KR101945260B1 - 레이저 패터닝을 위해 통합된 차광층들 및 차열층들을 구비한 박막 구조물들 및 디바이스들 - Google Patents
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Abstract
디바이스/구조물 스택에서 레이저 삭마에 의해 제거될 특정된 층들에 바로 인접하여 차열층들 및 차광층들을 포함시킴으로써, 레이저 직접 패터닝에 의해 태양 전지들, 전기 변색 디바이스들 및 박막 배터리들과 같은 박막 구조물들 및 디바이스들의 특정된 층들의 선택적 제거가 구현된다. 상기 차광층은 유전체/반도체 층들을 관통하는 레이저 에너지의 일부를 흡수 및/또는 반사하는 금속층이며, 상기 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 하부 금속층(들)의 온도가 용융 온도(Tm)에 도달하지 않도록, 또는 일부 실시예들에서, 상기 하부 금속층(들)의 (Tm')/3에 도달하지 않도록, 상기 하부 금속층(들)으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율을 가진 전도층이다.
Description
본원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 2011년 8월 8일자로 출원된 미국 가특허출원 번호 제 61/521,212 호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 미국 국방부가 수여한 계약 번호 제 W15P7T-10-C-H604 호에 의거하여 미국 정부의 지원으로 만들어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 갖는다.
본 발명의 실시예들은 박막 구조물들과 디바이스들을 위한 마스크-리스(mask-less) 제조 프로세스들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 레이저 패터닝을 개선하기 위해 차광(light blocking)층들 및 차열(heat blocking)층들을 포함하는 구조물들 및 디바이스들에 관한 것이다.
박막 배터리들(TFBs), 전기 변색(EC) 디바이스들, 태양 전지들 등과 같은 박막 구조물들 및 디바이스들에 대한 레이저 프로세스들은, 특정 층들은 온전하고 손상되지 않도록 하면서, 기판의 전면측(박막측)으로부터 다양한 층들을 선택적으로 삭마(ablate)/스크라이빙(scribe)하기 위해 사용된다. 금속들로부터 반도체들/유전체들을 선택적으로 레이저 삭마/스크라이빙하는 경우, 금속들의 높은 열 확산율로 인해 반도체들/유전체들로부터 하부의 금속들로 열이 쉽게 전달된다. 고정식 레이저 빔(101)에 의한 레이저 삭마 손상이 발생할 수 있는 가열 구역(105)의 예상 범위의 도면인 도 1을 참조하면 - 가열 구역은 금속층(103)을 관통하고 심지어 기판/하부층(104) 속으로 연장하고 있으며; 가열 구역(105) 내에 예상 등온선들(106)이 도시되어 있는데 - 이 등온선들은 계산되거나 측정되지는 않았지만, 관찰된 레이저 손상의 범위에 기초하여 예상되었다. 또한, 레이저 광의 일부가 반도체들/유전체들(102)을 관통하고 금속들(103) 속으로 유입될 수 있으며, 이러한 레이저 광의 일부는 금속들에 의해 흡수될 수 있고, 그러면 금속들의 온도를 더 증가시키게 된다. 반도체들/유전체들의 레이저 삭마 중에 하부 금속들의 온도는 자신들의 기화점까지 도달할 수 있으며, 이는 하부 금속들의 용융 및 기화로 이어질 수 있고, 박막 디바이스들의 기능적 손상을 초래할 수 있다. 예컨대, TFB 프로세싱에서는, 본딩 패드들의 형성을 가능하게 하기 위해, 전면측으로부터의 레이저 삭마를 이용하여, 전도성 집전체 층들(conductive current collector layers) 위로부터 유전체 층들을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 통상의 박막 배터리(TFB) 스택을 도시하고 있는 도 2를 참조하면, 상기 TFB 스택은 기판(201), 캐소드 집전체(CCC)(202), 캐소드(예컨대, LiCo02)(203), 전해질(예컨대, LiPON)(204), 애노드(예컨대, Li, Si-Li 및 다른 개재된 산화물들)(205), 애노드 집전체(ACC) 및 보호 코팅(207)을 포함한다. 그러나, TFB들을 레이저 직접 패터닝하는 중에, 전해질(예컨대, LiPON)과 캐소드(예컨대, LiCo02)가 레이저 삭마에 의해 제거되고 있을 때, 집전체 층(일반적으로, 1 미크론 미만의 Ti/Au)은 자신의 기화점까지의 높은 온도들에 도달할 수 있다. 이러한 높은 온도는 집전체를 용융시키거나 심지어 기화시키고, 집전 효율과 전체 TFB 충전/방전 효율을 필연적으로 감소시킨다.
명백하게, 박막 구조물들 및 디바이스들에서 남아있는 층들의 기능을 손상시키지 않는, TFB, EC 및 유사한 구조물들 및 디바이스들의 레이저 직접 패터닝에 대한 개선된 접근법들이 필요하다.
일반적으로, 본 발명은 태양 전지들, 전기 변색 디바이스들(electrochromics) 및 TFB들과 같은 박막 구조물들과 디바이스들의 마스크-리스 레이저 직접 패터닝에 관한 것으로, 여기에서 삭마는 높은 선택성(selectivity)으로 특정 층에서 정지할 필요가 있고 하부 층(들), 예컨대, TFB를 위한 금속 전기 컨택 층에 영향을 미치지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따라, 디바이스/구조물 스택에, 삭마에 의해 제거될 특정된 층들 바로 아래에 차열층들 및 차광층들을 포함시킴으로써, 레이저 직접 패터닝에 의한, 특정된 층들의 선택적 제거가 달성된다. (여기서, "아래"는 레이저 빔의 방향에 의해 정의된다 - 레이저 빔은 특정된 층들을 먼저 통과한 후 차단층들에 도달한다.) 차광층은 특정된 층들을 관통하는 모든 레이저 광을 흡수 및/또는 반사시키기에 충분한 두께와 높은 융점(melting point)을 가진 금속층일 수 있으며, 차열층은 제거될 층들 내에 레이저로부터의 열의 대부분이 수용되도록 보장하기에 충분히 낮은 열 확산율을 가진 전도층일 수 있다. 차광층들 및 차열층들의 두께와 차열층의 열 확산율은, 레이저 삭마 프로세스 중에, 하부 층의 온도가 하부 층의 융점(Tm) 미만으로 유지되는 것을 보장하도록 특정될 수 있다. 또한, 차광층들 및 차열층들의 두께와 차열층의 열 확산율은, 레이저 삭마 프로세스 중에, 하부 층의 온도가 재결정화(recrystallization) 온도 - 금속들의 경우 통상적으로 (Tm)/3 - 미만으로 유지되는 것을 보장하도록 특정될 수 있다. 하부 금속층들에 영향을 미치거나/손상시키지 않고, 금속층들과 유전체 또는 반도체 층들 사이에서, 또는 심지어 서로 다른 금속층들 사이에서, 차광층들과 차열층들을 이들 사이에 통합시킴으로써, 선택성이 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 차열층들과 차광층들은 단일 층일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 스택에서 차광층과 차열층의 순서가 역전(reversed)될 수 있다. 또한, 레이저는 기판 위 또는 아래로부터 조사될 수 있으며 - 후자의 경우, 레이저 광은 삭마/제거될 디바이스 층들에 도달하기 전에 기판을 통과한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 유전체 및/또는 반도체 층들의 선택적 제거를 위해 레이저 빔에 의한 레이저 직접 패터닝과 호환가능한 박막 디바이스는: 기판; 상기 기판을 덮고 있는 제 1 디바이스 층; 상기 제 1 디바이스 층을 덮고 있는 제 1 차열층, 상기 제 1 차열층을 덮고 있는 제 1 차광층; 및 상기 제 1 차광층을 덮고 있는 제 2 디바이스 층을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 차광층은 상기 제 1 차광층에 도달하는 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이고, 상기 제 1 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 인접한 디바이스 층의 온도가 상기 인접한 디바이스 층의 용융 온도(melting temperature; Tm)를 초과하도록 상기 제 1 차열층을 통한 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층이다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 유전체 및/또는 반도체 층들의 선택적 제거를 위해 레이저 빔에 의해 박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝 하는 방법은: 전술한 바와 같은 박막 디바이스를 제공하는 단계; 및 상기 박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 단계를 포함하며, 상기 레이저 빔은 상기 제 2 디바이스 층에서 레이저가 조사된 부분을 제거하고, 상기 레이저 빔은 상기 제 1 차광층에 도달하기 전에 상기 제 2 디바이스 층을 통과한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 레이저 직접 패터닝 단계는 상기 제 1 디바이스 층에서 레이저가 조사된 부분을 제거할 수 있고, 상기 레이저 빔은 상기 제 1 차열층에 도달하기 전에 상기 제 1 디바이스 층을 통과한다.
본 발명에 따른 선택적 레이저 패터닝 툴 및 선택적 레이저 패터닝 툴을 포함하는 장치가 본원에 개시된다.
첨부도면과 함께 본 발명의 특정 실시예들에 대한 이하의 설명을 검토하면, 본 발명의 이러한 및 기타 양태들과 특징들이 당업자들에게 명확해질 것이다.
도 1은 레이저 패터닝 프로세스 중에 레이저 빔에 노출되는 적층(layered) 구조물의 단면도이고;
도 2는 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 레이저 패터닝 프로세스 중에 레이저 빔에 노출되는 차광층과 차열층을 구비한 적층 구조물의 단면도이고;
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 차광층과 차열층을 구비한 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 2개의 차광층들과 2개의 차열층들을 구비한 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 차광층과 차열층을 구비한 박막 배터리(TFB) 및 기판을 통해 TFB 구조물에 입사되는 레이저 빔의 단면도이고;
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 선택적 레이저 패터닝 툴의 개략도이고;
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, TFB 제조를 위한 박막 증착 클러스터 툴의 개략도이고;
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, TFB 제조를 위한 다중 인라인 툴들을 구비한 박막 증착 시스템의 도면이고; 그리고
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, TFB 제조를 위한 인라인 증착 툴의 도면이다.
도 1은 레이저 패터닝 프로세스 중에 레이저 빔에 노출되는 적층(layered) 구조물의 단면도이고;
도 2는 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 레이저 패터닝 프로세스 중에 레이저 빔에 노출되는 차광층과 차열층을 구비한 적층 구조물의 단면도이고;
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 차광층과 차열층을 구비한 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 2개의 차광층들과 2개의 차열층들을 구비한 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 차광층과 차열층을 구비한 박막 배터리(TFB) 및 기판을 통해 TFB 구조물에 입사되는 레이저 빔의 단면도이고;
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 선택적 레이저 패터닝 툴의 개략도이고;
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, TFB 제조를 위한 박막 증착 클러스터 툴의 개략도이고;
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, TFB 제조를 위한 다중 인라인 툴들을 구비한 박막 증착 시스템의 도면이고; 그리고
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, TFB 제조를 위한 인라인 증착 툴의 도면이다.
이제, 당업자들이 본 발명을 실시할 수 있도록 본 발명의 예시적 예들로서 제공된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 특히, 이하의 도면들 및 예들은 본 발명의 범주를 단일 실시예로 한정한다는 것을 의미하는 것이 아니고, 설명되거나 도시된 요소들의 일부 또는 모두가 상호교환되는 방식으로 다른 실시예들이 가능하다. 또한, 본 발명의 어떤 요소들이 공지된 컴포넌트들을 사용하여 부분적으로 또는 완전히 구현될 수 있는 경우, 본 발명을 이해하기 위해 필요한 그러한 공지된 컴포넌트들의 부분만이 설명되고, 그러한 공지된 컴포넌트들의 다른 부분들에 대한 상세한 설명은 본 발명을 불분명하지 않게 하기 위해서 생략될 것이다. 본 명세서에서, 단일 컴포넌트를 나타내는 실시예는 제한하는 것으로 간주되어서는 안되며; 오히려, 본 발명은, 본 명세서에서 별다른 특정한 언급이 없다면, 복수의 동일한 컴포넌트들을 포함하는 다른 실시예들을 광범위하게 포함하며, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 또한, 본 출원인들은, 별다른 특정한 언급이 없다면, 본 명세서 또는 청구항들에서의 임의의 용어들이 보편적이지 않거나 특정 의미로 해석될 것으로 의도하지 않는다. 또한, 본 발명의 실시예들은 예로서 본 명세서에서 인용되는 공지의 컴포넌트들에 대한 현재 및 미래의 공지된 등가물들을 광범위하게 포함한다.
일반적으로, 본 발명은 태양 전지들, 전기 변색 디바이스들 및 TFB들과 같은 박막 구조물들과 디바이스들의 마스크-리스 레이저 직접 패터닝에 관한 것으로, 여기에서 삭마는 높은 선택성으로 특정 층에서 정지할 필요가 있고 하부 층(들), 예컨대, TFB를 위한 금속 전기 컨택 층에 영향을 미치지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따라, 디바이스/구조물 스택에, 삭마에 의해 제거될 특정된 층들 바로 아래에 차열층들 및 차광층들을 포함시킴으로써, 레이저 직접 패터닝에 의한, 특정된 층들의 선택적 제거가 달성된다. (여기서, "아래"는 레이저 빔의 방향에 의해 정의된다 - 레이저 빔은 특정된 층들을 먼저 통과한 후 차단층들에 도달한다. 도 3을 참조하면, 차광층(310)과 차열층(320)이 디바이스 스택에 통합된다.) 차광층은 특정된 층들을 관통하는 모든 레이저 광을 흡수 및/또는 반사시키기에 충분한 두께와 높은 용융 온도를 가진 금속층일 수 있으며; 또한, 차광층은 미러형(mirror-like) 표면을 갖거나 또는 거친 표면을 가질 수 있다. 차열층은 레이저로부터의 대부분의 열이 유전체/반도체 층들 내에 수용되는 것을 보장하기에 충분히 낮은 열 확산율을 가진 층일 수 있다. 차광층들 및 차열층들의 두께와 차열층의 열 확산율은, 레이저 삭마 프로세스 중에, 하부 층의 온도가 하부 층의 융점(Tm) 미만으로 유지되는 것을 보장하도록 특정될 수 있다. 또한, 차광층들 및 차열층들의 두께와 차열층의 열 확산율은, 레이저 삭마 프로세스 중에, 하부 층의 온도가 재결정화 온도 - 금속들의 경우 통상적으로 (Tm)/3 - 미만으로 유지되는 것을 보장하도록 특정될 수 있다. 하부 금속층들에 영향을 미치거나/손상시키지 않고, 금속층들과 유전체 또는 반도체 층들 사이에서, 또는 심지어 서로 다른 금속층들 사이에서, 차광층들과 차열층들을 이들 사이에 통합시킴으로써, 선택성이 달성될 수 있다. 도 3과 도 1을 비교하면, 가열 구역(305)이 금속층(103) 속으로 연장하는 것을 차단하는 차열층(320)의 기능이 도시된다. 도 3의 등온선들(306)은 차열층(320)에서 디바이스 스택 내의 더 높은 온도 구배를 나타내고 있으며; 이 등온선들은 계산되거나 측정되지는 않았지만, 관찰된 레이저 손상의 범위에 기초하여 예상되었다. 일부 실시예들에서, 차열층들과 차광층들은 단일 층-예컨대, 열전(thermoelectric) 금속 물질의 단일 층-일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 스택에서 차광층과 차열층의 순서가 역전될 수 있다. 차열층들과 차광층들은 스택에 응력 또는 표면 상태(surface morphology) 문제들을 유발하지 않으면서 스택에 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디바이스의 기능성을 위해, 차열층들과 차광층들은 모두 - 예컨대, TFB에서, 디바이스 스택 내의 CCC 바로 위에서 사용될 경우 - 전기 전도성이 있어야 한다.
도 4는 레이저 패터닝 중에 캐소드 집전체를 보호하기 위해 TFB에 통합된 차광층(410)과 차열층(420)의 예를 제공한다. 레이저 차광층(410)은, 보호 코팅(207), 애노드 집전체(ACC)(206), 애노드(205), 전해질(204) 및 캐소드(203) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 층들의 스택을 통과하는 레이저 광의 전부 또는 대부분을 흡수 및/또는 반사하며, 차열층(420)은 스택의 레이저 프로세싱 중에 스택 내에서 발생된 열이 캐소드 집전체(CCC)(202)로 확산하는 것을 제한한다. 차광층들 및 차열층들의 두께들과 물성들은, CCC의 용융을 피하기 위해 캐소드 집전체의 온도를 Tm 미만으로 유지하도록 선택되며, 일부 실시예들에서는, 스택의 레이저 삭마 중에 CCC의 재결정화를 피하기 위해, 금속들의 경우 대략 (Tm)/3인 재결정화 온도 미만으로 유지하도록 선택된다. 또한, 차광층들과 차열층들이 없는 TFB를 프로세싱하는 것과 비교할 때, 스택 내에서의 더 높은 열 집중으로 인해, 레이저 삭마 프로세스의 효율이 증가된다.
도 4의 TFB의 예에서, 차광층(410)은 스택의 반도체들/유전체들을 관통하는 레이저 광을 흡수 및/또는 반사할 수 있는 매우 얇은 금속층, 예컨대, 두께가 100Å 미만인 금박(gold film)일 수 있다. 차열층(420)은 얇은(일반적으로, 나노초 레이저들인 경우 1000Å를 초과하고, 피코초 레이저들인 경우 100Å를 초과하는) 전도층일 수 있지만, 매우 낮은 열 확산율을 가질 수 있는데, 예컨대, 열 확산율이 1.2×10-2㎠/s인 ITO(인듐 주석 산화물) 및 열 확산율이 6.4×10-2㎠/s인 티타늄일 수 있다. 차열층의 열 확산율은 일반적으로 0.1㎠/s 미만이고, 차열층의 두께는 일반적으로 확산 길이에 가깝거나 그보다 더 크다는 것에 유의하여야 한다 - 확산 길이는 √(Dτ)에 의해 주어지며, 여기서, τ는 레이저 펄스 지속 기간이고, D는 물질의 열 확산율이다. 차광층들과 차열층들은 하나의 층으로 결합될 수 있는데, 이러한 하나의 층이, 반사되지 않는 레이저 광의 대부분을 흡수하기에 충분히 두껍고 그리고 열 확산율이 CCC의 온도를 Tm 미만으로, 그리고 일부 실시예들에서는, (Tm)/3 미만으로 유지하기에 충분히 나쁜(poor) 한, 차광층들과 차열층들은 하나의 층으로 결합될 수 있다. 예컨대, 레이저 패터닝을 위해 피코초 레이저들이 사용되는 경우, 차광층들과 차열층들 모두를 위해 두께가 100Å인 티타늄 막이 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 차광층들과 차열층들의 다수의 쌍이 구조물 또는 디바이스 스택에 통합될 수 있다. 도 5는 TFB 스택에 2쌍의 차광층들과 차열층들이 통합된 예를 도시한다. 보호 코팅(207)을 레이저 패터닝하는 동안 차광층(511)과 차열층(512)은 반도체/유전체 스택(층들(203, 204, 205, 및 206))을 보호하기 위해 사용될 수 있으며, 반도체/유전체 스택을 레이저 패터닝하는 동안 차광층(510)과 차열층(520)은 CCC(202)를 보호하기 위해 사용될 수 있다. 차광층들과 차열층들은, 이들이, 높은 열 전도율을 가진 캐소드와 전해질 사이 또는 높은 열 전도율을 가진 전해질과 애노드 사이에 배치되면, 어떤 물성들을 일치시키기 위한 추가적인 요건들이 있을 수 있음에도 불구하고, TFB의 다른 층들 사이에 위치될 수 있다. 한 쌍을 초과하는 차광층들과 차열층들을 사용할 때, 각각의 쌍은 서로 다른 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있음을 유의하여야 한다.
차광층들과 차열층들을 구비한 본 발명의 추가적인 실시예들에서, TFB의 경우에, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판을 통한 다이 패터닝이 필요할 수 있다. 레이저(601)는 기판의 배면으로부터 사용되며 - 즉, 레이저 광이 제거될 층들에 도달하기 전에 기판을 통과하며 - 이는 적당한 광학적 특성들(레이저 파장에서의 낮은 흡수율)을 구비한 기판을 필요로 한다. 예컨대, 기판이 유리라면, 기판측으로부터의 다이 패터닝을 위해 UV-VIS(자외선-가시광선) 레이저들이 사용될 수 있거나, 또는 IR(적외선) 레이저들이 실리콘 기판들을 위해 사용될 수 있다. "상부층들"의 제거는 "상부"층들의 용융 전에 발생하는 "폭발"(explosion) 프로세스이며; 이 "폭발" 프로세스는 소량의 레이저 에너지밀도(fluence), 예컨대, 유리 기판 상의 통상의 TFB 스택의 경우, 1 J/㎠ 미만을 필요로 할 뿐이다. 도 6에 도시된 스택에서, 레이저로부터의 열은 CCC(202) 내에서 CCC를 용융 및 기화시키기에 충분할 수 있고, CCC 위에 있는 층들의 스택(이 스택은 층들(203, 204, 205, 206, 및 207) 뿐만 아니라 차광층(610) 및 차열층(620)을 포함할 수 있음)을 기판 및 디바이스로부터 폭발적으로 제거할 수 있다. 차광층들과 차열층들이 이 "폭발" 프로세스를 위해 항상 필요한 것은 아니지만, 차열층이 차열층 아래의 층(이 예에서는 CCC)에 열을 집중시키는 일부의 경우들에서는 도움이 될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. "폭발" 프로세스는, 예방 조치들이 취해지지 않으면 디바이스 상에 재증착될 수 있는 미립자들과 용융된 물질을 발생시킨다는 것에 유의하여야 한다. 그러나, 잠재적인 재증착 문제들을 완화시키는 통합 방법들이 개발될 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예들은 스택의 정상부로부터의 레이저 직접 패터닝 및 기판을 통한 레이저 직접 패터닝 양쪽 모두에 의한 2개의 서로 다른 패턴들을 생성하기 위해 한 쌍의 차광층과 차열층의 사용을 포함하며 - 기판을 통한 패터닝은 기판 상에 개별적인 디바이스들을 정의하기 위해 사용되고, 스택의 정상부로부터의 패터닝은 차광층과 차열층 위의 스택을 패터닝하기 위해 사용된다. 2개의 패턴들을 생성하기 위해 서로 다른 레이저들이 필요할 수 있다.
레이저를 사용하여 기판의 영역들로부터 층들의 스택을 완전히 제거하는 방법으로서, 여기에서 레이저 광은 제거될 층들에 도달하기 전에 기판을 통과하고, 그리고 스택은 기판 위의 제 1 층, 제 1 층 위의 차열층, 및 차열층 위의 차광층을 포함하는, 상기 방법은: 기판의 배면으로부터 레이저 빔으로 층들의 스택의 영역을 조사하는 단계를 포함할 수 있으며, 레이저 빔은 기판을 통해 제 1 층을 관통하고, 제 1 층은 삭마되어 레이저가 통과한 기판의 표면으로부터 제 1 층 위의 전체 스택을 블로우-오프(blow-off)시킨다. 차광층은 제 1 층과 기판을 관통하는 레이저 에너지의 제 1 부분을 흡수하거나 반사시키는 금속층이며, 차열층은 기판 위의 제 1 층의 온도가 상기 제 1 층의 용융 온도를 초과하는 것을 보장하기에 충분히 낮은 열 확산율을 가진 전기 전도층이다.
본 발명의 선택적 레이저 패터닝 프로세스들을 위해 종래의 레이저 스크라이빙 또는 레이저 투사 기술이 사용될 수 있다. 레이저들의 개수는: 1개, 예컨대, (레이저 에너지밀도/투여량에 의해 선택성이 제어되는) 피코초 펄스 폭을 가진 UV/VIS 레이저; 2개, 예컨대, (레이저 파장/에너지밀도/투여량에 의해 선택성이 제어되는) UV/VIS 및 IR 나노초 및 피코초 레이저들의 조합; 또는 (레이저 파장/에너지밀도/투여량에 의해 선택성이 제어되는) 다수 개일 수 있다. 레이저 스크라이빙 시스템의 주사 방법들은 스테이지 운동, 갈바노미터들(Galvanometers)에 의한 빔 운동 또는 이들 모두일 수 있다. 레이저 스크라이빙 시스템의 레이저 스팟 크기는 100 미크론에서 1㎝까지 직경이 조정될 수 있다. 레이저 투사 시스템을 위한 기판에서의 레이저 면적은 5㎟ 또는 그 초과일 수 있다. 또한, 다른 레이저 유형들과 구성들이 사용될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 실시예들에 따른, 선택적 레이저 패터닝 툴(700)의 개략도이다. 툴(700)은 기판(704) 상에 디바이스들(703)을 패터닝하기 위한 레이저들(701)을 포함한다. 또한, 기판(704)을 통한 패터닝을 위해, 기판이 뒤집힌다면(turn over) 레이저들(701)이 사용될 수 있기는 하지만, 기판(704)을 통한 패터닝을 위한 레이저들(702)이 또한 도시된다. 기판(704)을 유지 및/또는 이동시키기 위한 기판 홀더/스테이지(705)가 제공된다. 스테이지(705)는 기판을 통한 레이저 패터닝에 적합한 통공들을 가질 수 있다. 툴(700)은 레이저 삭마 중에 기판이 정지하거나 이동하도록 구성될 수 있고 - 또한 레이저들(701/702)이 고정되거나 이동가능할 수 있으며; 일부 실시예들에서, 제어 시스템에 의해 운동이 조정되는 경우, 기판과 레이저가 모두 이동가능할 수 있다. 툴(700)의 자립형 버전(stand-alone version)이 도 7에 도시되는데, SMF와 또한 글로브 박스 및 대기실을 포함한다. 도 7에 도시된 실시예는 본 발명에 따른 툴의 일례이며 - 툴의 많은 다른 구성들이 예상되는데, 예컨대, 리튬-프리 TFB들의 경우에는 글로브 박스가 필요하지 않을 수 있다. 또한, 툴(700)은 리튬 호일 제조에서 사용되는 드라이 룸과 같이, 적당한 분위기를 가진 룸에 위치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, TFB 장치를 제조하기 위한 프로세싱 시스템(800)의 개략도이다. 프로세싱 시스템(800)은 프로세스 챔버들(C1 내지 C4)과 반응 플라즈마 세척(RPC) 챔버가 장비된(equipped) 클러스터 툴에 대한 표준 기계 인터페이스(SMIF)를 포함하고, 이는 전술한 프로세스 단계들에서 사용될 수 있다. 또한 클러스터 툴에 글로브 박스가 부착될 수 있다. 글로브 박스는 불활성 분위기 내에(예컨대, He, Ne 또는 Ar과 같은 영족 기체 하에) 기판들을 보관할 수 있으며, 이는 알칼리 금속/알칼리 토금속 증착 후에 유용하다. 필요한 경우, 글로브 박스로의 대기실(ante chamber)이 또한 사용될 수 있다 - 대기실은 글로브 박스 내의 불활성 분위기를 오염시키지 않으면서 기판이 글로브 박스 내외로 운반될 수 있도록 하는 (불활성 가스에서 공기로 그리고 그 역으로의) 가스 교환 챔버이다. (글로브 박스는 리튬 호일 제조사들에 의해 사용되는 바와 같이 이슬점이 충분히 낮은 드라이 룸 분위기로 대체될 수 있음을 유의하여야 한다.) 챔버들(C1 내지 C4)은, 예컨대, 전술한 바와 같은 TFB 스택의 증착과 스택의 선택적 레이저 패터닝을 포함할 수 있는, 박막 배터리 디바이스들을 제조하기 위한 프로세스 단계들을 위해 구성될 수 있다. 적당한 클러스터 툴 플랫폼들의 예들은 Generation 10 디스플레이 클러스터 툴들과 같은 AKT사의 디스플레이 클러스터 툴들 또는 소형 기판들을 위한 Applied Material사의 EnduraTM 및 CenturaTM를 포함한다. 프로세싱 시스템(800)을 위한 클러스터 배열체가 도시되어 있지만, 기판이 하나의 챔버에서 다음 챔버로 계속 이동하도록 프로세싱 챔버들이 이송 챔버 없이 일렬로 배열된 리니어 시스템이 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 다수의 인라인 툴들(910, 920, 930, 940 등)을 구비한 인라인 제조 시스템(900)의 도면을 도시한다. 인라인 툴들은 TFB 디바이스의 모든 층들을 증착 및 패터닝하기 위한 툴들을 포함할 수 있다. 또한, 인라인 툴들은 사전- 및 사후-컨디셔닝 챔버들을 포함할 수 있다. 예컨대, 툴(910)은 기판이 진공 에어락(915)을 통해 증착 툴(920)로 이동하기 전에 진공을 확립하기 위한 펌프 다운 챔버일 수 있다. 인라인 툴들 중 일부 또는 전부는 진공 에어락들(915)에 의해 분리된 진공 툴들일 수 있다. 프로세스 라인에서 프로세스 툴들과 특정 프로세스 툴들의 순서는 사용되고 있는 특정 TFB 디바이스 제조 방법에 의해 결정될 것임을 유의하여야 하며 - 그 특정 예들이 위에 제공된다. 또한, 기판들은 수평이나 수직 중 어느 하나로 배향된 인라인 제조 시스템을 통해 이동될 수 있다. 또한, 레이저 삭마 중에 고정되거나, 또는 이동하는 기판들을 위해 선택적 레이저 패터닝 모듈들이 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같은 인라인 제조 시스템을 통한 기판의 운동을 설명하기 위해서, 도 10에는 단지 1개의 인라인 툴(910)만 제 위치에 있는 상태로 기판 컨베이어(950)가 도시된다. 기판(1010)을 수용하고 있는 기판 홀더(955)는(기판 홀더는 기판이 보일 수 있도록 부분적으로 잘려서 도시된다), 표시된 바와 같이, 인라인 툴(910)을 통해 홀더와 기판을 이동시키기 위해, 컨베이어(950)나, 또는 동등한 디바이스 상에 마운트된다. 프로세싱 툴(910)을 위한 적당한 인라인 플랫폼들은 Applied Material사의 AtonTM 및 New AristoTM일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른, 박막 배터리들과 같은 전기 화학 디바이스를 형성하기 위한 장치는: 캐소드 집전체 층, 차열층, 차광층, 캐소드 층, 전해질 층을 포함한 스택을 기판 상에 블랭킷 증착하기 위한 제 1 시스템; 애노드 층, 애노드 집전체 층 및 보호 코팅층; 및 스택을 레이저 직접 패터닝하기 위한 제 2 시스템을 포함할 수 있다. 제 1 시스템들은 클러스터 툴, 인라인 툴, 자립형 툴들 또는 상술한 툴들 중 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있으며, 제 2 시스템은 자립형 툴이거나, 또는 제 1 시스템에 통합될 수 있다. 태양광 디바이스들 등을 제조하기 위해 유사한 장치가 사용될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 제 1 시스템은 특정 디바이스를 위해 필요한 스택과 차열층들 및 차광층들을 증착하도록 구성되고, 제 2 시스템은 스택을 레이저 직접 패터닝하기 위한 시스템이다.
본원에서는 TFB들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 교시와 원리들은 또한, 레이저 삭마가 높은 선택성으로 가진 특정 층에서 정지할 필요가 있고 하부 층에 대해 영향을 미치지 않는, 태양 전지들과 같은 다른 박막 구조물들 및 디바이스들과 전기 변색 디바이스들과 같은 다른 전기 화학 디바이스들을 제조하기 위한 개선된 방법들에 적용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 당업자들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 형태와 세부 사항들에 대한 변경들과 수정들이 이루어질 수 있음이 당업자들에게 자명할 것이다.
Claims (15)
- 유전체 또는 반도체 층들 중 적어도 하나의 선택적 제거를 위해 레이저 빔에 의한 레이저 직접 패터닝과 호환가능한 박막 디바이스로서,
기판;
상기 기판을 덮고 있는 제 1 디바이스 층 ― 상기 제 1 디바이스 층은 금속층임 ―;
상기 제 1 디바이스 층을 덮고 있는 제 1 차열층;
상기 제 1 차열층을 덮고 있는 제 1 차광층; 및
상기 제 1 차광층을 덮고 있는 제 2 디바이스 층 ― 상기 제 2 디바이스 층은 유전체 또는 반도체 중 적어도 하나의 층임 ― 을 포함하며,
상기 제 1 차광층은 상기 제 2 디바이스 층을 관통하는 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이고, 상기 제 1 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 1 디바이스 층의 온도가 상기 제 1 디바이스 층의 용융 온도(Tm')에 도달하지 않도록 상기 제 2 디바이스 층으로부터 상기 제 1 디바이스 층으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층 ― 상기 제 2 디바이스 층의 온도는 상기 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 2 디바이스 층의 용융 온도(Tm'')를 초과함 ― 이고, 그리고
상기 제 1 차열층의 두께는 확산 길이(diffusion length)와 같거나 또는 더 큰,
박막 디바이스. - 유전체 또는 반도체 층들 중 적어도 하나의 선택적 제거를 위해 레이저 빔에 의한 레이저 직접 패터닝과 호환가능한 박막 디바이스로서,
기판;
상기 기판을 덮고 있는 제 1 디바이스 층;
상기 제 1 디바이스 층을 덮고 있는 제 1 차열층;
상기 제 1 차열층을 덮고 있는 제 1 차광층; 및
상기 제 1 차광층을 덮고 있는 제 2 디바이스 층을 포함하며,
상기 제 1 차광층은 상기 제 1 디바이스 층을 관통하는 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이고, 상기 제 1 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 1 디바이스 층의 온도가 상기 제 1 디바이스 층의 용융 온도(Tm')를 초과하도록 상기 제 1 디바이스 층으로부터 상기 제 2 디바이스 층으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층이고, 그리고
상기 제 1 차열층의 두께는 확산 길이와 같거나 또는 더 큰,
박막 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 1 디바이스 층의 온도가 상기 제 1 디바이스 층의 (Tm')/3에 도달하지 않도록 상기 제 2 디바이스 층으로부터 상기 제 1 디바이스 층으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율을 가진 전도층인,
박막 디바이스. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 디바이스 층 내에 배치된 제 2 차열층과, 상기 제 2 차열층을 덮고 있는 제 2 차광층을 더 포함하며,
상기 제 2 디바이스 층은 상기 제 2 차열층으로 덮인 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분과, 상기 제 2 차광층을 덮고 있는 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 2 차광층은 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분을 관통하는 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이며, 상기 제 2 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분의 온도가 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분의 용융 온도(Tm'')에 도달하지 않도록 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분으로부터 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층이고,
상기 제 2 차열층의 두께는 상기 확산 길이와 같거나 또는 더 큰,
박막 디바이스. - 제 5 항에 있어서,
상기 박막 디바이스는 박막 배터리이며, 상기 제 1 디바이스 층은 집전체 층이고, 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분은 애노드 집전체, 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하는 스택이며, 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분은 보호 코팅인,
박막 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 박막 디바이스는 박막 배터리인,
박막 디바이스. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 디바이스 층은 집전체 층이고, 상기 제 2 디바이스 층은 애노드 집전체, 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하는 스택인,
박막 디바이스. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 차광층은 골드 금속 층이고, 상기 골드 금속 층은 두께가 10㎚ 미만인,
박막 디바이스. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 차열층은 인듐 주석 산화물 층인,
박막 디바이스. - 유전체 또는 반도체 층들 중 적어도 하나의 선택적 제거를 위해 레이저 빔에 의해 박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 방법으로서,
박막 디바이스를 제공하는 단계 ― 상기 박막 디바이스는:
기판;
상기 기판을 덮고 있는 금속층인 제 1 디바이스 층;
상기 제 1 디바이스 층을 덮고 있는 제 1 차열층;
상기 제 1 차열층을 덮고 있는 제 1 차광층; 및
상기 제 1 차광층을 덮고 있는, 유전체 또는 반도체 중 적어도 하나의 층인 제 2 디바이스 층을 포함하고,
상기 제 1 차광층은 상기 제 2 디바이스 층을 관통하는 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이고, 상기 제 1 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 1 디바이스 층의 온도가 상기 제 1 디바이스 층의 용융 온도(Tm')에 도달하지 않도록 상기 제 2 디바이스 층으로부터 상기 제 1 디바이스 층으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층이며, 상기 제 2 디바이스 층의 온도는 상기 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 2 디바이스 층의 용융 온도(Tm'')를 초과하고, 상기 제 1 차열층의 두께는 확산 거리와 같거나 또는 더 큼 ― 및
상기 박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 단계 ― 상기 레이저 빔은 상기 제 2 디바이스 층에서 레이저가 조사된 부분을 제거하고, 상기 레이저 빔은 상기 제 1 차광층에 도달하기 전에 상기 제 2 디바이스 층을 통과함 ―
를 포함하는,
박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 박막 디바이스는 상기 제 2 디바이스 층 내에 배치된 제 2 차열층과, 상기 제 2 차열층을 덮고 있는 제 2 차광층을 더 포함하며, 상기 제 2 디바이스 층은 상기 제 2 차열층으로 덮인 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분과, 상기 제 2 차광층을 덮고 있는 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 2 차광층은 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분을 관통하는 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이며, 상기 제 2 차열층은 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분의 온도가 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분의 용융 온도(Tm'')에 도달하지 않도록 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분으로부터 상기 제 2 디바이스 층의 제 1 부분으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층이고,
상기 제 2 차열층의 두께는 확산 길이와 같거나 또는 더 크며, 그리고
상기 레이저 직접 패터닝하는 단계는 상기 제 2 디바이스 층의 제 2 부분에서 레이저가 조사된 부분을 제거하는 단계를 더 포함하는,
박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 방법. - 유전체 또는 반도체 층들 중 적어도 하나의 선택적 제거를 위해 하나 또는 둘 이상의 레이저 빔들에 의해 박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 방법으로서,
박막 디바이스를 제공하는 단계 ― 상기 박막 디바이스는:
기판;
상기 기판을 덮고 있는 제 1 디바이스 층;
상기 제 1 디바이스 층을 덮고 있는 제 1 차열층;
상기 제 1 차열층을 덮고 있는 제 1 차광층; 및
상기 제 1 차광층을 덮고 있는 제 2 디바이스 층을 포함하고, 상기 제 1 차광층은 제 1 디바이스 층을 관통하는 제 1 레이저 빔으로부터의 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이고, 상기 제 1 차열층은 상기 제 1 레이저 빔에 의한 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 1 디바이스 층의 온도가 상기 제 1 디바이스 층의 용융 온도(Tm')에 도달하도록 상기 제 1 디바이스 층으로부터 상기 제 2 디바이스 층으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층이고, 상기 제 1 차열층의 두께는 확산 거리와 같거나 또는 더 큼 ―; 및
상기 제 1 레이저 빔을 이용하여 상기 박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 단계 ― 상기 레이저 직접 패터닝 단계는 상기 제 1 디바이스 층에서 레이저가 조사된 부분을 제거하고, 상기 제 1 레이저 빔은 상기 제 1 차열층에 도달하기 전에 상기 제 1 디바이스 층을 통과하며, 상기 제 1 디바이스 층에서 상기 레이저가 조사된 부분에 대응하는 상기 제 2 디바이스 층, 상기 제 1 차광층, 및 상기 제 1 차열층의 부분은 상기 제 1 디바이스 층에서 상기 조사된 부분이 제거될 때 함께 제거됨 ―
를 포함하는,
박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 방법. - 제 13 항에 있어서,
제 2 레이저 빔을 사용하여 상기 박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 2 레이저 직접 패터닝 단계는 상기 제 2 디바이스 층에서 레이저가 조사된 부분을 제거하고, 상기 제 2 레이저 빔은 상기 제 1 차광층에 도달하기 전에 상기 제 2 디바이스 층을 통과하며, 상기 제 1 차광층은 상기 제 1 디바이스 층을 향하여 상기 제 2 디바이스 층을 관통하는 상기 제 2 레이저 빔으로부터의 레이저 에너지의 일부를 흡수 또는 반사하는 금속층이고, 상기 제 1 차열층은 상기 제 2 레이저 빔에 의한 레이저 직접 패터닝 중에 상기 제 1 디바이스 층의 온도가 상기 제 1 디바이스 층의 용융 온도(Tm')에 도달하지 않도록 상기 제 2 디바이스 층으로부터 상기 제 1 디바이스 층으로의 열의 흐름을 감소시키기에 충분히 낮은 열 확산율(D)을 가진 전도층인,
박막 디바이스를 레이저 직접 패터닝하는 방법. - 삭제
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