一種制造電化學裝置的方法，包括以下步驟：在基板上沉積裝置層和電解質層，所述裝置層包括電極和相應集電器；和通過激光束入射在衍射光學元件上所產生的激光圖案直接圖案化所述裝置層的至少一個裝置層，所述激光圖案在單激光照射中直接圖案化至少一整個裝置。所述激光直接圖案化除其他之外可包括：在已經沉積所有的有源層之后芯片圖案化薄膜電化學裝置；從相應的集電器選擇性剝蝕陰極/陽極材料；和從集電器選擇性剝蝕電解質材料。此外，可以通過入射在衍射光學元件上的激光束產生的成形光束直接圖案化電化學裝置，并且可以將成形光束移動跨越裝置的工作面。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】【專利說明】 相關申請的交叉引用 本申請要求享有于2012年10月25日提交的美國臨時申請第61/718, 656號的權 益。
本專利技術的實施方式涉及使用衍射光學元件和在進一步的實施方式中使用成形光 束（shaped-beam)的激光圖案化薄膜電化學裝置，諸如薄膜電池和電致變色裝置。
技術介紹
薄膜電池（TFB)以其卓越的性能已被預期將主導微能源應用空間。然而，仍有 一些挑戰需要被克服，以允許具有成本效益地高容量制造TFB。其中最關鍵的挑戰之一與 當前現有的裝置圖案化技術有關，當前的裝置圖案化技術在裝置層的沉積過程中使用了 各種物理陰影掩模（shadow mask)。使用陰影掩模受以下缺點的影響而導致了復雜和昂 貴的工藝：（1)需要大量的資本投資來處理（包括精確對準）和清潔掩模，特別是對于大 面積的基板；（2)陰影掩模的使用限制了基板面積的利用（由于在處理過程中不良的對 準能力和對準穩定性）并影響產品產量（主要是由于顆粒的產生）；和（3)由潛在的熱 膨脹所引起的對準問題而導致工藝的限制（具體而言，工藝被限制于低功率和低溫）。光 刻（photolithography)/蝕刻和激光刻劃（laser scribing)目前正被測試或被提出來 制造TFB裝置，以取代物理陰影掩模。然而，這些工藝也有它們的挑戰。例如，平版印刷術 (lithography)在光刻膠（photo-resist)中帶來新的材料和相關的干式或濕式蝕刻及清 潔化學品和工藝，這可能會在各個界面產生潛在不良的材料相互作用，導致裝置功能和性 能受損，更不用提會有大量的額外費用。激光刻劃/圖案化技術雖然避免了平版印刷術工 藝的復雜性，并提供優于以平版印刷術和物理掩模為基礎的圖案化的顯著的可擴展性和成 本優勢，但是需要精確的電流計掃描儀（galvanometer scanner)，而且激光束的典型高斯 分布并不是非常適用于剝蝕相對較大的面積（相對于光束截面），而且將會增加裝備和工 藝的成本。 顯然地，需要一種用于激光直接圖案化電化學裝置的改良方法，所述電化學裝置 諸如TFB、EC(電致變色）和類似的結構和裝置，以得到高產量和低成本的制造。
技術實現思路
一般而言，本專利技術涉及無掩模地激光直接圖案化薄膜電化學裝置，諸如薄膜電池 (TFB)和電致變色（EC)裝置，更具體而言，本專利技術涉及將衍射光學元件應用于激光圖案化 薄膜電化學裝置。本專利技術可包括使用衍射光學元件的激光直接圖案化，除其他之外用于：在 已經沉積所有的有源層之后芯片（die)圖案化薄膜電化學裝置；從相應的集電器選擇性剝 蝕陰極/陽極材料；從集電器選擇性剝蝕電解質材料；和從集電器選擇性剝蝕保護涂層材 料，包括滲透保護涂層。根據本專利技術，可以將衍射光學元件與傳統的激光刻劃裝備結合用于 激光圖案化。根據本專利技術，可以以衍射光學元件為基礎發展出許多不同的薄膜電化學裝置 集成方案，其中有一些方案能夠在批量生產電化學裝置時得到期望的高產量和低成本。例 如，本專利技術允許覆蓋沉積全部的裝置層，之后用衍射光學元件進行激光裝置圖案化，以消除 使用陰影掩模的一些復雜性和成本，并消除與基于小高斯光束的直接圖案化相關的一些問 題和限制。 根據本專利技術的方面，一種制造電化學裝置的方法可包括以下步驟：在基板上沉積 裝置層和電解質層，所述裝置層包括電極和相應集電器；和通過來自激光器的光束入射在 衍射光學元件上所產生的激光圖案直接圖案化所述裝置層的至少一個裝置層，所述激光圖 案在單激光照射中直接圖案化至少一整個芯片，其中照射在本文中被定義為剝蝕至少一個 裝置層的完整深度/厚度（前側圖案化）或使至少一個裝置層分層（delaminate)(后側圖 案化）所需的激光脈沖數。（請注意，每個單激光脈沖所產生的激光圖案覆蓋整個芯片。） 此外，在實施方式中，所述激光圖案可以在單激光脈沖中直接圖案化至少一整個芯片。然而 此外，可以在裝置層之間或基板與裝置層之間沉積圖案化輔助層，其中芯片圖案化輔助層 包括材料層，用于實現所述芯片圖案化輔助層與至少一個緊鄰的裝置層之間的熱應力不匹 配。此外，可以將光和熱阻擋層集成到裝置堆疊中，以改良剝蝕特定的一層或多層的能力。 根據本專利技術的進一步的方面，一種制造電化學裝置的方法可包括以下步驟：在基 板上沉積裝置層和電解質層，所述裝置層包括電極和相應集電器；和通過來自激光器的光 束入射在光學元件上所產生的成形光束直接圖案化所述裝置層的至少一個裝置層，在直 接圖案化的過程中，所述成形光束沿著光柵（raster)方向移動跨越電化學裝置的工作面 (working surface)，其中所述光束沿著平行于光柵方向的第一方向具有頂帽型（top-hat) 能量分布。此外，所述光束在垂直于光柵方向并平行于工作面的第二方向上可以具有頂帽 型能量分布。然而此外，所述光束可以具有矩形形狀。 根據本專利技術又進一步的方面，一種用于制造電化學裝置的工具可包括：第一系統， 所述第一系統用于在基板上沉積裝置層和電解質層，所述裝置層包括電極和相應集電器； 和第二系統，所述第二系統包括激光器、基板工作臺（substrate stage)和衍射光學元件， 所述第二系統被配置用于通過來自所述激光器的光束入射在所述衍射光學元件上所產生 的激光圖案直接圖案化所述裝置層的至少一個裝置層，所述激光圖案在單激光照射中直接 圖案化至少一整個芯片。 根據本專利技術進一步的方面，一種用于制造電化學裝置的工具可包括：第一系統，所 述第一系統用于在基板上沉積裝置層和電解質層，所述裝置層包括電極和相應集電器；和 第二系統，所述第二系統包括激光器、基板工作臺和光學元件，所述第二系統被配置用于通 過來自所述激光器的光束入射在所述光學元件上所產生的成形光束直接圖案化所述裝置 層的至少一個裝置層，所述激光圖案在單激光照射中直接圖案化至少一整個芯片。【附圖說明】 對于本領域中的普通技術人員而言，在結合附圖閱讀本專利技術的【具體實施方式】的以 下描述之后，本專利技術的這些和其他的方面和特征將變得顯而易見，其中： 圖1A為根據本專利技術的一些實施方式包括衍射光學元件的激光圖案化工具配置的 示意圖； 圖1B為圖1A的衍射光學元件的平面圖； 圖2為根據本專利技術的一些實施方式在裝置芯片圖案化之后的薄膜電池（TFB)基板 的平面圖； 圖3為具有第一配置的薄膜電池（TFB)的截面圖，示出了通過基板進行激光圖案 化； 圖4為根據本專利技術的一些實施方式具有第一配置和剝蝕輔助層的薄膜電池（TFB) 的截面圖，示出了激光束通過基板入射在TFB結構上；圖5為根據本專利技術的一些實施方式在激光圖案化覆蓋沉積的電解質層之后的薄 膜電池（TFB)基板的平面圖； 圖6為具有第二配置的薄膜電池（TFB)的截面圖； 圖7-14為根據本專利技術的一些實施方式在用于制造TFB的工藝流程中的連續步驟 的平面圖； 圖15為根據本專利技術的一些實施方式具有衍射光學元件的激光圖案化工具的示意 圖； 圖16為根據本專利技術的一些實施方式用于電化學裝置制造的薄膜沉積群集工具的 示意圖； 圖17為根據本專利技術的一些實施方式用于電化學裝置制造并具有多個串聯 (in-line)工具的薄膜沉積系統的示意圖； 圖18為根據本專利技術的一些實施方式用于電化學裝置制造的串聯沉積工本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種制造電化學裝置的方法，包括以下步驟：在基板上沉積裝置層和電解質層，所述裝置層包括電極和相應集電器；和通過來自激光器的光束入射在衍射光學元件上所產生的激光圖案直接圖案化所述裝置層的至少一個裝置層，所述激光圖案在單激光照射中直接圖案化至少一整個芯片。
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...
【專利技術屬性】
技術研發人員：宋道英，利奧·B·夸克，布魯斯·E·亞當斯，西奧多·P·莫菲特，
申請(專利權)人：應用材料公司，
類型：發明
國別省市：美國;US
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