CN107735892A - 热像及薄膜电池制造 - Google Patents

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Abstract

一种制造薄膜电化学装置的方法可包括以下步骤：在基板上沉积膜堆叠结构，所述膜堆叠结构包括阴极集电体(CCC)、阴极、电解质、阳极及阳极集电体(ACC)；对堆叠结构进行激光裸片图案化以形成已裸片图案化的堆叠结构；对已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化以暴露出已裸片图案化的堆叠结构中的每一个已裸片图案化的堆叠结构的CCC层及ACC层中的至少一个的接触区域，对已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化的步骤形成装置堆叠结构；在元件堆叠结构上沉积毯覆式封装层；对毯覆式封装层进行激光图案化以暴露出装置堆叠结构中每一个装置堆叠结构的ACC层及CCC层的接触区域，毯覆式封装层的激光图案化步骤形成已封装的装置堆叠结构；及通过对装置堆叠结构及已封装的装置堆叠结构中的一个或多个进行热像分析以识别热点。

Description

热像及薄膜电池制造
相关申请的交叉引用
本申请主张享有于2015年5月11日递交的第62/159,804号美国临时申请的优先权，且该申请以引用方式全文并入于此。
技术领域
本发明的实施方式大体上涉及用来制造电化学装置的方法及设备，更具体而言，但也不排除，涉及用来制造薄膜电池的热像方法及设备。
背景技术
预计具有卓越特性的薄膜电池(TFB)会主导μ-能源(μ-energy)应用领域。由于薄膜电池技术处在即将从研究与开发过渡到制造环境之际，层及堆叠结构(stack)的成本效益及线上品质鉴定(in-line characterization)对于实现以具成本效益、高良率且大规模制造TFB而言变得更为关键。故需要有效的线上品质鉴定工具及用来提高TFB良率的方法。
发明内容
根据某些实施方式及如文中所述，电化学装置的热像分析可整合在工艺流程中以用来检测缺陷从而提高元件良率。电化学装置包括薄膜电池(TFB)、电致变色装置等等。
根据某些实施方式，制造薄膜电化学装置的方法可包括以下步骤：在基板上沉积堆叠结构，所述堆叠结构包括阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层及阳极集电体层；对堆叠结构进行激光裸片(die)图案化以形成多个已裸片图案化的堆叠结构(die patternedstack)；对多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化，以暴露出多个已裸片图案化的堆叠结构中每一个已裸片图案化的堆叠结构的阴极集电体层及阳极集电体层中至少一个的接触区域，且对多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化的步骤会形成多个装置堆叠结构；在多个元件堆叠结构上沉积毯覆式封装层(blanket encapsulation layer)；对毯覆式封装层进行激光图案化，以暴露出多个装置堆叠结构中每一个装置堆叠结构的阳极集电体层及阴极集电体层的接触区域，毯覆式封装层的激光图案化步骤会形成多个已封装的装置堆叠结构；及对多个装置堆叠结构及多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个装置堆叠结构进行热像分析以识别热点。
根据某些实施方式，制造薄膜电化学装置的方法可包括以下步骤：在基板上沉积堆叠结构，所述堆叠结构包括阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层及阳极集电体层；对堆叠结构进行图案化以使通用阴极集电体接触区及通用阳极集电体接触区中的至少一个打开；及对堆叠结构进行热像分析以识别热点。
根据某些实施方式，用于形成薄膜电化学装置的设备可包括：第一系统，所述第一系统用来在基板上毯覆式地沉积由阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层及阳极集电体层形成的堆叠结构；第二系统，所述第二系统用来对堆叠结构进行激光裸片图案化以形成多个已裸片图案化的堆叠结构；第三系统，所述第三系统用来对多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化，以暴露出多个已裸片图案化的堆叠结构中每一个已裸片图案化的堆叠结构的阴极集电体层及阳极集电体层中至少一个的接触区域，而形成多个装置堆叠结构；第四系统，所述第四系统用于在多个装置堆叠结构上沉积毯覆式封装层；第五系统，所述第五系统用来对毯覆式封装层进行激光图案化，以暴露出多个装置堆叠结构中每一个装置堆叠结构的阴极集电体层及阳极集电体层的接触区域，而形成多个已封装的装置堆叠结构；及第六系统，所述第六系统用于对多个装置堆叠结构及多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个进行热像分析以识别热点，所述第六系统包括：探针，所述探针用于在阴极集电体层与阳极集电体层之间施加电压；及红外摄影机。
附图说明
在结合附图参阅特定实施方式的以下描述后，本公开内容的这些和其他构思和特征对本技术领域的一般技术人员将变得显而易见，其中：
图1是根据某些实施方式的在用于薄膜电池的薄基板上的TFB装置的第一实例的截面图；
图2是根据某些实施方式的在用于薄膜电池的薄基板上的TFB装置的第二实例的截面图；
图3A及图3B根据某些实施方式分别示出具有全局(通用)CCC的堆叠结构制造的示意性顶视平面图及示意性截面图(X-X截面)，所述堆叠结构用于垂直堆叠结构式TFB；
图4根据某些实施方式示出对图3B的堆叠结构进行裸片图案化的示意图；
图5根据某些实施方式示出使图4的堆叠结构暴露出CCC的示意图；
图6根据某些实施方式示出在图5的堆叠结构上毯覆式地沉积薄膜封装层的示意图；
图7是根据某些实施方式示出通过对毯覆式封装层进行激光图案化而使图6中的所有堆叠结构都暴露出CCC/ACC的示意图；
图8是根据某些实施方式的图3A、图3B、图4、图5、图6及图7的TFB的工艺流程图，所述流程图示出在流程中可使用热像之处；
图9A及图9B是根据某些实施方式的在顺排的(in-line)TFB生产线上的热像工具的示意图；
图10A至图10D根据某些实施方式示出TFB的热像数据；
图11是根据某些实施方式的顺排的TFB制造系统的示意图。
实施方式
现将参照附图详细说明本发明的实施方式，作为本发明的示例性实例，使得所属技术领域中技术人员能实施本发明。本文中所提供的附图包括装置及装置工艺流程的示意图，且所述示意图未按比例绘制。应注意，附图及以下实例无意将本发明范围限制在单一实施方式上，且通过使所述或所示元件中的某些元件或所有元件互换，可做出其他实施方式。此外，当可使用已知的部件来部分或完整地实现本发明的某些要素时，将仅针对这些已知部件中对于了解本发明而言必要的部分进行描述，并将省略这些已知部件中其他部分的详细描述，以免模糊本发明。除非文中另有明确载明，否则在本发明中示出单个部件的实施方式不应视为是限制；相反地，本发明意欲涵盖其他包含多个相同部件的实施方式，反之亦然。另外，本发明中的任何术语不欲解读为不常见或特殊的含义，除非文中明确提出此种解读方式。此外，对于文中通过图示方式举出的已知部件而言，本发明也涵盖这些元件目前已知或未来将知晓的同等物。
预计具有卓越特性的薄膜电池(TFB)会主导μ-能源应用领域。由于薄膜电池技术处在即将从研究与开发过渡到制造环境之际，层及堆叠结构的成本效益及线上品质鉴定对于要实现以具成本效益、高良率且大规模制造TFB而言变得更为关键。在实施方式中，热像工具及使用热像工具的工艺流程可提供线上品质鉴定以用于提高TFB及其他电化学装置的良率(yield)。在本文中，术语“薄膜”用来表示厚度小于或等于30微米的膜。文中，薄膜固态电池意指在电池内所有组成膜皆为薄膜的电池。
以下参照图1及图2来描述可有利地运用本发明实施方式的TFB装置。
图1示出第一TFB装置结构100，第一TFB装置结构100具有形成在基板101上的阴极集电体102及阳极集电体103，且随后形成有阴极104、电解质105及阳极106；但也可使阴极、电解质及阳极采用相反的顺序来制成该元件。此外，可分别沉积阴极集电体(CCC)及阳极集电体(ACC)。例如，可在沉积阴极之前沉积CCC，并且可在沉积电解质之后沉积ACC。可利用封装层107覆盖所述装置以保护这些环境敏感层免于接触氧化剂。
根据实施方式，可利用以下工艺来制造图1的TFB装置：提供基板；沉积图案化的CCC；沉积图案化的ACC；沉积图案化的阴极；进行阴极退火；沉积图案化的电解质；沉积图案化的阳极；及沉积图案化的封装层。可使用荫罩(shadow mask)来沉积这些图案化层。在实施方式中，阴极为LiCoO2，并且退火是在高达850℃的温度下进行。
图2示出第二示例TFB装置结构200，第二TFB装置结构200包括基板201、集电体层202(例如，Ti/Au)、阴极层204(例如，LiCoO2)、电解质层205(例如，LiPON)、阳极层206(例如，Li、Si)、ACC层203(例如，Ti/Au)、分别供ACC及CCC使用的结合片(bonding pad)208及结合片209(例如，Al)及毯覆式封装层207(例如，聚合物、氮化硅)。
根据实施方式，可利用以下工艺来制造图2的TFB装置：提供基板；毯覆式地沉积CCC、阴极、电解质、阳极及ACC以形成堆叠结构；进行阴极退火；对堆叠结构进行激光图案化；沉积图案化的接触垫(contact pad)；沉积封装层；对封装层进行激光图案化。在实施方式中，阴极为LiCoO2，并且退火是在高达850℃的温度下进行。
以上参照图1及图2所提供的具体的TFB装置结构及制造方法仅作为范例，并且可预期有各种不同的TFB与其他电化学装置结构及制造方法可受益于文中所述的热像技术。
此外，可利用各种不同的材料来形成不同的TFB装置层。例如，阴极层可为LiCoO2层(例如，利用RF溅射、脉冲DC溅射等等方法所沉积而成)，阳极层可为Li金属层(例如，利用蒸镀、溅射等方法所沉积而成)，及电解质层可为LiPON层(例如，利用RF溅射等方法所沉积而成)。然而可预期到，本发明可应用于更广泛的包含不同材料的TFB。此外，用来沉积这些层的沉积技术可以是任何能够提供所期望的组成、相态及结晶度的沉积技术，且可包括诸如PVD、PECVD、反应溅射法、无反应溅射法、RF溅射法、多频溅射法、电子与离子束蒸镀法、热蒸镀法、CVD、ALD等等的沉积技术；沉积方法还可为非真空式的方法，例如等离子体喷涂法、喷雾热分解法、狭缝模具式涂覆法(slot die coating)、丝网印刷法(screen printing)，等等。就PVD溅射沉积工艺而言，所述工艺可为AC式、DC式、脉冲DC式、RF式、HF式(例如，微波)，等等，或上述方式的组合。用于TFB的不同组成层的材料实例可包括以下材料中的一种或多种。ACC及CCC可以是以下材料中的一种或多种：Ag、Al、Au、Ca、Cu、Co、Sn、Pd、Zn及Pt，这些材料可形成合金及/或存在于由不同材料形成的多个层中，ACC及CCC并且/或者可包含由以下材料中的一种或多种形成的附着层：Ti、Ni、Co、耐火金属及超合金，等等。阴极可为LiCoO2、V2O5、LiMnO2、Li5FeO4、NMC(NiMnCo氧化物)、NCA(NiCoAl氧化物)、LMO(LixMnO2)、LFP(LixFePO4)、LiMn尖晶石，等等。固态电解质可为锂传导电解质材料，包括诸如LiPON、LiI/Al2O3混合物、LLZO(LiLaZr氧化物)、LiSiCON、Ta2O5等等的材料。阳极可为Li、Si、硅-锂合金、锂硅硫化物、Al、Sn、C，等等。
阳极/负极电极层可为纯锂金属或可为Li合金，例如，Li与金属(例如，锡)或半导体(例如，硅)形成合金。Li层可为约3微米厚(可依据阴极及容量平衡而定)，并且封装层可为3微米或更厚。封装层可为由聚合物/聚对二甲苯(parylene)及金属及/或电介质形成的多层，且根据需要，可重复地进行沉积及图案化来形成封装层。需注意的是，在某些实施方式中，在形成Li层与形成包装层之间的这部分过程保持处在惰性或极低湿度的环境中，例如处于氩气中或处于干燥室内；然而，在沉积毯覆式封装层之后，对于惰性环境的需求将可放宽。ACC可用来保护Li层而允许在真空外的环境下进行激光剥蚀，且对于惰性环境的需求可放宽。
此外，金属集电体(位于阴极及阳极侧上)可能需要作为针对往复运动的锂离子的保护性阻挡层。另外，阳极集电体可能需要作为针对来自周围环境的氧化剂(例如，H2O、O2、N2，等等)的阻挡层。因此，集电体金属可经过选择，以使集电体金属与“两种方向”的锂(即移动进入金属集电体中而形成固溶体的Li及反向的Li)接触时可具有最小的反应或相溶性(miscibility)。另外，可选择对于来自周围环境的氧化剂具有低反应性及低扩散性的金属集电体。可作为针对往复运动的锂离子的保护性阻挡层的一些潜在候选材料可为Cu、Ag、Al、Au、Ca、Co、Sn、Pd、Zn及Pt。使用某些材料时，可能需要管理热预算(thermal budget)以确保金属层之间不会发生反应/扩散作用。若单一金属元素不能满足这两项要求，则可考虑采用合金。而且，若单层无法满足这两项要求，则可使用双层(或多个层)。此外，可附加地将附着层与前述耐火及非氧化性层中的一个层联合使用——例如，Ti附着层与Au联合使用。可通过对金属靶材(约300纳米)进行(脉冲)DC溅射以形成所述层(例如，诸如Cu、Ag、Pd、Pt及Au的金属、金属合金、半金属(metalloid)或碳黑(carbon black))来沉积集电体。此外，也有其他选择可供用来形成针对往复运动的锂离子的保护性阻挡层，例如介电层，等等。
在实施方式中，装置组成层(例如，阳极、阴极、ACC、CCC、电解质及封装层)中的一个或多个装置组成层可包含多个层。例如，CCC层可包含Ti层及Pt层或铝层、Ti层及Pt层，封装层可包含如以上所述的多个层，等等。
考虑到图1及图2的TFB结构包含不同层的材料选择及制造工艺的一些方面，也考虑到了较常造成电池良率(yield)损失的一些原因。
对电化学装置良率造成重大损害的一个原因是内部电路短路，特别是经过电解质层的短路，这种短路可能是由各种缺陷(包括机械缺陷及膜内缺陷两种)造成的。这些缺陷可能在制造流程中的任何步骤中形成。然而，当在LiCoO2(阴极)及LiPON(电解质)沉积步骤中形成这些缺陷时，这些缺陷通常更加危险——这一点可例如通过以下情况来获得证实：在LiCoO2层中的这种缺陷周围不完全且非共形地涂覆LiPON层，导致形成针孔(pinhole)且后续在已完成的装置内发生内部电路短路。某些针孔在制造工艺结束时可能尚未洞穿(percolated)，但这些针孔可能在装置运作期间因击穿电位限制(breakdown potentiallimitation)或因循环工作(cycling)及搬运(handling)造成装置结构进行机械性换气(mechanical breathing)而发展成完全洞穿的针孔。
元件堆叠结构内除了可能造成内部电路短路的针孔及沉积层未对准之外，沉积后续工艺(例如利用机械方法或激光进行的划线步骤)也可能产生缺陷，例如：污迹、毛边或可能在装置中产生分流(shunt)的再沉积作用。热像技术及锁相热像技术(lock-inthermography)可定位这些缺陷。在大规模制造的环境中，能简单且快速地鉴定出这些缺陷对于找出这些缺陷的根本成因及消除这些缺陷而言极为有利，而可能实现高良率的制造工艺流程。热像技术可以是达成此目的的计量方法。当对装置施加外部刺激时，热像技术测量表面温度，包括测量任何“热点(hot spot)”的温度变化及聚集(localization)程度与分布情形。(“热点”的成因可能是因内部漏电电流导致发生电阻加热作用，所述点处变得比没有发生内部泄露的位置“温度上更热”，尽管“热点”未必仅是由内部漏电造成。例如，若某一点的电阻明显高于周围材料的电阻，当电流通过所述材料时，在所述“点(spot)”处会产生较高的电阻加热作用，且从而在所述“点”的位置处观察到较高的T)。就TFB而言，此外部刺激可为施加在装置或定位电极(location electrodes，通常介于ACC及CCC之间)上的电流及/或电压，若有电针孔存在，则此外部刺激会引起电流/漏电，随后发生局部电阻加热作用及相应可测得的温度变化——热像技术将会捕捉到这种温度的局部变化。所施加的刺激可为例如与热像测量系统联动的脉冲/循环电压信号。利用热传感器所捕捉装置表面的热像影像会显示这种缺陷的位置。这种缺陷的位置可用于进行根本成因分析及用来预测堆叠结构/装置的完整性以供预测元件良率。这些信息可前馈以用来预测已知良好裸片和已知良好裸片区域与已知坏损裸片和已知坏损裸片区域，以减少执行不必要的工艺和元件鉴定。这对“无遮罩式集成工艺(maskless integration)”(不使用物理荫罩来进行图案化)来说尤其重要，因为这种沉积步骤通常为毯覆式沉积且随后进行异地(ex situ)装置图案化步骤。使用热像技术取得的缺陷位置可提供给标记/划线工具，如此可——例如利用墨或激光划线——容易地标记出装置的已知缺陷及周围部分并在进一步处理及鉴定中消除所述缺陷。在某些实施方式中，在采用激光标记的情况下，可使用直接激光图案化工具来完成此激光标记步骤，但由于仅需要足够达到视觉效果的表面划线即可，而不是要整个堆叠结构剥蚀，进行激光标记的功率低于进行图案化时所使用的功率。在某些实施方式中，激光图案化工具可用于装置的标记及图案化两者。在实施方式中，标记可为环绕缺陷的开放式或封闭式的圆圈。(在实施方式中，标记可在例如图1中的层106中及图2中的层203中。)在某些实施方式中，可通过划线贯穿层来完全圈起缺陷以电隔离缺陷装置/缺陷装置区域，使得缺陷与装置的其他部分隔开。此方法对用在面积较大的元件颇具吸引力且可以是用来提升良率的技术。依据使用热像技术在工艺流程中识别出缺陷的环节及处理方法来决定取消进一步处理的程度。例如，将良好区域或坏损区域独立出来，使整个基板区域可接受完整的流程处理，且仅在裸片分离(die singulation)步骤(将基板分割成单独的装置)时才将来自坏损区域的裸片丢掉。在其他实施方式中，在识别出坏损装置/坏损区域之后，对于坏损元件/坏损区域的处理在实用时可受到限制——例如，虽然材料(例如包装层)的毯覆式沉积可能不受影响，但在利用热像技术识别出的缺陷装置/缺陷区域处可能会跳过例如用来使ACC及CCC接触区域暴露出的激光图案化步骤；在工艺流程的适当环节处，例如在裸片分离之后，可分离并丢弃缺陷元件/缺陷区域。后续的潜在益处可能有：(1)花在图案化步骤的时间较少而有较高生产量；(2)较少滥用激光工具而使得平均无故障时间(mean time betweenfailures，MTBF)较长；及(3)减少粒子产生而可进行更好的封装。这些不同方法的共同点是利用热像技术来识别缺陷，并将坏损区域或良好区域的信息前馈而用于所有的后续步骤中--不论是用来限制处理及/或在分离(singulation)之后丢弃缺陷装置。这些不同方法都预期有助于降低经营成本(CoO)且提高良率。
图3A、图3B、图4、图5、图6及图7根据某些实施方式图示制造垂直堆叠结构式薄膜电池。图8提供根据某些实施方式所做的工艺流程，所述流程可用于形成图3A、图3B、图4、图5、图6及图7的垂直堆叠结构式TFB。在实施方式中，在典型的垂直堆叠结构式TFB工艺流程中进行热像技术最为有效的环节，是在该堆叠结构已形成基本电池结构而能够横过两个相反的集电体施加I-V信号/刺激之后，例如在形成基板/CCC/阴极/电解质/阳极/ACC堆叠结构并可在该CCC与该ACC处施加刺激之后。
图3A及图3B示出基板301、集电体层302、阴极层304、电解质层305、阳极层306、ACC层603及暴露出来的全局(global)(通用)CCC接触区域310。可依照图8的工艺流程的第一部分来形成此结构：提供基板(步骤801)；在基板上沉积CCC(步骤802)；在CCC上沉积阴极并退火(步骤803)；在已退火的阴极上沉积电解质(步骤804)；在电解质上沉积阳极(步骤805)；及在阳极上沉积ACC(步骤806)。可执行热像测试的第一步骤(place)将会是在完成堆叠结构制造之后，如图8的工艺流程中所示的“步骤807”。在此环节，需找到通往底部电极的接触路径，这可使用例如一般的CCC暴露方法进行简单边缘图案化以暴露出部分的底部接触310来达成。一旦获得缺陷布局图(defect map)，随后可使用激光及/或其他方法标记这些区域来从后续的装置图案化、测试及分级(binning，根据热点的数目及严重度而分成不同程度)消除缺陷区域。就此方面而言，可将热像成像器的硬件整合至激光图案化工具中以将全部功能及目的(基板及装置的预先电池测试分级)整合在一起。需注意的是，诸如图3A和图3B所示的全局CCC接触310的形成可利用例如激光剥蚀工艺通过去除堆叠结构的角或其他便利区域的沉积层而暴露出CCC接触；在其他实施方式中，可使用掩模来界定堆叠结构的层的范围，且位于CCC上方的层可能稍微较小以建立未被覆盖的CCC角(或任何其他接触区域)。
参阅图4及图8，形成结构，所述结构包括基板301，通过裸片图案化(步骤808)在所述基板301上形成的两个堆叠结构，每个堆叠结构包括：集电体层402、阴极层404、电解质层405、阳极层406及ACC层403。图5示出图4的结构接受进一步处理(步骤809)以暴露出CCC接触区域511；对图4中大多数的堆叠层被处理以去除层的一部分而暴露出接触区域511，所得到图5中的堆叠结构包括以下被移除了一部分的层：阴极层504、电解质层505、阳极层506及ACC层503。可使用热像测试的第二步骤是在完成完整的裸片图案化及CCC暴露步骤之后，如图8中所示的“步骤810”。在此例子中，(例如使用探针卡)对每个裸片的顶部集电体及底部集电体做出刺激接触。再者，热像布局图可提供已知良好裸片与已知坏损裸片之间的初步分级。同样地，这也可以是装在激光划线工具上的计量法。
参阅图6及图8，形成结构，所述结构包括在图5的结构上的钝化层607(也称为封装层)——所述钝化层沉积步骤811可为例如氮化物或聚合物的PVD或CVD沉积。参阅图7及图8，TFB的钝化层经图案化以形成包含开口以允许到ACC503及CCC402的电接触的钝化层707——暴露ACC及CCC接触区域的步骤812可为例如图案化及蚀刻工艺。可应用热像技术的第三步骤是在使已完成的TFB装置的CCC/ACC暴露出来之后(在工艺流程的此环节处，TFB元件包含了钝化/封装层)，如图8中的“步骤813”所示。同样的良率优势也可应用在以上所述的此环节处。
如先前所讨论的，某些针孔在TFB制造工艺结束时可能尚未洞穿(percolated)，但该些针孔可能在电池运作期间因电压击穿(voltage breakdown)或因周期工作及搬运造成结构机械性换气(mechanical breathing)而发展成完全洞穿的针孔。为了测试这种早期缺陷，可施加与电池运作时一致的电压(或可施加电流，但在电压及装置操作方面有附加限制)并使电池循环运作以引发早期故障而有可能免除后续进行测试/循环式(test/cyclingbased)电池完整性试验的需要(目前Li离子电池产业是采用延长贮存期试验来排除具有会导致早期故障的缺陷的元件)。此工艺可整合在以上所述的制造方法中。例如，在ACC与CCC之间施加电压信号以使TFB装置/结构循环运作而可在进行热像分析之前使缺陷发展得更完全。
图9A及图9B根据某些实施方式示出在顺排的TFB生产线上的热像工具900的示意图。工具900包括红外摄影机(具有IR检测器阵列)910，所述红外摄影机910是设置用来拍摄在顺排的处理系统中的传送带930上移动的基板920的影像。摄影机910及电探针950连接至计算机/控制器940。计算机/控制器940控制着对基板920上的结构施加的电刺激并且收集在施加刺激时的热影像。计算机/控制器940处理数据以生成例如第10图中所示的影像，以下将做更详细的讨论。IR检测器的光谱的波长范围为3微米至14微米，且用于完整影像的频率高达250Hz或390Hz(依所选的传感器而定)(部分影像(partial image)的频率更高)。检测器可能具有例如640×512像素或1280×1024像素的分辨率(依所选用的传感器而定)。在实施方式中，可能达到高达2微米的像素分辨率及高达0.02K的热分辨率(thermalresolution)。摄影机的光学元件可加以选择以用于观看整个装置/装置阵列或可推近距离以用更高的分辨率来观看缺陷。例如，假设5厘米的视野可(使用640×512传感器)达到10微米/像素的分辨率，但也可使用高清晰度传感器(1280×1024像素)或以推近变焦方式来得到更高的分辨率。
可在如下实施方式中操作热像工具以用于进行垂直堆叠结构式TFB中的缺陷检测。施加信号、电流及/或电压，且所施加的信号、电流及/或电压符合电池操作的稳定窗口(stability window)。所施加的电压不超过活性部件(阴极、阳极及电解质)的材料依赖性(material-dependent)电/电化学稳定窗口及电池的操作电压限制。就LiCoO2而言，可为3.0V至4.2V的操作窗口。所施加的电压的极性也受到控制：在生产线上，由于当使用LiCoO2阴极时，所制造的电池是处于“放电”状态，因此所施加的极性可加以设定以引起“电池的充电作用”——使用不正确(相反)的极性可能会损害电池。此外，该电流水平(level)也受到限制，以确保电流仅足够看见热像反应但不会高到足以影响电池的放电深度。这种用于进行测试的适当电流水平将依据在工艺流程中进行测试的位置(在图8的工艺流程中的第一热像测试807或第二热像测试810)而定。由于第二热像测试810是对单独裸片进行测试，因此在第二热像测试810中，限度便远小得多。所述刺激可为DC信号或在某些实施方式中可为某种形式的脉冲信号(脉冲信号可能具有对电池结构/良率造成最小影响的优点)。此外，使用相反方向或“电池放电”方向的极性进行测试可能有利于判断单纯漏电的位置，只要所施加的电压/电流不超过电池及材料的操作电压的稳定窗口即可。这是因为刚制造完成的电池处于完全放电状态(或接近完全放电状态)。以这种方式施加的极性将不会因电池本身固有的电化学反应而引起局部加热作用，只会因漏电(若有漏电的话)而引起局部加热作用。这样的信号可配合热信号监测以量度例如在垂直堆叠结构中的“热点”深度。与静态热像技术相较时，利用锁相算法(lock-in algorithms)可增强热像信号，连同增进信噪比(signal-to-noise ratio)并提供改善的空间分辨率。在某些实施方式中，针对堆叠结构/装置而言，可利用至少达到平均局部温度变化(从中值温度的温度变化)3倍至5倍的温度差来识别“热点”。
图10A至图10D提供针对TFB产生的缺陷布局图的实例。这些影像是已通过图8中的ACC沉积步骤(步骤806)而完成处理的TFB的影像——见图3A及图3B的结构。图10A为IR影像，所述IR影像示出在装置/裸片的边缘处的“热点”1040——见图中的暗斑；在左上角及右上角中可看见用来与装置做电接触的探针1020及探针1021，用来接触ACC1003及全局(通用)CCC接触1010。图10B至图10D为锁相热影像，所述锁相热影像示出与图10A所示装置为同一个装置的高分辨率缺陷影像——这些影像中明显可见各种“热点”1030，并且为了容易辨认，这些“热点”被圈起；可注意到大多数的缺陷位于装置/裸片的边缘处。图10B为单相锁相热影像(特定相可以选择且通常用来识别装置中位于不同深度处的缺陷)；图10C为锁相放大影像，示出所有被识别出来的缺陷；及图10D为锁相热相影像，可用来帮助识别出与图10C中所示的不同缺陷相关的特定相。
图11根据某些实施方式示出顺排的制造系统1100的示意图，制造系统具有多个顺排的工具(in-line tool)1101～1199，包括工具1130、工具1140、工具1150。顺排的工具可包括用来沉积及图案化TFB全部层的工具及如文中所述的用来在工艺流程(如图8中概要示出的流程)中的不同环节处进行元件测试的热像工具。此外，顺排的工具可包括预调节腔室及后调节腔室。例如，工具1101可为抽气腔室以用来在基板通过真空气闸1102而进入沉积工具之前，先建立真空环境。部分或所有的顺排的工具可为被真空气闸隔开的真空工具。需注意，处理线中的处理工具的顺序及具体的处理工具将取决于所使用的特定TFB制造方法(例如上述工艺流程中详述的方法)而定。此外，基板可移动通过水平或垂直定位的顺排的制造系统。另外，热像工具可配置成用于移动中的基板或在测试期间处于静止的基板。
虽然文中所提供的工具实例是用于顺排的处理系统的，但在实施方式中，热像工具可并入群集工具中或是作为独立工具。
根据某些实施方式，用于形成薄膜电化学装置的设备可包括：第一系统，所述第一系统用来在基板上毯覆式地沉积由阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层及阳极集电体层所形成的堆叠结构；第二系统，所述第二系统用来对堆叠结构进行激光裸片图案化以形成多个已裸片图案化的堆叠结构；第三系统，所述第三系统用来对多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化，以使多个已裸片图案化的堆叠结构中每一个已裸片图案化的堆叠结构的阴极集电体层及阳极集电体层中至少一个的接触区域暴露出来，而形成多个装置堆叠结构；第四系统，所述第四系统用于在多个装置堆叠结构上沉积毯覆式封装层；第五系统，所述第五系统用来对毯覆式封装层进行激光图案化，以使多个装置堆叠结构中每一个装置堆叠结构的阴极集电体层及阳极集电体层的接触区域暴露出来，而形成多个已封装的装置堆叠结构；及第六系统，所述第六系统用于对多个装置堆叠结构及多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个进行热像分析以识别热点，所述第六系统包括：探针，所述探针用于在阴极集电体层与阳极集电体层之间施加电压；及红外摄影机。此外，可使用多个第六系统来进行热像分析，所述多个第六系统中的每个系统专门用来在不同的特定制造阶段中对电化学装置进行热像分析。再者，多个第六系统可定位在生产线上(positioned in-line)。而且，所述设备可进一步包括激光图案化系统以用来标记薄膜电化学装置上的热点。此外，所述设备可进一步包括第七系统，所述第七系统用来对堆叠结构进行激光图案化，以形成具有通用集电体接触区域的已图案化的堆叠结构，且第六系统可配置成用来对该具有通用集电体接触区域的已图案化的堆叠结构进行热像分析。而且，第一系统可通过以下方式形成已图案化的堆叠结构：透过荫罩来沉积阴极层、电解质层、阳极层和阳极集电体层与阳极集电体层中的一个或多个，以形成开放式通用阴极集电体接触区域及开放式通用阳极集电体接触区域中的至少一个，且其中第六系统被配置用来对具有开放式通用阴极集电体接触区域及开放式通用阳极集电体接触区域中的至少一个的装置堆叠结构进行热像分析。
虽然本文中已参照TFB装置、工艺流程及制造设备的具体实例来说明本发明的实施方式，但本发明的原理及教导可应用到更广范围的TFB装置、工艺流程及制造设备。例如，装置、工艺流程及制造设备可经过设计以用来制造与文中前述TFB堆叠结构呈颠倒方式配置的TFB堆叠结构——倒转的堆叠结构具有在基板上的ACC及阳极，接着是固态电解质、阴极、CCC及包装层。例如，元件、工艺流程及制造设备可经过设计以用来制造具有共平面的集电体的TFB堆叠结构，如图1中所示。此外，所属技术领域中的一般技术人员将了解如何应用本发明的原理及教导来产生各式各样的装置、工艺流程及制造设备。
虽然本文中已参照TFB来说明本发明的实施方式，但也可将本发明的原理及教导应用于改进的用来制造其他电化学装置(包括电致变色元件)的制造设备、工艺流程及装置。所属技术领域中的一般技术人员将明白如何应用本发明的原理及教导来制造其他电化学装置专用的装置、工艺流程及制造设备。
虽然已参照本发明的某些实施方式来具体说明本发明的实施方式，但所属技术领域中的一般技术人员应显然明白在不偏离本发明精神与范围的情况下，可在形式及细节方面做出变化及修改。

Claims (15)

1.一种制造薄膜电化学装置的方法，包括以下步骤：
在基板上沉积堆叠结构，所述堆叠结构包括阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层及阳极集电体层；
对所述堆叠结构进行激光裸片图案化以形成多个已裸片图案化的堆叠结构；
对所述多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化，以暴露出所述多个已裸片图案化的堆叠中的每一个已裸片图案化的堆叠的所述阴极集电体层及所述阳极集电体层中至少一个的接触区域，且所述对所述多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化的步骤会形成多个装置堆叠结构；
在所述多个装置堆叠结构上沉积毯覆式封装层；
对所述毯覆式封装层进行激光图案化，以暴露出所述多个装置堆叠结构中的每一个装置堆叠结构的所述阳极集电体层及所述阴极集电体层的接触区域，所述毯覆式封装层的激光图案化步骤形成多个已封装的装置堆叠结构；及
对所述多个装置堆叠结构及所述多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个装置堆叠结构进行热像分析以识别热点。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述识别热点的步骤包括：
在一个或多个阴极集电体层与对应的所述一个或多个阳极集电体层之间施加电压；
为所述多个装置堆叠结构及所述多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个建立红外影像；及
与背景温度相比较，以绘出在所述红外影像中超过阈值温差的点。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述施加电压的步骤具有在电池放电方向上的极性。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过对所述多个装置堆叠结构中的一个或多个进行热像分析而实现所述识别热点的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中通过对所述多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个进行热像分析而实现所述识别热点的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在通过热像分析实现的所述识别热点之前，在所述阴极集电体与所述阳极集电体之间施加与薄膜电池运作时的电压一致的电压信号以使所述薄膜电化学装置循环运作。
7.一种制造薄膜电化学装置的方法，包括以下步骤：
在基板上沉积堆叠结构，所述堆叠结构包括阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层及阳极集电体层；
对所述堆叠结构进行图案化以使通用阴极集电体接触区域及通用阳极集电体接触区域中至少一个打开；及
对所述堆叠结构进行热像分析以识别热点。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述对所述堆叠结构进行图案化的步骤包括：透过荫罩来沉积所述阴极层、所述电解质层、所述阳极层和所述阴极集电体层与所述阳极集电体层中的一个或多个，以形成打开的通用阴极集电体接触区域及打开的通用阳极集电体接触区域中的至少一个。
9.如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：
在所述图案化步骤之后，对所述堆叠结构进行激光裸片图案化以形成多个已裸片图案化的堆叠结构；
对所述多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化，以暴露出所述多个已裸片图案化的堆叠结构中的每一个已裸片图案化的堆叠结构的所述阴极集电体层及所述阳极集电体层中的至少一个的接触区域，所述对所述多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化的步骤会形成多个装置堆叠结构；
在所述多个装置堆叠结构上沉积毯覆式封装层；及
对所述毯覆式封装层进行激光图案化，以暴露出所述多个装置堆叠结构中的每一个装置堆叠结构的所述阳极集电体层及所述阴极集电体层的接触区域，所述对所述毯覆式封装层进行激光图案化的步骤形成多个已封装的装置堆叠结构。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤：通过对所述多个装置堆叠结构及所述多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个进行热像分析来辨识热点。
11.一种用于形成薄膜电化学装置的设备，包括：
第一系统，所述第一系统用来在基板上毯覆式地沉积堆叠结构，且所述堆叠结构是由阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层及阳极集电体层所形成；
第二系统，所述第二系统用来对所述堆叠结构进行激光裸片图案化以形成多个已裸片图案化的堆叠结构；
第三系统，所述第三系统用来对所述多个已裸片图案化的堆叠结构进行激光图案化，以使该多个已裸片图案化的堆叠结构中每一个已裸片图案化的堆叠结构的所述阴极集电体层及所述阳极集电体层中的至少一个的接触区域暴露出来，而形成多个装置堆叠结构；
第四系统，所述第四系统用于在所述多个装置堆叠结构上沉积毯覆式封装层；
第五系统，所述第五系统用来对所述毯覆式封装层进行激光图案化，以使所述多个装置堆叠结构中每一个装置堆叠结构的所述阴极集电体层及所述阳极集电体层的接触区域暴露出来，而形成多个已封装的装置堆叠结构；及
第六系统，所述第六系统用于对所述多个装置堆叠结构及所述多个已封装的装置堆叠结构中的一个或多个进行热像分析以识别热点，所述第六系统包括：
探针，用于在所述阴极集电体层与所述阳极集电体层之间施加电压；
及
红外摄影机。
12.如权利要求11所述的设备，进一步包括第七系统，所述第七系统用来对所述堆叠结构进行激光图案化，以形成具有通用集电体接触区域的已图案化的堆叠结构。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述第六系统被配置用来对所述具有通用集电体接触区域的已图案化的堆叠结构进行热像分析。
14.如权利要求11所述的设备，其中所述第一系统通过以下方式形成已图案化的堆叠结构：透过荫罩来沉积所述阴极层、所述电解质层、所述阳极层和所述阳极集电体层与所述阳极集电体层中的一个或多个以形成开放式通用阴极集电体接触区域及开放式通用阳极集电体接触区域中的至少一个。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述第六系统被配置用来对所述具有打开的通用阴极集电体接触区域及打开的通用阳极集电体接触区域中的至少一个的装置堆叠结构进行热像分析。
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