[發明專利]薄膜電池的無掩模制造

有效

• 申請號: 201280029531.2
• 申請日: 2012-06-14
• 公開（公告）號: CN103636025A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 宋道英;沖·蔣;秉圣·利奧·郭
• 申請（專利權）人: 應用材料公司
• 主分類號: H01M2/10
• 分類號: H01M2/10;H01M10/36
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 徐金國;趙靜

相關申請的交叉引用

本申請要求享有于2011年6月17日提交的美國臨時申請第61/498,484號的權益，通過引用將該申請作為一個整體結合在此。

本發明是根據由美國國防部授予的第W15P7T-10-C-H604號合同、在美國政府的支持下進行的。政府在本發明中具有某些權利。

技術領域

本發明的實施方式大體涉及用于薄膜電池的無遮光掩模制造工藝。

背景技術

已經預計薄膜電池(Thin?film?batteries,TFB)將支配微能源應用空間。已知TFB顯示出超越常規的電池技術的幾個優點，所述優點諸如優良的形狀因數、循環壽命、功率容量(power?capability)和安全性。圖1示出典型的薄膜電池(TFB)的截面圖，且圖2示出TFB制造的流程圖以及圖案化的TFB層的相應平面圖。圖1示出一種典型的TFB裝置結構100，其中陽極集電器(anode?current?collector)103和陰極集電器102形成在基板101上，接著是陰極104、電解質105和陽極106；然而所述裝置可使用陰極、電解質和陽極以顛倒的次序來制造。此外，陰極集電器(CCC)和陽極集電器(ACC)可被獨立地沉積。例如，CCC可在陰極之前沉積且ACC可在電解質之后沉積。裝置可由封裝層107覆蓋，以保護環境敏感層免受氧化劑的影響。例如參見N.J.Dudney所著的2005年的Materials?Science?and?Engineering?B（《材料科學與工程》B）116的第245頁至249頁。應注意，圖1所示的TFB裝置中沒有按比例繪制組成層。

然而，仍存在需要克服的挑戰，以允許有成本效益的TFB的大批量制造(high?volume?manufacturing,HVM)。最關鍵的是，需要對在裝置層的物理氣相沉積(physical?vapor?deposition,PVD)期間使用的當前最先進的TFB裝置圖案化技術（即遮光掩模）的替代技術。在HVM中使用遮光掩模工藝存在相關的顯著的復雜性和成本：(1)在用于管理、精確對準和清洗掩模的設備中需要顯著的資本投資，尤其對于大面積基板；(2)由于必須在遮光掩模邊緣之下容納沉積，所以基板面積的利用率低；以及(3)存在對于PVD工藝的約束—低功率和溫度—以避免熱膨脹導致的對準問題。

在HVM工藝中，遮光掩模的使用（對于傳統的和當前最先進的TFB制造技術普遍存在）將在制造中產生較高的復雜性和較高的成本。復雜性和成本由需要制造高精度的掩模和用于掩模對準和再生的（自動）管理系統而產生。這些成本和復雜性可從在硅基集成電路產業中使用的眾所周知的光刻法(photolithography)工藝推斷。此外，所述成本由保持掩模的需要以及由增加的對準步驟的產量限制產生。為了提高產量和規模經濟（即，HVM），制造被擴展到更大面積的基板，從而適應變得越來越困難且成本高昂。此外，由于遮光掩模的可用性和能力有限，所以擴展（對較大基板）本身可能受限。

使用遮光掩模的另一個影響是給定基板面積的利用率降低，導致非最佳的電池密度（充電、能量和功率）。這是因為遮光掩模不能完全限制濺射的物種沉積在掩模的下面，進而在連續的層之間產生一些最小的非重疊要求，以保持關鍵層之間的電絕緣。該最小的非重疊要求的結果是陰極面積的損失，導致TFB的容量、能量和功率含量（當其他一切條件相同時）的整體損耗。

由于必須避免熱導致的對準問題—掩模的熱膨脹導致掩模翹曲并且從所述掩模相對于基板的對準位置緩緩移動而移位，所以遮光掩模的進一步影響為有限的工藝產量。因此，由于以低沉積速率操作沉積工具來避免加熱掩模超過工藝容差，所以PVD產量低于所需產量。

此外，使用物理（遮光）掩模的工藝通常遭受顆粒污染，所述顆粒污染最終影響產率。

因此，仍然存在對于可通過簡化的、更HVM兼容的TFB工藝技術以顯著降低TFB的HVM的成本的概念和方法的需要。

發明內容