CN104737363A - 用于图案化薄膜电化学装置的方法和衍射光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种制造电化学装置的方法，包括以下步骤：在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和通过激光束入射在衍射光学元件上所产生的激光图案直接图案化所述装置层的至少一个装置层，所述激光图案在单激光照射中直接图案化至少一整个装置。所述激光直接图案化除其他之外可包括：在已经沉积所有的有源层之后芯片图案化薄膜电化学装置；从相应的集电器选择性剥蚀阴极/阳极材料；和从集电器选择性剥蚀电解质材料。此外，可以通过入射在衍射光学元件上的激光束产生的成形光束直接图案化电化学装置，并且可以将成形光束移动跨越装置的工作面。

Description

用于图案化薄膜电化学装置的方法和衍射光学元件
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2012年10月25日提交的美国临时申请第61/718,656号的权益。
技术领域
本发明的实施方式涉及使用衍射光学元件和在进一步的实施方式中使用成形光束(shaped-beam)的激光图案化薄膜电化学装置，诸如薄膜电池和电致变色装置。
背景技术
薄膜电池(TFB)以其卓越的性能已被预期将主导微能源应用空间。然而，仍有一些挑战需要被克服，以允许具有成本效益地高容量制造TFB。其中最关键的挑战之一与当前现有的装置图案化技术有关，当前的装置图案化技术在装置层的沉积过程中使用了各种物理阴影掩模(shadow mask)。使用阴影掩模受以下缺点的影响而导致了复杂和昂贵的工艺：(1)需要大量的资本投资来处理(包括精确对准)和清洁掩模，特别是对于大面积的基板；(2)阴影掩模的使用限制了基板面积的利用(由于在处理过程中不良的对准能力和对准稳定性)并影响产品产量(主要是由于颗粒的产生)；和(3)由潜在的热膨胀所引起的对准问题而导致工艺的限制(具体而言，工艺被限制于低功率和低温)。光刻(photolithography)/蚀刻和激光刻划(laser scribing)目前正被测试或被提出来制造TFB装置，以取代物理阴影掩模。然而，这些工艺也有它们的挑战。例如，平版印刷术(lithography)在光刻胶(photo-resist)中带来新的材料和相关的干式或湿式蚀刻及清洁化学品和工艺，这可能会在各个界面产生潜在不良的材料相互作用，导致装置功能和性能受损，更不用提会有大量的额外费用。激光刻划/图案化技术虽然避免了平版印刷术工艺的复杂性，并提供优于以平版印刷术和物理掩模为基础的图案化的显著的可扩展性和成本优势，但是需要精确的电流计扫描仪(galvanometer scanner)，而且激光束的典型高斯分布并不是非常适用于剥蚀相对较大的面积(相对于光束截面)，而且将会增加装备和工艺的成本。
显然地，需要一种用于激光直接图案化电化学装置的改良方法，所述电化学装置诸如TFB、EC(电致变色)和类似的结构和装置，以得到高产量和低成本的制造。
发明内容
一般而言，本发明涉及无掩模地激光直接图案化薄膜电化学装置，诸如薄膜电池(TFB)和电致变色(EC)装置，更具体而言，本发明涉及将衍射光学元件应用于激光图案化薄膜电化学装置。本发明可包括使用衍射光学元件的激光直接图案化，除其他之外用于：在已经沉积所有的有源层之后芯片(die)图案化薄膜电化学装置；从相应的集电器选择性剥蚀阴极/阳极材料；从集电器选择性剥蚀电解质材料；和从集电器选择性剥蚀保护涂层材料，包括渗透保护涂层。根据本发明，可以将衍射光学元件与传统的激光刻划装备结合用于激光图案化。根据本发明，可以以衍射光学元件为基础发展出许多不同的薄膜电化学装置集成方案，其中有一些方案能够在批量生产电化学装置时得到期望的高产量和低成本。例如，本发明允许覆盖沉积全部的装置层，之后用衍射光学元件进行激光装置图案化，以消除使用阴影掩模的一些复杂性和成本，并消除与基于小高斯光束的直接图案化相关的一些问题和限制。
根据本发明的方面，一种制造电化学装置的方法可包括以下步骤：在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和通过来自激光器的光束入射在衍射光学元件上所产生的激光图案直接图案化所述装置层的至少一个装置层，所述激光图案在单激光照射中直接图案化至少一整个芯片，其中照射在本文中被定义为剥蚀至少一个装置层的完整深度/厚度(前侧图案化)或使至少一个装置层分层(delaminate)(后侧图案化)所需的激光脉冲数。(请注意，每个单激光脉冲所产生的激光图案覆盖整个芯片。)此外，在实施方式中，所述激光图案可以在单激光脉冲中直接图案化至少一整个芯片。然而此外，可以在装置层之间或基板与装置层之间沉积图案化辅助层，其中芯片图案化辅助层包括材料层，用于实现所述芯片图案化辅助层与至少一个紧邻的装置层之间的热应力不匹配。此外，可以将光和热阻挡层集成到装置堆叠中，以改良剥蚀特定的一层或多层的能力。
根据本发明的进一步的方面，一种制造电化学装置的方法可包括以下步骤：在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和通过来自激光器的光束入射在光学元件上所产生的成形光束直接图案化所述装置层的至少一个装置层，在直接图案化的过程中，所述成形光束沿着光栅(raster)方向移动跨越电化学装置的工作面(working surface)，其中所述光束沿着平行于光栅方向的第一方向具有顶帽型(top-hat)能量分布。此外，所述光束在垂直于光栅方向并平行于工作面的第二方向上可以具有顶帽型能量分布。然而此外，所述光束可以具有矩形形状。
根据本发明又进一步的方面，一种用于制造电化学装置的工具可包括：第一系统，所述第一系统用于在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和第二系统，所述第二系统包括激光器、基板工作台(substrate stage)和衍射光学元件，所述第二系统被配置用于通过来自所述激光器的光束入射在所述衍射光学元件上所产生的激光图案直接图案化所述装置层的至少一个装置层，所述激光图案在单激光照射中直接图案化至少一整个芯片。
根据本发明进一步的方面，一种用于制造电化学装置的工具可包括：第一系统，所述第一系统用于在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和第二系统，所述第二系统包括激光器、基板工作台和光学元件，所述第二系统被配置用于通过来自所述激光器的光束入射在所述光学元件上所产生的成形光束直接图案化所述装置层的至少一个装置层，所述激光图案在单激光照射中直接图案化至少一整个芯片。
附图说明
对于本领域中的普通技术人员而言，在结合附图阅读本发明的具体实施方式的以下描述之后，本发明的这些和其他的方面和特征将变得显而易见，其中：
图1A为根据本发明的一些实施方式包括衍射光学元件的激光图案化工具配置的示意图；
图1B为图1A的衍射光学元件的平面图；
图2为根据本发明的一些实施方式在装置芯片图案化之后的薄膜电池(TFB)基板的平面图；
图3为具有第一配置的薄膜电池(TFB)的截面图，示出了通过基板进行激光图案化；
图4为根据本发明的一些实施方式具有第一配置和剥蚀辅助层的薄膜电池(TFB)的截面图，示出了激光束通过基板入射在TFB结构上；
图5为根据本发明的一些实施方式在激光图案化覆盖沉积的电解质层之后的薄膜电池(TFB)基板的平面图；
图6为具有第二配置的薄膜电池(TFB)的截面图；
图7-14为根据本发明的一些实施方式在用于制造TFB的工艺流程中的连续步骤的平面图；
图15为根据本发明的一些实施方式具有衍射光学元件的激光图案化工具的示意图；
图16为根据本发明的一些实施方式用于电化学装置制造的薄膜沉积群集工具的示意图；
图17为根据本发明的一些实施方式用于电化学装置制造并具有多个串联(in-line)工具的薄膜沉积系统的示意图；
图18为根据本发明的一些实施方式用于电化学装置制造的串联沉积工具的代表图；和
图19为根据本发明的一些实施方式的激光图案化工具配置的示意图，所述激光图案化工具配置包括用于界定成形光束的光学元件，所述成形光束可移动跨越所述电化学装置的工作面以产生所需的图案。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的实施方式，提供这些附图作为本发明的说明性实例，以使本领域的普通技术人员能够实施本发明。值得注意的是，附图和下面的实例并不意味着要将本发明的范围限于单个实施方式，而是通过交换一些或全部的描述或图示的元件而可能有其他的实施方式。此外，在可以使用已知部件部分或完全地实施本发明的某些元件时，将只描述这种已知部件的对于理解本发明必需的那些部分，而且将省略这种已知部件的其他部分的详细描述，以免模糊本发明。在本说明书中，不应将显示单个部件的实施方式认为是限制性的；更确切地说，本发明意在涵盖包括多个相同部件的其他实施方式，反之亦然，除非本文中另有明确说明。此外，申请人不希望将说明书或要求保护的范围中的任何用语归属为罕见的或特殊的含义，除非照此做出明确阐述。此外，本发明涵盖本文中以说明的方式提及的已知部件的目前和未来的已知等同物。
图1A和图1B示出了激光图案化工具配置的示意图，其中激光束10入射在衍射光学元件20上，衍射光学元件20产生衍射光束12，衍射光束12入射在电化学装置的工作面30上，所述电化学装置诸如薄膜电池(TFB)或电致变色(EC)装置。此外，可以在衍射光学元件之前或之后使用如本领域的普通技术人员将会理解的其他光学元件，诸如光束扩展器、反射镜(mirror)、折射透镜等。然而此外，若有需要，可以如箭头所示(并且还在垂直于页面平面的方向上)移动基板—例如，如果一次进行一个芯片的图案化，则使基板从一个芯片逐步前进到下一个芯片，直到所有的芯片已经被图案化。
衍射光学元件被设计为通过光束的干涉和衍射而在工作面上产生预定的光强度分布的元件。几何图案和光强度分布剖面(profile)可以通过衍射光学元件的设计而个别调整。为了图案化诸如TFB和EC装置之类的电化学装置，使用了衍射光学元件，衍射光学元件被放置在光源(通常为激光)与电化学装置之间，并且可以通过适当地调整衍射光学元件的位置而将几何图案与所述装置对齐。到达工作面的图案化激光通量(laser fluence)通过改变工作距离—衍射光学元件与工作面之间的距离，而在尺寸上是可扩展的。可以将多图案产生器设计于单衍射光学元件基板中—例如图1B中的图案21、22、23&24—并且通量是通过以传统的手段调整来自激光器的功率来控制的。(请注意，图1B中的箭头表示基板/工作台相对于衍射光学元件20的移动方向，如果使用分步曝光(step and expose)方法来图案化基板的整个工作面时可能会需要。此外，图案21-24可全部相同，或在一些实施方式中，所述图案的一些或全部可以不同。)请注意，在图1B中激光束10被以截面示出，以与衍射光学元件20上的图案尺寸相比较—在此特定的实例中，光点(spot)比图案小；衍射光学元件会将入射光束/光点转变成完整图案，以覆盖所需的基板区域。单步骤图案化的剥蚀面积依赖于例如图案化要求和激光通量。通常，激光光点的直径为毫米数量级，然而在衍射光学元件和基板的工作面处，光点皆可以根据需要容易地被扩展或缩小以满足具体图案化的需求。适当的激光包括例如波长为355nm、532nm和1064nm的激光；此外，也可以使用高功率(>25W)和/或高脉冲能量激光。对激光波长、功率、脉冲持续时间等进行选择以满足工艺需求—例如通过待剥蚀的材料类型和厚度来确定。此外，用于衍射光学元件的材料需要与激光波长和通量兼容—例如，当使用UV激光时，材料可以是熔凝硅石(fused silica)或石英。
剥蚀图案化是一种数字工艺，其中当光强度超过阈值(threshold)时即发生剥蚀事件。为了实现剥蚀所需的强度，以持续时间不超过几纳秒和短至几百飞秒(femtosecond)的极短脉冲输送激光。瞬时功率通常是在千兆瓦(gigawatt)或更高的数量级，并且处理场的辐射通量在0.1-10J/cm2的范围内。相比之下，传统的光学平版印刷术输送光能以诱导抗蚀材料中产生化学反应—大部分抗蚀剂具有类似的反应，因为化学反应的程度与输送的能量剂量成线性比例。传统的光学平版印刷术是一种具有相对较长的曝光时间的高分辨率、低能量工艺；为了获得高分辨率，光源必须是在UV至深UV光谱的极短波长，并使用高数值孔径的光学元件。此外，激光源的腔体必须仅支持单一模式(低M2)，以实现光掩模的衍射限制成像。所述光掩模本身限制了在传统的平板印刷术工艺中输送的通量，因为对于532nm光的20ns脉冲，铬掩模的剥蚀通量为80mJ/cm2。这个限制为低于诸如硅之类的半导体材料的剥蚀阈值的数量级。
衍射元件剥蚀图案化对于激光源具有以下要求。对于低分辨率的工艺，可以使用高模激光(具有高M2—例如M2大于20的NdYAG激光)来减少衍射光学元件所形成的图像中的强度调制(斑纹(speckle))。高模激光可以支持单次照射中用于剥蚀相对较大的面积所需的每脉冲较高能量。高能激光必然表现出低的脉冲重复率(5-50HZ)。相对于使用高重复率(kHz、MHz或更高的)激光器来刻划图案的光栅扫描光束，使用衍射光学元件可以通过以单激光照射剥蚀完整的芯片图案(在基板上的所有芯片)来缩短处理时间；然而，本发明的一些实施方式也可以将高重复率激光器和衍射光学元件一起使用来图案化装置—例如，当单照射的剥蚀面积小至～200μm2并且激光能量均匀地分布在所需区域中时。更一般来说，本发明的实施方式包括一些工艺，其中“图案化的”区域被提供有足够的能量以实现均匀、清洁的剥蚀，并且激光特性是变化的参数来实现该所需的最终结果。例如，对于具有10个芯片的基板，每个芯片具有6.25cm2的面积，并且在基板的工作面处用于芯片图案化的激光通量为0.1J/cm2，则具有脉冲能量>6.25J的激光能够以一个激光脉冲完成基板上全部芯片的图案化。合适的10J脉冲光纤激光器可从IPG Photonics公司购得。
衍射光学元件可以是利用跨越元件的相位或振幅调制任一者设计的投影全息图。衍射光学元件的示例性设计规格是由两个关键因素确定的规格：入射激光场的特性(光束直径、发散角(divergence angle)、通量和光束的入射角)，和将被形成在基板上的所需图案。限制将在于第二阶图案亮度相对于第一阶图案和非衍射照射光束的大小。差异亮度将确定剥蚀阈值附近的工艺窗口容差(process window tolerance)。衍射光学元件可以通过基于晶片的平版印刷术方法结合光学透明基板表面上的精密玻璃蚀刻来制造。在一个实施方式中，衍射光学元件可以是(经由多个透镜厚度)提供多个光束路径的相移掩模，所需图案由相移光束的干涉所形成。在另一个实施方式中，衍射光学元件可以是其中元件的光密度不同的(对于吸收变化和相移)相移掩模。在又另一个实施方式中，衍射光学元件可以是元件上具有衍射阵列的振幅掩模，光束通过所述衍射阵列“衍射”，并且通过各个光束的干涉共同形成所需的剥蚀图案。
衍射光学元件对于图案化电化学装置(诸如TFB)非常有效，特别是对于相对较大面积的图案化，通过在单次或几次曝光中去除一个层或多个层的整个图案区域，而不是逐个像素地连续地去除材料来产生所需的图案。相对于其中剥蚀是基于激光光点的移动并且区域剥蚀是通过遍及整个目标区域的多个激光光点扫描来实现的典型光点激光刻划工艺，衍射光学元件将激光能量分布于整个目标区域，并且所需层/图案的剥蚀是通过以下方式来实现的：通过衍射光学元件重新分布激光而产生所需图案，并通过控制激光束功率来实现剥蚀。通过衍射光学元件实现的剥蚀通常产生清洁且平滑的线和均匀剥蚀的区域，并具有相对较高的产量，这通过基于光点激光的刻划技术是极难实现的。一般来说，使用顶帽型能量分布也将有助于产生光滑且均匀的图案。相对于其中使用(圆形)小光点剥蚀通过将光点拼接在一起而连续形成线的连续工艺而言，根据本发明的各个方面的图案化工艺包括一次剥蚀整条线和线的复合物(composite)。
可以将基于衍射光学元件的激光图案化应用于图案化电化学装置中的任一个或更多个装置层。请注意，尽管TFB中的电极(例如阴极)层可以厚达30微米或甚至50微米，每个电化学装置层的厚度通常会在0.1微米至3微米的范围内。(电致变色装置中的金属层(包括透明导电氧化物)通常是在所述范围的较薄端以便是光学透明的，并且用于所有电化学装置的电解质层通常是在所述范围的较厚端。)例如：从基板/装置侧的顶侧图案化TFB芯片；从TFB有源堆叠选择性图案化保护涂层；从集电器选择性图案化阴极层和/或电解质层；从基板/装置的底侧图案化TFB芯片—可以考虑通过剥蚀装置侧上的“第一底层”来形成芯片轮廓，这将“吹走(blow away)”上层，用于清洁、单次照射(非光栅化)、区域性界定装置图案。本发明可以增强装置层的所有覆盖沉积，随后通过激光装置图案化，而消除使用阴影掩模的一些复杂性和成本。一些更详细的实例如下。
图2示出了用于薄膜电化学装置的芯片图案化的实例—基板230具有被切割区(dicing area)234分隔的多个芯片232。装置芯片的图案化可以从基板侧进行，这仅需要小的通量。当使用额外的牺牲层时所需的剥蚀通量甚至更小，如下文参照图4所述。通过使用衍射光学元件，激光能量可以被均匀地分布于“巷道(alley)”，在准备切割时清除这些“巷道”中的沉积材料—这不仅明显增加产量，而且切割质量还优于传统的激光刻划(其中传统的激光刻划是使用例如具有高斯分布的扫描激光光点)。在实施方式中，图2的图案可以通过单激光照射来产生，并且在进一步的实施方式中可以通过单激光脉冲来产生。在其他的实施方式中，可以使用分步曝光的方法将相邻的图案拼接在一起—例如，单激光照射图案化单芯片的刻划巷道，并将基板移到下一个芯片，以图案化下一个芯片的刻划巷道等等，直到所有芯片的全部刻划巷道已经被图案化。
图3示出了TFB装置芯片图案化的截面图。TFB堆叠包括基板301、CCC302、阴极303、电解质304、阳极305、ACC 306和保护涂层307。将激光310图示为通过光学透明基板入射于所述堆叠上。在现有技术的TFB装置图案化工艺中，阴极集电器通常包括位于CCC与基板之间的钛粘附层，以将CCC良好地粘附于基板。在通过激光剥蚀处理的芯片隔离方面，有两种不同的方法，正面剥蚀和背面剥蚀。所述TFB堆叠包括具有不同的光学性质和热性质的几个金属层、介电层和半导体层。所述TFB装置的总厚度多达几十微米。这使得前面剥蚀具有挑战性—可能需要不同波长的激光、高激光通量和多个激光剥蚀步骤来去除全部TFB堆叠。此外，这种复杂的激光剥蚀工艺可能会损坏TFB装置—在剥蚀沟槽上产生隆起(ridge)(由于在扩展的热影响区中的熔化和再凝固)和在装置层之间的不良电隔离(由于剥蚀过程中的激光玷污(smearing))。从背面(通过基板)的激光剥蚀需要较少的激光通量和步骤来剥蚀底部单层，然后“吹走”所有的TFB堆叠。在这种情况下，仍然对TFB装置造成一些小的热损伤，原因如下：由于钛粘附层与基板之间的强粘附力导致很难获得良好的电隔离；和需要所述堆叠的底层的汽化/升华来“吹走”上层。然而，在图4的TFB装置堆叠中，根据本发明的方面，薄激光剥蚀辅助层420被插入到基板与阴极集电器之间—激光剥蚀辅助层在剥蚀区域内是牺牲的。可用于剥蚀辅助层的材料是非晶硅和可能的微晶硅和LiCoO2。剥蚀辅助层的厚度是在从 到的范围内。当从背面进行激光剥蚀时，仅需要少量的激光通量来诱导基板与剥蚀辅助层之间的热应力，从而使堆叠分层并形成所需图案。(也可能发生剥蚀辅助层的一些汽化/升华，这将有助于“吹走”剥蚀辅助层上方的堆叠。)与用于常规剥蚀的1.0J/cm2至10J/cm2相比，当使用剥蚀辅助层时需要约0.1J/cm2至1.0J/cm2的较低激光通量，能够很好地处理根据本发明的一些实施方式使用衍射光学元件的大面积图案化。值得注意的是，根据期望被剥蚀的层，剥蚀辅助层可以被并入所述堆叠内的不同位置—通常位于紧接需要被去除的(多个)层下方。在PCT国际公开号WO 2013/106082 A2中提供了剥蚀辅助层的进一步细节。
作为进一步的实例，图5图示从集电器选择性剥蚀电解质的结果—每个芯片内的图案对应于图12，在下面详细描述。电解质被覆盖沉积在集电器和阴极(例如LiCoO2)之上。为了通过去除电解质以暴露相对较大面积的集电器，设计衍射光学元件来提供剥蚀图案的几何形状。通过控制激光功率来控制目标基板/装置上的激光通量。可以使用激光停留(dwell)时间和激光通量来控制电解质剥蚀，与现有技术的剥蚀工艺相比，由于在工作区域之上更均匀的激光能量分布而以对集电器较少的损坏来暴露集电器，尤其是当在本发明的方法中使用超快激光时。在实施方式中，可以通过单激光照射来实现图案化，在其他实施方式中，可以通过单激光脉冲来实现图案化，或在进一步的实施方式中，可以通过分步曝光工艺来实现图案化，所有皆如以上针对图2的图案所描述的。
图6示出了典型的薄膜电池(TFB)结构600的截面图，薄膜电池结构600具有形成在基板601上的阳极集电器603和阴极集电器602，接着是阴极层604、电解质层605和阳极层606；然而，可以以顺序相反的阴极、电解质和阳极制造装置。此外，可以单独沉积阴极集电器(CCC)和阳极集电器(ACC)。例如，可以在阴极之前沉积CCC，而且可以在电解质之后沉积ACC。所述装置可以被封装层107覆盖，以保护环境敏感层免受氧化剂影响。例如参见N.J.Dudney,Materials Science and Engineering B 116,(2005)245-249。请注意，在图1示出的TFB装置中，部件层并未依比例绘制。
图7-14图示用于TFB装置制造的工艺流程的一个实例，所述TFB装置制造利用衍射光学元件激光图案化覆盖的电解质沉积。本工艺流程仅示出单芯片的图案化，然而本发明的实施方式也包括一次—在单次激光照射中同时图案化多个芯片。此外，本工艺流程是用于诸如图6中所示的装置架构的实例，然而其他实施方式还包括图案化具有如图3和图4中所示配置的装置层的装置。图7示出一个芯片的空白基板601。图8图示在基板上的图案化CCC层602。图9示出在基板上的图案化ACC层603。图10图示在CCC层和基板之上的图案化阴极层604。图11示出沉积在图10的结构之上的覆盖电解质层6051。图12图示激光图案化的电解质层6052。图13图示沉积在图12的结构之上的图案化阳极层606。图14示出覆盖图13的除了ACC与CCC的接触区域之外的结构的图案化保护层607。(请注意，也可以通过适当材料的涂层保护堆叠的暴露边缘，如PCT国际公开号WO 2013/106082A2中所描述的。)根据本发明的一些实施方式，可以通过使用衍射光学元件的激光剥蚀工艺来进行一个或更多个层的图案化。在一些实施方式中，除了电解质以外的所有层可以通过阴影掩模来进行图案化，而电解质层是通过本发明的使用衍射光学元件的激光剥蚀工艺来进行图案化的。
此外，本发明的一些实施方式涉及通过使用衍射光学元件的激光直接图案化和在装置/结构堆叠中的紧接将被剥蚀去除的所述指定层下方的热阻挡层和光阻挡层来选择性去除指定层。(此处，“下方”是由激光束的方向所定义的—激光束首先穿过指定层，之后才到达阻挡层。)光阻挡层可以是一层具有高熔融温度和足够厚度的金属，以吸收和/或反射所有穿透指定层的激光；此外，光阻挡层可具有类镜表面或是可具有粗糙表面。热阻挡层可以是热扩散率足够低以确保来自激光器的大部分热被包含在介电层/半导体层中的层。可以指定光阻挡层和热阻挡层的厚度以及热阻挡层的热扩散率，以确保在激光剥蚀工艺过程中下面层的温度被保持在低于其熔点Tm。此外，可以指定光阻挡层和热阻挡层的厚度以及热阻挡层的热扩散率，以确保在激光剥蚀工艺的过程中下面层的温度被保持在低于再结晶温度—对于金属通常是(Tm)/3。可以在金属层与介电层或半导体层之间或甚至在不同的金属层之间实现选择性，而不影响/损坏下面的金属层，前提是将光阻挡层和热阻挡层并入其间。在一些实施方式中，所述热阻挡层和光阻挡层可以是单层—例如单热电金属材料层。在其他实施方式中，在堆叠中的光阻挡层和热阻挡层的顺序可以颠倒。光阻挡层和热阻挡层可被集成到堆叠中，同时避免将应力或表面形态问题引入堆叠中。在一些实施方式中，为了装置的功能性，光阻挡层和热阻挡层二者均必须是导电性的—例如，在TFB中当紧接用于装置堆叠中的CCC上方时。此外，在本发明的一些实施方式中，可以将多对光阻挡层和热阻挡层并入结构或装置堆叠，其中每一对可以界定不同的图案。进一步地，本发明的一些实施方式包括使用单对的光阻挡层和热阻挡层来通过从堆叠的顶部和通过基板直接激光图案化而产生两个不同的图案—通过基板的图案化被用来界定基板上分离的装置，而从堆叠顶部的图案化被用来图案化光阻挡层和热阻挡层上方的堆叠。可能需要不同的激光器来产生两个图案。在PCT国际公开号WO 2013/022992A2中提供了热阻挡层和光阻挡层的进一步细节。
图15为根据本发明的实施方式的选择性激光图案化工具1500的示意图。工具1500包括用于图案化基板1540上的装置1530的激光器1501。此外，也图示出用于通过基板1540进行图案化的激光器1502，然而如果将基板翻转也可以将激光器1501用于通过基板1540进行图案化。由激光器1501和1502产生的激光束1510被引导通过衍射光学元件1520，产生用于图案化装置1530的衍射光束1512。用于从顶部或底部进行图案化的衍射光学元件1520可以是不同的，或者这些衍射光学元件可以是相同的但具有用以产生用于不同图案化步骤的不同图案的多个不同区域。设置基板保持器/工作台1550来保持和/或移动基板1540。工作台1550可以具有孔以适用于通过基板的激光图案化。工具1500可被配置用于在激光剥蚀过程中处于固定或移动的基板—激光1501/1502也可以是固定的或可移动的；在一些实施方式中，基板和激光可以皆为可移动的，在此情况下移动是由控制系统进行协调的。在一些实施方式中，使用分步重复工艺，其中可以包括一个或更多个激光。图15中示出工具1500的独立版本(stand-alone version)，包括SMF还有手套箱和前腔室。可以将整个工具放在干燥室中，以最小化手套箱的复杂性并限制暴露层与周围氧化剂的反应。图15中示出的实施方式是根据本发明的工具的一个实例—可以设想出所述工具的许多其他配置，例如，在无锂(没有单独沉积的Li负极层储层(reservoir))TFB的情况下手套箱可能不是必要的。此外，工具1500可以位于具有适当环境的室中，像是在锂箔制造中使用的干燥室。
图16为根据本发明的一些实施方式用于制造TFB装置的处理系统1600的示意图。处理系统1600包括到群集工具1620的标准机械接口(SMIF)1610，群集工具1620装备有反应等离子体清洁(RPC)腔室1630和工艺腔室C1-C4(1641、1642、1643和1644)，工艺腔室C1-C4可被用于以上描述的工艺步骤中。也可以将手套箱1650附接到群集工具。手套箱可以在惰性环境中(例如，在诸如He、Ne或Ar之类的惰性气体下)存储基板，惰性环境在碱金属/碱土金属沉积后是有用的。若有需要也可以使用到手套箱的前腔室1660—所述前腔室为气体交换腔室(惰性气体到空气，反之亦然)，所述气体交换腔室允许基板被传送进出手套箱而不会污染手套箱中的惰性环境。(请注意，可以将手套箱替换为露点足够低的干燥室环境，因为这样的环境为锂箔制造商所使用的。)腔室C1-C4可被配置用于制造电化学装置的工艺步骤，所述电化学装置诸如薄膜电池或EC装置，所述工艺步骤例如可以包括：沉积如上所述的堆叠和使用衍射光学元件选择性激光图案化所述堆叠。适当的群集工具平台的实例包括：Applied Komatzu Technology的(AKT的)显示群集工具，诸如第10代显示群集工具；Applied Material(应用材料公司)的New Aristo平台；和应用材料公司的用于较小基板的EnduraTM和CenturaTM平台。应当理解的是，虽然已经图示了用于处理系统1600的群集布置，但也可以使用线性系统，其中处理腔室被配置成一行而没有传送腔室，使得基板连续地从一个腔室移动到下一个腔室。
图17示出根据本发明的一些实施方式的具有多个串联工具1710、1720、1730、1740等的串联制造系统1700的代表图。串联工具可包括用于沉积和图案化电化学装置的所有层的工具，所述电化学装置诸如TFB或EC装置。此外，这些串联工具可包括预调节和后调节腔室。例如，工具1710可以是在基板移动通过真空气闸室(vacuum airlock)1715进入沉积工具1720之前用于建立真空的抽空腔室。一些或全部的串联工具可以是被真空气闸室1715分隔的真空工具。请注意，工艺管线中的工艺工具和具体工艺工具的顺序将由使用的具体装置制造方法来确定—其具体实例已在上文提供。此外，可以将基板移动通过水平定向或垂直定向的串联制造系统。然而此外，使用衍射光学元件的选择性激光图案化模块可被配置用于在激光图案化过程中处于静止的或移动的基板。
为了图示基板通过诸如图17所示的串联制造系统的移动，在图18中，将基板输送器1750图示为仅有一个在适当位置的(in place)串联工具1710。含有基板1810的基板保持器1755(图示将所述基板保持器部分地切去，以便可以看到基板)被安装在输送器1750或等效装置上，用于移动保持器和基板通过串联工具1710，如图所示。用于处理工具1710的适当的串联平台可以是应用材料公司的AtonTM和New AristoTM。
根据本发明的实施方式用于形成电化学装置(诸如薄膜电池)的设备可包括：用于在基板上覆盖沉积堆叠的第一系统，所述堆叠包括剥蚀辅助层(若使用的话)、阴极集电层、阴极层、电解质层、阳极层、阳极集电层和保护涂层；和用于如上所述使用衍射光学元件直接激光图案化所述堆叠或如下所述通过成形光束激光图案化进行图案化的第二系统。所述第一系统可以是群集工具、串联工具、独立工具或一个或更多个上述工具的组合，并且所述第二系统可以是独立的工具或者可以被集成到第一系统中。类似的设备也可以用于制造其他电化学装置，诸如EC装置，其中所述第一系统被配置用于沉积具体装置所需的堆叠和剥蚀辅助层(若使用的话)，并且所述第二系统用于如上所述使用衍射光学元件直接激光图案化所述堆叠或是如下所述通过成形光束激光图案化进行图案化。此外，所述设备可被配置用于如本文所述范围广泛的不同工艺流程。
此外，在实施方式中，可以通过入射在光学元件上的激光束产生的成形光束直接图案化所述电化学装置层的至少一个电化学装置层，其中所述光学元件除其它之外可包括折射透镜和孔。在直接图案化的过程中，成形光束可移动跨越电化学装置的工作面—例如，成形光束可被光栅化。图19示出了成形光束激光图案化工具的实例的示意图，包括激光束10、光学元件25、成形光束14和扫描/光栅反射镜40，扫描/光栅反射镜40围绕轴42转动以移动光束16跨越基板30的工作面，如箭头所示。对于光栅化的成形光束，可以使用以高达1MHz的脉冲重复率操作的激光。成形光束沿着平行于光栅方向的第一方向可以具有顶帽型能量分布；在垂直于光栅方向和平行于电化学装置的工作面的第二方向上的光束能量分布可以是高斯型的。此外，在实施方式中，所述成形光束在垂直于光栅方向和平行于电化学装置的工作面的第二方向上可以具有顶帽型能量分布。然而此外，成形光束可以具有矩形形状，例如成形光束还可以进一步具有长度对宽度的高深宽比(aspect ratio)—在实施方式中大于5，而且在进一步的实施方式中大于10。除了成形光束是跨越工作面扫描/光栅化之外，成形光束可被用于如上所述使用衍射光学元件的方法来图案化电化学装置的不同层—例如，成形光束可被用于剥蚀装置层的一些部分，用于选择性剥蚀装置层的一些部分，用于使用图案化辅助层来去除装置层等等，并且成形光束可直接入射在电化学装置上或通过透明基板入射在电化学装置上。
此外，在实施方式中，可以将如上所述的成形光束曝光与如上所述使用衍射光学元件的图案化结合，以图案化电化学装置的一些或全部的装置层。
值得注意的是，TFB芯片的面积可以在约1毫米乘1毫米至约5英寸乘5英寸之间的范围内，并且典型的尺寸为约1英寸乘1英寸。TFB基板包括多个芯片而且通常可以具有较长的侧边尺寸：对于硅基板约200mm乘300mm；对于云母基板约150mm乘150mm；且对于玻璃、聚合物和金属基板为更大的尺寸(受限于处理工具)。EC装置芯片的尺寸依赖于装置的应用可以变化很大—例如后视镜通常可以具有约2英寸乘4英寸或5英寸的芯片面积，EC显示芯片可以小得多，而EC窗口可以变得非常大并且每个基板的EC窗口数目较少。用于EC装置的基板在尺寸上可以有各式各样的变化，而且可以像第10代基板那么大—大约是3米乘3米；对于较小的EC装置，每个基板通常将会有许多芯片，但是对于诸如窗口之类的较大装置，每个基板将会有相对较少的装置，甚至少到每个基板只有单个装置。
虽然已经参照某些实施方式具体描述了本发明，但对于本领域的普通技术人员而言应为显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围下做出形式和细节上的变更和修改。意图使所附要求保护的范围涵盖这些变更和修改。

Claims (15)

1.一种制造电化学装置的方法，包括以下步骤：
在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和
通过来自激光器的光束入射在衍射光学元件上所产生的激光图案直接图案化所述装置层的至少一个装置层，所述激光图案在单激光照射中直接图案化至少一整个芯片。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述直接图案化所述至少一个装置层为激光剥蚀所述至少一个装置层的一部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述直接图案化为从所述相应集电器之上选择性剥蚀所述电极之一的一部分。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述直接图案化为从所述相应集电器的至少一个之上选择性剥蚀所述电解质层的一部分。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述直接图案化为从所述基板上的刻划巷道之上剥蚀全部的沉积装置层的一些部分，所述刻划巷道界定各个芯片。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
于所述装置层之上沉积保护涂层；
其中所述直接图案化为从所述集电器之上选择性剥蚀所述保护涂层的一部分。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
在装置层之间沉积图案化辅助层，其中所述芯片图案化辅助层包括材料层，所述材料层用于实现所述芯片图案化辅助层与至少一个紧邻的装置层之间的热应力不匹配；
其中所述直接图案化为加热所述图案化辅助层，以引起所述图案化辅助层之上的所述装置层的激光照射部分分层。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
在所述沉积装置层之前，在所述基板上沉积芯片图案化辅助层，其中所述芯片图案化辅助层包括材料层，所述材料层用于实现所述芯片图案化辅助层与所述基板和所述紧邻的装置层的至少一者之间的热应力不匹配；
其中所述直接图案化为加热所述芯片图案化辅助层，以引起所述图案化辅助层之上的所述装置层的激光照射部分分层。
9.如权利要求1、7或8所述的方法，其中在所述电化学装置处的所述激光图案中的辐射通量在0.1焦耳每平方厘米至1.0焦耳每平方厘米的范围内。
10.如权利要求5或8所述的方法，其中所述基板为对所述激光透明的，并且其中所述激光图案通过所述基板入射在所述部分上。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述激光图案在单激光脉冲中直接图案化至少一整个芯片。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述直接图案化为通过所述光束入射在所述衍射光学元件上的第一图案上所产生的第一激光图案直接图案化所述装置层的第一装置层，并通过所述光束入射在所述衍射光学元件上的第二图案上所产生的第二激光图案直接图案化所述装置层的第二装置层。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述激光图案在单激光照射中直接图案化所述基板上的全部芯片。
14.一种制造电化学装置的方法，包括以下步骤：
在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和
通过入射在光学元件上的激光束产生的成形光束直接图案化所述装置层的至少一个装置层，在所述直接图案化的过程中，所述成形光束沿着光栅方向移动跨越所述电化学装置的工作面，其中所述光束沿着平行于所述光栅方向的方向具有顶帽型能量分布。
15.一种用于制造电化学装置的工具，包括：
第一系统，所述第一系统用于在基板上沉积装置层和电解质层，所述装置层包括电极和相应集电器；和
第二系统，所述第二系统包括激光器、基板工作台和衍射光学元件，所述第二系统被配置用于通过来自所述激光器的光束入射在所述衍射光学元件上所产生的激光图案直接图案化所述装置层的至少一个装置层，所述激光图案在单激光照射中直接图案化至少一整个芯片。
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