DE60126779T2 - Herstellung bei niedriger temperatur von dünnschicht- energiespeichervorrichtungen - Google Patents

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Description

  • Querverweise auf betreffende Erfindungen
  • Diese Erfindung beansprucht die Priorität der folgenden drei US Provisional Patentanmeldungen: Anwaltszeichen SLWK 1327.001prv, eingereicht: 24. März 2000, Nr. 60/191,774, Titel: „Comprehensive Patent For The Fabrication Of A High Volume, Low Cost Energy Products Such As Solid State Lithium Ion On A Rechargeable Battery, Supercapacitors And Fuel Cells", Anwaltszeichen SLWK 1327.003pav, eingereicht: 14. August 2000, No. 60/225,134, Titel: „Apparatus And Method For Rechargeable Batteries And For Making And Using Batteries" und Anwaltszeichen SLWK 1327.005pav, eingereicht: 6. Oktober 2000, No. 60/238,673, Titel: „Battery Having Ultrathin Electrolyte".
  • Diese Erfindung betrifft auch die Patentanmeldungen für die folgenden sechs Anwaltszeichen, die jeweils am gleichen Tag eingereicht wurden: 1327.005 us1, Titel „Thin-Film Battery Having Ultra-Thin Electrolyte And Associated Method", 1327.007 us1, Titel „Integrated Capacitors-Like Battery And Associated Method", 1327.008 us1, Titel Method And Apparatus For Integrated-Battery Devices", 1327.009 us1, Titel „Continuous Processing Of A Thin-Film Batteries And Like Devices", 1327.010 us1, Titel „Device Enclosures And Devices With Integrated Battery", und 1327.011 us1, Titel „Battery Operated Wireless-Communications Apparatus And Method".
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Festkörper-Energiespeichervorrichtungen. Spezieller betrifft diese Erfindung Verfahren und Systeme zum Herstellen von Festkörper-Energiespeichervorrichtungen und resultierenden Vorrichtungen, wie etwa Batterien und Superkondensatoren. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Festkörper-Energieumwandlungsvorrichtungen, wie beispielsweise photovoltaische Vorrichtungen und Fluidzellen, und zugehörige Verfahren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Elektronik ist in viele tragbare Vorrichtungen integriert, beispielsweise Computer, mobile Telefone, Verfolgungssysteme, Scanner, etc. Ein Nachteil der tragbaren Vorrichtung ist das Erfordernis einer Energieversorgung für die Vorrichtung vorzusehen. Tragbare Vorrichtungen verwenden typischerweise Batterien als Energieversorgung. Die Batterien müssen ausreichende Kapazität haben, um die Vorrichtung mindestens für die Länge der Verwendungszeit der Vorrichtung mit Energie zu versorgen. Eine ausreichende Batteriekapazität kann eine Energieversorgung zur Folge haben, die ziemlich schwer und groß ist verglichen mit dem Rest der Vorrichtung. Entsprechend sind kleinere und leichtere Batterien (als Energieversorgungen) mit ausreichendem Energiespeicher erwünscht. Andere Energiespeichervorrichtungen, wie beispielsweise Superkondensatoren, und Energieumwandlungsvorrichtungen, wie beispielsweise photovoltaische Vorrichtungen und Fluidzellen, sind Alternativen zu Batterien zur Verwendung als Energieversorgungen in tragbaren elektronischen und nicht tragbaren elektronischen Anwendungen.
  • Ein anderer Nachteil der herkömmlichen Batterien liegt darin, dass einige aus potenziell toxischen Materialien hergestellt werden, die lecken können und Gegenstand behördlicher Regulierung sein können. Entsprechend ist es wünschenswert, eine elektrische Energiequelle zu schaffen, die sicher ist, einen festen Zustand hat, und über mehrere Lade/Entlade-Lebenszyklen wiederaufladbar ist.
  • Ein Typ einer Energiespeichervorrichtung ist eine Festkörper-Dünnfilmbatterie. Beispiele von Dünnfilmbatterien sind beschrieben in US 5,314,765 ; 5,338,625; 5,445,126; 5,445,906; 5,512,147; 5,561,004; 5,567,210; 5,569,520; 5,597,660; 5,612,152; 5,654,084 und 5,705,293. Die US 5,338,625 beschreibt eine Dünnfilmbatterie, speziell eine Dünnfilmmikrobatterie, und ein Verfahren zur Herstellung selbiger mit einer Anwendung als eine Backup Energiequelle oder erste integrierte Energiequelle für elektronische Vorrichtungen. Die US 5,445,906 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Herstellen einer Dünnfilmbatteriestruktur, die gebildet ist durch ein Verfahren, das eine Mehrzahl von Ablagerungsstationen verwendet, bei denen die dünnen Batteriekomponentenfilme der Reihe nach auf einem netzähnlichen Substrat gebildet werden, wenn das Substrat automatisch durch die Stationen bewegt wird.
  • 1A zeigt eine bekannte Dünnfilmbatterie 20, die auf einem Substrat 22 gebildet ist. Die Batterie enthält einen Kathodenstromkollektor 32 und einen Anodenstromkollektor 34, die auf dem Substrat 22 gebildet sind. Eine Kathodenschicht 38 ist auf dem Kathodenstromkollektor 32 gebildet. Eine elektrolytische Schicht 42 ist auf der Kathodenschicht 38 gebildet. Eine Anodenschicht 44 ist auf der Elektrolytschicht 42, dem Substrat 22 und dem Anodenstromkollektor 34 gebildet. Die Stromkollektoren 32 und 34 sind mit externen Schaltungen verbunden, um elektrische Energie für diese bereitzustellen. In einem Entladebetrieb wandern die Ionen in der Anodenschicht 44 durch die Elektrolytschicht 42 und werden in der Kathodenschicht 38 gespeichert. Folglich wird ein Strom erzeugt, der von dem Anodenstromkollektor 34 zu dem Kathodenstromkollektor 32 fließt. In einem Ladebetrieb, wird eine externe elektrische Ladung an die Stromkollektoren 32 und 34 angelegt. Folglich werden die Ionen in der Kathodenschicht 38 dazu veranlasst, durch die Elektrolytschicht 42 zu wandern und in der Anodenschicht 44 gespeichert zu werden.
  • 2A zeigt ein bekanntes Verfahren zum Herstellen der Dünnfilmbatterie 20. Zuerst wird das Substrat vorbereitet für ein Aufbringen der Dünnfilmbatterie (Schritt 215). Der Kathodenstromkollektor wird auf das Substrat aufgebracht unter Verwendung von DC-Magnetron-Sputtern (Schritt 217). Die Kathode wird auf den Kathodenstromkollektor aufgebracht durch RF-Magnetron-Sputtern (Schritt 219). In diesem Verfahren liefert die Magnetronquelle gesputtertes Material mit einer Energie von ungefähr 1-3 eV, was unzureichend ist, um das Kathodenmaterial zu kristallisieren, um gewünschte Kristallstrukturen zu bilden, die eine Ionenbewegung in und aus dem Kathodenmaterial heraus fördern. Die Kathode muss erwärmt werden, um eine kristalline Gitterstruktur in der Kathode zu erzeugen, was notwendig ist, um eine Energiespeichervorrichtung zu erzeugen, die die erforderlichen elektrischen Leistungseigenschaften hat. In einigen Ausführungsbeispielen ist eine gewünschte elektrische Eigenschaft einer Batterie eine Entladekurve, die eine relativ konstante Spannung (δ) über einen Kapazitätsbereich hat, und dann eine rapide Spannungsreduzierung, wenn die verbleibende Kapazität erschöpft ist (Δ). Entsprechend werden der Stapel des Substrats, der Kathodenstromkollektor und die Kathode bei einer Temperatur von 700°C erwärmt (Schritt 221 in 2A). Der Erwärmungsschritt 221 kompliziert und verteuert die Herstellung dieses Typs von Festkörper-Batterie. Ferner verhindert der Erwärmungsschritt 221 die Verwendung irgendeines Materials als Substrat oder anderen Teils der Batterie, das nicht in der Lage ist, der hohen Erwärmungstemperatur standzuhalten. Der Anodenstromkollektor wird auf das Substrat aufgebracht durch DC-Magnetron-Sputtern (Schritt 223). Die Elektrolytschicht wird durch RF-Magnetron-Sputtern aufgebracht (Schritt 225). Die Anode wird durch thermische Evaporation aufgebracht (Schritt 227).
  • Entsprechend gibt es ein Bedürfniss nach Festkörper-Energiespeichervorrichtungen, beispielsweise Dünnfilmbatterien und Kondensatoren, die schnell hergestellt werden können und die akzeptable elektrische Eigenschaften haben für eine Verwendung in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen. Spezieller gibt es ein Bedürfnis für ein Herstellungsverfahren und ein System, das keine Hochtemperaturerwärmung benötigt, um eine Festkörper-Energiespeichervorrichtung zu bilden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Verfahren und ein System werden beschrieben zum Herstellen von Festkörper-Energiespeichervorrichtungen. Einige Ausführungsbeispiele enthalten ein Herstellen von Filmen für eine Energiespeichervorrichtung ohne einen Erwärmungsschritt, speziell ohne ein Kathodenerwärmen. Die vorliegende Erfindung liefert Energie, die an dem Ort konzentriert ist, wo sie benötigt ist, um einen Film mit bestimmten strukturellen Charakteristiken zu bilden. Entsprechend ist die Gesamtenergie, die für den Film und dessen Unterstützung aufgebracht wird kleiner als wenn die Energie für die gesamte Vorrichtung aufgebracht werden würde, beispielsweise Hochtemperaturerwärmen der gesamten Vorrichtung. Folglich liefert die vorliegende Erfindung Verfahren zum Aufbringen von Energie zum Heilen von Defekten und/oder zum Erzeugen einer gewünschten Kristallstruktur zum Zeitpunkt des Aufbringens eines Films. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Energie im Wesentlichen bei wenigen Atomschichten aufgebracht zu einem Zeitpunkt während des Abscheidens eines Films.
  • In einem Ausführungsbeispiel, wie hier beschrieben, ist ein Film einer Energiespeichervorrichtung hergestellt durch Abscheiden einer ersten Materialschicht auf eine Stelle auf einem Substrat. Energetisierte Tonen eines zweiten Materials werden auf das erste Material gerichtet, um dieses mit Energie zu versorgen, wodurch das Wachstum der Kristallstruktur des ersten Materials unterstützt wird. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das erste Material ein Einschiebungsmaterial, das lösbar, loslassbar, abgebbar oder freisetzbar (Englisch: releasably) Ionen darin speichert. In einem Ausführungsbeispiel ist das Interkalationsmaterial ein Lithium Interkalationsmaterial. In Energiespeichervorrichtungen und speziell in Dünnfilmbatterien ist es wünschenswert, eine große Kristallstruktur zu haben und eine spezielle Kristallorientierung, um die elektrischen Eigenschaften der Energiespeichervorrichtung zu verbessern.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung enthält ein Herstellen einer Schicht einer Energiespeichervorrichtung unter Verwendung einer ersten Quelle zum Liefern von Komponentenmaterial für die Schicht, und eine zweite Quelle zum Liefern von Energie an eine Stelle auf dem Substrat, an der die Schicht abzuscheiden ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die hergestellte Schicht die Kathode für eine Dünnfilmbatterie. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Dünnfilmbatterie eine wiederaufladbare Festkörper-Lithiurnionenbatterie.
  • Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Herstellen des Elektrolytfilms durch Abscheiden einer ersten Materialschicht an einer Stelle auf einem Substrat. Energetisiert Ionen eines zweiten Materials werden gerichtet, um Energie an das erste Material zu liefern, wodurch das Wachstum der kristallinen Struktur des ersten Materials unterstützt wird. Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält das Herstellen des Anodenfilms durch Abscheiden einer ersten Interkalationsmaterialschicht oder Interkalations-erste-Schicht (Englisch: intercalation first layer) an einer Stelle auf einem Substrat. Energetisierte Ionen eines zweiten Materials werden gerichtet, um Energie an das erste Material zu liefern, wodurch das Wachstum der kristallinen Struktur des ersten Materials unterstützt und die Stöchiometrie der kristallinen Struktur des ersten Materials gesteuert wird.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das Steuern der Energie, die durch die von der zweiten Quelle energetisierte Ionen geliefert wird. Die energetisierten Ionen liefern Energie an das Interkalationsmaterial von ungefähr 5 eV oder größer.
  • Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Keimschicht bereitgestellt, auf der ein Interkalationsfilm wächst. Die Keimschicht unterstützt die Bildung gewünschter Kristallstrukturen, um die Energiespeichervorrichtungsperformance zu verbessern.
  • Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält das Herstellen einer Energiespeichervorrichtung auf irgendeinem Substrat von einer Mehrzahl unterschiedlicher Substrate. Einige der Substrate haben thermische Degradationstemperaturen, die kleiner sind als die Temperaturen, die für Prozesse verwendet werden, die üblicherweise verwendet werden zum Bilden von Dünnfilmbatterien. Es ist ein anderes Merkmal Systeme und Herstellungstechniken zu schaffen, die keine Temperaturdegradation eines Substrats oder anderer Schichten darauf verursachen.
  • Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung Energiespeichervorrichtungen herzustellen unter ökonomischen Herstellungsbedingungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Lithiumionenbatterie.
  • 1B zeigt eine Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 1C zeigt eine Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 1D zeigt eine Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung und eines Superkondensators gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2A zeigt ein Flussdiagramm eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung der Lithium-ionenbatterie gemäß 1A.
  • 2B zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Herstellungsprozesses gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 2C zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsprozesses gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 2D zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsprozesses gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 3A zeigt ein Diagramm einer Vorrichtung zum Herstellen einer Dünnfilmbatterie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 3B zeigt ein Diagramm einer Vorrichtung zum Herstellen einer Dünnfilmbatterie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt ein Diagramm eines anderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer Dünnfilmbatterie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 5A zeigt ein Diagramm eines anderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer Dünnfilmbatterie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 5B zeigt ein Diagramm eines anderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer Dünnfilmbatterie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt ein Diagramm eines anderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer Dünnfilmbatterie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt ein Diagramm eines anderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer Dünnfilmbatterie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 8 zeigt eine Querschnittsansicht einer Photovoltaikzelle gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 9A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 9B zeigt eine Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 9C zeigt eine Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 10 zeigt Röntgenbeugungsspektren von Kathodenfilmen für Dünnfilmbatterien.
  • 11 zeigt Röntgenbeugungsspektren einer herkömmlichen Kathodenschicht und einer Kathodenschicht gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • 12A zeigt Röntgenbeugungsspektren für eine herkömmliche Magnetron gesputterte Kathodenschicht.
  • 12B zeigt Röntgenbeugungsspektren für einen Dünnfilm für eine Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • 13 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer elektronischen Vorrichtung mit einer separaten gedruckten Leiterplatte und Batterie.
  • 14A zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Bereichs eines Einschlusses für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
  • 14B zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Bereichs eines Einschlusses für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
  • 14C zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Bereichs eines Einschlusses für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
  • 15A zeigt eine Draufsicht eines Blatts, das eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält.
  • 15B zeigt eine Draufsicht auf eine geschnittene Batteriezelle vor dem Bilden.
  • 15C zeigt eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle nach dem Bilden.
  • 15D zeigt eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle nach dem Bilden.
  • 15E zeigt eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle nach dem Bilden.
  • 15F zeigt eine Draufsicht eines Blatts, das eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält.
  • 15G zeigt eine Draufsicht einer Mehrzahl von geschnittenen Batteriezellen vor dem Bilden.
  • 15H zeigt eine perspektivische Ansicht einer fächergefalteten Mehrzahl von geschnittenen Batteriezellen vor dem Bilden.
  • 15I zeigt eine Draufsicht eines Blatts, das eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält.
  • 15J zeigt eine perspektivische Ansicht eines Blatts, das eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält, die auf dem Blatt gebildet sind, gemäß dieser Erfindung.
  • 15K zeigt eine perspektivische Ansicht eines Blatts, das zwei Batteriezellen enthält, die in ein Gehäuse gebildet sind, von dem Blatt gemäß 15J gemäß dieser Erfindung.
  • 15L zeigt eine Seitenansicht eines Elektrovorrichtungseinschlusses, der von einem Blatt gebildet wird.
  • 16A zeigt eine Draufsicht eines Blatts, das eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält.
  • 16B zeigt eine Draufsicht einer geschnittenen Batteriezelle vor dem Bilden.
  • 16C zeigt eine perspektivische Ansicht einer fächergefalteten geschnittenen Batteriezelle vor dem Bilden.
  • 16D zeigt eine fächergefaltete Leitung, die verkürzt ist.
  • 16E zeigt eine fertige Leitung.
  • 17 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Blatts, das mindestens eine Batteriezelle enthält, die um einen Elektromotor gemäß diesem Ausführungsbeispiel gerollt ist.
  • 18A zeigt eine Draufsicht einer geschnittenen Batteriezelle und LED vor dem Bilden.
  • 18B zeigt eine perspektivische Ansicht einer geschnittenen Batteriezelle und eine LED nach dem Bilden.
  • 18C zeigt eine Draufsicht einer geschnittenen Batteriezelle und LED vor dem Bilden.
  • 18D zeigt eine perspektivische Ansicht einer geschnittenen Batteriezelle und einer LED nach dem Bilden.
  • 19A zeigt eine Draufsicht eines Blatts, das eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
  • 19B zeigt eine Draufsicht einer Mehrzahl von geschnittenen Batteriezellen vor dem Bilden.
  • 19C zeigt eine perspektivische Ansicht einer gebildeten Batterie enthaltend eine Mehrzahl von Zellen.
  • 20 zeigt eine ausgeschnittene Seitenansicht eines Blatts enthaltend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die in einen Einschließungsbereich eingebettet sind.
  • 21A zeigt ein Flussdiagramm für ein erstes Recyclingverfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie und des Einschlusses.
  • 21B zeigt ein Flussdiagramm für ein erstes Recyclingverfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie und des Einschlusses.
  • 22A zeigt eine schematische Schaltung eines Ausführungsbeispiels einer integrierten Batterie und einer Schaltung, die sich einen gemeinsamen Anschluss teilen.
  • 22B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Blockdiagramms einer integrierten Vorrichtung, die die Schaltung gemäß 22A implementiert, mit einer Schaltung, die auf der Batterie gebildet ist.
  • 22C zeigt eine perspektivische Blockdiagrammansicht einer integrierten Vorrichtung, die die Schaltung gemäß 22A mit der Batterie auf der Schaltung gebildet implementiert.
  • 22D zeigt eine schematische Schaltung eines Ausführungsbeispiels 2202 einer integrierten Batterie und Schaltung, die jeweils separate Anschlüsse haben.
  • 22E zeigt eine perspektivische Blockdiagrammansicht einer integrierten Vorrichtung, die die Schaltung gemäß 22D mit der Schaltung auf der Batterie gebildet implementiert.
  • 22F zeigt eine perspektivische Blockdiagrammansicht einer integrierten Vorrichtung, die die Schaltung gemäß 22D mit der Batterie auf der Schaltung gebildet implementiert.
  • 22G zeigt eine perspektivische Blockdiagrammansicht einer integrierten Vorrichtung, die die Schaltung gemäß 22A mit der Batterie und der Schaltung Seite an Seite auf dem Substrat gebildet implementiert.
  • 22H zeigt eine perspektivische Blockdiagrammansicht einer integrierten Vorrichtung, die die Schaltung gemäß 22D mit der Batterie und der Schaltung Seite an Seite auf einem Substrat gebildet implementiert.
  • 23 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 2300 der vorliegenden Erfindung mit einer Batterie, auf der eine Schaltung überlagert ist.
  • 24A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 2400 der vorliegenden Erfindung mit einer Batterie, die mit einer integrierten Vorrichtung überlagert ist.
  • 24B zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2460.
  • 24C zeigt eine perspektivische Ansicht eines teilweise verarbeiteten Blatts 2464.
  • 24D zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2465.
  • 24E zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Blatts 2469.
  • 24F zeigt eine perspektivische Ansicht einer geschnittenen Endvorrichtung 2400.
  • 25A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 2500 der vorliegenden Erfindung mit einer integrierten Schaltung, die mit einer Batterie überlagert ist.
  • 25B zeigt eine Draufsicht von IC 2540.
  • 25C zeigt eine Erhebungsansicht von IC 2540.
  • 25D zeigt eine Draufsicht von integrierten Batterie-IC 2501.
  • 25E zeigt eine Erhebungsansicht der integrierten Batterie-IC 2501.
  • 25F zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2560.
  • 25G zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Blatts 2569.
  • 26A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 2600 der vorliegenden Erfindung mit einer integrierten Schaltung, auf deren Rücken eine Batterie überlagert ist.
  • 26B zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2660.
  • 26C zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Blatts 2669.
  • 26D zeigt eine perspektivische Ansicht von geschnittenen Endvorrichtungen 2600.
  • 26E zeigt eine perspektivische Ansicht einer verdrahteten geschnittenen Endvorrichtung 2600.
  • 26F zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hörgeräts 2690, das eine verdrahtete geschnittene Endvorrichtung 2600 enthält.
  • 27A zeigt eine Draufsicht eines Startsubstrats eines Ausführungsbeispiels, das eine integrierte Batterie und eine Vorrichtung haben wird, die sich einen gemeinsamen Anschluss teilen.
  • 27B zeigt eine Draufsicht des Substrats gemäß 27A nach dem Aufbringen der integrierten Batterie und Vorrichtung, die sich einen gemeinsamen Anschluss teilen.
  • 27C zeigt eine Draufsicht des Substrats gemäß 27B nach dem Platzieren und Verdrahten eines separat hergestellten Chips, der mit der integrierten Batterie und der Vorrichtung, die sich einen gemeinsamen Anschluss teilen, verbunden ist.
  • 27D zeigt eine Draufsicht des Substrats gemäß 27C nach dem Platzieren und Verdrahten einer Schleifenantenne.
  • 27E zeigt eine Draufsicht des Substrats gemäß 27D, nachdem eine obere Einkapselungsschicht aufgebracht worden ist.
  • 27F zeigt eine Erhebungsansicht des Startsubstrats gemäß 27A.
  • 27G zeigt eine Erhebungsansicht der teilweise gebildeten Vorrichtung gemäß 27B.
  • 27H zeigt eine Erhebungsansicht der teilweise gebildeten Vorrichtung gemäß 27C.
  • 27I zeigt eine Erhebungsansicht der teilweise gebildeten Vorrichtung gemäß 27D.
  • 27J zeigt eine Erhebungsansicht der Vorrichtung gemäß 27E.
  • 27K zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 27E in einer Magnet-Wiederaufladestation.
  • 27L zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 27E bei einer Lichtaufladestation.
  • 27M zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß 27E bei einer Funkwellenwiederaufladestation.
  • 28A zeigt eine Erhebungsansicht einer Batterie 2800 mit gestapelten Zellen.
  • 28B zeigt eine Draufsicht einer einzelnen Batteriezelle nach dem Recycling.
  • 28C zeigt einen Prozess 2810, der für das Recycling verwendet wird.
  • 29A zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2960.
  • 29B zeigt eine perspektivische Ansicht eines teilweise verarbeiteten Wafers 2964.
  • 29C zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2965.
  • 29D zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Wafers 2969.
  • 29E zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2965.
  • 29F zeigt eine perspektivische Ansicht eines teilweise verarbeiteten Wafers 2974.
  • 29G zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2960.
  • 29H zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Wafers 2979.
  • 29I zeigt eine perspektivische Ansicht einer verdrahteten geschnittenen Endvorrichtung 2600.
  • 30 zeigt eine perspektivische Ansicht einer implantierbaren Vorrichtung gemäß dieser Erfindung.
  • 31A zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Schrittmachers gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
  • 31B zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Schrittmachers, wie er gebildet wird.
  • 31C zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines anderen Schrittmachers, wenn er gebildet wird.
  • 32A zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Uhr gemäß der Erfindung.
  • 32B zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Uhr.
  • In den Zeichnungen beschreiben gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen ähnliche Komponenten in verschiedenen Ansichten. Signale und Verbindungen werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die Bedeutung wird aus dem Inhalt der Beschreibung klar.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil davon bilden, und in welchen beispielhaft spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, wie die Erfindung in der Praxis umgesetzt werden kann. Es soll verstanden werden, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und dass Strukturänderungen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Es soll verstanden werden, dass in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung jede Batterie in den Figuren oder der Beschreibung implementiert werden kann unter Verwendung von einer oder von mehreren Zellen, und wenn eine Mehrzahl von Zellen implementiert wird, können die Zellen parallel oder seriell verdrahtet werden. Dort, wo eine Batterie oder mehr als eine Zelle gezeigt oder beschrieben werden, verwenden folglich andere Ausführungsbeispiele eine Zelle, und wo eine Zelle gezeigt oder beschrieben ist, verwenden andere Ausführungsbeispiele eine Batterie oder mehr als eine Zelle. Ferner beziehen sich Bezugsnamen auf relative Ausdrücke, wie oben, unten, oberhalb, unterhalb, etc. auf Beispielsorientierungen, wie sie in den Figuren verwendet werden und nicht notwendigerweise auf Orientierungen, die während der Herstellung oder Verwendung verwendet werden.
  • Die Begriffe Wafer und Substrat, wie sie hier verwendet werden, umfassen jede Struktur mit einer freigelegten Oberfläche, auf der ein Film oder eine Schicht abgeschieden wird, beispielsweise um eine integrierte Schaltungs(IC)-Struktur oder eine Energiespeichervorrichtung zu bilden. Der Begriff Substrat soll verstanden werden als umfassend Halbleiterwafer, Kunststofffilm, Metallfolie und andere Strukturen, auf denen eine Energiespeichervorrichtung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden kann. Der Ausdruck Substrat wird auch verwendet, um Bezug zu nehmen auf Strukturen während der Verarbeitung, die andere Schichten enthalten, die bis dahin hergestellt worden sind. Wafer und Substrat enthalten beide dotierte und undotierte Halbleiter, Epitaxiehalbleiterschichten, die durch einen Basishalbleiter oder Isolator abgestützt sind, sowie andere Halbleiterstrukturen, die einem Fachmann bekannt sind. Substrat wird auch verwendet als eine Beschreibung irgendeines Startmaterials oder Ausgangsmaterials (Englisch: starting material), das verwendbar ist für das Herstellungsverfahren, wie es hier beschrieben wird.
  • Der Begriff Batterie, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Beispiel einer Energiespeichervorrichtung. Eine Batterie kann aus einer einzelnen Zelle oder einer Mehrzahl von Zellen, die in Serie oder parallel geschaltet sind, gebildet sein. Eine Zelle ist eine galvanische Einheit, die chemische Energie, beispielsweise ionische Energie, in elektrische Energie umwandelt. Die Zelle enthält typischerweise zwei Elektronen mit unähnlichem Material, die voneinander durch ein Elektrolyt isoliert sind, durch welches Ionen sich bewegen können.
  • Der Begriff adatom oder adsorbiertes Atom (Englisch: adatom), wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Partikel, Molekül oder Ion eines Materials, das noch nicht in eine Struktur oder einen Film gebildet wurde.
  • Der Begriff Interkalation, wie er verwendet wird, bezieht sich auf eine Eigenschaft eines Materials, das Ionen erlaubt sich jederzeit in und aus dem Material herauszubewegen, ohne dass das Material seine Phasenzustand ändert. Entsprechend verbleibt ein Festkörper-Interkalationsfilm in einem festen Zustand während des Ladens und Entladens einer Energiespeichervorrichtung.
  • 1B zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 50 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Substrat 55 ist bereitgestellt, auf welchem ein Kontaktfilm 57 gebildet ist. Der Kontaktfilm 57 dient als ein Stromkollektor und ist mit einer Leitung 58 verbunden, die einen Pol der Energiespeichervorrichtung 50 mit einer externen Schaltung verbindet. Ein Elektrodenfilm 59 ist auf dem Kontaktfilm 57 gebildet. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen bedeckt der Elektrodenfilm 59 im Wesentlichen eine Oberfläche des Kontaktfilms 57, um den Widerstand zu minimieren, indem der Bereich der Schnittstelle zwischen den Filmen maximiert wird. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist der Elektrodenfilm 59 eine Kathode für eine Dünnfilmbatterie. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist der Elektrodenfilm 59 eine Elektrode eines Superkondensators. Ein Elektrolytfilm 61 ist auf dem Elektrodenfilm 59 gebildet. Ein Elektrodenfilm 63 ist auf dem Elektrolytfilm 61 gebildet. Der Elektrolytfilm 61 isoliert den Elektrodenfilm 59 von dem Elektrodenfilm 63. Ein Kontaktfilm 65 ist auf dem Elektrodenfilm 63 gebildet. Ein Kontaktfilm 65 dient als ein Stromkollektor und ist mit einer Leitung 67 verbunden, die einen Pol der Energiespeichervorrichtung 50 mit einer externen Schaltung verbindet. In einigen Ausführungsbeispielen bedeckt der Kontaktfilm 65 im Wesentlichen eine Fläche des Elektrodenfilms 63, um den Widerstand zu minimieren, indem der Bereich der Schnittstelle zwischen diesen Filmen maximiert wird. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Elektrodenfilm 63 eine Anode für eine Dünnfilmbatterie. In anderen Ausführungsbeispielen ist der Elektrodenfilm 63 eine Elektrode eines Superkondensators.
  • 1C zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Energiespeichervorrichtung 50C. Ein Substrat 55 ist bereitgestellt und in einigen Ausführungsbeispielen enthält es zusätzliche Schichten und/oder Vorrichtungen, die damit gebildet sind. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das Substrat 55 ein Substrat, wie es hier beschrieben wird. Kontaktfilme 57 und 59 sind auf dem Substrat 55 gemäß dem hier beschriebenen Verfahren gebildet. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Kontaktfilme 57 und 59 Metallfilme, die auf dem Substrat abgeschieden werden gemäß anderen Verfahren, die bekannt sind. Kontaktfilme 57 und 59 dienen als Kontakte für die Verbindung der Energiespeichervorrichtung 50C mit anderen Schaltungselementen (nicht gezeigt). Ein erster Elektrodenfilm 59 ist auf dem Kontakt 57 gebildet. Der erste Elektrodenfilm 59 enthält ein Metall oder Interkalationsmaterial in einigen Ausführungsbeispielen, beispielsweise Dünnfilmbatterieausführungsbeispielen, in denen der erste Elektrodenfilm 59 als eine Kathode dient. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen enthält der erste Elektrodenfilm 59 ein Lithiummetall und/oder ein Lithium-Interkalationsmaterial. In anderen Ausführungsbeispielen, beispielsweise als Superkondensatoren, ist der erste Elektrodenfilm 59 ein Metalloxid. Es ist wünschenswert die Kontaktschnittstelle zwischen dem ersten Elektrodenfilm 59 und dem Kontaktfilm 57 zu maximieren. Entsprechend bedeckt in einigen Ausführungsbeispielen der erste Elektrodenfilm 59 im Wesentlichen den Kontaktfilm 57, ausgenommen einen Bereich, der für die Verbindung mit externen Schaltungen reserviert ist.
  • Ein Elektrolytfilm 61C ist zumindest teilweise auf dem ersten Elektrodenfilm 59 gebildet. Der Elektrolytfilm 61C umschließt gemäß einigen Ausführungsbeispielen vollständig den ersten Elektrolytfilm 59. Der Elektrolytfilm 61C wird gebildet unter Verwendung der Systeme und Verfahren, die hier beschrieben werden. In einem Ausführungsbeispiel wird ein erstes Material des Elektrolytfilms 61C aufgebracht unter Verwendung einer ersten Quelle, die ein erstes Elektrolytmaterial (adsorbierte Atome) an einer Stelle des Substrats richten, wie in 1C gezeigt, oder auf eine Stelle auf dem ersten Elektrodenfilm 59.
  • Ein zweiter Elektrodenfilm 59 wird auf dem Elektrolytfilm 61C und dem Kontaktfilm 59 gebildet. Der Elektrolytfilm 61C trennt vollständig den ersten Elektrodenfilm 59 von dem zweiten Elektrodenfilm 59. Der zweite Elektrodenfilm 63 enthält ein Metall oder ein Interkalationsmaterial gemäß einigen Ausführungsbeispielen, beispielsweise Dünnfilmbatterieausführungsbeispiele, in denen der zweite Elektrodenfilm eine Anode ist. In anderen Ausführungsbeispielen, beispielsweise Superkondensatorausführungsbeispielen, ist der zweite Elektrodenfilm 63 ein Metalloxid. Der zweite Elektrodenfilm 63 wird in einigen Ausführungsbeispielen gemäß dem hier beschriebenen Verfahren aufgebracht. In anderen Ausführungsbeispielen wird der zweite Elektrodenfilm 63 gemäß bekannten Verfahren gebildet.
  • Der Elektrolytfilm 61C, wenn er aufgebracht wird, enthält das Elektrolytmaterial. Eine erste Quelle (beispielsweise Quellen 311, 511, 511A und 711, wie hier beschrieben) des Elektrolytmaterials sind gemäß einem Ausführungsbeispiel eine physikalische Aufdampfungsabscheidequelle. In anderen Ausführungsbeispielen ist die erste Quelle eine chemische Aufdampfungsabscheidungsquelle. Eine zweite Quelle liefert energetisierte Partikel an die Stelle. Die energetisierten Partikel prallen auf das Elektrolytmaterial und unterstützen bei der Bildung einer gewünschten Struktur des Elektrolytfilms 61C. In anderen Ausführungsbeispielen liefert die zweite Quelle energetisierte Partikel gleichzeitig mit der ersten Quelle, die das Elektrolytmaterial liefert. Die Verwendung der energetisierten Partikel ist entsprechend dem Elektrolytfilm 61C für den ersten Elektrolytfilm 59 derart, dass der Elektrolytfilm die notwendige isolierende Eigenschaft liefert, also verhindert, dass Elektronen direkt zwischen dem ersten Elektrodenfilm 59 und dem zweiten Elektrodenfilm 63 wandern, also die Elektroden kurzschließen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die zweite Quelle eine Ionenquelle, wie sie hier beschrieben wird, beispielsweise Quellen 313, 414 oder 713. Die zweite Quelle liefert energetisierte Ionen, die Energie an das Elektrolytmaterial von der ersten Quelle liefern. Die Energie, die durch die Ionen geliefert wird, unterstützt ein Entsprechen des gebildeten Elektrolytfilms 61C zu der ersten Elektrodenschicht 59. Man glaubt, dass die Verwendung der energetisierten Partikel in dem Energiebereich, wie er hier verwendet wird, das Wachsen von Elektrolytmaterial bereitstellt mit einer übermäßigen Mobilitätsperiode gegenüber der vorherigen Filmfläche, und diese übermäßige Periode der Mobilität erlaubt es dem Elektrolytmaterial in einer defektfreieren Art und Weise zu wachsen.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist es erwünscht den Elektrolytfilm 61C so dünn wie möglich zu bilden, um dessen Beitrag zu dem internen Widerstand der Energiespeichervorrichtung zu reduzieren. Es ist ebenfalls wünschenswert die Eigenschaft des Elektrolyts beizubehalten zum Blockieren des Flusses der Elektronen (was in einem Kurzschluss der Anode und Kathode führen würde), während der Fluss der Ionen erlaubt wird, der die Batteriefunktion über dem Elektrolyt bereitstellt. Unter Verwendung der Verfahren und Systeme, wie hier beschrieben, wird der Elektrolytfilm 61C mit einer Dicke von 61C' oder weniger als 5000 Angström (500 nm) gebildet. In einigen Ausführungsbeispielen hat der Elektrolytfilm 61C eine Dicke 61C' von weniger als ungefähr 2500 Angström (250 nm). In einigen Ausführungsbeispielen hat der Elektrolytfilm 61C eine Dicke von 61C' von weniger als ungefähr 1000 Angström (100 nm). In einigen Ausführungsbeispielen hat der Elektrolytfilm 61C eine Dicke von 61C' von weniger als ungefähr 500 Angström (50 nm). In einigen Beispielen hat der Elektrolytfilm 61C eine Dicke von 61C' von weniger als ungefähr 250 Angström (25 nm). In einigen Ausführungsbeispielen hat der Elektrolytfilm 61C eine Dicke von 61C' von weniger als 100 Angström (10 nm). In einigen Ausführungsbeispielen hat der Elektrolytfilm 61C eine Dicke von 61C' in einem Bereich von ungefähr 10 Angström (1 nm) bis ungefähr 200 (20 nm). In einigen Ausführungsbeispielen hat der Elektrolytfilm 61C eine Dicke von 61C' in einem Bereich von ungefähr 10 Angström (1 nm) bis ungefähr 100 Angström (10 nm).
  • In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Elektrolytfilm 61C LiPON und wird gebildet unter Verwendung der ersten Quelle 311 mit der zweiten Quelle 313 oder 413. LiPON bezeichnet hier allgemein Lithium Phosphor Oxid Nitritmaterialien. Ein Beispiel ist Li3PO4N. Andere Beispiele enthalten höhere Verhältnisse von Stickstoff, um die Lithiumionenmobilität über dem Elektrolyt zu erhöhen. In einigen Ausführungsbeispielen liefert die erste Quelle 311 Li3PO4 in einer Stickstoffatmosphäre. In anderen Ausführungsbeispielen liefert die erste Quelle 311 Li3PO4 in einer Vakuumumgebung, wobei der Hintergrunddruck kleiner als IE-3Torr (ungefähr 1,3-mal 10–6 bar) ist. Die zweite Quelle 313 oder 413 liefert energetisierte Partikel von einem Quellengas. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Sekundärquelle eine Ionenquelle, die energetisierte Ionen von einem Quellgas liefert, das Sauerstoff (beispielsweise O2) oder Stickstoff (beispielsweise N2) enthält. Das Quellengas enthält gemäß anderen Ausführungsbeispielen ein Edelgas, beispielsweise Argon, Xenon, Helium, Neon oder Krypton. Die energetisierten Partikel und/oder Ionen erhöhen die Energie des Materials, das den Elektrolytfilm 61C bildet, wodurch folglich das Schicht-um-Schicht Wachstum verbessert wird. Entsprechend ist der Elektrolytfilm von höherer Qualität als die herkömmlichen Elektrolytschichten.
  • Ein Ausführungsbeispiel zum Bilden eines LiPON-Elektrolytfilms 61C enthält die erste Quelle, die Li3PO4 bereitstellt an oder für die Stelle, wo der LiPON-Elektrolytfilm auszubilden ist, und eine zweite Quelle, die energetisierte Stickstoffpartikel an oder nahe zu der gleichen Stelle liefert. Die energetisierten Stickstoffpartikel reagieren mit Li3PO4, das an der Stelle zum Bilden des Elektrolytfilms bereitgestellt ist. Dies erhöht die Menge von Stickstoff in dem LiPON-Elektrolytfilm. Eine Erhöhung des Stickstoffanteils ist wünschenswert, um die Lithiumionenmobilität in dem Elektrolyt zu erhöhen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Kammer, in der das Substrat 55 positioniert ist, eine stickstoffangereicherte Atmosphäre. Ein LiPON-Elektrolytfilm 61C wird gebildet durch das Li3PO4, das durch die erste Quelle geliefert wird, durch Reaktion mit dem Stickstoff in der Kammer. Die zweite Quelle liefert energetisierte Partikel, die die Ausbildung des Elektrolytfilms unterstützen. In anderen Ausführungsbeispielen liefert auch die zweite Quelle Stickstoff an Li3PO4 an der Stelle. Folglich reagiert Li3PO4 mit Stickstoff in der Kammer und mit energetisierten Stickstoff enthaltenden Partikeln, die von der zweiten Quelle geliefert werden. Dies erhöht den Stickstoffanteil des Elektrolytfilms 61C. In einigen Ausführungsbeispielen ist eine Erhöhung des Stickstoffanteils in dem Elektrolytfilm 61C wünschenswert, da die veröffentlichten Daten von „Department of Energy Lab At Oak Ridge, Tennessee, angeben, dass ein erhöhter Stickstoffanteil die Ionenleitfähigkeit oder Mobilität in dem Elektrolytfilm erhöht.
  • Wie man durch das Lesen der vorliegenden Erfindung versteht, sind die hier gezeigten Systeme zum Abscheiden von Filmen anpassbar, um den Elektrolytfilm 61C gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Beispiele von einigen derartigen Systemen sind in den 3 bis 7 gezeigt.
  • 1D zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung. Der Superkondensator 70 wird auf die Energiespeichervorrichtung 50C mit dem ultradünnen Elektrolytfilm 61 gebildet. Die Energiespeichervorrichtung 50C, die auf dem Substrat vor dem Bilden des Superkondensators 70 gebildet wird, repräsentiert ein Ausführungsbeispiel einer Schicht-Vorrichtungen, die auf dem Substrat gebildet werden, vor dem Anwenden der hier beschriebenen Techniken, um die Energiespeichervorrichtungen und/oder Energieumwandlungsvorrichtungen zu bilden. Der Superkondensator 70 enthält einen Zwischenfilm 73, der in physikalischem Kontakt mit den Elektrodenfilmen 71 und 75 gebildet ist. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist der Zwischenfilm 73 ein Elektrolyt zum Speichern und Entladen elektrischer Ladung durch einen faradayschen Prozess. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Zwischenfilm 73 ein dielektrisches Material. Der Kontaktfilm 65 ist ein physikalischer und elektrischer Kontakt mit der Elektrode 71. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kontaktfilm 65 folglich ein gemeinsamer Kontaktfilm für die Energiespeichervorrichtung 50C und den Superkondensator 70. In einigen Ausführungsbeispielen haben die Energiespeichervorrichtung 50C und der Superkondensator 70 separate Kontaktfilme. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Zwischenfilm 73 LiPON. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Elektrolytfilm 73 TaO. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Elektrodenfilme RuO2. Ein Kontaktfilm 77 wird auf dem Elektrodenfilm 75 gebildet. Eine Leitung 76 erstreckt sich von dem Kontaktfilm 77, um eine Platte des Superkondensators mit einer externen Schaltung zu kontaktieren.
  • Ein Verfahren zum Herstellen der Festkörper-Energiespeichervorrichtung 50 wird jetzt unter Bezugnahme auf die 1B und 2B beschrieben. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen eines Substrats 55 (Schritt 251) und ein Aufbringen eines Kathodenkontaktfilms 57 auf dem Substrat 55 (Schritt 253). In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Schritt 251 ein Bereitstellen eines Substrats mit Isolatorschichten oder anderen Schichten/Vorrichtungen, die darauf gebildet sind. Das Verfahren enthält ferner einen Schritt 255 zum Abscheiden eines Elektrodenmaterials an einer Stelle auf dem Substrat, während einem gleichzeitigen Liefern von energetisierten Partikeln an das Elektrodenmaterial auf dem Substrat. In einem Ausführungsbeispiel liefert eine Unterstützungsquelle energetisierte Partikel. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen wird ein energetisierter Partikelstrahl auf die gleiche Stelle auf dem Substrat gerichtet, wie das Elektrodenmaterial. In einem Ausführungsbeispiel sind die energetisierten Partikel energetisierte Ionen. Die energetisierten Ionen enthalten gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Material, das anders ist als das Elektrodenmaterial. Die energetisierten Partikel oder der Ionenstrahl unterstützen bei der Steuerung des Wachstums der Struktur des Elektrodenmaterials an der Stelle. In einigen Ausführungsbeispielen wird der Schritt 255 verwendet, um einen Kathodenfilm oder eine Schicht 59 für eine Festkörper-Dünnfilmbatterie zu bilden. Der Kathodenfilm 59 ist ein elektrischer oder physikalischer Kontakt mit dem Kathodenkontakt. Der Elektrolytfilm 61 wird in Schritt 257 auf den Kathodenfilm abgeschieden. Ein Anodenfilm wird in Schritt 259 auf den Elektrolytfilm abgeschieden. Der Elektrolytfilm 61 trennt die Kathoden- und Anodenfilme 59 und 61, um einen Kurzschluss der Energiespeichervorrichtung 50, beispielsweise Batterie, zu verhindern. Ein Anodenkontakt wird in Schritt 261 im elektrischen und physikalischen Kontakt mit dem Anodenfilm gebildet. Die Dünnfilmbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung wird jetzt gebildet und Energiespeichervorrichtungsnachverarbeitungsschritten bzw. Schritten, nach der Herstellung einer Energiespeichervorrichtung (Englisch: post energy-storage device fabrication steps) 263 unterworfen.
  • Das Abscheiden des Kathodenfilms enthält ein Richten eines ersten Materials (beispielsweise adsorbierte Atome) auf eine Stelle auf dem Substrat, während einem gleichzeitigen Liefern von energetisierten Partikeln (beispielsweise Ionen) eines zweiten Materials an die Stelle auf dem Substrat. In einigen Ausführungsbeispielen ist das zweite Material von dem ersten Material verschieden. Die energetisierten Partikel liefern Energie an das erste Material, um beim Wachstum einer gewünschten Kristallstruktur in dem Kathodenfilm behilflich zu sein. Darüber hinaus steuert dies die Stöchiometrie des wachsenden Films an der Stelle auf dem Substrat. In anderen Ausführungsbeispielen ist das erste Material ein Lithium-Interkalationsmaterial, das als Festkörper-Dünnfilmbatteriekathode verwendet wird. Die Unterstützungsquelle liefert Ionen, die Energie in einem Bereich von 5 eV bis 3000 eV liefern, an das Lithium-Interkalationsmaterial. Die Steuerung der Energie in den Ionen, die durch die Unterstützungsquelle erzeugt werden, liefert eine lokale Steuerung für das Wachsen eines Lithium-Interkalationsfilms mit einer kristallinen Struktur. Die Energie von den Ionen unterstützt die Bildung von Lithium-Interkalationsmaterialien in eine kristalline Struktur zum Zeitpunkt des Abscheidens. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Gas, das verwendet wird zum Bilden der Ionen verwendet, um die Stöchiometrie des Wachsens des kristallinen Films zu steuern. Beispielsweise wird ein ionisierter Unterstützungsstrahl aus O2 verwendet, um das Wachstum und die Stöchiometrie des LiCoO2 Interkalationsmaterials zu steuern. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen kombiniert sich O2 in dem Ionenunterstützungsstrahl mit LiCo an der Stelle, um das LiCoO2 Interkalationsmaterial zu bilden.
  • Die kristalline Struktur eines Dünnfilms, der gemäß den Lehren hier gebildet wird, hat eine höhere Ordnung, als durch herkömmliche Kathodenfilmbildungstechniken erreicht werden kann. Herkömmliche Techniken hängen ab von einer hohen Temperatur, einem nachträglichen Kathodenabscheidungserhitzen, um die Struktur eines herkömmlichen Kathodenfilms neu zu ordnen und zu kristallisieren. Unglücklicherweise erwärmen derartige herkömmliche Techniken die gesamte Struktur auf die gleiche Temperatur, was unerwünscht ist, weil das Substrat derartigen Temperaturen standhalten muss, was viele andere geeignete Substratmaterialien ausschließt berücksichtigt zu werden. Ferner können unterschiedliche Schichten nicht mit unterschiedlichen Erwärmungen bereitgestellt werden, die geeignet sind für ihre unterschiedlichen Anforderungen. Ein stark geordneter kristalliner Kathodenfilm ist wünschenswert gemäß den hier beschriebenen Lehren, durch Bereitstellen der erforderlichen Energie, um die gewünschte stark geordnete und entsprechend orientierte Kristallstruktur bereitzustellen, ohne das Substrat und andere Schichten, die auf dem Substrat gebildet sind, enthaltend der Kathodenkontaktfilm, einer hohen Erwärmungstemperatur auszusetzen. Ferner kann jede Schicht erwärmt werden unter Verwendung unterschiedlicher Erwärmungsprozesse (beispielsweise unter Verwendung von Ionen unterstützenden Strahlen, die unterschiedliche Energien für unterschiedliche Schichten haben, oder Abscheiden und Erwärmen bei unterschiedlichen Raten oder für unterschiedliche Zeitdauern). Durch Erwärmen der Oberflächenschicht der vorherigen Schicht kann eine nachfolgende Schicht abgeschieden werden auf einer Oberfläche, die in einer bestimmten Art und Weise angeordnet ist (beispielsweise um spezifische Kristallorientierung oder eine spezifische Ionenbondingoberfläche zu erreichen), um die Qualität dieser nachfolgenden Schicht zu verbessern.
  • 2C zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Energiespeichervorrichtung. Die Schritte 251, 253, 259, 261 und 263 sind im Wesentlichen ähnlich zu den oben beschriebenen Schritten unter Bezugnahme auf die 2B. Der Schritt 255C ist ein Schritt zum Abscheiden eines Kathodenfilms zumindest teilweise auf dem Kathodenkontaktfilm. In einem Ausführungsbeispiel wird der Kathodenfilm abgeschieden, wie oben in Schritt 255 beschrieben. In anderen Ausführungsbeispielen wird der Kathodenfilm gemäß anderen Abscheidungsprozessen, die bekannt sind, abgeschieden. Der Elektrolytfilm wird gebildet durch Abscheiden eines Elektrolytmaterials an einer Stelle mindestens teilweise in Kontakt mit dem Kathodenfilm (Schritt 257B). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Elektrolytmaterial in Kontakt mit einem wesentlichen Bereich, wenn nicht dem gesamten Bereich einer Oberfläche des Kathodenfilms. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen liefert eine Unterstützungsquelle gleichzeitig energetisierte Partikel an das Elektrolytmaterial, wenn der Elektrolytfilm gebildet wird. In einem Ausführungsbeispiel liefert die Unterstützungsquelle einen Strahl energetisierter Ionen eines Unterstützungsmaterials, das ein anderes ist als das Elektrolytmaterial. In einem Ausführungsbeispiel wird der zweite Materialstrahl an die gleiche Stelle auf dem Substrat gerichtet, wie das Elektrolytmaterial. Der energetisierte Ionenstrahl unterstützt die Steuerung des Wachstums der Struktur des Elektrolytfilms. Der Ionenstrahl ist gemäß einem Ausführungsbeispiel nicht fokussiert. Der Ionenstrahl ist gemäß einem anderen Ausfühungsbeispiel fokussiert.
  • Das Abscheiden des Elektrolytfilms enthält ein Richten eines Elektrolytmaterials auf eine Stelle mindestens teilweise in Kontakt mit dem Kathodenfilm, während gleichzeitig Energie an das Elektrolytmaterial geliefert wird. In einem Ausführungsbeispiel wird die Energie durch energetisierten Partikel geliefert. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen sind die energetisierten Partikel energetisierte Ionen. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen sind die energetisierten Partikel von der Unterstützungsquelle aus einem anderen Material als das Elektrolytmaterial. Die Lieferenergie der energetisierten Partikel an das erste Elektrolytmaterial dient zur Unterstützung des Wachstums einer gewünschten, festen Elektrolytfilmstruktur. Darüber hinaus steuert dies die Stöchiometrie des gewachsenen Elektrolytfilms.
  • In einem Beispiel ist das Elektrolytmaterial ein Lithiumphosphoroxydnitrit. In einigen Ausführungsbeispielen liefert die Unterstützungsquelle Ionen, die Energie in einem Bereich von ungefähr 5 eV bis ungefähr 5000 eV bereitstellen, an das Lithiumphosphoroxydnitrit („LiPON"). Die Steuerung der Energie in den Ionen, die durch die Unterstützungsquelle erzeugt werden, liefert In situ Steuerung für das Wachstum einer Lithiumphosphoroxynitritstruktur an der Stelle. Die Energie von den Ionen unterstützt die Bildung des Lithiumphosphoroxynitritmaterials in eine gewünschte Struktur zum Zeitpunkt des Abscheidens. In einem Ausführungsbeispiel wird das Gas, das zur Bildung der Ionen verwendet wird, verwendet zum Steuern der Stöchiometrie des Wachsens des Elektrolytfilms. Beispielsweise wird ein ionisierter Unterstützungsstrahl aus O2 verwendet, um das Wachstum und die Stöchiometrie des Lithiumphosphoroxynitritmaterials zu steuern. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein ionisierter Unterstützungsstrahl aus N2 verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel steuert N2 nicht nur das Wachstum und die Stöchiometrie des Elektrolytfilms, sondern injiziert auch zusätzlichen Stickstoff in den Elektrolytfilm. Dies ist wünschenswert aufgrund der Abhängigkeit der ionischen Transportfähigkeit eines LiPON Elektrolytfilms von der Stickstoffmenge in dem Film.
  • 2D zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Energiespeichervorrichtung. Die Schritte 251, 253, 257, 261 und 263 sind im Wesentlichen ähnlich zu den oben beschriebenen Schritten unter Bezugnahme auf 2B. Der Schritt 255C ist ein Schritt zum Abscheiden eines Kathodenfilms zumindest teilweise auf den Kathodenkontaktfilm. In einem Ausführungsbeispiel wird der Kathodenfilm wie oben beschrieben unter Bezugnahme auf 2B abgeschieden. In anderen Ausführungsbeispielen wird der Kathodenfilm gemäß anderen Abscheidungsprozessen, die bekannt sind, abgeschieden. Schritt 259D ist ein Schritt zum Abscheiden eines Elektrodenmaterials an einer Stelle zumindest teilweise auf dem Elektrolytfilm, während gleichzeitig energetisierte Partikel an das Elektrodenmaterial geliefert werden. In einem Ausfführungsbeispiel sind die energetisierten Partikel an die gleiche Stelle gerichtet, wie das Elektrodenmaterial. In einem Ausführungsbeispiel sind die energetisierten Partikel energetisierte Ionen. Die energetisierten Ionen enthalten gemäß einem Ausführungsbeispiel ein zweites Material, das von dem ersten Material unterschiedlich ist. Die energetisierten Partikel oder der Ionenstrahl unterstützen die Steuerung des Wachstums der Struktur des Elektrodenmaterials. Schritt 259D wird in einigen Ausführungsbeispielen verwendet, um einen Anodenfilm für eine Festkörper-Dünnfilmbatterie zu verwenden. Der Anodenfilm ist im elektrischen und physikalischen Kontakt mit dem Anodenkontaktfilm und den Elektrolytfilmen.
  • Die Abscheidung des Anodenfilms enthält ein Richten eines Elektrodenmaterials auf eine Stelle zumindest teilweise in Kontakt mit dem Elektrolytfilm, während gleichzeitig energetisierte Partikel eines zweiten Materials geliefert werden. Die energetisierten Partikel liefern Energie an das Elektrodenmaterial, um das Wachstum einer gewünschten Kristallstruktur in dem Anodenfilm zu unterstützen. Darüber hinaus steuert dies die Stöchiometrie des wachsenden Films. In einem Ausführungsbeispiel enthält das Elektrodenmaterial ein Lithium-Interkalationsmaterial, das als Batterieanode verwendet wird. In einem Ausführungsbeispiel enthält die Anode ein Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung. In anderen Ausführungsbeispielen enthält die Anode ein Karbonmaterial, beispielsweise Graphit oder diamantähnlicher Kohlenstoff. In anderen Ausführungsbeispielen enthält eine Anode ein Metalloxid, beispielsweise RuO oder VaO. In anderen Ausführungsbeispielen enthält die Anode ein Nitritmaterial. Eine Sekundärquelle liefert Partikel, die Ionen in einigen Ausführungsbeispielen sind, die Energie in einem Bereich von ungefähr 5 eV bis ungefähr 3000 eV an das Lithium-Interkalationsmaterial liefern. Die Steuerung der Energie in den Ionen, die durch die Sekundärquelle erzeugt wird, liefert In situ eine Steuerung zum Wachstum einer Lithium-Interkalationskristallstruktur an der Stelle. Die Energie von den Ionen unterstützt die Bildung des Lithium-Interkalationsmaterials in eine kristalline Struktur zum Zeitpunkt des Abscheidens. In einem Ausführungsbeispiel wird das Gas, das zur Bildung der Ionen verwendet wird, zur Steuerung der Stöchiometrie des Wachsens des Kristallfilms verwendet.
  • Die kristalline Struktur eines Elektrodendünnfilms, der gemäß den Lehren hier bereitgestellt wird, hat eine höhere Ordnung, als erreicht wird durch herkömmliche Filmbildungstechniken. Herkömmliche Techniken stützen sich auf eine Hochtemperatur-Nachabscheidungserhitzung, die das Substrat und andere Schichten sowie den Film beeinträchtigen, um die Struktur dieses Films neu zu ordnen und zu kristallisieren. Im Gegensatz dazu liefert die vorliegende Erfindung eine gesteuerte Energiequelle zum Zeitpunkt des Abscheidens oder nach dem Abscheiden, die die Oberfläche des Abscheidungsfilms neu ordnet, ohne im Wesentlichen eine Erwärmung der darunterliegenden Schichten oder des Substrats vorzunehmen. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Energie geliefert, während einem Abscheiden jeder atomaren Schicht eines Films, so dass jede atomare Schicht geordnet ist als Kristalle in dem Film. Beispiele derartiger Energiequellen enthalten einen Ionenstrahl, der entweder mit den adsorbierten Atomen, die abgeschieden worden sind und/oder genetische Energie liefert, um die Abscheidung des Films zu unterstützen. Andere Beispiele von Energiequellen enthalten eine hohe Temperatur, Kurzdauerheizquellen, Kurzdauerplasmaquellen, Laser, andere Hochintensitätsphotoquellen, die die Kristallstruktur benachbart zu der Fläche des Films neu ordnen, ohne andere Filme oder das Substrat zu beeinträchtigen. Die stark geordnete kristalline Kathode oder Anode ist wie erwünscht erreicht gemäß den hier beschriebenen Lehren.
  • Während der obige Herstellungsprozess das Bilden des kathoden- und Anodenfilms in einer bestimmten Reihenfolge beschreibt, kehren andere Ausführungsbeispiele die Reihenfolge des Kathodenfilms und des Anodenfilms um. Darüber hinaus beschreibt der Herstellungsprozess das Bilden des Kathoden- und Anodenfilms beispielsweise in einer Batterie. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Kathoden- und Anodenfilme Elektroden einer Batterie. Andere Ausführungsbeispiele enthalten Filme, die verschiedene Schichten von Superkondensatoren bilden. Superkondensatoren arbeiten in diesen Ausführungsbeispielen, wobei mindestens einer der Filme, der den Superkondensator bildet, beispielsweise Elektrodenfilme 71, 75 und Elektrolyt und/oder dielektrischer Film 73, eine verbesserte kristalline Struktur, kristalline Größe oder weniger Defekte haben, ohne ein Hochtemperaturerwärmen der gesamten Struktur, um diese Eigenschaften bereitzustellen. Entsprechend sind die Techniken und Systeme zur Herstellung dünner Filme zur Verwendung in einer Energiespeichervorrichtung, wie hier beschrieben, anwendbar auf Festkörper-Batterien und Festkörper-Kondensatoren.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung auf einem Substrat gebildet. Ein Kontaktfilm, der elektrisch leitend ist und nicht mit einem nachfolgend abgeschiedenen benachbarten Kathodenfilm reagiert, wird auf dem Substrat gebildet. Der Kontaktfilm dient als eine Barriere zwischen dem Substrat und dem Kathodenfilm. Der Kontaktfilm dient weiter als Stromkollektor und als eine Verbindung zwischen dem Kathodenfilm und Schaltungen, die extern zu der Energiespeichervorrichtung sind. In einem Ausführungsbeispiel hat der Kontaktfilm eine Dicke von mehr als 0,3 Micron (0,3 μm).
  • 3A zeigt eine Abscheidevorrichtung 305 enthaltend eine Reaktionskammer 307, in der ein Substrat 309 positioniert wird, auf welchem eine Energiespeichervorrichtung herzustellen ist. Die Reaktionskammer 307 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine abgedichtete Kammer, die Gas zur Reaktion enthält, und die einen subatmosphärischen Druck liefert. In einigen Ausführungsbeispielen ist es wünschenswert, den Druck in der Kammer unter ungefähr 1 × 10–3 Torr (ungefähr 1,3 × 10–6 bar) zu halten. Eine erste Materialquelle 311 wird in der Kammer 307 bereitgestellt. Die erste Quelle 311 erzeugt einen Strahl von adsorbierten Atomen 312 eines ersten Materials, das auf dem Substrat 302 abzuscheiden ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Materialquelle 311 eine physikalische Dampfabscheidequelle. In einem derartigen Ausführungsbeispiel ist die Materialquelle 311 eine e-Strahlquelle. In einem anderen derartigen Ausführungsbeispiel ist die erste Quelle 311 eine Lichtbogenquelle enthaltend beispielsweise eine Kathoden-Lichtbogen-Quelle, eine Anodische-Lichtbogenquelle und eine CAVAD-Lichtbogenquelle. Lichtbogenquellen sind speziell geeignet zur Verwendung als Quelle, da sie wirkungsvoll in einer Kammer arbeiten, die bei niedrigen Temperaturen betrieben wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die erste Quelle 311 eine physikalische Abscheidequelle enthaltend beispielsweise eine Sputterquelle. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Quelle 311 eine chemische Dampfabscheidequelle enthaltend beispielsweise eine Direktionenquelle unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffprekursorgases. Ein Strahl 312 wird auf eine Stelle 319 auf dem Substrat 309 fokussiert, wo das Material des Strahls 312 abzuscheiden ist, um einen Film einer Energiespeichervorrichtung zu bilden. Eine Unterstützungsquelle 313 ist in der Kammer 307 bereitgestellt und erzeugt einen Strahl von energetisierten Partikeln 314, die mindestens benachbart zu der Stelle 319 auf dem Substrat 309 gerichtet werden. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Unterstützungsquelle eine energetisierte Ionenerzeugungsquelle. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Unterstützungsquelle 313 von der ersten Quelle 311 derart versetzt, dass die Strahlen von diesen Quellen nicht zusammenfallen. Der energetisierte Partikelstrahl 314 liefert die Energie, die notwendig ist zum Steuern des Wachstums und der Stöchiometrie des Materials in dem ersten Strahl 312 in eine kristalline Struktur auf dem Substrat 309, wie hier detaillierter beschrieben wird. In einem Ausführungsbeispiel führt der energetisierte Partikelstrahl 314 auch Elemente, die erforderlich sind in dem Film, der abzuscheiden ist. In anderen Ausführungsbeispielen wird der Strahl 314 mindestens nahe zu der Stelle 319 gerichtet, derart, dass ausreichend Energie bereitgestellt wird zum Bilden der gewünschten Kristallstruktur und Stöchiometrie des Films, der abzuscheiden ist, welche Energie geliefert wird durch den Strahl 314 zu dem Material in dem ersten Strahl 312. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das Abscheidungssystem 304 mindestens eine zusätzliche Unterstützungsquelle 313A. In einigen Ausführungsbeispielen liefert jede der Quellen 313A einen zusätzlichen Unterstützungsstrahl 314A, der Energie liefert, für ankommende adsorbierende Atome an dem Substrat. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Unterstützungsstrahlen 314 werden im Folgenden beschrieben.
  • 3B zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Abscheidevorrichtung 305. Die Unterstützungsquelle 313 erzeugt einen Energiestrahl 314, der entlang eines Pfads läuft, der im Wesentlichen lotrecht zu dem Substrat 319 ist. Die Quelle des Materials 311, das abzuscheiden ist, ist von der Unterstützungsquelle 313 versetzt. In einigen Ausführungsbeispielen erzeugt die Quelle 311 einen Strahl von adsorbierenden Atomen 312, die entlang eines Pfads verlaufen, der nicht lotrecht zu dem Substrat 319 ist. Die Strahlquelle liefert Energie an die adsorbierenden Atome von dem Strahl 312, wie hier beschrieben.
  • 4 zeigt eine Ansicht im Wesentlichen ähnlich zur 3A, ausgenommen, dass die Abscheidevorrichtung 405 eine Unterstützungsquelle 413 enthält, zum Erzeugen eines energetisierten Strahls, der schwenkbar an einer Kammer montiert ist, die in der Kammer 307 fixiert ist. Die Unterstützungsquelle 313 schwenkt, um den energetisierten Partikelstrahl 414 und einem gewünschten Aufprallwinkel zu der Oberfläche des Substrats 309 zu richten. In einem Ausführungsbeispiel ist der Aufprallwinkel in dem Bereich von ungefähr 15 Grad bis ungefähr 70 Grad von der Normalen zu dem Substrat. Entsprechend ist in einigen Ausführungsbeispielen der Aufprallwinkel variabel. In einem Ausführungsbeispiel ist der Aufprallwinkel ungefähr 45 Grad. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das Abscheidesystem 405 mindestens eine zusätzliche Unterstützungsquelle 413A. In einigen Ausführungsbeispielen liefert jede der Quellen 413A einen zusätzlichen Unterstützungsstrahl 414A, der Energie liefert an die ankommenden adsorbierenden Atome an dem Substrat. In einigen Ausführungsbeispielen unterscheidet sich die Energie, die durch den Unterstützungsstrahl 414 geliefert wird, von Energie, die durch mindestens einen der Unterstützungsstrahlen 414A geliefert wird. In einigen Ausführungsbeispielen benötigt der Unterstützungsstrahl 414 und 414A nicht gleichzeitig Sendeenergie an die adsorbierenden Atome. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Mittel, durch die die Strahlen 414 und 414A Energie senden, verschieden. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Material in den Strahlen 414 und 414A verschieden.
  • 5A zeigt eine Ansicht, die im Wesentlichen ähnlich ist zu der gemäß 3, ausgenommen, dass die Abscheidevorrichtung 305 eine Mehrzahl von ersten Abscheidequellen 511 enthält. Gemäß einem Ausführungsbeispiel richtet jede der ersten Abscheidequellen 511 ihren jeweiligen Strahl 512 an die Stelle 319 auf dem Substrat 309. In einigen Ausführungsbeispielen erzeugt jede der ersten Quellen 511 einen Strahl 512, enthaltend das gleiche Material. In anderen Ausführungsbeispielen erzeugt mindestens eine der ersten Quellen 511 einen Strahl 512 aus einem Material, das verschieden ist von dem der anderen der ersten Quellen 511. In einigen Ausführungsbeispielen kombinieren sich die Materialien von der Mehrzahl von ersten Strahlen 512 an der Stelle 319, um den gewünschten Film zu bilden. In einigen Ausführungsbeispielen kombinieren sich die Materialien in den ersten Strahlen 512 mit dem Material von dem Unterstützungsstrahl 314, um den gewünschten Film zu bilden. In einem Beispiel richtet eine der ersten Quellen 511 ihren Strahl 512 auf das Substrat 319, aber weg von der Stelle 319. In einigen Ausführungsbeispielen liefert eine Mehrzahl von Unterstützungsquellen 313 Energie an die adsorbierenden Atome der Strahlen 512.
  • 5B zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Abscheidevorrichtung 505B. Eine Mehrzahl von Unterstützungsquellen, Hilfsquellen oder Förderquellen (Englisch: assist sources) 313 ist positioniert oder ausgerichtet (Englisch: positioned), Energie zu liefern, um einen Film auf dem Substrat 319 zu bilden. Eine Mehrzahl von Materialquellen 511A, 511B und 511C liefern Material an die Kammer 307 und benachbart zu der Oberfläche des Substrats 319. In einigen Ausführungsbeispielen liefert jede der Materialquellen 511A, 511B und 511C das gleiche Material, und haben folglich die Fähigkeit, eine größere Menge zu liefern, als eine der Quellen alleine. In einigen Ausführungsbeispielen liefert mindestens eine der Materialquellen 511A, 511B und 511C ein Material, das von den anderen Materialquellen verschieden ist. In einigen Ausführungsbeispielen reagieren diese unterschiedlichen Materialien in der Kammer 307, um das adsorbierende Atommaterial zu erzeugen, das einen Film auf dem Substrat 319 bilden wird. In einigen Ausführungsbeispielen liefert mindestens eine der Materialquellen 511A, 511B und 511C ein Prekursormaterial in die Kammer 307 und eine andere der Materialquellen liefert ein Reaktionsmaterial in die Kammer. Das Prekursor- und Reaktionsmaterial reagieren zusammen, um das Material zu bilden, das den Film bilden wird. In einigen Ausführungsbeispielen enthält mindestens eine der Materialquellen 511A, 511B und 511C einen chemischen Reaktor, in dem Chemikalien reagieren. Diese Quelle injiziert dann das resultierende Material in die Kammer. Das resultierende Material ist in dem Filmherstellungsprozess enthalten.
  • 6 ist eine Ansicht, die im Wesen ähnlich zu 5A ist, ausgenommen, dass die Abscheidevorrichtung 605 eine Mehrzahl von ersten Abscheidequellen 511 und eine schwenkbare Unterstützungsquelle 413 enthält. In einigen Ausführungsbeispielen liefert dies mehr Material an eine gegebene Abscheidestelle. In einigen Ausführungsbeispielen liefert dies eine Abscheidung an mehreren Stellen. In noch anderen Ausführungsbeispielen erlaubt dies eine Kombination unterschiedlicher Materialien von unterschiedlichen Quellen.
  • 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Abscheidevorrichtung 705 gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung. Die Abscheidevorrichtung 705 enthält eine Reaktionskammer 707, in der ein längliches flexibles Substrat 709 positioniert ist, auf welchem eine Energiespeichervorrichtung herzustellen ist. Das Substrat 709 wird von einer Quellenrolle 710 über eine gebogene Thermalsteuerfläche oder eine thermische Kontrolloberfläche (Englisch: thermal control surface) 715 zugeführt und durch eine Endrolle 713 aufgenommen. Eine erste Materialquelle 719 ist in der Kammer 707 bereitgestellt und eine physikalische Abscheidequelle. Eine erste Quelle 711 erzeugt einen Strahl von adsorbierten Atomen 712 eines Materials, das auf dem Substrat 709 abzuscheiden ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Quelle 711 eine Lichtbogenquelle, enthaltend beispielsweise eine kathodische Lichtbogenquelle, eine anodische Lichtbogenquelle und eine CAVAD-Lichtbogenquelle. In einigen Ausführungsbeispielen ist die erste Quelle 711 eine physikalische Dampfabscheidequelle enthaltend beispielsweise eine Sputterquelle. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Quelle 711 eine chemische Dampfabscheidequelle. Darüber hinaus stellt die Quelle 711 in einigen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von unterschiedlichen Materialquellen dar. Der Strahl 712 wird an eine Stelle 719 auf dem Substrat 709 fokussiert, wo die adsorbierenden Atome in dem Strahl abgeschieden werden, um eine Filmschicht einer Energiespeichervorrichtung zu bilden. Eine Unterstützungsquelle 713 ist in der Kammer 707 bereitgestellt und erzeugt einen Strahl von energetisierten Partikeln 714, die an das Substrat 709 gerichtet werden. In einem Ausführungsbeispiel erzeugt der Unterstützungsstrahl 713 einen Strahl von energetisierten Ionen 714. Der energetisierte Partikelstrahl 714 liefert Energie, die erforderlich ist zum Strahlen des Wachstums und der Stöchiometrie des abgeschiedenen Materials des ersten Strahl 712. Folglich wird die kristalline Struktur auf dem Substrat 709 gebildet, wie hier genauer erklärt. Das Substrat 709 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Elastomer, Polymer oder Kunststoffgewebe oder Blatt bzw. Folie oder Schicht (Englisch: sheet), auf welcher die Energiespeichervorrichtung hergestellt wird. Das Substrat 709 ist länglich, was eine Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen erlaubt, die an nachfolgenden Stellen des Substrats abzuscheiden sind, wodurch die Rate der Energievorrichtungserzeugung verbessert wird. Darüber hinaus sind eine Mehrzahl von Abscheidevorrichtungen 705 oder Quellen 711 in einigen Ausführungsbeispielen bereitgestellt, um gleichzeitig eine Mehrzahl von Filmen an unterschiedlichen Stellen auf dem Substrat 709 abzuscheiden.
  • Die Thermalsteuerfläche 715 ist mit einer Thermalquelle oder thermischen Quelle (Englisch: thermal source) 725 verbunden, die die Temperatur der Oberfläche 715 steuert. Das Substrat 709 ist in einem thermodynamischen Kontakt mit der Oberfläche 715, um dadurch die Temperatur des Substrats zu steuern, wie es für einen bestimmten Abscheideprozess auf einem bestimmten Substrat notwendig ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Thermalquelle eine Kühlquelle, beispielsweise eine Tieftemperaturvakuumpumpe oder kryogenische Vakuumpumpe (Englisch: cryogenic vacuum pump), die komprimiertes Helium freigibt in Richtung Oberfläche 715, um diese zu kühlen. Die Verwendung der thermisch gesteuerten Fläche 715 in direktem Kontakt mit dem Substrat 709, speziell wenn der direkte Kontakt ausgerichtet oder zusammenfällt mit der Stelle, an der ein Dünnfilm gebildet werden soll, erlaubt die Verwendung von Substraten, die niedrigere thermische Degradationstemperaturen haben, als möglich ist, wenn herkömmliche Festkörper-Dünnfilmbatterieherstellungsprozesse verwendet werden.
  • Das Obige liefert Beschreibungen für verschiedene Ausführungsbeispiele von Systemen, in welchen die vorliegende Erfindung durchgeführt wird, um Energiespeichervorrichtungen oder Energieumwandlungsvorrichtungen zu erzeugen. Es ist innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung Elemente des Systems in unterschiedlichen Art und Weisen, als gezeigt und beschrieben, zu kombinieren, solange die hier beschriebenen Verfahren mit einem derartigen System durchführbar sind. Beispielsweise können in einigen Ausführungsbeispielen das flexible Substrat 709 und die Rollen 710, 713 mit irgendeinem der Ausführungsbeispiele gemäß den 3A–6 kombiniert werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Thermalquelle 725 auch kombinierbar sein mit irgendeinem der Ausführungsbeispiele gemäß den 3A–6. In einigen Ausführungsbeispielen werden die schwenkbaren Unterstützungsquellen 413 mit irgendeinem der Ausführungsbeispiele gemäß den 3A, 3B, 5A, 5B und 7 kombiniert. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Materialquellen 511A, 511B und 511C mit Ausführungsbeispielen gemäß den 3A–5A und 6–7 kombinierbar.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Elektrodenfilm, beispielsweise die Filme 59 oder 71 aus einem Lithium-Interkalationsmaterial, das mindestens einen Teil des ersten Films überlagert, beispielsweise Kontaktfilme 57 oder 63, aber nicht jenseits der Grenzen des ersten Films verläuft. Folglich bleibt der zweite Interkalationsfilm in einem festen Zustand während des Entladens und Ladens der Energiespeichervorrichtung. In einigen Ausführungsbeispielen wird der zweite Film abgeschieden unter Verwendung der ersten Abscheidequelle gleichzeitig mit der zweiten Quelle, die energetisierte Ionen liefert an den wachsenden zweiten Film. In einigen Ausführungsbeispielen ist die erste Abscheidequelle eine physikalische Dampfabscheidequelle. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Sekundärquelle eine Ionenquelle, die energetisierte Ionen von einem Quellengas liefert, enthaltend Sauerstoff (beispielsweise O2) oder Stickstoff (beispielsweise N2). Das Quellengas enthält in anderen Ausführungsbeispielen ein Edelgas, beispielsweise Argon, Xenon, Helium, Neon oder Krypton. Das Quellengas enthält gemäß noch anderen Ausführungsbeispielen ein Hydrokarbonmaterial, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoffprekursor. Die Auswahl des Sekundärquellengases basiert auf dem gewünschten Effekt für die Stöchiometrie des abgeschiedenen Films. Die Sekundärquelle liefert gemäß einem Ausführungsbeispiel einen fokussierten Strahl von energetisierten Ionen. Die Sekundärquelle liefert in einem Ausführungsbeispiel einen nicht fokussierten Strahl von energetisierten Ionen. Die energetisierten Ionen liefern Energie an das Lithium-Interkalationsmaterial in dem Bereich von ungefähr 5 eV bis ungefähr 3000 eV. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Energiebereich ungefähr zwischen 5 eV und ungefähr 1000 eV. Der Energiebereich in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ungefähr zwischen 10 eV und ungefähr 500 eV. Der Energiebereich in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ungefähr 30 eV bis ungefähr 300 eV. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich in dem Bereich von ungefähr 60 eV bis 150 eV. In anderen Ausführungsbeispielen ist der Energiebereich ungefähr 140 eV. In einem Ausführungsbeispiel hat der zweite Film eine Dicke größer als 10 μm. In einem Ausführungsbeispiel hat der zweite Film eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 10 bis 20 μm. In einem Ausführungsbeispiel hat der zweite Film eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 1 bis 5 μm.
  • Ein dritter Elektrolytfilm, beispielsweise die Filme 61, 61C oder 73, die eine ionische Transportqualität haben, aber nicht elektrisch leitend sind (ein Elektrolyt) wird abgeschieden, um den zweiten abgeschiedenen Film vollständig zu überlagern. In einem Ausführungsbeispiel wird der dritte Film abgeschieden unter Verwendung einer ersten Abscheidequelle und einer Sekundärquelle, die energetisierte Ionen für das Wachsen des Films liefert. In einigen Ausführungsbeispielen ist die erste Abscheidungsquelle eine physikalische Dampfabscheidungsquelle. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Sekundärquelle eine Ionenquelle mit der Fähigkeit zum Liefern von energetisierten Ionen mit einer Energie größer als 5 eV. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich ungefähr zwischen 5 eV und 3000 eV. In einem Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich ungefähr zwischen 5 eV und ungefähr 1000 eV. Der Energiebereich in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ungefähr zwischen 10 eV bis ungefähr 500 eV. Der Energiebereich in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ungefähr 30 eV bis ungefähr 300 eV. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich in dem Bereich von ungefähr 60 eV bis ungefähr 150 eV. In einem anderen Ausführungsbeispiel liegt die Energie der Ionen von der Sekundärquelle bei ungefähr 140 eV. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Sekundärquelle Sauerstoff (beispielsweise O2) oder Stickstoff (beispielsweise N2) Gas. Das Sekundärquellengas enthält in einem anderen Ausführungsbeispiel ein Edelgas, beispielsweise Argon, Xenon, Helium, Neon und Krypton. Das Sekundärquellengas enthält in einem anderen Ausführungsbeispiel ein Kohlenwasserstoffmaterial, beispielsweise Kohlenwasserstoffprekursor. Die Auswahl des Sekundärquellengases basiert auf dem gewünschten Effekt bezüglich Stöchiometrie des abgeschiedenen Films. Die Sekundärquelle liefert in einem Ausführungsbeispiel einen fokussierten Strahl von energetisierten Ionen. Die Sekundärquelle liefert in einem Ausführungsbeispiel einen nicht fokussierten Strahl von energetisierten Ionen. Es ist wünschenswert die dritte Elektrolytschicht so dünn wie möglich zu bilden und zu verhindern, dass die Kathodenschicht und die Anodenschicht kurzgeschlossen werden. In einem Ausführungsbeispiel hat der dritte Film eine Dicke von weniger als 1 Mikron. In einem anderen Ausführungsbeispiel hat der dritte Film eine Dicke von weniger als 5000 Angström (500 nm). In einem anderen Ausführungsbeispiel hat der dritte Film eine Dicke von weniger als 1000 Angström (100 nm). In einem anderen Ausführungsbeispiel hat der dritte Film einen Bereich von ungefähr 10 Angström (1 nm). In einem anderen Ausführungsbeispiel hat der dritte Film einen Bereich von ungefähr 100 Angström (10 nm).
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel wird der dritte Film aufgebracht (abgeschieden) unter Verwendung einer ersten Quelle, die energetisierte Ionen (5 bis 3000 eV) an eine Materialquelle (Ziel) unter einem Aufprallwinkel von 15 bis 70 Grad liefert, und einer zweiten Quelle, die energetisierte Ionen an den wachsenden Film liefert. Die erste Abscheidequelle enthält einen Strahl von fokussierten energetisierten Ionen von einem Quellengas. Das Quellengas enthält eines der hier beschriebenen Quellengase.
  • Ein vierter Anodenfilm, beispielsweise Film 65 oder 75, enthält von einem Lithium-Interkalationsmaterial, das darauf abgeschieden ist, und den dritten Film überlagert, aber nicht den ersten Film (Barriere) oder zweiten Film (Kathode) kontaktiert. In einem Ausführungsbeispiel wird der vierte Film abgeschieden unter Verwendung einer ersten Abscheidequelle gleichzeitig mit einer Sekundärquelle, die energetisierte Ionen an den vierten wachsenden Film liefert. In einigen Ausführungsbeispielen ist die erste Abscheidequelle eine physikalische Dampfabscheidequelle. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Sekundärquelle eine Ionenquelle, die energetisierte Ionen von einem Quellengas liefert, das Sauerstoff (beispielsweise O2) oder Stickstoff (beispielsweise N2) enthält. Das Quellengas enthält in anderen Ausführungsbeispielen ein Edelgas, beispielsweise Argon, Xenon, Helium, Neon und Krypton. Das Quellengas enthält in einem anderen Ausführungsbeispiel ein Kohlenwasserstoffmaterial, beispielsweise Kohlenwasserstoffprekursor. Die Auswahl des Sekundärquellengases basiert auf dem gewünschten Effekt bezüglich Stöchiometrie des abgeschiedenen Films. Die Sekundärquelle liefert in einem Ausführungsbeispiel einen fokussierten Strahl von energetisierten Ionen. Die Sekundärquelle liefert in einem anderen Ausführungsbeispiel einen nicht fokussierten Strahl von energetisierten Ionen. Die energetisierten Ionen liefern Energie an das Lithium-Interkalationsmaterial in dem Bereich von ungefähr 5 eV bis ungefähr 3000 eV. In einem Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich zwischen ungefähr 5 eV bis ungefähr 1000 eV. Der Energiebereich in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ungefähr zwischen 10 eV bis ungefähr 500 eV. Der Energiebereich in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ungefähr 30 eV bis ungefähr 00 eV. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich in dem Bereich von ungefähr 60 eV bis ungefähr 150 eV. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich der Ionen von der Sekundärquelle ungefähr bei 140 eV. In einem anderen Ausführungsbeispiel hat der vierte Film eine Dicke von mehr als 10 μm. In einem Ausführungsbeispiel hat der vierte Film eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 10 bis 40 μm.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel wird der vierte Film abgeschieden durch eine Plasmazerlegung von Kohlenwasserstoffprekursor(en) an der Oberfläche des Substrats, wodurch die Lithium-Interkalationsanode gebildet wird. In einigen Ausführungsbeispielen wird das Abscheiden durchgeführt durch plasmaverbessertes CVD unter Verwendung von Kohlenwasserstoffprekursoren. In einem Ausführungsbeispiel enthält das Abscheiden Dotierstoffe, wie N2. In einem Ausführungsbeispiel liefert eine Sekundärquelle energetisierte Ionen, um beim Abscheiden des vierten Films zu unterstützen. Die energetisierten Ionen liefern Energie in dem Bereich, wie hier beschrieben. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Sekundärquelle die gleiche wie irgendeine hier beschriebene.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der vierte Anodenfilm abgeschieden durch direkte Ionenstrahlabscheidung von Lithium-Interkalationsmaterial unter Verwendung von Kohlenwasserstoffprekursoren. Die erste Abscheidequelle liefert einen Strahl von fokussierten energetisierten Ionen (5 bis 3000 eV) von einem Quellgaskohlenwasserstoffprekursor, der auf das Zielmaterial gerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel liefert die Sekundärquelle energetisierte Ionen, um das Wachsen des vierten Films zu unterstützen und ist hier im Folgenden als Sekundärquelle beschrieben.
  • Ein fünfter Kontaktfilm, beispielsweise 65 oder 77, der elektrisch leitend ist und nicht mit dem vierten Film reagiert, wird im Kontakt gebildet mit mindestens einem Teil des vierten Films. Der vierte Film kontaktiert nicht den zweiten Film (Kathode). In einem Ausführungsbeispiel hat der fünfte Film eine Dicke von mehr als 0,5 μm. Der fünfte Film dient als Anodenstromkollektor zum Kontakt mit einer externen Schaltung.
  • In einigen Ausführungsbeispielen überlagert ein sechster Passivierungsfilm 79, der elektrisch nicht leitend ist und chemisch inert ist, im Wesentlichen die Energiespeichervorrichtung, die bisher gebildet wurde, also den zweiten, dritten und vierten Film, so dass diese gepackt und frei von Umgebungsverunreinigungen sind, die mit diesen Filmen reagieren können, und die Leistungsfähigkeit der Energiespeichervorrichtung verschlechtern. Umgebungskontaminate können ferner Herstellungsmaterialien für Vorrichtungen enthalten mit der Energiespeichervorrichtung, die damit integriert wird. In einigen Ausführungsbeispielen sind der erste und fünfte Kontaktfilm teilweise außerhalb des sechsten Films freigelegt zur Verbindung mit der Schaltung außerhalb der Energiespeichervorrichtung.
  • Das Substrat 55, 309 oder 709, auf dem die Filme, die hier beschrieben sind, abgeschieden werden, enthält irgendein Material, das in der Lage ist, einen Dünnfilm zu tragen und dem hier beschriebenen Abscheideprozess standzuhalten. In einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat aus einem Material gebildet mit einer Temperatur, bei der es beginnt sich zu verschlechtern aufgrund der thermischen Effekte von weniger als 700°C. Ein weiteres Ausführungsbeispiel enthält ein Substrat, das eine derartige Temperatur hat, bei der es eine thermische Verschlechterung von weniger als oder gleich ungefähr 300°C erfährt. Die thermische Gradation des Substrats enthält einen Formverlust des Substrats, einen Festigkeitsverlust des Substrats, um die Energiespeichervorrichtung zu tragen, einen chemischen Zusammenbruch des Substrats, Querverbindungen der Materialien auf dem Substrat und/oder Filme, Schmelzen und Verbrennen. Beispiele von Substraten enthalten Siliziumwafer und Siliziumaufisolierstrukturen. Andere Beispiele von Substratmaterialien enthalten Metalle, auf denen eine Isolatorschicht gebildet ist, vor der Bildung der Energiespeichervorrichtung, wie hier beschrieben. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Metall als ein Kontakt dienen für die Energiespeichervorrichtung mit den Isolatorschichten, die elektrisch den Elektrolytfilm, den Anodenfilm und den Anodenkontakt von dem Metallsubstrat trennen. Beispiele von anderen Materialien, die eine niedrige Degradationstemperatur haben, die geeignet sind zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung, wie sie hier offenbart ist, enthalten Papier, Stoffe oder Textilgewebe (Englisch: fabrics) (natürliche und synthetische), Polymere, Plastik, Glas und Keramik.
  • Das Substrat 55, 309 oder 709 hat eine Form, die anwendbar ist für den Typ der Vorrichtung, die zur Herstellung der Energiespeichervorrichtung gemäß den erfindungsgemäßen Lehren verwendet wird. Ein Beispiel der Substratform ist ein Halbleiterwafer. Andere Formen des Substrats enthalten längliche Zellen, Gewebe, Folien und Blätter. Es ist innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung ein Substrat mit einer ausreichenden Größe zu liefern, auf dem eine Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen und/oder eine Mehrzahl von Energieumwandlungsvorrichtung hergestellt werden können.
  • Ein Ausführungsbeispiel des Substrats 55, 309 oder 709 enthält ein Substrat, das sein Stützcharakteristiken hält, während einer in situ Temperaturbehandlung. In der In situ Temperaturbehandlung wird das Substrat eng in Kontakt gebracht mit einer thermisch gesteuerten Fläche, beispielsweise die Fläche 715. In einem Ausführungsbeispiel ist die thermisch gesteuerte Fläche eine gekühlte Fläche, so dass die Wärme, die zu dem Abscheiden irgendeines Films, wie hier beschrieben wurde, gehört, thermisch ausgeglichen wird, um nicht das Substrat thermisch zu verschlechtern oder irgendein anderes Strukturelement, das vorher auf dem Substrat gebildet wurde. In einigen Ausführungsbeispielen werden Substrate mit niedriger thermischer Degradationstemperatur verwendet, beispielsweise mit geringen Schmelzpunkten oder geringen Verbrennungstemperaturen, als Substrate in den gegenwärtigen Herstellungsverfahren. Beispielsweise enthalten Substrate Keramik, Glas, Polymer, Plastik und papierbasierte Materialien. In einem Ausführungsbeispiel gemäß den hier gegebenen Lehren ist das Substrat ein Plastik oder Metallsubstrat, auf dem eine Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen abgeschieden ist. Das Substrat wird dann geteilt in unterschiedliche „Dies", die mindestens eine Energiespeichervorrichtung darauf enthalten. Die Dies können dann bearbeitet werden, beispielsweise kalt bearbeitet, in eine gewünschte Form, wie durch die Energiespeichervorrichtungsanwendung vorgegeben.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist das Substrat aus einem flexiblen Material gebildet, beispielsweise das Substrat 709. Das flexible Substrat ist in eine längliche Rolle gebildet, die veranlasst wird über ein gekrümmtes Objekt zu verlaufen, was das Material dazu zwingt, in engen Kontakt mit der Oberfläche des gekrümmten Objekts zu kommen. Das gekrümmte Objekt ist eine thermisch gesteuerte Vorrichtung (beispielsweise die Vorrichtung 725, wie in 7 gezeigt), um die Temperatur des Substrats zu steuern und die Wärmewirkung, die auf dem Substrat und den darauf befindlichen Filmen während des Abscheidens erzeugt wird, auszugleichen. Beispielsweise ist das Objekt hohl und von der Umgebung des Abscheidegefäßes abgedichtet. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Hohlraum mit einem Kühlmittel gefüllt, beispielsweise Tieftemperaturgas, wie Gas, das gewonnen wird von LN2 oder Flüssighelium, wobei das Kühlmittel konstant wiederaufbereitet wird. Ein Bereich des engen Kontakts zwischen dem Substrat und dem Objekt stimmt überein und ist gegenüber der Stelle des Materialaufpralls auf das Substrat von der Abscheidequelle. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittel gekühltes Wasser, das konstant zugeführt wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das gekrümmte Objekt thermisch gesteuert durch eine elektrothermische Kühlvorrichtung. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das gekrümmte Objekt eine Trommel, die entweder stationär oder drehbar um ihre Achse in Richtung Substratbewegung ist.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Substrat 55 oder 309 aus einem Streifen aus einem starren Material gebildet. Das starre Substrat ist gebildet, um über die gekühlte thermische gesteuerte Oberfläche zu verlaufen. Beispiele von der gekühlten Oberfläche sind hier beschrieben. Ein derartiges Beispiel ist eine gekühlte Oberfläche, die gekühlt ist durch ein Tieftemperaturfluid wie flüssiges N2 oder flüssiges Helium in eine Passage innerhalb des Körpers des Objekts mit der Oberfläche, aber abgedichtet von der Umgebung der Abscheidekammer. Andere Kühlmittelquellen enthalten gekühltes Wasser, cryogenisches Gas oder Tieftemperaturgas (Englisch: cryogenic gas) und elektrothermische Vorrichtungen.
  • 8 zeigt eine Photovoltaikzelle 800, beispielsweise eine Solarzelle, die eine transparente Elektrode 810 enthält. Die transparente Elektrode 810 enthält einen transparenten Trägerfilm 820 und einen transparenten elektrisch leitfähigen Film 830, der auf dem Film 820 gebildet ist. Beispiele des Trägerfilms 820 enthalten Glas und transparente Kunststoffe. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der leitende Film 830 Indiumzinnoxid oder Zinnoxid. In der Verwendung tritt Licht 890 in die Solarzelle 800 durch die transparente Elektrode 810 ein. In einigen Verwendungen der Ausführungsbeispiele ist das Licht 890 Solarlicht. Ein erster Halbleiterfilm 840 ist in Kontakt mit der transparenten Elektrode 810 positioniert. Ein zweiter Halbleiterfilm 860 ist in Kontakt mit dem ersten Halbleiterfilm 840 positioniert, wodurch ein Halbleiterübergang 850 gebildet wird. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Halbleiterfilm 860 eine hochdotierte Bulkregion 862 und eine qualitativ hochwertige Region 863 benachbart zu dem ersten Halbleiterfilm 840. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Übergang gebildet durch den ersten Halbleiterfilm 840 und die Region 863. Ein elektrischer Kontaktfilm 870 kontaktiert den zweiten Halbleiterfilm 860. Erste und zweite leitende Leitungen 880 kontaktieren jeweils den transparenten elektrisch leitfähigen Film 830 und den elektrischen Kontaktfilm 870, um Energie von der Zelle wegzutransportieren.
  • In einigen Ausführungsbeispielen sind die Materialien und Zusammensetzungen der photovoltaischen Zelle 800 aus herkömmlichen CdS/CdTe-Materialien, wie beispielsweise beschrieben in US 4,207,119 , auf die hier Bezug genommen wird; mit der zusätzlichen Verarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung, um die Oberfläche (beispielsweise durch ionenunterstützten Strahl) der Filme zu erwärmen und zu behandeln. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Zusammensetzungen, die verwendet werden, wie in den folgenden Publikationen beschrieben: R. W. Birkmire et al, „Polycryistalline Thin-film Solar Cells: Present Status And Future Potential" Annu. Rev. Mater. Ssce. 1997.27:625-653 (1997); T. L. Chu et al, „13,4 % Efficient Thin-Film CdS/CdTe Solar Cells", J. Appl. Phys. 70 (12) 15. Dezember 1991; T. Yoshida „Photovoltaic Properties Of Screen-Printed CdTe/CdS Solarcells On Indium-Tin Oxid Coated Glass Substrates", J. Electrochem. Soc., Ausgabe 142, Nr. 9 (September 1995); T. Aramoto et al, „16 % Efficient Thin-Film CdS/CdTe Solar Cells" Jpn. J. Appl. Phys. Ausgabe 36, Seiten 6304-6305 (Oktober 1997); R. B. King, ed „Encyclopedia Of Inorganic Chemistry" Ausgabe 3, Seiten 1556-1602, John Wiley & Sons Ltd. (1994).
  • Die Kurzbeschreibung des Betriebs einer heteroübergangs-photovoltaischen Solarzelle, die folgt, dient zur Verdeutlichung, wie die Methodologie der vorliegenden Erfindung angewendet wird auf die Herstellung von heteroübergangs-photovoltaischen Solarzellen. Man glaubt, dass die vorliegende Erfindung ein Mittel liefert und Verfahren zur Herstellung photovoltaischer Zellen mit hervorragender Effizienz.
  • In einer heteroübergangs-photovoltaischen Zelle werden die Halbleiterfilme aus verschiedenen Materialien hergestellt. Für das Gleichrichten des Übergangs müssen die Halbleiterfilme auch unterschiedliche Typen haben, also p- oder n-Typ. Der Übergang zwischen den zwei Halbleiterfilmen ist sowohl ein pn-Übergang als ein Heteroübergang. Der erste Halbleiterfilm, auf welchen Solarlicht einfällt, hat eine Bandlücke höher als die des zweiten Halbleiterfilms. Die Bandlücke eines Halbleiters ist eine Energieseparation zwischen dem Halbleitervalanzband und dem Leitungsband. Die Bandlücke des ersten Halbleiterfilms wird derart gewählt, dass sie Licht der Kurzwellenregion des Solarspektrums entspricht. Photonen von Licht mit Energie äquivalent zu oder größer als die Bandlücke des ersten Halbleiterfilms werden stark absorbiert, aber Photonen von Licht von Energie kleiner als die Bandlücke des ersten Halbleiters verlaufen durch den ersten Halbleiter und treten in den zweiten Halbleiterfilm ein. Beispiele von Materialien, die für den ersten Halbleiterfilm verwendet werden, enthalten CdS, ZnS, CdZnS, CdO, ZnO, CdZnO oder andere Breitbandlückenhalbleiter, wie SiC, GaN, InGaN und AlGaN. Der zweite Halbleiterfilm wird aus Materialien ausgewählt, die Bandlücken haben, die gut zu langen Wellenlängen von Solare Strahlung entsprechen. Materialien, wie CdTe, CuInSe2, InP, GaAs, InGaAs, InGaP und Si sind Beispiele von Materialien für den zweiten Halbleiterfilm.
  • Ein „eingebautes" elektrisches Feld existiert an dem Übergang zwischen den zwei Halbleiterfilmen aufgrund der Migration der Majoritätsträger oder auf Grund der Wanderung der Mehrheit der Ladungsträger (Englisch: due to the migration of majority carriers) von einem Halbleitertyp in den anderen. Die Elektronen von dem n-Typ Halbleiter migrieren also in den p-Typ Halbleiter, wodurch eine positive Nettoladung auf der n-Halbleiterseite des Übergangs entsteht. Das Umgekehrte passiert für den p-Typ Halbleiter. Löcher von dem p-Typ Halbleiter migrieren in den n-Typ Halbleiter, wodurch eine negative Nettoladung auf der p-Halbleiterseite des Übergangs verbleibt. Die Absorption eines Photons in einem der Halbleiterfilme 840, 860 resultiert in der Erzeugung eines Elektrons und eines Lochs. Wenn das Photon in der Umgebung des pn-Übergangs absorbiert wird, trennt das eingebaute elektrische Feld die zwei Träger in entgegengesetzte Richtungen, Elektronen werden zu dem n-Typ Material getrieben und Löcher werden zu dem p-Typ Film getrieben. Die getrennten Ladungen resultieren in einer Potentialdifferenz zwischen den zwei Halbleiterfilmen 840, 860. Diese Potentialdifferenz wird verwendet, um den Strom durch eine externe Schaltung zu treiben, wodurch Solarenergie (Photonen) in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines heteroübergang-photovoltaischen Solarzelle ist ein n-Typ polykristalliner CdS Film als erster Halbleiterfilm 840 und ein p-Typ polykristalliner CdTe Film als zweiter Halbleiterfilm 860. CdS hat eine Bandlücke von 2,43 eV, was 510 nm entspricht. CdTe hat eine Bandlücke von 1,44 eV, was 860 nm entspricht. Solare Strahlung kürzer als 860 nm und länger als 510 nm wird in dem p-Typ CdTe Halbleiterfilm 860 absorbiert. Jedes absorbierte Photon erzeugt ein Elektronenlochpaar. Wenn der Minoritätsträger, das Elektron im p-Typ CdTe, eine Lebensdauer ausreichend lang hat, so dass es zu dem pn-Übergang driften kann und über den Übergang zu dem n-Typ CdS Film gelangt, trägt das absorbierte Photon zu dem Solarzellenphotostrom bei. Die Minoritätsträgerlebensdauer in dem p-Typ CdTe ist lange, was eine hohe Quantumeffizienz zur Folge hat (Anzahl an Elektronen, die pro Anzahl an Photonen, die bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert werden, erzeugt wird (von ungefähr 90 % zwischen 860 nm und 510 nm)). Die meisten Photonen, die in dem CdTe Film absorbiert werden, tragen zu dem Solarzellenphotostrom bei.
  • Das Solarlicht bei Wellenlängen kürzer als 510 nm wird absorbiert in den n-Typ CdS Film und erzeugt ein Elektronenlochpaar. Minoritätsträger in dem n-Typ CdS Löcher haben kurze Lebensdauern. Die meisten photoerzeugten Löcher rekombinieren sich mit Elektronen in dem n-Typ CdS Film, bevor sie über den Übergang zu dem p-Typ CdTe Film gelangen. Rekombinierte Elektronenlöcherpaare tragen nicht zum Solarzellenphotostrom bei. Die Erzeugung von Elektronenlöcherpaaren durch Absorption von solarer Strahlung in dem CdS Film ist nachteilig für die Gesamteffizienz der Solarzelle. Hocheffiziente Solarzellen machen den CdS Film so dünn wie möglich, ungefähr 50 nm, so dass einige Bruchteile der solaren Strahlung kürzer als 510 nm durch den CdS Film verlaufen können und in dem CdTe Film absorbiert werden können, wo photoerzeugte Elektronenlöcherpaare wirkungsvoll gesammelt werden können. Ein Problem bei dieser Prozedur ist in einigen Ausführungsbeispielen das Dünnausbilden des n-Typ CdS Films, was den Serienwiderstand der Zelle erhöht, was auch die Effizienz reduziert. Zusätzlich muss der CdS Film eine gewisse Dicke haben, ungefähr 50 nm, um einen stabilen pn-Übergang zu bilden.
  • Die Abscheideverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden verwendet, um die Leistungsfähigkeit von Heteroübergangssolarzellen durch Erzeugen qualitativ hochwertigerer Halbleiterfilme 840, 860 zu verbessern. In einigen Ausführungsbeispielen haben die Halbleiterfilme 840, 860 Strukturen, die eine ausreichend lange Minoritätsträgerlebensdauer schaffen, um den Minoritätsträgern zu erlauben, über den Übergang zu gelangen und zu dem Solarzellenphotostrom beizutragen. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Filme 840, 860 höherer Qualität erzeugt durch Bereitstellen von Energie, die fokussiert ist auf der Oberfläche, wo ein Film gebildet wird. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Energie gleichzeitig mit dem abzuscheidenden Material auf einem Substrat geliefert. In einigen Ausführungsbeispielen werden Filme höherer Qualität erzeugt durch Abscheiden des Primärmaterials, beispielsweise CdS in dem Film 840 unter Verwendung einer physikalischen Dampfabscheidetechnik, während energetisierte Partikel von einer zweiten Quelle auf die Filmoberfläche während des Abscheidens aufprallen. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die zweite Quelle eine Ionenquelle. In einigen Ausführungsbeispielen liefert die Ionenquelle einen Ionenstrahl. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Strahl von Ionen Argon oder Xenon. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Strahl von Ionen Schwefel zum Abscheiden von Sulfidmaterialien. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Strahl von Ionen Sauerstoff zum Abscheiden von Oxidmaterialien. Der Effekt des Lieferns fokussierter Energie ist die Erhöhung des Ausmaßes an Kristallinität des Materials, das abgeschieden wird. Ein anderer Effekt des Lieferns fokussierter Energie ist die Reduzierung von Defekten, die Stellen für Elektronenlochrekombinationen darstellen. Eine weitere Verbesserung der Solarzelleneffizienz wird erreicht, indem fokussierte Energie verwendet wird, um die Qualität der physikalischen Schnittstelle zwischen dem ersten Halbleiterfilm 840 und dem zweiten Halbleiterfilm 860 zu steuern.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird der erste Film 840 hergestellt durch Liefern von Energie an das Material, das abgeschieden, so dass das Material weniger Defekte hat. Mit weniger Defekten haben die Minoritätsträger keine längere Lebensdauer in dem Film 840, da weniger Rekombinationsstellen da sind. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der erste Film 840 ein n-Typ CdS Material. In einigen Ausführungsbeispielen wird der erste Film 840 in einem Bereich von ungefähr 40 nm bis ungefähr 100 nm gebildet. In einigen Ausführungsbeispielen hat der erste Film 840 eine Dicke von ungefähr 50 nm. In einigen Ausführungsbeispielen wird der erste Film 840 in einem Bereich von ungefähr 40 nm bis ungefähr 100 nm gebildet.
  • In einigen Ausführungsbeispielen enthält der zweite Film 860 zwei Regionen 862, 863. Die Region 863 ist eine hochqualitative Region, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gebildet wird. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Region 862 schneller anwachsen unter Verwendung herkömmlicher Verfahren. In anderen Ausführungsbeispielen ist der Film 862 lediglich ein weiteres Wachsen des Films 863 unter Verwendung der Lehren gemäß der vorliegenden Erfindung. Hohe Qualität beinhaltet neben anderen Dingen weniger Defekte, eine größere Kristallgröße oder Kristallitgröße (Englisch: crystallite size) oder bestimmte Strukturen, die gebildet werden. Speziell wird Energie an das Material der Region 863 geliefert, wenn das Material auf dem ersten Film 840 gebildet wird. Die Energie wird gemäß den hier gegebenen Lehren geliefert, beispielsweise durch einen Ionenunterstützungsstrahl. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Energie durch energetisierte Partikel geliefert. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Energie durch energetisierte Ionen geliefert. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Energie geliefert durch Licht oder Wärme, beispielsweise eine kurze Laserablenkung auf die Oberfläche. Aufgrund der Aufbringung oder Anwendung (Englisch: application) von Energie, während die Region 863 gebildet wird, ist eine Nachabscheidungs-Hochtemperaturerwärmung nicht notwendig.
  • In einigen Ausführungsbeispielen hat die qualitativ hochwertige Region 863 weniger Defekte als p-Typ Regionen anderer Photovoltaiks oder photovoltaischen Vorrichtungen (Englisch: photovoltaics). In einigen Ausführungsbeispielen hat die Region 863 eine Dicke von mindestens ungefähr 50 nm. In einigen Ausführungsbeispielen hat die Region 863 eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 100 nm.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist die Region 862 größer als die Region 863. In einigen Ausführungsbeispielen hat die Region 862 eine Dicke von mehr als 500 nm. In einigen Ausführungsbeispielen hat die Region 862 eine Dicke in einem Bereich von einem Mikron bis 5 Mikron. In einigen Ausführungsbeispielen hat die Region 862 eine Dicke von mehr als 3 Mikron. Darüber hinaus ist die Region 862 ein hochdotiertes p-Typ Material.
  • In einigen Ausführungsbeispielen wird eine Kammer, in der die Filme 840, 860 abgeschieden werden, bei einer Temperatur von weniger als 650°C gehalten. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Temperatur der Kammer weniger als 300°C. In einigen Ausführungsbeispielen liegt die Temperatur zwischen 30°C und ungefähr 275°C. In einigen Ausführungsbeispielen liegt die Temperatur zwischen ungefähr 100°C und ungefähr 200°C. In einem Ausführungsbeispiel werden das Substrat, beispielsweise Glasschicht 820 und Leiterschicht 830 für das Abscheiden des Films 840; die Glasschicht 820, die Leitschicht 830 und ein Film 840 für die Abscheidungsregion 863; und eine Glasschicht 820, ein Leiterfilm 830, Film 840 und eine Region 863 für die Abscheideregion 862 nicht extern erwärmt. Folglich ist die Temperatur des Substrats im Allgemeinen gleich der Temperatur der Kammer plus weniger Erwärmungseffekte des Abscheidens des Films. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren für die Herstellung von Schichten mit ausreichender Qualität, so dass die Zelle ungefähr 10 % Wirkungsgrad erreicht, erwärmt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Substrat nicht. Entsprechend werden Herstellungseffizienten (Wirkungsgrade) erreicht, während eine ausreichende Effizienz aufrechterhalten wird.
  • Man glaubt, dass einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Konversionseffizienten von mehr als 5 % haben. Man glaubt, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Konversionseffizienten von mehr als ungefähr 6 % haben. Man glaubt, dass einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Konversionseffizienten von mehr als 7 % haben. Man glaubt, dass einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Konversionseffizienten von mehr als 8 % haben. Man glaubt, dass einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Konversionseffizienten von mehr als 9 % haben. Man glaubt, dass einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Konversionseffizienten von mehr als ungefähr 10 % haben. Man glaubt, dass einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Konversionseffizienten von mehr als 11 % haben.
  • Andere Ausführungsbeispiele zur Herstellung von Energieumformungsvorrichtungen, beispielsweise eine photovoltaische Zelle 800 werden gemäß einigen der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele bezüglich der Energiespeichervorrichtungen hergestellt. Die Dünnfilme der Energieumwandlungsvorrichtungen sind verbessert in einer ähnlichen Art und Weise, wie hier beschrieben für die Dünnfilme der Energiespeichervorrichtungen.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zum Verbessern der Leistungsfähigkeit von photovoltaischen Zellen können die vorliegenden Verfahren photovoltaische Zellen mit einer verbesserten Umwandlungseffizienz ohne Wärmebehandlung des Abscheidens erzeugen, beispielsweise Erwärmung des Substrats oder hohe Temperaturerwärmung nach dem Abscheiden.
  • 9A zeigt eine Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung 910A gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung und eine integrierte Schaltung 940, hier als „Flip Chip" gezeigt. Die Energiespeichervorrichtung 910A enthält ein Substrat 920, auf dem eine gemusterte Verdrahtungsschicht 922 gebildet ist. Die Verdrahtungsschicht 922 ist eine elektrisch leitende Schicht zum Verbinden der Energiespeichervorrichtung 920 mit der integrierten Schaltung 940. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Schicht 922 aus einem Metall gebildet. In einem Ausführungsbeispiel ist die Verdrahtungsschicht 922 gemustertes Kupfer. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Verdrahtungsschicht gebildet aus Nickel. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Verdrahtungsschicht aus Edelmetallen gebildet. Die Verdrahtungsschicht 922 enthält ein Kathodenverdrahtungsmuster 922A und ein Anodenverdrahtungsmuster 922B, die voneinander getrennt sind und entgegengesetzte Polaritätsanschlüsse 923A und 923B zu externer Schaltung, wie eine integrierte Schaltung 940 bilden. Die Vorrichtung 910A enthält ferner einen Kathodenkontaktfilm 924, der auf mindestens einem Bereich des Kathodenverdrahtungsmusters 922A gebildet ist, und einen Anodenkontaktfilm 926, der auf mindestens einem Bereich des Anodenverdrahtungsmusters 922B gebildet ist. Der Kathodenfilm 927 ist auf dem Kathodenkontaktfilm 924 gemäß den hier gegebenen Lehren gebildet. Ein Elektrolytfilm 928 ist über dem Kathodenfilm 926, dem Kathodenfilm 924 und einem Bereich des Kathodenverdrahtungsmusters 922A gebildet. Der Elektrolytfilm 923 trennt die Kathodenfilme 922A, 924 und 927 von entsprechenden Anodenfilmen 922B, 926 und 932. Der Anodenfilm 932 ist auf dem Elektrolytfilm gebildet und in Kontakt mit dem Anodenkontaktfilm 926 gemäß den Lehren der Erfindung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind vorteilhafterweise der Kathodenkontaktfilm 924 und das Kathodenverdrahtungsmuster 922A als eine einzelne Schicht gebildet. Vorteilhafterweise sind gemäß einem Ausführungsbeispiel der Anodenkontaktfilm 926 und das Anodenverdrahtungsmuster 922B als eine einzelne Schicht gebildet. Eine Passivierungsschicht 934 ist über alle Filme, ausgenommen die Bereiche 923A und 923B der Verdrahtungsmuster 922A und 923B gebildet, welche Bereiche freigelegt bleiben. Die Passivierungsschicht 934 schützt die Filme vor Kontakt mit anderen Schichten, die auf dem Substrat 920 gebildet werden können und vor der Umgebung, die Elemente enthalten kann, die mit den Filmen der Energiespeichervorrichtung 910A reagieren und diese beschädigen können.
  • In einigen Ausführungsbeispielen enthalten die Kathodenmaterialien und andere Materialien, die in den obigen Batterien verwendet werden, Materialien, die genauer diskutiert werden in N. J. Dudeney et al „Nanocrystalline LixMni-yO4 Cathodes For Solid-State Thin-Film Rechargeable Lithium Batterys" Journal of Electromechanical Society, 146 (7) 2455-2464 (1999).
  • In einigen Ausführungsbeispielen enthalten die Kathodenmaterialien und andere Materialien, die in den obigen Batterien verwendet werden, Materialien, die mehr diskutiert sind in N. J. Dudeney et al „Nanocrystalline LixMni-yO4 Cathodes Of Solid-State Thin-Film Rechargeable Lithium Batterys" Journal of Electromechanical Society, 146 (7) 2455-2464 (1999).
  • Die integrierte Schaltung 940 enthält einen ersten Ballkontakt 941 und einen zweiten Ballkontakt 942, die sich beide außerhalb einer Packung erstrecken. Der erste Ballkontakt 941 ist ausgerichtet mit dem freiwilligen Bereich 923A des Kathodenverdrahtungsmusters 922A. Der zweite Ballkontakt 942 ist ausgerichtet mit dem freigelegten Bereich 923B des Anodenverdrahtungsmusters 922B. Die integrierte Schaltung 940 ist positioniert, so dass die Ballkontakte 941 und 942 physikalisch und elektrisch die Verdrahtungskontakte 923A bzw. 923B kontaktieren. Die integrierte Schaltung 940 ist in Position relativ zu der Vorrichtung 910A fixiert, so dass die Vorrichtung 910A eine elektrische Energie an die Schaltung 940 liefert. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Schaltung 940 mit einer Schaltung zum Wiederaufladen der Energiespeichervorrichtung 910A bereitgestellt. Man erkennt, dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf der integrierten Schaltung 940 beschränkt ist, die mit den Verdrahtungskontakten 923A und 923B verbunden ist. Andere Schaltungen, die integrierte Schaltungen enthalten, die auf dem Substrat 920 hergestellt sind und Schaltungen mit Leitungen, die mit den Verdrahtungskontakten 923A und 923B verbunden sind, sind innerhalb des Bereichs der Erfindung.
  • 9B zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung 910B, wobei im Wesentlichen ähnliche Elemente wie oben beschrieben die gleichen Bezugszeichen haben. Nach dem Bilden der Verdrahtungsmuster 922A, 922B wird eine Isolatorschicht 930 auf dem Substrat 920 gebildet. Die Isolatorschicht trennt die Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung 910 von anderen Schichten, die mit dem Substrat 920 enthalten sein können. Die Isolatorschicht 930 enthält Durchgangslöcher 931, durch die der Kathodenkontaktfilm 924 und der Anodenkontaktfilm 926 nach unten sich erstrecken, um das Kathodenkontaktverdrahtungsmuster 922A bzw. Anodenverdrahtungsmuster 922B zu verbinden.
  • In einem Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 910 gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kathodenfilm 927 ein LiCoO2, der abgeschieden ist unter Verwendung einer ersten Quelle von RiCoO mit einer Sekundärquelle von Sauerstoff. Der Elektrolytfilm 928 ist ein LiPON, der abgeschieden ist unter Verwendung einer ersten Quelle von LiPO (beispielsweise Li3PO4) und eine Unterstützung von Stickstoff. Der Anodenfilm 932 ist ein Metall, beispielsweise Kupfer, und wird durch eine erste Quelle von Kupfer und eine Sekundärquelle eines Edelgases, beispielsweise Xenon, abgeschieden. In einem anderen Ausführungsbeispiel enthält der Anodenfilm Karbon (Stickstoff). In einem noch anderen Ausführungsbeispiel ist die Anode aus reinem Lithium gebildet. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Anode eine Lithiumlegierung. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Anode ein Oxid.
  • 9C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung 910C. Diese Vorrichtung 910C enthält eine Keimschicht 950, die auf dem Kathodenkontakt 924 gebildet ist. Die Keimschicht 950 wird auf dem Kathodenkontakt 924 gebildet vor dem Bilden des Kathodenfilms 927, wie hier beschrieben, auf der Keimschicht 950 und dem Substrat 920. Die Keimschicht 950 wird gebildet unter Verwendung von Abscheidetechniken, wie hier beschrieben, beispielsweise physikalische Dampfabscheidung wie Lichtbogenquellenabscheidung. Die Keimschicht 950 ist eine sehr dünne elektrisch leitende Schicht und hat eine kleine Kristallgröße. Die Keimschicht 950 hat auch einen hohen Blattwiderstand und ist nicht reaktiv mit den Materialien benachbarter Filme. In einem Ausführungsbeispiel hat die Keimschicht 950 eine Dicke, die im Wesentlichen dünner als die des benachbarten Elektrodenfilms 927 ist. Das Material der Keimschicht 950 wird derart gewählt, dass die ankommenden adsorbierten Atome des Nachfolgematerials (beispielsweise in einigen Ausführungsbeispielen das Material von der ersten Quelle 311, 511 oder 711) eine ausreichende Mobilität hat, um einen Aktivitätsperiode zu erlauben, sobald die adaptiven Atome die Keimschichtoberfläche kontaktieren. Dies verbessert die Keimbildung der ersten wenigen Molekularschichten des ankommenden Materials, minimiert Spannung, die zu einer Gitternetzfehlanpassung gehört und unterstützt das ankommende Material, um in einer Art und Weise zu wachsen, die konsistent ist mit der gewünschten Kristallstruktur für den Kathodenfilm 927.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist die Keimschicht 955 auf einer Elektrolytschicht 928 gebildet vor dem Bilden des Anodenfilms 932, wie hier beschrieben, auf der Keimschicht 955. Die Keimschicht 955 verbessert die Keimbildung der ersten wenigen Molekularschichten des ankommenden Materials, minimiert die Spannung, die im Zusammenhang steht mit einer Gitternetzfehlanpassung, und unterstützt das ankommende Material beim Wachstum in einer konsistenten Art und Weise mit der gewünschten Kristallstruktur für den Anodenfilm 932.
  • Die Ionentransporteigenschaften der Materialien, die bei der Herstellung der Energiespeichervorrichtungen 910C verwendet werden, beispielsweise wiederaufladbare Batterien, beeinflussen stark den Betrieb und die Qualität der Vorrichtung. Beispielsweise ist die gesamte Energiespeicherfähigkeit der Festkörper-Lithiumionenbatterien eines gegebenen Bereichs beschränkt durch eine Abnutzungsregion, die sich an oder nahe der Kathoden/Elektrolyt-Schnittstelle bildet. Die Abnutzung dieser Region und die Unfähigkeit für zusätzliche Lithiumionen aus dem Kathodenfilm 927 heraustransportiert zu werden, resultiert in einer begrenzten Kapazität, und folglich in einem häufigeren Wiederaufladen. Zusätzlich steuert die Effizienz des Lithiumionentransports durch den Elektrolytfilm 928 die maximale Laderate und legt diese fest, die für eine gegebene Struktur erreicht werden kann. Die Keimschicht 950 verbessert die Kristallstruktur der Materialien, die nachfolgend abgeschieden werden, also ein Kathodenfilm 927 oder eine Anodenfilm. Das Wachstum der ersten wenigen Atomschichten eines Materials beeinträchtigen signifikant die Gesamtstruktur, selbst wenn der endgültige Film sehr dick relativ zu den anfänglichen wenigen atomaren Schichten ist. Wenn das „Keim"-Material derart ausgewählt wird, dass die Oberflächenenergie, die förderlich ist für ein Pseudoepitaxiewachstum des nachfolgenden Materials, werden qualitativ hochwertige Kathoden und Anoden (Elektroden) Filme 927 und 932 erreicht. Beispiele von Materialien für die Keimschicht 950 enthalten Chrom, Chromnitrit, Tantal, Tantalnitrid, Wolfram, Wolframnitrid, Ruthenium und Rutheniumnitrid.
  • Die Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung, die gemäß den vorliegenden Lehren hergestellt wird, speichert elektrische Energie durch Einbringen von Ionen in eine Speicherschicht und Entfernen der Ionen von der Speicherschicht, um ein elektrisches Potenzial an den Kontakten zu bilden. In einem Ausführungsbeispiel werden die Lithiumionen in einer Anode gespeichert, die aus einem Lithium-Interkalationsmaterial gebildet ist, mit der Batterie in einem geladenen Zustand. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Anode aus einem Metallmaterial oder kohlenstoffhaltigen Material gebildet. Die Lithiumionen wandern von der Anode durch die Elektrolytschicht zu einer Kathode, die ebenfalls aus einem Lithium-Interkalationsmaterial gebildet ist, um elektrische Energie von der Batterie zu entladen. Um eine ausreichende Energiedichte zu erreichen, um eine externe Schaltung zu betreiben, muss die Lithium-Interkalationsmaterialkathode und Anode interkalieren (also hinzufügen) und deinterkalieren (also entfernen) eines wesentlichen Molbruchteils von Lithiumionen. Man hat herausgefunden, dass die Wahl des Interkalationsmaterials und der Herstellungstechniken für die Kathode viele Betriebsparameter einer Festkörperdünnfilmbatterie bestimmen. Die Betriebsparameter enthalten nicht eingeschränkt darauf den Betriebsspannungsbereich, die Kapazität, die spezifische Leistung und die spezifische Energie. Ein Verfahren zum Messen der Transporteigenschaften von Ionen in einer Batterie ist die Leitfähigkeit, die durch einen Diffusionskoeffizienten gemessen wird. Der Diffusionskoeffizient ist ein Maß dafür, wie gut ein bestimmtes Material erlaubt, das Ionen in und aus dem Material diffundieren können.
  • 10 zeigt Vergleichsdaten für LiCoO2 Kathodenfilme in der Form eines Röntgenbeugungsspektrums. Die LiCoO2 Kathodenfilme wurden gemäß den hier gegebenen Lehren erzeugt und gemäß einem Steuerungsprozess, der keine Sekundärquelle unterstützt. Eine erste Quelle liefert ein LiCoO2 Material unter Verwendung eines Elektronstrahlvaporationsprozesses. Ein zweiter Unterstützungsstrahl liefert Energie in der Form von Sauerstoffionen, die an der Stelle auf das Substrat auftrafen, wo gewünscht war einen Dünnelektroden(Kathoden)film aus dem ersten LiCoO2 Material wachsen zu lassen. Der Strahl von Sauerstoffionen von der zweiten Quelle ist nicht übereinstimmend mit dem LiCoO2 Material von der ersten Quelle. Beispielsweise wurden Proben von LiCoO2 Dünnfilmen gewachsen gemäß den Daten in der Tabelle 1.
  • Tabelle 1
    Figure 00520001
  • Die Elektronenstrahlspannung für jede erste Quelle, die bei der Bildung der Filme a–d verwendet wurde, betrug 5kV mit einem Emissionsstrom von 100 mA.
  • 10 zeigt, dass die LiCoO2 Filme, die mit Triggerenergie von Sauerstoffionen von der zweiten Quelle abgeschieden wurden, die Proben „b" und „c", die Bildung der gewünschten Kristallstruktur des gewachsenen Films relativ zu der nicht unterstützten Probe „a" verbesserten. Speziell wurde eine deutlichere (003) Orientierung der Kristallstruktur in ionenunterstützten Proben „b" und „c" gefunden, verglichen mit der nicht unterstützten Probe „a". Ein starker (003) Röntgenbeugungspeak gibt eine gewünschte Kristallorientierung des LiCoO2 Dünnfilms an. Der (003) Röntgenbeugungspeak gibt an, dass der Film Gitternetzebenen parallel zu dem Substrat hat, beispielsweise die Schicht auf der der Film abgeschieden wurde. Die (003) Peakbreite, volle Breite bei dem halben Maximum („FWHM") reduziert sich und der Röntgenpeak nimmt zu in Serie der Proben, wenn die Energie der Sauerstoffionen, die auf das abgeschiedene Material aufprallen, zunimmt. Diese Beispiele geben eine erhöhte Kristallkorngröße an und einen größeren Bruchteil geordneterer Körner für Probenfilme „b" und „c" als in dem Probenfilm „a" gefunden werden. Die Klammer (003) Orientierung der Proben „b" und „c" ist vorzugsweise über eine im Wesentlichen nicht geordnete nicht kristalline Struktur der Probe „a".
  • 10 zeigt weiter eine Probe „d", die abgeschieden wurde unter Verwendung der größten Energiesekundärquelle in diesem Beispiel. Die Probe „d" wurde abgeschieden unter Verwendung einer Sekundärquellenenergie von 135 eV. Die Röntgenbeugung der Probe „d" zeigt die deutlichste (101) Orientierung aller Proben, wie hier beschrieben. Die gewünschte (101) Orientierung hat Gitterebenen, die Lithiumionen in einem LiCoO Elektrodenmaterial enthalten, fast senkrecht zu dem Substrat. In dieser Orientierung sind die Gitterebenen im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Wandung der Ionen und in der Richtung fast senkrecht zu dem Substrat. Da dies die Richtung ist, in der die Lithiumionen in der Lithiumbatterie wandern müssen, die gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen hergestellt wird, führt die begünstigte (101) Orientierung zu hervorragenden Lade- und Entladecharakteristiken. Ein Lithiumtransport durch den LiCoO2 Film in der (101) begünstigen Orientierung basiert nicht auf einer Diffusion entlang Korngrenzen, die Lithiumionen fangen und ihre Verwendung verhindern können, die bevorzugte (101) Orientierung führt auch zu einer größeren Kapazität und Lebenszykluszeit. Folglich wird diese bevorzugte Orientierung des LiCoO2 Dünnfilms erzeugt ohne zusätzliche Erwärmungsherstellungsschritte und der interne Widerstand ist geringer mit geringeren Kapazitätsverlusten bei hohen Entladeraten.
  • 11 zeigt einen Vergleich des (003) Röntgenbeugungspeaks eines ionenunterstützten LiCoO2 Films, der gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, und einen herkömmlichen magnetrongesputterten LiCoO2 Film. Beide Spektren sind für asabgeschiedene Filme. Der ionenunterstützte LiCoO2 Film in diesem Spektrum ist der gleiche wie die „c" Probe, wie in 10 gezeigt. Der gesputterte LiCoO2 Film wurde hergestellt in MRC 8667 unter Verwendung von 120 Watt RF Energie 10 % O2 in Argon, 80 sccm Gesamtgasfluss (8 sccmO2 und 72 sccm Ar, 20 mTorr Druck, mit geerdetem Substrattisch.
  • Die Filmdicke des gesputterten LiCoO2 Films ist 5460 Angström (546 nm). Der signifikante schärfere Peak für den ionenunterstützten Film gibt einen höheren Grad einer Langbereichsordnung in diesem Film an. Die Peakbreite für diesen Film nähert sich der an, die gewonnen wird durch Hochtemperaturerwärmung eines ähnlichen herkömmlichen magnetrongesputterten Films und überschreitet den, der erreicht wird für 300°C erwärmten Film von LiMn2O4. Entsprechend liefert der LiCoO2 Film, der gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, einen höheren Grad an Ordnung, als herkömmliche LiCoO2 Filme, ohne Neusortieren bei einem Nachabscheidungserwärmungsschritt, um die gewünschte Kristallstruktur in dem Film zu liefern. Dies resultiert in signifikanten Herstellungseffizienzen.
  • 12A zeigt Röntgenbeugungsspektren einer LiCoO2 Schicht, die gemäß einem herkömmlichen Verfahren des Magnetronsputterns ohne nachfolgenden Erwärmungsschritt hergestellt wurde. Das Magnetronsputtern wurde durchgeführt in einem MRC 8667 Sputter mit 1200 W von RF Leistung in einer Umgebung von Argon mit 10 % Sauerstoff und 80 sccm Gesamtgasfluss bei einem Druck von 20 mTorr. Die resultierende Filmdicke betrug 5460 Angström (546 nm). Die Röntgenpeakvollbreite bei halbem Maximum („Halbhochbreite") des Peaks bei 19 Grad dieser herkömmlichen Probe betrug 2,61 Grad. Die Halbhochbreite ist ein Maß der Kristallgröße, die gerechnet werden kann aus diesen Daten gemäß bekannten Formeln. Die Kristallgröße für diesen herkömmlichen magnetrongesputterten Film betrug 34 Angström (3,4 nm). Dieser herkömmliche Film muss bei hoher Temperatur erwärmt werden, um eine ausreichende Kristallgröße zu erreichen, um adäquate elektrische Eigenschaften zu haben, so dass der Film Teil einer funktionalen und praktischen Batterie werden kann.
  • In anderen herkömmlichen Filmmaterialien, wie LiMn2O4 sind nanokristalline Strukturen in die Filme gesputtert worden und vor ihrer Erwärmung haben sie eine Kristallgröße von ungefähr 40 Angström (4 nm) bis ungefähr 50 Angström (5 nm). Das Erwärmen dieses Films bei einer Temperatur von ungefähr 300°C erzeugt eine Kristallgröße von ungefähr 130 Angström (13 nm) bis ungefähr 160 Angström (16 nm). In diesen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden diese Kristallgrößen zum Zeitpunkt des Abscheidens erreicht. Darüber hinaus werden in einigen Ausführungsbeispielen übermäßige Kristallgrößen zum Zeitpunkt des Abscheidens erreicht.
  • 12B zeigt ein Röntgenbeugungsspektrum für einen LiCoO2 Film, der gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. Dieser Film wurde speziell abgeschieden unter Verwendung einer ersten Quelle und einer Sekundärquelle von energetisierten Ionen, wie oben diskutiert bezüglich der Proben „b" und „e" gemäß 11. Der Peak des ionenunterstützten abgeschiedenen Films ist signifikant höher als bei den nicht unterstützten Spektren gemäß 12A. Dies gibt einen höheren Grad an Langbereichsordnung in dem ionenunterstützten Abscheidungsfilm an. Die Halbhöhenbreite des Peaks des ionenunterstützten Films bei 19 Grad ist 0,45 Grad. Die Kristallgröße ist 242 Angström (24,2 nm). Entsprechend ergeben die vorliegenden Herstellungstechniken einen abgeschiedenen Film mit einer Kristallgröße von mehr als das Siebenfache von der von herkömmlichen Abscheideverfahren ohne Nachabscheideerwärmung. Darüber hinaus ergeben die vorliegenden Herstellungstechniken eine übermäßige Kristallgröße, selbst verglichen mit einem herkömmlichen Film nach einer Erwärmung. Die vorliegenden Herstellungstechniken ergeben einen Faktor einer Kristallgrößenverbesserung von ungefähr 1,8 bis ungefähr 2,6 über der herkömmlichen Technik. Folglich kann das vorliegende Herstellungsverfahren eine hervorragende Kristallgröße in dem Film erreichen, was schnellere, effizientere Herstellung von Dünnfilmbatterien zu Folge hat. Eine derartige verbesserte Kristallstruktur ist stark erwünscht in dem Kathodenfilm aufgrund der Einschränkungen, die ein Energiespeicher in Dünnfilmbatterien aufgrund einer Kathodenfilmperformance mit sich gebracht werden.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Herstellung ist die Fähigkeit Dünnfilme herzustellen bei im Wesentlichen Raumtemperatur mit einer kristallinen Ordnung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Grenze mit benachbarten Filmen und einer Kristallgröße sind. Ionen müssen durch diese Grenzen wandern, um die Batterie zu laden und zu entladen. Die Grenzen enthalten eine erste Grenze, die zwischen dem Kathodenfilm und dem Elektrolytfilm ist, und eine zweite Grenze, die zwischen dem Elektrolytfilm und dem Anodenfilm ist. Die kristalline Orientierung ist vorzugsweise senkrecht zu den Grenzebenen. Die Lithiumionengitternetzebenen sind also parallel zu der Lithiumionenwanderrichtung während des Ladens und Entladens der Dünnfilmbatterie. Diese Orientierung verringert den internen Batteriewiderstand und reduziert den Kapazitätsverlust bei hohen Entladeraten. Die Kristallgröße ist vorzugsweise groß, beispielsweise über 100 Angström (10 nm) und vorzugsweise über 200 Angström (20 nm). Je größer die Kristallgröße desto besser die elektrischen Eigenschaften. Die Kristallgröße korreliert stark mit den Ionendiffusionskoeffizienten, ein Maß, wie frei Lithiumionen hinzugefügt werden können oder von dem Interkalationsmaterial extrahiert werden können.
  • Während sich die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele konzentrieren auf Lithium-Interkalationsmaterialien und spezieller auf LiCoO2 erkennt man, dass die einigen Ausführungsbeispiele ausgelegt sind für andere Interkalationsmaterialien zum Erzeugen von Energiespeichervorrichtungen. Andere Typen von Interkalationsmaterial enthalten LiMn2O4, V2O5 und kohlenstoffhaltige Materialien, Lithium, Lithiumlegierungen, Oxide und Nitride.
  • Unter Verwendung der grundlegenden Techniken gemäß der Erfindung, also in situ die Unterstützung des wachsenden Films mit der entsprechenden Energie und/oder Spezien von ionisierten Gasen, können Prozesse, enthaltend die Herstellung von photovoltaischen Panels, Superkondensatoren/Ultrakondensatoren und Kraftstoffzellen robuster und effizienter gemacht werden. Die entsprechenden Kosten, die Herstellungseffizienz und die Leistungsfähigkeit können vorteilhaft beeinflusst werden.
  • SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) erfordern beispielsweise, dass der Hersteller ein keramisches Material auf einem Trägersubstrat abscheidet. Siehe US 6,007,683 , auf die hier Bezug genommen wird. Diese Keramik wird dann beschichtet mit einem leitfähigen Material, beispielsweise Platin, was der Katalysator für die Kraftstoffzelle ist. Die Kosten dieser Materialien und die Effizienz, mit der sie die entsprechenden Ionen von einer Seite der Zelle zu der anderen leiten, bestimmen im großen Ausmaß die Kosten der Herstellung und den Betrieb der Kraftstoffzelle. Die Anwendung dieser Techniken, wie hier beschrieben, für eine Kraftstoffzellenherstellung würde wesentlich bessere Katalysatoren mit höherer Ionentransportfähigkeit ergeben. Darüber hinaus liefern die herkömmlichen Techniken weiter die Möglichkeit einen dünneren Katalysator zu erzeugen aufgrund der strukturellen Eigenschaften der Materialien, die über die hier beschriebenen Verfahren abgeschieden werden. Dies erlaubt geringere Temperaturoperation der Kraftstoffzelle und folglich ein Ausweiten der Produktbreite.
  • Die Leistungsfähigkeit von Superkondensatoren/Ultrakondensatoren wird ebenfalls durch die Anwendung der vorliegenden Techniken verbessert. Siehe beispielsweise US 5,426,561 , auf die hier Bezug genommen wird. Hochenergiedichte- und Hochleistungsdichteultrakondensatoren und Superkondensatoren werden verbessert durch Reduktion von kristallinen Defekten unter Verbesserung im Wachstumsmechanismus, so dass die Elektrolytschicht signifikant verdünnt werden kann. Dieses dünne Ausbilden verbessert die volumetrische Energiedichte oder die Energiedichte bezüglich des Volumens (Englisch: volumetric energy density) der Vorrichtung. Die verbesserte Kristallstruktur verbessert die Spannungsstabilität des Elektrolyts.
  • Während einige der obigen Ausführungsbeispiele eine Ionenquelle enthalten zum Bereitstellen von fokussierter Energie, um adsorbierte Atome an einer Oberfläche eines Substrats zu empfangen, um Filme zu bilden mit weniger Defekten und/oder bestimmten Kristalleigenschaften, sind andere Quellen der fokussierten Energie innerhalb des Bereichs einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Beispiele derartiger anderer Quellen enthalten Hochintensitätsphotoquellen, Laser, Kurzdauer-Hochintensitäts(Flash)heizquellen, Kurzdauer-Plasmaquellen. Jede dieser Quellen liefert die erforderliche Energie an einen Film und benachteiligt nicht vorherige abgeschiedene Schichten, vorherige verbundene Vorrichtungen oder das Substrat nachteilig. In einigen Ausführungsbeispielen liefern diese Quellen die Energie an die adsorbierten Atome, wenn sie an der Oberfläche ankommen, auf der die adsorbierten Atome einen Film bilden.
  • Ein Aspekt der Erfindung behandelt das Gebiet von Batterien und spezieller die Verwendung einer Dünnfilmbatterie zum Einschließen für Vorrichtungen und ebenso für Vorrichtungen, die eine integrierte Batterie enthalten.
  • 13 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer elektronischen Vorrichtung 1000 mit einer separaten gedruckten Leiterplatte 1010 und einer separaten Batterie 1020. Der Einschluss 1000 enthält typischerweise einen ersten Bereich 1001 und einen zweiten Bereich 1002. Der erste Bereich 1001 kann auch als ein Bodenbereich bezeichnet werden und kann typischerweise Klammern 1011 enthalten, auf denen die gedruckte Schaltungskarte 1010 ruht. Die Klammern 1111 werden auch verwendet, um die gedruckte Schaltungskarte 1010 bezüglich dem Bodenbereich 1001 des Einschlusses 1000 zu positionieren. Zusätzlich gibt es typischerweise verschiedene andere Sätze von Stopmitteln 1112, die verwendet werden, um die Batterie 1020 bezüglich des Bodenbereichs 1001 des Einschlusses 1000 zu positionieren. Der zweite Bereich 1002 enthält Öffnungen 1030 und 1032. Die Öffnung 1032 kann für eine Anzeige sein, beispielsweise eine LCD oder Flüssigkristallanzeige (nicht in 13 gezeigt). Die Öffnung 1030 dient typischerweise für eine Zugriffsplatte 1040, die in die Öffnung 1030 passt. Die Zugriffsplatte 1040 liefert einen Zugriff auf die Batterie 1020. Die gedruckte Leiterplatte 1010 enthält einen Batterieanschluss 1022, der über die Anschlüsse der Batterie 1020 passt. Der Batterieanschluss 1022 liefert eine entsprechende Menge an Strom an die elektrischen Komponenten auf der gedruckten Leiterplatte 1010. Der zweite Bereich 1002 des Einschlusses 1000 enthält verschiedene Plastikhaken, die verwendet werden, um den zweiten Bereich 1002 mit dem ersten Bereich 1001 anzupassen, um den Einschluss 1000 zu bilden.
  • Die Klammern und Haken 1050 passen in entsprechende Schlitze 1052 auf dem ersten Bereich 1001 des Einschlusses 1000.
  • Diese Einschlüsse sind typischerweise aus Kunststoff und innerhalb des Einschlusses 1000 ist eine separate Batterie 1020 und eine separate gedruckte Leiterplatte 1010 untergebracht. Diese speziellen Typen von Vorrichtungen haben verschiedene Probleme. Zuallererst muss das gesamte Gehäuse oder der Einschluss oder mindestens ein Teil davon entfernt werden, um eine Batterie zu ersetzen oder wieder aufzuladen. Die Batterien 1020 enthalten typischerweise ein Geltyp-Elektrolyt, das sehr toxisch und gefährlich sein kann und das schwierig anzuordnen ist. Vom Standpunkt der Herstellung aus besteht eine Notwendigkeit, viele Teile zusammenzubauen, enthaltend die separate gedruckte Leiterplatte 1010 und eine Batterie 1020 und eine LCD (nicht gezeigt). Dies muss ebenfalls genau innerhalb des ersten Bereichs 1001 erfolgen, um einen qualitativ gut aussehenden Einschluss 1000 zu erzeugen für die gesamte elektrische Vorrichtung. Jedes Mal, wenn eine separate Komponente platziert wird muss zusammen oder in einen Bereich oder einen ersten Bereich der Vorrichtung, ist ein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich. Darüber hinaus ist das Anpassen des zweiten Bereichs 1002 des Einschlusses 1000 zu dem ersten Bereich 1001 ein weiterer Prozessschritt. Vom Herstellungsstandpunkt aus wäre es vorteilhaft, wenn wenige Prozessschritte vorhanden wären, die bei der Herstellung einer elektronischen Vorrichtung, wie die hier gezeigte, enthalten sind. Mit weniger Herstellungsschritten kann die Vorrichtung einfacher und kosteneffizienter gebildet werden.
  • Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die separaten Komponenten, beispielsweise die separate gedruckte Leiterplatte 1010 und die separate Batterie 1020 viel Raum in dem Einschluss benötigen. Die Tendenz heutzutage ist das Bilden von elektronischen Produkten und elektronischen Vorrichtungen, die Platz sparen. In einigen Fällen ist eine kleinere elektronische Vorrichtung besser als eine größere elektronische Vorrichtung. Folglich liegt ein Bedarf vor, für einen Prozess, der die Anzahl an Prozessschritten reduzieren kann und Platz sparen kann und weiter eine zuverlässige Batterie und Schaltung für einen Einschluss erzeugt.
  • Das obe beschriebene Verfahren (siehe 1–12) zum Platzieren einer Batterie auf ein Substrat kann in vielen unterschiedlichen Art und Weisen in Vorrichtungen verwendet werden, um kompaktere und zuverlässigere elektronische Packages mit einer Batterie zu erzeugen, die oft aufgeladen werden können. Die Batterien und die Elektroniken können direkt auf einem Einschlussbereich platziert werden, wodurch Platz gespart wird. Als Ergebnis kann das Design der verschiedenen elektronischen Vorrichtungen kleiner gewählt werden als bei entsprechenden Vorrichtungen, die gegenwärtig verwendet werden.
  • 14A zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Bereichs eines Einschlusses, der beides enthält, eine Batterie 1110 die direkt auf dem Einschlussbereich 1100 angeordnet ist. Der Einschlussbereich 1100 enthält eine innere Oberfläche 1101 und eine äußere Oberfläche 1102. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die Batterie 1110 auf der inneren Oberfläche 1101 des Einschlussbereichs 1100 angeordnet. Es soll angemerkt werden, dass der Einschlussbereich 1100 den ersten Bereich 1101 oder den Bodenbereich bildet, wie in 13 gezeigt. Das Innere 1101 des Einschlussbereichs 1100 enthält auch eine Mehrzahl von Bahnen 1120 für eine elektrische Kopplung der Batterie 1110 an verschiedene elektronische Komponenten 1130, 1131, die an den Stellen 1140 und 1141 angebracht sind. Diese Stellen 1140 und 1141 enthalten elektronische Kontaktanschlüsse für ein elektrisches Verbinden der elektrischen Komponenten 1130 und 1131 mit den Stellen 1140 und 1141. Die Anschlüsse, die zu den Stellen 1140 und 1141 gehören, sind ebenfalls direkt auf der inneren Oberfläche 1101 des Anschlussbereichs 1100 aufgebracht. Vorteilhafterweise kann die Batterie 1110 auf den inneren Bereich 1101 des Einschlussbereichs 1100 aufgebracht werden sowie die Bahnen 1120 und Anschlüsse, die zu den Stellen 1140 und 1141 gehören. Vorteilhafterweise, um eine elektronische Schaltung zu vervollständigen, sind die einzigen Prozessschritte, die durchgeführt werden müssen, das Hinzufügen der elektronischen Komponenten 1130 und 1131. In einigen Fällen ist es auch möglich, einige der elektronischen Komponenten während den Herstellungsschritten, die erforderlich sind für das Platzieren der Dünnfilmbatterie 1110 auf den inneren Bereich 1101 des Einschlusses 1100 zu erzeugen. Optional kann eine Schutzschicht 1150 über der Batterie 1110 oder über anderen ausgewählten Bereichen, die auf der inneren Oberfläche 1101 des Vorrichtungseinschlusses 1100 angeordnet sind, platziert werden. Die optionale Schutzschicht ist in Phantom gezeigt und mit dem Bezugszeichen 1150 gekennzeichnet.
  • 14B ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Bereichs 1100 eines Einschlusses für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Der Einschlussbereich 1100 enthält eine innere und eine äußere Fläche 1102. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die Batterie 1110 aufgebracht auf der äußeren Oberfläche 1102 des Einschlussbereichs 1100. Die Batterie 1110 enthält eine Stelle 1160 für die Kathode und eine andere Stelle 1162 für die Anode. Die Stellen 1160 und 1162 terminieren oder befestigen über Löcher 1161 und 1163. Die Durchgangslöcher 1161 und 1163 liefern eine elektronische Kommunikation mit verschiedenen Komponenten, die innerhalb des Einschlussbereichs 1100 lokalisiert sind. Der Hauptunterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel, wie in 14A gezeigt, und dem Ausführungsbeispiel gemäß 14B ist der, dass der Batteriebereich 1110 auf der äußeren Oberfläche 1102 des Anschlussbereichs 1100 angeordnet ist. Die Schutzabdeckung 1150 kann über den Batteriebereich 1110 platziert werden, und spezieller über den Batteriebereich 1110 und den elektrischen Anschlüssen 1160 und 1162 und Durchgangslöcher 1161 und 1163. Die Schutzschicht 1150 kann transparent sein oder gefärbt, um zu der externen Oberfläche 1102 des Einschlussbereichs 1100 zu passen.
  • 14C zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Bereichs eines Einschlusses 1103 für eine elektronische Vorrichtung gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Der Einschlussbereich 1103 enthält eine Batterie 1110, die auf der inneren Oberfläche des Einschlussbereichs 1103 angeordnet ist. Der Anschlussbereich 1103 enthält einen inneren Bereich 1101 und einen äußeren Bereich 1102. Der Einschlussbereich 1103 entspricht einem oberen Bereich, der eine Anzeige enthält, die durch den Benutzer während der Verwendung betrachtet werden kann. Die Batterie 1110 ist auf der inneren Oberfläche 1101 des Anschlussbereichs 1103 angeordnet. Auch enthalten sind Bahnen 1120 sowie elektronische Komponenten 1130 und 1131. Vervollständigt wird die Schaltung durch eine LCD oder Flüssigkristallanzeige 1170. Die LCD wird nahe oder an einer Öffnung in der Einschlussvorrichtung 1103 positioniert, so dass der lesbare Bereich der LCD 1170 von der äußeren Oberfläche 1102 des Einschlussbereichs 1103 aus betrachtet werden kann. Der Einschlussbereich 1103 entspricht grob dem zweiten Einschlussbereich 1102 oder oben auf der elektronischen Vorrichtung, wie in 13 gezeigt.
  • Zusätzlich zu dem Aufbringen einer Vorrichtung oder einer Batterievorrichtung oder Energievorrichtung 1110 auf die Oberfläche eines Einschlusses wird gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ein Blatt bzw. eine Schicht oder eine Folie erzeugt, das mehrere Zellen oder Batterien 1110 enthält. Die Batterien 1110 sind auf einem Blatt bzw. einer Schicht aus einem flexiblen oder Kunststoffmaterial 1300 gebildet. Es sei erwähnt, dass die Größe der Zeellen 1110 und die Anordnung der Zellen oder individuellen Batterien 1110 variiert werden können, um verschiedene unterschiedliche Größen und Typen von gebildeten Batterien zu erzeugen.
  • 15A bis 15E offenbaren ein Verfahren, wodurch die Batterie gebildet in einem entsprechenden oder anpassbaren Blatt mit grob der gleichen Form wie entweder die innere oder äußere Oberfläche einer elektronischen Vorrichtung. Das entsprechende Blatt kann dann direkt auf der inneren Oberfläche oder äußeren Oberfläche einer elektronischen Vorrichtung platziert oder angebracht werden. Das Blatt wird erzeugt mit einer Anzahl oder Mehrzahl von Zellen 1110, wie später in dieser Anmeldung diskutiert wird. Sobald das Blatt gebildet ist, wie später beschrieben, wird das Blatt 1300 in individuelle Zellen oder individuelle Batteriebereiche 1310 geschnitten. Mit anderen Worten, eine Batterie wird auf einem geschnittenen Blatt 1310 von dem Hauptblatt 1300 gebildet. Der individuell geschnittene Batteriebereich 1310 kann dann in eine Vielzahl von Formen gebildet werden, wie durch die 15C, 15D und 15E gezeigt. Diese Formen können irgendeine gewünschte Form haben. In einigen Ausführungsbeispielen, oder in den meisten Ausführungsbeispielen, ist die Form des Blatts konform zu oder kann auf der inneren oder äußeren Oberfläche einer elektronischen Vorrichtung platziert werden. 15C zeigt beispielsweise eine grob quadratische Batterie, die hochgefaltete Seiten oder vakuumgeformte Seiten 1320 hat. Diese spezielle Vorrichtung könnte auf der inneren Oberfläche einer elektronischen Vorrichtung platziert werden, beispielsweise einem Garagentüröffner oder jede andere ähnliche Vorrichtung oder dergleichen (Englisch: or any other like device).
  • 15D zeigt einen mehr rechteckigen Bereich oder ein geschnittenes Blatt, das herresultiert von einer mehr rechteckigen Batterie, die auf ein Blatt gelegt wurde und in einen individuellen Batteriebereich 1310 geschnitten wurde. Diese mehr rechteckige Bildung kann verklebt oder aufgebracht werden auf die innere Oberfläche eines elektronischen Einschlusses für einen PDA (Personal Data Assistent). In der Alternative kann die Form gemäß 15D auch geeignet sein für eine Platzierung auf der äußeren Oberfläche einer elektronischen Vorrichtung, beispielsweise einem PDA.
  • 15E zeigt eine mehrgebildete Vorrichtung, die auf einem zellularen Telefon oder ähnlicher Vorrichtung gefunden werden kann. 15E kann gebildet sein, um auf die innere Oberfläche eines zellularen Telefons oder auf die äußere Oberfläche eines zellularen Telefons oder eines Taschenrechners zu passen. Mit anderen Worten, ein geschnittenes Blatt 1310 wird verwendet als Startpunkt für das Vakuumformen oder anderweitiges Formen einer Batterie, die entweder auf der inneren oder äußeren Fläche einer elektronischen Vorrichtung angebracht werden kann. Eine elektronische Vorrichtung, an die sie angebracht wird, kann irgendeine sein, enthaltend Hörgeräte, Rechner, PDAs, Smartcards oder andere Kreditkarten, Uhren, Laserstifte, kraftbetriebene Werkzeuge, Operationsvorrichtungen oder selbst Katheder. Die obige Liste ist nicht erschöpfend, sondern enthält lediglich Beispiele von Typen von Vorrichtungen, die eine Batterie gemäß den 15A bis 15E enthalten können.
  • In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine Batterie mit mehreren Zellen 1110, 1110' und 1110'' zu integrieren. In diesem bestimmten Fall wird ein Schnitt vorgenommen 1320, der die Zellen 1110, 1110' und 1110'' enthält. Das Blatt kann auch geformt werden mit gefalteten Linien 1321 und 1322, wie in 15G gezeigt.
  • 15H zeigt, dass die Batterien entlang der Faltlinien gefaltet sind, um einen Stapel aus drei Batterien 1100, 1110, 1110' und 1110'' zu bilden. Die in 15H gezeigten Falten sind eine Fächerfaltung. Sobald die Fächerfaltung gebildet ist, wie in 15H gezeigt, kann die fächergefaltete Batterie enthaltend drei Zellen 1330 in irgendeiner gewünschten Form gebildet werden, beispielsweise wie in den 15C, 15D und 15E gezeigt. Die dreizellige oder mehrzellige Einheit 1330 kann auf die innere oder äußere Oberfläche irgendeiner elektronischen Vorrichtung, wie oben diskutiert, angebracht werden. Es sei erwähnt, dass die Fächerfaltung mehr als drei Batterien oder weniger als drei Batterien enthalten kann. Der erfinderische Aspekt liegt darin, eine Mehrzahl von Batterien zu enthalten. Die Zellen 1110, 1110' und 1110'' können aneinander angebracht werden, so dass die Zellen in Serie sind, nachdem sie geschnitten sind. Eine andere Möglichkeit liegt darin, die elektrischen Kontakte für jeden diesen in Kontakt miteinander zu bringen, was eine fächergefaltete Multizelleneinheit 1330 zur Folge hat.
  • Die 15I, 15J und 15K zeigen ein noch anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält das Blatt von elektrischen Zellen 1300 eine Mehrzahl von Zellen enthaltend 1110 und 1110'. Das gesamte Blatt 1300 wird dann vakuumgeformt, um mehr oder weniger einen Eierkarton 1350 mit individuellen Batteriezellen 1110 und 1110' zu bilden, die innerhalb der Kammer 1360 und 1362 in dem Blatt 1300 gebildet sind. Zwischen den Kammern 1360 und 1362 ist ein Scharnier 1370. Die Batterien 1110 und 1110' sind an dem Boden jeder Kammer 1160 und 1162 gebildet, wie in 15K gezeigt. Das Scharnier 1370 ist zwischen zwei Kammern 1360 und 1362 positioniert. Die erste Zelle 1360 kann auf das Obere der zweiten Kammer 1362 gefaltet werden, um einen elektronischen Geräteeinschluss 1380 zu bilden, wie in 15L gezeigt. Es sei erwähnt, dass die Größe der Batteriebereiche 1110 und 1110' beschränkt sein kann oder derart platziert sein kann, dass andere Bahnen und ein Raum für andere elektronische Vorrichtungen hinzugefügt werden kann, so dass eine Gesamtschaltung innerhalb eines scheibenförmigen Einschlusses gebildet werden kann. Dies liefert den Vorteil, dass die elektronische Komponente direkt in den Kammern 1160 und 1162 an Stellen platziert werden kann, die zum gleichen Zeitpunkt gebildet werden, wie die Batterien auf dem Blatt 1300 abgeschieden werden. Nach dem Platzieren aller verschiedenen elektronischen Bauteile kann die elektronische Vorrichtung gebildet werden, indem lediglich zwei der Kammern 1360 und 1362 geschnitten werden, so dass sie einen oberen und unteren Bereich des Vorrichtungseinschlusses 1380 bilden. Alle Arten von elektronischen Vorrichtungen können enthalten sein, einschließlich ein LCD oder eine andere Anzeigevorrichtung. Die LCD kann direkt lesbar sein durch ein Blatt, wenn es transparent ist, oder das Blatt oder eine der Kammern 1360 und 1362 können mit einer Öffnung versehen sein, die einer Öffnung oder Fläche der Anzeige einer LCD entspricht oder einer anderen Anzeigevorrichtung. Folglich wird das Blatt und die darauf aufgebrachte Batterie letztendlich zu einer äußeren Oberfläche oder dem Einschluss für die Vorrichtung, die auf dem Blatt gebildet ist. Dies hat einen großen Vorteil dahingehend, dass Prozessschritte, die zur Bildung einer Vorrichtung notwendig sind, einfach und effizient in einem kontinuierlichen Prozess durchgeführt werden können. Dies führt zu einer sehr effizienten Herstellung elektronischer Vorrichtungen.
  • 16A zeigt eine Draufsicht eines Blatts enthaltend eine Mehrzahl von Zellen 1110 gemäß der Erfindung. 16A, 16B und 16C zeigen eine Art und Weise zum Bilden einer laminierten Batteriezelle und möglichen laminierten Batteriezellen und elektronischen Bauteilen für eine Smartcard oder eine andere Erfindung, die eine Batterie und elektronische Bauteile innerhalb einer Karte enthält. Das Blatt 1300, wie in 16A gezeigt, enthält Zellen 1110. Das Blatt enthält auch Faltlinien 1390 und 1392. Das Blatt 1300 ist in individuelle Abschnitte geschnitten, die Faltlinien 1390 und 1392 enthalten sowie eine Batteriezellenstelle 1110. Der Batteriezellenort kann auch Elektroniken enthalten, die auch mit der Batterie abgeschieden werden oder eine Energiequelle auf dem Blatt 1300. Der geschnittene Bereich 1400 enthält einen Bereich, der die Zelle 1100 und zwei Leerbereiche 1402 und 1403 enthält. Der geschnittene Bereich 1400 wird dann gefaltet, wie in 16C gezeigt. Sobald eine Fächerfaltung gebildet worden ist, wird der Zellenbereich 1110 gefangen zwischen zwei unbesetzten Blattbereichen 1402 und 1403 und liefert eine Extraschutzschicht. Die überstehenden Bereiche des Blatts 1300 können getrimmt werden, wie in 16D gezeigt, um eine Smartcard oder eine Karte, enthaltend beides, eine Batterie 1110 und elektronische Bauteile, zu erzeugen, wie in 16E gezeigt.
  • Die 17 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines geschnittenen Bereichs eines Blatts 1300, das eine Batteriezelle 1110 enthält, die um einen Elektromotor 1500 gewickelt ist. In diesem Fall ist der geschnittene Bereich 1300, der eine Zelle 1110 enthält, ein länglicher Streifen 1510 von dem ursprünglichen Blatt 1300. Der längliche Streifen 1510 kann verschiedene Batterien enthalten, die in Serie platziert sind, oder eine längliche Batterie, die niedergelegt ist als ein Streifen auf dem Blatt 1300. Der Elektromotor ist elektrisch verbunden mit der Anode und Kathode der Batterie und dann aufgerollt zu dem Elektromotor 1500. In diesem Fall wird der Streifen 1510, auf dem die Batterie angeordnet worden ist, zu dem Gehäuse für den Elektromotor, oder kann auch als Teil des Gehäuses des Elektromotors angesehen werden. Der Elektromotor kann mit einem Zahnrad 1520 bereitgestellt werden, das verwendet wird, um ein anderes Getriebe 1530 mit einer Welle 1532, die daran angebracht ist, anzutreiben. Wie in 17 gezeigt, ist ein Spannfutter 1540 auf der Welle 1532 platziert, um einen Bohrer oder ein anderes Kraftwerkzeug zu bilden. Vorteilhafterweise kann das Kraftwerkzeug leicht und kompakt sein sowie in der Lage mehrmals wiederaufgeladen zu werden. Das Kraftwerkzeug kann ein Handbohrer sein für den Heimbedarf oder eine kleine Vorrichtung, beispielsweise ein Dremel-Handdrehwerkzeug.
  • Die 18A, 18B, 18C und 18D zeigen verschiedene andere Ausführungsbeispiele einer LED Beleuchtungsvorrichtung, bei der der geschnittene Bereich eines Blatts 1300 das äußere Gehäuse für den Leuchtstift oder die Leuchtvorrichtung wird.
  • 18A zeigt eine geebnete Ansicht einer geschnittenen Batteriezelle 1600, die eine Batterie oder eine Energievorrichtung 1110 und einen Schalter 1602 und eine LED 1604 enthält. Der Schalter 1602, die Batterie 1110 und die LED 1604 bilden ein Blitzlicht oder eine LED Beleuchtungsvorrichtung. Das Blatt enthaltend die geschnittene Batteriezelle und die LED wird über ihren kurzen Rand beginnend an dem Ende, das die LED 1604 enthält, aufgerollt. Die LED wird lediglich in die Batterie gerollt, und die Batterie wird um die erste Rolle herum gebildet, um eine Spirale zu bilden, wie in 18B gezeigt. Die 18B zeigt eine perspektivische Ansicht der geschnittenen Batteriezelle und der LED, nachdem sie in eine Beleuchtungsvorrichtung gebildet worden ist, in welcher das Blatt 1600, in der die Batterie angeordnet ist, ein äußeres Gehäuse wird. Die LED kann aktiviert werden durch Betätigen des Schalters 1604. Durch Aktivieren des Schalters 1604 kann die LED eingeschaltet werden. Das Blatt 1600 dient als ein äußeres Gehäuse der Beleuchtungsvorrichtung 1620.
  • Die 18C und 18D zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Beleuchtungsvorrichtung. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel wird erneut ein Streifen 1600 bereitgestellt mit einem Schalter 1602 und einer LED 1604. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die LED derart positioniert, dass sie sich jenseits der Länge des Blatts 1600 erstreckt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird das Blatt 1600 entlang ihrer längeren Dimension um die LED 1604 gewickelt, um ein verlängertes Gehäuse zu bilden mit der LED 1604 an einem Ende des Gehäuses und einem Schalter 1602 an dem anderen Ende des Gehäuses. Dies bildet eine lichtemittierende Diode-Beleuchtung 1630, in der das geschnittene Blatt 1600 Teil des Gehäuses ist.
  • Die 19A, 19B und 19C zeigen, dass es in manchen Fällen notwendig ist, die Batteriebereiche 1110 und 1110' einer Energiequelle oder einer Leistungsquelle flach und nicht gekrümmt zu halten, wenn sie ausgebildet werden.
  • 19A zeigt ein Blatt 1300, das eine Mehrzahl von individuellen Zellen enthält, wie beispielsweise 1110 und 1110', die längliche Streifen sind und Faltlinien enthalten, wie 1710. 19B zeigt eine Draufsicht eines geschnittenen Streifens 1700 enthaltend eine Mehrzahl von Batteriezellen 1110, 1110' und 1110''. Es sei erwähnt, dass die Batteriezellen 1110'', die nahe einem Ende des Streifens 1700 lokalisiert sind, kleiner sind als die Batteriezellen, die an dem anderen Ende des Streifens 1700 gebildet sind. Beispielsweise hat die Batteriezelle 1110'' eine sehr viel dünnere Breite, während die Batteriezelle 1110 eine mehr rechteckige Form hat. Der Streifen 1700 wird nacheinander gefaltet entlang der Faltlinien 1710, um eine Schachtel von Zellen zu bilden, wie in 19C gezeigt. Die kleineren Zellen 1110'' sind innerhalb oder bilden einen inneren Kern der Schachtel, während die größeren Zellen 1110 äußere Seiten der Schachtel bilden. Jede der Zellen 1110, 1110' und 1110'' und die Zellen zwischen diesen bestimmten Zellen sind in Reihe miteinander geschaltet. Das Endergebnis ist eine würfelförmige Batteriezelle 1720, wie in 19C gezeigt.
  • 20 zeigt eine weggeschnittene Seitenansicht eines Einschlussbereichs, der ein Blatt enthält mit einer Mehrzahl von Batteriezellen. Es sei erwähnt, dass bisher ein Blatt von Batteriezellen diskutiert wurde, wie in 15H gezeigt, das entweder auf der äußeren Oberfläche eines Einschlusses oder auf der inneren Oberfläche eines Einschlusses platziert werden kann oder das gebildet oder aufgebracht werden kann auf einer inneren oder äußeren Oberfläche des Einschlusses. 20 zeigt, dass ein Einschlussbereich 1800 mit einer inneren Oberfläche 1801 und einer äußeren Oberfläche 1802 spritzgussgeformt werden kann um eine Batterie, die auf einem Blatt gebildet ist. Die Batterie kann eine einzelne Batterie sein, wie in 15B gezeigt, oder eine mehrzellige Batterie, wie in 15H gezeigt. Mit anderen Worten, ein Blatt 1820, das eine oder mehrere oder mindestens eine Batteriezelle 1110 enthält, die durch die obigen Verfahren gebildet wird, kann innerhalb einer Form gehalten werden und ein geeigneter Kunststoff kann über oder um die Batteriezelle 1820 spritzgegossen werden. Die Form kann auch einen Stift enthalten, der die Batterie 1820 elektrisch mit der inneren Oberfläche 1801 des Einschlussbereichs 1800 verbindet. Die Stifte sind mit den Bezugszeichen 1821 und 1822 gezeigt.
  • Die 21A zeigt ein Flussdiagramm, das einen Prozess verdeutlicht für Recyclingvorrichtungseinschließungsbereiche oder für recycelbare Batterien 1110 oder Batteriezellen 1110. Da die Batteriezelle 1110 und die Batterien, die aus einer Anzahl dieser Batteriezellen 1110 gebildet sind, mehrmals aufgeladen werden können, wird in Erwägung gezogen, dass jegliche Elektronik, die zu dieser Schaltung gehört, mit der Zeit veraltern kann, wodurch folglich ein Verfahren zum Recycling der Batterien ebenfalls Teil dieser Erfindung ist.
  • Der erste Schritt, der mit dem Bezugszeichen 1900 versehen ist, ist das Bestimmen, ob die Elektronik innerhalb einer Schaltung veraltet ist. Die Elektronik ist typischerweise veraltet aufgrund von technologischen Fortschritten in der Elektronik, die im Laufe der Jahre auftreten. Wenn die Elektronik veraltet ist, dann kann die Batterie 1110 oder eine Reihe von Zellen 1110 entfernt werden von einer Vorrichtungsabdeckung oder einem Einschlussbereich, wie durch das Bezugszeichen 1910 gezeigt. Der nächste Schritt ist das Ersetzen der alten elektrischen Komponenten mit neuen elektrischen Komponenten, wie durch das Bezugszeichen 1920 gekennzeichnet. Dieser erste Prozess ist hilfreich für Einschlussbereiche, wo die Batterie oder eine Anzahl von Zellen 1110 nicht leicht von dem Einschlussbereich entfernt werden kann.
  • Ein zweiter Prozess ist in 21B gezeigt. Der zweite Prozess, der in 19B gezeigt ist, ist hilfreich für Vorrichtungen, in welchen die Batterie 1110 leicht von dem Einschlussbereich entfernt werden kann. Wie vorher der erste Schritt, durch das Bezugszeichen 1930 gekennzeichnet, liegt im Bestimmen, ob die Elektronik veraltet ist. Wenn dies der Fall ist, wird die Batterie 1110 lediglich aus dem Gehäuse für den Einschlussbereich entfernt und zur Verwendung in anderen Einschlussbereichen mit einer ähnlichen Kontur recycelt, wie durch das Bezugszeichen 1950 gezeigt.
  • In einigen Ausführungsbeispielen werden mehrere Zellen in der Originalvorrichtung gestapelt, das Herstellungsverfahren würde Verbindungsanschlüsse enthalten, die zusammengekoppelt sind, um eine entsprechende Zellenkapazität und Spannung für einige bestimmte elektronische Vorrichtungen zu bilden. Bei Erreichen des Endes der Lebenszeit der Vorrichtung können derartige Batteriestapel abgeklemmte Anschlüsse haben oder anderweitig voneinander getrennt werden, so dass der Batteriestapel auseinandergebaut und neu in einer unterschiedlichen Kapazitäts/Spannungs-Konfiguration zusammengebaut werden kann.
  • Design und Herstellung von Festkörperenergiequellen, die mit festkörperintegrierten Schaltungen hergestellt werden.
  • 22A zeigt eine schematische Schaltung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 2200 mit einer integrierten Batterie 2320 und einer Schaltung 2330, die sich einen gemeinsamen Anschluss 2318 teilen. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind mehr als ein Anschluss zwischen der Batterie 2320 und der Schaltung 2330 beispielsweise gemeinsam, wenn die Batterie 2320 einen Stapel enthält mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Zellen, und die Schaltung 2330 verbindet die zwei oder die mehreren unterschiedlichen Anschlüsse in dem Zellenstapel (beispielsweise, wenn jede Zelle eines Zweizellenstapels ein offenes Schaltungspotenzial von 3,6 Volt liefert, kann die Schaltung 2330 mit dem oberen Bereich des Zellenstapels für einen Teil seiner Schaltung, die 7,2 Volt benötigt, verbunden werden, und ebenfalls mit einem mittleren Anschluss des Zellenstapels für einen Teil seiner Schaltung, die 3,6 Volt benötigt, oder eine aufgespaltete Spannungsbatterieversorgung kann verdrahtet sein, um eine Masseverbindung mit dem mittleren Anschluss und plus und minus 3,6 Volt am oberen und unteren Bereich des Stapels zu erzeugen). Der gemeinsame Anschluss 2318 verbindet die Batterie 2320 mit der Schaltung 2300, und optional kann sie hier herausgebracht werden als eine Verbindung zu anderen Komponenten. In einigen Ausführungsbeispielen verbindet der gemeinsame Anschluss die Kathode der Batterie 2320 mit der Schaltung 2330; in anderen Ausführungsbeispielen verbindet der Anschluss 2318 die Anode der Batterie 2320 mit der Schaltung 2320, wie in 22A gezeigt. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Schaltung 2330 einen oder mehrere Leiter 2317, die verwendet werden, um zu anderen Komponenten und/oder zu anderen Verbindungen zu der Batterie 2320 verwendet zu werden. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Batterie 2320 einen oder mehrere Leiter 2319, die verwendet werden, um zu den anderen Komponenten zu verbinden und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Schaltung 2330. In anderen Ausführungsbeispielen ist der Anschluss 2317 der Schaltung 2330 direkt mit dem Anschluss 2319 der Batterie 2320 verbunden, um eine vollständige Vorrichtung zu bilden, und keine Verbindung erfolgt zu den anderen externen Vorrichtungen unter Verwendung der Anschlüsse 2317, 2318 oder 2319. Man beachte, die Schaltung 2330 kann irgendeinen Typ von Schaltung enthalten, beispielsweise wie in den 23 bis 26 gezeigt, Leiterbahnen 2332–2337, eine oder mehrere aktive oder passive Vorrichtungen, wie integrierte Schaltungen 2340, Schalter, Lichtquellen, LCD Anzeigen, photovoltaische Zellen, etc.
  • Die 22B zeigt ein Blockdiagramm in perspektivischer Ansicht einer integrierten Vorrichtung 2201, die die Schaltung 2200 gemäß 22A implementiert, mit der Schaltung 2330 auf der Batterie 2320 gebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einigen Ausführungsbeispielen, wie in 22B gezeigt, die Batterie 2320 angeordnet oder zuerst hergestellt (beispielsweise auf einem Polymersubstrat) und eine spätere Schaltung 2330 wird aufgebracht oder herstellt auf einer Oberfläche einer Batterie 2320. In einigen Ausführungsbeispielen, wie in 22B gezeigt, enthält eine obere Fläche einer die Schaltung 2330 implementierenden Vorrichtung einen oder mehrere Leiter 2317, die verwendet werden, um zu anderen Komponenten zu verbinden und/oder zu den anderen Verbindungen zur Batterie 2320. In einigen Ausführungsbeispielen enthält eine Bodenfläche der Batterie 2320 einen oder mehrere Leiter 2319, die verwendet werden, um zu anderen Komponenten zu verbinden und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Schaltung 2330. In einigen Ausführungsbeispielen ist eine obere Fläche der Batterie 2320 (eine Fläche, die benachbart zu der Schaltung 2330 hergestellt wird) teilweise freigelegt und enthält einen oder mehrere Leiter 2318, die verwendet werden, um zu den anderen Komponenten zu verbinden und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Schaltung 2330. 23 und 24A zeigen einige Beispiele von Vorrichtungen 2300 und 2400, die beispielhafte Ausführungsformen der Vorrichtung 2201 gemäß 22B sind.
  • 22C zeigt ein Blockdiagramm in perspektivischer Ansicht einer integrierten Vorrichtung 2202, die die Schaltung 2200 gemäß 22A implementiert mit der Batterie 2320, die auf der Schaltung 2330 gebildet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einigen Ausführungsbeispielen, wie in 22C gezeigt, die Schaltung 2330 aufgebracht oder hergestellt als erstes (beispielsweise ein integrierter Schaltungschip, der auf einem Siliziumsubstrat gebildet wird) und eine spätere Batterie 2320 wird aufgebracht oder hergestellt auf einer Oberfläche der Batterie 2320. In einigen Ausführungsbeispielen, wie in 22B gezeigt, wird eine obere Fläche der Vorrichtung, die die Schaltung 2330 implementiert, teilweise freigelassen und enthält einen oder mehrere Leiter 2317, die verwendet werden zur Verbindung mit anderen Komponenten und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Batterie 2320. In einigen Ausführungsbeispielen enthält eine obere Fläche der Batterie 2320 einen oder mehrere Leitungen 2319, die verwendet werden zur Verbindung zu anderen Komponenten und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Schaltung 2330. In einigen Ausführungsbeispielen ist eine obere Fläche der Schaltung 2330 (die Fläche, die benachbart zu der Schaltung 2330 hergestellt wird) teilweise freigelegt und enthält einen oder mehrere Leitungen 2318, die verwendet werden zur Verbindung zu anderen Komponenten und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Schaltung 2330. 25A und 26A zeigen einige Beispiele von Vorrichtungen 2500 und 2600, die Ausführungsformen der Vorrichtung 2202 von 22C sind.
  • 22D zeigt eine schematische Schaltung 2205 eines Ausführungsbeispiels einer integrierten Batterie 2320 und eine Schaltung 2300, die jeweils separate elektrisch isolierte Anschlüsse haben. Derartige Ausführungsbeispiele sind im Wesentlichen identisch zu den Ausführungsbeispielen der 22A, 22B und 22C, ausgenommen, dass der Isolator zwischen dem Anschluss 2318 der Batterie 2320 und der Anschluss 2316 der Schaltung 2300 diese elektrisch getrennt hält.
  • 22E zeigt ein Blockdiagramm in perspektivischer Ansicht einer integrierten Vorrichtung 2206, die die Schaltung 2205 gemäß 22D implementiert, mit der Schaltung auf der Batterie gebildet. Derartige Ausführungsbeispiele sind im Wesentlichen identisch zu den Ausführungsbeispielen der 22B, ausgenommen, dass ein Isolator 2331 auf der Batterie 2320 abgeschieden ist, bevor der Rest der Schaltung 2330 aufgebracht oder hergestellt wird. In einigen Ausführungsbeispielen bleibt ein Teil der oberen Fläche der Batterie 2320 teilweise freigelegt und enthält einen oder mehrere Leitungen 2318, die verwendet werden zur Verbindung zu anderen Komponenten und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Schaltung 2330. In einigen Ausführungsbeispielen ist ein Bereich der oberen Fläche der Isolatorschicht 2331 mit einer Leitung bedeckt und teilweise freigelegt und enthält einen oder mehrere Leitungen 2316 von der Schaltung 2330, die verwendet werden zur Verbindung zu anderen Komponenten und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Batterie 2320.
  • 22F zeigt ein Blockdiagramm in perspektivischer Ansicht einer integrierten Vorrichtung 2207, die die Schaltung 2205 gemäß 22D implementiert, mit der Batterie 2320 jedoch isoliert von der Schaltung 2330 gebildet. Derartige Ausführungsbeispiele sind im Wesentlichen identisch zu den Ausführungsbeispielen gemäß 22C, ausgenommen, dass der Isolator 2331 auf der Schaltung 2330 aufgebracht wird, bevor der Rest der Batterie 2320 aufgebracht oder hergestellt wird. In einigen Ausführungsbeispielen bleibt ein Bereich der oberen Fläche der Schaltung 2330 teilweise freigelegt und enthält zwei oder mehr Leitungen 2316 und 2317, die verwendet werden zur Verbindung zu anderen Komponenten und/oder zu anderen Verbindungen zu der Batterie 2320. In einigen Ausführungsbeispielen wird ein Bereich der oberen Fläche der Isolatorschicht 2331 bedeckt mit einer Leitung und teilweise freigelegt und enthält einen oder mehrere Leitungen 2318 von der Batterie 2320, die verwendet werden zur Verbindung zu anderen Komponenten und/oder zu den anderen Verbindungen zu der Schaltung 2330.
  • 22G zeigt ein Blockdiagramm in perspektivischer Ansicht einer integrierten Vorrichtung 2207, die die Schaltung 2200 gemäß 22A implementiert, mit der Batterie 2320 und der Schaltung 2330 Seite an Seite auf einem Substrat 2310 gebildet. In einigen Ausführungsbeispielen wird ein Muster von leitenden Bereichen oder Bahnen auf dem Substrat 2310 aufgebracht, und die nachfolgende Schicht(en) der Batterie 2320 und die Schaltung 2330 werden dann aufgebracht. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Schaltung 2330 nur diese leitenden Bahnen. In anderen Ausführungsbeispielen sind einer oder mehrere der Verfahrensschritte oder aufgebrachten Schichten der Batterie 2320 und Schaltung 2330 gemeinsam, und werden folglich zum gleichen Zeitpunkt für beide, die Schaltung 2330 und die Batterie 2320 durchgeführt, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht wird, die Geschwindigkeit und die Herstellungsausbeute erhöht wird und die Herstellungskosten reduziert werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Bahn 2318 auf dem Substrat 2310 aufgebracht und bildet eine gemeinsame elektrische Bodenverbindung für beide, die Schaltung 2330 und die Batterie 2320. Andere Aspekte von 22G können durch Bezugnahme auf die 22A–22C verstanden werden.
  • 22H zeigt ein Blockdiagramm in perspektivischer Ansicht einer integrierten Vorrichtung 2208, die eine Schaltung 2205 gemäß 22D implementiert, mit der Batterie 2320 und der Schaltung 2330 Seite an Seite auf einem Substrat 2310 gebildet. Dieses Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen identisch zu dem gemäß 22G, ausgenommen, dass separate Bahnen für die Signale 2316 und 2318 bereitgestellt sind.
  • 23 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 2300 der vorliegenden Erfindung mit einer Batterie 2320, auf der eine Schaltung überlagert ist. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Substrat 2310 ein Leiter wie ein dünnes Metallblatt und überlagert mit einer Isolatorschicht 2312, und dann die Bodenleitungsschicht 2322 der Batterie 2320. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Isolatorschicht 2312 und die Bodenleitungsschicht 2322 weggelassen, und das leitfähige Substrat 2310 selbst bildet die Bodenleitungsschicht für die Batterie 2320. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Batterie 2320 eine Dünnfilmbatterie, die durch einen Prozess abgeschieden wird, und eine Struktur aufweist, wie in den 1B bis 8 beschreiben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Batterie 2320 eine Bodenleitschicht/elektrischen Kontakt 2322 und eine obere Schicht/elektrischen Kontakt 2324, und ist abgedeckt durch eine schützende/elektrisch isolierende Schicht 2331, die eine oder mehrere Öffnungen oder Anschlusslöcher für elektrische Verbindungen hat, beispielsweise ein Loch, durch welches ein Anschluss/Bahn 2332 die Batterie 2320 verbindet. In einigen Ausführungsbeispielen ist der obere Leiter 2324 der Batterie 2320 die Anodenverbindung. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung zu der tieferen leitenden Schicht/elektrischer Kontakt 2322 von dem Anschluss/der Bahn 2334 eine leitende Bahn, die über die Seite der Batterie 2320 aufgebracht ist, zu einem erweiterten Kontaktbereich 2333. In einigen Ausführungsbeispielen sind zusätzliche Verbindungsanschlüsse/Bahnen 2335, 2336 und 2337 angeordnet, beispielsweise unter Verwendung einer Schattenmaske, die definiert, wo die Bahnen verlaufen, und eine Metall-Evaporationsquelle PVD Quelle CVD Quelle, Sputterquelle oder andere Quelle, um die Leitung, die niedergelegt wird, zu liefern. In anderen Ausführungsbeispielen wird eine leitende Schicht für die Schaltung 2330 über einer gesamten oberen Fläche aufgebracht, und die ungenutzten Bereiche werden entfernt, beispielsweise unter Verwendung von Photolithographie und Ätztechniken. In einigen Ausführungsbeispielen werden mehrere Schichten der Reihe nach aufgebracht, wobei diese Schichten Leitungen, Isolatoren, Halbleiter (beispielsweise Polysilizium oder Polymerhalbleiter), Elektrolyte, Passivierungsschichten, mechanische Schutzschichten, Dichtungen, Reaktanten oder Edukten (Englisch: reactants) (beispielsweise Sensormaterialien, die beispielsweise auf Rauch, Stickstoffdioxid, Antikörper, DNA, etc. reagieren) und/oder dekoratives Muster, Topographie, Design oder Farbschichten.
  • Einige Ausführungsbeispiele enthalten ferner eine separat hergestellte Schaltung 2340, die gebondet wird (beispielsweise geklebt oder verlötet) zu dem Rest der aufgebrachten Schaltung 2330, beispielsweise eine Flip-Chip integrierte Schaltung 2340 mit einer Erhebung (Englisch: bump), Ball oder Ball-Netzanordnungsverbindungen 2341, wie in 23 gezeigt. In anderen Ausführungsbeispielen werden gepackte Chips verwendet, beispielsweise J-leaded, gull-wing-leaded, In-Line-Pin oder andere Plastik oder Keramik eingekapselte Chip Packungen.
  • 24A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 2400 der vorliegenden Erfindung mit einer Batterie 2320, auf der eine integrierte Vorrichtung 2430 überlagert ist. In einigen Ausführungsbeispielen ist die integrierte Vorrichtung 2340 ein sog. Superkondensator, der entweder auf einer Ladungsansammlung auf gegenüberliegenden Seiten auf einem Isolator (wie in einem Kondensator) basiert oder auf einem Ionentransport über ein Elektrolyt (wie in einer Batterie) oder auf beidem, einer Ladungsakkumulation und einem Ionentransport, um elektrische Energie zu speichern. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die integrierte Vorrichtung 2340 eine photovoltaische Zelle eines herkömmlichen Aufbaus, die direkt auf der Batterie 2320 aufgebracht wird.
  • Einige Ausführungsbeispiele enthalten ferner eine separat hergestellte Schaltungsvorrichtung, wie einen integrierten Schaltungschip 2440, der drahtgebondet mit der Vorrichtung 2430 ist unter Verwendung des Drahts 2441, zu dem Vorrichtungs-Batterie gemeinsamen Anschluss 2324 unter Verwendung des Drahts 2443 und zu einem Bodenbatteriekontakt 2322 unter Verwendung des Drahts 2442. Beispielsweise enthält in einem Ausführungsbeispiel mit einer Superkondensatorvorrichtung 2430 die integrierte Schaltung 2430 eine drahtlose Kommunikationsschaltung, die die Batterie für die gesamte Leistung verwendet, die notwendig ist und verwendet die Superkondensatorvorrichtung 2430 für eine schnelle Stoßleistung, wie sie für das Senden von kurzen Datenstücken an eine Antenne erforderlich ist. Andere Ausführungsbeispiele enthalten andere hergestellte Schaltungsvorrichtungen, wie Schalter, LEDs oder andere Lichtquellen, LCD Anzeigen, Antennen, Sensoren, Kondensatoren, Widerstände, etc., die zu der Vorrichtung 2400 verdrahtet sind.
  • In einem Ausführungsbeispiel enthält die Batterie 2320 eine Bodenleitungsschicht aus Platin (beispielsweise 0,5 Mikrometer dick), eine Kathode aus Lithiumkobaltoxid, die abgedeckt ist durch ein LiPON Elektrolyt und eine Karbonanode und eine obere Elektrode aus Platin. Auf einem oberen Bereich dieser Anordnungen (Abscheidungen) enthält die Vorrichtung 2430 eine Schicht aus Rutheniumoxid, ein Elektrolyt aus LiPON, eine andere Schicht aus Rutheniumoxid und eine obere Schicht aus Platin. Eine derartige Vorrichtung 2430 würde Energie speichern durch Transportieren von Lithiumionen, die hergeleitet werden von dem LiPON Elektrolyt von einer zur anderen von der oberen und unteren Fläche des Elektrolyts, sowie beispielsweise durch Bewegung von Ladung (Elektronen) zu einer gegenüberliegenden Fläche. Eine derartige Vorrichtung liefert eine höhere Stromladerate als eine vergleichbare Batterie, und einen höheren Energiespeicher als ein vergleichbarer Kondensator. Die vorliegende Erfindung, die ein ionenunterstütztes Abscheiden enthält, liefert Kathodenfilme höherer Qualität (bessere Kristallorientierung) und bessere Elektrolytfilme (bessere Isolierung und weniger Nadellochdefekte für eine gegebene Dicke, wodurch dünnerer Elektrolytfilme ermöglicht werden, die eine Ionentransportrate erhöhen), und bessere kondensatordielektrische Filme (bessere Isolation und weniger Nadellochdefekte für irgendeine gegebene Dicke, wodurch dünnere dielektrische Filme ermöglicht werden, die eine dielektrische Isolation, Kapazität und Ladungsspeicher erhöhen). In einigen Ausführungsbeispielen ist eine Kondensatorisolatorschicht aus Bariumstrontiumtitanat.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist eine Kathodenschicht aus einem Lithiumkobaltoxid abgedeckt durch eine LiPON Elektrolytschicht und eine Lithium (0,5)-Kobaltoxidanodenschicht. Diese Anodenschicht ist nicht stöchiometrisch abgeschieden unter Verwendung einer Quelle, die übermäßig Kobalt und Sauerstoff relativ zu Lithium hat, verglichen zu der, die für die Kathode verwendet wird, und verschiedene Ausführungsbeispiele verwenden unterschiedliche Lithiumverhältnisse.
  • Design und Herstellung von Festkörperenergiequellen, die hergestellt werden als Laminate auf einem starren oder flexiblen Direktenergieumwandlungsmaterial oder direktes Energieumwandlungsmaterial (Englisch: direct energy conversion material), wie Photovoltaik oder photovoltaisches Material (Englisch: photovoltaic).
  • Grundsätzlich erfordern alle elektronischen Bauteile Energie zum Arbeiten und zum Durchführen gewünschter Funktionen. Die Energie kommt typischerweise von entweder einer AC Quelle, wie einem elektrischen Hauswandanschluss oder einer Batterie, die in der Packung der elektronischen Vorrichtung montiert ist. In letzter Zeit sind Fortschritte bei der Umwandlung von Wärme und Licht in Energie gemacht worden in dem Bereich einer Direktenergieumwandlung (beispielsweise Photovoltaikzellen). Dies hat das Potenzial einen großen Prozentsatz des Weltenergiebedarfs in einer sauberen und sicheren Art und Weise zu liefern. Ein Problem dieser Verfahren der Energielieferung liegt in der zyklischen Natur der Energie, die umgewandelt wird. Egal ob Wärme oder Licht, die Quelle ist normalerweise für sechs bis zwölf Stunden nicht verfügbar, was eine Nullausgabe von der Einheit zur Folge hat. Ein Weg zur Lösung dieses Problems ist die Lieferung einer Batterie mit der Einheit, um die Energie während der Zeitperioden geringen Lichts oder geringer Wärmeeingabe zu liefern. Dies ist jedoch nicht eine ideale Lösung für wiederaufladbare Batterien, die träge und fehleranfällig sind nach mehrmaligen Lade/Entladezyklen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch Integrieren einer Festkörperlithiumbatterie direkt auf dem Energieumwandlungssubstrat. Die vorliegende Batterie hat einen Vorteil gegenüber gegenwärtigen Technologien dadurch, dass sie nicht anfällig ist für Fehler und für Speicherprobleme über Zehntausende Lade/Entladezyklen, eine sehr hohe Kapazität und leicht ist, und die nahezu auf jedem Substrat in kostengünstiger Weise hergestellt werden kann. Das resultierende Produkt ist eine zuverlässige, transportable Energiequelle mit einer stetigen Ausgabe über ausgedehnte Zeitperioden von Regen oder Sonnenschein, Nacht oder Tag, warm oder kalt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Festkörperprozesse verwendet zur Herstellung von Direktenergieumwandlungsmaterialien und einem Energiespeicher auf dem gleichen Substrat. Dies ist möglich durch Verwendung von Niedertemperaturprozessen für die oben beschriebenen Festkörperbatterien.
  • 24B zeigt ein Blockdiagramm eines Batterieschichtabscheidungssystems 2460. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das System 2460 eine Lieferrolle 2461, eine Abscheidungskammer 2462, die eine oder mehrere Schichten der Batterie 2320 auf einem Substrat 2410 wie oben beschrieben abscheidet, und eine Aufnahmerolle 2463. Typischerweise ist die Abscheidungskammer 2462 eine Vakuumkammer, die die Lieferrolle 2461 und die Aufnahmerolle 2463 einschließt, und nachfolgend eine Mehrzahl von Schichten abscheidet, wobei jede oder mehrere der Schichten unmittelbar behandelt werden (beispielsweise durch Ionenunterstützung, Laseroberflächenerwärmung, Wärmeoberflächenerwärmung oder kinetische Behandlung), gemäß der vorliegenden Erfindung, um eine qualitativ hochwertige Oberflächenstruktur zu bilden, so dass die Schicht oder die Schichten vor nachfolgenden Schichten abgeschieden werden können, und ohne eine wesentliche Erwärmung der darunterliegenden Schicht(en) oder des Substrats. Für Schichten, die dicker sein müssen, wird eine längere Abscheidestation bereitgestellt als die Station für dünnere Schichten. In einigen Ausführungsbeispielen wird die untere Kontaktschicht 2322 auf einen Startsubstratfilm, Gewebe oder eine Folie 2410 abgeschieden, dann werden die Kathode, das Elektrolyt, die Anode und die Anodenkontaktschichten abgeschieden, wobei die Kathodenschicht und/oder die Elektrolytschicht behandelt werden (beispielsweise durch einen Ionenunterstützungsstrahl) bevor nachfolgende Schichten abgeschieden werden.
  • 24C zeigt das resultierende Stück 2464, das ein kontinuierliches Blatt von Substratmaterial 2410 mit Batterien 2320 darauf abgeschieden ist. Dieses teilweise gebildete Stück 2464 wird dann verwendet als Lieferrolle 2466 des Schichtabscheidungssystems 2465 gemäß 24D.
  • 24D zeigt ein Blockdiagramm eines Energieumwandlungs-Schichtabscheidesystems 2465. In einigen Ausführungsbeispielen scheidet das System 2565 Schichten ab, die eine Photovoltaikzelle 2430 auf einer Batterie 2320 gemäß 24A bilden. In einigen Ausführungsbeispielen sind das System 2460 und das System 2465 in ein eigenes System integriert mit einer einzelnen Lieferrolle 2461 und einer einzelnen Aufnahmerolle 2468, und mit Schichten der Batterie 2320 und der Photovoltaikzelle 2430 ausreichend abgeschieden. In anderen Ausführungsbeispielen sind andere Typen von Vorrichtungen 2430 abgeschieden, wie beispielsweise Kondensatoren, Antennen, Schaltungen, Transducer, Sensoren, Magneto-Widerstände (beispielsweise Giant-Magneto-Widerstandstyp), etc.
  • 24E zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Blatts 2469, das das Ergebnis der Verarbeitung durch die Systeme 2460 und 2465 ist. Das Blatt 2469 wird dann geschnitten oder gewürfelt in individuelle Vorrichtungen 2400. Die 24F zeigt eine perspektivische Ansicht von drei gewürfelten Endvorrichtungen 2400. In anderen Ausführungsbeispielen ist das Blatt 2469 in eine gewünschte Anzahl von Vorrichtungen 2400 geschnitten.
  • In anderen Ausführungsbeispielen haben die Systeme 2460 und 2465 eine Batterie 2320 und eine photovoltaische Zelle 2300 Seite an Seite auf einer Fläche des Substrats 2310, wie in 22G und in 22H gezeigt. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen ist eine oder sind mehrere Schichten, die für die Batterie 2320 angeordnet sind, ebenfalls angeordnet für die photovoltaische Zelle 2330 gleichzeitig mit dem gleichen Abscheidematerial, wodurch Prozessschritte gespart werden können, aber eine breitere Vorrichtung gebildet wird als bei einem Stapeln gemäß 24A.
  • 25A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 2500 der vorliegenden Erfindung mit einer integrierten Schaltung 2510, über die eine Batterie 2320 überlagert ist. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die integrierte Schaltung 2510 eine obere Isolatorschicht 2511 mit einer Mehrzahl von Anschlusslöchern oder Öffnungen 2512 für die aktive Oberfläche der integrierten Schaltung 2510 (die Seite mit Vorrichtungen und Anschlüssen). Zwei von diesen Anschlusslöchern werden als Kontakte 2514 und 2515 zwischen der integrierten Schaltung 2510 und der Batterie 2320 verwendet. Die Batterie 2320 wird abgeschieden (angeordnet) wie gemäß 23 beschrieben. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Batterie 2320 auf einem integrierten Schaltungswafer abgeschieden, bevor die integrierte Schaltung 2510 von den anderen integrierten Schaltungen weggeschnitten wird. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Batterie 2320 auf der integrierten Schaltung 2510 abgeschieden, nachdem die integrierte Schaltung 2510 von den anderen Schaltungen weggeschnitten wurde. Einige Ausführungsbeispiele enthalten ferner eine Passivierungsschicht über der oberen Seite und Seiten der Batterie 2320, wie die Schicht 2331 gemäß 23.
  • In anderen Ausführungsbeispielen wird eine Schaltung, wie etwa die Schaltung 2330 gemäß 23 verwendet anstelle der integrierten Schaltung 2510 gemäß 25A. Folglich wird ein Muster von Durchgangslöchern und/oder andere Vorrichtungen auf einem Substrat angeordnet, und die Batterie 2320 wird abgeschieden auf dem oberen des vorbestimmten Schaltkreises/Substrats, wie in 25A gezeigt. In einigen Ausführungsbeispielen wird eine photovoltaische Zelle verwendet als eine Schaltungsvorrichtung/Schaltungssubstrat, und die Batterie 2320 wird direkt auf einer vorgefertigten photovoltaischen Zelle angeordnet. In einigen Ausführungsbeispielen wird eine integrierte Schaltung, wie 2440 gemäß 24A mit der Batterie 2320 verdrahtet und mit der vorgefertigten photovoltaischen Zelle, um das Laden der Batterie von der Zelle und/oder das Verwenden der Energie für andere Vorrichtungen (beispielsweise eine Lichtquelle oder Hörgerät) von der Photozelle während Zeitperioden mit viel Menge an Licht und verfügbarer Energie von der photovoltaischen Zelle zu steuern, und unter Verwendung der Energie von der Batterie während Zeitperioden mit wenig oder gar keinem Licht und verfügbarer Energie von der photovoltaischen Zelle.
  • Im Grunde benötigen alle elektronischen Bauteile Energie zum Arbeiten und führen gewünschte Funktionen durch. Diese Energie kommt typischerweise entweder von einer AC Quelle, wie einem elektrischen Anschluss oder einer Batterie, die in einer Packung der elektronischen Vorrichtung enthalten ist. Bis in die letzten Jahre hinein war dieser Ansatz akzeptabel trotz der Ineffizienz, die beides, Energie und Naturressourcen verschwendet hat, da das Vorrichtungsgehäuse groß genug sein musste, um den Energiepack oder die Umwandlungselektronik zu enthalten. Mit zunehmender elektronischer Komplexität wird das Vergeuden von Platz und Energie ein Thema, da die Benutzeranforderungsschnittstelle mit der Energiequelle für Bereiche auf der Vorrichtung konkurriert. Die Anwendung des Festkörperbatterieprozesses der vorliegenden Erfindung erlaubt eine Nebenherherstellung von Elektronikteilen und zugehöriger Energiequelle zusammen auf einem Chip.
  • Festkörperprozesse werden verwendet, um Elektronikteile und die wiederaufladbare Festkörperbatterie auf einem gemeinsamen Substrat gleichzeitig herzustellen, wie auf einem Silizium, das für IC Verarbeitung verwendet wird. Dies ist möglich durch Verwenden von Niedertemperaturverfahren für die oben beschriebenen Festkörperbatterien.
  • Bezugnehmend auf 25A wird in einigen Ausführungsbeispielen die integrierte Schaltung (IC) 2510 in Waferform normal verarbeitet durch ein abschließendes Passivieren enthaltend ein Bond-Anschlussätzen. Alle thermischen Verarbeitungen, die für die Elektronik notwendig sind, werden herkömmlich durchgeführt. Der IC in Waferform wird an eine Backend-Energieverarbeitung gesendet. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das Design der IC Elektronikteile zum Steuern des Wiederaufladens der Festkörperenergiequelle; Kontaktdurchgangslöcher zum Verbinden der Kathodenplatte und der Anodenplatte mit der Schaltung. Unter Verwendung von Schattenmasken mit ausreichender Überlagerungsgenauigkeit werden die notwendigen Komponenten der Energiestruktur 2320 abgeschieden (aufgebracht) unter Verwendung von PVD oder CVD, wie oben beschrieben. Ein abschließendes Passivierungsbeschichten (beispielsweise 2331 gemäß 23) wird für den Energiestapel angewendet. Der IC in Waferform mit der Energiequelle, die integriert ist, wird zum Testen, Schneiden und Verpacken weitergeleitet. Dies liefert eine Integration von Elektronikteilen und von festkörperwiederaufladbaren Batterien durch Nebeneinanderherstellen.
  • Design und Herstellung von Festkörperenergiequellen, die hergestellt werden als Laminate auf der Aufmachung, der Verpackung oder dem Gebinde (Englisch: packaging) für die Vorrichtung, die die Energiequelle mit Energie versorgen wird.
  • Festkörperprozesse werden verwendet zur Nebeneinanderherstellung von Elektronikteilen und Verpackung. Dies ist möglich durch Verwendung von Niedertemperaturprozessen für die oben beschriebenen Festkörperbatterien.
  • Die 25B–25E zeigen eine Herstellungssequenz für die gleichzeitige Herstellung von festkörperintegrierten Schaltungen und Festkörperenergiequelle wie oben beschrieben, aber auf einem verpackten oder umpacktem (Englisch: packaged) IC 2540. 25B zeigt eine Draufsicht und 25C zeigt eine Erhebungsansicht von IC 2540. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das IC 2540 einen Siliziumchip 2545 mit integrierten Komponenten, wie Transistoren, Widerstände, Speicher, etc., ein unteres Substrat 2540 und ein Verdrahtungssubstrat 2544 mit aufgebrachter Verdrahtung 2540, die sich zu Bonddurchgangslöchern 2542 erstreckt. Die 25D zeigt eine Draufsicht und 25E zeigt eine Erhebungsansicht eines integrierten Batterie-IC 2501. Die Batterie-IC 2501 enthält eine Kathode 2326 (beispielsweise Lithiumkobaltoxid), eine Elektrolytschicht 2327 (beispielsweise LiPON) und eine Anodenschicht 2328 (beispielsweise enthaltend Kupfer, Karbon, Lithium, Lithium-Magnesium und/oder andere geeignete Anodenmaterialien). Die Passivierungsabdeckungsschicht 2329, die geeignet ist zum Schützen der inneren Komponenten der Batterie 2320 wird dann abgeschieden oder gewachsen.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Produktverpackung 2540 durch ein herkömmliches Mittel gebildet. Sämtliche Maschinenarbeit und das Reinigen werden durchgeführt. Die Verpackung 2540 wird dann an die Energieverarbeitung zum Abscheiden, zur Abscheidung, Aufbringung oder Ablagerung (Englisch: deposition) der Batterie 2320 oder einer anderen Energiespeichervorrichtung gegeben. Das Design der Verpackung enthält einen geeigneten Bereich 2549 zur Aufbringung der Batteriekomponenten. Unter Verwendung von Schattenmasken mit ausreichender Überlagerungsgenauigkeit werden die notwendigen Komponenten der Energiestruktur (beispielsweise eine Batterie und/oder photovoltaische Zelle) unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren abgeschieden. Eine endgültige Passivierungsabdeckung 2329 wird für die Energiestapelstruktur angewendet.
  • Die Einheit oder Verpackung oder das Gehäuse (Englisch: package) mit der Energiestruktur, die integriert ist, wird zum Zusammenbau weitergegeben.
  • In einem Ausführungsbeispiel werden weitere Elektronikteile angebracht an der Verpackungs/Energie-Einheit oder Gehäuse/Energie-Einheit (Englisch: package/energy entity) 2501 mittels Kleben. Die Elektronikteile werden dann hartverdrahtet mit der Verpackungs/Energie-Einheit. In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Elektronikteile direkt montiert an der Verpackungsanergie-Einheit 2501 mittels Löten. In einigen Ausführungsbeispielen ist der gesamte Aufbau optional eingekapselt, und wird dann durch die Verpackungsabdeckung abgedichtet. In anderen Ausführungsbeispielen wird die Batterie auf einem Substrat gebildet, das als Verpackungsmaterial geeignet ist. Das Substrat wird in individuelle Verpackungsformen gebildet. Die Verpackung mit der integrierten Energiestruktur wird zum Zusammenbau weitergesendet.
  • Die vorliegende Erfindung liefert folglich eine integrierte Produktverpackung und festkörperwiederaufladbare Batterien zur gleichzeitigen Herstellung, wobei die Batterie auf der bereits gebildeten Verpackung angeordnet wird. Die vorliegende Erfindung liefert auch eine integrierte Produktverpackung und festkörperwiederaufladbare Batterien zur gleichzeitigen Herstellung, wobei die Batterie auf einem geeigneten Verpackungsmaterial abgeschieden wird, und dann in die Verpackung ausgebildet wird.
  • Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Anbringen von Elektronikteilen an einem Verpackungs/Energie-Hybrid oder Gehäuse/Energie-Hybrid (Englisch: package/energy-hybrid), wobei die Elektronikteile mit Kleber montiert werden und dann fest verdrahtet werden mit der Energiequelle. Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Anbringen von Elektronikteilen an einem Verpackungs/Energie-Hybrid, wobei die Elektronikteile an der Energiequelle über Verlötung angebracht werden.
  • 25F zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2560, das dem gemäß 24B ähnlich ist, jedoch statt der Verwendung eines Blatts aus Polymer oder einem anderen homogenen Substratmaterial 2410 beginnt das System 2560 mit einem Blatt 2561, das eine Mehrzahl von verarbeiteten Schaltungen 2540 hat.
  • 25G zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Blatts 2569. Das Blatt 2569 enthält eine Mehrzahl von vorverarbeiteten Schaltungen 2540, die jeweils eine Batterie 2320 haben, die darauf durch das System 2560 abgeschieden wird. Das Blatt 2569 wird dann geschnitten oder gewürfelt in individuelle Vorrichtungen 2501. 26A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 2600 der vorliegenden Erfindung mit einer integrierten Schaltung 2510, die auf deren Rücken mit einer Batterie 2320 überlagert ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu dem gemäß 25A, ausgenommen, dass die Batterie 2320 hinten auf der IC 2510 abgeschieden ist, und Drähte mit dem Kontakt 2514 verbondet sind unter Verwendung des Drahts 2614 und mit dem Kontakt 2515 unter Verwendung des Drahts 2615.
  • In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Vorrichtung 2600 ferner eine Vorrichtung 2650, wie eine photovoltaische Zelle, die auf einer Oberfläche der integrierten Schaltung 2510 hergestellt ist, beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite, wie die, die zur Batterie 2320 weist. In einigen Ausführungsbeispielen liefert eine derartige photovoltaische Zelle 2650 Energie an den IC 2510 für beides, den Betrieb der IC 2510 und für das Laden der Batterie 2320 während Zeitperioden mit relativ hellem Licht, und dann liefert die Batterie 2320 Energie an die IC 2510 für den Betrieb während Zeitperioden relativ dunkel oder ohne Licht. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Vorrichtung 2600 eine oder mehrere Vorrichtungen 2650, wie einen Tonwandler (Englisch: sound transducer) für derartige Anwendungen als Hörgerät mit kombinierter Transducer-Batterie-Verstärkervorrichtung. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen werden eine photovoltaische Zelle 2650 und ein oder mehrere Tonwandler (Englisch: sound transducer) 2650 abgeschieden, um lichtwiederaufladbare Hörgeräte zu liefern, die aus dem Ohr bei Nacht genommen werden können, und in einem lichtausstrahlenden Aufladeständer platziert werden können (beispielsweise wie in 27L gezeigt), wodurch die Notwendigkeit entfällt, Batterien zu ersetzen oder die Notwendigkeit einer elektrischen Verbindung mit einer externen Aufladeschaltung. In einigen Ausführungsbeispielen ist eine photovoltaische Zelle und/oder ein Tonwandler (Englisch: sound transducer) abgeschieden auf einer Fläche der Vorrichtung 2660 zum Wiederaufladen und zum Tonaufnehmen, und ein Tonwandler (Englisch: sound transducer) ist auf einer gegenüberliegenden Fläche aufgebracht zur Verwendung als Lautsprecher für Anwendungen, wie Hörhilfe.
  • In einem noch anderen Ausführungsbeispiel enthält 2600 ferner eine Vorrichtung 2650, wie einen magnetresistiven Sensor, der hergestellt wird auf einer Oberfläche der integrierten Schaltung 2510, beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite, wie die, die zur Batterie 2320 weist. Eine derartige Vorrichtung 2600 könnte in einem Kompass beispielsweise verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsbeispielen enthält das Ausführungsbeispiel 2600 ferner eine Antenne oder eine elektromagnetische Strahlungsempfangsschleife 2660, die auf einer Oberfläche der integrierten Schaltung 2510 hergestellt wird, beispielsweise auf einer gegenüberliegenden Seite wie die, die zur Batterie 2320 weist. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen enthält die Vorrichtung 2600 auch eine oder mehrere Vorrichtungen 2650, wie Tonwandler (Englisch: sound transducer) für derartige Anwendungen als Hörhilfe mit kombinierter Tonwandler-Batterie-Verstärkervorrichtung, um eine Funkfrequenz-Wellen-wiederaufladbare Hörhilfe bereitzustellen, die aus dem Ohr bei Nacht genommen werden kann und in einem RF-ausstrahlenden Ladeständer platziert werden kann (beispielsweise wie in 27M gezeigt), wodurch das Erfordernis entfällt, Batterien zu ersetzen oder das Erfordernis einer elektrischen Verbindung mit einer externen Ladeschaltung.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine derartige Antenne oder elektromagnetische Strahlungsempfangsschleife 2660 auf der Vorrichtung 2202, 2203, 2203, 2204, 2206, 2207, 2208, 2300, 2400 oder 2500 (oder 2700, wie im Folgenden beschrieben) hergestellt oder auf einer anderen Batterievorrichtung, wie hier beschrieben. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen kann die elektromagnetische Strahlung, die drahtlos durch die Antenne 2660 empfangen wird, Niederfrequenzstrahlung bei 50- oder 60 Hertz Magnetstrahlung von einer Spule sein, die mit dem Hausstrom (beispielsweise wie in 27L gezeigt) verbunden ist. In anderen derartigen Ausführungsbeispielen wird eine RF Strahlung, wie Radiofrequenzen, TV Frequenzen, zellulare Frequenzen, etc. mit einer Frequenz bis zu und mehr als 2,4 Gighertz empfangen. In einigen Ausführungsbeispielen werden mehrere Antennen verwendet, beispielsweise eine für das Senden von Kommunikationssignalen und eine andere für das Empfangen von Ladesignalen.
  • 26B zeigt ein Blockdiagramm eines Richtabscheidungssystems 2660. Das System 2660 ist ähnlich dem System 2560 gemäß 25B, ausgenommen, dass das Batteriematerial auf der Rückseite des Blatts abgeschieden wird, also auf einer Seite, die den aktiven Teilen oder Verbindungen der Schaltung 2510 gegenüberliegt.
  • 26C zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Blatts 2669. Das Blatt 2669 enthält eine Mehrzahl von Vorrichtungen oder Schaltungen 2510, die jeweils eine Batterie 2320 auf der Rückseite haben. 26D zeigt eine perspektivische Ansicht der geschnittenen Endvorrichtungen 2600 nach einem Würfeln oder Wegschneiden. 26E zeigt eine perspektivische Ansicht einer verdrahteten geschnittenen Endvorrichtung 2600 nach einem Verdrahten beispielsweise durch Drähte 2615 und 2616, wie gezeigt, oder durch Abscheiden von Bahnen (nicht gezeigt), die elektrische Verbindungen von der Oberseite zur Unterseite der Vorrichtung 2600 erweitern.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist eine Rolle aus flexiblem Gewebe 2661, das zur Verwendung als Substrat für eine direkte Energieumwandlung geeignet ist, auf den notwendigen Elementen und/oder Schichten abgeschieden, um die gewünschte Einheit zu bilden (beispielsweise photovoltaische Zelle) unter Verwendung eines Rollen-zu-Rollenkonzepts. Die Rolle wird dann zu dem Energieabscheidewerkzeug 2660 genommen, das ebenfalls konfiguriert ist, um in einem Rollen-zu-Rollenmodus zu arbeiten. Die Batterie 2320 wird hergestellt auf der Rückseite (die Seite, die der aktiven Seite der Vorrichtung gegenüberliegt, beispielsweise die Seite mit der Lichtempfangsfläche einer photovoltaischen Zelle) der Rolle. Elektrische Verbindungen erfolgen nach der Herstellung unter Verwendung von Verdrahtungstechniken, beispielsweise wie in 26E gezeigt.
  • In anderen Ausführungsbeispielen, wie in den 24B–24F gezeigt, wird eine Rolle aus flexiblem Gewebe 2461, das geeignet ist zur Verwendung als Substrat für eine direkte Energieumwandlung (beispielsweise für eine photovoltaische Zelle) abgeschieden mit Materialien, um eine Festkörperlithiumbatterie zu bilden unter Verwendung der Rollen-zu-Rollenkonzepte in dem System 2460. Die resultierende Rolle 2460 wird dann zu dem Direktenergieumwandlungsmaterialien-Abscheidewerkzeug 2465 gebracht, das ebenfalls konfiguriert ist, um gemäß einem Rollen-zu-Rollenmodus zu arbeiten. Das Direktenergieumwandlungsmaterial 2430 wird direkt auf der Festkörperbatterie 2320 abgeschieden. In einigen Ausführungsbeispielen ist die elektrische Verbindung über Anschlusslöcher, die während der Batterie und Vorrichtungsherstellung gebildet werden, wie in 23 gezeigt.
  • In noch anderen Ausführungsbeispielen wird die obige Rolle 2461 ersetzt durch ein anderes Substrat, beispielsweise Wafer 2961 von 29A, wie im Folgenden beschrieben, das ebenfalls geeignet ist zur Verwendung in einer Direktenergieumwandlung. Die Herstellungswerkzeuge 2960 und 2965 sind auch konfiguriert, um eine neue Substratform zu handhaben, beispielsweise Quadratplatten oder runde Wafer.
  • In noch anderen Ausführungsbeispielen ist die obige Rolle 2661 durch ein anderes Substrat ersetzt, beispielsweise einen Wafer 2971 gemäß 29E, das auch geeignet ist zur Verwendung in einer Direktenergieumwandlung. Die Herstellungswerkzeuge 2960 und 2965 sind auch konfiguriert, um neue Substratformen zu handhaben, wie Quadratplatten oder runde Wafer.
  • Die vorliegende Erfindung liefert folglich ein Verfahren zum Integrieren von Festkörperlithiumbatterien mit Direktumwandlungsmaterialien auf einem flexiblen Gewebe. Ferner liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Integrieren von Festkörperlithiumbatterien mit Direktenergieumwandlungsmaterialien auf starrem Substrat.
  • 26F zeigt eine perspektivische Ansicht einer Hörhilfe 2690, die eine verdrahtete geschnittene Endvorrichtung 2600 integriert. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Vorrichtung 2600 eine photovoltaische Zelle 2650 zum Wiederaufladen einer Batterie 2320, die die Hörhilfe 2960 betreibt. In einigen Ausführungsbeispielen sind Tonwandler (Englisch: sound transducer) aus herkömmlichen Materialien, beispielsweise piezoelektrische Materialien abgeschieden als Schichten durch das System 2660, um als Mikrofon und Lautsprecher der Hörhilfe 2690 verwendet zu werden.
  • 27A zeigt eine Draufsicht eines Startsubstrats 2710 eines Ausführungsbeispiels, das eine integrierte Batterie und eine Vorrichtung hat, die sich einen gemeinsamen Anschluss teilen. 27F zeigt eine Erhebungsansicht eines Startsubstrats von 27A. 27B zeigt eine Draufsicht des Substrats 2710 von 27A nach dem Abscheiden der integrierten Batterie 2320 und der Vorrichtung 2340, die sich einen gemeinsamen Anschluss teilen. In einigen Ausführungsbeispielen sind die integrierte Batterie 2320 und die Vorrichtung 2340 eine Dünnfilmbatterie und ein Superkondensator mit elektrischen Anschlüssen 2322, 2324 und 2431, wie oben in 24A gezeigt und beschrieben. 27G zeigt eine Erhebungsansicht einer teilweise gebildeten Vorrichtung von 27B. 27C zeigt eine Draufsicht des Substrats gemäß 27B nach dem Platzieren und Verdrahten eines separat hergestellten Chips 2440, der durch Drähte 2441, 2442 und 2443 mit der integrierten Batterie 2320 und der Vorrichtung 2430, die sich den gemeinsamen Anschluss 2324 teilen, verbunden ist. 27H zeigt eine Erhebungsansicht der teilweise gebildeten Vorrichtung gemäß 27C. 27D zeigt eine Draufsicht des Substrats 2710 von 27C nach dem Platzieren und Verdrahten einer Schleifenantenne 2750. 27I zeigt eine Erhebungsansicht einer teilweise gebildeten Vorrichtung von 27D. 27E zeigt eine Draufsicht der Endvorrichtung 2700 mit der teilweise gebildeten Vorrichtung von 27D, nachdem eine obere Einkapselungsschicht 2760 abgeschieden worden ist. 27J zeigt eine Querschnittserhebungsansicht der Vorrichtung 2700 von 27E. Die Erhebungsansichten von den 27E–27J sind nicht skaliert. In einigen Ausführungsbeispielen hat die Vorrichtung 2700 ungefähr die Größe und Dicke einer herkömmlichen Kreditkarte. In einigen Ausführungsbeispielen sind ein Magnetstreifen 2770 und erhobene Buchstaben 2780 ebenfalls auf der Vorrichtung 2700 hergestellt.
  • 27K zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 27E an einer Magnetaufladestation. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet eine Spule 2790 Hausstrom, um ein 60 Hertz Magnetfeld zu erzeugen, und bildet zusammen mit einer Spule 2750 einen Transformator, der Strom induziert, der in der Spule 2750 fließt, der gleichgerichtet wird und für die wiederaufladbare Batterie 2320 verwendet wird.
  • 27L zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 2700 von 27E, enthält aber weiter eine photovoltaische Zelle 2650, an einer Lichtladestation, die eine Lampe enthält. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Vorrichtung 2700 in einer Form hergestellt, die in das Ohr passt, enthält Tonwandler (Englisch: sound transducer) und funktioniert als Hörhilfe, die unendlich oft aufgeladen werden kann, wodurch das Erfordernis des Ersetzens einer Batterie entfällt.
  • 27M zeigt ein Schema der Vorrichtung gemäß 27E an einer Funkwellenladestation 2792. Die Funkwellen von der Funkwellenladestation 2792 werden von einer Antenne 2750 aufgenommen, und die empfangene Funkwellenenergie wird an die wiederaufladbare Batterie 2320 weitergegeben unter Verwendung einer herkömmlichen Ladeschaltung, beispielsweise in der Schaltung 2440 implementiert.
  • Die festkörperwiederaufladbaren Batterien, wie oben beschrieben, haben die Fähigkeit direkt mit Elektronikteilen integriert zu werden, die sie mit Energie versorgen sollen. Eine weitere Integration der Dünndrahtantenne/Spule 2660 oder 2750, die als eine der Spulen eines zweiteiligen Transformators verwendet wird, wie in 27K gezeigt und/oder RF-Spültechnologie (Englisch: scavenging technology), wie die, die in schlüssellosen Eintrittssystemen verwendet wird, erlaubt das drahtlose Wiederaufladen der Festkörperdünnfilmbatterie 2320 (über Luft). Die Verwendung der Techniken ist bereits bekannt auf dem Gebiet der RF I.D. tagging, die übertragene Energie wird umgewandelt in eine DC Spannung und verwendet zur Durchführung von Bordfunktionen oder Funktionen am Ort der Umwandlung (Englisch: on board). In dem Fall, wo eine Batterie bereits an Bord existiert, wird die DC Spannung verwendet, um die wiederaufladbare Schaltung mit Energie zu versorgen, um die Bordbatterie drahtlos aufzuladen.
  • Bestimmte Erfordernisse existieren in der Industrie, die vom Vorteil der Integration von Energie, Speicherkommunikation und Elektronikteilen auf einer einzelnen Plattform profitieren. Ein Beispiel ist das Steuern von Warenhausinventuren, wo eine kleine „Kreditkarte" an einem Stück in dem Warenhaus angebracht ist. Auf der „Kreditkarte" ist eine Antenne, ein Superkondensator, eine Festkörperbatterie und alle erforderlichen Elektronikteile. Wenn die Steuerung etwas über die Verpackung wissen will, wird das Warenhaus über ein zellulares oder ein anderes drahtloses Mittel abgefragt mit der ID der Verpackung, die in Frage steht. Die Abfrage weckt die Verpackung und veranlasst sie zu antworten mit entsprechenden programmierten Daten. Der Superkondensator entlädt in die Antennentreiberschaltung, wodurch die Daten an den Zentralcomputer ausgesendet werden. Gleichzeitig führt die Elektronik auf der Kreditkarte eine Selbstüberprüfung durch, um zu sehen, ob irgendwelche Anormalitäten aufgetreten sind, beispielsweise „Batterie muss geladen werden". Wenn die Antwort ja ist, sendet der Zentralcomputer ein Signal einer entsprechenden Länge, um die Bordbatterie unter Verwendung der hier beschriebenen Technologie wiederaufzuladen.
  • Eine andere Anwendung, die von der Integration von Energie, Kommunikation und Elektronikteilen auf einer einzelnen Plattform profitiert, ist eine implantierbare Vorrichtung, beispielsweise Schrittmacher. Diese Technologie erlaubt einer Batterie mit sehr langen (nicht unendlich) Lade/Entladezyklen implantiert zu werden als Teil eines Schrittmachers. Wenn eine „Batterie leer Bedingung" festgestellt wird, wird die Batterie durch den Körper unter Verwendung von AC Magnetfeldern wiederaufgeladen, durch Ton oder Ultraschall, Funkfrequenz oder andere Energiequellen.
  • Festkörperprozesse werden verwendet, um Elektronikteile, wiederaufladbare Festkörperbatterie und Antenne auf einer einzelnen Plattform, beispielsweise als eine „Kreditkarten-Form" zu integrieren. Dies ist möglich durch Verwenden von Niedertemperaturprozessen für Festkörperbatterien und für Superkondensatoren, wie beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung liefert plattformintegrierte Elektronikteile, wiederaufladbare Festkörperbatterien und eine Antenne auf einer einzelnen Plattform, beispielsweise einer Kreditkarte oder einer implantierbaren Vorrichtung, wobei ein Ferndrahtlosaufladen der Bordbatterie ermöglicht wird.
  • 27A–27J zeigt eine Herstellungssequenz, wenn einige Ausführungsbeispiele eines Beispiels eines Kreditkartenformfaktors ID-Tag mit Fernladefähigkeit haben.
  • 31B zeigt ein Herstellungsverfahren für ein Beispiel einer implantierbaren Vorrichtung, beispielsweise Schrittmacher 3101. Dieses Verfahren beginnt mit einem im Wesentlichen flachen Blatt, auf dem Batterien abgeschieden sind, das dann geschnitten wird und in eine dreidimensionale Form geformt wird. Die Vorrichtung ist im Übrigen ähnlich zu der gemäß 31C.
  • 31C zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Schrittmachers 3102. Das Verfahren enthält eine Mehrzahl von Schritten, die die Bezugszeichen 3194, 3195, 3196 und 3197 haben. Der Schrittmacher 3103 enthält eine erste Hälfte und eine zweite Hälfte 3130. In dem Anfangsschritt 3194 wird die zweite Hälfte 3130 geschaffen. Eine Batteriezelle 1110 wird auf einer inneren Oberfläche des Schrittmachers 3102 gebildet, wie in Schritt 3195 gezeigt. Die einzelne Zelle 1110 wird abgeschieden auf der inneren Oberfläche, wie durch Schritt 3195 gezeigt, wie in Schritt 3191 gezeigt. Die Elektroniken 3150 werden dann auf der Batterie 1110 platziert, um eine Schaltung mit der Batterie 1110 zu bilden, wie durch Schritt 3196 verdeutlicht. Die erste Hälfte 3131 des Einschlusses wird über der zweiten Hälfte 3130 platziert, um den zusammengebauten Schrittmacher 3102 zu bilden, wie durch Schritt 3197 gezeigt.
  • Wiederaufladbare Festkörperbatterien, wie diejenigen, die oben beschrieben wurden, haben die einzigartige Fähigkeit direkt integriert zu werden mit den Elektronikteilen, die sie mit Energie versorgen sollen. Eine weitere Integration der Dünndrahtantenne und einer Energiesendevorrichtung, beispielsweise eines Superkondensators, erlaubt der Vorrichtung über eine große Strecke mittels irgendeinem möglichen gegenwärtig bekannten Kommunikationsverfahren zu kommunizieren, enthaltend aber nicht darauf eingeschränkt zellulare oder netzförmige (Englisch: cellular) Verfahren.
  • Die Erfindung betrifft wiederaufladbare Festkörperbatterien und die Integration selbiger mit drahtloser Kommunikation (Antenne und Elektronikteile), Superkondensator und herkömmliche Elektronikteile auf einer einzelnen Plattform.
  • Bestimmte Erfordernisse existieren in der Industrie, die profitieren von der Integration von Energie, Kommunikation und Elektronik auf einer einzelnen Plattform. Ein Beispiel ist die Steuerung von Warenhausinventuren, wo eine kleine „Kreditkarte" auf einem Stück in dem Warenhaus angebracht ist. An Bord der „Kreditkarte" sind eine Antenne, ein Superkondensator, eine Festkörperbatterie und alle erforderlichen Elektronikteile. Diese „Kreditkarte" erlaubt das Verfolgen von Ort, Zeitpunkt, Beschreibung des Artikels, der in Frage steht, und/oder Information über die Umgebung. Wenn die Steuerung etwas über die Verpackung wissen will, stellt das Warenhaus eine Abfrage über ein zellulares oder anderes drahtloses Mittel mit der ID der Verpackung, die in Frage steht. Die Abfrage weckt die Verpackung und veranlasst sie zu antworten mit entsprechenden Daten, die programmiert worden sind. Der Superkondensator entlädt sich in die Schaltung, die die Antenne treibt, die Daten an einen Zentralcomputer auszusenden. Zum gleichen Zeitpunkt führt die Elektronik auf der „Kreditkarte" eine Selbstüberprüfung durch, um zu sehen, ob irgendwelche Anormalitäten aufgetreten sind, beispielsweise die Batterie muss geladen werden. Wenn die Antwort ja ist, kann der Zentralcomputer ein Signal mit einer entsprechenden Länge senden, wodurch ein Laden der Bordbatterie unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken möglich wird.
  • Festkörperprozesse werden verwendet, um Elektronikteile, wiederaufladbare Festkörperbatterie, den Superkondensator und die Antenne auf einer einzelnen Plattform, beispielsweise „Kreditkarten" Formfaktor zu integrieren. Dies wird möglich durch Verwenden von Niedertemperaturprozessen für Festkörperbatterien und für Superkondensatoren, wie oben beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung liefert folglich integrierte Elektronikteile, festkörperwiederaufladbare Batterien, Superkondensatoren und Antennen auf einer einzelnen Plattform, wie Kreditkarte oder implantierbare Vorrichtung.
  • Verfahren zum Recycling und erneuten Verwenden von Festkörperlithiumionenbatterien.
  • 28A zeigt eine Erhebungsansicht einer Batterie 2800 mit gestapelten Zellen 2801. Jede Zelle enthält eine Anodenfahne bzw. Anodenstreifen, Anodenlappen oder Anodennase (Englisch: anode tab) 2802 und eine Kathodenfahne bzw. Kathodenstreifen, Kathodenlappen oder Kathodennase (Englisch: cathode tab) 2803, wobei alle Anodenfahnen 2802 miteinander verlötet werden und alle Kathodenfahnen 2803 miteinander verlötet werden. Optional wird die Batterie 2800 mit einem Einkapselungsmaterial eingekapselt.
  • 28B zeigt eine Draufsicht einer einzelnen Batteriezelle 2801 nach einem Recycling. In einigen Ausführungsbeispielen werden die Anodenfahne 2802 und die Kathodenfahne 2803 „verzinnt" (mit frischem Lötmittel bedeckt) und/oder mit Lötmittel versehen, um neu Zusammenbaulötoperationen zu vereinfachen.
  • 28C zeigt einen Prozess 2810, der für das Recycling verwendet wird. Der Prozess 2810 enthält das Bereitstellen von Batterien 2800, die zu recyceln sind, in einem Eingangsbehälter 2820. In einigen Ausführungsbeispielen werden die Batterien an einer Entkapselungsstation 2822 entkapselt, an einer Entlötstation 2824 entlötet, an einer Teststation 2826 getestet und sortiert in einem Ausgangsbehälter 2828, basierend auf den Testergebnissen ausgegeben.
  • Von den zwei Billionen wiederaufladbaren Batterien, die in den Vereinigten Staaten 1998 verbraucht wurden, wurden ungefähr 300 Millionen tatsächlich recycelt. Das bedeutet, dass ungefähr 1,7 Billionen wiederaufladbare Batterien auf dem Müll gelandet sind. Obwohl mehr und mehr diese Batterien technisch umweltsicher sind, stellt dies immer noch eine signifikante Belastung der Umwelt in den USA dar. Die vorliegende Erfindung liefert eine Lösung, deren größte Wirkung entfaltet wird, wenn Festkörperlithiumbatterien den Markt für wiederaufladbare Batterien dominieren werden. In dieser Erfindung haben die Festkörperlithiumbatterien einen Datumscode und/oder einen Recycelwert, der zugewiesen wird. Aufgrund der großen Anzahl (über 40000) von Lade/Entladezyklen, die mit Festkörperlithiumbatterien möglich sind, überschreitet die durchschnittlich erwartete Lebenszeit einer Zelle 100 Jahre. Es ist folglich sehr wahrscheinlich, dass das Produkt, in welchem die Zelle angeordnet ist, unbrauchbar wird, bevor die Batteriezelle veraltet ist. Wenn die Batterie das Ende ihrer Lebenszeit erreicht hat basierend auf der Unbrauchbarkeit des Produkts, wird der Verbraucher beabsichtigen, die Batterie zu recyceln basierend auf dem Wert, der dem Verbraucher bei einem Austausch für ein Recyceln zurückgegeben wird. Dieser Wert könnte eine Funktion des Datumscodes und der Anwendung der Batterie sein. Der Recycler 2810 kann dann die Einheit 2800 auseinanderbauen, die einzelnen Zellen 2801 testen, die Zellen dann wieder neu kombinieren in irgendeiner Konfiguration, die zu diesem Zeitpunkt am Geeignetsten ist. Die neu zusammengebaute Einheit 2800' kann dann für entsprechende Kosten und mit entsprechender Garantie für die Leistungsfähigkeit verlötet werden.
  • Diese Erfindung betrifft das Recyceln von wiederaufladbaren Batterien, speziell das Recyceln von Batterien, die derart herstellt werden, dass sie ein Auseinanderbauen der individuellen Batteriezellen bei einem Recyceln ermöglichen.
  • Seit Jahren hat die Autoindustrie bestimmte teure Komponenten im Automobilbereich recycelt. Unter Verwendung dieser Philosophie verwendet die vorliegende Erfindung diese Prinzipien für das Recyceln von wiederaufladbaren Batterien. Mit fortschreitender Batterietechnologie lasten die Batterien die Produkte, für die sie designed wurden, tatsächlich aus. Die herkömmliche Lösung liegt darin, dass es beim Verbraucher liegt, nicht länger verwendete Batterien zu recyceln, indem sie herausgenommen werden und zu einem Ort gebracht werden, wo Batterien akzeptiert werden. Die Daten bestätigen, dass dies ein Wunschgedanke ist, dass ganze 80 % der Amerikaner ihre wiederaufladbaren Batterien nicht recyceln. Stattdessen werfen sie diese oft in den Müll und die Batterie endet auf einer Müllkippe. Obwohl neuere Batteriechemikalien relativ umweltschonend sind, stellen sie eine enorme Belastung für die Umwelt dar. Diese Erfindung erlaubt dem Verbraucher die Batterien zu recyceln, indem ihm eine Geldrückerstattung angeboten wird, oder eine andere Belohnung, beispielsweise reduzierte Kosten einer neuen Batterie im Austausch für ein Recyceln. Da Geld involviert ist, sollte dieses Programm auf einer breiten Ebene eingeführt werden können und sollte eine Beteiligung wahrscheinlich machen.
  • In einem Ausführungsbeispiel werden die Hersteller wiederaufladbarer Batterien dazu gebracht, ihre Produkte in einer derartigen Art und Weise herzustellen, dass sie recycelt werden können, wobei die Batterie auseinandergebrochen werden kann in individuelle Zellen und diese Zellen zu einer neuen Batterie wieder zusammengebaut werden können. In einigen Ausführungsbeispielen liefert die vorliegende Erfindung ein Recyclingprogramm, und schafft Batterien mit Merkmalen, die ein Recyceln erleichtern, beispielsweise ein Markieren von einer oder von mehreren Zellen einer Batterie mit einem Code, der derartige Information angibt, wie Datum der Herstellung, Spannung, Kapazität, Werte, physikalische Baugröße und/oder Gewicht. Ein Beispiel ist eine Batterie eines Mobiltelefons mit einer Kapazität von 1000 mAh (Milliamperstunden). Einige Ausführungsbeispiele enthalten ein Parallelzusammenbauen von ungefähr zehn individuellen Zellen in einem Batteriepack, was eine Kapazität von 1000 mAh erlaubt. Diese individuellen Zellen werden hergestellt auf einem Gitternetz, das Bondanschlüsse bereitstellt, die eine Konfiguration der Zellen in verschiedenen Modi erlauben. Bei einem Recycling werden die Batterien entkapselt, entlötet und auf Robustheit analysiert. Die Zellen mit Datencodes und Testergebnissen, die eine wesentliche Lebensrestzeit angeben, können gemäß den Markterfordernissen neu zusammengestellt werden. In einigen Ausführungsbeispielen enthalten die wiederaufladbaren recycelbaren Batterien ein Auseinanderbrechen des Batteriepacks in individuelle Zellen, die getestet und neu zusammengebaut werden in verwendbare Batteriepacks. Einige Ausführungsbeispiele enthalten ein Verfahren zum Bestimmen der Brauchbarkeit von recycelten Batteriezellen zur Verwendung in neu aufgebauten Batterien, wie beispielsweise das Messen der Lade-Entladespannungs-Stromkurve über einen oder über mehrere Zyklen. Einige Ausführungsbeispiele enthalten ein Verfahren zum Zerlegen von Batterien derart, dass individuelle Zellen zugreifbar und nicht beschädigt werden, beispielsweise die Verwendung von Plastikeinkapselungskomponenten, die später unter Verwendung eines Lösungsmittels und/oder Wärme, welches die Batterie nicht zerstört, aufgelöst werden können. Einige Ausführungsbeispiele enthalten ein Verfahren zum Trennen der Zellen von dem Originalbatteriepack und zum erneuten Verbinden in einer neuen Konfiguration, beispielsweise durch Lötfahnen, die sich jenseits des Batteriepacks erstrecken, so dass die Lötfahnen entlötet werden können ohne im Wesentlichen die Batterie selbst zu erhitzen. Einige Ausführungsbeispiele enthalten ein Recyclingsystem, das lose auf dem System basiert, das von der Automobilindustrie bei dem Neuzusammenbauen von Startern, Generatoren, etc. verwendet wird und auf den Techniken basiert, die von Leitungen zum Abfluss von Säurebatterien benutzt werden.
  • 29A zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidungssystems 2960. Das System 2960 hat Schichtabscheideabschnitte 2962 ähnlich denen gemäß 2460 von 24B, ausgenommen, dass es ausgelegt ist zum Abscheiden von Schichten auf Wafern 2961 (oder auf geschnittenen ICs 2510 anstatt auf flexiblen Substraten). 29B zeigt eine perspektivische Ansicht eines teilweise verarbeiteten Wafers 2964 mit Batteriematerial 2320 auf dem Wafer 2961 oder IC 2410.
  • 29C zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidesystems 2965. Das System 2965 hat Schichtabscheideabschnitte 2962 ähnlich denen gemäß 2465 von 24D, ausgenommen, dass die Schichten auf Wafern abgeschieden werden 2961 (oder auf geschnittenen ICs 2510 anstatt auf flexiblen Substraten). 29D zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Blatts 2969 mit einem Batteriematerial 2320 auf dem Wafer 2961 oder IC 2410 und bedeckt von einer Vorrichtung 2430 beispielsweise Photovoltaikzelle.
  • 29E zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidesystems 2965. In einem derartigen Ausführungsbeispiel scheidet das System 2965 Schichten ab, die eine Photovoltaikzellenvorrichtung 2650 auf einem Wafer 2971 oder IC 2510 bilden. 29F zeigt eine perspektivische Ansicht eines teilweise verarbeiteten Wafers 2974. 29G zeigt ein Blockdiagramm eines Schichtabscheidesystems 2960. In einigen derartigen Ausführungsbeispielen scheidet das System 2960 Schichten auf einer Batterie 2320 ab. 29H zeigt eine perspektivische Ansicht eines verarbeiteten Wafers 2979. In einigen Ausführungsbeispielen repräsentiert der Wafer 2979 eine einzelne Vorrichtung, und in anderen Ausführungsbeispielen wird der Wafer 2979 gewürfelt oder geschnitten in eine Mehrzahl von individuellen Vorrichtungen, und dann nach Bedarf verdrahtet, um die Signale oben auf der Vorrichtung mit dem unteren Bereich der Vorrichtung zu verbinden. 29I zeigt eine perspektivische Ansicht einer verdrahteten gewürfelten Endvorrichtung 2600.
  • Wie in den 30, 31 und 32 gezeigt, werden spezifische Beispiele der Vorrichtungen jetzt erklärt. 30 zeigt eine implantierbare Vorrichtung 3000, die verwendet wird, um spezielle Bereiche des Gehirns zu stimulieren. Eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung 3000 ist eine tiefe Gehirnneuralstimulation (Englisch: deep brain neural stimulation), beispielsweise die Parkinsonkrankheit zu behandeln. Durch Senden von Signalen an einen speziellen Bereich des Gehirns kann das Zittern, das zur Parkinsonkrankheit gehört, reduziert werden. In der Vergangenheit wurde eine Leitung oder ein Leiter in das Gehirn implantiert, so dass elektrische Signale an den speziellen Bereich des Gehirns gesendet werden konnten, um das Zittern zu reduzieren. Die Leitung verlief unter dem Schädel und durch den Nacken zu einer Tasche nahe der Brust des Patienten in augenblicklichen Versionen. Wie in 30 gezeigt, wurde nach dem Bilden eines Lochs im Schädel ein Anschluss 3010 in dem Loch platziert. Der Anschluss 3010 enthält eine Kappe 3012, die verwendet wird, um die Leitung an der Stelle während der Implantation zu halten, sowie nach der Implantation. In dieser bestimmten Erfindung ist die Kappe 3012 aus einem geeigneten biokompatiblen Material. Eingebettet in der Kappe ist eine Batteriezelle 1110 oder eine Serie von Batteriezellen 1110. Die Elektronikteile, die notwendig sind zum Liefern der Signale mit einer gewünschten Rate oder programmierbaren Rate sind ebenfalls in der Kappe 3012 eingebettet. Eine RF Antenne 3014 ist ebenfalls innerhalb der Kappe platziert, so dass die Batterie 1110, die in der Kappe 3102 eingebettet ist, mit aufgeladen werden kann durch Hochfrequenz in der Kappe oder induzierte Kopplung der erforderlichen Energie in die Kappe. Ein anderes Ausführungsbeispiel kann die Leitung 3020 verwenden für das Energetisieren einer Antenne und kann eine separate Antenne enthalten zum Programmieren der Elektronikteile, die zum Liefern der Signale an das Gehirn verwendet werden.
  • 31A richtet sich an einen Schrittmacher 3100. Statt separaten Batterien innerhalb des Gehäuses des Schrittmachers 3100 enthält der Einschluss oder mindestens ein Einschlussbereich eine Batterie 1110 oder eine Serie von Zellen 1110. Der Schrittmacher 3100 kann eine Antenne 3120 enthalten, die verwendet wird um eine Funkfrequenz in Richtung Schrittmacher zum Wiederaufladen der Batterie 1110 zu senden, die innerhalb des Gehäuses oder Einschlusses des Schrittmachers 3100 positioniert ist.
  • 31B zeigt das Verfahren zum Bilden des Schrittmachers 3100. Das Verfahren enthält eine Mehrzahl von Schritten, die die Bezugszeichen 3190, 3191, 3192 und 3193 haben. Der Schrittmacher 3100 enthält eine erste Hälfte und eine zweite Hälfte 3130. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 1110 ist auf einem Substratmaterial 3140 gebildet, wie durch den Schritt 3190 gezeigt. Das Substratmaterial 3140 wird gewürfelt oder geschnitten, was eine einzelne Zelle 1110 auf dem Blatt, wenn es geschnitten wurde, zur Folge hat. Die einzelne Zelle 1110 wird klebend gebondet an die zweite Hälfte 3130 des Schrittmachers 3100, wie in Schritt 3191 gezeigt. Die Elektronikteile 3150 werden dann auf der Batterie 1110 platziert, um eine Schaltung mit der Batterie 1110 zu bilden, wie durch Schritt 3192 gezeigt. Die erste Hälfte 3131 des Einschlusses wird über die zweite Hälfte 3130 platziert, um den zusammengebauten Schrittmacher 3100 zu bilden.
  • 32A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Uhr 3200. Die Uhr enthält ein Gehäuse 3210 und ein Band 3212 zum Überstreifen auf das Handgelenk einer Person. Innerhalb des Gehäuses 3210 ist eine Solarzelle 3220 und eine LCD 3222. Die Solarzelle 3220 wird an der Batterie oder an einer Serie von Batteriezellen 1110 angebracht. Die LCD 3222 wird angebracht an der Batterie und der Elektronik (nicht gezeigt). Die Batterie versorgt die LCD 3222 mit Spannung und gehört zu den Elektronikteilen, die zu der Uhr 3200 gehören. Die Solarzelle 3220 lädt die Batterie 1110 mehr oder weniger kontinuierlich. Die Solarzelle 3220 und die LCD 3222 erscheinen an dem Kristall- oder Glasbereich der Uhr. Vorteilhafterweise kann dieser Typ von Uhr für immer abgedichtet werden, so dass sie absolut wasserdicht gemacht werden kann. Ein anderes Ausführungsbeispiel einer Uhr ist in 32B gezeigt. In diesem Typ ist eine kreisförmige Solarzelle 3240 oben auf einer kreisförmigen Batteriezelle 1110 positioniert. Die kreisförmige Solarzelle enthält eine Öffnung 3241 darin. Ein Satz von Händen für eine analoge Uhr kann durch die Öffnung eingeführt werden. Die Kristall- oder Glasfläche der Uhr wird dann zu der Solarzelle 3240 geöffnet, so dass sie die Batterie 1110 kontinuierlich laden kann, was wiederum den Arbeitsbereich der Uhr mit Energie versorgt.
  • Schlussfolgerungen
  • Oben beschrieben wurden ein Verfahren und ein System zur Herstellung von Festkörperenergievorrichtungen und Festkörperenergievorrichtungen an sich. In einigen Ausführungsbeispielen konzentriert sich das vorliegende Verfahren auf die Energie zum Bilden von Filmen mit weniger Defekten und/oder bestimmten Kristalleigenschaften direkt an einem bestimmten Film. Durch Fokussieren der Energie werden eine Beschädigung anderer Teile einer Struktur oder Vorrichtung minimiert. Entsprechend ist ein breiter Bereich von Materialien, Vorrichtungen und Strukturen verfügbar mit einer Energiespeichervorrichtung oder Energieumwandlungsvorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
  • In einem Ausführungsbeispiel enthält das Verfahren ein Abscheiden eines ersten Films auf einem Substrat durch Abscheiden eines ersten Materials an einer Stelle auf dem Substrat und durch Liefern von energetisierten Ionen eines zweiten Materials, das unterschiedlich ist von dem ersten Material, an die Stelle auf dem Substrat, um das Wachstum einer Kristallstruktur des ersten Materials an der Stelle zu steuern. Elektrolyt und Anodenfilme werden nachfolgend gebildet. In einigen Ausführungsbeispielen wird der Film „erwärmt", wenn er aufgebracht (abgeschieden) wird. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Erwärmungsenergie des Films nur an das Material des Films gerichtet.
  • In einigen Ausführungsbeispielen ist die Sekundärquelle eine Ionenquelle mit der Fähigkeit zum Liefern von energetisierten Ionen mit einer Energie größer als 5 eV. In anderen Ausführungsbeispielen liegt der Energiebereich ungefähr bei 5 eV bis ungefähr 3000 eV. In einem Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich bei ungefähr 5 eV bis ungefähr 1000 eV. Der Energiebereich in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ungefähr bei 10 eV bis ungefähr 500 eV. In anderem Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich in dem Bereich von ungefähr 60 eV bis ungefähr 150 eV. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Energie in dem Bereich von ungefähr 100 eV bis ungefähr 200 eV. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Energie in dem Bereich von ungefähr 50 eV bis ungefähr 250 eV. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Energie in dem Bereich von ungefähr 40 eV bis ungefähr 275 eV. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Energie in dem Bereich von ungefähr 30 eV bis ungefähr 300 eV. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Energie in dem Bereich von ungefähr 20 eV bis ungefähr 350 eV. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Energie in dem Bereich von ungefähr 15 eV bis ungefähr 400 eV. In anderem Ausführungsbeispiel ist der Energiebereich bei ungefähr 140 eV.
  • In einigen Ausführungsbeispielen wird die Kathodenschicht ohne Nachabscheidungserwärmungsschritt durchgeführt, da das gegenwärtige Verfahren die notwendige Energie liefert, um eine ausreichende Kristallschicht wachsen zu lassen durch Verwendung der Sekundärquelle. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Kathodenschicht überhaupt nicht erwärmt.
  • In einigen Ausführungsbeispielen wird das Substrat aus einem Material gebildet, das sich reduziert aufgrund thermischer Effekte bei einer hohen Temperatur, wie Erwärmungstemperatur für herkömmliche Kathodendünnfilme. In einem Ausführungsbeispiel verschlechtert sich das Substrat bei einer Temperatur von weniger als 700°C. In einem Ausführungsbeispiel verschlechtert sich das Substrat thermisch bei einer Temperatur von weniger als 300°C. In einem Ausführungsbeispiel verschlechtert sich das Substrat thermisch bei einer Temperatur von weniger als 250°C. In einem Ausführungsbeispiel verschlechtert sich das Substrat thermisch bei einer Temperatur von weniger als 100°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die thermische Degradationstemperatur bei ungefähr 600°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Thermaldegradationstemperatur bei ungefähr 550°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Thermaldegradationstemperatur bei ungefähr 500°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Thermaldegradationstemperatur bei ungefähr 450°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Thermaldegradationstemperatur bei ungefähr 400°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Thermaldegradationstemperatur bei ungefähr 350°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Thermaldegradationstemperatur bei ungefähr 300°C. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Thermaldegradationstemperatur bei ungefähr 250°C.
  • Einige Ausführungsbeispiele des Verfahrens enthalten ein Abscheiden eines Keimmaterials auf einem ersten Film, zur Unterstützung bei einer Niederenergie-Abscheidung eines Lithium-Interkalationsmaterials eines nachfolgenden Films darauf. In einem Ausführungsbeispiel unterstützt das Keimmaterial die Orientierung der Kristallstruktur des nachfolgenden Films. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Keimmaterial eine elektrisch leitende Schicht. In einigen Ausführungsbeispielen liefert das Keimmaterial Keimbildungsstellen für den darauf abzuscheidenden Film. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Keimschicht Materialinseln. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Keimschicht mindestens Ca, TaN, Cr und CrN. In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Keimschicht W, WN, Ru und/oder RuN. In einigen Ausführungsbeispielen hat die Keimschicht eine Flächenfreienergie, die größer als die Flächenfreienergie von Filmmaterial ist, das darauf wächst.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Struktur und Verfahren zum Kontrollieren der Temperatur des Substrats und irgendwelcher Filme, die darauf gebildet werden während nachfolgenden Abscheideschritten.
  • Dies erlaubt ein temperaturempfindlicheres Material, das als Substrat verwendet werden kann, während eine thermische Degradationswirkung des Substrats verhindert wird.
  • In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens enthalten nachfolgende Filme einen Elektrolytfilm und einen Anodenfilm, die abgeschieden werden unter Verwendung einer Abscheidequelle und einer anderen Quelle. In einem Ausführungsbeispiel liefert die zweite Quelle Energie, um die Kristallstruktur des Elektrolytfilms und des Anodenfilms zu orientieren und die Stöchiometrie der resultierenden Filme zu beeinflussen. In einigen Ausführungsbeispielen werden diese Filme durch Energie von der zweiten Quelle behandelt, wenn die Abscheidequelle Material an das Zielsubstrat richtet.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Batterie und/oder Schichten der Batterie kryogenischen Erwärmung nach Herstellung unterworfen, um Fehler in der Kristallstruktur zu korrigieren. In einigen Ausführungsbeispielen wird die kryogenische Erwärmung mehrmals wiederholt. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 160°C bis ungefähr minus (–) 50°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 120°C bis ungefähr minus (–) 50°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 100°C bis ungefähr minus (–) 50°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 80°C bis ungefähr minus (–) 50°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 150°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 110°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 90°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 75°C. In einigen Ausführungsbeispielen kühlt die kryogenische Erwärmung die Batterie auf ungefähr minus (–) 25°C.
  • Ein anderer wichtiger Aspekt der hier beschriebenen Verfahren liegt in der Qualität der kristallinen Materialien, beispielsweise Größe der Kristalle in der Dünnschicht. Die Kristallgröße betrifft die elektrische Performance (Leistungsfähigkeit) der Lithium-Interkalationsmaterialien in Lithiumbatterien und in anderen Vorrichtungen. Die Kristallgröße in den Schichten, die gemäß den hier beschriebenen Verfahren abgeschieden werden, sind entsprechend groß, um kommerzielle zuverlässige elektrische Eigenschaften in den hier beschriebenen Vorrichtungen zu erhalten. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kristallgröße größer als ungefähr 200 Angström (20 nm). In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kristallgröße größer als ungefähr 300 Angström (30 nm). In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kristallgröße größer als ungefähr 400 Angström (40 nm). In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kristallgröße größer als ungefähr 500 Angström (50 nm). In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kristallgröße größer als ungefähr 600 Angström (60 nm). In einigen Ausführungsbeispielen ist die Kristallgröße größer als ungefähr 650 Angström (65 nm).
  • Die Energiespeichervorrichtungen, beispielsweise Dünnfilmbatterien, Kondensatoren und Superkondensatoren, enthalten eine ultradünnen Elektrolytfilm, der zwischen zwei Elektrodenfilmen angeordnet ist. Derartige ultradünne Elektrolytfilme verbessern die elektrische Leistungsfähigkeit von Energiespeichervorrichtungen durch Reduzierung des Widerstands innerhalb des Elektrolytfilms, während immer noch die erforderliche Elektronisoliereigenschaft zwischen den zwei Elektroden aufrechterhalten bleibt. In einigen Ausführungsbeispielen erlaubt der Elektrolytfilm einen Ionentransport hindurch. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Film zwischen den Elektroden ein dielektrisches Material.
  • Durch Verwenden der hier beschriebenen Verfahren werden ultradünne Elektrolytfilme mit hoher Strukturqualität und stöchiometrischer
  • Es soll verstanden werden, dass die obige Beschreibung beispielhaft und nicht einschränkend ist. Obwohl verschiedene Charakteristiken und Vorteile verschiedener Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, zusammen mit Details der Struktur und Funktion verschiedener Ausführungsbeispiele können viele andere Ausführungsbeispiele und Änderungen bezüglich Detail vorgenommen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Der Bereich der Erfindung sollte deshalb in Bezug auf die anhängenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims (31)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Festkörper-Energiespeichervorrichtung, enthaltend: Bereitstellen eines Substrats, wobei das Substrat eine thermische Degradationstemperatur von weniger als ungefähr 300 Grad Celsius hat; Abscheiden einer ersten Schicht auf das Substrat, durch: (a) Abscheiden eines ersten Materials an einer Stelle auf dem Substrat, und (b) Liefern eines energetisierten zweiten Materials, das von dem ersten Material verschieden ist, in Richtung Substrat benachbart zu der Stelle, um ein geordnetes kristallines Wachstum des ersten Materials an der Stelle zu verbessern; Bilden einer elektrolytischen zweiten Schicht auf der ersten Schicht; und Bilden einer dritten Schicht auf der zweiten Schicht; wobei die erste Schicht ausgelegt ist zum loslassbaren Speichern von Ionen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abscheiden der ersten Schicht ein Verwenden einer physikalischen Dampfabscheidung enthält, um das erste Material auf die Stelle auf dem Substrat zu richten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Liefern des energetisierten zweiten Materials ein Liefern von Ionen mit einer Energie innerhalb eines Bereichs von ungefähr 5 eV bis ungefähr 3000 eV enthält.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Liefern der energetisierten Ionen ein Liefern von Ionen mit einer Energie innerhalb eines Bereichs von ungefähr 5 eV bis ungefähr 200 eV enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Liefern der energetisierten Tonen des zweiten Materials ein Kontrollieren einer Stöchiometrie eines wachsenden Films des ersten Materials enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Liefern der energetisierten Ionen ein Liefern von Ionen mit einer Energie innerhalb eines Bereichs von ungefähr 10 eV bis ungefähr 500 eV enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Liefern der energetisierten Ionen ein Liefern von Ionen mit einer Energie innerhalb eines Bereichs von ungefähr 60 eV bis ungefähr 150 eV enthält.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Liefern der energetisierten Ionen ein Liefern von Ionen mit einer Energie von ungefähr 140 eV enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abscheiden der ersten Schicht ein Abscheiden eines Interkalationsmaterials in die erste Schicht, um eine Kristallorientierung im wesentlichen senkrecht zu einer Grenze zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht zu haben.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Abscheiden der Interkalations-erste-Schicht ein Wachsen mit einer Kristallitgröße von mindestens ungefähr 1000 Nanometern enthält.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Abscheiden der Interkalations-erste-Schicht ein Wachsen mit einer Kristallitgröße von mindestens ungefähr 2000 Nanometern enthält.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Abscheiden der Interkalations-erste-Schicht ein Abscheiden eines LiCoO2 Materials als die erste Schicht enthält; und wobei das Bilden der elektrolytischen zweiten Schicht auf der ersten Schicht ein Abscheiden eines ersten Materials an einer Stelle auf dem Substrat und zumindest teilweise in Kontakt mit der ersten Schicht enthält, und ein Liefern der energetisierten Ionen eines zweiten Materials, das von dem ersten Material verschieden ist, zu der Stelle auf dem Substrat zum Bilden der elektrolytischen zweiten Schicht.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des Substrats ein Bereitstellen eines Substrats mit einer thermischen Degradationstemperatur von weniger als ungefähr 250 Grad Celsius enthält.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Festkörper-Energiespeichervorrichtung eine wiederaufladbare Dünnfilm-Lithiumbatterie ist, wobei das erste Material ein erster Film ist, wobei das Abscheiden des ersten Films aufweist: Abscheiden eines ersten Elektrodenmaterials unter Verwendung einer Abscheidequelle; und Liefern von Partikeln, die über ungefähr 5 eV energetisiert sind, von einer zweiten Quelle derart, dass die Partikel eine Energie für das erste Elektrodenmaterial bereitstellen, um das erste Elektrodenmaterial in einem hoch geordneten Kristallfilm abzuscheiden; wobei die elektrolytische zweite Schicht ein elektrolytischer zweiter Film in Kontakt mit dem ersten Film ist; wobei die dritte Schicht ein dritter Film ist; ferner mit einem Bilden eines vierten Films in Kontakt mit dem dritten Film und getrennt von dem ersten Film, wobei der vierte Elektrodenfilm ein zweites Elektrodenmaterial enthält; wobei mindestens eines von dem ersten Elektrodenmaterial und dem zweiten Elektrodenmaterial ein Metall oder ein Interkalationsmaterial enthält.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Abscheiden des ersten Films zuerst ein Abscheiden eines Keimmaterials auf das Substrat enthält, um in einer Niederenergie-Abscheidung von Lithium-Interkalationsmaterial für den ersten Film auf das Substrat zu helfen, um eine Kristallcharakteristik des ersten Films zu steuern.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Interkalationsmaterial Lithium enthält, wobei das Abscheiden des Keimmaterials ein Abscheiden eines Keimmaterials mit einer freien Oberflächenenergie, die größer als eine freie Oberflächenenergie des Lithium-Interkalationsmaterials des ersten Films ist, enthält.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Abscheiden des Keimmaterials ein Abscheiden eines amorphen Keimmaterials enthält, um unerwünschte Wachstumsstrukturen des Lithium-Interkalationsmaterials des ersten Films zu reduzieren.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Abscheiden des Keimmaterials ein Abscheiden eines nanokristallinen Keimmaterials mit feiner Körnung enthält, um unerwünschte Wachstumsstrukturen des Lithium-Interkalationsmaterials des ersten Films zu reduzieren.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei Abscheiden des Keimmaterials ein Abscheiden eines elektrisch leitenden Keimmaterials enthält.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des Substrats enthält: Bereitstellen einer Substratbasis; Bilden eines Keimfilms auf der Substratbasis, so dass die Substratbasis und der Keimfilm das Substrat bilden; und wobei die erste Schicht ein erster Film ist, der auf den Keimfilm abgeschieden wird, wobei die elektrolytische zweite Schicht ein elektrolytischer zweiter Film ist, und wobei die dritte Schicht ein dritter Film ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bilden des dritten Films ein Bilden eines zweiten Keimfilms auf einer Oberfläche des elektrolytischen zweiten Films und anschließend ein Bilden des dritten Films auf dem zweiten Keimfilm enthält.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das energetisierte zweite Material energetisierte Partikel enthält, die an das Substrat benachbart zu der Stelle geliefert werden, um das Wachstum einer kristallinen Struktur des ersten Materials an der Stelle zu steuern; und wobei, nach dem Durchführen der obigen Schritte, die Energiespeichervorrichtung kryogenisch erwärmt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das kryogenische Erwärmen ein Reduzieren der Temperatur der Energiespeichervorrichtung auf eine Nahe kryogenische Temperatur enthält, dann ein Erhöhen der Temperatur auf eine Nahe Abscheidungs-Temperatur, und dann Abkühlen der Energiespeichervorrichtung auf eine Umgebungstemperatur.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Schritte des Reduzierens, Erhöhens und Abkühlens wiederholt werden.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das kryogenische Erwärmen ein erstes Verpacken der Vorrichtung vor der kryogenischen Erwärmung enthält.
  26. Wiederaufladbare Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung, enthaltend: ein Substrat mit einem Schmelzpunkt von weniger als 300 Grad Celsius; einen ersten Film benachbart zu dem Substrat; einen elektrolytischen zweiten Film benachbart zu dem ersten Film; und einen dritten Film benachbart zu dem elektrolytischen zweiten Film, wobei der dritte Film von dem ersten Film benachbart ist; wobei mindestens einer von dem ersten Film und dem dritten Film ein Interkalationsmaterial oder Metall enthält.
  27. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 26, wobei beide der erste Film und der dritte Film aus einem Lithium-Interkalationsmaterial gebildet sind.
  28. Wiederaufladbare Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 26, ferner mit einer Keimschicht zwischen dem Substrat und dem ersten Film.
  29. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei das Substrat eine thermische Degradationstemperatur von weniger als ungefähr 250 Grad Celsius hat.
  30. Wiederaufladbare Dünnfilm-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 26, wobei der erste Film ein erstes Elektrodenmaterial enthält, das unter Verwendung von Partikeln abgeschieden wird, die eine Energie von über ungefähr 5 eV haben, so dass die Partikel eine Energie bereitstellen für das Elektrodenmaterial, um das Elektrodenmaterial in einen hoch geordneten Kristallfilm auszubilden; wobei der dritte Film ein zweites Elektrodenmaterial enthält; und wobei mindestens eines von dem ersten Elektrodenmaterial und dem zweiten Elektrodenmaterial ein Metall oder ein Interkalationsmaterial ist, wodurch das Substrat keiner Hochtemperatur-Erwärmung unterworfen wird.
  31. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 30, wobei das Substrat einen thermischen Degradationstemperatur von weniger als ungefähr 300 Grad Celsius hat.
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