JP2017533538A - ＬｉＰＯＮのイオン伝導性及びＴＦＢの製造収率を向上させる特殊ＬｉＰＯＮマスク - Google Patents

Abstract

一般的な態様により、本開示の実施形態は、堆積されたＬｉＰＯＮ層のイオン伝導性を向上させるだけでなく、ＲＦプラズマによるこの堆積された層への損傷を低減することによりデバイス収率も向上させる、特殊マスクの設計に関する。実施形態では、マスクは、堆積中に基板に対向している導電性の底部表面と、反対側の非導電性の上面とを含む。本開示の態様により、マスクの底面の導電部分は、ＬｉＰＯＮ膜への窒素導入を強化するための、弱い二次局所プラズマの形成（又はプラズマ浸漬の増大）を可能にする。非導電性の上面は局所的なマイクロアークを抑制し、このことが、成長する膜にプラズマによって引き起こされる損傷を制限することになる。【選択図】図２

Description

本願は、２０１４年８月２８日出願の米国仮特許出願第６２／０４２，９４３号の利益を主張する。

本開示の実施形態は概して、ＬｉＰＯＮ電解質層向けの特殊マスクの設計、及び、薄膜バッテリ（ＴＦＢ）の製造に関する。

卓越した特性を備えた薄膜バッテリ（ＴＦＢ）は、今後長期間にわたり、マイクロエネルギー応用の分野で優位に立つと予測されている。典型的にはＬｉＰＯＮからなるＴＦＢ電解質は、充電／放電プロセス中のＬｉ拡散速度にとって重要であり、この充電／放電プロセスでは、電解質層が、一般的にはサイクル性能及び比率容量を含むバッテリ性能に影響を与える。加えて、ピンホール又は損傷がないか又は少ない高品質のＬｉＰＯＮ層は、ＴＦＢの収率を改善するための最重要要因の１つである。

電解質層の特性の改善、及び処理中の電解質層への損傷の低減によってバッテリ性能及びＴＦＢの製造収率を効果的に向上させる製造装置及び製造方法が、明らかに必要である。

一般的な態様により、本開示の実施形態は、堆積されたＬｉＰＯＮ層のイオン伝導性を向上させるだけでなく、ＲＦ（高周波）プラズマによるこの層への損傷を低減することによりデバイス収率も向上させる、特殊マスクの設計に関する。実施形態では、マスクは、膜に対向している導電性の底面と、反対側の非導電性の上面とを含む。本開示の態様により、マスクの底面の導電部分は、ＬｉＰＯＮ膜への窒素導入を強化するための、弱い二次局所プラズマの形成（又はプラズマ浸漬の増大）を可能にする。非導電性の上面は局所的なマイクロアークを抑制し、このことが、成長する膜にプラズマによって引き起こされる損傷を制限することになる。

一部の実施形態により、電気化学デバイスを製造する方法は、非導電性の上面、及び導電性の底面を有するマスクを提供することと、基板上のデバイス層のスタックであって、前記基板上の集電体層、及び、前記集電体層上の電極層を備える、デバイス層のスタックを形成することと、前記マスクを、前記底面が前記スタックの頂面に隣接するように配置することと、前記底面を前記膜スタックに隣接させて前記マスクを配置した状態で、ＰＶＤプロセスを使用して、前記スタック上に電解質層を堆積させることとを、含みうる。

一部の実施形態により、電気化学デバイスを製造するためのシステムは、電気化学デバイスの電解質層をパターニングするためのシャドウマスクであって、１０^−７Ｓ／ｍを下回る導電率を有する上面、及び、１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する底面がある平面本体を備える、シャドウマスクと、集電体、電極層、及び前記電解質層を備える基板上のデバイススタックを堆積させるための第１システムとを備えてよく、前記第１システムは、前記堆積中に前記シャドウマスクの前記底面が前記基板に対向している前記シャドウマスクを用いて、前記電解質を堆積させるよう構成された、ＰＶＤ堆積ツールを備える。

一部の実施形態により、電気化学デバイスの電解質層をパターニングするためのシャドウマスクは、１０^−７Ｓ／ｍを下回る導電率を有する上面、及び、１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する底面がある、平面本体を備えうる。

本開示の上記の態様及び特徴と、その他の態様及び特徴とは、添付の図と併せて本開示の特定の実施形態についての下記の説明を確認することで、当業者には明らかになろう。

実施形態による、薄膜バッテリ（ＴＦＢ）の完成構造物の断面図を示す。 本開示の実施形態による製造装置及び製造方法の態様を示す断面図である。 本開示の実施形態によるマスクを使用して製造されたＴＦＢの、容量に対する電圧の放電カーブを示す図表である。 一部の実施形態による、ＴＦＢを製造するための処理システム４００の概略図である。 一部の実施形態による、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の図を示す。 一部の実施形態による、図５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。

これより、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。これらの図面は、当業者が本開示を実践できるように、本発明の例示として提供されている。留意すべきは、下記の図及び例は、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、説明又は図示されてい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ことである。更に、既知の構成要素を使用して、本開示のいくつかの要素を部分的に又は完全に実装することができる場合、かかる既知の構成要素の、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それ以外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している一実施形態を限定的と見なすべきではない。むしろ、本開示は、本書に別段の明示的な記載がない限り、複数の同じ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。更に出願人は、本明細書又は特許請求の範囲内のいかなる用語も、一般的でない意味又は特殊な意味に見なすことを、そのように明記しない限りは、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。

薄膜バッテリ（ＴＦＢ）やエレクトロクロミックデバイス（ＥＣ）といった電気化学デバイスは、集電体、カソード（正電極）、固体状態電解質、及びアノード（負電極）を含む層の、薄膜スタックを含む。

図１は、基板１０１上に形成されたカソード集電体１０２及びアノード集電体１０３と、それに続くカソード層１０４、改良型の（本開示の方法により製造された）電解質層１０５、及びアノード層１０６とを伴う、典型的な薄膜バッテリ（ＴＦＢ）構造物１００の断面図を示している。ただし、このデバイスはカソード、電解質、及びアノードを逆順にして製造されることもある。更に、カソード集電体（ＣＣＣ）とアノード集電体（ＡＣＣ）とは別々に堆積されうる。例えば、ＣＣＣはカソードの前に堆積されてよく、ＡＣＣは電解質の後に堆積されうる。環境感応層を酸化剤から保護するために、デバイスは封入層１０７によって覆われうる。図１に示しているＴＦＢデバイスでは、構成層が縮尺どおりには描かれていないことに留意されたい。更に、カソード層１０４の一例は（例えばＲＦスパッタリングやパルスＤＣスパッタリング等によって堆積された）ＬｉＣｏＯ_２（ＬＣＯ）層であり、改良型の電解質層１０５の一例は（本開示の実施形態によるマスク及び方法を使用して、例えばＲＦスパッタリング等によって堆積された）ＬｉＰＯＮ層であり、アノード層１０６の一例は（例えば蒸発やスパッタリング等によって堆積された）Ｌｉ金属層である。

従来型のＴＦＢ製造においては、図１に示す全ての層は、裏側磁石又はサブキャリア又はＫａｐｔｏｎ（登録商標）テープによってデバイス基板１０１に固定されている、インシトゥ（その場）のシャドウマスクを使用して、パターニングされる。典型的には、単一材料（金属かセラミックのいずれか）からなるマスクが使用される。しかし、金属のみで作製されたマスクを使用しての電解質層１０５の形成中には、ＬｉＰＯＮ層がＲＦプラズマによって損傷されがちであることを、本開示の著者は見出した。例えば、ＬｉＰＯＮ層に、主としてマスクの開口領域及びパターン領域のエッジに沿って、マイクロアークによって引き起こされる損傷が発生し、マイクロ燃焼、ピンホール、表面粗さ、及び樹状突起などの不具合がもたらされうる。その一方、セラミック材料のみで作製されたマスクを使用することで、ＬｉＰＯＮ層のイオン伝導性が、金属マスクの使用と比較して有意に減少することがわかった。

したがって、いくつかの一般的な態様により、本開示による製造装置及び製造方法の実施形態は、ＬｉＰＯＮを含む電解質層のイオン伝導性を向上させるだけでなく、ＲＦプラズマによる電解質層への損傷を減少させることによりＴＦＢデバイスの製造収率も向上させる。

図２は、本開示の実施形態による、製造装置及び製造方法の態様を示している。

より詳細には、図２は、電解質層の形成段階におけるＴＦＢスタック２００を示す断面図である。図示しているように、処理中の膜スタック２００は、基板２０１と、堆積されパターニングされたカソード集電体２０２と、堆積されパターニングされたアノード集電体２０３と、堆積されパターニングされたカソード２０４とを含む。図２は、堆積のプロセスにおける電解質層２０５を更に示している。本開示の態様により、電解質（例えばＬｉＰＯＮ）層の堆積中に、実施形態によるシャドウマスク２２０が使用される。マスク２２０は、堆積された集電体２０２及び２０３の表面に接触している（すなわち、電解質層の堆積前かつ堆積されたカソード層２０４のパターニング後の）底面２２１と、上面／前面２２２とを有するように、配置される。

この開示の態様により、マスク２２０の面２２１及び２２２は、非常に異なる導電性を有しうる。好ましい実施形態では、面２２１は導電性であり、面２２２は非導電性である。本書において、「導電性」という用語は、１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内、好ましくは１０^６Ｓ／ｍを上回る（又は１０^６〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の）導電率を有する材料を表す。本書においては更に、「非導電性」という用語は、１０^−７Ｓ／ｍを下回り、好ましくは１０^−１０Ｓ／ｍを下回る導電率を有する材料を表す。

面２２１と２２２で非常に異なる導電性を有するマスク２２０の準備は、多数の様々な方法で実装されうる。実施形態では、マスク２２０は、実質的に、面２２１と２２２の一方も形成する単一の材料を用いて形成されてよく、他方の面は、この材料をコーティングするか又は処理することによって形成される。例えば、マスク２２０は、ステンレス鋼又はインバ系材料で形成されてよく、この材料は、面２２１を形成し、面２２２を形成するために二酸化ケイ素や窒化ケイ素といった誘電体層が頂部にコーティングされる。別の例では、マスク２２０は、実質的に、面２２１を形成するための前記の例と同じ種類の金属からなってよく、面２２２を形成するために表面酸化が実行される。他の実施形態では、面２２１と２２２は両方とも、マスク２２０を実質的に形成する別の材料をコーティングするか又は処理することによって、形成されうる。更に別の実施形態では、面２２１と２２２は、１つに接合されてマスク２２０を形成する、異なる材料でありうる。

実施形態により、図２に示すようなシャドウマスク２２０を使用してＬｉＣｏＯ_２を含む（例えば厚さ約１０μｍの）カソード層上にＬｉＰＯＮ電解質層を堆積させるための、プロセス条件の非限定的な例は、Ｌｉ_３ＰＯ_４ターゲット、約２ＭＨｚから約８０ＭＨｚの周波数でのＮ_２ガス中のＲＦスパッタリング、約５００Ｗから約３０００Ｗの出力、おおよそ室温から２００oＣの温度で約１〜６時間、というものである。かかる例において、シャドウマスク２２０は、非導電性の面２２２を形成するための誘電体コーティング（例えば１μｍの二酸化ケイ素）を伴う、厚さ約２００μｍのステンレス鋼又はインバである。

本開示は、ＬｉＣｏＯ_２層上に堆積されたＬｉＰＯＮに関連して上記を提示しているが、代替的な実施形態は、反応性がより高い、電解質のＲＦスパッタリングを含んでよく、このＲＦスパッタリングでは、ガスプラズマからより多くの元素が、堆積された膜に導入される。

上述のように実行されるＬｉＰＯＮ堆積中にフィルムスタックが導電性表面２２１に直接接触するように、マスク２２０を配置することによって、ＬｉＰＯＮ電解質層のイオン伝導性が有意に向上するという有利な効果を、本開示の著者は見出した。マスク構成以外の全ての堆積状況（すなわち、ターゲット材料、スパッタリング条件、スパッタリング雰囲気、及びその他の全てのハードウェアとプロセス）が同じであるという事実を鑑みるに、本開示の著者は、堆積するＬｉＰＯＮ層に窒素がより多く導入されることによって、イオン伝導性の向上が引き起こされるだろうと推論する。かかる窒素導入の増大は、導電性のマスク表面と、導電性のＬｉＣｏＯ_２層又は集電体層の頂部との間での、二次局所プラズマの形成に由来すると考えられうる。この二次プラズマは、導入の増大のために、局所領域に追加的なＮ^＋核種を作り出すことになる。別の可能性は、導電性金属が、上記のスパッタリングプラズマへの「親和力」の増大を誘起し、「プラズマ空間の拡張」を引き起こして、このことが、プラズマ及びその内容物（Ｎ^＋イオン）への成長する膜の「浸漬」の増大、及び、窒素導入の増大につながるというものである。更に別の可能性は、マスク２２１の下面を通じての、ＣＣＣとマスクとの間のバイアス平衡であり、このバイアス平衡は、より大きくより均一な負バイアスを作り出して、ＬｉＰＯＮ層のボンバード及びＬｉＰＯＮ層への導入のためのプラズマからの窒素イオンを、より良好かつより均一に引き寄せる。

本開示の著者は、ＬｉＰＯＮ堆積中に完全導電（例えば全金属）のマスクが使用されると、特にカソードが厚い（例えば＞１０μｍ）場合には、ＬｉＰＯＮ層への損傷を更に認めた。この損傷は、露出した導電性マスクと、導電性のＬｉＣｏＯ_２層及び集電体層の頂部との間の局所マイクロアークによるものでありうる（前述の二次プラズマの形成、又は、プラズマ浸漬の増大、又は、適切な平衡法を用いない場合の局所的な差動バイアスを伴う）。

この種の損傷は、有利には、本開示のマスク２２０を使用すると減少する。更に、ＬｉＰＯＮ膜に対するＲＦプラズマ損傷が少なくなり、高品質なＬｉＰＯＮ層と、高品質なＴＦＢデバイスと、高収率がもたらされる。

下記の表１は、様々な構成のシャドウマスクを用いて堆積されたＬｉＰＯＮ層の、測定されたイオン導電性の比較を提示している。下記の表１に示しているように、非導電性底面と導電性上面とを伴うマスクと比較した場合、導電性底面２２１と非導電性上面２２２とを有するマスク２２０を使用することによって、ある一定のＬｉＰＯＮ堆積条件において、イオン伝導性が１．２μＳ／ｃｍから２．８μＳ／ｃｍに向上した（構成１のマスクと構成４のマスクとの間にも、同様の比較が確認されると予測される）。カソードが厚い（例えば＞１０μｍ）ＴＦＢも、優れた充電／放電性能を伴って、成功裏に製造される。下記の例では、ＬｉＰＯＮ条件１は、１７５０ＷのＲＦ出力と、５ｍＴｏｒｒのＮ_２圧力と、１００oＣの基板ヒータ温度のことであり、ＬｉＰＯＮ条件２は、２２００ＷのＲＦ出力と、５ｍＴｏｒｒのＮ_２圧力と、１００oＣの基板ヒータ温度のことである。どちらの条件も、ＰＶＤ（物理的気相堆積）チャンバ内で実行された。

（導電性底面と非導電性上面とを有する）本開示のマスクを使用することで、有利な、（金属マスクに関連付けられた）堆積されたＬｉＰＯＮのイオン伝導性の向上、及び、（セラミックマスクに関連付けられた）堆積されたＬｉＰＯＮにおけるアーク損傷の低減の両方が実現しうることが、確認される。

図３は、上述のようにＬｉＰＯＮ堆積中にマスク２２０を使用して製造されたＴＦＢの、容量に対する電圧の放電カーブを示す図表である。この例では、製造されたＴＦＢは、厚さ１４．７μｍのＬＣＯカソード層と、厚さ２．５μｍのＬｉＰＯＮ電解質層と、厚さ５μｍのＬｉアノード層と、１ｃｍ^２のセル領域と、約１０１４μＡｈの理論容量とを含む。厚さの測定は約±５％の誤差を有しうることに、留意されたい。図３で確認できるように、放電カーブは、３．９ｅＶの平坦ポテンシャルの長い平坦域と、４．１ｅＶと４．１８ｅＶの２つの短い追加平坦域とを示しており、これらは、ＬｉＣｏＯ_２の典型的な放電特性である。

図３には示していないが、実施形態により製造されたＴＦＢデバイスは、約７０％という比較的高い（理論的なものに対する実際の）容量利用率を示すことに、留意すべきである。材料密度を勘案すると（約８０〜８５％）、利用率は、更に向上して、材料含有量に基づく容量利用率が非常に高いことを示す。このことは、改良型のＬｉＰＯＮ材料がデバイス性能の向上につながることを示唆している。また更に、実施形態によるマスク構成が、デバイス収率の向上を可能にすると予測される。

図４は、いくつかの実施形態による、ＴＦＢデバイス又はＥＣデバイスなどの電気化学デバイスを製造するための処理システム４００の概略図である。処理システム４００は、上述の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４０３及び処理チャンバＣ１〜Ｃ４（４０４、４０５、４０６及び４０７）が設けられたクラスタツール４０２に対する、標準機械的インターフェース（ＳＭＩＦ）４０１を含む。クラスタツールには、グローブボックス４０８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、またはＡｒなどの希ガス下で）基板を保存することが可能であり、このことは、アルカリ金属／アルカリ土類金属の堆積後に有用となる。グローブボックスの前チャンバ４０９も、必要であれば使用されうる。前チャンバは、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に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も置換されうることに留意されたい）。チャンバＣ１〜Ｃ４は、ＴＦＢを製造するためのプロセスステップ向けに構成されうる。このプロセスステップは、例えば、カソード層（例えばＲＦスパッタリングによるＬｉＣｏＯ_２）の堆積、電解質層（例えばＮ_２内でのＲＦスパッタリングによるＬｉ_３ＰＯ_４）の堆積、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の堆積、及び、上述のようなインシトゥ（その場）のマスクを使用する、層のパターニングを含みうる。好適なクラスタツールプラットフォームの例は、ディスプレイクラスタツールを含む。処理システム４００のためのクラスタ構成が図示されているが、基板が１つのチャンバから次のチャンバへと連続的に移動するように、移送チャンバなしで処理チャンバが直線状に配置される線形システムも利用されうることを、理解されたい。

図５は、一部の実施形態による、ツール５３０、５４０、５５０を含む複数のインラインツール５０１〜５９９を有するインライン製造システム５００の図を示している。インラインツールは、ＴＦＢの全ての層を堆積させるためのツールを含みうる。更に、インラインツールは前調整チャンバおよび後調整チャンバを含みうる。例えば、ツール５０１は、基板が真空エアロック５０２を通って堆積ツール内へと移動するの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うる。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および特定のプロセスツールの順序は、例えば上述のプロセスフローで特定したような、使用される特定のＴＦＢ製造方法によって決まることに留意されたい。更に、基板は、水平か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しうる。

図５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例示するために、図６には、１つのインラインツール５３０のみが配置されている基板コンベヤ６０１を示している。図のように、基板６０３を包含する基板ホルダ６０２（この基板ホルダは、基板が見えるように部分的に切り取られて図示されている）が、ホルダ及び基板がインラインツール５３０を通って移動するよう、コンベヤ６０１又は同等のデバイスに装着される。更に、基板は、水平か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しうる。

一部の実施形態により、電気化学デバイスを製造するためのシステムは、電気化学デバイスの電解質層をパターニングするためのシャドウマスクであって、１０^−７Ｓ／ｍを下回る導電率を有する上面、及び、１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する底面がある平面本体を備える、シャドウマスクと、集電体、電極層、及び前記電解質層を備える基板上のデバイススタックを堆積させるための第１システムとを備えてよく、前記第１システムは、前記堆積中に前記シャドウマスクの前記底面が前記基板に対向している前記シャドウマスクを用いて、前記電解質層を堆積させるよう構成された、ＰＶＤ堆積ツールを備える。更に、前記第１システムは、封入層等といった更なるデバイス層を堆積させるよう構成されうる。実施形態では、電気化学デバイスは、図１に示すようなデバイスである。システムは、クラスタツール、インラインツール、独立型ツール、又は前述のツールのうちの一又は複数の組み合わせでありうる。実施形態では、底面は１０^６〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する。実施形態では、上面は１０^−１０Ｓ／ｍ未満の導電率を有する。実施形態では、ＰＶＤ堆積ツールはＲＦスパッタ堆積ツールである。

一部の実施形態により、電気化学デバイスを製造する方法は、非導電性の上面、及び導電性の底面を有するマスクを提供することと、基板上のデバイス層のスタックであって、基板上の集電体層、及び、集電体層上の電極層を備える、デバイス層のスタックを形成することと、マスクを、底面がスタックの頂面に隣接するように配置することと、底面を膜スタックに隣接させてマスクを配置した状態で、ＰＶＤプロセスを使用して、スタック上に電解質層を堆積させることとを含みうる。方法は、電解質層の堆積及びマスクの除去の後に、電解質層を覆って第２電極層を、かつ、第２電極層を覆って第２集電体を、堆積させることを更に含みうる。実施形態では、マスクはシャドウマスクである。実施形態では、ＰＶＤプロセスはＲＦスパッタリングを含む。実施形態では、底面は１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する。実施形態では、上面は１０^−７Ｓ／ｍ未満の導電率を有する。実施形態では、底面は１０^６〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する。実施形態では、上面は１０^−１０Ｓ／ｍ未満の導電率を有する。

一部の実施形態により、電気化学デバイスを製造する方法は、非導電性の上面、及び導電性の底面を有するマスクを提供することと、基板上のパターニングされたデバイス層の第１スタックであって、基板上の第１と第２の集電体、及び、第１集電体上の第１電極を備える、パターニングされたデバイス層の第１スタックを形成することと、マスクを、底面が第１スタックの頂面に隣接するように配置することと、第２スタックを形成するために第１スタック上に電解質層を堆積させることであって、底面を第１スタックに隣接させてマスクを配置した状態で、ＰＶＤプロセスを使用する、堆積させることとを、含みうる。方法は、電解質の堆積及びマスクの除去の後に、第２スタック上にパターニングされた第２電極を形成して、第３スタックを形成することを、更に含みうる。方法は、第３スタック上にパターニングされた封入層を形成することを、また更に含みうる。実施形態では、集電体と、第１電極と、電解質と、第２電極層と、封入層とが、図１のＴＦＢとして構成される。実施形態では、第１と第２の電極はそれぞれアノードとカソードである。更なる実施形態では、第１と第２の電極はそれぞれカソードとアノードである。実施形態では、マスクはシャドウマスクである。実施形態では、ＰＶＤプロセスはＲＦスパッタリングを含む。実施形態では、底面は１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する。実施形態では、上面は１０^−７Ｓ／ｍ未満の導電率を有する。実施形態では、底面は１０^６〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する。実施形態では、上面は１０^−１０Ｓ／ｍ未満の導電率を有する。

本開示の実施形態を、リチウムイオン電気化学デバイスに関して特に説明してきたが、本開示の教示および原理は、陽子やナトリウムイオン等といった他のイオンの移動に基づく電気化学デバイスにも適用されうる。

本開示の実施形態を、ＴＦＢデバイスに関して特に説明してきたが、本開示の教示および原理は、エレクトロクロミックデバイス、電気化学センサ、電気化学コンデンサ、及び、シャドウマスクを用いて電解質層がスパッタ堆積されるデバイスを含む、様々な電気化学デバイスにも適用されうる。

本開示を、いくつかの実施形態を参照して特に説明してきたが、本開示の本質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うることは、当業者には容易に明らかになるはずである。本開示は、かかる変更及び修正を包含することが意図されている。

Claims (15)

1. 電気化学デバイスを製造する方法であって、
   非導電性の上面、及び導電性の底面を有するマスクを提供することと、
   基板上のデバイス層のスタックであって、
   前記基板上の集電体層、及び、
   前記集電体層上の電極層を備える、デバイス層のスタックを形成することと、
   前記マスクを、前記底面が前記スタックの頂面に隣接するように配置することと、
   前記底面を前記膜スタックに隣接させて前記マスクを配置した状態で、ＰＶＤプロセスを使用して、前記スタック上に電解質層を堆積させることとを含む、方法。
2. 前記ＰＶＤプロセスはＲＦスパッタリングを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記電解質層はＬｉＰＯＮを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記電極層はカソード層である、請求項１に記載の方法。
5. 前記カソード層はＬｉＣｏＯ_２を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記電気化学デバイスは薄膜バッテリである、請求項１に記載の方法。
7. 前記マスクは、前記上面の上に誘電体材料の層を伴う金属本体である、請求項１に記載の方法。
8. 前記金属本体はインバを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記誘電体材料は酸化ケイ素と窒化ケイ素のうちの一又は複数を含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記底面は１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記上面は１０^−７Ｓ／ｍ未満の導電率を有する、請求項１に記載の方法。
12. 電気化学デバイスを製造するためのシステムであって、
    電気化学デバイスの電解質層をパターニングするためのシャドウマスクであって、
    １０^−７Ｓ／ｍを下回る導電率を有する上面、及び、１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する底面がある平面本体を備える、シャドウマスクと、
    集電体、電極層、及び前記電解質層を備える基板上のデバイススタックを堆積させるための第１システムとを備えており、前記第１システムは、前記堆積中に前記シャドウマスクの前記底面が前記基板に対向している前記シャドウマスクを用いて、前記電解質を堆積させるよう構成された、ＰＶＤ堆積ツールを備える、システム。
13. 電気化学デバイスの電解質層をパターニングするためのシャドウマスクであって、
    １０^−７Ｓ／ｍを下回る導電率を有する上面、及び、１０^５〜１０^７Ｓ／ｍの範囲内の導電率を有する底面がある平面本体を備える、シャドウマスク。
14. 前記平面本体は、前記上面の上に誘電体材料の層を伴う金属本体である、請求項１３に記載のシャドウマスク。
15. 前記誘電体材料は酸化ケイ素と窒化ケイ素のうちの一又は複数を含む、請求項１４に記載のシャドウマスク。
    

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