(57)【要約】      （修正有）【課題】薄膜電池、ならびに類似の構造およびデバイスのレーザー直接パターニングを行うとともに、これらの薄膜構造およびデバイスの残りの層の機能を損なわない、改善された手法の提供。【解決手段】カソード電流コレクタ層、熱遮蔽層、光遮蔽層、カソード層、電解質層、アノード層、アノード電流コレクタ層、および保護コーティング層を含むスタック基板上にブランケット堆積させるための第１のシステムと、前記スタックを直接レーザーパターニングするための第２のシステムであって、第２のシステムは少なくとも１つのレーザーを備え、前記光遮蔽層がレーザーエネルギーの一部分を吸収又は反射する性質を有する金属層であり、前記熱遮蔽層が、隣接するデバイス層の温度が融解温度Ｔｍを超過するように、前記熱遮蔽層を通る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、電気化学デバイスを形成するための装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体および／または半導体層の選択的な除去のためのレーザビームによるレーザ直接パターニングに適合している薄膜デバイスであって、
基板、
前記基板を覆う第１のデバイス層、
前記第１のデバイス層を覆う第１の熱遮蔽層、
前記第１の熱遮蔽層を覆う第１の光遮蔽層、および、
前記第１の光遮蔽層を覆う第２のデバイス層
を備え、
前記第１の光遮蔽層が、前記第１の光遮蔽層に到達するレーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第１の熱遮蔽層が、レーザ直接パターニング中に隣接するデバイス層の温度が前記隣接するデバイス層の融解温度Ｔｍを超過するように、前記第１の熱遮蔽層を通る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、デバイス。
【請求項２】
前記隣接するデバイス層が前記第２のデバイス層であり、前記第１の光遮蔽層が、前記第２のデバイス層を通って前記第１のデバイス層の方へ透過する前記レーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第１の熱遮蔽層が、レーザ直接パターニング中に前記第１のデバイス層の温度が前記第１のデバイス層の融解温度Ｔｍ’に到達しないように、前記第２のデバイス層から前記第１のデバイス層に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記隣接するデバイス層が前記第１のデバイス層であり、前記第１の光遮蔽層が、前記第１のデバイス層を通って前記第２のデバイス層の方へ透過する前記レーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第１の熱遮蔽層が、レーザ直接パターニング中に前記第１のデバイス層の温度が前記第１のデバイス層の融解温度Ｔｍ’を超過するように、前記第１のデバイス層から前記第２のデバイス層に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の熱遮蔽層が、レーザ直接パターニング中に前記第１のデバイス層の温度が前記第１のデバイス層の（Ｔｍ）／３に到達しないように、前記第２のデバイス層から前記第１のデバイス層に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率を有する導電層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の光遮蔽層と前記第１の熱遮蔽層が同じ層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第２のデバイス層内の第２の熱遮蔽層と、前記第２の熱遮蔽層を覆う第２の光遮蔽層とをさらに備え、
前記第２のデバイス層が、前記第２の熱遮蔽層によって覆われた前記第２のデバイス層の第１の部分と、前記第２の光遮蔽層を覆う前記第２のデバイス層の第２の部分とを備え、前記第２の光遮蔽層が、前記第２のデバイス層の前記第２の部分を通って前記第２のデバイス層の前記第１の部分の方へ透過する前記レーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第２の熱遮蔽層が、レーザ直接パターニング中に前記第２のデバイス層の前記第１の部分の温度が前記第２のデバイス層の前記第１の部分の融解温度Ｔｍ”に到達しないように、前記第２のデバイス層の前記第２の部分から前記第２のデバイス層の前記第１の部分に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記薄膜デバイスが薄膜電池であり、前記第１のデバイス層が電流コレクタ層であり、前記第２のデバイス層の前記第１の部分が、アノード電流コレクタ、アノード、電解質、およびカソードを備えるスタックであり、前記第２のデバイス層の前記第２の部分が保護コーティングである、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記薄膜デバイスが薄膜電池である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１のデバイス層が電流コレクタ層であり、前記第２のデバイス層が、アノード電流コレクタ、アノード、電解質、およびカソードを備えるスタックである、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の光遮蔽層が金の金属層であり、前記金の金属層が厚さ１０ナノメートル未満である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１の熱遮蔽層がインジウムスズ酸化物層である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１２】
誘電体および／または半導体層の選択的な除去のためのレーザビームにより薄膜デバイスをレーザ直接パターニングする方法であって、
基板、
前記基板を覆う第１のデバイス層、
前記第１のデバイス層を覆う第１の熱遮蔽層、
前記第１の熱遮蔽層を覆う第１の光遮蔽層、および
前記第１の光遮蔽層を覆う第２のデバイス層
を備える薄膜デバイスを設けることであって、前記第１の光遮蔽層が、前記第２のデバイス層を通って前記第１のデバイス層の方へ透過するレーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第１の熱遮蔽層が、レーザ直接パターニング中に前記第１のデバイス層の温度が前記第１のデバイス層の融解温度Ｔｍ’に到達しないように、前記第２のデバイス層から前記第１のデバイス層に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、薄膜デバイスを設けることと、
前記薄膜デバイスをレーザ直接パターニングすることであって、前記レーザビームが、前記第２のデバイス層のレーザ照射部分を除去し、前記レーザビームが、前記第１の光遮蔽層に到達する前に前記第２のデバイス層を通過する、レーザ直接パターニングすることと
を含む方法。
【請求項１３】
前記薄膜デバイスが、前記第２のデバイス層内の第２の熱遮蔽層と、前記第２の熱遮蔽層を覆う第２の光遮蔽層とをさらに備え、前記第２のデバイス層が、前記第２の熱遮蔽層によって覆われた前記第２のデバイス層の第１の部分と、前記第２の光遮蔽層を覆う前記第２のデバイス層の第２の部分とを備え、前記第２の光遮蔽層が、前記第２のデバイス層の前記第２の部分を通って前記第２のデバイス層の前記第１の部分の方へ透過するレーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第２の熱遮蔽層が、レーザ直接パターニング中に前記第２のデバイス層の前記第１の部分の温度が前記第２のデバイス層の前記第１の部分の融解温度Ｔｍ”に到達しないように、前記第２のデバイス層の前記第２の部分から前記第２のデバイス層の前記第１の部分に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層であり、前記レーザ直接パターニングが、前記第２のデバイス層の前記第２の部分のレーザ照射部分を除去することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
誘電体および／または半導体層の選択的な除去のための１つまたは複数のレーザビームにより薄膜デバイスをレーザ直接パターニングする方法であって、
基板、
前記基板を覆う第１のデバイス層、
前記第１のデバイス層を覆う第１の熱遮蔽層、
前記第１の熱遮蔽層を覆う第１の光遮蔽層、および
前記第１の光遮蔽層を覆う第２のデバイス層
を備える薄膜デバイスを設けることであって、前記第１の光遮蔽層が、前記第１のデバイス層を通って前記第２のデバイス層の方へ透過する第１のレーザビームからのレーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第１の熱遮蔽層が、前記第１のレーザビームによるレーザ直接パターニング中に前記第１のデバイス層の温度が前記第１のデバイス層の融解温度Ｔｍ’に到達するように、前記第１のデバイス層から前記第２のデバイス層に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、薄膜デバイスを設けることと、
前記第１のレーザビームを使用して前記薄膜デバイスをレーザ直接パターニングすることであって、前記レーザ直接パターニングが、前記第１のデバイス層のレーザ照射部分を除去し、前記第１のレーザビームが、前記第１の熱遮蔽層に到達する前に前記第１のデバイス層を通過し、前記第１のデバイス層の前記照射部分に対応する、前記第１の熱遮蔽層、前記第１の光遮蔽層、および前記第２の層の部分が、前記第１のデバイス層の前記照射部分の前記除去とともに除去される、レーザ直接パターニングすることと
を含む方法。
【請求項１５】
第２のレーザビームを使用して前記薄膜デバイスをレーザ直接パターニングすることをさらに含み、第２のレーザ直接パターニングが、前記第２のデバイス層のレーザ照射部分を除去し、前記第２のレーザビームが、前記第１の光遮蔽層に到達する前に前記第２のデバイス層を通過し、前記第１の光遮蔽層が、前記第２のデバイス層を通って前記第１のデバイス層の方へ透過する前記第２のレーザビームからの前記レーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第１の熱遮蔽層が、前記第２のレーザビームによるレーザ直接パターニング中に前記第１のデバイス層の温度が前記第１のデバイス層の融解温度Ｔｍ’に到達しないように、前記第２のデバイス層から前記第１のデバイス層に入る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、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、全体として参照により本明細書に組み込まれている、２０１１年８月８日出願の米国仮特許出願第６１／５２１，２１２号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、米国政府の支援により、米国国防総省によって与えられた契約Ｗ１５Ｐ７Ｔ−１０−Ｃ−Ｈ６０４の下でなされたものである。政府は、本発明の特定の権利を有する。
【０００３】
本発明の実施形態は、薄膜構造およびデバイスに対するマスクレス製造プロセスに関し、より詳細には、レーザパターニングを改善するために光および熱遮蔽層を含む構造およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
薄膜電池（ＴＦＢ）、エレクトロクロミック（ＥＣ）デバイス、太陽電池などの薄膜構造およびデバイスに対するレーザプロセスを使用して、基板の前面（薄膜側）から様々な層を選択的にアブレーション／スクライブし、特定の層を無傷で損傷を受けていないまま残す。金属からの半導体／誘電体の選択的なレーザアブレーション／スクライビングの場合、金属の熱拡散率が高いため、熱は半導体／誘電体から下にある金属へ容易に伝達される。静止したレーザビーム１０１によるレーザアブレーション損傷が生じうる熱ゾーン１０５の推定される範囲を示す図１を参照されたい。熱ゾーンは、金属層１０３を透過し、さらには基板／下層１０４内へ延びる。熱ゾーン１０５内には推定される等温線１０６を示す。これらの等温線は、計算または測定されたものではなく、観察されたレーザ損傷範囲に基づいて推定されたものである。さらに、レーザ光の一部は、半導体／誘電体１０２を透過して金属１０３に入ることがあり、金属によって吸収され、次いで金属の温度をさらに上昇させる可能性がある。下にある金属の温度は、半導体／誘電体のレーザアブレーション中に蒸発点にまで到達する可能性があり、それによって下にある金属の融解および蒸発を招き、その結果、薄膜デバイスの機能障害をもたらすことがある。たとえば、ＴＦＢ処理では、ボンディングパッドの形成を可能にするために、前面からのレーザアブレーションを使用して導電性の電流コレクタ層上から誘電体層を除去することが望ましいことがある。典型的な薄膜電池（ＴＦＢ）スタックを示す図２を参照されたい。このＴＦＢスタックは、基板２０１、カソード電流コレクタ（ＣＣＣ）２０２、カソード（たとえば、ＬｉＣｏＯ２）２０３、電解質（たとえば、ＬｉＰＯＮ）２０４、アノード（たとえば、Ｌｉ、Ｓｉ−Ｌｉ、および他の介在する酸化物）２０５、アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）、ならびに保護コーティング２０７を含む。しかし、ＴＦＢのレーザ直接パターニング中、電流コレクタ層（通常は、１ミクロン未満のＴｉ／Ａｕ）は、レーザアブレーションによって電解質（たとえば、ＬｉＰＯＮ）およびカソード（たとえば、ＬｉＣｏＯ２）が除去されているときに蒸発点までの高い温度に到達することがある。この高い温度は、電流コレクタを融解、またはさらに蒸発させ、必然的に集電効率および全体的なＴＦＢ充電／放電効率を低減させる。
【０００５】
ＴＦＢ、ＥＣ、ならびに類似の構造およびデバイスのレーザ直接パターニングを行うとともに、これらの薄膜構造およびデバイスの残りの層の機能を損なわない、改善された手法が必要とされていることが明らかである。
【発明の概要】
【０００６】
全体として、本発明は、下層（複数可）、たとえばＴＦＢの場合は金属電気接点層に影響を与えることなく、高い選択性によってアブレーションを特有の層で停止させる必要のある、太陽電池、エレクトロクロミック、およびＴＦＢなどの薄膜構造およびデバイスのマスクレスレーザ直接パターニングに関する。本発明の実施形態によれば、レーザ直接パターニングによる指定層の選択的な除去は、デバイス／構造スタック内でアブレーションによって除去すべき指定層のすぐ下に熱および光遮蔽層を含むことによって実現される。（ここで「下」とは、レーザビームの方向によって定義されており、レーザビームは、まず指定層を通過した後に遮蔽層に到達する。）光遮蔽層は、指定層を透過するすべてのレーザ光を吸収および／または反射するのに十分な厚さのある高い融点を有する金属層とすることができ、熱遮蔽層は、レーザからの熱の大部分を除去すべき層の中に閉じ込めるのに十分低い熱拡散率を有する導電層とすることができる。光および熱遮蔽層の厚さならびに熱遮蔽層の熱拡散率は、レーザアブレーションプロセス中に下層の温度が融点Ｔｍ未満で維持されるように指定することができる。さらに、光および熱遮蔽層の厚さならびに熱遮蔽層の熱拡散率は、レーザアブレーションプロセス中に下層の温度が再結晶温度、金属の場合は通常（Ｔｍ）／３未満で確実に維持されるように指定することができる。金属層と誘電体もしくは半導体層との間、またはさらには異なる金属層間では、光および熱遮蔽層を間に組み込むことで、下にある金属層に影響／損傷を与えることなく、選択性を実現することができる。いくつかの実施形態では、熱および光遮蔽層を単一の層とすることができる。他の実施形態では、スタック内の光遮蔽層および熱遮蔽層の順序を逆にすることができる。さらに、レーザ照射を基板の上または基板の下から行うことができ、後者の場合、レーザ光はアブレーション／除去すべきデバイス層に到達する前に基板を通過する。
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、誘電体および／または半導体層の選択的な除去のためのレーザビームによるレーザ直接パターニングに適合している薄膜デバイスは、基板と、前記基板を覆う第１のデバイス層と、前記第１のデバイス層を覆う第１の熱遮蔽層と、前記第１の熱遮蔽層を覆う第１の光遮蔽層と、前記第１の光遮蔽層を覆う第２のデバイス層とを備えることができ、前記第１の光遮蔽層は、前記第１の光遮蔽層に到達するレーザエネルギーの一部分を吸収または反射する金属層であり、前記第１の熱遮蔽層は、レーザ直接パターニング中に隣接するデバイス層の温度が前記隣接するデバイス層の融解温度Ｔｍを超過するように、前記第１の熱遮蔽層を通る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である。
【０００８】
本発明のさらなる実施形態によれば、誘電体および／または半導体層の選択的な除去のためのレーザビームによる薄膜デバイスのレーザ直接パターニングを行う方法は、上記の薄膜デバイスを設けることと、前記薄膜デバイスのレーザ直接パターニングを行うこととを含むことができ、前記レーザビームは、前記第２のデバイス層のレーザ照射部分を除去し、前記レーザビームは、前記第１の光遮蔽層に到達する前に前記第２のデバイス層を通過する。別法または追加として、レーザ直接パターニングは、前記第１のデバイス層のレーザ照射部分を除去することができ、前記レーザビームは、前記第１の熱遮蔽層に到達する前に前記第１のデバイス層を通過する。
【０００９】
本発明による選択的なレーザパターニングツール、および選択的なレーザパターニングツールを含む装置が、本明細書に記載される。
【００１０】
本発明の上記その他の態様および特徴は、本発明の特有の実施形態についての以下の説明を添付の図とともに読めば、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】レーザパターニングプロセス中にレーザビームに露出された層状構造の断面図である。
【図２】薄膜電池（ＴＦＢ）の断面図である。
【図３】本発明のいくつかの実施形態によるレーザパターニングプロセス中にレーザビームに露出された光遮蔽層および熱遮蔽層を有する層状構造の断面図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態による光遮蔽層および熱遮蔽層を有する薄膜電池（ＴＦＢ）の断面図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態による２つの光遮蔽層および２つの熱遮蔽層を有する薄膜電池（ＴＦＢ）の断面図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態による光遮蔽層および熱遮蔽層を有する薄膜電池（ＴＦＢ）、ならびに基板を通ってＴＦＢ構造に入射するレーザビームの断面図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態による選択的なレーザパターニングツールの概略図である。
【図８】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９】本発明のいくつかの実施形態によるＴＦＢ製造のための複数のインラインツールを有する薄膜堆積システムの図である。
【図１０】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態について、図面を参照して次に詳細に説明する。図面は、当業者であれば本発明を実施できるように、本発明の例示として提供される。特に、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味するものではなく、記載または図示の要素の一部またはすべてを交換することによって、他の実施形態も可能である。さらに、既知の構成要素を使用して本発明の特定の要素を部分的または完全に実施できる場合、そのような既知の構成要素のうち、本発明の理解に必要な部分のみについて説明し、そのような既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は、本発明を曖昧にしないために省略する。本明細書に別段の明示がない限り、本明細書では、単数の構成要素を示す一実施形態は、限定と見なされるべきではなく、本発明は、複数の同じ構成要素を含む他の実施形態を包含するものであり、逆も同様である。さらに、本出願人らは、そのように明示しない限り、本明細書または特許請求の範囲内のいかなる用語も、一般的でないまたは特殊な意味を有すると見なされることを意図しない。さらに、本発明は、本明細書に例示として引用する既知の構成要素に対する現在既知の均等物および将来知られることとなる均等物も包含する。
【００１３】
全体として、本発明は、下層、たとえばＴＦＢの場合は金属電気接点層に影響を与えることなく、高い選択性によってアブレーションを特有の層で停止させる必要のある、太陽電池、エレクトロクロミック、およびＴＦＢなどの薄膜構造およびデバイスのマスクレスレーザ直接パターニングに関する。本発明の実施形態によれば、レーザ直接パターニングによる指定層の選択的な除去は、デバイス／構造スタック内でアブレーションによって除去すべき指定層のすぐ下に熱および光遮蔽層を含むことによって実現される。（ここで「下」とは、レーザビームの方向によって定義されており、レーザビームは、まず指定層を通過した後に遮蔽層に到達する。光遮蔽層３１０および熱遮蔽層３２０がデバイススタック内へ一体化されている図３を参照されたい。）光遮蔽層は、指定層を透過するすべてのレーザ光を吸収および／または反射するのに十分な厚さのある高い融解温度を有する金属層とすることができ、さらに、光遮蔽層は、鏡状の表面を有することができ、または粗い表面を有することができる。熱遮蔽層は、レーザからの熱の大部分を誘電体／半導体層内に閉じ込めるのに十分低い熱拡散率を有する層とすることができる。光および熱遮蔽層の厚さならびに熱遮蔽層の熱拡散率は、レーザアブレーションプロセス中に下層の温度が融点Ｔｍ未満で維持されるように指定することができる。さらに、光および熱遮蔽層の厚さならびに熱遮蔽層の熱拡散率は、レーザアブレーションプロセス中に下層の温度が再結晶温度、金属の場合は通常（Ｔｍ）／３未満で確実に維持されるように指定することができる。金属層と誘電体もしくは半導体層との間、またはさらには異なる金属層間では、光および熱遮蔽層を間に組み込むことで、下にある金属層に影響／損傷を与えることなく、選択性を実現することができる。図３と図１の比較は、熱ゾーン３０５が金属層１０３内へ延びるのを停止させる熱遮蔽層３２０の機能を示す。図３の等温線３０６は、熱遮蔽層３２０内のデバイススタック内で温度勾配がより高いことを示し、これらの等温線は、計算または測定されたものではなく、観察されたレーザ損傷範囲に基づいて推定されたものである。いくつかの実施形態では、熱および光遮蔽層を単一の層、たとえば単一の熱電金属材料層とすることができる。他の実施形態では、スタック内の光遮蔽層および熱遮蔽層の順序を逆にすることができる。光および熱遮蔽層は、スタック内へ応力または表面形態論の問題を持ち込むことなく、スタック内へ一体化することができる。いくつかの実施形態では、デバイスの機能性のために、たとえばＴＦＢ内では、デバイススタック内のＣＣＣのすぐ上で使用されるとき、光遮蔽層と熱遮蔽層の両方を導電性としなければならない。
【００１４】
図４は、レーザパターニング中にカソード電流コレクタを保護するためのＴＦＢ内へ一体化された光遮蔽層４１０および熱遮蔽層４２０の一例を提供する。レーザ光遮蔽層４１０は、保護コーティング２０７、アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）２０６、アノード２０５、電解質２０４、およびカソード２０３の１つまたは複数を含む層のスタックを通過するレーザ光のすべてまたは大部分を吸収および／または反射し、熱遮蔽層３２０は、スタックのレーザ処理中にスタック内で生成される熱の拡散をカソード電流コレクタ（ＣＣＣ）２０２に制限する。光および熱遮蔽層の材料の特性および厚さは、スタックのレーザアブレーション中にＣＣＣの融解を回避するためにＴｍ未満で、いくつかの実施形態ではＣＣＣの再結晶を回避するために再結晶温度、金属の場合は約（Ｔｍ）／３未満で、カソード電流コレクタの温度を維持するように選択される。さらに、光および熱遮蔽層をもたないＴＦＢを処理する場合と比較すると、スタック内の熱の集中がより大きくなるため、レーザアブレーションプロセスの効率が増大する。
【００１５】
図４のＴＦＢの例では、光遮蔽層４１０は、スタックの半導体／誘電体を透過したレーザ光を吸収および／または反射できる非常に薄い金属層、たとえば厚さ１００Å未満の金フィルムとすることができる。熱遮蔽層４２０は、薄い（通常、ナノ秒レーザの場合は１０００Åより大きく、ピコ秒レーザの場合は１００Åより大きい）が非常に低い熱拡散率を有する導電層、たとえば１．２×１０−２ｃｍ２／秒の熱拡散率を有するＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）および６．４×１０−２ｃｍ２／秒の熱拡散率を有するチタンとすることができる。熱遮蔽層の熱拡散率は通常、０．１ｃｍ２／秒より小さく、熱遮蔽層の厚さは通常、拡散距離程度、または拡散距離より大きいことに留意されたい。拡散距離は、√（Ｄτ）によって与えられ、ここでτはレーザパルスの持続時間であり、Ｄは材料の熱拡散率である。光および熱遮蔽層を組み合わせた層が、反射しなかったレーザ光の大部分を吸収するのに十分厚く、熱拡散率がＣＣＣの温度をＴｍ未満、いくつかの実施形態では（Ｔｍ）／３未満で維持するのに十分低い限り、光および熱遮蔽層を組み合わせて１つの層にすることができる。たとえば、レーザパターニングにピコ秒レーザが使用されるとき、光遮蔽層と熱遮蔽層の両方に対して、厚さ１００Åのチタンフィルムを使用することができる。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態では、複数対の光および熱遮蔽層を構造またはデバイススタック内へ一体化することができる。図５は、２対の光および熱遮蔽層をＴＦＢスタック内に一体化する一例を示す。光遮蔽層５１１および熱遮蔽層５１２を使用して、半導体／誘電体スタック（層２０３、２０４、２０５、および２０６）を保護しながら、保護コーティング２０７のレーザパターニングを行うことができ、光遮蔽層５１０および熱遮蔽層５２０を使用して、ＣＣＣ２０２を保護しながら、半導体／誘電体スタックのレーザパターニングを行うことができる。光および熱遮蔽層はＴＦＢの他の層間に配置することもできるが、高い熱伝導性を有するカソードと電解質との間、または高い熱伝導性を有する電解質とアノードとの間に配置される場合、特定の材料特性に整合するためにさらなる要件が課されることもある。２対以上の光および熱遮蔽層を使用するとき、各対を使用して異なるパターンを作製することができることに留意されたい。
【００１７】
光および熱遮蔽層を有する本発明のさらなる実施形態では、ＴＦＢに関して図６に示すように、基板を通ってダイパターニングを行うことが必要とされることがある。レーザ６０１は、基板の裏面から使用される。言い換えれば、レーザ光は、除去すべき層に到達する前に基板を通過し、それには、適した光学的特性（そのレーザ波長で低い吸収率）を有する基板を必要とする。たとえば、基板がガラスである場合、基板側からのダイパターニングにＵＶ−ＶＩＳ（紫外−可視）レーザを使用することができ、またはシリコン基板の場合、ＩＲ（赤外）レーザを使用することができる。「上層」の除去は、「上」層の融解前に行われる「爆発」プロセスであり、この「爆発」プロセスは、ガラス基板上の典型的なＴＦＢスタックの場合、わずかな量のレーザフルエンス、たとえば１Ｊ／ｃｍ２未満しか必要としない。図６に示すスタックでは、レーザからの熱は、ＣＣＣ２０２内で、ＣＣＣを融解および蒸発させるのに十分なものとすることができ、それによって、基板およびデバイスからＣＣＣより上の層のスタック（このスタックは、層２０３、２０４、２０５、２０６、および２０７、ならびに光遮蔽層６１０および熱遮蔽層６２０を含むことができる）を爆発で除去することができる。光および熱遮蔽層は、この「爆発」プロセスで常に必要とされるとは限らないが、場合によっては、熱遮蔽層が熱遮蔽層より下の層（この例では、ＣＣＣ）内に熱を集中させるのに役立つことができることに留意されたい。「爆発」プロセスは、予防策を講じない限り、デバイス上に再び堆積しうる粒子および融解材料を生成することに留意されたい。しかし、起こりうる再堆積の問題を軽減する一体化方式を開発することができる。
【００１８】
さらに、本発明のいくつかの実施形態は、スタックの上部からの直接レーザパターニングと、基板を通る直接レーザパターニングとの両方によって、単一対の光および熱遮蔽層を使用して２つの異なるパターを作製することを含み、基板を通るパターニングは、基板上に別個のデバイスを画定するために使用され、スタックの上部からのパターニングは、光および熱遮蔽層より上のスタックをパターニングするために使用される。２つのパターンを作製するには、異なるレーザが必要とされることもある。
【００１９】
レーザを使用して基板の領域から層のスタックを完全に除去する方法では、レーザ光は、除去すべき層に到達する前に基板を通過し、スタックは、基板を覆う第１の層と、第１の層を覆う熱遮蔽層と、熱遮蔽層を覆う光遮蔽層とを含み、この方法は、層のスタックの領域に基板の裏側からレーザビームを照射することを含むことができ、レーザビームは、基板を通って第１の層を透過し、第１の層がアブレーションされ、レーザが通過した基板の表面から第１の層より上のスタック全体を吹き飛ばす。光遮蔽層は、基板および第１の層を通って透過するレーザエネルギーの第１の部分を吸収または反射する金属層であり、熱遮蔽層は、基板を覆う第１の層の温度が前記第１の層の融解温度を超過するのに十分低い熱拡散率を有する導電層である。
【００２０】
本発明の選択的なレーザパターニングプロセスには、従来のレーザスクライブまたはレーザ投影技術を使用することができる。レーザの数は、１つ、たとえばピコ秒パルス幅を有するＵＶ／ＶＩＳレーザ（レーザフルエンス／線量によって選択性が制御される）とすることができ、２つ、たとえばＵＶ／ＶＩＳおよびＩＲのナノ秒レーザとピコ秒レーザとの組合せ（レーザ波長／フルエンス／線量によって選択性が制御される）とすることができ、または複数（レーザ波長／フルエンス／線量によって選択性が制御される）とすることができる。レーザスクライブシステムの走査方法は、ステージ移動式、ガルバノメータによるビーム移動式、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、直径１００ミクロン〜１ｃｍで調整することができる。レーザ投影システムに対する基板のレーザ面積は、５ｍｍ２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
【００２１】
図７は、本発明の実施形態による選択的なレーザパターニングツール７００の概略図である。ツール７００は、基板７０４上でデバイス７０３をパターニングするレーザ７０１を含む。さらに、基板７０４を通ってパターニングするレーザ７０２も示すが、基板がひっくり返された場合、レーザ７０１を使用して基板７０４を通ってパターニングすることもできる。基板７０４を保持および／または移動するために、基板ホルダ／ステージ７０５が設けられる。ステージ７０５は、基板を通るレーザパターニングに対応するために、開孔を有することができる。ツール７００は、レーザアブレーション中に基板を静止または移動させるように構成することができ、レーザ７０１／７０２はまた、固定または可動式とすることができ、いくつかの実施形態では、基板とレーザはどちらも可動式とすることができ、その場合、移動は制御システムによって調節される。図７には、ＳＭＦならびにグローブボックスおよびアンティチャンバを含む独立型ツール７００を示す。図７に示す実施形態は、本発明によるツールの一例であり、このツールの多くの他の構成が想定され、たとえば、リチウムを含まないＴＦＢの場合、グローブボックスは必要でないことがある。さらに、ツール７００は、リチウム箔の製造で使用される乾燥室のような適した環境を有する室内に配置することができる。
【００２２】
図８は、本発明のいくつかの実施形態によるＴＦＢデバイスを製作する処理システム８００の概略図である。処理システム８００は、上記のプロセスステップで利用できる反応性プラズマ洗浄（ＲＰＣ）チャンバおよびプロセスチャンバＣ１〜Ｃ４を具備するクラスタツールに対する標準的な機械インターフェース（ＳＭＩＦ）を含む。クラスタツールには、グローブボックスを取り付けることもできる。グローブボックスは、不活性の環境内（たとえば、Ｈｅ、Ｎｅ、またはＡｒなどの希ガス下）で基板を貯蔵することができ、これは、アルカリ金属／アルカリ土類金属の堆積後に有用である。必要に応じて、グローブボックスに対する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、グローブボックス内の不活性の環境を汚染することなく、グローブボックスとの間で基板を移送できるガス交換チャンバ（不活性ガスから空気へ、また逆も同様である）である。（グローブボックスは、リチウム箔の製造者によって使用されるのに十分低い露点を有する乾燥室環境と交換できることに留意されたい。）チャンバＣ１〜Ｃ４は、たとえば上記のＴＦＢスタックの堆積およびスタックの選択的なレーザパターニングを含むことができる薄膜電池デバイスを製造するプロセスステップ向けに構成することができる。適したクラスタツールプラットフォームの例には、Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ１０表示クラスタツールなどのＡＫＴの表示クラスタツール、またはＡｐｐｌｉｅｄ  ＭａｔｅｒｉａｌのＥｎｄｕｒａ（商標）およびより小さい基板向けのＣｅｎｔｕｒａ（商標）が含まれる。処理システム４００に対するクラスタ構成を示すが、線形のシステムを利用することができ、移送チャンバを用いることなく処理チャンバが直列に構成され、したがって、基板は１つのチャンバから次のチャンバへ連続して移動することを理解されたい。
【００２３】
図９は、本発明のいくつかの実施形態による複数のインラインツール９１０、９２０、９３０、９４０などの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させてパターニングを行うツールを含むことができる。さらに、インラインツールは、前調整および後調整チャンバを含むことができる。たとえば、ツール９１０は、基板が真空エアロック９１５を通って堆積ツール９２０内へ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一部またはすべては、真空エアロック９１５によって分離された真空ツールとすることができる。プロセスライン内のプロセスツールおよび特有の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まることに留意されたい。ＴＦＢデバイス製造方法の特有の例は、上記で提供した。さらに、水平または垂直に配向されたインライン製造システムを通って、基板を移動させることもできる。さらに、選択的なレーザパターニングモジュールは、レーザアブレーション中に基板を静止または移動させるように構成することができる。
【００２４】
図９に示すようなインライン製造システムを通る基板の移動を示すために、図１０に、１つのインラインツール９１０のみを定位置に有する基板コンベヤ９５０を示す。図示のように、インラインツール９１０を通ってホルダおよび基板を移動させるために、基板１０１０を収容する基板ホルダ９５５（基板を見ることができるように、基板ホルダを部分的に切り開いて示す）が、コンベヤ９５０または同等のデバイス上に取り付けられる。ツール９１０を処理するのに適したインラインプラットフォームは、Ａｐｐｌｉｅｄ  ＭａｔｅｒｉａｌのＡｔｏｎ（商標）およびＮｅｗ  Ａｒｉｓｔｏ（商標）とすることができる。
【００２５】
本発明の実施形態による薄膜電池などの電気化学デバイスを形成する装置は、カソード電流コレクタ層、熱遮蔽層、光遮蔽層、カソード層、電解質層、アノード層、アノード電流コレクタ層、および保護コーティング層を含むスタックを基板上にブランケット堆積させるための第１のシステムと、スタックの直接レーザパターニングを行うための第２のシステムとを備えることができる。第１のシステムは、クラスタツール、インラインツール、独立型ツール、または上記ツールの１つもしくは複数の組合せとすることができ、第２のシステムは、独立型ツールとすることができ、もしくは第１のシステム内へ一体化することができる。類似の装置を使用して太陽電池デバイスなどを製作することもでき、上記のように、第１のシステムは、特有のデバイスに必要なスタックならびに熱および光遮蔽層を堆積させるように構成され、第２のシステムは、スタックの直接レーザパターニングを行うためのものである。
【００２６】
本発明について、ＴＦＢを参照して本明細書に説明したが、本発明の教示および原理はまた、下層に影響を与えることなく高い選択性によってレーザアブレーションを特有の層で停止させる必要のある、太陽電池などの他の薄膜構造およびデバイスならびにエレクトロクロミックデバイスなどの他の電気化学デバイスを製作するための改善された方法に適用することもできる。
【００２７】
本発明について、本発明の特定の実施形態を参照して具体的に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および詳細に関する変更および修正を加えることができることが、当業者には容易に明らかになるはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年12月18日(2017.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学デバイスを形成するための装置であって、
カソード電流コレクタ層、熱遮蔽層、光遮蔽層、カソード層、電解質層、アノード層、アノード電流コレクタ層、および保護コーティング層を含むスタックを基板上にブランケット堆積させるための第１のシステムと、
前記スタックを直接レーザパターニングするための第２のシステムであって、前記第２のシステムは、少なくとも１つのレーザを備える、第２のシステムと、を備え、
前記光遮蔽層が、前記光遮蔽層に到達するレーザエネルギーの一部分を吸収または反射する性質により特徴付けられる金属層であり、
前記熱遮蔽層が、隣接するデバイス層の温度が前記隣接するデバイス層の融解温度Ｔｍを超過するように、レーザ直接パターニング中に前記熱遮蔽層を通る熱流を低減させるのに十分低い熱拡散率Ｄを有する導電層である、装置。
【請求項２】
前記第１のシステムが、クラスタツールである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のシステムが、インラインツールである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のシステムが、少なくとも１つの独立型ツールを備える、請求項１の記載の装置。
【請求項５】
前記第２のシステムが、独立型ツールである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２のシステムが、前記第１のシステム内に一体化されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記電気化学デバイスが、薄膜電池である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第２のシステムが、複数のレーザである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第２のシステムが、前記スタックの上方に位置付けされたレーザ、および前記スタックの下方に位置付けされたレーザを備え、前記スタックは、ステージ上に保持され、前記ステージは、前記スタックの下方に配置されたレーザによる前記スタックの直接レーザパターニングに対応するために、前記スタックの下方に開口を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２のシステムが、紫外−可視レーザを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記紫外−可視レーザが、ピコ秒レーザである、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２のシステムが、赤外レーザを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記赤外レーザが、ピコ秒レーザである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２のシステムが、可視レーザを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記可視レーザが、ピコ秒レーザである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記熱遮蔽層の厚さが、熱拡散距離√（Ｄτ）より大きく、τが、前記少なくとも１つのレーザのレーザパルスの持続時間である、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記熱遮蔽層の熱拡散率が、０．１ｃｍ２／ｓより小さい、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのレーザが、ナノ秒レーザである、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２のシステム、前記スタック、および前記基板は、少なくとも１つのビームが前記熱遮蔽層に達する前に前記基板を通過するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記光遮蔽層および前記熱遮蔽層が、同じ層である、請求項１に記載の装置。
【外国語明細書】
2018073839000001.pdf