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CN106797056A - 激光图案化的薄膜电池 - Google Patents

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CN106797056A
CN106797056A CN201580055121.9A CN201580055121A CN106797056A CN 106797056 A CN106797056 A CN 106797056A CN 201580055121 A CN201580055121 A CN 201580055121A CN 106797056 A CN106797056 A CN 106797056A
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秉·圣·利奥·郭
宋道英
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Applied Materials Inc
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Abstract

一种薄膜电池所述可包括：基板、阴极集电体层、阳极集电体层、阴极层、电解质层和阳极层，其中阳极集电体的阳极接触区域的一部分未被阳极层覆盖，且其中电解质层中的电气绝缘缓冲区域未被阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于阴极集电体层的接触区域与阳极层之间，用于使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的激光切割边缘与阳极层的激光切割边缘电气隔离。本文也描述用于形成薄膜电池的方法和设备。

Description

激光图案化的薄膜电池
相关申请案的交叉引用
本申请主张于2014年9月4日提交申请的第62/046,051号美国临时申请案的权益。
技术领域
本公开内容的实施方式一般涉及电化学器件和制造电化学器件的方法，具体而言，但不排他的，本公开内容的实施方式涉及激光图案化的薄膜电池。
背景技术
薄膜电池(thin film battery；TFB)可包含多层的薄膜堆叠，所述多层的薄膜堆叠包括集电体、阴极(正电极)、固态电解质和阳极(负电极)。具有卓越性能的TFB已经预计将在未来几年主导μ能源(μ-energy)应用空间。然而，仍有需要克服的挑战以允许TFB的具有成本效益的大批量制造(high volume manufacturing；HVM)。最关键的是，需要对在器件层沉积期间使用的当前最先进的TFB器件图案化技术(即荫罩(shadow mask))进行替换。存在与在HVM中使用的荫罩工艺相关联的显著复杂性和成本：(1)在设备中需要显著的资本投资用于管理、精确对准和清洗掩膜，尤其用于大面积基板；(2)由于不得不在荫罩的边缘下容纳沉积，因此存在基板面积的不良使用；以及(3)对PVD(Physical Vapor Deposition；物理气相沉积)工艺存在约束(低功率和温度)，以便避免热膨胀引起的对准问题。
替换荫罩的常见方法之一是使用光刻技术，但是此技术不仅显著增加成本，而且对TFB制造流程带来不良的湿式化学品，以及从TFB层材料与光刻化学品、湿式化学品，蚀刻和干灰工艺之间的化学和物理相互作用带来的电位层与器件效能的劣化。
显然，需要一种TFB结构和制造方法，从而可通过实现简化的、与HVM更加相容的TFB工艺技术以显著降低TFB的HVM的成本。
发明内容
本公开内容的一些实施方式关于诸如薄膜电池(thin film battery；TFB)的电化学器件、制造电化学器件的方法和被构造以用于实施这些方法的工具。
根据一些实施方式，薄膜电池可包含：基板；基板上的阴极集电体层和阳极集电体层，所述阴极集电体层与所述阳极集电体层彼此电气隔离；阴极集电体层上的阴极层，其中阴极集电体层的接触区域未被阴极层覆盖；电解质层，完全覆盖阴极层的顶表面并覆盖阳极集电体层的一部分，其中阳极集电体的未被覆盖的部分为阳极集电体的接触区域；电解质层和阳极集电体上的阳极层，其中阳极集电体的阳极接触区域的一部分未被阳极层覆盖，且其中电解质层中的电气绝缘缓冲区域未被阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于阴极集电体层的接触区域与阳极层之间，用于使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的边缘与阳极层的边缘电气隔离。
根据一些实施方式，制造薄膜电池的方法可包含：在基板上毯覆沉积(blanketdeposition)集电体层和阴极层；激光晶粒图案化(laser die patterning)集电体层和阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，并激光剥蚀阴极层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域并暴露全部的阳极集电体，以形成第一图案化堆叠；在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层；激光剥蚀电解质层的一部分以暴露阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；在第二图案化堆叠上方毯覆沉积阳极层和初始保护层；在集电体层和阴极层的激光晶粒图案化的晶粒图案内激光晶粒图案化电解质层、阳极层和初始保护层；激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域，并激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的厚度的一部分以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域，以使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的激光切割边缘与图案化阳极的激光切割边缘电气隔离，和激光剥蚀初始保护层和电解质层的一部分以露出阳极集电体的接触区域，以形成第三器件堆叠。
根据一些实施方式，用于在基板上制造薄膜电池的设备可包含：第一系统，用于在基板上毯覆沉积集电体层和阴极层，并激光晶粒图案化集电体层和阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，并激光剥蚀阴极层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域并暴露全部的阳极集电体，以形成第一图案化堆叠；第二系统，用于在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层，并激光剥蚀电解质层的一部分以暴露阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；第三系统，用于在第二图案化堆叠上方沉积阳极层和初始保护层，在集电体层和阴极层的激光晶粒图案化的晶粒图案内激光晶粒图案化电解质层、阳极层和初始保护层，激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域，激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的厚度的一部分以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域，以使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的激光切割边缘与图案化的阳极的激光切割边缘电气隔离，和激光剥蚀初始保护层和电解质层的一部分以露出阳极集电体的接触区域，以形成第三器件堆叠。
附图说明
在结合所附附图参阅特定实施方式的以下描述后，本公开内容的这些和其他构想和特征对熟悉本技术领域的一般技术人员将变得显而易见，其中：
图1是用于薄膜电池的器件层堆叠的横截面表示；
图2是在现有激光晶粒图案化后的图1的薄膜电池的横截面表示；
图3是在用于露出阴极集电体以产生器件侧电气接触的现有激光工艺后的图2的薄膜电池的横截面表示；
图4至图9为根据一些实施方式的利用非导电基板制造TFB的第一工艺流程中的连续步骤的横截面表示；
图10至图15是根据进一步实施方式的利用非导电基板制造TFB的第二工艺流程中的连续步骤的横截面表示；
图16图21是根据一些实施方式的利用导电基板制造TFB的工艺流程中的连续步骤的横截面表示；
图22为根据一些实施方式的在切割前具有12个TFB的基板的平面图，图示阴极区域超过90％的TFB占用面积(器件区域)的TFB，并图示对应图4至图9和图10至图15的工艺流程的示例性TFB配置；
图23是LiPON材料的光学常数的曲线图；
图24A与图24B分别是随利用248nm激光剥蚀1.5微米的LiPON和利用513nm飞秒激光剥蚀0.7/1.8微米的Cu/LiPON的激光通量函数变化的剥蚀深度的曲线图；
图25是根据一些实施方式的选择性激光图案化工具的示意图；
图26是根据一些实施方式的用于TFB制造的薄膜沉积集群工具的示意图；
图27是根据一些实施方式的用于TFB制造的具有多个直列工具的薄膜沉积系统的表示；
图28是根据一些实施方式的用于TFB制造的直列沉积工具的表示；
图29至图36是根据一些实施方式的利用非导电基板制造TFB的第三工艺流程中的连续步骤的横截面表示；
图37是根据一些实施方式的在切割前具有12个共面TFB的基板的平视图，图示对应于图29至图36的工艺流程的示例性TFB配置；以及
图38是根据一些实施方式的在切割前具有12个TFB的基板的平视图，图示对应于图16至图21的工艺流程的示例性TFB配置。
具体实施方式
现将参考附图详细描述本公开内容的实施方式，提供这些实施方式作为本公开内容的说明性实例以便使得熟悉本技术领域的技术人员能够实践本公开内容。应注意，下文中的附图和实例并不旨在将本公开内容的范围限制于单个实施方式，而是可经由互换所描述或图示部件中的一些或全部使得其他实施方式成为可能。此外，在可使用已知元件来部分或完全实施本公开内容的某些部件的情况下，将仅描述此类已知元件中用于理解本公开内容所需的那些部分，并将省略此类已知元件的其他部分的详细描述以免模糊本公开内容。在本公开内容中，表示为单个元件的实施方式不应被视为限制性；相反的，除非本文另有明确陈述，否则本公开内容意欲涵盖包括多个相同元件的其他实施方式，反之亦然。此外，除非明确阐述，否则不欲将本公开内容中的任何术语归于不常见或特定含义。进一步地，本公开内容涵盖本文中经由图解所指示的已知元件的现在与将来的已知等效物。
图1图示用于形成在基板101上的TFB的器件层的现有堆叠，包括毯覆沉积的以下层：集电体层102(例如，Ti/Au)、阴极层103(例如，LiCoO2)、电解质层104(例如，LiPON)、阳极层105(例如，Li、Si)和阳极集电体(ACC)/初始保护层106(例如，Cu、Ti/Cu)。根据现有工艺，图1的堆叠接着经历激光晶粒图案化以形成图2所示的结构，其中层202～层206分别为层102～层106的图案化等效物。然而，如图2所示，在阴极202/阴极集电体(CCC)203与阳极205/ACC206之间沿激光晶粒图案化侧壁存在具有电气短路路径210的高概率。接着，根据现有工艺，堆叠经进一步处理以暴露CCC层302而产生电气接触，如第3图所示，其中层302～层306分别为层202～层206的图案化等效物；此工艺利用受控激光暴露来向下移除堆叠直至CCC层302，从而形成阶梯，所述受控激光通过控制扫描速度(点激光(spot laser))/发射数量(区域激光(area laser))和通量而使激光受控。关于前述的潜在短路问题，此时在阴极302/CCC 303与阳极305/ACC 306之间沿CCC图案化侧壁也存在具有短路路径的高概率，如图3所示，这也显著影响制造产出率。
如上文参考图1至图3所描述，单步(one-step)的激光晶粒图案化工艺倾向于沿阴极/CCC和阳极/ACC的侧壁产生电气短路路径，并显著降低电池性能和产出率。然而，通过使用本文实施方式中所公开的两步激光晶粒图案化工艺，不太可能产生沿阴极/CCC和阳极/ACC的侧壁的电气短路路径，这是因为当图案化阳极/ACC时，已在第一晶粒图案化工艺期间移除阴极/CCC且在第二晶粒图案化工艺期间未剥蚀阴极/CCC。这显著增加了制造产出率并减少了激光晶粒图案化工艺带来的电池漏泄。关于利用激光剥蚀的CCC层暴露/露出工艺，完全移除ACC层、阳极层和电解质层以暴露/露出CCC接触区域。大体而言，ACC和阳极层为导电或半导电材料，且即使将飞秒激光用于剥蚀工艺，在剥蚀区域中的表面上仍留有这些层的某些残余物。这些ACC和阳极残余物可能从ACC/阳极到阴极/CCC沿激光切割侧壁产生电气短路路径。然而，通过在TFB器件布局中包括窄的缓冲区域，其中激光剥蚀工艺在穿过绝缘电解质层的厚度时中途停止，显著减小或甚至消除了CCC/阴极与阳极/ACC之间电气短路的可能性，从而使得利用激光剥蚀图案化工艺的TFB器件的制造成为制造的可行提议。TFB的毯覆沉积和非原位(ex situ)激光图案化实际上改良了图案化精度、产出率和基板/材料通途，且在压低TFB的制造成本上具有很大潜力。
更详细而言，本公开内容的TFB的一些实施方式具有避免上文所描述的先前技术器件的缺点的制造工艺，这些工艺包含：两步晶粒图案化工艺，所述工艺显著减小了在CCC/阴极与阳极/ACC之间沿激光切割侧壁形成电气短路路径的可能性，所述两步工艺包括在CCC和阴极沉积后执行的第一晶粒图案化工艺，和在已完成所有活动层沉积后在第一晶粒图案化区域内部执行的第二晶粒图案化工艺；并在某些实施方式中，这些工艺也可包含使用纳秒/皮秒激光或飞秒激光(包括用于所有这些激光的紫外线波长)，以产生电气绝缘电解质缓冲区域，所述缓冲区域使经图案化的CCC/阴极的激光切割边缘与经图案化的阳极/ACC的激光切割边缘电气隔离，其中这些激光切割边缘非常靠近(显著减小了在CCC/阴极与阳极/ACC之间沿激光切割侧壁的电气短路的可能性)。此外，在一些实施方式中，晶粒图案化工艺可经构造以在阴极被退火前允许将阴极层图案化-即移除所述阴极层以露出下方CCC。应注意，在高温退火(在大于600℃)后，CCC材料(通常为Ti和Au)倾向于一起混合/合金化，此举不仅损害了CCC对基板的粘着性，还减小了在用于激光剥蚀工艺的激光波长处的光学反射率。这些两个效应造成在不显著损坏CCC的同时从CCC选择性剥蚀LiCoO2的困难。另外，与退火前剥蚀相比，高温退火后的LiCoO2层需要更高激光通量来剥蚀该层。因此，在图案化后使阴极退火的工艺流程对于维持CCC对基板的良好粘着性并允许更容易的剥蚀工艺是有利的。
此外，尽管更加精确的边缘放置可提供更高的器件密度和其他设计改良，但本文所描述实施方式的激光处理和剥蚀图案可经设计以形成与使用掩膜制造的那些TFB具有非常类似器件结构的TFB。高于当前荫罩制造工艺的TFB的产出率和器件密度是工艺的一些实施方式所期望的，因为在TFB制造工艺中使用荫罩是产量致命性缺陷的可能来源，且移除荫罩可移除这些缺陷。也预期工艺的一些实施方式将提供比荫罩工艺更佳的图案化精度，从而将允许基板上的更高的TFB器件密度。进一步地，工艺的一些实施方式预期放宽对PVD工艺的限制(在荫罩沉积工艺中受限于较低功率和温度)，这些限制是由潜在热膨胀导致的荫罩的对准问题所引起的，并因此增加了TFB层的沉积速率。此外，从TFB制造工艺中取出荫罩可通过以下操作来降低新制造工艺的开发成本：消除掩膜对准器、掩膜管理系统和掩膜清洗；消耗品成本(cost of consumables；CoC)降低；和允许来自硅集成电路和显示器工业的工业验证工艺的使用。TFB的毯覆层沉积和非原位激光图案化可改良图案化精度、产出率和基板/材料用途，从而足以压低TFB制造成本，可能甚至比2014年估计成本低10倍或更多。
在现有TFB制造中，使用原位(in-situ)荫罩图案化所有层，这些原位荫罩由子载具、背侧磁体等固定在器件基板。在本公开内容中，代替原位图案化沉积，提供无任何荫罩的毯覆沉积用于TFB制造工艺中的所有层(参见图4至图9、图10至图15、图16至图21和图29至图36)，或用于诸如集电体、阴极、电解质和阳极中的一个或多个的某些层。流程也可包括粘结、封装和/或保护涂覆的工艺。毯覆层的图案化借助以下工艺：(1)激光剥蚀工艺，向下移除所有层直至基板；和/或(2)选择性激光剥蚀工艺，其中激光图案化工艺移除层或层的堆叠，同时在下方留下至少部分完整的一个或多个层。举例而言，根据一些实施方式，先在基板上毯覆沉积阴极集电体和阴极。随后使用激光工艺将整个被毯覆涂覆的基板图案化成多个单独晶粒。在第一激光图案化后，在晶粒图案化层上方制作电解质、阳极和阳极集电体沉积。随后，再次将基板装载至激光剥蚀系统中以执行晶粒图案化和CCC暴露，在第一晶粒图案化区域内实行第二晶粒图案化，换言之，第一晶粒图案化将沿切割道(alley)完全移除CCC/阴极材料且第二晶粒图案化用于完全移除第一切割区域内部的电解质、阳极和ACC。在每个TFB晶粒的一个转角处执行CCC暴露/露出，以便最大化阴极区域并因此最大化基板区域利用，请参见图22。通过调节诸如通量和发射数量的激光工艺参数，选择性移除ACC、阳极、电解质和阴极以暴露/露出CCC接触区域。为了避免CCC/阴极与ACC/阳极之间的电气短路路径，可在CCC暴露/露出区域与ACC/阳极区域之间使用窄缓冲区域。在这个窄缓冲区域中，激光剥蚀工艺仅用于移除ACC、阳极和电解质的一小部分。应注意，对于TFB，通常将LiPON用作电解质并且LiPON在从紫外线波长到长可见光波长是几乎透明的，因此为了在LiPON层的中间停止激光剥蚀工艺，使用纳秒/皮秒或飞秒激光(包括用于所有这些激光的紫外线波长)。窄缓冲区域的宽度通常在大致30微米到大致200微米的范围内。
对于TFB，阴极层的实例为LiCoO2层(由例如射频(Radio Frequency；RF)溅射、脉冲直流(Direct Current；DC)溅射等进行沉积)，阳极层的实例为Li金属层(由例如蒸发、溅射等进行沉积)，和电解质层的实例为LiPON层(由例如RF溅射等进行沉积)。然而，预期可将本公开内容应用于包含不同材料的更宽范围的TFB。此外，用于这些层的沉积技术可为任何能够提供所需组成、相和结晶度的沉积技术，且这些沉积技术可包括诸如PVD、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、反应性溅射、非反应性溅射、RF溅射、多频溅射、电子和离子束蒸发、热蒸发、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)等；沉积方法也可是基于非真空的沉积方法，诸如等离子体喷涂、喷雾热解、狭缝涂覆(slot die coating)、网印等。对于PVD溅射沉积工艺，该工艺可为AC、DC、脉冲DC、RF、HF(例如，微波)等或上述的组合。用于TFB的不同元件层的材料实例可包括以下的一个或多个。基板可为硅、Si上的氮化硅、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)、云母、诸如铜的金属箔等。ACC和CCC可为Ag、Al、Au、Ca、Cu、Co、Sn、Pd、Zn和Pt中的一个或多个，这些可为合金和/或存在于不同材料的多个层中和/或包括Ti粘着层等。阴极可为LiCoO2、V2O5、LiMnO2、Li5FeO4、NMC(NiMnCo氧化物)、NCA(NiCoAl氧化物)、LMO(LixMnO2)、LFP(LixFePO4)、LiMn尖晶石等。固体电解质可为锂导电电解质材料，包括诸如LiPON、LiI/Al2O3混合物、LLZO(LiLaZr氧化物)、LiSiCON、Ta2O5等材料。阳极可为Li、Si、硅-锂合金、硫化锂硅、Al、Sn、C等。
阳极/负电极层可为纯锂金属或可为Li合金，其中例如Li与诸如锡的金属或诸如硅的半导体形成合金。Li层可为约3为约厚(适用于阴极和电容平衡)和封装层可为3层可或更厚。封装层可为聚对二甲苯和金属和/或电介质的多层。应注意，在Li层与封装层的形成之间，必须将该部分保持在诸如氩气的惰性环境中；然而，在毯覆封装层沉积后，将放宽对惰性环境的要求。ACC可用于保护Li层，从而允许在真空外激光剥蚀并可放宽对惰性环境的要求。
此外，阴极侧和阳极侧两者上的金属集电体可需要用作为对穿梭锂离子的保护屏障。另外，阳极集电体可需要用作为对来自环境的氧化剂(例如，H2O、O2、N2等)的屏障。因此，选择的一种材料或多种材料在“两个方向”上与锂接触时应具有最小的反应或混溶性(miscibility)，即，Li移动至金属集电体中以形成固溶体，反之亦然。另外，金属集电体的材料选择应对那些氧化剂具有低反应性和扩散率。基于已公开二元相(binary phase)图，用于第一需求的一些潜在候选物为Ag、Al、Au、Ca、Cu、Co、Sn、Pd、Zn和Pt。对于一些材料，可需要管理热预算以确保金属层之间不存在反应/扩散。若单一金属元素无法满足两个需求，则可考虑合金。并且，若单一层无法满足两个需求，则可使用双(多个)层。此外，另外，粘着层可与前述耐火和非氧化层中的一个层组合使用，例如，Ti粘着层与Au组合。可通过金属靶材(约300nm)(脉冲)DC溅射沉积集电体以形成层(例如，诸如Cu、Ag、Pd、Pt和Au的金属、金属合金、类金属(metalloid)或碳黑)。此外，存在用于形成对穿梭锂离子的保护屏障的其他选项，诸如介电层等。
图4至图9图示根据一些实施方式的TFB的制造工艺，此为用于非导电基板的第一工艺流程。工艺流程开始于图4，在基板401上毯覆沉积集电体层402(例如，Ti/Au)和阴极层403(例如，LiCoO2)。非导电基板可为玻璃、陶瓷、刚性材料、柔性材料、塑胶/聚合物等；此外，在从TFB的基板侧已经完成激光图案化的实施方式中，基板将也需要满足激光处理的透明度要求。图5图示在以下处理后的图4的结构：(1)从基板或薄膜侧进行激光晶粒图案化；以及(2)针对LiCoO2的阴极退火，例如可在600℃或更高温度下退火2小时或更长时间以便形成结晶结构，其中层502和层503分别为已处理的集电体层和阴极层。图6图示在电解质(例如，LiPON)层604和阳极(例如，Li、Si)层605，和一个或多个ACC/初始保护(例如，Ti/Cu)层606的毯覆沉积后的图5的结构。并且，在工艺中的此处，若是需要，在电解沉积前可实行干式锂化-例如，在制造非Li阳极电池时实行干式锂化，其中电池使用来自原始阴极的电荷载体而无单独沉积的Li阳极。图7图示在以下进一步处理后的图6的结构：(1)使用激光图案化工艺进行第二晶粒图案化；以及(2)CCC暴露，包括形成缓冲区域720，其中在绝缘电解质层处停止激光剥蚀，可使用亚紫外线(sub-UV)激光(例如，248nm或266nm)或飞秒激光形成所述缓冲区域以增加电气短路路径的长度，并因此减小在CCC/阴极与阳极/ACC之间沿激光切割侧壁的发生短路的概率。层704、705和706分别为已处理的层604、605和606，且层710为CCC电气接触区域。图8图示沉积毯覆封装(例如，聚合物、介电层)层807后的图7的结构，若需要提供所需器件寿命，可沉积多个层，例如多个聚合物/电介质/金属层。图9图示在激光剥蚀以暴露CCC和ACC接触区域后的图8的结构，ACC和CCC两个接触区域经切开以使得能够与TFB电极实行电气接触。层907为已处理的层807，且层901为单个TFB的基板。此外，在一些实施方式中，如图8和图9所示，可使用相同或不同封装材料重复封装层的沉积和图案化一次或多次。激光剥蚀也可用于晶粒单一化(singulation)。
图10至图15图示根据一些实施方式的TFB的制造工艺，此为用于非导电基板1001的第二工艺流程。工艺流程开始于图10，在基板1001上毯覆沉积集电体(例如，Ti/Au)层1002和阴极(例如，LiCoO2)层1003。非导电基板可为玻璃、陶瓷、刚性材料、柔性材料、塑胶/聚合物等；此外，在从TFB的基板侧已经完成激光图案化的实施方式中，基板将也需要满足激光处理的透明度要求。图11图示在经以下处理后的图10的结构：(1)从基板或薄膜侧进行激光晶粒图案化；(2)阴极退火前的CCC层暴露/露出(采用这个处理顺序的原因在于激光剥蚀未退火的阴极大体上产生更佳的剥蚀表面-即具有更高的传导率与更平滑的表面形态-也在参见上文论述)；以及(3)针对LiCoO2阴极退火，例如可在600℃或更高温度下退火2小时或更长时间以便形成结晶结构。层1102和1103分别为已处理的集电体层和阴极层，且层1110为CCC电气接触区域。图12图示在电解质(例如，LiPON)层1204和阳极(例如，Li、Si)层1205和一个或多个ACC/初始保护(例如，Ti/Cu)层1206的毯覆沉积后的图11的结构。并且，在工艺中的此处，若需要，在电解沉积前，可实行干式锂化-例如在制造非Li阳极电池时实行干式锂化，其中电池使用来自原始阴极的电荷载体而无单独沉积的Li阳极。图13图示在以下进一步处理后的图12的结构：(1)使用激光图案化工艺进行第二晶粒图案化；以及(2)CCC阶梯暴露/露出，包括形成缓冲区域1320，其中在绝缘电解质层处停止激光剥蚀，可使用亚紫外线激光(例如，248nm或266nm)或飞秒激光形成所述缓冲区域以增加潜在电气短路路径的长度，并因此减小在CCC/阴极与阳极/ACC之间沿激光切割侧壁的发生短路的概率。层1304、1305和1306分别为已处理的层1204、1205和1206。图14图示沉积毯覆封装(例如，聚合物、介电层)层1407后的图13的结构，若需要提供所需器件寿命，则可沉积多个层，例如多个聚合物/电介质/金属层。图15图示在激光剥蚀以暴露CCC和ACC接触区域后的图14的结构，ACC和CCC两个接触区域经切开以使得能够与TFB电极(ACC和CCC两者)实行电气接触。层1507为已处理层1407，且层1501为单个TFB的基板。此外，在一些实施方式中，如图14和图15所示，可使用相同或不同封装材料重复封装层的沉积和图案化一次或多次。激光剥蚀也可用于晶粒单一化。
图22是切割前具有12个TFB的基板2401的平面图，该图图示阴极区域超过90％的TFB占用面积(器件区域)的TFB；此外，应注意，阳极应等于阴极或比阴极略大。该图图示阳极2402、CCC的暴露部分2403和电解质缓冲区域2404，其中已通过在LiPON层中间停止激光剥蚀工艺来形成缓冲区域。应注意，接触区域2403并不限于如图所示的转角，但可在CCC上的其他位置放置所述接触区域，且接触区域可被切开以穿过封装层到ACC表面上任何位置的ACC。图22的配置为从图4至图9和图10至图15的制造工艺所得的器件的一些实施方式的器件配置的实例。
根据一些实施方式，诸如图9、图15和图22所示，薄膜电池可包含：基板；基板上的阴极集电体层；阴极集电体层上的阴极层，其中阴极集电体层的接触区域未被阴极层覆盖；电解质层，完全覆盖阴极层的顶表面，其中阴极集电体层的接触区域未被电解质层覆盖；电解质层上的阳极层，其中阴极集电体层的接触区域未被阳极层覆盖，且其中电解质层中的电气绝缘缓冲区域未被阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于阴极集电体层的接触区域与阳极层之间，用于使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的边缘与阳极层的边缘电气隔离。薄膜电池可进一步包含在阳极层表面上的阳极集电体层，其中阴极集电体层的接触区域与电气绝缘缓冲区域并未被阳极集电体层覆盖。此外，阴极集电体的接触区域可为阴极集电体层的顶表面的转角部分。薄膜电池可进一步包含封装层，所述封装层位于阳极集电体层的顶表面上并覆盖阳极集电体层的整个顶表面，除阳极集电体接触区域以外，所述封装层进一步覆盖电气绝缘缓冲区域和阴极集电体层的接触区域的一部分。
根据实施方式，诸如图4至图9和图22所示，制造薄膜电池的方法可包含：在基板上毯覆沉积阴极集电体层，随后是阴极层；激光晶粒图案化阴极集电体层和阴极层以形成第一图案化堆叠，所述第一图案化堆叠包含覆盖阴极集电体的顶表面的阴极；在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层、阳极层和阳极集电体层；激光晶粒图案化阳极集电体层、阳极层和电解质层，并激光剥蚀阳极集电体层、阳极层和电解质层的多个部分以形成第三堆叠，所述第三堆叠包含覆盖阳极的顶表面的阳极集电体、阴极集电体的露出接触区域和电解质层中的露出电气绝缘缓冲区域以使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极的激光切割边缘与阳极的激光切割边缘电气隔离，其中电解质层的厚度的一部分经剥蚀以形成电气绝缘缓冲区域。所述方法可进一步包含在激光剥蚀阴极集电体层和阴极层之后使阴极退火。所述方法可进一步包含在第三堆叠上毯覆沉积封装层，并激光剥蚀封装层以露出阴极集电体的接触区域的一部分和阳极集电体的接触区域，以形成第四器件结构。所述方法可进一步包含在第四器件堆叠上毯覆沉积第二封装层，并激光剥蚀第二封装层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域的第二部分和阳极集电体的接触区域的一部分，其中第二部分比第一部分小。此外，激光剥蚀电解质层以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域的步骤可使用飞秒紫外线激光。
根据实施方式，诸如图10至图15和第22图中所示，制造薄膜电池的方法可包含：在基板上毯覆沉积阴极集电体层和阴极层；激光晶粒图案化并激光剥蚀阴极集电体层和所述阴极层以在阴极集电体的顶表面上形成阴极，并激光剥蚀阴极层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域，以形成第一图案化堆叠；在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层、阳极层和阳极集电体层；激光晶粒图案化阳极集电体层、阳极层和电解质层，并激光剥蚀阳极集电体层、阳极层和电解质层的多个部分以形成第三堆叠，所述第三堆叠包含覆盖阳极的顶表面的阳极集电体、阴极集电体的露出接触区域和电解质层中的露出电气绝缘缓冲区域以使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极的激光切割边缘与阳极的激光切割边缘电气隔离，其中电解质层的厚度的一部分经剥蚀以形成电气绝缘缓冲区域。所述方法可进一步包含在激光剥蚀阴极集电体层和阴极层后使阴极退火。所述方法可进一步包含在第三堆叠上毯覆沉积封装层，并激光剥蚀封装层以露出阴极集电体的接触区域的一部分和阳极集电体的接触区域，以形成第四器件结构。所述方法可进一步包含在第四器件堆叠上毯覆沉积第二封装层，并激光剥蚀第二封装层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域的第二部分和阳极集电体的接触区域的一部分，其中第二部分比第一部分小。此外，激光剥蚀电解质层以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域的步骤可使用飞秒紫外线激光。
图29至图36图示根据一些实施方式的TFB的制造工艺，此为用于非导电基板2901的第三工艺流程。工艺流程开始于图29，在基板2901上毯覆沉积集电体(例如，Ti/Au)层2902和阴极(例如，LiCoO2)层2903。非导电基板可为玻璃、陶瓷、刚性材料、柔性材料、塑胶/聚合物等；此外，在从TFB的基板侧已经完成激光图案化的实施方式中，基板将也需要满足激光处理的透明度要求。图30图示经以下处理后的图29的结构：(1)从基板或薄膜侧进行激光晶粒图案化；(2)阴极退火前的CCC层和ACC暴露/露出(采用此处理顺序的原因在于激光剥蚀未退火的阴极大体上产生更佳的剥蚀表面-即具有更高的传导率与更平滑的表面形态-也可参见上文论述)；以及(3)针对LiCoO2阴极退火，例如可在600℃或更高温度下退火2小时或更长时间以便形成结晶结构。分别为CCC层和ACC层的层3002A和3002B为已处理的层2902，而层3003为已处理阴极层，且层3010为CCC电气接触区域。图31图示毯覆沉积电解质(例如，LiPON)层3104后的图30的结构。并且，在工艺中的此处，若需要，在电解沉积前，可实行干式锂化；例如在制造非Li阳极电池时实行干式锂化，其中电池使用来自原始阴极的电荷载体而无单独沉积的Li阳极。图32图示从ACC表面的大部分激光移除电解质材料后的图31的结构。层3204为已处理的层3104。图33图示毯覆沉积阳极(例如，Li、Si)层3305和一个或多个初始保护(例如，Ti/Cu)层3306后的图32的结构。图34图示经以下进一步处理后的图33的结构：(1)使用激光图案化工艺进行第二晶粒图案化；以及(2)CCC阶梯暴露/露出，包括形成缓冲区域3420，其中在绝缘电解质层处停止激光剥蚀，可使用亚紫外线激光(例如，248nm或266nm)或飞秒激光形成所述缓冲区域以增加潜在电气短路路径的长度，并因此减小在CCC/阴极与阳极/ACC之间沿激光切割侧壁的发生短路的概率。层3405和3406分别为已处理层3305和3306。图35图示沉积毯覆封装(例如，聚合物、介电层)层3507后的图34的结构，若需要提供所需器件寿命，可沉积多个层，例如多个聚合物/电介质/金属层。图36图示激光剥蚀以暴露CCC和ACC接触区域后的图35的结构，ACC和CCC两个接触区域经切开以使得能够与TFB电极(ACC和CCC两者)实行电气接触。层3607为已处理的层3507，且层3601为单个TFB的基板。此外，在一些实施方式中，如图35和图36所示，可使用相同或不同封装材料重复封装层的沉积和图案化一次或更多次。激光剥蚀也可用于晶粒单一化。
第37图是切割前具有12个共面TFB的基板3701的平面图，该图图示阳极区域超过90％的TFB占用面积(器件区域)的TFB。该图图示阳极3702的范围(初始保护层和封装层下方)、CCC的暴露部分3703、电解质缓冲区域3704(封装层下方)和ACC的暴露部分3705，其中已通过在LiPON层中间停止激光剥蚀工艺来形成缓冲区域。应注意，接触区域3703和3705并不限于如图所示的转角位置，还可在相应集电体上的其他位置放置这些接触区域。图37的配置是从图29至图36的制造工艺所得的器件的一些实施方式的器件配置的实例。
根据实施方式，诸如图36和图37中所示，薄膜电池可包含：基板；基板上的阴极集电体层和阳极集电体层，所述阴极集电体层与所述阳极集电体层彼此电气隔离；阴极集电体层上的阴极层，其中阴极集电体层的接触区域未被阴极层覆盖；电解质层，完全覆盖阴极层的顶表面和覆盖阳极集电体层的一部分，其中阳极集电体的未被覆盖的部分为阳极集电体的接触区域；电解质层和阳极集电体上的阳极层，其中阳极集电体的阳极接触区域的一部分并未被阳极层覆盖，且其中电解质层中的电气绝缘缓冲区域并未被阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于阴极集电体层的接触区域与阳极层之间，用于使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的边缘与阳极层的边缘电气隔离。此外，阴极集电体的接触区域可为阴极集电体的顶表面的转角部分。此外，阳极集电体的接触区域可为阳极集电体的顶表面的转角部分。薄膜电池可进一步包含初始保护层，所述初始保护层位于阳极层的顶表面上并覆盖阳极层的整个顶表面同时未延伸超过阳极层的边缘。薄膜电池可进一步包含封装层，所述封装层完全覆盖初始保护层、阳极层、电解质层和阴极层。
根据一些实施方式，诸如图29至图36和图37中所示，制造薄膜电池的方法可包含：在基板上毯覆沉积集电体层和阴极层；激光晶粒图案化集电体层和阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，并激光剥蚀阴极层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域并暴露阳极集电体的全部，以形成第一图案化堆叠；在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层；激光剥蚀电解质层的一部分以暴露阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；在第二图案化堆叠上方毯覆沉积阳极层和初始保护层；在集电体层和阴极层的经激光晶粒图案化的晶粒图案内激光晶粒图案化电解质层、阳极层和初始保护层；激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域，并激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的厚度的一部分以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域以使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的激光切割边缘与图案化阳极的激光切割边缘电气隔离，并激光剥蚀初始保护层和电解质层的一部分以露出阳极集电体的接触区域，以形成第三器件堆叠。此外，在激光晶粒图案化集电体层和阴极层并激光剥蚀阴极层的多个部分后可使阴极层退火。此外，可在第三器件堆叠上毯覆沉积封装层，并可激光剥蚀封装层以露出阴极集电体的接触区域的一部分和阳极集电体的接触区域的一部分，以形成第四器件结构。此外，可在第四器件堆叠上毯覆沉积第二封装层，并可激光剥蚀第二封装层以露出阴极集电体的接触区域的第二部分和阳极集电体的接触区域的第二部分，其中第二部分比第一部分小。此外，激光剥蚀电解质层以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域的步骤可使用飞秒紫外线激光。
图16至图21图示根据一些实施方式的TFB的制造工艺，此为用于导电基板1601的工艺流程。工艺流程开始于图16，在基板1601上毯覆沉积集电体(例如，Ti/Au)层1602和阴极(例如，LiCoO2)层1603。导电基板可为导电玻璃、硅、云母、导电陶瓷、金属、刚性材料、柔性材料、塑胶/聚合物等；此外，在从TFB的基板侧已经完成激光图案化的实施方式中，基板将也需要满足激光处理的透明度要求。图17图示经以下处理后的图16的结构：(1)从基板或薄膜侧激光晶粒图案化；以及(2)针对LiCoO2阴极退火，例如可在600℃或更高温度下退火2小时或更长时间以便形成晶体结构。(注意：替代地，此结构可由单个荫罩形成。)层1702和1703分别为已处理的层1602和1603。图18图示在毯覆沉积电解质(例如，LiPON)层1804和阳极(例如，Li、Si)层1805，和一个或多个ACC/初始保护(例如，Ti/Cu)层1806后的图17的结构。并且，在工艺中的此处，若需要，在电解沉积前，可实行干式锂化；例如在制造非Li阳极电池时实行干式锂化，其中电池使用来自原始阴极的电荷载体而无单独沉积的Li阳极。图19图示晶粒图案化后的图18的结构(在一些区域，在绝缘电解质层处停止激光剥蚀，其可以通过使用亚紫外线激光(例如，248nm或266nm)或飞秒激光来实行的激光剥蚀以减小在导电基板与阳极/ACC之间沿激光切割侧壁的短路路径可能性)。层1904、1905和1906分别为已处理的层1804、1805和1806，且层1920为在绝缘电解质层1904中产生的缓冲区域。图20图示沉积毯覆封装(例如，聚合物、介电层)层2007后的图19的结构，可根据需要沉积多个层以提供所需器件寿命，例如多个聚合物/电介质/金属层。图21图示激光剥蚀以暴露ACC接触区域并进行晶粒单一化后的图20的结构，这些ACC接触区域经切开以使得能够从TFB顶部与TFB进行电气接触(与TFB堆叠的底部的接触是从导电基板的背部进行的)。层2107为已处理的层2007，且层2101为单个TFB的基板。此外，在一些实施方式中，如图20和图21所示，可使用相同或不同封装材料重复封装层的沉积和图案化一次或更多次。将图21的器件结构与图9和图15的器件结构比较，针对导电基板情况如何修改结构已显而易见-创建缓冲区域1920以减少基板2101与阳极/ACC 1905/1906之间短路的机会。
图38是切割前具有12个TFB的基板3801的平面图，该图图示阳极区域超过90％的TFB占用面积(器件区域)的TFB。该图图示阳极3803的范围(初始保护层/ACC层和封装层下方)、ACC的暴露部分3804和电解质缓冲区域3802(封装层下方)，其中已通过在LiPON层中间停止激光剥蚀工艺来形成缓冲区域。应注意，通过基板3801与CCC进行电气接触，并且可在ACC上的任何位置放置ACC接触区域3804的位置。图38的配置是从图16至图21的制造工艺所得的器件的一些实施方式的器件配置的实例。
根据一些实施方式，诸如图21和图38中所示，薄膜电池可包含：导电基板；基板上的阴极集电体层；阴极集电体层上的阴极层；完全覆盖阴极层和阴极集电体层的电解质层；电解质层上的阳极层和阳极层上的阳极集电体层，其中电解质层中的电气绝缘缓冲区域未被阳极层或阳极集电体层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域完全包围阳极和阳极集电体，用于使导电基板与阳极层的边缘电气隔离。薄膜电池可进一步包含封装层，所述封装层位于阳极集电体层的顶表面上并覆盖阳极集电体层的整个顶表面，除阳极集电体接触区域以外，所述封装层进一步覆盖电气绝缘缓冲区域。
根据实施方式，诸如图16至图21和图38中所示，制造薄膜电池的方法可包含：在导电基板上毯覆沉积阴极集电体层，随后是以阴极层；激光晶粒图案化阴极集电体层和阴极层以形成第一图案化堆叠，所述第一图案化堆叠包含覆盖阴极集电体的顶表面的阴极；在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层、阳极层和阳极集电体层；激光晶粒图案化阳极集电体层、阳极层和电解质层，并激光剥蚀阳极集电体层、阳极层和电解质层的多个部分以形成第三堆叠，所述第三堆叠包含覆盖阳极的顶表面的阳极集电体，和电解质层中的露出的电气绝缘缓冲区域以使导电基板与阳极的激光切割边缘电气隔离，所述电气绝缘缓冲区域完全包围阳极和阳极集电体，且其中电解质层的厚度的一部分经剥蚀以形成电气绝缘缓冲区域。所述方法可进一步包含在激光晶粒图案化阴极集电体层和阴极层后使阴极退火。所述方法可进一步包含在第三堆叠上毯覆沉积封装层，并激光剥蚀封装层以露出阳极集电体的接触区域，以形成第四器件结构。所述方法可进一步包含在第四器件堆叠上毯覆沉积第二封装层，并激光剥蚀第二封装层的多个部分以露出阳极集电体的接触区域的一部分。此外，激光剥蚀电解质层以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域的步骤可使用飞秒紫外线激光。
图23图示典型LiPON材料的光学常数，使用光谱椭圆偏振法来表征沉积在玻璃基板上的1.5微米的RF溅射LiPON。这些光学特性指出，例如具有200nm至400nm范围内的激光波长的紫外线激光或飞秒激光(包括飞秒紫外线激光)在选择性剥蚀LiPON中将是有效的，即，可轻易控制激光剥蚀工艺在LiPON层中间停止。(应注意，对于皮秒、纳秒或微秒激光，LiPON膜将需要吸收激光能量中的一些能量来激发剥蚀工艺，尽管LiPON膜对飞秒激光能量的吸收并非必需，因为冷等离子体在此波长下占据剥蚀工艺的主导地位。)
图24A与图24B被提供作为可用于选择性剥蚀电解质材料(诸如LiPON)的激光类型和参数范围的实例。图24A图示随利用248nm激光剥蚀1.5微米厚的LiPON层的激光通量函数变化的剥蚀深度的曲线图；对于亚紫外线激光(诸如248nm激光)，激光脉冲宽度处于纳秒至皮秒范围内。这个初步数据展示出248nm激光可选择性剥蚀LiPON，可以看出剥蚀深度随激光功率而增加，从而指出已将充足的激光能量沉积至LiPON膜的部分中以实现例如相对于下层阴极层的选择性剥蚀。此外，预期也可使用266nm激光实现选择性剥蚀。图24B图示随利用513nm飞秒激光剥蚀0.7/1.8微米的Cu/LiPON的激光通量函数变化的剥蚀深度的曲线图；对于飞秒激光(诸如513nm激光)，激光脉冲宽度在1000飞秒以下。此初步数据展示出513nm激光可选择性剥蚀LiPON。
现有激光划线(laser scribe)或激光投影技术可用于本发明实施方式的激光图案化工艺。激光的数量可为：一个，例如具有皮秒或飞秒脉冲宽度的紫外线/可见光激光(选择性地被激光通量/剂量控制)；两个，例如紫外线/可见光与红外线激光的组合(选择性地被激光波长/通量/剂量控制)；或更多个(选择性地被激光波长/通量/剂量控制)。激光划线系统的扫描方法可为平台移动、借助电流计的光束移动或上述两者。激光划线系统的激光光点大小自从10微米直径(主要针对晶粒图案化)调节到1cm直径。激光投影系统在基板处的激光面积可为0.1mm2或更大。此外，可使用其他激光类型和配置。本文所描述的激光图案化工艺为激光剥蚀工艺-通过控制以下参数实现激光剥蚀：光点激光的激光扫描速度和通量；或区域激光的发射数量和通量。当穿过透明基板实施激光图案化时，激光和基板材料将需要是相互兼容的以避免基板内的激光能量的任何显著吸收，且仍然具有待剥蚀的层对激光能量的良好吸收。
图25是根据实施方式的选择性激光图案化工具2500的示意图。工具2500包括用于在基板2504上图案化器件2503的激光2501。此外，若是将基板翻面，尽管可使用激光2501穿过基板2504图案化，但也图示了穿过基板2504图案化的激光2502。基板保持器/平台2505被提供用于保持和/或移动基板2504。平台2505可具有孔以适应穿过基板的激光图案化。工具2500可经构造以在激光剥蚀期间保持基板静止或移动-也可固定或可移动激光2501/2502；在一些实施方式中，基板和激光两者都是能移动的，在此情况下通过控制系统协调所述移动。图25图示工具2500的独立版本，所述工具包括前端接口(诸如SMF)，并且也包括手套箱和前置腔室。图25所示的实施方式为根据一些实施方式的工具的一个实例-也设想了工具的许多其他配置，例如在无锂TFB情况下手套箱并非必需。此外，工具2500可被安置在具有适宜环境的室内，如锂箔制造中所使用的干燥室，且并不需要手套箱。
图26是根据一些实施方式的用于制造TFB的处理系统2600的示意图。处理系统2600包括连接到集群工具2601/2610的标准机械接口(standard mechanical interface；SMIF)2603，所述集群工具配备有反应性等离子体清洗(reactive plasma clean；RPC)腔室2602和处理腔室C1-C4(2611-2614)，这些腔室可用于上文所描述的工艺步骤中。也可将手套箱2604附接于集群工具。手套箱可在惰性环境中储存基板(例如，在诸如He、Ne或Ar的惰性气体下)，此举在碱金属/碱土金属沉积后是有用的。若需要，也可使用连接到手套箱的前置腔室2605，所述前置腔室为气体交换腔室(惰性气体到空气，反之亦然)，所述腔室允许将基板移送进入和离开手套箱而不会污染手套箱中的惰性环境。(应注意，可用锂箔制造商所使用的露点足够低的干燥室环境替代手套箱。)腔室C1-C4可经构造用于制造TFB的工艺步骤，这些工艺步骤可包括例如：阴极层的沉积(例如，借助RF溅射LiCoO2)；电解质层的沉积(例如，借助在N2中RF溅射Li3PO4)；碱金属或碱土金属的沉积；和上文所描述的毯覆层的选择性激光图案化。(应注意，激光图案化可在如本文所描述的集群工具中实行，或可在独立工具中实行。)应理解，尽管已图示处理系统500的集群布置，但可使用线性系统，在所述线性系统中将处理腔室排成一线且无移送腔室，使基板从一个腔室连续移动至下一腔室。
图27图示根据一些实施方式的具有多个直列(in-line)工具2701至2799(包括工具2730、2740、2750)的直列制造系统2700的表示。直列工具可包括用于沉积TFB的所有层的工具，和用于三维重建基板和CCC的其中一者的表面的工具。此外，直列工具可包括预调节腔室和后调节腔室。举例而言，工具2701可为抽气降压腔室，用于在将基板移动通过真空气塞2702进入沉积工具中前建立真空。直列工具中的一些或全部可为由真空气塞分离的真空工具。应注意，工艺线中的处理工具和特定处理工具的顺序将由正使用的特定TFB制造方法决定，例如如上文所描述的工艺流程中所指定的那样。此外，可将基板移动通过水平或者垂直定向的直列制造系统。另外，选择性激光图案化模块可经构造以在激光剥蚀期间保持基板静止或移动。
为了说明基板通过诸如图27中所示的直列制造系统的移动，图28中图示了基板输送带2801，此处仅有一个直列工具2730处于适当位置。在输送带2801或等效器件上安装含有基板2803的基板保持器2802(以部分剖视方式表示基板保持器，使得可看到基板)，以便如所指示那样移动保持器和基板穿过直列工具2730。
用于根据本公开内容的实施方式形成薄膜电池的第一设备可包含：第一系统，用于在基板上毯覆沉积并激光晶粒图案化集电体层和阴极层以形成第一图案化堆叠；第二系统，用于在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层、阳极层和ACC，接着(1)在第一晶粒图案内激光晶粒图案化，和(2)激光图案化以通过剥蚀阴极的一部分而露出CCC的接触区域，并在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域以使图案化CCC/阴极的激光切割边缘与图案化阳极/ACC的激光切割边缘电气隔离，其中这些激光切割边缘彼此非常靠近。系统可为集群工具、直列工具、独立工具或上述工具中的一个或多个的组合。此外，系统可包括一个或多个其他系统中常见的一些工具。另外，设备可包含第三系统，所述第三系统用于在激光晶粒图案化和激光图案化后使阴极层退火。
用于根据本公开内容的实施方式形成薄膜电池的第二设备可包含：第一系统，用于在基板上毯覆沉积并激光晶粒图案化集电体层和阴极层以形成第一图案化堆叠，其中通过剥蚀阴极的一部分露出CCC的接触区域；第二系统，用于在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层、阳极层和ACC，接着(1)在第一晶粒图案内激光晶粒图案化，和(2)激光图案化以露出CCC的接触区域(无需任何进一步的阴极材料剥蚀)，且在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域以使图案化CCC/阴极的激光切割边缘与图案化阳极/ACC的激光切割边缘电气隔离，其中这些激光切割边缘彼此非常靠近。系统可为集群工具、直列工具、独立工具或上述工具中的一个或多个的组合。此外，系统可包括一个或多个其他系统中常见的一些工具。另外，设备可包含第三系统，所述第三系统用于在激光晶粒图案化和激光图案化后使阴极层退火。
用于根据本公开内容的实施方式形成薄膜电池的第三设备可包含：第一系统，用于在基板上毯覆沉积并激光晶粒图案化集电体层和阴极层以形成第一图案化堆叠，其中通过剥蚀阴极的一部分露出CCC的接触区域并暴露ACC的全部；第二系统，用于在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层并激光剥蚀电解质层的一部分以暴露ACC的大部分，从而形成第二图案化堆叠；第三系统，用于在第二图案化堆叠上方毯覆沉积阳极层和初始保护层，并用于在第一晶粒图案内激光晶粒图案化电解质层、阳极层和初始保护层，激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的多个部分以露出CCC的接触区域，激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质厚度的一部分以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域以使图案化CCC/阴极的激光切割边缘与图案化阳极的激光切割边缘电气隔离，其中这些激光切割边缘彼此非常靠近，并激光剥蚀初始保护层和电解质层的一部分以露出ACC的接触区域。系统可为集群工具、直列工具、独立工具或上述工具中的一个或多个的组合。此外，系统可包括一个或多个其他系统中常见的一些工具。另外，设备可包含第四系统，所述第四系统用于在第一激光晶粒图案化和阴极图案化后使阴极层退火。
用于根据本公开内容的实施方式在导电基板上形成薄膜电池的第四设备可包含：第一系统，用于在基板上毯覆沉积并激光晶粒图案化集电体层和阴极层以形成第一图案化堆叠；第二系统，用于在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层、阳极层和ACC，接着在第一晶粒图案内激光晶粒图案化。系统可为集群工具、直列工具、独立工具或上述工具中的一个或多个的组合。此外，系统可包括一个或多个其他系统中常见的一些工具。另外，设备可包含第三系统，所述第三系统用于在集电体层和阴极层的激光晶粒图案化后使阴极层退火。
尽管本文已参考TFB器件、工艺流程和制造设备的特定实例描述了本公开内容的实施方式，但可将本公开内容的教导和原理应用于更宽范围的TFB器件、工艺流程和制造设备。举例而言，器件、工艺流程和制造设备经设计用于与本文先前所描述的堆叠相反的TFB堆叠，所述相反的堆叠在基板上具有ACC和阳极，随后是固态电解质、阴极、CCC和封装层。此外，熟悉本技术领域的一般技术人员应将了解如何应用本公开内容的教导和原理来产生广泛范围的器件、工艺流程和制造设备。
尽管本文已参考TFB描述本公开内容的实施方式，但也可将本公开内容的教导和原理应用于改良的器件、工艺流程和制造设备以便制造包括电致变色器件在内的其他电化学器件。熟悉本技术领域的一般技术人员应将了解如何应用本公开内容的教导和原理来产生专用于其他电化学器件的器件、工艺流程和制造设备。
尽管本文已参考用于形成缓冲层和剥蚀LiPON的飞秒激光(包括飞秒紫外线激光)的使用描述本公开内容的实施方式，但取决于材料的光学吸收特性，飞秒激光通常可用于本文所描述的工艺流程中的激光剥蚀，包括用于晶粒图案化。
尽管已参考某些实施方式特定描述本公开内容的实施方式，但对于熟悉本技术领域的一般技术人员而言显而易见的是，可在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下对形式和细节进行变化和修改。

Claims (15)

1.一种薄膜电池，包含：
基板；
阴极集电体和阳极集电体，所述阴极集电体及所述阳极集电体在所述基板上，所述阴极集电体与所述阳极集电体彼此电气隔离；
阴极层，在所述阴极集电体上，其中所述阴极集电体的接触区域未被所述阴极层覆盖；
电解质层，完全覆盖所述阴极层的顶表面并覆盖所述阳极集电体的一部分，其中所述阳极集电体的未覆盖的部分为所述阳极集电体的接触区域；
阳极层，在所述电解质层和所述阳极集电体上，其中所述阳极集电体的所述阳极接触区域的一部分未被所述阳极层覆盖，且其中所述电解质层中的电气绝缘缓冲区域并未被所述阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于所述阴极集电体的所述接触区域与所述阳极层之间，用于使邻近于所述阴极集电体的所述接触区域的所述阴极层的边缘与所述阳极层的边缘电气隔离。
2.如权利要求1所述的薄膜电池，其中所述阴极集电体的所述接触区域为所述阴极集电体的所述顶表面的转角部分。
3.如权利要求1所述的薄膜电池，其中所述阳极集电体的所述接触区域为所述阳极集电体的所述顶表面的转角部分。
4.如权利要求1所述的薄膜电池，进一步包含初始保护层，所述初始保护层位于所述阳极层的所述顶表面上并覆盖所述阳极层的所述整个顶表面且未延伸超过所述阳极层的所述边缘。
5.如权利要求4所述的薄膜电池，进一步包含封装层，所述封装层完全覆盖所述初始保护层、所述阳极层、所述电解质层和所述阴极层。
6.一种制造薄膜电池的方法，包含：
在基板上毯覆沉积集电体层和阴极层；
激光晶粒图案化所述集电体层和所述阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，且激光剥蚀所述阴极层的多个部分以露出所述阴极集电体的接触区域并暴露全部所述阳极集电体，以形成第一图案化堆叠；
在所述第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层；
激光剥蚀所述电解质层的一部分以暴露所述阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；
在所述第二图案化堆叠上方毯覆沉积阳极层和初始保护层；
在所述集电体层和所述阴极层的所述激光晶粒图案化的所述晶粒图案内激光晶粒图案化所述电解质层、所述阳极层和所述初始保护层；
激光剥蚀所述初始保护层、所述阳极层和所述电解质层的多个部分以露出所述阴极集电体的所述接触区域，并激光剥蚀所述初始保护层、所述阳极层和所述电解质层的厚度的部分以在所述电解质层中形成电气绝缘缓冲区域以使邻近于所述阴极集电体的所述接触区域的所述阴极层的激光切割边缘与所述图案化的阳极的激光切割边缘电气隔离，并激光剥蚀所述初始保护层和所述电解质层的一部分以露出所述阳极集电体的所述接触区域，以形成第三器件堆叠。
7.如权利要求6所述的方法，其中在所述激光晶粒图案化所述集电体层和所述阴极层的步骤和所述激光剥蚀所述阴极层的所述多个部分的步骤后，使所述阴极层退火。
8.如权利要求6所述的方法，进一步包含：
在所述第三器件堆叠上毯覆沉积封装层；以及
激光剥蚀所述封装层以露出所述阴极集电体的所述接触区域的部分和所述阳极集电体的所述接触区域的一部分，以形成第四器件结构。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包含：
在所述第四器件堆叠上毯覆沉积第二封装层；以及
激光剥蚀所述第二封装层以露出所述阴极集电体的所述接触区域的第二部分和所述阳极集电体的所述接触区域的第二部分，其中所述第二部分比所述第一部分小。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述激光剥蚀所述电解质层以在所述电解质层中形成所述电气绝缘缓冲区域的步骤使用飞秒紫外线激光。
11.一种用于在基板上制造薄膜电池的设备，包含：
第一系统，用于在基板上毯覆沉积集电体层和阴极层，激光晶粒图案化所述集电体层和所述阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，和激光剥蚀所述阴极层的多个部分以露出所述阴极集电体的接触区域并暴露全部所述阳极集电体，以形成第一图案化堆叠；
第二系统，用于在所述第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层，并激光剥蚀所述电解质层的一部分以暴露所述阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；以及
第三系统，用于在所述第二图案化堆叠上方沉积阳极层和初始保护层，在所述集电体层和所述阴极层的所述激光晶粒图案化的所述晶粒图案内激光晶粒图案化所述电解质层、所述阳极层和所述初始保护层，激光剥蚀所述初始保护层、所述阳极层和所述电解质层的多个部分以露出所述阴极集电体的所述接触区域，激光剥蚀所述初始保护层、所述阳极层和所述电解质层的厚度的一部分以在所述电解质层中形成电气绝缘缓冲区域，用于使邻近于所述阴极集电体的所述接触区域的所述阴极层的所述激光切割边缘与所述图案化阳极的所述激光切割边缘电气隔离，并激光剥蚀所述初始保护层和所述电解质层的一部分以露出所述阳极集电体的所述接触区域，以形成第三器件堆叠。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述第一系统、所述第二系统和所述第三系统为直列工具。
13.如权利要求11所述的设备，进一步包含第四系统，所述第四系统用于在所述激光晶粒图案化所述集电体层和所述阴极层的步骤和所述激光剥蚀所述阴极层的所述多个部分的步骤后，使所述阴极层退火。
14.如权利要求11所述的设备，其中所述第三系统包括飞秒紫外线激光，所述飞秒紫外线激光用于激光剥蚀所述电解质层以在所述电解质层中形成所述电气绝缘缓冲区域。
15.如权利要求11所述的设备，进一步包含第五系统，所述第五系统用于在所述第三器件堆叠上毯覆沉积封装层，并激光剥蚀所述封装层以露出所述阴极集电体的所述接触区域的一部分和所述阳极集电体的所述接触区域的一部分。
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