CN102057323B - 制造电色装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明构思在电色装置制造中利用激光图案化/切割，激光图案化/切割用于制造工艺期间的任何地方且视为电色装置可制造性、产率、功能性的适当必要手段，同时整合所述激光切割以确保保护所述装置的有源层，进而保证长期可靠性。设想采用激光直接移除(剥离)部件层材料而图案化电色装置的部件层。本发明包括制造电色装置的方法，所述方法包含一或多个聚焦激光图案化步骤。为最少化激光剥离材料再沉积和微粒形成在装置表面，可采用若干方法：(1)可在装置材料的所述激光剥离附近用真空抽吸及/或惰性气体喷射移除所述聚焦激光图案化产生的剥离材料；(2)在空间上隔开各层边缘及在沉积上层之前图案化下层；及(3)所述激光图案化步骤由直接聚焦在所述沉积层上方的激光束、导引穿过透明基板的激光束或二者的组合来进行。
Description
技术领域
本发明大体上涉及电色装置，且特别是涉及制造电色装置的方法，包括激光图案化/切割。
背景技术
电色装置是响应施加至装置的电压而改变光(和热)传输性质的装置。电色装置可制作成电性切换透明状态与半透明状态(其中穿透光为彩色)。另外，某些过渡金属氢化物电色装置可制作成切换透明与反射状态。
电色装置可应用到许多产品中，包括建筑窗、后视镜和用于博物馆展示箱的防护玻璃。当电色装置应用到建筑窗中时，电色装置的保证寿命需至少十年，最好为三十年或三十年以上。然而，电色装置接触大气的氧和水会降低装置性能及缩短装置寿命。因此，电色装置需设计成能承受周围氧化剂的不利作用。
建筑窗一般是中空玻璃单元(insulated glass unit；IGU)的形式。IGU包含两片间隔且沿着全部四边密封的玻璃板。内部空间填充诸如氩气的惰性气体，以提供热绝缘。当电色装置应用到IGU中，电色装置在外部玻璃板(面朝户外的板)上制造，并且设置于外部玻璃板的内表面上。IGU内的惰性环境不会影响电色装置的性能。然而，例如若IGU密封失败，那么仍需保护电色装置以对抗周围氧化剂。
图1示出现有技术的电色装置100。参见授予Zieba等人的美国专利第5,995,271号。装置100包含玻璃基板110、下透明导电氧化物(transparentconductive oxide；TCO)层120、阴极130、固态电解质140、反电极150、上TCO层160、保护涂层170、第一电触点180(至下TCO层120)和第二电触点190(至上TCO层160)。另外，扩散阻障层(未示出)可以设在玻璃基板110与下TCO层120之间，以减少离子从玻璃基板扩散到TCO层，反之亦然。注意图1示出的电色装置的部件层未按比例绘制。例如，典型的玻璃基板厚度达毫米级，且典型的电色装置覆盖例如建筑玻璃或后视镜完全露出的区域。其它基板材料也可采用，例如诸如聚酰亚胺(polyimide；PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate；PET)和聚萘二甲酸乙二酯(polyethylenenaphthalate；PEN)的塑料。典型的部件层厚度列于下表。
| 部件层 | 厚度(微米) |
| 下TCO层 | 0.1至1.0 |
| 阴极 | 0.1至1.0 |
| 固态电解质 | 0.005至0.5 |
| 反电极 | 0.1至1.0 |
| 上TCO层 | 0.1至1.0 |
| 扩散阻障层 | 0.1至1.0 |
例如，迫使离子(诸如锂或氢离子)从反电极150经由(非导电)固态电解质140至阴极130能使从透明状态切换成彩色状态。反电极150为离子存储膜，并且阴极130具有电色性以提供预定的光传输性质变化。如果反电极150经“阳极赋色”使得层因离子脱嵌而从透明变成彩色时，那么反电极150也可能当作电色层。在此情况下，阴极变成反电极。通过结合二电极的作用也可产生更大对比。电色装置的机能详述见“Granquvist，C.-G.，Nature Materials，v5，n2，Feb.2006，p 89-90”。为使装置正常运作，下TCO层120和阴极130必须与反电极150和上TCO层160电隔离。通过第一电触点180和第二电触点190电接触外部驱动电路。
可从图1清楚看出，装置100需图案化五个有源装置层120-160。这种图案化可运用常规的基于物理/阴影掩膜的蚀刻技术来完成。使用传统蚀刻技术和物理掩膜有许多缺点，尤其是在大规模制造(high volume manufacturing；HVM)方面。例如，使用物理掩膜会：(1)大幅增加HVM和大面积比例化所需的投资额；(2)增加拥有成本(可消耗的掩膜成本、清洁、化学品等)；(3)因需要对准而降低产量；以及(4)因掩膜易破裂而转变成电色装置的缺陷(如色中心和保护层内的针孔)，导致产率损失。由于保护层内针孔的存在让氧化剂抵达装置的有源层，因此最终将造成电色装置失效。若IGU密封受损使得大气氧化剂漏进单元，则密封在IGU内的电色装置会发生上述问题。如此保护层内含针孔缺陷的装置的寿命将无法达到预期的数十年之久。在HVM工艺中，使用物理掩膜(普遍用于传统和当前技术水平的电色装置制造技术)将引起更高的复杂度和更高的制造成本。复杂度和成本是因为需要制造极精密的掩膜及使用(自动化)管理系统来对准和再生掩膜所致。由众所周知用于硅基集成电路产业的光蚀刻工艺可推测这种成本和复杂度。此外，维修掩膜的需要及由于增加对准步骤而限制产量也会增加成本。随着比例化制造更大面积的基板，适应越来越困难，成本也越来越高。再者，由于物理掩膜的可利用性和性能局限，所以比例化(制造更大的基板)本身可受到限制。这对需有无数形状和尺寸的建筑窗应用尤其明显。因此，需要有成本高效、弹性且与大规模制造适应的电色装置制造方法。另外，鉴于与基于掩膜的蚀刻制造步骤相关的产率问题，仍然需要用来图案化电色装置的许多部件层的改进方法。
如图1所示，利用激光切割技术来图案化五个有源装置层120-160。参见授予Hichwa等人的美国专利第5,724,175号。然而，Hichwa等人的激光切割方法由于在激光剥离被切割的沟槽壁上的材料的过程中出现再沉积而污染有源电色层的暴露出的边缘。此污染会损害电色装置的性能。另外，在激光剥离过程中产生微粒，并且这些微粒沉积在装置表面。当涂覆保护涂层时，表面存有微粒会在涂层内形成针孔。保护涂层内的针孔将使装置接触周围氧化剂，以致装置提早失效。因此，一种不损害电色装置性能的激光切割工艺。
总之，需要改进的用于电色装置的图案化工艺，并且需要改善图案化工艺与电色装置制造的整合。
发明内容
本发明的概念和方法藉由消除及/或最少化使用传统掩膜来降低大规模制造电色装置的成本和复杂度，进而提升大规模、高产量的产品制造及将产品制作在大面积基板上的可制造性。这有效降低广泛市场应用性的成本及提高产率。如此还能确保装置有源层受长期保护而免遭环境氧化剂作用。根据本发明的诸方面，达成这些和其它优点的方式是利用激光图案化/切割来满足某些或所有的图案化需求，同时整合激光切割以便确保装置有源层受到保护，进而保证长期的可靠性。设想采用激光直接移除(剥离)部件层材料而图案化电色装置的部件层。因此，本发明想到将激光图案化整合于制造方法视为电色装置可制造性、产率、功能性和长期可靠性的适当必要手段。这包括制造电色装置的方法，所述方法包含以下步骤：(1)在透明基板上沉积第一透明导电层，随后沉积阴极；(2)图案化阴极；(3)沉积电解质层，随后沉积反电极层，接着沉积第二透明导电层；(4)聚焦激光图案化电解质层、反电极层和透明导电层；(5)沉积扩散阻障层；以及(6)形成分离的电触点至第一透明导电层和第二透明导电层。(2)中的图案化步骤也可为聚焦激光图案化工艺。在此方法中，激光图案化第一透明导电层和阴极层是在沉积及激光图案化其余层之前进行，如此可免除由于透明导电材料和阴极材料再沉积至其余层表面而对其余层造成的任何污染。另外，在聚焦激光图案化期间，可移除聚焦激光图案化产生的剥离材料。一般而言，采用诸如在空间上隔开上、下层边缘及/或在沉积上层之前图案化下层的策略，可最少化激光剥离造成的剥离材料再沉积和微粒污染。
制造电色装置的另一方法包括以下步骤：(1)在基板上顺序地沉积电色装置的多个层，第一层为第一透明导电层，最后一层为第二透明导电层；(2)聚焦激光图案化各层，其中所述图案化将基板上的各电色装置隔开并暴露出第一透明导电层的表面以供制作电触点；(3)在聚焦激光图案化期间，移除由聚焦激光图案化产生的剥离材料；(4)沉积扩散阻障层；以及(5)形成分离的电触点至第一透明导电层和第二透明导电层。
在上述方法中，在用激光图案化工艺剥离材料时，移除材料的方式可为：在非常接近激光剥离位置处进行真空抽吸，及/或喷射惰性气体遍及装置的激光剥离附近表面。此外，(冷却的)表面可策略性安放在剥离区域的焦点附近(如安放抽吸或气体喷射的地方)，以(通过沉积)取得剥离材料。另外，激光图案化步骤可由从上方直接聚焦在沉积层上的激光束、直接穿过透明基板的激光束或二者的组合来进行。
附图说明
本领域普通技术人员在配合随附图式参阅本发明的特定实施例的以下描述后，将更清楚本发明的这些和其它方面与特征，其中：
图1示出现有技术的电色装置；
图2A至图2E示出根据本发明的方面的示范性电色装置制造工艺；
图3A至图3E示出本发明的示范性电色装置制造工艺的其它方面；
图4示出根据本发明的方面制造电色装置时的激光切割及剥离材料移除过程步骤的实例；
图5示出根据本发明的方面制造电色装置时的激光切割及剥离材料移除过程步骤的另一实例；以及
图6示出根据本发明的方面制造电色装置时的激光切割及剥离材料移除过程步骤的又一实例。
具体实施方式
现将参照附图详细描述本发明，附图作为本发明的说明性实例而提供，以便让本领域的技术人员能够实践本发明。注意，以下附图和实例无意于将本发明的范围限定在单一实施例，而经由互换部分或全部所描述或所图示的组件的其它实施例是可能的。再者，当可采用已知部件部分或完全实施本发明的某些组件时，只描述理解本发明所必需的已知部件部分，并且已知部件的其它部分将不再赘述，以免使本发明难以理解。在本说明书中，显示单数部件的实施例不应视为限制；相反，本发明旨在涵盖包括多个相同部件的其它实施例，反之亦然，除非本文另行指明。再者，申请人不意图将说明书或权利要求书中的术语解释成罕见的或特殊的意义，除非本文另行指明。另外，本发明涵盖本文经由说明所提及的已知部件的现今和未来的已知等价物。
一般而言，本发明想到另一利用激光图案化/切割技术来图案化电色装置结构中某些或所有层的替代性方法。本发明认识到，降低及/或最少化物理掩膜的使用对电色装置的制造工艺大有益处，尤其是在大规模制造和大基板方面。激光图案化的一些关键益处为：对产率有正面影响；以及激光容许装置图案化具有弹性，以符合终端市场定义的形状因子，而不需建立昂贵的新物理掩膜或原罩。激光图案化技术，也称为激光切割，在半导体与光电产业中众所周知。本发明想到利用激光直接移除材料(剥离材料)，以在电色装置中形成图案化部件层。仔细地最佳化及聚焦激光，以使经图案化的特征结构的边缘位置准确，并考虑到移除一个层而不损及下层。由于在透明基板上制造电色装置，因此可引导激光穿过基板或从上方引导激光来图案化部件层。在大面积基板的情况下，并且为了缩短图案化工艺时间，一次能使用多个激光来图案化单个基板上的装置。另外，如本文所述，使用技术以最少化材料在激光剥离期间再沉积到电色装置的有源层的露出边缘上。这些同样的方式可用于最少化来自剥离材料的微粒沉积于装置的所有表面。
各种类型的激光都可用来执行激光图案化/切割功能，这取决于用于电色装置的材料的光吸收特性和厚度。一些能采用的激光器包括高功率二氧化碳(CO2)激光器(如10微米波长)和掺铷(Nd)的固态激光器(如波长为1046nm与523nm的具倍频器的Nd:YAG激光器)。可使用多个激光执行激光图案化/切割功能，包括不同波长的激光。剥离深度(装置堆叠结构中被移除层的数目)受控于激光功率、聚焦和扫描速度。另外，使用只影响预定层的特定激光波长可专一地剥离待剥离层。激光图案化/切割通常在惰性气体环境或真空下进行。可在剥离位置附近利用真空/抽吸移除装置层在剥离期间产生的残材和气体。另外，可施加惰性气体喷射遍及激光剥离发生区域内的装置表面，以移除电色装置附近的残材和气体。又，(冷却的)表面可策略性安放在剥离区域的焦点附近(如安放抽吸或气体喷射的地方)，以(通过沉积)取得剥离材料。(冷却的)表面可以是金属板表面或其它材料板表面，或是适合在激光剥离环境中用于(通过沉积)取得剥离材料的任何物体表面。一般而言，剥离材料不具挥发性，且在室温下会快速沉积于表面。激光图案化/切割领域的技术人员将熟悉选择图案化/切割应用的激光及装配激光工具，以施行图案化/切割工艺。
图2A至图2E示出根据本发明制造电色装置200的方法的第一实施例。图2A显示沉积在基板210上的五层堆叠结构。基板可为玻璃或塑料。从基板算起，各层分别为下透明导电氧化物(TCO)层220、阴极230、固态电解质240、反电极250和上TCO层260。可采用本领域技术人员已知的沉积技术依序沉积各层。下TCO层220和上TCO层260通常是溅射沉积的铟锡氧化物(indium tinoxide；ITO)。阴极230和反电极通常是由过渡金属氧化物组成，且通常是以物理气相沉积法沉积而得。固态电解质240通常是由陶瓷/氧化物固态电解质组成，例如氮氧化锂磷和LixSiO2，这些电解质可采用各种方法沉积而得，包括物理与化学气相沉积法。图2B显示经第一次图案化步骤处理后的堆叠结构。此图案化步骤包括：(1)通过切穿整个堆叠结构下达基板，以电分离各个装置；以及(2)暴露出下TCO层220的顶表面供制作电触点至下TCO层220。第一次图案化最好由激光图案化工具施行。图2C显示增设的扩散阻障层270，扩散阻障层270覆盖整个堆叠结构，包括露出的垂直边缘。扩散阻障层270应为透明、电绝缘，并能钝化露出的表面，使之对诸如氧气(O2)与水(H2O)的周围氧化剂具低渗透率。图2D显示装置在扩散阻障层270已经被图案化后敞开区域272和274，分别供制作电触点至下TCO层220和上TCO层260。第二次图案化最好由激光图案化工具施行。最后，图2E显示制作第一电触点280(至下TCO层220)和第二电触点290(至上TCO层260)后的装置。任选地，可在基板210与下TCO层220之间增设扩散阻障层(图2未示出)。此扩散阻障层应为透明、电绝缘，并能钝化露出的表面，使之对诸如钠(Na)、硼(B)与锂(Li)(在Li电色装置的情况下)的离子具低渗透率。
在根据本发明制造电色装置的方法的第二实施例中，遵循根据图2A至图2C的方法，接着制作电触点穿过阻障层270，而不需敞开阻障层270的触点区域272、274。制作触点的方法是通过让接触材料扩散穿过扩散阻障层而构成导电路径来进行。如此形成与图2E所示装置相同的最终装置，除了第一电触点280和第二电触点290位于扩散阻障层270上，并经由扩散阻障层270分别电接触下TCO层220和上TCO层260(接触材料扩散到扩散阻障层内而引起局部导电)。此方法可应用到扩散阻障层很薄或相对多孔的情况。这可以是因存在保护电色装置免遭周围氧化剂作用的替代性方法而导致对扩散阻障层的需求不太迫切的情况。例如，电色装置可能被并入低电气绝缘玻璃单元(insulating glass units；IGUs)，所述IGU内部密封有惰性气体。
以上参照图2A至图2E所述本发明的方法的第一实施例包括第一次图案化步骤，所述步骤切穿堆叠结构的所有五层。当使用激光图案化/切割实施此图案化步骤时，剥离材料有再沉积至堆叠结构新露出的边缘上的风险。此再沉积会造成各层间短路或污染有源层。如果再沉积引发问题，那么可使用本发明的替代性方法，所述方法在空间上隔开边缘，并在沉积及图案化上层之前图案化一些下导电层，以最少化再沉积。这些方法包括增加一或多个图案化步骤。此类方法的实例为图3A至图3E所示的实施例，其中阴极330的边缘与其上方堆叠结构中各层的边缘在空间上隔开，且在沉积及图案化上层之前图案化阴极330和下透明导电氧化物层320。
图3A至图3E示出根据本发明制造电色装置300的方法的第三实施例。图3A显示沉积在基板310上的二层堆叠结构。从基板算起，各层分别为下透明导电氧化物(TCO)层320和阴极330。采用本领域技术人员已知的沉积技术依序沉积各层。图3B显示经第一次图案化步骤处理后的堆叠结构。此图案化步骤包括：(1)切穿堆叠结构下达基板，以电分离各个装置；以及(2)露出下TCO层320的顶表面供制作电触点至下TCO层320。第一次图案化最好由激光图案化工具施行。图3C显示增设的另外三层：固态电解质340、反电极350和上TCO层360。可采用本领域技术人员已知的沉积技术依序沉积各层。图3D显示经第二次图案化步骤处理后的堆叠结构。此图案化步骤包括：(1)电分离反电极350和上TCO层360；以及(2)再次露出下TCO层320的顶表面供制作电触点至下TCO层320。第二次图案化最好由激光图案化工具施行。图3E显示增设扩散阻障层370，扩散阻障层370覆盖整个堆叠结构，包括露出的垂直边缘。此工艺现按照图2A至图2E所示方法的第一实施例或上述的第二实施例继续进行。
图4示出堆叠结构400，堆叠结构400具有基板410与相当于上述层120-170的层420-470。利用穿过基板410聚焦于堆叠结构的激光401和从上方聚焦于堆叠结构的激光402来激光图案化/切割堆叠结构400。激光401起初聚焦于层470，随着层被剥离，激光焦点往下移到层460，然后移到层450(如图4所示)，从而形成孔405。当激光剥离堆叠结构400的各层时，会产生残材403。管子406(显示横截面)连接到真空泵/抽吸产生器，且图示管子406朝方向404沿着管子406移除残材403。取决于所需图案、待移除层的数目和部件层的光学性质，可激光扫描以一层一层地移除材料(若欲移除每一层，则需反复扫描同一图案区域)，或者一次扫描遍及图案区域及切穿多层。激光402起初聚焦于层470；随着层被剥离，激光焦点往下移到层460，然后移到层450(如图4所示)，从而形成孔405。当激光剥离堆叠结构400的各层时，会产生残材403。管子407(显示横截面)连接到真空泵/抽吸产生器，且朝方向404沿着管子407移除残材403。图示激光束402行经管子407；然而，管子可依需求而安放至激光束的一侧。激光束402如同上述激光束401那样进行扫描。
图5示出堆叠结构500，堆叠结构500具有基板510与相当于上述层120-170的层520-570。利用穿过基板510聚焦于堆叠结构的激光501和从上方聚焦于堆叠结构的激光502来激光图案化/切割堆叠结构500，二激光同时聚焦于同一公共区域。二激光共同剥离了材料以形成孔505。图示激光502聚焦于层550，激光501聚焦于层540。当激光剥离堆叠结构500的各层时，会产生残材503和蒸发材料的气泡599。管子509和管子508(显示横截面)共同构成环状空间，经由此空间朝方向504移除残材503。(环状空间连接到真空泵/抽吸产生器)。图示激光束502行经管子508的中间；然而，也可用图4所示的管子取代管子508和管子509。激光束501和激光束502如同上述激光束401那样进行扫描。
图6示出堆叠结构600，堆叠结构600具有基板610与相当于上述层120-170的层620-670。利用从上方聚焦于堆叠结构的激光602来激光图案化/切割堆叠结构600。激光602起初聚焦于层670，随着层被剥离，激光焦点往下移到层660，然后移到层650(如图6所示)，从而形成孔605。当激光剥离堆叠结构600的各层时，会产生残材603和蒸发材料的气泡699。管子695(显示横截面)连接到惰性气体(诸如氩气)供应器，并朝方向696将惰性气体喷射至堆叠结构600的表面。惰性气体喷射吹走晶片表面各处的激光剥离位置的残材603。在此显示残材是由抽吸管子606收集。但只用惰性气体喷射也能有效移除激光剥离位置的残材及使其离开堆叠结构600的表面。管子606(显示横截面)连接到真空泵/抽吸产生器，且朝方向604沿着管子606移除残材603。激光束602如同上述激光束401那样进行扫描。
虽然本发明已参照较佳实施例特定描述，但本领域普通技术人员应明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作形式和细节上的更动与润饰。期望随附权利要求书涵盖此类更动与润饰。
Claims (15)
1.一种制造电色装置的方法，所述方法包含：
在透明基板上沉积第一透明导电层，随后沉积阴极；
图案化所述第一透明导电层和所述阴极；
沉积电解质层，随后沉积反电极层，接着沉积第二透明导电层；
聚焦激光图案化所述电解质层、所述反电极层和所述第二透明导电层；
沉积扩散阻障层；以及
形成分离的电触点至所述第一透明导电层和所述第二透明导电层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一次图案化步骤为聚焦激光图案化过程。
3.一种制造电色装置的方法，所述方法包含：
在透明基板上顺序地沉积与电色装置堆叠对应的多个层，第一层是第一透明导电层，且最后一层为第二透明导电层；
聚焦激光图案化所述多个层，所述图案化步骤：(1)通过切穿所述电色装置堆叠下达所述透明基板以将所述电色装置堆叠隔开成各个电色装置于所述基板上及(2)露出所述第一透明导电层以供制作电触点；
沉积扩散阻障层；以及
形成分离的电触点至所述第一透明导电层和所述第二透明导电层。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述顺序地沉积多个层的步骤包含顺序地沉积所述第一透明导电层、阴极层、电解质层、反电极层和所述第二透明导电层。
5.如权利要求1或3所述的方法，进一步包含在所述形成分离的电触点之前，图案化所述扩散阻障层。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述图案化所述扩散阻障层是聚焦激光图案化过程。
7.如权利要求1、2、3或6所述的方法，进一步包含在所述聚焦激光图案化期间，移除所述聚焦激光图案化所产生的剥离材料。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述移除步骤包含在剥离沉积的所述多个层的焦点附近提供沉积表面，以在所述沉积表面上沉积所述剥离材料。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述移除步骤包含在所述聚焦激光图案化期间，真空抽吸所述剥离材料。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述真空抽吸步骤是由抽吸管进行，所述抽吸管设在剥离沉积的所述多个层的焦点附近。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述移除步骤包含引导惰性气体喷射遍及所述装置的剥离沉积的所述多个层的焦点附近的表面。
12.如权利要求1、2、3或6所述的方法，其中所述聚焦激光图案化步骤包含在沉积的多个层中的一个上聚焦激光束，所述激光束在到达沉积的多个层之前通过所述透明基板。
13.如权利要求1、2、3或6所述的方法，其中所述聚焦激光图案化步骤由多个聚焦激光束进行，且其中所述多个聚焦激光束包括：在沉积的多个层的第一区域上聚焦的第一激光束和在沉积的多个层的第二区域上聚焦的第二激光束，所述第一激光束在到达沉积的多个层的所述第一区域之前通过所述透明基板，且所述第二激光束到达沉积的多个层的所述第二区域而不首先通过所述透明基板。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一区域和所述第二区域空间上重合。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述第一激光束和所述第二激光束同时入射至相同的区域上。
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