CN103608958B - 用于制造薄膜电池的方法与混合型工厂 - Google Patents

Abstract

本文描述用于制造薄膜电池的方法与混合型工厂。方法包括用于制造薄膜电池的操作。混合型工厂包括用于制造薄膜电池的一个或多个工具组。在实例中，用于制造锂基薄膜电池的混合工厂架构包括用于沉积有源层的处理工具。处理工具包括用于沉积有源层的群集工具。混合工厂架构还包括用于沉积有源层的内嵌工具和锂蒸镀工具，所述锂蒸镀工具具有将锂蒸镀工具耦接至群集工具和内嵌工具的一个或多个手套箱。

Description

用于制造薄膜电池的方法与混合型工厂

背景技术

技术领域

本发明的实施例涉及薄膜电池领域，特别地，本发明的实施例涉及用于制造薄膜电池的方法与工厂。

相关技术的描述

目前现有技术的制造薄膜电池的方案通常基于常规技术的调整，所述调整是通过（1）利用遮光掩模进行图案化技术与（2）执行基于单步图案化的整合方案。上述方法的复杂性问题相当明显。例如，沉积腔室或工具通常配有具有特定大气条件的手套箱（gloveboxes），所述手套箱被设计为管理和保护薄膜电池中的材料层并保护沉积负载掩模（deposition laden masks），所述材料层是对正常环境敏感的。手套箱的使用可能是操作麻烦的且会使工艺增加明显的成本以及对产量有潜在影响，所述成本为资本与操作费用两方面。此外，基于遮光掩模的图案化会增加其他有害问题以及拥有成本的增加，所述有害问题例如是对准精度和潜在缺陷造成的产量影响，所述拥有成本的增加是由于为了图案传输的精确与减少缺陷而导致的额外部件与频繁的掩模再生工艺。

目前，尚未组装出制造薄膜电池的完整工厂，尽管已经公开了基于常规技术的某些部件。图1描绘用于制造薄膜电池的基于常规设备的实例。参照图1，适于制造薄膜电池的沉积工具100设有手套箱102。例如，手套箱102通常包括与溅射工艺相关的沉积工具100。虽然未显示，但通常需要额外的手套箱以用于例如是随后进行空气敏感层沉积工艺的锂腔室或其他腔室或处理工具。

发明内容

本发明的实施例包括用于制造薄膜电池的方法和工厂。

在一个实施例中，用于制造锂基薄膜电池的混合型工厂架构包括用于沉积有源层的处理工具。处理工具包括用于沉积有源层的群集工具。混合型工厂架构还包括用于沉积有源层的内嵌（in-line）工具、以及锂蒸镀工具，所述锂蒸镀工具具有将锂蒸镀工具耦接至群集工具和耦接至内嵌工具的一个或多个手套箱。

在一个实施例中，用于制造锂基薄膜电池的混合型工厂架构包括用于沉积金属或半导体层的第一处理工具。还包括用于沉积有源层的第二处理工具。第二处理工具包括用于沉积有源层的群集工具、用于沉积有源层的内嵌工具、以及锂蒸镀工具，所述锂蒸镀工具具有将锂蒸镀工具耦接至群集工具和耦接至内嵌工具的一个或多个手套箱。还包括用于沉积介电层的第三处理工具。还包括用于执行反应性离子蚀刻的第四处理工具。还包括用于沉积薄膜电池的特制层（specialty layer）的第五处理工具。

附图简要说明

图1描绘用于制造薄膜电池的常规设备配置的实例。

图2描绘根据本发明实施例的、预期通过本文所述的制造工艺与工具配置所制造的典型薄膜电池的截面图。

图3描绘根据本发明实施例的、利用掩模工艺的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。

图4描绘表示根据常规方法的、用于制造薄膜电池的集成方案中的操作的流程图。

图5描绘表示根据本发明实施例的、用于制造薄膜电池的集成方案中的操作的流程图。

图6描绘表示根据本发明实施例的、用于制造薄膜电池的集成方案中的操作的流程图。

图7描绘根据本发明实施例相对于常规处理设备的配置的、适于包括锂阳极并入与阴极锂化的薄膜电池方法的200毫米群集工具的配置。

图8描绘根据本发明实施例相对于常规处理设备的配置的、适于包括形成合金阳极的薄膜电池方法的200毫米群集工具的配置。

图9描绘根据本发明实施例的、利用优化掩模工艺的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。

图10描绘根据本发明实施例的、利用无掩模集成工艺的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。

图11描绘根据本发明实施例的利用无掩模集成工艺的内嵌（in-line）大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。

图12描绘根据本发明实施例的、设计用于高产量的、利用无掩模集成工艺的内嵌大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。

图13描绘根据本发明实施例的、组合式200毫米与内嵌大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。

图14描绘根据本发明实施例的、具有包括原位（in situ）掩模管理的掩模集成的、用于制造薄膜电池的高容量制造工具组的方块图。

图15描绘根据本发明实施例的、利用标准锂蒸镀工具的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。

图16描绘根据本发明实施例的、设计用于高产量的、利用单一掩模集成工艺的、内嵌大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。

图17描绘根据本发明实施例的、利用标准锂蒸镀工具的200毫米薄膜电池混合型制造工厂的方块图。

图18描绘根据本发明实施例的、用于混合型薄膜电池制造架构的手套箱。

图19描绘根据本发明实施例的、适合于薄膜电池制造的混合型工厂架构。

具体描述

本文描述用于制造薄膜电池的方法与工厂。在以下描述中，提出诸如制造条件与材料方案之类的多个具体细节以提供本发明的完整理解。可在不具有这些特定细节的情况下实现本发明，对于本领域技术人员来说是显而易见的。在其他实例中，并不详细描述诸如薄膜电池应用之类的公知方面，以免不必要地模糊本发明。另外，可理解附图中所示的各种实施例为示例性示意图而不需要按比例绘制。此外，本文实施例中可能没有明确地公开其他配置与构造，但仍被视为落在本发明的精神与范围内。

本文公开用于制造薄膜电池的方法。在实施例中，方法包括用于制造薄膜电池的操作。

本文还公开用于制造薄膜电池的工厂。在实施例中，工厂包括用于制造薄膜电池的一个或更多个工具组。

根据本发明实施例，本文公开的方法与工厂可解决一个或更多个下列问题或特征：（a）集成沉积系统与工厂，（b）空气环境兼容制造技术，（c）降低复杂度与成本（d）硅集成电路平台，以及（e）内嵌沉积平台。在某些实施例中提供了用于薄膜电池制造技术的完整工厂模型。各个系统的独特性可包括：（a）集成平台，用以让复杂度达到最小并改善制造集成，（b）无遮光掩模集成-兼容工具，以及（c）用于所有工艺的完整工具组、例如薄膜电池工厂模型。

关于本文所公开的方法与工厂，完整工厂模型的部件可包括：（a）物理气相沉积腔室，用于金属、阴极、电解质与阳极材料，（b）保护性涂层系统，通常由聚合物、电介质与金属沉积腔室或工具所构成，（c）对准系统，用于掩模集成方案，（d）周边（peripheral）工具（诸如，激光或光刻图案化），用于无掩模（mask-less）集成。根据本发明某些实施例，薄膜电池制造工厂的特性包括：（a）使用轻巧的“群集”或集成以消除对惰性环境要求的需求（与掩模或无掩模集成无关），（b）使用独特腔室以除去通常单独的锂沉积腔室，排除或减轻传送过程中暴露于空气（air-exposure）的风险，以及（c）使用可选择性的真空传送模块（VTM）。根据本发明实施例，工厂类型包括多个配置，所述多个配置诸如（但不限于）是200毫米平台、300毫米平台、内嵌平台或组合平台。根据本发明实施例，工艺集成方案包括多个集成方案，所述多个集成方案诸如（但不限于）是掩模集成方案或无掩模集成方案。

预期可用本文所述的工艺与工具配置来制造多种薄膜电池构造。图2描绘根据本发明实施例的、预期可用本文所述的制造工艺与工具配置所制造的典型薄膜电池的截面图。参照图2，薄膜电池200包括制造于基板204上的叠层202。叠层202包括：阴极电流收集层206、阳极电流收集层208、阴极层210、阳极层212、电解质层214与保护涂层216。在实施例中，叠层202具有约15微米的厚度。实际总体厚度取决于用于给定装置区域的电池的所需容量，这影响阴极、阳极与电解质的厚度。在实施例中，薄膜电池200的阳极层212是锂阳极层。然而，可以理解，图2仅描绘薄膜电池结构的一种可能配置，且本文所公开的概念可适用于例如通过常规工艺流程与集成方案所制造的任何薄膜电池结构，所述集成方案包括美国专利申请公开文件US2009/0148764中所述的集成方案。

根据本发明实施例，薄膜电池制造工艺可分成两个类别：（1）材料层的沉积，与（2）材料层的图案化。就功能而言，在实施例中，沉积工艺可分成有源装置的制造与保护涂层的制造，二者均需要某些形式的图案化。因此，在一个实施例中，本文所述的工厂模型包含三个部分：（1）装置材料的沉积，（2）保护涂层的沉积，与（3）图案化技术。

在实施例中，有源装置制造中涉及的典型层为诸如（但不限于）电流收集、阴极（正电极）、电解质与阳极（负电极）材料之类的层。通常，利用多个层堆叠作为保护涂层。在实施例中，有用的材料包括诸如（但不限于）聚合物、电介质、金属或半导体之类的材料。对于图案化，常规方法已经包括使用遮光掩模。在本发明实施例中，使用无掩模集成方案，包括基于激光的方法与基于光刻技术的方法中的任一种或两种。

根据本发明实施例，工厂模型实例包括Si-IC（200或300毫米基板）以及内嵌平台中的任一个或两个，所述内嵌平台同时用于基于遮光掩模与基于无掩模的集成。在实施例中，基于无遮光掩模的优化硅集成电路平台的特征是利用异位光刻或基于激光的对准以及图案化技术（例如，排除利用遮光掩模进行原位图案化的复杂度与未对准的可能性），以及利用集成式锂腔室与独特集成方法来排除或至少减轻空气敏感材料层（诸如，阴极与阳极层）的惰性环境的需求。

在本发明一方面中，提供掩模集成（masked integration）的工厂模型。图3描绘根据本发明实施例的、利用掩模工艺的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。

参照图3，用于制造薄膜电池的工厂300包括：第一处理工具302，用以沉积金属或半导体层；第二处理工具304，用以沉积有源层；第三处理工具306，用以进行快速热处理；第四处理工具308，用以沉积介电层；第五处理工具310，用以执行反应性离子蚀刻；以及第六处理工具312，用以沉积薄膜电池的特制层（specialty layer）。根据本发明实施例，如图3所示，第六处理工具312被配置为在相同处理工具中沉积锂层（例如，锂阳极层）与保护涂层（例如，聚合物层）二者。此图中，在不同工具上的手套箱的配置或缺少是基于这样的假设，即通过给定工具所得到的层或工艺会造成空气稳定或空气敏感的“顶”表面中的任一个。因此，若集成方案（装置图案化）在给定工具上的处理后改变了该层或顶表面的性质，则可改变配置。可理解，在实施例中，可以以真空传送模块（VTM）取代一个或更多个工具腔室或SMF模块而用于图3所示的一个或更多个工具。

在本发明一方面中，可解决对阳极与阴极材料均利用板上（on-board）锂腔室与改良集成方案的影响。图4描绘表示根据用于具有锂化阴极与锂阳极的电池的常规方法的、制造薄膜电池的集成方案的操作的流程图400。参照流程图400的操作402，薄膜电池制造工艺包括图案化沉积电流收集层。参照流程图400的操作404，薄膜电池制造工艺包括图案化沉积阴极层。参照流程图400的操作406，薄膜电池制造工艺包括退火阴极层（可选择性的）。参照流程图400的操作408，薄膜电池制造工艺包括图案化沉积电解质层。参照流程图400的操作410，薄膜电池制造工艺包括图案化沉积阳极层。以及，参照流程图400的操作412，薄膜电池制造处理包括沉积保护涂层。取决于实际薄膜电池组（thin-film battery stack）的要求，也可在上述操作后执行沉积后图案化。

在特定实施例中，在阴极层上执行电解质层的后续沉积，而在沉积工艺之间不将阴极层暴露在空气环境下。图5描绘表示根据本发明实施例的用于制造薄膜电池的集成方案中的操作的流程图500。参照流程图500的操作502，薄膜电池制造工艺包括沉积阴极层。参照可选择性的操作503a，在一个实施例中，在沉积基底阴极材料（可能已经包含锂或不包含锂）之后锂化阴极层。参照可选择性的操作503b，在一个实施例中，将阴极层退火（例如，通过加热阴极层）。在特定实施例中，在沉积基底阴极材料（可能已经包含锂或不包含锂）之后锂化阴极层，并接着将阴极层退火（例如，通过加热阴极层）。在实施例中，步骤503a与503b也可颠倒。参照流程图500的操作504，接着在阴极层上形成电解质层，而不将阴极层暴露在环境空气条件下。参照流程图500的操作506，执行包括掩模操作的第二电解质层沉积操作。在其上沉积有上述层的基板被暴露在空气环境中的情况下，电解质层保护阴极层。

在另一个特定实施例中，在阳极层上执行金属层、介电层、电介质-有机复合层或有机层的后续沉积，而在沉积工艺之间不将阳极层暴露在空气环境中。图6描绘表示根据本发明实施例的用于制造薄膜电池的集成方案中的操作的流程图600。参照流程图600的操作602，薄膜电池制造工艺包括沉积阳极层。参照可选择性的操作603a，在一个实施例中，在沉积基底阳极材料（可能已经包含锂或不包含锂）之后锂化阳极层。参照可选择性的操作603b，在一个实施例中，将阳极层退火（例如，通过加热阳极层）。在特定实施例中，在沉积基底阳极材料（可能已经包含锂或不包含锂）之后锂化阳极层，并接着将阳极层退火（例如，通过加热阳极层）。参照流程图600的操作604，接着在阳极层上形成初始保护涂层，而不将阳极层暴露在环境空气条件中。参照流程图600的操作606，执行包括掩模操作的第二涂层沉积操作。在其上沉积有上述层的基板被暴露在空气环境的情况下，初始保护涂层保护阳极层。

图7描绘根据本发明实施例相对于常规处理设备的配置的、适于包括锂阳极并入与阴极锂化的薄膜电池方法的200毫米群集工具的配置。参照图7，群集工具702被配置为适应具有异位（至手套箱）掩模对准的工艺流程。其中还绘示了常规的工具构造704。在实施例中，群集工具702具有额外的腔室以适应上述需要在手套箱中对准的额外的保护沉积操作。在一个实施例中，群集工具702包括基于喷头的（具有外部储存器（reservoir））或基于内部储存器式的直接的锂蒸镀器706。在特定实施例中，通过将板上锂沉积腔室706合并入（incorporate）群集工具702中，消除了工具-至-工具的异位传送的需求。在另一个实施例中，群集工具702包括高锂沉积速率腔室、例如（但不限于）锂溅射腔室。在特定实施例中，高锂沉积速率腔室包括用以执行溅射锂靶（lithium target）的氩气源点（source point）。在实施例中，群集工具702包括退火腔室705，例如图7所示的快速热退火（RTA腔室）。

图8描绘根据本发明实施例相对于常规处理设备的配置的、适于包括形成合金阳极的薄膜电池方法的200毫米群集工具的配置。参照图8，群集工具802被配置为适应具有异位掩模对准的工艺流程。其中还绘示了常规的工具构造804。在实施例中，群集工具802具有额外的腔室以适应上述的额外的保护沉积操作。在一个实施例中，板上锂腔室806可进行硅-锂-硅或锂-硅（硅在顶部上）型沉积。在实施例中，群集工具802包括退火腔室805，例如图8所示的快速热退火（RTA腔室）。虽然此实例显示为200毫米Si-IC平台与腔室，但相同的概念可扩展至300毫米和内嵌工具。

在本发明另一方面中，提供优化的薄膜电池工厂。可理解，虽然显示200毫米工具组的实例，但上述方式可容易地实施于300毫米工具组。图9描绘根据本发明实施例的利用优化掩模工艺的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。

参照图9，利用优化掩模工艺的制造薄膜电池的工厂900包括第一处理工具902，用以沉积金属或半导体层。根据本发明实施例，第一处理工具902包括锂腔室904。在实施例中，第一处理工具902连接掩模对准器906。工厂900还包括第二处理工具908，用以沉积有源层。根据本发明实施例，如图9所示，第二处理工具908包括：一个或更多个阴极沉积腔室，金属沉积腔室，一个或更多个电解质沉积腔室，以及锂沉积腔室。工厂900还包括：第三处理工具910，用以进行快速热处理；第四处理工具912，用以沉积介电层；以及第五处理工具914，用以执行反应性离子蚀刻。根据本发明实施例，工厂900还包括第六处理工具916，用以沉积薄膜电池的特制层。根据本发明实施例，如图9所示，第六处理工具916被配置为沉积聚合物层。此外，分别用于金属/半导体与有源层的第一工具组902与第二工具组908可装配有如图7与图8所示的板上退火腔室。这种工具组可用多种材料与集成方案制造薄膜电池。

在本发明一方面中，提供用于无掩模工艺集成方案的工厂工具组。在实施例中，工厂包括平台，所述平台诸如（但不限于）是群集工具平台、内嵌平台、目标为高产量的内嵌平台、或200mm-内嵌组合平台。在一个实施例中，200mm-内嵌组合式平台可让制造商更容易地调整具有相对较低沉积速率的装置材料层（诸如，阴极与电解质）。在特定实施例中，系统架构在本质上为模块化的，可适用于制造薄膜电池的多种集成沉积与图案化的方式。

图10描绘根据本发明实施例的利用无掩模集成工艺的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。

参照图10，利用无掩模集成工艺的制造薄膜电池的工厂1000包括第一处理工具1002，用以沉积金属层。根据本发明实施例，第一处理工具1002包括锂腔室1004。工厂1000还包括第二处理工具1006，用以沉积有源层。根据本发明实施例，如图10所示，第二处理工具1006包括：一个或更多个阴极沉积腔室；一个或更多个金属沉积腔室；一个或更多个电解质沉积腔室；以及锂沉积腔室。工厂1000还包括：第三处理工具1008，用以进行快速热处理；第四处理工具1010，用以沉积介电层；以及第五处理工具1012，用以执行反应性离子蚀刻。根据本发明实施例，工厂1000还包括额外的处理工具1014、1016、1018与1020，用以执行制造薄膜电池中的处理操作。根据本发明实施例，如图10所示，处理工具1014被配置为沉积聚合物层，处理工具1016被配置为进行光刻暴露与光刻胶剥离操作，处理工具1018被配置为进行蚀刻与清洗操作，而处理工具1020被配置为对其上制造有薄膜电池的晶片进行激光划线（scribing）。类似于图9，分别用于金属层与有源层的第一工具组1002与第二工具组1006可装配有板上退火腔室。取决于集成方案，有可能在异位图案化过程中将空气敏感层的侧壁暴露。在这种情况下，需要设置适当工具以排除空气暴露，例如通过以手套箱接合它们或群集腔室以便能够进行直接传送。

图11描绘根据本发明实施例的、利用无掩模集成工艺的内嵌大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。

参照图11，利用无掩模集成工艺的制造薄膜电池的工厂1100包括第一处理工具1102，用以沉积有源层。根据本发明实施例，如图11所示，第一处理工具1102包括：多个阴极沉积腔室1104、金属沉积腔室1106、多个电解质沉积腔室1108与多个锂沉积腔室1110。工厂1100还包括第二处理工具1112，用以沉积金属或半导体层。根据本发明实施例，第二处理工具1112包括多个金属腔室1114。在实施例中，工厂1100还包括额外的处理工具1116、1118、1120、1122与1124，用以执行制造薄膜电池中的各种处理操作。在一个实施例中，如图11所示，处理工具1116被配置为进行快速热处理，工具1118被配置为沉积聚合物层，处理工具1120被配置为进行光刻暴露与光刻胶剥离操作，处理工具1122被配置为进行蚀刻与清洗操作，而处理工具1124被配置为对其上制造有薄膜电池的晶片进行激光划线。这种用于沉积工具的特定构造是用于阴极而不需要锂阳极的退火，所述阴极为非空气敏感的（退货或不退火）或空气敏感的。可利用相似概念容易地获得用于其他类型的阴极-阳极对和工艺集成流程的类似构造。

图12描绘根据本发明实施例的、设计用于高产量的利用无掩模集成工艺的内嵌大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。

参照图12，设计用于高产量的利用无掩模集成工艺制造薄膜电池的工厂1200包括第一处理工具1202，用以沉积电解质与阳极层。根据本发明实施例，如图12所示，第一处理工具1202包括：多个电解质沉积腔室1204、一个或更多个金属沉积腔室1206以及一个或更多个锂沉积腔室1208。工厂1200还包括第二处理工具1210，用以沉积阴极层。根据本发明实施例，如图12所示，第二处理工具1210包括多个阴极沉积腔室1212。工厂1200还包括第三处理工具1214，用以沉积金属或半导体层。根据本发明实施例，第三处理工具1214包括多个金属腔室1216与多个半导体腔室1218。在实施例中，工厂1200还包括额外的处理工具1218、1220、1222、1224、1226与1228，用以执行制造薄膜电池中的各种工艺操作。在一个实施例中，如图12所示，处理工具1218被配置为进行快速热处理，处理工具1220被配置为沉积聚合物层，处理工具1222被配置为进行光刻暴露与光刻胶剥离操作，处理工具1224被配置为进行蚀刻与清洗操作，处理工具1226被配置为进行激光烧蚀，而处理工具1228被配置为用于介电层沉积。针对LiCoO₂-Li电池可建立此特定系统。可利用相似概念容易地获得其他类型的阴极-阳极对以及工艺集成流程的类似构造。

图13描绘根据本发明实施例的、组合式200毫米与内嵌大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。在此实例中，内嵌工具将处理多个200毫米工具兼容的基板。

参照图13，制造薄膜电池的工厂1300包括第一处理工具1302，用以沉积金属或半导体层。根据本发明实施例，第一处理工具1302包括锂腔室1304。第一处理工具1302可装配有如图7与图8所示的板上退火腔室。工厂1300还包括内嵌第二处理工具1306，用以沉积有源层。根据本发明实施例，如图13所示，第二处理工具1306包括：多个阴极沉积腔室1308、一个或更多个金属沉积腔室1310、多个电解质沉积腔室1312以及一个或更多个锂沉积腔室1314。工厂1300还包括：第三处理工具1316，用于进行快速热处理；第四处理工具1318，用以沉积介电层；以及第五处理工具1320，用以执行反应性离子蚀刻。根据本发明实施例，工厂1300还包括额外的处理工具1322、1324、1326与1328，用以执行制造薄膜电池中的工艺操作。根据本发明实施例，如图13所示，处理工具1322被配置为沉积聚合物层，处理工具1324被配置为进行光刻暴露与光刻胶剥离操作，处理工具1326被配置为进行清洗操作，而处理工具1328被配置为对其上制造有薄膜电池的晶片进行激光划线。

在本发明另一方面中，提供基于遮光掩模的集成方案的内嵌工厂模型。在实施例中，原位执行掩模对准与管理。在一个实施例中，工具组是基于示范性工艺集成方案且可容易地适应于集成流程中的任何改变。图14描绘根据本发明实施例的、具有包括原位掩模管理的掩模集成的、用于制造薄膜电池的高容量制造工具组的方块图。

参照图14，具有包括原位掩模管理的掩模式集成的用于制造薄膜电池的工厂1400包括系统1402，系统1402具有多个相耦接的处理工具，用以沉积有源层、金属与半导体。根据本发明实施例，系统1402包括：第一处理工具1404，用以沉积金属层与介电层；第二处理工具1406，用以沉积半导体层；第三处理工具1408，用以沉积电解质层；第四处理工具1410，用以沉积阴极层；以及第五处理工具1412，用以沉积金属层。工厂1400还包括：系统1414，用以沉积聚合物；以及系统1416，具有用以形成保护涂层的多个相耦接的处理工具。根据本发明实施例，系统1416用于保护涂层沉积与图案化。此特定构造描绘能够具有两个不同掩模操作的多层与材料系统。因此，三个集成模块1418、1420与1422可用于通用或特定材料（诸如，介电层与金属层）以及图案化的蚀刻处理的组合。图14还绘示出了掩模管理系统的单元。例如，1450是旋转-对准模块，而1452是掩模存储区，该掩模存储区具有分离的掩模装载/卸载端口以在不排空对应腔室的情况下再生与重新装载。

在本发明另一方面中，提供具有标准锂蒸镀工具的工厂模型。图15描绘根据本发明实施例的利用标准锂蒸镀工具的200毫米薄膜电池制造工厂的方块图。此构造可用于处理空气敏感阴极材料。

参照图15，用于制造薄膜电池的工厂1500包括第一处理工具1502，用以沉积金属或半导体层以形成薄膜电池的触点（contacts）。工厂1500还包括第二处理工具1504，用以沉积阴极层、电解质层与锂。第二处理工具1504包括：第一群集工具1550，用以沉积阴极层；以及第二群集工具1552，用以沉积电解质层。在一个实施例中，如图15所示，第一群集工具1550装配有热退火腔室1554以进行原位退火，但不装配用于沉积锂或含锂层的腔室。替代地，根据本发明实施例，第二处理工具1504包括标准锂蒸镀工具1556，所述标准锂蒸镀工具1556装配有将标准锂蒸镀工具1556耦接至第一群集工具1550与第二群集工具1552的一个或更多个手套箱（GB）。

再次参照图15，工厂1500还包括：第三处理工具1506，用于进行快速热处理；第四处理工具1508，用以通过等离子体增强物理气相沉积（PECVD）来沉积层；第五处理工具1510，用以执行反应性离子蚀刻；以及第六处理工具1512，用以沉积薄膜电池的特制层，例如聚合物层。在一个实施例中，如图15所示，第四处理工具1508耦接至手套箱（GB）以符合特制处理需求。

图16描绘根据本发明实施例的、设计用于高产量的、利用单一掩模集成工艺的内嵌大面积涂覆器薄膜电池制造工厂的方块图。

参照图16，设计用于高产量的、利用单一掩模集成工艺的制造薄膜电池的工厂1600包括第一处理工具1602，用以沉积电解质与锂基层。根据本发明实施例，如图16所示，第一处理工具1602包括：多个电解质沉积腔室1604、一个或更多个金属沉积腔室1606以及一个或更多个锂沉积腔室1608。工厂1600还包括第二处理工具1610，用以沉积阴极层。根据本发明实施例，如图16所示，第二处理工具1610包括多个阴极沉积腔室1612。工厂1600还包括第三处理工具1614，用以沉积金属或半导体层以形成薄膜电池的触点。根据本发明实施例，如图16所示，第三处理工具1614包括多个金属沉积腔室1616，诸如钛（TI）、铝（Al）与金/铂（Au/Pt）沉积腔室。在实施例中，工厂1600还包括额外多组处理工具1618、1620、1622、1624与1626，用以执行制造薄膜电池中的各种工艺操作。在一个实施例中，如图16所示，一组周边工具包括：处理工具1618，配置为进行快速热处理；处理工具1620，配置为沉积聚合物层；以及处理工具1622，配置为进行蚀刻、清洗与剥离操作。在一个实施例中，如图16所示，一组图案化工具包括处理工具1624，配置为进行光刻暴露；以及处理工具1626，配置为进行激光划线。根据本发明实施例，工厂1600可用来执行混合在无掩模集成方案与掩模集成方案之间的集成工艺。此特定工厂可用于LiCoO₂-Li电池。可利用相似概念容易地获得其他类型的阴极-阳极对与工艺集成流程的类似构造。

在本发明另一方面中，考虑了基于混合型群集和内嵌配置的架构。在实施例中，混合型配置解释了各种不同沉积平台的使用和组合。举例来说，图17描绘根据本发明实施例的、利用标准锂蒸镀工具的200毫米薄膜电池混合型制造工厂的方块图。

参照图17，用于制造薄膜电池的工厂1700包括第一处理工具1702，用以沉积金属以形成用于薄膜电池的触点。或者，第一处理工具1702用于沉积半导体层，例如，用于形成基于合金的阳极。工厂1700还包括第二处理工具1704，用于沉积阴极层、电解质层和锂。第二处理工具1704包括用于沉积阴极层的群集工具1750，和用于沉积电解质层的内嵌工具1752。然而，可以理解，在另一实施例中，群集工具1750可用于沉积电解质层或其他层，且内嵌工具1752可用于沉积阴极层或其他层。在一实施例中，群集工具1750装配有热退火腔室1754以进行原位退火，但不装配用于沉积锂层或含锂层的腔室，如图17中所示。替代地，根据本发明实施例，第二处理工具1704包括标准锂蒸镀工具1756，所述标准锂蒸镀工具1756装配有将标准锂蒸镀工具1756耦接至群集工具1750和内嵌工具1752的一个或多个手套箱(GB)。

再次参照图17，工厂1700还包括：第三处理工具1706，用于快速热处理；第四处理工具1708，用以通过等离子体增强物理气相沉积(PECVD)来沉积层；第五处理工具1710，用于执行反应性离子蚀刻；以及第六处理工具1712，用于沉积薄膜电池的特制层，例如聚合物层。在一实施例中，第四处理工具1708被耦接至手套箱(GB)以用于特制处理需求，如图17中所示。在实施例中，手套箱接收区的大小被调整为容纳较大面积载体。

混合型布置或架构可适应模块化基板的使用。例如，在一个实施例中，用于较低产量操作的大面积涂覆机可与多个基板的载体一起使用。在实施例中，模块化基板是被包括在较大载体中的那些基板，所述较大载体被配置成每次保持多于一个的所述基板（例如，多个200毫米基板）。在实施例中，混合型布置包括利用较小面积工具（例如，Si-IC、利用包括角度的向上沉积、向下沉积或横向沉积的较小内嵌工具等）以进行高产量操作。在实施例中，可以不需要调节（scale）至大面积涂覆器来降低拥有成本。在实施例中，部分地实施内嵌工具以减少来自陶瓷靶材的颗粒缺陷。混合型平台的示例性实施方式包括但不限于，沉积平台和处理平台的组合、较慢处理和模块化基板的产量需求的平衡，或来自陶瓷靶材的颗粒缺陷的减少。因此，在实施例中，混合型布置可包括例如优化生产和拥有成本的各种工具的任意组合。

手套箱布置可被设计用于具有混合型架构的适用性。例如，图18描绘根据本发明实施例的用于混合型薄膜电池制造架构的手套箱。参照图18，装置1800包括与第一和第二内嵌工具1804和1806耦接的手套箱1802。在一个实施例中，第一内嵌工具1804用于沉积阴极层而第二内嵌工具1806用于沉积电解质层，如图18中所示。在一个实施例中，对准器1808与装置1800相连接，也如图18中所示。在一个实施例中，手套箱1802被设计用于处理大面积基板载体。在实施例中，对准器1808被描述为适应基于遮光掩模的集成方案。因此，在实施例中，通过将多个单独对准的具有单个掩模的单个基板布置到大面积载体上来运行模块化基板。

内嵌工具和群集工具的组合可被布置用于制造薄膜电池。例如，图19描绘根据本发明实施例的适合于薄膜电池制造的混合型工厂架构。参照图19，工厂架构1900包括：第一内嵌工具1902，用于沉积电解质；和第二内嵌工具1904，用于沉积阴极层。包括第一群集工具1906用于形成接触层，包括第二群集工具1908用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，且包括第三群集工具1910用于反应性离子蚀刻(RIE)。也可包括锂沉积装置1912。也可包括用于激光划线和光刻的工作站（station）1914，如图19中所示。

因此，在本发明的一个或多个实施例中，提供用于制造锂基薄膜电池的混合型工厂架构。混合型工厂架构包括用于沉积有源层的处理工具。处理工具包括用于沉积一个或多个有源层的群集工具。处理工具还包括内嵌工具，用于沉积一个或多个有源层，或甚至一个或多个其他层。处理工具还包括锂蒸镀工具，所述锂蒸镀工具包含将锂蒸镀工具耦接至群集工具和内嵌工具的一个或多个手套箱。上述实施例是代表性实施例，且不欲以任何方式将其限制为本发明的精神和范围。

因此，已经公开用于制造薄膜电池的方法与混合型工厂。根据本发明实施例，方法包括用于制造薄膜电池的操作。根据本发明另一实施例，工厂包括用于制造薄膜电池的一个或更多个工具组。

Claims (15)

1.一种用于制造锂基薄膜电池的混合型工厂架构，所述工厂架构包含：

处理工具，用于沉积有源层，所述处理工具包含：

群集工具，用于沉积有源层；

内嵌工具，用于沉积有源层；和

锂蒸镀工具，所述锂蒸镀工具包含一个或多个手套箱，所述一个或多个手套箱将所述锂蒸镀工具耦接至所述群集工具和所述内嵌工具。

2.如权利要求1所述的混合型工厂架构，其中所述内嵌工具被配置以用于沉积从包括金属层、半导体层和电解质层的群组中选择的层。

3.如权利要求1所述的混合型工厂架构，其中所述群集工具被配置以用于沉积阴极层，且其中所述内嵌工具被配置以用于沉积电解质层。

4.如权利要求1所述的混合型工厂架构，其中所述群集工具被配置以用于沉积电解质层，且其中所述内嵌工具被配置以用于沉积阴极层。

5.如权利要求1所述的混合型工厂架构，进一步包含：

第二处理工具组，被配置以用于光刻暴露和光刻胶剥离操作；

第三处理工具组，被配置以用于蚀刻操作和清洗操作；以及

第四处理工具，被配置以用于对晶片或基板进行激光划线，其中在所述晶片或基板上制造薄膜电池。

6.一种用于制造锂基薄膜电池的混合型工厂架构，所述工厂架构包含：

第一处理工具，用于沉积金属或半导体层；

第二处理工具，用于沉积有源层，所述第二处理工具包含：

群集工具，用于沉积有源层；

内嵌工具，用于沉积有源层；以及

锂蒸镀工具，所述锂蒸镀工具包含一个或多个手套箱，所述一个或多个手套箱将所述锂蒸镀工具耦接至所述群集工具和所述内嵌工具；

第三处理工具，用于沉积介电层；

第四处理工具，用于执行反应性离子蚀刻；以及

第五处理工具，用于沉积薄膜电池的特制层。

7.如权利要求6所述的混合型工厂架构，其中所述第二处理工具的所述内嵌工具被配置以用于沉积从包括金属层、半导体层和电解质层的群组中选择的层。

8.如权利要求6所述的混合型工厂架构，其中所述第二处理工具的所述群集工具被配置以用于沉积阴极层，且其中所述第二处理工具的所述内嵌工具被配置以用于沉积电解质层。

9.如权利要求6所述的混合型工厂架构，其中所述第二处理工具的所述群集工具被配置以用于沉积电解质层，且其中所述第二处理工具的所述内嵌工具被配置以用于沉积阴极层。

10.如权利要求6所述的混合型工厂架构，其中所述第五处理工具被配置以用于沉积聚合物层。

11.如权利要求6所述的混合型工厂架构，进一步包含：

第六处理工具组，被配置以用于光刻暴露和光刻胶剥离操作；

第七处理工具组，被配置以用于蚀刻操作和清洗操作；以及

第八处理工具，被配置以用于对晶片或基板进行激光划线，其中在所述晶片或基板上制造薄膜电池。

12.如权利要求6所述的混合型工厂架构，进一步包含：

第六处理工具，用于快速热处理。

13.一种用于制造锂基薄膜电池的混合型工厂架构，所述工厂架构包含：

处理工具，用于沉积有源层，所述处理工具包含：

第一内嵌工具，用于沉积有源层；

第二内嵌工具，用于沉积有源层；以及

锂蒸镀工具，包含一个或多个手套箱，所述一个或多个手套箱将所述锂蒸镀工具耦接至所述第一内嵌工具和第二内嵌工具。

14.如权利要求13所述的混合型工厂架构，其中所述第一内嵌工具或所述第二内嵌工具被配置以用于沉积从包括金属层、半导体层和电解质层的群组中选择的层。

15.如权利要求13所述的混合型工厂架构，其中所述第一内嵌工具被配置以用于沉积阴极层，且其中所述第二内嵌工具被配置以用于沉积电解质层。