JP2018521219A - 薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイス、リチウム堆積プロセスのために構成された装置、薄膜バッテリの電極を製造するための方法、及び薄膜バッテリ - Google Patents

Abstract

本開示は、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイス（１００）を提供する。マスキングデバイス（１００）は、金属又は金属合金から作られたマスク部分（１１０）、及びマスク部分（１１０）内の１以上の開口部（１２０）を含み、１以上の開口部（１２０）は、堆積材料の粒子がマスク部分（１１０）を通過することを可能にするように構成され、１以上の開口部（１２０）の各開口部のサイズは、少なくとも０．５ｃｍ^２である。
【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイス、リチウム堆積プロセスのために構成された装置、リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための方法、及び薄膜バッテリに関する。本開示の実施形態は、特に、リチウムイオンバッテリ、並びに、リチウムイオンバッテリの、アノードなどの、電極を製造するためのマスキングデバイス、装置、及び方法に関する。

リチウムイオンバッテリなどの薄膜バッテリは、携帯電話、ノートパソコン、埋め込み可能医療機器などの、増加している用途において使用されている。薄膜バッテリは、例えば、フォームファクター、サイクル寿命、電源能力、及び安全性に関して、有益な特性を提供する。薄膜バッテリの電極層などのパターン化された層は、堆積プロセス、例えば、リチウム堆積プロセスにおいてマスキングデバイスを使用して、堆積され得る。マスキングデバイスは、堆積プロセスにおいて使用される堆積材料によって腐食され得る。腐食は、マスキングデバイスの寿命を低減させ得る。マスキングデバイスは、定期的に交換される必要がある。更に、堆積プロセスに対して使用される高温は、マスキングデバイスに損傷を与え得る。更に、堆積プロセスで使用されるマスキングデバイスは、コストの検討が必要である。

上述の事から、当該技術分野における問題のうちの少なくとも幾つかを克服する、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用される新しいマスキングデバイス、リチウム堆積プロセスのために構成された新しい装置、リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための新しい方法、及び新しい薄膜バッテリが有益である。本開示の目的は、堆積材料によって腐食されにくいマスキングデバイスを提供することである。更に、本開示の目的は、マスキングデバイスのための製造コストを削減することである。

上述の事に照らして、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイス、リチウム堆積プロセスのために構成された装置、リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための方法、及び薄膜バッテリが提供される。本開示の更なる態様、利点、及び特徴は、特許請求の範囲、明細書、及び添付図面から明らかになる。

本開示の一態様によれば、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイスが提供される。マスキングデバイスは、金属又は金属合金から作られたマスク部分、及びマスク部分内の１以上の開口部を含み、１以上の開口部は、堆積材料の粒子がマスク部分を通過することを可能にするように構成され、１以上の開口部の各開口部のサイズは少なくとも０．５ｃｍ^２である。

本開示の別の一態様によれば、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイスが提供される。マスキングデバイスは、金属又は金属合金から作られたマスク部分、及びマスク部分内の１以上の開口部を含み、１以上の開口部は、堆積材料の粒子がマスク部分を通過することを可能にするように構成され、マスキングデバイスは、更に、マスク部分に設けられた絶縁体を含む。

本開示の更に別の一態様によれば、リチウム堆積プロセスのために構成された装置が提供される。装置は、１以上の堆積源、及び本明細書で説明される実施形態によるマスキングデバイスを１以上含む。

本開示のまた更なる一態様によれば、リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための方法が提供される。該方法は、基板に対して本明細書で説明される実施形態によるマスキングデバイスを配置すること、及びマスク部分内の１以上の開口部を通して基板上にリチウム又はリチウム合金を堆積させて、薄膜バッテリの電極を形成することを含む。

本開示の更なる一態様によれば、薄膜バッテリが提供される。薄膜バッテリは、本明細書で説明される実施形態の方法を使用して堆積された電極を含む。

実施形態は、開示される方法を実行するための装置も対象としており、説明される各方法態様を実行するための装置部分を含む。これらの方法態様は、ハードウェア構成要素を用いて、適切なソフトウェアによってプログラミングされたコンピュータを用いて、これらの２つの任意の組合せによって、又はそれ以外の任意の態様で実行され得る。更に、本開示による実施形態は、説明される装置を操作するための方法も対象とする。方法は、装置のあらゆる機能を実行するための方法態様を含む。

本開示の上記の特徴を詳細に理解することができるように、実施形態を参照することによって、上で簡単に概説した本開示のより具体的な説明を得ることができる。添付の図面は本開示の実施形態に関連し、以下の記述において説明される。

本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造中にリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイスの概略図を示す。 本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの概略図を示す。 本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造中にリチウム堆積プロセスで使用される更なるマスキングデバイスの概略断面図を示す。 本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造中にリチウム堆積プロセスで使用される更なるマスキングデバイスの概略断面図を示す。 本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造中にリチウム堆積プロセスで使用される更なるマスキングデバイスの概略断面図を示す。 本明細書で説明される更なる実施形態による、薄膜バッテリの製造中にリチウム堆積プロセスで使用されるまた別のマスキングデバイスの概略断面図を示す。 本明細書で説明される実施形態による、リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための方法のフローチャートを示す。 本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造中にリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイスを有する堆積装置の概略図を示す。

ここで、本開示の種々の実施形態が詳細に参照されることになり、その１以上の実施例が図示される。図面に関する以下の説明の中で、同じ参照番号は同じ構成要素を指している。概して、個々の実施形態に関して相違のみが説明される。本開示の説明として各実施例が与えられているが、これは本開示を限定することを意図しているわけではない。更に、一実施形態の一部として図示且つ説明されている特徴を、他の実施形態で用いてもよく、或いは他の実施形態と併用してもよい。それにより、さらに別の実施形態が生み出される。本記載には、このような修正例及び変形例が含まれることが意図されている。

薄膜バッテリの大量生産中に、薄膜バッテリのアノードを形成するためのパターン化された電極層は、例えば、リチウム堆積プロセスにおいてマスキングデバイスを使用して堆積され得る。マスキングデバイスは、堆積プロセスにおいて使用されるリチウムによって腐食され得る。そして、マスキングデバイスの寿命が低減され得る。更に、堆積プロセスにおいて使用されるマスキングデバイスは、コストの検討が必要である。

本開示は、金属又はステンレス鋼などの金属合金から作られたマスク部分を有する、マスキングデバイスを提供する。該マスキングデバイスは、堆積プロセスにおいて使用され得るリチウム及び／又は高温に耐えることができる。該マスキングデバイスは、再使用可能である。更に、該マスキングデバイスは、削減されたコストで製造され得る。更に、金属又は金属合金は、例えば、セラミックよりも損傷又は破損を受けにくい。該マスキングデバイスは、高純度リチウムの堆積のためのプロセス、及び／又はリチウム合金若しくはリチウム複合物の堆積のためのプロセスなどの、リチウム堆積プロセスにおいて使用され得る。一実施例として、リチウム堆積プロセスは、Ｌｉ、ＬｉＴｉ、又はＬｉＴｉＯの堆積のためのプロセスであり得る。

本明細書で説明される実施形態は、例えば、リチウムバッテリ製造又はエレクトロクロミックウインドウのための、大面積の基板への堆積のために利用され得る。一実施例として、例えば、アノードなどの電極の製造のためのマスキングデバイスを使用して、複数の薄膜バッテリが、各大面積の基板上に形成され得る。ある実施形態によれば、大面積の基板は、約０．６７ｍ^２の基板（０．７３×０．９２ｍ）に相当するＧＥＮ４．５、約１．４ｍ^２の基板（１．１ｍ×１．３ｍ）に相当するＧＥＮ５、約４．２９ｍ^２の基板（１．９５ｍ×２．２ｍ）に相当するＧＥＮ７．５、約５．７ｍ^２の基板（２．２ｍ×２．５ｍ）に相当するＧＥＮ８．５、又は更に約８．７ｍ^２の基板（２．８５ｍ×３．０５ｍ）に相当するＧＥＮ１０であってもよい。ＧＥＮ１１及びＧＥＮ１２のような更に次の世代、並びにそれに相当する基板面積を同様に実装することができる。

ある実施態様によれば、マスキングデバイスは、サブキャリアを用いた使用のために構成されている。一実施例として、（例えば、Ｇｅｎ４．５の堆積ウインドウを有する）大きなキャリア上のサブキャリア（例えば、ＤｉｎＡ５、Ａ４、又はＡ３）を用いて固定された基板の配列が使用され得る。

「基板」という用語は、本明細書で使用される際に、特に、インフレキシブル基板、例えば、ガラスプレート及び金属プレートを含み得る。しかし、本開示はこれらに限定されず、「基板」という用語は、ウェブ又はホイルなどのフレキシブル基板も含み得る。

マスキングデバイスの本実施形態は、薄膜バッテリの製造に言及しながら説明されるが、マスキングデバイスは、他のリチウム堆積プロセス、例えば、エレクトロクロミックウインドウの製造においても使用され得ることが理解されるべきである。

図１は、本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイス１００の概略図を示す。図１の上側セクションは、マスキングデバイス１００の平面図を示し、図１の下側セクションは、線Ｉ‐Ｉに沿ったマスキングデバイス１００の側面断面図を示している。マスキングデバイス１００は、リチウム堆積プロセス中に（図示せぬ）基板をマスキングするように構成されている。

マスキングデバイス１００は、金属又は金属合金から作られたマスク部分１１０、及びマスク部分１１０内の１以上の開口部１２０を含む。１以上の開口部１２０は、堆積材料の粒子がマスク部分１１０を通過することを可能にするように構成されている。１以上の開口部１２０の各開口部のサイズは、少なくとも０．５ｃｍ^２である。金属又は金属合金から作られたマスク部分１１０を有するマスキングデバイス１００は、堆積プロセスにおいて使用されるリチウムに耐えることができ、再使用可能である。更に、マスキングデバイス１００は、削減されたコストで製造され得る。更に、金属又は金属合金から作られたマスク部分１１０は、例えば、セラミックのマスクと比較したときに、損傷又は破損を受けにくい。

図１で示されている１以上の開口部１２０は、矩形状を有する。しかし、本開示は、それに限られるものではない。１以上の開口部１２０は、任意の他の形状、例えば、規則的又は不規則的な形状を有し得る。１以上の開口部１２０の形状は、基板上に又は基板の上に堆積される薄膜バッテリの電極の形状に対応する。１以上の開口部１２０は、マスク部分１１０を通ってマスク部分１１０の厚さ方向に沿って延在する。１以上の開口部１２０は、「貫通孔」又は「開孔」とも称され得る。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、１以上の開口部１２０の各開口部のサイズは、０．５ｃｍ^２から５０ｃｍ^２までの範囲内、特に、０．５ｃｍ^２から２５ｃｍ^２までの範囲内、更に特に、０．５ｃｍ^２から１０ｃｍ^２までの範囲内にある。開口部のサイズは、開口部の外周又は境界によって画定される。一実施例として、図１の矩形状開口部のサイズは、開口部の第１の横長１２２と第２の横長１２４によって画定される。ある実施態様では、１以上の開口部１２０の各開口部のサイズは、約１ｃｍ^２（例えば、１ｃｍ×１ｃｍ）又は約４ｃｍ^２（例えば、２ｃｍ×２ｃｍ）である。

ある実施形態によれば、マスク部分１１０は、少なくとも０．１ｍｍ、特に、少なくとも０．５ｍｍ、及び、更に特に、少なくとも１ｍｍの厚さ１１２を有する。一実施例として、マスク部分１１０は、約０．１ｍｍと約１０ｍｍの間の範囲内、特に、約０．１ｍｍと約２ｍｍの間の範囲内、及び、更に特に、約０．５ｍｍと約１ｍｍの間の範囲内にある厚さ１１２を有する。一実施例として、マスク部分１１０は、堅い又はインフレキシブルなマスク本体などのマスク本体であり得る。ある実施形態において、厚さ１１２は、マスク部分１１０が実質的に堅い又はインフレキシブルであるように選択される。言い換えると、例えば、フレキシブルシート又はメッシュと比較したときに、マスク部分１１０がインフレキシブルであるように、厚さ１１２が選択される。実質的に堅い又はインフレキシブルなマスク部分１１０は、マスキングデバイスの安定性及び／又は構造的統合性を改良し得る。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、マスク部分１１０の金属又は金属合金は、ステンレス鋼、モリブデン、鉄、クロム、アルミニウム、及びそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される。一実施例として、ステンレス鋼は、鉄及びクロムを含み得る。しかし、本開示は、それらに限られることなく、堆積材料、例えば、リチウムによって腐食されにくい又は全く腐食されない、任意の金属又は金属合金が使用され得る。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、マスキングデバイスは、基板キャリアに連結可能であり得る。一実施例として、基板キャリアは、堆積プロセス中に基板を支持するように構成されたフレーム又はプレートであり得る。マスキングデバイスは、堆積プロセス中に基板をマスキングするために、キャリアに取り付けられ得る。マスキングデバイスは、ねじ、クランプ、磁気クランプなどの磁気手段、静電手段、及びそれらの任意の組み合わせ、のうちの少なくとも１つを使用して、キャリアに取り付けられ得る。

図２は、本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリ２００の概略図を示す。薄膜バッテリは、携帯電話、ノートパソコン、及び埋め込み可能医療機器などの、数多くの用途で使用され得る。

薄膜バッテリ２００は、本明細書で説明される実施形態によるマスキングデバイスを使用して堆積された電極を含む。例えば、電極は、薄膜バッテリ２００のアノード２６０であり得る。ある実施態様では、マスキングデバイスが、複数の薄膜バッテリの電極を形成するように構成されている。マスキングデバイスは、複数の開口部を有し得る。例えば、複数の開口部の各開口部は、複数の薄膜バッテリのうちの薄膜バッテリのそれぞれの電極に対応し得る。一実施例として、複数の薄膜バッテリは、薄膜バッテリのアノードを形成するためのマスキングデバイスを使用して、大面積の基板上に形成され得る。

図２は、例えば、ガラス、セラミック、金属、シリコン、マイカ、堅い材料、フレキシブル材料、プラスチック、ポリマー、又はそれらの任意の組み合わせであり得る、基板２１０を示している。アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）２２０とカソード電流コレクタ（ＣＣＣ）２３０が、基板２１０上に又は基板２１０の上に堆積されている。例えば、ＬｉＣｏＯ_２を含むカソード２４０が、カソード電流コレクタ２３０の上に堆積されている。例えば、ＬｉＰＯＮを含む電極２５０が、少なくともカソード２４０の上に堆積されている。アノード２６０（例えば、高純度リチウム又はリチウム合金）が、本明細書で説明される実施形態によるマスキングデバイスを使用して堆積されている。アノード２６０は、例えば、蒸発プロセス又はスパッタリングプロセスを使用して形成され得る。一実施例として、スパッタリングプロセスは、ＤＣスパッタリング又はパルス状ＤＣスパッタリングを使用して実行され得る。カプセル化層２７０が、薄膜バッテリ２００の構造を保護するために堆積され得る。

「〜の上に（ｏｖｅｒ）」という用語に言及する場合、即ち、１つの層が他の層の上にあるというような場合には、基板から始まり、第１の層が基板の上に堆積され、第１の層の後に堆積される更なる層は、したがって、第１の層と基板の上にあると理解される。言い換えると、「〜の上に（ｏｖｅｒ）」という用語は、起点が基板である場合の層、層スタック、及び／又は膜の順序を規定するために使用されている。これは、層スタックが上下逆に図示されているか否かに関わらない。

本明細書で説明される実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、本開示のマスキングデバイスを使用して堆積された電極（例えば、アノード２６０）は、（高純度）リチウム又はリチウム合金から作られ得る。一実施例として、リチウム合金は、リチウムと、錫、シリコンなどの半導体、及びそれらの任意の組み合わせから成る群から選択された少なくとも１つの材料とを含み得る。一実施例として、Ｌｉ、ＬｉＴｉ、又はＬｉＴｉＯが、リチウム堆積プロセスにおいて堆積され得る。電極、例えば、アノード２６０は、０．１から５０マイクロメートルまでの範囲内、特に、１から１０マイクロメートルまでの範囲内にある厚さを有し、より具体的には、約６マイクロメートルの厚さを有し得る。

図３Ａは、本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用される別のマスキングデバイス３００の概略断面図を示す。矢印は、（図示せぬ）堆積源によって供給された堆積材料を示す。堆積材料、例えば、リチウム又はリチウム合金は、マスキングデバイス３００を通過して、基板２１０上に堆積され、アノード、例えば、薄膜バッテリの電極を形成する。

マスキングデバイスは、金属又は金属合金から作られたマスク部分１１０、及びマスク部分１１０内の１以上の開口部１２０を含み、１以上の開口部１２０は、堆積材料の粒子がマスク部分１１０を通過することを可能にするように構成され、マスキングデバイスは、更に、マスク部分１１０に設けられた絶縁体３１０を含む。絶縁体３１０は、マスク部分１１０と基板２１０との間に設けられている。

絶縁体３１０は、製造プロセス中に、例えば、薄膜バッテリ又は薄膜バッテリの電極の間での電気的な短絡を低減させ又は完全に避ける。絶縁体３１０は、電気的な絶縁材料であると理解され得る。ある実施態様では、絶縁体３１０が、セラミック材料とポリテトラフルオロエチレン（テフロン）のうちの少なくとも一方を含む。一実施例として、絶縁体３１０は、セラミック絶縁体であり得る。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、マスク部分１１０は、第１の側１１４と第２の側１１６を有する。第１の側１１４は、リチウム堆積プロセス中に基板２１０と対面するように構成され、第２の側１１６は、リチウム堆積プロセス中に（図示せぬ）堆積源と対面するように構成されている。絶縁体３１０は、マスク部分１１０の少なくとも第１の側１１４に設けられている。第１の側１１４は、マスク部分１１０の第１の表面又は第１の表面領域であり、第２の側１１６は、マスク部分１１０の第２の表面又は第２の表面領域であり得る。

図３Ａの実施例では、ある実施形態によれば、絶縁体３１０が、マスク部分１１０の第１の側１１４においてのみ設けられ、マスク部分１１０の第２の側１１６においては設けられていない。絶縁体３１０は、マスク部分１１０の第１の側１１４を覆うことができる。実施例として、絶縁体３１０は、第１の側１１４（又は第１の表面若しくは第１の表面領域）の少なくとも５０％、特に、第１の側１１４の少なくとも９０％、更に特に、第１の側１１４の１００％を覆うことができる。

ある実施態様では、絶縁体３１０が、マスク部分１１０内の１以上の開口部１２０に対応する、１以上の絶縁体開口部３２０を有する。一実施例として、１以上の絶縁体開口部３１２は、マスク部分１１０内の１以上の開口部１２０の形状及び／又はサイズと実質的に合致した形状及び／又はサイズを有し得る。ある実施態様では、１以上の絶縁体開口部３２０の各絶縁体開口部が、マスク部分１１０内の１以上の開口部１２０のサイズと実質的に等しいサイズを有する。「実質的に」という用語は、絶縁体開口部３２０とマスク部分１１０内の開口部とのサイズが、例えば、製造許容誤差によって正確には一致しない実施形態を含むだろう。許容誤差は、例えば、開口部のサイズのプラス／マイナス１０％の範囲内であり得る。未だ、開口部は、実質的に同じサイズを有していると考えられる。ある実施形態では、絶縁体３１０が、マスク部分１１０の１以上の開口部１２０の中へ延在しない。

他の実施態様では、１以上の絶縁体開口部３２０のうちの少なくとも１つの（及び具体的には各）絶縁体開口部が、マスク部分１１０内の１以上の開口部１２０のサイズよりも大きいサイズを有し得る。一実施例として、絶縁体３１０は、マスク部分１１０内の１以上の開口部１２０の周りで、第１の側１１４（又は第１の表面若しくは第１の表面領域）の一部分に設けられていない。絶縁体３１０は、マスク部分１１０内の１以上の開口部１２０の周りで、第１の側１１４の一部分を覆わない。更に他の実施形態では、１以上の絶縁体開口部３２０のうちの少なくとも１つの（及び具体的には各）絶縁体開口部が、マスク部分１１０内の１以上の開口部１２０のサイズよりも小さいサイズを有し得る。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、絶縁体３１０は、マスク部分１１０から分離して設けられている。一実施例として、絶縁体３１０とマスク部分１１０とは、分離した物であり得る。絶縁体３１０とマスク部分１１０は、例えば、接着剤及び／又はクランプとねじのうちの少なくとも一方などの機械的手段を使用して、互いに取り付けられ得る。絶縁体３１０とマスク部分１１０とを分離した物として提供することは、マスキングデバイスの簡略化された製造を可能にする。更に、絶縁体３１０とマスク部分１１０とは、例えば、損傷の場合に個別に交換可能であり、整備コストが削減される。ある実施態様では、絶縁体３１０とマスク部分１１０とが、互いに接触し得る。直接的な接触は、堆積材料からの絶縁体３１０の保護を改良し得る。他の実施態様では、絶縁体３１０とマスク部分１１０とは、それらが直接的に接触しないように、互いから距離をおいて配置され得る。絶縁体３１０とマスク部分１１０とは、個別に配置され及び／又は交換され、マスキングデバイスの取り扱いを容易にし得る。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態では、絶縁体３１０が、２つ以上の絶縁体ユニットなどの、（図示せぬ）１以上の絶縁体ユニットを含む（又はそれらから成る）。２つ以上の絶縁体ユニットは、マスク部分がスタックの上端にある状態で、互いの上に積み重ねることができる。ある実施態様では、１以上の絶縁体ユニットが、その内部に設けられた絶縁体開口部を有する１以上の絶縁体プレートであり得る。

マスク部分１１０、例えば、ステンレス鋼のマスクが、絶縁体３１０を保護するために絶縁体３１０の上に配置され得る。一実施例として、絶縁体３１０は、堆積材料、例えば、リチウムによって腐食され得るセラミックマスクであり得る。金属又は金属合金から作られたマスク部分１１０は、セラミックマスクを保護するために、セラミックマスクの上端に配置され得る。一方、セラミックマスクは、薄膜バッテリの製造プロセス中に、薄膜バッテリの間の電気的な短絡を避ける絶縁マスキング材料を提供する。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、絶縁体３１０は、マスク部分１１０上の被覆として設けられている。一実施例として、マスク部分１１０は、絶縁体３１０を設けるために、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）を用いて少なくとも部分的に被覆され得る。絶縁体３１０がマスク部分１１０上の被覆として設けられるときに、マスキングデバイスは、低減された厚さを伴って製造され得る。

図３Ｂは、本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用される別のマスキングデバイス３５０の概略断面図を示す。マスキングデバイス３５０は、図３Ａの実施例で示されたマスキングデバイス３００と類似しており、図３Ａに関連して与えられた説明が、図３Ｂの実施形態にも適用される。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、マスク部分３６０内の１以上の開口部１２０は、傾斜を付けられた又は面取りされた端部３７０を有し得る。一実施例として、マスク部分３６０の第２の側、すなわち、堆積源に対面するマスク部分３６０の側における１以上の開口部１２０の端部分が、傾斜を付けられ又は面取りされ得る。傾斜を付けられた又は面取りされた端部３７０は、基準線３７２に対して傾き得る。ある実施態様では、１以上の開口部１２０の内側壁が、基準線３７２に対して少なくとも部分的に傾き、傾斜を付けられた又は面取りされた端部３７０を提供する。基準線３７２は、マスク部分３６０の厚さ方向と１以上の開口部１２０の軸とのうちの少なくとも一方に平行であり得る。ある実施態様では、基準線３７２が、被覆されるべき基板２１０の表面と実質的に垂直であり得る。言い換えると、基準線３７２は垂直であり得る。

ある実施態様では、基準線３７２に平行な平面内の１以上の開口部１２０の断面が、少なくとも部分的にＶ形状であり得る。Ｖ形状は、傾斜を付けられた又は面取りされた端部３７０によって設けられ得る。ある実施形態によれば、基準線３７２に対する傾斜を付けられた又は面取りされた端部３７０の角度３７５が、少なくとも１０度、特に、少なくとも３０度、及び、更に特に、少なくとも４５度である。角度３７５は、９０度未満であり得る。

ある実施態様では、１以上の絶縁体開口部３２０の各絶縁体開口部が、絶縁体３１０に対面するマスク部分３６０の側において、１以上の開口部１２０のサイズと実質的に等しいか又はそれを上回るサイズを有する。一実施例として、１以上の絶縁体開口部３２０の各絶縁体開口部は、絶縁体３１０に対面するマスク部分３６０の側において、１以上の開口１２０のサイズよりも大きいサイズを有する。マスク部分３６０は、少なくとも部分的に絶縁体開口部３２０と重なる。一方、マスク部分３６０内の１以上の開口部１２０は、上述のように、傾斜を付けられた又は面取りされた端部３７０を有する。

傾斜を付けられた又は面取りされた端部３７０は、マスク部分３６０及び／又は絶縁体３１０内の開口部の内側壁によってもたらされる日陰効果（ｓｈａｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を低減させ又は完全に避けることができる。基板２１０上に堆積される材料の厚さの均一性が改良され得る。

図３Ｃは、本明細書で説明される実施形態による、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用される別のマスキングデバイス３８０の概略断面図を示す。マスキングデバイス３８０は、図３Ｂの実施例で示されたマスキングデバイス３５０と類似しており、図３Ｂに関連して与えられた説明が、図３Ｃの実施形態にも適用される。

図３Ｃの実施例では、絶縁体３９０の１以上の絶縁体開口部３２０が、傾斜を付けられた又は面取りされた端部３８２を有する。一実施例として、基板２１０から離れる方向に面している１以上の絶縁体開口部３２０の端部分が、傾斜を付けられ又は面取りされ得る。傾斜を付けられた又は面取りされた端部３８２は、基準線３７２に対して傾き得る。ある実施態様では、１以上の絶縁体開口部３２０の内側壁が、基準線３７２に対して少なくとも部分的に傾き、傾斜を付けられた又は面取りされた端部３８２を提供する。基準線３７２は、絶縁体３９０の厚さ方向と１以上の絶縁体開口部３２０の軸とのうちの少なくとも一方に平行であり得る。

ある実施態様では、１以上の絶縁体開口部３２０の内側面が、傾いた部分（傾斜を付けられた又は面取りされた端部３８２）と傾いていない部分３８７とを有する。傾いていない部分３８７は、基板２１０に対面する絶縁体３９０の側に設けられ得る。傾いていない部分３８７は、絶縁体３９０の厚さ方向において、１ｍｍ未満であり、特に、０．５ｍｍ未満であり得る。

ある実施形態によれば、マスク部分３６０内の１以上の開口部１２０の内側壁は、図３Ｂを参照して説明されたように、基準線３７２に対して少なくとも部分的に傾いており、絶縁体３９０の１以上の絶縁体開口部３２０は、傾斜を付けられた又は面取りされた端部３８２を有する。マスク部分３６０内の１以上の開口部１２０と１以上の絶縁体開口部３２０とは、基準線３７２と平行な平面内で結合された断面を有し、それは、少なくとも部分的にＶ形状であり得る。基準線３７２に対するＶ形状の角度３７５は、少なくとも１０度、特に、少なくとも３０度、及び、更に特に、少なくとも４５度である。角度３７５は、９０度未満であり得る。

図４は、本明細書で説明される更なる実施形態による、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるまた別のマスキングデバイス４００の概略断面図を示す。マスク部分４１０は、絶縁体３１０上の被覆として設けられている。被覆は、堆積材料からの絶縁体３１０の改良された保護を可能にする。更に、マスキングデバイスは、低減された厚さで製造され得る。

ある実施態様によれば、マスク部分１１０又は被覆は、約１０マイクロメートルと約０．１ｍｍの間の範囲内、特に、約２５マイクロメートルと約０．１ｍｍの間の範囲内、及び、更に特に、約５０マイクロメートルと約０．１ｍｍの間の範囲内にある厚さ１１２を有する。厚さ１１２は、例えば、約５０マイクロメートルであり得る。

本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、ある実施形態によれば、絶縁体３１０は、第１の絶縁体の側３１４と第２の絶縁体の側３１６を有する。第１の絶縁体の側３１４は、リチウム堆積プロセス中に（図示せぬ）基板と対面するように構成され、第２の絶縁体の側３１６は、リチウム堆積プロセス中に（図示せぬ）堆積源と対面するように構成されている。マスク部分４１０を形成する被覆は、絶縁体３１０の少なくとも第２の絶縁体の側３１６に設けられている。

一実施例として、被覆は、第２の絶縁体の側３１６においてのみ設けられ、第１の絶縁体の側３１４においては設けられていない。被覆は、少なくとも部分的に、第２の絶縁体の側３１６を覆い得る。一実施例として、被覆は、第２の絶縁体の側３１６の少なくとも９０％を覆い、更に特に、第２の絶縁体の側３１６の１００％を覆い得る。

ある実施態様では、絶縁体３１０が、１以上の絶縁体開口部３２０を有する。１以上の絶縁体開口部３２０は、１以上の絶縁体開口部３２０を画定する側壁３１５を有し得る。被覆によって設けられたマスク部分４１０は、少なくとも部分的に、１以上の絶縁体開口部３２０の中へ延在し得る。一実施例として、側壁３１５は、少なくとも部分的に、及び、特に完全に、被覆によって覆われ得る。ある実施態様では、被覆が、絶縁体３１０の厚さの少なくとも１０％を超えて、特に、少なくとも５０％を超えて、及び、更に特に、１００％を超えて、１以上の絶縁体開口部３２０の中へ延在する。１以上の絶縁体開口部３２０の中へ延在する金属又は金属合金の被覆は、堆積材料からの絶縁体３１０の保護を改良し得る。一実施例として、セラミックマスク（絶縁体３１０）の腐食が、低減され又は完全に避けられ得る。

ある実施態様では、１以上の絶縁体開口部３２０の各絶縁体開口部が、（参照番号４２４で示されている）マスク部分４１０内の１以上開口部４２０のサイズよりも大きい、（参照番号３２４で示されている）サイズを有する。一実施例として、１以上の絶縁体開口部３２０のサイズは、被覆（マスク部分４１０）が１以上の絶縁体開口部３２０の中へ延在したときに、マスク部分４１０内の１以上の開口部４２０のサイズよりも大きくなり得る。

図５は、本明細書で説明される実施形態による、リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための方法のフローチャートを示す。電極は、アノードであり得る。

方法５００は、ブロック５１０で、基板に対して本明細書で説明される実施形態によるマスキングデバイスを配置すること、及び、ブロック５２０で、マスク部分内の１以上の開口部を通して基板上にリチウム又はリチウム合金を堆積させて、薄膜バッテリの電極を形成することを含む。基板は、大面積の基板であり、複数の薄膜バッテリの複数の電極が、同時に生成され得る。

ある実施態様では、リチウム堆積プロセスが、スパッタリング又は加熱蒸散（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を使用して実行される。一実施例として、スパッタリングプロセスは、ＤＣスパッタリング又はパルス状ＤＣスパッタリングを使用して実行され得る。

本明細書で説明される実施形態によれば、リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための方法は、コンピュータプログラムと、ソフトウェアと、コンピュータソフトウェア製品と、大面積の基板などの基板を処理するために装置の対応する構成要素と通信可能なＣＰＵ、メモリ、ユーザインターフェース、及び入出力手段を有し得る、相互に関連したコントローラとによって、実行され得る。

図６は、薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイス６２０を有する装置６００の概略図を示す。マスキングデバイス６２０は、本明細書で説明される実施形態に従って構成され得る。

本開示の一態様によれば、装置６００は、本明細書で説明される実施形態による、１以上の堆積源６１０と、１以上のマスキングデバイス６２０とを含む。マスキングデバイス６２０は、基板２１０と１以上の堆積源６１０との間に配置されている。１以上の堆積源６１０によって供給されるリチウムなどの堆積材料は、マスク部分内の１以上の開口部を通過し、基板２１０上に堆積され、基板２１０上のパターン化された層を形成する。装置６００は、例えば、反応性スパッタ堆積などのスパッタ堆積のために構成され得る。例えば、加熱蒸散などの他の堆積技術も使用され得る。

ＤＣスパッタリングは、大面積の基板などの基板２１０上に高純度リチウム又はリチウム合金を堆積させるために使用され得る。スパッタリングの間に、ターゲット６１１と電極との間に電位を提供することによって、堆積源６１０のターゲット６１１の露出された表面に対してイオンが駆り立てられる。ターゲット６１１へのイオンの衝突が、ターゲット６１１の原子を取り外し、その後、それらの原子が基板２１０上に堆積される。ターゲットは、金属ターゲットであり、特に、リチウムターゲットであり得る。プロセスは、プロセス雰囲気内で実行され得る。ある実施形態によれば、プロセス雰囲気は、アルゴンなどの不活性ガス、酸素、窒素、水素、及びアンモニア（ＮＨ_３）などの反応性ガス、オゾン（Ｏ_３）、活性ガス、及びそれらの任意の組み合わせから成る群から選択された１以上の処理ガスを含み得る。

例示的に、内部で層を堆積させるための１つの真空チャンバ６０２が示されている。真空チャンバ６０２は、「処理チャンバ」とも称され得る。図６で示されているように、更なる真空チャンバ６０３が、真空チャンバ６０２に隣接して設けられていてもよい。真空チャンバ６０２は、バルブハウジング６０４及びバルブユニット６０５を有するバルブによって、隣接する更なる真空チャンバ６０３から分離され得る。基板２１０を有するキャリア６３０と任意選択的なその上のマスキングデバイス６２０とが、矢印１で示されているように真空チャンバ６０２の中へ挿入された後で、バルブユニット６０５を閉じられ得る。キャリア６３０は、堆積プロセス中に基板２１０を支持するように構成された、フレーム又はプレートであり得る。マスキングデバイス６２０は、堆積プロセス中に基板２１０をマスキングするために、キャリア６３０に取り付けられ得る。マスキングデバイス６２０は、ねじ、クランプ、及び磁気クランプなどの磁気手段のうちの少なくとも１つを使用して、キャリア６３０に取り付けられ得る。他の実施形態では、マスキングデバイス６２０は、真空チャンバ６０２内に取り付けられ得る。言い換えると、マスキングデバイス６２０は、キャリア６３０から分離して設けられ得る。

真空チャンバ内の雰囲気は、例えば、真空チャンバに連結された真空ポンプを用いて技術的真空（ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｖａｃｕｕｍ）を生成することによって、且つ／又は、処理ガスを真空チャンバ６０２内の堆積領域内に挿入することによって、個別に制御することができる。真空チャンバ６０２内には、その上に基板２１０を有するキャリア６３０を、真空チャンバ６０２の中へ搬送し及び真空チャンバ６０２から出すように搬送するために、ローラ６４０が設けられている。

単純化のために、堆積源６１０は、１つの真空チャンバ６０２内に設けられるように示されている。例えば、薄膜バッテリの異なる層を堆積させるための堆積源が、異なる真空チャンバ、例えば、真空チャンバ６０２に隣接した更なる真空チャンバ６０３内に設けられ得る。堆積源又は堆積源の群６１０を異なる真空チャンバ内に設けることによって、適切な処理ガスを有する雰囲気及び／又は適切な程度の技術的真空が、各堆積領域内に提供され得る。一実施例として、図２を参照しながら説明されたように、堆積源を有する複数の真空チャンバが設けられて、薄膜バッテリの層を形成し得る。２つの堆積源が、図６の実施例で示されているが、任意の適切な数の堆積源が設けられ得る。一実施例として、２つ以上の堆積源の配列が真空チャンバ６０２内に設けられ得る。配列は、３つ以上、６つ以上、１０以上、又は更に１２以上の堆積源を含み得る。

１以上の堆積源６１０は、例えば、基板２１０上に堆積されるべき材料のターゲット６１１を有する回転可能なカソードであってもよい。カソードは、中にマグネトロンを有する回転可能なカソードであり得る。マグネトロンスパッタリングが、基板２１０上にリチウム又はリチウム合金を堆積させて、例えば、薄膜バッテリの電極を形成するために実行され得る。堆積源６１０は、スパッタリング中に電子を収集するアノード６１２と共にＤＣ電源６１４に接続されている。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る、また更なる実施形態によれば、１以上のカソードのうちの少なくとも１つが、その対応する個別のＤＣ電源を有し得る。

本明細書で使用される際に、「マグネトロンスパッタリング」は、磁石アセンブリ、すなわち、磁場を発生させることができるユニットを使用して実行されるスパッタリングを指す。そのような磁石アセンブリは、永久磁石から成り得る。この永久磁石は、回転ターゲットの表面の下方に生成された発生磁場の内部に自由電子が捕捉されるようなやり方で、回転可能ターゲットの内部に配置されるか又は平面ターゲットに連結される。そのような磁石アセンブリは、更に、平面カソードに配置連結されてもよい。

ある実施形態によれば、基板２１０は、堆積材料の堆積中に静的であり又は動的である。本明細書で説明される実施形態によれば、例えば、薄膜バッテリ処理のために静的堆積プロセスが提供され得る。当業者であれば理解するように、動的堆積処理とは異なる「静的堆積処理」という用語は、基板の任意の動きを除外するものではないことに留意するべきである。静的堆積処理は、例えば、堆積中の静的基板位置と、堆積中の振動基板位置と、堆積中に本質的に一定である平均基板位置と、堆積中のディザリング基板位置（ｄｉｔｈｅｒｉｎｇ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）と、堆積中の搖動基板位置と、カソードが１つの真空チャンバ内に設けられる、すなわち、所定の組のカソードが真空チャンバ内に設けられる堆積処理と、例えば、層の堆積中に真空チャンバを隣接するチャンバから分離するバルブユニットを閉じることによって、真空チャンバが、隣接するチャンバに関連して密閉雰囲気を有する基板位置と、又はそれらの組み合わせとのうちの少なくとも１つを、含むことができる。静的堆積処理は、静的位置を有する堆積処理、本質的に静的な位置を有する堆積処理、又は基板の部分的な静的位置を有する堆積処理として理解することができる。このことから、基板位置が（ある場合では）堆積中の任意の移動を完全に無しとしない、静的堆積処理は、未だ、動的処理から区別され得る。

本開示は、金属又はステンレス鋼などの金属又は金属合金から作られたマスク部分を有する、マスキングデバイスを提供する。マスキングデバイスは、堆積プロセスで使用され得るリチウム及び／又は高温に耐えることができる。マスキングデバイスは、再使用可能である。更に、マスキングデバイスは、削減されたコストで製造され得る。更に、金属又は金属合金は、例えば、セラミックよりも損傷又は破損を受けにくい。

以上の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱することなく本開示の他の更なる実施形態を考案することができ、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定められる。

Claims (15)

1. 薄膜バッテリの製造におけるリチウム堆積プロセスで使用されるマスキングデバイスであって、
   金属又は金属合金から作られたマスク部分、及び
   前記マスク部分内の１以上の開口部を備え、前記１以上の開口部が、堆積材料の粒子が前記マスク部分を通過することを可能にするように構成され、前記１以上の開口部の各開口部のサイズが、少なくとも０．５ｃｍ^２である、マスキングデバイス。
2. 前記１以上の開口部の各開口部の前記サイズが、０．５ｃｍ^２から５０ｃｍ^２までの範囲内にある、請求項１に記載のマスキングデバイス。
3. 前記マスキングデバイスが、複数の薄膜バッテリの電極の形成のために構成されている、請求項１又は２の記載のマスキングデバイス。
4. 前記マスク部分に設けられた絶縁体を更に含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のマスキングデバイス。
5. 前記絶縁体が、セラミック材料とポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一方を含む、請求項４に記載のマスキングデバイス。
6. 前記マスク部分が、第１の側と第２の側を有し、前記第１の側が前記リチウム堆積プロセス中に基板と対面するように構成され、前記第２の側が、前記リチウム堆積プロセス中に堆積源と対面するように構成され、前記絶縁体が、前記マスク部分の少なくとも前記第１の側に設けられている、請求項４又は５に記載のマスキングデバイス。
7. 前記絶縁体が、前記マスク部分内の前記１以上の開口部に対応する１以上の絶縁体開口部を有する、請求項４から６のいずれか一項に記載のマスキングデバイス。
8. 前記１以上の絶縁体開口部のうちの各開口部が、前記マスク部分内の前記１以上の開口部の前記サイズと等しいか又はそれを上回るサイズを有する、請求項７に記載のマスキングデバイス。
9. 前記マスク部分と前記絶縁体が、分離した物として設けられる、請求項４から８のいずれか一項に記載のマスキングデバイス。
10. 前記マスク部分が、前記絶縁体上の被覆として設けられる、請求項４から８のいずれか一項に記載のマスキングデバイス。
11. 前記マスク部分の前記金属又は前記金属合金が、ステンレス鋼、モリブデン、アルミニウム、鉄、クロム、及びそれらの任意の組み合わせから成る群から選択されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のマスキングデバイス。
12. リチウム堆積プロセスのために構成された装置であって、
    １以上の堆積源、及び
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のマスキングデバイスを１以上備える、装置。
13. リチウム堆積プロセスにおいて薄膜バッテリの電極を製造するための方法であって、
    基板に対して請求項１から１１のいずれか一項に記載のマスキングデバイスを配置すること、及び
    前記マスク部分内の前記１以上の開口部を通して前記基板上にリチウム又はリチウム合金を堆積させて、前記薄膜バッテリの前記電極を形成することを含む、方法。
14. 前記リチウム堆積プロセスが、スパッタリング又は加熱蒸散を使用して実行される、請求項１３に記載の方法。
15. 請求項１３又は１４に記載の方法を使用して製造された電極を含む、薄膜バッテリ。
    

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