(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜バッテリを製造する方法であって、
パターン化カソード集電体、パターン化アノード集電体、およびパターン化カソードのインシトゥパターン化堆積ステップであって、各インシトゥパターン化堆積ステップがシャドウマスクを用いた堆積処理によって実施されるインシトゥパターン化堆積ステップと、
当該インシトゥパターン化堆積ステップの後に実施される、前記パターン化カソード集電体、前記パターン化アノード集電体、および前記パターン化カソードの上への電解質層のブランケット堆積ステップと、
当該ブランケット堆積ステップの後に実施される、前記カソード集電体の一部分および前記アノード集電体の一部分を見えるようにするための前記電解質層のレーザパターニングステップと、
当該レーザパターニングステップの後に実施される、パターン化アノードおよびパターン化カプセル化層のインシトゥパターン化堆積ステップであって、各インシトゥパターン化堆積ステップがシャドウマスクを用いた堆積処理によって実施されるインシトゥパターン化堆積ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
ボンディングパッドのインシトゥパターン化堆積をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ボンディングパッドの前記インシトゥパターン化堆積が、前記パターン化アノード集電体の前記インシトゥパターン化堆積ステップの後である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ボンディングパッドの前記インシトゥパターン化堆積が、前記パターン化アノードの前記インシトゥパターン化堆積ステップの後である、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ボンディングパッドの前記インシトゥパターン化堆積が、前記パターン化カプセル化層の前記インシトゥパターン化堆積ステップの後である、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記ボンディングパッドの前記インシトゥパターン化堆積が、前記電解質層の前記レーザパターニングステップの後である、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記カソードをアニールすることをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記ボンディングパッドの前記インシトゥパターン化堆積が、前記カソードアニールの後である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記アノード集電体および前記カソード集電体が同時に堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記カソードをアニールすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記アノード集電体が、前記カソードアニールの後に堆積される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
電解質層の前記ブランケット堆積ステップが、前記電解質層をＲＦスパッタリング堆積することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電解質層がＬｉＰＯＮ層である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
薄膜バッテリを製造する方法であって、
パターン化カソード集電体およびパターン化カソードのインシトゥパターン化堆積ステップであって、各インシトゥパターン化堆積ステップがシャドウマスクを用いた堆積処理によって実施されるインシトゥパターン化堆積ステップと、
当該インシトゥパターン化堆積ステップの後に実施される、前記パターン化カソード集電体、および前記パターン化カソードの上への電解質層のブランケット堆積ステップと、
当該ブランケット堆積ステップの後に実施される、前記カソード集電体の一部分を見えるようにするための前記電解質層のレーザパターニングステップと、
当該レーザパターニングステップの後に実施される、パターン化アノード集電体、パターン化アノード、およびパターン化カプセル化層のインシトゥパターン化堆積ステップと
を含む、方法。
【請求項１５】
ボンディングパッドのインシトゥパターン化堆積をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年６月１７日に出願された米国特許仮出願第６１／４９８，４８０号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、米国国防省によって与えられた契約番号Ｗ１５Ｐ７Ｔ−１０−Ｃ−Ｈ６０４の下での米国政府の支援によってなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
本発明の実施形態は、薄膜バッテリのためのマスクレス製造プロセスに関する。
【背景技術】
【０００４】
薄膜バッテリ（ＴＦＢ）はマイクロエネルギー適用空間（ｍｉｃｒｏ−ｅｎｅｒｇｙ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｓｐａｃｅ）で優位を占めることが予測されている。ＴＦＢは、従来のバッテリ技術と比較していくつかの利点、例えば、優れたフォームファクタ、サイクル寿命、電力容量、および安全性などを示すことが知られている。図１は、典型的な薄膜バッテリ（ＴＦＢ）の断面図を示し、図２は、パターン化ＴＦＢ層の対応する平面図とともにＴＦＢ製造のための流れ図を示す。しかし、ＴＦＢの費用効率の高い大量生産（ＨＶＭ）を可能にするために依然として克服されなければならない課題がある。
【０００５】
電解質層（例えば、ＬｉＰＯＮ）は、堆積プロセス（高周波物理的気相堆積（ＲＦ  ＰＶＤ）マグネトロンスパッタリング）のために、および、さらに、電解質層が典型的には最も厚いデバイス層のうちの１つであり、典型的には他の層よりも長い堆積時間を必要とすることに起因して、シャドウマスクを使用して堆積させるのが最も困難なＴＦＢデバイス層である。電解質層は、典型的には、所定位置の物理的シャドウマスクを用いて堆積される。基板温度は堆積時間およびＲＦ電力とともに増加し、それは、シャドウマスクの反りおよびマスク位置合せの低下をもたらすことがある。これらの問題に対処する試みでは、シャドウマスクは、典型的には、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）テープを用いて、および／またはいくつかの事例では基板の背面上の磁石によって所定位置に固定される。しかし、追加の背面磁石はＲＦ  ＰＶＤプロセスと相互作用し、それがＴＦＢ歩留りを劇的に低下させることが見いだされている。さらに、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）テープは、一般に、より高い堆積速度（したがって、より高いスループット）で必要とされるより高い温度およびより高い電力プロセスに耐えないことがあり、それ故に、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）を使用すると、シャドウマスク位置合せシフトと不正確なパターン移送とを避けるためにより低い堆積速度プロセスの使用が必要とされる。結論として、物理的気相堆積（ＰＶＤ）中に電解質層をパターニングするためにシャドウマスクの代替が必要である。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の概念および方法は、電解質堆積のためのシャドウマスクの使用を除去することによって薄膜バッテリ（ＴＦＢ）大量生産（ＨＶＭ）のコストおよび複雑さの低減を可能にするものである。さらに、本発明の実施形態は、大量および高スループットでの大面積基板上のＴＦＢの生産性を改善することができる。これは、広範囲な市場適応性のためにコストを著しく低減することができ、ならびに歩留改善とパターン位置合せ精度の改善とを行うことができる。本発明の態様によれば、これらおよび他の利点は、選択的レーザアブレーションプロセスの使用により達成され、ここで、レーザパターニングプロセスは、下にある集電体層を無傷のままにしながら選択した区域のブランケット電解質層を除去する。
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、薄膜バッテリを製造する方法は、電解質層のブランケット堆積と、その後に続く電解質層の選択的レーザパターニングとを含むことができる。他のデバイス層のいくつかまたはすべては、シャドウマスクを使用して形成することができる。電解質層の選択的レーザパターニングを、シャドウマスクを使用する堆積ステップのフローに統合したプロセスフローが説明される。
【０００８】
さらに、本発明は、上述の方法を実行するためのツールを説明する。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の態様および特徴は、添付図とともに本発明の特別な実施形態の以下の説明を検討すれば当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】薄膜バッテリ（ＴＦＢ）の断面図である。
【図２】パターン化ＴＦＢ層の対応する平面図を伴ったＴＦＢ製造の流れ図である。
【図３Ａ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図３Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図３Ｃ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図３Ｄ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図３Ｅ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図３Ｆ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図３Ｇ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図３Ｈ】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢの製造のプロセスフローにおける連続するステップの１つの平面図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造のための薄膜堆積クラスタツールの概略図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造のための多数のインラインツールをもつ薄膜堆積システムの図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態による、ＴＦＢ製造のためのインライン堆積ツールの図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態により製造されたＴＦＢの放電曲線の図である。
【図８】図７のＴＦＢのサイクリングデータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、当業者が本発明を実施できるように本発明の実例として提供する図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本明細書で提供する図面は、原寸に比例して描かれていないデバイスおよびデバイスプロセスフローの図を含む。とりわけ、以下の図および例は本発明の範囲を単一の実施形態に限定することを意図しているのではなく、他の実施形態が、説明または図示された要素のいくつかまたはすべてを交換することによって可能である。なおまた、本発明のある要素が既知の構成要素を使用して部分的にまたは完全に実施可能である場合、本発明を不明瞭にしないために、本発明を理解するために必要であるようなそのような既知の構成要素の部分のみを説明し、そのような既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は省略する。特に明確に定められない限り、本明細書では、単一の構成要素を示す実施形態は限定であると考えるべきでなく、むしろ、本発明は同じ構成要素の複数個を含む他の実施形態を包含するものであり、逆もまた同様である。なおまた、出願人は、本明細書または特許請求の範囲におけるいかなる用語も、明確にそのようなものとして記載されていない限り、一般的でないまたは特別な意味であるとすることを意図していない。さらに、本発明は、実例として本明細書で参照される既知の構成要素について現在既知である均等物および将来既知となる均等物を包含する。
【００１２】
従来のＴＦＢ生産では、すべての層は、背面磁石および／またはＫａｐｔｏｎ（登録商標）テープによってデバイス基板に固定されるインシトゥシャドウマスクを使用してパターン化される。本発明のいくつかの実施形態によれば、インシトゥパターン化堆積の代わりに、シャドウマスクなしのブランケット堆積と、その後に続くレーザパターニングが、ＴＦＢの製造プロセスにおける電解質層のために提案される（図３Ａ〜３Ｈを参照）。
【００１３】
本発明は、歩留、スループット、およびパターン精度を改善するために、電解質のブランケット堆積と、電解質（ＬｉＰＯＮ）のエクスシトゥレーザパターニングとを利用する。レーザ光は、上から、すなわち、基板のＴＦＢスタック側から電解質に入射する。ブランケット電解質（ＬｉＰＯＮ）堆積では、電解質シャドウマスクの使用が省かれ、これは、マスクの起こりうる熱膨張誘起位置合せシフトと、マスクを留めるための磁石とＲＦ  ＰＶＤ堆積プロセスとの間の有害な相互作用とによって引き起こされるＲＦ  ＰＶＤプロセスへの制約を緩和する。それ故に、電解質（ＬｉＰＯＮ）のブランケット堆積は、生産スループット、位置合せ精度、および歩留を向上させる。以下の理由で、ピコ秒（ｐｓ）またはフェムト秒（ｆｓ）レーザを使用してＣＣＣおよびＡＣＣにほとんどまたは全く影響せずにＣＣＣおよびＡＣＣの選択した区域からＬｉＰＯＮを完全に融除することは実用的な低コストプロセスである。第１に、ＬｉＰＯＮは、ＵＶからＩＲ波長の範囲にわたり大きい吸収深さを有し、例えば、吸収深さは３５５ｎｍ波長で約５００ｎｍである。第２に、ＡＣＣおよびＣＣＣは、一般に、非常に小さい光吸収深さをもつ金属であり、例えば、吸収深さは３５５ｎｍ波長で約１４ｎｍである。第３に、材料のｐｓまたはｆｓレーザアブレーション深さは、主として、前記材料の光吸収深さによって決定される。第４に、過大なレーザフルエンスを使用してＬｉＰＯＮ層を除去する場合でさえ、ＡＣＣまたはＣＣＣの非常に薄い上部部分しかレーザアブレーションによって影響されない。
【００１４】
電解質層のためのレーザ処理およびアブレーションパターンは、電解質マスクを使用して製造されたものと同様のデバイス構造をもつＴＦＢを形成するように設計することができるが、エッジ配置が正確なほど、デバイス密度および他の設計改善を高度にすることができる。現在の生産プロセスと比較してＴＦＢのより高い歩留およびデバイス密度が、本発明のプロセスのいくつかの実施形態では予想されるが、それは、ＴＦＢ製造プロセスで電解質シャドウマスクを使用するのは歩留り低下欠陥のあり得る原因であり、電解質シャドウマスクを除去すると、これらの欠陥を除去することができるからである。本発明のプロセスのいくつかの実施形態は、同等のシャドウマスクプロセスよりも電解質層の良好なパターニング精度を提供することになり、それは、基板上のより高いＴＦＢデバイス密度を可能にすることになることも予想される。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、電解質シャドウマスクの起こりうる熱膨張誘起位置合せ問題によって引き起こされるＲＦ  ＰＶＤプロセスへの制約（同等のシャドウマスク堆積プロセスではより低い電力および温度に制限される）を緩和し、電解質の著しい堆積速度増加によりスループットを向上させることが予想される。
【００１５】
従来のレーザスクライブまたは投射技術を、本発明の選択的レーザパターニングプロセスに使用することができる。一般に、ピコ秒またはフェムト秒パルス幅（レーザフルエンス／線量および異なる光応答により選択的に制御される）をもつレーザである単一レーザを使用することができる。レーザスクライブシステムの走査方法は、ステージ移動、ガルバノメータによるビーム移動、または両方とすることができる。レーザスクライブシステムのレーザスポットサイズは１００ミクロンから１ｃｍに調整することができる。レーザ投射システムのレーザ面積サイズは、１ｍｍ２以上とすることができる。さらに、他のレーザタイプおよび構成を使用することができる。
【００１６】
図３Ａ〜３Ｈは、本発明のいくつかの実施形態によるＴＦＢの製造ステップを示し、このプロセスフローは、電解質のブランケット堆積と、その後に続くレーザパターニングとを含む。図３Ａは基板３１０を示し、基板３１０は、ガラス、セラミック、金属、シリコン、マイカ、剛性材料、可撓性材料、プラスチック／ポリマーなどとすることができる。カソード集電体（ＣＣＣ）層３２０は、図３Ｂに示されるように、シャドウマスクを使用して基板３１０に堆積される。アノード集電体（ＡＣＣ）層３３０は、図３Ｃに示されるように、シャドウマスクを使用して基板３１０に堆積される。カソード層３４０は、図３Ｄに示されるように、シャドウマスクを使用してＣＣＣの上に堆積される。次に、カソードはアニールすることができる。カソードを６００℃超で２時間超アニールして、結晶構造を形成することができる。アニーリングプロセスは、レーザパターニングの前または後に行うことができる。ブランケット電解質３５０が、図３Ｅに示されるように、堆積される。レーザアブレーションにより、図３Ｆに示されるように、パターン化電解質層３５５が形成され、パターン化電解質層３５５はＣＣＣおよびＡＣＣの一部を露出する。パターン化アノード（例えばＬｉ）３６０がシャドウマスクを使用して堆積され、ここで、必要ならば、ドライリチウム化を行うことができる（図３Ｇを参照）。ブランケットカプセル化層３７０（誘電体またはポリマー）が、図３Ｈに示されるように、シャドウマスクを使用して堆積される。
【００１７】
パターン化カソード層堆積およびアニール、電解質層のレーザパターニング、パターン化アノード層堆積、またはパターン化バリア層堆積の後にシャドウマスクを使用してボンディングパッドを堆積させることができる。さらに、カソードアニールが低温プロセスである場合、上述のリストに加えて、パターン化ＡＣＣ層堆積の後にシャドウマスクを使用してボンディングパッドを堆積させることもできる。
【００１８】
上述のＴＦＢ製造プロセスのさらなる変形は、（１）パターン化ＣＣＣおよびＡＣＣ堆積ステップを単一ステップに組み合わせることと、（２）パターン化ＡＣＣを堆積させるステップをパターン化カソード堆積およびアニールの後に、またはブランケット電解質堆積のレーザパターニングの後に移動することとを含むことができる。パターン化ボンディングパッド堆積の選択肢はこれらの変形に対して同じままであることに留意されたい。
【００１９】
金属集電体は、カソードおよびアノード側の双方において、往復するリチウムイオンに対する防護バリアとして機能する必要がある。加えて、アノード集電体は、周囲からの酸化剤（Ｈ２Ｏ、Ｏ２、Ｎ２など）に対するバリアとして機能する必要がある。それ故に、選んだ１つまたは複数の材料は、「両方向」でリチウムと接触して最小の反応または混和性を有するべきであり、すなわち、Ｌｉが金属集電体に移動して固溶体を形成すること、またその逆を最小にすべきである。加えて、金属集電体の材料選択は、酸化剤に対して低い反応性および拡散係数を有するべきである。公表されている二元状態図に基づいて、第１の要求事項に対するいくつかの有力候補は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｚｎ、およびＰｔである。いくつかの材料では、金属層間で反応／拡散がないことを保証するために、熱収支を管理する必要があることがある。単一の金属元素が両方の要求を満たすことができない場合、合金を考慮することができる。その上、単一層が両方の要求を満たすことができない場合、二重（多数）層を使用することができる。さらに、加えて、前述の耐熱性で非酸化性の層のうちの１つの層と組み合わせて接着層を、例えば、Ａｕと組み合わせてＴｉ接着層を使用することができる。集電体は、金属ターゲット（約３００ｎｍ）の（パルス）ＤＣスパッタリングによって堆積させて、層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕなどの金属、合金、メタロイド、またはカーボンブラック）を形成することができる。さらに、誘電体層などのような、往復するリチウムイオンに対する防護バリアを形成する他の選択肢がある。
【００２０】
ＲＦスパッタリングはカソード層３４０（例えば、ＬｉＣｏＯ２）および電解質層３５０（例えば、Ｎ２中のＬｉ３ＰＯ４）を堆積させる伝統的方法となっており、これらの層は共に絶縁体である（電解質にとってなおさら）。しかし、パルスＤＣもＬｉＣｏＯ２堆積に使用されている。さらに、他の堆積技法を使用することができる。
【００２１】
Ｌｉ層３６０は、蒸発またはスパッタリングプロセスを使用して形成することができる。Ｌｉ層は、一般に、Ｌｉ合金とすることになり、Ｌｉは、例えば、スズなどの金属またはシリコンなどの半導体と合金化される。Ｌｉ層は、約３μｍ厚とすることができ（カソードおよび容量の均衡に応じて）、カプセル化層３７０は３μｍ厚以上とすることができる。カプセル化層はパリレンおよび金属および／または誘電体の多層とすることができる。Ｌｉ層３６０とカプセル化層３７０との形成の間、一部はアルゴンガスなどの不活性環境に保持されなければならないが、ブランケットカプセル化層堆積の後、不活性環境への要求は緩和されることになることに留意されたい。
【００２２】
図４は、本発明のいくつかの実施形態によりＴＦＢデバイスを製造するための処理システム４００の概略図である。処理システム４００は、上述のプロセスステップで利用することができる反応性プラズマ洗浄（ＲＰＣ）チャンバとプロセスチャンバＣ１〜Ｃ４とを備えたクラスタツールへの標準機械インターフェース（ＳＭＩＦ）を含む。必要ならば、グローブボックスをクラスタツールに取り付けることもできる。グローブボックスは、アルカリ金属／アルカリ土類金属堆積の後に有用となる不活性環境に（例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、またはＡｒなどの貴ガス下に）基板を格納することができる。必要ならば、グローブボックスへのアンティチャンバを使用することもでき、アンティチャンバは、グローブボックス中の不活性環境を汚染することなしに基板をグローブボックスの中に、およびグローブボックスから外に移送することができるガス交換チャンバ（不活性ガスから空気に、および空気から不活性ガスに）である。（グローブボックスは、リチウム箔製造業者によって使用されるような、十分に低い露点の乾燥室環境と取り替えることができることに留意されたい。）チャンバＣ１〜Ｃ４は、薄膜バッテリデバイスを生産するためのプロセスステップ用に構成することができ、プロセスステップは、シャドウマスクを使用するカソード層（例えば、ＲＦスパッタリングによるＬｉＣｏＯ２）の堆積と、電解質層（例えば、Ｎ２中のＲＦスパッタリングによるＬｉ３ＰＯ４）の堆積と、シャドウマスクを使用するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の堆積と、ブランケット電解質層の選択的レーザパターニングとを含むことができる。好適なクラスタツールプラットフォームの例には、Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  １０ディスプレイクラスタツールなどのＡＫＴのディスプレイクラスタツール、またはより小さい基板用のＡｐｐｌｉｅｄ  ＭａｔｅｒｉａｌｓのＥｎｄｕｒａ（商標）およびＣｅｎｔｕｒａ（商標）が含まれる。クラスタ配置が処理システム４００に関して示されているが、あるチャンバから次のチャンバに基板が連続的に移動するように、移送チャンバなしに処理チャンバが一列に配置される直線的システムを利用することができることを理解されたい。
【００２３】
図５は、本発明のいくつかの実施形態による、多数のインラインツール５１０、５２０、５３０、５４０などをもつインライン製造システム５００の図を示す。インラインツールは、ＴＦＢデバイスのすべての層を堆積およびパターン化させるためのツールを含むことができる。さらに、インラインツールは前処理チャンバと後処理チャンバとを含むことができる。例えば、ツール５１０は、基板が真空エアロック５１５を通って堆積ツール５２０に移動する前に真空を確立するためのポンプダウンチャンバとすることができる。インラインツールのいくつかまたはすべては真空エアロック５１５によって分離された真空ツールとすることができる。プロセスラインのプロセスツールおよび特別なプロセスツールの順序は、使用される特定のＴＦＢデバイス製造方法によって決定されることになり、その特別な例は上述で提供されていることに留意されたい。さらに、基板は、水平または鉛直に向きを定められたインライン製造システムを通って移動することができる。さらに、選択的レーザパターニングモジュールは、基板がレーザアブレーション中静止しているように、または移動するように構成することができる。
【００２４】
図５に示したようなインライン製造システムを通して基板を移動させることを示すために、図６に、所定位置にあるただ１つのインラインツール５１０とともに基板コンベヤ５５０が示される。基板６１０を含む基板ホルダ５５５（基板を見ることができるように、基板ホルダは部分的に切り取って示されている）は、図示のように、インラインツール５１０を通してホルダおよび基板を移動させるためにコンベヤ５５０または等価なデバイスに装着される。処理ツール５１０用の好適なインラインプラットフォームは、Ａｐｐｌｉｅｄ  ＭａｔｅｒｉａｌｓのＡｔｏｎ（商標）およびＮｅｗ  Ａｒｉｓｔｏ（商標）である。
【００２５】
さらに、レーザパターニングツールはスタンドアロンツールとすることができる。
【００２６】
本発明の実施形態により薄膜バッテリを形成するための第１の装置は、パターン化カソード集電体、パターン化アノード集電体、およびパターン化カソードのインシトゥパターン化堆積のため、および電解質層のブランケット堆積のための第１のシステムと、カソード集電体の一部分およびアノード集電体の一部分を見えるようにするための電解質層のレーザパターニングのための第２のシステムと、パターン化アノードおよびパターン化カプセル化層のインシトゥパターン化堆積のために第３のシステムとを含むことができ、インシトゥパターン化堆積はシャドウマスクによる堆積を含む。第１のシステムおよび第３のシステムは同じシステムとすることができる。第１のシステムおよび第２のシステムは同じシステムとすることができる。第１のシステム、第２のシステム、および第３のシステムは同じシステムとすることができる。さらに、第３のシステムはボンディングパッドのインシトゥパターン化堆積用に構成することもでき、または第４のシステムをボンディングパッド堆積用に設けることができる。システムは、クラスタツール、インラインツール、スタンドアロンツール、または前述のツールの１つまたは複数の組合せとすることができる。このシステムは、他のシステムの１つまたは複数に共通するいくつかのツールを含むことができる。
【００２７】
本発明の実施形態により薄膜バッテリを形成するための第２の装置は、パターン化カソード集電体およびパターン化カソードのインシトゥパターン化堆積のため、および電解質層のブランケット堆積のための第１のシステムと、カソード集電体の一部分を見えるようにするための電解質層のレーザパターニングのための第２のシステムと、パターン化アノード集電体、パターン化アノード、およびパターン化カプセル化層のインシトゥパターン化堆積のために第３のシステムとを含むことができ、インシトゥパターン化堆積はシャドウマスクによる堆積を含む。第１のシステムおよび第３のシステムは同じシステムとすることができる。第１のシステムおよび第２のシステムは同じシステムとすることができる。第１のシステム、第２のシステム、および第３のシステムは同じシステムとすることができる。さらに、第３のシステムはボンディングパッドのインシトゥパターン化堆積用に構成することもでき、または第４のシステムをボンディングパッド堆積用に設けることができる。システムは、クラスタツール、インラインツール、スタンドアロンツール、または前述のツールの１つまたは複数の組合せとすることができる。このシステムは、他のシステムの１つまたは複数に共通するいくつかのツールを含むことができる。
【００２８】
図７は、本発明のいくつかの実施形態により製造されたＴＦＢセルの放電曲線を示し、電解質層は、マスクレスＬｉＰＯＮ堆積と、その後に続くレーザパターニングによって形成されている。図８は、同じＴＦＢセルのサイクリングデータを示す。サイクリングによる容量の減少は、この特定のセルのＬｉの唯一の供給源がオリジナルのカソードであり、別個に堆積されたリチウムアノードが存在していなかったことに起因しており、さらに、このセルはカプセル化層を有しておらず、その結果、リチウムが、セルを試験するのに使用されたアルゴン雰囲気グローブボックス中で時間とともに失われ残留酸化剤になることに留意されたい。実際には、商用グレードのデバイスは、上述のように、余分のリチウムおよびカプセル化層を用いて製造されることになる。
【００２９】
本発明が本明細書でＴＦＢを参照しながら説明されたが、本発明の教示および原理は、エレクトロクロミックデバイスを含む他の電気化学デバイスを製造するための改善された方法にも適用することができる。
【００３０】
本発明が、特に、そのいくつかの実施形態を参照しながら説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく形態および詳細の改変および変更を行うことができることが当業者には容易に明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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