO 2 LCO), a thin film lithium secondary battery produced by beauty the production method.

近年、ノートパソコンや携帯電話等の携帯電子機器の小型化、高性能化が進むにつれて、これら機器そのものだけでなく、電源として用いられる二次電池の小型化、高性能化も求められている。そこで、他の様式の電池と比較して、エネルギー密度が高い、理論容量が大きい、サイクル特性がよい等の多数の利点を有するリチウム二次電池が注目されている。中でも、例えば特許文献1に記載のように、窒化リン酸リチウム(LiPO:LiPON)の固体を電解質として用いた薄膜リチウム二次電池は、可燃性の有機溶媒を電解質として用いたリチウム二次電池と比較して高い安全性を有している。そのため、薄膜リチウム二次電池の小型化、高性能化や、薄膜リチウム二次電池の量産化に関する技術の開発が盛んに行われている。こうした薄膜リチウム二次電池について、図7を参照して以下に説明する。 In recent years, as portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones have been reduced in size and performance, not only these devices themselves but also secondary batteries used as power sources have been required to be reduced in size and performance. Therefore, lithium secondary batteries having many advantages such as high energy density, large theoretical capacity, and good cycle characteristics are attracting attention as compared with other types of batteries. Among these, as described in Patent Document 1, for example, a thin film lithium secondary battery using a lithium nitride phosphate (Li x PO y N z : LiPON) solid as an electrolyte uses a flammable organic solvent as an electrolyte. It has higher safety than lithium secondary batteries. For this reason, development of technologies relating to miniaturization and high performance of thin film lithium secondary batteries and mass production of thin film lithium secondary batteries has been actively conducted. Such a thin film lithium secondary battery will be described below with reference to FIG.

図7に示されるように、薄膜リチウム二次電池40の基体である例えばガラスからなる基板41の上面には、正極集電体層42と負極集電体層43とが、互いに離れた位置に積層されている。正極集電体層42上の一部には、正極層44が積層され、また正極層44の表面のうち正極集電体層42上にて露出された部分には、該部分の全体を覆う固体電解質層45が、負極集電体層43上まで延びるように積層されている。また、固体電解質層45の上面には、該上面を覆う負極層46が、負極集電体層43上まで延びるように積層されている。そして、負極層46、固体電解質層45、及び正極層44のうち基板41上に露出された全体には、例えば樹脂からなる保護層47が、正極集電体層42の端部及び負極集電体層43の端部が露出するように積層されている。   As shown in FIG. 7, the positive electrode current collector layer 42 and the negative electrode current collector layer 43 are disposed at positions separated from each other on the upper surface of a substrate 41 made of, for example, glass, which is a base of the thin film lithium secondary battery 40. Are stacked. A positive electrode layer 44 is laminated on a part of the positive electrode current collector layer 42, and a portion of the surface of the positive electrode layer 44 exposed on the positive electrode current collector layer 42 covers the entire part. The solid electrolyte layer 45 is laminated so as to extend onto the negative electrode current collector layer 43. A negative electrode layer 46 covering the upper surface of the solid electrolyte layer 45 is laminated so as to extend to the negative electrode current collector layer 43. A protective layer 47 made of, for example, a resin is formed on the whole of the negative electrode layer 46, the solid electrolyte layer 45, and the positive electrode layer 44 exposed on the substrate 41, and the end portion of the positive electrode current collector layer 42 and the negative electrode current collector. The body layer 43 is laminated so that the end of the body layer 43 is exposed.

なお、正極集電体層42、正極層44、固体電解質層45、負極層46、負極集電体層43は、例えばこの順にPtTi、LCO、LiPON、Li、NiCrとして具体化される。   The positive electrode current collector layer 42, the positive electrode layer 44, the solid electrolyte layer 45, the negative electrode layer 46, and the negative electrode current collector layer 43 are embodied as, for example, PtTi, LCO, LiPON, Li, and NiCr in this order.

こうした薄膜リチウム二次電池40のうち、その容量を左右する上記正極層44は、例えば特許文献2に記載の以下の方法にて形成されている。つまり、公知の成膜方法、例えばコバルト酸リチウムのターゲットを不活性ガスにてスパッタするスパッタ法等によって、まずアモルファス状のLCO層が成膜される。そして、成膜されたLCO層が高速アニール(Rapid Thermal Anneal :RTA)によって結晶化されることによって、正極層44が形成される。こうした結晶化を行うことにより、薄膜リチウム二次電池40の容量を高めることのできる正極層44を形成することができる。   Among such thin-film lithium secondary batteries 40, the positive electrode layer 44 that affects the capacity is formed by the following method described in Patent Document 2, for example. That is, an amorphous LCO layer is first formed by a known film formation method, for example, a sputtering method in which a lithium cobalt oxide target is sputtered with an inert gas. The deposited LCO layer is crystallized by rapid annealing (Rapid Thermal Anneal: RTA), whereby the positive electrode layer 44 is formed. By performing such crystallization, the positive electrode layer 44 capable of increasing the capacity of the thin film lithium secondary battery 40 can be formed.

米国特許5597660号明細書US Pat. No. 5,597,660 特表2008−523567号公報Special table 2008-523567 gazette

上述のように、正極層44であるLCO層をRTAで結晶化することによって、薄膜リチウム二次電池40の高容量化と、正極層44の形成にかかる時間を短くすることができる。しかしながら、上述のような高容量化と時間短縮とを兼ねる条件にてLCO層に対してRTAを行うと、RTA中にLCO層が割れて基板41から剥がれたり、RTAの終了時にはLCO層が割れていなくとも、薄膜リチウム二次電池40の使用中にLCO層が割れて基板41から剥がれたりすることが少なくない。   As described above, by crystallization of the LCO layer that is the positive electrode layer 44 by RTA, it is possible to increase the capacity of the thin-film lithium secondary battery 40 and shorten the time required for forming the positive electrode layer 44. However, if RTA is performed on the LCO layer under the conditions of increasing the capacity and reducing the time as described above, the LCO layer breaks during RTA and peels off from the substrate 41, or the LCO layer cracks at the end of RTA. Even if not, the LCO layer is often broken and peeled off from the substrate 41 during use of the thin film lithium secondary battery 40.

正極層44であるLCO層が基板41から剥がれてしまうと、薄膜リチウム二次電池40の放充電機能が損なわれてしまうことから、上述したLCO層の剥がれは、薄膜リチウム二次電池40の歩留まりや耐久性を低下させる要因となっている。ちなみに、本発明者らの実験によれば、RTA時のアニール温度を低くすることでLCO層の剥がれを抑えることが認められたものの、薄膜リチウム二次電池の容量が低下するため、上述のような高容量の薄膜リチウム二次電池40とすることが困難になる。   If the LCO layer, which is the positive electrode layer 44, is peeled off from the substrate 41, the discharge function of the thin film lithium secondary battery 40 is impaired. Therefore, the above-mentioned peeling of the LCO layer is caused by the yield of the thin film lithium secondary battery 40. And is a factor that reduces durability. By the way, according to the experiments of the present inventors, although it was recognized that the annealing temperature at the time of RTA was lowered to suppress the peeling of the LCO layer, the capacity of the thin film lithium secondary battery is reduced. It becomes difficult to obtain a thin film lithium secondary battery 40 having a high capacity.

なお、こうした問題は、上記RTAを用いてLCO層を加熱した場合に限らず、例えば電磁波による誘導加熱、電気炉による加熱、及びレーザ照射による加熱等、他の方法によってLCO層を加熱した場合でも概ね共通するものである。また、こうした問題は、正極層44の積層される固体電解質層45の形成材料がLiPONである場合に限らず、LiPON以外の材料で形成される場合にも概ね共通するものである。さらに、こうした正極層44の膜応力に起因した剥がれは、正極層44と正極集電体層42との間でも概ね共通するものであり、たとえ上述した構造と異なる積層構造であっても、正極層44が含まれる以上、いずれかの層間にて概ね認められるものである。   These problems are not limited to the case where the LCO layer is heated using the RTA, but even when the LCO layer is heated by other methods such as induction heating using electromagnetic waves, heating using an electric furnace, and heating using laser irradiation. It is almost common. Such a problem is not limited to the case where the material for forming the solid electrolyte layer 45 on which the positive electrode layer 44 is laminated is LiPON, but is generally common when the material is formed of a material other than LiPON. Further, such peeling due to the film stress of the positive electrode layer 44 is generally common between the positive electrode layer 44 and the positive electrode current collector layer 42, and even if the laminated structure is different from the above-described structure, As long as the layer 44 is included, it is generally recognized between any of the layers.

この発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、容量の低下を抑えつつ、歩留まりを高めることのできる薄膜リチウム二次電池の製造方法、及び薄膜リチウム二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above conventional circumstances, and an object while suppressing a reduction in capacity, a method of manufacturing a thin film lithium secondary battery capable of enhancing the yield,及 Beauty thin film lithium secondary battery Is to provide.

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、コバルト酸リチウムからなる正極層を基板上に成膜する成膜工程と、前記正極層を加熱してコバルト酸リチウムの結晶化を進める結晶化工程とを備える薄膜リチウム二次電池の製造方法であって、前記結晶化工程は、前記正極層の温度を第1温度で維持することにより、前記正極層の一部で低温相コバルト酸リチウムの結晶化を進める第1加熱工程と、前記第1加熱工程の後に前記第1温度よりも高い第2温度で前記正極層の温度を維持することにより、高温相コバルト酸リチウムの結晶化を前記正極層で進める第2加熱工程とを備え、前記第1温度は、400℃以上500℃以下であり、前記第2温度は、660℃以下であり、前記第2加熱工程の期間は、前記第1加熱工程の期間よりも大きいことを要旨とする。
Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
The invention according to claim 1 is a thin film comprising a film forming step of forming a positive electrode layer made of lithium cobalt oxide on a substrate, and a crystallization step of heating the positive electrode layer to promote crystallization of lithium cobalt oxide. A method for manufacturing a lithium secondary battery, wherein the crystallization step is configured to promote crystallization of low-temperature phase lithium cobalt oxide in a part of the positive electrode layer by maintaining the temperature of the positive electrode layer at a first temperature. A first heating step, and a second temperature after the first heating step to maintain the temperature of the positive electrode layer at a second temperature higher than the first temperature. A heating step , wherein the first temperature is not lower than 400 ° C. and not higher than 500 ° C., the second temperature is not higher than 660 ° C., and the period of the second heating step is longer than the period of the first heating step. to be as high as summary

コバルト酸リチウムは、相対的に低い温度で加熱することにより、低温相コバルト酸リチウムとして結晶化するとともに、相対的に高い温度で加熱することにより、高温相コバルト酸リチウムとして結晶化することが知られている。   It is known that lithium cobaltate crystallizes as low-temperature phase lithium cobaltate by heating at a relatively low temperature, and crystallizes as high-temperature phase lithium cobaltate by heating at a relatively high temperature. It has been.

請求項1に記載の発明では、正極層を加熱する際に、まず、加熱温度を第1温度で維持
することによって、正極層の一部で低温相コバルト酸リチウムの結晶化を進めた後に、加熱温度を第1温度よりも高い第2温度で維持することにより、正極層で高温相コバルト酸リチウムの結晶化を進めるようにしている。そのため、正極層の全てを一度に高温相コバルト酸リチウムに結晶化するような加熱と比較して、正極層に生じる膜応力を低下させることができる。それゆえに、正極層が基板から剥がれることを抑えられる。また、第1温度のみで加熱した場合と比較して、正極層を有する薄膜リチウム二次電池の容量を高めることができる。したがって、上記請求項1に記載の発明によれば、薄膜リチウム二次電池の容量の低下を抑えつつ、該薄膜リチウム二次電池の製造の歩留まりを高めることができる。
また、請求項1に記載の発明では、第1温度を400℃以上500℃以下としていることから、第1加熱工程では、高温相コバルト酸リチウムの結晶化が進行し難くなる一方、正極層の一部が、より低温相コバルト酸リチウムとして結晶化されやすくなる。そのため、正極層が基板から剥がれることをより抑えられる。
さらに、第2温度を660℃以下としていることから、基板の変形を抑えることができる。また、第1加熱工程を、400℃以上500℃以下で第2加熱工程よりも短時間で行うようにしているため、正極層中に低温相コバルト酸リチウムを形成しつつも、該低温相コバルト酸リチウムが正極層を形成する結晶中で支配的になることを抑えられる。そのため、正極層が基板から剥がれること、及び薄膜リチウム二次電池の容量が低下することを抑えられる。
In the invention according to claim 1, when heating the positive electrode layer, first, by maintaining the heating temperature at the first temperature, after the crystallization of the low-temperature phase lithium cobalt oxide in a part of the positive electrode layer, By maintaining the heating temperature at a second temperature higher than the first temperature, crystallization of the high-temperature phase lithium cobalt oxide is advanced in the positive electrode layer. Therefore, the film stress generated in the positive electrode layer can be reduced as compared with heating in which all of the positive electrode layer is crystallized into high-temperature phase lithium cobalt oxide at a time. Therefore, it is possible to prevent the positive electrode layer from being peeled off from the substrate. Moreover, the capacity | capacitance of the thin film lithium secondary battery which has a positive electrode layer can be raised compared with the case where it heats only by 1st temperature. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to increase the production yield of the thin film lithium secondary battery while suppressing a decrease in the capacity of the thin film lithium secondary battery.
In the first aspect of the invention, since the first temperature is set to 400 ° C. or more and 500 ° C. or less, crystallization of the high-temperature phase lithium cobaltate is difficult to proceed in the first heating step. Some become easier to crystallize as lower temperature phase lithium cobaltate. Therefore, it is possible to further suppress the positive electrode layer from being peeled off from the substrate.
Furthermore, since the second temperature is 660 ° C. or lower, the deformation of the substrate can be suppressed. In addition, since the first heating process is performed at 400 ° C. or more and 500 ° C. or less in a shorter time than the second heating process, the low temperature phase cobalt is formed while forming the low temperature phase lithium cobaltate in the positive electrode layer. It can be suppressed that lithium acid becomes dominant in the crystal forming the positive electrode layer. Therefore, it can suppress that a positive electrode layer peels from a board | substrate and the capacity | capacitance of a thin film lithium secondary battery falls.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の薄膜リチウム二次電池の製造方法において、前記結晶化工程は、前記低温相コバルト酸リチウムが前記正極層に占める割合よりも、前記高温相コバルト酸リチウムが前記正極層に占める割合を大きくすることを要旨とする。   According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a thin film lithium secondary battery according to the first aspect, the crystallization step is performed at a temperature higher than the ratio of the low-temperature phase lithium cobaltate in the positive electrode layer. The gist is to increase the proportion of lithium cobalt oxide in the positive electrode layer.

コバルト酸リチウムからなる正極層では、該正極層に占める低温相コバルト酸リチウムの割合が上昇するにしたがって、薄膜リチウム二次電池の容量が小さくなる。また、コバルト酸リチウムは、一旦、低温相コバルト酸リチウムとして結晶化されてしまうと、アモルファスの状態から高温相コバルト酸リチウムとして結晶化されるよりも、高温相コバルト酸リチウムの結晶になりにくい。   In the positive electrode layer made of lithium cobaltate, the capacity of the thin film lithium secondary battery decreases as the proportion of the low-temperature phase lithium cobaltate in the positive electrode layer increases. In addition, once lithium cobaltate is crystallized as low-temperature phase lithium cobaltate, it is less likely to be a crystal of high-temperature phase lithium cobaltate than when it is crystallized from an amorphous state as high-temperature phase lithium cobaltate.

そこで、請求項2に記載の発明では、正極層に対して第1温度での加熱及び第2温度での加熱を行うに当たり、低温相コバルト酸リチウムよりも高温相コバルト酸リチウムの正極層に占める割合を大きくする。そのため、低温相コバルト酸リチウムを形成することで、正極層に生じる膜応力を低下させつつ、高温相コバルト酸リチウムによって薄膜リチウム二次電池の容量の低下を抑えることができる。   Therefore, in the invention according to claim 2, in heating the positive electrode layer at the first temperature and the second temperature, the high-temperature phase lithium cobalt oxide occupies the positive electrode layer rather than the low-temperature phase lithium cobalt oxide. Increase the ratio. Therefore, by forming the low-temperature phase lithium cobalt oxide, it is possible to suppress the decrease in the capacity of the thin-film lithium secondary battery by the high-temperature phase lithium cobalt oxide while reducing the film stress generated in the positive electrode layer.

請求項に記載の発明は、コバルト酸リチウムからなる正極層を基板上に成膜する成膜工程と、前記正極層を加熱してコバルト酸リチウムの結晶化を進める結晶化工程とにより形成された正極層を有する薄膜リチウム二次電池であって、前記結晶化工程では、前記正極層の温度を第1温度で維持することにより、前記正極層の一部で低温相コバルト酸リチウムの結晶化が進められる第1加熱工程と、前記第1加熱工程の後に前記第1温度よりも
高い第2温度で前記正極層の温度を維持することにより、高温相コバルト酸リチウムの結晶化を前記正極層で進める第2加熱工程とが行われ、前記第1温度は、400℃以上500℃以下であり、前記第2温度は、660℃以下であり、前記第2加熱工程の期間は、前記第1加熱工程の期間よりも大きいことを要旨とする。
The invention according to claim 3 is formed by a film forming step of forming a positive electrode layer made of lithium cobalt oxide on a substrate and a crystallization step of heating the positive electrode layer to promote crystallization of lithium cobalt oxide. A thin film lithium secondary battery having a positive electrode layer, wherein in the crystallization step, the temperature of the positive electrode layer is maintained at a first temperature to crystallize a low-temperature phase lithium cobalt oxide in a part of the positive electrode layer. A first heating step in which the high temperature phase lithium cobalt oxide is crystallized by maintaining the temperature of the positive electrode layer at a second temperature higher than the first temperature after the first heating step. And the second temperature is 400 ° C. or more and 500 ° C. or less, the second temperature is 660 ° C. or less, and the period of the second heating step is the first heating step. Greater than the duration of the heating process Decoction can be summarized as.

請求項に記載の発明では、薄膜リチウム二次電池の有する正極層が、加熱温度を第1温度で維持することによって、該正極層の一部で低温相コバルト酸リチウムが結晶化された後に、加熱温度を第1温度よりも高い第2温度で維持することにより、正極層で高温相コバルト酸リチウムの結晶化されるようにしている。そのため、正極層では、その全てを一度に高温相コバルト酸リチウムに結晶化するように加熱される場合と比較して、膜応力が低下する。それゆえに、正極層が基板から剥がれることを抑えられる。また、第1温度のみで加熱した場合と比較して、正極層を有する薄膜リチウム二次電池の容量を高めることができる。したがって、上記請求項に記載の発明によれば、薄膜リチウム二次電池の容量の低下を抑えつつ、該薄膜リチウム二次電池の製造の歩留まりが高められる。 In the invention according to claim 3 , the positive electrode layer of the thin film lithium secondary battery is maintained after the heating temperature is maintained at the first temperature, so that the low-temperature phase lithium cobalt oxide is crystallized in a part of the positive electrode layer. By maintaining the heating temperature at a second temperature higher than the first temperature, the high-temperature phase lithium cobalt oxide is crystallized in the positive electrode layer. Therefore, in the positive electrode layer, the film stress is reduced as compared with the case where all of the positive electrode layer is heated so as to be crystallized into high-temperature phase lithium cobalt oxide at a time. Therefore, it is possible to prevent the positive electrode layer from being peeled off from the substrate. Moreover, the capacity | capacitance of the thin film lithium secondary battery which has a positive electrode layer can be raised compared with the case where it heats only by 1st temperature. Therefore, according to the third aspect of the invention, the yield of manufacturing the thin film lithium secondary battery can be increased while suppressing the decrease in the capacity of the thin film lithium secondary battery.

本発明の薄膜リチウム二次電池の製造方法における一実施形態にて用いられるスパッタ装置の全体構成を示す概略図。Schematic which shows the whole structure of the sputtering device used in one Embodiment in the manufacturing method of the thin film lithium secondary battery of this invention. 板処理装置における一実施形態としての加熱装置の全体構成を示す概略図。Schematic diagram showing the overall structure of a heating apparatus according to an embodiment of the board processor. LCO層を加熱するときの窒素ガスの供給態様、ランプヒータのオン及びオフの態様、基板温度の変化の態様を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the supply aspect of the nitrogen gas when heating an LCO layer, the aspect of ON / OFF of a lamp heater, and the aspect of a change of a substrate temperature. (a)(b)(c)LCO層の断面構造を撮影したSEM写真。(A) (b) (c) SEM photograph which image | photographed the cross-section of an LCO layer. (a)(b)(c)LCO層の表面を撮影した写真。(A) (b) (c) Photographs taken of the surface of the LCO layer. (a)(b)(c)薄膜リチウム二次電池の充放電特性を示すグラフ。(A) (b) (c) The graph which shows the charging / discharging characteristic of a thin film lithium secondary battery. 薄膜リチウム二次電池の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of a thin film lithium secondary battery.

以下、本発明の薄膜リチウム二次電池の製造方法の一実施形態、基板処理装置の一実施形態としての高速アニール(RTA)装置、及び、本発明の薄膜リチウム二次電池の一実施形態について図1〜図6を参照して説明する。
[スパッタ装置]
まず、薄膜リチウム二次電池の製造に用いられる成膜装置であって、薄膜リチウム二次電池の正極層であるコバルト酸リチウム(LCO)層を成膜するスパッタ装置について図1を参照して説明する。図1に示されるように、スパッタ装置10の有する有底円筒状の真空槽11内には、処理対象物である基板Sを載置できる円筒状の基板ステージ12が配置されている。真空槽11は接地電位に接続される一方、基板ステージ12は浮遊電位と
されており、そのため、該基板ステージ12に載置された基板Sも浮遊電位となる。基板ステージ12に載置される基板Sとは、角板状のガラス基板に対して正極集電体層及び負極集電体層であるチタン層と白金層とが順に積層されたものである。
Hereinafter, an embodiment of a method of manufacturing a thin film lithium secondary battery of the present invention, high-speed annealing (RTA) apparatus as an embodiment of the base plate processing apparatus, and, an embodiment of a thin film lithium secondary battery of the present invention A description will be given with reference to FIGS.
[Sputtering equipment]
First, a sputtering apparatus for forming a lithium cobaltate (LCO) layer, which is a positive electrode layer of a thin film lithium secondary battery, used for manufacturing a thin film lithium secondary battery will be described with reference to FIG. To do. As shown in FIG. 1, a cylindrical substrate stage 12 on which a substrate S as a processing target can be placed is disposed in a bottomed cylindrical vacuum chamber 11 of the sputtering apparatus 10. While the vacuum chamber 11 is connected to the ground potential, the substrate stage 12 is set to the floating potential. Therefore, the substrate S placed on the substrate stage 12 is also set to the floating potential. The substrate S placed on the substrate stage 12 is obtained by sequentially laminating a titanium layer and a platinum layer, which are a positive electrode current collector layer and a negative electrode current collector layer, on a square plate-like glass substrate.

基板ステージ12の上方には、真空槽11を封止するバッキングプレート13を介してLCOからなるターゲット14が、基板Sと対向するように設置されている。ターゲット14の直径は例えば300mmであり、また、ターゲット14と基板との距離であるTS距離は例えば60mmである。   Above the substrate stage 12, a target 14 made of LCO is installed to face the substrate S via a backing plate 13 that seals the vacuum chamber 11. The diameter of the target 14 is, for example, 300 mm, and the TS distance that is the distance between the target 14 and the substrate is, for example, 60 mm.

バッキングプレート13には、ターゲット14に対して高周波電力を供給する高周波電源RFが、該高周波電源RFの出力インピーダンスとその負荷の入力インピーダンスとを整合させるマッチングボックスMを介して接続されている。また、同バッキングプレート13には、ターゲット14に対して直流電力を供給する直流電源DCが、LCフィルタFを介して接続されている。これら高周波電源RFと直流電源DCとは、バッキングプレート13に対して並列に接続されている。高周波電源RFは例えば13.56MHzの周波数の高周波電力をバッキングプレート13に対して出力し、他方、直流電源DCは負の電圧を同バッキングプレート13に印加する。また、バッキングプレート13におけるターゲット14とは反対側には、ターゲット14の表面に垂直磁場を形成するマグネット15が搭載されている。   A high frequency power source RF that supplies high frequency power to the target 14 is connected to the backing plate 13 via a matching box M that matches the output impedance of the high frequency power source RF with the input impedance of the load. A DC power source DC that supplies DC power to the target 14 is connected to the backing plate 13 via an LC filter F. The high frequency power source RF and the direct current power source DC are connected in parallel to the backing plate 13. The high frequency power supply RF outputs high frequency power having a frequency of, for example, 13.56 MHz to the backing plate 13, while the direct current power source DC applies a negative voltage to the backing plate 13. A magnet 15 that forms a vertical magnetic field on the surface of the target 14 is mounted on the backing plate 13 opposite to the target 14.

上記真空槽11に貫通形成された排気口11aには、真空槽11内の流体を真空槽11外に排気する排気部16が接続されている。排気部16は、例えば真空槽11内の圧力を調節するバルブや、ターボ分子ポンプ及びドライポンプ等の真空ポンプによって構成されている。   An exhaust port 16 for exhausting the fluid in the vacuum chamber 11 to the outside of the vacuum chamber 11 is connected to the exhaust port 11 a formed through the vacuum chamber 11. The exhaust unit 16 includes, for example, a valve that adjusts the pressure in the vacuum chamber 11 and a vacuum pump such as a turbo molecular pump and a dry pump.

同じく真空槽11に貫通形成されたガス供給口11bには、真空槽11内にスパッタガスである例えばアルゴンガスを供給するスパッタガス供給部17が接続されている。スパッタガス供給部17は、アルゴンガスの貯蔵されたボンベに接続されるマスフローコントローラであって、真空槽11に供給するアルゴンガスの流量を調節する。
[スパッタ装置の作用]
スパッタ装置10にて成膜工程としての基板Sに対するLCO層の積層が行われるときには、まず、上記排気部16が真空槽11内の流体を排気することによって、真空槽11内の圧力が所定圧力にまで減圧される。そして、基板Sが図示しない搬出入口から真空槽11内に搬入されると、基板Sが基板ステージ12に載置される。
Similarly, a sputter gas supply unit 17 that supplies, for example, argon gas, which is a sputter gas, is connected to the gas supply port 11 b formed through the vacuum tank 11. The sputter gas supply unit 17 is a mass flow controller connected to a cylinder in which argon gas is stored, and adjusts the flow rate of argon gas supplied to the vacuum chamber 11.
[Operation of sputtering equipment]
When the LCO layer is stacked on the substrate S as a film forming process in the sputtering apparatus 10, first, the exhaust unit 16 exhausts the fluid in the vacuum chamber 11, so that the pressure in the vacuum chamber 11 becomes a predetermined pressure. The pressure is reduced to. When the substrate S is carried into the vacuum chamber 11 from a carry-in / out port (not shown), the substrate S is placed on the substrate stage 12.

基板Sが基板ステージ12に載置されると、スパッタガス供給部17が、例えば49sccmの流量で真空槽11内にアルゴンガスを供給する。これにより、真空槽11内の圧力は、スパッタガス供給部17のガス供給量と排気部16の排気流量とによって、例えば0.8Paとされる。   When the substrate S is placed on the substrate stage 12, the sputtering gas supply unit 17 supplies argon gas into the vacuum chamber 11 at a flow rate of, for example, 49 sccm. Thereby, the pressure in the vacuum chamber 11 is set to, for example, 0.8 Pa by the gas supply amount of the sputtering gas supply unit 17 and the exhaust flow rate of the exhaust unit 16.

真空槽11内にアルゴンガスが供給されると、高周波電源RFがバッキングプレート13に対して例えば400Wの高周波電力を供給するとともに、直流電源DCが同バッキングプレート13に対して例えば2300Wの直流電力を供給する。これにより、ターゲット14周辺のアルゴンガスからプラズマが生成され、そして、プラズマ中に含まれるアルゴンイオンが、ターゲット14の表面に衝突することによって、LCO粒子がターゲット14から弾き出される。このLCO粒子が、上記基板Sの表面に到達することによって、該基板S上に例えば3μmの厚さを有したLCO層が積層される。   When argon gas is supplied into the vacuum chamber 11, the high frequency power supply RF supplies high frequency power of 400 W, for example, to the backing plate 13, and the direct current power source DC supplies DC power of, for example, 2300 W to the backing plate 13. Supply. As a result, plasma is generated from the argon gas around the target 14, and argon ions contained in the plasma collide with the surface of the target 14, so that LCO particles are ejected from the target 14. When the LCO particles reach the surface of the substrate S, an LCO layer having a thickness of, for example, 3 μm is laminated on the substrate S.

このとき、ターゲット14には、高周波電圧に直流電圧が重畳した電圧が印加されるため、ターゲット14の電位が接地電位である真空槽11に対して負になりやすくなる。これにより、上記アルゴンイオンが、ターゲット14ではなく真空槽11に衝突することを抑えられる。また、基板ステージ12及び基板Sが浮遊電位であるため、上記アルゴンイオンが基板S側に引き込まれにくくなることから、基板S上に形成されたLCO層がスパッタされることを抑えられる。   At this time, since a voltage obtained by superimposing a DC voltage on a high frequency voltage is applied to the target 14, the potential of the target 14 tends to be negative with respect to the vacuum chamber 11 that is the ground potential. Thereby, it is possible to prevent the argon ions from colliding with the vacuum chamber 11 instead of the target 14. In addition, since the substrate stage 12 and the substrate S are at a floating potential, the argon ions are less likely to be attracted to the substrate S side, so that the LCO layer formed on the substrate S can be prevented from being sputtered.

また、ターゲット14に電力が供給されてLCO層が形成されるときには、該基板Sの温調は行われていない。そのため、基板Sの温度は室温であることから、基板S上に積層されたLCO層は、その大部分がアモルファス状である。なお、上記室温とは、JIS z 8703によって規定された試験場所の標準状態における、試験場所の標準状態の温度のことである。また、スパッタによるLCO層の形成中には、基板Sへのスパッタ粒子の衝突により、該基板Sの温度がスパッタ装置10の設置された環境よりも高い温度となる場合もある。本実施形態では、基板Sの温度を室温として成膜するとは、スパッタ装置10の設置された環境の温度が、LCO層の形成を行っている間中、上記温度範囲に維持されている状態を言う。また、こうして形成されたLCO層の大部分は、上述のようにアモルファス状ではあるものの、結晶化したLCO層が含まれていてもよい。
[RTA装置]
次に、薄膜リチウム二次電池の製造に用いられる基板処理装置であって、基板上に積層されたLCO層を加熱するRTA装置について図2を参照して説明する。図2に示されるように、RTA装置20の有する有底円筒状の真空槽21には、該真空槽21の内壁面に沿って反射板22が配置されている。反射板22上であって、該反射板22によって囲まれた空間内には、上記スパッタ装置10にてLCO層の積層された基板Sを保持する載置部23が設置されている。
Further, when electric power is supplied to the target 14 to form the LCO layer, the temperature of the substrate S is not adjusted. Therefore, since the temperature of the substrate S is room temperature, most of the LCO layer laminated on the substrate S is amorphous. The room temperature is the standard temperature at the test site in the standard condition at the test site defined by JIS z 8703. Further, during the formation of the LCO layer by sputtering, the temperature of the substrate S may be higher than the environment where the sputtering apparatus 10 is installed due to the collision of the sputtered particles with the substrate S. In the present embodiment, the film formation with the temperature of the substrate S being room temperature means that the temperature of the environment where the sputtering apparatus 10 is installed is maintained in the above temperature range during the formation of the LCO layer. say. Further, most of the LCO layer formed in this way may be a crystallized LCO layer although it is amorphous as described above.
[RTA equipment]
Next, an RTA apparatus for heating an LCO layer laminated on a substrate, which is a substrate processing apparatus used for manufacturing a thin film lithium secondary battery, will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the bottomed cylindrical vacuum chamber 21 of the RTA apparatus 20 is provided with a reflector 22 along the inner wall surface of the vacuum chamber 21. On the reflection plate 22 and in a space surrounded by the reflection plate 22, a placement unit 23 that holds the substrate S on which the LCO layer is laminated by the sputtering apparatus 10 is installed.

真空槽21の上方には、上面及び下面の封止された円筒状をなして真空槽21の開口を封止するヒータ槽24が搭載されている。ヒータ槽24の下面には、上記反射板22の断面と同心、且つ同大の円板状であるガラス窓25が嵌め込まれている。ヒータ槽24におけるガラス窓25の上方には、反射カバー26aに覆われた複数の赤外線ランプ26bを有した加熱部としてのランプヒータ26が搭載されている。赤外線ランプ26bから射出された赤外線の一部は、ガラス窓25を介して真空槽11内に到達した後、載置部23上に載置された基板Sに吸収される。あるいは、該赤外線の一部は、真空槽11内の反射板22にて反射された後に基板Sに吸収される。これにより、基板Sが所定の温度にまで加熱される。   Above the vacuum chamber 21, a heater tank 24 is mounted that seals the opening of the vacuum chamber 21 with a cylindrical shape whose upper and lower surfaces are sealed. A glass window 25 that is concentric with the cross section of the reflection plate 22 and has the same size as a disk is fitted on the lower surface of the heater tank 24. A lamp heater 26 as a heating unit having a plurality of infrared lamps 26 b covered with a reflective cover 26 a is mounted above the glass window 25 in the heater tank 24. A part of infrared rays emitted from the infrared lamp 26 b reaches the inside of the vacuum chamber 11 through the glass window 25 and is then absorbed by the substrate S placed on the placement unit 23. Alternatively, a part of the infrared rays is reflected by the reflection plate 22 in the vacuum chamber 11 and then absorbed by the substrate S. As a result, the substrate S is heated to a predetermined temperature.

上記真空槽21に貫通形成された排気口21aには、該真空槽21内の流体を排気する排気部27が接続されている。排気部27は、上記スパッタ装置10の備える排気部16と同様、真空槽21内の圧力を所定圧力に調節する圧力調整バルブや、ターボ分子ポンプ及びドライポンプ等の真空ポンプから構成されている。   An exhaust unit 27 that exhausts the fluid in the vacuum chamber 21 is connected to the exhaust port 21 a formed through the vacuum chamber 21. The exhaust unit 27 includes a pressure adjustment valve that adjusts the pressure in the vacuum chamber 21 to a predetermined pressure, and vacuum pumps such as a turbo molecular pump and a dry pump, as in the exhaust unit 16 included in the sputtering apparatus 10.

同真空槽21に貫通形成されたガス供給口21bには、真空槽21において基板Sの加熱を行っているときに供給されるガスである加熱ガスを供給する加熱ガス供給部28が接続されている。加熱ガス供給部28は、加熱ガスである窒素ガスを貯蔵するボンベに接続されるマスフローコントローラであって、窒素ガスを真空槽21に対して所定流量で供給する。基板Sの加熱を窒素ガス環境にて行うことにより、基板Sに形成されたLCOと、該LCO上に積層される上記LIPONとの密着性を高めることができる。
[RTA装置の作用]
上記RTA装置20の行う動作のうち、上記基板Sを加熱する加熱動作及びその作用について図3及び図4を参照して以下に説明する。RTA装置20にてLCO層を有する基板Sを加熱する際には、まず、排気部27による真空槽21内の排気が行われることで、真空槽21内の圧力が例えば1×10−6Pa以上1×10−5Pa以下に減圧される。
A heating gas supply unit 28 for supplying a heating gas, which is a gas supplied when the substrate S is heated in the vacuum chamber 21, is connected to the gas supply port 21 b formed through the vacuum chamber 21. Yes. The heating gas supply unit 28 is a mass flow controller connected to a cylinder that stores nitrogen gas, which is heating gas, and supplies the nitrogen gas to the vacuum chamber 21 at a predetermined flow rate. By heating the substrate S in a nitrogen gas environment, the adhesion between the LCO formed on the substrate S and the LIPON stacked on the LCO can be enhanced.
[Operation of RTA device]
Of the operations performed by the RTA apparatus 20, a heating operation for heating the substrate S and its action will be described below with reference to FIGS. When the substrate S having the LCO layer is heated by the RTA apparatus 20, first, exhaust in the vacuum chamber 21 is performed by the exhaust unit 27, so that the pressure in the vacuum chamber 21 is, for example, 1 × 10 −6 Pa. The pressure is reduced to 1 × 10 −5 Pa or less.

真空槽21内が減圧されると、図3に示されるように、タイミングt0にて、基板Sが図示しない搬出入口から真空槽21内に搬入され、そして、基板Sが上記載置部23上に載置される。基板Sが真空槽21内に搬入されると、タイミングt1にて、加熱ガス供給部28が温度状態とされることで、窒素ガスが、加熱ガス供給部28から真空槽21に対して供給されることにより、真空槽21内の圧力が、例えば大気圧である1atmにまで上昇する。   When the inside of the vacuum chamber 21 is depressurized, as shown in FIG. 3, at timing t0, the substrate S is carried into the vacuum chamber 21 from a carry-in / out port (not shown), and the substrate S is placed on the placement unit 23. Placed on. When the substrate S is carried into the vacuum chamber 21, the heated gas supply unit 28 is brought into a temperature state at timing t1, so that nitrogen gas is supplied from the heated gas supply unit 28 to the vacuum chamber 21. As a result, the pressure in the vacuum chamber 21 rises to, for example, 1 atm, which is atmospheric pressure.

真空槽21内の圧力が上昇すると、窒素ガスを500sccmの流量で供給しながら、タイミングt2にて、ランプヒータ26の電源がオンの状態とされる。そして、ランプヒータ26の出力が、タイミングt3までに増大される。これにより、基板Sの温度が、タイミングt2からタイミングt3までの第1上昇期間である例えば2分間で、第1温度である400℃以上500℃以下の所定の温度、例えば400℃にまで上昇する。なお、上記第1温度とは、LCO層においてアモルファスLCOから低温相LCOへの結晶化が進行する温度であり、且つ、アモルファスLCOから高温相LCOへの結晶化が進行しない温度である。また、同温度は、LCO層の全体をアモルファスLCOから低温相LCOに結晶化させるだけの期間にわたってLCO層を加熱したとしても、該LCO層の剥がれが生じない温度でもある。   When the pressure in the vacuum chamber 21 rises, the lamp heater 26 is turned on at timing t2 while supplying nitrogen gas at a flow rate of 500 sccm. Then, the output of the lamp heater 26 is increased by the timing t3. As a result, the temperature of the substrate S rises to a predetermined temperature of 400 ° C. or more and 500 ° C. or less, which is the first temperature, for example, 400 ° C., for example, in 2 minutes, which is the first rising period from timing t2 to timing t3. . The first temperature is a temperature at which crystallization from the amorphous LCO to the low temperature phase LCO proceeds in the LCO layer, and a temperature at which the crystallization from the amorphous LCO to the high temperature phase LCO does not proceed. The same temperature is also a temperature at which the LCO layer does not peel off even if the LCO layer is heated for a period of time during which the entire LCO layer is crystallized from the amorphous LCO to the low-temperature phase LCO.

基板Sの温度が400℃になると、第1加熱工程としてのタイミングt3からタイミングt4までの期間、例えば1分間にわたって、ランプヒータ26の出力が一定の状態に維持されることで、同基板Sの温度が400℃に維持される。   When the temperature of the substrate S reaches 400 ° C., the output of the lamp heater 26 is maintained in a constant state over a period from the timing t3 to the timing t4 as the first heating process, for example, for 1 minute. The temperature is maintained at 400 ° C.

ここで、上述したように、基板Sの有するLCO層は、その大部分がアモルファスの状態で集電体層上に積層されている。アモルファス状のLCOは、所定の温度にまで加熱されることにより結晶化すること、及び加熱時の温度によって結晶化されたときの結晶構造が、低温相LCO及び高温相LCOのいずれかとなることが知られている。低温相LCOは、アモルファス状のLCO層を相対的に低い温度で加熱することにより得られる結晶相であって、スピネル型あるいは立方晶に類似した結晶である。他方、高温相LCOは、アモルファス状のLCO層を相対的に高い温度で加熱することにより得られる結晶相であって、具体的には、層状岩塩型(α−NaFeO型)あるいは菱面体晶と呼ばれる結晶である。なお、LCO層では、一旦低温相LCOとして結晶化した部分を高温相LCOとすることが可能ではあるものの、低温相LCOから高温相LCOへの転移は、アモルファスLCOから低温相LCOへの転移及びアモルファスLCOから高温相LCOへの転移よりも大きな熱エネルギーを要する。 Here, as described above, most of the LCO layer of the substrate S is laminated on the current collector layer in an amorphous state. Amorphous LCO may be crystallized by being heated to a predetermined temperature, and the crystal structure when crystallized by the temperature at the time of heating may be either a low temperature phase LCO or a high temperature phase LCO. Are known. The low-temperature phase LCO is a crystal phase obtained by heating an amorphous LCO layer at a relatively low temperature, and is a crystal similar to a spinel type or a cubic crystal. On the other hand, the high-temperature phase LCO is a crystal phase obtained by heating an amorphous LCO layer at a relatively high temperature, and specifically, a layered rock salt type (α-NaFeO 2 type) or rhombohedral crystal. It is a crystal called. In the LCO layer, the portion once crystallized as the low temperature phase LCO can be the high temperature phase LCO, but the transition from the low temperature phase LCO to the high temperature phase LCO is the transition from the amorphous LCO to the low temperature phase LCO. Greater thermal energy is required than the transition from amorphous LCO to high temperature phase LCO.

また、低温相LCO及び高温相LCOの電気化学的な特性が現在までに多数報告されている。例えば、J.Electrochem. Soc., Vol. 140, No.3, March 1993によれば低温相LCOは高温相LCOに比べ放電電位が低く、放電容量が低いとの報告がある。低温相LCOは、上記薄膜リチウム二次電池の正極層として用いた場合に、充放電の安定性、サイクル特性、あるいは放電容量等の電気化学的な特性が、高温相LCOを正極層として用いた薄膜リチウム二次電池に劣るとされている。   Many electrochemical properties of the low-temperature phase LCO and the high-temperature phase LCO have been reported so far. For example, J. et al. Electrochem. Soc. , Vol. 140, no. 3, March 1993 reports that the low temperature phase LCO has a lower discharge potential and a lower discharge capacity than the high temperature phase LCO. When the low temperature phase LCO is used as the positive electrode layer of the thin film lithium secondary battery, the high temperature phase LCO is used as the positive electrode layer in terms of electrochemical characteristics such as charge / discharge stability, cycle characteristics, or discharge capacity. It is said to be inferior to a thin film lithium secondary battery.

アモルファス状のLCO層は、上記第1温度で加熱されると、低温相LCOの結晶化が進行する一方、高温相LCOの結晶化は進行しない。また、こうした第1加熱工程の実施される期間とは、薄膜リチウム二次電池に求められる容量に応じて適宜選択されるものであって、低温相LCOの結晶化が進行する期間であり、且つアモルファスLCOが残存する期間である。   When the amorphous LCO layer is heated at the first temperature, the crystallization of the low-temperature phase LCO proceeds while the crystallization of the high-temperature phase LCO does not proceed. Further, the period during which the first heating step is performed is appropriately selected according to the capacity required for the thin film lithium secondary battery, and is a period in which the crystallization of the low-temperature phase LCO proceeds, and This is a period during which amorphous LCO remains.

なお、LCO層の加熱を開始してから第1加熱工程を開始する直前までの期間である上記タイミングt2からタイミングt3までの期間及び昇温速度は、RTA装置によって適宜選択されるものであって、加熱途中の基板Sの温度がオーバーシュートしたとしても第1温度を超えない期間及び昇温速度であることが好ましい。   The period from the timing t2 to the timing t3, which is the period from the start of heating the LCO layer to just before the first heating process, and the temperature increase rate are appropriately selected by the RTA apparatus. Even if the temperature of the substrate S during heating overshoots, it is preferable that the temperature and the heating rate be within a period not exceeding the first temperature.

基板Sの温度が400℃で維持された後、タイミングt4にてランプヒータ26の出力を大きくすることで、基板Sの温度が再び上昇する。これにより、基板Sの温度が、タイミングt4からタイミングt5までの第2上昇期間である例えば1分間で、第2温度であって、上記第1温度よりも高く且つ660℃以下の所定の温度、例えば580℃にまで上昇する。なお、上記第2温度とは、LCO層においてアモルファスLCOから高温相LCOへの結晶化が進行する温度であって、且つ低温相LCOから高温相LCOへの結晶化が進行しない温度である。また、同温度は、LCO層に残存するアモルファスLCOが高温相LCOに結晶化するだけの期間にわたってLCO層が加熱されたとしても、該LCO層の剥がれが生じない温度でもある。   After the temperature of the substrate S is maintained at 400 ° C., the temperature of the substrate S is increased again by increasing the output of the lamp heater 26 at timing t4. Accordingly, the temperature of the substrate S is a second temperature, for example, 1 minute, which is a second rising period from timing t4 to timing t5, and is a predetermined temperature that is higher than the first temperature and not higher than 660 ° C. For example, the temperature rises to 580 ° C. The second temperature is a temperature at which crystallization from the amorphous LCO to the high temperature phase LCO proceeds in the LCO layer, and a temperature at which the crystallization from the low temperature phase LCO to the high temperature phase LCO does not proceed. The temperature is also a temperature at which the LCO layer does not peel even if the LCO layer is heated for a period of time during which the amorphous LCO remaining in the LCO layer is crystallized into the high-temperature phase LCO.

基板Sの温度が580℃になると、第2加熱工程としてのタイミングt5からタイミングt6までの期間、例えば3分間にわたって、ランプヒータ26の出力が一定に維持されることで、同基板Sの温度が580℃に維持される。なお、上記第2加熱期間は、薄膜リチウム二次電池に求められる容量に応じて適宜選択されるものであって、高温相LCOの結晶化の進行が飽和する期間であることが好ましい。   When the temperature of the substrate S reaches 580 ° C., the output of the lamp heater 26 is kept constant over a period from the timing t5 to the timing t6 as the second heating process, for example, for 3 minutes, so that the temperature of the substrate S is increased. Maintained at 580 ° C. The second heating period is appropriately selected according to the capacity required for the thin film lithium secondary battery, and is preferably a period in which the progress of crystallization of the high-temperature phase LCO is saturated.

LCO層が上記第2温度で加熱されると、高温相LCOの結晶化が進行する。そして、高温相LCOの結晶化が進行する温度下にLCO層が置かれるため、該温度下で相対的に安定である高温相LCOへの結晶化が低温相LCOへの結晶化よりも優先的に進行する。なお、第2温度が第1温度よりも高い温度であっても、第2温度が500℃以下の範囲では、高温相LCOへの転移が生じるとはいえ、低温相LCOへの転移も同時に進行することになる。上述のように、低温相LCOと比較して高温相LCOが電気化学的に優れていることから、電気化学的な特性の観点から言えば、LCO層の全体に占める低温相LCOの割合は少ない方が好ましい。そのため、上記第2温度は、第1温度よりも高い温度であって、且つ、高温相LCOの転移が低温相LCOの転移度に対して優位となる500℃よりも高い温度であることが好ましい。   When the LCO layer is heated at the second temperature, crystallization of the high-temperature phase LCO proceeds. Since the LCO layer is placed under a temperature at which crystallization of the high-temperature phase LCO proceeds, crystallization into the high-temperature phase LCO that is relatively stable at the temperature is more preferential than crystallization into the low-temperature phase LCO. Proceed to. Even when the second temperature is higher than the first temperature, the transition to the high-temperature phase LCO occurs at the same time as long as the transition to the high-temperature phase LCO occurs in the range where the second temperature is 500 ° C. or less. Will do. As described above, since the high-temperature phase LCO is electrochemically superior to the low-temperature phase LCO, the proportion of the low-temperature phase LCO in the entire LCO layer is small from the viewpoint of electrochemical characteristics. Is preferred. Therefore, the second temperature is preferably higher than the first temperature and higher than 500 ° C. at which the transition of the high-temperature phase LCO is superior to the degree of transition of the low-temperature phase LCO. .

また、アモルファスLCOを高温相LCOに転移させる観点から言えば、第2加熱工程における加熱温度は高い方が好ましい。しかしながら、基板Sにて上記集電体層及びLCO層が形成される基板とは、歪点が660℃程度のガラス基板である。それゆえに、上記第2温度を580℃とすることで、基板Sの加熱温度と該基板Sの歪点との間にマージンを持たせることにより、LCO層ではアモルファスLCOから高温相LCOの転移を進行させつつ、ガラス基板の変形をより確実に抑えることができる。   From the viewpoint of transferring the amorphous LCO to the high-temperature phase LCO, it is preferable that the heating temperature in the second heating step is higher. However, the substrate on which the current collector layer and the LCO layer are formed on the substrate S is a glass substrate having a strain point of about 660 ° C. Therefore, by setting the second temperature to 580 ° C., a margin is provided between the heating temperature of the substrate S and the strain point of the substrate S, so that the LCO layer causes the transition from the amorphous LCO to the high-temperature phase LCO. While proceeding, the deformation of the glass substrate can be more reliably suppressed.

なお、第1温度から第2温度にまで昇温する期間である上記タイミングt4からタイミングt5までの期間及び昇温速度は、上記タイミングt2からタイミングt3までの期間及び昇温速度と同様、RTA装置によって適宜選択されるものであって、加熱途中の基板Sの温度がオーバーシュートしたとしても第2温度を超えない期間及び昇温速度であることが好ましい。   It should be noted that the period from the timing t4 to the timing t5 and the rate of temperature increase, which are periods in which the temperature is increased from the first temperature to the second temperature, are the same as the period from the timing t2 to the timing t3 and the temperature increase rate. It is preferable that the period and the rate of temperature increase should not exceed the second temperature even if the temperature of the substrate S during heating overshoots.

基板Sの温度が580℃で維持されると、タイミングt6にて、ランプヒータ26がオフの状態とされる。このとき、加熱ガス供給部28から真空槽21への窒素ガスの供給は維持されていることから、基板Sは、窒素ガスにより大気圧に維持された真空槽21内にて放熱する。大気圧に維持された真空槽21内にて基板Sの冷却が行われることで、基板Sとこれに接触した窒素ガスとの間で熱交換が起こるため、上述のような減圧下よりも高い速度で基板Sを冷却することができる。   When the temperature of the substrate S is maintained at 580 ° C., the lamp heater 26 is turned off at timing t6. At this time, since the supply of nitrogen gas from the heating gas supply unit 28 to the vacuum chamber 21 is maintained, the substrate S radiates heat in the vacuum chamber 21 maintained at atmospheric pressure by the nitrogen gas. Since the substrate S is cooled in the vacuum chamber 21 maintained at the atmospheric pressure, heat exchange occurs between the substrate S and the nitrogen gas in contact therewith. The substrate S can be cooled at a speed.

基板Sの放熱により、該基板Sの温度が所定の温度、例えば20℃以上30℃以下の所定温度にまで低下すると、加熱ガス供給部28がオフの状態とされることで、真空槽21に対する窒素ガスの供給が停止され、これにより、真空槽21内がタイミングt1以前の圧力にまで減圧される。その後、基板Sは、RTA装置20から搬出され、そして、例えば固体電解質層を成膜する装置まで搬送される。   When the temperature of the substrate S is lowered to a predetermined temperature, for example, a predetermined temperature of 20 ° C. or higher and 30 ° C. or lower due to heat dissipation of the substrate S, the heating gas supply unit 28 is turned off, so that the vacuum chamber 21 is turned off. The supply of nitrogen gas is stopped, and thereby the inside of the vacuum chamber 21 is reduced to a pressure before the timing t1. Thereafter, the substrate S is unloaded from the RTA apparatus 20 and then transferred to an apparatus for forming a solid electrolyte layer, for example.

上述のように、低温相LCOの結晶化を進める第1加熱工程と、高温相LCOの結晶化を進める第2工程とをこの順に行うことで結晶化させたLCO層について、図4を参照して説明する。ガラス基板31上の集電体層32に積層されたLCO層33Aでは、その断面が、図4(a)に示されるような構造であることが認められた。つまり、LCO層33Aは、LCO層33Aの積層方向とは略垂直な方向に延びる柱状の粒子によって形成されていることが認められた。これに対し、スパッタによる成膜後の加熱がなされていないLLCO層では、図4(b)に示されるようなLCO層33Bの断面構造が認められた。これらLCO層33AとLCO層33Bとの断面構造とを比較した場合、LCO層33Bにおいては、柱状粒子が規則的に並んでいるのに対し、上述した第1加熱工程及び第2加熱工程の施されたLCO層33Aにおいては、柱状粒子の崩れが見られながらも該柱状粒子が残っていることが分かる。   As described above, the LCO layer crystallized by performing in this order the first heating step for crystallization of the low-temperature phase LCO and the second step for crystallization of the high-temperature phase LCO will be described with reference to FIG. I will explain. In the LCO layer 33A laminated on the current collector layer 32 on the glass substrate 31, it was recognized that the cross section had a structure as shown in FIG. That is, it was recognized that the LCO layer 33A was formed by columnar particles extending in a direction substantially perpendicular to the stacking direction of the LCO layer 33A. In contrast, in the LLCO layer that was not heated after film formation by sputtering, a cross-sectional structure of the LCO layer 33B as shown in FIG. 4B was observed. When the cross-sectional structures of the LCO layer 33A and the LCO layer 33B are compared, the columnar particles are regularly arranged in the LCO layer 33B, whereas the above-described first heating step and second heating step are performed. In the LCO layer 33A thus formed, it can be seen that the columnar particles remain while the collapse of the columnar particles is observed.

一方、高温相LCOの結晶化が進行する温度、例えば580℃での加熱のみが施されたLCO層では、図4(c)に示されるようなLCO層33Cの断面構造認められた。該LCO層33Cと上記LCO層33Aとの断面構造を比較した場合、LCO層33Cにおいては柱状粒子の崩れが著しいことが分かる。   On the other hand, in the LCO layer subjected only to heating at a temperature at which the crystallization of the high-temperature phase LCO proceeds, for example, 580 ° C., the cross-sectional structure of the LCO layer 33C as shown in FIG. When the cross-sectional structures of the LCO layer 33C and the LCO layer 33A are compared, it can be seen that the columnar particles are significantly collapsed in the LCO layer 33C.

このように、上記LCO層33A,33B,33Cにおける柱状粒子の形状が示すように、アモルファスの状態から低温相LCOへの結晶化では、柱状粒子の崩れが殆ど認められない。これに対して、アモルファスの状態から高温相LCOへの結晶化では、柱状粒子の崩れが著しいことが認められる。それゆえに、LCO層において低温相LCOの結晶化を進めた後に高温相LCOの結晶化を進めることによって柱状粒子の崩れが緩和されることが分かる。   Thus, as shown by the shape of the columnar particles in the LCO layers 33A, 33B, and 33C, in the crystallization from the amorphous state to the low-temperature phase LCO, the collapse of the columnar particles is hardly observed. On the other hand, in the crystallization from the amorphous state to the high-temperature phase LCO, it is recognized that the collapse of the columnar particles is remarkable. Therefore, it can be seen that the collapse of the columnar particles is alleviated by proceeding the crystallization of the high temperature phase LCO after the crystallization of the low temperature phase LCO in the LCO layer.

このように、LCO層の一部で低温相コバルト酸リチウムの結晶化を進めた後に、LCO層で高温相コバルト酸リチウムの結晶化を進める結晶化工程によれば、LCO層の全てを一度に高温相LCOに結晶化するような加熱と比較して、低温相LCOが含まれる分、LCO層に生じる膜応力を低下させることができる。それゆえに、第2温度としては、単一の加熱工程にてアモルファスLCOの結晶化をさせた場合にはLCO層の割れによる該LCO層の剥がれを引き起こすような温度であっても、これを採用することができるようになる。したがって、LCO層における剥がれを抑えつつ、上記第1温度のようなLCO層の剥がれを抑えられる温度のみで加熱した場合と比較して、LCO層を有する薄膜リチウム二次電池の放電容量を高めることができる。   As described above, according to the crystallization process in which the crystallization of the high-temperature phase lithium cobalt oxide is performed in the LCO layer after the crystallization of the low-temperature phase lithium cobalt oxide is performed in a part of the LCO layer, all of the LCO layer is formed at once. Compared with heating that crystallizes into the high-temperature phase LCO, the film stress generated in the LCO layer can be reduced by the amount of the low-temperature phase LCO. Therefore, the second temperature is adopted even when the amorphous LCO is crystallized in a single heating process, even if the temperature causes the LCO layer to peel off due to cracking of the LCO layer. Will be able to. Accordingly, the discharge capacity of the thin-film lithium secondary battery having the LCO layer is increased as compared with the case where the LCO layer is heated only at a temperature that can suppress the peeling of the LCO layer while suppressing the peeling in the LCO layer. Can do.

しかも、第1温度を400℃とし、他方、第2温度を580℃とするとともに、第1加熱工程を実施する期間よりも第2加熱工程を実施する期間を大きくするようにしている。そのため、LCO層中に低温相コバルト酸リチウムを形成しつつも、該低温相コバルト酸リチウムがLCO層を形成する結晶中で支配的になることを抑えられる。なお、本実施形態では、上記第1温度、第1加熱期間、第2温度、及び第2加熱期間は、これらを経て形成されたLCO層を有する薄膜リチウム二次電池の容量が、LCOの理論容量である137mAh/gの70%以上を満たすように設定される。
[クラスタ装置]
なお、上記スパッタ装置10とRTA装置20とは、これら装置と同程度の真空にまで減圧された搬送室を介して接続されたいわゆるクラスタ装置を構成している。そのため、水との反応性の高いアモルファス状のLCOが、スパッタ装置10にて基板S上に積層された後、大気に触れることなくRTA装置20にまで搬送される。なお、クラスタ装置は、これらスパッタ装置10及びRTA装置20以外にも、薄膜リチウム二次電池の各集電体層を形成する成膜装置、負極を形成する成膜装置、及び固体電解質層を形成する成膜装置等、上記装置10,20と同程度の真空にまで減圧可能な装置が上記搬送室に接続されていてもよい。
[実施例]
一辺が140mmの正方形であって、厚さが0.5mmであるガラス基板に対して、厚さが20nmであるチタン層と、厚さが200mmである白金層とがこの順に積層された基板上に、上記スパッタ装置により以下の条件にてLCO層を成膜した。
○成膜条件
・LCoOターゲットの直径 300mm
・ターゲット−基板間距離 60mm
・ターゲットへの供給電力 直流2300W 交流400W
・アルゴンガスの流量 49sccm
・真空槽内の圧力 0.8Pa
・基板温度 室温
そして、上記RTA装置により以下の条件にてLCO層の形成された基板を加熱した。
○加熱条件
・第1温度 400℃
・第2温度 580℃
・第1上昇期間 2分
・第2上昇期間 1分
・第1加熱工程 1分
・第2加熱工程 3分
・窒素ガスの流量 500sccm
・真空槽内の圧力 1atm
上記条件にて加熱した場合、図5(a)に示されるように、直径が30μm程度の緻密な割れが、LCO層33Aの略全体にわたって形成された。こうした緻密な割れの形成されたLCO層33Aでは、集電体層からのLCO層の剥離が生じなかった。
In addition, the first temperature is set to 400 ° C., and the second temperature is set to 580 ° C., and the period for performing the second heating step is set longer than the period for performing the first heating step. Therefore, while the low temperature phase lithium cobalt oxide is formed in the LCO layer, the low temperature phase lithium cobalt oxide can be suppressed from becoming dominant in the crystal forming the LCO layer. In this embodiment, the capacity of the thin film lithium secondary battery having the LCO layer formed through the first temperature, the first heating period, the second temperature, and the second heating period is LCO theory. It is set so as to satisfy 70% or more of the capacity of 137 mAh / g.
[Cluster device]
The sputtering apparatus 10 and the RTA apparatus 20 constitute a so-called cluster apparatus connected via a transfer chamber whose pressure is reduced to the same level as these apparatuses. Therefore, after the amorphous LCO having high reactivity with water is laminated on the substrate S by the sputtering apparatus 10, the amorphous LCO is conveyed to the RTA apparatus 20 without being exposed to the atmosphere. In addition to the sputtering apparatus 10 and the RTA apparatus 20, the cluster apparatus forms a film forming apparatus for forming each current collector layer of a thin film lithium secondary battery, a film forming apparatus for forming a negative electrode, and a solid electrolyte layer. An apparatus capable of reducing the pressure to the same level as the apparatuses 10 and 20 such as a film forming apparatus may be connected to the transfer chamber.
[Example]
On a substrate in which a titanium layer having a thickness of 20 nm and a platinum layer having a thickness of 200 mm are laminated in this order on a glass substrate having a side of 140 mm and a thickness of 0.5 mm In addition, an LCO layer was formed under the following conditions using the sputtering apparatus.
○ Film formation conditions ・ Diameter of LCoO 2 target 300mm
・ Distance between target and substrate 60mm
・ Supply power to target DC2300W AC400W
-Argon gas flow rate 49sccm
・ Pressure inside the vacuum chamber 0.8 Pa
-Substrate temperature Room temperature And the board | substrate with which the LCO layer was formed was heated on condition of the following with the said RTA apparatus.
○ Heating conditions ・ First temperature 400 ℃
・ Second temperature 580 ℃
・ First rising period 2 minutes ・ Second rising period 1 minute ・ First heating process 1 minute ・ Second heating process 3 minutes ・ Nitrogen gas flow rate 500 sccm
・ Pressure inside the vacuum chamber: 1 atm
When heated under the above conditions, as shown in FIG. 5A, dense cracks having a diameter of about 30 μm were formed over substantially the entire LCO layer 33A. In the LCO layer 33A in which such dense cracks were formed, the LCO layer did not peel from the current collector layer.

上記LCO層33Aを有する薄膜リチウム二次電池の充放電特性を図6(a)に示す。なお、充放電特性を測定したときの環境温度を室温とするとともに、充電レート及び放電レートを1Cとした。また、LCO層33Aは、1セルあたりに5.5mg含まれるものとして理論容量に対する放電容量の百分率を算出した。図6(a)に示されるように、1回目及び2回目の放電時における容量は、0.594mAhであった。LCOの理論容量が137mAh/gであることから、該LCO層を有する薄膜リチウム二次電池は、理論容量に対して79%の放電容量を示すことが認められた。なお、1回目及び2回目の放電特性プロファイルが同一であることから、図6(a)では、実線で示される1回目の放電特性プロファイルと、一点鎖線で示される2回目の放電特性とが重なるように示されている。
[比較例1]
上記実施例と同様の基板に対して、該実施例と同一のスパッタ装置及び成膜条件によりLCO層を成膜した。そして、LCO層の形成された基板を実施例と同一のRTA装置を用いて以下の条件で加熱した。
○加熱条件
・加熱温度 540℃
・上昇期間 3.5分
・加熱工程 10分
・窒素ガスの流量 500sccm
・真空槽内の圧力 1atm
上記条件にて加熱した場合、図5(b)に示されるように、上記実施例と同様、直径が30μm程度の緻密な割れが、LCO層33Bの略全体にわたって形成された。そのため、比較例1の条件にて加熱されたLCO層33Bでも、集電体層からのLCO層33Bの剥離が生じなかった。
FIG. 6A shows the charge / discharge characteristics of the thin film lithium secondary battery having the LCO layer 33A. The environmental temperature when measuring the charge / discharge characteristics was room temperature, and the charge rate and discharge rate were 1C. In addition, the percentage of the discharge capacity with respect to the theoretical capacity was calculated assuming that the LCO layer 33A was contained in an amount of 5.5 mg per cell. As shown in FIG. 6A, the capacity at the first and second discharges was 0.594 mAh. Since the theoretical capacity of LCO was 137 mAh / g, it was confirmed that the thin-film lithium secondary battery having the LCO layer showed a discharge capacity of 79% with respect to the theoretical capacity. Since the first and second discharge characteristic profiles are the same, in FIG. 6A, the first discharge characteristic profile indicated by the solid line and the second discharge characteristic indicated by the alternate long and short dash line overlap. As shown.
[Comparative Example 1]
An LCO layer was formed on the same substrate as in the above example using the same sputtering apparatus and film formation conditions as in the example. And the board | substrate with which the LCO layer was formed was heated on condition of the following using the RTA apparatus same as an Example.
○ Heating conditions / heating temperature 540 ℃
・ Rising period 3.5 minutes ・ Heating process 10 minutes ・ Flow rate of nitrogen gas 500 sccm
・ Pressure inside the vacuum chamber: 1 atm
When heated under the above conditions, as shown in FIG. 5B, a dense crack having a diameter of about 30 μm was formed over substantially the entire LCO layer 33B, as in the above example. Therefore, the LCO layer 33B heated under the conditions of Comparative Example 1 did not peel off the LCO layer 33B from the current collector layer.

また、該LCO層33Bを有する薄膜リチウム二次電池の充放電特性を上記実施例と同様の条件で測定した。図6(b)に示されるように、1回目及び2回目の放電時における容量は0.423mAhであって、LCOの理論容量に対して56%の放電容量を示すことが認められた。なお、上記実施例と同様、1回目及び2回目の放電特性プロファイルが同一であることから、図6(b)においても、1回目の放電特性プロファイルと2回目の放電特性プロファイルとが重なるように示されている。
[比較例2]
上記実施例と同様の基板に対して、該実施例と同一のスパッタ装置及び成膜条件によりLCO層を成膜した。そして、LCO層を形成された基板を実施例と同一のRTA装置を用いて以下の条件で加熱した。
○加熱条件
・加熱温度 580℃
・上昇期間 3.5分
・加熱工程 10分
・窒素ガスの流量 500sccm
・真空槽内の圧力 1atm
上記条件にて加熱した場合、図5(c)に示されるように、上記実施例及び比較例1のLCO層33A,33Bに比べて、直径が2倍から10倍程度の割れが、LCO層33Cの一部で形成されるとともに、その他の部分では、実施例及び比較例1と同等の割れが形成された。そして、実施例及び比較例1では形成されなかった程度に大きな割れが生じた領域にて、集電体層からのLCO層33Cの剥離が生じた。なお、比較例2の条件で加熱されたLCO層33Cのうち、80%以上のLCO層33Cにてこうした剥離が生じた。
The charge / discharge characteristics of the thin film lithium secondary battery having the LCO layer 33B were measured under the same conditions as in the above examples. As shown in FIG. 6B, the capacity at the first and second discharges was 0.423 mAh, and it was confirmed that the discharge capacity was 56% with respect to the theoretical capacity of LCO. Since the first and second discharge characteristic profiles are the same as in the above embodiment, the first discharge characteristic profile and the second discharge characteristic profile overlap in FIG. 6B as well. It is shown.
[Comparative Example 2]
An LCO layer was formed on the same substrate as in the above example using the same sputtering apparatus and film formation conditions as in the example. And the board | substrate with which the LCO layer was formed was heated on condition of the following using the RTA apparatus same as an Example.
○ Heating conditions / heating temperature 580 ° C
・ Rising period 3.5 minutes ・ Heating process 10 minutes ・ Flow rate of nitrogen gas 500 sccm
・ Pressure inside the vacuum chamber: 1 atm
When heated under the above conditions, as shown in FIG. 5 (c), cracks having a diameter of about 2 to 10 times that of the LCO layers 33A and 33B of the examples and comparative example 1 While formed by a part of 33C, cracks equivalent to those of Example and Comparative Example 1 were formed in the other parts. Then, the LCO layer 33C was peeled from the current collector layer in a region where a large crack was generated to the extent that it was not formed in Example and Comparative Example 1. In addition, among the LCO layers 33C heated under the conditions of Comparative Example 2, such peeling occurred in 80% or more of the LCO layers 33C.

また、剥離が生じなかったLCO層33Cを有する薄膜リチウム二次電池の充放電特性を上記実施例と同様の条件で測定した。図6(c)に示されるように、1回目及び2回目の放電値における容量は0.622mAhであって、LCOの理論容量に対して83%の放電容量を示すことが認められた。なお、上記実施例と同様、1回目及び2回目の放電特性プロファイルが同一であることから、図6(c)においても、1回目の放電特性プロファイルと2回目の放電特性プロファイルとが重なるように示されている。   Further, the charge / discharge characteristics of the thin film lithium secondary battery having the LCO layer 33C in which peeling did not occur were measured under the same conditions as in the above examples. As shown in FIG. 6C, the capacity at the first and second discharge values was 0.622 mAh, and it was found that the discharge capacity was 83% with respect to the theoretical capacity of LCO. Since the first and second discharge characteristic profiles are the same as in the above embodiment, the first discharge characteristic profile and the second discharge characteristic profile overlap in FIG. 6C as well. It is shown.

このように、上記実施例によれば、LCO層が集電体層から剥がれることの抑制と、薄膜リチウム二次電池の放電容量が理論容量の70%以上であることとの両立が可能であった。   Thus, according to the above-described embodiment, it is possible to achieve both suppression of the LCO layer from peeling from the current collector layer and the discharge capacity of the thin film lithium secondary battery being 70% or more of the theoretical capacity. It was.

以上説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
(1)LCO層を加熱する際に、まず、加熱温度を第1温度で維持することによって、薄膜リチウム二次電池の正極層であるLCO層の一部で低温相LCOの結晶化を進めた後に、加熱温度を第1温度よりも高い第2温度で維持することにより、LCO層で高温相LCOの結晶化を進めるようにしている。そのため、LCO層の全てを一度に高温相LCOに結晶化するような加熱と比較して、LCO層に生じる膜応力を低下させることができる。それゆえに、正極層が基板から剥がれることを抑えられる。また、第1温度のみで加熱した場合と比較して、LCO層を有する薄膜リチウム二次電池の容量を高めることができる。したがって、薄膜リチウム二次電池の容量の低下を抑えつつ、該薄膜リチウム二次電池の製造の歩留まりを高めることができる。
As described above, according to the embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) When heating the LCO layer, first, by maintaining the heating temperature at the first temperature, crystallization of the low-temperature phase LCO was advanced in a part of the LCO layer that is the positive electrode layer of the thin film lithium secondary battery. Later, by maintaining the heating temperature at a second temperature higher than the first temperature, the crystallization of the high-temperature phase LCO proceeds in the LCO layer. Therefore, the film stress generated in the LCO layer can be reduced as compared with heating that crystallizes all of the LCO layer at once into a high-temperature phase LCO. Therefore, it is possible to prevent the positive electrode layer from being peeled off from the substrate. Moreover, the capacity | capacitance of the thin film lithium secondary battery which has an LCO layer can be raised compared with the case where it heats only at 1st temperature. Therefore, it is possible to increase the production yield of the thin film lithium secondary battery while suppressing a decrease in the capacity of the thin film lithium secondary battery.

(2)LCO層に対して第1温度での加熱及び第2温度での加熱を行うに当たり、低温相LCOよりも高温相LCOの正極層に占める割合を大きくしている。そのため、低温相LCOを形成することで、LCO層に生じる膜応力を低下させつつ、高温相LCOによって薄膜リチウム二次電池の容量の低下を抑えることができる。   (2) In heating the LCO layer at the first temperature and the second temperature, the ratio of the high temperature phase LCO to the positive electrode layer is made larger than the low temperature phase LCO. Therefore, by forming the low-temperature phase LCO, it is possible to suppress a decrease in the capacity of the thin-film lithium secondary battery by the high-temperature phase LCO while reducing the film stress generated in the LCO layer.

(3)第1温度を400℃以上500℃以下としていることから、第1加熱工程では、高温相LCOの結晶化が進行し難くなる一方、LCO層の一部が、より低温相LCOとして結晶化されやすくなる。そのため、LCO層が基板から剥がれることをより抑えられる。   (3) Since the first temperature is set to 400 ° C. or more and 500 ° C. or less, in the first heating step, crystallization of the high-temperature phase LCO is difficult to proceed, while a part of the LCO layer is crystallized as the lower-temperature phase LCO. It becomes easy to become. Therefore, the LCO layer can be further prevented from being peeled off from the substrate.

(4)薄膜リチウム二次電池の有する基板がガラス基板であるときに、第2温度を該ガラス基板の歪点未満の温度である660℃以下としていることから、該ガラス基板の変形を抑えることができる。また、第1加熱工程を、400℃以上500℃以下の温度で第2加熱工程よりも短時間で行うようにしているため、LCO層中に低温相LCOを形成しつつも、該低温相LCOがLCO層を形成する結晶中で支配的になることを抑えられる。そのため、LCO層が基板から剥がれること、及び薄膜リチウム二次電池の容量が低下することを抑えられる。   (4) When the substrate of the thin film lithium secondary battery is a glass substrate, the second temperature is set to 660 ° C. or less, which is a temperature lower than the strain point of the glass substrate, so that the deformation of the glass substrate is suppressed. Can do. In addition, since the first heating process is performed at a temperature of 400 ° C. or more and 500 ° C. or less in a shorter time than the second heating process, the low temperature phase LCO is formed while forming the low temperature phase LCO in the LCO layer. Can be prevented from becoming dominant in the crystals forming the LCO layer. Therefore, it can be suppressed that the LCO layer is peeled off from the substrate and the capacity of the thin film lithium secondary battery is reduced.

(5)LCO層が第1温度で維持されることによって、LCO層の全体にわたり低温相LCOの結晶化が進められる。また、LCO層が第2温度で維持することによって、これもまたLCO層の全体にわたり高温相LCOの結晶化が進められる。その結果、結晶化工程の終了したLCO層においては、低温相LCOと高温相LCOとが基板の全面にわたり均一に分布することになる。それゆえに、正極層が基板から剥がれることを基板の全面にわたり抑えられる。また、薄膜リチウム二次電池の容量を基板の全面にわたり高めることができる。   (5) By maintaining the LCO layer at the first temperature, crystallization of the low-temperature phase LCO proceeds throughout the LCO layer. Also, by maintaining the LCO layer at the second temperature, this also advances the crystallization of the high temperature phase LCO throughout the LCO layer. As a result, in the LCO layer after the crystallization process, the low temperature phase LCO and the high temperature phase LCO are uniformly distributed over the entire surface of the substrate. Therefore, it is possible to suppress the positive electrode layer from being peeled from the substrate over the entire surface of the substrate. Further, the capacity of the thin film lithium secondary battery can be increased over the entire surface of the substrate.

なお、上記実施形態は以下のように適宜変更して実施することができる。
・LCO層の成膜は、スパッタ装置10で行うようにしたが、アモルファス状のLCO層を形成できるのであれば、スパッタ装置に限らず、他の公知の成膜装置を用いるようにしてもよい。
In addition, the said embodiment can be changed and implemented suitably as follows.
Although the LCO layer was formed by the sputtering apparatus 10, as long as an amorphous LCO layer can be formed, other known film forming apparatuses may be used instead of the sputtering apparatus. .

・ターゲット14の大きさを300mmとしたが、基板SへのLCO層の成膜が可能な範囲で適宜変更することができる。
・ターゲット14と基板Sとの距離であるTS距離を60mmとしたが、基板SへのLCO層の成膜が可能な範囲で適宜変更することができる。
Although the size of the target 14 is set to 300 mm, it can be appropriately changed within a range in which the LCO layer can be formed on the substrate S.
The TS distance, which is the distance between the target 14 and the substrate S, is set to 60 mm, but can be appropriately changed as long as the LCO layer can be formed on the substrate S.

・ターゲット14には、高周波電源RFと直流電源DCとを接続するとともに、これらの電源からターゲット14に対して同時に電力を供給するようにした。これに限らず、ターゲット14のスパッタが可能であれば、高周波電力と直流電力とのいずれかを連続して供給する一方、他方を間欠的に供給したり、これら電力を交互に供給したりするようにしてもよい。   A high frequency power source RF and a direct current power source DC are connected to the target 14 and power is simultaneously supplied from these power sources to the target 14. Not only this but if the target 14 can be sputtered, either high-frequency power or DC power is supplied continuously, while the other is supplied intermittently, or these powers are supplied alternately. You may do it.

・ターゲット14には、高周波電源RFと直流電源DCのいずれか一方が接続されているようにしてもよい。
・スパッタ装置10は、ターゲット14の内表面に垂直磁場を形成するマグネット15を有するようにしたが、該マグネット15を割愛してもよい。
The target 14 may be connected to either the high frequency power source RF or the direct current power source DC.
The sputter apparatus 10 has the magnet 15 that forms a vertical magnetic field on the inner surface of the target 14, but the magnet 15 may be omitted.

・スパッタガス供給部17は、スパッタガスとしてアルゴンガスを供給するようにした。これに限らず、スパッタガス供給部17からは例えばヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガス等のアルゴンガス以外の希ガスをスパッタガスとして供給するようにしてもよいし、また、ターゲット14とは反応しない不活性ガスをスパッタガスとして供給するようにしてもよい。   The sputtering gas supply unit 17 supplies argon gas as the sputtering gas. However, the sputtering gas supply unit 17 may supply a rare gas other than an argon gas such as helium gas, neon gas, krypton gas, or xenon gas as a sputtering gas. An inert gas that does not react may be supplied as a sputtering gas.

・基板ステージ12に冷却水の通路を内設するとともに、該通路を流れる冷却水の温度を調節する温調部を設けることで、基板ステージ12を水冷ステージとしてもよい。これにより、LCO層の成膜時に基板Sを冷却することができるため、成膜処理中におけるLCO層の温度を調節することができる。そのため、LCO層が、アモルファスの状態で成膜されやすくなる。   The substrate stage 12 may be a water cooling stage by providing a passage for the cooling water in the substrate stage 12 and providing a temperature control unit for adjusting the temperature of the cooling water flowing through the passage. Thereby, since the substrate S can be cooled during the formation of the LCO layer, the temperature of the LCO layer during the film formation process can be adjusted. Therefore, the LCO layer is easily formed in an amorphous state.

・加熱ガス供給部28が窒素ガスを供給するようにしたが、窒素ガスに加えて酸素ガスを供給するようにしてもよい The heating gas supply unit 28 supplies nitrogen gas, but oxygen gas may be supplied in addition to nitrogen gas .

・第2加熱工程の期間は、上述の好ましい期間よりも長くともよい。
・上記第1加熱工程及び第2加熱工程により結晶化されたLCO層は、該LCO層を有する薄膜リチウム二次電池の放電容量が、理論容量の70%未満であって、スパッタ装置10によって成膜されたのみのLCO層、つまり、アモルファスLCOが支配的なLCO層よりも大きい放電容量であればよい。例えば、スパッタ装置10により成膜されたアモルファス状のLCO層を有する薄膜リチウム二次電池の放電容量は、上記実施例と同一の条件において0.004mAhであって、理論容量の0.53%であることから、LCO層の加熱を行うことによって、アモルファス状のLCO層よりは大きな放電容量が得られるようになる。また、本実施形態では、放電容量の相対的に大きい高温相LCOがLCO層中に含まれるため、低温相LCOのみからなるLCO層よりも放電容量が高くなる。
-The period of a 2nd heating process may be longer than the above-mentioned preferable period.
The LCO layer crystallized by the first heating step and the second heating step has a discharge capacity of a thin film lithium secondary battery having the LCO layer that is less than 70% of the theoretical capacity, and is formed by the sputtering apparatus 10. It is sufficient if the discharge capacity is larger than that of the LCO layer that is only formed, that is, the LCO layer in which the amorphous LCO is dominant. For example, the discharge capacity of a thin film lithium secondary battery having an amorphous LCO layer formed by the sputtering apparatus 10 is 0.004 mAh under the same conditions as in the above embodiment, and is 0.53% of the theoretical capacity. For this reason, by heating the LCO layer, a discharge capacity larger than that of the amorphous LCO layer can be obtained. In the present embodiment, since the high-temperature phase LCO having a relatively large discharge capacity is included in the LCO layer, the discharge capacity is higher than that of the LCO layer consisting only of the low-temperature phase LCO.

・上記スパッタ装置10とRTA装置20とは、同一の搬送室を介して接続されたクラスタ装置としたが、これらスパッタ装置10及びRTA装置は上述のようなクラスタ装置の一部でなく、単独の装置として具現化されていてもよい。   The sputter apparatus 10 and the RTA apparatus 20 are cluster apparatuses connected via the same transfer chamber, but the sputter apparatus 10 and the RTA apparatus are not part of the cluster apparatus as described above, and are independent. It may be embodied as a device.

・加熱装置をランプヒータ26によって基板Sを加熱するRTA装置20とした。これに限らず、例えば、基板ステージ12にヒータを内設するとともに、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気にてヒータを用いて基板Sを加熱するようにしてもよい。また、電磁波による誘導加熱により基板Sを加熱する装置、電気炉によって基板Sを加熱する装置、レーザ照射により基板Sを加熱する装置、あるいは基板S自体に通電することで該基板Sを加熱する装置としてもよい。   The heating apparatus is the RTA apparatus 20 that heats the substrate S by the lamp heater 26. For example, a heater may be provided in the substrate stage 12 and the substrate S may be heated using a heater in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas. An apparatus for heating the substrate S by induction heating using electromagnetic waves, an apparatus for heating the substrate S by an electric furnace, an apparatus for heating the substrate S by laser irradiation, or an apparatus for heating the substrate S by energizing the substrate S itself It is good.

・LCO層及び集電体層の形成される基板がガラス基板でなてもよい。 · Substrate formed of LCO layer and the collector layer but it may also be rather than a glass substrate.

加熱後のLCO層では、該LCO層を有する薄膜リチウム二次電池にて所望の容量が得られるのであれば、高温相LCOと低温相LCOとが含まれる構成であればよく、例えば高温相LCOの割合が低温相LCOの割合よりも大きくなくてもよい。 In the LCO layer after heating, as long as a desired capacity can be obtained in a thin film lithium secondary battery having the LCO layer, it may be configured to include a high temperature phase LCO and a low temperature phase LCO. The proportion of LCO need not be greater than the proportion of low-temperature phase LCO.

10…スパッタ装置、11…真空槽、11a,21a…排気口、11b,21b…ガス供給口、12…基板ステージ、13…バッキングプレート、14…ターゲット、15…マグネット、16…排気部、17…スパッタガス供給部、20…加熱装置、21…真空槽、22…反射板、23…載置部、24…ヒータ槽、25…ガラス窓、26…ランプヒータ、26a…反射カバー、26b…赤外線ランプ、27…排気部、28…加熱ガス供給部、31…ガラス基板、32…集電体層、33A,33B,33C… LCO層、40…薄膜リチウム二次電池、41…基板、42…正極集電体層、43…負極集電体層、44…正極層、45…固体電解質層、46…負極層、47…保護層、DC…直流電源、F…LCフィルタ、M…マッチングボックス、RF…高周波電源、S…基板。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sputtering device, 11 ... Vacuum chamber, 11a, 21a ... Exhaust port, 11b, 21b ... Gas supply port, 12 ... Substrate stage, 13 ... Backing plate, 14 ... Target, 15 ... Magnet, 16 ... Exhaust part, 17 ... Sputtering gas supply unit, 20 ... heating device, 21 ... vacuum chamber, 22 ... reflector, 23 ... mounting unit, 24 ... heater vessel, 25 ... glass window, 26 ... lamp heater, 26a ... reflective cover, 26b ... infrared lamp , 27 ... exhaust part, 28 ... heated gas supply part, 31 ... glass substrate, 32 ... current collector layer, 33A, 33B, 33C ... LCO layer, 40 ... thin-film lithium secondary battery, 41 ... substrate, 42 ... positive electrode collection Electric current layer, 43 ... negative electrode current collector layer, 44 ... positive electrode layer, 45 ... solid electrolyte layer, 46 ... negative electrode layer, 47 ... protective layer, DC ... DC power supply, F ... LC filter, M ... matching box, F ... high-frequency power supply, S ... substrate.

Claims (3)

コバルト酸リチウムからなる正極層を基板上に成膜する成膜工程と、
前記正極層を加熱してコバルト酸リチウムの結晶化を進める結晶化工程と
を備える薄膜リチウム二次電池の製造方法であって、
前記結晶化工程は、
前記正極層の温度を第1温度で維持することにより、前記正極層の一部で低温相コバルト酸リチウムの結晶化を進める第1加熱工程と、
前記第1加熱工程の後に前記第1温度よりも高い第2温度で前記正極層の温度を維持することにより、高温相コバルト酸リチウムの結晶化を前記正極層で進める第2加熱工程とを備え
前記第1温度は、400℃以上500℃以下であり、
前記第2温度は、660℃以下であり、
前記第2加熱工程の期間は、前記第1加熱工程の期間よりも大きい
薄膜リチウム二次電池の製造方法。
A film forming step of forming a positive electrode layer made of lithium cobalt oxide on a substrate;
A method of manufacturing a thin film lithium secondary battery comprising a crystallization step of heating the positive electrode layer to promote crystallization of lithium cobalt oxide,
The crystallization step includes
Maintaining a temperature of the positive electrode layer at a first temperature, a first heating step of promoting crystallization of low-temperature phase lithium cobalt oxide in a part of the positive electrode layer;
And a second heating step in which crystallization of the high-temperature phase lithium cobalt oxide is advanced in the positive electrode layer by maintaining the temperature of the positive electrode layer at a second temperature higher than the first temperature after the first heating step. ,
The first temperature is 400 ° C. or more and 500 ° C. or less,
The second temperature is 660 ° C. or lower,
The method of manufacturing a thin film lithium secondary battery , wherein the period of the second heating step is longer than the period of the first heating step .
前記結晶化工程は、
前記低温相コバルト酸リチウムが前記正極層に占める割合よりも、前記高温相コバルト酸リチウムが前記正極層に占める割合を大きくする
請求項1に記載の薄膜リチウム二次電池の製造方法。
The crystallization step includes
The method for producing a thin film lithium secondary battery according to claim 1, wherein a ratio of the high temperature phase lithium cobaltate in the positive electrode layer is made larger than a ratio of the low temperature phase lithium cobaltate in the positive electrode layer.
コバルト酸リチウムからなる正極層を基板上に成膜する成膜工程と、
前記正極層を加熱してコバルト酸リチウムの結晶化を進める結晶化工程と
により形成された正極層を有する薄膜リチウム二次電池であって、
前記結晶化工程では、
前記正極層の温度を第1温度で維持することにより、前記正極層の一部で低温相コバルト酸リチウムの結晶化を進める第1加熱工程と、
前記第1加熱工程の後に前記第1温度よりも高い第2温度で前記正極層の温度を維持することにより、高温相コバルト酸リチウムの結晶化を前記正極層で進める第2加熱工程とが行われ
前記第1温度は、400℃以上500℃以下であり、
前記第2温度は、660℃以下であり、
前記第2加熱工程の期間は、前記第1加熱工程の期間よりも大きい
ことを特徴とする薄膜リチウム二次電池。
A film forming step of forming a positive electrode layer made of lithium cobalt oxide on a substrate;
A thin film lithium secondary battery having a positive electrode layer formed by a crystallization step of heating the positive electrode layer to promote crystallization of lithium cobalt oxide,
In the crystallization step,
Maintaining a temperature of the positive electrode layer at a first temperature, a first heating step of promoting crystallization of low-temperature phase lithium cobalt oxide in a part of the positive electrode layer;
A second heating step is performed in which after the first heating step, the temperature of the positive electrode layer is maintained at a second temperature higher than the first temperature, whereby crystallization of the high-temperature phase lithium cobalt oxide is advanced in the positive electrode layer. We,
The first temperature is 400 ° C. or more and 500 ° C. or less,
The second temperature is 660 ° C. or lower,
The thin film lithium secondary battery , wherein the period of the second heating step is longer than the period of the first heating step .
JP2011130519A 2011-06-10 2011-06-10 Thin-film lithium secondary battery manufacturing method and thin-film lithium secondary battery Active JP5670262B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011130519A JP5670262B2 (en) 2011-06-10 2011-06-10 Thin-film lithium secondary battery manufacturing method and thin-film lithium secondary battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011130519A JP5670262B2 (en) 2011-06-10 2011-06-10 Thin-film lithium secondary battery manufacturing method and thin-film lithium secondary battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013004173A JP2013004173A (en) 2013-01-07
JP5670262B2 true JP5670262B2 (en) 2015-02-18

Family

ID=47672580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011130519A Active JP5670262B2 (en) 2011-06-10 2011-06-10 Thin-film lithium secondary battery manufacturing method and thin-film lithium secondary battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5670262B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10033029B2 (en) 2012-11-27 2018-07-24 Apple Inc. Battery with increased energy density and method of manufacturing the same
US9711770B2 (en) 2012-11-27 2017-07-18 Apple Inc. Laminar battery system
US9899661B2 (en) 2013-03-13 2018-02-20 Apple Inc. Method to improve LiCoO2 morphology in thin film batteries
US9887403B2 (en) * 2013-03-15 2018-02-06 Apple Inc. Thin film encapsulation battery systems
US9601751B2 (en) 2013-03-15 2017-03-21 Apple Inc. Annealing method for thin film electrodes
US10141600B2 (en) 2013-03-15 2018-11-27 Apple Inc. Thin film pattern layer battery systems
US10930915B2 (en) 2014-09-02 2021-02-23 Apple Inc. Coupling tolerance accommodating contacts or leads for batteries
US11824220B2 (en) 2020-09-03 2023-11-21 Apple Inc. Electronic device having a vented battery barrier

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4833594B2 (en) * 2005-06-27 2011-12-07 日本電信電話株式会社 Lithium secondary battery and manufacturing method thereof
US7862927B2 (en) * 2007-03-02 2011-01-04 Front Edge Technology Thin film battery and manufacturing method
WO2011007412A1 (en) * 2009-07-13 2011-01-20 トヨタ自動車株式会社 Method for producing positive electrode active material layer

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013004173A (en) 2013-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5670262B2 (en) Thin-film lithium secondary battery manufacturing method and thin-film lithium secondary battery
KR101984719B1 (en) Li metal electrode with multi-layer and forming method thereof
JP5095412B2 (en) LiCoO2 deposition
JP5129530B2 (en) LiCoO2 deposition
US9356320B2 (en) Lithium battery having low leakage anode
CN114908326B (en) Semiconductor processing apparatus and method for forming laminated film structure
WO2002021627A2 (en) Thin film battery and method of manufacture
US20100314244A1 (en) Ionized Physical Vapor Deposition for Microstructure Controlled Thin Film Deposition
TWI587398B (en) Microwave rapid thermal processing of electrochemical devices
CN104508175A (en) Electrochemical device fabrication process with low temperature annealing
JP2017503323A (en) Solid electrolyte and barrier on lithium metal and method
JP2009179867A (en) Parallel flat plate type magnetron sputtering apparatus, method for producing solid electrolyte thin film, and method for producing thin film solid lithium ion secondary battery
JP2009158416A (en) Manufacturing method for solid electrolyte thin film, parallel flat-plate type magnetron sputtering device, and manufacturing method for thin-film solid lithium ion secondary battery
JP2009187682A (en) Method for manufacturing cathode electrode, and method for manufacturing thin film solid lithium-ion secondary battery
CN217052364U (en) Multi-cavity PVD-RTA mixed thin film deposition system
CN112194372B (en) Glass-ceramic composite film solid garnet electrolyte and preparation method thereof
CN101073171B (en) Deposition of LiCoO2
US20100314245A1 (en) Ionized Physical Vapor Deposition for Microstructure Controlled Thin Film Deposition
WO2019089115A1 (en) Tool architecture using variable frequency microwave for residual moisture removal of electrodes
WO2017053862A1 (en) Adhesion promotion in electrochemical devices
CN114038936A (en) A method for improving the block blackening in the middle of the SC two-in-one EL of the PERC battery
CN114039572A (en) Solid acoustic wave resonator with bubble isolation layer
JP2016017016A (en) Method for producing ceramic composite and ceramic composite
JP2012153983A (en) Method for producing solid electrolyte thin film, and method for manufacturing thin film solid lithium-ion secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140402

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140930

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141001

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141119

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20141209

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141217

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5670262

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250