TW201703336A - 熱成像及薄膜電池製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種製造薄膜電化學元件的方法可包括以下步驟：在基板上沉積膜堆疊，該膜堆疊包括陰極電流收集器(CCC)、陰極、電解質、陽極及陽極電流收集器(ACC)；對該堆疊進行雷射晶粒圖案化以形成已晶粒圖案化堆疊；對該等已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化以暴露出該等已晶粒圖案化堆疊中之每一個已晶粒圖案化堆疊之CCC層及ACC層其中至少一者的接觸區，對該等已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化的步驟會形成多個元件堆疊；在該等元件堆疊上沉積毯覆式包裝層；對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化以暴露出該等元件堆疊中每一個元件堆疊之ACC層及CCC層的接觸區，該毯覆式包裝層的雷射圖案化步驟形成多個已封裝的元件堆疊；及對該等元件堆疊及該等已封裝的元件堆疊其中之一或更多者進行熱成像分析以辨識熱點。

Description

熱成像及薄膜電池製造方法
本發明實施例大體上關於用來製造電化學元件的方法及設備，且更明確言之，但也不排除，是關於用來製造薄膜電池的熱成像方法及設備。
薄膜電池(TFB)由於其卓越的性質而預計可能主導μ-能源應用領域。由於該項技術處在從研發環境過渡到製造環境的邊緣之時，因此該等膜層及堆疊的成本效益及線上特性分析(in-line characterization)對於要實現以具成本效益、高產量且大量方式製造TFB而言變得更為關鍵。故需要有效的線上特性分析工具及用來增進TFB產率的方法。
根據某些實施例及如文中所述，電化學元件的熱成像分析可整合在製程流程中以用來偵測缺陷從而增進元件良率。電化學元件包括薄膜電池(TFB)、電致變色元件，等等。
根據某些實施例，製造薄膜電化學元件的方法可包括以下步驟：在基板上沉積堆疊，該堆疊包括陰極電流收集器層、陰極層、電解質層、陽極層及陽極電流收集器層；對該堆疊進行雷射晶粒圖案化以形成複數個已晶粒圖案化堆疊(die patterned stack)；對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個已晶粒圖案化堆疊中之每一個已晶粒圖案化堆疊之陰極電流收集器層及陽極電流收集器層其中至少一者的接觸區，且對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化的步驟會形成複數個元件堆疊；在該複數個元件堆疊上沉積毯覆式包裝層(blanket encapsulation layer)；對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個元件堆疊中之每一個元件堆疊的陽極電流收集器層及陰極電流收集器層的接觸區，該毯覆式包裝層的雷射圖案化步驟會形成複數個已封裝的元件堆疊；及對該複數個元件堆疊及該複數個已封裝的元件堆疊之中的一或更多個元件堆疊進行熱成像分析以辨識熱點。
根據某些實施例，製造薄膜電化學元件的方法可包括以下步驟：在基板上沉積堆疊，該堆疊包括陰極電流收集器層、陰極層、電解質層、陽極層及陽極電流收集器層；對該堆疊進行圖案化以使通用陰極電流收集器接觸區及通用陽極電流收集器接觸區其中至少一者打開；及對該堆疊進行熱成像分析以辨識熱點。
根據某些實施例，用於形成薄膜電化學元件的設備可包括：第一系統，該第一系統用來在基板上毯覆式地沉積由陰極電流收集器層、陰極層、電解質層、陽極層及陽極電流收集器層所形成的堆疊；第二系統，該第二系統用來對該堆疊進行雷射晶粒圖案化以形成複數個已晶粒圖案化堆疊；第三系統，該第三系統用來對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個已晶粒圖案化堆疊中的每一個已晶粒圖案化堆疊之陰極電流收集器層及陽極電流收集器層其中至少一者的接觸區，而形成複數個元件堆疊；第四系統，該第四系統用於在該複數個元件堆疊上沉積毯覆式包裝層；第五系統，該第五系統用來對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個元件堆疊中的每一個元件堆疊之陰極電流收集器層及陽極電流收集器層的接觸區，而形成複數個已封裝的元件堆疊；及第六系統，該第六系統用於對該複數個元件堆疊及該複數個已封裝的元件堆疊其中之一或更多者進行熱成像分析以識別熱點，該第六系統包括：探針，該等探針用於在該陰極電流收集器層與該陽極電流收集器層之間施加電壓；及紅外線攝影機。
現將參照該等圖式詳細說明本發明的實施例以供作為本發明的示例性實例之用，使得所屬技術領域中熟悉該項技藝者能實施本發明。本案中所提供的該等圖式包括元件及元件製程流程的代表圖，且該等代表圖未按比例繪製。應注意，該等圖式及以下實例無意將本發明範圍限制在單一個實施例上，且藉著使所述或所示要件之中的某些要件或所有要件進行互換，可做出其他實施例。此外，當可使用已知的元件來部分或完整地實施本發明的某些要素時，將僅針對此等已知元件之中對於瞭解本發明而言是必要的部分進行描述，並將省略此等已知元件中之其他部分的詳細描述，以免模糊本發明。除非文中另有明確載明，否則在本發明中示出單個元件的實施例不應視為是限制；相反地，本發明意欲涵蓋其他包含複數個相同元件的實施例，反之亦然。再者，本發明中的任何術語不欲解讀為不常見或特殊的含義，除非文中明確提出此種解讀方式。此外，對於文中藉由圖示方式所舉出的已知元件而言，本發明亦涵蓋該等元件目前已知或未來將知曉的均等物。
薄膜電池(TFB)由於其卓越的性質而預計可能主導μ-能源應用領域。由於該項技術處在從研發環境過渡到製造環境的邊緣之時，因此該等膜層及堆疊的成本效益及線上特性分析對於要實現以具成本效益、高產量且大量方式製造TFB而言變得更為關鍵。在實施例中，熱成像工具及使用熱成像工具的製程流程可能提供線上特性分析以用於增進TFB及其他電化學元件的良率(yield)。在本文中，「薄膜」一詞是用來表示厚度小於或等於30微米的膜。文中，薄膜固態電池意指在電池內所有組成膜皆為薄膜的電池。
以下參閱第1圖及第2圖來說明可有利地運用本發明實施例的TFB元件。
第1圖示出第一TFB元件結構100，該第一TFB元件結構100具有形成在基板101上的陰極電流收集器102及陽極電流收集器103，且隨後形成有陰極104、電解質105及陽極106；但也可使陰極、電解質及陽極採用相反的順序來製成該元件。此外，該陰極電流收集器(CCC)及陽極電流收集器(ACC)可分別沉積。例如，可先沉積該CCC，隨後沉積該陰極，並可於沉積該電解質之後再沉積該ACC。可利用包裝層107覆蓋該元件以保護該等環境敏感層免於接觸氧化劑。
根據實施例，可利用以下製程來製造第1圖的TFB元件：提供基板；沉積圖案化的CCC；沉積圖案化的ACC；沉積圖案化的陰極；進行陰極退火；沉積圖案化的電解質；沉積圖案化的陽極；及沉積圖案化的包裝層。可使用遮罩(shadow mask)來沉積該等圖案化層。在實施例中，陰極為LiCoO2 ，及該退火是在高達850°C的溫度下進行。
第2圖示出示例性的第二TFB元件結構200，該第二TFB元件結構200包括基板201、電流收集器層202(例如，Ti/Au)、陰極層204(例如，LiCoO2 )、電解質層205(例如，LiPON)、陽極層206(例如，Li、Si)、ACC層203(例如，Ti/Au)、分別供ACC及CCC所使用的接合墊208及接合墊209(例如，Al)及毯覆式包裝層207(例如，聚合物、氮化矽)。
根據實施例，可利用以下製程來製造第2圖的TFB元件：提供基板；毯覆式地沉積CCC、陰極、電解質、陽極及ACC以形成堆疊；進行陰極退火；對該堆疊進行雷射圖案化；沉積圖案化的接觸墊；沉積包裝層；對包裝層進行雷射圖案化。在實施例中，陰極為LiCoO2 ，及該退火是在高達850°C的溫度下進行。
以上參照第1圖及第2圖所提供具體的TFB元件結構及製造方法僅做為示範例之用，且可預期有各種不同的TFB與其他電化學元件結構及製造方法可受益於文中所述的熱成像技術。
此外，可利用各種不同材料來形成不同的TFB元件層。例如，陰極層可為LiCoO2 層(例如，利用RF濺射、脈衝DC濺射等等方法所沉積而成)，陽極層可為Li金屬層(例如，利用蒸鍍、濺射等等方法所沉積而成)，及電解質層可為LiPON層(例如，利用RF濺射等等方法所沉積而成)。然而可預期到，本發明可應用於更廣泛之包含各種不同材料的TFB。此外，用來沉積此等層的沉積技術可以是任何能夠提供所期望之組成、相態及結晶度的沉積技術，且可能包括諸如PVD、PECVD、反應性濺射法、不反應性濺射法、RF濺射法、多頻濺射法、電子與離子束蒸鍍法、熱蒸鍍法、CVD、ALD等等的沉積技術；該沉積方法亦可為非真空式的方法，例如電漿噴塗法、噴霧熱裂解法、狹縫模具式塗覆法、網印法，等等。就PVD濺射沉積製程而言，該製程可為AC式、DC式、脈衝DC式、RF式、HF式(例如，微波)，等等，或上述方式之組合。用於TFB之不同組成層的材料實例可包括以下材料其中之一或更多者。ACC及CCC可為以下其中之一或更多者：Ag、Al、Au、Ca、Cu、Co、Sn、Pd、Zn及Pt，此等材料可形成合金及/或存在於由不同材料所形成的多層中及/或包含由以下材料其中之一或更多者所形成的黏著層：Ti、Ni、Co、耐火金屬及超合金，等等。陰極可為LiCoO2 、V2 O5 、LiMnO2 、Li5 FeO4 、NMC (NiMnCo氧化物)、NCA (NiCoAl氧化物)、LMO (Lix MnO2 )、LFP (Lix FePO4 )、LiMn尖晶石，等等。該固態電解質可為鋰傳導電解質材料，包括諸如LiPON、LiI/Al2 O3 混合物、LLZO (LiLaZr氧化物)、LiSiCON、Ta2 O5 等等的材料。陽極可為Li、Si、矽-鋰合金、鋰矽硫化物、Al、Sn、C，等等。
該陽極/負極電極層可為純鋰金屬或可為Li合金，例如，Li可與金屬(例如，錫)或半導體(例如，矽)形成合金。該Li層可為約3微米厚(可依據陰極及容量的平衡而定)，及該包裝層可為3微米或更厚。該包裝層可為由聚合物/聚對二甲苯(parylene)及金屬及/或介電質所形成的多層，且如有需要，可重複地進行沉積及圖案化來形成該包裝層。需注意的是，於某些實施例中，在形成該Li層與該包裝層之間的這部分過程需保持處在惰性或極低濕度的環境中，例如處於氬氣中或處於乾燥室內；然而，在沉積毯覆式包裝層之後，對於惰性環境的需求將可放寬。該ACC可用來保護Li層而允許在真空外的環境下進行雷射剝蝕，且對於惰性環境的需求可放寬。
再者，該等金屬電流收集器(皆位在該陰極及陽極側上)可能需要做為保護性阻障層以阻擋該等穿梭移動的鋰離子。此外，該陽極電流收集器可能需要作為屏障以阻擋來自周遭環境的氧化劑(例如，H2 O、O2 、N2 ，等等)。因此，該等電流收集器金屬可經過選擇，以使該等電流收集器金屬與「兩種方向」的鋰(即，移動進入該金屬電流收集器中而形成固溶體的Li，及反向進行的Li)接觸時可具有最小的反應或混溶性(miscibility)。此外，可選擇對於來自周遭環境的氧化劑具有低反應性及低擴散性的金屬電流收集器。可作為用來阻擋移動鋰離子之保護性阻障層的一些潛在候選材料可為Cu、Ag、Al、Au、Ca、Co、Sn、Pd、Zn及Pt。使用某些材料時，可能需要管理熱積存(thermal budget)以確保該等金屬層之間不會發生反應/擴散作用。若單一種金屬元素不能滿足此兩項要求，則可考慮採用合金。又，若單一層無法滿足此兩項要求，則可使用雙層(或多層)。再者，可附加地聯合使用黏著層與由前述耐火層及非氧化性層(non-oxidizing layer)其中一者所形成的層–例如，Ti黏著層與Au併用。可藉著對金屬靶材進行(脈衝)DC濺射以形成該等層(例如，諸如Cu、Ag、Pd、Pt及Au等金屬、金屬合金、類金屬或碳黑)來沉積該等電流收集器(約300奈米)。此外，也有其他選擇可供用來形成阻擋移動鋰離子的保護性阻障層，例如介電層，等等。
在實施例中，該等元件組成層(例如，陽極、陰極、ACC、CCC、電解質及包裝層)之其中一或更多層可包含多層。例如，CCC層可包含Ti層及Pt層或鋁層、Ti層及Pt層，及包裝層可包含如以上所述的多層，等等。
考慮到第1圖及第2圖之TFB結構包含用於不同層的材料選擇及該等製造製程的某些態樣，故也考慮到較常造成電池良率(yield)損失的一些原因。
對電化學元件良率造成重大損害的其中一個原因是內部電路短路，特別是經過電解質層的短路，此種短路可能是由各種缺陷(包括機械性缺陷及膜內缺陷兩種)所造成。此等缺陷可能在整個製造流程中的任何步驟中形成。然而，當在LiCoO2 (陰極)及LiPON(電解質)沉積步驟中形成此等缺陷時，此等缺陷通常更加危險—這一點可例如藉由以下情況來獲得證實：在LiCoO2 層中的此種缺陷周圍不完全且非共形地塗覆LiPON層可能導致形成針孔且後續在已完成的元件內發生內部電路短路情形。某些針孔在製造製程的尾聲時可能尚未洞穿(percolated)，但該些針孔可能在元件運作期間因崩潰潛在限制(breakdown potential limitation)或因循環及搬運造成元件結構進行機械性排氣(mechanical breathing)而發展成完全洞穿的針孔。
該元件堆疊內除了可能造成內部電路短路的針孔及沉積層未對準之外，沉積後續製程(例如利用機械工具或雷射進行劃線步驟)也可能產生缺陷，例如：污跡、毛邊或可能在元件中產生分流的再沉積作用。熱成像技術及鎖相熱成像技術(lock-in thermography)可找出此等缺陷。在大量製造的環境中，能簡單且快速地鑑定出此等缺陷對於找出此等缺陷的根本成因及消除此等缺陷而言極為有利，而可能實現高產率的製造流程。熱成像技術則是可達成此目的的測量方法。當對該元件施加外部刺激時，熱成像技術測量表面溫度，包括測量任何「熱點」的溫度變化及聚集程度(localization)與分佈情形。(「熱點」的成因可能是因內部漏電電流導致發生電阻加熱作用而使得該處溫度變得比該些沒有發生內部漏電的位置「更熱」，儘管「熱點」未必僅是由內部漏電所造成。例如，若某一點的電阻明顯高於周遭材料的電阻，當電流通過該材料時，在該「點」處會產生較高的電阻性加熱作用，且從而在該「點」的位置處觀察到較高T)。就TFB而言，此外部刺激可為施加在元件或定位電極(location electrodes，通常介於ACC及CCC之間)上的電流及/或電壓，若有電性針孔存在，則此外部刺激會引起電流/漏電，隨後發生局部電阻加熱作用及相應可測得的溫度變化--熱成像技術將會捕捉到此種溫度的局部變化。所施加的刺激可為例如與熱成像測量系統連動的脈衝/循環電壓訊號。利用熱感測器所捕捉該元件表面的熱成像影像會顯示此等缺陷的位置。此等缺陷的位置可用於進行根本成因分析及用來預測堆疊/元件的完整性以供預測元件良率。此等資訊可前饋以用來預測已知良品晶粒和已知良品晶粒區域以及已知壞損晶粒和已知壞損晶粒區域，藉以減少進行不必要的製程和元件鑑定。這對「無遮罩式積體製程(maskless integration)」(不使用物理性遮罩來進行圖案化)來說尤其重要，因為該等沉積步驟通常為毯覆式沉積且隨後進行異地(ex situ)元件圖案化步驟。使用熱成像技術所取得的缺陷位置可提供給標記/劃線工具，如此可--例如利用墨水或雷射劃線--輕易地標記出該元件的已知缺陷及周遭部分並在進一步處理及鑑定中消除該等缺陷。於某些實施例中，在採用雷射標記的情況下，可使用直接雷射圖案化工具來完成此雷射標記步驟，但由於僅需要足以達到目視效果的表面劃線即可，而不是要整個堆疊剝蝕，因此進行雷射標記的功率低於進行圖案化時所使用的功率。在某些實施例中，該雷射圖案化工具可用元件的標記及圖案化兩者。在實施例中，標記可為環繞該等缺陷的開放式或封閉式圓圈。(在實施例中，標記可例如在第1圖中的層106及第2圖中的層203中。)在某些實施例中，可藉由劃線貫穿該層來完全圈起該缺陷以電性隔離瑕疵元件/瑕疵元件區域，使得該缺陷與該元件的其他部分隔開。此方法對用在較大面積的元件頗具吸引力且為可以用來提升良率的技術。可依據使用熱成像技術在製程流程中辨識出缺陷的該環節及亦取決於處理方法來決定取消進一步處理的程度。例如，將良區或壞區獨立出來，使整個基板區域可接受完整的流程處理，且僅在切單步驟(將基板分割成單獨的元件)時才將來自該等壞區的晶粒丟掉。在其他實施例中，在辨識出壞元件/壞區之後，製程處理可能因為壞元件/壞區而受到限制--例如，雖然材料(例如包裝層)的毯覆式沉積可能不受影響，但實務上在利用熱成像技術辨識出的壞損元件/壞損區處可能會跳過例如用來使ACC及CCC接觸區暴露出的雷射圖案化步驟；在該製程流程的適當環節處，例如在晶粒切單之後，可分離並丟棄該等壞損元件/壞損區。後續的潛在益處可能有：(1)花在該等圖案化步驟的時間較少而有較高產量；(2)較不濫用雷射工具而使得平均無故障時間(mean time between failures，MTBF)較常；及(3)減少粒子生成而可進行較佳包裝。此等不同方法的共同點是利用熱成像技術來辨識缺陷，並將壞區或良區的資訊前饋而用於所有的後續步驟中--不論是用來限制製程處理及/或在切單之後丟棄壞損元件。此等不同方法皆預期有助於降低經營成本(CoO)且提高良率。
第3A圖、第3B圖、第4圖、第5圖、第6圖及第7圖為根據某些實施例示出製造垂直堆疊式薄膜電池。第8圖提供根據某些實施例所做的製程流程，該流程可用於形成第3A圖、第3B圖、第4圖、第5圖、第6圖及第7圖的垂直堆疊式TFB。在實施例中，在典型垂直堆疊式TFB製程流程中進行熱成像技術最為有效的環節之處，是在該堆疊已形成基礎電池結構而能夠在兩個相反電流收集器上施加I-V信號/刺激之後，例如在形成基板/CCC/陰極/電解質/陽極/ACC堆疊並可在該CCC與該ACC處施加刺激之後。
第3A圖及第3B圖示出基板301、電流收集器層302、陰極層304、電解質層305、陽極層306、ACC層603及暴露出來的全球(通用)CCC接觸區310。可依照第8圖之製程流程的第一部份來形成此結構：提供基板(步驟801)；在基板上沉積CCC(步驟802)；在CCC上沉積陰極並退火(步驟803)；在已退火的陰極上沉積電解質(步驟804)；在電解質上沉積陽極(步驟805)；及在陽極上沉積ACC(步驟806)。可進行熱成像測試的第一環節(place)將會是在完成堆疊製造之後，如第8圖之製程流程中所示的「步驟807」之處。在此環節，需找到通往底部電極的接觸路徑，可使用例如一般的CCC暴露方法進行簡單邊緣圖案化以暴露出一部分的底部接觸310來達成之。一旦獲得缺陷分佈圖(defect map)，隨後可使用雷射即/或其他方法標記此等區域來進行後續的元件圖案化、測試及分級(binning，根據熱點的數目及嚴重度而分成不同程度)來消除缺陷區域。就此方面而言，可將熱成像儀的硬體整合至雷射圖案化工具中以將全部功能及目的整合在一起(基板及元件的預先電池測試分級)。需注意的是，可利用雷射剝蝕製程例如去除該堆疊之角落處或其他便利處的沉積層而暴露出CCC接觸區，來形成如第3A圖及第3B圖中所示全球性CCC接觸區310；在其他實施例中，可使用遮罩來界定該堆疊之該等層的範圍，且位於該CCC上方的該等層可能稍微較小以建立未被覆蓋的CCC角落(或任何其他接觸區)。
參閱第4圖及第8圖，形成一結構，該結構包括基板301及利用晶粒圖案化(步驟808)在該基板301上所形成的兩堆疊，該等堆疊各自包括：電流收集器層402、陰極層404、電解質層405、陽極層406及ACC層403。第5圖示出第4圖的結構接受進一步處理(步驟809)以暴露出CCC接觸區511；對第4圖中大多數的堆疊層進行處理以去該層的一部分而暴露出該等接觸區511，所得到第5圖中的該堆疊包括以下皆被移除了一部分的膜層：陰極層504、電解質層505、陽極層506及ACC層503。可使用熱成像測試的第二環節是在完成該完整的晶粒圖案化及CCC暴露步驟之後，如第8圖中所示的「步驟810」之處。在此例子中，(例如使用探針卡)對每個晶粒的頂部電流收集器及底部電流收集器做出刺激接觸。再次地，該熱成像分佈圖可提供已知良品晶粒與已知壞損晶粒之間的初步分級。同樣地，此也可以是雷射劃線工具上搭載的測量法。
參閱第6圖及第8圖，形成一結構，該結構包括位在第5圖之結構上的鈍化層607(亦稱為包裝層)—該鈍化層沉積步驟811可例如為氮化物或聚合物的PVD或CVD沉積。參閱第7圖及第8圖，該等TFB的鈍化層經圖案化以形成鈍化層707，在鈍化層707中包含多個開口以允許與該ACC503及CCC402電性接觸—暴露該等ACC及CCC接觸區的步驟812可例如是圖案化及蝕刻製程。可應用熱成像技術的第三環節是在使該已完成之TFB元件的CCC/ACC暴露出來之後(在製程流程的此環節處，該TFB元件包含了鈍化/包裝層)，並以第8圖中的「步驟813」表示之。同樣的良率優勢也可應用以上所述的此環節處。
如先前所討論般，某些針孔在該TFB製造製程的尾聲時可能尚未洞穿(percolated)，但該些針孔可能在電池運作期間因電壓崩潰或因循環及搬運而造成元件結構進行機械性排氣(mechanical breathing)而發展成完全洞穿的針孔。為了測試此種初期缺陷，可施加與電池運作時一致的電壓(或可能施加電流，但在電壓及元件操作方面有附加限制)並使該電池循環運作以引發早期故障而有可能免除後續進行測試/循環式(test/cycling based)電池完整性試驗的需要(目前Li離子電池產業是採用延長貯存期試驗來排除具有會導致早期故障之缺陷的元件)。此製程可整合在以上所述的製造方法中。例如，在ACC與CCC之間施加電壓信號以使該TFB元件/結構循環運作而可在進行熱成像分析之前使缺陷發展得更完全。
第9A圖及第9B圖為根據某些實施例示出位在流水線式TFB生產線上之熱成像工具900的概要圖。工具900包括紅外線攝影機(具有IR偵測器陣列)910，該紅外線攝影機910是設置用來拍攝在流水線式處理系統中之輸送帶930上移動的基板920之影像。攝影機910及電探針950連接至電腦/控制器940。電腦/控制器940控制著對該基板920上之結構所施加的電刺激且收集在施加刺激時的熱影像。電腦/控制器940處理該等數據以生成例如第10圖中所示的該等影像，以下將做更詳細的討論。該等IR偵測器之光譜的波長範圍為3微米至14微米，且用於完整影像的頻率高達250 Hz或390 Hz(部份影像的頻率更高)。該等偵測器可能具有例如640×512像素或1280×1024像素的解析度(視所選用的感測器而定)。在實施例中，可能達到高達2微米的像素解析度及高達0.02K的熱差解析度(thermal resolution)。該攝影機的光學元件可加以選擇以用於觀看整個元件/元件陣列或可拉近距離以用更高的解析度來觀看缺陷。例如，假設5公分的視野可(使用640×512像素的感測器)達到10微米/畫素的解析度，但也可使用高畫質感測器(1280×1024像素)或以拉近變焦方式來得到更高的解析度。
可如下所示般在實施例中操作熱成像工具以用於進行垂直堆疊式TFB中的缺陷檢測。施加信號、電流及/或電壓，且所施加的信號、電流及/或電壓符合該電池操作的穩定窗口(stability window)。所施加的電壓不超過該等活性構件(陰極、陽極及電解質)的材料依賴性(material-dependent)電/電化學穩定窗口及該電池的操作電壓限制。就LiCoO2 而言，此可為3.0伏特(V)至4.2伏特的操作窗口。所施加之電壓的極性亦受控制：在生產線上，由於當使用LiCoO2 陰極時，所製造的電池是處於「放電」狀態，因此所施加的極性可加以設定以引起「該電池的充電作用」--使用不正確(相反)的極性可能會損害電池。此外，該電流位準(level)亦受限制，藉以確保該電流僅足夠看見熱成像反應但不會高到足以影響該電池的放電深度。此種用於進行測試的適當電流位準將依據在製程流程中進行測試的位置(在第8圖之製程流程中的第一熱成像測試807或第二熱成像測試810)而定。由於第二熱成像測試810是對獨立的晶粒進行測試，因此在第二熱成像測試810中，這項限制便遠小得多。該刺激可為DC信號或在某些實施例中可為某種形式的脈衝信號(脈衝信號可能具有對該電池結構/良率造成最小影響的優點)。此外，使用相反方向或「電池放電」方向的極性進行測試可能有利於判斷單純漏電的位置，只要所施加的電壓/電流不超過該電池及材料之操作電壓的穩定窗口即可。這是因為剛製造完成的電池處於完全放電狀態(或接近完全放電狀態)。以此種方式施加的極性將不會因電池本身固有的電化學反應而引起局部加熱作用，只會因漏電(若有漏電的話)而引起局部加熱作用。此等信號可配合熱信號來測量例如在該垂直堆疊中的「熱點」深度。與靜態熱成像技術相較時，利用鎖相運算法可增強熱成像信號，順帶增進信號-雜訊比(signal-to-noise ratio)並提供改善的空間解析度。在某些實施例中，針對堆疊/元件而言，可利用至少達到平均局部溫度變化(中值溫度的溫度變化)3倍至5倍的溫度差來辨識「熱點」。
第10A圖至第10D圖提供針對TFB所產生之缺陷分佈圖的實例。該等影像是已通過第8圖中之ACC沉積步驟(步驟806)而完成處理之TFB的影像--見第3A圖及第3B圖的結構。第10A圖為IR影像圖，該IR影像圖示出位在該元件/晶粒之邊緣處的「熱點」1040--見該圖中的暗斑；在左上角及右上角中可看見用來與該元件做電性接觸的探針1020及探針1021，用來接觸ACC 1003及全球(通用)CCC接觸區1010。第10B圖至第10D圖為鎖相熱影像，該鎖相熱影像示出與第10A圖所示影像為同一個元件的高解析度缺陷影像--該等影像中明顯可見各種不同「熱點」1030，並將該等熱點加以圈起以便於辨識；可注意到大多數的缺陷位在該元件/晶粒的邊緣處。第10B圖為單向鎖相熱影像圖(該特定相可以選擇且通常用來辨識該元件中位於不同深度處的缺陷)；第10C圖為鎖相放大影像，該鎖相放大影像示出所有已辨識出來的缺陷；及第10D圖為鎖相熱相影像，該影像可用來幫助辨識出與第10C圖中所示該等不同缺陷相關的特定相。
第11圖為根據某些實施例示出流水線式製造系統1100的示意圖，該製造系統具有複數個生產線工具(in-line tool) 1101～1199，包括工具1130、工具1140、工具1150。生產線工具可包括用來沉積及圖案化TFB所有膜層的工具及如文中所述般用來在製程流程(如第8圖中概要示出的流程)中的不同環節處進行元件測試的熱成像工具。此外，該等生產線工具可包括預調整腔室及後調整腔室。例如，工具1101可為抽氣腔室以用來在基板通過真空氣閘1102而進入沉積工具之前，先建立真空環境。部份或所有的生產線工具可為藉由真空氣閘隔開的真空工具。需注意，該製程線中的製程工具順序及具體的製程工具將取決於所使用的特定TFB製造方法(例如上述製程流程中所載之方法)而定。此外，基板可移動通過呈水平或垂直定位的流水線式製造系統。又進一步者，熱成像工具可配置成用來測試移動中的基板或在測試期間處於靜止的基板。
雖然文中所提供的工具實例是用於流水線式的處理系統，但在實施例中，熱成像工具可併入群集工具中或是作為單機工具。
根據某些實施例，用於形成薄膜電化學元件的設備可包括：第一系統，該第一系統用來在基板上毯覆式地沉積由陰極電流收集器層、陰極層、電解質層、陽極層及陽極電流收集器層所形成的堆疊；第二系統，該第二系統用來對該堆疊進行雷射晶粒圖案化以形成複數個已晶粒圖案化堆疊；第三系統，該第三系統用來對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化，以使該複數個已晶粒圖案化堆疊中之每一個已晶粒圖案化堆疊的陰極電流收集器層及陽極電流收集器層其中至少一者的接觸區暴露出來，而形成複數個元件堆疊；第四系統，該第四系統用於在該複數個元件堆疊上沉積毯覆式包裝層；第五系統，該第五系統用來對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化，藉以使該複數個元件堆疊中每一個元件堆疊之陰極電流收集器層及陽極電流收集器層的接觸區暴露出來，而形成複數個已封裝的元件堆疊；及第六系統，該第六系統用於對該複數個元件堆疊及該複數個已封裝的元件堆疊其中之一或更多者進行熱成像分析以辨識熱點，該第六系統包括：探針，該等探針是用於在該陰極電流收集器層與該陽極電流收集器層之間施加電壓；及紅外線攝影機。此外，可使用複數個第六系統用來進行熱成像分析，該複數個第六系統中的每個系統可專門用來在不同的特定製造階段中對電化學元件進行熱成像分析。再者，該複數個第六系統可配置在生產線上(positioned in-line)。加上，該設備可進一步包括雷射圖案化系統以用來標記該等薄膜電化學元件上的該等熱點。此外，該設備可進一步包括第七系統，該第七系統是用來對該堆疊進行雷射圖案化，藉以形成具有通用電流收集器接觸區的已圖案化堆疊，且該第六系統可配置成用來對該具有通用電流收集器接觸區的已圖案化堆疊進行熱成像分析。又，該第一系統可藉由以下方式形成已圖案化堆疊：透過遮罩來沉積該陰極層、該電解質層、該陽極層以及該陽極電流收集器層與該陽極電流收集器層其中之一或更多者以形成開放式通用陰極電流收集器接觸區及開放式通用陽極電流收集器接觸區之其中至少一者，且其中該第六系統是配置用來對該具有開放式通用陰極電流收集器接觸區及開放式通用陽極電流收集器接觸區其中至少一者的元件堆疊進行熱成像分析。
雖然本案中已參照TFB元件、製程流程及製造設備的數個具體實例來說明本發明實施例，但本發明的原理及教示內容可應用在更廣範圍的TFB元件、製程流程及製造設備上。例如，元件、製程流程及製造設備可經過設計以用來製造與文中前述TFB堆疊呈顛倒方式配置的TFB堆疊--該等倒轉的堆疊具有為在基板上的ACC及陽極，接著是固態電解質、陰極、CCC及包裝層。例如，元件、製程流程及製造設備可經過設計以用來製造具有共平面之電流收集器的TFB堆疊，如第1圖中所示者。此外，所屬技術領域中具有通常技藝者將瞭解如何應用本發明的原理及教示內容來產生各式各樣的元件、製程流程及製造設備。
雖然本案中已參照TFB為例來說明本發明實施例，但亦可應用本發明的原理及教示內容來改進用來製造其他電化學元件(包括電致變色元件)的製造設備、製程流程及元件。所屬技術領域中具有通常技藝者將明白如何應用本發明的原理及教示內容來製造其他電化學元件專用的元件、製程流程及製造設備。
雖然已參照本發明的某些實施例來具體說明本發明實施例，但所屬技術領域中具有通常技藝者應顯然明白在不偏離本發明精神與範圍的情況下，當可在形式及細節方面做出諸多變化及修飾。
100‧‧‧第一TFB元件結構
101‧‧‧基板
102‧‧‧陰極電流收集器
103‧‧‧陽極電流收集器
104‧‧‧陰極
105‧‧‧電解質
106‧‧‧陽極
107‧‧‧包裝層
200‧‧‧第二TFB元件結構
201‧‧‧基板
202‧‧‧電流收集器層
203‧‧‧陽極電流收集器層/ACC
204‧‧‧陰極層
205‧‧‧電解質層
206‧‧‧陽極層
207‧‧‧毯覆式包裝層
208‧‧‧接合墊
209‧‧‧接合墊
301‧‧‧基板
302‧‧‧電流收集器層
303‧‧‧ACC層
304‧‧‧陰極層
305‧‧‧電解質層
306‧‧‧陽極層
310‧‧‧CCC接觸區
402‧‧‧電流收集器層/CCC
403‧‧‧ACC層
404‧‧‧陰極層
405‧‧‧電解質層
406‧‧‧陽極層
503‧‧‧ACC層
504‧‧‧陰極層
505‧‧‧電解質層
506‧‧‧陽極層
511‧‧‧CCC接觸區
607‧‧‧鈍化層
707‧‧‧鈍化層
801~813‧‧‧步驟
900‧‧‧熱成像工具
910‧‧‧紅外線攝影機
920‧‧‧基板
930‧‧‧輸送帶
940‧‧‧電腦/控制器
950‧‧‧電探針
1003‧‧‧ACC
1010‧‧‧CCC接觸區
1020‧‧‧探針
1021‧‧‧探針
1030‧‧‧熱點
1040‧‧‧熱點
1100‧‧‧流水線式TFB製造系統
1101‧‧‧生產線工具
1102‧‧‧真空氣閘
1130、1140、1150‧‧‧工具
1199‧‧‧生產線工具
所屬技術領域中具有通常技藝者在配合附圖閱讀以下具體實施例的說明之後，將可瞭解本發明的此等及其他態樣及特徵，其中：
第1圖為根據某些實施例示出位在薄基板上之TFB元件第一實例的截面圖，該TFB元件可作為薄膜電池；
第2圖為根據某些實施例示出位在薄基板上之TFB元件第二實例的截面圖，該TFB元件可作為薄膜電池；
第3A圖及第3B圖為根據某些實施例分別示出具有全球(通用)CCC之堆疊製程的概要俯視平面圖及概要截面圖(X-X截面)，該堆疊可用於作為垂直堆疊式TFB；
第4圖為根據某些實施例示出對第3B圖之堆疊進行晶粒圖案化的示意圖；
第5圖為根據某些實施例示出使第4圖的該等堆疊暴露出CCC的示意圖；
第6圖為根據某些實施例示出在第5圖之該等堆疊上毯覆式地沉積薄膜包裝層的示意圖；
第7圖為根據某些實施例示出藉著對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化而使第6圖中之所有堆疊皆暴露出CCC/ACC的示意圖；
第8圖為根據某些實施例示出第3A圖、第3B圖、第4圖、第5圖、第6圖及第7圖之TFB的製程流程及示出在該流程中可使用熱成像之處；
第9A圖及第9B圖為根據某些實施例示出位在流水線式TFB生產線上之熱成像工具的概要圖；
第10A圖至第10D圖為根據某些實施例示出TFB的熱成像數據；
第11圖為根據某些實施例示出流水線式(in-line) TFB製造系統的概要圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
(請換頁單獨記載) 無
100‧‧‧第一TFB元件結構
101‧‧‧基板
102‧‧‧陰極電流收集器
103‧‧‧陽極電流收集器
104‧‧‧陰極
105‧‧‧電解質
106‧‧‧陽極
107‧‧‧包裝層

Claims (20)

  1. 一種製造薄膜電化學元件的方法，包括以下步驟： 在一基板上沉積一堆疊，該堆疊包括一陰極電流收集器層、一陰極層、一電解質層、一陽極層及一陽極電流收集器層；對該堆疊進行雷射晶粒圖案化以形成複數個已晶粒圖案化堆疊；對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個已晶粒圖案化堆疊中之每一個已晶粒圖案化堆疊之該陰極電流收集器層及該陽極電流收集器層其中至少一者的接觸區，且該對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化的步驟會形成複數個元件堆疊；在該複數個元件堆疊上沉積一毯覆式包裝層；對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個元件堆疊中之每一個元件堆疊的該陽極電流收集器層及該陰極電流收集器層的接觸區，該毯覆式包裝層的雷射圖案化步驟形成複數個已封裝的元件堆疊；及對該複數個元件堆疊及該複數個已封裝的元件堆疊之中的一或更多個元件堆疊進行熱成像分析以辨識熱點。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該辨識熱點的步驟包括： 在一或更多個陰極電流收集器層與該對應的一或更多個陽極收集器層之間施加一電壓；為該複數個元件堆疊及該複數個已封裝的元件堆疊之其中一或更多者建立一紅外線影像；及與一背景溫度相比較，以繪出在該紅外線影像中超過一臨界溫差的點。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該施加一電壓的步驟在該電池放電方向上具有一極性。
  4. 如請求項2所述之方法，進一步包括將該複數個元件堆疊及該複數個已封裝的元件堆疊之中任何具有一或更多個熱點的元件堆疊加以標記。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該辨識熱點的步驟是藉著對該複數個元件堆疊其中之一或更多者做熱成像分析來進行。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該辨識熱點的步驟是藉著對該複數個已封裝的元件堆疊其中之一或更多者堆疊做熱成像分析來進行。
  7. 如請求項1所述之方法，進一步包括：在藉著熱成像分析來辨識熱點之前，在該陰極電流收集器與該陽極電流收集器之間施加一與薄膜電池運作時之電壓一致的電壓信號以使該薄膜電化學元件循環運作。
  8. 一種製造薄膜電化學元件的方法，包括以下步驟： 在一基板上沉積一堆疊，該堆疊包括一陰極電流收集器層、一陰極層、一電解質層、一陽極層及一陽極電流收集器層；對該堆疊進行圖案化以使一通用陰極電流收集器接觸區及一通用陽極電流收集器接觸區其中至少一者打開；及對該堆疊進行熱成像分析以辨識熱點。
  9. 如請求項8所述之方法，其中對該堆疊進行圖案化的步驟包括：透過遮罩來沉積該陰極層、該電解質層、該陽極層以及該陰極電流收集器層與該陽極電流收集器層之其中一或更多者，藉以形成以下至少一者：一打開之通用陰極電流收集器接觸區及一打開之通用陽極電流收集器接觸區。
  10. 如請求項8所述之方法，其中該圖案化步驟為雷射圖案化。
  11. 如請求項8所述之方法，進一步包括以下步驟： 在該圖案化步驟之後，對該堆疊進行雷射晶粒圖案化以形成複數個已晶粒圖案化的堆疊；對該複數個已晶粒圖案化的堆疊進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個已晶粒圖案化堆疊中之每一個已晶粒圖案化堆疊之該陰極電流收集器層及該陽極電流收集器層其中至少一者的接觸區，該對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化的步驟會形成複數個元件堆疊；在該複數個元件堆疊上沉積一毯覆式包裝層；及對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化，藉以暴露出該複數個元件堆疊中之每一個元件堆疊的該陽極電流收集器層及該陰極電流收集器層的接觸區，該毯覆式包裝層的雷射圖案化步驟形成複數個已封裝的元件堆疊。
  12. 如請求項11所述之方法，進一步包括以下步驟：對該複數個元件堆疊及該複數個已封裝的元件堆疊其中之一或更多者進行熱成像分析來辨識熱點。
  13. 一種用於形成薄膜電化學元件的設備，包括： 一第一系統，該第一系統用來在一基板上毯覆式地沉積一堆疊，且該堆疊是由一陰極電流收集器層、一陰極層、一電解質層、一陽極層及一陽極電流收集器層所形成；一第二系統，該第二系統用來對該堆疊進行雷射晶粒圖案化以形成複數個已晶粒圖案化堆疊；一第三系統，該第三系統用來對該複數個已晶粒圖案化堆疊進行雷射圖案化，以使該複數個已晶粒圖案化堆疊中每一個已晶粒圖案化堆疊的該陰極電流收集器層及該陽極電流收集器層其中至少一者的接觸區暴露出來，而形成複數個元件堆疊；一第四系統，該第四系統用於在該複數個元件堆疊上沉積一毯覆式包裝層；一第五系統，該第五系統用來對該毯覆式包裝層進行雷射圖案化，以使該複數個元件堆疊中每一個元件堆疊之該陰極電流收集器層及該陽極電流收集器層的接觸區暴露出來，而形成複數個已封裝的元件堆疊；及一第六系統，該第六系統用於對該複數個元件堆疊及該複數個已封裝元件堆疊之其中一或更多者進行熱成像分析以辨識熱點，該第六系統包括：探針，用於在該陰極電流收集器層與該陽極電流收集器層之間施加一電壓；及一紅外線攝影機。
  14. 如請求項13所述之設備，其中使用複數個第六系統以供進行熱成像分析，該複數個第六系統中的每個系統是專門用來在不同的特定製造階段中對該等電化學元件進行熱成像分析。
  15. 如請求項14所述之設備，其中該複數個第六系統配置在生產線(in line)上。
  16. 如請求項13所述之設備，進一步包括一雷射圖案化系統，該雷射圖案化系統是用來標記該等薄膜電化學元件上的該等熱點。
  17. 如請求項13所述之設備，進一步包括一第七系統，該第七系統是用來對該堆疊進行雷射圖案化，藉以形成一具有一通用電流收集器接觸區的已圖案化堆疊。
  18. 如請求項17所述之設備，其中該第六系統是配置用來對該具有一通用電流收集器接觸區的已圖案化堆疊進行熱成像分析。
  19. 如請求項13所述之設備，其中該第一系統藉由以下方式形成一已圖案化堆疊：透過遮罩來沉積該陰極層、該電解質層、該陽極層以及該陽極電流收集器層與該陽極電流收集器層其中之一或更多者以形成一開放式通用陰極電流收集器接觸區及一開放式通用陽極電流收集器接觸區之其中至少一者。
  20. 如請求項19所述之設備，其中該第六系統是配置用來對該具有一打開之通用陰極電流收集器接觸區及一打開之通用陽極電流收集器接觸區其中至少一者的元件堆疊進行熱成像分析。
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