KR20140041758A - 박막 배터리들의 마스크-리스 제조 - Google Patents

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KR20140041758A
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총 지앙
병 성 레오 곽
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

섀도우 마스크들의 사용을 제거 및/또는 최소화하는 프로세스에 의해 박막 배터리(TFB)들이 제조된다. 레이저 패터닝 프로세스가 인택트 아래의 층(들)을 남기면서 한 층 또는 층들의 스택을 제거하는, 선택적 레이저 삭마 프로세스가 패너닝 요건들 중 일부 또는 전부를 충족시키기 위해 사용된다. 레이저 빔이 증착된 층들에 도달하기 전에 기판을 통과하도록, 다이 패터닝이 기판 측으로부터 이루어지는 경우, 열 응력 부정합 유도 레이저 삭마를 달성하기 위해, 다이 패터닝 지원층, 예컨대, 비정질 실리콘 층 또는 미정질 실리콘 층이 사용될 수 있으며, 이는 재료를 제거하기 위해 필요한 레이저 에너지를 크게 감소시킨다.

Description

박막 배터리들의 마스크-리스 제조{MASK-LESS FABRICATION OF THIN FILM BATTERIES}
본원은 2011년 6월 17일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/498,484호에 대해 우선권을 주장하며, 이 가출원은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합되어 있다.
본 발명은 미국 국방부에 의해 수여된 계약 번호 W15P7T-10-C-H604 하에서 미국 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대한 소정의 권한을 갖고 있다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 박막 배터리들을 위한 섀도우 마스크-리스(mask-less) 제조 프로세스들에 관한 것이다.
박막 배터리(TFB)들은 마이크로-에너지 어플리케이션 공간을 지배할 것으로 예상되었다. TFB들은 우수한 폼 팩터들, 사이클 수명, 전력 용량 및 안전성과 같은, 종래의 배터리 기술에 비해 몇몇 장점들을 나타내는 것으로 알려져 있다. 도 1은 일반적인 박막 배터리(TFB)의 단면도를 나타내고, 도 2는 TFB를 제조하기 위한 흐름도와 함께 패터닝된 TFB 층들의 대응하는 평면도들을 나타내고 있다. 도 1은 기판(101) 상에 애노드 전류 컬렉터(103)와 캐소드 전류 컬렉터(102)가 형성되어 있고, 캐소드(104), 전해질(105) 및 애노드(106)가 후속하는 일반적인 TFB 디바이스 구조(100)를 도시하고 있으나, 상기 디바이스는 캐소드, 전해질 및 애노드를 역순으로 하여 제조될 수 있다. 또한, 캐소드 전류 컬렉터(CCC)와 애노드 전류 컬렉터(ACC)가 별도로 증착될 수 있다. 예컨대, CCC가 캐소드 전에 증착될 수 있으며, ACC가 전해질 후에 증착될 수 있다. 상기 디바이스는 산화제들로부터 대기에 민감한 층들을 보호하기 위해 봉지층(107)으로 덮일 수 있다. 예컨대, NJ Dudney, Material Science and Engineering B1 16, (2005) 245-249를 참조하라. 도 1에 도시된 TFB 디바이스에서, 컴포넌트 층들은 척도에 따라 도시되어 있지 않음을 유의하여야 한다.
그러나, TFB들의 비용 효과 대량 생산(HVM)을 가능하게 하기 위해서는 극복해야 할 과제들이 있다. 가장 중요하게는, 디바이스 층들의 물리 기상 증착(PVD)시 사용되는 현재의 최첨단 TFB 디바이스 패터닝 기술, 즉, 섀도우 마스크들에 대한 대안이 필요하다. HVM에서는 섀도우 마스크 프로세스들의 사용과 연관된 비용과 복잡성이 상당하다: (1) 특히, 대면적 기판들의 경우, 마스크들을 관리하고, 정렬하며, 세척하기 위한 설비에 상당한 자본 투자가 요구되고, (2) 섀도우 마스크 에지들 아래에 증착을 위한 공간을 제공하여야 하기 때문에 기판 면적을 충분히 활용할 수 없으며, (3) 열팽창으로 인한 정렬 문제들을 회피하기 위해, 낮은 전력과 온도와 같은, PVD 프로세스들에 대한 제약이 있다.
HVM 프로세스들에서, (종래와 현재의 최첨단 TFB 제조 기술들에서 매우 흔한) 섀도우 마스크들의 사용은 높은 복잡성과 높은 제조 비용의 원인이 될 것이다. 이러한 복잡성과 비용은 매우 정확한 마스크들과 마스크 정렬 및 재생을 위한 (자동화된) 관리 시스템들을 제조하여야 하기 때문에 발생한다. 이러한 비용과 복잡성은 실리콘 기반 집적 회로 산업에 사용되는 공지의 포토리소그래피 프로세스들로부터 추정할 수 있다. 또한, 이러한 비용은 마스크들을 유지해야 하는 필요성과 아울러, 추가된 정렬 단계들에 의한 처리량 한계에 기인한다. 규모의 경제(즉, HVM)와 처리량 향상을 위해 대면적 기판들로 제조 규모가 확대됨에 따라, 적응이 점점 더 어려워지고 비용이 많이 소요된다. 또한, 섀도우 마스크의 한정된 가용성과 성능 때문에, (대형 기판들로의) 규모 확대 자체가 제한될 수 있다.
섀도우 마스크 사용의 다른 영향은 주어진 기판 면적의 활용 감소이며, 이는 최적하지 않은 배터리 밀도(충전, 에너지 및 전력)로 이어진다. 그 이유는 스퍼터링된 종들이 마스크들 아래에 증착되는 것을 섀도우 마스크가 완전히 제한할 수 없기 때문이며, 이는 핵심적인 층들 간의 전기적 절연을 유지하기 위해 연속적인 층들 간의 어떤 최소 비중첩 요건으로 이어진다. 이러한 최소 비중첩 요건으로 인해, 캐소드 면적이 소실되고, 이는 (다른 모든 것이 동일할 경우) TFB의 용량, 에너지 및 전력 함량의 전체적인 손실로 이어진다.
섀도우 마스크들의 다른 영향은 열적으로 유발되는 정렬 문제들을 회피하여야 하기 때문에 프로세스 처리량이 제한된다는 것이며, 마스크의 열팽창은 마스크를 뒤틀리게 만들고, 마스크 에지들이 기판에 대해 정렬된 위치들로부터 어긋나게 한다. 따라서, 프로세스 허용 오차를 초과하여 마스크를 가열하지 않도록 증착 툴을 낮은 증착 속도로 작동시켜야 하기 때문에, PVD 처리량이 원하는 것보다 낮아지게 된다.
또한, 물리적 (섀도우) 마스크를 채용하는 프로세스들은 일반적으로 미립자 오염으로 인해 곤란을 겪으며, 이는 궁극적으로 수율에 영향을 미친다.
따라서, 단순화되고 HVM에 대해 호환성이 더 많은 TFB 프로세스 기술들을 가능하게 함으로써, TFB들의 HVM 비용을 상당히 줄일 수 있는 개념들과 방법들이 요구되고 있다.
본 발명의 개념들과 방법들은 섀도우 마스크들의 사용을 제거 및/또는 최소화하여 박막 배터리(TFB) 대량 생산(HVM)의 비용 및 복잡성의 감소를 허용하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 실시예들은 높은 처리량과 대량으로 대면적 기판들에서 TFB들의 제조가능성을 향상시킬 수 있다. 이는 광범위한 시장 적용성을 위한 비용을 상당히 줄일 뿐만 아니라, 수율의 향상을 제공할 수 있다. 본 발명의 양태들에 따르면, 선택적 레이저 삭마 프로세스를 사용함으로써 여타 장점들이 달성되며, 여기서, 레이저 패터닝 프로세스는 패너닝 요건들 중 일부 또는 전부를 충족시키기 위해, 인택트(intact) 아래의 층(들)을 남기면서, 한 층 또는 층들의 스택을 제거한다. 본 발명의 완전 디바이스 통합들은 활성층 증착들/패턴들 뿐만 아니라, 보호 및 본딩 패드 층 증착들/패터닝들을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 박막 배터리의 제조 방법은 기판 상에서의 블랭킷 증착과 모든 또는 어떤 디바이스 층들의 선택적 레이저 패터닝을 포함한다. 예컨대, 본 발명은, 기판 상에서 전류 컬렉터(예컨대, Ti/Au)의 블랭킷 증착과 (기판과 전류 컬렉터 사이에서 선택적인) 선택적 레이저 패터닝; 패터닝된 전류 컬렉터 상에서 캐소드(예컨대, LiCoO2)의 블랭킷 증착과 (캐소드와 전류 컬렉터(예컨대, Ti/Au) 사이에서 선택적인) 선택적 레이저 패터닝; 및 패터닝된 캐소드 상에서 전해질(예컨대, LiPON)의 블랭킷 증착과 (전해질과 패터닝된 전류 컬렉터(예컨대, Ti/Au) 사이에서 선택적인) 선택적 레이저 패터닝을 포함할 수 있다. 전류 컬렉터들의 남아있는 영역들에 대한 레이저 손상을 줄이기 위해, 다음중 일부 또는 전부가 활용될 수 있다: 캐소드 층을 처음 삭마할 때 전류 컬렉터들의 본딩 패드 영역들에 얇은 캐소드 층을 의도적으로 남길 수 있다; 그리고, 전류 컬렉터 영역들을 단계적으로 개방하는데 - 즉, 전류 컬렉터의 각각의 개방된 영역을 레이저에 한번 직접적으로만 노출한다.
본 발명의 몇몇 다른 실시예들에 따르면, 박막 배터리의 제조 방법은, 기판 상에, 캐소드 전류 컬렉터 층, 캐소드 층, 전해질 층, 애노드 층 및 애노드 전류 컬렉터 층을 포함하는 블랭킷 층들의 제 1 스택을 증착하는 단계; 상기 제 1 스택을 레이저 다이 패터닝하여 제 2 스택을 형성하는 단계; 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하여 디바이스 스택을 형성하는 단계로서, 상기 레이저 패터닝은 캐소드 전류 컬렉터 영역과 상기 캐소드 전류 컬렉터 영역에 인접한 상기 전해질 층의 일부를 노출시키고, 상기 제 2 스택의 레이저 패터닝은 상기 전해질 층의 상기 일부의 두께의 일부를 제거하여 상기 전해질 층에 단차를 형성하는 단계를 포함하는, 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 단계; 및 상기 디바이스 스택 상에 봉지 및 본딩 패드 층들을 증착하여 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 레이저 빔이 증착된 층들에 도달하기 전에 기판을 통과하도록, 다이 패터닝이 기판 측으로부터 이루어지는 경우, 열 응력 부정합 유도 레이저 삭마를 달성하기 위해, 다이 패터닝 지원층(assistance layer), 예컨대, 비정질 실리콘(a-Si) 층 또는 미정질 실리콘(μc-Si) 층이 사용될 수 있으며, 이는 재료를 제거하기 위해 필요한 레이저 에너지를 크게 감소시키고 다이 패터닝 품질을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 상기 방법을 실시하기 위한 툴을 개시한다.
본 발명의 여타 양태들 및 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 특정 실시예들에 대한 하기 설명을 검토할 때 당업자들에게 보다 명확해질 것이다.
도 1은 박막 배터리(TFB)의 단면도이다.
도 2는 TFB를 제조하기 위한 흐름도와 함께 패터닝된 TFB 층들의 대응하는 평면도들이다.
도 3a 내지 도 3p는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB를 제조하기 위한 제 1 프로세스 흐름에서의 순차적인 단계들의 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4k는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB를 제조하기 위한 제 2 프로세스 흐름에서의 순차적인 단계들의 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB를 제조하기 위한 제 3 프로세스 흐름에서의 순차적인 단계들의 단면도들과 평면도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB를 제조하기 위한 제 4 프로세스 흐름에서의 순차적인 단계들의 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 532㎚ 나노초 레이저에 의해 기판의 배면으로부터 패터닝된 층의 에지를 가로지르는 조면기 궤적이다.
도 8은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 532㎚ 나노초 레이저에 의해 기판의 전면으로부터 패터닝된 층의 에지를 가로지르는 조면기 궤적이다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 1064㎚ 나노초 레이저에 의해 기판의 전면으로부터 패터닝된 층의 에지를 가로지르는 조면기 궤적이다.
도 10은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 선택적 레이저 패터닝 툴의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB를 제조하기 위한 박막 증착 클러스터 툴의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB를 제조하기 위한 다수의 인라인 툴들을 구비한 박막 증착 시스템의 도면이다.
도 13은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB를 제조하기 위한 인라인 증착 툴의 도면이다.
이하, 당업자들이 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 예시적인 예들로서 제공되는 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 명세서에 제공된 도면들은 디바이스들과 디바이스 프로세스 흐름들을 단순히 예시하고 있으며, 척도에 따라 도시되어 있지 않다. 특히, 이하의 도면들과 예들은 본 발명의 범위를 단일 실시예로 제한한다는 의미가 아니며, 개시되거나 도시된 요소들 중 일부 또는 모두가 상호 교환되는 방식으로 다른 실시예들이 가능하다는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 어떤 요소들은 공지의 요소들을 사용하여 부분적으로 또는 전체적으로 구현될 수 있으며, 본 발명을 이해하기 위해 필요한 그러한 공지의 요소들의 부분들만 설명하고, 공지의 요소들의 다른 부분들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 단일의 요소를 나타내고 있는 실시예가 한정하는 것으로 간주되서는 아니되고, 오히려, 본 명세서에서 명시적으로 달리 언급되지 않으면, 본 발명은 복수의 동일한 요소들을 포함하는 다른 실시예들을 포함하는 것으로 의도되며, 그 반대도 마찬가지이다. 또한, 본 출원인들은, 명시적으로 달리 언급되지 않으면, 명세서 또는 청구항들에서의 임의의 용어들이 비보편적이거나 특정한 의미로 간주되도록 의도하지 않는다. 또한, 본 발명은 본 명세서에 예로서 인용된 공지의 요소들에 대한 현재 및 미래의 공지의 등가물들을 포함한다.
종래의 TFB 제조에서는, 배면 자석 또는 Kapton® 테이프에 의해 디바이스 기판에 고정되어 있는 인시츄(in-situ) 섀도우 마스크들을 사용하여 모든 층들이 패터닝된다. 본 발명에서는, 인시츄 패터닝 증착들 대신, TFB 제조 프로세스에서 모든 층들에 대해(도 4a 내지 도 4k 및 도 5a 내지 도 5c 참조), 애노드를 제외한 모든 층들에 대해(도 3a 내지 도 3p 참조), 콘택트 패드들을 제외한 모든 층들에 대해(도 6a 내지 도 6c 참조), 또는 전류 컬렉터, 캐소드 및 전해질과 같은 어떤 층들에 대해, 어떠한 섀도우 마스크도 사용하지 않는 블랭킷 증착들이 제안된다. 제조 흐름은 본딩, 봉지 및/또는 보호 코팅을 위한 프로세스들을 또한 포함할 수 있다. 블랭킷층의 패터닝은 선택적 레이저 삭마 프로세스에 의해 이루어지며, 여기서, 레이저 패터닝 프로세스는 인택트 아래의 층(들)을 남기면서, 한 층 또는 다량의 층을 제거한다. 예컨대, 본 발명은, 기판 상에서 전류 컬렉터(예컨대, Ti/Au)의 블랭킷 증착과 (기판과 전류 컬렉터 사이에서 선택적인) 선택적 레이저 패터닝; 패터닝된 전류 컬렉터 상에서 캐소드(예컨대, LiCoO2)의 블랭킷 증착과 (캐소드와 전류 컬렉터(예컨대, Ti/Au) 사이에서 선택적인) 선택적 레이저 패터닝; 및 패터닝된 캐소드 상에서 전해질(예컨대, LiPON)의 블랭킷 증착과 (전해질과 패터닝된 전류 컬렉터(예컨대, Ti/Au) 사이에서 선택적인) 선택적 레이저 패터닝을 포함할 수 있다. 전류 컬렉터들의 남아있는 영역들에 대한 레이저 손상을 줄이기 위해, 다음중 일부 또는 전부가 활용될 수 있다: 캐소드 층을 처음 삭마할 때 전류 컬렉터들의 본딩 패드 영역들에 얇은 캐소드 층을 의도적으로 남길 수 있다; 그리고, 전류 컬렉터 영역들을 단계적으로 개방한다, 즉, 전류 컬렉터의 각각의 개방된 영역을 레이저에 한번 직접적으로만 노출한다. (레이저 삭마는 기판의 박막 측으로부터 이루어진다. 전류 컬렉터들의 본딩 패드 영역들에서는, 캐소드 층을 처음 삭마할 때 레이저 빔이 캐소드 층의 전부를 제거하지 않도록 레이저 유량(fluence)이 의도적으로 감소될 수 있다. 그러한 경우, 이 삭마 단계에서 레이저 에너지가 전류 컬렉터들의 본딩 패드 영역들을 손상시키지 않는다. 또한, UV(자외선) 및 VIS(가시) 레이저들에 대한 매우 짧은 광 흡수 깊이와 그에 따른 삭마 깊이로 인하여, LiCoO2 캐소드는 전해질(LiPON)과 유전체(SiN 및 SiO2)와 같은 다른 재료보다 완전히 제거하기가 더 어렵다. 따라서, 삭마 프로세스들을 위해 UV 및 VIS 레이저들이 사용되는 경우, 전해질, 애노드, 보호층들 등을 레이저 삭마할 때 남아있는 LiCoO2가 하부의 층들의 의도하지 않은 레이저 손상을 방지할 수 있다.)
또한, 레이저 빔이 증착된 층들에 도달하기 전에 기판을 통과하도록, 다이 패터닝이 기판 측으로부터 이루어지는 경우, 열 응력 부정합 유도 레이저 삭마를 달성하기 위해, 다이 패터닝 지원층, 예컨대, 비정질 실리콘(a-Si) 층 또는 미정질 실리콘(μc-Si) 층이 사용될 수 있으며, 이는 재료를 제거하기 위해 필요한 레이저 에너지를 크게 감소시키고 다이 패터닝 품질을 향상시킨다. 다이 패터닝 지원층은, TFB의 제 1 층(일반적으로, Ti)에 비해, 기판과의 더 강한 열 부정합을 갖고, 기판에 대해 더 약한 본딩 강도를 갖는다. 기판 측으로부터 다이 패터닝을 실시할 때, 레이저 유량은 TFB 셀들을 완전히 격리시키기 위해 다이 패터닝 지원층에 대해 0.1 J/㎠로 정도로 낮아질 수 있다. 이러한 수준의 레이저 유량은 재료들을 용융시키기에 충분하지 않으며, 재료들이 고체 상태로 제거됨으로써("열 응력 부정합 유도 삭마"라 함), 주변이 영향을 받지 않으며 매우 깨끗한 삭마 디바이스 에지 프로파일로 이어진다. 반면에, 다이 패터닝 지원층이 없으면, TFB 셀들을 격리시키기 위해 높은 레이저 유량(1 J/㎠ 초과)이 필요하다. 레이저 프로세스 조건들에 따라, 다이 패터닝 층이 (도면들에는 도시되지 않은 다이 패터닝 영역에) 남거나, (도 3d에 도시된 바와 같이) 제거될 수 있다.
보다 정확한 에지 배치가 더 높은 디바이스 밀도와 다른 설계 개선을 제공하기는 하지만, 레이저 프로세싱 및 삭마 패턴들은 마스크들을 이용하여 제조된 것과 동일한 디바이스 구조들을 가진 TFB들을 형성하도록 설계될 수 있다. TFB 제조 프로세스들에서의 섀도우 마스크들의 사용은 수율에 치명적인 결함들의 원인이 될 수 있고 섀도우 마스크들을 제거하면 이러한 결함들을 제거할 수 있기 때문에, 본 발명의 프로세스들의 몇몇 실시예들에서는, 현재의 섀도우 마스크 제조 프로세스들보다 더 높은 TFB들의 수율과 디바이스 밀도가 예상된다. 본 발명의 프로세스들의 몇몇 실시예들은 섀도우 마스크 프로세스들보다 더 나은 패터닝 정확도를 제거할 것으로 또한 예상되며, 이는 기판 상에서 더 높은 TFB 디바이스 밀도를 허용할 것이다. 또한, 본 발명의 몇몇 실시예들은 섀도우 마스크들의 잠재적인 열팽창으로 인한 정렬 문제들에 기인하는 PVD 프로세스들에 대한 (섀도우 마스크 증착 프로세스들에서 낮은 전력 및 온도로 제한되는) 제약들을 완화하고, TFB 층들의 증착 속도를 높일 것으로 예상된다.
또한, TFB 제조 프로세스에서 섀도우 마스크들을 제거하면, 마스크 정렬기, 마스크 관리 시스템들 및 마스크 세척을 생략하고; CoC(소모품 비용)이 감소하며; 및 실리콘 집적 회로 및 디스플레이 산업들로부터 산업적으로 검증된 프로세스들의 사용이 가능해짐으로써, 신규한 제조 프로세스 개발 비용을 줄일 수 있다. TFB의 블랭킷 층 증착들과 익스시츄(ex-situ) 레이저 페터닝은 패턴 정확도, 수율 및 기판/재료 사용량을 충분히 향상시켜 TFB 제조 비용을, 예컨대, 2011 예상 비용보다 10배 이상 절감할 수 있다.
본 발명의 선택적 레이저 패터닝 프로세스들을 위해, 종래의 레이저 스크라이브 또는 레이저 프로젝션 기술이 사용될 수 있다. 레이저들의 개수는, 1개, 예컨대, (레이저 유량/투여량에 의해 선택도가 제어되는) 피코초 또는 펨토초 펄스 폭을 가진 UV/VIS 레이저; 2개, 예컨대, (레이저 파장/유량/투여량에 의해 선택도가 제어되는) UV/VIS 레이저와 IR 레이저의 조합; 또는 (레이저 파장/유량/투여량에 의해 선택도가 제어되는) 다수일 수 있다. 레이저 스크라이브 시스템의 주사 방법들은 스테이지의 운동, 검류계들에 의한 빔의 운동, 또는 이들 모두가 될 수 있다. 레이저 스크라이브 시스템의 레이저 스폿 크기는 (주로 다이 패터닝을 위한 직경인) 100μ에서 1㎝까지 직경이 조절될 수 있다. 레이저 프로젝션 시스템을 위한 기판에서의 레이저 면적은 5㎟ 이상일 수 있다. 또한, 다른 레이저 유형들과 구성들이 사용될 수 있다.
도 3a 내지 도 3p는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 TFB 제조 단계들을 도시하고 있으며, 이 프로세스 흐름은 리튬 층을 위한 하나의 섀도우 마스크 단계를 제외하고 모두 블랭킷 증착들을 포함한다. 도 3a는 기판(301)을 도시하고 있으며, 상기 기판은, 하기된 투명도 요건들을 충족하는, 유리, 실리콘, 운모, 세라믹, 금속, 경질 재료, 가요성 재료, 플라스틱/폴리머 등일 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같은, 기판(301) 위에 a-Si, μc-Si 또는 LiCoO2 층과 같은 블랭킷 다이 패터닝 지원층(302)이 증착된다. 특정 레이저 파장에서 기판은 투과성인 반면, 이 층(302)은 높은 흡수성을 갖는다. 예컨대, "301"은 유리일 수 있으며, "302"는 a-Si일 수 있으며, 유리는 가시광에 대해 투과성인 반면, a-Si는 강한 흡수성을 갖는다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 층(302) 위에 전류 컬렉터 층(303)과 캐소드 층(304)이 블랭킷 증착된다. 층(302 내지 304)들의 패터닝이 도 3d에 도시되어 있다. 선택적 패터닝은 레이저 삭마에 의해 이루어지며, 레이저 삭마는 스폿 레이저의 레이저 주사 속도 및 유량; 또는 면적 레이저의 스팟 수와 유량을 제어함으로써 구현된다. 전류 컬렉터 층(303)은 캐소드 전류 컬렉터(CCC)(303a)와 애노드 전류 컬렉터(ACC)(303b)로 패터닝된다. 캐소드 층(304)은 본딩 패드 프로세싱까지 전류 컬렉터를 레이저 상호작용/손상으로부터 보호하기 위해 전류 컬렉터 영역들에서 얇은 캐소드 층(304a)과, TFB 캐소드로서의 기능을 하는 두꺼운 캐소드(304a)로 패터닝된다. 결정질 구조를 발현시키기 위해, 캐소드는 2시간 이상 600℃ 이상에서 어닐링된다. 어닐링 프로세스는 레이저 패터닝 전후에 이루어질 수 있다. 여기서, 필요하다면, 예컨대, 비(非)리튬(non-Li) 애노드 셀들을 위해, 건식 리튬치환반응(Lithiation)이 실시될 수 있다. (예컨대, 바나듐 산화물 캐소드 층을 취한다(take). 카운터 전극 또는 애노드가 Li이 아닌 경우, 전하 캐리어가 "시스템"에 추가될 필요가 있을 것이다. 이는 소위 건식 리튬치환반응을 사용하여 이루어질 수 있다. 프로세스는, 캐소드 층의 증착과, 필요한 경우, 어닐링; 및 캐소드 위에 Li의 증착을 포함한다. 캐소드에 대해 섀도우 마스크 프로세스가 사용되는 경우, 동일한 섀도우 마스크가 사용될 수 있다. 증착된 리튬은 캐소드 층과 "반응하여/삽입하여(intercalate)", 리튬치환반응된 캐소드 층을 형성한다. 애노드 측이 Sn 및 Si와 같은 다른 층간 화합물 또는 혼합물/반응 기반 재료인 경우, 애노드 측에 대해서도 동일한 일반적인 절차가 후속될 수 있다.) 도 3e에 도시된 바와 같이, 블랭킷 전해질(305)이 블랭킷 증착된다. 도 3f에 도시된 바와 같이, 레이저 삭마에 의해, 전류 컬렉터(303)들의 작은 부분들이 노출된다. 패터닝된 애노드(예컨대, Li) 스택(306)이 섀도우 마스크를 사용하여 증착되고, 여기서, 필요하다면, 건식 리튬치환반응이 이루어질 수 있다(도 3g 참조). 도 3h에 도시된 바와 같이, 블랭킷 봉지층(307)(유전체 또는 폴리머)이 증착된다. 도 3i에 도시된 바와 같이, 레이저 삭마에 의해, ACC가 노출된다. 도 3j에 도시된 바와 같이, 블랭킷 본딩 패드 층(308)이 증착된다. 도 3k에 도시된 바와 같이, 레이저 삭마에 의해, CCC가 노출된다. 도 3l에 도시된 바와 같이, 블랭킷 유전체(309)(예컨대, SiN)가 증착된다. 도 3m에 도시된 바와 같이, 레이저 삭마에 의해, CCC가 더 노출된다. 도 3n에 도시된 바와 같이, 블랭킷 본딩 패드(310)가 증착된다. 도 3o에 도시된 바와 같이, 콘택트 패드(ACC)가 레이저 삭마에 의해 노출된다. 도 3o 및 도 3p에서, 제 1 본딩 패드(308) 위에 남아있는 "슬리버(sliver)(309)"는 후속 단계들에서 하부 본딩 패드 층(308)과 상부 본딩 패드 층(310) 사이의 단락으로부터 보호하기 위해 의도적으로 유지된다. (1) 다이 패터닝 층 없이 전면 측으로부터, (2) 다이 패터닝 층 없이 기판 측으로부터, 또는 (3) 다이 패터닝 층을 구비하여 기판 측으로부터, 레이저 삭마에 의한 다이 패터닝이 도 3p에 도시되어 있다.
도 4a 내지 도 4k는 본 발명의 몇몇 다른 실시예들에 따른 TFB 제조 단계들을 도시하고 있으며, 이 프로세스 흐름은 어떠한 섀도우 마스크들도 사용하지 않은 모든 층들의 블랭킷 증착들을 포함한다. 도 4a 내지 도 4k의 실시예에서는 애노드가 블랭킷 증착되며, 이에 따라, 오직 ACC만 애노드 증착 전에 노출되기 때문에, 도 4a에서는 전해질 층이 CCC 위에서 연속적인 것을 제외하고, 도 4a는 도 3a 내지 도 3f와 관련하여 상술한 프로세싱을 이미 나타내고 있으며, 이에 후속하여 애노드(406a)(예컨대, Li) 스택과 얇은 보호 층(406b)의 블랭킷 증착이 이루어지고; 여기서, 필요하다면, 건식 리튬치환반응이 이루어질 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 레이저 패터닝에 의해, 아르곤/건식 또는, 가능하다면, 공기/습식 대기에서, ACC와 CCC가 부분적으로 노출된다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 블랭킷 봉지층 (407)(유전체 또는 폴리머)이 증착된다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 레이저 삭마에 의해, ACC가 노출된다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 블랭킷 본딩 패드(408)가 증착된다. 도 4f에 도시된 바와 같이, 레이저 삭마에 의해, CCC가 노출된다. 도 4g에 도시된 바와 같이, SiN과 같은 블랭킷 유전체(409)가 증착된다. 도 4h에 도시된 바와 같이, 레이저 삭마에 의해, CCC가 더 노출된다. 도 4i에 도시된 바와 같이, 블랭킷 본딩 패드(410)가 증착된다. 도 4j에 도시된 바와 같이, 본딩 패드(ACC)가 레이저 삭마에 의해 노출된다. 도 4j 및 도 4k에서, 제 1 본딩 패드(408) 위에 남아있는 "슬리버(409)"는 후속 단계들에서 하부 본딩 패드 층(408)과 상부 본딩 패드 층(410) 사이의 단락으로부터 보호하기 위해 의도적으로 유지된다. (1) 다이 패터닝 층 없이 전면 측으로부터, (2) 다이 패터닝 층 없이 기판 측으로부터, 또는 (3) 다이 패터닝 층을 구비하여 기판 측으로부터, 레이저 삭마에 의한 다이 패터닝이 도 4k에 도시되어 있다.
본딩 패드 층(308/408)은 폴리머 층(307/407)들을 보호하는 기능을 할 수도 있다. 이러한 추가 보호층은, 폴리머 층들의 속성들이 시간이 지남에 따라 천천히 변하여 공기에 대해 투과성이 되기 때문에, 유용하다. 따라서, 추가 보호층이 없다면, 결국, 애노드 내의 Li이 폴리머를 통해 공기와 반응하여, Li의 소실로 이어진다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 몇몇 또 다른 실시예들에 따른 TFB 제조 단계들을 도시하고 있으며, 이 프로세스 흐름은 어떠한 섀도우 마스크들도 사용하지 않은 모든 층들의 블랭킷 증착들을 포함하며, 가능한 한 진공을 깨지 않고 임의의 레이저 패터닝 전에 스택 내의 ACC에서 CCC까지 모든 층들의 블랭킷 증착들을 또한 포함한다. 도 5a는 기판(501)을 도시하고 있으며, 상기 기판은, 하기된 투명도 요건들을 충족하는, 유리, 실리콘, 운모, 세라믹, 금속, 경질 재료, 가요성 재료, 플라스틱/폴리머 등일 수 있다. 기판(501) 위에 a-Si, μc-Si 또는 LiCoO2 층과 같은 블랭킷 다이 패터닝 지원층(502)이 증착된다. 층(502) 위에 전류 컬렉터 층(503)(예컨대, Ti/Au)과 캐소드 층(504)(예컨대, LiCoO2)이 블랭킷 증착된다. 층(504) 위에 전해질 층(505)(예컨대, LiPON)이 블랭킷 증착된다. 층(505) 위에 애노드 층(506)(예컨대, Li, Si)이 블랭킷 증착된다. 층(506) 위에 ACC 층(507)(예컨대, Ti/Au)이 블랭킷 증착된다. 프로세스의 이 시점에서 결정도(crystallinity)를 향상시키기 위한 캐소드 어닐링이 실시될 수 있다. 또한, 프로세스의 이 시점에서, 필요하다면, 예컨대, 비(非)리튬 애노드 셀들을 제조할 때, 건식 리튬치환반응이 실시될 수 있다. 다이 패터닝은 레이저를 사용하여 이루어지며, 상기 다이 패터닝은, 다이 패터닝 지원층 없이 전면 측으로부터, 다이 패터닝 지원층 없이 기판 측으로부터, 또는 다이 패터닝 지원층을 구비하여 기판 측으로부터 이루어질 수 있다. 다이 패터닝 지원층을 사용하면, CCC의 용융을 감소시켜 단락을 줄이는 장점이 있다. 다이 패터닝은 도 5a의 구조를 완성한다. 도 5b의 구조는 (스팟 레이저의) 주사 속도 또는 (면적 레이저의) 스팟의 수와 유량을 제어하는 선택적 레이저 삭마에 의해 형성된다. CCC의 레이저 손상을 줄이기 위해 CCC 영역들에서 얇은 캐소드 층이 남겨지고, 후속 단계들은 CCC 영역들로부터의 재료의 증착과 삭마를 포함하며, 얇은 캐소드 층은 임의의 다른 레이저 손상으로부터 하부의 CCC를 보호한다. 전해질 층 내의 단차는 애노드 측과 캐소드 측 사이에 측방향 거리를 생성하며, 캐소드 재료로 인한 ACC와 CCC 간의 전기적 단락을 줄이기 위해 사용되고, 전해질 층에 에지 단차를 형성하면, 캐소드의 레이저 삭마에 의해 형성될 수 있는 "에지 마운드(edge mound)"가 측벽을 짧게 생성하지 못하도록 할 것이다. 도 5c는 도 5b의 디바이스의 평면도를 나타내며, 이 구조는 척도에 따라 도시되어 있지 않다. 일반적으로 (상술한 바와 같이, 이후의 단계에서 삭마에 의해 제거되는 얇은 캐소드 재료 층(504)으로 덮인) CCC 영역은 디바이스 용량을 최대화하기 위해 도시된 것보다 훨씬 더 작다는 것을 유의하여야 한다. 도 5d에 도시된 구조를 형성하기 위해, 다음과 같은 단계들이 사용될 수 있다. 블랭킷 봉지층(508)(들)(유전체 또는 폴리머)이 증착된다. 레이저 삭마에 의해, 스택에 인접한 소량의 기판과 CCC 콘택트 영역이 노출됨으로써, 다음의 블랭킷 증착이 스택 위의 봉지층을 완전히 덮을 수 있도록 하며, 후자는 스택에 대한/스택으로부터의 Li, 물 및/또는 산소의 측방향 확산을 방지하는데 도움이 된다. 봉지층은 곧 있을 다이 패터닝 단계들을 돕기 위해 대부분의 기판 위에 의도적으로 남겨진다는 것을 유의하여야 한다. 스택 위에 블랭킷 본딩 패드 층(509)(예컨대, Al)이 증착된다. 다음의 증착 단계에서 ACC와 CCC를 보호하기 위해 남겨지는 얇은 봉지층을 제외하고, 본딩 패드 층의 레이저 삭마에 의해, ACC 콘택트 층이 개방된다. 스택에 인접한 CCC와 소량의 기판이 노출됨으로써, 다음의 블랭킷 증착이 스택을 완전히 덮을 수 있도록 하며, 스택에 대한/스택으로부터의 측방향 확산을 방지하는데 도움이 된다. 블랭킷 유전체(510)(예컨대, SiN)가 증착된다. ACC 콘택트 영역이 노출되고, 스택에 인접한 소량의 기판이 노출됨으로써, 다음의 블랭킷 증착이 스택을 완전히 덮을 수 있도록 하며, 스택에 대한/스택으로부터의 측방향 확산을 방지하는데 도움이 된다. 스택 위에 블랭킷 본딩 패드(511)(예컨대, Al)가 증착된다. 유전체 층은 ACC와 CCC의 단락을 방지한다는 것을 유의하여야 한다. 레이저 삭마에 의해, CCC 콘택트 패드가 노출된다. 레이저 삭마에 의한 다이 패터닝은 전면으로부터 또는 기판 측으로부터 이루어질 수 있다. 기판 측으로부터의 레이저 패터닝이 레이저(520)들을 이용하여 도 5d에 도시되어 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 몇몇 다른 실시예들에 따른 TFB 제조 단계들을 도시하고 있으며, 이 프로세스 흐름은 본딩 패드들을 제외하고 어떠한 섀도우 마스크들도 사용하지 않은 모든 층들의 블랭킷 증착들을 포함하며, 가능한 한 진공을 깨지 않고 임의의 레이저 패터닝 전에 스택 내의 ACC에서 CCC까지 모든 층들의 블랭킷 증착들을 또한 포함한다. 프로세스 흐름은 도 5a에 도시된 바와 같이 스택을 제조하는 것으로 시작한다. 구체적으로, 기판(601)이 있으며, 상기 기판은, 하기된 투명도 요건들을 충족하는, 유리, 실리콘, 운모, 세라믹, 금속, 경질 재료, 가요성 재료, 플라스틱/폴리머 등일 수 있다. 기판(601) 위에 a-Si, μc-Si 또는 LiCoO2 층과 같은 블랭킷 다이 패터닝 지원층(602)이 증착된다. 층(602) 위에 전류 컬렉터 층(603)(예컨대, Ti/Au)과 캐소드 층(604)(예컨대, LiCoO2)이 블랭킷 증착된다. 층(604) 위에 전해질 층(605)(예컨대, LiPON)이 블랭킷 증착된다. 층(605) 위에 애노드 층(606)(예컨대, Li, Si)이 블랭킷 증착된다. 층(606) 위에 ACC 층(607)(예컨대, Ti/Au)이 블랭킷 증착된다. 프로세스의 이 시점에서 결정도를 향상시키기 위한 캐소드 어닐링이 실시될 수 있다. 또한, 프로세스의 이 시점에서, 필요하다면, 예컨대, 비(非)리튬 애노드 셀들을 제조할 때, 건식 리튬치환반응이 실시될 수 있다. 다이 패터닝은 레이저를 사용하여 이루어지며, 상기 다이 패터닝은, 다이 패터닝 지원층 없이 전면 측으로부터, 다이 패터닝 지원층 없이 기판 측으로부터, 또는 다이 패터닝 지원층을 구비하여 기판 측으로부터 이루어질 수 있다. 다이 패터닝 지원층을 사용하면, CCC의 용융을 감소시켜 단락을 줄이는 장점이 있다. 도 6a의 구조는 (스팟 레이저의) 주사 속도 또는 (면적 레이저의) 스팟의 수와 유량을 제어하는 선택적 레이저 삭마에 의해 형성된다. 본딩 패드를 위해 CCC 영역이 개방되고, 전해질 층 내에 단차가 형성된다. (도 6a의 구조는 CCC 영역을 덮고 있는 잔류 캐소드 층이 없는 도 5b의 구조와 동일하다는 것을 유의하여야 한다.) 전해질 층 내의 단차는 애노드 측과 캐소드 측 사이에 측방향 거리를 생성하며, 캐소드 재료로 인한 ACC와 CCC 간의 전기적 단락을 줄이기 위해 사용되고, 전해질 층에 에지 단차를 형성하면, 캐소드의 레이저 삭마에 의해 형성될 수 있는 "에지 마운드"가 측벽을 짧게 생성하지 못하도록 할 것이다. 도 6b는 각각 ACC와 CCC를 위한 패터닝된 본딩 패드 증착(예컨대, Al)(608a, 608b)을 도시하고 있으며, PVD 및 레이저 단계들을 줄이기 위해 마스크 증착이 사용된다. 도 6c의 구조를 형성하기 위해, 다음과 같은 단계들이 사용될 수 있다. 블랭킷 봉지층(609)(들)(예컨대, 폴리머 또는 SiN)이 증착된 후, 봉지층의 레이저 삭마에 의해, ACC 및 CCC 본딩 패드들이 노출되고, 또한 다이 패터닝이 후속한다. 패터닝을 위해 다수의 레이저들이 사용될 수 있다. 블랭킷 유전체 층(610)(예컨대, SiN)이 증착되고, 유전체 층의 레이저 삭마가 후속하여, ACC 및 CCC 본딩 패드들을 노출시킨다. Li 애노드를 완전히 보호하기 위해, 더 많은 유전체 또는 폴리머 층들이 증착되고 레이저 패터닝될 필요가 있을 수 있음을 유의하여야 한다.
캐소드 측과 애노드 측 양측의 금속 전류 컬렉터들은 왕복하는 Li 이온들에 대한 보호 배리어들로서 기능해야 할 필요가 있을 수 있다. 또한, 애노드 전류 컬렉터는 대기로부터의 산화제들(H2O, O2, N2 등)에 대한 배리어로서 기능해야 할 필요가 있을 수 있다. 따라서, 선택되는 재료 또는 재료들은 "양 방향들"로, 즉, 고용체를 형성하기 위해 금속성 전류 컬렉터로 Li가 이동하는 방향과 그 역방향으로, 리튬과 접촉하는 최소의 반응 또는 혼화성을 가져야 한다. 또한, 금속성 전류 컬렉터를 위한 재료 선택은 이 산화제들에 대한 낮은 반응성과 확산성을 가져야 한다. 공개된 2진 위상도들에 기초하여, 제 1 요건들에 대한 몇몇 가능성 있는 후보들로는 Ag, Al, Au, Ca, Cu, Co, Sn, Pd, Zn 및 Pt가 있다. 몇몇 재료들에서는, 금속성 층들 간의 반응/확산이 없도록 보장하기 위해 열 예산이 관리되어야 할 필요가 있다. 단일의 금속 요소가 양 요건들을 충족시킬 수 없다면, 합금들이 고려될 수 있다. 또한, 단일 층이 양 요건들을 충족시킬 수 없다면, 이중 (다수의) 층들이 사용될 수 있다. 또한, 접착층이 전술한 내화물 및 비산화층들 중 하나의 층과 조합하여 사용될 수 있으며, 예컨대, Au와 조합된 Ti 접착층이 사용될 수 있다. 층들(예컨대, Cu, Ag, Pd, Pt 및 AU와 같은 금속들, 금속 합금들, 준금속들 또는 카본 블랙)을 형성하기 위해 금속 타겟들(대략 300㎚)의 (펄스) DC 스퍼터링에 의해 전류 컬렉터들이 증착될 수 있다. 또한, 유전체 층들 등과 같이, 왕복하는 리튬 이온들에 대한 보호 배리어들을 형성하는 다른 옵션들이 있다.
RF 스퍼터링은 모두 절연체들인(전해질의 경우엔 훨씬 더 절연체임) 캐소드 층(예컨대, LiCoO2)과 전해질 층(예컨대, N2 내에서 Li3PO4)을 증착하기 위한 전통적인 방법이었다. 그러나, 펄스 DC도 LiCoO2 증착을 위해 사용되었다. 또한, 다른 증착 기술들이 사용될 수 있다.
Li 층(306/406a/506/606)은 증발 또는 스퍼터링 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. Li 층은 일반적으로 Li 합금일 것이며, Li는, 예컨대, 실리콘과 같은 반도체 또는 주석과 같은 금속으로 합금된다. Li 층의 두께는 (캐소드와 용량 평형에 적합하게) 약 3㎛일 수 있으며, 봉지층(307/407)의 두께는 3㎛ 이상일 수 있다. 봉지층은 파릴렌 및 금속 및/또는 유전체의 다층일 수 있다. Li 층(306)과 봉지층(307)의 형성 사이에, 그 부분이 아르곤 가스와 같은 불활성 분위기 내에 유지되어야만 하지만, 블랭킷 봉지층 증착 후, 불활성 분위기에 대한 요건이 완화될 것임을 유의하여야 한다. 그러나, 레이저 삭마 프로세스가 진공 밖에서 실시될 수 있도록, Li 층을 보호하기 위해 층(406b)이 사용될 수 있으며, 이 경우, 불활성 분위기에 대한 요건이 모든 블랭킷 증착 프로세스 구도에서 완화될 수 있다. ACC(507/607)는 진공 밖에서 레이저 삭마가 가능하도록 Li 층을 보호하기 위해 사용될 수 있으며, 불활성 분위기에 대한 요건이 완화될 수 있다.
도 7, 도 8 및 도 9는 레이저 패터닝된 층의 에지를 가로지르는 조면기 궤적들을 나타내고 있다. 이 특정 예들에서의 박막 스택들은 유리 기판상에 100/500/2000㎚의 두께를 가진 Ti/Au/LiCo02이며, 이들은 모두 DC 펄스 마그네트론으로 증착되었다. 삭마에 사용되는 레이저는 스팟 크기가 대략 30μ인 532㎚ 및 1,064㎚ 나노초 레이저들이었다. 도 7에서, 다이 패터닝 532㎚ 나노초 펄스 레이저에 의해 기판 측으로부터 이루어진다. 반면에, 도 8 및 도 9는 각각 532㎚ 및 1,064㎚ 나노초 펄스 레이저들에 의해 박막 측으로부터 이루어진 다이 패터닝이다. 다이 패터닝이 기판 측으로부터 이루어지면 삭마 영역에 매우 적은 "극파(spikes)들"이 있는 반면, 다이 패터닝이 디바이스 측으로부터 이루어지면 삭마 영역에 큰 "극파들"이 많이 있다. 기판 측으로부터의 레이저 패터닝은 "상부" 층들이 용융되기 전의 폭발 프로세스인 반면, 박막 측으로부터의 패터닝은 전체 박막 스택을 삭마할 필요가 있다. 특히, 다수의 두꺼운 박막 스택들에 대해, 기판 측으로부터 필요한 레이저 유량은 박막 측으로부터보다 훨씬 작다. 또한, 박막 측으로부터의 레이저 패터닝은 모든 박막 스택들을 처음에 용융시킨 다음 증발시켜야 하며, 용융물 축출이 삭마 영역에 남아있는 "극파들"을 형성한다. 레이저 빔이 증착된 층들에 도달하기 전에 기판을 통과하는 기판 측으로부터의 다이 패터닝에 있어서, 실험 데이터는 큰 프로세스 윈도우를 나타낸다. 예컨대, 30 ㎑ PRF(펄스 반복 주파수)를 가진 532㎚ 나노초 레이저는 도 7에 도시된 바와 같이 제거 영역에 상당한 잔여물이 없는 우수한 에지 해상도를 나타내며, (40 내지 2000 mJ/㎠의 유량에 대응하는) 다이오드 전류와 주사 속도의 범위는 다음과 같다.
1 2 3 4 5 6
전류(A) 30 30 30 24 26 28
속도(㎜/s) 400 700 1000 400 400 400
또한, 프로세스 조건들은 상술한 것들에서 달라질 수 있다. 특히, 기판 측으로부터 레이저 패터닝이 이루어질 때 프로세스 윈도우는 매우 클 것으로 예상된다. 면적 레이저 연삭 시스템들을 사용하면, 기판 측으로부터의 레이저 패터닝의 장점들을 또한 볼 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른, 선택적 레이저 패터닝 툴(1000)의 개략도이다. 툴(1000)은 기판(1004) 상에 디바이스(1003)들을 패터닝하기 위한 레이저(1001)들을 포함한다. 또한, 기판이 뒤집히면 레이저(1001)들이 기판(1004)을 통해 패터닝하기 위해 사용될 수도 있으나, 기판(1004)을 통해 패터닝하기 위한 레이저(1002)들이 또한 도시되어 있다. 기판(1004)을 유지 및/또는 이동시키기 위해, 기판 홀더/스테이지(1005)가 제공된다. 스테이지(1005)는 기판을 통한 레이저 패터닝에 부합하는 통공들을 가질 수 있다. 툴(1000)은 레이저 삭마시 기판이 정지되거나 움직이도록 구성될 수 있으며, 레이저(1001/1002)들도 고정되거나 이동가능할 수 있고; 몇몇 실시예들에서, 기판과 레이저들이 모두 이동가능할 수 있으며, 그러한 경우, 제어 시스템에 의해 운동이 조정된다. SMF와 기어박스와 대기실도 포함하고 있는 독립형 툴(1000)이 도 10에 도시되어 있다. 도 10에 도시된 실시예는 본 발명에 따른 툴의 일 예이며, 툴의 많은 다른 구성들이 예상되고, 예컨대, 리튬-프리 TFB들의 경우에는 글로브박스가 필요하지 않을 수 있다. 또한, 툴(1000)은, 리튬 호일 제조에서 사용되는 드라이-룸과 같이, 적당한 대기를 가진 룸에 배치될 수 있다.
도 11은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 TFB 디바이스를 제조하기 위한 프로세싱 시스템(800)의 개략도이다. 프로세싱 시스템(800)은 상술한 프로세스 단계들에서 활용될 수 있는 프로세스 챔버(C1 내지 C4)들과 반응성 플라즈마 클린(RPC) 챔버가 탑재된 클러스터 툴에 대한 표준 기계 인터페이스(SMIF)를 포함한다. 필요하다면, 글로브박스가 클러스터 툴에 부착될 수도 있다. 글로브박스는 기판들을 (예컨대, He, Ne 또는 Ar과 같은 영족기체 하의) 불활성 분위기 내에 보관할 수 있으며, 이는 알칼리 금속/알칼리 토금속 증착 후에 유용하다. 필요하다면, 글로브박스로의 대기실이 사용될 수도 있으며, 대기실은 글로브박스 내의 불활성 분위기를 오염시키지 않고 글로브박스 내외로 기판이 전달될 수 있도록 하는 (불활성가스에서 공기로 또는 그 역으로) 가스 교환 챔버이다. (글로브박스는 리튬 호일 제조사들에 의해 사용되는 것과 같이 이슬점이 충분히 낮은 드라이 룸 대기로 교체될 수 있음을 유의하여야 한다.) 챔버(C1 내지 C4)들은, 캐소드 층의 증착(예컨대, RF 스퍼터링에 의한 LiCoO2의 증착); 전해질 층의 증착(예컨대, N2 내에서 RF 스퍼터링에 의한 Li3PO4의 증착); 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 증착; 및 블랭킷 층들의 선택적 레이저 패터닝을 포함할 수 있는 박막 배터리 디바이스들을 제조하기 위한 프로세스 단계들에 적합하도록 구성될 수 있다. 적당한 클러스터 툴 플랫폼들의 예들에는, Generation 10 디스플레이 클러스터 툴들과 같은 AKT사의 디스플레이 클러스터 툴들 또는 소형 기판들을 위한 어플라이드 머티어리얼사의 Endura™와 Centura™가 포함된다. 프로세싱 시스템(1100)을 위한 클러스터 장치가 도시되어 있으나, 기판이 하나의 챔버에서 다음 챔버로 계속 이동하도록 이송 챔버 없이 프로세싱 챔버들이 일렬로 배열된 리니어 시스템이 활용될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 12는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 다수의 인라인 툴(1210, 1220, 1230, 1240 등)들을 구비한 인라인 제조 시스템(1200)을 나타낸 도면이다. 인라인 툴들은 TFB 디바이스의 모든 층들을 증착하고 패터닝하기 위한 툴들을 포함할 수 있다. 또한, 인라인 툴들은 전(pre-) 컨디셔닝 챔버와 후(post-) 컨디셔닝 챔버를 포함할 수 있다. 예컨대, 툴(1210)은, 기판이 진공 에어락(1215)을 통해 증착 툴(1220)로 이동하기 전에, 진공을 확립하기 위한 펌프 다운 챔버일 수 있다. 인라인 툴들 중 일부 또는 전부는 진공 에어락(1215)들에 의해 분리된 진공 툴들일 수 있다. 프로세스 라인 내에서 특정 프로세스 툴들과 프로세스 툴들의 순서는, 전술한 4개의 특수한 예와 같이, 사용되는 특정 TFB 디바이스 제조 방법에 의해 결정될 것임을 유의하여야 한다. 또한, 기판들은 수평이나 수직으로 배향된 인라인 제조 시스템을 통해 이동될 수 있다. 또한, 선택적 레이저 패터닝 모듈들은 레이저 삭마시 기판이 고정되거나 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같은 인라인 제조 시스템을 통한 기판의 이동을 설명하기 위해, 도 13에는, 단일의 인라인 툴(1210)이 가동 중인 기판 컨베이어(1250)가 도시되어 있다. 기판(1310)을 포함하고 있는 기판 홀더(1255)(기판을 볼 수 있도록, 기판 홀더가 부분적으로 절개되어 있음)가 컨베이어(1250) 상에, 또는 도시된 바와 같이 인라인 툴(1210)을 통해 홀더와 기판을 이동시키기 위한 등가의 디바이스 상에, 탑재된다. 프로세싱 툴(1210)을 위한 적당한 인라인 플랫폼들은 어플라이드 머티어리얼사의 Aton™과 New Aristo™일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 박막 배터리들을 형성하기 위한 제 1 장치는, 제 1 스택을 형성하기 위해 기판 상에 전류 컬렉터 층, 캐소드 층 및 전해질 층을 블랭킷 증착하고 연속적으로 선택적으로 레이저 패터닝하는 제 1 시스템; 제 2 스택을 형성하기 위해 상기 제 1 스택 상에 리튬 애노드를 형성하는 제 2 시스템; 상기 제 2 스택 상에 본딩 패드 층을 블랭킷 증착하고 선택적으로 레이저 패터닝하는 제 3 시스템; 및 상기 제 3 스택을 레이저 다이 패터닝하는 제 4 시스템을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 클러스터 툴들, 인라인 툴들, 독립형 툴들 또는 상기 툴들 중 하나 이상의 조합일 수 있다. 또한, 상기 시스템들은 다른 시스템들 중 하나 이상에 공통되는 몇몇 툴들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 박막 배터리들을 형성하기 위한 제 2 장치는, 기판 상에, 캐소드 전류 컬렉터 층, 캐소드 층, 전해질 층, 애노드 층 및 애노드 전류 컬렉터 층을 포함하는 블랭킷 층들의 제 1 스택을 증착하는 제 1 시스템; 상기 제 1 스택을 레이저 다이 패터닝하여 제 2 스택을 형성하는 제 2 시스템; 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하여 디바이스 스택을 형성하는 제 3 시스템으로서, 상기 레이저 패터닝은 캐소드 전류 컬렉터 영역과 상기 캐소드 전류 컬렉터 영역에 인접한 상기 전해질 층의 일부를 노출시키고, 상기 디바이스 스택의 레이저 패터닝은 상기 전해질 층의 상기 일부의 두께의 일부를 제거하여 상기 전해질 층에 단차를 형성하는 단계를 포함하는, 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 제 3 시스템을 포함할 수 있다. 상기 제 2 시스템과 상기 제 3 시스템은 동일한 시스템일 수 있다. 또한, 상기 장치는 봉지 및 본딩 패드 층들을 증착하여 패터닝하는 제 4 시스템을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 클러스터 툴들, 인라인 툴들, 독립형 툴들 또는 상기 툴들 중 하나 이상의 조합일 수 있다. 또한, 상기 제 4 시스템은 제 1, 제 2 및 제 3 시스템들 중 하나 이상 시스템들의 툴들과 동일한 몇몇 툴들을 포함할 수 있다.
본 명세서에서는 TFB들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 사상과 원리들은 감전발색 디바이스들을 포함하여 다른 전기화학 디바이스들을 제조하기 위한 개선된 방법들에 적용될 수도 있다.
본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 본 발명을 특별히 설명하였으나, 당업자들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 그 형태와 세부 사항들에 대한 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있음을 명백하게 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 박막 배터리의 제조 방법으로서,
    블랭킷 층들의 제 1 스택을 기판 상에 증착하는 단계 - 상기 스택은 캐소드 전류 컬렉터 층, 캐소드 층, 전해질 층, 애노드 층 및 애노드 전류 컬렉터 층을 포함함 -;
    제 2 스택을 형성하기 위해 상기 제 1 스택을 레이저 다이 패터닝하는 단계;
    디바이스 스택을 형성하기 위해 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 단계 - 상기 레이저 패터닝하는 단계는 캐소드 전류 컬렉터 영역과 상기 캐소드 전류 컬렉터 영역에 인접한 상기 전해질 층의 일부를 노출시키고, 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 단계는 상기 전해질 층의 상기 일부의 두께의 일부를 제거하여 상기 전해질 층에 단차를 형성하는 단계를 포함함 -; 및
    상기 디바이스 스택 상에 봉지 및 본딩 패드 층들을 증착하고 패터닝하는 단계를 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭킷 층들의 상기 제 1 스택을 증착하는 단계는 진공을 깨지 않고 완료되는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭킷 층들의 상기 제 1 스택을 증착하는 단계 전에, 상기 기판 상에 블랭킷 다이 패터닝 지원층을 증착하는 단계를 더 포함하고, 상기 블랭킷 층들의 상기 제 1 스택은 상기 다이 패터닝 지원층 상에 증착되며, 상기 기판은 레이저 광에 대해 투과성이고, 상기 다이 패터닝 지원층은 상기 다이 패터닝 지원층과 상기 기판 사이에 열 응력 부정합을 달성하기 위한 재료 층을 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 다이 패터닝하는 단계는 상기 다이 패터닝 지원층의 일부의 상기 기판을 통한 레이저 방사와, 상기 제 1 스택의 대응하는 부분의 열 응력 부정합 유도 삭마를 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 단계는 상기 캐소드 전류 컬렉터 영역의 표면 위에 상기 캐소드 층의 두께의 일부를 남기는 단계를 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩 패드 층은 마스크를 사용하여 증착되는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩 패트 층과 상기 봉지층은 상기 디바이스 스택 상에 블랭킷 증착되고 레이저 패터닝되는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 본딩 패드 층은 상기 박막 배터리의 활성층들의 분위기로부터 추가적인 보호를 제공하기 위해 상기 봉지 층을 완전히 덮도록 패터닝된,
    박막 배터리의 제조 방법.
  9. 박막 배터리들을 형성하기 위한 장치로서,
    블랭킷 층들의 제 1 스택을 기판 상에 증착하는 제 1 시스템 - 상기 스택은 캐소드 전류 컬렉터 층, 캐소드 층, 전해질 층, 애노드 층 및 애노드 전류 컬렉터 층을 포함함 -;
    제 2 스택을 형성하기 위해 상기 제 1 스택을 레이저 다이 패터닝하는 제 2 시스템; 및
    디바이스 스택을 형성하기 위해 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 제 3 시스템 - 상기 레이저 패터닝하는 단계는 캐소드 전류 컬렉터 영역과 상기 캐소드 전류 컬렉터 영역에 인접한 상기 전해질 층의 일부를 노출시키고, 상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 단계는 상기 전해질 층의 상기 일부의 두께의 일부를 제거하여 상기 전해질 층에 단차를 형성하는 단계를 포함함 -
    을 포함하는,
    박막 배터리들을 형성하기 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 시스템과 상기 제 3 시스템은 동일한,
    박막 배터리들을 형성하기 위한 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 디바이스 스택 상에 봉지 및 본딩 패드 층들을 증착하고 패터닝하는 제 4 시스템을 더 포함하는,
    박막 배터리들을 형성하기 위한 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 시스템은, 상기 블랭킷 층들의 상기 제 1 스택을 증착하는 단계 전에, 상기 기판 상에 블랭킷 다이 패터닝 지원층을 더 증착하고, 상기 블랭킷 층들의 상기 제 1 스택은 상기 다이 패터닝 지원층 상에 증착되며, 상기 기판은 레이저 광에 대해 투과성이고, 상기 다이 패터닝 지원층은 상기 다이 패터닝 지원층과 상기 기판 사이에 열 응력 부정합을 달성하기 위한 재료 층을 포함하며, 상기 제 2 시스템은 상기 제 1 스택의 대응하는 부분의 열 응력 부정합 삭마를 유도하기 위해 상기 다이 패터닝 지원층의 일부에 상기 기판을 통해 방사되도록 구성된 레이저를 포함하는,
    박막 배터리들을 형성하기 위한 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 스택을 레이저 패터닝하는 단계는 상기 캐소드 전류 컬렉터 영역의 상기 표면 위에 상기 캐소드 층의 두께의 일부를 남기는 단계를 포함하는,
    박막 배터리들을 형성하기 위한 장치.
  14. 박막 배터리의 제조 방법으로서,
    제 1 스택을 형성하기 위해 기판 상에 전류 컬렉터 층, 캐소드 층 및 전해질 층을 블랭킷 증착하고 연속적으로 선택적으로 레이저 패터닝하는 단계;
    제 2 스택을 형성하기 위해 상기 제 1 스택 상에 리튬 애노드를 형성하는 단계;
    제 3 스택을 형성하기 위해 상기 제 2 스택 상에 본딩 패드 층을 블랭킷 증착하고 선택적으로 레이저 패터닝하는 단계; 및
    상기 제 3 스택을 레이저 다이 패터닝하는 단계를 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 리튬 애노드를 형성하는 단계는 상기 제 1 스택 상에 리튬 애노드 층을 블랭킷 증착하고 선택적으로 레이저 패터닝하는 단계를 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 리튬 애노드를 형성하는 단계는 마스크를 사용하여 상기 제 1 스택 상에 리튬을 증착하는 단계를 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 전류 컬렉터 층, 상기 캐소드 층 및 상기 전해질 층을 블랭킷 증착하고 연속적으로 선택적으로 레이저 패터닝하는 단계 전에, 상기 기판 상에 블랭킷 다이 패터닝 지원층을 증착하는 단계를 더 포함하고, 상기 블랭킷 층들의 상기 제 1 스택은 상기 다이 패터닝 지원층 상에 증착되며, 상기 기판은 레이저 광에 대해 투과성이고, 상기 다이 패터닝 지원층은 상기 다이 패터닝 지원층과 상기 기판 사이에 열 응력 부정합을 달성하기 위한 재료 층을 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 레이저 다이 패터닝하는 단계는 상기 다이 패터닝 지원층의 일부의 상기 기판을 통한 레이저 방사와, 상기 제 1 스택의 대응하는 부분의 열 응력 부정합 유도 삭마를 포함하는,
    박막 배터리의 제조 방법.
  19. 박막 배터리들을 형성하기 위한 장치로서,
    제 1 스택을 형성하기 위해 기판 상에 전류 컬렉터 층, 캐소드 층 및 전해질 층을 블랭킷 증착하고 연속적으로 선택적으로 레이저 패터닝하는 제 1 시스템;
    제 2 스택을 형성하기 위해 상기 제 1 스택 상에 리튬 애노드를 형성하는 제 2 시스템;
    상기 제 2 스택 상에 본딩 패드 층을 블랭킷 증착하고 선택적으로 레이저 패터닝하는 제 3 시스템; 및
    상기 제 2 스택을 레이저 다이 패터닝하는 제 4 시스템을 포함하는,
    박막 배터리들을 형성하기 위한 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 시스템은, 기판 상에 상기 전류 컬렉터 층, 상기 캐소드 층 및 상기 전해질 층을 블랭킷 증착하고 연속적으로 선택적으로 레이저 패터닝하기 전에, 상기 기판 상에 블랭킷 다이 패터닝 지원층을 더 증착하고, 상기 블랭킷 층들의 상기 제 1 스택은 상기 다이 패터닝 지원층 상에 증착되며, 상기 기판은 레이저 광에 대해 투과성이고, 상기 다이 패터닝 지원층은 상기 다이 패터닝 지원층과 상기 기판 사이에 열 응력 부정합을 달성하기 위한 재료 층을 포함하며, 상기 제 2 시스템은 상기 제 1 스택의 대응하는 부분의 열 응력 부정합 삭마를 유도하기 위해 상기 다이 패터닝 지원층의 일부에 상기 기판을 통해 방사되도록 구성된 레이저를 포함하는,
    박막 배터리들을 형성하기 위한 장치.
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