用于制造薄膜電池的方法與工廠的制作方法
【專利說明】用于制造薄膜電池的方法與工廠
[0001]本申請是2010年09月20日申請的申請?zhí)枮?01080047312.8，并且發(fā)明名稱為“用于制造薄膜電池的方法與工廠”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求享有于2009年9月22日提交的美國臨時(shí)申請N0.61/244，800的優(yōu)先權(quán)，將所述申請的全部內(nèi)容引入本文以供參考。
[0004]WM
[0005]領(lǐng)域
[0006]本發(fā)明的實(shí)施例涉及薄膜電池的領(lǐng)域，特別地，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于制造薄膜電池的方法與工廠。
[0007]相關(guān)技術(shù)的描述
[0008]目前技術(shù)的制造薄膜電池方案通?；诔Ｒ?guī)技術(shù)的調(diào)整，所述調(diào)整是通過(I)利用遮光掩模進(jìn)行圖案化技術(shù)與(2)執(zhí)行單步圖案化式整合方案。利用上述方法的復(fù)雜性問題相當(dāng)明顯。例如，沉積腔室或工具通常配有具有特定大氣條件的手套箱，所述手套箱被設(shè)計(jì)為管理和保護(hù)薄膜電池中的材料層并保護(hù)沉積負(fù)載掩模，所述材料層是對正常環(huán)境敏感的。手套箱的使用可能操作麻煩且會對工藝增加明顯的成本以及可能影響產(chǎn)量，所述成本為資本與操作費(fèi)用二者。此外，遮光掩模式圖案化會增加其他有害問題以及擁有成本的增加，所述有害問題例如是對準(zhǔn)精度和潛在缺陷造成的產(chǎn)量影響，所述擁有成本的增加是由于為了圖案轉(zhuǎn)移的精確與降低缺陷的額外部件與頻繁的掩模再生工藝。
[0009]目前，尚未組裝出制造薄膜電池的完整工廠，盡管已經(jīng)公開根據(jù)常規(guī)技術(shù)的某些部件。圖1描繪用于制造薄膜電池的常規(guī)設(shè)備配置的實(shí)例。參照圖1，適于制造薄膜電池的沉積工具100設(shè)有手套箱102。例如，手套箱102通常包括與濺射工藝相關(guān)的沉積工具100。雖然未顯示，但通常需要額外的手套箱以用于例如是隨后的氣敏層沉積工藝的鋰腔室或其他腔室或處理工具。
_0] 附圖簡要說明
[0011]圖1描繪用于制造薄膜電池的常規(guī)配置設(shè)備的實(shí)例。
[0012]圖2描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)期通過本文所述的制造工藝與工具配置所制造的典型薄膜電池的截面圖。
[0013]圖3描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用掩模式工藝的200毫米薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0014]圖4描繪表示根據(jù)常規(guī)方法的用于制造薄膜電池的整合方案中的操作的流程圖。
[0015]圖5描繪表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制造薄膜電池的整合方案中的操作的流程圖。
[0016]圖6描繪表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制造薄膜電池的整合方案中的操作的流程圖。
[0017]圖7描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例相對于常規(guī)處理設(shè)備的配置的適于包括鋰陽極并入與陰極的鋰化的薄膜電池方法的200毫米群集工具的配置。
[0018]圖8描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例相對于常規(guī)處理設(shè)備的配置的適于包括合金陽極的形成的薄膜電池方法的200毫米群集工具的配置。
[0019]圖9描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用優(yōu)化掩模式工藝的200毫米薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0020]圖10描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用無掩模整合工藝的200毫米薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0021]圖11描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用無掩模整合工藝的在線(in-line)大面積涂覆器薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0022]圖12描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)用于高產(chǎn)量的利用無掩模整合工藝的在線大面積涂覆器薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0023]圖13描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的組合式200毫米與在線大面積涂覆器薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0024]圖14描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有包括原位掩模管理的掩模式整合的用于制造薄膜電池的高容量制造工具組的方塊圖。
[0025]圖15描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用標(biāo)準(zhǔn)鋰蒸鍍工具的200毫米薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0026]圖16描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)用于高產(chǎn)量的利用單一掩模整合工藝的在線大面積涂覆器薄膜電池制造工廠的方塊圖。
[0027]具體描沐
[0028]本文描述用于制造薄膜電池的方法與工廠。在以下描述中，提出諸如制造條件與材料方案之類的多個(gè)特定細(xì)節(jié)以提供本發(fā)明的完整理解。可在不具有這些特定細(xì)節(jié)下執(zhí)行本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。在其他實(shí)例中，并不詳細(xì)描述諸如薄膜電池應(yīng)用之類的公知方面，以免不必要地模糊本發(fā)明。另外，可理解附圖中所示的各種實(shí)施例為描述呈現(xiàn)用而非一定按比例繪制。此外，本文實(shí)施例中可能沒有明確地公開其他配置與構(gòu)造，但仍被視為位于本發(fā)明的精神與范圍中。
[0029]本文公開用于制造薄膜電池的方法。在實(shí)施例中，方法包括用于制造薄膜電池的操作。
[0030]本文還公開用于制造薄膜電池的工廠。在實(shí)施例中，工廠包括用于制造薄膜電池的一個(gè)或更多個(gè)工具組。
[0031]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，本文公開的方法與工廠可滿足一個(gè)或更多個(gè)下列問題或特征結(jié)構(gòu):(a)整合沉積系統(tǒng)與工廠，(b)空氣環(huán)境兼容制造技術(shù)，(C)降低復(fù)雜度與成本(d)硅集成電路平臺，以及(e)在線沉積平臺。在某些實(shí)施例中，本文呈現(xiàn)制造用于薄膜電池技術(shù)的完整工廠模型。各個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)特性可包括:(a)整合平臺，用以讓復(fù)雜度達(dá)到最小并改善制造整合，(b)無遮光掩模整合-兼容工具，以及(C)用于所有工藝的完整工具組、例如薄膜電池工廠模型。
[0032]關(guān)于本文所公開的方法與工廠，完整工廠模型的部件可包括:(a)物理氣相沉積腔室，用于金屬、陰極、電解質(zhì)與陽極材料，(b)保護(hù)涂層系統(tǒng)，通常由聚合物、電介質(zhì)與金屬沉積腔室或工具所構(gòu)成，(C)對準(zhǔn)系統(tǒng)，用于掩模整合方案，(d)周圍工具(諸如，激光或光刻圖案化)，用于無掩模(mask-less)整合。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，薄膜電池制造工廠的特征包括:(a)使用輕巧“群集”或整合以排除對惰性環(huán)境要求的需求(獨(dú)立于掩?；驘o掩模整合)，(b)使用獨(dú)特腔室以排除通常單獨(dú)的鋰沉積腔室、排除或減輕傳送過程中空氣暴露的風(fēng)險(xiǎn)，以及(C)使用可選擇性的真空傳送模塊(VTM)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，工廠類型包括多個(gè)配置，所述多個(gè)配置諸如(但不限于)是200毫米平臺、300毫米平臺、在線平臺或組合平臺。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，工藝整合方案包括多個(gè)整合方案，所述多個(gè)整合方案諸如(但不限于)是掩模整合方案或無掩模整合方案。
[0033]預(yù)期可用本文所述的工藝與工具配置來制造多種薄膜電池構(gòu)造。圖2描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)期可用本文所述的制造工藝與工具配置所制造的典型薄膜電池的截面圖。參照圖2，薄膜電池200包括制造于基板204上的疊層202。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(zhì)層214與保護(hù)涂層216。在實(shí)施例中，疊層202具有約15微米的厚度。實(shí)際總體厚度取決于用于已知器件區(qū)域的電池的所需容量，這影響陰極、陽極與電解質(zhì)的厚度。在實(shí)施例中，薄膜電池200的陽極層212是鋰陽極層。然而，可以理解圖2僅描繪薄膜電池結(jié)構(gòu)的一種可能配置，且本文所公開的概念可適用于例如通過常規(guī)工藝流程與整合方案所制造的任何薄膜電池結(jié)構(gòu)，所述整合方案包括美國專利申請公開2009/0148764中所述的整合方案。
[0034]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，薄膜電池制造工藝可分成兩個(gè)類別:(I)材料層的沉積，與
(2)材料層的圖案化。就功能而言，在實(shí)施例中，沉積工藝可分成有源器件的制造與保護(hù)涂層的制造，二者均需要某些形式的圖案化。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，本文所述的工廠模型包含三個(gè)部分:(I)器件材料的沉積，(2)保護(hù)涂層的沉積，與(3)圖案化技術(shù)。
[0035]在實(shí)施例中，有源器件制造中涉及的典型層為諸如(但不限于)電流收集、陰極(正電極)、電解質(zhì)與陽極(負(fù)電極)材料之類的層。通常，利用多個(gè)層疊作為保護(hù)涂層。在實(shí)施例中，有用的材料包括諸如(但不限于)聚合物、電介質(zhì)、金屬或半導(dǎo)體之類的材料。對于圖案化，常規(guī)方法已經(jīng)包括應(yīng)用遮光掩模。在本發(fā)明實(shí)施例中，使用包括激光式與光刻技術(shù)式方法任一或二者的無掩模整合方案。
[0036]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，工廠模型實(shí)例包括Si_IC(200或300毫米基板