CN102576898B - 降低复杂度的薄膜电池方法 - Google Patents

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Abstract

本发明叙述一种降低复杂度的薄膜电池方法。在此还叙述适用于支援降低复杂度的薄膜电池方法的处理设备配置。在此还描述支援降低复杂度的薄膜电池方法的群组工具(cluster tool)。

Description

降低复杂度的薄膜电池方法
本申请案主张2009年9月22日申请的美国临时专利申请案号61/244,798的权益，该专利申请全文一并引用于此供作参考。
技术领域
本发明的实施例是有关薄膜电池领域，且特别是关于降低复杂度的薄膜电池方法。
背景技术
近来对缩放薄膜电池尺寸以包含更小特征结构、同时提高大量制造薄膜电池的能力所做的努力，大多依赖传统薄膜电池的制造方法和技术。传统方法和技术包括在典型薄膜电池工艺流程的每一和各个沉积操作中使用遮蔽掩模或一组遮蔽掩模。例如，在传统工艺中，处理工具装有遮蔽掩模，且在处理工具中进行单层沉积，接着卸下第一遮蔽掩模而换上供另一沉积操作使用的第二遮蔽掩模。
另外，用于薄膜电池制造的沉积室或处理工具通常设有手套箱，手套箱具有适合控制及保护在沉积室或处理工具内的沉积材料的大气环境。此必须时常注意，因为沉积材料往往易受正常大气条件影响。在一些情况下，沉积材料对正常大气条件太敏感，以致当所述沉积材料曝露在这些条件下时便会燃烧。
图1图示用于制造薄膜电池的传统设备配置实例。参照图1，适合薄膜电池制造的沉积工具100装有手套箱102。例如，与沉积工艺相关的沉积工具100一般包括手套箱102。虽未绘示，但对于使用锂腔室或其他腔室或在例如空气敏感层沉积工艺后续使用的处理工具而言，则需要设置额外的手套箱。
发明内容
在此叙述用于降低复杂度的薄膜电池方法。为彻底了解本发明，以下将详细叙述众多特殊细节，例如制造条件和材料类型。本领域技术人员将明白，本发明可不依这些特殊细节来施行。在其他例子中，未详述诸如设施布局等熟知特征，以免不当地让本发明变得晦涩难懂。另外，应理解附图中所绘示的各种实施例仅作图示说明，而非必要按比例绘制。此外，所述实施例虽未明确揭露其他配置和构造，但仍视为落在本发明的精神和保护范围内。此外，采用所述实施例以外的其他基板尺寸也视为落在本发明实施例的精神和保护范围内。
在此描述一种用来制造薄膜电池的方法。在一实施例中，相较于传统制造方式，提供降低复杂度的方法。在一实施例中，一种整合方案提供适合用来降低复杂度的薄膜电池制造方式。在一实施例中，设置一种处理设备配置，该处理设备配置适用于支援降低复杂度的薄膜电池方法。在一实施例中，配置一种群组工具，该群组工具适用于支援降低复杂度的薄膜电池方法。
在薄膜电池堆迭结构中所存在的空气敏感层，需有适合确保薄膜层(例如正与负电极层)不会曝露在空气环境中的制造设备和工艺。在整个薄膜电池发展与(小规模)制造历史中，所采用的解决方式为使用具可控制氩气惰性环境的手套箱。该氩气环境可与适当沉积工具和处理腔室整合。此方式能保护任何敏感的沉积层及保护沉积满载的掩模可免于接触正常空气环境中存有的氧化剂，例如氧气(O2)、水(H2O)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。
然而，使用氩气环境手套箱的方式会增加制造薄膜电池的整体整合与制造方案的成本和复杂度。当技术跃升成大量制造及自动化时，此成本和复杂度的问题将会恶化。附加的成本是来自于资本(例如，设备的附加构件)和操作(例如，手套箱操作和手套箱内自动化操作的复杂度)方面。
根据本发明一实施例，本文提供的概念和实例可消除一些或所有上述的要求，以提供改良的薄膜电池制造方案。在一实施例中，提供改良的薄膜电池工艺整合方案和适合的对应腔室构造。在一实施例中，描述了使用新腔室来消除传统薄膜电池制造工艺的惰性环境要求，以做为解决与上述常规薄膜电池制造技术相关问题的方案。
根据本发明一实施例，可简化薄膜电池制造工艺。在一实施例中，提供了一种薄膜电池工艺整合，用于反应层的自然保护。在一实施例中，降低了薄膜电池的制造复杂度和成本。在一实施例中，提供了用于制造薄膜电池且与正常空气环境相容的整合工艺方案。在一实施例中，提供了用于制造薄膜电池的工艺整合方案，以改善自动化。在一实施例中，在薄膜电池整合中使用智慧型群组工具(Smart Cluster Tools)。
附图说明
图1图示用于制造薄膜电池的常规设备配置实例。
图2是图示根据本发明一实施例通过本文所述的制造工艺和工具配置所制造的代表性薄膜电池的截面图。
图3图示根据本发明的一实施例利用掩模工艺的200毫米薄膜电池制造工厂。
图4图示根据本发明的一实施例适合各种形式的处理设备的真空传送模组。
图5是图示根据常规方法在整合方案中用于制造薄膜电池的代表操作流程图。
图6是图示根据本发明的一实施例在整合方案中用于制造薄膜电池的代表操作流程图。
图7是图示根据本发明的一实施例在整合方案中用于制造薄膜电池的代表操作流程图。
图8图示根据本发明的一实施例适用于降低复杂度的薄膜电池方法的群组工具配置与传统处理设备配置的比较。
图9图示根据本发明的一实施例适用于降低复杂度的薄膜电池方法的群组工具配置与传统处理设备配置的比较。
具体实施方式
预期以所描述的工艺和工具配置来制造多种薄膜电池结构。图2是图示根据本发明的一实施例的代表性薄膜电池截面图，该薄膜电池预期由在此所述的制造工艺和工具配置来制造。参照图2，薄膜电池200包括堆迭层202，堆迭层202制作在基板204上。堆迭层202包括阴极电流集电层206、阳极电流集电层208、阴极层210、阳极层212、电解质层214和保护涂层216。在一实施例中，堆迭层202的厚度约为15微米。在一实施例中，薄膜电池200的阳极层212为锂阳极层。然而，应理解到图2仅绘示薄膜电池结构的一种可能配置，在此所述的概念当可应用到任何薄膜电池结构(例如，以传统工艺流程与整合方案制造所述薄膜电池结构)和不同的电池堆迭配置。
在本发明的一方面中，提供适应惰性环境要求的方法(例如，用于锂阳极层)。图3图示根据本发明的一实施例利用掩模工艺(例如，使用遮蔽掩模)的200毫米薄膜电池制造工厂。参照图3，制造薄膜电池的工厂300包括：用于沉积金属或半导体层的第一处理工具302、用于沉积有源层的第二处理工具304、可依需求进行快速热处理(rapid thermal processing)的第三处理工具306(或炉膛)、用于沉积介电层的第四处理工具308、用于进行反应离子蚀刻(reactiveion etching)的第五处理工具310和用于沉积薄膜电池的特性层的第六处理工具312。根据本发明一实施例，如图3所示，配置第六处理工具312用于在同一处理工具中沉积锂层(如锂阳极层)和聚合物层。
参照上述图3所示的处理工具，真空传送模组可用于工具间(tool-to-tool)的基板传送。根据本发明一实施例，真空传送模组为储存腔室，该储存腔室可附接至处理工具的小平面上以及从处理工具的小平面上拆卸下来(例如，购自应用材料公司(Applied Materials)的Endura或Centura平台的小平面)，以将基板、堆迭结构等从一处理工具传送到另一处理工具中。在一实施例中，真空传送室为真空相容或以氩气回填。
图4图示根据本发明的一实施例适合各种形式的处理设备的真空传送模组。参照图4，真空传送模组400可相容于具小平面404的第一物理气相沉积室402、具小平面408的第二物理气相沉积室406、具小平面412的对准器410、和具有第一小平面416与第二小平面418的锂沉积室414，上述处理设备适用于与真空传送模组400相互作用。
在本发明的另一方面中，使用不同处理工具的配置来制造薄膜电池。图5是图示根据传统方法在整合方案中用于制造薄膜电池的代表操作流程图500。参照流程图500中的操作502，薄膜电池制造工艺包括：电流集电层的图案化沉积。参照流程图500中的操作504，薄膜电池制造工艺包括：阴极层的图案化沉积。参照流程图500中的操作506，薄膜电池制造工艺包括：阴极层(选择性)的退火处理。参照流程图500中的操作508，薄膜电池制造工艺包括：电解质层的图案化沉积。参照流程图500中的操作510，薄膜电池制造工艺包括：阳极层的图案化沉积。并且参照流程图500中的操作512，薄膜电池制造工艺包括：保护涂层的沉积。视实际薄膜电池堆迭结构的需求而定，在上述操作后，也可接续进行后沉积图案化。
参照图5的操作，每一个操作通常会伴随着执行以遮蔽掩模为基础的图案化操作。就此方式而言，若离位(ex situ)进行掩模放置或对准，那么将把基板装载至工具或腔室中而成堆迭结构(掩模与基板、和一些夹持机构)。随后，进行特定层的沉积。上述操作之后，为移除堆迭结构及更换掩模，以供后续层的沉积使用。根据本发明的一实施例，此方式证实对正与负电极层的沉积是困难的。举例来说，正电极(例如，阴极)可为具吸湿性和反应性，特别是刚沉积(as-deposited)的材料为无定形且不足化学计量的情况。在另一实例中，薄膜电池的负电极传统上为锂，然也可并入散装(bulk)锂离子电池开发的相同技术，例如锡、铝、硅等和这些金属的锂合金。无论哪种方式，锂和其合金在正常空气环境条件下，可具有高反应性(且随着湿度增加而加剧)，故需某种保护措施。
在本发明的又一方面中，即使一种特殊锂物种不具高反应性，但由于通常存在于薄膜电池中的锂含量很少(如相较于散装锂金属电池的数十微米，其仅有一些至数微米)，以致于任何反应程度和形成表层都可能产生具有低性能和产率的薄膜电池。在一实施例中，即便原位(in situ)进行掩模附接和对准，该阳极层仍可能发生类似的情况。因此，需要保护刚沉积的敏感或反应层，以免其曝露至大气条件中。
根据本发明的一实施例，在此所述的方案提供一种改良、具成本效益、降低复杂度、又可调比例的制造技术。根据本发明的一实施例，非但不以隔离方式来完成敏感或反应层的沉积，反而是利用额外的沉积来扩展沉积操作。在一实施例中，额外的沉积提供不反应或较少反应性的材料，提供的材料数量足以覆盖任何裸露的反应层。在一实施例中，在工艺操作结束之前，额外的沉积提供稳定层。在一实施例中，在后续掩模更换之前，进行额外的沉积。
根据本发明的另一实施例，提供能适用于上述薄膜电池整合方式的腔室或群组工具。在支撑基板曝露至大气条件之前(例如，在移出腔室或群组工具之前)，该腔室或群组工具可提供其他保护敏感或反应层的途径。举例来说，在一实施例中，在沉积阴极层之后、但在将基板移出腔室或群组工具之前(移出后将使得阴极层顶部曝露至空气环境条件中)，进行电解质层的沉积。在一特定实施例中，直到在形成的锂层上接着进行例如较不具反应性或不反应金属层的简单金属沉积的时候，该锂蒸发操作才能视为完成。
在一特定实施例中，在各沉积工艺间不让阴极层接触空气环境的情况下，接续沉积电解质层至阴极层上。图6是图示根据本发明的一实施例，在整合方案中用于制造薄膜电池的代表操作流程图600。参照流程图600中的操作602，薄膜电池制造工艺包括：阴极层的沉积。参照选择性操作603A，在一实施例中，在沉积阴极底材(其可能已含或不包括锂)后，锂化该阴极层。参照选择性操作603B，在一实施例中，退火处理该阴极层，例如，通过加热该阴极层来进行退火。参照流程图600中的操作604，在不让阴极层接触大气条件的情况下，接着在阴极层上形成电解质层。参照流程图600中的操作606，进行第二电解质层沉积操作，该沉积操作包括掩模操作。在上面已沉积上述层的基板曝露至空气环境中的情况下，电解质层可在掩模及第二电解质层沉积操作之前保护阴极层。
故在一实施例中，一种制造薄膜电池的方法包括：在基板上方形成薄膜电池的阴极层。制造薄膜电池的方法还包括：在不让阴极层接触空气环境的情况下，在阴极层上形成电解质层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成电解质层前，锂化该阴极层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成电解质层前，退火处理该阴极层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成电解质层前，锂化该阴极层，然后接着退火处理该阴极层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成电解质层后，将基板曝露至空气环境中，接着用掩模遮蔽电解质层，然后在电解质层上方形成第二电解质层。
在另一特定实施例中，在各沉积工艺间不让阳极层曝露在空气环境的情况下，在该阳极层上接续沉积金属层、介电层、介电有机复合层或有机层。图7是图示根据本发明的一实施例，在整合方案中用于制造薄膜电池的代表操作流程图700。参照流程图700中的操作702，薄膜电池制造工艺包括：沉积阳极层。参照选择性操作703A，在一实施例中，在沉积阳极底材(其可能已含或不包括锂)后，锂化该阳极层。参照选择性操作703B，在一实施例中，退火处理该阳极层，例如，通过加热该阳极层来进行退火。参照流程图700中的操作704，在不让阳极层曝露至大气条件的情况下，接着在阳极层上形成最初保护涂层。参照流程图700中的操作706，进行第二涂层沉积操作，该沉积操作包括掩模操作。在上面已沉积上述层的基板接触空气环境的情况下，该最初保护涂层可保护该阳极层。
故在一实施例中，一种制造薄膜电池的方法包括：在基板上方形成薄膜电池的阳极层。制造薄膜电池的方法还包括：在不让阳极层曝露至空气环境的情况下，在阳极层上形成最初保护涂层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成最初保护涂层之前，锂化该阳极层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成最初保护涂层之前，退火处理该阳极层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成最初保护涂层前，锂化该阳极层，然后退火处理该阳极层。在一实施例中，制造薄膜电池的方法还包括：在形成最初保护涂层之后，使基板曝露至空气环境中，接着用掩模遮蔽最初保护涂层，然后在最初保护涂层上方形成第二最初保护涂层。
在本发明的另一方面中，薄膜电池的涂层不具导电性，并且与电流集电层的接触建立在阳极层的下侧。故根据本发明的一实施例，就复合阳极层而言，配置群组工具用以进行锂与合金成分的形成，随后沉积空气稳定层。在一实施例中，溅射的单向性特征和遮蔽掩模的限制(例如，介于基板与掩模之间的微小间隙)将提供平滑转变(smooth transition)而造成保护涂层的覆盖。
图8图示根据本发明的一实施例适合降低复杂度的薄膜电池方法的群组工具配置与传统处理设备配置的比较。参照图8，配置群组工具802用以提供具有离位掩模对准的工艺流程。图8也绘示了传统工具构造804。在一实施例中，群组工具802具有附加腔室，该附加腔室用以提供上述额外的保护沉积操作。在一实施例中，群组工具802包括应用喷淋头的锂蒸发器806。在一特定实施例中，通过将应用喷淋头的锂蒸发器806并入群组工具802中，可免除从一工具到另一工具间的离位传送需求。在一实施例中，如图8所示，群组工具802包括退火室805，例如，快速热退火(RTA)室。
故在一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具包括：用以在基板上方形成薄膜电池的阴极层的第一腔室。用于制造薄膜电池的群组工具还包括：用以在阴极层上形成电解质层的第二腔室。在一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具还包括：用以在形成电解质层之前，锂化该阴极层的第三腔室。在一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具还包括：用以在形成电解质层之前，退火处理该阴极层的第三腔室。在一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具还括：第三腔室以及第四腔室，第三腔室用以在形成电解质层之前，锂化该阴极层，第四腔室用以随后退火处理该阴极层。在一特定实施例中，群组工具的一或多个腔室包括应用喷淋头的锂蒸发器。
在另一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具包括：用以在基板上方形成薄膜电池的阳极层的第一腔室。用于制造薄膜电池的群组工具还包括：用以在阳极层上形成最初保护涂层的第二腔室。在一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具还包括：用以在形成最初保护涂层之前，锂化该阳极层的第三腔室。在一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具还包括：用以在形成最初保护涂层之前，退火处理该阳极层的第三腔室。在一实施例中，用于制造薄膜电池的群组工具还包括：第三腔室以及第四腔室，第三腔室用以在形成最初保护涂层之前，锂化该阳极层，第四腔室用以随后退火处理该阳极层。在一特定实施例中，群组工具的一或多个腔室包括应用喷淋头的锂蒸发器。
群组工具的配置也认为可用于合金负电极，例如包括硅的阳极。图9图示根据本发明的一实施例的适用于降低复杂度的薄膜电池方法的群组工具配置和传统处理设备配置的比较。参照图9，配置群组工具902用以提供具有离位掩模对准的工艺流程。图9也绘示了传统工具构造904。在一实施例中，群组工具902具有附加腔室，该附加腔室用以提供上述额外的保护沉积操作。在一实施例中，机载(on-board)锂腔室906容许硅/锂/硅或锂/硅(顶部覆硅)型的沉积。在一实施例中，如图9所示，群组工具902包括退火室905，例如快速热退火(RTA)室。虽然本实例是显示200毫米的硅集成电路(Si-IC)平台和腔室，但同样的概念可延伸应用到300毫米和线内(in-line)工具。
因此，本文已揭露一种用于制造薄膜电池的方法。根据本发明一实施例，相较于传统制造方式，提供可降低复杂度的方法。在一实施例中，配置处理设备配置，用于支援降低复杂度的薄膜电池方法。在一实施例中，配置群组工具，用于支援降低复杂度的薄膜电池方法。

Claims (14)

1.一种制造薄膜电池的方法，所述方法包含：
在对阴极层是惰性的环境中，在基板上方形成第一电解质层于所述薄膜电池的阴极层上；
随后将所述第一电解质层暴露于包含O2、H2O、N2、CO和CO2的环境；
随后用掩模遮蔽所述第一电解质层；
随后在所述第一电解质层上方形成第二电解质层。
2.如权利要求1所述的方法，更进一步包含：
在形成所述第一电解质层之前，锂化所述阴极层。
3.如权利要求1所述的方法，更进一步包含：
在形成所述第一电解质层之前，退火处理所述阴极层。
4.如权利要求1所述的方法，更进一步包含：
在形成所述第一电解质层之前，锂化所述阴极层；以及
随后退火处理所述阴极层。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述阴极层在群组工具的第一腔室中形成，所述第一电解质层在所述群组工具的第二腔室中形成。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述阴极层在群组工具的第一腔室中形成，所述第一电解质层在所述群组工具的第二腔室中形成，锂化所述阴极层在所述群组工具的第三腔室中执行。
7.如权利要求3所述的方法，其中所述阴极层在群组工具的第一腔室中形成，所述第一电解质层在所述群组工具的第二腔室中形成，退火处理所述阴极层在所述群组工具的第三腔室中执行。
8.一种制造薄膜电池的方法，所述方法包含：
在对阳极层是惰性的环境中，在基板上方形成第一保护涂层于所述薄膜电池的阳极层上；
随后将所述第一保护涂层暴露于包含O2、H2O、N2、CO和CO2的环境；
随后用掩模遮蔽所述第一保护涂层；
随后在所述第一保护涂层上方形成第二保护涂层。
9.如权利要求8所述的方法，更进一步包含：
在形成所述第一保护涂层之前，锂化所述阳极层。
10.如权利要求8所述的方法，更进一步包含：
在形成所述第一保护涂层之前，退火处理所述阳极层。
11.如权利要求8所述的方法，更进一步包含：
在形成所述第一保护涂层之前，锂化所述阳极层；以及
随后退火处理所述阳极层。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述阳极层在群组工具的第一腔室中形成，所述第一保护涂层在所述群组工具的第二腔室中形成。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述阳极层在群组工具的第一腔室中形成，所述第一保护涂层在所述群组工具的第二腔室中形成，锂化所述阳极层在所述群组工具的第三腔室中执行。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述阳极层在群组工具的第一腔室中形成，所述第一保护涂层在所述群组工具的第二腔室中形成，退火处理所述阳极层在所述群组工具的第三腔室中执行。
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