KR20150079767A - 박막 전기화학 디바이스들을 패터닝하기 위한 회절 광학 요소들 및 방법들 - Google Patents

박막 전기화학 디바이스들을 패터닝하기 위한 회절 광학 요소들 및 방법들 Download PDF

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레오 비. 곽
브루스 이. 아담스
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Abstract

전기화학 디바이스들을 제조하는 방법으로서, 전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키는 단계; 및 회절 광학 요소에 입사하는 레이저 빔에 의해서 생성된 레이저 광 패턴에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나를 다이렉트로 패터닝하는 단계를 포함하고, 레이저 광 패턴은 단일 레이저 샷으로 적어도 전체 디바이스를 다이렉트로 패터닝한다. 레이저 다이렉트 패터닝은, 특히, 모든 활성 층들이 증착된 이후의 박막 전기화학 디바이스들의 다이 패터닝; 대응하는 전류 콜렉터들로부터 캐소드/애노드 물질의 선택적 애블레이션; 및 전류 콜렉터들로부터 전해질 물질의 선택적 애블레이션을 포함할 수 있다. 또한, 전기화학 디바이스를 다이렉트로 패터닝하는 단계는, 회절 광학 요소에 입사하는 레이저 빔에 의해서 생성된 성형된 빔에 의한 것일 수 있고, 성형된 빔은 디바이스의 작업 표면에 걸쳐 이동될 수 있다.

Description

박막 전기화학 디바이스들을 패터닝하기 위한 회절 광학 요소들 및 방법들 {DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS AND METHODS FOR PATTERNING THIN FILM ELECTROCHEMICAL DEVICES}
[0001] 본 출원은 2012년 10월 25일에 출원된 미국 가 출원 제 61/718,656 호의 이익 향유를 주장한다.
[0002] 본 발명의 실시예들은, 회절 광학 요소들 및 추가적인 실시예들에서 성형-빔들(shaped-beams)을 사용하는, 박막(thin film) 배터리들 및 일렉트로크로믹(electrochromic) 디바이스들과 같은 박막 전기화학 디바이스들을 레이저 광 패터닝하는 것에 관한 것이다.
[0003] 박막 배터리들(TFB)은, 자신들의 탁월한 특성들로, 마이크로-에너지 적용 공간을 지배할 것으로 예상되고 있다. 그러나, TFB들의 비용 효과적인 대량(high volume) 제조를 허용하기 위해서 여전히 극복될 필요가 있는 난제들이 존재한다. 가장 중대한 난제들 중 하나는, 디바이스 층들의 증착 동안에 다양한 물리적 섀도우 마스크들이 사용되는 현재의 최신식 디바이스 패터닝 기술에 관한 것이다. 섀도우 마스크들을 사용하는 것은, 이하의 단점들 : (1) 특히 대면적 기판들을 위해서, 마스크들을 (정밀 정렬을 포함하여)취급하고 세정하는 데에 상당한 자본 투자가 필요하다는 점; (2) 섀도우 마스크들의 사용이, (프로세싱 동안의 정렬의 안정성 및 부족한 정렬 능력에 기인하여) 기판 면적의 활용을 제한하고 그리고 (미립자 물질(particulate) 생성에 주로 기인하여) 생산 수율에 영향을 준다는 점; 및 (3) 잠재적인 열 팽창으로 유발된 정렬 문제들에 의해서 야기된, 프로세스에 대한 제약을 둔다는 점(특히, 프로세스가 저 전력 및 저온으로 제한됨)에 의해서 영향받는 바와 같은, 복잡하고 비용이 많이 드는 프로세스를 초래한다. 물리적 섀도우 마스크 대신에, 포토리소그래피/에칭 및 레이저 스크라이빙이 TFB 디바이스들을 제조하기 위해 현재 테스트되고 있거나 제시되고 있다. 그러나, 이러한 프로세스들은 또한, 자신들의 난제들을 갖는다. 예를 들어, 리소그래피는 포토-레지스트들 및 연관된 건식(dry) 또는 습식(wet) 에칭 및 세정 케미칼들(chemicals) 및 프로세스들에 새로운 물질들을 도입하는데, 이는, 상당한 부가적인 비용들은 말할 것도 없고, 디바이스 기능성들 및 성능들을 저하시키는(compromise) 것으로 이어지는, 다양한 계면들(interfaces)에서의 잠재적으로 유해한(adverse) 물질들 상호작용들로 이어질 수 있다. 레이저 스크라이빙/패터닝 기술은 리소그래피 프로세스들의 복잡성들을 피하고 리소그래피 및 물리적 마스크 기반의 패터닝 양쪽 모두에 대한 비용적인 장점들과 상당한 확장성(scalability)을 제공하는 반면에, 정밀한 검류계 스캐너들(galvanometer scanners)을 필요로 하고 레이저 빔의 전형적인 가우시안 프로파일은 (빔 횡단면에 비해) 상대적으로 큰 면적들을 애블레이팅(ablating)하는 데에 잘 어울리지 않는데, 이는 장비와 프로세스에 비용을 부가할 것이다.
[0004] 분명히, 높은 처리량과 저비용 제조를 위해서, TFB들, EC(일렉트로크로믹) 및 유사한 구조들 및 디바이스들과 같은 전기화학 디바이스들의 레이저 다이렉트(direct) 패터닝에 대한 개선된 접근법들이 필요하다.
[0005] 일반적으로, 본 발명은 박막 배터리들(TFB들) 및 일렉트로크로믹(EC) 디바이스들과 같은 박막 전기화학 디바이스들의 마스크-없는(mask-less) 레이저 다이렉트 패터닝에 관한 것이고, 더 구체적으로, 박막 전기화학 디바이스들의 레이저 패터닝을 위한 회절 광학 요소들의 적용에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 모든 활성(active) 층들이 증착된 이후의 박막 전기화학 디바이스들의 다이(die) 패터닝; 대응하는 전류 콜렉터들로부터 캐소드/애노드 물질의 선택적 애블레이션(ablation); 전류 콜렉터들로부터 전해질 물질의 선택적 애블레이션; 및 전류 콜렉터들로부터, 침투 보호 코팅들을 포함하여, 보호 코팅 물질의 선택적 애블레이션을 위한 회절 광학 요소들을 사용하는 레이저 다이렉트 패터닝을 포함할 수 있다. 회절 광학 요소들은, 본 발명에 따라서, 레이저 패터닝을 위한 전통적인 레이저 스크라이빙 장비와 결합될 수 있다. 많은 상이한 박막 전기화학 디바이스 통합(integration) 스킴들(schemes)이 본 발명에 따른 회절 광학 요소들에 기초하여 개발될 수 있는데, 스킴들의 일부는 전기화학 디바이스들의 대량 생산(volume production)에서 요구되는 높은 처리량 및 저비용을 가능하게 한다. 예를 들어, 본 발명은, 회절 광학 요소를 이용한 레이저 디바이스 패터닝이 후속하는, 디바이스 층들의 모든 블랭킷 증착(blanket deposition)을 허용하여, 섀도우 마스크들을 사용하는 것의 비용들 및 복잡성들의 일부를 제거하고 그리고 소 가우시안 빔(small Gaussian beam) 기반 다이렉트 패터닝과 연관된 제한들 및 문제들의 일부를 제거한다.
[0006] 본 발명의 양태들에 따르면, 전기화학 디바이스를 제조하는 방법은 : 전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키는 단계; 및 회절 광학 요소에 입사하는 레이저로부터의 빔에 의해서 생성된 레이저 광 패턴에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나를 다이렉트로 패터닝하는 단계를 포함할 수 있고, 레이저 광 패턴은 단일 레이저 샷(single laser shot)으로 적어도 전체 다이를 다이렉트로 패터닝하며, 본원에서 샷은, 적어도 하나의 디바이스 층의 전체 깊이/두께를 애블레이팅하는 데에(전면(front-side) 패터닝) 또는 적어도 하나의 디바이스 층을 디라미네이팅(delaminate)하는 데에(배면(back-side) 패터닝) 요구되는 레이저 펄스들의 개수로 정의된다. (각각의 단일 레이저 펄스에 기인한 레이저 광 패턴이 전체 다이를 커버한다는 점에 주목한다.) 또한, 실시예들에서, 레이저 광 패턴은 단일 레이저 펄스로 적어도 전체 다이를 다이렉트로 패터닝할 수 있다. 또 게다가, 패터닝 보조 층(patterning assistance layer)이 디바이스 층들 사이에 또는 기판과 디바이스 층 사이에 증착될 수 있고, 다이 패터닝 보조 층은 다이 패터닝 보조 층과 바로 인접한 디바이스 층들 중 적어도 하나의 층 사이의 열 응력 미스매치(thermal stress mismatch)를 달성하기 위한 물질의 층을 포함한다. 또한, 특정 층 또는 층들을 애블레이팅하는 능력을 개선하기 위해서, 광 및 열 차단 층들이 디바이스 스택 내에 통합될 수 있다.
[0007] 본 발명의 추가적인 양태들에 따르면, 전기화학 디바이스를 제조하는 방법은 : 전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키는 단계; 및 광학 요소에 입사하는 레이저로부터의 빔에 의해서 생성된 성형된-빔(shaped-beam)에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나를 다이렉트로 패터닝하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 성형된-빔은 상기 다이렉트로 패터닝하는 단계 동안에 상기 전기화학 디바이스의 작업 표면에 걸쳐 래스터(raster) 방향을 따라서 이동되며, 빔은 래스터 방향에 평행한 제 1 방향을 따라서 탑-햇(top-hat) 에너지 프로파일을 갖는다. 또한, 빔은, 래스터 방향에 수직하고 작업 표면에 평행한 제 2 방향으로 탑-햇 에너지 프로파일을 가질 수 있다. 또 게다가, 빔은 직사각 형상을 가질 수 있다.
[0008] 본 발명의 또 추가적인 양태들에 따르면, 전기화학 디바이스들을 제조하기 위한 툴은 : 전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키기 위한 제 1 시스템; 및 레이저, 기판 스테이지, 및 회절 광학 요소를 포함하는 제 2 시스템을 포함할 수 있고, 상기 제 2 시스템은 상기 회절 광학 요소에 입사하는 상기 레이저로부터의 빔에 의해서 생성된 레이저 광 패턴에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나를 다이렉트로 패터닝하기 위해 구성되며, 상기 레이저 광 패턴은 단일 레이저 샷으로 적어도 전체 다이를 다이렉트로 패터닝한다.
[0009] 본 발명의 추가적인 양태들에 따르면, 전기화학 디바이스들을 제조하기 위한 툴은 : 전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키기 위한 제 1 시스템; 및 레이저, 기판 스테이지, 및 광학 요소를 포함하는 제 2 시스템을 포함할 수 있고, 상기 제 2 시스템은 상기 광학 요소에 입사하는 상기 레이저로부터의 빔에 의해서 생성된 성형된-빔에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나를 다이렉트로 패터닝하기 위해 구성되며, 상기 레이저 광 패턴은 단일 레이저 샷으로 적어도 전체 다이를 다이렉트로 패터닝한다.
[0010] 본 발명의 이러한 그리고 다른 양태들 및 특징들은, 첨부된 도면들과 함께 본 발명의 구체적인 실시예들에 대한 이하의 설명을 검토함에 따라 당업자에게 자명해질 것이다.
[0011] 도 1a는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 회절 광학계(optics)를 포함하는 레이저 패터닝 툴 구성의 개략도이고;
[0012] 도 1b는 도 1a의 회절 광학 요소의 평면도이며;
[0013] 도 2는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 디바이스 다이 패터닝 이후의 박막 배터리(TFB) 기판의 평면도이고;
[0014] 도 3은 기판을 통하는 레이저 패터닝을 도시하는, 제 1 구성을 갖는 박막 배터리(TFB)의 단면도이며;
[0015] 도 4는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 기판을 통해서 TFB 구조에 입사하는 레이저 빔을 도시하는, 제 1 구성 및 애블레이션 보조 층을 갖는 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
[0016] 도 5는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 블랭킷 증착된 전해질 층의 레이저 패터닝 이후의 박막 배터리(TFB) 기판의 평면도이며;
[0017] 도 6은 제 2 구성을 갖는 박막 배터리(TFB)의 단면도이고;
[0018] 도 7-14는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB의 제조를 위한 프로세스 흐름의 순차적인 단계들의 평면도들이며;
[0019] 도 15는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 회절 광학계를 갖는 레이저 패터닝 툴의 개략도이고;
[0020] 도 16은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 전기화학 디바이스 제조를 위한 박막 증착 클러스터 툴의 개략도이며;
[0021] 도 17은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 전기화학 디바이스 제조를 위한 다중 인-라인(multiple in-line) 툴들을 갖는 박막 증착 시스템의 도면이고;
[0022] 도 18은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 전기화학 디바이스 제조를 위한 인-라인 증착 툴의 도면이며;
[0023] 도 19는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 원하는 패턴을 생성하기 위해서 전기화학 디바이스의 작업 표면에 걸쳐 이동될 수 있는, 성형된-빔을 정의하기 위한 광학계를 포함하는 레이저 패터닝 툴 구성의 개략도이다.
[0024] 이제, 본 발명의 실시예들은 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이고, 당업자가 본 발명을 실현할 수 있게 하기 위해서 도면들이 본 발명의 예시적인 예들로서 제공된다. 명백하게, 이하의 도면들과 예들은 본 발명의 범위를 단일 실시예로 제한하려는 것이 아니며, 설명되거나 도시된 요소들의 전부 또는 일부의 상호 교환을 통해서 다른 실시예들이 가능하다. 또한, 본 발명의 특정 요소들이 공지된 컴포넌트들을 사용하여 부분적으로 또는 완전히 구현될 수 있는 경우에, 그러한 공지된 컴포넌트들의, 본 발명의 이해를 위해 필수적인 그러한 부분들만 설명될 것이고, 본 발명을 불명료하게 하지 않기 위해서, 그러한 공지된 컴포넌트들의 다른 부분들에 대한 상세한 설명들은 생략될 것이다. 본 명세서에서, 단수의 컴포넌트를 도시하는 실시예는 제한적인 것으로 간주되어서는 안 되며; 그보다는, 본 발명은 본원에서 명시적으로 다르게 언급되지 않는 한, 복수의 동일한 컴포넌트를 포함하는 다른 실시예들을 포괄하는 것으로 의도되고, 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 또한, 출원인들은, 본 명세서 또는 청구항들에서의 임의의 용어가, 일반적이지 않거나 특별한 의미인 것으로 명시적으로 설명되지 않는 한, 일반적이지 않거나 특별한 의미가 주어진 것으로 의도하지 않는다. 또한, 본 발명은 예시로서 본원에 언급된 공지된 컴포넌트들에 대한 현재와 미래의 공지된 등가물들을 포괄한다.
[0025] 도 1a 및 1b는 박막 배터리(TFB) 또는 일렉트로크로믹(EC) 디바이스와 같은 전기화학 디바이스의 작업 표면(30)에 입사하는 회절된 빔들(12)을 생성하는 회절 광학 요소(20)에 입사하는 레이저 빔(10)을 갖는 레이저 패터닝 툴 구성의 개략도를 도시한다. 또한, 빔 익스팬더들(expanders), 거울들, 굴절 렌즈들, 등과 같은 다른 광학 요소들이, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 회절 광학 요소 이전에 또는 이후에 사용될 수 있다. 또 게다가, 필요하다면, 기판은 화살표에 의해서 표시된 바와 같이(그리고 또한, 페이지의 평면에 수직인 방향으로) 이동될 수 있다 ― 예를 들어, 패터닝이 한 번에 하나의 다이에서 완료되면, 그 후에 기판은, 모든 다이들이 패터닝될 때까지, 하나의 다이로부터 다음 다이로 스태핑된다(stepped).
[0026] 회절 광학 요소들은, 작업 표면 상의 광 강도(intensity)의 미리 정해진 분포를 생산하기 위해 빔의 회절 및 간섭에 의해서 동작하는 가공된(engineered) 요소들이다. 기하학적 패턴들 및 광 강도 분포 프로파일은 회절 광학 요소의 디자인을 통해 개별적으로 맞춰질 수 있다(tailored). 회절 광학 요소들을 사용하여, TFB들 및 EC 디바이스들과 같은 전기화학 디바이스들을 패터닝하기 위해서, 회절 광학 요소들은 광 소스(일반적으로 레이저)와 전기화학 디바이스들 사이에 위치되고, 회절 광학 요소들의 위치들을 적절하게 조정함으로써 기하학적 패턴들이 디바이스들에 대해 정렬될 수 있다. 작업 표면에 도달하는, 패터닝된 레이저 플루언스(fluence)는 작업 거리 ― 회절 광학 요소와 작업 표면 사이의 거리 ― 를 변화시킴으로써 치수적으로 확장 가능하다(dimensionally scalable). 다중 패턴 생성기들은 단일 회절 광학 요소 기판 내에 디자인될 수 있고 ― 예를 들어, 도 1b의 패턴들(21, 22, 23 & 24) ―, 그리고 플루언스는 전통적인 수단에 의해서 레이저로부터의 전력을 조정함으로써 제어된다. (도 1b의 화살표들은, 기판의 전체 작업 표면의 패터닝을 위한 단계 및 노출 방법이 사용되는 경우에 필요할 수 있기 때문에, 회절 광학 요소(20)에 대한, 기판/스테이지의 운동 방향들을 나타낸다는 점을 주목한다. 또한, 패턴들(21-24)은 모두 동일할 수 있거나, 실시예들에서 패턴들의 전부 또는 일부가 상이할 수 있다.) 회절 광학 요소(20) 상의 패턴들의 크기와 비교를 위해서 레이저 빔(10)이 도 1b에서 단면으로 도시된다는 점을 주목한다 ― 이러한 특정 예에서, 스폿(spot)은 패턴들보다 작다; 기판의 원하는 지역을 커버하기 위해서, 회절 광학계는 들어오는 빔/스폿을 전체 패턴으로 변형(transform)시킬 것이다. 단일-단계 패터닝의 애블레이션 지역은, 예를 들어, 패터닝 요건들 및 레이저 플루언스에 따른다. 전형적으로, 레이저 스폿은 직경이 대략 밀리미터일 것이지만, 스폿은 특정 패터닝 요구들을 충족시키기 위해 필요한 바에 따라, 회절 광학 요소와 기판의 작업 표면 양쪽 모두에서 쉽게 확장되거나 줄어들 수 있다. 적합한 레이저들은, 예를 들어 355, 532 및 1064 nm의 파장들을 갖는 레이저들을 포함한다; 또한, 고 전력(> 25W) 및/또는 고 펄스 에너지 레이저들이 사용될 수 있다. 레이저 파장, 전력, 펄스 지속 기간, 등은 ― 예를 들어, 애블레이팅될 두께 및 물질 유형에 의해서 결정된 ― 프로세스 요구들을 충족시키기 위해서 선택된다. 또한, 회절 광학 요소를 위해 사용된 물질은 레이저 파장 및 플루언스와 양립 가능할(compatible) 필요가 있다 ― 예를 들어, UV 레이저가 사용될 때, 물질은 용융(fused) 실리카(silica) 또는 석영(quartz)일 수 있다.
[0027] 광 강도들이 임계값(threshold)을 초과할 때 애블레이션 이벤트가 발생하는 경우, 애블레이션 패터닝은 디지털 프로세스이다. 애블레이션을 위해 요구되는 강도들을 달성하기 위해서, 레이저 광은 몇 나노초 미만의 그리고 수 백 펨토초 만큼 짧은 지속 시간들 동안에 매우 짧은 펄스들로 전달된다. 순간적인 전력은 전형적으로, 대략 기가와트 또는 그보다 높고, 프로세스 장(process field)의 복사 플루언스(radiant fluence)는 0.1-10 J/㎠의 범위 이내이다. 반면에, 종래의 광학 리소그래피는 레지스트 물질에서 화학 반응을 유도하기 위해서 광 에너지를 전달한다 ― 대부분의 레지스트들은 아날로그 응답(analog response)을 갖는데, 이는 화학 반응의 정도가 전달된 에너지의 1회분 양(dose)에 선형적으로 비례하기 때문이다. 종래의 광학 리소그래피는, 상대적으로 긴 노출 시간을 갖는, 고 해상도의(high resolution) 저 에너지 프로세스이다; 고 해상도를 획득하기 위해서, 광 소스는 원자외선(deep UV) 스펙트럼에 대해, UV에서 매우 짧은 파장이어야 하고 고 개구수(high numerical aperture) 광학계를 사용해야 한다. 부가적으로, 포토-마스크의 회절 제한 이미징(diffraction limited imaging)을 달성하기 위해서, 레이저 소스의 공동(cavity)은 오직 단일 모드(로우 M2(low M2))를 지원해야 한다. 포토-마스크 자체는 종래의 리소그래픽 프로세스에서 전달되는 플루언스를 제한하는데, 이는 크롬 마스크가 532nm 광의 20ns 펄스들 동안에 80mJ/㎠ 의 플루언스로 애블레이팅하기 때문이다. 이러한 제한은, 실리콘과 같은 반도체 물질들에 대한 애블레이션 임계값보다 훨씬 낮다(orders of magnitude below).
[0028] 회절 요소 애블레이션용(ablative) 패터닝은 레이저 소스들에 대한 다음의 요구사항을 갖는다. 저 해상도 프로세스에 대해서, 하이(high) 모드 레이저(하이 M2를 가짐 ― 예를 들어, 20 초과의 M2를 갖는 NdYAG 레이저)는, 회절 광학 요소에 의해, 형성된 이미지 내의 강도 변조(modulation)(스페클(speckle))를 감소시키는 데에 사용될 수 있다. 하이 모드 레이저는, 단일 샷으로 상대적으로 대면적들을 애블레이팅하기 위해 요구되는, 펄스 당 더 높은 에너지들을 지원할 수 있다. 고 에너지 레이저들은 필연적으로 낮은 펄스 반복 레이트들(rates)(5-50Hz)을 나타낸다. 회절 광학 요소를 사용하면, 고 반복(kHz, MHz 또는 더 높은) 레이저를 사용하여 패턴을 스크라이빙하도록 빔을 래스터 스캐닝하는 것과는 대조적으로, 단일 레이저 샷으로 전체 다이 패턴들(기판 상의 모든 다이들)을 애블레이팅하는 것에 의해서 프로세스 시간이 감소될 수 있다; 그럼에도 불구하고, 본 발명의 몇몇 실시예들은 ― 예를 들어, 애블레이션 지역이 단일 샷에 대해서 ~ 200㎛2 만큼 작을 때, 그리고 레이저 에너지가 원하는 지역에 균등하게 분포될 때 ― 디바이스를 패터닝하기 위해서 고 반복 레이저 및 회절 광학 요소들을 함께 사용할 수 있다. 더 일반적으로, 본 발명의 실시예들은, 균일하고 깔끔한(clean) 애블레이션을 달성하기 위해 충분한 에너지가 "패터닝된" 지역에 제공되고 레이저 특성들이 이러한 원하는 최종 결과를 달성하기 위해 변화되는 파라미터들인 프로세스들을 포함한다. 예를 들어, 10개의 다이들을 갖고, 각각의 다이는 약 6.25㎠의 면적 및 0.1J/㎠의 다이 패터닝을 위한, 기판의 작업 표면에서의 레이저 플루언스를 갖는 기판에 대해서, > 6.25J 의 펄스 에너지를 갖는 레이저는 하나의 레이저 펄스로 기판 상의 모든 다이 패터닝을 끝낼 수 있다. 적합한 10J 펄스 광섬유 레이저들(fiber lasers)은 IPG Photonics Corp. 로부터 입수 가능하다.
[0029] 회절 광학 요소는, 요소에 걸쳐 위상 변조(phase modulation) 또는 진폭 변조를 활용하는 가공된 투사 홀로그램(projection hologram)일 수 있다. 회절 광학 요소를 위한 예시적인 디자인 사양은 2개의 주요 인자들 : 입사 레이저 장의 세부 특성들(빔 직경, 발산(divergence) 각도, 플루언스 및 빔 입사 각도) 및 기판 상에 형성될 원하는 패턴에 의해서 결정된 사양이다. 1차(first order) 패턴 및 회절되지 않은 조사 빔에 대한 2차 패턴 밝기의 크기에 제한이 있을 것이다. 차등 밝기(differential brightness)는 애블레이션 임계값 주변의 프로세스 윈도우 허용 오차를 결정할 것이다. 회절 광학 요소는 정밀 유리 에칭과 함께 웨이퍼-기반 리소그래피 방법들에 의해서 광학적으로 투명한 기판의 표면 상에 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 회절 광학 요소는 (다중 렌즈 두께들을 통해서) 다중 빔 경로들을 제공하는 위상 시프트 마스크일 수 있고, 원하는 패턴은 위상 시프트된 빔들의 간섭에 의해서 형성된다. 다른 실시예에서, 회절 광학 요소는 (흡수 변화 및 위상 시프트를 위해서) 요소의 광학 밀도가 변화되는 위상 시프트 마스크일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 회절 광학 요소는 요소 상의 회절 어레이들을 갖는 진폭 마스크일 수 있고, 회절 어레이들을 통해 빔들이 "회절하고" 그리고, 개별 빔들의 간섭에 의해서, 종합적으로, 원하는 애블레이션 패턴을 형성한다.
[0030] 회절 광학 요소들은, 원하는 패턴을 생성하기 위해서 픽셀 단위로(pixel by pixel) 연속적으로 물질을 제거하는 대신에 단일 또는 여러 번의 노출들로 층 또는 층들의 전체 패턴 지역을 제거하는 것에 의해서, TFB들과 같은 전기화학 디바이스들을 패터닝하는 데에, 특히 상대적으로 대면적 패터닝에 매우 효율적이다. 애블레이션이 레이저 스폿들의 이동에 기반하고 지역 애블레이션이 전체 타겟 지역에 걸친 다중 레이저 스폿 스캔들에 의해서 실현되는 전형적인 스폿 레이저 스크라이빙 프로세스들과 대조적으로, 회절 광학 요소들은 전체 타겟 지역에 레이저 에너지를 분배하고, 그리고 원하는 층들/패턴들의 애블레이션은, 원하는 패턴을 생성하기 위한 회절 광학 요소 및 애블레이션을 달성하기 위한 레이저 빔 전력의 제어에 의한 레이저 광의 재분배에 의해서 달성된다. 회절 광학 요소들에 의해서 달성된 애블레이션은 일반적으로, 상대적으로 높은 처리량들을 가지면서, 깔끔하고 매끈한(smooth) 라인들 및 균일하게 애블레이팅된 지역들을 생성하는데, 이는 스폿 레이저 기반 스크라이빙 기술에 의해서 달성하기는 매우 어렵다. 일반적으로, 탑-햇 에너지 프로파일의 사용이 또한, 매끈하고 균일한 패턴들을 생성하는 것을 도울 것이다. 본 발명의 양태들에 따르면, 패터닝 프로세스는, 스폿들을 함께 스티칭(stitching)하는 것에 의해서 라인들을 연속적으로 형성하는 데에 (원형의) 작은 스폿 애블레이션이 사용되는 연속 프로세스들과 대조적으로, 동시에 전체 라인들 및 라인들의 복합체들의 애블레이션을 포함한다.
[0031] 회절 광학 요소 기반 레이저 패터닝은 전기화학 디바이스의 디바이스 층들 중 임의의 하나 또는 그 초과의 층을 패터닝하는 데에 적용될 수 있다. 각각의 전기화학 디바이스 층의 두께는 전형적으로 0.1 내지 3 미크론의 범위 이내일 것이지만, TFB들의 전극(예를 들어, 캐소드) 층들은 30 미크론 만큼 또는 심지어 50 미크론 만큼 두꺼울 수 있다는 것을 주목한다. (전기화학 디바이스들에서, 투명 전도성 산화물들을 포함하여, 금속 층들은 일반적으로, 광학적으로 투명하도록 하는 범위에서 더 얇은 쪽의 끝에 있고, 모든 전기화학 디바이스들에 대한 전해질 층들은 일반적으로, 범위에서 더 두꺼운 쪽의 끝에 있다.) 예를 들어: 기판/디바이스 측(side)의 정상부 측으로부터의 TFB 다이 패터닝; TFB 활성 스택으로부터 보호 코팅 층들의 선택적 패터닝; 전류 콜렉터들로부터 캐소드 및/또는 전해질 층들의 선택적 패터닝; 기판/디바이스의 바닥 측으로부터의 TFB 다이 패터닝 ― 디바이스 측 상의 "제 1 바닥 층"을 애블레이팅하는 것에 의해서 다이 아웃라인들을 형성하는 것이 고려될 수 있고, 이는 디바이스 패턴들의 깔끔한, 단일-샷(래스터링되지 않음) 지역적 정의를 위해 상부 층들을 "날려 버릴(blow away)" 것이다. 본 발명은, 레이저 디바이스 패터닝이 후속하는, 디바이스 층들의 모든 블랭킷 증착을 향상시킬 수 있어, 섀도우 마스크들을 사용하는 비용들 및 복잡성들의 일부를 제거한다. 몇몇 더 상세한 예들이 이하에 이어진다.
[0032] 도 2는 박막 전기화학 디바이스를 위한 다이 패터닝의 예를 도시하며, ― 기판(230)은 다이싱(dicing) 지역들(234)에 의해서 분리된 다수의 다이(232)를 갖는다. 디바이스 다이 패터닝은 기판 측으로부터 수행될 수 있고, 이는 단지 작은 플루언스를 필요로 한다. 요구되는 애블레이션 플루언스는, 도 4와 관련하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 부가적인 희생층이 사용될 때 훨씬 더 낮다. 회절 광학 요소들을 사용함으로써, 레이저 에너지는, 다이싱에 대한 준비로 증착된 물질이 제거된 "앨리들(alleys)" 내에 균일하게 분배될 수 있다 ― 이는 처리량을 상당하게 증가시킬 뿐만 아니라, 종래의 레이저 스크라이빙에 비해 다이싱 품질을 향상시킨다(예를 들어, 종래의 레이저 스크라이빙이, 가우시안 프로파일을 갖는 스캐닝된 레이저 스폿을 사용하는 경우). 실시예들에서, 도 2의 패턴은 단일 레이저 샷에 의해 생성될 수 있고, 추가적인 실시예들에서는 단일 레이저 펄스에 의해서 생성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 단계 및 노출 접근법이 사용될 수 있고, 인접한 패턴들을 함께 스티칭한다 ― 예를 들어, 단일 레이저 샷은 단일 다이에 대해서 스크라이브 앨리들을 패터닝하고, 모든 다이들에 대해서 모든 스크라이브 앨리들이 패터닝될 때 까지, 기판은 다음 다이의 스크라이브 앨리들을 패터닝하기 위해서 다음 다이, 등등으로 이동된다.
[0033] 도 3은 TFB 디바이스 다이 패터닝의 단면도를 도시한다. TFB 스택은 기판(301), CCC(302), 캐소드(303), 전해질(304), 애노드(305), ACC(306) 및 보호 코팅(307)을 포함한다. 레이저(310)는 광학적으로 투명한 기판을 통해서 스택에 입사하는 것으로 도시된다. 종래 기술의 TFB 디바이스 패터닝 프로세스들에서, 캐소드 전류 콜렉터는 일반적으로, 기판에 대한 CCC의 양호한 부착을 위해서, CCC와 기판 사이에 티타늄 부착 층을 포함한다. 레이저 애블레이션 프로세싱에 의한 다이 분리의 측면에서, 2개의 상이한 접근법들인, 전면 애블레이션 및 배면 애블레이션이 있다. TFB 스택은 상이한 광학 및 열 특성들을 갖는 여러 개의(several) 금속들, 유전체들, 및 반도체 층들을 포함한다. TFB 디바이스의 전체 두께는 수십 미크론에 이른다. 이는 전면 애블레이션을 어렵게 만든다 ― 잠재적으로, 전체 TFB 스택을 제거하기 위해서, 상이한 파장의 레이저들, 고 레이저 플루언스 및 다중 레이저 애블레이션 단계들을 필요로 한다. 부가적으로, 그러한 난해한 레이저 애블레이션 프로세스들은 TFB 디바이스들에 손상을 줄 수 있다 ― (확장된 열-영향을 받은 구역에서의 용융 및 재고형화에 기인하여) 애블레이션 트렌치 상에 릿지들(ridges)을 생성하고, (애블레이션 동안의 레이저 스미어링(smearing)에 기인하여) 디바이스 층들 사이의 열악한 전기 절연을 생성한다. 배면으로부터의(기판을 통하는) 레이저 애블레이션은 바닥 단일 층을 애블레이팅하고 그 후에 모든 TFB 스택들을 "날려 버리는" 데에 더 적은 레이저 플루언스 및 단계들을 필요로 한다. 이러한 경우에, 티타늄 부착 층과 기판 사이의 강한 부착에 기인하여 양호한 전기 절연을 획득하기가 매우 어렵다는 점; 그리고 상부 층들을 "날려 버리기" 위해서 스택의 바닥 층의 기화(vaporization)/승화(sublimation)가 필수적이라는 점에 기인하여 일부 작은 열 손상이 여전히 TFB 디바이스들에 적용된다. 반면에, 도 4의 TFB 디바이스 스택에서는, 본 발명의 양태들에 따라, 얇은 레이저 애블레이션 보조 층(420)이 기판과 캐소드 전류 콜렉터 사이에 삽입된다 ― 레이저 애블레이션 보조 층은 애블레이션 지역들 내에서 희생적이다. 애블레이션 보조 층을 위해 사용될 수 있는 물질들은 비정질 실리콘 및 가능하게는, 미정질 실리콘 및 LiCoO2 이다. 애블레이션 보조 층의 두께는 50Å 내지 3000Å의 범위 이내이다. 레이저 애블레이션이 배면으로부터인 경우, 오직 작은 양의 레이저 플루언스가, 기판과 애블레이션 보조 층 사이의 열 응력을 유도하고 따라서 스택을 디라미네이팅하고 원하는 패턴을 형성하는 데에 필요하다. (애블레이션 보조 층의 일부 기화/승화가 또한 일어날 수 있고, 이는, 애블레이션 보조 층 위의 스택을 "날려 버리는" 것을 보조할 것이다.) 애블레이션 보조 층을 사용할 때, 통상의(regular) 애블레이션을 위한, 1.0 내지 10J/㎠ 과 비교해서 약 0.1 내지 1.0J/㎠ 더 낮은 레이저 플루언스 요구는, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 회절 광학 요소들을 사용한 대면적 패터닝과 함께 잘 작동한다. 애블레이팅되도록 요구되는 층들에 따라서, 애블레이션 보조 층은 스택 내의 상이한 위치들에 통합될 수 있다는 점을 주목한다 ― 일반적으로, 제거되도록 요구되는 층(들) 바로 아래에 로케이팅된다. 애블레이션 보조 층의 더 상세한 사항들은 PCT 국제 공보 제 WO 2013/106082 A2 호에서 제공된다.
[0034] 추가적인 예로서, 도 5는 전류 콜렉터들로부터 전해질의 선택적 애블레이션의 결과를 도시한다 ― 각각의 다이 내의 패턴들은, 이하에서 상세하게 설명되는 도 12의 패턴에 대응한다. 전해질은 전류 콜렉터들, 및 캐소드(예를 들어, LiCoO2) 위에 블랭킷 증착된다. 전해질을 제거하는 것에 의해서 상대적으로 대면적의 전류 콜렉터들을 노출시키기 위해서, 회절 광학 요소들이, 애블레이션 패턴의 기하학적 형상들을 제공하도록 디자인된다. 타겟 기판/디바이스들 상의 레이저 플루언스는 레이저 전력을 제어하는 것에 의해서 제어된다. 레이저 드웰 시간(dwell time) 및 레이저 플루언스는, 특히 본 발명의 방법들에 따라 초고속 레이저들(ultrafast lasers)을 사용할 때, 작업 지역 위의 더 균일한 레이저 에너지 분포에 기인하여, 종래 기술의 애블레이션 프로세스들에 비해 콜렉터들에게 더 적은 손상을 주면서 전류 콜렉터들을 노출시키도록, 전해질 애블레이션을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서 패터닝은, 도 2의 패턴에 대해서 상기에서 모두 설명된 바와 같은 단일 레이저 샷에 의해서 달성될 수 있거나, 다른 실시예들에서는 단일 레이저 펄스에 의해서 달성될 수 있거나, 또는 추가적인 실시예들에서는 단계 및 노출 프로세스에 의해서 달성될 수 있다.
[0035] 도 6은 기판(601) 상에 형성된 캐소드 전류 콜렉터(602) 및 애노드 전류 콜렉터(603)를 갖고 여기에 캐소드 층(604), 전해질 층(605) 및 애노드 층(606)이 후속하는 전형적인 박막 배터리(TFB) 구조(600)의 단면도를 도시한다; 하지만, 디바이스는 캐소드, 전해질 및 애노드가 역순으로 제조될 수 있다. 또한, 캐소드 전류 콜렉터(CCC) 및 애노드 전류 콜렉터(ACC)가 개별적으로 증착될 수 있다. 예를 들어, CCC는 캐소드 전에 증착될 수 있고 ACC는 전해질 이후에 증착될 수 있다. 디바이스는, 환경적으로 민감한 층들을 산화제들로부터 보호하기 위해서 캡슐화 층(107)에 의해서 커버될 수 있다. 예를 들어, N. J. Dudney의, Materials Science and Engineering B 1 16, (2005) 245-249 를 참고한다. 컴포넌트 층들은 도 1에 도시된 TFB 디바이스에서 실척으로 도시된 것은(drawn to scale) 아님을 주목한다.
[0036] 도 7-14는 블랭킷 전해질 증착의 회절 광학 요소를 사용한 레이저 패터닝을 활용하는, TFB 디바이스 제조를 위한 프로세스 흐름의 일례를 도시한다. 이러한 프로세스 흐름은 단지 단일 다이의 패터닝을 도시하지만, 본 발명의 실시예들은 ― 단일 레이저 샷으로 ― 한번에 다수의 다이들의 동시 패터닝을 포함한다. 또한, 이러한 프로세스 흐름은 도 6에 도시된 바와 같은 디바이스 아키텍쳐에 대한 예이지만, 다른 실시예들은 도 3 & 4에 도시된 바와 같이 구성된 디바이스 층들을 갖는 디바이스들의 패터닝을 포함한다. 블랭킷 기판(601)의 하나의 다이가 도 7에 도시된다. 도 8은 기판 상의 패터닝된 CCC 층(602)을 도시한다. 도 9는 기판 상의 패터닝된 ACC 층(603)을 도시한다. 도 10은 CCC 층과 기판 위의 패터닝된 캐소드 층(604)을 도시한다. 도 11은 도 10의 구조 위에 증착된 블랭킷 전해질 층(6051)을 도시한다. 도 12는 레이저 패터닝된 전해질 층(6052)을 도시한다. 도 13은 도 12의 구조 위에 증착된 패터닝된 애노드 층(606)을 도시한다. 도 14는, ACC 및 CCC의 접촉 지역들을 제외한, 도 13의 구조를 커버하는 패터닝된 보호 층(607)을 도시한다. (스택의 노출된 엣지들은 또한, PCT 국제 공보 제 WO 2013/106082 A2 호에서 설명된 바와 같이, 적합한 물질들의 코팅들에 의해서 보호될 수 있음을 주목한다.) 하나 또는 그 초과의 층들의 패터닝은, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 회절 광학 요소를 사용한 레이저 애블레이션 프로세스에 의한 것일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전해질을 제외한 모든 층들은 섀도우 마스크들에 의해서 패터닝될 수 있고 전해질 층은, 회절 광학 요소를 사용하여, 본 발명의 레이저 애블레이션 프로세스에 의해서 패터닝될 수 있다.
[0037] 또한, 본 발명의 몇몇 실시예들은, 회절 광학 요소를 사용한 레이저 다이렉트 패터닝에 의한, 특정 층들의 선택적 제거 및 애블레이션에 의해 제거될 특정 층들 바로 아래의, 디바이스/구조 스택의 열 및 광 차단 층들의 선택적 제거를 수반한다. (본원에서 "아래"는 레이저 빔의 방향에 의해서 정의된다 ― 레이저 빔은 특정 층들을 먼저 통과한 다음에 차단 층들에 도달한다.) 광 차단 층은 높은 용융 온도 및, 특정 층들을 관통하는 모든 레이저 광을 흡수하고 그리고/또는 반사하기에 충분한 두께의 금속 층일 수 있다; 또한, 광 차단 층은 거울형 표면을 가질 수 있거나 거친 표면을 가질 수 있다. 열 차단 층은 레이저로부터의 열의 대부분이 유전체/반도체 층들에 포함되는 것을 보장하기에 충분히 낮은 열 확산율을 갖는 층일 수 있다. 광 및 열 차단 층들의 두께 및 열차단 층의 열 확산율은, 레이저 애블레이션 프로세스 동안에, 하부 층의 온도가 하부 층의 용융점(Tm) 아래로 유지되는 것을 보장하도록 특정될 수 있다. 또한, 광 및 열 차단 층들의 두께 및 열 차단 층의 열 확산율은, 레이저 애블레이션 프로세스 동안에, 하부 층의 온도가 재결정화 온도 아래로 ― 금속들에 대해서는, 전형적으로 (Tm)/3 ― 유지되는 것을 보장하도록 특정될 수 있다. 금속 층들과 유전체 또는 반도체 층들 사이에, 또는 심지어 하부 금속 층들에 영향을 주지 않으면서/손상시키지 않으면서 상이한 금속 층들 사이에, 이들 사이에 광 및 열 차단 층들이 통합되는 조건으로, 선택성이 달성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 열 및 광 차단 층들은 단일 층 ― 예를 들어, 열전기 금속 물질(thermoelectric metal material)의 단일 층 ― 일 수 있다. 다른 실시예들에서, 스택에서의 광 차단 층과 열 차단 층의 순서는 역전될 수 있다. 광 및 열 차단 층들은, 스택에 응력 또는 표면 모폴로지(morphology) 문제들을 도입하는 것을 피하면서 스택에 통합될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 디바이스 기능성을 위해서, 광 차단 층과 열 차단 층 양쪽 모두는 반드시 전기 전도성이어야 한다 ― 예를 들어, TFB에서, 디바이스 스택의 CCC 바로 위에 사용될 때. 또한, 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 광 및 열 차단 층들의 다수의 쌍들은 구조 또는 디바이스 스택 내로 통합될 수 있고, 여기서 각각의 쌍은 상이한 패턴을 정의할 수 있다. 또 게다가, 본 발명의 몇몇 실시예들은, 스택의 정상부로부터와 기판을 통과하는 것 양쪽 모두로부터의 다이렉트 레이저 패터닝에 의해서 2개의 상이한 패턴들을 생성하기 위해서 단일 쌍의 광 및 열 차단 층들을 사용하는 것을 포함한다 ― 기판을 통과하는 패터닝은 기판 상의 개별 디바이스들을 정의하는 데에 사용되고, 스택의 정상부로부터의 패터닝은 광 및 열 차단 층들 위에서 스택을 패터닝하는 데에 사용된다. 2개의 패턴들을 생성하는 데에 상이한 레이저들이 요구될 수 있다. 열 및 광 차단 층들의 더 상세한 사항들은 PCT 국제 공보 제 WO 2013/022992 A2 호에서 제공된다.
[0038] 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른, 선택적 레이저 패터닝 툴(1500)의 개략도이다. 툴(1500)은 기판(1540) 상의 디바이스들(1530)을 패터닝하기 위한 레이저들(1501)을 포함한다. 또한, 기판(1540)을 통해 패터닝하기 위한 레이저들(1502)이 또한 도시되지만, 기판이 뒤집힌(turn over) 경우, 기판(1540)을 통해 패터닝하기 위해서 레이저들(1501)이 사용될 수 있다. 레이저들(1501 및 1502)에 의해 생성된 레이저 빔들(1510)은 회절 광학계(1520)를 통해 지향되어, 디바이스들(1530)을 패터닝하기 위한 회절된 빔들(1512)을 생성한다. 회절 광학계(1520)는 정상부 또는 바닥으로부터 패터닝하기 위해서 상이할 수 있거나, 또는 회절 광학계는, 동일할 수 있지만, 상이한 패터닝 단계들을 위해 사용되는 상이한 패턴들을 생성하기 위해서 사용되는 다수의 상이한 지역들을 가질 수 있다. 기판 홀더/스테이지(1550)는 기판(1540)을 홀딩하고 그리고/또는 이동시키기 위해서 제공된다. 스테이지(1550)는 기판을 통한 레이저 패터닝을 제공하기(accomodate) 위한 개구들을 가질 수 있다. 툴(1500)은, 레이저 애블레이션 동안 기판들이 고정되도록 또는 이동하도록 구성될 수 있다 ― 레이저들(1501/1502)이 또한 고정되거나 이동 가능할 수 있다; 몇몇 실시예들에서, 제어 시스템에 의해서 이동이 조절되는 경우에, 기판과 레이저들 양쪽 모두 이동 가능할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 레이저들을 포함할 수 있는 단계 및 반복 프로세스가 사용된다. SMF 및 또한 글로브 박스 및 대기 챔버(antechamber)를 포함하는, 툴(1500)의 독립형(stand-alone) 버전이 도 15에 도시된다. 전체 툴은 글로브 박스의 복잡성들을 최소화하고 노출된 층들과 주변 산화제들의 반응을 제한하기 위해서 드라이-룸(dry-room)에 위치될 수 있다. 도 15에 도시된 실시예는 본 발명에 따른 툴의 일례이다 ― 툴의 많은 다른 구성들이 예상되는데, 예를 들어, 글로브 박스는, 리튬-프리(free)(개별의, 증착된 Li 음 전극 층 저장소가 없는) TFB들의 경우에 필수적이지 않을 수 있다. 또한, 툴(1500)은, 리튬 호일 제조에서 사용된 바와 같은 드라이-룸과 같이, 적합한 환경을 갖는 룸에 로케이팅될 수 있다.
[0039] 도 16은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, TFB 디바이스를 제조하기 위한 프로세싱 시스템(1600)의 개략도이다. 프로세싱 시스템(1600)은, 반응성 플라즈마 세정(RPC) 챔버(1630) 및 프로세스 챔버들(C1-C4)(1641, 1642, 1643 & 1644)이 장비된 클러스터 툴(1620)에 대한 표준 기계 인터페이스(SMIF)(1610)를 포함하고, 이들은 상기 설명된 프로세스 단계들에서 활용될 수 있다. 글로브 박스(1650)가 또한, 클러스터 툴에 부착될 수 있다. 글로브 박스는 불활성 환경(예를 들어, He, Ne, 또는 Ar과 같은 희가스 하에)에 기판들을 저장할 수 있고, 이는 알칼리 금속/알칼리 토금속 증착 이후에 유용하다. 글로브 박스에 대한 대기 챔버(1660)가 또한, 필요하다면, 사용될 수 있다 ― 대기 챔버는, 글로브 박스의 불활성 환경을 오염시키지 않고, 기판들이 글로브 박스 내외부로 이송되는 것을 허용하는, 가스 교환 챔버(불활성 가스에서 공기로 그리고 그 반대로)이다. (글로브 박스는, 리튬 호일 제조자들에 의해서 사용되는 것과 같은, 충분하게 낮은 이슬점을 갖는 드라이 룸 환경으로 교체될 수 있음을 주목한다.) 챔버들(C1-C4)은, EC 디바이스들 또는 박막 배터리들과 같은 전기화학 디바이스들을 제조하기 위한 프로세스 단계들을 위해서 구성될 수 있고 그러한 프로세스 단계들은 예를 들어 : 상기 설명된 바와 같은, 스택의 증착 및 회절 광학계를 사용한, 스택의 선택적 레이저 패터닝을 포함할 수 있다. 적합한 클러스터 툴 플랫폼들의 예들은 : Applied Komatzu Technology의(AKT의) 디스플레이 클러스터 툴들, 예컨대 10세대 디스플레이 클러스터 툴들; Applied Material의 New Aristo Platform; 및 Applied Material의 Endura™ 및 더 작은 기판들을 위한 Centura™ 플랫폼들을 포함한다. 프로세싱 시스템(1600)을 위해서 클러스터 배열체가 도시되었지만, 기판이 하나의 챔버로부터 다음 챔버로 연속해서 이동하도록, 프로세싱 챔버들이, 이송 챔버 없이, 일직선으로(in a line) 배열된 선형 시스템이 활용될 수 있음이 이해될 것이다.
[0040] 도 17은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 다중 인-라인 툴들(1710, 1720, 1730, 1740, 등)을 갖는 인-라인 제조 시스템(1700)의 도면을 도시한다. 인-라인 툴들은 TFB 또는 EC 디바이스와 같은 전기화학 디바이스의 모든 층들을 증착시키고 패터닝하기 위한 툴들을 포함할 수 있다. 또한, 인-라인 툴들은 사전-(pre-) 및 사후-(post-) 컨디셔닝 챔버들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 툴(1710)은, 기판이 진공 에어록(1715)을 통해서 증착 툴(1720) 내로 이동하기 전에 진공을 확립하기 위한 펌프 다운(pump down) 챔버일 수 있다. 인-라인 툴들의 일부 또는 전부는 진공 에어록들(1715)에 의해서 분리된 진공 툴들일 수 있다. 프로세스 라인에서 프로세스 툴들과 특정 프로세스 툴들의 순서는 사용되는 특정 디바이스 제조 방법에 의해서 결정될 것임을 주목한다 ― 그러한 제조 방법의 구체적인 예들은 상기에 제공된다. 또한, 기판들은 수평으로 또는 수직으로 배향된 인-라인 제조 시스템을 통해서 이동될 수 있다. 또 게다가, 회절 광학계를 사용하는 선택적 레이저 패터닝 모듈들은, 레이저 패터닝 동안에, 기판들이 고정되거나 이동하도록 구성될 수 있다.
[0041] 도 17에 도시된 바와 같은 인-라인 제조 시스템을 통한 기판의 이동을 도시하기 위해서, 도 18에서, 오직 하나의 인-라인 툴(1710)을 갖는 기판 컨베이어(1750)가 제 위치에(in place) 도시된다. 기판(1810)을 수용하는 기판 홀더(1755)(기판 홀더는, 기판이 보일 수 있도록, 부분적으로 절개되어서 도시됨)는, 표시된 바와 같이, 홀더 및 기판을 인-라인 툴(1710)을 통해 이동시키기 위한 컨베이어(1750) 또는 그와 동등한 디바이스 상에 장착된다. 프로세싱 툴(1710)을 위한 적합한 인-라인 플랫폼들은 Applied Material의 Aton™ 및 New Aristo™ 일 수 있다.
[0042] 본 발명의 실시예들에 따른, 박막 배터리들과 같은 전기화학 디바이스들을 형성하기 위한 장치는 : 애블레이션 보조 층(사용되는 경우), 캐소드 전류 콜렉터 층, 캐소드 층, 전해질 층, 애노드 층, 애노드 전류 콜렉터 층 및 보호 코팅 층을 포함하는 스택을 기판 상에 블랭킷 증착시키기 위한 제 1 시스템; 및 상기 설명된 바와 같이, 회절 광학계를 사용하여 스택을 다이렉트 레이저 패터닝하거나 또는, 이하에서 설명되는 바와 같이, 성형된 빔 레이저 패터닝에 의해서 패터닝하기 위한 제 2 시스템을 포함할 수 있다. 제 1 시스템은 클러스터 툴, 인-라인 툴, 독립형 툴들, 또는 전술된 툴들 중 하나 또는 그 초과의 조합일 수 있고, 제 2 시스템은 독립형 툴일 수 있거나 또는 제 1 시스템에 통합될 수 있다. 유사한 장치가, EC 디바이스들과 같은 다른 전기화학 디바이스들을 제조하기 위해서 사용될 수 있고, 여기서 제 1 시스템은 특정 디바이스를 위해 요구되는 스택 및 애블레이션 보조 층(들)(사용되는 경우)을 증착시키기 위해 구성되며, 제 2 시스템은, 상기 설명된 바와 같이, 회절 광학계를 사용하여 스택을 다이렉트 레이저 패터닝하기 위한 것이거나, 또는 이하에서 설명되는 바와 같이, 성형된 빔 레이저 패터닝에 의해서 패터닝하기 위한 것이다. 또한, 장치는, 본원에서 설명된 바와 같이, 폭넓은 범위의 상이한 프로세스 흐름들을 위해 구성될 수 있다.
[0043] 또한, 실시예들에서, 전기화학 디바이스 층들 중 적어도 하나는, 광학 요소에 입사하는 레이저 빔에 의해서 생성된 성형된-빔에 의해서 다이렉트로 패터닝될 수 있고, 여기서 광학 요소는, 특히, 굴절 렌즈들 및 개구들을 포함할 수 있다. 성형된-빔은, 상기 다이렉트로 패터닝하는 동안에, 전기화학 디바이스의 작업 표면에 걸쳐 이동될 수 있다 ― 예를 들어, 성형된-빔은 래스터링될 수 있다. 도 19는, 레이저 빔(10), 광학 요소(25), 성형된-빔(14), 및 화살표에 의해 표시된 바와 같이 빔(16)을 기판의 작업 표면(30)에 걸쳐 이동시키기 위해서 축(42)을 중심으로 회전하는 스캐닝/래스터링 거울(40)을 포함하는, 성형된-빔 레이저 패터닝 툴의 예의 개략도를 도시한다. 래스터링된 성형된-빔에 대해서, 1MHz만큼 높은 펄스 반복 레이트로 동작하는 레이저가 사용될 수 있다. 성형된-빔은 래스터 방향에 평행한 제 1 방향을 따라서 탑-햇 에너지 프로파일을 가질 수 있다; 래스터 방향에 수직하고 전기화학 디바이스의 작업 표면에 평행한 제 2 방향의 빔 에너지 프로파일은 가우시안일 수 있다. 또한, 실시예들에서, 성형된-빔은 래스터 방향에 수직하고 전기화학 디바이스의 작업 표면에 평행한 제 2 방향으로 탑-햇 에너지 프로파일을 가질 수 있다. 또 게다가, 성형된-빔은, 예를 들어, 길이 대 폭의 고 종횡비를 추가적으로 가질 수 있는 직사각 형상을 가질 수 있다 ― 실시예들에서는 5 초과이며, 추가적인 실시예들에서는 10 초과이다. 성형된-빔은, 성형된-빔이 작업 표면에 걸쳐 스캐닝/래스터링되는 것을 제외하고, 회절 광학 요소를 활용하는 방법에 대해서 상기 설명된 바와 같이 전기화학 디바이스의 상이한 층들을 패터닝하는 데에 사용될 수 있다 ― 예를 들어, 성형된-빔은 디바이스 층들의 부분들의 애블레이션, 디바이스 층들의 부분들의 선택적 애블레이션, 패터닝 보조 층을 사용한 디바이스 층 제거 등을 위해 활용될 수 있고, 성형된-빔은 다이렉트로 또는 투명 기판을 통해서 전기화학 디바이스에 입사할 수 있다.
[0044] 또한, 실시예들에서, 상기 설명된 바와 같이, 성형된-빔 노출들은, 전기화학 디바이스의 디바이스 층들의 일부 또는 전부를 패터닝하기 위해서, 회절 광학 요소들을 사용하는 패터닝과, 상기 설명된 바와 같이, 결합될 수 있다.
[0045] TFB 다이는 면적이 약 1 밀리미터 x 1 밀리미터 내지 약 5 인치 x 5 인치의 범위일 수 있고, 전형적인 크기는 약 1 인치 x 1 인치임에 주목한다. TFB 기판은 다수의 다이를 포함하고, 실리콘 기판에 대해서는 약 200 mm x 300 mm; 운모(mica) 기판에 대해서는 약 150 mm x 150 mm; 및 유리, 폴리머 및 금속 기판들에 대해서는 훨씬 더 큰 크기들(프로세스 툴들에 의해서 제한됨)의 더 긴 측 치수들을 전형적으로 가질 수 있다. EC 디바이스 다이는 디바이스의 응용예에 따라서 크기가 상당히 변할 수 있다 ― 예를 들어, 후시경들(rear view mirrors)은 약 2 인치 x 4 또는 5 인치의 다이 면적들을 전형적으로 가질 수 있고, EC 디스플레이 다이들은 훨씬 더 작을 수 있으며, EC 윈도우들은 매우 커져서 기판 당 개수가 적어질 수 있다. EC 디바이스들을 위한 기판들은 크기가 폭넓게 변할 수 있고 10 세대 기판만큼 클 수 있다 ― 대략적으로 3 미터 x 3 미터; 더 작은 EC 디바이스들에 대해서는, 전형적으로, 기판 당 많은 다이들이 있을 것이지만, 윈도우들과 같은 더 큰 디바이스들에 대해서는, 기판 당 상대적으로 적은 디바이스들이 있을 것이며, 심지어 기판 당 단일 디바이스로까지 떨어진다.
[0046] 본 발명이 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 구체적으로 설명되었지만, 형태와 세부 사항들에서의 변화들 및 변경들이 본 발명의 범위와 사상으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 당업자에게 쉽게 자명해야 한다. 첨부된 청구항들은 그러한 변화들 및 변경들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 전기화학 디바이스들을 제조하는 방법으로서,
    전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들(collectors)을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키는 단계; 및
    회절 광학 요소에 입사하는 레이저로부터의 빔에 의해서 생성된 레이저 광 패턴에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나의 디바이스 층을 다이렉트로(directly) 패터닝하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저 광 패턴은 단일 레이저 샷(single laser shot)으로 적어도 전체 다이(die)를 다이렉트로 패터닝하는,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 디바이스 층을 다이렉트로 패터닝하는 단계는 상기 적어도 하나의 디바이스 층의 부분을 레이저 애블레이팅(ablating)하는 단계인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이렉트로 패터닝하는 단계는 상기 대응하는 전류 콜렉터의 위로부터 상기 전극들 중 하나의 부분의 선택적 애블레이션(ablation) 단계인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이렉트로 패터닝하는 단계는 상기 대응하는 전류 콜렉터들 중 적어도 하나의 위로부터 상기 전해질 층의 부분의 선택적 애블레이션 단계인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이렉트로 패터닝하는 단계는, 상기 기판 상의 스크라이빙 앨리들(alleys)의 위로부터, 모든 증착된 디바이스 층들의 부분들의 애블레이션 단계이고, 상기 스크라이빙 앨리들은 개별 다이를 정의하는,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스 층들 위에 보호 코팅을 증착시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 다이렉트로 패터닝하는 단계는 상기 전류 콜렉터들의 위로부터 상기 보호 코팅의 부분의 선택적 애블레이션 단계인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    디바이스 층들 사이에 패터닝 보조 층(assistance layer)을 증착시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 다이 패터닝 보조 층은 상기 다이 패터닝 보조 층과 바로 인접한 디바이스 층들 중 적어도 하나의 디바이스 층 사이의 열 응력 미스매치(thermal stress mismatch)를 달성하기 위한 물질의 층을 포함하며,
    상기 다이렉트로 패터닝하는 단계는, 상기 패터닝 보조 층 위의 상기 디바이스 층들의 레이저 광 조사된(irradiated) 부분의 디라미네이션(delamination)을 유도하기 위해서 상기 패터닝 보조 층을 가열하는 단계인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스 층들을 증착시키는 단계 이전에 상기 기판 상에 다이 패터닝 보조 층을 증착시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 다이 패터닝 보조 층은 상기 다이 패터닝 보조 층과 상기 바로 인접한 디바이스 층 및 상기 기판 중 중 적어도 하나 사이의 열 응력 미스매치를 달성하기 위한 물질의 층을 포함하며,
    상기 다이렉트로 패터닝하는 단계는, 상기 패터닝 보조 층 위의 상기 디바이스 층들의 레이저 광 조사된 부분의 디라미네이션을 유도하기 위해서 상기 다이 패터닝 보조 층을 가열하는 단계인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  9. 제 1 항, 제 7 항, 또는 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 디바이스에서의 상기 레이저 광 패턴의 복사 플루언스(radiant fluence)는 평방 센티미터 당 0.1 내지 1.0 줄의 범위 이내인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  10. 제 5 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 레이저 광에 투명(transparent)하고 상기 레이저 광 패턴은 상기 기판을 통해서 상기 부분에 입사하는,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광 패턴은 단일 레이저 펄스로 적어도 전체 다이를 다이렉트로 패터닝하는,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이렉트로 패터닝하는 단계는 상기 회절 광학 요소 상의 제 1 패턴에 입사하는 상기 빔에 의해서 생성된 제 1 레이저 광 패턴에 의해서 상기 디바이스 층들 중 제 1 층을 다이렉트로 패터닝하고 그리고 상기 회절 광학 요소 상의 제 2 패턴에 입사하는 상기 빔에 의해서 생성된 제 2 레이저 광 패턴에 의해서 상기 디바이스 층들 중 제 2 층을 다이렉트로 패터닝하는 단계인,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 광 패턴은 단일 레이저 샷으로 상기 기판 상의 모든 다이들을 다이렉트로 패터닝하는,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  14. 전기화학 디바이스들을 제조하는 방법으로서,
    전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키는 단계; 및
    광학 요소에 입사하는 레이저 빔에 의해서 생성된 성형된-빔(shaped-beam)에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나의 디바이스 층을 다이렉트로 패터닝하는 단계를 포함하고,
    상기 성형된-빔은 상기 다이렉트로 패터닝하는 단계 동안에 상기 전기화학 디바이스의 작업 표면에 걸쳐 래스터(raster) 방향을 따라서 이동되며, 상기 빔은 상기 래스터 방향에 평행한 방향을 따라 탑-햇(top-hat) 에너지 프로파일을 갖는,
    전기화학 디바이스들을 제조하는 방법.
  15. 전기화학 디바이스들을 제조하기 위한 툴로서,
    전극들 및 대응하는 전류 콜렉터들을 포함하는 디바이스 층들 및 전해질 층을 기판 상에 증착시키기 위한 제 1 시스템; 및
    레이저, 기판 스테이지, 및 회절 광학 요소를 포함하는 제 2 시스템을 포함하고,
    상기 제 2 시스템은 상기 회절 광학 요소에 입사하는 상기 레이저로부터의 빔에 의해서 생성된 레이저 광 패턴에 의해서 상기 디바이스 층들 중 적어도 하나를 다이렉트로 패터닝하기 위해 구성되며, 상기 레이저 광 패턴은 단일 레이저 샷으로 적어도 전체 다이를 다이렉트로 패터닝하는,
    전기화학 디바이스들을 제조하기 위한 툴.
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