(57)【要約】  薄膜電池製造の方法および薄膜電池製造用のハイブリッド工場を説明する。方法は、薄膜電池を製造するための作業を含む。ハイブリッド工場は、薄膜電池を製造するための１つまたは複数のツールセットを含む。一実施形態では、リチウムベースの薄膜電池製造用のハイブリッド工場レイアウトは、活性層を堆積させるための処理ツールを含む。この処理ツールは、活性層の堆積のためのクラスタツールを含む。ハイブリッド工場レイアウトはまた、活性層の堆積のためのインラインツールと、リチウム蒸発ツールをクラスタツールおよびインラインツールに結合する１つまたは複数のグローブボックスを有するリチウム蒸発ツールとを含む。
2014516202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムベースの薄膜電池製造用のハイブリッド工場レイアウトであって、
活性層の堆積のためのクラスタツール、
活性層の堆積のためのインラインツール、ならびに、
リチウム蒸発ツールを前記クラスタツールおよび前記インラインツールに結合する１つまたは複数のグローブボックスを備えるリチウム蒸発ツール
を備える、活性層を堆積させるためのプロセスツール
を備える、ハイブリッド工場レイアウト。
【請求項２】
前記インラインツールが、金属層、半導体層、および電解質層からなるグループから選択される層の堆積のために構成される、請求項１に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項３】
前記クラスタツールが、カソード層の堆積のために構成され、前記インラインツールが、電解質層の堆積のために構成される、請求項１に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項４】
前記クラスタツールが、電解質層の堆積のために構成され、前記インラインツールが、カソード層の堆積のために構成される、請求項１に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項５】
リソグラフィ露光作業およびレジスト除去作業のために構成された第２のプロセスツールセットと、
エッチング作業および清浄作業のために構成された第３のプロセスツールセットと、
薄膜電池が製造されるウェーハまたは基板のレーザスクライビングのために構成された第４のプロセスツールと
をさらに備える、請求項１に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項６】
リチウムベースの薄膜電池製造用のハイブリッド工場レイアウトであって、
金属層または半導体層を堆積させるための第１のプロセスツールと、
活性層の堆積のためのクラスタツール、
活性層の堆積のためのインラインツール、ならびに、
リチウム蒸発ツールを前記クラスタツールおよび前記インラインツールに結合する１つまたは複数のグローブボックスを備えるリチウム蒸発ツール
を備える、活性層を堆積させるための第２のプロセスツールと、
誘電体層を堆積させるための第３のプロセスツールと、
反応性イオンエッチングを実行するための第４のプロセスツールと、
薄膜電池用の特殊層を堆積させるための第５のプロセスツールと
を備える、ハイブリッド工場レイアウト。
【請求項７】
前記第２のプロセスツールの前記インラインツールが、金属層、半導体層、および電解質層からなるグループから選択される層の堆積のために構成される、請求項６に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項８】
前記第２のプロセスツールの前記クラスタツールが、カソード層の堆積のために構成され、前記第２のプロセスツールの前記インラインツールが、電解質層の堆積のために構成される、請求項６に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項９】
前記第２のプロセスツールの前記クラスタツールが、電解質層の堆積のために構成され、前記第２のプロセスツールの前記インラインツールが、カソード層の堆積のために構成される、請求項６に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項１０】
前記第５のプロセスツールが、ポリマー層の堆積のために構成される、請求項６に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項１１】
リソグラフィ露光作業およびレジスト除去作業のために構成された第６のプロセスツールセットと、
エッチング作業および清浄作業のために構成された第７のプロセスツールセットと、
薄膜電池が製造されるウェーハまたは基板のレーザスクライビングのために構成された第８のプロセスツールと
をさらに備える、請求項６に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項１２】
急速熱処理のための第６のプロセスツールをさらに備える、請求項６に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項１３】
リチウムベースの薄膜電池製造用のハイブリッド工場レイアウトであって、
活性層の堆積のための第１のインラインツール、
活性層の堆積のための第２のインラインツール、ならびに、
リチウム蒸発ツールを前記第１および第２のインラインツールに結合する１つまたは複数のグローブボックスを備えるリチウム蒸発ツール
を備える、活性層を堆積させるためのプロセスツール
を備える、ハイブリッド工場レイアウト。
【請求項１４】
前記第１または前記第２のインラインツールが、金属層、半導体層、および電解質層からなるグループから選択される層の堆積のために構成される、請求項１３に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【請求項１５】
前記第１のインラインツールが、カソード層の堆積のために構成され、前記第２のインラインツールが、電解質層の堆積のために構成される、請求項１３に記載のハイブリッド工場レイアウト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、薄膜電池の分野に関し、詳細には、薄膜電池製造の方法および薄膜電池製造用の工場に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の最新技術の薄膜電池の製造方式は、通常、（１）パターン形成技術向けにシャドーマスクを使用すること、および（２）シングルステップのパターン形成ベースの集積化方式を実施することによって従来技術をスケーリングすることに基づいている。このような手法に関わる複雑さの問題が重大になることがある。たとえば、堆積チャンバまたはツールには、通常、薄膜電池内の材料層、すなわち標準雰囲気の影響を受けやすい材料層を管理し保護するように、また堆積物が堆積したマスクを保護するように設計されたグローブボックスが特定の大気状態で取り付けられている。グローブボックスを使用することには、操作する上で扱いにくい場合があり、資本経費と運用経費の両方に関して、処理に著しいコストがかかる場合があるとともに、歩留りへの潜在的な影響がある。さらに、シャドーマスクベースのパターン形成には、他の有害な問題、たとえば位置合わせの精度および潜在的な欠陥によって引き起こされる歩留りの影響があるとともに、パターン転写での確度および欠陥の低減のための余分な構成部品および頻繁なマスク再生処理によって所有コストが増大する。
【０００３】
現在まで、従来技術に基づくある種の構成要素が開示されてきたが、薄膜電池製造用の完全な工場は組み立てられてこなかった。図１には、薄膜電池を製造するための、従来の装置構成の一例が示してある。図１を参照すると、薄膜電池製造に適した堆積ツール１００にはグローブボックス１０２が備えられている。たとえば、グローブボックス１０２は通常、スパッタリング処理に関連する堆積ツール１００に含まれている。図には示していないが、リチウムチャンバもしくは他のチャンバ、またはたとえば空気に影響されやすい層堆積処理の後で使用される処理ツールとともに使用するには、追加のグローブボックスがしばしば必要になる。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施形態は、薄膜電池製造の方法および薄膜電池製造用の工場を含む。
【０００５】
一実施形態では、リチウムベースの薄膜電池製造用のハイブリッド工場レイアウトは、活性層を堆積させるための処理ツールを含む。この処理ツールは、活性層の堆積のためのクラスタツールを備える。ハイブリッド工場レイアウトはまた、活性層の堆積のためのインラインツールと、リチウム蒸発ツールをクラスタツールおよびインラインツールに結合する１つまたは複数のグローブボックスを有するリチウム蒸発ツールとを含む。
【０００６】
一実施形態では、リチウムベースの薄膜電池製造用のハイブリッド工場レイアウトは、金属または半導体の層を堆積させるための第１の処理ツールを含む。第２の処理ツールが、活性層を堆積させるために含まれる。第２のツールは、活性層の堆積のためのクラスタツールと、活性層の堆積のためのインラインツールと、リチウム蒸発ツールをクラスタツールとインラインツールに結合する１つまたは複数のグローブボックスを有するリチウム蒸発ツールとを含む。第３の処理ツールが、誘電体層を堆積させるために含まれる。第４の処理ツールが、反応性イオンエッチングを実行するために含まれる。第５の処理ツールが、薄膜電池の特殊層を堆積させるために含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】薄膜電池を製造するための、従来の装置構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、本明細書に記載の製造プロセスおよびツール構成によって製造するよう企図された代表的な薄膜電池の横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、マスクプロセスを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図である。
【図４】従来方法による、薄膜電池を製造するための集積化方式での作業を表す流れ図である。
【図５】本発明の一実施形態による、薄膜電池を製造するための集積化方式での作業を表す流れ図である。
【図６】本発明の一実施形態による、薄膜電池を製造するための集積化方式での作業を表す流れ図である。
【図７】本発明の一実施形態による、リチウムアノードの組込みおよびカソードのリチオ化を含む薄膜電池の方法に適している、処理装置の従来構成に対する２００ミリメートルのクラスタツールの構成を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による、合金アノードの形成を含む薄膜電池の方法に適している、処理装置の従来構成に対する２００ミリメートルのクラスタツールの構成を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による、最適化されたマスクプロセスを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、マスクレス集積化プロセスを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、マスクレス集積化プロセスを使用するインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場のブロック図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、マスクレス集積化プロセスを使用する、ハイスループット向けに設計されたインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場のブロック図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場とインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場とを組み合わせたブロック図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、インシトゥマスク管理を含むマスク集積化を用いて薄膜電池を製造するための大量製造用のツールセットのブロック図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、標準のリチウム蒸発ツールを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図である。
【図１６】本発明の一実施形態による、単一マスク集積化プロセスを使用する、ハイスループット向けに設計されたインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場のブロック図である。
【図１７】本発明の一実施形態による、標準のリチウム蒸発ツールを使用する２００ミリメートルの薄膜電池のハイブリッド製造工場のブロック図である。
【図１８】本発明の一実施形態による、ハイブリッド薄膜電池製造レイアウトで使用するためのグローブボックスを示す図である。
【図１９】本発明の一実施形態による、薄膜電池製造に適したハイブリッド施設レイアウトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
薄膜電池製造の方法および薄膜電池製造用の工場を説明する。以下の説明には、本発明を完全に理解できるよう、製造条件や材料形態など数多くの具体的な詳細が説明してある。これら具体的な詳細を用いることなく本発明を実施してもよいことが、当業者には明白になろう。他の例では、本発明を不必要に曖昧にしないよう、薄膜電池の用途などよく知られた態様について詳細には説明していない。さらに、各図に示した様々な実施形態は例示的な表示であり、必ずしも一定の縮尺で描かれてはいないことを理解されたい。さらに、他の配置および構成は、本明細書において明瞭に開示されていない可能性がある、依然として本発明の趣旨および範囲内にあると考えられる。
【０００９】
薄膜電池製造のための方法が、本明細書において開示される。一実施形態では、方法は、薄膜電池を製造するための作業を含む。
【００１０】
また、薄膜電池製造のための工場が、本明細書において開示される。一実施形態では、工場は、薄膜電池を製造するための１つまたは複数のツールセットを含む。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、本明細書において開示される方法および工場は、以下の問題または特徴、すなわち（ａ）集積化された堆積のシステムおよび工場、（ｂ）環境空気に適合した製造技術、（ｃ）複雑さおよびコストの削減、（ｄ）シリコン集積回路のプラットフォーム、ならびに（ｅ）インライン堆積プラットフォームの１つまたは複数に取り組む。実施形態によっては、薄膜電池製造技術についての完全な工場モデルを本明細書において提示する。様々なシステムの独自性には、（ａ）複雑さを最小限に抑え、製造集積化を改善するための集積化されたプラットフォーム、（ｂ）シャドーマスクレスの集積化適合ツール、および（ｃ）全てのプロセスについての完全なツールセット、たとえば薄膜電池工場モデルが含まれ得る。
【００１２】
本明細書において開示される方法および工場に関して、完全工場モデルコンポーネントには、（ａ）金属、カソード、電解質、およびアノードの材料のための物理的気相堆積チャンバ、（ｂ）通常は、ポリマー、誘電体、および金属の堆積チャンバまたはツールからなる保護コーティングシステム、（ｃ）マスク集積方式のための位置合わせシステム、（ｄ）マスクレス集積のための周辺ツール（たとえば、レーザまたはリソグラフィパターン形成）が含まれ得る。本発明のいくつかの実施形態によれば、薄膜電池工場についての特性には、（ａ）（マスク集積化またはマスクレス集積化と関係なく）不活性環境の要求事項を必要としないようスマート「クラスタリング」または集積化を使用すること、（ｂ）搬送中の空気曝露のリスクをなくしながら、または軽減しながら、通常は独立型のリチウム堆積チャンバをなくすために独自のチャンバを使用する、および（ｃ）任意選択の真空搬送モジュール（ＶＴＭ）を使用することが含まれる。本発明の一実施形態によれば、工場タイプには、たとえば、２００ミリメートルプラットフォーム、３００ミリメートルプラットフォーム、インラインプラットフォーム、または組合せプラットフォームなどの構成が含まれるが、それらには限定されない。本発明の一実施形態によれば、プロセス集積化方式には、マスク集積化方式またはマスクレス集積化方式などの方式が含まれるが、それらには限定されない。
【００１３】
様々な薄膜電池アーキテクチャは、本明細書に記載のプロセス構成およびツール構成で製造するように企図してもよい。図２には、本発明の一実施形態による、本明細書に記載の製造プロセスおよびツール構成によって製造するよう企図された代表的な薄膜電池の横断面図が示してある。図２を参照すると、薄膜電池２００は、基板２０４上に製造された積み重ねられた層２０２を含む。積み重ねられた層２０２は、カソード集電装置層２０６と、アノード集電装置層２０８と、カソード層２１０と、アノード層２１２と、電解質層２１４と、保護コーティング層２１６とを含む。一実施形態では、積み重ねられた層２０２の厚さは、ほぼ１５ミクロンである。実際の合計の厚さは、所与の装置領域における電池の所望容量に依存することがあり、カソード、アノード、および電解質の厚さに影響を及ぼす。一実施形態では、薄膜電池２００のアノード層２１２は、リチウムアノード層である。しかし、図２には、薄膜電池構造について実現可能な構成が１つだけ示してあるが、本明細書において開示される考え方は、たとえば、米国特許出願公開第２００９／０１４８７６４号に記載の集積化方式を含む、従来のプロセスフローおよび集積化方式によって製造される任意の薄膜電池構造に適用できることを理解されたい。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、薄膜電池製造プロセスは２つのカテゴリ、すなわち（１）材料層の堆積、および（２）材料層のパターン形成に分割することができる。一実施形態では、機能に関しては、堆積プロセスは能動素子の製造および保護コーティングの製造に分割され、その両方とも何らかの形式のパターン形成を必要とする。したがって、一実施形態では、本明細書に記載の工場モデルは、３つのセクタ、すなわち（１）デバイス材料の堆積、（２）保護コーティングの堆積、および（３）パターン形成技術からなる。
【００１５】
一実施形態では、能動素子製造に必要となる典型的な層は、集電装置、カソード（正の電極）、電解質、およびアノード（負の電極）の材料などの層であるが、それらには限定されない。通常、保護コーティングとしては、積み重ねられた複数の層が使用される。一実施形態では、有用な材料には、ポリマー、誘電体、金属、または半導体などの材料が含まれるが、それらには限定されない。パターン形成においては、従来の方法には、シャドーマスクの使用が含まれていた。本発明の一実施形態では、マスクレス集積化方式が使用され、レーザベースの方法とリソグラフィベースの方法の両方またはそのいずれかが含まれる。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、工場モデルの例には、Ｓｉ−ＩＣ（２００ミリメートルまたは３００ミリメートルの基板）ならびにシャドーマスクベースの集積化とマスクレスベースの集積化のいずれかまたは両方におけるインラインプラットフォームが含まれる。一実施形態では、シャドーマスクレスベースの最適化されたシリコン集積回路のプラットフォームの各機能は、エクスシトゥリソグラフィまたはレーザベースの位置合わせおよびパターン形成技術を使用し（たとえば、シャドーマスクを使用するインシトゥパターン形成に潜在的に存在する複雑さおよび位置合わせミスを排除する）、集積化された１つまたは複数のリチウムチャンバ、および独自の集積化法を使用すると、空気に影響されやすい材料層（たとえば、カソード層およびアノード層）についての不活性環境への要求事項がなくなるか、または少なくとも最低限に抑えられる。
【００１７】
本発明の一態様では、マスク集積化用の工場モデルが提供される。図３には、本発明の一実施形態による、マスクプロセスを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図が示してある。
【００１８】
図３を参照すると、薄膜電池を製造するための工場３００は、金属層または半導体層を堆積させるための第１のプロセスツール３０２と、活性層を堆積させるための第２のプロセスツール３０４と、急速熱処理のための第３のプロセスツール３０６と、誘電体層を堆積させるための第４のプロセスツール３０８と、反応性イオンエッチングを実行するための第５のプロセスツール３１０と、薄膜電池用の特殊層を堆積させるための第６のプロセスツール３１２とを含む。本発明の一実施形態によれば、図３に示すように、第６のプロセスツール３１２は、リチウム層（たとえば、リチウムアノード層）と保護コーティング（たとえば、ポリマー層）の両方の同じプロセスツールでの堆積のために構成される。この図において、様々なツール上にグローブボックスが配置されるか、配置されないかは、所与のツールの結果として生じる層またはプロセスにより、「上部」表面が、空気に対して安定になるか、空気の影響を受けやすくなるかのいずれかであるという仮定に基づいてもよい。したがって、集積化方式（デバイスのパターン形成）により、所与のツールで処理した後の層または上部の表面の性質が変わる場合に、配置を変更することができる。一実施形態では、ツールチャンバもしくはＳＭＦモジュールのうちの１つまたは複数を、図３に示すツールのうちの１つまたは複数向けに、真空搬送モジュール（ＶＴＭ）で代用してもよいことを理解されたい。
【００１９】
本発明の一態様では、アノード材料とカソード材料の両方にオンボードのリチウムチャンバおよび改善された集積化方式を使用する影響に取り組む。図４には、リチオ化されたカソードおよびリチウムアノードを有するセル用の従来方法による、薄膜電池を製造するための集積化方式での作業を表す流れ図４００が示してある。流れ図４００の作業４０２を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、集電装置層のパターン形成された堆積を含む。流れ図４００の作業４０４を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、カソード層のパターン形成された堆積を含む。流れ図４００の作業４０６を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、カソード層のアニール処理を含む（任意選択）。流れ図４００の作業４０８を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、電解質層のパターン形成された堆積を含む。流れ図４００の作業４１０を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、アノードのパターン形成された堆積を含む。また、流れ図４００の作業４１２を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、保護コーティング層の堆積を含む。実際の薄膜電池スタックの要求事項に応じて、上記作業に続いて、堆積後のパターン形成を実行することもできる。
【００２０】
具体的な実施形態では、各堆積プロセスの合間にカソード層を環境空気に曝すことなく、カソード層上への電解質層の堆積が後に続いて実行される。図５には、本発明の一実施形態による、薄膜電池を製造するための集積化方式での作業を表す流れ図５００が示してある。流れ図５００の作業５０２を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、カソード層の堆積を含む。任意選択の作業５０３ａを参照すると、一実施形態では、リチウムを含んでいてもいなくてもよい基本的なカソード材料が堆積した後に、カソード層がリチオ化される。任意選択の作業５０３ｂを参照すると、一実施形態では、たとえばカソード層を加熱することによってカソード層がアニール処理される。具体的な一実施形態では、リチウムを含んでいてもいなくてもよい基本的なカソード材料が堆積した後にカソード層がリチオ化され、続いて、たとえばカソード層を加熱することによってカソード層がアニール処理される。一実施形態では、ステップ５０３ａおよび５０３ｂの順序を逆にすることができる。流れ図５００の作業５０４を参照すると、次いで、カソード層を環境空気状態に曝すことなくカソード層上に電解質層が形成される。流れ図５００の作業５０６を参照すると、マスク作業を含む第２の電解質層堆積作業が実行される。上記各層が堆積する基板が環境空気に曝される場合、電解質層はカソード層を保護する。
【００２１】
他の具体的な実施形態では、各堆積プロセスの合間にアノード層を環境空気に曝すことなく、金属層、誘電体層、誘電体有機複合体層、または有機層のアノード層上への堆積が後に続いて実行される。図６には、本発明の一実施形態による、薄膜電池を製造するための集積化方式での作業を表す流れ図６００が示してある。流れ図６００の作業６０２を参照すると、薄膜電池の製造プロセスは、アノード層の堆積を含む。任意選択の作業６０３ａを参照すると、一実施形態では、リチウムを含んでいてもいなくてもよい基本的なアノード材料が堆積した後に、アノード層がリチオ化される。任意選択の作業６０３ｂを参照すると、一実施形態では、たとえばアノード層を加熱することによってアノード層がアニール処理される。具体的な一実施形態では、リチウムを含んでいてもいなくてもよい基本的なアノード材料が堆積した後にアノード層がリチオ化され、続いて、たとえばアノード層を加熱することによってアノード層がアニール処理される。流れ図６００の作業６０４を参照すると、次いで、アノード層を環境空気状態に曝すことなくアノード層上に最初の保護コーティング層が形成される。流れ図６００の作業６０６を参照すると、マスク作業を含む第２のコーティング層堆積作業が実行される。上記各層が堆積する基板が環境空気に曝される場合、最初の保護コーティング層はアノード層を保護する。
【００２２】
図７には、本発明の一実施形態による、リチウムアノードの組込みおよびカソードのリチオ化を含む薄膜電池の方法に適している、処理装置の従来構成に対する２００ミリメートルのクラスタツールの構成が示してある。図７を参照すると、クラスタツール７０２は、エクスシトゥ（グローブボックスへの）マスクアライメントを伴うプロセスの流れに対応するように構成される。従来のツール構成７０４も図示してある。一実施形態では、クラスタツール７０２は、前述の通り追加の保護堆積作業に対応するための追加チャンバを有し、グローブボックス内でのアライメントを必要とする。一実施形態では、クラスタツール７０２は、シャワーヘッドベース（外部貯蔵器を有する）または内部貯蔵器ベースの直接リチウム蒸発器７０６を含む。具体的な一実施形態では、オンボードのリチウム堆積チャンバ７０６をクラスタツール７０２に組み込むことにより、ツールからツールへのエクスシトゥ搬送の必要性がなくなる。他の実施形態では、クラスタツール７０２は、リチウムスパッタリングチャンバなどの高リチウム堆積速度のチャンバを含むが、それには限定されない。具体的な一実施形態では、高リチウム堆積速度のチャンバは、リチウムターゲットのスパッタリングを実行するためのアルゴンガス用の供給源ポイントを含む。一実施形態では、クラスタツール７０２は、図７に示すような急速熱アニール（ＲＴＡチャンバ）などのアニール処理チャンバ７０５を備える。
【００２３】
図８には、本発明の一実施形態による、合金アノードの形成を含む薄膜電池の方法に適している、処理装置の従来構成に対する２００ミリメートルのクラスタツールの構成が示してある。図８を参照すると、クラスタツール８０２は、エクスシトゥマスクアライメントを伴うプロセスの流れに対応するように構成される。従来のツール構成８０４も図示してある。一実施形態では、クラスタツール８０２は、前述の通り追加の保護堆積作業に対応するための追加チャンバを有する。一実施形態では、オンボードのリチウムチャンバ８０６は、シリコンリチウムシリコンまたはリチウムシリコン（シリコンオントップ）タイプの堆積を可能にする。一実施形態では、クラスタツール８０２は、図８に示すような急速熱アニール（ＲＴＡチャンバ）などのアニール処理チャンバ８０５を含む。この例は、２００ミリメートルのＳｉ−ＩＣプラットフォームおよびチャンバで示してあるが、同じ考え方を３００ミリメートルおよびインラインのツールにまで拡張することができる。
【００２４】
本発明の他の一態様では、最適化された薄膜電池工場が提供される。例として２００ミリメートルのツールセットが示してあるが、このような手法は３００ミリメートルのツールセットで容易に実施できることを理解されたい図９には、本発明の一実施形態による、最適化されたマスクプロセスを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図が示してある。
【００２５】
図９を参照すると、最適化されたマスクプロセスを使用して薄膜電池を製造するための工場９００は、金属層または半導体層を堆積させるための第１のプロセスツール９０２を含む。本発明の一実施形態によれば、第１のプロセスツール９０２はリチウムチャンバ９０４を含む。一実施形態では、第１のプロセスツール９０２は、マスクアライナ９０６と連動する。工場９００はまた、活性層を堆積させるための第２のプロセスツール９０８を含む。本発明の一実施形態によれば、図９に示すように、第２のプロセスツール９０８は、１つまたは複数のカソード堆積チャンバと、金属堆積チャンバと、１つまたは複数の電解質堆積チャンバと、リチウム堆積チャンバとを含む。工場９００はまた、急速熱処理用の第３のプロセスツール９１０と、誘電体層を堆積させるための第４のプロセスツール９１２と、反応性イオンエッチングを実行するための第５のプロセスツール９１４とを含む。本発明の一実施形態によれば、工場９００はまた、薄膜電池用の特殊層を堆積させるための第６のプロセスツール９１６を含む。本発明の一実施形態によれば、図９に示すように、第６のプロセスツール９１６は、ポリマー層の堆積のために構成される。さらに、第１のツールセット９０２および第２のツールセット９０８は、それぞれ金属層／半導体層および活性層向けであり、図７および図８について説明してあるように、オンボードのアニールチャンバを取り付けることができる。このようなツールセットにより、複数の材料および集積化方式での薄膜電池の製造が可能になる。
【００２６】
本発明の一態様では、マスクレスプロセスの集積化方式向けの、工場のツールセットが提供される。一実施形態では、工場は、クラスタツールプラットフォーム、インラインプラットフォーム、ハイスループットをターゲットにするインラインプラットフォーム、または２００ｍｍのインライン組合せプラットフォームなどのプラットフォームを備えるが、それらには限定されない。一実施形態では、２００ｍｍインライン組合せプラットフォームにより、製造者は、堆積速度が比較的低いデバイス材料層（たとえば、カソードおよび電解質）のスケーリングが容易になる。具体的な一実施形態では、システムレイアウトは本質的にモジュール式であり、薄膜電池製造向けの集積化堆積およびパターン形成の複数の方式を採用することが可能になる。
【００２７】
図１０には、本発明の一実施形態による、マスクレス集積化プロセスを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図が示してある。
【００２８】
図１０を参照すると、マスクレス集積化プロセスを使用して薄膜電池を製造するための工場１０００は、金属層を堆積させるための第１のプロセスツール１００２を含む。本発明の一実施形態によれば、第１のプロセスツール１００２はリチウムチャンバ１００４を含む。工場１０００はまた、活性層を堆積させるための第２のプロセスツール１００６を含む。本発明の一実施形態によれば、図１０に示すように、第２のプロセスツール１００６は、１つまたは複数のカソード堆積チャンバと、１つまたは複数の金属堆積チャンバと、１つまたは複数の電解質堆積チャンバと、リチウム堆積チャンバとを備える。工場１０００はまた、急速熱処理用の第３のプロセスツール１００８と、誘電体層を堆積させるための第４のプロセスツール１０１０と、反応性イオンエッチングを実行するための第５のプロセスツール１０１２とを含む。本発明の一実施形態によれば、工場１０００はまた、薄膜電池の製造においてプロセス作業を実行するための、追加のプロセスツール１０１４、１０１６、１０１８、および１０２０を含む。本発明の一実施形態によれば、図１０に示すように、プロセスツール１０１４は、ポリマー層の堆積用に構成され、プロセスツール１０１６は、リソグラフィ露光作業およびレジスト除去作業用に構成され、プロセスツール１０１８は、エッチング作業および清浄作業用に構成され、プロセスツール１０２０は、薄膜電池が製造されるウェーハのレーザスクライビング用に構成される。図９と同様に、第１のツールセット１００２および第２のツールセット１００６は、それぞれ、金属層および活性層向きであり、オンボードのアニールチャンバを取り付けることができる。集積化方式に応じて、エクスシトゥのパターン形成中に空気の影響を受けやすい層の側壁が曝されてもよいことが可能である。このような場合には、たとえば、グローブボックスで適切なツールとインターフェースし、または各チャンバを集めて直接の搬送を可能にすることによって空気曝露をなくすように、適切なツールを構成することが必要になる。
【００２９】
図１１には、本発明の一実施形態による、マスクレス集積化プロセスを使用するインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場のブロック図が示してある。
【００３０】
図１１を参照すると、マスクレス集積化プロセスを使用して薄膜電池を製造するための工場１１００は、活性層を堆積させるための第１のプロセスツール１１０２を含む。本発明の一実施形態によれば、図１１に示すように、第１のプロセスツール１１０２は、複数のカソード堆積チャンバ１１０４と、金属堆積チャンバ１１０６と、複数の電解質堆積チャンバ１１０８と、複数のリチウム堆積チャンバ１１１０とを含む。工場１１００はまた、金属層または半導体層を堆積させるための第２のプロセスツール１１１２を含む。本発明の一実施形態によれば、第２のプロセスツール１１１２は、複数の金属チャンバ１１１４を含む。一実施形態では、工場１１００はまた、薄膜電池の製造において様々なプロセス作業を実行するための、追加のプロセスツール１１１６、１１１８、１１２０、１１２２、および１１２４を含む。一実施形態では、図１１に示すように、プロセスツール１１１６は、急速熱処理用に構成され、プロセスツール１１１８は、ポリマー層の堆積用に構成され、プロセスツール１１２０は、リソグラフィ露光作業およびレジスト除去作業用に構成され、プロセスツール１１２２は、エッチング作業および清浄作業用に構成され、プロセスツール１１２４は、薄膜電池が製造されるウェーハのレーザスクライビング用に構成される。堆積ツール用のこの特定の構成は、空気の影響を受けにくいか（アニールの有無に関係なく）、空気の影響を受けやすいかのいずれかであるカソード向けであるが、リチウムアノードの場合はアニールを必要としない。他のタイプのカソード／アノード対およびプロセス集積化の流れについての類似の構成は、同様の考え方を使用して容易に導き出すことができる。
【００３１】
図１２には、本発明の一実施形態による、マスクレス集積化プロセスを使用する、ハイスループット向けに設計されたインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場のブロック図が示してある。
【００３２】
図１２を参照すると、マスクレス集積化プロセスを使用して薄膜電池を製造するための、ハイスループット向けに設計された工場１２００は、電解質層およびアノード層を堆積させるための第１のプロセスツール１２０２を含む。本発明の一実施形態によれば、図１２に示すように、第１のプロセスツール１２０２は、複数の電解質堆積チャンバ１２０４と、１つまたは複数の金属堆積チャンバ１２０６と、１つまたは複数のリチウム堆積チャンバ１２０８とを含む。工場１２００はまた、カソード層を堆積させるための第２のプロセスツール１２１０を含む。本発明の一実施形態によれば、図１２に示すように、第２のプロセスツール１２１０は、複数のカソード堆積チャンバ１２１２を含む。工場１２００はまた、金属層または半導体層を堆積させるための第３のプロセスツール１２１４を含む。本発明の一実施形態によれば、第３のプロセスツール１２１４は、複数の金属チャンバ１２１６および複数の半導体チャンバ１２１８を含む。一実施形態では、工場１２００はまた、薄膜電池の製造において様々なプロセス作業を実行するための、追加のプロセスツール１２１８、１２２０、１２２２、１２２４、１２２６、および１２２８を含む。一実施形態では、図１２に示すように、プロセスツール１２１８は、急速熱処理用に構成され、プロセスツール１２２０は、ポリマー層の堆積用に構成され、プロセスツール１２２２は、リソグラフィ露光作業およびレジスト除去作業用に構成され、プロセスツール１２２４は、エッチング作業および清浄作業用に構成され、プロセスツール１２２６は、レーザアブレーション用に構成され、プロセスツール１２２８は、誘電体層の堆積用に構成される。この特定のシステムは、ＬｉＣｏＯ２−Ｌｉセル用にセットアップしてもよい。他のタイプのカソード／アノード対およびプロセス集積化の流れについての類似の構成は、同様の考え方を使用して容易に導き出すことができる。
【００３３】
図１３には、本発明の一実施形態による、２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場とインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場とを組み合わせたブロック図が示してある。この場合、インラインツールは、２００ミリメートルのツールに適合した複数の基板を処理することになる。
【００３４】
図１３を参照すると、薄膜電池を製造するための工場１３００は、金属層または半導体層を堆積させるための第１のプロセスツール１３０２を備える。本発明の一実施形態によれば、第１のプロセスツール１３０２はリチウムチャンバ１３０４を備える。図７および図８に示すように、第１のプロセスツール１３０２には、オンボードのアニールチャンバを取り付けることができる。工場１３００はまた、活性層を堆積させるための第２のインラインプロセスツール１３０６を含む。本発明の一実施形態によれば、図１３に示すように、第２のプロセスツール１３０６は、複数のカソード堆積チャンバ１３０８と、１つまたは複数の金属堆積チャンバ１３１０と、複数の電解質堆積チャンバ１３１２と、１つまたは複数のリチウム堆積チャンバ１３１４とを含む。工場１３００はまた、急速熱処理用の第３のプロセスツール１３１６と、誘電体層を堆積させるための第４のプロセスツール１３１８と、反応性イオンエッチングを実行するための第５のプロセスツール１３２０とを含む。本発明の一実施形態によれば、工場１３００はまた、薄膜電池の製造においてプロセス作業を実行するための、追加のプロセスツール１３２２、１３２４、１３２６、および１３２８を備える。本発明の一実施形態によれば、図１３に示すように、プロセスツール１３２２は、ポリマー層の堆積用に構成され、プロセスツール１３２４は、リソグラフィ露光作業およびレジスト除去作業用に構成され、プロセスツール１３２６は、清浄作業用に構成され、プロセスツール１３２８は、薄膜電池が製造されるウェーハのレーザスクライビング用に構成される。
【００３５】
本発明の他の一態様では、シャドーマスクベースの集積化方式向けのインライン工場モデルが提供される。一実施形態では、マスクのアライメントおよび管理は、インシトゥで実行される。一実施形態では、ツールセットは、例示的なプロセス集積化方式に基づいており、集積化の流れの中での任意の変更に容易に適応することができる。図１４には、本発明の一実施形態による、インシトゥマスク管理を含むマスク集積化を用いて薄膜電池を製造するための大量製造用のツールセットのブロック図が示してある。
【００３６】
図１４を参照すると、インシトゥのマスク管理を含むマスク集積化を用いて薄膜電池を製造するための工場１４００は、活性層、金属、および半導体を堆積させるための結合されたプロセスツールを有するシステム１４０２を含む。本発明の一実施形態によれば、システム１４０２は、金属層および誘電体層を堆積させるための第１のプロセスツール１４０４と、半導体層を堆積させるための第２のプロセスツール１４０６と、電解質層を堆積させるための第３のプロセスツール１４０８と、カソード層を堆積させるための第４のプロセスツール１４１０と、金属層を堆積させるための第５のプロセスツール１４１２とを含む。工場１４００はまた、ポリマーを堆積させるためのシステム１４１４と、保護コーティングを形成するための結合されたプロセスツールを有するシステム１４１６とを含む。本発明の一実施形態によれば、システム１４１６は、保護コーティングの堆積およびパターン形成のためのシステムである。この特定の構成は、２つの異なるマスク作業を伴う、複数の層と材料に対応するシステムを示す。したがって、３つの集積モジュール１４１８、１４２０、および１４２２は、パターン形成のためのエッチングプロセス用の誘電体層や金属層なども、一般材料と特定材料の組合せに使用することができる。同様に、マスク管理システムのユニットが図１４に示してある。たとえば、１４５０は、回転アライメントモジュールであり、１４５２は、対応するチャンバをベントアップすることなく再生し、再投入するための、別々のマスク出し／入れポートを有するマスク格納領域である。
【００３７】
本発明の他の一態様では、標準のリチウム蒸発ツールを有する工場モデルが提供される。図１５には、本発明の一実施形態による、標準のリチウム蒸発ツールを使用する２００ミリメートルの薄膜電池の製造工場のブロック図が示してある。この構成は、空気の影響を受けやすいカソード材料を降り扱うためであってもよい。
【００３８】
図１５を参照すると、薄膜電池を製造するための工場１５００は、金属層または半導体層を堆積させて薄膜電池用の接点を形成するための第１のプロセスツール１５０２を含む。工場１５００はまた、カソード層、電解質層、およびリチウムを堆積させるための第２のプロセスツール１５０４を含む。第２のプロセスツール１５０４は、カソード層の堆積のための第１のクラスタツール１５５０と、電解質層の堆積のための第２のクラスタツール１５５２とを。一実施含む形態では、図１５に示すように、第１のクラスタツール１５５０には、インシトゥアニール処理用の熱処理チャンバ１５５４が設けられているが、リチウム層またはリチウム含有層を堆積させるためのチャンバは設けられていない。代わりに、本発明の一実施形態によれば、第２のプロセスツール１５０４は、１つまたは複数のグローブボックス（ＧＢ）が設けられた標準のリチウム蒸発ツール１５５６を含んでおり、このグローブボックスは、標準のリチウム蒸発ツール１５５６を第１のクラスタツール１５５０および第２のクラスタツール１５５２に結合する。
【００３９】
やはり図１５を参照すると、工場１５００はまた、急速熱処理用の第３のプロセスツール１５０６と、プラズマ促進物理気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって各層を堆積させるための第４のプロセスツール１５０８と、反応性イオンエッチングを実行するための第５のプロセスツール１５１０と、ポリマー層など薄膜電池用の特殊層を堆積させるための第６のプロセスツール１５１２とを含む。一実施形態では、図１５に示すように、第４のプロセスツール１５０８は、特殊プロセスで必要になるグローブボックス（ＧＢ）に結合されている。
【００４０】
図１６には、本発明の一実施形態による、単一マスク集積化プロセスを使用する、ハイスループット向けに設計されたインライン大面積の塗工機の薄膜電池製造工場のブロック図が示してある。
【００４１】
図１６を参照すると、単一マスク集積化プロセスを使用して薄膜電池を製造するための、ハイスループット向けに設計された工場１６００は、電解質層およびリチウムベースの層を堆積させるための第１のプロセスツール１６０２を含む。本発明の一実施形態によれば、図１６に示すように、第１のプロセスツール１６０２は、複数の電解質堆積チャンバ１６０４と、１つまたは複数の金属堆積チャンバ１６０６と、１つまたは複数のリチウム堆積チャンバ１６０８とを含む。工場１６００はまた、カソード層を堆積させるための第２のプロセスツール１６１０を含む本発明の一実施形態によれば、図１６に示すように、第２のプロセスツール１６１０は、複数のカソード堆積チャンバ１６１２を含む。工場１６００はまた、薄膜電池の接点を形成するのに使用するための金属層または半導体層を堆積させるための第３のプロセスツール１６１４を含む。本発明の一実施形態によれば、図１６に示すように、第３のプロセスツール１６１４は、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、金／白金（Ａｕ／Ｐｔ）の堆積チャンバなど、複数の金属チャンバ１６１６を含む。一実施形態では、工場１６００はまた、薄膜電池の製造において様々なプロセス作業を実行するための、追加のひとまとまりのプロセスツール１６１８、１６２０、１６２２、１６２４、および１６２６を含む。一実施形態では、図１６に示すように、ひとまとまりの周辺ツールには、急速熱処理用に構成されたプロセスツール１６１８と、ポリマー層の堆積用に構成されたプロセスツール１６２０と、エッチング作業、清浄作業、および除去作業用に構成されたプロセスツール１６２２とが含まれる。一実施形態では、図１６に示すように、ひとまとまりのパターン形成ツールには、リソグラフィ露光用に構成されたプロセスツール１６２４と、レーザスクライビング用に構成されたプロセスツール１６２６とが含まれる。本発明の一実施形態によれば、工場１６００を使用して、マスクレス集積化方式とマスク集積化方式との混成方式である集積化プロセスを実行することができる。この特定の工場は、ＬｉＣｏＯ２−Ｌｉセル用でもよい。他のタイプのカソード／アノード対およびプロセス集積化の流れについての類似の構成は、同様の考え方を使用して導き出すことができる。
【００４２】
本発明の他の態様では、ハイブリッドクラスタ構成およびインライン構成に基づくレイアウトが考慮されている。一実施形態では、ハイブリッド構成は、様々に異なる堆積プラットフォームの使用およびその組合せを説明する。一例として、図１７には、本発明の一実施形態による、標準のリチウム蒸発ツールを使用する２００ミリメートルの薄膜電池のハイブリッド製造工場のブロック図が示してある。
【００４３】
図１７を参照すると、薄膜電池を製造するための工場１７００は、金属を堆積させて薄膜電池用の接点を形成するための第１のプロセスツール１７０２を含む。あるいは、第１のプロセスツール１７０２は、たとえば、合金ベースのアノード形成用など、半導体層の堆積用である。工場１７００はまた、カソード層、電解質層、およびリチウムを堆積させるための第２のプロセスツール１７０４を含む。第２のプロセスツール１７０４は、カソード層の堆積のためのクラスタツール１７５０と、電解質層の堆積のためのインラインツール１７５２とを備える。しかし、他の実施形態では、電解質層または他の層の堆積のためにクラスタツール１７５０を使用してもよく、カソード層または他の層の堆積のためにインラインツール１７５２を使用してもよいことを理解されたい。一実施形態では、図１７に示すように、クラスタツール１７５０には、インシトゥアニール処理用の熱処理チャンバ１７５４が設けられているが、リチウム層またはリチウム含有層を堆積させるためのチャンバは設けられていない。代わりに、本発明の一実施形態によれば、第２のプロセスツール１７０４は、１つまたは複数のグローブボックス（ＧＢ）が設けられた標準のリチウム蒸発ツール１７５６を含んでおり、このグローブボックスは、標準のリチウム蒸発ツール１７５６をクラスタツール１７５０およびインラインツール１７５２に結合する。
【００４４】
やはり図１７を参照すると、工場１７００はまた、急速熱処理用の第３のプロセスツール１７０６と、プラズマ促進物理気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって各層を堆積させるための第４のプロセスツール１７０８と、反応性イオンエッチングを実行するための第５のプロセスツール１７１０と、ポリマー層など薄膜電池用の特殊層を堆積させるための第６のプロセスツール１７１２とを含む。一実施形態では、図１７に示すように、第４のプロセスツール１７０８は、特殊プロセスで必要になるグローブボックス（ＧＢ）に結合されている。一実施形態では、グローブボックスを受ける領域は、大面積の搬送装置に対応するサイズになっている。
【００４５】
ハイブリッドの構成またはレイアウトは、モジュール式の基板の使用に対応してもよい。たとえば、一実施形態では、複数の基板の搬送装置とともに、スループットが比較的低い作業での大面積の塗工機を使用してもよい。一実施形態では、モジュール式の基板は、２枚以上のこうした基板（たとえば、複数の２００ミリメートル基板）を同時に保持するように構成された比較的大きい搬送装置内に収められる基板である。一実施形態では、ハイブリッド構成では、ハイスループット作業用に、比較的小面積のツール（たとえば、斜めも含む上下横方向などに堆積する、Ｓｉ−ＩＣの比較的小さいインラインなど）の使用が含まれる。一実施形態では、大面積の塗工機にスケーリングする必要もなく、したがって所有コストが低減する。一実施形態では、インラインツールは、部分的にはセラミックターゲットからの粒子不良を低減するために実装される。ハイブリッドプラットフォームの例示的な実施形態には、それだけには限らないが、堆積プラットフォームと処理プラットフォームの組合せ、比較的遅いプロセスとモジュール式の基板のスループットの必要性のバランス、またはセラミックターゲットからの粒子不良の低減が含まれる。したがって、一実施形態では、ハイブリッド構成は、様々なツールの任意の組合せを含んでもよく、たとえば、それによって製造および所有コストが最適化する。
【００４６】
グローブボックス構成は、ハイブリッドレイアウトに適したように設計してもよい。たとえば、図１８には、本発明の一実施形態による、ハイブリッド薄膜電池製造レイアウトで使用するためのグローブボックスが示してある。図１８を参照すると、装置１８００は、第１のインラインツール１８０４および第２のインラインツール１８０６に結合されたグローブボックス１８０２を含む。一実施形態では、図１８に示すように、第１のインラインツール１８０４は、カソード層を堆積するためのツールであり、第２のインラインツール１８０６は電解質層を堆積するためのツールである。一実施形態では、やはり図１８に示すように、アライナ１８０８は、装置１８００と連動している。一実施形態では、グローブボックス１８０２は、大面積の基板搬送装置に対処するように設計される。一実施形態では、アライナ１８０８は、シャドーマスクベースの集積化方式に対応するよう示してある。したがって、一実施形態では、モジュール式の基板は、単一マスクを大面積の搬送装置に置いて、個別に位置合わせされた複数の単一基板を配置することによって搬送される。
【００４７】
インラインツールとクラスタツールの組合せを、薄膜電池製造向けに構成してもよい。たとえば、図１９には、本発明の一実施形態による、薄膜電池製造に適したハイブリッド施設レイアウトが示してある。図１９を参照すると、工場レイアウト１９００は、電解質堆積用の第１のインラインツール１９０２と、カソード層堆積用の第２のインラインツール１９０４を含む。第１のクラスタツール１９０６は、接点層の形成用に含まれ、第２のクラスタツール１９０８は、プラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）用に備えられ、第３のクラスタツール１９１０は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）用に含まれる。リチウム堆積装置１９１２も備えられる。図１９に示すように、レーザスクライビングおよびリソグラフィ用の作業所（ｓｔａｔｉｏｎ）１９１４も含まれてよい。
【００４８】
したがって、本発明の１つまたは複数の実施形態では、リチウムベースの薄膜電池製造用のハイブリッド工場レイアウトが提供される。ハイブリッド工場レイアウトは、活性層を堆積させるためのプロセスツールを含む。この処理ツールは、１つまたは複数の活性層の堆積のためのクラスタツールを含む。このプロセスツールはまた、１つまたは複数の活性層、または、１つもしくは複数の他の層の堆積のためのインラインツールも含む。プロセスツールはまた、リチウム蒸発ツールをクラスタツールとインラインツールに結合する１つまたは複数のグローブボックスを備える、リチウム蒸発ツールを含む。上記は、代表的な実施形態であり、本発明の趣旨および範囲を限定することは決して意図しない。
【００４９】
このように、薄膜電池製造の方法および薄膜電池製造用のハイブリッド工場を開示してきた。本発明の一実施形態によれば、方法は、薄膜電池を製造するための作業を含む。本発明の他の実施形態によれば、工場は、薄膜電池を製造するための１つまたは複数のツールセットを備える。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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