垂直薄膜电池的无掩模制造
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有于2012年12月19日提交的美国临时申请第61/739, 635号的权 益。
技术领域
[0003] 本发明的实施方式大体涉及用于薄膜电池的无遮光掩模制造工艺。
【背景技术】
[0004] 薄膜电池（TFB)已预计在微能源应用空间占据主流。与传统电池技术相比，已知 TFB呈现诸如优越的形状因子、循环寿命、功率容量和安全性的若干优势。图1示出典型的 薄膜电池（TFB)的截面图，且图2示出制造TFB的流程图以及图案化的TFB层的相应的平 面图。图1示出典型的水平TFB装置结构100,装置结构100具有形成于基板101上的阳极 集电器103和阴极集电器102,随后为阴极104、电解质105和阳极106,然而所述装置可以 使阴极、电解质和阳极以相反的顺序来制造。此外，可分别沉积阴极集电器（CCC)和阳极集 电器（ACC)。举例而言，可在阴极之前沉积CCC，且可在电解质之后沉积ACC。所述装置可通 过封装层107覆盖，以使环境敏感层免受氧化剂的影响。例如，参见N.J.DudneyMaterials ScienceandEngineeringB116,（2005)245-249。注意，图 1 中示出的TFB装置的这些部 件层不是按比例绘制的。
[0005] 然而，依然存在需要克服的挑战，以允许TFB的有成本效益的高产量制造（high volumemanufacturing,HVM)。最关键在于，这些装置层的物理气相沉积（PVD)期间所使用 的目前最先进的TFB装置图案化技术（亦即遮光掩模）需要一种替代技术。在HVM中使用 遮光掩模工艺存在相关的显著的复杂性和成本：（1)在用于管理、精确对准和清洁这些掩 模的装备中需要显著的资本投资，尤其对于大面积基板的掩模而言（2)由于必须在遮光掩 模边缘下面容纳沉积和有限的对准精确度，对基板面积的利用很少；和（3)为避免热膨胀 诱发的对准问题，对PVD工艺存在约束，即低功率和低温。
[0006] 在HVM工艺中，遮光掩模的利用（普遍存在于传统和目前最先进的TFB制造技术） 将导致制造中较高的复杂性和较高的成本。复杂性和成本起因于需要制造高度精确的掩模 和用于掩模对准和再生的（自动）管理系统。成本和复杂性可从用于硅基集成电路工业的 众所周知的光刻（photolithography)工艺推断。此外，所述成本起因于维护这些掩模的需 要和由新增的对准步骤引起的产量限制。当为了提高产量和经济规模（亦即，HVM)而放大 至更大面积的基板进行制造时，适应变得更加困难和昂贵。此外，由于遮光掩模有限的可得 性和能力，所述放大（至较大基板）本身可能受限。
[0007] 使用遮光掩模的另一影响为减少了对给定基板面积的利用，从而导致非最佳的电 池密度（电池充电、电池能量和电池功率）。这是因为遮光掩模不能完全限制溅射物种沉 积在这些掩模下方，进而在连续层之间导致一些最低非重叠要求，以便维持关键层之间的 电绝缘。此外，还有来自掩模制造中的不精确度和对准工具的对准精确度的固有对准限制。 由于基板与掩模之间的热膨胀失配以及沉积期间的不同热条件，导致这种对准不精确度进 一步加剧。所述最低非重叠要求的后果为阴极面积的损失，导致TFB的容量、能量和功率储 量（powercontent)的总损耗（当任何其他条件相同时）。
[0008] 遮光掩模的进一步影响为受限的工艺产量，因为必须避免额外的热诱发的对准问 题，亦即，掩模的热膨胀导致掩模翘曲，和掩模边缘移动而远离这些掩模相对于基板的对准 位置。因此，因为在低沉积速率下操作沉积工具以避免加热这些掩模而超过工艺容差，所以 PVD产量低于所需产量。
[0009] 此外，使用物理（遮光）掩模的工艺通常会遭受颗粒污染，所述颗粒污染最终影响 产率。
[0010] 因此，仍需要通过使TFB工艺技术能够简化、更兼容HVM，来显著降低TFB的HVM的 成本的概念和方法。
【发明内容】
[0011] 本文描述了一种新型垂直薄膜电池，在所述电池中，阳极和阴极分别从顶部膜侧 和底部基板向外电连接。这种垂直TFB结构不仅增加了基板利用率和产率，而且简化了TFB 制造工艺。注意，本文中的术语阴极是用于描述在阳极发生氧化反应的同时发生还原反应 的电极，亦即，尽管非同时，一个电极将起阴极和阳极两者的作用，这取决于电化学反应发 生的方向。举例而言，在一个方向中，LiCoOjl为阴极，且在另一方向中，所述LiCoOjlS 阳极。
[0012] 本发明利用垂直TFB结构、TFB层的覆盖沉积和覆盖层的非原位（exsitu)激光图 案化，以提高产率、产量、图案化精确度和增大冲模（die)密度。所述新型垂直TFB结构不 仅可增大基板利用率和产率，且可简化TFB制造工艺。覆盖层沉积除去了对遮光掩模的需 要，这不仅去除了制造和清洁掩模（尤其是对于大面积基板的掩模）的高成本，而且去除了 对PVD工艺的任何约束，所述约束由潜在热膨胀诱发的对准问题和额外磁体与RFPVD工艺 之间的相互作用引起。在不破坏真空的情况下（除沉积后需要进行阴极退火之外），于单一 基板上连续覆盖沉积所有有源层（activelayer)的概念明显增加了膜沉积产量且减少了 激光烧蚀（ablation)步骤和挑战。因为最小化了暴露时与周围的氧化剂接触所产生的不 良反应，这些不良反应即吸湿的LiPON可吸收环境中的H20/与环境中的H20(环境中的H20 很可能在随后的Li沉积步骤期间与Li反应）反应而生成不需要的界面层（interfacial layer)和额外的电池阻抗源，所以减少环境暴露亦可提高装置性能。垂直TFB结构、覆盖沉 积和非原位激光图案化TFB提高了图案精确度、产率和基板/材料使用度，且具有将TFB的 制造成本降低至远低于当前成本的巨大潜力。
[0013] 根据本发明的一些实施方式，一种制造薄膜电池的方法可包括以下步骤：在导电 基板上沉积覆盖层的第一堆叠，所述第一堆叠包括阴极集电器层、阴极层（根据需要退火 该层）、电解质层、阳极层和阳极集电器层；激光冲模图案化所述第一堆叠，以形成一个或 更多个第二堆叠（各第二堆叠形成独立TFB的核心）；在所述一个或更多个第二堆叠之 上覆盖沉积封装层；激光图案化所述封装层，以为一个或更多个独立堆叠的每一者上的 ACC打开接触区域；视渗透阻挡的适当要求，可重复进行重复的覆盖沉积封装层和随后的 ACC图案化；在所述封装层和这些ACC的接触区域之上覆盖沉积金属衬垫层（metalpad layer);和激光图案化所述金属衬垫层，以电隔离一个或更多个TFB的每一者的ACC，该步 骤可通过激光切割（laserdicing)以获取单独的TFB来实现。
[0014] 根据本发明的另一些实施方式，一种制造薄膜电池的方法可包括以下步骤：在非 导电基板上沉积覆盖层的第一堆叠，所述第一堆叠包括冲模图案化辅助层（视需要）、阴极 集电器层、阴极层（根据需要退火该层）、电解质层、阳极层和阳极集电器层；激光冲模图案 化所述第一堆叠，以形成一个或更多个第二堆叠（各第二堆叠形成独立TFB的核心）；在 所述一个或更多个第二堆叠之上覆盖沉积封装层；激光图案化所述封装层，以为一个或更 多个第二堆叠的每一者上的ACC打开阳极接触区域；在封装层和ACC的阳极接触区域之上 覆盖沉积金属衬垫层；激光图案化所述金属衬垫层以电隔离一个或更多个TFB的每一者的 ACC;和穿过基板打开一个或更多个薄膜电池的每一者的阴极集电器上的阴极接触区域。
[0015] 此外，本发明描述用于实施上述方法的工具。
[0016] 根据本发明的另一些实施方式，一种薄膜电池可包括：层的堆叠，所述堆叠位于非 导电基板的顶表面上，所述堆叠包括阴极集电器层、阴极层、电解质层、阳极层和阳极集电 器层；封装层，除留有通往所述阳极集电器层的至少一个开口（用于与所述阳极层电接触） 之外，所述封装层完全覆盖所述层的堆叠；和金属衬垫层，所述金属衬垫层在所述封装层中 的至少一个开口处与所述阳极集电器层接触；其中基板具有通往所述阴极集电器的开口， 用于与所述阴极层电接触。
【附图说明】
[0017] 在结合附图阅读本发明的【具体实施方式】的以下描述的基础上，本发明的这些和其 它方面和特征对于本领域的普通技术人员来说将变得显而易见，其中：
[0018] 图1为薄膜电池（TFB)的截面图；
[0019] 图2为制造TFB的流程图，以及图案化的TFB层的相应平面图；
[0020] 图3A至图3F为根据本发明的一些实施方式用于制造具有导电基板的垂直TFB的 第一工艺流程中的顺序步骤的截面图；
[0021] 图4A至图4G为根据本发明的一些实施方式用于制造具有非导电基板的垂直TFB 的第二工艺流程中的顺序步骤的截面图；
[0022] 图5A至图5C为根据本发明的一些实施方式用于制造具有非导电基板的垂直TFB 的第三工艺流程中的顺序步骤的截面图和平面图；
[0023] 图6A和图6B为根据本发明的一些实施方式跨越垂直TFB的边缘的表面轮廓仪迹 线（profilometertrace)，所述垂直TFB通过532nm纳秒激光分别从基板的背侧（基板侧） 和前侧（膜侧）图案化；
[0024] 图7为根据本发明的一些实施方式的激光图案化工具的示意图；
[0025] 图8为根据本发明的一些实施方式用于制造垂直TFB的薄膜沉积群集工具的示意 图；
[0026] 图9为根据本发明的一些实施方式用于制造垂直TFB的具有多个串联