(57)【要約】  薄膜電池は、基板表面を備える基板と、基板表面に形成された第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層であって、基板との接点がある第１のＦＣＣ表面と第１の三次元表面である第２のＦＣＣ表面とを有するＦＣＣ層と、第１の電流コレクタに堆積された第１の電極層と、第１の電極層に堆積された電解質層とを備えることができ、第１の電極層と電解質層との間のインターフェースが、第１の三次元表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である。実施形態では、基板表面は第３の三次元表面であり、第１の三次元表面は第３の三次元表面とおおよそ一致する。第１の三次元表面又は第３の三次元表面のうちの１つは、レーザアブレーションパターニングプロセスによって形成されうる。【選択図】図１Ａ
2017530518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜電池であって、
基板表面を備える基板と、
前記基板表面に形成された第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層であって、前記基板との接点がある第１のＦＣＣ表面と、第１の三次元表面である前記第２のＦＣＣ表面とを有する前記ＦＣＣ層と、
前記第１の電流コレクタに堆積された第１の電極層と、
前記第１の電極層に堆積された電解質層と
を備え、
前記第１の電極層と前記電解質層との間のインターフェースが、前記第１の三次元表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である、薄膜電池。
【請求項２】
前記第１の三次元表面は、パターン形成された形状のアレイを含む、請求項１に記載の薄膜電池。
【請求項３】
前記基板表面が第３の三次元表面であり、前記第１の三次元表面は、前記第３の三次元表面とおおよそ一致する、請求項１に記載の薄膜電池。
【請求項４】
前記電解質層に堆積された第２の電極層と、
前記第２の電極層に堆積された第２の電流コレクタ（ＳＣＣ）層と
を更に備え、
前記電解質層は前記第１の電極層に堆積され、前記第２の電極層と前記電解質層との間のインターフェースが、前記第１の三次元表面とおおよそ一致する第４の三次元表面である、請求項１に記載の薄膜電池。
【請求項５】
前記第２の電極層と前記ＳＣＣ層との間のインターフェースが、前記第４の三次元表面とおおよそ一致する第５の三次元表面である、請求項４に記載の薄膜電池。
【請求項６】
前記ＦＣＣ層はカソード電流コレクタ層であり、前記第１の電極層はカソード層である、請求項１に記載の薄膜電池。
【請求項７】
前記ＦＣＣ層はアノード電流コレクタ層であり、前記第１の電極層はアノード層である、請求項１に記載の薄膜電池。
【請求項８】
前記ＦＣＣ層はカソード電流コレクタ層であり、前記第１の電極層はカソード層であり、前記第２の電極層はアノードであり、前記ＳＣＣ層はアノード電流コレクタ層である、請求項４に記載の薄膜電池。
【請求項９】
前記ＦＣＣ層はアノード電流コレクタ層であり、前記第１の電極層はアノード層であり、前記第２の電極層はカソードであり、前記ＳＣＣ層はカソード電流コレクタ層である、請求項４に記載の薄膜電池。
【請求項１０】
薄膜電池を製造する方法であって、
基板を提供することと、
再構築された基板表面を形成するために、前記基板表面を三次元的に再構築することと、
前記再構築された基板表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させることと、
前記ＦＣＣ層に電極層を堆積させることと、
前記電極層に電解質層を堆積させることと
を含み、
前記電極層と前記電解質層との間のインターフェースは、前記再構築された基板表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である、方法。
【請求項１１】
前記電解質層に第２の電極層を堆積させること
を更に含み、
前記電解質層と前記第２の電極層との間のインターフェースが、前記再構築された基板表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
薄膜電池を製造する方法であって、
基板を提供することと、
前記基板の表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させることと、
再構築されたＦＣＣ表面を形成するために、前記ＦＣＣ層の表面を三次元的に再構築することと、
前記再構築されたＦＣＣ表面に第１の電極層を堆積させることと、
前記第１の電極層に電解質層を堆積させることと
を含み、
前記第１の電極層と前記電解質層との間のインターフェースは、前記再構築されたＦＣＣ表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である、方法。
【請求項１３】
前記三次元的に再構築することが、レーザアブレーションパターニングプロセスを含む、請求項１０又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記三次元的に再構築することが、機械的粗面化プロセスを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記電解質層に第２の電極層を堆積させること
を更に含み、
前記電解質層と前記第２の電極層との間のインターフェースは、再構築された前記第１の電流コレクタ表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］本願は、２０１４年８月２７日出願の米国仮特許出願第６２／０４２，５５７号の利益を主張する。
【０００２】
［０００２］本発明の実施形態は概して、薄膜電池と、薄膜電池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、基板とカソード電流コレクタのうちの１つの表面がレーザプロセスによって三次元的に再構築された薄膜電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］薄膜電池（ＴＦＢ）は、電流コレクタと、カソード（正電極）と、ソリッドステート電解質及びアノード（負電極）とを含む層の薄膜スタックを備えうる。ＴＦＢは一般に、二次元（２Ｄ）素子として製造され、電池機能（例：速度能力及び生産能力利用）は、インターカレーション／デインターカレーションプロセスの間にＬｉを拡散させる必要があるカソード−電解質及びアノード−電解質のインターフェースの表面積によって制限される。更に、ＴＦＢは様々なインターフェースにおいて、またカソードのアニール後、電解質の堆積後、アノードの堆積後、封入堆積後、又は電池サイクルテスト中等、様々な製造及び工程段階において剥離／デラミネーションを起こすことが知られている。
【０００４】
［０００４］電池性能を向上させるために、ＴＦＢスタックの層間の接着強度の増加を誘発し、カソードと電解質、及び／又はアノードと電解質との間のインターフェースの表面積がより拡大されるＴＦＢ構造及び製造方法が必要であることは明白である。
【発明の概要】
【０００５】
［０００５］本開示の幾つかの実施形態は、電池の薄膜スタックの製造中に、基板と電流コレクタのうちの１つの表面をレーザプロセスによって三次元的に再構築した後に、カソード／アノードと電解質との間のインターフェースのコンタクトエリアが、基板／電流コレクタの三次元的に再構築された表面とおおよそ一致した三次元表面となるように次の層を堆積させた薄膜電池（ＴＦＢ）に関する。一又は複数のカソード／アノード層と電解質層との間に結果的に得られる三次元構造化されたインターフェースにより、ＴＦＢ機能（例：速度能力及び生産能力利用）が向上し、ＴＦＢスタック内の層間の接着強度が剥離／デラミネーションが低減するほど十分に高まることが期待される。
【０００６】
［０００６］幾つかの実施形態によれば、薄膜電池は、基板表面を含む基板と、基板表面に形成された第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層であって、基板との接点がある第１のＦＣＣ表面と、第１の三次元表面である第２のＦＣＣ表面とを有するＦＣＣ層と、第１の電流コレクタに堆積された第１の電極層と、第１の電極層に堆積された電解質層とを備えていてよく、第１の電極層と電解質層との間のインターフェースは、第１の三次元表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である。更に、実施形態において、基板表面は第３の三次元表面であり、前記第１の三次元表面は前記第３の三次元表面とおおよそ一致する。
【０００７】
［０００７］幾つかの実施形態によれば、薄膜電池を製造する方法は、基板を提供することと、再構築された基板表面を形成するために、基板の表面を三次元的に再構築することと、再構築された基板表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させることと、ＦＣＣ層に電極層を堆積させることと、電極層に電解質層を堆積させることとを含むことができ、電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。
【０００８】
［０００８］幾つかの別の実施形態によれば、薄膜電池を製造する方法は、基板を提供することと、基板の表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させることと、再構築されたＦＣＣ表面を形成するために、ＦＣＣ層の表面を三次元的に再構築することと、再構築されたＦＣＣ表面に第１の電極層を堆積させることと、第１の電極層に電解質層を堆積させることとを含むことができ、第１の電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築されたＦＣＣ表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。
【０００９】
［０００９］幾つかの実施形態によれば、幾つかの実施形態に従ってＴＦＢを製造する装置は、再構築された基板表面を形成するために、基板の表面を三次元的に再構築する第１のシステムと、再構築された基板表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させる第２のシステムと、ＦＣＣ層に電極層を堆積させる第３のシステムと、電極層に電解質層を堆積させる第４のシステムとを含むことができ、電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。第１のシステムは例えば、レーザアブレーションパターニングシステムと、実施形態においてイオンスパッタリングシステム、及び実施形態において機械的粗面化システム（例：ビードブラスタ）を備えうる。
【００１０】
［００１０］幾つかの別の実施形態によれば、幾つかの実施形態に従ってＴＦＢを製造する装置は、基板を提供することと、基板の表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させる第１のシステムと、再構築されたＦＣＣ表面を形成するために、ＦＣＣ層の表面を三次元的に再構築する第２のシステムと、再構築されたＦＣＣ表面に第１の電極層を堆積させる第３のシステムと、第１の電極層に電解質層を堆積させる第４のシステムとを含むことができ、第１の電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築されたＦＣＣ表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。第２のシステムは例えば、レーザアブレーションパターニングシステムと、実施形態においてイオンスパッタリングシステム、及び実施形態において機械的粗面化システム（例：ビードブラスタ）を備えうる。
【００１１】
［００１１］本開示のこれらの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】
【００１２】
【図１Ａ】幾つかの実施形態による三次元的に再構築された基板表面を有する再構築された基板を含む薄膜電池を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの再構築された基板を示す斜視図である。
【図２】幾つかの実施形態による、三次元的に再構築された表面を有する再構築された基板を有する薄膜電池の製造を示すフロー図である。
【図３】幾つかの実施形態による、三次元的に再構築されたコレクタ表面を有する再構築されたカソード電流コレクタを含む薄膜電池を示す断面図である。
【図４】幾つかの実施形態による、三次元的に再構築されたコレクタ表面を有する再構築されたカソード電流コレクタを含む薄膜電池の製造を示すフロー図である。
【図５】幾つかの実施形態による、ＴＦＢ製造用クラスタツールを示す概略図である。
【図６】幾つかの実施形態による、複数のインラインツールを有するＴＦＢ製造システムを示す図である。
【図７】幾つかの実施形態による、図６のインラインツールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［００２０］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に係る図面を参照して、詳細に説明する。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、既知の構成要素を使用して、本開示のある要素を部分的に又は完全に実装可能である場合、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を説明し、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する。本明細書では、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、本開示は、本書に別段の明示的な記載がない限り、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、その逆も同様である。更に出願人は、本明細書または特許請求の範囲内のいかなる用語も、そのような明示的な記載がない限り、一般的でない、あるいは特殊な意味を有すると見なされるようには意図していない。更に、本開示は、本書で例示のために言及される既知の構成要素の、現在既知の均等物及び将来知られることになる均等物も包含する。
【００１４】
［００２１］本開示の幾つかの実施形態は、電池の薄膜スタックの製造中にレーザプロセスによって三次元的に再構築された後に、カソードと電解質との間のインターフェースのコンタクトエリアが、基板／ＣＣＣの三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面となるように次の層を堆積させた基板とカソード電流コレクタ（ＣＣＣ）のうちの１つの表面を有する薄膜電池（ＴＦＢ）に関する。更に、幾つかの実施形態では、電解質−アノード及びアノード−ＡＣＣのインターフェースはまた、再構築された基板／ＣＣＣの三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面でもありうる。カソード層と電解質層、及び電解質層とアノード層との間の三次元的に再構築されたインターフェースにより、平面的なインターフェースの層を有するＴＦＢスタックと比べて、ＴＦＢ性能（例えば、特に充電／放電の速度がより高い場合の速度能力及び生産能力利用）が向上し、ＴＦＢスタック内の層のインターフェースの接着が剥離／デラミネーションが低減するほど十分に改善されることが期待される。（層間のインターフェースの粗面化により、インターフェースにおいて「機械的ラッピング」が引き起こされ、接着強度が高まる）更に、カソード層と電解質層との間の三次元的に構築されたインターフェースにより、インターフェースにおいてＬｉＣｏＯ２カソード層の多結晶粒状構造の（００３）平面へのアクセスが拡大し、電池の使用中の、リチウムのインターカレーション／デインターカレーションに対する抵抗が弱まることが期待される。
【００１５】
［００２２］図１Ａ＆１Ｂに、三次元的に再構築された基板表面を有する、本開示の実施形態に従って製造された垂直スタックを有するＴＦＢの一例を示す。図１Ａにおいて、垂直スタックは、再構築された基板１１０と、レーザプロセスによって三次元的に再構築された基板表面と、再構築された基板の表面に堆積されたカソード電流コレクタ１２０と、カソード電流コレクタに堆積されたカソード層１３０と、カソード層に堆積された電解質層１４０と、電解質層に堆積されたアノード層１５０と、アノード層に堆積されたアノード電流コレクタ（ＡＣＣ）１６０とを含む。ここで注記すべきは、ＣＣＣとカソード層との間、及びカソード層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板の三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面であることである。本書における「おおよそ一致する」という語は、三次元的に再構築された表面と問題の表面との間の一又は複数の層は各々完璧なカバレージを提供するが、元の表面とフィールドエリアの残った部分をカバーする層の厚みよりも三次元的に再構築された表面の特徴の側壁及び底面をカバーする層の厚みの方が薄くなっているために、堆積された層の表面が三次元的に再構築された表面の全体的な形を再現することを規定するのに使用される。更に、幾つかの実施形態では、電解質−アノード及びアノード−ＡＣＣのインターフェースはまた、図１Ａに示すように、再構築された基板の三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面でもありうる。ＴＦＢはまた、例えば一又は複数の保護コーティング及び電気接点も含みうる。図１Ａの斜視図に、基板１１０の再構築された表面に円錐形の特徴１１５（例えば円錐台）のアレイを示したが、再構築された基板表面の特徴は、図示したものとは異なるサイズ、形状、間隔及び構成であってよい。特徴は例えば、円筒形の特徴、台形の特徴、球形の特徴、ビア、トレンチ、及び円形のくぼみを含むことができ、ビア及びトレンチにおける良好なステップカバレッジを達成するために、（特徴の上部の幅又は直径が底部の幅又は直径よりも大きい）正に凹である形状が用いられうる。（元の基板表面に平行する平面において決定される）特徴のサイズは、数ミクロンから数十ミクロンであってよい。更に、これらの特徴は規則正しいアレイ（例えば正方格子）に位置決めされていてよく、実施形態においてはこれらの特徴はランダムに位置決めされていてよい。特徴の密度は広範囲に変化し、最も高い密度は密集したアレイに相当しうる。実施形態では、５０％を超える基板又はＣＣ表面が、本書に記載される特徴を形成することによって再構築される。特徴の（基板の元の表面に対して垂直の方向に測定された）深さは基板の厚みによって制限され、基板の厚みの７５％の限界が妥当な上限であるが、これは基板の機械的完全性を維持する必要に応じて変化しうる。更に、実施形態では、特徴の深さは基板の厚みの２５％以上である。更に、実施形態では、特徴の深さは５ミクロン以上である。例えば、２０ミクロンの厚さの基板は実施形態において、５ミクロン以上で１５ミクロン未満の範囲内の深さの特徴を有しうる。
【００１６】
［００２３］図２は、三次元的に再構築された基板表面を含む、図１Ａ及び１Ｂに示すような、ＴＦＢの製造の、幾つかの実施形態に係るプロセスフローを提供するものである。ＴＦＢを製造するプロセスフローは、基板を提供すること（２０１）と、再構築された基板を形成するために、レーザプロセスによって基板表面を三次元的に再構築すること（２０２）と、再構築された基板にカソード電流コレクタを堆積させること（２０３）と、カソード電流コレクタにカソード層を堆積させること（２０４）と、カソード層に電解質層を堆積させること（２０５）とを含むことができ、カソード層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板の三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面である。電池の製造は、例えばアノード、アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）、保護コーティング及び電気接点を堆積させて終了しうる（２０６）。図１Ａを参照しながら上述したように、電解質及びアノードの堆積が、これらが堆積される層に対するものである場合、電解質−アノード及びアノード−ＡＣＣのインターフェースもまた、再構築された基板の三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面である。
【００１７】
［００２４］レーザエネルギーを強く吸収する基板材料は、図２を参照しながら上述したプロセスに好適であり、幾つかの基板材料の例にはＳｉ、Ａｌ、ステンレス鋼等が挙げられる。これらの基板においては、表面に三次元的特徴を形成するために、名目上平面の基板表面を再構築するのにレーザエネルギー源が使用される。材料のアブレーション閾値よりも低いが、材料の融解閾値よりも高いレーザプロセスフルエンス（ＣＣＣ材料によっては通常＜２Ｊ／ｃｍ２）が使用され、Ｔｉ及びＡｕに対しては０．４Ｊ／ｃｍ２未満の典型的なフルエンスが使用される。上記フルエンスレベルでの基板表面へのレーザ照射により、円錐形の表面構造等の三次元特徴が形成されるが、これらの三次元特徴の形状、高さ、及び密度は、波長、フルエンス、パルス周波数、発射回数等のレーザプロセスパラメータを調節することによって調節可能である。高出力（例えば＞１００Ｗ）ナノ秒パルスレーザ、又はマイクロ秒パルスレーザですらも、この表面再構築プロセスに通常使用される。このプロセスのためのレーザシステムは、通常エキシマレーザ用に設計されたビームホモジナイザーを有するレーザ投影システムであってよい。他の実施形態では、レーザシステムは、サンプル表面にレーザエネルギーを均一に当てるように構成されたビームシェーパーを有するレーザスキャンシステムであってよい。幾つかの実施形態によれば、広範囲の種類及び動作波長（例えばＩＲ（赤外線）、緑色及びＵＶ等）のレーザが使用可能である。好適なレーザ波長及び動作パラメータは、とりわけレーザによる表面再構築を行う材料の光学特性（吸収率対波長）によって変化する。例えば、緑色レーザは、セラミック基板、金属、マイカ、Ｓｉ等を切断／成形するのに使用することができ、ＣＯ２レーザは、ガラス基板に刻み目をつけるのに使用することができ、ＵＶレーザでもこれらの基板にマークをつける／成形することができうると期待される。
【００１８】
［００２５］図３に、三次元的に再構築されたＣＣＣ表面を有する本開示の実施形態に従って製造された垂直スタックを有するＴＦＢの一例を示す。図３において、垂直スタックは、基板３１０と、基板の表面に形成され、ＣＣＣの表面が三次元的に再構築された再構築されたＣＣＣ３２０と、再構築されたＣＣＣに堆積されたカソード層３３０と、カソード層に堆積された電解質層３４０と、電解質層に堆積されたアノード層３５０と、アノード層に堆積されたＡＣＣ３６０とを含む。カソード層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板の三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面であることを注記したい。更に、幾つかの実施形態では、電解質−アノードとアノード−ＡＣＣのインターフェースは、三次元的に再構築されたＣＣＣ表面とおおよそ一致する三次元表面であってもよい。ＴＦＢはまた、例えば一又は複数の保護コーティング及び電気接点も含みうる。上述した図１Ａの斜視図は、ＣＣＣの三次元的に再構築された表面を示すものであり、ＣＣＣの再構築された表面の特徴は、図３において円錐形の特徴として示されているが、再構築された基板表面の特徴は、図示したものと異なるサイズ、形状、間隔、及び構成であってよく、例えば円筒形の特徴、台形の特徴、球形の特徴及びランダム配置の特徴を含みうる。
【００１９】
［００２６］図４は、三次元的に再構築されたＣＣＣ表面を含む、図３に示すようなＴＦＢの製造の、幾つかの実施形態に係るプロセスフローを提供するものである。ＴＦＢを製造するプロセスフローは、基板を提供すること（４０１）と、再構築された基板にＣＣＣを堆積させること（４０２）と、再構築されたＣＣＣを形成するために、ＣＣＣの表面を三次元的に再構築すること（４０３）と、再構築されたＣＣＣにカソード層を堆積させること（４０４）と、カソード層に電解質層を堆積させること（４０５）とを含んでいてよく、カソード層と電解質層との間のインターフェースは、再構築されたＣＣＣの三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面である。電池の製造は、例えばアノード、アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）、保護コーティング及び電気接点を堆積させて終了しうる（４０６）。図３を参照しながら上述したように、電解質−アノード及びアノード−ＡＣＣインターフェースもまた、再構築されたＣＣＣの三次元的に再構築された表面とおおよそ一致する三次元表面である。
【００２０】
［００２７］ＣＣＣの表面を、本書に更に詳しく記載したように、レーザプロセスによって再構築することができる、あるいは、例えば機械的粗面化（例：ビードブラスト）、プラズマ処理及びイオン衝撃等の別のプロセスを使用することができる。ここで注記すべきは、非熱的なこれらの他のプロセスの幾つかは、カソード及び／又は電解質の位相及び結晶化度を保つ必要がある、カソード及び／又は電解質表面の三次元的再構築に好適でありうることである。
【００２１】
［００２８］カソード電流コレクタは通常、約０．５ミクロン以上の厚さに堆積させた金属層で形成され、レーザエネルギーを強く吸収し、図４を参照しながら上述したプロセスに好適であり、ある例示のＣＣＣ材料は、幾つかの接着層等を有するＡｕ又はＰｔである。これらの基板には、名目上平面のＣＣＣ表面を再構築して表面に三次元特徴を形成するためにレーザエネルギー源が使用される。材料のアブレーション閾値よりも低いが、材料の融解閾値よりも高いレーザプロセスフルエンス（ＣＣＣ材料によっては通常＜２Ｊ／ｃｍ２）が使用され、Ｔｉ及びＡｕに対しては２Ｊ／ｃｍ２未満の典型的なフルエンスが使用される。上記フルエンスレベルの基板表面のレーザ照射により、円錐形の表面構造等の三次元特徴が形成されるが、これらの三次元特徴の形状、高さ、及び密度は、波長、フルエンス、パルス周波数、発射回数等のレーザプロセスパラメータを調節することによって調節可能である。高出力（例えば＞１００Ｗ）ナノ秒パルスレーザ、又はマイクロ秒パルスレーザですらも、この表面再構築プロセスに通常使用される。注記すべきは、この実施形態は、例えばガラス、石英、マイカ等の透明基板に形成されたＴＦＢに好適であるが、この実施形態がこれらの基板での使用に限定されるものではなく、例えば不透明基板にも同じようにうまく機能することである。
【００２２】
［００２９］基板とＣＣＣ表面は、従来のマスクイメージングを使用した後に、湿式エッチ及び／又はプラズマエッチを行うことによって再構築することができることに留意すべきである。しかしながらこの方法は、限られた数の材料、例えばシリコンでの使用においてのみ容易に利用可能で、複数のステップを伴うものであり、本書に開示された実施形態のプロセスに比べて、ＴＦＢ製品の製造コストを大幅に増加させる。更に、発明者によって、電解質の堆積の前のＬｉＣｏＯ２カソード層のレーザによる再構築が評価され、ＬｉＣｏＯ２カソード層のレーザによる再構築の結果、ＬｉＣｏＯ２層が全体的に電池性能に悪影響を及ばす高温（ＨＴ）ＬＣＯ及びＣｏ３Ｏ４に相分離したことがわかり、これは薄膜カソードＴＦＢにとって非常に好ましくないことである（不純物相Ｃｏ３Ｏ４は、電池の電荷容量、またサイクル寿命にも弊害をもたらす）。
【００２３】
［００３０］カソード層の例はＬｉＣｏＯ２層であり、アノード層の例はＬｉ金属層であり、電解質層の例はＬｉＰＯＮ層である。しかしながら、例えばＮＭＣ（ＮｉＭｎＣｏ酸化物）、ＮＣＡ（ＮｉＣｏＡｌ酸化物）、ＬＭＯ（ＬｉｘＭｎＯ２）、ＬＦＰ（ＬｉｘＦｅＰＯ４）、ＬｉＭｎスピネル等の広範囲のカソード材料が使用され得、例えばＳｉ、Ｓｎ、Ｃ等の広範囲のアノード材料が使用され得、例えばＬＬＺＯ（Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２等のＬｉＬａＺｒ酸化物）、ＬｉＳｉＣＯＮ、Ｔａ２Ｏ５等の広範囲のリチウム含有電極材料が使用され得ることが期待される。これらの相の堆積技法は、所望の組成、位相、及び結晶性を提供することができるいかなる堆積技法であってもよく、ＰＶＤ（物理気相堆積）、反応性スパッタリング、非反応性スパッタリング、ＲＦ（高周波）スパッタリング、マルチ周波数スパッタリング、蒸発、ＣＶＤ（化学気相堆積）、ＡＬＤ（原子層堆積）等の堆積技法を含んでいてよく、非真空技法が適用可能である場合、スロットダイコーティング、プラズマスプレー、スプレー熱分解、電気めっき、スラリーベースのスクリーニング等を含みうる。
【００２４】
［００３１］図５は、幾つかの実施形態によるＴＦＢを製造する処理システム５００の概略図である。処理システム５００は、上述したプロセスステップで利用されうる、反応性プラズマ洗浄（ＲＰＣ）チャンバ５０３及びプロセスチャンバＣ１〜Ｃ４（５０４、５０５、５０６及び５０７）を備えたクラスタツール５０２に対する標準の機械インターフェース（ＳＭＩＦ）５０１を含む。クラスタツールには、グローブボックス５０８を取り付けることもできる。グローブボックスは、不活性環境内で（例えばＨｅ、Ｎｅ、またはＡｒなどの希ガス下で）基板を保存することが可能であり、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。必要であれば、グローブボックスへのアンテチャンバ５０９が使用される。アンテチャンバは、グローブボックス内の不活性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出し入れすることを可能にする、ガス交換チャンバ（不活性ガスから空気へ、及びその逆）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なほど露点が低い乾燥室雰囲気に置換されることが可能であることに、留意されたい。）チャンバＣ１〜Ｃ４は、例えば基板にＣＣＣを堆積させた後に、レーザプロセスによってＣＣＣの表面を三次元的に再構築させ、次に再構築されたＣＣＣ表面にカソード層を堆積させ、次にカソード層に電解質層（例えばＮ２中でＬｉ３ＰＯ４ターゲットにＲＦスパッタリングを行うことによりＬｉＰＯＮ）を堆積させることを含みうる、ＴＦＢを製造するプロセスステップ用に構成することができる。（三次元的再構築が、本書に記載されるクラスタツールにおいて実施されうる、あるいは独立型ツールにおいて実施されうることに留意されたい）好適なクラスタツールプラットフォームの例には、ディスプレイクラスタツールが挙げられる。処理システム５００に対するクラスタ構成が示されているが、基板が１つのチャンバから次のチャンバへ連続的に移動するように、処理チャンバが、移送チャンバなしで直線状に配設される、線形システムが利用されうることを、理解されたい。
【００２５】
［００３２］図６に、幾つかの実施形態による、ツール６３０、６４０、６５０を含む、複数のインラインツール６０１〜６９９までを有するインライン製造システム６００の図を示す。インラインツールは、ＴＦＢの全ての層を堆積させるツール、及び基板とＣＣＣのうちの１つの表面を三次元的に再構築するツールを含みうる。さらに、インラインツールは、事前調整チャンバ及び事後調整チャンバを含みうる。例えば、ツール６０１は、基板が真空エアロック６０２を通って堆積ツール内へと移動することに先立って真空を確立するための、ポンプダウンチャンバでありうる。インラインツールの一部又は全ては、真空エアロックによって分離された真空ツールでありうる。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。さらに、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。
【００２６】
［００３３］図６及び図７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説明するために、所定の場所にインラインツール６３０を１つのみ有する基板コンベヤ７０１を示す。図のように、基板７０３を包含する基板ホルダ７０２（基板ホルダは、基板が見えるように部分的に切り取られて示されている）が、ホルダと基板がインラインツール６３０を通って移動するために、コンベヤ７０１、又は同等のデバイス上に装着される。処理ツール６３０のインラインプラットフォームは幾つかの実施形態では垂直基板用に構成され、幾つかの実施形態では水平基板用に構成されうる。
【００２７】
［００３４］特定の実施形態に従ってＴＦＢを製造する装置の幾つかの例を以下に示す。幾つかの実施形態に従ってＴＦＢを製造する装置は、再構築された基板表面を形成するために、基板の表面を三次元的に再構築する第１のシステムと、再構築された基板表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させる第２のシステムと、ＦＣＣ層に電極層を堆積させる第３のシステムと、電極層に電解質層を堆積させる第４のシステムとを含むことができ、電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。第１のシステムは例えば、レーザアブレーションパターニングシステムと、実施形態においてイオンスパッタリングシステム、及び実施形態において機械的粗面化システム（例：ビードブラスタ）を備えうる。更に、実施形態では、装置は更に、電解質層に第２の電極層を堆積させる第５のシステムを備えていてよく、第４のシステムにより電解質層が堆積され、電解質層と第２の電極層との間のインターフェースは、再構築された基板表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である。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、又は一又は複数の前述したツールの組み合わせであってよい。更に、システムは、一又は複数の他のシステムに共通の、幾つかのツールを含みうる。
【００２８】
［００３５］幾つかの実施形態に従ってＴＦＢを製造する別の装置は、基板を提供することと、基板の表面に第１の電流コレクタ（ＦＣＣ）層を堆積させる第１のシステムと、再構築されたＦＣＣ表面を形成するために、ＦＣＣ層の表面を三次元的に再構築する第２のシステムと、再構築されたＦＣＣ表面に第１の電極層を堆積させる第３のシステムと、第１の電極層に電解質層を堆積させる第４のシステムとを含むことができ、第１の電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築されたＦＣＣ表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。第２のシステムは例えば、レーザアブレーションパターニングシステムと、実施形態においてイオンスパッタリングシステム、及び実施形態において機械的粗面化システム（例：ビードブラスタ）を備えうる。更に、実施形態では、装置は更に、電解質層に第２の電極層を堆積させる第５のシステムを備えていてよく、電解質層と第２の電極層との間のインターフェースは、再構築されたＦＣＣ表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である。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、又は一又は複数の前述したツールの組み合わせであってよい。更に、システムは、一又は複数の他のシステムに共通の、幾つかのツールを含みうる。
【００２９】
［００３６］基板又はＣＣＣ表面のいずれかの再構築を参照しながら本開示の実施形態を具体的に説明してきたが、別の実施形態は、電解質の堆積後に、一又は複数の異なるインターフェースをＴＦＢのアノード側に直接再構築するために同じ方法を適用することを含む。（このプロセスは、基板又はＣＣＣ表面の再構築と組み合わせて行うことも可能である。）例えば、電解質層の表面を三次元的に再構築することができ、このプロセスは例えばＬＬＺＯ等の結晶性電解質材料に好適でありうる。
【００３０】
［００３７］基板にＣＣＣが堆積された後に、続いてカソード、電解質、アノード、そしてＡＣＣが堆積されたＴＦＢスタックを参照しながら本開示の実施形態を具体的に説明してきたが、別の実施形態は、ＴＦＢスタックに対して、基板にＡＣＣが堆積された後に続いてアノード、電解質、カソード及びＣＣＣが堆積される同じ方法を使用することを含み、基板及び／又はＡＣＣは上述したように三次元的に再構築され、続いて堆積された一又は複数の層の表面もまた、三次元的に再構築された基板及び／又はＣＣＣ表面とおおよそ一致する三次元表面である。
【００３１】
［００３８］ＴＦＢを参照しながら本開示の実施形態を具体的に説明してきたが、本開示の原理及び教示を、一般的なエネルギー蓄積装置、及びエレクトロクロミック素子をも含む他の電気化学的装置に適用可能である。エレクトロクロミック素子の場合、インターフェースの粗面化は、好ましくない散漫散乱、及び好ましくない「曖昧な」外観を有する素子につながる可能性があるが、粗面化されたインターフェースにより素子の速度が改善する可能性があり、特定の用途においては、光学的品質と素子の速度との間のトレードオフに価値を見出せる場合があり、更に光学的外観を極端に落とさずに、速度の改善が得られるようにインターフェースの粗面化を設計することができることに留意すべきである。
【００３２】
［００３９］基板の表面上に第１の電流コレクタ層を有するＴＦＢを参照しながら本開示の実施形態を具体的に説明してきたが、本開示の原理及び教示を、基板の表面上に電流コレクタ層を有さない特定のＴＦＢ、例えば導電基板を有するＴＦＢに適用可能である。実施形態では、薄膜電池は、第１の三次元表面である基板表面を備える基板と、基板に堆積された第１の電極層と、第１の電極層に堆積された電解質層とを備えていてよく、第１の電極層と電解質層との間のインターフェースは、第１の三次元表面とおおよそ一致する第２の三次元表面である。幾つかの実施形態によれば、薄膜電池を製造する方法は、基板を提供することと、再構築された基板表面を形成するために、基板の表面を三次元的に再構築することと、再構築された基板表面に電極層を堆積させることと、電極層に電解質層を堆積させることとを含むことができ、電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。幾つかの実施形態によれば、幾つかの実施形態に従ってＴＦＢを製造する装置は、再構築された基板表面を形成するために、基板の表面を三次元的に再構築する第１のシステムと、再構築された基板表面に電極層を堆積させる第２のシステムと、電極層に電解質層を堆積させる第３のシステムとを含むことができ、電極層と電解質層との間のインターフェースは、再構築された基板表面とおおよそ一致する第１の三次元表面である。
【００３３】
［００４０］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になるはずである。
【図１Ａ】
2017530518.tif 000003
【図１Ｂ】
2017530518.tif 000004
【図２】
2017530518.tif 000005
【図３】
2017530518.tif 000006
【図４】
2017530518.tif 000007
【図５】
2017530518.tif 000008
【図６】
2017530518.tif 000009
【図７】
2017530518.tif 000010
【国際調査報告】
2017530518.tif 000011
2017530518.tif 000012