JP2017107867A - 薄膜電池のマスクレス製造 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＴＦＢのＨＶＭコストを有意に低減することができる概念及び方法に対するニーズがある。
【解決手段】薄膜電池（ＴＦＢ）は、シャドーマスクの使用を排除及び／又は最小限度に抑えるプロセスにより製造される。レーザーパターニングプロセスが単一層又は積層を除去するが下層は無傷のままである、選択的レーザーアブレーションプロセスは、パターン形成要件のいくつか又はすべてを満たすように使用される。レーザービームが堆積層に到達する前に基板を透過する基板側からのダイパターニングに関して、熱応力不整合誘起レーザーアブレーションを実現するために、アモルファスシリコン層又は微結晶シリコン層のようなダイパターニング補助層を使用することができ、材料を除去するために必要とされるレーザーエネルギーが著しく減少する。
【選択図】図５Ｄ

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は２０１１年６月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／４９８，４８４号の利益を主張するものであり、その開示内容全体が引用により本明細書に組み込まれている。
本発明は、米国国防総省により授与された契約番号Ｗ１５Ｐ７Ｔ−１０−Ｃ−Ｈ６０４も基づき米国政府からの支援を得て行われた米国政府は、本発明について特定の権利を有する。
（技術分野）
本発明の実施形態は、一般的に薄膜電池のためのシャドーマスクレス製作プロセスに関する。
薄膜電池（ＴＦＢ）は、マイクロエネルギー応用分野で優位を占めると予想されている。ＴＦＢは、優れた形状因子、サイクル寿命、パワー能力、及び安全性といった、従来の電池技術を上回るいくつかの利点を示すことが知られている。図１は典型的な薄膜電池（ＴＦＢ）の断面図を示し、図２はパターン形成されるＴＦＢ層の対応する平面図と一緒にＴＦＢ製作に関する流れ図を示している。図１は、アノード電流コレクタ１０３及びカソード電流コレクタ１０２が基板１０１上に形成され、その後にカソード１０４、電解質１０５、及びアノード１０６と続く、典型的なＴＦＢデバイス構造１００を示すが、デバイスはカソード、電解質、及びアノードを逆の順番で製作することができる。さらに、カソード電流コレクタ（ＣＣＣ）及びアノード電流コレクタ（ＡＣＣ）は別々に堆積することができる。例えば、ＣＣＣはカソードが堆積される前に堆積すること、ＡＣＣは電解質が堆積された後に堆積することができる。デバイスは、環境に敏感な層を酸化剤から保護するために封止層１０７で覆うことができる。例えば、Ｎ．Ｊ．Ｄｕｄｎｅｙ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂ１ １６，（２００５）２４５−２４９を参照されたい。図１に示すＴＦＢデバイスでは、構成要素層は縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。
Ｎ．Ｊ．Ｄｕｄｎｅｙ著 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂ１ １６ ２４５−２４９頁 ２００５年
しかしながら、ＴＦＢのコスト効率の良い大量製造（ＨＶＭ）を可能とするために、依然として克服する必要がある課題が存在する。最も重大な課題は、デバイス層の物理気相成長（ＰＶＤ）中に使用される、現行の最新式のＴＦＢデバイスのパターン形成技術、つまりシャドーマスクに対する代替技術が必要とされることである。ＨＶＭにおけるシャドーマスクプロセスの使用に関連して、著しい複雑性及びコストが存在する。（１）特に大面積基板に対しては、マスクの管理、正確なアライメント、及び洗浄のための設備において、著しい資本投資が必要とされる。（２）シャドーマスク端部の下に堆積物を収容する必要があるので、基板面積の利用率が低くなる。（３）熱膨張に起因するアライメントの問題を回避するために、ＰＶＤプロセスには低出力及び低温という制約がある。
ＨＶＭプロセスにおいて、シャドーマスクの使用（従来及び現行の最新式ＴＦＢ製作技術に対して普遍的に存在する）は、製造に際してより大きな複雑性及びより高いコストの一因となる可能性がある。複雑性及びコストは、高精度マスクの必要な製造と、マスクアライメント及び再生のための（自動）管理システムに起因する。このようなコスト及び複雑性は、シリコンベースの集積回路産業で使用される公知のフォトリソグラフィプロセスから推測可能である。更に、コストは、マスク保守の必要性からだけでなく、追加されるアライメントステップによるスループットの制限から生じる。製造がスループット及びスケールメリット（すなわち、ＨＶＭ）を改善するために、より広い面積の基板に拡大されるにつれて適用はますます困難になり費用のかかるものとなる。更に、スケーリング（大型基板に対する）自体が、シャドーマスクの限定された利用可能性及び性能のために制限される場合がある。
シャドーマスク法を使用する別の影響は、所定の基板領域の利用率低下であり、最適でない電池密度（電荷、エネルギー、及び電力）につながる。これは、シャドーマスクがスパッタされる化学種のマスク下への堆積を完全には制限できないからであり、これは更に、主要な層間の電気的遮蔽を維持するために、連続した層間の何らかの最小限の非オーバーラップ要求につながる。この最小限の非オーバーラップ要求の結果は、カソード領域の損失であり、ＴＦＢの容量、エネルギー量、及び電力量の全体的な損失につながる（他の全てが同じである場合）。
シャドーマスクの更に別の影響は、熱的に引き起こされるアライメントの問題を回避する必要があるため、プロセスのスループットが制限されることであり、マスクの熱膨張は、マスクの歪みと基板に対するアライメント位置から離れるマスクエッジのずれとをもたらす。従って、プロセス許容値を超えたマスクの加熱を回避するために、低い堆積速度で堆積ツールを運転することに起因して、ＰＶＤスループットは所望のものよりは低い。
さらに、物理的（シャドー）マスクを使用するプロセスは、一般に粒子汚染に悩まされ、結局は歩留まりに影響する。
それゆえ、単純化された、一層ＨＶＭに適合するＴＦＢプロセス技術を可能にすることにより、ＴＦＢのＨＶＭコストを有意に低減することができる概念及び方法に対するニーズが残されている。
本発明の概念及び方法は、シャドーマスクの使用を排除及び／又は最小にすることによって、薄膜電池（ＴＦＢ）の大量製造（ＨＶＭ）のコスト及び複雑性を低減可能とすることを意図している。さらに、本発明の実施形態は、大量かつ高スループットで大面積基板上のＴＦＢの製造性を向上させることができる。本発明は、歩留まりを改善するだけでなく、幅広い市場適用性に関するコストを著しく低減することができる。本発明の態様によれば、前述の及び他の利点は、選択的レーザーアブレーションプロセスを使用することで達成され、パターン形成の要求のいくつか又はすべてを満たすようになっている（レーザーパターニングプロセスは単一層又は積層を除去するが下層は無傷のままである）。本発明の完全なデバイス統合は、活性層の堆積／パターン形成だけでなく、保護層及びボンディングパッド層の堆積／パターン形成も含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、薄膜電池の製造方法は、基板上へのブランケット堆積、及びすべての又は特定のデバイス層の選択的レーザーパターニングを含む。例えば、本発明は、基板上への電流コレクタ（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）のブランケット堆積及び選択的レーザーパターニング（電流コレクタと基板との間で選択的）、パターン形成された電流コレクタ上へのカソード（例えば、ＬｉＣｏＯ2）のブランケット堆積及び選択的レーザーパターニング（カソードと電流コレクタ（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）との間で選択的）、及びパターン形成されたカソード上への電解質（例えば、ＬｉＰＯＮ）のブランケット堆積及び選択的レーザーパターニング（電解質とパターン形成された電流コレクタ（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）との間で選択的）を含むことができる。残存する電流コレクタの領域へのレーザー損傷を低減するために、以下の一部又は全部を利用することができる。つまり、カソード層の最初のアブレーション時に、薄いカソード層を電流コレクタのボンディングパッド領域に意図的に残す方法、及び電流コレクタ領域を少しずつ開口する方法、換言すると、電流コレクタの各開口領域を一度だけレーザーに直接曝す方法である。
本発明のいくつかの別の実施形態によれば、薄膜電池の製造方法は、カソード電流コレクタ層、カソード層、電解質層、アノード層、及びアノード電流コレクタ層を含む、ブランケット層の第１のスタックを基板上に堆積する段階と、第１のスタックをレーザーダイパターニングして第２のスタックを形成する段階と、第２のスタックをレーザーパターニングしてデバイススタックを形成する段階であって、レーザーパターニングはカソード電流コレクタ領域とカソード電流コレクタ領域に隣接する電解質層の一部とを露出させ、第２のスタックのレーザーパターニングは電解質層部分の厚さの一部を除去して電解質層に段差を形成する段階と、封止層及びボンディングパッド層をデバイススタック上に堆積してパターン形成する段階とを含むことができる。
さらに、ダイパターニングが基板側から行われる場合、レーザービームは堆積層に到達する前に基板を通過し、熱応力不整合誘起レーザーアブレーションを実現するために、ダイパターニング補助層、例えばアモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）層又は微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を使用することができ、そうすることで材料を除去するために必要とされるレーザーエネルギーが著しく減少して、ダイパターニングの質が向上する。
さらに、本発明は、前述の方法を実行するためのツールを記載する。
本発明の、これらの態様及び特徴と他の態様及び特徴は、添付図面と合わせて本発明の具体的な実施形態に関する以下の説明を概観することにより、当業者に明らかになるであろう。
薄膜電池（ＴＦＢ）の断面図である。 パターン形成されたＴＦＢ層の対応する平面図を伴うＴＦＢ製造の流れ図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第１プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第２プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第３プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第３プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第３プロセスフローにおける１つのステップを示す平面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第３プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第４プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第４プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の第４プロセスフローにおける１つのステップを示す断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、５３２ｎｍナノ秒レーザーによって基板の裏側からパターン形成された層の端部を横切る側面計トレースの図である。 本発明のいくつかの実施形態による、５３２ｎｍナノ秒レーザーによって基板の表側からパターン形成された層の端部を横切る側面計トレースの図である。 本発明のいくつかの実施形態による、１０６４ｎｍナノ秒レーザーによって基板の表側からパターン形成された層の端部を横切る側面計トレースの図である。 本発明のいくつかの実施形態による、選択的レーザーパターニングツールの概略図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の薄膜堆積クラスターツールの概略図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用の多数のインラインツールを有する薄膜堆積システムの図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造用のインライン堆積ツールの図である。
以下に、当業者が本発明を実施できるように本発明の実例として示される図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本明細書に添付の図面は、デバイス及びデバイス処理フローを単なる説明であり縮尺通りに示されていない。特に、以下の図面と例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定することを意味せず、説明された又は図示された要素の一部又は全部の置き換えによって他の実施形態が可能である。更に、本発明の特定の要素が部分的に又は完全に公知の構成要素を用いて実施可能である場合、本発明を理解するために必要とされるこのような公知の構成要素の部分だけが記載され、本発明を不明瞭にしないように、このような公知の構成要素の他の部分の詳細な説明を省略される。本明細書において、単一の構成要素を示す実施形態を限定と見なすべきではなく、むしろ、本明細書で明記しない限り、本発明は複数の同一構成要素を含む他の実施形態を包含することを意図しており、逆もまた同様である。更に、本出願人は、明細書又は特許請求の範囲における用語が、そのようなものとして明示されない限り、稀な又は特別な意味に帰されることを意図していない。更に、本発明は、説明を通して本明細書で言及する公知の構成要素に対する現在及び将来の公知の均等物を包含する。
従来のＴＦＢ製造では、全ての層は、裏面のマグネット又はＫａｐｔｏｎ（商標）テープによりデバイス基板に固定されるインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）シャドーマスクを使用してパターン形成される。本発明では、インサイチュパターン形成堆積の代わりに、シャドーマスクを一切使用しないブランケット堆積を、ＴＦＢ製造プロセスの全層（図４Ａ−４Ｋ及び図５Ａ−５Ｃ参照）、アノードを除く全層（図３Ａ−３Ｐ参照）、コンタクトパッドを除く全層（図６Ａ−６Ｃ参照）、又は電流コレクタ、カソード、及び電解質のような特定の層に関して提案する。プロセスフローはまた、ボンディング、封止及び／又は保護コーティングのための処理を組み入れることができる。ブランケット層のパターン形成は選択的レーザーアブレーションプロセスによるものであり、レーザーパターニングプロセスは単一層又は積層を除去するが、下層は無傷のままである。例えば、本発明は、基板上への電流コレクタ（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）のブランケット堆積と選択的レーザーパターニング（電流コレクタと基板との間で選択的）、パターン形成された電流コレクタ上へのカソード（例えば、ＬｉＣｏＯ2）のブランケット堆積と選択的レーザーパターニング（カソードと電流コレクタ（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）との間で選択的）、及びパターン形成されたカソード上への電解質（例えば、ＬｉＰＯＮ）のブランケット堆積と選択的レーザーパターニング（電解質とパターン形成された電流コレクタ（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）との間で選択的）を含むことができる。残存する電流コレクタの領域へのレーザー損傷を低減するために、以下の一部又は全部を利用することができる。つまり、カソード層の最初のアブレーション中、薄いカソード層を電流コレクタのボンディングパッド領域に意図的に残す方法、及び電流コレクタ領域を少しずつ開口する、言い換えれば、電流コレクタの各開口領域を一度だけレーザーに直接曝す方法である。（レーザーアブレーションは、基板の薄膜側から行われる。電流コレクタのボンディングパッド領域では、レーザーフルエンスを意図的に低減し、カソード層の最初のアブレーション中にレーザービームがカソード層の全部を除去してしまうことを阻止することができる。その場合には、このアブレーション段階では、レーザーエネルギーが電流コレクタのボンディングパッド領域に損傷を与えることはない。加えて、ＵＶ（紫外線）及びＶＩＳ（可視光）レーザーに対する、非常に短い光学吸収深さ、従って非常に短いアブレーション深さによって、ＬｉＣｏＯ2カソードは、電解質ＬｉＰＯＮ及び誘電体（ＳｉＮ及びＳｉＯ2）のような他の材料に比べて完全に除去することが難しい。従って、ＵＶ及びＶＩＳレーザーがアブレーションプロセスに使用される場合、電解質、アノード、保護層等のレーザーアブレーション中、残存するＬｉＣｏＯ2が意図しない下層のレーザー損傷を防止することができる。）
さらに、ダイパターニングが基板側から行われる場合−レーザービームは堆積層に到達する前に基板を通過し−熱応力不整合誘起レーザーアブレーションを達成するために、ダイパターニング補助層、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層又は微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）層を使用することができ、そうすることで材料を除去するために必要とされるレーザーエネルギーは大きく低減し、ダイパターニングの質が向上する。ダイパターニング補助層は、ＴＦＢの第１層（通常Ｔｉ）と比べて、基板との強い熱的不整合及び基板に対する弱い付着強度を有する。基板側からダイパターニングを行う場合、ＴＦＢセルを完全に分離するために、レーザーフルエンスは、ダイパターニング補助層に関して０．１Ｊ／ｃｍ2程度に低い。このレベルのレーザーフルエンスは材料を溶融するには十分でなく−材料は固体状態で除去され（熱応力不整合誘起アブレーションと呼ばれる）、非常に清浄なアブレーションデバイスエッジプロファイル、並びに影響を受けない周囲をもたらす。一方、ダイパターニング補助層が無いと、ＴＦＢセルを分離するために、より高いレーザーフルエンス（１Ｊ／ｃｍ2より大きい）が必要とされる。レーザー処理条件に応じて、ダイパターニング層は残されるか（ダイパターニング領域に、図示しない）又は除去される（図３Ｄに示す）場合がある。
より正確なエッジ配置がより高いデバイス密度及び他の設計改善を提供できるが、レーザー処理及びアブレーションパターンは、マスクを使用して製造されるデバイス構造と同一のデバイス構造を有するＴＦＢを形成するように設計することができる。ＴＦＢ製造プロセスでシャドーマスクを使用することが多分歩留まりキラー欠陥の原因であり、シャドーマスクを取り除くことでこれらの欠陥を取り除くことができるので、本発明プロセスのいくつかの実施形態に関して、現行のシャドーマスク製造プロセスを超えるＴＦＢの高い歩留まり及びデバイス密度が期待される。また、本発明プロセスのいくつかの実施形態がシャドーマスクプロセスよりも良好なパターニング精度を提供し、基板上のより高いＴＦＢデバイス密度を可能とすることが期待される。さらに本発明のいくつかの実施形態は、シャドーマスクの潜在的熱膨張起因のアライメント問題及びＴＦＢ層の堆積レートの増大に起因する、ＰＶＤプロセスの制約（シャドーマスクプロセスでは低パワー及び低温に制限される）を緩和することが期待される。
さらに、ＴＦＢ製造プロセスからシャドーマスクを排除することで、マスクアライナー、マスク管理システム、及びマスク洗浄をなくすこと、ＣｏＣ（消耗品費）削減、及びシリコン集積回路及びディスプレイ産業から産業的に実証されたプロセスの使用が可能となることにより、新しい製造プロセス開発費用を低減することができる。ＴＦＢのブランケット層堆積とエクサイチュ（ｅｘ−ｓｉｔｕ）でのレーザーパターニングは、ＴＦＢ製造コストをおそらく２０１１年見積コストの１０分の１又はそれ以下に下げるのに十分なほど、パターン精度、歩留まり、及び基板／材料の使用率を改善することができる。
従来のレーザースクライブ又はレーザー投射技術を本発明の選択的レーザーパターニングプロセスのために使用することができる。レーザーの数は、１個の場合、例えばピコ秒又はフェムト秒のパルス幅を有するＵＶ／ＶＩＳレーザー（選択性はレーザーのフルエンス／ドーズにより制御される）、２個の場合、例えばＵＶ／ＶＩＳとＩＲレーザーの組み合わせ（選択性はレーザーの波長／フルエンス／ドーズにより制御される）、又は多数個（選択性はレーザーの波長／フルエンス／ドーズにより制御される）の場合がある。レーザースクライブシステムの走査方法は、ステージ移動、ガルバノメータによるビーム移動、又は両方とすることができる。レーザースクライブシステムのレーザーのスポットサイズは、直径１００ミクロン（主にダイパターニング用）から１ｃｍまで調整することができる。レーザー投射システム用の基板でのレーザー領域は、５ｍｍ2又はそれ以上とすることができる。さらに、他のレーザー型式及び構成を使用することができる。
図３Ａ−３Ｐは、本発明のいくつかの実施形態によるＴＦＢ製造ステップを説明する−このプロセスフローは、リチウム層に関するシャドーマスクの１ステップを除いて、すべてのブランケット堆積を含む。図３Ａは基板３０１を示しており、基板は以下の透過性要求に合致するガラス、シリコン、マイカ、セラッミック、金属、硬質材料、可撓性材料、プラスチック／ポリマー等とすることができる。図３Ｂに示すように、ａ−Ｓｉ、μｃ−Ｓｉ、又はＬｉＣｏＯ2のようなブランケットのダイパターニング補助層３０２を、基板３０１を覆って堆積する。層３０２は高い吸収度を有するが、基板は特定のレーザー波長で透過的である。例えば、３０１はガラス、３０２はａ−Ｓｉとすることができ−ガラスは可視光に対して透過的であるが、ａ−Ｓｉは強い吸収度を有する。図３Ｃに示すように、電流コレクタ層３０３及びカソード層３０４のブランケット堆積を層３０２を覆って行う。層３０２−３０４のパターニングを図３Ｄに示す。選択的パターニングはレーザーアブレーションによるが−レーザーアブレーションは、スポットレーザーに関してレーザー走査速度及びフルエンスを制御すること、又はエリアレーザーに関してショット数及びフルエンスを制御することにより達成される。電流コレクタ層３０３を、カソード電流コレクタ（ＣＣＣ）３０３ａとアノード電流コレクタ（ＡＣＣ）３０３ｂとにパターン形成する。カソード層３０４を、ボンディングパッドパターンニングまでレーザー相互作用／損傷から電流コレクタを保護するための電流コレクタ領域内の薄いカソード層３０４ａと、ＴＦＢカソードとして機能する厚いカソード３０４aとにパターン形成する。結晶構造を発達させるために、カソードを６００℃以上で２時間以上アニールすることができる。アニール処理を、レーザーパターニングの前に又は後に行うことができる。必要であれば、例えば非リチウムアノードセルに対して、この段階でドライ式リチウム化を行うことができる。（例えば、酸化バナジウムカソード層を取り上げる。対向電極又はアノードがＬｉでない場合、電荷担体を「系」に加えることが必要となる。これは所謂ドライ式リチウム化処理を使って行うことができる。この処理は、カソード層を堆積して、もし必要であればアニールを行う段階と、カソード上にＬｉを堆積する段階とを含む。シャドーマスクプロセスがカソードのために使用される場合、同じシャドーマスクを使用することができる。堆積されたリチウムは、カソード層と「反応／インターカレート」し、リチウム化カソード層を形成する。アノード側が、別のインターカレーション化合物又はＳｎ及びＳｉのような合成／反応ベース材料の場合、アノード側に対しても同じ一般的な手順を行うことができる。）図３Ｅに示すように、ブランケット電解質３０５をブランケット堆積する。図３Ｆに示すように、レーザーアブレーションは電流コレクタ３０３の小部分を露出させる。パターン形成されたアノード（例えば、Ｌｉ）スタック３０６を、シャドーマスクを使って堆積し、必要であればここでドライ式リチウム化を行うことができる（図３Ｇ参照）。図３Ｈに示すように、ブランケット封止層３０７（誘電体又はポリマー）を堆積する。レーザーアブレーションは、図３Ｉに示すようにＡＣＣを露出させる。図３Ｊに示すように、ブランケットのボンディングパッド層３０８を堆積する。図３Ｋに示すように、レーザーアブレーションはＣＣＣを露出させる。図３Ｌに示すように、ブランケット誘電体３０９（例えば、ＳｉＮ）を堆積する。図３Ｍに示すように、ＣＣＣをさらにレーザーアブレーションで露出させる。図３Ｎに示すように、ブランケットのボンディングパッド３１０を堆積する。図３Ｏに示すように、コンタクトパッド（ＡＣＣ）をレーザーアブレーションで露出させる。図３Ｏ及び３Ｐにおいて、第１ボンディングパッド３０８上に残る「スライバー」３０９は、後続のステップ中に下層３０８及び上層３１０の各ボンディングパッド層の間で短絡しないように意図的に保持する。図３Ｐは、（１）ダイパターニング層無しで表側から、（２）ダイパターニング層無しで基板側から、又は（３）ダイパターニング層有りで基板側からのレーザーアブレーションによるダイパターニングを示す。
図４Ａ−４Ｋは、本発明のいくつかの別の実施形態によるＴＦＢ製造ステップを説明する。このプロセスフローは、シャドーマスクを一切使用しない、すべてのブランケット堆積を含む。図４Ａでは電解質層がＣＣＣ上で連続していることを除いて、図４Ａは図３Ａ−３Ｆに関して前述した処理である。これは、図４Ａ−Ｋの実施形態ではアノードがブランケット堆積され、結果的にＡＣＣをアノードの堆積前に露出させることに起因しており、この後、アノード４０６ａ（例えば、Ｌｉ）スタックのブランケット堆積及び薄い保護層４０６ｂのブランケット堆積に続き、必要であればこの段階でドライ式リチウム化を行うことができる。図４Ｂに示すように、レーザーパターニングは、アルゴン／ドライ又は場合によってはエアー／ウェットの雰囲気中でＡＣＣ及びＣＣＣを部分的に露出させる。図４Ｃに示すように、ブランケット封止層４０７（誘電体又はポリマー）を堆積する。図４Ｄに示すように、レーザーアブレーションはＡＣＣを露出させる。図４Ｅに示すように、ブランケットのボンディングパッド４０８を堆積する。図４Ｆに示すように、レーザーアブレーションはＣＣＣを露出させる。図４Ｇに示すように、ＳｉＮのようなブランケット誘電体４０９を堆積する。図４Ｈに示すように、レーザーアブレーションはさらにＣＣＣを露出させる。図４Ｉに示すように、ブランケットのボンディングパッド４１０を堆積する。図４Ｊに示すように、レーザーアブレーションはボンディングパッド（ＡＣＣ）を露出させる。図４Ｊ及び図４Ｋにおいて、第１ボンディングパッド４０８上に残る「スライバー」４０９は、後続のステップ中に下層４０８及び上層４１０の各ボンディングパッド層の間で短絡しないように意図的に保持する。図４Ｋは、（１）ダイパターニング層無しで表側から、（２）ダイパターニング層無しで基板側から、又は（３）ダイパターニング層有りで基板側からのレーザーアブレーションによるダイパターニングを示す。
また、ボンディングパッド層３０８／４０８は、ポリマー層３０７／４０７を保護するために機能することができる。ポリマー層の特性はゆっくり経時変化し、空気に対して透過性になるため、この余分な保護層は有用である。従って、余分な保護層が無い場合には、結局はアノード中のＬｉがポリマーを通して空気と反応し、Ｌｉの損失をもたらすことになる。
図５Ａ−５Ｄは、本発明のいくつかのさらに別の実施形態によるＴＦＢ製造ステップを説明する。このプロセスフローは、シャドーマスクを一切使用しない、すべての層のブランケット堆積を含み、さらに、いずれのレーザーパターニングより前に、ことによると真空を壊すことなく、ＡＣＣからＣＣＣまでの全層をスタック状にブランケット堆積することを含んでいる。図５Ａは基板５０１を示し、基板は以下の透過性要求に合致するガラス、シリコン、マイカ、セラッミック、金属、硬質材料、可撓性材料、プラスチック／ポリマー等である。ａ−Ｓｉ、μｃ−Ｓｉ、又はＬｉＣｏＯ2のようなブランケットのダイパターニング補助層５０２を基板５０１上に堆積する。電流コレクタ層５０３（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）及びカソード層５０４（例えば、ＬｉＣｏＯ2）のブランケット堆積を層５０２上に行う。電解質層505（ＬｉＰＯＮ）のブランケット堆積を層504上に行う。ＡＣＣ層５０７（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）を層５０６上にブランケット堆積する。結晶性を高めるためのカソードアニールをこのプロセスではこの段階で行うことができる。また、ドライ式リチウム化は、必要であればこのプロセスではこの段階で行うことができる（例えば、非リチウムのアノードセルを製造する場合）。ダイパターニングは、レーザーを使って行うが、ダイパターニング補助層無しで表側から、ダイパターニング補助層無しで基板側から、又はダイパターニング補助層有りで基板側から行うことができる。ダイパターニング補助層を使用すると、短絡を低減するＣＣＣの溶融を低減するという利点がある。ダイパターニングは、図５Ａの構造を完成する。図５Ｂの構造を、走査速度（スポットレーザーの場合）又はショット数（エリアレーザーの場合）及びフルエンスを制御して、選択的レーザーアブレーションにより形成する。薄いカソード層は、ＣＣＣのレーザー損傷を低減させるためにＣＣＣ領域に残され、後続ステップは、堆積、及びその後のＣＣＣ領域からの材料のアブレーションを含み、薄いカソード層は下層のＣＣＣを更なる損傷から保護する。電解質層にある段差は、アノード側とカソード側との間の横方向距離を作り出し、カソード材料に起因するＡＣＣとＣＣＣとの間の電気的短絡を低減するために使用され、電解質層に端部段差を設けることで、カソードのレーザーアブレーションにより形成される場合がある「端部マウンド」が側壁短絡を引き起こすのを防止することになる。図５Ｃは、図５Ｂのデバイスの平面図を示すが、この構造は縮尺通りではない。一般的にＣＣＣ領域は（以下に記述するように、カソード材料５０４の薄い層により覆われており、レーザーステップでアブレーションにより除去される）、デバイス収容力を最大にするために図示するよりずっと小さいということに留意されたい。図５Ｄの構造を形成するために、以下のステップを使用することができる。単層又は複層のブランケット封止層５０８（誘電体又はポリマー）を堆積する。レーザーアブレーションは、ＣＣＣコンタクト領域及びスタックに隣接する基板の小部分を露出させ、次のブランケット堆積がスタックを覆う封止層を完全に被覆することが可能となり、後者は、Ｌｉ、水、及び／又は酸素の、スタックへの／スタックからの横方向拡散を防止するのに役立つ。後続のダイパターニングステップを助けるように、封止層を基板の大部分に意図的に残すことに留意されたい。ブランケットのボンディングパッド層５０９（例えば、Ａｌ）は、スタックを覆って堆積される。ボンディングパッド層のレーザーアブレーションはＡＣＣコンタクト領域を開口し、封止層の薄い層以外は残されて、次の堆積ステップの間にＡＣＣ及びＣＣＣを保護する。スタックに隣接する基板の小部分及びＣＣＣを露出させ、スタックへの／スタックからの横方向拡散を防止するのに役立つように、次のブランケット堆積がスタックを完全に被覆することができる。ブランケットの誘電体５１０（例えば、ＳｉＮ）を堆積する。ＡＣＣコンタクト領域を露出させ、スタックに隣接する基板の小部分を露出させて、次のブランケット堆積がスタックを完全に被覆してスタックへの／スタックからの横方向拡散を防止するのを助けることができる。ブランケットのボンディングパッド層５１１（例えば、Ａｌ）を、スタックを覆って堆積する。誘電体層はＡＣＣとＣＣＣの短絡を防止することに留意されたい。ＣＣＣコンタクトパッドをレーザーアブレーションにより露出させる。レーザーアブレーションによるダイパターニングを、表側から又は基板側から行うことができる。レーザー５２０を使った基板側からのレーザーパターニングを図５Ｄに示す。
図６Ａ−６Ｃは、本発明のいくつかの別の実際形態による、ＴＦＢの製造ステップを説明する。このプロセスフローは、ボンディングパッドを除いてシャドーマスクを一切使用しない、すべて層のブランケット堆積を含み、さらに、いずれのレーザーパターニングより前に、ことによると真空を壊すことなく、ＡＣＣからＣＣＣまでの全層をスタック状にブランケット堆積することを含んでいる。このプロセスフローは、図５Ａに示すようなスタックを製造することで始まる。具体的には、基板６０１があり、それは以下の透過性要求に合致するガラス、シリコン、マイカ、セラッミック、金属、硬質材料、可撓性材料、プラスチック／ポリマー等とすることができる。ａ−Ｓｉ、μｃ−Ｓｉ、又はＬｉＣｏＯ2のようなブランケットのダイパターニング補助層６０２を、基板６０１上に堆積する。電流コレクタ層６０３（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）及びカソード層６０４（例えば、ＬｉＣｏＯ2）のブランケット堆積を、層６０２上に行う。電解質層６０５（例えば、ＬｉＰＯＮ）を層６０４上にブランケット堆積する。アノード層６０６（例えば、Ｌｉ、Ｓｉ）を層６０５上にブランケット堆積する。ＡＣＣ層６０７（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）を層６０６上にブランケット堆積する。結晶性を高めるためのカソードアニールを、このプロセスではこの段階で行うことができる。また、ドライ式リチウム化は、必要であればこのプロセスではこの段階で行うことができる（例えば、非リチウムのアノードセルを製造する場合）。ダイパターニングは、レーザーを使って行い、ダイパターニング補助層無しで表側から、ダイパターニング補助層無しで基板側から、又はダイパターニング補助層有りで基板側から行うことができる。ダイパターニング補助層を使用すると、短絡を低減するＣＣＣの溶融低減という利点がある。走査速度（スポットレーザーの場合）又はショット数（エリアレーザーの場合）及びフルエンスを制御して、選択的レーザーアブレーションにより、図６Ａの構造を形成する。ＣＣＣ領域をボンディングパッド用に開口し、電解質層に段差を形成する。（図６Ａの構造はＣＣＣ領域を覆う残余のカソード層が無いことを除けば図５Ｂと同じであることに留意されたい。）電解質層の段差は、アノード側とカソード側との間の横方向距離を作り出し、カソード材料に起因するＡＣＣとＣＣＣとの間の電気的短絡を低減するために使用され、電解質層における端部段差を設けることで、カソードのレーザーアブレーションにより形成される場合のある「端部マウンド」が側壁短絡を引き起こすのを防止することになる。図６Ｂは、それぞれＡＣＣ及びＣＣＣ用にパターン形成したボンディングパッド堆積（例えば、Ａｌ）６０８ａ及び６０８ｂを示しており、そこではＰＶＤとレーザーステップを減らすためにマスク堆積を使用している。図６Ｃの構造を形成するために以下のステップを使用する。ブランケット封止層６０９（例えば、ポリマー又はＳｉＮ）の堆積には、ＡＣＣ及びＣＣＣボンディングパッドを露出させるための封止層のレーザーアブレーション、及びダイパターニングが続く。多数のレーザーをパターニングのために使用することができる。ブランケット誘電体層６１０（例えば、ＳｉＮ）の堆積には、ＡＣＣ及びＣＣＣボンディングパッドを露出させるための誘電体層のレーザーアブレーションが続く。Ｌｉアノードを十分に保護するために、さらに多くの誘電体又はポリマー層の堆積及びレーザーパターニングを必要とする場合があることに留意されたい。
カソード側及びアノード側の両側上の金属の電流コレクタは、リチウムイオンの往復運動に対する保護障壁として機能する必要がある場合がある。加えて、アノード電流コレクタは、周囲からの酸化物質（Ｈ2Ｏ、Ｏ2、Ｎ2等）に対する障壁として機能する必要がある場合がある。従って、選択材料は、リチウムと接触した状態で「双方向」に最小限度の反応又は混和性を有する必要がある、つまり、Ｌｉは金属電流コレクタに移動して固溶体を形成し、その逆もまた同様である。さらに、金属電流コレクタのための材料の選択は、それらの酸化物質に対する低い反応性及び拡散性を有する必要がある。公開されている二元状態図に基づいて、第１の要求に関するいくつかの潜在的な候補は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｚｎ、及びＰｔである。いくつかの材料については、各金属層の間の反応／拡散が無いことを確実にするために、熱収支を管理する必要がある場合がある。単一の金属元素で両方の要求を満たすことができない場合、合金を検討する場合がある。また、単一層で両方の要求を満たすことができない場合、二重（多重）層を使用することができる。さらに、前述の耐熱性及び非酸化性とを有する層の内の１層と組み合わせて密着層を使用することができる（例えば、Ａｕと組み合わせたＴｉ密着層）。複層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＡｕといった金属、金属合金、非金属、又はカーボンブラック）を形成するために、金属ターゲットを（パルス）ＤＣスパッタリングすることにより、電流コレクタを堆積させることができる（約３００ｎｍ）。さらに、リチウムイオンの往復運動に対する保護障壁を形成するための誘電体層のような他の選択肢がある。
ＲＦスパッタリングは、カソード層（例えば、ＬｉＣｏＯ2）及び電解質層（例えば、Ｎ2雰囲気でのＬｉ3ＰＯ4）を堆積するための従来の方法であり、２層共に絶縁物（まして電解質に関して）である。しかしながら、パルスＤＣもまた、ＬｉＣｏＯ2堆積のために使用されてきた。さらに、他の堆積技術を使用することもできる。
Ｌｉ層３０６／４０６ａ／５０６／６０６は、蒸着又はスパッタリングプロセスを使用して形成することができる。Ｌｉ層は一般的にＬｉ合金であり、Ｌｉを例えば、錫のような金属又はシリコンのような半導体と合金にする。Ｌｉ層は約３μｍ厚（カソードと容量のバランスに関して適切なように）とすることができ、封止層３０７／４０７は３μｍ以上の厚さとすることができる。封止層は、パリレン、金属、及び／又は誘電体の多層膜とすることができる。Ｌｉ層３０６の形成と封止層３０７の形成との間は、部材をアルゴンのような不活性環境に保持する必要があるが、ブランケットの封止層堆積の後は、不活性環境に関する要求が緩和することになる。しかしながら、レーザーアブレーションプロセスを真空以外で行えるように、層４０６ｂをＬｉ層保護のために使用することができ、その場合に不活性環境に関する要求は、すべてのブランケット堆積プロセススキームで緩和することができる。ＡＣＣ５０７／６０７をＬｉ層保護のために使用して真空以外でのレーザーアブレーションを可能にして、不活性環境に関する要求を緩和することができる。
図７、８、及び９は、レーザーパターン形成層の端部を横切る側面計トレースを示す。
これらの具体例における薄膜スタックは、ガラス基板上に１００／５００／２０００ｎｍの厚さのＴｉ／Ａｕ／ＬｉＣｏＯ2であり、すべてＤＣのパルスマグネトロンにより堆積したものである。アブレーション用に使用されたレーザーは、約３０μｍのスポットサイズの、５３２ｎｍと１０６４ｎｍのナノ秒レーザーであった。図７において、ダイパターニングは基板側から５３２ｎｍのナノ秒パルスレーザーにより行われる。それに対して図８及び９では、ダイパターニングを薄膜側からそれぞれ５３２ｎｍ及び１０２４ｎｍのナノ秒パルスレーザーにより行われる。ダイパターニングを基板側から行う場合にはアブレーション領域にほとんど「スパイク」がないのに対して、ダイパターニングをデバイス側から行う場合にはアブレーション領域に多くの大きな「スパイク」が存在する。基板側からのレーザーパターニングは、「上（ｕｐｐｅｒ）」層の溶融より前の爆発（ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ）プロセスであるのに対して、薄膜側からのパターニングは全薄膜スタックを切除する必要がある。基板側から必要とされるレーザーフルエンスは、薄膜側からのそれよりずっと小さく、多層の厚膜スタックに関しては特に当てはまる。加えて、薄膜側からのレーザーパターニングは、全薄膜スタックを最初に溶融させ、次に蒸発させる必要があり、溶けた放出物はアブレーション領域に「スパイク」を形成する。レーザービームが堆積層に到達する前に基板を通過する基板側からのダイパターニングに関して、実験データは大きなプロセスウィンドウを示している。例えば、３０ｋＨｚのＰＲＦ（パルス繰返し周波数）を有する５３２ｎｍのナノ秒レーザーは、以下のダイオード電流（４０から２０００ｍＪ／ｃｍ２のフルエンスに対応）と走査速度の範囲で、図７に示すような除去領域に有意な残渣の無い良好なエッジ鮮明度を示す。
Figure 2017107867
さらに、プロセス条件は上記とは異なる場合がある。特に、基板側からのレーザーパターニングの場合にプロセスウィンドウが非常に大きくなることが期待される。基板側からのレーザーパターニングの利点を、エリアレーザーのアブレーションシステムを使用する場合にも見込むことができる。
図１０は、本発明の実施形態による、選択的レーザーパターニングツールの概略図である。ツール１０００は、基板１００４上のデバイス１００３をパターニングするためのレーザー１００１を含む。さらに、基板１００４を透過してパターニングするためのレーザー１００２が示されているが、レーザー１００１は、基板を反転させた場合に基板１００４を透過してパターニングするために使用することができる。基板ホルダ／ステージ１００５は、基板を保持するために及び／又は基板１００４を移動させるために設けられている。ステージ１００５は、基板を透過してパターニングするレーザーを収容するための開口部を有することができる。ツール１０００は、レーザーアブレーション時に基板が静止するように又は移動するように構成することができ、同様にレーザー１００１／１００２は静止又は可動とすることができ、いくつかの実施形態では、基板及びレーザーの両方が可動であり、この場合、移動は制御システムによって調整する。図１０にはＳＭＦとグローブボックス及び前室を含むスタンドアロン型のツール１０００が示されている。図１０に示す実施形態は、本発明によるツールの一例であり、多くの他のツール構成が考えられ、例えば、リチウム非含有ＴＦＢの場合にはグローブボックスを必要としない場合がある。さらに、ツール１０００は、リチウム箔製造で使用するドライルームのような適切な環境の室内に配置することができる。
図１１は、本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢデバイス製造のための処理システム８００の概略図である。処理システム８００は、反応性プラズマ洗浄（ＲＰＣ）チャンバー及びプロセスチャンバーＣ１−Ｃ４を備えたクラスターツールに対する標準的な機械式インターフェース（ＳＭＩＦ）を含み、前述のプロセスステップで利用することができる。必要であれば、グローブボックスは、クラスターツールに取り付けることができる。グローブボックスは、不活性雰囲気中に（例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、又はＡｒのような希ガス下に）基板を格納することができ、アルカリ金属／アルカリ土類金属の堆積後に有用である。また、必要であればグローブボックスへの前室を使用することができ、前室は、グローブボックスの不活性雰囲気を汚すことなく、グローブボックスの中へ及び外へ基板を搬送することを可能とするガス交換チャンバーである（不活性ガスから大気へ、及びその逆も同様）。（グローブボックスは、リチウム箔製造で使用されるような十分に露点の低いドライルーム環境に置換きることに留意されたい。）チャンバーＣ１−Ｃ４は、カソード層の堆積と（例えば、ＲＦスパッタリングによるＬｉＣｏＯ2）、電解質層の堆積と（例えば、Ｎ2中でのＲＦスパッタリングによるＬｉ3ＰＯ4）、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の堆積と、ブランケット層の選択的レーザーパターニングとを含む、薄膜電池デバイスを製造するためプロセスステップに適するように構成することができる。適切なクラスターツールのプラットフォームの例として、Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ １０ディスプレイクラスターツールのようなＡＫＴ社製のディスプレイクラスターツール、又は小型基板用のＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製のＥｎｄｕｒａ（商標）及びＣｅｎｔｕｒａ（商標）を挙げることができる。処理システム１１００に関するクラスター配置が示されているが、基板がチャンバーから次のチャンバーへ連続的に移動するようにプロセスチャンバーを搬送チャンバー無しで一列に配置するリニアシステムを利用できることを理解されたい。
図１２は、本発明のいくつかの実施形態による、多数のインラインツール１２１０、１２２０、１２３０、及び１２４０等を有するインライン製造システム１２００を示す。インラインツールは、ＴＦＢデバイスの全層を堆積及びパターニングするためのツールを含むことができる。さらに、インラインツールは前処理及び後処理チャンバーを含むことができる。例えばツール１２１０は、基板が真空エアロック１２１５を通って堆積ツール１２２０へ移動する前に真空を確立するためのポンプダウンチャンバーとすることができる。いくつか又はすべてのインラインツールは、真空エアロック１２１５により隔てられた真空ツールとすることができる。プロセスツールの順番及びプロセスライン上の特定のプロセスツールは、使用する特定のＴＦＢデバイス製造方法によって決定することができることに留意されたい（前記では４つの特定の実施例が提示されている）。さらに、基板は、インライン製造システムを通って水平方向に又は垂直方向に移動させることができる。さらに、選択的レーザーパターニングモジュールは、レーザーアブレーション時に基板が静止するように又は移動するように構成できる。
図１２に示すようなインライン製造システムを通過する基板の移動を説明するために、図１３において、基板コンベア１２５０は所定位置の唯一のインラインツール１２１０と一緒に示される。基板１３１０を収容する基板ホルダ１２５５は（基板が見えるように、基板ホルダは部分的に切り取って示されている）、図示するようにホルダ及び基板をインラインツール１２１０を通って移動させるために、コンベア１２５０又は等価装置上に取り付けられている。処理ツール１２１０のための適切なインラインプラットフォームは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製のＡｔｏｎ（商標）及びＮｅｗ Ａｒｉｓｔｏ（商標）とすることができる。
本発明の実施形態による薄膜電池を形成するための第１の装置は、電流コレクタ層、カソード層、及び電解質層を基板上にブランケット堆積し、連続的かつ選択的にレーザーパターニングして第１のスタックを形成する第１のシステムと、第１のスタック上にリチウムアノードを形成して第２のスタックを形成する第２のシステムと、第２のスタック上にボンディングパッド層をブランケット堆積して選択的にレーザーパターニングする第３のシステムと、該第３のスタックをレーザーでダイパターニングする第４のシステムとを備えることができる。このシステムは、クラスターツール、インラインツール、スタンドアロンツール、又は前記ツールの１つ又はそれ以上の組み合わせとすることができる。
本発明の実施形態による薄膜電池を形成するための第２の装置は、カソード電流コレクタ層、カソード層、電解質層、アノード層、及びアノード電流コレクタ層を含む、ブランケット層の第１のスタックを基板上に堆積するための第１のシステムと、第１のスタックをレーザーでダイパターニングして第２のスタックを形成する第２のシステムと、第２のスタックをレーザーパターニングしてデバイススタックを形成する第３のシステムとを備え、レーザーパターニングは、カソード電流コレクタ領域と、該カソード電流コレクタ領域に隣接する電解質層の一部とを露出させ、デバイススタックのレーザーパターニングは、電解質層部分の厚さの一部を除去して電解質層に段差を形成するようになっている。第２のシステム及び第３のシステムは同じシステムとすることができる。さらに、この装置は、封止層及びボンディングパッド層を堆積してパターニングするための第４のシステムを含むことができる。システムは、クラスターツール、インラインツール、スタンドアロンツール、又は前記ツールの１つ又はそれ以上の組み合わせとすることができる。さらに、第４のシステムは、第１、第２、及び第３のシステムの１つ又はそれ以上のツールと同じツールのいくつかを含むことができる。
本発明は、ＴＦＢを参照して説明したが、本発明の教示及び原理は、エレクトロクロミックデバイスを含む、他の電気化学デバイスを製造するための改善された方法に適用することができる。
本発明は、特定の実施形態を参照して詳細に説明したが、当業者であれば、形態及び詳細における変更及び修正を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行い得ることを容易に理解できるはずである。
５０８ ブランケット封止層
５０９ ブランケットのボンディングパッド層
５１０ ブランケット誘電体
５１１ ブランケットのボンディングパッド
５２０ レーザー

Claims (14)

  1. 基板上にパターン形成された複数の層からなるスタックを有し、
    前記スタックは、カソード電流コレクタ層、カソード層、電解質層、アノード層、及びアノード電流コレクタ層を含み、前記スタックはレーザーでダイパターニングされ、さらに前記スタックは、カソード電流コレクタ領域とカソード電流コレクタ領域に隣接する電解質層の一部とを露出させるためにレーザーでパターン形成され、また、前記電解質層に段差を形成するために前記電解質層の前記一部の厚さの一部がレーザーで除去され、
    さらに、パターン形成された複数の層の前記スタックの上に形成された封止層を有する、
    薄膜電池。
  2. 前記基板は、ガラスを含む、請求項１に記載の薄膜電池。
  3. 前記カソード層は、ＬｉＣｏＯ2を含む、請求項１に記載の薄膜電池。
  4. 前記電解質層は、ＬｉＰＯＮを含む、請求項１に記載の薄膜電池。
  5. 前記アノード層は、リチウム金属を含む、請求項１に記載の薄膜電池。
  6. 前記封止層は、ポリマーを含む、請求項１に記載の薄膜電池。
  7. さらに、前記基板上の前記基板と前記スタックとの間にダイパターニング補助層を有し、パターン形成された前記スタックは前記ダイパターニング補助層の上に堆積され、前記基板はレーザー光に対して透過的であり、前記ダイパターニング補助層は、前記ダイパターニング補助層と前記基板との間の熱応力不整合を実現するための材料層を含む、請求項１に記載の薄膜電池。
  8. 前記ダイパターニング補助層は、アモルファスシリコン、微結晶シリコン及びＬｉＣｏＯ2からなる群から選択される材料を有する請求項７に記載の薄膜電池。
  9. さらに、前記封止層及び前記カソード電流コレクタ領域を覆うボンディングパッド層を有する、請求項１に記載の薄膜電池。
  10. 前記ボンディングパッド層は、アルミニウムを含む、請求項９に記載の薄膜電池。
  11. さらに、前記スタックを覆う誘電体層を有し、前記誘電体層は、前記ボンディングパッド層の上に堆積される、請求項９に記載の薄膜電池。
  12. 前記誘電体層は、窒化シリコンを含む、請求項１１に記載の薄膜電池。
  13. さらに、前記スタックを覆うボンディングパッドを有し、前記ボンディングパッドは前記誘電体層の上に堆積され、前記誘電体層は前記ボンディングパッド層と前記ボンディングパッドとを電気的に分離し、前記ボンディングパッドは前記封止層と前記誘電体層における開口部を介して前記アノード電流コレクタ層と電気的に接続されている、請求項１１に記載の薄膜電池。
  14. 前記ボンディングパッドはアルミニウムを含む、請求項１３に記載の薄膜電池。
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