[发明专利]大量制造薄膜电池的方法

说明书

发明领域

本发明大体上涉及薄膜电池，且特别是关于制造薄膜电池的方法，其成本低廉并适合大量制造。

发明背景

已知固态薄膜电池(thin film battery；TFB)较传统电池技术具有多个优势，例如较佳的形成因子(form factor)、循环寿命、电容量和安全性。然而仍需具成本效益且适合大量制造(high-volume manufacturing；HVM)的生产技术，以拓展TFB的市场应用。

过去TFB制造所需的图案化方式为应用已知的掩蔽/图案化法，例如光刻技术和物理(遮荫)掩蔽法。光刻技术的应用实例可参见W.C.West等人发表于Journal of Micromech.and Microeng.(Vol.12(2002)58-62)的文章。物理(遮荫)掩蔽法的应用可参考许多刊物和专利，包括TFB处理流程示意图(例如参见授予Krasnov等人的美国专利No.6,921,464和授予Bates等人的美国专利No.6,994,933)、和其特殊陈述(例如参见kelley等人的美国专利公开No.2005-0079418A1)。这些生产工艺的每一步骤都采用掩蔽/图案化技术。

传统物理掩蔽法的需求引发许多缺点，尤其是对HVM而言。例如，利用物理掩蔽法将(1)大幅提高HVM与大面积级的资本投资需求；(2)增加拥有者成本(掩蔽耗材费用、清洁、化学品等)；(3)因需要对准而降低产量；以及(4)局限基板的尺寸和种类(如刚性、半刚性或柔性)，进而限制经济成本缩减的程度。

更特别地，在HVM工艺中，使用物理掩蔽(普遍用于传统和当前TFB生产技术)将造成制造上更复杂且成本更高。既复杂、成本又高的原因在于需制造极精确的掩蔽和(自动化)管理系统用于掩蔽对准及再生。由公知用于硅基集成电路产业的光刻工艺可推断其成本和复杂度。此外，维护掩蔽及附加对准步骤对产量的限制也导致成本增加。随着制造更大的基板面积以提高产量和大规模经济效益(即大量制造)，适应变得越来越难且成本越来越高。再者，物理掩蔽的可利用性与能力有限，也会限制其制造更大的基板。

使用物理掩蔽的另一影响在于降低特定基板区域的利用率，以致产生非最佳的电池密度(电荷、能量和功率)。这也是因为物理掩蔽无法完全限制溅射物沉积到掩蔽下面，故连续层间需有最小的不重叠部分，使各关键层得以维持电性隔离。此最小不重叠部分为损失阴极面积的原因，因而造成整体电容量、TFB的能量与功率降低(假设其它条件相同)。

在前述一般整合方式中，利用物理掩蔽的又一影响为需要复杂的保护涂层来防止阳极(通常为锂(Li)或锂离子)与周遭的氧化剂(如氧气(O₂)、水(H₂O)等)反应。多篇专利论及这些方法(例如参见授予Bates等人的美国专利No.5,561,004和授予Snyder等人的美国专利No.6,916,679,其分别描述多层涂层和积层板)。

最后，采用物理(遮荫)掩蔽的方法通常受微粒污染所苦，这最终将影响产率。

因此，仍需能施行简化、更与HVM兼容的TFB生产技术并大幅减少成本的概念和方法。

发明内容

本发明的概念和方法是通过免除和/或减少物理(遮荫)掩蔽的使用而降低TFB HVM的成本和复杂度，进而大量生产及增进产量，且技术很容易应用到大面积基板。如此可大幅缩减各种市场应用成本及提高产率。这些和其它优点可以通过激光划线(laser scribing)或其它无掩蔽图案化技术来实践部分或所有图案化的需求而实现。其它物理(遮荫)无掩蔽图案化技术包括机械锯切、水/溶剂切割、离子束铣磨和多层光刻技术。故本发明的实施例在制造工艺任一处，提供被认为是适合TFB的制造性、产率和功能的激光划线或其它无掩蔽图案化技术的使用。方法包括在沉积完所有层后进行单一图案化。另外，本发明实施例提出的方法包括多重图案化，其中各图案化用于单一或多个堆叠层，故可免除进行一些物理(遮荫)掩蔽。若某些例子须利用物理掩蔽法，则所公开的概念可配合使用最少量的物理掩蔽。优选地，就需要个别掩蔽/图案化的工艺而言，可使用激光划线或其它物理无掩蔽图案化技术。另外，所公开的概念可配合使用其它物理无掩蔽图案化技术，例如光刻图案化，在一些例子中，同时图案化单层、多层或所有层。

根据本发明的一方面，制造薄膜电池的第一方法包含提供基板、在该基板上沉积对应于薄膜电池结构的多层，各层依沉积顺序包括阴极、电解质和阳极，其中在沉积时至少一沉积层未以物理掩蔽图案化、沉积保护涂层、以及刻划各层和保护涂层。另外，封装层可覆盖各层边缘。再者，刻划也可切穿基板而制造多个薄膜电池。