[发明专利]薄膜电池的无掩模制造

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2011年6月17日提交的美国临时申请第61/498,484号的权益，通过引用将该申请作为一个整体结合在此。

本发明是根据由美国国防部授予的第W15P7T-10-C-H604号合同、在美国政府的支持下进行的。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明的实施方式大体涉及用于薄膜电池的无遮光掩模制造工艺。

背景技术

已经预计薄膜电池(Thin film batteries,TFB)将支配微能源应用空间。已知TFB显示出超越常规的电池技术的几个优点，所述优点诸如优良的形状因数、循环寿命、功率容量(power capability)和安全性。图1示出典型的薄膜电池(TFB)的截面图，且图2示出TFB制造的流程图以及图案化的TFB层的相应平面图。图1示出一种典型的TFB装置结构100，其中阳极集电器(anode current collector)103和阴极集电器102形成在基板101上，接着是阴极104、电解质105和阳极106；然而所述装置可使用阴极、电解质和阳极以颠倒的次序来制造。此外，阴极集电器(CCC)和阳极集电器(ACC)可被独立地沉积。例如，CCC可在阴极之前沉积且ACC可在电解质之后沉积。装置可由封装层107覆盖，以保护环境敏感层免受氧化剂的影响。例如参见N.J.Dudney所著的2005年的Materials Science and Engineering B（《材料科学与工程》B）116的第245页至249页。应注意，图1所示的TFB装置中没有按比例绘制组成层。

然而，仍存在需要克服的挑战，以允许有成本效益的TFB的大批量制造(high volume manufacturing,HVM)。最关键的是，需要对在装置层的物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)期间使用的当前最先进的TFB装置图案化技术（即遮光掩模）的替代技术。在HVM中使用遮光掩模工艺存在相关的显著的复杂性和成本：(1)在用于管理、精确对准和清洗掩模的设备中需要显著的资本投资，尤其对于大面积基板；(2)由于必须在遮光掩模边缘之下容纳沉积，所以基板面积的利用率低；以及(3)存在对于PVD工艺的约束—低功率和温度—以避免热膨胀导致的对准问题。

在HVM工艺中，遮光掩模的使用（对于传统的和当前最先进的TFB制造技术普遍存在）将在制造中产生较高的复杂性和较高的成本。复杂性和成本由需要制造高精度的掩模和用于掩模对准和再生的（自动）管理系统而产生。这些成本和复杂性可从在硅基集成电路产业中使用的众所周知的光刻法(photolithography)工艺推断。此外，所述成本由保持掩模的需要以及由增加的对准步骤的产量限制产生。为了提高产量和规模经济（即，HVM），制造被扩展到更大面积的基板，从而适应变得越来越困难且成本高昂。此外，由于遮光掩模的可用性和能力有限，所以扩展（对较大基板）本身可能受限。

使用遮光掩模的另一个影响是给定基板面积的利用率降低，导致非最佳的电池密度（充电、能量和功率）。这是因为遮光掩模不能完全限制溅射的物种沉积在掩模的下面，进而在连续的层之间产生一些最小的非重叠要求，以保持关键层之间的电绝缘。该最小的非重叠要求的结果是阴极面积的损失，导致TFB的容量、能量和功率含量（当其他一切条件相同时）的整体损耗。

由于必须避免热导致的对准问题—掩模的热膨胀导致掩模翘曲并且从所述掩模相对于基板的对准位置缓缓移动而移位，所以遮光掩模的进一步影响为有限的工艺产量。因此，由于以低沉积速率操作沉积工具来避免加热掩模超过工艺容差，所以PVD产量低于所需产量。

此外，使用物理（遮光）掩模的工艺通常遭受颗粒污染，所述颗粒污染最终影响产率。

因此，仍然存在对于可通过简化的、更HVM兼容的TFB工艺技术以显著降低TFB的HVM的成本的概念和方法的需要。

发明内容