CN105789680B - 具有用于激光图案化的集成光热阻挡层的薄膜结构和装置 - Google Patents

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Abstract

通过激光直接图案化选择性除去诸如太阳能电池、电致变色装置和薄膜电池之类的薄膜结构和装置的指定层是通过将光热阻挡层包括在紧邻于待由激光烧蚀除去的指定层的装置/结构堆叠中来实现的。光阻挡层是吸收或反射穿透介电层/半导体层的一部分激光能量的金属层，并且热阻挡层是具有足够低的热扩散系数的导电层，以减少流入下层金属层的热量，使得下层金属层的温度达不到熔化温度Tm，或在一些实施方式中，使得下层金属层的温度在激光直接图案化期间达不到(Tm)/3。

Description

具有用于激光图案化的集成光热阻挡层的薄膜结构和装置
本申请是申请日为2012年8月8日申请的申请号为201280038837.4，并且发明名称为“具有用于激光图案化的集成光热阻挡层的薄膜结构和装置”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请请求于2011年8月8日提出申请的美国临时申请第61/521,212号的权益，通过引用将该申请全部并入本文。
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做出的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明的实施方式涉及薄膜结构和装置的无掩模制造工艺，尤其涉及用于改进激光图案化的包括光热阻挡层的结构和装置。
背景技术
用于诸如薄膜电池(thin film battery,TFB)、电致变色(electrochromic,EC)装置、太阳能电池等的薄膜结构和装置的激光工艺是用于从基板前侧(薄膜侧)选择性地烧蚀/划线(scribe)各种层，留下某些完整并且未受损坏的层。对于从金属选择性激光烧蚀/划线半导体/电介质，由于金属的高热扩散系数，热量很容易地从半导体/电介质传递到下层金属。参见作为热区域105的估计程度的说明的图1，其中可能发生由固定激光束101造成的激光烧蚀损伤——热区域穿透金属层103并且甚至延伸到基板/下层104中；估计的等温线106被图示在热区域105之内——等温线并不是计算或测量获得的，而是基于观察到的激光损伤程度而估计的。此外，部分激光可穿透半导体/电介质102和进入金属103，所述部分激光可由金属吸收并且进一步增加金属的温度。下层金属的温度可在半导体/电介质的激光烧蚀期间达到所述下层金属的汽化点，这可导致下层金属的熔化和汽化，并且引起薄膜装置的功能损坏。例如，在TFB处理中，可能需要使用来自前侧的激光烧蚀从导电集电器(current collector)层之上除去介电层以允许形成粘合垫(bonding pad)。参见图示典型的薄膜电池(TFB)堆叠(stack)的图2，所述薄膜电池堆叠包括基板201、阴极集电器(cathode current collector,CCC)202、阴极(例如，LiCoO2)203、电解质(例如，LiPON)204、阳极(例如，Li、Si-Li及其他夹层氧化物(intercalated oxide))205、阳极集电器(anode current collector,ACC)和保护涂层207。然而，在TFB的激光直接图案化期间，当电解质(例如，LiPON)和阴极(例如，LiCoO2)正在由激光烧蚀除去时，集电器层(通常为小于1微米的Ti/Au)可达到高达集电器层的汽化点的高温。该高温引起集电器熔化或者甚至汽化，并且高温不可避免地降低电流收集效率和TFB整体的充电/放电效率。
明显地，存在对于TFB、EC和类似结构和装置的激光直接图案化的改进方法的需要，所述方法不损害薄膜结构和装置的剩余层的功能。
发明内容
通常，本发明涉及薄膜结构和装置的无掩模激光直接图案化，所述薄膜结构和装置诸如太阳能电池、电致变色装置和TFB，在所述直接图案化中，烧蚀需要以高选择性在指定层处停止并且不影响下层，例如TFB的金属电接触层。根据本发明的实施方式，通过激光直接图案化选择性除去指定层是通过将光热阻挡层包括在待由烧蚀除去的指定层正下方的装置/结构堆叠中来实现的。(此处“在……下方”是通过激光束的方向来定义的——激光束在首次穿过指定层之后到达阻挡层。)光阻挡层可以是具有高熔点并且具有足够厚度的金属层，以吸收和/或反射穿透指定层的所有激光，并且热阻挡层可以是具有足够低的热扩散系数的导电层，以确保来自激光的大部分热量被包含在待除去的层中。光热阻挡层的厚度和热阻挡层的热扩散系数可被指定以确保下层的温度在激光烧蚀工艺期间被保持低于所述下层的熔点Tm。此外，光热阻挡层的厚度和热阻挡层的热扩散系数可被指定以确保下层温度在激光烧蚀工艺期间被保持低于再结晶温度——对于金属通常是(Tm)/3。在不影响/损坏下层金属层的情况下，可在金属层与电介质或半导体层之间，或甚至在不同金属层之间实现选择性，只要光热阻挡层被并入在所述金属层与电介质或半导体层之间。在一些实施方式中，光热阻挡层可以是单层。在其他实施方式中，光阻挡层和热阻挡层在堆叠中的次序可颠倒。此外，激光照射可来自基板上方或基板下方——在后一种情况下，激光在到达待烧蚀/除去的装置层之前穿过基板。
根据本发明的一些实施方式，与通过激光束选择性除去介电层和/或半导体层的激光直接图案化兼容的薄膜装置可包含：基板；第一装置层，所述第一装置层覆盖所述基板；第一热阻挡层，所述第一热阻挡层覆盖所述第一装置层；第一光阻挡层，所述第一光阻挡层覆盖所述第一热阻挡层；和第二装置层，所述第二装置层覆盖所述第一光阻挡层；其中所述第一光阻挡层是吸收或反射到达所述第一光阻挡层的一部分激光能量的金属层，并且所述第一热阻挡层是具有热扩散系数D的导电层，所述热扩散系数D足够低以减少流过所述第一热阻挡层的热量，使得相邻装置层的温度在激光直接图案化期间超过所述相邻装置层的熔化温度Tm。
根据本发明的进一步的实施方式，通过激光束选择性除去介电层和/或半导体层的激光直接图案化薄膜装置的方法可包含：提供如上所述的薄膜装置；和激光直接图案化所述薄膜装置，所述激光束除去所述第二装置层的激光照射部分，其中所述激光束在到达所述第一光阻挡层之前穿过所述第二装置层。替代地，或另外地，激光直接图案化可除去所述第一装置层的激光照射部分，其中所述激光束在到达所述第一热阻挡层之前穿过所述第一装置层。
本文描述了根据本发明的选择性激光图案化工具，和包括所述选择性激光图案化工具的设备。
附图说明
在结合附图阅读本发明的具体实施方式的以下描述之后，本发明的这些及其他方面和特征对于本领域的那些技术人员将是显而易见的，在所述附图中：
图1是在激光图案化工艺期间暴露于激光束的分层结构(layered structure)的截面图；
图2是薄膜电池(TFB)的截面图；
图3是根据本发明的一些实施方式的在激光图案化工艺期间具有暴露于激光束的光阻挡层和热阻挡层的分层结构的截面图；
图4是根据本发明的一些实施方式的具有光阻挡层和热阻挡层的薄膜电池(TFB)的截面图；
图5是根据本发明的一些实施方式的具有两个光阻挡层和两个热阻挡层的薄膜电池(TFB)的截面图；
图6是根据本发明的一些实施方式的具有光阻挡层和热阻挡层的薄膜电池(TFB)和通过基板入射到TFB结构上的激光束的截面图；
图7是根据本发明的一些实施方式的选择性激光图案化工具的示意图；
图8是根据本发明的一些实施方式的用于TFB制造的薄膜沉积群集工具的示意图；
图9是根据本发明的一些实施方式的具有用于TFB制造的多个串联(in-line)工具的薄膜沉积***的代表图；和
图10是根据本发明的一些实施方式的用于TFB制造的串联沉积工具的代表图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的实施方式，所述实施方式提供作为本发明的说明性实例，以便使本领域技术人员能够实践本发明。显著地，以下附图和实例并不意味着将本发明的范围限于单个实施方式，而是其他实施方式经由互换一些或所有所描述或图示的元件也是可能的。此外，在本发明的某些元件可使用已知部件部分地或完全地实施的情况下，将只对所述已知部件中为理解本发明所必须的那些部分进行描述，并且将省略对所述已知部件的其他部分的详细描述以免模糊本发明。在本说明书中，不应将图示单个部件的实施方式视为限制；更确切些，本发明意在涵盖包括多个相同部件的其他实施方式，并且反之亦然，除非在本文中另外明确说明。此外，申请人不希望本说明书或要求保护的范围中的任何术语被归属于罕见的或特殊的含义，除非照此做出明确阐述。进一步，本发明涵盖通过举例说明在本文中提及的已知部件的现在和将来的已知等同物。
通常，本发明涉及薄膜结构和装置的无掩模激光直接图案化，所述薄膜结构和装置诸如太阳能电池、电致变色装置和TFB，在所述直接图案化中，烧蚀需要以高选择性在指定层处停止并且不影响下层，例如TFB的金属电接触层。根据本发明的实施方式，通过激光直接图案化选择性除去指定层是通过将光热阻挡层包括在待由烧蚀除去的指定层正下方的装置/结构堆叠中来实现的。(此处“在……下方”是通过激光束的方向来定义的——激光束在首次穿过指定层之后到达阻挡层。参见其中光阻挡层310和热阻挡层320被集成到装置堆叠中的图3。)光阻挡层可以是具有高熔化温度和足够厚度的金属层，以吸收和/或反射穿透指定层的所有激光；此外，光阻挡层可具有镜状表面或可具有粗糙表面。热阻挡层可以是具有足够低的热扩散系数的层，以确保来自激光的大部分热量被包含在介电层/半导体层中。光热阻挡层的厚度和热阻挡层的热扩散系数可被指定以确保下层的温度在激光烧蚀工艺期间被保持低于所述下层的熔点Tm。此外，光热阻挡层的厚度和热阻挡层的热扩散系数可被指定以确保下层温度在激光烧蚀工艺期间被保持低于再结晶温度——对于金属通常是(Tm)/3。在不影响/损坏下层金属层的情况下，可在金属层与电介质或半导体层之间，或甚至在不同金属层之间实现选择性，只要光热阻挡层被并入在所述金属层与电介质或半导体层之间。图3和图1的比较说明用于阻止热区域305延伸到金属层103中的热阻挡层320的功能。图3中的等温线306表明在热阻挡层320中的装置堆叠之内的较高温度梯度；所述等温线并不是计算或测量获得的，而是基于所观察到的激光损伤的程度而估计的。在一些实施方式中，光热阻挡层可以是单层——例如单层热电金属材料。在其他实施方式中，光阻挡层和热阻挡层在堆叠中的次序可颠倒。光热阻挡层可被集成到堆叠中，同时避免将应力或表面形态问题引入到堆叠中。在一些实施方式中，为了装置的功能性，光阻挡层和热阻挡层两者必须都是导电的——例如在TFB中，当光阻挡层和热阻挡层用在装置堆叠中的CCC的正上方时。
图4提供将光阻挡层410和热阻挡层420并入到TFB中用于在激光图案化期间保护阴极集电器的实例。激光阻挡层410吸收和/或反射穿过层堆叠的所有或大部分激光，所述层堆叠包括以下之一或更多：保护涂层207、阳极集电器(ACC)206、阳极205、电解质204和阴极203，并且热阻挡层320限制在堆叠中产生的热量在堆叠的激光处理期间扩散到阴极集电器(CCC)202。光热阻挡层的材料性质和厚度被选择以保持阴极集电器的温度低于Tm以避免CCC的熔化，并且在一些实施方式中，被选择以保持阴极集电器的温度低于再结晶温度，对于金属大约是(Tm)/3，以避免CCC在堆叠的激光烧蚀期间再结晶。此外，当与处理没有光热阻挡层的TFB相比时，由于堆叠中的热量含量(concentration of heat)更大，所以激光烧蚀工艺的效率增加。
在图4的TFB的实例中，光阻挡层410可以是非常薄的金属层，例如厚度小于的金膜，所述金属层可吸收和/或反射穿透堆叠的半导体/电介质的激光。热阻挡层420可以是薄的(对于纳秒(nano-second)激光通常大于 并且对于皮秒(pico-second)激光通常大于)但具有极低的热扩散系数的导电层，例如，热扩散系数为1.2x 10-2cm2/s的ITO(氧化铟锡)和热扩散系数为6.4x 10-2cm2/s的钛。应注意，热阻挡层的热扩散系数通常小于0.1cm2/s并且热阻挡层的厚度通常接近于或大于扩散长度——扩散长度是由√(Dτ)给定的，其中τ是激光脉冲持续时间并且D是材料的热扩散系数。光热阻挡层可被结合成一层，只要该层足够厚以吸收没有被反射的大部分激光并且热扩散系数足够低以保持CCC的温度低于Tm，并且在一些实施方式中低于(Tm)/3。例如，当皮秒激光被用于激光图案化时，厚的钛膜可用于光热阻挡层二者。
在本发明的一些实施方式中，可将多对光热阻挡层并入结构或装置堆叠中。图5图示将两对光热阻挡层并入TFB堆叠中的实例。光阻挡层511和热阻挡层512可用于在激光图案化保护涂层207时保护半导体/电介质堆叠(层203、204、205和206)，而光阻挡层510和热阻挡层520可用于在激光图案化半导体/电介质堆叠时保护CCC 202。光热阻挡层可被置于TFB的其他层之间，尽管如果所述光热阻挡层被置于具有高导热性的阴极与电解质之间或置于具有高导热性的电解质与阳极之间，可能有对于匹配某些材料性质的进一步要求。应注意，当使用多于一对光热阻挡层时，每一对光热阻挡层可用于产生不同的图案。
在具有光热阻挡层的本发明的进一步实施方式中，对于TFB可能需要通过基板的冲模图案化(die patterning)，如图6所示。激光601是从基板的背面使用——换句话说，激光在到达待除去的层之前先穿过基板——这需要具有适当的光学性质(在激光波长下的低吸收)的基板。例如，红外线IR(infrared,红外)激光可用于硅基板，或者如果基板是玻璃，那么UV-VIS(ultraviolet-visible,紫外-可见)激光可用于从基板侧冲模图案化。“上层”的除去是一种“***(explosion)”工艺，所述工艺在“上”层的熔化之前发生；该“***”工艺仅需要少量的激光通量(fluence)，例如，对于在玻璃基板上的典型TFB堆叠，激光通量为小于1J/cm2。在图6所示的堆叠中，在CCC 202中的来自激光的热量可能足以使CCC熔化并且汽化，***性地除去来自基板和装置的CCC上方的层堆叠(所述堆叠可包括层203、204、205、206和207，以及光阻挡层610和热阻挡层620)。应注意，对于该“***”工艺，光热阻挡层并不总是需要的，但是在热阻挡层将热量集中在热阻挡层下方的层(在该实例中为CCC)中的情况下，光热阻挡层可有帮助。应注意，除非采取预防措施，否则“***”工艺产生可能再沉积在装置上的颗粒(particulate)和熔融材料。然而，可开发集成方案以减轻潜在的再沉积问题。
此外，本发明的一些实施方式包括使用单对光热阻挡层以从堆叠顶部和通过基板两者由直接激光图案化产生两个不同图案——通过基板的图案化用于界定基板上的分离装置，和从堆叠顶部的图案化用于图案化光热阻挡层上方的堆叠。可能需要不同激光以产生两种图案。
使用激光从基板区域完全除去层堆叠的方法(其中激光在到达待除去的层之前穿过基板，并且其中堆叠包括在基板之上的第一层、在第一层之上的热阻挡层、和在热阻挡层之上的光阻挡层)可包括：使用激光束从基板背侧照射层堆叠区域，激光束通过基板穿透第一层，其中第一层被烧蚀并且将第一层上方的整个堆叠从激光已通过的基板表面吹除。光阻挡层是吸收或反射穿透基板和第一层的第一部分激光能量的金属层，并且热阻挡层是具有足够低的热扩散系数的导电层，以确保在基板之上的第一层的温度超过所述第一层的熔化温度。
传统激光划线或激光投影技术可用于本发明的选择性激光图案化工艺。激光的数目可以是：一个，例如具有皮秒脉冲宽度的UV/VIS激光(由激光通量/剂量控制选择性)；两个，例如UV/VIS和IR纳秒和皮秒激光的组合(由激光波长/通量/剂量控制选择性)；或多个(由激光波长/通量/剂量控制选择性)。激光划线***的扫描方法可以是通过电流计的工作台(stage)运动、光束运动或所述运动两者。激光划线***的激光光斑(spot)大小的直径可从100微米调整到1cm。在基板处对于激光投影***的激光面积可以是5mm2或更大。此外，可以使用其他激光类型和配置。
图7是根据本发明的实施方式的选择性激光图案化工具700的示意图。工具700包括用于在基板704上图案化装置703的激光701。此外，还图示用于通过基板704图案化的激光702，尽管激光701可用于通过基板704图案化(如果基板被翻转)。提供用于保持和/或移动基板704的基板保持器/工作台705。工作台705可具有孔以容纳通过基板图案化的激光。工具700可被配置用于在激光烧蚀期间固定的基板，或移动的基板——激光701/702也可为固定的或可移动的；在一些实施方式中，基板和激光两者可以是可移动的，在此情况下，该移动是通过控制***调整的。工具700的独立版本(stand-alone version)被图示在图7中，所述工具包括SMF并且还包括手套箱和前腔室。图7所示的实施方式为根据本发明的工具的一个实例——可以设想该工具的许多其他配置，例如，手套箱在无锂的TFB的情况下可能并非必要。此外，工具700可位于具有适当环境的室中，所述室类似于如在锂箔制造中使用的干燥室。
图8是根据本发明的一些实施方式的用于制造TFB装置的处理***800的示意图。处理***800包括连接到群集工具的标准机械接口(standard mechanical interface,SMIF)，所述群集工具装备有反应等离子体清洁(reactive plasma clean,RPC)腔室和处理腔室C1-C4，所述群集工具可在如上所述的工艺步骤中使用。也可将手套箱附接到群集工具。手套箱可将基板存储在惰性环境(例如，在诸如He、Ne或Ar的惰性气体下)中，这在碱金属/碱土金属沉积之后很有用。如果需要，也可使用连接到手套箱的前腔室——前腔室是气体交换腔室(惰性气体交换为空气，反之亦然)，所述腔室允许基板被传递进出手套箱，而不污染手套箱中的惰性环境。(应注意，手套箱也可被具有足够低露点的干燥室环境替代，所述足够低露点同样地由锂箔制造商使用。)腔室C1-C4可被配置用于制造薄膜电池装置的工艺步骤，所述工艺步骤例如可包括：沉积如上所述的TFB堆叠和选择性激光图案化所述堆叠。适当的群集工具平台的实例包括AKT的显示器群集工具，诸如第10代显示器群集工具或Applied Material(应用材料公司)的用于较小基板的CenturaTM和EnduraTM。应当理解，虽然已针对处理***1100图示了群集布置，但是可利用其中处理腔室布置成一行而无传递腔室的线性***，以便基板连续地从一个腔室移动到下一个腔室。
图9图示根据本发明的一些实施方式的具有多个串联工具910、920、930和940等的串联制造***500的代表图。串联工具可包括用于沉积和图案化TFB装置的所有层的工具。此外，串联工具可包括预调节和后调节腔室。例如，工具910可以是在基板移动通过真空气闸室(vacuum airlock)915到沉积工具920中之前用于建立真空的排空(pump down)腔室。一些或所有串联工具可以是被真空气闸室915分离的真空工具。应注意，工艺管线中的工艺工具和指定工艺工具的次序将由被使用的指定TFB装置制造方法确定——指定TFB装置制造方法的具体实例在上文中提供。此外，基板可移动通过水平定向或垂直定向的串联制造***。此外，选择性激光图案化模块还可被配置用于在激光烧蚀期间固定的基板，或移动的基板。
为了描绘基板通过诸如图9所示的串联制造***的移动，在图10中图示仅具有一个原位串联工具910的基板传送带950。含有基板1010的基板保持器955(图示基板保持器被部分地切去以便基板可见)被安装在传送带950上，或传送带950的等效装置上，用于移动保持器和基板通过串联工具910，如图所示。用于处理工具910的适当的串联平台可以是Applied Material(应用材料公司)的AtonTM和New AristoTM。
用于形成根据本发明的实施方式的诸如薄膜电池的电化学装置的设备可包含：第一***，用于在基板上覆盖沉积(blanket depositing)堆叠，所述堆叠包括阴极集电器层、热阻挡层、光阻挡层、阴极层、电解质层、阳极层、阳极集电器层和保护涂层；和第二***，用于直接激光图案化所述堆叠。第一***可以是群集工具、串联工具、独立工具、或一个或更多个上述工具的组合，并且第二***可以是独立工具或可被集成到第一***中。类似设备可用于制造太阳能装置等，其中第一***被配置以用于沉积指定装置和光热阻挡层所需的堆叠，并且第二***是用于直接激光图案化所述堆叠，如上所述。
虽然本发明已参照TFB在本文中描述，但是本发明的教导和原理也可应用到用于制造其他薄膜结构和装置的改进方法，所述其他薄膜结构和装置诸如太阳能电池和诸如电致变色装置之类的其他电化学装置，其中激光烧蚀需要以高选择性在指定层处停止并且不影响下层。
虽然本发明已参照本发明的某些实施方式特定地描述，但是对于本领域的技术人员应当显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下进行形式和细节方面的修改和变化。

Claims (19)

1.一种用于形成电化学装置的设备，所述设备包含：
第一***，所述第一***用于在基板上覆盖沉积堆叠，所述堆叠顺序地包括阴极集电器层、热阻挡层、光阻挡层、阴极层、电解质层、阳极层、阳极集电器层和保护涂层；和
第二***，所述第二***用于直接激光图案化所述堆叠，所述第二***包含至少一个激光器；
其中所述光阻挡层是金属层，其特征在于具有吸收或反射到达所述光阻挡层的一部分激光能量的特性，并且所述热阻挡层是具有热扩散系数D的导电层，所述热扩散系数D足够低以减少在激光直接图案化期间流过所述热阻挡层的热量，使得相邻装置层的温度超过所述相邻装置层的熔化温度Tm，其中所述相邻装置层包括在激光照射侧与所述热阻挡层相邻的所述堆叠中的至少一层，
其中所述第二***包含位于所述堆叠上方的激光器和位于所述堆叠下方的激光器，并且其中所述堆叠被保持在工作台上，所述工作台具有位于所述堆叠下方的孔，用于适合通过位于所述堆叠下方的所述激光器直接激光图案化所述堆叠。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述第一***是群集工具。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述第一***是串联工具。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述第一***包含至少一个独立工具。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述第二***是独立工具。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述第二***被集成到所述第一***中。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述电化学装置是薄膜电池。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述第二***包含多个激光器。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述第二***包含紫外-可见激光器。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述紫外-可见激光器是皮秒激光器。
11.如权利要求1所述的设备，其中所述第二***包含红外激光器。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述红外激光器是皮秒激光器。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述第二***包含可见激光器。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述可见激光器是皮秒激光器。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述热阻挡层的厚度大于热扩散长度√(Dτ)，其中τ是所述至少一个激光器的激光脉冲持续时间。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述热阻挡层的所述热扩散系数小于0.1cm2/s。
17.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个激光器是纳秒激光器。
18.如权利要求1所述的设备，其中所述第二***、所述堆叠和所述基板被配置用于至少一个激光束在到达所述热阻挡层之前穿透所述基板。
19.如权利要求1所述的设备，其中所述光阻挡层和所述热阻挡层是相同的层。
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