JP2017526143A - レーザパターニングされた薄膜バッテリ - Google Patents
レーザパターニングされた薄膜バッテリ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017526143A JP2017526143A JP2017511829A JP2017511829A JP2017526143A JP 2017526143 A JP2017526143 A JP 2017526143A JP 2017511829 A JP2017511829 A JP 2017511829A JP 2017511829 A JP2017511829 A JP 2017511829A JP 2017526143 A JP2017526143 A JP 2017526143A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- current collector
- anode
- cathode
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 136
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 122
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 113
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 493
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 102
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 81
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 74
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 claims description 59
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 34
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 24
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 17
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 claims description 11
- 238000013517 stratification Methods 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 91
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 35
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 30
- 229910012305 LiPON Inorganic materials 0.000 description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 description 28
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 25
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 12
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 102000040945 Transcription factor Human genes 0.000 description 5
- 108091023040 Transcription factor Proteins 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 4
- 238000006138 lithiation reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000011066 ex-situ storage Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 2
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018119 Li 3 PO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015645 LiMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014689 LiMnO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006020 NiCoAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005800 NiMnCo Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 244000223014 Syzygium aromaticum Species 0.000 description 1
- 235000016639 Syzygium aromaticum Nutrition 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZVLDJSZFKQJMKD-UHFFFAOYSA-N [Li].[Si] Chemical compound [Li].[Si] ZVLDJSZFKQJMKD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRSIEAQOBHMYJK-UHFFFAOYSA-N [Si]=S.[Li] Chemical compound [Si]=S.[Li] GRSIEAQOBHMYJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Inorganic materials [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001579 optical reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 230000010399 physical interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229920000052 poly(p-xylylene) Polymers 0.000 description 1
- 230000010411 postconditioning Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000007764 slot die coating Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000000391 spectroscopic ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005118 spray pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007704 wet chemistry method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
- H01M10/0562—Solid materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/058—Construction or manufacture
- H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0402—Methods of deposition of the material
- H01M4/0414—Methods of deposition of the material by screen printing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0402—Methods of deposition of the material
- H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0471—Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/64—Carriers or collectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
- H01M6/40—Printed batteries, e.g. thin film batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/64—Carriers or collectors
- H01M4/66—Selection of materials
- H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/64—Carriers or collectors
- H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
薄膜バッテリは、基板;カソード集電体層、アノード集電体層、カソード層、電解質層、及び電解質層を含み得、アノード集電体のアノードコンタクトエリアの一部がアノード層により覆われておらず、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソード層のレーザカットエッジをアノード層のレーザカットエッジから電気的に絶縁するための電解質層の電気的に絶縁するバッファエリアがアノード層によって覆われておらず、電気的に絶縁するバッファエリアがカソード集電体層のコンタクトエリアとアノード層との間にある。薄膜バッテリ形成のための方法及び装置がまた、本明細書に記載される。【選択図】図34
Description
関連出願の相互参照
本願は、2014年9月4日出願の米国仮特許出願第62/046,051号の利益を主張する。
本願は、2014年9月4日出願の米国仮特許出願第62/046,051号の利益を主張する。
本開示の実施形態は、概して、電気化学デバイス及びその製造方法、より具体的には、独占的でないが、レーザパターニングされた薄膜バッテリに関する。
薄膜バッテリ(TFB)は、集電体、カソード(正極)、固体状電解質及びアノード(負極)を含む層の薄膜スタックを備え得る。最高の特性を有するTFBは、この数年以内にμエネルギー応用の分野で優位に立つものと予測されている。しかしながら、TFBを高い費用対効果で大量生産(HVM)できるようにするためには、克服しなければならない課題がある。最も重要なのは、デバイス層の堆積中に使用される現在最先端のTFBデバイスパターニング技術、即ちシャドウマスクに代わるものが必要とされることである。HVMでのシャドウマスク処理使用に関して、かなりの複雑さとコストが伴われる。(1)マスク、特に大面積基板の管理、精密な位置合わせ及び洗浄のための設備にかなりの資本投資を要する;(2)シャドウマスクエッジの下の堆積を収容する必要があるため、基板エリアの利用が不十分である;(3)熱膨張に起因する位置合わせ問題を回避するために、PVDプロセス(低電力及び温度)に制約がある。
シャドウマスクを交換する一般的な手法の1つは、リソグラフィ技術を使用することであるが、これはコストを大幅に増加させるだけでなく、TFB製造フローに望ましくない湿式化学物質、並びにTFB層材料及びリソグラフィ化学物質、湿式化学物質、エッチング及び乾燥灰の処理の間での化学的及び物理的相互作用からデバイス性能の低下をもたらす。
明らかに、簡素化されたより多くのHVM互換TFB処理技術を可能にすることで、TFBのHVMコストを大幅に削減できるTFB構造及び製造方法が必要とされる。
本開示の幾つかの実施形態は、薄膜バッテリ(TFB)などの電気化学デバイス、その製造方法、及びその方法を実行するように構成されたツールに関する。
幾つかの実施形態によれば、薄膜バッテリは、基板と;基板の上のカソード集電体層及びアノード集電体層であって、互いから電気的に絶縁されているカソード集電体層及びアノード集電体層と;カソード集電体層の上のカソード層であって、カソード集電体層のコンタクトエリアがカソード層によって覆われていない、カソード層と;カソード層の上面を完全に覆っておりかつアノード集電体層の一部を覆っている電解質層であって、アノード集電体の覆われていない部分がアノード集電体のコンタクトエリアである、電解質層と;電解質層及びアノード集電体の上のアノード層であって、アノード集電体のアノードコンタクトエリアの一部がアノード層によって覆われておらず、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソード層のエッジをアノード層のエッジから電気的に絶縁するための電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアが、アノード層によって覆われておらず、電気的に絶縁するバッファエリアがカソード集電体層のコンタクトエリアとアノード層との間にある、アノード層とを備え得る。
幾つかの実施形態によれば、薄膜バッテリを製造する方法は、基板の上に集電体層及びカソード層をブランケット堆積させることと;カソード集電体及びアノード集電体を形成するように集電体層及びカソード層をレーザダイパターニングし、カソード集電体のコンタクトエリアを出現させてアノード集電体のすべてを露出するようにカソード層の部分にレーザアブレーションを施して、第1のパターニングされたスタックを形成することと;第1のパターニングされたスタックの上に電解質層をブランケット堆積させることと;アノード集電体のコンタクトエリアを露出するように電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第2のパターニングされたスタックを形成することと;第2のパターニングされたスタックの上にアノード層及び最初の保護層をブランケット堆積させることと;集電体層及びカソード層のレーザダイパターニングのダイパターン内で電解質層、アノード層及び最初の保護層をレーザダイパターニングすることと;カソード集電体のコンタクトエリアを出現させるように、最初の保護層、アノード層及び電解質層の部分にレーザアブレーションを施し、電解質層の中に電気的に絶縁するバッファエリアを形成して、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソード層のレーザ切断エッジをパターニングされたアノードのレーザ切断エッジから電気的に絶縁するように、最初の保護層、アノード層及び電解質層の厚さの一部にレーザアブレーションを施し、アノード集電体のコンタクトエリアを出現させるように最初の保護層及び電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第3のデバイススタックを形成することとを含み得る。
幾つかの実施形態によれば、基板の上に薄膜バッテリを製造するための装置は、基板の上に集電体層及びカソード層をブランケット堆積させ、カソード集電体及びアノード集電体を形成するように集電体層及びカソード層をレーザダイパターニングし、カソード集電体のコンタクトエリアを出現させてアノード集電体のすべてを露出するようにカソード層の部分にレーザアブレーションを施して、第1のパターニングされたスタックを形成するための第1のシステムと;第1のパターニングされたスタックの上に電解質層をブランケット堆積させ、アノード集電体のコンタクトエリアを露出するように電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第2のパターニングされたスタックを形成するための第2のシステムと;第2のパターニングされたスタックの上にアノード層及び最初の保護層をブランケット堆積させ、集電体層及びカソード層のレーザダイパターニングのダイパターン内で電解質層、アノード層及び最初の保護層をレーザダイパターニングし、カソード集電体のコンタクトエリアを出現させるように、最初の保護層、アノード層及び電解質層の部分にレーザアブレーションを施し、電解質層の中に電気的に絶縁するバッファエリアを形成して、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソード層のレーザ切断エッジをパターニングされたアノードのレーザ切断エッジから電気的に絶縁するように、最初の保護層、アノード層及び電解質層の厚さの一部にレーザアブレーションを施し、アノード集電体のコンタクトエリアを出現させるように最初の保護層及び電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第3のデバイススタックを形成するための第3のシステムとを備え得る。
本開示の上記及びその他の態様と特徴は、添付の図と併せて特定の実施形態の下記の説明を読むことで、当業者には明らかになるであろう。
以下、本開示の実施形態について、当業者が本開示を実施できるように本開示の実施例として提供される図面を参照して、詳細に説明する。とりわけ、図及び以下の例は、本開示の範囲を単一の実施形態に限定することを意図するものではなく、説明又は図示する要素の一部又は全てを入れ替えることによって、他の実施形態も可能になる。更に、既知の構成要素を使用して、本開示のある要素が部分的に又は完全に実施可能である場合、かかる既知の構成要素のうちの、本開示の理解に必要な部分のみを説明し、かかる既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は、本開示を曖昧にしないように省略する。本明細書では、単数の構成要素を示す実施形態を限定的と見なすべきではなく、むしろ、本開示は、本書に別段の明示的な記載がない限り、複数の同一の構成要素を含む他の実施形態を包含することが意図されており、その逆も同様である。更に、本開示のいかなる用語も、そのように明示的に記載されない限り、一般的でない意味又は特殊な意味と見なされることを意図していない。更に、本開示は、本書で例示のために言及される既知の構成要素の、現在既知の均等物及び将来知られることになる均等物も包含する。
図1は、ブランケット堆積された集電体層102(例えば、Ti/Au)、カソード層103(例えば、LiCoO2)、電解質層104(例えば、LiPON)、アノード層105(例えば、Li、Si)及びACC/最初の保護層106(例えば、Cu、Ti/Cu)を含む基板101に形成されたTFBのためのデバイス層の従来のスタックを示す。従来の処理によれば、図1のスタックは、次いでレーザダイパターニングを受け、図2に示される構造を形成し、層202−206は、それぞれ層102−106のパターニングされた同等物である。しかしながら、図2に示されるように、レーザダイパターニングされた側壁に沿って、カソード/CCC202/203とアノード/ACC205/206との間に電気的短絡経路210を有する見込みが高く、これは製造歩留りに著しい影響を与える。次に、従来の処理によれば、スタックは、更に処理され、図3に示されるように、電気接触を形成するためにCCC層302を露出し、層302−306は、それぞれ層202−206のパターニングされた同等物である;この処理は、走査速度(スポットレーザ)/ショットの数(エリアレーザ)及びフルエンスを制御することによって、制御されるレーザ露出を利用し、スタックをCCC層302に除去し、よってステップが形成される。更に前述の潜在的短絡問題に対して、図3に示されたように、同じくCCCパターニング側壁に沿って、カソード/CCC302/303とアノード/ACC305/306との間に短絡経路を有する見込みが高く、これもまた製造歩留りに著しい影響を与える。
図1から図3を参照して先ほど述べられたように、1ステップのレーザダイパターニング処理は、カソード/CCC及びアノード/ACCの側壁に沿って電気的短絡経路を形成する傾向があり、バッテリ性能及び歩留りを劇的に低下させる。しかしながら、カソード/CCCは、第1の第パターニング処理中に既に除去されており、アノード/ACCがパターニングされる第2のダイパターニング処理中にアブレートされないので、本明細書で開示される2ステップのダイパターニング処理を使用することによって、カソード/CCC及びアノード/ACCの側壁に沿った電気的短絡経路が形成される可能性は低い。これは、製造歩留りを著しく増加させ、レーザダイパターニング処理から生じるバッテリ漏れを低下させる。レーザアブレーションによるCCC層露出/出現処理に関して、ACC層、アノード層及び電解質層は、CCCコンタクトエリアを露出/出現させるために完全に除去される。概して、ACC層及びアノード層は、導電材料又は半導電材料であり、これらの層のある程度の残余は、たとえフェムト秒レーザがアブレーション処理に使用されたとしてもアブレーションエリアの表面に残る。これらのACC残余及びアノード残余は、レーザカット側壁に沿って、ACC/アノードからカソード/CCCへの電気的短絡経路を作り出す可能性が高い。しかしながら、レーザアブレーション処理が絶縁電解質層の厚さを通して途中で停止するTFBデバイスレイアウトに狭いバッファエリアを含むことによって、CCC/カソードとアノード/ACCとの間の電気的短絡の見込みが著しく低下し又は除去さえされ、よって、レーザアブレーションパターニング処理によるTFBデバイスの製造を実行可能な製造案にする。TFBのブランケット堆積及びエクスシトゥレーザパターニングは、実際、パターン精度、歩留り及び基板/材料利用を改善し、TFBの製造コストを抑えるための大きな可能性を有している。
より詳しくは、本開示のTFBの幾つかの実施形態は、前述の先行技術のデバイスの欠陥を回避する製造処理を有し、これらの処理は:レーザカット側壁に沿ってCCC/カソードとアノード/ACCとの間に電気的短絡経路を形成する可能性を著しく低減する2ステップのダイパターニング処理であって、CCC及びカソード堆積後に実行される第1のダイパターニング処理、及び全てのアクティブ層堆積完了後に第1のダイパターニングエリア内部で実行される第2のダイパターニング処理を含む2ステップ処理と;ある実施形態においてレーザカットエッジが極接近する場合に、パターニングされたCCC/カソードのレーザカットエッジをパターニングされたアノード/ACCのレーザカットエッジから電気的に絶縁する電気的に絶縁する電解質バッファエリアを形成する(レーザカット側壁に沿って、CCC/カソードとアノード/ACCとの間での電気的短絡の傾向を著しく低下させる)ために、ナノ秒/ピコ秒レーザ又はフェムト秒レーザ(これらレーザのすべてに対するUV波長を含む)の利用も含み得る。更に、幾つかの実施形態では、ダイパターニング処理は、カソードがアニールされる前に、カソード層がパターニングでき−CCCが下に現れるよう除去できるように構成され得る。高温(600℃以上)でのアニール後に、CCC材料−典型的には、Ti及びAu−は、まとめて混合/合金され、基板へのCCCの接着を低減するだけではなく、レーザアブレーション処理に使用されるレーザ波長で光学反射率を低下させることにも留意されたい。これら2つの効果により、CCCを著しく損傷せずに、CCCからLiCoO2を選択的にアブレートする困難さが生じる。加えて、高温アニール後のLiCoO2層は、アニール前のアブレーションと比べて、層をアブレートするためにより高いレーザフルエンスを必要とする。結果的に、カソードがパターニング後にアニールされる処理フローは、基板への良好なCCC接着を維持し、またより容易なアブレーション処理を可能にする見通しにより有利である。
更に、本明細書に記載の実施形態のレーザ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たデバイス構造と非常に似ているデバイス構造でTFBを形成するように設計され得るが、より精密なエッジ配置が、より高いデバイス密度及び他の設計改善を提供し得る。TFB製造プロセスにおけるシャドウマスクの使用は、欠陥を消滅させる歩留りの可能性が高い源であり、シャドウマスクを除去することによりこれらの欠陥が除去され得るため、処理の幾つかの実施形態については、TFBの歩留り及びデバイス密度が現在のシャドウマスク製造処理より高くなると予想される。処理の幾つかの実施形態が、シャドウマスク処理に対してよりも良好なパターニング精度を提供し、基板上でより高いTFBデバイス密度が可能になるだろう。更に、処理の幾つかの実施形態は、潜在的熱膨張が誘導するシャドウマスクの位置合わせ問題によって引き起こされるPVD処理の制約(シャドウマスク堆積処理では低い電力及び温度に限定される)を緩和すると予想される。更に、シャドウマスクのTFB製造処理からの除去は、マスクアライナ、マスク管理システム、及びマスク洗浄の除去;CoC(消耗コスト)の削減;並びにシリコン集積回路及びディスプレイ産業による業界が認めた処理を使用可能にすることにより、新たな製造処理開発コストを削減し得る。ブランケット層堆積及びTFBのエクスシトゥレーザパターニングは、TFB製造コストを引き下げるのに十分に、恐らく2014年の推定コストを10倍以上下回ることさえあるのだがが(perhaps even a factor of 10 or more less than 2014 estimated costs)、パターン精度、歩留まり及び基板/材料の使用を改善し得る。
従来のTFB製造では、すべての層が、サブキャリア、裏側磁石などによってデバイス基板に固定されるインシトゥシャドウマスクを使用してパターン化される。本開示では、インシトゥパターン化された堆積の代わりに、TFB製造プロセスのすべての層(図4から図9、図10から図15、図16から図21、及び図29から図36を参照)、又は集電体、カソード、電解質及びアノードのうちの一又は複数などの特定の層に対して、シャドウマスクを全く含まないブランケット堆積が提案される。フローはまた、結合、カプセル化及び/又は保護コーティングの処理を包含し得る。ブランケット層のパターニングは、(1)すべての層を基板まで除去するレーザアブレーション処理、及び/又は(2)選択的レーザアブレーション処理によるものであり、レーザパターニング処理は、層を少なくとも部分的に損傷なく下方に維持しつつ、複数の層の1つの層又はスタックを除去する。例えば、幾つかの実施形態によれば、カソード集電体及びカソードは、まず基板の上にブランケット堆積される。次いで、レーザプロセスは、全体的にブランケットコーティングされた基板を個々のダイにパターニングするために使用される。電解質、アノード及びアノード集電体の堆積が、第1のレーザパターニング後にダイパターニングされた層の上で行われる。次いで、基板は、レーザアブレーションシステム内に再び載せされ、ダイパターニング及びCCC露出が実行され、第2のダイパターニングは、第1のダイパターニングエリア内部で行われ、要するに、第1のダイパターニングは、ダイシングアレイに沿ってCCC/カソード材料を完全に除去し、第2のダイパターニングは、第1のダイシングエリア内部で、電極、アノード及びACCを完全に除去することになる。CCC露出/出現は、カソードエリア、更には基板エリアの利用を最大化するために、各TFBダイの1つのコーナーで実行される(図22を参照)。フルエンス及びショット数などのレーザ処理パラメータを調節することによって、ACC、アノード、電解質及びカソードは選択的に除去され、CCCコンタクトエリアの露出/出現が実行される。CCC/カソードとACC/アノードとの間での電気的短絡経路を回避するために、CCC露出/出現エリアとACC/アノードエリアとの間に狭いバッファエリアが使用され得る。この狭いバッファエリアにおいて、レーザアブレーション処理は、ACC、アノード及び電極の小さな部分を除去することをだけを目的とする。TFBについて、LiPONは、典型的には電解質として使用され、UVから長可視波長までほぼ透明であるので、LiPON層の中央でレーザアブレーション処理を停止させるために、ナノ秒/ピコ秒又はフェムト秒レーザ(これらレーザのすべてに対するUV波長)が使用されることに留意されたい。狭いバッファ領域の幅は、典型的には、約30ミクロンから約200ミクロンの範囲である。
TFBについて、カソード層の例は、LiCoO2層(例えば、RFスパッタリング、パルスDCスパッタリングなどによって堆積する)であり、アノード層の例は、Li金属層(例えば、蒸発、スパッタリングなどによって堆積する)であり、電解質層の例は、LiPON層(例えば、RFスパッタリングなどによって堆積する)である。しかしながら、本開示は、異なる材料を含むより広い範囲のTFBに適用され得ることが期待される。更に、これらの層に対する堆積技術は、所望の組成、相および結晶性を提供することができる任意の堆積技術であり、PVD、PECVD、反応性スパッタリング、非反応性スパッタリング、RFスパッタリング、マルチ周波数スパッタリング、電子及びイオンビーム蒸発、熱蒸発、CVD、ALDなどの堆積技術が含まれ得る。堆積方法は、プラズマスプレー、スプレー熱分解、スロットダイコーティング、スクリーン印刷などの非真空ベースのものとすることもできる。PVDスパッタ堆積プロセスについて、プロセスは、AC、DC、パルスDC、RF、HF(例えば、マイクロ波)など、又はこれらの組み合わせであり得る。TFBの異なる構成要素層のための材料の例は、以下の一又は複数を含み得る。基板はケイ素、Si上の窒化ケイ素、ガラス、PET(ポリエチレンテレフタレート)、雲母、銅などの金属箔などであり得る。ACC及びCCCは、異なる材料の複数の層に合金化され及び/若しくは存在してもよく、並びに/又はTi接着層などを含んでいてもよい、Ag、Al、Au、Ca、Cu、Co、Sn、Pd、Zn及びPtの一又は複数であり得る。カソードは、LiCoO2、V2O5、LiMnO2、Li5FeO4、NMC(NiMnCo酸化物)、NCA(NiCoAl酸化物)、LMO(LixMnO2)、LFP(LixFePO4)、LiMnスピネルなどであってもよい。固体電解質は、LiPON、LiI/Al2O3混合物、LLZO(LiLaZr酸化物)、LiSiCON、Ta2O5などの材料を含むリチウム導電性電解質材料であってもよい。アノードは、Li、Si、ケイ素−リチウム合金、リチウム硫化ケイ素、Al、Sn、Cなどであってもよい。
アノード/負極層は、純リチウム金属であってもよく、又は、Li合金であってもよく、Liは、例えば、スズのような金属若しくはケイ素のような半導体と合金される。Li層は、約3μmの厚さ(カソード及び容量の釣り合いに適切として)とすることができ、カプセル化層は、3μm以上の厚さとすることができる。カプセル化層は、パリレン並びに金属及び/又は誘電体の多層とすることができる。Li層及びカプセル化層の形成の間に、その部分は、アルゴンガスなどの不活性環境の中で維持されなければならないが、ブランケットカプセル化層堆積後に、不活性環境の必要性は緩められであろうことに留意されたい。ACCは、真空の外側でのレーザアブレーションを可能にするLi層を保護するために使用され、不活性環境の必要性が緩められ得る。
更に、カソード及びアノード両側の金属集電体は、左右に動くリチウムイオンに対する保護バリアとして機能する必要があろう。加えて、アノード集電体は、周囲からの酸化体(例えば、H2O、O2、N2など)へのバリアとして機能する必要があろう。したがって、選択する一又は複数の材料は、「双方向」にリチウムと接触する際に−即ち、Liが金属集電体内に移動して固溶体を形成する、逆もまた同様−最小の反応性又は混和性を有すべきである。加えて、金属集電体の材料選択は、これらの酸化体に対して低い反応性及び拡散率を有すべきである。公開されたバイナリ位相図に基づき、第1の要件の幾つかの潜在的な候補は、Ag、Al、Au、Ca、Cu、Co、Sn、Pd、Zn及びPtである。いくつかの材料により、金属層の間に反応/拡散を確実になくすように、熱収支を管理する必要があり得る。単一の金属要素が両方の要件を満たすことができない場合、次に合金が考慮され得る。また、単一の層が両方の要件を満たすことができない場合、次に二(複数)層が使用され得る。更に、また上述の耐火層及び非酸化層−例えば、Auと組み合わせたTi接着層−のうちの1つの層と組み合わせて、接着層が使用され得る。集電体は、金属ターゲットの(パルス)DCスパッタリングによって堆積され(およそ300nm)層を形成する(例えば、Cu、Ag、Pd、Pt及びAuなどの金属、金属合金、メタロイド又はカーボンブラック)。更に、誘電体層などの、左右に動くリチウムイオンに対する保護バリアを形成するための他のオプションがある。
図4から図9は、幾つかの実施形態によるTFBの製造処理を示しており、これは、非導電基板に対する第1の処理フローである。処理フローは、図4で、集電体層402(例えば、Ti/Au)及びカソード層403(例えば、LiCoO2)の基板401上でのブランケット堆積で開始する。非導電基板は、ガラス、セラミック、剛性材料、フレキシブル材料、プラスチック/ポリマーなどであり得る;更に、レーザパターニングがTFBの基板側から行われる実施形態では、基板はまた、レーザ処理の透明要件を満たすことも必要となるだろう。図5は、以下の処理後の図4の構造を示す:(1)基板又は薄膜側からのレーザダイパターニング;(2)層502及び503が、それぞれ処理された集電体及びカソード層である結晶性構造を開発するために、LiCoO2に対して、例えば、600℃以上で2時間以上アニールされ得るカソードアニール。図6は、電解質(例えば、LiPON)層604及びアノード(例えば、Li、Si)層605、及びACC/最初の保護(例えば、Ti/Cu)層606のブランケット堆積後の図5の構造を示す。また、処理においてこの時点で必要であれば−例えば、セルが、個々に堆積したLiアノードがなくても元のカソードからの電荷キャリアを使用する、非Liアノードセルを製造する際など−電解質堆積前に、乾燥リチオ化を行うことができる。図7は、以下の更なる処理後の図6の構造を示す:(1)レーザパターニング処理を使用した第2のダイパターニング及び(2)サブUVレーザ(例えば、248nm若しくは266nm)又はfsレーザを使用して形成され得、電気的短絡経路の長さを増加させ、よってレーザカット側壁に沿ってCCC/カソードとアノード/ACCとの間で、短絡発生の可能性を低下させる、レーザアブレーションが絶縁した電解質層で停止するバッファエリア720を形成することを含むCCC露出。層704、705及び706は、それぞれ処理された層604、605及び606であり、層710は、CCC電気コンタクトエリアである。図8は、ブランケットカプセル化(例えば、ポリマー誘電体層)層807堆積後の図7の構造を示し、複数の層は、例えば、ポリマー/誘電体材料の複数の層など、必要なデバイス寿命を提供することが必要とされる場合、複数の層が堆積され得る。図9は、電気的コンタクトがTFB電極−ACC及びCCCの両方−で実行可能となるまで開放されている、CCCコンタクトエリア及びACCコンタクトエリアを露出するためのレーザアブレーション後の図8の構造を示す。層907は、処理された層807であり、901は、単一TFBのための基板である。更に、幾つかの実施形態では、図8及び図9に示されるようなカプセル化層の堆積及びパターニングは、同一の又は異なるカプセル化材料を使用して一回又は複数回繰り返され得る。レーザアブレーションはまた、ダイシンギュレーションに使用されてもよい。
図10から図15は、幾つかの実施形態によるTFBの製造処理を示しており、これは、非導電基板1001に対する第2の処理フローである。処理フローは、図10で、集電体(例えば、Ti/Au)層1002及びカソード(例えば、LiCoO2)層1003の基板1001上でのブランケット堆積で開始する。非導電基板は、ガラス、セラミック、剛性材料、フレキシブル材料、プラスチック/ポリマーなどであり得る;更に、レーザパターニングがTFBの基板側から行われる実施形態では、基板はまた、レーザ処理の透明要件を満たすことも必要となるだろう。図11は、以下の処理後の図10の構造を示す:(1)基板又は薄膜側からのレーザダイパターニング;(2)カソードアニールする前のCCC層露出/出現(この処理シーケンスの理由は、アニールされていないカソードのレーザアブレーションは、一般的により良好なアブレーション表面(より高い導電性及びより滑らかな表面形態)を生成する(上記も参照)ことである);(3)結晶性の構造を開発するために、LiCoO2について、例えば、600℃以上で2時間以上のアニールであり得る、カソードアニール。層1102及び1103は、それぞれ処理された集電体及びカソード層であり、1110は、CCC電気コンタクトエリアである。図12は、電解質(例えば、LiPON)層1204及びアノード(例えば、Li、Si)層1205、及びACC/最初の保護(例えば、Ti/Cu)層1206のブランケット堆積後の図11の構造を示す。また、処理においてこの時点で必要であれば−例えば、セルが、個々に堆積したLiアノードがなくても元のカソードからの電荷キャリアを使用する、非Liアノードセルを製造する際など−電解質堆積前に、乾燥リチオ化を行うことができる。図13は、以下の更なる処理後の図12の構造を示す:(1)レーザパターニング処理を使用した第2のダイパターニング及び(2)サブUVレーザ(例えば、248nm若しくは266nm)又はfsレーザを使用して形成され得、潜在的な電気的短絡経路の長さを増加させ、よってレーザカット側壁に沿ってCCC/カソードとアノード/ACCとの間で、短絡発生の可能性を低下させる、レーザアブレーションが絶縁した電解質層で停止するバッファエリア1320を形成することを含むCCCステップ露出/出現。層1304、1305及び1306は、それぞれ処理された層1204、1205及び1206である。図14は、ブランケットカプセル化(例えば、ポリマー誘電体層)層1407堆積後の図13の構造を示し、複数の層は、例えば、ポリマー/誘電体材料の複数の層など、必要なデバイス寿命を提供することが必要とされる場合、複数の層が堆積され得る。図15は、電気的コンタクトがTFB電極−ACC及びCCCの両方−で実行可能となるまで開放されている、CCCコンタクトエリア及びACCコンタクトエリアを露出するためのレーザアブレーション後の図14の構造を示す。層1507は、処理された層1407であり、1501は、単一TFBのための基板である。更に、幾つかの実施形態では、図14及び図15に示されるようなカプセル化層の堆積及びパターニングは、同一の又は異なるカプセル化材料を使用して一回又は複数回繰り返され得る。レーザアブレーションはまた、ダイシンギュレーションに使用されてもよい。
図22は、カソードエリアがTFB設置面積(デバイスエリア)の90%を超えたTFBを示す、ダイシング前の12のTFBを含む基板2401の平面図であり、更にアノードがカソードと等しい又は僅かに大きいことに留意されたい。図は、アノード2402、CCCの露出部分2403、及び電解質バッファエリア2404を示し、バッファエリアは、LiPON層の中間でレーザアブレーション処理を停止することによって形成されている。コンタクトエリア2403は、図示されたコーナーに制限されず、CCCの他の位置に配置されてもよく、コンタクトエリアは、カプセル化層を通して、ACCの表面のどこかのACCに開放され得ることに留意されたい。図22の構成は、図4から図9及び図10から図15の製造処理からもたらされたデバイスの幾つかの実施形態のデバイス構成の例である。
図9、図15及び図22に示される幾つかの実施形態によれば、薄膜バッテリは、基板と;基板の上のカソード集電体層及びアノード集電体層と;カソード集電体層の上のカソード層であって、カソード集電体層のコンタクトエリアがカソード層によって覆われていない、カソード層と;カソード層の上面を完全に覆っている電解質層であって、カソード集電体層のコンタクトエリアが電解質層によって覆われていない、電解質層と;電解質層の上のアノード層であって、カソード集電体層のコンタクトエリアがアノード層によって覆われておらず、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソード層のエッジをアノード層のエッジから電気的に絶縁するための電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアが、アノード層によって覆われておらず、電気的に絶縁するバッファエリアがカソード集電体層のコンタクトエリアとアノード層との間にある、アノード層とを備え得る。薄膜バッテリは、アノード層の表面にアノード集電体層を更に備え得、カソード集電体層のコンタクトエリア及び電気的に絶縁するバッファエリアは、アノード集電体層によって覆われていない。更に、カソード集電体のコンタクトエリアは、カソード集電体層の上面のコーナー部分であり得る。薄膜バッテリは、アノード集電体層の上面にあるカプセル化層であって、アノード集電体コンタクトエリアから離れて、アノード集電体層の上面すべてを覆うカプセル化層であって、電気的に絶縁するバッファエリア及びカソード集電体層のコンタクトエリアの一部を更に覆う、カプセル化層を更に備え得る。
図4から9及び図22に示される実施形態によれば、薄膜バッテリを製造する方法は、基板の上でカソード集電体層及びその後に続くカソード層をブランケット堆積させることと;カソード集電体層及びカソード層をレーザダイパターニングして、カソード集電体の上面を覆うカソードを含む第1のパターニングされたスタックを形成することと;第1のパターニングされたスタックの上に電解質層、アノード層及びアノード集電体層をブランケット堆積させることと;アノード集電体層、アノード層、電解質層及びアノード集電体層のレーザアブレーション部分をレーザダイパターニングすることであって、アノード層及び電解質層が第3のスタックを形成し、第3のスタックが、アノード、カソード集電体の出現したコンタクトエリア及び電解質層の中に出現した電気的に絶縁するバッファエリアを覆い、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソードのレーザカットエッジをアノードのレーザカットエッジから電気的に絶縁する、アノード集電体を備え、電解質層の厚さの一部にアブレーションが施され、電気的に絶縁するバッファエリアを形成する、レーザダイパターニングすることとを含み得る。方法は、カソード集電体層及びカソード層のレーザアブレーション後にカソードをアニールすることを更に含み得る。方法は、第3のスタックの上にカプセル化層をブランケット堆積させることと、カプセル化層にレーザアブレーションを施し、カソード集電体のコンタクトエリアの一部とアノード集電体のコンタクトエリアとを出現させ、第4のデバイス構造を形成することとを更に含み得る。方法は、第4のデバイススタックの上に第2のカプセル化層をブランケット堆積させることと、第2のカプセル化層にレーザアブレーションを施し、カソード集電体のコンタクトエリアの第2の部分であって第1の部分より小さい第2の部分と、アノード集電体のコンタクトエリアの一部とを出現させることとを更に含み得る。更に、電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアを形成するために電解質層にレーザアブレーションを施すことは、フェムト秒UVレーザを利用し得る。
図10から15及び図22に示される実施形態によれば、薄膜バッテリを製造する方法は、基板の上でカソード集電体層及びカソード層をブランケット堆積させることと;カソード集電体層及び当該カソード層をレーザダイパターニングしてレーザアブレーションを施し、カソード集電体の上面及びカソード層のレーザアブレーション部分にカソードを形成し、カソード集電体のコンタクトエリアを出現させ、第1のパターニングされたスタックを形成することと;第1のパターニングされたスタックの上に電解質層、アノード層及びアノード集電体層をブランケット堆積させることと;アノード集電体層、アノード層、電解質層及びアノード集電体層のレーザアブレーション部分をレーザダイパターニングすることであって、アノード層及び電解質層が第3のスタックを形成し、第3のスタックが、アノードの上面を覆うアノード集電体と、カソード集電体の出現したコンタクトエリアと、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソードのレーザカットエッジをアノードのレーザカットエッジから電気的に絶縁するための、電解質層の中の出現した電気的に絶縁するバッファエリアとを備え、電解質層の厚さの一部に、電気的に絶縁するバッファエリアを形成するためにアブレーションが施される、レーザダイパターニングすることとを含み得る。方法は、カソード集電体層及びカソード層のレーザアブレーション後にカソードをアニールすることを更に含み得る。方法は、第3のスタックの上にカプセル化層をブランケット堆積させることと、カプセル化層にレーザアブレーションを施し、カソード集電体のコンタクトエリアの一部とアノード集電体のコンタクトエリアとを出現させ、第4のデバイス構造を形成することとを更に含み得る。方法は、第4のデバイススタックの上に第2のカプセル化層をブランケット堆積させることと、第2のカプセル化層にレーザアブレーションを施し、カソード集電体のコンタクトエリアの第2の部分であって第1の部分より小さい第2の部分と、アノード集電体のコンタクトエリアの一部とを出現させることとを更に含み得る。更に、電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアを形成するために電解質層にレーザアブレーションを施すことは、フェムト秒UVレーザを利用し得る。
図29から図36は、幾つかの実施形態によるTFBの製造処理を示しており、これは、非導電基板2901に対する第3の処理フローである。処理フローは、図29で、集電体層402(例えば、Ti/Au)層2902及びカソード(例えば、LiCoO2)層2903の基板2901上でのブランケット堆積で開始する。非導電基板は、ガラス、セラミック、剛性材料、フレキシブル材料、プラスチック/ポリマーなどであり得る;更に、レーザパターニングがTFBの基板側から行われる実施形態では、基板はまた、レーザ処理の透明要件を満たすことも必要となるだろう。図30は、以下の処理後の図29の構造を示す:(1)基板又は薄膜側からのレーザダイパターニング;(2)カソードアニールする前のCCC層及びACC露出/出現(この処理シーケンスの理由は、アニールされていないカソードのレーザアブレーションは、一般的により良好なアブレーション表面(より高い導電性及びより滑らかな表面形態)を生成する(上記も参照)ことである);(3)結晶性の構造を開発するために、LiCoO2について、例えば、600℃以上で2時間以上のアニールであり得る、カソードアニール。それぞれCCC層とACC層である層3002Aと3002Bは、処理された層2902であり、3003は、処理されたカソード層であり、3010は、CCC電気コンタクトエリアである。図31は、電解質(例えば、LiPON)層3104のブランケット堆積後の図30の構造を示す。また、処理においてこの時点で必要であれば−例えば、セルが、個々に堆積したLiアノードがなくても元のカソードからの電荷キャリアを使用する、非Liアノードセルを製造する際など−電解質堆積前に、乾燥リチオ化を行うことができる。図32は、ACCの表面の大部分から電解質材料をレーザ除去した後の図31の構造を示す。レーザ3204は、処理された層3104である。図33は、アノード(例えば、Li、Si)層3305最初の保護(例えば、Ti/Cu)層3306ブランケット堆積後の図32の構造を示す。図34は、以下の更なる処理後の図33の構造を示す:(1)レーザパターニング処理を使用した第2のダイパターニング及び(2)サブUVレーザ(例えば、248nm若しくは266nm)又はfsレーザを使用して形成され得、潜在的な電気的短絡経路の長さを増加させ、よってレーザカット側壁に沿ってCCC/カソードとアノード/ACCとの間で、短絡発生の可能性を低下させる、レーザアブレーションが絶縁した電解質層で停止するバッファエリア3420を形成することを含むCCCステップ露出/出現。層3405及び3406は、それぞれ処理された層3305、3306である。図35は、ブランケットカプセル化(例えば、ポリマー誘電体層)層3507堆積後の図34の構造を示し、複数の層は、例えば、ポリマー/誘電体材料の複数の層など、必要なデバイス寿命を提供することが必要とされる場合、複数の層が堆積され得る。図36は、電気的コンタクトがTFB電極−ACC及びCCCの両方−で実行可能となるまで開放されている、CCCコンタクトエリア及びACCコンタクトエリアを露出するためのレーザアブレーション後の図35の構造を示す。層3607は、処理された層3507であり、3601は、単一TFBのための基板である。更に、幾つかの実施形態では、図35及び図36に示されるようなカプセル化層の堆積及びパターニングは、同一の又は異なるカプセル化材料を使用して一回又は複数回繰り返され得る。レーザアブレーションはまた、ダイシンギュレーションに使用されてもよい。
図37は、アノードエリアがTFB設置面積(デバイスエリア)の90%を超えるTFBを示す、ダイシング前の12の同一平面上のTFBを含む基板3701の平面図である。この図は、アノード3702(最初の保護層及びカプセル化層の下)、CCCの露出部分3703、LiPON層の中間部でレーザアブレーション処理を停止することによってバッファエリアが形成されている電解質バッファエリア3704(カプセル化層の下)、及びACCの露出部分3705の広がりを示す。コンタクトエリア3703及び3705は、図に示されたようにコーナーに限定されていないが、対応する集電体の他の位置に配置され得ることに留意されたい。図37の構成は、図29から図36の製造処理からもたらされたデバイスの幾つかの実施形態のデバイス構成の例である。
図36及び図37に示される実施形態によれば、薄膜バッテリは、基板と;基板の上のカソード集電体層及びアノード集電体層であって、互いから電気的に絶縁されているカソード集電体層及びアノード集電体層と;カソード集電体層の上のカソード層であって、カソード集電体層のコンタクトエリアがカソード層によって覆われていない、カソード層と;カソード層の上面を完全に覆っておりかつアノード集電体層の一部を覆っている電解質層であって、アノード集電体の覆われていない部分がアノード集電体のコンタクトエリアである、電解質層と;電解質層及びアノード集電体の上のアノード層であって、アノード集電体のアノードコンタクトエリアの一部がアノード層によって覆われておらず、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソード層のエッジをアノード層のエッジから電気的に絶縁するための電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアが、アノード層によって覆われておらず、電気的に絶縁するバッファエリアがカソード集電体層のコンタクトエリアとアノード層との間にある、アノード層とを備え得る。更に、カソード集電体のコンタクトエリアは、カソード集電体の上面のコーナー部分であり得る。更に、アノード集電体のコンタクトエリアは、アノード集電体の上面のコーナー部分であり得る。薄膜バッテリは、アノード層の上面にある最初の保護層であって、アノード層のエッジを越えて延びることなくアノード層の上面すべてを覆っている最初の保護層を更に備え得る。薄膜バッテリは、最初の保護層、アノード層、電解質層、及びカソード層を完全に覆っているカプセル化層を更に備え得る。
図29から図36及び図37に示される幾つかの実施形態によれば、薄膜バッテリを製造する方法は、基板の上に集電体層及びカソード層をブランケット堆積させることと;第1のパターニングされたスタックを形成するために、カソード集電体及びアノード集電体を形成するように集電体層及びカソード層をレーザダイパターニングすること、並びにカソード集電体のコンタクトエリアを出現させてアノード集電体のすべてを露出するようにカソード層の部分にレーザアブレーションを施すことと;第1のパターニングされたスタックの上に電解質層をブランケット堆積させることと;第2のパターニングされたスタックを形成するために、アノード集電体のコンタクトエリアを露出するように電解質層の一部にレーザアブレーションを施すことと;第2のパターニングされたスタックの上にアノード層及び最初の保護層をブランケット堆積させることと;集電体層及びカソード層のレーザダイパターニングのダイパターン内で電解質層、アノード層及び最初の保護層をレーザダイパターニングすることと;第3のデバイススタックを形成するために、カソード集電体のコンタクトエリアを出現させるように、最初の保護層、アノード層及び電解質層の部分にレーザアブレーションを施すこと、電解質層の中に電気的に絶縁するバッファエリアを形成して、カソード集電体のコンタクトエリアに隣接したカソード層のレーザ切断エッジをパターニングされたアノードのレーザ切断エッジから電気的に絶縁するように、最初の保護層、アノード層及び電解質層の厚さの一部にレーザアブレーションを施すこと、並びにアノード集電体のコンタクトエリアを出現させるように最初の保護層及び電解質層の一部にレーザアブレーションを施すこととを含み得る。更に、カソード層は、集電体層及びカソード層のレーザダイパターニングと、カソード層の部分のレーザアブレーションとの後に、アニールされ得る。更に、カプセル化層を第3のデバイススタック上にブランケット堆積させることができ、カプセル化層にレーザアブレーションを施して、カソード集電体のコンタクトエリアの一部及びアノード集電体のコンタクトエリアの一部を出現させ、第4デバイス構造が形成され得る。更に、第2のカプセル化層を第4デバイススタック上にブランケット堆積させ、第2のカプセル化層にレーザアブレーションを施して、カソード集電体のコンタクトエリアの第2部分及びアノード集電体のコンタクト部分の第2部分を出現させることができ、この場合、第2の部分は、第1の部分よりも小さい。更に、電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアを形成するために電解質層にレーザアブレーションを施すことは、フェムト秒UVレーザを利用し得る。
図16から図21は、幾つかの実施形態によるTFBの製造処理を示しており、これは、導電基板1601に対する処理フローである。処理フローは、図16で、集電体(例えば、Ti/Au)層1602及びカソード(例えば、LiCoO2)層1603の基板1601上でのブランケット堆積で開始する。導電基板は、ガラス、ケイ素、雲母、導電性セラミック、金属、剛性材料、フレキシブル材料、プラスチック/ポリマーなどであり得る;更に、レーザパターニングがTFBの基板側から行われる実施形態では、基板はまた、レーザ処理の透明要件を満たすことも必要となるだろう。図17は、以下の処理後の図16の構造を示す:(1)基板又は薄膜側からのレーザダイパターニング;(2)結晶性構造を開発するために、LiCoO2に対して、例えば、600℃以上で2時間以上アニールされ得るカソードアニール。(注意:代替的には、この構造は、単一のシャドウマスクによって形成することができる。)層1702及び1703は、それぞれ処理された層1602、1603である。図18は、電解質(例えば、LiPON)層1804及びアノード(例えば、Li、Si)層1805、及びACC/最初の保護(例えば、Ti/Cu)層1806のブランケット堆積後の図17の構造を示す。また、処理においてこの時点で必要であれば−例えば、セルが、個々に堆積したLiアノードがなくても元のカソードからの電荷キャリアを使用する、非Liアノードセルを製造する際など−電解質堆積前に、乾燥リチオ化を行うことができる。図19は、ダイパターニング後の図18の構造を示す(一部の領域では、レーザ切断側壁に沿って、導電性基板とアノード/ACCとの間の短経路の可能性を低減するために、サブUVレーザ(例えば、248nm若しくは266nm)又はfsレーザを使用することによって行うことができる絶縁された電解質層でレーザアブレーションが停止する)。層1904、1905、1906は、それぞれ処理された層1804、1805、1806であり、1920は、絶縁電解質層1904内に形成されたバッファゾーンである。図20は、ブランケットカプセル化(例えば、ポリマー誘電体層)層2007堆積後の図19の構造を示し、複数の層は、例えば、ポリマー/誘電体材料の複数の層など、必要なデバイス寿命を提供することが必要な場合、複数の層が堆積され得る。図21は、最上部からTFBへの電気コンタクト(導電性基板の背面からのTFBスタック底部へのコンタクト)、及びダイシンギュレーションを実行可能にするために開放されたACCコンタクトエリアを露出するためのレーザアブレーション後の図20の構造を示す。層2107は、処理された層2007であり、2101は、単一TFBのための基板である。更に、幾つかの実施形態では、図20及び図21に示されるようなカプセル化層の堆積及びパターニングは、同一の又は異なるカプセル化材料を使用して一回又は複数回繰り返され得る。図21のデバイス構造と図9及び図15のデバイス構造とを比較すると、導電性基板の場合に構造がどのように変更されているかが明らかである−基板2101とアノード/ACC1905/1906との間での短絡の機会を低減するために、バッファゾーン1920が形成されている。
図38は、アノードエリアがTFB設置面積(デバイスエリア)の90%を超えるTFBを示す、ダイシング前の12のTFBを含む基板3801の平面図である。この図は、アノード3803(最初の保護/ACC層及びカプセル化層の下)、ACCの露出部分3804、LiPON層の中間部でレーザアブレーション処理を停止することによってバッファエリアが形成されている、電解質バッファゾーン3802(カプセル化層の下)の広がりを示す。CCCへの電気コンタクトが基板3801を介して行われ、ACCコンタクトエリア3804の位置がACCの任意の場所に置かれ得ることに留意されたい。図38の構成は、図16から図21の製造処理からもたらされたデバイスの幾つかの実施形態のデバイス構成の例である。
図21及び図38に示されるような幾つかの実施形態によれば、薄膜バッテリは、導電基板と;基板上のカソード集電体層と;カソード集電体層の上のカソード層と;カソード層及びカソード集電体層を完全に覆う電解質層と;電解質層の上のアノード層とアノード層の上のアノード集電体層とを含み得、導電基板をアノード層のエッジから電気的に絶縁するための、電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアが、アノード層又はアノード集電体層によって覆われておらず、電気的に絶縁するバッファエリアがアノード及びアノード集電体を完全に包囲している。薄膜バッテリは、アノード集電体層の上面にあるカプセル化層であって、アノード集電体コンタクトエリアから離れて、アノード集電体層の上面すべてを覆うカプセル化層であって、電気的に絶縁するバッファエリアを更に覆う、カプセル化層を更に備え得る。
図16から図21及び図38に示される実施形態によれば、薄膜バッテリを製造する方法は、導電基板の上でカソード集電体層及びその後に続くカソード層をブランケット堆積させることと;カソード集電体層及びカソード層をレーザダイパターニングして、カソード集電体の上面を覆うカソードを含む第1のパターニングされたスタックを形成することと;第1のパターニングされたスタックの上に電解質層、アノード層及びアノード集電体層をブランケット堆積させることと;アノード集電体層、アノード層、電解質層及びアノード集電体層のレーザアブレーション部分をレーザダイパターニングすることであって、アノード層及び電解質層が第3のスタックを形成し、第3のスタックが、アノードの上面を覆うアノード集電体と、導電基板をアノードのレーザカットエッジから電気的に絶縁するための、電解質層の中の出現した電気的に絶縁するバッファエリアとを含み、電気的に絶縁するバッファエリアがアノード及びアノード集電体を完全に包囲し、電解質層の厚さの一部に、電気的に絶縁するバッファエリアを形成するためにアブレーションが施される、レーザダイパターニングすることとを含み得る。方法は、カソード集電体層及びカソード層のレーザダイパターニング後にカソードをアニールすることを更に含み得る。方法は、第3のスタックの上にカプセル化層をブランケット堆積させることと、カプセル化層にレーザアブレーションを施し、アノード集電体のコンタクトエリアを出現させ、第4のデバイス構造を形成することとを更に含み得る。方法は、第4のデバイススタックの上に第2のカプセル化層をブランケット堆積させることと、第2のカプセル化層の部分にレーザアブレーションを施し、アノード集電体のコンタクトエリアの一部を出現させることとを更に含み得る。更に、電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアを形成するために電解質層にレーザアブレーションを施すことは、フェムト秒UVレーザを利用し得る。
図23は、典型的なLiPON材料の光学定数を示しており、ガラス基板上に堆積した1.5ミクロンのRFスパッタされたLiPONは、分光偏光解析法を用いて特徴付けられた。これらの光学特性は、例えば、200nmから400nmの範囲のレーザ波長を有するUVレーザ又はフェムト秒レーザ(フェムト秒UVレーザを含む)が、LiPONに選択的にアブレーションを施す際に、即ち、LiPON層の中央で停止するように容易に制御することができるレーザアブレーション処理に有効であろうことを示している。(低温プラズマが この波長でアブレーション処理を支配するので、ピコ秒、ナノ秒又はマイクロ秒のレーザでは、LiPON膜によるフェムト秒レーザエネルギーの吸収は不要であるが、LiPON膜は、アブレーション処理を誘発するためにレーザエネルギーのいくらかを吸収する必要があろうことに留意されたい。)
図24A及び図24Bは、LiPONなどの電解質材料の選択的アブレーションに使用され得るレーザの種類及びパラメータ範囲の例として提供される。図24Aは、248nmレーザによるLiPONの1.5ミクロン厚の層のアブレーションに関するレーザフルエンスの関数としてアブレーション深さのグラフを示し、レーザパルス幅は、248nmレーザなどのサブUVレーザに対してナノ秒からピコ秒の範囲にある。この予備的データは、248nmレーザがLiPONに選択的にアブレーションを施すことができることを示しており、即ち、アブレーションの深さはレーザ出力とともに増加すると見られ、これは十分なレーザエネルギーがLiPON膜の部分に堆積されて、例えば、下にあるカソード層に対して選択的アブレーションを実出現させることを示している。更に、選択的アブレーションはまた、266nmレーザを使用して実現できると予想される。図24Bは、513nmレーザによるCu/LiPONの0.7/1.8ミクロンのアブレーションに関するレーザフルエンスの関数としてアブレーション深さのグラフを示し、レーザパルス幅は、513nmレーザなどのフェムト秒レーザに対して1000フェムト秒未満である。この予備的データは、513nmのレーザがLiPONを選択的にアブレートできることを示す。
従来のレーザスクライブ技術又はレーザプロジェクション技術は、本実施形態のレーザパターニング処理に使用され得る。レーザの数は、1つ、例えば、ピコ秒又はフェムト秒パルス幅を有するUV/VISレーザであっても(レーザフルエンス/量によって選択的に制御される);2つ、例えば、UV/VISレーザ及びIRレーザの組み合わせであっても(レーザ波長/フルエンス/量によって選択的に制御される);複数であっても(レーザ波長/フルエンス/量によって選択的に制御される)よい。レーザスクライブシステムの走査方法は、検流計による段階移動、ビーム移動又はその両方であり得る。レーザスクライブシステムのレーザスポットサイズは、直径10ミクロン(主にダイパターニング用)から1cmまで調節され得る。レーザプロジェクションシステムの基板におけるレーザエリアは、0.1mm2以上であり得る。更に、他のレーザ種類及び構成が使用されてもよい。本明細書に記載されるレーザパターニング処理は、レーザアブレーション処理であり、レーザアブレーションは、スポットレーザに対するレーザ走査速度及びフルエンス、又はエリアレーザに対するショットの数及びフルエンスを制御することによって実現される。レーザパターニングが透明な基板を介して実施されるとき、レーザ及び基板材料は、基板内部でレーザエネルギーの任意の著しい吸収を回避するために適合する必要があり、アブレート対象である層によってレーザエネルギーの吸収がなおもよいだろう。
図25は、実施形態による、選択的レーザパターニングツール2500の概略図である。ツール2500は、基板2504上のパターニングデバイス2503用のレーザ2501を含む。更に、基板2504を通るパターニング用のレーザ2502も示されているが、基板が反転されるときには、基板2504を通るパターニング用にレーザ2501が使用されてもよい。基板ホルダ/ステージ2505は、基板2504の保持及び/又は移動のために提供される。ステージ2505は、基板を通るレーザパターニングを収容する開口を有してもよい。ツール2500は、レーザアブレーション中又は移動中に、基板が固定されるように構成されてもよく、レーザ2501/2502はまた、固定式又は可動式でもよく、幾つかの実施形態では、基板とレーザは共に運動が制御システムによって連携されている場合には、可動式であってもよい。SMFなどの前端インターフェース、更にグローブボックス及びアンテチャンバを含むスタンドアロン版のツール2500が図25に示される。図25に示す実施形態は、本発明によるツールの1つの実施例であるが、本ツールの他の構成も数多く想定され、例えば、リチウムフリーTFBの場合には、必ずしもグローブボックスは必要ではない。更に、ツール2500は、リチウム箔製造で使用される乾燥室のような、好適な環境を有する部屋に配置されてもよく、クローブボックスを必要としないこともある。
図26は、幾つか実施形態によるTFBを製造するため処理システム2600の概略図である。処理システム2600は、上述した処理ステップで利用されうる、反応性プラズマ洗浄(RPC)チャンバ2602及び処理チャンバC1−C4(2611−2614)を備えるクラスタツール2601/2610に対する標準の機械インターフェース(SMIF)を含む。クラスタツールには、グローブボックス2604を取り付けることもできる。グローブボックスは、不活性環境内で(例えばHe、Ne、又はArなどの希ガス下で)基板を保存することが可能であり、これは、アルカリ金属/アルカリ土類金属の堆積後に有用である。必要であれば、グローブボックスへのアンテチャンバ2605が使用されるのであるが、アンテチャンバは、グローブボックス内の不活性環境を汚染することなく、グローブボックスとの間で基板を出し入れすることを可能にする、ガス交換チャンバ(不活性ガスから空気へ、及びその逆)である。(グローブボックスは、リチウム箔の製造者によって使用されるのに十分なほど露点が低い乾燥室雰囲気に置換可能であることに留意されたい。)チャンバC1からC4は、例えば、カソード層の堆積(例えば、RFスパッタリングによるLiCoO2);電解質層の堆積(例えば、N2中の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;上記のようなブランケット層の選択的レーザパターニングを含み得る、TFB製造用の処理ステップのために構成することができる。(レーザパターニングは、本明細書に記載されているクラスタツールで行われてもよく、又はスタンドアロンツールで行われてもよいことに留意されたい)。処理システム500に対するクラスタ構成が示されているが、基板が1つのチャンバから次のチャンバへ連続的に移動するように、処理チャンバが、移送チャンバなしで直線状に配設される、線形システムが利用され得ると理解されたい。
図27は、幾つかの実施形態による、ツール2730、2740、2750を含む、2701から2799までの複数のインラインツールを備えたインライン製造システム2700の表示である。インラインツールは、TFBの層のすべてを堆積させるためのツール、及び基板及びCCCの1つの表面を3次元的に制限するためのツールを含み得る。更に、インラインツールは、事前調整チャンバ及び事後調整チャンバを含み得る。例えば、ツール2701は、基板が真空エアロック2702を通って堆積ツール内へと移動することに先立って真空を確立するための、ポンプダウンチャンバであり得る。インラインツールの一部又は全ては、真空エアロックによって分離された真空ツールでありうる。プロセスライン内のプロセスツール及び特定のプロセスツールの順序は、例えば、上述の処理フローで特定されるような、使用されている特定のTFB製造方法によって決定されることに留意されたい。更に、基板は、水平又は垂直のいずれかに配向されたインライン製造システムを通って移動させることができる。また更に、選択的レーザパターニングモジュールは、レーザアブレーション中又は移動中に基板が固定するように構成されてもよい。
図27及び図28に示すような、インライン製造システムを通る基板の移動を示すために、ただ1つのインラインツール2730を適所に備えた基板コンベヤ2801が示されている。図のように、基板2803を包含する基板ホルダ2802(基板ホルダは、基板が見えるように部分的に切り取られて示されている)が、ホルダと基板がインラインツール2730を通って移動するために、コンベヤ2801、又は同等のデバイス上に装着される。
本開示の実施形態による薄膜バッテリを形成するための第1の装置は、集電体層及びカソード層を基板の上にブランケット堆積させレーザダイパターニングし、第1のパターニングされたスタックを形成するための第1のシステムと;第1のパターニングされたスタックの上で電解質層、アノード層及びACCをブランケット堆積させ、次に(1)第1のダイパターン内部でのレーザダイパターニング、(2)カソードの部分にアブレーションを施すことによって、CCCのコンタクトエリアを出現させ、レーザカットエッジが極接近する場合に、電気的に絶縁するバッファエリアを電解質層に形成し、パターニングされたCCC/カソードのレーザカットエッジをパターニングされたアノード/ACCのレーザカットエッジから電気的に絶縁する電気的に絶縁するバッファエリアを形成する、レーザパターニングが続く第2のシステムとを含み得る。システムは、クラスタツール、インラインツール、スタンドアロンツール、又は前述のツールの一又は複数の組み合わせであり得る。更に、システムは、他のシステムの一又は複数に共通する幾つかのツールを含み得る。また更に、装置は、レーザダイパターニング及びレーザパターニング後にカソード層をアニールするための第3のシステムを備え得る。
本開示の実施形態による薄膜バッテリを形成するための第2の装置は、集電体層及びカソード層を基板の上にブランケット堆積させレーザダイパターニングし、第1のパターニングされたスタックを形成するための第1のシステムであって、CCCのコンタクトエリアがカソードの一部のアブレーションによって現れる、第1のシステムと;第1のパターニングされたスタックの上で電解質層、アノード層及びACCをブランケット堆積させ、次に(1)第1のダイパターン内部でのレーザダイパターニング、(2)CCCのコンタクトエリアを出現させ(更なるカソード材料アブレーションを必要とせずに)、レーザカットエッジが極接近する場合に、電気的に絶縁するバッファエリアを電解質層に形成し、パターニングされたCCC/カソードのレーザカットエッジをパターニングされたアノード/ACCのレーザカットエッジから電気的に絶縁する電気的に絶縁するバッファエリアを形成する、レーザパターニングが続く第2のシステムとを含み得る。システムは、クラスタツール、インラインツール、スタンドアロンツール、又は前述のツールの一又は複数の組み合わせであり得る。更に、システムは、他のシステムの一又は複数に共通する幾つかのツールを含み得る。また更に、装置は、レーザダイパターニング及びレーザパターニング後にカソード層をアニールするための第3のシステムを備え得る。
本開示の実施形態による薄膜バッテリを形成するための第3の装置は、集電体層及びカソード層を基板の上にブランケット堆積させレーザダイパターニングし、第1のパターニングされたスタックを形成するための第1のシステムであって、CCCのコンタクトエリアがカソードの一部のアブレーションによって現れ、ACCすべてが露出される、第1のシステムと;第1のパターニングされたスタックの上で電解質層をブランケット堆積させ、電解質層の一部にレーザアブレーションを施し、ACCの大部分を露出することで、第2のパターニングされたスタックを形成するための第2のシステムと;第2のパターニングされたスタックの上にアノード層及び最初の保護層をブランケット堆積させるための第3のシステムであって、第1のダイパターン内部に電解質層、アノード層及び最初の保護層をレーザダイパターニングし、最初の保護層、アノード層、及び電解質層の部分にレーザアブレーションを施し、CCCのコンタクトエリアを出現させ、最初の保護層、アノード層及び電解質の厚さの部分にレーザアブレーションを施し、電解質層の中に電気的に絶縁するバッファエリアを形成して、レーザカットエッジが極めて近接するパターニングされたアノードのレーザカットエッジから、パターニングされたCCC/カソードのレーザカットエッジを電気的に絶縁し、最初の保護層及び電解質層の一部にレーザアブレーションを施し、ACCのコンタクトエリアを現すための第3のシステムとを備え得る。システムは、クラスタツール、インラインツール、スタンドアロンツール、又は前述のツールの一又は複数の組み合わせであり得る。更に、システムは、他のシステムの一又は複数に共通する幾つかのツールを含み得る。また更に、装置は、第1のレーザダイパターニング及びカソードパターニング後にカソード層をアニールするための第4のシステムを備え得る。
本開示の実施形態による導電基板の上に薄膜バッテリを形成するための第4の装置は、集電体層及びカソード層を基板の上にブランケット堆積させレーザダイパターニングし、第1のパターニングされたスタックを形成するための第1のシステムと;第1のパターニングされたスタックの上で電解質層、アノード層及びACCをブランケット堆積させ、次に第1のダイ第パターン内部でレーザダイパターニングを行うための第2のシステムとを備え得る。システムは、クラスタツール、インラインツール、スタンドアロンツール、又は前述のツールの一又は複数の組み合わせであり得る。更に、システムは、他のシステムの一又は複数に共通する幾つかのツールを含み得る。また更に、装置は、集電体層及びカソード層のレーザダイパターニング後にカソード層をアニールするための第3のシステムを備え得る。
本開示の実施形態は、TFBデバイス、処理フロー及び製造装置の特定の例を参照して本明細書で説明されているが、本開示の教示及び原理は、より広い範囲のTFBデバイス、処理フロー及び製造装置に適用され得る。例えば、本明細書で先ほど説明したものとは逆のTFBスタック、即ち、基板上にACC及びアノードを有し、固体電解質、カソード、CCC及びカプセル化層が続く反転されたスタックのためのデバイス、処理フロー及び製造装置が想定される。更に、当業者であれば、広範囲のデバイス、処理フロー及び製造装置を生成するために、本開示の教示及び原理をどのように適用するかを理解するであろう。
本開示の実施形態は、TFBを参照して本明細書に記載されているが、本開示の教示及び原理は、電気化学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良されたデバイス、処理フロー及び製造装置にも適用され得る。当業者は、他の電気化学デバイスに特有のデバイス、処理フロー及び製造装置を生成するために、本開示の教示及び原理をどのように適用するかを理解するだろう。
本開示の実施形態は、バッファ層を形成してLiPONにアブレーションを施すためのフェムト秒レーザ(フェムト秒UVレーザを含む)の使用を参照し本明細書で説明されたが、材料の光吸収特性に応じて、フェムト秒レーザは、一般に、ダイパターニングを含む、本明細書に記載の処理フローにおけるレーザアブレーションに使用され得る。
本開示の実施形態は、特に本開示のある実施形態を参照して説明されているが、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更及び修正を加え得ることは、当業者には容易に明らかになるはずである。
Claims (15)
- 薄膜バッテリであって、
基板と、
前記基板の上のカソード集電体及びアノード集電体であって、互いから電気的に絶縁されているカソード集電体及びアノード集電体と、
前記カソード集電体の上のカソード層であって、前記カソード集電体のコンタクトエリアが前記カソード層によって覆われていない、カソード層と、
前記カソード層の上面を完全に覆っておりかつ前記アノード集電体の一部を覆っている電解質層であって、前記アノード集電体の覆われていない部分が前記アノード集電体のコンタクトエリアである、電解質層と、
前記電解質層及び前記アノード集電体の上のアノード層であって、前記アノード集電体の前記アノードコンタクトエリアの一部が前記アノード層によって覆われておらず、前記カソード集電体の前記コンタクトエリアに隣接した前記カソード層のエッジを前記アノード層のエッジから電気的に絶縁するための、前記電解質層の中の電気的に絶縁するバッファエリアが、前記アノード層によって覆われておらず、前記電気的に絶縁するバッファエリアが前記カソード集電体の前記コンタクトエリアと前記アノード層との間にある、アノード層と
を備える薄膜バッテリ。 - 前記カソード集電体の前記コンタクトエリアが、前記カソード集電体の上面のコーナー部分である、請求項1に記載の薄膜バッテリ。
- 前記アノード集電体の前記コンタクトエリアが、前記アノード集電体の上面のコーナー部分である、請求項1に記載の薄膜バッテリ。
- 最初の保護層を更に備え、前記最初の保護層は、前記アノード層の上面にあり、前記アノード層の前記エッジを越えて延びることなく前記アノード層の前記上面すべてを覆っている、請求項1に記載の薄膜バッテリ。
- 前記最初の保護層、前記アノード層、前記電解質層、及び前記カソード層を完全に覆っているカプセル化層を更に備える、請求項4に記載の薄膜バッテリ。
- 薄膜バッテリを製造する方法であって、
基板の上に集電体層及びカソード層をブランケット堆積させることと、
カソード集電体及びアノード集電体を形成するように前記集電体層及び前記カソード層をレーザダイパターニングし、前記カソード集電体のコンタクトエリアを出現させて前記アノード集電体のすべてを露出するように前記カソード層の部分にレーザアブレーションを施して、第1のパターニングされたスタックを形成することと、
前記第1のパターニングされたスタックの上に電解質層をブランケット堆積させることと、
前記アノード集電体のコンタクトエリアを露出するように前記電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第2のパターニングされたスタックを形成することと、
前記第2のパターニングされたスタックの上にアノード層及び最初の保護層をブランケット堆積させることと、
前記集電体層及び前記カソード層の前記レーザダイパターニングのダイパターン内で前記電解質層、前記アノード層及び前記最初の保護層をレーザダイパターニングすることと、
前記カソード集電体の前記コンタクトエリアを出現させるように、前記最初の保護層、前記アノード層及び前記電解質層の部分にレーザアブレーションを施し、前記電解質層の中に電気的に絶縁するバッファエリアを形成して、前記カソード集電体の前記コンタクトエリアに隣接した前記カソード層のレーザ切断エッジをパターニングされた前記アノードのレーザ切断エッジから電気的に絶縁するように、前記最初の保護層、前記アノード層及び前記電解質層の厚さの一部にレーザアブレーションを施し、前記アノード集電体の前記コンタクトエリアを出現させるように前記最初の保護層及び前記電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第3のデバイススタックを形成することと
を含む方法。 - 前記カソード層が、前記集電体層及び前記カソード層の前記レーザダイパターニング並びに前記カソード層の前記部分の前記レーザアブレーションの後にアニールされる、請求項6に記載の方法。
- 前記第3のデバイススタックの上にカプセル化層をブランケット堆積させることと、
前記カソード集電体の前記コンタクトエリアの一部及び前記アノード集電体の前記コンタクトエリアの一部を出現させるように前記カプセル化層にレーザアブレーションを施して、第4のデバイス構造を形成することと
を更に含む、請求項6に記載の方法。 - 前記第4のデバイススタックの上に第2のカプセル化層をブランケット堆積させることと、
前記カソード集電体の前記コンタクトエリアの第2の部分及び前記アノード集電体の前記コンタクトエリアの第2の部分を出現させるように前記第2のカプセル化層にレーザアブレーションを施すことであって、前記第2の部分が前記第1の部分よりも小さい、レーザアブレーションを施すことと
を更に含む、請求項8に記載の方法。 - 前記電解質層の中に前記電気的に絶縁するバッファエリアを形成するために前記電解質層に前記レーザアブレーションを施すことが、フェムト秒UVレーザを利用する、請求項6に記載の方法。
- 基板の上に薄膜バッテリを製造するための装置であって、
基板の上に集電体層及びカソード層をブランケット堆積させ、カソード集電体及びアノード集電体を形成するように前記集電体層及び前記カソード層をレーザダイパターニングし、前記カソード集電体のコンタクトエリアを出現させ前記アノード集電体のすべてを露出するように前記カソード層の部分にレーザアブレーションを施して、第1のパターニングされたスタックを形成するための第1のシステムと、
前記第1のパターニングされたスタックの上に電解質層をブランケット堆積させ、前記アノード集電体のコンタクトエリアを露出するように前記電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第2のパターニングされたスタックを形成するための第2のシステムと、
前記第2のパターニングされたスタックの上にアノード層及び最初の保護層をブランケット堆積させ、前記集電体層及び前記カソード層の前記レーザダイパターニングのダイパターン内で前記電解質層、前記アノード層及び前記最初の保護層をレーザダイパターニングし、前記カソード集電体の前記コンタクトエリアを出現させるように、前記最初の保護層、前記アノード層及び前記電解質層の部分にレーザアブレーションを施し、前記電解質層の中に電気的に絶縁するバッファエリアを形成して、前記カソード集電体の前記コンタクトエリアに隣接した前記カソード層のレーザ切断エッジをパターニングされた前記アノードのレーザ切断エッジから電気的に絶縁するように、前記最初の保護層、前記アノード層及び前記電解質層の厚さの一部にレーザアブレーションを施し、前記アノード集電体の前記コンタクトエリアを出現させるように前記最初の保護層及び前記電解質層の一部にレーザアブレーションを施して、第3のデバイススタックを形成するための第3のシステムと
を備える装置。 - 前記第1、第2及び第3のシステムがインラインツールである、請求項11に記載の装置。
- 前記集電体層及び前記カソード層の前記レーザダイパターニング及び前記カソード層の前記部分の前記レーザアブレーションの後に、前記カソード層をアニールするための第4のシステムを更に備える、請求項11に記載の装置。
- 前記第3のシステムが、前記電解質層の中に前記電気的に絶縁するバッファエリアを形成するために前記電解質層にレーザアブレーションを施すためのフェムト秒UVレーザを含む、請求項11に記載の装置。
- 前記第3のデバイススタックの上にカプセル化層をブランケット堆積させ、前記カソード集電体の前記コンタクトエリアの一部及び前記アノード集電体の前記コンタクトエリアの一部を出現させるように、前記カプセル化層にレーザアブレーションを施すための第5のシステムを更に備える、請求項11に記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201462046051P | 2014-09-04 | 2014-09-04 | |
US62/046,051 | 2014-09-04 | ||
PCT/US2015/048643 WO2016037109A1 (en) | 2014-09-04 | 2015-09-04 | Laser patterned thin film battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017526143A true JP2017526143A (ja) | 2017-09-07 |
Family
ID=55440414
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017511829A Pending JP2017526143A (ja) | 2014-09-04 | 2015-09-04 | レーザパターニングされた薄膜バッテリ |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20170288272A1 (ja) |
EP (1) | EP3189555A4 (ja) |
JP (1) | JP2017526143A (ja) |
KR (1) | KR20170048557A (ja) |
CN (1) | CN106797056A (ja) |
TW (1) | TW201622224A (ja) |
WO (1) | WO2016037109A1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020533744A (ja) * | 2017-09-15 | 2020-11-19 | ダイソン・テクノロジー・リミテッド | 電池セルの製造のためのレーザーアブレーション |
JP2023506202A (ja) * | 2019-12-11 | 2023-02-15 | ダイソン・テクノロジー・リミテッド | 蓄電装置 |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10290838B2 (en) * | 2015-09-08 | 2019-05-14 | Stmicroelectronics (Tours) Sas | Methods for encapsulating flexible thin-film micro-batteries to protect against environmental intrusion |
US20170301892A1 (en) | 2016-04-14 | 2017-10-19 | Applied Materials, Inc. | Multilayer thin film device encapsulation using soft and pliable layer first |
US10269926B2 (en) * | 2016-08-24 | 2019-04-23 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Purging deposition tools to reduce oxygen and moisture in wafers |
CN107681192B (zh) * | 2017-09-29 | 2019-12-20 | 清华大学 | 锂离子电池及其制造方法、电子装置 |
FR3078200B1 (fr) * | 2018-02-16 | 2020-03-20 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Procede de fabrication d'une electrode positive pour microbatterie tout solide au lithium |
GB2575789B (en) * | 2018-07-20 | 2021-11-03 | Dyson Technology Ltd | Energy storage device |
GB2575686B (en) * | 2018-07-20 | 2021-11-17 | Dyson Technology Ltd | Energy storage device |
KR102510296B1 (ko) | 2018-12-07 | 2023-03-15 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 리튬 전극 제조 장치 및 제조 방법 |
GB2587419A (en) * | 2019-09-30 | 2021-03-31 | Ilika Tech Limited | Method of fabricating a component material for a battery cell |
US11876233B2 (en) | 2020-02-20 | 2024-01-16 | International Business Machines Corporation | Thin film battery stacking |
CN113793970A (zh) * | 2021-09-08 | 2021-12-14 | 苏州清越光电科技股份有限公司 | 一种电池及其制备方法、穿戴设备 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8870974B2 (en) * | 2008-02-18 | 2014-10-28 | Front Edge Technology, Inc. | Thin film battery fabrication using laser shaping |
KR101773498B1 (ko) * | 2007-10-25 | 2017-09-01 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | 박막 배터리들의 대량 생산을 위한 방법 |
US20100323471A1 (en) * | 2008-08-21 | 2010-12-23 | Applied Materials, Inc. | Selective Etch of Laser Scribed Solar Cell Substrate |
CN103608967B (zh) * | 2011-06-17 | 2017-05-10 | 应用材料公司 | 使用无掩模式电解质沉积的薄膜电池制造 |
CN103636025B (zh) * | 2011-06-17 | 2016-06-22 | 应用材料公司 | 薄膜电池的无掩模制造 |
KR20130013990A (ko) * | 2011-07-29 | 2013-02-06 | 지에스칼텍스 주식회사 | 레이저를 이용하여 박막의 엣지를 가공하는 박막 전지의 제조 방법 |
TWI612712B (zh) * | 2012-10-25 | 2018-01-21 | 應用材料股份有限公司 | 繞射光學元件及用於圖案化薄膜電化學元件的方法 |
US9768450B2 (en) * | 2012-12-19 | 2017-09-19 | Applied Materials, Inc. | Mask-less fabrication of vertical thin film batteries |
-
2015
- 2015-09-04 KR KR1020177009176A patent/KR20170048557A/ko unknown
- 2015-09-04 CN CN201580055121.9A patent/CN106797056A/zh not_active Withdrawn
- 2015-09-04 TW TW104129369A patent/TW201622224A/zh unknown
- 2015-09-04 US US15/508,374 patent/US20170288272A1/en not_active Abandoned
- 2015-09-04 JP JP2017511829A patent/JP2017526143A/ja active Pending
- 2015-09-04 EP EP15837647.5A patent/EP3189555A4/en not_active Withdrawn
- 2015-09-04 WO PCT/US2015/048643 patent/WO2016037109A1/en active Application Filing
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020533744A (ja) * | 2017-09-15 | 2020-11-19 | ダイソン・テクノロジー・リミテッド | 電池セルの製造のためのレーザーアブレーション |
JP2023506202A (ja) * | 2019-12-11 | 2023-02-15 | ダイソン・テクノロジー・リミテッド | 蓄電装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
TW201622224A (zh) | 2016-06-16 |
KR20170048557A (ko) | 2017-05-08 |
WO2016037109A1 (en) | 2016-03-10 |
EP3189555A4 (en) | 2018-04-18 |
EP3189555A1 (en) | 2017-07-12 |
US20170288272A1 (en) | 2017-10-05 |
CN106797056A (zh) | 2017-05-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2017526143A (ja) | レーザパターニングされた薄膜バッテリ | |
JP6283433B2 (ja) | 薄膜電池のマスクレス製造 | |
US9768450B2 (en) | Mask-less fabrication of vertical thin film batteries | |
KR101942715B1 (ko) | 무마스크 전해질 증착을 사용한 박막 배터리 제조 | |
CN111095609A (zh) | 用于制造电池单元的激光烧蚀 | |
KR20170044730A (ko) | 삼차원 박막 배터리 | |
US20180161937A1 (en) | Method for removing transparent material using laser wavelength with low absorption characteristic | |
KR20210028694A (ko) | 에너지 저장 디바이스용 스택 |