KR101773498B1 - 박막 배터리들의 대량 생산을 위한 방법 - Google Patents

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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

종래의 물리적 (새도우) 마스크들의 사용을 배제 및/또는 최소화함으로써 박막 배터리(TFB) 고용량 제조 비용 및 복잡성을 감소시키는 개념들 및 방법들이 제공된다. 레이저 스크라이빙 및 다른 대안적 물리적 마스크리스 패터닝 기술들은 패터닝 요구조건들의 특정(certain) 또는 전체를 충족시킨다. 일 실시예에서, 박막 배터리들을 생산하는 방법은 기판을 제공하는 단계, 기판상에 박막 배터리 구조에 해당하는 층들을 증착하는 단계 ― 상기 층은 증착 순서로, 캐소드, 전해질 및 애노드를 포함하며, 증착된 층들 중 적어도 하나는 증착 동안 물리적 마스크에 의해 패터닝되지 않음 ―, 보호 코팅을 증착하는 단계, 및 층들 및 보호 코팅을 스크라이빙하는 단계를 포함한다. 또한, 층들의 에지들은 인캡슐레이션층에 의해 커버될 수 있다. 또한, 층들은 2개의 기판들상에 증착되고 적층되어 박막 배터리를 형성할 수 있다.

Description

박막 배터리들의 대량 생산을 위한 방법{METHOD FOR HIGH VOLUME MANUFACTURING OF THIN FILM BATTERIES}
[0001] 본 발명은 일반적으로 박막 배터리들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 대량(high-volume) 생산과 호환가능하며 비용이 낮은 박막 배터리들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
[0002] 고체 상태 박막 배터리들(Thin Film Batteries: TFB)은 통상의 배터리 기술을 능가하는 몇 가지 장점, 이를 테면 우수한 형태 인자들(form factors), 사이클 수명, 전력 용량 및 안전성을 나타내는 것으로 공지되어 있다. 그러나, TFB들의 광범위한 시장 적용가능성을 가능하게 하기 위해서는 비용면에서 효율적이고 대량 생산(high-volume manufacturing: HVM) 호환가능한 제조 기술들에 대한 필요성이 존재한다.
[0003] TEB 제조를 위한 패터닝 요구조건들에 대한 과거 접근법들은 마스킹/패터닝, 이를 테면 포토리소그래피 및 물리적 (새도우) 마스킹과 같은 공지된 방법들을 적용하는 것으로 구성되었다. 포토리소그래피의 사용 예는 W.C. West 등에 의해 Micromech. & Microeng. 저널(Vol. 12 (2002) 58-62)에 공개된 논문에서 볼 수 있다. 물리적 (새도우) 마스킹의 사용은 TFB 프로세스 플로우들의 개략적 다이어그램(예를 들어, Krasnov 등의 미국 특허 번호 제 6,921,464호 및 Bates 등의 미국 특허 번호 제 6,994,933호 참조)에 의해 그리고 이들의 특정한 설명문(예를 들어, Kelley 등의 미국 특허 공개 번호 제 2005-0079418 Al호 참조)들에 의해 제시되는 것처럼, 다수의 공개물들 및 특허들에서 볼 수 있다. 이들 모두는 제조 프로세스의 각각의 단계에서 마스킹/패터닝 기술을 사용한다.
[0004] 전통의 물리적 마스킹 요구조건은 특히 HVM과 관련된 다수의 단점들을 유도한다. 예를 들어, 물리적 마스킹의 사용은 (1) HVM 및 대면적 스케일링(large area scaling)에 대해 상당한 자본 투자 요구조건을 부가시키고, (2) 소유 비용(소모성 마스크 비용, 세정, 화학물(chemicals) 등)을 증가시키고, (3) 정렬 요구조건으로 인해 수율을 감소시키고, (4) 기판 크기 및 타입(강성, 반-강성, 또는 플렉시블)를 제한할 것이며, 이로 인해 비용 감소 및 절약을 위한 스케일링(scaling)을 제한할 것이다.
[0005] 더욱 상세하게는, HVM 프로세스들에서, (전통의 그리고 현재의 최첨단 TFB 제조 기술들에 대해 편재하는) 물리적 마스크들의 사용은 생산시 보다 높은 복잡성 및 보다 높은 비용에 기여할 것이다. 복잡성 및 비용은 마스크 정렬 및 재생성을 위해 (자동화) 관리 시스템들 및 매우 정확한 마스크들이 요구되는 제조로부터 야기된다. 이러한 비용 및 복잡성은 실리콘-기반 집적 회로 산업에서 이용되는 공지된 포토리소그래피 프로세스들로부터 추론될 수 있다. 뿐만 아니라, 비용은 추가된 정렬 단계들에 의한 수율 제한들에 더하여 마스크들을 유지하기 위한 필요성으로부터 야기된다. 개선된 수율 및 규모의 경제성(economies of scale)(이를 테면, 대량 생산)을 위해 생산이 대면적 기판으로 스케일링됨(scaled)에 따라 적응(adaptation)이 점차 보다 어려워지고 비용이 많이 들게 된다. 더구나, (더 큰 기판들에 대한) 스케일링(scaling) 자체는 물리적 마스크들의 제한된 이용가능성 및 용량으로 인해 제한될 수 있다.
[0006] 물리적 마스킹의 사용의 또 다른 영향은 주어진 기판 면적의 감소된 활용으로 비-최적화 배터리 밀도들(전하, 에너지 및 전력)을 유도하는 것이다. 이는 물리적 마스크들이 스퍼터링된 종들을 마스크들 아래에서 증착하는 것으로부터 완벽하게 제한할 수 없고, 이것은 결국 키(key) 층들 간의 전기적 절연을 유지하기 위해 연속층들 간의 소정의 최소 비-오버랩 요구조건을 유도한다는 사실로 인한 것이다. (그 밖의 것들이 동일할 때) 이 같은 최소 비-오버랩 요구조건의 결과는 TFB의 용량(capacity), 에너지 및 전력 면에서의 전체적 손실을 유도하는 캐소드 면적의 손실이다.
[0007] 이전에 사용된 통상적 통합(integration) 방식들에서, 물리적 마스킹 사용의 또 다른 영향은 애노드(일반적으로 Li 또는 Li-이온)를 주변으로부터 산화제들(O2, H2O 등)과의 반응을 막기 위한 복잡한 보호 코팅들에 대한 필요성이다. 이러한 방식들을 다루는 몇 가지 특허들(예를 들어, 각각 다층 코팅 및 적층(lamination)에 대한 Bates 등의 미국 특허 번호 5,561,004호, 및 Snyder 등의 미국 특허 번호 6,916,679호를 참조)이 존재한다.
[0008] 그리고 마지막으로, 통상적으로 물리적 (새도우) 마스크들을 사용하는 프로세스들은 미립자 오염을 겪게되어, 궁극적으로 수율에 영향을 미친다.
[0009] 그러므로, 간략화되고, 보다 나은 HVM-호환가능한 TFB 프로세스 기술들을 가능하게 함으로써 비용을 상당히 감소시킬 수 있는 방법들 및 개념들에 대한 필요성이 존재하게 된다.
[0010] 본 발명의 개념들 및 방법들은 대량(high volume) 및 높은 처리량으로 제품들(products)의 생산능력을 강화시키기 위한 TFB HVM의 비용 및 복잡성이 물리적 (새도우) 마스크들의 사용을 배제 및/또는 최소화시킴으로써 감소되도록 허용하며, 상기 기술들은 대면적 기판들에 쉽게 적응된다. 이는 수율 개선들을 제공할 뿐만 아니라 광범위한 시장 적용가능성에 대한 비용을 상당히 감소시킬 수 있다. 이러한 장점들 및 다른 장점들은 특정 또는 전체 패터닝 요구조건들을 충족시키기 위해 레이저 스크라이빙(scribing) 또는 대안적인 마스크리스(maskless) 패터닝 기술들의 사용으로 달성된다. 대안적인 물리적 (새도우) 마스크리스 패터닝 기술들은 기계적 쏘잉(sawing), 워터/솔벤트 나이핑(knifing), 이온 빔 밀링 및 다층 포토리소그래피를 포함한다. 이처럼, 본 발명의 실시예들은 TFB 생산능력, 수율 및 기능에 대해 적절하고 필요하다고 여겨지는 생산 프로세스 동안 어디에서든지, 레이저 스크라이빙, 또는 대안적인 마스크리스 패터닝 기술들의 사용을 위해 제공한다. 이는 모든 층들의 증착 종료시 단일 패터닝이 수행되는 방법을 포함한다. 게다가, 본 발명의 실시예들은 다수의 패터닝을 포함하는 방법을 제공하며, 여기서 각각의 패터닝은 단일 또는 다수의 스택 층들을 처리(address)하고, 그 결과 일부 물리적 (새도우) 마스킹이 배제되었다. 일부 경우에서 물리적 마스킹이 필요하다고 간주되면, 개시된 개념은 요구되는 최소 개수의 물리적 마스크들과 함께 구현될 수 있다. 바람직하게, 개별 마스킹/패터닝이 필요한 이러한 프로세스들에 대해, 레이저 스크라이빙 또는 대안적인 물리적 마스크리스 패터닝 기술들이 이용될 것이다. 게다가, 개시된 개념은 단일, 다수 또는 모든 층들이 동시적으로 패터닝되는 일부 경우에서, 포토리소그래피 패터닝와 같은, 다른 물리적 마스크리스 패터닝 기술들로 구현될 수 있다.
[0011] 본 발명의 양상들에 따라, 박막 배터리들을 생산하는 제 1 방법은 기판을 제공하는 단계, 기판상에 박막 배터리 구조에 대응하는 층들을 증착하는 단계, 보호 코팅을 증착하는 단계, 및 상기 층들 및 보호 코팅을 스크라이빙하는 단계를 포함하며, 상기 층들은 증착 순서로, 캐소드, 전해질 및 애노드를 포함하며, 여기서, 증착된 층들의 적어도 하나는 증착 동안 물리적 마스크에 의해 패터닝되지 않는다. 게다가, 층들의 에지들은 인캡슐레이션(encapsulation) 층에 의해 커버링될 수 있다. 게다가, 스크라이빙은 기판을 통해 또한 절단되어, 다수의 박막 배터리들을 생성할 수 있다.
[0012] 본 발명의 또 다른 양상들에 따라, 박막 배터리들을 생산하는 제 2 방법은 제 1 기판을 제공하는 단계, 제 1 기판상에 제 1 세트의 층들을 증착하는 단계, 제 2 기판을 제공하는 단계, 제 2 기판상에 제 2 세트의 층들을 증착하는 단계, 제 1 세트의 층들 및 제 2 세트의 층들을 적층(laminating)하는 단계, 및 적층된 구조를 스크라이빙하는 단계를 포함하며, 여기서 결합된 제 1 세트의 층들 및 제 2 세트의 층들은 캐소드, 전해질, 및 애노드를 포함하는 박막 배터리 구조에 대응하며, 제 1 세트의 층들 및 제 2 세트의 층들 중 적어도 하나의 층은 증착 동안 물리적 마스크에 의해 패터닝되지 않는다. 게다가, 제 1 세트의 층들은 캐소드 및 전해질을 포함할 수 있다. 게다가, 제 1 세트의 층들은 제 1 리튬 금속층으로 캡핑(cap)될 수 있고 제 2 세트의 층들은 제 2 리튬 금속층으로 캡핑될 수 있으며, 적층된 구조에서 제 1 리튬 금속층 및 제 2 리튬 금속층은 함께 애노드를 형성한다.
[0013] 본 발명의 또 다른 양상들에 따라, 앞서 언급된 방법들과 대응하는 박막 배터리는 제 1 기판, 제 1 기판에 부착된 박막 배터리 구조에 대응하는 한 세트의 또는 다수의 층들, 한 세트의 또는 다수의 층들을 커버링하는 보호 코팅, 및 상기 층들의 에지들을 커버링하는 캡슐층을 포함하며, 상기 한 세트의 또는 다수의 층들은 제 1 기판으로부터 순서대로, 캐소드, 전해질, 애노드 및 보호 코팅을 포함하며, 여기서 층들 중 적어도 하나는 패터닝되지 않는다. 게다가, 보호 코팅은 제 2 기판일 수 있다.
[0014] 하기 개시되는 개념들 및 결과적인 방법들에 의해, 대량 및 높은 수율 및 감소된 비용 이외에 다수의 장점들이 달성된다. 예를 들어, 비-기능 영역이 최소화되거나 또는 제거된다. 또 다른 것은 레이저 및 다른 대안적 방법들이 (리소그래피를 위한) 새로운 값비싼 물리적 마스크들 또는 레티클들을 생성해야 함이 없이, 디바이스 패터닝의 유연성(flexibility)이 엔드-마켓(end-market) 한정 형태 인자들을 수용하도록 허용한다는 것이다. 또 다른 장점으로, 애노드 전류 콜렉터가 보호 코팅으로서 기능하여, 디바이스를 패키징하기 위한 복잡한 다층들 또는 다른 방안들에 대한 필요성을 제거 또는 최소화시킨다. 또 다른 장점은 실현될 수율에 대한 긍정적 영향이다.
[0015] 본 발명의 이러한 양상들과 특징들 및 다른 양상들과 특징들은 첨부되는 도면들과 함께 본 발명의 특정 실시예들의 하기 설명을 검토할 때 당업자들에게 보다 명확해질 것이다.
[0016] 도 1a 내지 1f는 모든 단계에서 마스킹을 사용하는 종래기술의 TFB 제조 프로세스를 나타낸다;
[0017] 도 2는 세라믹 기판들에 대한 종래기술의 TFB 제조 프로세스에 대해 요구되는 상이한 장비 및 프로세싱 단계들을 나타낸다;
[0018] 도 3은 금속 기판에 대한 종래기술의 TFB 제조 프로세스에 대해 요구되는 상이한 장비 및 프로세싱 단계들을 나타낸다;
[0019] 도 4a 내지 4g는 본 발명의 양상들에 따른 예시적 HVM TFB 제조 프로세스를 나타낸다;
[0020] 도 5는 본 발명의 양상들에 따른 HVM TFB 제조 프로세스에 대해 요구되는 예시적 장비 및 프로세싱 단계들을 나타낸다;
[0021] 도 6a 내지 6d는 본 발명의 예시적 HVM TFB 제조 프로세스의 추가적인 양상들을 나타낸다; 그리고
[0022] 도 7a 내지 7g는 본 발명의 양상들에 따른 대안적인 예시적 HVM TFB 제조 프로세스를 나타낸다.
[0023] 본 발명의 실시예들은 당업자들이 본 발명의 실시예들을 실행할 수 있도록 하기 위한 예시적 예들로서 제공되는 도면들을 참조로 이제 상세히 설명될 것이다. 특히, 아래의 도면들 및 예들은 본 발명의 범주를 단일 실시예로 제한한다는 것을 의미하는 것은 아니며, 설명되거나 도시되는 엘리먼트들의 일부 또는 모두의 상호교환을 통해 다른 실시예들이 가능하다는 것을 의미한다. 더구나, 본 발명의 특정 엘리먼트들은 공지된 콤포넌트들을 사용하여 부분적으로 또는 완전히 구현될 수 있는 경우에, 본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 필요한 이러한 공지된 콤포넌트들의 단지 이러한 부분들만이 설명될 것이며, 이러한 공지된 콤포넌트들의 다른 부분들에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다. 본 명세서에서, 단일 콤포넌트를 나타내는 실시예는 제한적인 것으로 간주되서는 안되며, 오히려, 본 발명의 실시예들은 본 발명에서 명백한 다른 언급이 없다면, 다수의 동일한 콤포넌트들을 포함하는 다른 변형물들을 광범위하게 포함하며, 그 역도 마찬가지다(vice-versa). 더구나, 본 출원인들은 그러한 것으로서 명백하게 제시하지 않는다면, 명세서 또는 청구항들에서의 임의의 용어들이 비보편적인 또는 특정한 의미로 여겨지게 의도한 것은 아니다. 게다가, 본 발명의 실시예들은 예를 통해 본 명세서에서 참조되는 공지된 콤포넌트들에 대한 현재 및 미래의 공지된 등가물들을 광범위하게 포괄한다.
[0024] 일반적으로, 본 발명의 실시예들은 레이저 스크라이빙 또는 대안적 마스크리스 패터닝 기술들을 사용하여 박막 배터리 구조의 특정(certain) 층들 또는 모든 층들을 패터닝하는 대안적 방법들을 제공한다. 레이저 스크라이빙 기술들은 박막 배터리들을 생산하는 것 이외의 분야들, 이를 테면 반도체들(예를 들어, Li 등의 미국 특허 번호 제7,169,687호 및 Boyle 등의 미국 특허 번호 제6,586,707호), 광전지들(예를 들면, Buller 등의 미국 특허 번호 제7,235,736호 및 Nishiura의 미국 특허 번호 제4,689,874호), 및 전기변색소자(electrochromics)(예를 들면, Hichwa 등의 미국 특허 번호 제5,724,175호)에 적용되었다. 그러나, HVM TFB 프로세스로의 레이저 스크라이빙의 통합은 아래에 설명되는 것처럼, 새로운 접근법을 요구한다. 다시, 이러한 실시예들에서 레이저 스크라이빙과의 통합이 이용된다. 그러나, 대안적인 물리적 마스크리스 방법들이 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
[0025] 본 발명의 특정 양상들의 도시를 용이하게 하기 위해, 전통적인 박막 배터리 프로세스 플로우가 고려된다. 도 1a 내지 1f는 기판상에 TFB를 제조하기 위한 전통적인 프로세스 플로우를 예시한다. 도 1a 내지 1f에서, 상면도는 좌측에 도시되며, A-A로 표시된 평면으로 대응하는 단면은 우측에 도시된다. 이를 테면 "반전된(inverted)" 구조와 같은, 다른 변형들도 또한 존재하며, 여기서 애노드 측면이 먼저 성장된다. 도 1a-1f의 종래 기술의 프로세스에서, 물리적 (새도우) 마스킹은 각각의 층에서의 면적을 규정하는데 이용된다.
[0026] 도 1a 및 도 1b에 도시된 것처럼, 프로세싱은 기판(100) 상에 캐소드 전류 콜렉터(cathod current collector: CCC)(102) 및 애노드 전류 콜렉터(anode current collector: ACC)(104)를 형성함으로써 시작된다. 본 발명에서 사용되는 캐소드 및 애노드란 용어들은 각각 포지티브 전극 및 네거티브 전극을 지칭하는 것임을 주목하라. 이것은 층들(이를 테면, Cu, Ag, Pd, Pt 및 Au와 같은 금속들, 금속 합금들, 준금속들(metalloids) 또는 카본 블랙)을 형성하기 위해 금속 타겟들(~300nm)의 (펄스형) DC 스퍼터링에 의해 수행될 수 있으며, 상기 CCC 및 ACC 구조들에 대한 패턴들은 새도우 마스크들에 의해 규정된다. 금속성 기판이 사용되는 경우, 그때 제 1 층은 블랭킷(blanket) CCC(102) 이후에 증착되는 "패터닝된 유전체"일 수 있다는 것이 주목되어야 한다(상기 CCC는 캐소드에서 Li가 기판과 반응하는 것을 차단하는데 필요할 수 있다).
[0027] 다음으로, 도 1c 및 도 1d에서, 캐소드(106) 및 전해질층(108)이 각각 형성된다. RF 스퍼터링은 모두 절연체들인(전해질에 대해서는 더 그러함) , 캐소드층(106)(이를 테면, LiCoO2) 및 전해질층(108)(이를 테면, N2 내에서의 Li3PO4)을 증착하기 위한 전통의 방법이었다. 그러나, 펄스형 DC가 LiCoO2 증착을 위해 이용되었다. 캐소드(106) 및 전해질층(108) 패턴들은 새도우 마스크들에 의해 규정된다.
[0028] 마지막으로, 도 1e 및 1f에서, Li층(110) 및 보호 코팅(protective coating: PC)층(112)이 각각 형성된다. Li층(110)은 이베포레이션(evaporation) 프로세스를 이용하여 형성될 수 있다. Li층(110)은 (캐소드 및 용량(capacity) 밸런싱에 적합하게) 약 3㎛ 두께일 수 있으며, PC층(112)은 3-5㎛ 범위일 수 있다. PC층(112)은 다층의 파릴렌(parylene) 및 금속 및/또는 유전체일 수 있다. Bates 등의 미국 특허 번호 제5,561,004호를 참조하라. Li층과 PC층의 형성 사이에, 아르곤 가스와 같은, 불활성 환경에 상기 부분(part)이 유지되어야 함을 주목하라. Li층(110) 및 PC층(112) 패턴들은 새도우 마스크들에 의해 규정된다.
[0029] 유효 기판 면적의 손실, 및 이로 인한 용량, 에너지 및 전력 밀도들의 손실은 도 1c 및 1f의 검토(inspection)로부터 명백하며, 여기서 캐소드(106)의 면적은 기판(100)의 면적의 단지 일부(fraction)이다. (용량은 우선적으로 캐소드 면적 및 두께에 의해 한정된다.) 추가의 최적화가 면적 활용에 있어 더 큰 효율성을 유도할 것이지만, 프로세스 및 마스킹의 본질성(intrinsic nature)이 이러한 효율성에 대한 상한치를 결정할 것이다. 앞서 설명된 것처럼, 보다 정교한(elaborate) 보호 코팅(112)에 대한 필요성은 도 1f로부터 또한 볼 수 있다. 특히, (애노드를 커버링하나 전기적 콘택 포인트들을 노출시키도록 요구되는) PC층(112)에 대한 패턴들의 각도들 및 복잡한 형상들은 Li 금속 또는 Li-이온 애노드(110)의 비-이상적 보호에 아마 기여할 것이다.
[0030] 이전에 설명된 것처럼, 도 1a-1f의 종래 기술 실시예의 모든 프로세스 단계들은 물리적 (새도우) 마스킹에 의한 패터닝을 요구한다. 더구나, 기판 타입(세라믹, 금속, 강성(rigid) 물질, 플렉시블 물질, 플라스틱/폴리머 등)에 따라, 추가의 배리어층들이 필요할 수 있다. 각각의 층에 대해, 막들은 전해질, 캐소드 및 애노드 층들에 대해 1 내지 10㎛로 비교적 두꺼울 수 있다. 통상적으로, 더 두꺼운 층들은 캐소드 및 애노드를 위해 이용된다. 현재 사용되는 RF 구성에서, 더 두꺼운 층들이 증착될 때, "싱글 숏 모듈(single short module)"이 이용되는 경우 증착 툴은 정적형(static) 또는 (앞뒤로 이동하는) 국부적 동적형(dynamic)이다. 더구나, 연속적으로 이동하는 기판들을 가진 선형 프로세싱은 물리적 (새도우) 마스크들의 장거리(longer-distance) 이동, 및 매우 긴 모듈들이 필요할 것이므로, 실행될 수 없을 수 있다.
[0031] 도 1a 내지 1f에 설명된 플로우에 기초하여, 물리적 (새도우) 마스크들이 각각의 단계에서 구현될 때, 각각 세라믹 및 금속 기판들 상의 자동화 프로세싱에 대한 개념적 종래 기술 생산 플로우들의 개략도가 도 2 및 도 3에 도시된다. 이러한 생산 플로우들은 "인라인(inline)" 증착 시스템들 및 장비 세트들에 적합하다. 화살표들은 각각의 시스템을 지나는 기판들의 플로우를 나타낸다.
[0032] 도 2에서 시스템 1은 도 1의 프로세스 플로우를 따르는, 전류 콜렉터(CCC 및 ACC) 증착 모듈을 예시한다. 이러한 시스템에서의 제 1 챔버는 임의로 들어오는 표면 오염물들을 제거하기 위한 예비-세정 챔버이다. 도시된 바와 같이, 시스템은 CCC 및 ACC 패터닝 양쪽을 위한 물리적 (새도우) 마스크 정렬-부착 및 분리(detachment)-세정 모듈들을 요구한다. Li 반응성이 애노드측 상에서 듀얼 층들을 요구할 수 있는 상황들을 수용하기 위해 2개의 별도 애노드 전류 콜렉터 모듈들이 여기에서 도시된다. CCC 및 ACC 패터닝이 동시에 수행될 수 있고, 이들이 동일한 물질들인 경우, 그땐 모듈은 단순화될 수 있다. 시스템 2는 캐소드(Cat.), (필요한 경우) 어닐링 및 전해질(IC) 모듈들을 예시한다. 다시, 각각의 패터닝된 층에 대한 개별 정렬-부착 및 분리-세정 모듈들이 존재한다. 시스템 3은 Li 애노드 및 보호 코팅 모듈들을 예시한다. 이러한 시스템에서, 인접 증착 모듈과 Li의 프로세싱 주변 간의 누화(cross-talk)를 배제/최소화하는데 필요한 모듈이 "절연" 챔버로 예시된다. 또한, 보호 코팅을 위한 다수의 층들이 PC-1 및 PC-2로 예시된다. 이러한 예시에서는 도시되지 않았지만, PC-1 및 PC-2에 대해 독립적인 물리적 마스킹 요구조건들이 존재할 수 있다. 물리적 (새도우) 마스크들에 대한 복잡성 및 추가의 챔버 요구조건이 명확히 예시된다.
[0033] 도 3은 전도성 기판들에 대한 종래 기술의 생산 플로우를 예시한다. 주요 차이점은 CCC로서 사용되는, 전도성 기판이 기판으로부터 ACC를 전기적으로 절연시키기 위한 절연층을 포함해야 하는 시스템 레이아웃에서 발생하고, 따라서 도 2에서와 같은 CCC 대신, "유전체 배리어(DB)"의 패터닝된 증착이 예시된다.
제 1 모듈 ―"예비-세정 & CCC" ―은 Li 함유 캐소드로부터 전도성 기판을 절연시키는데 추가의 층이 필요한 경우에 포함된다. 이 도면에서, 시스템 2는 누락한 어닐링 단계를 제외하고 도 2와 실제적으로는 동일하다. 이는 결정성 캐소드 물질들을 요구하지 않는 TFB 스택에 대한 생산 플로우를 예시하기 위해 수행된다. 시스템 3은 도 2의 것과 동일하다.
[0034] 도 2 및 도 3에서 볼 수 있듯이, 대량(high-volume) 생산을 위해 요구되는 자동화 물리적 (새도우) 마스크 관리 시스템은 모든 예비(pre)- 및 사후(post)- 증착 단계에서, 각각 정렬 및 분리/세정을 위한 모듈들에 의해 수반된다. 캘리포니아 산타클라라의 어플라이드 머티리얼스 인코포레이티드의 자회사인 AKT 아메리카, 인코포레이티드에 의해 제공되는 LCD 시스템과 같은 정적형 클러스터 툴 시스템의 경우에, 인-시튜(in-situ) 물리적 (새도우) 마스크는 증착 챔버 자체에 배치되는 것이 필요하다. 이러한 마스크는 증착에 후속하여, 마스크 재생성을 위해 적절한 제거 또는 대체 시스템을 이용하여, 정렬되어야하고, 기판에 부착되어야하며 그리고 증착 동안 제위치에서 유지되어야 한다. 어느 경우라도, 마스킹 요구조건들을 충족시키는 결과로서, 이러한 시스템들의 복잡성 및 고비용은 명백하다.
[0035] 물리적 (새도우) 마스크들의 사용을 감소시키고 그리고/또는 최소화하는 것은 생산 프로세스 특히, 대량 생산을 위해 매우 유용하다. 물리적 마스크들의 사용을 배제하거나 최소화하기 위한 바람직한 개념은 패터닝 요구조건들을 충족시키기 위해 레이저 스크라이빙, 또는 다른 대안적인 마스크리스 패터닝 기술들의 사용을 포함한다. 이처럼, 본 발명의 실시예들은 패터닝/스크라이빙 단계들의 수 및 파장들뿐만 아니라, (예를 들어) TFB 생산가능성, 수율 및 기능을 위해 적절하고 필요한 것으로 여겨지는 프로세스 동안 어디에서라도, 레이저 스크라이빙 또는 다른 마스크리스 기술들의 사용을 광범위하게 포함한다. 이는 모든 층들의 증착 마지막에서 단일의 패터닝 단계 또는 다수이지만 감소된 수의 패터닝 단계들을 포함하며, 각각의 패터닝 단계는 단일 또는 다수의 스택 층들을 처리(address)한다. 일부 단계들에서 물리적 (새도우) 마스킹이 필요한 것으로 간주되면, 개시된 개념이 요구되는 최소 수의 물리적 마스크들의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 개시된 개념은 일부 단계들에서, 포토리소그래피 패터닝과 같은 다른 물리적 마스크리스 패터닝 기술들과 조합되어 구현될 수 있다.
[0036] 개시된 개념의 장점들은 기판상의 비-기능 면적들의 최소화 또는 제거를 포함한다. 또 다른 장점은 (일반적으로 포토리소그래피를 위한) 새로운 비싼 물리적 (새도우) 마스크들 또는 레티클들을 생성해야 하는 것 없이, 레이저가 엔드-마켓(end-market) 한정 형태 인자들을 수용하도록 디바이스 패터닝에서 유연성(flexibility)을 허용한다는 것이다. 포토리소그래피 프로세스에 대한 감소된 수의 레티클들로 통합을 구현하는 것은 또한 비용 인자(cost factor)를 강화시킬 것이다. 또 다른 장점은 애노드 전류 콜렉터가 보호 코팅으로 또한 기능할 수 있어, 디바이스를 패키지하기 위한 다른 방식들 또는 복잡한 다층들에 대한 요구를 제거하거나 감소시킬 수 있는 것이다. 에지 보호를 위해 예상되는 요구는 하기에서 도 6을 참조로 설명될 것이다. 물리적 (새도우) 마스킹 기술로부터 탈피하는 추가 장점은 실현되는 수율에 대한 긍정적(positive) 영향이다.
[0037] 도 4a 내지 4g는 단일 레이저 스크라이빙 단계를 이용하여, 금속성 기판들에 대한 TFB 제조 플로우에 적용되는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 이러한 플로우는 도 4a에 도시된 CCC층(102); 도 4b에 도시된 캐소드층(106); 도 4c에 도시된 전해질층(108); 도 4d에 도시된 애노드층(110); 및 도 4e에 도시된 PC/ACC층(112)의 블랭킷 (마스크-리스) 증착에 기초한다. 이는 이를 테면, 도 4f에 도시된 디바이스 패터닝을 위한 레이저 스크라이빙을 사용하는 물리적 마스크리스 패터닝 단계(들), 및 도 4g에 도시된 노출된 에지를 보호하기 위한 최종 패키징 단계로 이어진다. 도 4f에서, 레이저 절단부(cut)의 위치는 라인들(401)로 표시된다. 도 4g에서, 에지 보호 물질(414)은 폴리머, 유전체들 및/또는 금속들을 포함할 수 있다. 폴리머는 예를 들어, 먼저 선택적인 추가 프로세스인 잉크 젯 프린팅 또는 딥(dip) 코팅을 사용하여 증착될 수 있다. 필요한 경우, 유전체 및/또는 금속은 종래의 진공 증착 기술들을 사용하여 코팅될 수 있다. 이런 경우에, 2개의 전극들 간의 절연을 유지하기 위해 먼저 유전체층을 증착할 수 있다. 증착에 후속하여, 레이저 절제(laser ablation)를 이용하여 콘택들이 노출될 수 있다. 도 4a-4g의 프로세스 플로우는 기계적 쏘잉(sawing), 워터/솔벤트 나이핑(water/solvent knifing), 이온 빔 밀링 및 포토리소그래피와 같은 다른 대안적인 물리적 (새도우) 마스크리스 패터닝 기술들의 사용을 등가적으로 표현한다.
[0038] 도 4a-4g의 프로세스 플로우는 단지 단일 TFB만을 도시한다. 그러나, 이러한 프로세스는 다수의 TFB 디바이스들을 제공하기 위해 패터닝된 큰 기판 또는 연속 기판들에 적용가능하다. 예를 들어, 도 4f에서의 절단부(cut)들(401)은 단일 TFB를 기술할 뿐만 아니라, 인접한 TFB들로부터 단일 TFB를 분리하는데 이용될 수 있다.
[0039] 스크라이빙시에 물질들 스택(이를 테면 도 4의 다수의 스택들), 및 TFB 구조에 이용되는 물질들의 광학적 흡수 특성들에 따라, 도 4f에 도시된 스크라이빙 기능을 수행하는데 다양한 타입들의 레이저들이 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 일부 레이저들은 고전력 CO2 레이저들(이를 테면, 10㎛ 파장), Nd-도핑 고체 상태 레이저들(이를 테면,1046 nm에서의 Nd: YAG) 및 다이오드 레이저들을 포함한다. 추가적으로, 연속형 및 펄스형(펨토 초 정도) 레이저들이 이용될 수 있다.
[0040] 도 4a-4g에 도시된 프로세스에 대응하는 시스템의 개략적 표현이 도 5에 도시된다. 종래기술에 대한 HVM 개념들인 도 2 및 도 3과 비교할 때, 새로운 HVM 개념은 상당히 간단한 장비 세트로 구성된다. 새도우 마스크리스 프로세스 플로우의 개념은 장비 타입과 독립적이며, 따라서 클러스터, 인라인 및 롤-투-롤(roll-to-roll)(web) 코팅기(coater)들에 등가적으로 적용가능하다. 이는 기판 타입들(이를 테면, 세라믹, 금속, 강성 물질, 플렉시블 물질, 및 플라스틱/폴리머) 및 TFB의 물질 콤포넌트들과도 또한 독립적이다.
[0041] 외부 회로들에 대한 콘택으로서 사용될 수 없는 세라믹 기판들이 사용될 때, 추가의 스크라이빙된 패터닝은 캐소드 전류 콜렉터(CCC)를 노출시킬 수 있다. 이같은 여분의 패터닝은 스크라이빙 단계에서 쉽게 수행될 수 있다. 또한, 최종 패키징 단계는 새롭게 노출된 에지 영역들을 보호하나, 노출된 CCC층은 보호하지 않게 변형될 필요가 있을 것이다.
[0042] TFB들의 패터닝을 위한 레이저 스크라이빙의 양상들 이외에, 본 발명의 실시예들은 레이저 스크라이빙 프로세스에서 후속하는 보호 코팅을 형성하기 위한 추가의 방법들 및 솔루션들을 제공하며, 여기서 물리적 (새도우) 마스킹의 부재는 레이저 스크라이빙 이후에 TFB들의 에지에 노출된 물질들 뿐만 아니라 층들 간의 절연을 보장하기 위해 오버랩들을 생성하는 능력의 손실을 유도한다. 노출된 에지들이 갖는 문제점들은 증착 단계들의 마지막에, 또는 증착 단계들의 마지막을 향하는 시점에서 패터닝이 수행되는 경우 가장 심해질 것이다.
[0043] 캐소드 측 및 애노드 측 상의 양쪽에서 금속 전류 콜렉터들은 왕복하는(shuttling) Li 이온들에 대한 보호 배리어들로서 기능할 수 있다. 추가적으로, 애노드 전류 콜렉터는 주변(ambient)으로부터 산화제들(H2O, O2, N2, 등)에 대한 배리어로서 기능할 수 있다. 따라서, 물질 또는 물질들의 선택은 "양쪽 방향들"에서의 Li ― 즉, 고용체(solid solution)를 형성하기 위해 금속성 전류 콜렉터로 그리고 그 반대로 이동하는 Li ― 와 접촉하는 최소 반응 또는 혼화성(miscibility)을 바람직하게 갖는다. 추가적으로, 금속성 전류 콜렉터에 대한 물질 선택은 이러한 산화제들에 대한 낮은 반응성 및 확산성을 바람직하게 갖는다. 공개된 2상 상태도(binary phase diagram)들에 기초하여, 제 1 요구조건들에 대한 일부 가능한 후보들로는 Ag, Al, Au, Ca, Cu, Sn, Pd, Zn 및 Pt가 있다. 일부 물질들의 경우에, 금속성 층들 간의 반응/확산이 존재하지 않는 것을 보장하기 위해 열 처리량(thermal budget)이 관리될 필요가 있을 수 있다. 단일 금속 엘리먼트가 양쪽 요구조건들을 충족할 수 없다면, 그땐 합금들이 고려될 수 있다. 또한, 단일층이 양쪽 요구조건들을 충족시킬 수 없다면, 그땐 이중 (다수의) 층들이 이용될 수 있다.
[0044] 최종 레이저 패터닝 및 에지 인캡슐레이션은 다양한 방식들로 수행될 수 있다. 그러나, 하나의 바람직한 사후-증착 시퀀스는 각각 도 6a 내지 도 6d에 도시된 방식의 패터닝, 에지 인캡슐레이션, 및 절단을 포함한다. 이는 개개의 셀-기반 프로세싱보다는 기판-기반 프로세싱을 허용한다. 더욱 상세하게는, 도 6a는 스택(610)을 도시하며, 여기서 스택은 기판, CCC층, 캐소드층, 전해질층, 애노드층 및 PC/ACC층을 포함한다. 보다 상세하게는 도 4a-4e를 참조하라. 기판(100)과 별개로 스택(610)이 레이저 패터닝되어 도 6b에 도시된 스택(620)을 야기한다. 패터닝에 의해 노출되는 스택의 에지들이 인캡슐레이션되어 도 6c에 도시된 스택(630)을 야기한다. 부착 인캡슐레이션 물질(614)은 바람직하게 전기적으로 절연하고, O2 및 H2O와 같은, 주변 산화제(ambient oxidant)에 대해 낮은 투과성을 가지면서, 노출된 표면들을 패시베이팅(passivate)할 수 있다. 따라서, 노출된 에지를 보호하기 위한 하나의 시퀀스/스택은 PVD 또는 CVD와 같은 종래의 방법들을 사용하여 증착되는 Si3N4 및 SiO2(우선은 Si3N4)와 같은, 유전체층(들)을 사용하는 것에 의한다. 또 다른 시퀀스는 다시 종래의 진공 증착을 이용하는 금속층 증착 또는 폴리머(UV-경화로 이어지는 잉크 젯 분배)으로 이어지는 유전체층 증착을 포함한다. 어느 경우에서든, 코팅된 ACC 영역은 예를 들어, 콘택 영역을 노출시키도록 레이저 절단될 수 있다. 적절한 UV-경화가능 폴리머 자체가 또한 이용될 수도 있다. 다음 스택은 도 6d에 도시된 것처럼, 다수의 디바이스들을 생성하기 위해 라인들(601)을 따라 절단된다. 절단은 위에서 설명된 것처럼, 레이저 스크라이빙 프로세스, 또는 대안적 스크라이빙 프로세스를 이용하여 수행된다.
[0045] 제조 플로우의 또 다른 실시예는 도 7a 내지 도 7g에 도시된다. 이러한 플로우에서, 2개의 기판이 사용되며, 이들 각각은 캐소드 측 및 애노드 측에 대한 것으로, TFB들을 형성하도록 적층된다. 양쪽 측면들은 도 4a-4e에 도시된 동일한 물리적 마스크리스 블랭킷 증착 접근법을 따른다. 캐소드 측은 도 7a 내지 7c에 도시되며, 애노드 측은 반대 순서 ― 애노드 전류 콜렉터(112)(또는 금속성 배리어 층)에는 도 7d 및 도 7e에 도시된 Li 금속(110)이 이어진다 ― 를 따른다. 도면은 전해질층(108)에 대한 캐소드 측을 보여주지만, 증착은 적층 단계 동안 Li-Li 인터페이스가 가능하도록 Li를 통해 수행될 수 있다. 이는 적층 프로세스를 강화시키고 TFB 구조를 통한 밀접한 인터페이스(intimate interface)들을 강화시킬 수 있다. 이러한 적층은 상승된 온도에서 2개의 피스들(pieces)을 압력 롤링함으로써 수행될 수 있다. "소프트(soft)" 및 반응성 Li층은 접착층(adhesive layer)으로서 기능할 것이다. 인터페이스와 무관하게, 도 7f에서 적층된 구조(710)는 적층 프로세스 동안 (열적 또는 다른) 열 처리에 의해 강화될 수 있다. 적층 온도는 Li의 용융 온도 미만인 50 내지 150℃ 범위이어야 한다. 인가되는 압력은 소수 내지 수 기압 사이의(between a few to several atmospheres) 범위이어야 한다. 도 4f와 유사하게, 레이저 패터닝 및 최종 패키징은 이후 각각 디바이스 패터닝 및 에지 보호를 위해 도 7g에서 이어질 것이다. 다시, 최종 패터닝 및 에지 인캡슐레이션이 도 6a-6d에 도시된 플로우 및 도면을 참조로 제공되는 프로세스에 따라 대면적 기판들상에서 수행될 수 있다. 그러나 이 경우에, 레이저 스크라이빙은 도 6b에 도시된 구조를 얻기 위해 기판들 중 하나를 절단할 필요가 있을 것이다.
[0046] 다시 도 4a-4g 및 도 7a-7g를 참조하면, 기판들이 전기적으로 전도성일 때, 프로세스 플로우들 및 구조들이 보다 간단해질 수 있다. 예를 들어, 금속성 기판(100)이 도 4a-4g에 도시된 프로세스 플로우에 이용될 때, 기판이 캐소드 전류 콜렉터로서 이용될 수 있고, 따라서 CCC 증착 단계에 대한 필요성을 배제시킨다. 유사하게, 금속성 기판(101)이 도 7a-7g에 도시된 프로세스 플로우에 이용될 때, 기판은 애노드 전류 콜렉터로서 이용될 수 있고, 따라서 ACC 증착 단계에 대한 필요성을 배제시킨다.
[0047] 도 4a-4g, 도 6a-6d 및 도 7a-7g에 도시된 본 발명의 실시예들은 물리적 (새도우) 마스크들에 의해 패터닝되지 않은 모든 층들을 도시했지만, 물리적 (새도우) 마스크들에 의해 (또는 바람직하게 추가의 물리적 마스크리스 패터닝 단계들을 이용하여) 패터닝되는 일부 층들 및 패터닝되지 않은 다른 층들을 갖는 다른 실시예들은 위에 일반적으로 설명된 것처럼, 종래 기술을 능가하는 유리한 것으로서 예상된다. 예를 들어, 프로세스 플로우들 및 구조들은 적어도 하나의 층이 증착 동안 물리적 마스크에 의해 패터닝되지 않는 것으로 예상된다. 게다가, 다수의 물리적 마스크리스 패터닝 단계들이 사용될 수 있으며, 예를 들어 캐소드층 증착(도 4b) 이후 제 1 패터닝 단계 및 애노드 전류 콜렉터 증착(도 4f) 이후 제 2 패터닝 단계가 존재할 수 있다. 이러한 2단계 패터닝은 후속 전해질 증착에 의해 캐소드의 보다 나은 인캡슐레이션을 허용할 수 있다.
[0048] 언급된 것처럼, 개념들 및 방법들의 장점들은 도면들 및 설명들로부터 추론될 수 있다. 첫째, 물리적 (새도우) 마스크들과 연관된 비용 및 복잡성이 배제된다. 둘째, 최대 용량을 위한 기판 영역의 효율적 사용은 도 1, 4 및 6의 비교로부터 명확하다. 그리고, 마지막으로, 감소된 또는 배제된 물리적 (새도우) 마스크 요구조건들은 5 내지 6개의 층들을 포함하는 물리적 (새도우) 마스크 세트들로 실제 변화들을 강요하는 것보다, 레이저 스크라이빙 및 패키징 단계들에서의 레시피 변화만을 단지 보장하는 유연한 형태 인자(flexible form factor)의 실현을 유도한다. 또한, 다수의 층들의 감소된 패터닝 단계들 또는 패터닝의 개념과 관련한 포토리소그래피 패터닝의 사용은 약간 보다 복잡할지라도, 개선된 유연성(flexibility) 및 비용 감소를 또한 유도한다.
[0049] 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조로 특정하게 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 사상을 이탈하지 않고 형태 및 세부사항들의 변화 및 변경들이 이루어질 수 있다는 것이 당업자들에게는 쉽게 명백할 것이다. 첨부된 청구항들은 이러한 변화 및 변경들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 박막 배터리들을 제조하는 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판상에 박막 배터리 구조에 대응하는 층들을 증착하는 단계 ― 상기 층들은 증착 순서대로, 캐소드, 전해질 및 애노드를 포함하며, 증착된 상기 층들 중 적어도 하나는 증착 동안 물리적 마스크에 의해 패터닝되지 않음 ―;
    보호 코팅을 증착하는 단계; 및
    하나 또는 그 보다 많은 수의 마스크리스(maskless) 물리적 패터닝 프로세스들을 사용하여 상기 층들 및 상기 보호 코팅을 패터닝하는 단계
    를 포함하고,
    상기 보호 코팅은 애노드 전류 콜렉터로서도 또한 기능하며, Ag, Al, Au, Ca, Cu, Sn, Pd, Zn 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 캐소드 전류 콜렉터(current collector)로서도 또한 기능하는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 보다 많은 수의 마스크리스 물리적 패터닝 프로세스들은 레이저 스크라이빙, 기계적 쏘잉(sawing), 워터/솔벤트 나이핑(water/solvent knifing), 이온 빔 밀링, 및 포토리소그래피로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 보다 많은 수의 마스크리스 물리적 패터닝 프로세스를 이용함으로써 상기 층들 모두가 평행하고(parallel) 같은 넓이를 가지는(co-extensive),
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패터닝하는 단계 이후, 상기 층들의 노출된 에지들을 인캡슐레이션하는(encapsulating) 단계를 더 포함하는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  6. 박막 배터리들을 제조하는 방법으로서,
    제 1 기판을 제공하는 단계;
    상기 제 1 기판상에 제 1 세트의 층들을 증착하는 단계;
    제 2 기판을 제공하는 단계;
    상기 제 2 기판상에 제 2 세트의 층들을 증착하는 단계;
    상기 제 1 세트의 층들 및 상기 제 2 세트의 층들을 적층(laminating)하는 단계; 및
    적층된 구조를 스크라이빙(scribing)하는 단계를 포함하며,
    상기 적층된 제 1 및 제 2 세트들의 층들은 캐소드, 전해질 및 애노드를 포함하는 박막 배터리 구조에 대응하며, 상기 제 1 및 제 2 세트들의 층들 중 적어도 하나의 층은 증착 동안 물리적 마스크에 의해 패터닝되지 않고,
    상기 제 2 기판은 보호 코팅으로서도 또한 기능하며, Ag, Al, Au, Ca, Cu, Sn, Pd, Zn 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적층된 구조를 스크라이빙(scribing) 함으로써 상기 제 1 및 제 2 세트들의 층들에서의 층들 모두가 평행하고 같은 넓이를 가지는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 스크라이빙은 레이저 스크라이빙인,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 스크라이빙하는 단계 이후, 순차적으로(sequentially) 증착된 상기 층들의 노출된 에지들을 인캡슐레이션하는 단계를 더 포함하는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 스크라이빙하는 단계는,
    상기 제 1 세트의 층들, 상기 제 2 세트의 층들 및 상기 적층된 구조 중 적어도 하나를 마스크리스 물리적 패터닝 프로세스를 이용하여 패터닝하는 단계를 더 포함하는,
    박막 배터리들을 제조하는 방법.


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KR1020167001397A 2007-10-25 2008-10-23 박막 배터리들의 대량 생산을 위한 방법 KR101773498B1 (ko)

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