(57)【要約】  実施形態によれば、デバイスの金属層を被覆する光透過性材料を選択的にアブレーションする方法は、金属層の上に光透過性材料層を提供すること、及び、光透過性材料層の一部を焦点がぼかされたレーザービーム又は成形したレーザービームで照射し、光透過性材料層の一部をアブレーションすることを含み、アブレーションは金属層を完全な無傷な状態で残し、前記レーザー光は３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長を有し、光透過性材料層は光透過性材料層を通るレーザー光の１回の通過で、レーザービームからレーザー光の５０％以下を吸収する。金属層を完全に無傷な状態で残したまま、金属層上の透過性材料層をレーザーアブレーションするための装置が説明される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスの金属層を被覆する光透過性材料を選択的にアブレーションする方法であって、
金属層の上に光透過性材料層を提供すること、及び、
前記光透過性材料層の一部を焦点がぼかされたレーザービームで照射し、前記光透過性材料層の前記一部をアブレーションすることを含み、
前記アブレーションは前記金属層を完全に無傷な状態で残し、前記レーザー光は３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長を有する方法。
【請求項２】
デバイスの金属層を被覆する光透過性材料を選択的にアブレーションする方法であって、
金属層の上に光透過性材料層を提供すること、及び、
前記光透過性材料層の一部を成形したレーザービームで照射し、前記光透過性材料層の前記一部をアブレーションすることを含み、
前記アブレーションは前記金属層を完全な無傷な状態で残し、前記レーザー光は３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長を有する方法。
【請求項３】
前記光透過性材料層は、前記光透過性材料層を通る前記レーザー光の１回の通過で、前記レーザービームからレーザー光の５０％以下を吸収する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記光透過性材料層は、前記光透過性材料層を通る前記レーザー光の１回の通過で、前記レーザービームからレーザー光の２０％以下を吸収する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記光透過性材料層は封入層である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項６】
前記光透過性材料層はパリレンを含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項７】
前記光透過性材料はパリレンＣを含み、前記光透過性材料層は１０〜２０ミクロンの厚みの範囲内にある、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項８】
前記レーザービームは３５５ｎｍレーザーによって形成され、前記レーザービームは前記光透過性材料層で、４×１０８Ｊｍ−２ｓ−１〜６×１０８Ｊｍ−２ｓ−１の範囲内の線量率を提供する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項９】
前記電気化学デバイスは薄膜固体バッテリである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項１０】
前記照射は、前記光透過性材料層の前記一部を前記レーザービームで複数回スキャンすることを含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属層は薄膜固体バッテリの電流コレクタである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属層は、金、プラチナ、チタン及び銅からなるグループから選択された少なくとも１つの金属を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
薄膜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、カソード層、電解質層、アノード層及びアノード電流コレクタ層のスタックを基板上にブランケット堆積するための第１のシステム、
前記スタックをレーザーダイパターニングして複数のダイパターンドスタックを形成するための第２のシステム、
前記複数のダイパターンドスタックをレーザーパターニングして、前記複数のダイパターンドスタックの各々に対して前記カソード電流コレクタ層及び前記アノード電流コレクタ層のうちの少なくとも１つの接点領域を露出し、複数のデバイススタックを形成するための第３のシステム、
前記複数のデバイススタック上にブランケット封入層を堆積するための第４のシステム、及び
前記ブランケット封入層をレーザーアブレーションして、前記複数のデバイススタックの各々に対して前記カソード電流コレクタ層及び前記アノード電流コレクタ層の接点領域を露出し、複数の封入デバイススタックを形成するための第５のシステムを含み、
前記封入層は光透過性で、レーザーアブレーションのための前記第５のシステムは、３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長のレーザー光を提供するレーザーを含み、また、レーザーアブレーションのための前記第５のシステムは、焦点がぼかされたレーザービーム及び成形されたレーザービームからなるグループから選択されたレーザービームを提供するように構成されている、装置。
【請求項１４】
前記レーザービームは３５５ｎｍレーザーによって形成され、前記レーザービームは前記ブランケット封入層で、４×１０８Ｊｍ−２ｓ−１〜６×１０８Ｊｍ−２ｓ−１の範囲内の線量率を提供する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置はインライン装置である、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
［０００１］  本願は、全体として本明細書に組み込まれている２０１５年５月１４日出願の米国仮特許出願第６２／１６１，４４９号の利益を主張する。
【０００２】
［０００２］  本開示の実施形態は概してマイクロ電子デバイス及び電気化学デバイスを製造する方法に関し、より具体的には、限定するものではないが、薄膜バッテリの製造で下部の金属層を損傷することなく、透明な材料のレーザーアブレーションを改良するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］  レーザーは、基板又はその他の膜から薄膜及び厚膜材料を除去するために使用可能である。一般的に使用されるレーザーのタイプは、除去される膜又は材料の吸収特性に依存する。レーザーエネルギーが除去される材料と直接反応するように、一般的に、反射率又は透過率が最小で高い吸収が望ましい。多くのポリマーは、一般的に使用される３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲のレーザー波長に対して透過性であるため、これらのポリマー膜は、吸収プロセスに関しては、３５５ｎｍ未満の短い波長のレーザーを必要とするというのが、従来の考え方である。このような短い波長は、１０６４ｎｍの基本レーザーの第４高調波発生のための複合体結晶材料を用いて、或いはエキシマレーザーなどの高価なガスベースのキャビティを使用して生成可能であり、エキシマレーザーは所望のアブレーションパターンを生成するため、複合マスクを必要とする。一般的に、Ｑスイッチ焦点レーザービームを利用すると、ターゲットのポリマー材料の下部にある意図していない層が完全にアブレーションされない場合であっても、周囲の材料には最小限の熱的影響を及ぼす結果となる。したがって、下部の材料に重大な損傷を及ぼすことなく、また、高価な機器や複雑なプロセスを用いることなく、透過性材料を除去できる方法及び装置が必要になっている。
【発明の概要】
【０００４】
［０００４］  幾つかの態様によれば、本開示の実施形態は、このような材料に関して低吸収特性を有するレーザー波長を使用して、透過性材料をレーザーアブレーションするための方法及び装置に関する。本開示の実施形態は、下部の材料に重大な損傷を与えることなく、透過性材料を除去するため、柔軟なパターン生成のための一般的な光学系及びスキャナを有する標準的な工業用レーザーを使用する。これらの実施形態及び他の実施形態では、本開示による方法は、レーザービームの焦点をぼかして、又は成形して、レーザービームのエネルギー密度を下部の金属層のアブレーション閾値以下に引き下げること、及び、ターゲット材料に対して多数の経路を使用することを含む。
【０００５】
［０００５］  幾つかの実施形態によれば、デバイスの金属層を被覆する光透過性材料を選択的にアブレーションする方法は、金属層の上に光透過性材料層を提供すること、及び光透過性材料層の一部を焦点がぼかされたレーザービームで照射し、光透過性材料層の一部をアブレーションすることを含み、アブレーションは光透過性材料層を完全に無傷な状態で残し、レーザー光は３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長を有する。
【０００６】
［０００６］  幾つかの実施形態によれば、デバイスの金属層を被覆する光透過性材料を選択的にアブレーションする方法は、金属層の上に光透過性材料層を提供すること、及び、光透過性材料層の一部を成形したレーザービームで照射し、光透過性材料層の一部をアブレーションすることを含み、アブレーションは金属層を完全な無傷な状態で残し、前記レーザー光は３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長を有する。
【０００７】
［０００７］  幾つかの実施形態によれば、薄膜電気化学デバイスの製造装置は、カソード電流コレクタ層、カソード層、電解質層、アノード層及びアノード電流コレクタ層のスタックを基板上にブランケット堆積するための第１のシステム、スタックをレーザーダイパターニングして複数のダイパターンドスタックを形成するための第２のシステム、複数のダイパターンドスタックをレーザーパターニングして、複数のダイパターンドスタックの各々に対してカソード電流コレクタ層及びアノード電流コレクタ層のうちの少なくとも１つの接点領域を露出し、複数のデバイススタックを形成するための第３のシステム、複数のデバイススタック上にブランケット封入層を堆積するための第４のシステム、並びに、ブランケット封入層をレーザーアブレーションして、複数のデバイススタックの各々に対してカソード電流コレクタ層及びアノード電流コレクタ層の接点領域を露出し、複数の封入デバイススタックを形成するための第５のシステムを含み、封入層は光透過性で、レーザーアブレーションのための第５のシステムは、３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長のレーザー光を提供するレーザーを含み、また、レーザーアブレーションのための前記第５のシステムは、焦点がぼかされたレーザービーム及び成形されたレーザービームからなるグループから選択されたレーザービームを提供するように構成されている。
【０００８】
［０００８］  本開示のこれらの態様及びその他の態様と特徴は、添付の図と併せて特定の実施形態の下記の説明を読むことで、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の幾つかの実施形態による、レーザーアブレーションの方法の態様を図解する薄膜バッテリ（ＴＦＢ）の断面図である。
【図２】本開示の幾つかの実施形態による、レーザーアブレーションの方法の態様を図解する薄膜バッテリ（ＴＦＢ）の断面図である。
【図３】本開示の実施形態による、レーザーアブレーション方法の付加的な態様を図解するＴＦＢの上面図である。
【図４】本開示の実施形態による、レーザーアブレーション方法の付加的な態様を図解するＴＦＢの上面図である。
【図５】本開示の実施形態による、レーザーアブレーション方法の付加的な態様を図解するＴＦＢの上面図である。
【図６】本開示の実施形態による、レーザービームの焦点ぼかしを図解する概略図である。
【図７】本開示の実施形態による、レーザービームの焦点ぼかしを図解する概略図である。
【図８】本開示の実施形態による、ガウス分布ビームのレーザービーム強度形状である。
【図９】本開示の実施形態による、成形されたビームのレーザービーム強度形状である。
【図１０】本発明の幾つかの実施形態による、基板処理装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［００１４］  以下、本開示の実施形態について、当業者が本開示を実施できるように本開示の実施例として提供される図面を参照して、詳細に説明する。本書の図面は、縮尺通りに描かれていない、デバイス及びデバイスプロセスフローの図を含む。とりわけ、図及び以下の例は、本開示の範囲を単一の実施形態に限定することを意図するものではなく、説明又は図示する要素の一部又は全てを入れ替えることによって、他の実施形態も可能になる。更に、既知の構成要素を用いて、本開示の特定の要素を部分的に又は完全に実装することができるが、かかる既知の構成要素のうちの、本開示の理解に必要な部分のみが説明され、かかる既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は、本開示を曖昧にしないように省略される。本開示では、単数の構成要素を示す実施形態を限定的と見なすべきではなく、むしろ、本明細書に別段の明示的な記載がない限り、その開示は、複数の同一の構成要素を含む他の実施形態を包含することが意図されており、逆もまた然りである。さらに、本開示中の任意の用語は、明記されていない限り、一般的でなかったり、特殊な意味を有したりすることは意図されていない。さらに、本開示は、例示のために本明細書で言及されている既知の構成要素の、現在知られている均等物及び将来知られることになる均等物も包含する。
【００１１】
［００１５］  ある種の一般的な態様によって、本開示の著者は、柔軟なパターン生成のための一般的な光学系及びスキャナを有する標準的な工業用レーザーを使用して、下部の材料に重大な損傷を与えることなく、透明な材料を除去できることを明らかにした。著者は更に、充分なエネルギーが材料表面に向けられている場合、例えば、高エネルギーパルスレーザーが材料にフォーカスされている場合には、多くのレーザー波長に対して通常の反射能を有する金属など、ある種の材料は、通常の反射能を有する金属の直接電離によって直接アブレーションされうることを認識している。別の態様では、「爆発沸騰」する結果となる材料の固体状態とは異なる吸収特性を有する溶融状態を含む金属を過熱することが可能である。
【００１２】
［００１６］  本開示の他の態様によって、著者は、レーザービームの焦点をぼかすこと（エネルギー密度を効果的に下げること）によって、また、ターゲット材料に対して多数の経路を使用することによって、透明な材料の下部の反射性金属層への損傷を避け、ビームを反射させ、透明な材料層へ再び方向転換させることが可能であることを明らかにした。透明なポリマーの場合には、これらの材料は下部の金属よりもかなり早く溶ける。著者は、透明な材料を充分に加熱した後、材料の吸収特性が変化し、その結果、レーザー光を直接吸収し基板よりも急速にアブレーションされることを明らかにした。これは、通常の透明なポリマー層を、下部の金属層を損傷することなく、実際のアブレーションの結果得られる高吸収状態に移行するための事前調整とみなすことができる。この解決策の１つの利点は、シャドウマスクを必要とする高価なエキシマレーザー、或いは高価な光学系と保守も必要となる２６６ｎｍ以下を使用する固体レーザーの代わりに、可視光波長範囲内の光を生成する、安価で製造実績のあるレーザーを使用できることである。
【００１３】
［００１７］  本開示のこれらの態様及びその他の態様は、片面薄膜バッテリの透過性封入材料をアブレーションして、接点領域をバッテリのアノード電流コレクタ及びカソード電流コレクタに露出する、例示的な実施形態に関連して、以下でより詳細に説明される。しかしながら、本開示はこの実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、この原理を両面ＴＦＢに拡張する方法、並びに、金属の上にポリマー被覆を使用する他の技術、例えば、ＦＥＴ製造などに拡張する方法を理解するであろう。
【００１４】
［００１８］  本書では、幾つかの実施形態で、光透過性材料層の光透過性は、光透過性材料層を通るレーザー光の１回の通過で、レーザービームからレーザー光の５０％以下の層吸収として画定され、また、実施形態では、光透過性材料層の光透過性は、光透過性材料層を通るレーザー光の１回の通過で、レーザービームからレーザー光の２０％以下の層吸収として画定される。光透過性は波長の関数として変化するため、光透過性のこの定義はレーザー光の特定の波長に固有のものである。レーザー光は、３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長である。
【００１５】
［００１９］  多くの固体薄膜バッテリ（ＴＦＢ）は、デバイスの早期故障を引き起こす環境汚染物質混入から電解質コンポーネントを保護するため、ポリマー被覆による封入を有する。しかしながら、このような保護層の堆積は、バッテリをエンドユーザーコンポーネントに物理的に接続するために開放しなければならない接点領域を完全に覆ってしまう。
【００１６】
［００２０］  図１は、薄膜バッテリ（ＴＦＢ）スタックにアノードおよびカソード接点領域を完成させる処理前の実施例の断面図である。この処理は、マスクレス技術又はマスク技術、或いは両者の任意の組み合わせを用いて実行されうる。本開示の実施形態を有利に利用するＴＦＢデバイスの説明は、図１及び図２を参照して以下に提示される。
【００１７】
［００２１］  図１は、基板１０１、カソード電流コレクタ（ＣＣＣ）層１０２（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）、カソード層１０３（例えば、ＬｉＣｏＯ２）、電解質層１０４（例えば、ＬｉＰＯＮ）、アノード層１０５（例えば、Ｌｉ、Ｓｉ）、アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）層１０６（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）、ＡＣＣ接点領域１０８及びＣＣＣ接点領域１０９、並びに、ブランケット封入層１０７（パリレンなどのポリマー）を含む垂直スタックタイプのＴＦＢデバイス構造の実施例を示している。
【００１８】
［００２２］  実施形態によれば、図１のＴＦＢデバイスは、以下のプロセス、すなわち、基板の準備、ＣＣＣ、カソード、電解質、アノード及びＡＣＣをブランケット堆積してスタックを形成すること、カソードのアニール、スタックのレーザーパターニング、パターニングされた接点パッドの堆積、封入層の堆積、封入層のレーザーパターニングで、製造される。実施形態では、カソードはＬｉＣｏＯ２であり、アニールは８５０°Ｃ以下の温度である。
【００１９】
［００２３］  図１を参照して上記で提供される具体的なＴＦＢデバイス構造及び製造方法は実施例に過ぎず、様々な異なるＴＦＢ及び他の電気化学デバイス構造並びに製造方法が、本書に記載のように本開示の実施形態による処理の恩恵を受けることが期待されている。
【００２０】
［００２４］  更には、種々のＴＦＢデバイス層には幅広い材料が利用されうる。例えば、カソード層はＬｉＣｏＯ２層（例えば、ＲＦスパッタリング、パルスＤＣスパッタリングなどによって堆積される）であってもよく、アノード層はＬｉ金属層（例えば、蒸着、スパッタリングなどによって堆積される）であってもよく、また、電解質層はＬｉＰＯＮ層（ＲＦスパッタリングなどによって堆積される）であってもよい。しかしながら、本開示は、様々な材料を含む広範囲にわたるＴＦＢに適用されうることが期待されている。更には、これらの層に対する堆積技術は、所望の組成、相及び結晶化度を提供することができる任意の堆積技術であってもよく、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相堆積）、反応性スパッタリング、非反応性スパッタリング、ＲＦスパッタリング、マルチ周波数スパッタリング、電子ビーム蒸着、イオンビーム蒸着、熱蒸着、ＣＶＤ、ＡＬＤなどの堆積技術を含みうる。堆積方法は、プラズマスプレー、スプレー熱分解、スロットダイコーティング、スクリーン印刷などの非真空ベースのものであってもよい。ＰＶＤスパッタ堆積プロセスに関しては、プロセスはＡＣ、ＤＣ、パルスＤＣ、ＲＦ、ＨＦ（例えば、マイクロ波）など、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。ＴＦＢの種々の構成要素層の材料の例には、以下の一又は複数が含まれうる。ＡＣＣ及びＣＣＣは、種々の材料の複数の層で合金になりうる、及び／又は複数の層内に存在しうる、及び／又はＴｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、耐熱性金属及びスーパー合金などの一又は複数の接着層を含みうる、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｚｎ及びＰｔのうちの一又は複数であってもよい。カソードは、ＬｉＣｏＯ２、Ｖ２Ｏ５、ＬｉＭｎＯ２、Ｌｉ５ＦｅＯ４、ＮＭＣ（ＮｉＭｎＣｏ酸化物）、ＮＣＡ（ＮｉＣｏＡｌ酸化物）、ＬＭＯ（ＬｉｘＭｎＯ２）、ＬＦＰ（ＬｉｘＦｅＰＯ４）、ＬｉＭｎスピネルなどであってもよい。固体電解質は、ＬｉＰＯＮ、ＬｉＩ／Ａｌ２Ｏ３混合物、ＬＬＺＯ（ＬｉＬａＺｒ酸化物）、ＬｉＳｉＣＯＮ、Ｔａ２Ｏ５などの材料を含むリチウム導電性電解質材料であってもよい。アノードは、Ｌｉ、Ｓｉ、シリコンリチウム合金、硫化ケイ素リチウム、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃなどであってもよい。
【００２１】
［００２５］  アノード／負の電極層は純粋なリチウム金属であってもよく、例えば、Ｌｉはスズなどの金属又はシリコンなどの半導体と合金になる。Ｌｉ層は（カソードと容量のバランスに適するように）約３μｍの厚みであってもよく、封入層は３μｍ以上の厚みであってもよい。封入層は、ポリマー／パリレンと金属及び／又は誘電体の多層構造であってもよく、必要に応じて堆積とパターニングを繰り返すことによって形成されてもよい。幾つかの実施形態では、Ｌｉ層と封入層の形成の間に、部品は、アルゴンガス又は乾燥室などの不活性環境又は低湿度環境に保持されるが、ブランケット封入層の堆積後は、不活性環境の必要性は緩和される。ＡＣＣはＬｉ層を保護するために使用されてもよく、真空外でのレーザーアブレーションを可能にし、不活性環境の必要性も緩和されうる。
【００２２】
［００２６］  更には、金属の電流コレクタは、カソード側でもアノード側でも、往復するリチウムイオンに対する保護バリアとして機能する必要がある。加えて、アノード電流コレクタは、環境の酸化剤（例えば、Ｈ２Ｏ、Ｏ２、Ｎ２など）に対するバリアとして機能する必要がある。したがって、電流コレクタ金属は、リチウムとの「双方向」の接触で最小限の反応又は混和性を有するように選択されうる。すなわち、固溶体を形成するため、Ｌｉは金属電流コレクタへ向かって、また、逆方向に移動する。加えて、金属電流コレクタは、環境の酸化剤に対して反応性と拡散性が低くなるように選択されうる。往復するリチウムイオンに対する保護バリアとして動作する候補になりうるのは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｚｎ及びＰｔである。幾つかの材料に関しては、金属層の間に反応／拡散がないことを保証するため、熱収支が管理される必要がありうる。単一の金属元素が双方のニーズを満たすことができない場合には、合金が考慮されてもよい。また、単一層が双方のニーズを満たすことができない場合には、二重（又は多重）層が使用されうる。更に加えて、接着層は、前述の耐熱性及び非酸化性の層の１つとの組み合わせで使用されてもよい。一例を挙げるならば、Ａｕと組み合わせたＴｉ接着層である。電流コレクタは、層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕなどの金属、金属合金、メタロイド又はカーボンブラック）を形成するため、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れうる。更には、往復するリチウムに対する保護バリアを形成するための他の選択肢には、誘電体層などがある。
【００２３】
［００２７］  実施形態では、アノード、カソード、ＡＣＣ、ＣＣＣ、電解質及び封入層など、一又は複数の構成要素デバイス層は、複数の層を含みうる。例えば、ＣＣＣ層は、Ｔｉ層及びＰｔ層又はアルミナ層を含んでもよく、Ｔｉ層及びＰｔ層、封入層は上述のように多重層を含んでもよい。
【００２４】
［００２８］  図１に更に示したように、透過性ポリマー被覆（封入層１０７）は、接点領域（１０８及び１０９）を含む基板上に完全に堆積されている。一実施例では、透過性被覆はパレリンポリマーである。別の実施例では、透過性被覆はパリレンポリマー、並びに、アルミナ及び／又は窒化ケイ素膜を含む。これらの実施例及び他の実施例では、透過性被覆は多層被覆であってもよい。
【００２５】
［００２９］  図２は、本開示の実施形態による処理後のＴＦＢの実施例を示す断面図である。図示したように、Ａｕ又はＴｉ／Ａｕ及びＣｕ又はＴｉＯ２／Ｃｕの金属カソード接点領域１０９及びアノード接点領域１０８は、以下で詳細に説明されるレーザーアブレーション処理を使用して、金属層を損傷することなく形成されている。本開示の態様によれば、ポリマー被覆の厚みが変化する場合、或いは吸収特性がわずかに異なる場合であっても、レーザー処理は充分にロバストで、金属層を損傷することなく、このような変形例を処理することができる。当業者であれば、以下の実施例によって教示された後は、このような変形例をどのように実現するかがわかるであろう。従来の方法の一部である代替的なマスキング又はエッチングは更に複雑でコスト高であるため、本開示による商用レーザーを使用するレーザー処理は非常に魅力的であることに留意されたい。
【００２６】
［００３０］  本開示は、１つの透過性材料除去ステップに限定されないことに留意されたい。例えば、各サイクルで同じ又は異なる材料を使用して封入層を堆積し、堆積した封入層に接点領域をオープンする複数のスタックアップサイクルは、一又は複数のサイクル後に実行可能である。例えば、第１のサイクルはパリレンを堆積することができ、アルミナを堆積する第２のサイクルがこれに続く。別の実施例として、第１のサイクルはアルミナを堆積することができ、パリレンを堆積する第２のサイクルがこれに続く。更なる実施例として、第１のサイクルはパリレンを堆積することができ、窒化ケイ素を堆積する第２のサイクルがこれに続き、アルミナを堆積する第３のサイクルが更に続く。
【００２７】
［００３１］  図３、図４及び図５は、本開示による例示的なレーザーアブレーション処理の態様を示す上面図である。図３は、上述の図１の断面図に対応する上面図で、透過性ポリマー材料１０７によって完全に被覆された１つのＴＦＢセルのＴＦＢスタックを示している。図３は１つのバッテリセルの境界のみを図解しているが、本開示に従って処理されうる１つの基板は、同様に複数の、また、バッテリタイプ、基板寸法、２Ｄ又は３Ｄプロセスであるかどうかなどに応じて、場合によっては数百のバッテリを含みうることが明らかであることに留意されたい。
【００２８】
［００３２］  図４は、本開示の実施形態によるレーザーアブレーション処理を示す上面図である。この処理は、レーザービームの焦点をぼかしてエネルギー密度を効果的に引き下げること、アノード及びカソード接点領域を被覆するターゲット材料の上に多数の経路を作ることを含む。この処理は更に、透過性材料を溶融させる一方で、レーザービームを底部金属層のアブレーション閾値以下に維持することを含む。図４に示したように、この処理の結果、透過性材料の吸収特性はほぼ瞬間的に変化し、材料のレーザー光吸収性をより高める。この時点で、暗い色で示した材料部分は、可視レーザー光の吸収能が高いことを示している（カソード及びアノードの接点領域の上の暗い色で示した材料部分はそれぞれ４１０と４２０で示されている）。これは、通常の透明ポリマー層を高吸収状態にすることが可能で、実際のアブレーションを引き起こす。パリレンなどの透過性材料層に関しては、３５５ｎｍでの光の吸収は約２０％であることに留意されたい。パリレン層の下部の金属表面での反射によって、吸収は効果的に倍増され、約４０％になる。
【００２９】
［００３３］  図４に戻ると、非限定的な一実施例では、バッテリデバイスの全表面積は約１×１０−２ｃｍ２で、露出されるパッド領域は約４×１０−４ｃｍ２である。この実施例では、透過性材料は約１０〜２０ミクロンの厚みのパリレン層で、ピコ秒レーザーが波長３５５ｎｍで使用される。３５５ｎｍレーザーの実施形態では、一実施例はダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ）レーザーである。幾つかの実施例では、３５５ｎｍレーザーによって焦点がぼかされたレーザービームが形成され、焦点がぼかされたレーザービームは、光透過性材料層で４×１０８Ｊｍ−２ｓ−１〜６×１０８Ｊｍ−２ｓ−１の範囲内の線量率を提供する。５×１０８Ｊｍ−２ｓ−１の線量率が、１パルスあたり１０μＪ、１０４平方ミクロンの領域に毎秒５００，０００パルス与えられる。本開示の態様は、このような商用レーザーが、パリレンなどのポリマー材料のアブレーションに望ましいと見なされる短波長を有する他のレーザーよりも、取得及び運用が比較的安価であることに留意されたい。本開示に関連して使用されうる他の可能なピコ秒レーザーの波長には、５３２ｎｍ及び１０６４ｎｍが含まれる。他の実施形態では、３５５ｎｍの波長を有するフェムト秒レーザーが使用される。更なる実施形態では、ナノ秒レーザーが使用できる。
【００３０】
［００３４］  本開示の態様によれば、透過性材料の表面近くにレーザービームの焦点を結ぶのではなく、ビームの焦点はぼかされる。例えば、約１００μｍのビームスポットサイズでは、ビームは約４００％まで焦点がぼかされる。より具体的には、２ｍｍの焦点ウィンドウでは、レーザーは焦点から８ｍｍ外に配置される。３５５ｎｍレーザーに固有な他の関連設定値には、約３０μＪで１２ｐｓパルス持続時間のパルスエネルギーが含まれる。これらの設定値を利用してパッド領域の透過性材料をアブレーションするには、レーザーはパッド領域上を２０ミクロンステップのクロスハッチパターンで操作される。一実施例では、３５５ｎｍレーザーを上記の動作パラメータで使用して、各パッド領域内の１０〜２０ミクロンの厚みのパリレン材料層を完全にアブレーションするには、合計約１００ｍｓの経過時間となる６つのパターンの完了が必要となる。
【００３１】
［００３５］  図５に示したように、図４に関連する上述の処理は、下部の金属層を損傷することなく、接点領域でポリマー材料を実際にアブレーションする結果となる。クリアになったカソード接点領域５１０及びアノード接点領域５２０が示されている。図３〜図５は、ダイパターンに囲まれた例示的なＴＦＢセルを示していることに留意されたい。実施形態では、本開示のレーザー処理は、このダイパターンを被覆する透過性材料を除去するためにも使用可能である。他の実施形態では、ダイレクトフォーカスアブレーションなどの他の処理が使用される。
【００３２】
［００３６］  図６〜図９は、本開示の実施形態に従うレーザーアブレーション方法の上記の態様及び他の態様を、他のかたちで詳細に示している。
【００３３】
［００３７］  図６に示したように、典型的な処理では、レーザーは、ビーム６０４の焦点位置６０３が処理される基板の表面又は表面に非常に近い位置になるように調整された、焦点レンズ６０１及び／又は相対基板６０２位置で使用される。これとは対照的に、図７に示したように、本開示の実施形態による処理では、ビーム６０４が基板の表面で焦点がぼけるように、焦点レンズ６０１及び／又は相対基板６０２位置は調整される。上述の実施例では、４００％ぼかされた焦点が使用される。
【００３４】
［００３８］  図８及び図９で更に示したように、更なる態様によれば、本開示の実施形態によって、レーザービームが材料に衝突する結果として生じるエネルギーは、下部金属層のアブレーションの閾値以下に留まる。ビームの焦点ぼかしに加えて、又は代替的に、これは、例えば、金属層の損傷を避けるため、比較的大きな領域にパルスエネルギーを一様に分布させるビーム成形光学系によって保証されうる。成形ビームに関しては、一般的なアイデアはガウス分布ピーク強度を低減することで、レーザービーム強度形状の平坦な上部にわたって５％〜１０％の強度変動が充分に機能することが明らかになった。アブレーション閾値８０１を大幅に超えるエネルギーを示す図８のガウス分布ビーム形状を、本開示の実施形態により、アブレーション閾値８０１をほんのわずかしか超えない「シルクハット」形状に成形されたビームを示す図９と比較する。使用されるレーザーのタイプ（例えば、フェムト秒レーザー）によっては、必ずしもすべての実施形態で焦点ずらしやビーム成形が必要なわけではない。
【００３５】
［００３９］  図１０は、幾つかの実施形態による、ツール１０３０、１０４０、１０５０を含む、複数のインラインツール１００１〜１０９９までを有するインライン製造システム１０００を示している。インラインツールには、ＴＦＢのすべての層の堆積及びパターニングのためのツールに加えて、本書で説明しているように、接触パッドの上から封入材料を除去するためのレーザーアブレーションツールも含まれる。更に、インラインツールは前調整チャンバおよび後調整チャンバを含みうる。例えば、ツール１００１は、基板が真空エアロック１００２を通って堆積ツール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であってもよい。インラインツールの一部又はすべては、真空エアロックによって分離された真空ツールであってもよい。プロセスライン内のプロセスツール及び特定のプロセスツールの順序は、上述したプロセスフローにおいて指定されるように、例えば使用されている特定のＴＦＢ製造方法によって決定されることに、留意されたい。更に、基板は、水平または垂直のいずれかに配向されたインライン製造システムを通って移動させることができる。しかも更に、レーザーアブレーションツールは、基板がアブレーション中又は移動中に固定されるように構成されうる。
【００３６】
［００４０］  本書で提供されるツールの例はインライン処理システムのためのものであるが、実施形態では、レーザーアブレーションツールはクラスタツールに組み込まれてもよく、或いはスタンドアロンツールであってもよい。
【００３７】
［００４１］  幾つかの実施形態によれば、薄膜電気化学デバイスの製造装置は、カソード電流コレクタ層、カソード層、電解質層、アノード層及びアノード電流コレクタ層のスタックを基板上にブランケット堆積するための第１のシステム、スタックをレーザーダイパターニングして複数のダイパターンドスタックを形成するための第２のシステム、複数のダイパターンドスタックをレーザーパターニングして、複数のダイパターンドスタックの各々に対してカソード電流コレクタ層及びアノード電流コレクタ層のうちの少なくとも１つの接点領域を露出し、複数のデバイススタックを形成するための第３のシステム、複数のデバイススタック上にブランケット封入層を堆積するための第４のシステム、並びに、ブランケット封入層をレーザーアブレーションして、複数のデバイススタックの各々に対してカソード電流コレクタ層及びアノード電流コレクタ層の接点領域を露出し、複数の封入デバイススタックを形成するための第５のシステムを含み、封入層は光透過性で、レーザーアブレーションのための第５のシステムは、３５５ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲内の波長のレーザー光を提供するレーザーを含み、また、レーザーアブレーションのための前記第５のシステムは、焦点がぼかされたレーザービーム及び成形されたレーザービームからなるグループから選択されたレーザービームを提供するように構成されている。更に、レーザービームは３５５ｎｍレーザーによって形成され、ブランケット封入層で４×１０８Ｊｍ−２ｓ−１〜６×１０８Ｊｍ−２ｓ−１の範囲内の線量率を提供しうる。更に、装置はインライン処理装置であってもよい。上述のように、幾つかの実施形態では、光透過性材料層は光透過性材料層を通るレーザー光の１回の通過で、焦点がぼかされた又は成形されたレーザービームからレーザー光の５０％以下を吸収することができ、実施形態によってはレーザー光の２０％以下を吸収する。更に、幾つかの実施形態では、レーザーアブレーションのための第５のシステムは、光透過性材料層のアブレーション中に、光透過性材料層を横断するレーザービームをスキャンするように構成されている。
【００３８】
［００４２］  更に、幾つかの実施形態では、デバイスの金属層を被覆する光透過性材料を選択的にアブレーションするための装置は、光透過性材料層の一部をレーザーアブレーションするためのシステムを含み、レーザーアブレーションツールは、３５５ｎｍ〜  １０７０ｎｍの範囲内の波長のレーザー光を提供するレーザーを含み、また、レーザーアブレーションのためのシステムは、焦点がぼかされたレーザービーム及び成形されたレーザービームからなるグループから選択されたレーザービームを提供するように構成されている。更に、レーザービームは３５５ｎｍレーザーによって形成され、ブランケット封入層で４×１０８Ｊｍ−２ｓ−１〜６×１０８Ｊｍ−２ｓ−１の範囲内の線量率を提供しうる。更に、装置はインライン処理装置であってもよい。上述のように、幾つかの実施形態では、光透過性材料層は光透過性材料層を通るレーザー光の１回の通過で、焦点がぼかされた又は成形されたレーザービームからレーザー光の５０％以下を吸収することができ、実施形態によってはレーザー光の２０％以下を吸収する。更に、幾つかの実施形態では、レーザーアブレーションのためのシステムは、光透過性材料層のアブレーション中に、光透過性材料層を横断するレーザービームをスキャンするように構成されている。
【００３９】
［００４３］  本開示の実施形態は、ＴＦＢデバイス、プロセスフロー及び製造装置の特定の実施例を参照して記述されているが、本開示の教示及び原則は、広範囲に及ぶＴＦＢデバイス、プロセスフロー及び製造装置に適用されうる。例えば、デバイス、プロセスフロー及び製造装置は、本書で前述したものを反転したＴＦＢスタック、すなわち、基板上にＡＣＣとアノードを有し、その後に固体電解質、カソード、ＣＣＣ及び封入層が続く反転されたスタック、に対しても想定されている。例えば、デバイス、プロセスフロー及び製造装置は、同一平面上の電流コレクタを有するＴＦＢスタックに対しても想定されている。更に、当業者であれば、広範囲に及ぶデバイス、プロセスフロー及び製造装置を生成するため、本開示の教示及び原則をどのように適用するかを理解するであろう。
【００４０】
［００４４］  本開示の実施形態は、ＴＦＢを参照して記述されているが、本開示の教示及び原則は、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良されたデバイス、プロセスフロー及び製造装置にも適用されうる。当業者であれば、他の電気化学デバイスに固有のデバイス、プロセスフロー及び製造装置を生成するため、本開示の教示及び原則をどのように適用するかを理解するであろう。
【００４１】
［００４５］  本開示の実施形態は、ＴＦＢを参照して記述されているが、本開示の教示及び原則は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのマイクロ電子デバイスを含む他のデバイスを製造するための改良されたデバイス、プロセスフロー及び製造装置にも適用されうる。当業者であれば、他のデバイスに固有のデバイス、プロセスフロー及び製造装置を生成するため、本開示の教示及び原則をどのように適用するかを理解するであろう。
【００４２】
［００４６］  本開示の実施形態は、光透過性材料の例として、パリレン、特にパリレンＣを参照して記述されているが、パリレンＮ及びシリコンも、本開示で説明されているように光透過性材料として振る舞うことが実証されている。しかも、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳＯ）、１，４−ブタンジオールジアクリレート（ＢＤＤＡ）、及び他の同様の材料が、本開示で説明されているように光透過性材料として振る舞うように期待されている。
【００４３】
［００４７］  本開示の実施形態は、本開示のある実施形態を参照して特に説明されているが、本開示の本質及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更及び修正を加えうることは、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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【国際調査報告】
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