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Integrierte 3D-Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien: Dünnschichtkathoden auf strukturierten Substraten und elektrochemische Eigenschaften

Bohne, Laura :
Integrierte 3D-Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien: Dünnschichtkathoden auf strukturierten Substraten und elektrochemische Eigenschaften.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Integrierte 3D-Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien: Dünnschichtkathoden auf strukturierten Substraten und elektrochemische Eigenschaften
Language: German
Abstract:

Das wachsende Interesse an autonomen Mikrosystemen, die den Menschen im Alltag unterstützen sollen, führt zu einem steigenden Bedarf an Mikrobatterien mit hoher Leistungsdichte und Kapazität bei immer kleinerer verfügbarer Grundfläche. Im Gegensatz zu herkömmlichen zweidimensionalen Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien, die eine vergleichsweise geringe Kapazität und Leistung bezogen auf ihre Grundfläche aufweisen, erlauben es dreidimensionale Dünnschichtbatterien, diesem Trend gerecht zu werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Übergang von zweidimensionalen zu integrierten, dreidimensionalen Dünnschichtbatterien mittels Abscheidung des Kathodenmaterials LiCoO2 auf planaren sowie strukturierten Substraten beschrieben.

Nach Aufarbeitung des Standes der Technik dreidimensionaler Mikrobatterien wird vor dem Hintergrund der Integration einer Mikrobatterie auf der Rückseite eines Siliziumchips ein geeignetes Konzept ausgewählt, das auf der Verwendung eines vorstrukturierten Siliziumsubstrats in Kombination mit einem Festkörperelektrolyten beruht. Bei der Auswahl der Materialien für die benötigten Batterieschichten wird nach Möglichkeit auf Standardprozesse der Halbleiterindustrie zurückgegriffen. Zur Herstellung des Dünnschichtkathodenmaterials LiCoO2 wird im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH ein Prozess etabliert, der aus einer Abscheidung durch RF-Magnetron-Sputtern sowie anschließendem Tempern der gesputterten Schichten besteht. Es wird nachgewiesen, dass die prozessierten LiCoO2-Schichten stöchiometrisch sind und die geforderte hexagonale Schichtstruktur mit (003)-Vorzugsorientierung aufweisen.

Für die Herstellung von dreidimensionalen Dünnschichtbatterien wird neben konformen Abscheideverfahren auch eine geeignete Substratstrukturierung benötigt, die bei gegebener projizierter Grundfläche zu einer Maximierung der Kapazität und Leistungsdichte führt. Es werden verschiedene Strukturvarianten diskutiert, aus denen drei unter Berücksichtigung prozesstechnischer Randbedingungen ausgewählt und experimentell untersucht werden: Im DRIE-Prozess hergestellte Gräben mit senkrechten Seitenwänden, durch Ätzen mit KOH erzeugte Strukturen mit pyramidenförmigem Querschnitt sowie in einem zweistufigen Trockenätzprozess hergestellte Gräben mit trichterförmigem Querschnitt. Unter Berücksichtigung der für diese Arbeit verfügbaren Prozesstechnologien stellen letztere einen guten Kompromiss zwischen erreichbarer Kantenbedeckung und Oberflächenvergrößerung für dünne LiCoO2-Schichten dar.

Die hergestellten zwei- und dreidimensionalen Dünnschichtkathoden werden in Swagelok-Zellen elektrochemisch charakterisiert und miteinander verglichen. Da die LiCoO2-Schichten mittels Sputtern abgeschieden werden, ist das abgeschiedene Materialvolumen auf planaren und strukturierten Substraten bei identischen Sputterbedingungen gleich und somit auch die erzielbare Kapazität. Dennoch kann die erwartete Tendenz, aufgrund einer größeren aktiven Oberfläche von strukturierten Substraten eine höhere Leistungsdichte zu erzielen, nachgewiesen werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen Schritt auf dem Weg zu integrierten, dreidimensionalen Mikrobatterien auf und stellen damit eine gute Basis für die Weiterarbeit an dreidimensionalen Festkörperdünnschichtbatterien dar. Hierfür werden weiterführende Ansätze abgeleitet, von denen insbesondere die konforme Abscheidung der aktiven Batterieschichten im CVD-Verfahren auf mit hohem Aspektverhältnis strukturierten Substraten die Realisierung unterschiedlichster, autonomer Mikrosysteme mit integrierter Mikrobatterie verspricht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The growing demand for stand-alone micro systems supporting people in their everyday life leads to an increasing need for micro batteries with enhanced power density and capacity at decreasing available footprint. Compared to conventional two-dimensional thin film lithium-ion batteries showing a comparatively small capacity and power density per footprint, three-dimensional batteries are able to come up to this trend. This thesis deals with the changeover from two- to three-dimensional, integrated thin film batteries by deposition of the cathode material LiCoO2 on planar as well as on structured substrates. Based on the evaluation of the state of the art for three-dimensional micro batteries a concept allowing the integration of such a micro battery on the back side of a silicon chip is pursued. This concept is based on a structured silicon substrate combined with the use of a solid state electrolyte. When configuring the battery material setup, standard materials and processes of the semiconductor industry are selected wherever applicable. As a first step a preparation process for the thin film cathode LiCoO2 is set up and fine-tuned at Corporate Sector Research and Advance Engineering at Robert Bosch GmbH consisting of a RF magnetron sputter process and subsequent annealing of the deposited thin films. It is verified that this process enables the fabrication of stoichiometric LiCoO2 films with the required hexagonal layered structure and a $\left(003\right)$ preferential orientation. Besides conformal film deposition an appropriate substrate structure yielding a maximized capacity and power density at a given footprint is required to fabricate three-dimensional thin film batteries. Different structure types are discussed and three of them are evaluated experimentally considering constraints with respect to process conditions: Trenches with vertical side walls etched with the DRIE process and structures with a pyramidal cross section etched with KOH as well as funnel-shaped trenches resulting from a double-stage plasma-etch process. The latter presents a good trade-off between achievable step coverage and surface gain for thin LiCoO2 films considering the process technologies available for this thesis. For comparison two- and three-dimensional thin film cathodes are characterized electrochemically using Swagelok cells. Due to the restriction of the available deposition process for LiCoO2 (sputtering), the material volume deposited on planar as well as on structured substrates and hence the achievable capacity is comparable when sputter conditions are kept constant. Nevertheless, the expected higher power density due to an increased active surface of the structured substrate is demonstrated. The results of the present thesis show a first step towards integrated, three-dimensional micro batteries and are thus a good basis for future work on three-dimensional, all solid state thin film batteries. Several continuative approaches are presented and discussed. In particular, the conformal deposition of active battery materials by CVD on substrates structured with high aspect ratios promises the implementation of autonomous micro systems with integrated micro batteries.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 02 May 2012 09:40
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29575
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Schlaak, Prof. Dr.- Helmut F.
Refereed: 19 April 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2957
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