TWI451612B - 用於製造薄膜電池的方法及工廠 - Google Patents

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Description

用於製造薄膜電池的方法及工廠 【相互參照之相關申請案】
本申請案主張2009年9月22日申請之美國臨時申請案號61/244,800的優先權，其全文一併附上供作參考。
本發明實施例係關於薄膜電池之領域，明確地說，本發明實施例係關於製造薄膜電池之方法與工廠。
目前技術之製造薄膜電池方案通常係基於傳統技術的調整，其藉由(1)利用遮罩進行圖案化技術與(2)執行單步驟圖案化式整合計畫。上述方法的複雜性問題相當明顯。舉例而言，沉積腔室或工具通常配有具有特定大氣條件之手套箱，其設以管理與保護薄膜電池中之材料層(對正常周遭環境敏感的材料層)並保護沉積負載遮罩。手套箱的使用係操作上笨重的且會對處理添加明顯的成本(在資本與操作花費兩者上)以及可能影響產量。此外，遮罩式圖案化會增加其他有害問題(例如，排列準確性與可能缺陷造成之產量衝擊)以及擁有成本的增加，擁有成本的增加係為了圖案轉移的準確與降低缺陷之額外部件與頻繁的遮罩再生處理。
目前，尚未組裝出製造薄膜電池之完整工廠，儘管已 經揭露根據傳統技術之某些部件。第1圖描繪製造薄膜電池之傳統裝備配置的實例。參照第1圖，適合用於製造薄膜電池之沉積工具100係設有手套箱102。舉例而言，手套箱102通常包含於濺射處理相關之沉積工具100。雖然未顯示，但通常需要額外的手套箱以用於鋰腔室或其他的腔室或處理工具(例如，隨後之空氣敏感層沉積處理)。
本文揭露製造鋰基薄膜電池之工廠佈局，工廠佈局包括：第一處理工具，用以沉積金屬或半導體層；第二處理工具，用以沉積主動層；第三處理工具，用以進行快速熱處理；第四處理工具，用以沉積介電層；第五處理工具，用以執行反應性離子蝕刻；與第六處理工具，用以沉積薄膜電池之特製層(specialty layer)。
本文揭露製造鋰基薄膜電池之工廠佈局，工廠佈局包括：第一處理工具，用以沉積主動層，其中第一處理工具係線上(in-line)處理工具；與第二處理工具，用以沉積金屬或半導體層。
本文描述製造薄膜電池之方法與工廠。下方描述中，提出多個特定細節(諸如，製造條件與材料方案)以提供本發明的完整理解。熟悉技術人士可知能在不具這些特定細節下執行本發明。其他實例中，並不詳細描述習知態樣(例如，薄膜電池應用)以免不必要地模糊本發明。再者，可理解圖式中所示之多種實施例為描述呈現用而非一定按比例繪製。此外，本文實施例中可能沒有明確地揭露其他配置與構形，但其仍被視為位於本發明之精神與範圍中。
本文揭露製造薄膜電池之方法。實施例中，方法包括製造薄膜電池之操作。
本文亦揭露製造薄膜電池之工廠。實施例中，工廠包括一或多個製造薄膜電池之工具組。
根據本發明實施例，本文揭露之方法與工廠可滿足一或多個下列問題或特徵結構：(a)整合沉積系統與工廠，(b)空氣周遭環境相容製造技術，(c)降低複雜度與成本(d)矽積體電路平臺，與(e)線上沉積平臺。某些實施例中，本文呈現製造薄膜電池技術之完整工廠模型。多個系統之獨特性可包括(a)整合平臺，用以讓複雜度達到最小並改善製造整合，(b)無遮罩整合-相容工具，與(c)所有處理之完整工具組，例如薄膜電池工廠模型。
關於本文所揭露之方法與工廠，完整工廠模型之部件可包括(a)物理氣相沉積腔室，用於金屬、陰極、電解質與陽極材料，(b)保護塗層系統，通常由聚合物、介電質與金屬沉積腔室或工具所構成，(c)排列系統，用於遮罩整合方案，(d)周圍工具(諸如，雷射或微影圖案化)，用於無遮罩(mask-less)之整合。根據某些本發明實施例，薄膜電池之製造工廠之特徵包括(a)使用輕巧「群集」或整合以排除對惰性周遭環境要求之需求(獨立於遮罩或無遮罩-整合)，(b)使用獨特腔室以排除通常單獨之鋰沉積腔室、排除或減輕傳送過程中空氣暴露的可能性，與(c)使用選擇性之真空傳送模組(VTM)。根據本發明實施例，工廠類型包括多個配置，諸如(但不限於)200毫米平臺、300毫米平臺、線上平臺或組合平臺。根據本發明實施例，處理整合方案包括多個整合方案，諸如(但不限於)遮罩整合方案或無遮罩-整合方案。
預期可用本文所述之處理與工具配置來製造多種薄膜電池構造。第2圖描繪根據本發明實施例預期可用本文所述之製造處理與工具配置製造之代表性薄膜電池之橫剖面圖。參照第2圖，薄膜電池200包括製造於基板204上之堆疊層202。堆疊層202包括陰極電流收集層206、陽極電流收集層208、陰極層210、陽極層212、電解質層214與保護塗層216。實施例中，堆疊層202的厚度約15微米。實際總體厚度取決於用於已知元件區域之電池的所欲容量，這影響陰極、陽極與電解質之厚度。實施例中，薄膜電池200之陽極層212係鋰陽極層。然而，可以理解第2圖僅描繪薄膜電池結構之一種可能配置，且本文所揭露之概念可適用於例如藉由傳統處理流程與整合方案(包括美國專利申請公開案2009/0148764中所述之方案)製造之任何薄膜電池結構。
根據本發明實施例，薄膜電池製造處理可分成兩個範疇：(1)材料層之沉積，與(2)材料層之圖案化。就功能而言，實施例中，沉積處理可分成主動元件之製造與保護塗層之製造，兩者均需要某些形式之圖案化。因此，一實施例中，本文所述之工廠模型包含三個部分：(1)元件材料之沉積，(2)保護塗層之沉積，與(3)圖案化技術。
實施例中，主動元件製造中涉及之典型層為諸如(但不限於)電流收集、陰極(正電極)、電解質與陽極(負電極)材料等層。一般而言，易用多層堆疊作為保護塗層。實施例中，有用的材料包括諸如(但不限於)聚合物、介電質、金屬或半導體等材料。傳統方法已經包括應用遮罩於圖案化。本發明實施例中，使用無遮罩-整合方案，包括雷射式與微影技術式方法任一者或兩者。
根據本發明實施例，工廠模型實例包括Si-IC(200或300毫米基板)以及可用於遮罩式與無遮罩式整合兩者之線上平臺的任一者或兩者。實施例中，無遮罩式之特徵結構、最佳化矽積體電路平臺利用異位微影技術雷射式排列與圖案化技術(例如，排除利用遮罩原位圖案化之複雜度與排列錯誤可能性)，且利用整合式鋰腔室與獨特整合方法來排除或至少減輕空氣敏感材料層(諸如，陰極與陽極層)之惰性周遭環境之需求。
本發明一態樣中，提供遮罩式整合之工廠模型。第3圖描繪根據本發明實施例利用遮罩式處理之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。
參照第3圖，製造薄膜電池之工廠300包括第一處理工具302，用以沉積金屬或半導體層；第二處理工具304，用以沉積主動層；第三處理工具306，用以進行快速熱處理；第四處理工具308，用以沉積介電層；第五處理工具310，用以執行反應性離子蝕刻；與第六處理工具312，用以沉積薄膜電池之特製層。根據本發明實施例，如第3圖所示，第六處理工具312係設以在相同處理工具中沉積鋰層(例如，鋰陽極層)與保護塗層(例如，聚合物層)兩者。此圖示中不同工具上手套箱之配置或缺少係基於來自已知工具之成果層或處理會造成空氣穩定或空氣敏感「頂」表面任一者之假設。因此，若整合方案(元件圖案化)在已知工具上之處理後改變層或頂表面之性質，則可改變配置。可理解實施例中，可以真空傳送模組(VTM)取代一或多個工具腔室或SMF模組而用於第3圖所示之一或多個工具。
本發明一態樣中，可解決對陽極與陰極材料兩者利用板上(on-board)鋰腔室與改良整合方案之衝擊。第4圖描繪根據傳統方法製造薄膜電池(具有鋰化陰極與鋰陽極之電池)之整合方案的操作之流程圖400。參照流程圖400之操作402，薄膜電池製造處理包括電流收集層之圖案化沉積。參照流程圖400之操作404，薄膜電池製造處理包括陰極層之圖案化沉積。參照流程圖400之操作406，薄膜電池製造處理包括陰極層之退火(選擇式)。參照流程圖400之操作408，薄膜電池製造處理包括電解質層之圖案化沉積。參照流程圖400之操作410，薄膜電池製造處理包括陽極層之圖案化沉積。以及，參照流程圖400之操作412，薄膜電池製造處理包括保護塗層之沉積。取決於實際薄膜電池堆疊之需求，亦可在上述操作後執行沉積後圖案化處理。
特定實施例中，在沉積處理之間不暴露陰極層於空氣周遭環境下，在陰極層上執行電解質層之後續沉積。第5圖描繪陳述根據本發明實施例製造薄膜電池之整合方案的流程圖500。參照流程圖500之操作502，薄膜電池製造處理包括陰極層之沉積。參照選擇性操作503a，一實施例中，在基底陰極材料(可能已經包括鋰或可能沒有包括鋰)之沉積後鋰化陰極層。參照選擇性操作503b，一實施例中，退火處理(例如，藉由加熱陰極層)陰極層。特定實施例中，在基底陰極材料(可能已經包括鋰或可能沒有包括鋰)之沉積後鋰化陰極層，並接著退火處理(例如，藉由加熱陰極層)陰極層。實施例中，步驟503a與503b亦可顛倒。參照流程圖500之操作504，接著在不暴露陰極層於周遭空氣條件下於陰極層上形成電解質層。參照流程圖500之操作506，執行包括遮罩操作之第二電解質層沉積操作。在基板上沉積有上述層且暴露於空氣周遭環境的情況下，電解質層可保護陰極層。
另一特定實施例中，在沉積處理之間不暴露陽極層於空氣周遭環境下，於陽極層上執行金屬層、介電層、介電質-有機複合層或有機層之後續沉積。第6圖描繪陳述根據本發明實施例製造薄膜電池之整合方案的流程圖600。參照流程圖600之操作602，薄膜電池製造處理包括陽極層之沉積。參照選擇性操作603a，一實施例中，在基底陽極材料(可能已經包括鋰或可能沒有包括鋰)之沉積後鋰化陽極層。參照選擇性操作603b，一實施例中，退火處理(例如，藉由加熱陽極層)陽極層。特定實施例中，在基底陽極材料(可能已經包括鋰或可能沒有包括鋰)之沉積後鋰化陽極層，並接著退火處理(例如，藉由加熱陽極層)陽極層。參照流程圖600之操作604，接著在不暴露陽極層於周遭空氣條件下於陽極層上形成初步保護塗層。參照流程圖600之操作606，執行包括遮罩操作之第二塗層沉積操作。在基板上沉積有上述層且暴露於空氣周遭環境的情況下，初步保護塗層可保護陽極層。
第7圖描繪根據本發明實施例(相對於處理裝備之傳統配置)之200毫米群集工具的配置，其適合用於包括鋰陽極之併入與陰極之鋰化的薄膜電池方法。參照第7圖，群集工具702係設以適應具有異位(至手套箱)遮罩排列之處理流程。亦繪示傳統工具構形704。實施例中，群集工具702具有額外的腔室以適應上述需要手套箱中之排列的額外保護沉積操作。一實施例中，群集工具702包括噴頭式(具有外儲槽)或內儲槽式直接的鋰蒸鍍器706。特定實施例中，藉由將板上鋰沉積腔室706併入群集工具702，可排除工具-至-工具之異位傳送的需求。另一實施例中，群集工具702包括高鋰沉積速率腔室，例如(但不限於)鋰濺射腔室。特定實施例中，高鋰沉積速率腔室包括用以執行鋰靶材之濺射的氬氣來源位置。實施例中，群集工具702包括退火腔室705，例如第7圖所示之快速熱退火(RTA腔室)。
第8圖描繪根據本發明實施例(相對於處理裝備之傳統配置)之200毫米群集工具的配置，其適合用於包括合金陽極之形成的薄膜電池方法。參照第8圖，群集工具802係設以適應具有異位遮罩排列之處理流程。亦繪示傳統工具構形804。實施例中，群集工具802具有額外的腔室以適應上述之額外的保護沉積操作。一實施例中，板上鋰腔室806可進行矽-鋰-矽或鋰-矽(矽在頂部上)型沉積。實施例中，群集工具802包括退火腔室805，例如第8圖所示之快速熱退火(RTA腔室)。雖然此實例顯示為200毫米Si-IC平臺與腔室，但相同概念可延伸至300毫米與線上工具。
本發明另一態樣中，提供最佳化薄膜電池工廠。可理解雖然顯示200毫米工具組之實例，但上述方式可輕易實施於300毫米工具組。第9圖描繪根據本發明實施例利用最佳化遮罩處理之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。
參照第9圖，利用最佳化遮罩處理之製造薄膜電池的工廠900包括第一處理工具902，用以沉積金屬或半導體層。根據本發明實施例，第一處理工具902包括鋰腔室904。實施例中，第一處理工具902連結於遮罩排列器906。工廠900亦包括第二處理工具908，用以沉積主動層。根據本發明實施例，如第9圖所示，第二處理工具908包括一或多個陰極沉積腔室、金屬沉積腔室、一或多個電解質沉積腔室與鋰沉積腔室。工廠900亦包括第三處理工具910，用以進行快速熱處理；第四處理工具912，用以沉積介電層；與第五處理工具914，用以執行反應性離子蝕刻。根據本發明實施例，工廠900亦包括第六處理工具916，用以沉積薄膜電池之特製層。根據本發明實施例，如第9圖所示，第六處理工具916係設以沉積聚合物層。此外，分別用於金屬/半導體與主動層之第一工具組902與第二工具組908可裝配如第7圖與第8圖所示之板上退火腔室。上述工具組可在多個材料與整合方案中製造薄膜電池。
本發明一態樣中，提供無遮罩處理整合方案的工廠工具組。實施例中，工廠包括平臺，諸如(但不限於)群集工具平臺、線上平臺、目標為高產量之線上平臺、或200mm-線上組合平臺。一實施例中，200mm-線上組合式平臺可讓製造商輕易地調整相對較低沉積速率之元件材料層(諸如，陰極與電解質)。特定實施例中，系統佈局在本質上為模組，可適用於製造薄膜電池之整合沉積與圖案化的多個方式中。
第10圖描繪根據本發明實施例利用無遮罩-整合處理之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。
參照第10圖，利用無遮罩-整合處理之製造薄膜電池的工廠1000包括第一處理工具1002，用以沉積金屬層。根據本發明實施例，第一處理工具1002包括鋰腔室1004。工廠1000亦包括第二處理工具1006，用以沉積主動層。根據本發明實施例，如第10圖所示，第二處理工具1006包括一或多個陰極沉積腔室、一或多個金屬沉積腔室、一或多個電解質沉積腔室與鋰沉積腔室。工廠1000亦包括第三處理工具1008，用以進行快速熱處理；第四處理工具1010，用以沉積介電層；與第五處理工具1012，用以執行反應性離子蝕刻。根據本發明實施例，工廠1000亦包括額外的處理工具1014、1016、1018與1020，用以執行製造薄膜電池中之處理操作。根據本發明實施例，如第10圖所示，處理工具1014係設以沉積聚合物層，處理工具1016係設以進行微影暴露與阻劑剝除操作，處理工具1018係設以進行蝕刻與清潔操作，而處理工具1020係設以進行薄膜電池製造於其上之晶圓的雷射刻劃。類似於第9圖，分別用於金屬層與主動層之第一工具組1002與第二工具組1006可裝配板上退火腔室。取決於整合方案，有可能在異位圖案化過程中暴露空氣敏感層之側壁。上述實例中，需要設置適當工具以排除空氣暴露，舉例而言，藉由以手套箱接合或群集腔室以進行直接傳送。
第11圖描繪根據本發明實施例利用無遮罩-整合處理之線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠的方塊圖。
參照第11圖，利用無遮罩-整合處理之製造薄膜電池的工廠1100包括第一處理工具1102，用以沉積主動層。根據本發明實施例，如第11圖所示，第一處理工具1102包括複數個陰極沉積腔室1104、金屬沉積腔室1106、複數個電解質沉積腔室1108與複數個鋰沉積腔室1110。工廠1100亦包括第二處理工具1112，用以沉積金屬或半導體層。根據本發明實施例，第二處理工具1112包括複數個金屬腔室1114。實施例中，工廠1100亦包括額外的處理工具1116、1118、1120、1122與1124，用以執行製造薄膜電池中不同的處理操作。一實施例中，如第11圖所示，處理工具1116係設以進行快速熱處理，處理工具1118係設以沉積聚合物層，處理工具1120係設以進行微影暴露與阻劑剝除操作，處理工具1122係設以進行蝕刻與清潔操作，而處理工具1124係設以進行薄膜電池製造於其上之晶圓的雷射刻劃。此沉積工具之特定構形係用於陰極，其為非空氣敏感(具有或不具有退火)或空氣敏感(但不需要鋰陽極之退火)。可利用相似概念輕易衍生出其他類型的陰極-陽極對與處理整合流程之類似構形。
第12圖描繪根據本發明實施例利用無遮罩-整合處理之線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠(設計用於高產量)的方塊圖。
參照第12圖，利用無遮罩-整合處理製造薄膜電池之工廠1200(設計用於高產量)包括第一處理工具1202，用以沉積電解質與陽極層。根據本發明實施例，如第12圖所示，第一處理工具1202包括複數個電解質沉積腔室1204、一或多個金屬沉積腔室1206與一或多個鋰沉積腔室1208。工廠1200亦包括第二處理工具1210，用以沉積陰極層。根據本發明實施例，如第12圖所示，第二處理工具1210包括複數個陰極沉積腔室1212。工廠1200亦包括第三處理工具1214，用以沉積金屬或半導體層。根據本發明實施例，第三處理工具1214包括複數個金屬腔室1216與複數個半導體腔室1218。實施例中，工廠1200亦包括額外的處理工具1218、1220、1222、1224、1226與1228，用以執行製造薄膜電池中之不同處理操作。一實施例中，如第12圖所示，處理工具1218係設以進行快速熱處理，處理工具1220係設以沉積聚合物層，處理工具1222係設以進行微影暴露與阻劑剝除操作，處理工具1224係設以進行蝕刻與清潔操作，處理工具1226係設以進行雷射消融，而處理工具1228係設以用於介電層沉積。針對LiCoO2 -Li電池建立此特定系統。可利用相似概念輕易衍生出其他類型的陰極-陽極對與處理整合流程之類似構形。
第13圖描繪根據本發明實施例之組合式200毫米與線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠的方塊圖。此實例中，線上工具將處理多個200毫米工具相容之基板。
參照第13圖，製造薄膜電池之工廠1300包括第一處理工具1302，用以沉積金屬或半導體層。根據本發明實施例，第一處理工具1302包括鋰腔室1304。第一處理工具1302可裝配第7圖與第8圖所示之板上退火腔室。工廠1300亦包括第二線上處理工具1306，用以沉積主動層。根據本發明實施例，如第13圖所示，第二處理工具1306包括複數個陰極沉積腔室1308、一或多個金屬沉積腔室1310、複數個電解質沉積腔室1312與一或多個鋰沉積腔室1314。工廠1300亦包括第三處理工具1316，用於進行快速熱處理；第四處理工具1318，用以沉積介電層；及第五處理工具1320，用以執行反應性離子蝕刻。根據本發明實施例，工廠1300亦包括額外的處理工具1322、1324、1326與1328，用以執行製造薄膜電池中之處理操作。根據本發明實施例，如第13圖所示，處理工具1322係設以沉積聚合物層，處理工具1324係設以進行微影暴露與阻劑剝除操作，處理工具1326係設以進行清潔操作，而處理工具1328係設以進行薄膜電池製造於其上之晶圓的雷射刻劃。
本發明另一態樣中，提供遮罩-式整合方案之線上工廠模型。實施例中，原位執行遮罩排列與管理。一實施例中，工具組係基於示範性處理整合方案且可輕易適應於整合流程中的任何改變。第14圖描繪根據本發明實施例具有遮罩整合(包括原位遮罩管理)之製造薄膜電池的高容量製造工具組之方塊圖。
參照第14圖，具有遮罩整合(包括原位遮罩管理)之製造薄膜電池的工廠1400包括系統1402，具有數個處理工具，用以沉積主動層、金屬與半導體。根據本發明實施例，系統1402包括第一處理工具1404，用以沉積金屬與介電層；第二處理工具1406，用以沉積半導體層；第三處理工具1408，用以沉積電解質層；第四處理工具1410，用以沉積陰極層；第五處理工具1412，用以沉積金屬層。工廠1400亦包括系統1414，用以沉積聚合物；與系統1416，具有數個用以形成保護塗層之處理工具。根據本發明實施例，系統1416係用於保護塗層沉積與圖案化。此特定構形描繪能夠具有兩個不同遮罩操作之多層與材料系統。因此，三個整合式模組1418、1420與1422可用於泛稱或特定材料(諸如，介電與金屬層)以及圖案化之蝕刻處理的組合。第14圖亦繪示遮罩管理系統的單元。舉例而言，1450係旋轉-排列模組，而1452係遮罩儲存區，其具有不同的遮罩負載/卸載埠，以在不排空對應腔室下再生與重新裝填。
本發明另一態樣中，提供具有標準蒸鍍工具之工廠模型。第15圖描繪根據本發明實施例利用標準鋰蒸鍍工具之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。此構形可用於處理空氣敏感陰極材料。
參照第15圖，製造薄膜電池之工廠1500包括第一處理工具1502，用以沉積金屬或半導體層以形成薄膜電池之接點。工廠1500亦包括第二處理工具1504，用以沉積陰極層、電解質層與鋰。第二處理工具1504包括第一群集工具1550，用以沉積陰極層；與第二群集工具1552，用以沉積電解質層。一實施例中，如第15圖所示，第一群集工具1550係裝設有熱退火腔室1554以進行原位退火，但不裝設沉積鋰或含鋰層之腔室。反之，根據本發明實施例，第二處理工具1504包括標準鋰蒸鍍工具1556，其裝設有一或多個手套箱(GBs)，以耦接標準鋰蒸鍍工具1556至第一群集工具1550與第二群集工具1552。
再度參照第15圖，工廠1500亦包括第三處理工具1506，用於進行快速熱處理；第四處理工具1508，用以藉由電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)沉積層；第五處理工具1510，用以執行反應性離子蝕刻；與第六處理工具1512，用以沉積薄膜電池之特製層，例如聚合物層。一實施例中，如第15圖所示，第四處理工具1508係耦接至手套箱(GB)以符合特製處理需求。
第16圖描繪根據本發明實施例利用單一遮罩整合處理之線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠(設計用於高產量)的方塊圖。
參照第16圖，利用單一遮罩整合處理之薄膜電池製造工廠1600(設計用於高產量)包括第一處理工具1602，用以沉積電解質與鋰基層。根據本發明實施例，如第16圖所示，第一處理工具1602包括複數個電解質沉積腔室1604、一或多個金屬沉積腔室1606與一或多個鋰沉積腔室1608。工廠1600亦包括第二處理工具1610，用以沉積陰極層。根據本發明實施例，如第16圖所示，第二處理工具1610包括複數個陰極沉積腔室1612。工廠1600亦包括第三處理工具1614，用以沉積金屬或半導體層以形成薄膜電池之接點。根據本發明實施例，如第16圖所 示，第三處理工具1614包括複數個金屬腔室1616，諸如鈦(TI)、鋁(Al)與金/鉑(Au/Pt)沉積腔室。實施例中，工廠1600亦包括額外群組的處理工具1618、1620、1622、1624與1626，用以執行製造薄膜電池中之不同處理操作。一實施例中，如第16圖所示，周圍工具群組包括處理工具1618，設以進行快速熱處理；處理工具1620，設以沉積聚合物層；與處理工具1622，設以進行蝕刻、清潔與剝除操作。一實施例中，如第16圖所示，圖案化工具群組包括處理工具1624，設以進行微影暴露；及處理工具1626，設以進行雷射刻劃。根據本發明實施例，工廠1600可用以執行無遮罩-整合方案與遮罩式整合方案間之雜合整合處理。此特定工廠可用於LiCoO2 -Li電池。可利用相似概念輕易衍生出其他類型的陰極-陽極對與處理整合流程之類似構形。
因此，一或多個本發明實施例中，提供鋰基薄膜電池製造之工廠佈局。工廠佈局包括第一處理工具，用以沉積金屬或半導體層；第二處理工具，用以沉積主動層；第三處理工具，用以進行快速熱處理；第四處理工具，用以沉積介電層；第五處理工具，用以執行反應性離子蝕刻；與第六處理工具，用以沉積薄膜電池之特製層。
一實施例中，第六處理工具係設以在相同處理工具中沉積鋰或含鋰層與保護塗層兩者。特定實施例中，鋰層係鋰陽極層，而保護塗層係聚合物層。一實施例中，第一處理工具包括第一鋰腔室，而第二處理工具包括第二 鋰腔室。特定實施例中，第六處理工具係設以沉積聚合物層。特定實施例中，工廠佈局更包括第七處理工具組，設以進行微影暴露與阻劑剝除操作；第八處理工具組，設以進行蝕刻與清潔操作；與第九處理工具，設以進行薄膜電池製造於其上之晶圓或基板的雷射刻劃。一實施例中，第二處理工具包括第一群集工具，用以沉積陰極層；第二群集工具，用以沉積電解質層；與鋰蒸鍍工具，包括一或多個手套箱將鋰蒸鍍工具耦接至第一群集工具與第二群集工具。一實施例中，鋰基薄膜電池製造包括遮罩式整合方案。一實施例中，鋰基薄膜電池製造包括無遮罩-整合方案。
一或多個其他本發明實施例中，提供鋰基薄膜電池製造的不同工廠佈局。工廠佈局包括第一處理工具，用以沉積主動層，其中第一處理工具係線上處理工具；與第二處理工具，用以沉積金屬或半導體層。
一實施例中，第一處理工具包括複數個鋰沉積腔室。特定實施例中，工廠佈局更包括第三處理工具，設以進行快速熱處理；第四處理工具，設以沉積聚合物層；第五處理工具組，設以進行微影暴露與阻劑剝除操作；第六處理工具組，設以進行蝕刻與清潔操作；與第七處理工具，設以進行薄膜電池製造於其上之晶圓的雷射刻劃。一實施例中，第一處理工具係設以沉積電解質與陽極層，而第二處理工具係線上處理工具。工廠佈局更包括第三處理工具，設以沉積陰極層，其中第三處理工具 係線上處理工具。特定實施例中，第二處理工具包括複數個鋰沉積腔室，而工廠佈局更包括第四處理工具，設以進行快速熱處理；第五處理工具，設以沉積聚合物層；第六處理工具，設以進行微影暴露與阻劑剝除操作；第七處理工具，設以進行蝕刻與清潔操作；第八處理工具，設以進行雷射消融；與第九處理工具，設以沉積介電層。一實施例中，第二處理工具係群集處理工具。特定實施例中，第二處理工具包括設以沉積鋰或含鋰層之腔室。一實施例中，第二處理工具係線上處理工具且直接耦接至第一處理工具。工廠佈局更包括第三處理工具，用以沉積保護塗層，其中第三處理工具係線上處理工具。一實施例中，第一處理工具係設以沉積陰極層，第二處理工具係線上處理工具且設以沉積接點層，而工廠佈局更包括第三處理工具，用以沉積電解質與鋰或含鋰層，其中第三處理工具係線上處理工具。一實施例中，鋰基薄膜電池製造包括遮罩式整合方案。一實施例中，鋰基薄膜電池製造包括無遮罩-整合方案。
因此，已經揭露製造薄膜電池之方法與工廠。根據本發明實施例，方法包括製造薄膜電池之操作。根據本發明另一實施例，工廠包括製造薄膜電池之一或多個工具組。
100．．．沉積工具
102．．．手套箱
200．．．薄膜電池
202．．．堆疊層
204．．．基板
206．．．陰極電流收集層
208．．．陽極電流收集層
210．．．陰極層
212．．．陽極層
214．．．電解質層
216．．．保護塗層
300、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600．．．工廠
302、902、1002、1102、1202、1302、1404、1502、1602．．．第一處理工具
304、908、1006、1112、1210、1306、1406、1504、1610．．．第二處理工具
306、910、1008、1214、1316、1408、1506、1614．．．第三處理工具
308、912、1010、1318、1410、1508．．．第四處理工具
310、914、1012、1320、1412、1510．．．第五處理工具
312、916、1512．．．第六處理工具
400、500、600．．．流程圖
402、404、406、408、410、412、502、503A、503B、504、506、602、603A、603B、604、606．．．操作
702、802．．．群集工具
704、804．．．傳統工具構形
705、805．．．退火腔室
706．．．鋰蒸鍍器
806．．．板上鋰腔室
904、1004、1304．．．鋰腔室
906．．．遮罩排列器
1014、1016、1018、1020、1116、1118、1120、1122、1124、1220、1222、1224、1226、1228、1322、1324、1326、1328、1618、1620、1622、1624、1626．．．處理工具
1104、1212、1308、1612．．．陰極沉積腔室
1106、1206、1310、1606．．．金屬沉積腔室
1108、1204、1312、1604．．．電解質沉積腔室
1110、1208、1314、1608．．．鋰沉積腔室
1114、1216、1616．．．金屬腔室
1218．．．半導體腔室
1402、1414、1416．．．系統
1418、1420、1422．．．整合式模組
1450．．．旋轉-排列模組
1452．．．遮罩儲存區
1550．．．第一群集工具
1552．．．第二群集工具
1554．．．熱退火腔室
1556．．．鋰蒸鍍工具
第1圖描繪製造薄膜電池之傳統裝備配置的實例。
第2圖描繪根據本發明實施例預期藉由本文所述之製造處理與工具配置製造之示範性薄膜電池的橫剖面圖。
第3圖描繪根據本發明實施例利用遮罩式處理之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。
第4圖描繪根據傳統方法製造薄膜電池之整合方案中之操作的流程圖。
第5圖描繪根據本發明實施例製造薄膜電池之整合方案中之操作的流程圖。
第6圖描繪根據本發明實施例製造薄膜電池之整合方案中之操作的流程圖。
第7圖描繪根據本發明實施例適合用於包括鋰陽極之併入與陰極之鋰化的薄膜電池方法之200毫米群集工具的配置(相對於傳統處理裝置之配置)。
第8圖描繪根據本發明實施例適合用於包括合金陽極之形成的薄膜電池方法之200毫米群集工具的配置(相對於傳統處理裝置之配置)。
第9圖描繪根據本發明實施例利用最佳化遮罩式處理之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。
第10圖描繪根據本發明實施例利用無遮罩整合處理之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。
第11圖描繪根據本發明實施例利用無遮罩整合處理之線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠的方塊圖。
第12圖描繪根據本發明實施例利用無遮罩整合處理之線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠(設計用於高產量)的方塊圖。
第13圖描繪根據本發明實施例之組合式200毫米與線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠的方塊圖。
第14圖描繪根據本發明實施例具有遮罩式整合(包括原位遮罩管理)之製造薄膜電池之高容量製造工具組的方塊圖。
第15圖描繪根據本發明實施例利用標準鋰蒸鍍工具之200毫米薄膜電池製造工廠的方塊圖。
第16圖描繪根據本發明實施例利用單一遮罩整合處理之線上大面積塗覆器薄膜電池製造工廠(設計用於高產量)的方塊圖。
300．．．工廠
302．．．第一處理工具
304．．．第二處理工具
306．．．第三處理工具
308．．．第四處理工具
310．．．第五處理工具
312．．．第六處理工具

Claims (19)

  1. 一種鋰基薄膜電池製造之工廠設備，該工廠設備包括：一第一處理工具，用以沉積數個金屬或半導體層；一第二處理工具，用以沉積數個主動層，該第二處理工具包括：一第一群集工具，用以沉積數個陰極層；一第二群集工具，用以沉積數個電解質層；及一鋰蒸鍍工具，包括一或多個手套箱，該一或多個手套箱將該鋰蒸鍍工具耦接至該第一群集工具與該第二群集工具；一第三處理工具，用以進行快速熱處理；一第四處理工具，用以沉積數個介電層；一第五處理工具，用以執行反應性離子蝕刻；及一第六處理工具，用以沉積數個薄膜電池之特製層(specialty layer)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之工廠設備，其中該第六處理工具係設以在相同處理工具中沉積一鋰或含鋰層與一保護塗層兩者。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之工廠設備，其中該鋰層係一鋰陽極層，而該保護塗層係一聚合物層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之工廠設備，其中該第一處理工具包括一不同於該第二處理工具之鋰蒸鍍工具的鋰腔室。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之工廠設備，其中該第六處理工具係設以沉積一聚合物層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之工廠設備，更包括：一第七處理工具組，設以進行微影暴露與阻劑剝除操作；一第八處理工具組，設以進行蝕刻與清潔操作；及一第九處理工具，設以進行數個薄膜電池製造於其上之晶圓或基板的雷射刻劃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之工廠設備，其中該鋰基薄膜電池製造包括一遮罩式整合方案。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之工廠設備，其中該鋰基薄膜電池製造包括一無遮罩(mask-less)-整合方案。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之工廠設備，其中該鋰蒸鍍工具配置於該第一群集工具與該第二群集工具之間，該一或多個手套箱之一第一者將該第一群集工具耦接至 該鋰蒸鍍工具，且該一或多個手套箱之一第二者將該第二群集工具耦接至該鋰蒸鍍工具。
  10. 一種鋰基薄膜電池製造之工廠設備，該工廠設備包括：一第一處理工具，用以沉積數個金屬或半導體層；一第二處理工具，用以沉積數個主動層，該第二處理工具包括：一第一群集工具，用以沉積數個陰極層；一第二群集工具，用以沉積數個電解質層；及一鋰蒸鍍工具，配置於該第一群集工具與該第二群集工具之間，其中一第一手套箱將該第一群集工具耦接至該鋰蒸鍍工具，且一第二手套箱將該第二群集工具耦接至該鋰蒸鍍工具；一第三處理工具，用以進行快速熱處理；一第四處理工具，用以沉積數個介電層；一第五處理工具，用以執行反應性離子蝕刻；及一第六處理工具，用以沉積數個薄膜電池之特製層(specialty layer)。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之工廠設備，其中該第六處理工具係設以在相同處理工具中沉積一鋰或含鋰層與一保護塗層兩者。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之工廠設備，其中該鋰層係一鋰陽極層，而該保護塗層係一聚合物層。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之工廠設備，其中該第一處理工具包括一不同於該第二處理工具之鋰蒸鍍工具的鋰腔室。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之工廠設備，其中該第六處理工具係設以沉積一聚合物層。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之工廠設備，更包括：一第七處理工具組，設以進行微影暴露與阻劑剝除操作；一第八處理工具組，設以進行蝕刻與清潔操作；及一第九處理工具，設以進行數個薄膜電池製造於其上之晶圓或基板的雷射刻劃。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之工廠設備，其中該鋰基薄膜電池製造包括一遮罩式整合方案。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之工廠設備，其中該鋰基薄膜電池製造包括一無遮罩整合方案。
  18. 一種鋰基薄膜電池製造之處理工具，該處理工具包 括：一第一群集工具，用以沉積數個陰極層；一第二群集工具，用以沉積數個電解質層；及一鋰蒸鍍工具，包括一或多個手套箱，該一或多個手套箱將該鋰蒸鍍工具耦接至該第一群集工具與該第二群集工具。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之處理工具，其中該鋰蒸鍍工具配置於該第一群集工具與該第二群集工具之間，該一或多個手套箱之一第一者將該第一群集工具耦接至該鋰蒸鍍工具，且該一或多個手套箱之一第二者將該第二群集工具耦接至該鋰蒸鍍工具。
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