JP6164754B2 - 薄膜バッテリ製造の方法及びそのための設備 - Google Patents

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〔関連出願への相互参照〕
本出願は、２００９年９月２２日出願の米国特許仮出願第６１／２４４，８００号の恩典を請求し、その全内容は、これにより本明細書に引用により組み込まれる。

本発明の実施形態は、薄膜バッテリの分野に関し、特に、薄膜バッテリ製造の方法及びそのための設備に関する。

従来の薄膜バッテリ製造計画は、典型的には、（１）パターン化技術のためのシャドウマスクの使用、及び（２）単一段階パターン化ベースの統合方式の実施による従来型技術のスケーリングに基づいている。こうした手法に伴う複雑性の問題は、有意である可能性がある。例えば、堆積チャンバ又はツールには、典型的に、通常の環境に敏感な薄膜バッテリ内の材料層を管理及び保護し、かつ堆積付加マスクを保護するように設計された所定の雰囲気条件を有するグローブボックスが装備される。グローブボックスの使用は、作業が厄介である可能性があり、かつ資本的及び作業的経費の両方に関してこの処理に有意なコスト、並びに収率への潜在的影響を追加する可能性がある。更に、シャドウマスクベースのパターン化は、他の有害な問題、例えば、アラインメント精度、及び潜在的欠陥が誘発する収率への影響、並びにパターン転写の精度及び欠陥低減のための追加構成要素及び頻繁なマスク再生処理による所有経費の増加を追加する可能性がある。

現在まで、薄膜バッテリ製造のための完全な設備は組み立てられていないが、従来型技術に基づくある一定の構成要素が開示されている。図１は、薄膜バッテリを製作する従来型の機器配列の例を示している。図１を参照すると、薄膜バッテリ製造に適する堆積ツール１００には、グローブボックス１０２が装備される。例えば、グローブボックス１０２には、典型的に、スパッタリング処理に関連付けられた堆積ツール１００が含められる。図示しないが、例えば、リチウムチャンバ又は空気感応層堆積工程に続いて使用される他のチャンバ又は処理ツールと共に使用するために、付加的なグローブボックスが多くの場合に必要である。

米国特許出願公開第２００９／０１４８７６４号明細書

薄膜バッテリを製造するための従来の機器配列の例を示す図である。 本発明の実施形態に従って本明細書に説明する製造工程及びツール配列による製作のために考えられた代表的な薄膜バッテリの断面図である。 本発明の実施形態によるマスク処理を用いた２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。 従来型の方法に従った薄膜バッテリを製作するための統合方式における作業を表す流れ図である。 本発明の実施形態による薄膜バッテリを製作するための統合方式における作業を表す流れ図である。 本発明の実施形態による薄膜バッテリを製作するための統合方式における作業を表す流れ図である。 従来型の処理機器配列と対比して本発明の実施形態によるリチウムアノードの組み込みとカソードのリチウム化とを含む薄膜バッテリ方法に適する２００ミリメートルクラスターツールの配列を示した図である。 従来型の処理機器配列と対比して本発明の実施形態による合金アノードの形成を含む薄膜バッテリ方法に適する２００ミリメートルクラスターツールの配列を示した図である。 本発明の実施形態による最適化マスク処理を用いる２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。 本発明の実施形態によるマスクレス統合処理を用いる２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。 本発明の実施形態によるマスクレス統合処理を用いるインライン大面積被覆器薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。 本発明の実施形態によるマスクレス統合処理を用いる高収量に設計されたインライン大面積被覆器薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。 本発明の実施形態による組合せ２００ミリメートル及びインライン大面積被覆器薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。 本発明の実施形態による原位置マスク管理を含むマスク統合による薄膜バッテリ製造のための大量生産ツールセットのブロック図である。 本発明の実施形態による標準リチウム蒸発ツールを用いる２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。 本発明の実施形態による単一マスク統合処理を用いる高収量に設計されたインライン大面積被覆器薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。

薄膜バッテリ製造の方法及び設備を説明する。以下の説明において、本発明の十分な理解を提供するために、製作条件及び材料レジームのような多くの特定の詳細が示される。本発明がこれらの特定の詳細なしに実施することができることは当業者に明らかであろう。他の事例において、薄膜バッテリ用途のような公知の態様は、本発明を不要に曖昧にしないために詳細には説明されない。更に、諸図に示す様々な実施形態は、例示的な表現であって必ずしも一定尺度で描かれていないことは理解されるものとする。更に、他の配列及び構成は、本明細書の実施形態に明示的に開示されない場合があるが、依然として本発明の精神及び範囲内であると見なされる。

薄膜バッテリ製造の方法を本明細書に開示する。実施形態では、方法は、薄膜バッテリを製作するための作業を含む。

薄膜バッテリ製造のための設備も本明細書に開示する。実施形態では、設備は、薄膜バッテリを製作するための１つ又はそれよりも多くのツールセットを含む。

本発明の実施形態により、本明細書に開示する方法及び設備は、次の問題又は特徴、すなわち、（ａ）統合された堆積システム及び設備、（ｂ）空気環境に適合する製造技術、（ｃ）複雑性及びコストの低減、（ｄ）シリコン集積回路プラットホーム、及び（ｅ）インライン堆積プラットホームのうちの１つ又はそれよりも多くに対処する。一部の実施形態では、薄膜バッテリ製造技術のための完全な設備モデルが本明細書で示される。様々なシステムの独自性としては、（ａ）複雑性をできるだけ小さくし、製造統合化を高めるための統合プラットホーム、（ｂ）シャドウマスクレス統合に適合するツール、及び（ｃ）全ての処理のための完全なツールセット、例えば、薄膜バッテリ設備モデルが挙げられる。

本明細書に開示する方法及び設備に関して、全設備モデルのための構成要素としては、（ａ）金属、カソード、電解質、及びアノード材料のための物理蒸着チャンバ、（ｂ）ポリマー、誘電体、及び金属堆積チャンバ又はツールから典型的に構成される保護コーティングシステム、（ｃ）マスク統合方式のためのアラインメントシステム、（ｄ）マスクレス統合のための周囲ツール（例えば、レーザ又はリソグラフィパターン化）が挙げられる。本発明の一部の実施形態により、薄膜バッテリ製造設備のための特性としては、（ａ）不活性環境要件（マスク又はマスクレス統合に関係なく）の必要性を排除するためのスマート「クラスター化」又は統合、（ｂ）典型的に自立型のリチウム堆積チャンバを排除し、移送中の空気露出の危険性を排除又は軽減する独自のチャンバの使用、及び（ｃ）任意的な真空移送モジュール（ＶＴＭ）の使用が挙げられる。本発明の実施形態により、設備の種類としては、以下に制限されるものではないが、２００ミリメートルプラットホーム、３００ミリメートルプラットホーム、インラインプラットホーム、又は組合せプラットホームのような配列が挙げられる。本発明の実施形態により、処理統合方式としては、以下に制限されるものではないが、マスク統合方式、マスクレス統合方式のような統合方式が挙げられる。

様々な薄膜バッテリアーキテクチャを本明細書に説明する処理及びツール配列を用いた製造のために考えることができる。図２は、本発明の実施形態に従って本明細書に説明する製造工程及びツール配列による製造を意図した代表的な薄膜バッテリの断面を示している。図２を参照すると、薄膜バッテリ２００は、基板２０４上に製作された層スタック２０２を含む。層スタック２０２は、カソード電流コレクター層２０６と、アノード電流コレクター２０８と、カソード層２１０と、アノード層２１２と、電解質層２１４と、保護コーティング層２１６とを含む。一部の実施形態では、層スタック２０２は、約１５ミクロンの厚みを有する。現実の全体厚みは、所定のデバイス面積に関するバッテリの望ましい容量に依存する可能性があり、この所望容量は、カソード、アノード、及び電解質の厚みに影響を与える。実施形態では、薄膜バッテリ２００のアノード層２１２は、リチウムアノード層である。しかし、図２は、薄膜バッテリ構造のための１つの可能な配列に過ぎず、本明細書に開示する概念は、例えば、米国特許出願公開第２００９／０１４８７６４号明細書に説明した統合方式を含む従来型の工程及び統合方式によって製造されたもののようなあらゆる薄膜バッテリ構造に適用することができることは理解されるものとする。

本発明の実施形態により、薄膜バッテリ製造工程は、２つの部類、すなわち、（１）材料層の堆積、及び（２）材料層のパターン化に分けることができる。機能性に関して、実施形態では、堆積工程は、活性デバイスの製作と保護コーティングの製作とに分けることができ、それらの両方は、何らかの形式のパターン化を必要とする。従って、一実施形態では、本明細書に説明する設備モデルは、３つの部門、すなわち、（１）デバイス材料の堆積、（２）保護コーティングの堆積、及び（３）パターン化技術から構成される。

実施形態では、活性デバイス製作に関わる典型的な層は、以下に制限されるものではないが、電流コレクター、カソード（正極）、電解質、及びアノード（負極）材料のような層である。一般的に、保護コーティングのためには、複数の層スタックが使用される。実施形態では、有用な材料としては、以下に制限されるものではないが、ポリマー、誘電体、金属、又は半導体が挙げられる。パターン化のために、従来型の方法は、シャドウマスクの使用を含んでいた。本発明の実施形態では、レーザベース及びリソグラフィベース方法の両方又はいずれかを含むマスクレス統合方式が使用される。

本発明の実施形態により、設備モデルの例は、Ｓｉ−ＩＣ（２００又は３００ミリメートル基板）、及びシャドウマスクベース及びマスクレスベースの統合の両方のためのインラインプラットホームのいずれか又は両方を含む。実施形態では、シャドウマスクレスベースの最適化シリコン集積回路プラットホームの特徴は、原位置外リソグラフィベース又はレーザベースのアラインメント及びパターン化技術（例えば、シャドウマスクを用いる原位置パターン化の複雑性とミスアラインメントの可能性との排除）と、統合リチウムチャンバ及び空気感受性材料層（例えば、カソード層及びアノード層）のための不活性環境要件を排除又は少なくとも最小にする独自の統合方法の使用とを利用する。

本発明の態様では、マスク統合のための設備モデルを提供する。図３は、本発明の実施形態によるマスク処理を使用する２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図を示している。

図３を参照すると、薄膜バッテリの製作のための設備３００は、金属層又は半導体層を堆積させる第１の処理ツール３０２と、活性層を堆積させる第２の処理ツール３０４と、必要に応じた急速熱処理のための第３の処理ツール（又は加熱炉）３０６と、誘電体層を堆積させる第４の処理ツール３０８と、反応性イオンエッチングを行う第５の処理ツール３１０と、薄膜バッテリのための特殊層を堆積させる第６の処理ツール３１２とを含む。本発明の実施形態により、第６の処理ツール３１２は、図３に表されるように、同じ処理ツール内でのリチウム層（例えば、リチウムアノード層）及び保護コーティング（例えば、ポリマー層）の両方の堆積を行うよう構成される。この図における様々なツール上のグローブボックスの配置又は欠除は、所定のツールから得られる層又は処理が空気安定性又は空気感受性のいずれの「上部」表面をもたらすかという前提に基づくことができる。従って、統合方式（デバイスパターン化）が、所定のツール上の処理の後に層又は上部表面の性質を変化させた時は、この配置は変わる場合がある。実施形態では、ツールチャンバ又はＳＭＦモジュールの１つ又はそれよりも多くは、図３に示すツールの１つ又はそれよりも多くのための真空移送モジュール（ＶＴＭ）で置換することができることは理解されるものとする。

本発明の態様では、搭載リチウムチャンバの使用の影響と、アノード材料及びカソード材料の両方のための改良された統合方式とを説明する。図４は、リチウム化カソードとリチウムアノードとを有するセルのための従来型の方法に従って薄膜バッテリを製作するための統合方式における作業を表す流れ図４００を示している。流れ図４００の作業４０２を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、電流コレクター層のパターン化堆積を含む。流れ図４００の作業４０４を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、カソード層のパターン化堆積を含む。流れ図４００の作業４０６を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、カソード層の焼き鈍しを含む（任意的に）。流れ図４００の作業４０８を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、電解質層のパターン化堆積を含む。流れ図４００の作業４１０を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、アノード層のパターン化堆積を含む。流れ図４００の作業４１２を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、保護コーティング層の堆積を含む。実際の薄膜バッテリスタックの要件に基づいて、堆積後パターン化も上述の作業に引き続いて行うことができる。

特定的な実施形態では、次の電解質層の堆積は、堆積工程と堆積工程の間にカソード層が空気環境に露出されることなくカソード層上に行われる。図５は、本発明の実施形態による薄膜バッテリを製作するための統合方式における作業を表す流れ図５００を示している。流れ図５００の作業５０２を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、カソード層の堆積を含む。任意的作業５０３ａを参照すると、一実施形態では、カソード層は、リチウムを既に含むことができ又は含まなくてもよい基礎カソード材料の堆積の後にリチウム化される。任意的作業５０３ｂを参照すると、一実施形態では、カソード層は、例えば、カソード層の加熱によって焼き鈍しされる。特定の実施形態では、カソード層は、リチウムを既に含むことができ又は含まなくてもよい基礎カソード材料の堆積の後にリチウム化され、引き続き、カソード層は、例えば、カソード層の加熱によって焼き鈍しされる。段階５０３ａと段階５０４ｂは、実施形態では、交換することができる。流れ図５００の作業５０４を参照すると、カソード層を環境空気に露出することなく、電解質層が、次に、カソード層上に形成される。流れ図５００の作業５０６を参照すると、マスク作業を含む第２の電解質層の堆積作業が行われる。上述の層が上に堆積された基板が空気環境に露出された場合に、電解質層は、カソード層を保護する。

別の特定的な実施形態では、金属層、誘電体層、誘電体−有機複合体層、又は有機層のその後の堆積が、アノード層上に堆積工程と堆積工程の間にアノード層を空気環境に露出することなく行われる。図７は、本発明の実施形態による薄膜バッテリを製造するための統合方式における作業を表す流れ図６００を示している。流れ図６００の作業６０２を参照すると、薄膜バッテリ製造工程は、アノード層の堆積を含む。任意的作業６０３ａを参照すると、一実施形態では、アノード層は、リチウムを既に含むことができ又は含まなくてもよい基礎アノード材料の堆積の後にリチウム化される。任意的作業６０３ｂを参照すると、一実施形態では、アノード層は、例えば、アノード層の加熱によって焼き鈍しされる。特定の実施形態では、アノード層は、リチウムを既に含むことができ又は含まなくてもよい基礎アノード材料の堆積の後にリチウム化され、引き続き、アノード層は、例えば、アノード層の加熱によって焼き鈍しされる。流れ図６００の作業６０４を参照すると、アノード層を環境空気に露出することなく、初期保護コーティング層が、次に、アノード層上に形成される。流れ図６００の作業６０６を参照すると、マスク作業を含む第２のコーティング層堆積作業が行われる。上述の層が上に堆積された基板が空気環境に露出された場合に、初期保護コーティング層は、アノード層を保護する。

図７は、従来型の処理機器の配列と対比してリチウムアノード及びカソードのリチウム化の組み込みを含む本発明の実施形態による複雑性低減のための薄膜バッテリ方式に適する２００ミリメートルクラスターツールの配列を示している。図７を参照すると、クラスターツール７０２は、原位置外（グローブボックスに対して）マスクアラインメントを伴う工程に適合するように構成されている。従来型のツール構成７０４も示されている。実施形態では、クラスターツール７０２は、上述のような付加的な保護堆積作業に適合する付加的なチャンバを有する。一実施形態では、クラスターツール７０２は、シャワーヘッドベース（外部リザーバを有する）又は内部リザーバベースの直接リチウム蒸発器７０６を含む。特定の実施形態では、クラスターツール７０２への搭載リチウム堆積チャンバ７０６の組み込みにより、ツール間の原位置外移送の必要性が除かれる。別の実施形態では、クラスターツール７０２は、以下に限定されるものではないが、リチウムスパッタリングチャンバのような高リチウム堆積速度チャンバを含む。特定の実施形態では、高リチウム堆積速度チャンバは、リチウムターゲットのスパッタリングを行うアルゴンガスのためのソースポイントを含む。実施形態では、クラスターツール７０２は、図７に表されるように、急速熱焼き鈍し（ＲＴＡチャンバ）のような焼き鈍しチャンバ７０５を含む。

図８は、従来型の処理機器の配列と対比して本発明の実施形態による合金アノードの形成を含む薄膜バッテリ方式に適するクラスターツールの配列を示している。図８を参照すると、クラスターツール８０２は、原位置外マスクアラインメントを伴う工程に適合するように構成されている。従来型のツール構成８０４も示されている。実施形態では、クラスターツール８０２は、上述のような付加的な保護堆積作業に適合する付加的なチャンバを有する。一実施形態では、搭載リチウムチャンバ８０６は、シリコン−リチウム−シリコン又はリチウム−シリコン（シリコン−オン−トップ）型の堆積を可能にする。実施形態では、クラスターツール８０２は、図９に表されるように、急速熱焼き鈍し（ＲＴＡチャンバ）のような焼き鈍しチャンバ８０５を含む。この実施例は、２００ミリメートルＳｉ−ＩＣプラットホーム及びチャンバによって示されているが、同じ概念は、３００ミリメートル及びインラインツールに拡張することができる。

本発明の別の態様では、最適化薄膜バッテリ設備を提供する。２００ミリメートルツールセットが例として示されているが、そのような手法は、３００ミリメートルツールセットで容易に達成することができることは理解されるものとする。図９は、本発明の実施形態による最適化マスク処理を用いる２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図を示している。

図９を参照すると、最適化マスク処理を用いる薄膜バッテリの製作のための設備９００は、金属層又は半導体層を堆積させる第１の処理ツール９０２を含む。本発明の実施形態により、第１の処理ツール９０２は、リチウムチャンバ９０４を含む。実施形態では、第１の処理ツール９０２は、マスクアライナ９０６に関連付けられている。設備９００は、活性層を堆積させる第２の処理ツール９０８も含む。本発明の実施形態により、第２の処理ツール９０８は、図９に表されるように、１つ又はそれよりも多くのカソード堆積チャンバと、金属堆積チャンバと、１つ又はそれよりも多くの電解質堆積チャンバと、リチウム堆積チャンバとを含む。設備９００はまた、急速熱処理のための第３の処理ツール９１０と、誘電体層を堆積させる第４の処理ツール９１２と、反応性イオンエッチングを行う第５の処理ツール９１４とを含む。本発明の実施形態により、設備９００は、薄膜バッテリのための特殊層を堆積させる第６の処理ツール９１６も含む。本発明の実施形態により、第６の処理ツール９１６は、図９に表されるように、ポリマー層の堆積を行うよう構成される。更に、それぞれ金属／半導体層及び活性層のための第１のツールセット９０２及び第２のツールセット９０８には、搭載焼き鈍しチャンバを装備することができる。こうしたツールは、複数の材料及び堆積方式における薄膜バッテリの製作を可能にする。

本発明の態様では、マスクレス処理統合方式のための設備ツールセットを提供する。実施形態では、設備は、以下に制限されるものではないが、クラスターツールプラットホーム、インラインプラットホーム、高収量をターゲットとするインラインプラットホーム、又は２００ｍｍインライン組合せプラットホームのようなプラットホームを含む。一実施形態では、２００ｍｍインライン組合せプラットホームは、製造業者が比較的低い堆積速度を有するデバイス材料層（例えば、カソード及び電解質）のより容易なスケーリングを可能にすることを可能にすることができる。特定の実施形態では、システムレイアウトは、本質的にモジュラーであり、薄膜バッテリ製造のための堆積及びパターン化を統合する複数の方法の採択を可能にする。

図１０は、本発明の実施形態によるマスクレス統合処理を用いる２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図を示している。

図１０を参照すると、マスクレス統合処理を用いる薄膜バッテリの製作のための設備１０００は、金属層を堆積させる第１の処理ツール１００２を含む。本発明の実施形態により、第１の処理ツール１００２は、リチウムチャンバ１００４を含む。設備１０００は、活性層を堆積させる第２の処理ツール１００６も含む。本発明の実施形態により、図１０に表されるように、第２の処理ツール１００６は、１つ又はそれよりも多くのカソード堆積チャンバと、１つ又はそれよりも多くの金属堆積チャンバと、１つ又はそれよりも多くの電解質堆積チャンバと、リチウム堆積チャンバとを含む。設備１０００はまた、急速熱処理のための第３の処理ツール１００８と、誘電体層を堆積させる第４の処理ツール１０１０と、反応性イオンエッチングを行う第５の処理ツール１０１２とを含む。本発明の実施形態により、設備１０００は、薄膜バッテリの製作における処理作業を行う付加的な処理ツール１０１４、１０１６、１０１８、及び１０２０も含む。本発明の実施形態により、図１０に表されるように、処理ツール１０１４は、ポリマー層の堆積を行うよう構成され、処理ツール１０１６は、リソグラフィ露光とレジスト除去作業とを行うよう構成され、処理ツール１０１８は、エッチング及び洗浄作業を行うよう構成され、処理ツール１０２０は、その上に薄膜バッテリが製作されたウェーハのレーザスクライビングを行うよう構成される。図９に類似して、それぞれ金属／半導体層及び活性層のための第１のツールセット１００２及び第２のツールセット１００６には、搭載焼き鈍しチャンバを装備することができる。統合方式によっては、空気感応層の側壁が原位置外パターン化中に露出されることが可能である。そのような場合には、適切なツールを例えばグローブボックスとのそれらの接続又は直接移送を可能にするチャンバのクラスター化によって空気露出を排除するように構成する必要があることになる。

図１１は、本発明の実施形態によるマスクレス統合処理を用いるインライン大面積被覆器薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。

図１１を参照すると、マスクレス統合処理を用いる薄膜バッテリの製作のための設備１１００は、活性層を堆積させる第１の処理ツール１１０２を含む。本発明の実施形態により、図１１に表されるように、第１の処理ツール１１０２は、複数のカソード堆積チャンバ１１０４と、金属堆積チャンバ１１０６と、複数の電解質堆積チャンバ１１０８と、複数のリチウム堆積チャンバ１１１０とを含む。設備１１００は、金属又は半導体層を堆積させる第２の処理ツール１１１２も含む。本発明の実施形態により、第２の処理ツール１１１２は、複数の金属チャンバ１１１４を含む。実施形態では、設備１１００は、薄膜バッテリの製作における様々な処理作業を行う付加的な処理ツール１１１６、１１１８、１１２０、１１２２、及び１１２４も含む。一実施形態では、図１１に表されるように、処理ツール１１１６は、急速熱処理を行うよう構成され、処理ツール１１１８は、ポリマー層の堆積を行うよう構成され、処理ツール１１２０は、リソグラフィ露光作業及びレジスト除去作業を行うよう構成され、処理ツール１１２２は、エッチング作業及び洗浄作業を行うよう構成され、処理ツール１１２４は、その上に薄膜バッテリが製作されたウェーハのレーザスクライビングを行うよう構成される。堆積ツールのためのこの特定の構成は、空気感受性でないか（焼き鈍しを伴うか又は伴わない）又は空気感受性であるがリチウムアノードに対する焼き鈍しを必要としないカソードのためのものである。他の種類のカソード−アノード対及び処理統合フローのための類似の構成は、同様な概念から容易に導出することができる。

図１２は、本発明の実施形態によるマスクレス統合処理を用いる高収量に設計されたインライン大面積被覆器薄膜バッテリ製造設備のブロック図を示している。

図１２を参照すると、高収量に設計されたマスクレス統合処理を用いる薄膜バッテリの製作のための設備１２００は、電解質層及びアノード層を堆積させる第１の処理ツール１２０２を含む。本発明の実施形態により、図１２に表されるように、第１の処理ツール１２０２は、複数の電解質堆積チャンバ１２０４と、１つ又はそれよりも多くの金属堆積チャンバ１２０６と、１つ又はそれよりも多くのリチウム堆積チャンバ１２０８とを含む。設備１２００は、カソード層を堆積させる第２の処理ツール１２１０も含む。本発明の実施形態により、図１２に表されるように、第２の処理ツール１２１０は、複数のカソード堆積チャンバ１２１２を含む。設備１２００は、金属層又は半導体層を堆積させる第３の処理ツール１２１４も含む。本発明の実施形態により、第３の処理ツール１２１４は、複数の金属チャンバ１２１６と複数の半導体チャンバ１２１８とを含む。実施形態では、設備１２００は、薄膜バッテリの製作における様々な処理作業を行う付加的な処理ツール１２１８、１２２０、１２２２、１２２４、１２２６、及び１１２８も含む。一実施形態では、処理ツール１２１８は、急速熱処理を行うよう構成され、処理ツール１２２０は、ポリマー層の堆積を行うよう構成され、処理ツール１２２２は、リソグラフィ露光及びレジスト除去作業を行うよう構成され、処理ツール１２２４は、エッチング及び洗浄作業を行うよう構成され、処理ツール１２２６は、レーザ融除を行うよう構成され、処理ツール１２２８は、誘電体層堆積を行うよう構成される。この特定のシステムは、ＬｉＣｏＯ₂−Ｌｉセルに対して設定することができる。他の種類のカソード−アノード対及び処理統合フローのための類似の構成は、同様な概念から容易に導出することができる。

図１３は、本発明の実施形態による組合せ２００ミリメートル及びインライン大面積コータ―薄膜バッテリ製造設備のブロック図を示している。この場合には、インラインツールは、多数の２００ミリメートルツール適合基板を処理することになる。

図１３を参照すると、薄膜バッテリの製作のための設備１３００は、金属層又は半導体層を堆積させる第１の処理ツール１３０２を含む。本発明の実施形態により、第１の処理ツール１３０２は、リチウムチャンバ１３０４を含む。図７及び図８に示すように、第１の処理ツール１３０２には、搭載焼き鈍しチャンバを装備することができる。設備１３００は、活性層を堆積させる第２のインライン処理ツール１３０６も含む。本発明の実施形態により、第２の処理ツール１３０６は、図１３に表されるように、複数のカソード堆積チャンバ１３０８と、１つ又はそれよりも多くの金属堆積チャンバ１３１０と、複数の電解質堆積チャンバ１３１２と、１つ又はそれよりも多くのリチウム堆積チャンバ１３１４とを含む。設備１３００はまた、急速熱処理のための第３の処理ツール１３１６と、誘電体層を堆積させる第４の処理ツール１３１８と、反応性イオンエッチングを行う第５の処理ツール１３２０とを含む。本発明の実施形態により、設備１３００は、薄膜バッテリの製作における処理作業を行う付加的な処理ツール１３２２、１３２４、１３２６、及び１３２８も含む。本発明の実施形態により、図１３に表されるように、処理ツール１３２２は、ポリマー層の堆積を行うよう構成され、処理ツール１３２４は、リソグラフィ露光作業及びレジスト除去作業を行うよう構成され、処理ツール１３２６は、洗浄作業を行うよう構成され、処理ツール１３２８は、レーザスクライビングを行うよう構成され、処理ツール１２２８は、誘電体層堆積を行うよう構成される。

本発明の別の態様では、シャドウマスクベース統合方式のためのインライン設備モデルを提供する。実施形態では、マスクアラインメント及び管理は、原位置で行われる。一実施形態では、ツールセットは、例示的な処理統合方式に基づいており、かつ統合フローにおけるあらゆる変化に容易に適応させることができる。図１４は、本発明の実施形態による原位置マスク管理を含むマスク統合を用いる薄膜バッテリ製造のための大量生産ツールセットのブロック図を示している。

図１４を参照すると、原位置マスク管理を含むマスク統合を用いる薄膜バッテリの製作のための設備１４００は、活性層、金属、及び半導体を堆積させる連結処理ツールを有するシステム１４０２を含む。本発明の実施形態により、システム１４０２は、金属層及び誘電体層を堆積させる第１の処理ツール１４０４と、半導体層を堆積させる第２の処理ツール１４０６と、電解質層を堆積させる第３の処理ツール１４０８と、カソード層を堆積させる第４の処理ツール１４１０と、金属層を堆積させる第５の処理ツール１４１２とを含む。設備１４００はまた、ポリマーを堆積させるシステム１４１４と、保護コーティングを形成する連結処理ツールを有するシステム１４１６とを含む。本発明の実施形態により、システム１４１６は、保護コーティングの堆積及びパターン化のためのものである。この特定の構成は、２つの異なるマスク作業を有する多層及び材料可能システムを表している。すなわち、３つの統合モジュール１４１８、１４２０、及び１４２２は、誘電体層及び金属層のような一般又は特殊材料の組合せのために、並びにパターン化のエッチング処理のために使用することができる。マスク管理システムのユニットも図１４に表されている。例えば、１４５０は、回転アラインメントモジュールであり、一方で１４５２は、対応するチャンバを通気することなく再生及び再装填するための個別のマスク装填／装填解除ポートを有するマスク格納区域である。

本発明の別の態様では、標準リチウム蒸発ツールを有する設備モデルを提供する。図１５は、本発明の実施形態による標準リチウム蒸発ツールを用いる２００ミリメートル薄膜バッテリ製造設備のブロック図である。この構成は、空気感受性カソード材料を処理するためのものとすることができる。

図１５を参照すると、薄膜バッテリの製作のための設備１５００は、薄膜バッテリのための接点を形成する金属層又は半導体層を堆積させる第１の処理ツール１５０２を含む。設備１５００は、カソード層と、電解質層と、リチウムとを堆積させる第２の処理ツール１５０４も含む。第２の処理ツール１５０４は、カソード層の堆積のための第１のクラスターツール１５５０と、電解質の堆積のための第２のクラスターツール１５５２とを含む。一実施形態では、第１のクラスターツール１５５０には、原位置焼き鈍しのための熱焼き鈍しチャンバ１５５４が装備されるが、図１５に表されるように、リチウム又はリチウム含有層の堆積のためのチャンバは装備されていない。代わりに、本発明の実施形態により、第２の処理ツール１５０４は、標準リチウム蒸発ツール１５５６を第１のクラスターツール１５５０と第２のクラスターツール１５５２とに連結する１つ又はそれよりも多くのグローブボックス（ＧＢ）を備えた標準リチウム蒸発ツール１５５６を含む。

図１５を再び参照すると、設備１５００はまた、急速熱処理のための第３の処理ツール１５０６と、プラズマ物理蒸着（ＰＥＣＶＤ）による層の蒸着のための第４の処理ツール１５０８と、反応性イオンエッチングを行う第５の処理ツール１５１２と、ポリマー層のような薄膜バッテリのための特殊層を堆積させる第６の処理ツール１５１２とを含む。一実施形態では、図１５に表されるように、第４の処理ツール１５０８は、特殊処理の要求のためグローブボックス（ＧＢ）に連結される。

図１６は、本発明の実施形態による単一マスク統合処理を用いる高収量に設計されたインライン大面積被覆器薄膜バッテリ製造設備のブロック図を示している。

図１６を参照すると、単一マスク統合処理を用いる薄膜バッテリの製作のための高収量に設計された設備１６００は、電解質層とリチウムベースの層とを堆積させる第１の処理ツール１６０２を含む。本発明の実施形態により、図１６に表されるように、第１の処理ツール１６０２は、複数の電解質堆積チャンバ１６０４と、１つ又はそれよりも多くの金属堆積チャンバ１６０６と、１つ又はそれよりも多くのリチウム堆積チャンバ１６０８とを含む。設備１６００は、カソード層を堆積させる第２の処理ツール１６１０も含む。本発明の実施形態により、図１６に表されるように、第２の処理ツール１６１０は、複数のカソード堆積チャンバ１６１２を含む。設備１６００は、薄膜バッテリのための接点を形成するのに用いる金属層又は半導体層を堆積させる第３の処理ツール１６１４も含む。本発明の実施形態により、第３の処理ツール１６１４は、図１６に表されるように、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び金／白金（Ａｕ／Ｐｔ）堆積チャンバのような複数の金属チャンバ１６１６も含む。実施形態では、設備１６００は、薄膜バッテリの製作における様々な処理作業を行う付加的な部類の処理ツール１６１８、１６２０、１６２２、１６２４、及び１６２６も含む。一実施形態では、図１６に表されるように、周囲ツールの部類は、急速熱処理を行うよう構成された処理ツール１６１８と、ポリマー層の堆積を行うよう構成された処理ツール１６２０と、エッチング、洗浄、及び除去の各作業を行うよう構成された処理ツール１６２２とを含む。一実施形態では、図１６に表されるように、パターン化ツールの部類は、リソグラフィ露光を行うよう構成された処理ツール１６２４と、レーザスクライビングを行うよう構成された処理ツール１６２４とを含む。本発明の実施形態により、設備１６００は、マスクレス統合方式とマスク統合方式との混成物である統合処理を行うために使用することができる。この特定の設備は、ＬｉＣｏ₂−Ｌｉセルのためのものとすることができる。他の種類のカソード−アノード対及び処理統合フローのための類似の構成は、同様な概念から容易に導出することができる。

すなわち、本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態では、リチウムベース薄膜バッテリ製造のための設備レイアウトを提供する。設備レイアウトは、金属層又は半導体層を堆積させる第１の処理ツールと、活性層を堆積させる第２の処理ツールと、急速熱処理のための第３の処理ツールと、誘電体層を堆積させる第４の処理ツールと、反応性イオンエッチングを行う第５の処理ツールと、薄膜バッテリのための特殊層を堆積させる第６の処理ツールとを含む。

一実施形態では、第６の処理ツールは、同じ処理ツール内でのリチウム又はリチウム含有層と保護コーティングとの両方の堆積を行うよう構成される。特定の実施形態では、リチウム層は、リチウムアノード層であり、保護コーティングは、ポリマー層である。一実施形態では、第１の処理ツールは、第１のリチウムチャンバを含み、第２の処理ツールは、第２のリチウムチャンバを含む。特定の実施形態では、第６の処理ツールは、ポリマー層の堆積を行うよう構成される。特定的な実施形態では、設備レイアウトは、リソグラフィ露光作業及びレジスト除去作業を行うよう構成された第７の処理ツールセットと、エッチング作業及び洗浄作業を行うよう構成された第８の処理ツールセットと、その上に薄膜バッテリが製作されたウェーハ又は基板のレーザスクライビングを行うよう構成された第９の処理ツールとを更に含む。一実施形態では、第２の処理ツールは、カソード層の堆積のための第１のクラスターツールと、電解質層の堆積のための第２のクラスターツールと、リチウム蒸発ツールを第１のクラスターツールと第２のクラスターツールとに連結する１つ又はそれよりも多くのグローブボックスを含むリチウム蒸発ツールとを含む。一実施形態では、リチウムベース薄膜バッテリ製造は、マスク統合方式を含む。一実施形態では、リチウムベース薄膜バッテリ製造は、マスクレス統合方式を含む。

本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態では、リチウムベース薄膜バッテリ製造のための別の設備レイアウトを提供する。この設備レイアウトは、活性層を堆積させるインライン処理ツールである第１の処理ツールと、金属層又は半導体層を堆積させる第２の処理ツールとを含む。

一実施形態では、第１の処理ツールは、複数のリチウム堆積チャンバを含む。特定の実施形態では、設備レイアウトは、急速熱処理を行うよう構成された第３の処理ツールと、ポリマー層の堆積を行うよう構成された第４の処理ツールと、リソグラフィ露光作業及びレジスト除去作業を行うよう構成された第５の処理ツールと、エッチング作業及び洗浄作業を行うよう構成された第６の処理ツールと、その上に薄膜バッテリが製作されたウェーハのレーザスクライビングを行うよう構成される第７の処理ツールとを更に含む。一実施形態では、第１の処理ツールは、電解質層及びアノード層を堆積させるように構成され、第２の処理ツールは、インライン処理ツールである。設備レイアウトは、カソード層を堆積させるように構成された第３の処理ツールを更に含み、第３の処理ツールは、インライン処理ツールである。特定の実施形態では、第２の処理ツールは、複数のリチウム堆積チャンバを含み、設備レイアウトは、急速熱処理を行うよう構成された第４の処理ツールと、ポリマー層の堆積を行うよう構成された第５の処理ツールと、リソグラフィ露光作業及びレジスト除去作業を行うよう構成された第６の処理ツールと、エッチング作業及び洗浄作業を行うよう構成された第７の処理ツールと、レーザ融除を行うよう構成された第８の処理ツールと、誘電体層を堆積させるように構成された第９の処理ツールとを更に含む。一実施形態では、第２の処理ツールは、クラスター処理ツールである。特定の実施形態では、第２の処理ツールは、リチウム又はリチウム含有層の堆積を行うよう構成されたチャンバを含む。一実施形態では、第２の処理ツールは、インライン処理ツールであり、第１の処理ツールと直接に連結される。設備レイアウトは、保護コーティング層を堆積させるように構成された第３の処理ツールを更に含み、第３の処理ツールは、インライン処理ツールである。一実施形態では、第１の処理ツールは、カソード層を堆積させるように構成され、第２の処理ツールは、インライン処理ツールであり、かつ接点層を堆積させるように構成され、設備レイアウトは、電解質層とリチウム又はリチウム含有層とを堆積させる第３の処理ツールを更に含み、第３の処理ツールは、インライン処理ツールである。一実施形態では、リチウムベース薄膜バッテリ製造は、マスク統合方式を含む。一実施形態では、リチウムベース薄膜バッテリ製造は、マスクレス統合方式を含む。

薄膜バッテリ製造の方法及びそのための設備をこのように開示した。本発明の実施形態により、方法は、薄膜バッテリを製作するための作業を含む。本発明の別の実施形態により、設備は、薄膜バッテリを製作するための１つ又はそれよりも多くのツールセットを含む。

２００ 薄膜バッテリ
２０２ 層スタック
２０４ 基板
２１０ カソード層
２１２ アノード層

Claims (15)

1. リチウムベース薄膜バッテリ製造のための設備レイアウトであって、
   リチウムベース薄膜バッテリの金属層又は半導体層を堆積させるための第１の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの活性層を堆積させるための第２の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの複数の層の急速熱処理のための第３の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの誘電体層を堆積させる第４の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの複数の層の反応性イオンエッチングを行うための第５の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの追加の層を堆積させるための第６の処理ツールと、 を含み、
   前記第２の処理ツールは、
   前記リチウムベース薄膜バッテリのカソード層の堆積のための第１のクラスターツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの電解質層の堆積のための第２のクラスターツールと、
   １つ又はそれよりも多くのグローブボックスを含むリチウム蒸発ツールであって、該グローブボックスが該リチウム蒸発ツールを前記第１のクラスターツールと前記第２のクラスターツールとに連結する前記リチウム蒸発ツールと、
   を含み、前記リチウム蒸発は、前記リチウムベース薄膜バッテリのためのリチウムを堆積させるために行われるものであることを特徴とするレイアウト。
2. 前記第６の処理ツールは、リチウム又はリチウム含有層と、保護コーティングの両方の堆積を同じ処理ツール内で行うよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の設備レイアウト。
3. 前記リチウム層は、リチウムアノード層であり、前記保護コーティングは、ポリマー層であることを特徴とする請求項２に記載の設備レイアウト。
4. 前記第１の処理ツールは、前記第２の処理ツールの前記リチウム蒸発ツールとは異なるリチウムチャンバを含むことを特徴とする請求項１に記載の設備レイアウト。
5. 前記第６の処理ツールは、ポリマー層の堆積を行うよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載の設備レイアウト。
6. フォトリソグラフィにおける露光作業及びレジスト除去作業を行うよう構成された第７の処理ツールセットと、
   エッチング作業及び洗浄作業を行うよう構成された第８の処理ツールセットと、
   その上に薄膜バッテリが製作される、ウェーハ又は基板のレーザスクライビングを行うよう構成された第９の処理ツールと、
   を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の設備レイアウト。
7. 前記リチウム蒸発ツールは、前記第１のクラスターツールと前記第２のクラスターツールの間に配置され、複数ある前記グローブボックスの第１のものは、前記第１のクラスターツールを前記リチウム蒸発ツールに連結し、複数ある前記グローブボックスの第２のものは、前記第２のクラスターツールを前記リチウム蒸発ツールに連結することを特徴とする請求項１に記載の設備レイアウト。
8. リチウムベース薄膜バッテリ製造のための設備レイアウトであって、
   リチウムベース薄膜バッテリの金属層又は半導体層を堆積させる第１の処理ツールと、 前記リチウムベース薄膜バッテリの活性層を堆積させる第２の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの複数の層の急速熱処理のための第３の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの誘電体層を堆積させる第４の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの複数の層の反応性イオンエッチングを行うための第５の処理ツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの追加の特殊層を堆積させるための第６の処理ツールと、
   を含み、
   前記第２の処理ツールは、
   前記リチウムベース薄膜バッテリのカソード層の堆積のための第１のクラスターツールと、
   前記リチウムベース薄膜バッテリの電解質層の堆積のための第２のクラスターツールと、
   前記第１のクラスターツールと前記第２のクラスターツールの間に配置されたリチウム蒸発ツールを含み、ここで、前記リチウム蒸発は、前記リチウムベース薄膜バッテリのためのリチウムを堆積させるために行われるものであり、
   第１のグローブボックスは前記第１のクラスターツールを前記リチウム蒸発ツールに連結し、第２のグローブボックスは前記第２のクラスターツールを前記リチウム蒸発ツールに連結することを特徴とする設備レイアウト。
9. 前記第６の処理ツールは、リチウム又はリチウム含有層と、保護コーティングの両方の堆積を同じ処理ツール内で行うよう構成されていることを特徴とする請求項８に記載の設備レイアウト。
10. 前記リチウム層は、リチウムアノード層であり、前記保護コーティングは、ポリマー層であることを特徴とする請求項９に記載の設備レイアウト。
11. 前記第１の処理ツールは、前記第２の処理ツールの前記リチウム蒸発ツールとは異なるリチウムチャンバを含むことを特徴とする請求項８に記載の設備レイアウト。
12. 前記第６の処理ツールは、ポリマー層の堆積を行うよう構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の設備レイアウト。
13. フォトリソグラフィにおける露光作業及びレジスト除去作業を行うよう構成された第７の処理ツールセットと、
    エッチング作業及び洗浄作業を行うよう構成された第８の処理ツールセットと、
    その上に薄膜バッテリが製作される、ウェーハ又は基板のレーザスクライビングを行うよう構成された第９の処理ツールと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の設備レイアウト。
14. リチウムベース薄膜バッテリ製造のための処理ツールであって、
    リチウムベース薄膜バッテリのカソード層の堆積のための第１のクラスターツールと、 前記リチウムベース薄膜バッテリの電解質層の堆積のための第２のクラスターツールと、
    １つ又はそれよりも多くのグローブボックスを含むリチウム蒸発ツールであって、該グローブボックスが該リチウム蒸発ツールを前記第１のクラスターツールと前記第２のクラスターツールとに連結する前記リチウム蒸発ツールと、
    を含み、前記リチウム蒸発は、前記リチウムベース薄膜バッテリのためのリチウムを堆積させるために行われるものであることを特徴とする処理ツール。
15. 前記１つ又はそれよりも多くのグローブボックスは、２つ以上のグローブボックスであり、前記リチウム蒸発ツールは、前記第１のクラスターツールと前記第２のクラスターツールの間に配置され、前記２つ以上のグローブボックスの第１のものは、前記第１のクラスターツールを前記リチウム蒸発ツールに連結し、前記２つ以上のグローブボックスの第２のものは、前記第２のクラスターツールを前記リチウム蒸発ツールに連結し、前記２つ以上のグローブボックスの第２のものは、前記２つ以上のグローブボックスの第１のものとは別個独立のものであることを特徴とする請求項１４に記載の処理ツール。

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