垂直薄膜電池的無掩模制造
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求享有于2012年12月19日提交的美國臨時申請第61/739, 635號的權(quán) 益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實施方式大體涉及用于薄膜電池的無遮光掩模制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0004] 薄膜電池（TFB)已預計在微能源應用空間占據(jù)主流。與傳統(tǒng)電池技術(shù)相比，已知 TFB呈現(xiàn)諸如優(yōu)越的形狀因子、循環(huán)壽命、功率容量和安全性的若干優(yōu)勢。圖1示出典型的 薄膜電池（TFB)的截面圖，且圖2示出制造TFB的流程圖以及圖案化的TFB層的相應的平 面圖。圖1示出典型的水平TFB裝置結(jié)構(gòu)100,裝置結(jié)構(gòu)100具有形成于基板101上的陽極 集電器103和陰極集電器102,隨后為陰極104、電解質(zhì)105和陽極106,然而所述裝置可以 使陰極、電解質(zhì)和陽極以相反的順序來制造。此外，可分別沉積陰極集電器（CCC)和陽極集 電器（ACC)。舉例而言，可在陰極之前沉積CCC，且可在電解質(zhì)之后沉積ACC。所述裝置可通 過封裝層107覆蓋，以使環(huán)境敏感層免受氧化劑的影響。例如，參見N.J.DudneyMaterials ScienceandEngineeringB116,（2005)245-249。注意，圖 1 中示出的TFB裝置的這些部 件層不是按比例繪制的。
[0005] 然而，依然存在需要克服的挑戰(zhàn)，以允許TFB的有成本效益的高產(chǎn)量制造（high volumemanufacturing,HVM)。最關(guān)鍵在于，這些裝置層的物理氣相沉積（PVD)期間所使用 的目前最先進的TFB裝置圖案化技術(shù)（亦即遮光掩模）需要一種替代技術(shù)。在HVM中使用 遮光掩模工藝存在相關(guān)的顯著的復雜性和成本：（1)在用于管理、精確對準和清潔這些掩 模的裝備中需要顯著的資本投資，尤其對于大面積基板的掩模而言（2)由于必須在遮光掩 模邊緣下面容納沉積和有限的對準精確度，對基板面積的利用很少；和（3)為避免熱膨脹 誘發(fā)的對準問題，對PVD工藝存在約束，即低功率和低溫。
[0006] 在HVM工藝中，遮光掩模的利用（普遍存在于傳統(tǒng)和目前最先進的TFB制造技術(shù)） 將導致制造中較高的復雜性和較高的成本。復雜性和成本起因于需要制造高度精確的掩模 和用于掩模對準和再生的（自動）管理系統(tǒng)。成本和復雜性可從用于硅基集成電路工業(yè)的 眾所周知的光刻（photolithography)工藝推斷。此外，所述成本起因于維護這些掩模的需 要和由新增的對準步驟引起的產(chǎn)量限制。當為了提高產(chǎn)量和經(jīng)濟規(guī)模（亦即，HVM)而放大 至更大面積的基板進行制造時，適應變得更加困難和昂貴。此外，由于遮光掩模有限的可得 性和能力，所述放大（至較大基板）本身可能受限。
[0007] 使用遮光掩模的另一影響為減少了對給定基板面積的利用，從而導致非最佳的電 池密度（電池充電、電池能量和電池功率）。這是因為遮光掩模不能完全限制濺射物種沉 積在這些掩模下方，進而在連續(xù)層之間導致一些最低非重疊要求，以便維持關(guān)鍵層之間的 電絕緣。此外，還有來自掩模制造中的不精確度和對準工具的對準精確度的固有對準限制。 由于基板與掩模之間的熱膨脹失配以及沉積期間的不同熱條件，導致這種對準不精確度進 一步加劇。所述最低非重疊要求的后果為陰極面積的損失，導致TFB的容量、能量和功率儲 量（powercontent)的總損耗（當任何其他條件相同時）。
[0008] 遮光掩模的進一步影響為受限的工藝產(chǎn)量，因為必須避免額外的熱誘發(fā)的對準問 題，亦即，掩模的熱膨脹導致掩模翹曲，和掩模邊緣移動而遠離這些掩模相對于基板的對準 位置。因此，因為在低沉積速率下操作沉積工具以避免加熱這些掩模而超過工藝容差，所以 PVD產(chǎn)量低于所需產(chǎn)量。
[0009] 此外，使用物理（遮光）掩模的工藝通常會遭受顆粒污染，所述顆粒污染最終影響 產(chǎn)率。
[0010] 因此，仍需要通過使TFB工藝技術(shù)能夠簡化、更兼容HVM，來顯著降低TFB的HVM的 成本的概念和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本文描述了一種新型垂直薄膜電池，在所述電池中，陽極和陰極分別從頂部膜側(cè) 和底部基板向外電連接。這種垂直TFB結(jié)構(gòu)不僅增加了基板利用率和產(chǎn)率，而且簡化了TFB 制造工藝。注意，本文中的術(shù)語陰極是用于描述在陽極發(fā)生氧化反應的同時發(fā)生還原反應 的電極，亦即，盡管非同時，一個電極將起陰極和陽極兩者的作用，這取決于電化學反應發(fā) 生的方向。舉例而言，在一個方向中，LiCoOjl為陰極，且在另一方向中，所述LiCoOjlS 陽極。
[0012] 本發(fā)明利用垂直TFB結(jié)構(gòu)、TFB層的覆蓋沉積和覆蓋層的非原位（exsitu)激光圖 案化，以提高產(chǎn)率、產(chǎn)量、圖案化精確度和增大沖模（die)密度。所述新型垂直TFB結(jié)構(gòu)不 僅可增大基板利用率和產(chǎn)率，且可簡化TFB制造工藝。覆蓋層沉積除去了對遮光掩模的需 要，這不僅去除了制造和清潔掩模（尤其是對于大面積基板的掩模）的高成本，而且去除了 對PVD工藝的任何約束，所述約束由潛在熱膨脹誘發(fā)的對準問題和額外磁體與RFPVD工藝 之間的相互作用引起。在不破壞真空的情況下（除沉積后需要進行陰極退火之外），于單一 基板上連續(xù)覆蓋沉積所有有源層（activelayer)的概念明顯增加了膜沉積產(chǎn)量且減少了 激光燒蝕（ablation)步驟和挑戰(zhàn)。因為最小化了暴露時與周圍的氧化劑接觸所產(chǎn)生的不 良反應，這些不良反應即吸濕的LiPON可吸收環(huán)境中的H20/與環(huán)境中的H20(環(huán)境中的H20 很可能在隨后的Li沉積步驟期間與Li反應）反應而生成不需要的界面層（interfacial layer)和額外的電池阻抗源，所以減少環(huán)境暴露亦可提高裝置性能。垂直TFB結(jié)構(gòu)、覆蓋沉 積和非原位激光圖案化TFB提高了圖案精確度、產(chǎn)率和基板/材料使用度，且具有將TFB的 制造成本降低至遠低于當前成本的巨大潛力。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，一種制造薄膜電池的方法可包括以下步驟：在導電 基板上沉積覆蓋層的第一堆疊，所述第一堆疊包括陰極集電器層、陰極層（根據(jù)需要退火 該層）、電解質(zhì)層、陽極層和陽極集電器層；激光沖模圖案化所述第一堆疊，以形成一個或 更多個第二堆疊（各第二堆疊形成獨立TFB的核心）；在所述一個或更多個第二堆疊之 上覆蓋沉積封裝層；激光圖案化所述封裝層，以為一個或更多個獨立堆疊的每一者上的 ACC打開接觸區(qū)域；視滲透阻擋的適當要求，可重復進行重復的覆蓋沉積封裝層和隨后的 ACC圖案化；在所述封裝層和這些ACC的接觸區(qū)域之上覆蓋沉積金屬襯墊層（metalpad layer);和激光圖案化所述金屬襯墊層，以電隔離一個或更多個TFB的每一者的ACC，該步 驟可通過激光切割（laserdicing)以獲取單獨的TFB來實現(xiàn)。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一些實施方式，一種制造薄膜電池的方法可包括以下步驟：在非 導電基板上沉積覆蓋層的第一堆疊，所述第一堆疊包括沖模圖案化輔助層（視需要）、陰極 集電器層、陰極層（根據(jù)需要退火該層）、電解質(zhì)層、陽極層和陽極集電器層；激光沖模圖案 化所述第一堆疊，以形成一個或更多個第二堆疊（各第二堆疊形成獨立TFB的核心）；在 所述一個或更多個第二堆疊之上覆蓋沉積封裝層；激光圖案化所述封裝層，以為一個或更 多個第二堆疊的每一者上的ACC打開陽極接觸區(qū)域；在封裝層和ACC的陽極接觸區(qū)域之上 覆蓋沉積金屬襯墊層；激光圖案化所述金屬襯墊層以電隔離一個或更多個TFB的每一者的 ACC;和穿過基板打開一個或更多個薄膜電池的每一者的陰極集電器上的陰極接觸區(qū)域。
[0015] 此外，本發(fā)明描述用于實施上述方法的工具。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的另一些實施方式，一種薄膜電池可包括：層的堆疊，所述堆疊位于非 導電基板的頂表面上，所述堆疊包括陰極集電器層、陰極層、電解質(zhì)層、陽極層和陽極集電 器層；封裝層，除留有通往所述陽極集電器層的至少一個開口（用于與所述陽極層電接觸） 之外，所述封裝層完全覆蓋所述層的堆疊；和金屬襯墊層，所述金屬襯墊層在所述封裝層中 的至少一個開口處與所述陽極集電器層接觸；其中基板具有通往所述陰極集電器的開口， 用于與所述陰極層電接觸。
【附圖說明】
[0017] 在結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的【具體實施方式】的以下描述的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的這些和其 它方面和特征對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說將變得顯而易見，其中：
[0018] 圖1為薄膜電池（TFB)的截面圖；
[0019] 圖2為制造TFB的流程圖，以及圖案化的TFB層的相應平面圖；
[0020] 圖3A至圖3F為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式用于制造具有導電基板的垂直TFB的 第一工藝流程中的順序步驟的截面圖；
[0021] 圖4A至圖4G為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式用于制造具有非導電基板的垂直TFB 的第二工藝流程中的順序步驟的截面圖；
[0022] 圖5A至圖5C為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式用于制造具有非導電基板的垂直TFB 的第三工藝流程中的順序步驟的截面圖和平面圖；
[0023] 圖6A和圖6B為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式跨越垂直TFB的邊緣的表面輪廓儀跡 線（profilometertrace)，所述垂直TFB通過532nm納秒激光分別從基板的背側(cè)（基板側(cè)） 和前側(cè)（膜側(cè)）圖案化；
[0024] 圖7為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式的激光圖案化工具的示意圖；
[0025] 圖8為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式用于制造垂直TFB的薄膜沉積群集工具的示意 圖；
[0026] 圖9為根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式用于制造垂直TFB的具有多個串聯(lián)