JP2012197477A

JP2012197477A - 薄膜製造方法および装置

Info

Publication number: JP2012197477A
Application number: JP2011061957A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Yagi; 弘雅八木; Kazuyoshi Honda; 和義本田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-10-18

Abstract

【課題】真空中における薄膜堆積中に、チャンバー内壁堆積物の内部まで確実かつ効率的に酸化処理し、大気解放後の反応を抑制すること。
【解決手段】チャンバー１、真空ポンプ２、巻き出しロール３、搬送ロール４、巻き取りロール５、蒸着ロール６、蒸発源７、電子銃８、シャッター９（閉じた状態）、マスク１０、紫外光源ユニット１１、ガス供給配管１２、基板フィルム１３を含む真空蒸着装置１００において、シャッター９を開いて基板フィルム１３を、巻出しロール３と巻き取りロール５の間を往復させて繰り返し蒸着する途中において、シャッター９を閉じ、ガス供給配管１２から酸素あるいはオゾンガスを供給し、紫外光源ユニット１１から紫外線をマスク１０に照射することによって、マスク１０に付着した堆積物を酸化処理することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜の製造方法に関する。より詳しくは、大気と反応する薄膜の製造方法および装置の改良に関する。

近年、携帯機器の小型化や多機能化が進み、携帯機器の消費電力量が増加するのに伴って、携帯機器の電源としての二次電池の高容量化が切望されている。この二次電池には、主にリチウムイオン二次電池が使用されている。現在、リチウムイオン二次電池において、負極活物質として炭素材料が主に使用されている。炭素材料の理論容量は３７２ｍＡｈ／ｇである。炭素材料よりも高容量化が可能な活物質として、理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇであるシリコンが有望視されている。したがって、シリコンを含む負極活物質について種々の検討がなされている。

従来の活物質成分を含む粒子を使用して塗工法によって活物質層を形成する場合、結着剤や導電材等の活物質以外の成分を混入する必要があるため、活物質層の体積あるいは質量あたりの充放電容量が制限されてしまうという問題があった。一方、真空蒸着法等でシリコン等の活物質層を堆積すると、上記の問題を回避して、充放電容量を最大化することができる（例えば特許文献１参照）。また、シリコン以外の負極活物質や正極活物質においても同様の検討が広く行われている。

しかしながら、真空蒸着法等でシリコンを含む活物質層を形成する場合、その堆積厚みは１０μｍ以上になることがあり、蒸着後、装置の内壁に大量のシリコンを含む堆積物が残ることがある。このような状態で蒸着装置を大気解放すると、上記堆積物と大気中の酸素や水分が反応し、急激に温度上昇する等の問題が生じることがある。シリコン以外の活物質材料においても、大気との反応が問題になることがあり、対策が必要となっている。

このような問題に対処する方法および装置としては、堆積終了後、大気解放前に酸素を含むガスや水蒸気等とプラズマ、紫外光源等の励起源を組み合わせて内壁の酸化処理を行い、大気解放後の反応を抑制することが行われている（例えば、特許文献２、３参照）。さらに、堆積中においても、同様の酸化処理を行うことができる（例えば、特許文献４参照）。

特開２００５−１９６９７０号公報特開平６−２４９５８３号公報特開２００８−１４０８６４号公報特開昭６１−０７５５１５号公報

しかしながら、前記従来の手法では、堆積終了後に酸化処理を行う場合、本来の堆積プロセス後に余分な処理時間が必要になり、また、堆積物が厚い場合には内部まで酸化処理を行うのが困難、あるいは非常に時間がかかるという問題があった。また、堆積中に酸化処理を行う場合、蒸発源の劣化等、堆積プロセスに悪影響を与えないようにするためには、真空度を維持するために酸化処理用のガスを多量に流すことができず、酸化処理の効率が低いという問題があった。さらに、堆積プロセスによって、酸化処理用のガス吹き出しノズル、励起源に堆積物が付着し、酸化処理を安定して行うことができないという問題もあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、前記堆積物の酸化処理を堆積中に効率的に行い、かつ堆積物内部まで酸化処理することで、大気解放後の反応を抑制する手法を提供することを目的とする。

このような課題を解決すべく、本発明は、チャンバーと、真空ポンプと、蒸発源と、成膜面と、ガス供給ノズルと、励起源と、シャッターを含み、前記シャッターは開閉式で、蒸発源と前記成膜面との間に配置されている、蒸着装置を用いて薄膜を製造する方法であって、前記製造途中において、前記シャッターの開閉によって前記薄膜の前記成膜面への堆積を中断し、前記中断中に、前記材料が堆積する前記チャンバー内壁に前記ガス供給ノズルから酸素原子を含むガスを供給するとともに、前記供給ガスを前記励起源で励起することによって、前記チャンバー内壁の堆積物を酸化処理することを特徴とする薄膜の製造方法とする。

本発明の薄膜製造装置および方法によれば、真空中における薄膜堆積中に、チャンバー内壁堆積物の内部まで確実かつ効率的に酸化処理し、大気解放後の反応を大幅に抑制することができる。

本発明の実施の形態１における薄膜製造装置１００の構成を模式的に示す縦断面図本発明の実施の形態２における薄膜製造装置２００の構成を模式的に示す縦断面図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における薄膜製造装置１００の構成を模式的に示す縦断面図である。図１において、真空蒸着装置１００は、チャンバー１、真空ポンプ２、巻き出しロール３、搬送ロール４、巻き取りロール５、蒸着ロール６、蒸発源７、電子銃８、シャッター９（閉じた状態）、マスク１０、紫外光源ユニット１１、ガス供給配管１２、基板フィルム１３を含む。

真空蒸着装置１００は、マスク１０に照射できる紫外光源ユニット１１と、ガス供給配管１２を有することを特徴とする。シャッター９は水平方向左右に開閉することにより、蒸発源７から蒸発した材料の放出を制御することができる。蒸着ロール６表面の蒸着領域は、マスク１０により規制される。また、シャッター９を閉じた状態では、蒸発源７および電子銃８が囲われた領域を真空ポンプ２で排気することになる。

かかる構成によれば、シャッター９を開いて基板フィルム１３を、巻出しロール３と巻き取りロール５の間を往復させて繰り返し蒸着する途中において、シャッター９を閉じ、ガス供給配管１２から酸素あるいはオゾンガスを供給し、紫外光源ユニット１１から紫外線をマスク１０に照射することによって、マスク１０に付着した堆積物を酸化処理することができる。酸化処理中は、チャンバー１内の酸素あるいはオゾンの分圧が高くなって真空度が低下するが、シャッター９で囲われた蒸発源７および電子銃８の領域を優先的に真空ポンプ２で排気する状態となるため、蒸発源７および電子銃８の周囲の真空度低下が抑制され、蒸発源７および電子銃８の酸化による劣化を防ぐことができる。

なお、本実施の形態において、堆積物の酸化処理用の励起源として紫外光源ユニット１１を設けたが、プラズマ源、イオン源、ラジカル源等としても良い。また、ガス供給配管１２から供給するガスは、酸素、オゾン以外でも、酸化反応を起こすガスであれば、他の組成でもよい。蒸発源７は、電子ビーム８によって加熱しているが、通電加熱、誘導加熱等でもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における薄膜製造装置２００の構成を模式的に示す縦断面図である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２において、シャッター９を開いた状態で紫外光源１１を囲う遮蔽板１３を含む。紫外光源ユニット１１は、シャッター９上に配置され、シャッター開閉動作とともに移動する。ガス供給配管１２は、紫外光源ユニット１１とともに移動できるように、柔軟な配管材料を用いている。

かかる構成によれば、実施の形態１と同様に、シャッター９を閉じた状態で、ガス供給配管１２から酸素あるいはオゾンガスを供給し、紫外光源ユニット１１から紫外線をマスク１０に照射することによって、マスク１０に付着した堆積物を酸化処理することができる。シャッター９を開いて成膜を行う状態では、シャッター９および紫外光源１１は点線の位置に移動しており、紫外光源１１は、遮蔽板１３とシャッター９に囲われた領域に入るため、堆積物の付着による性能低下を防止することができる。

以下に実施例を挙げ、本発明をさらに具体的に説明する。

（実施例１）
薄膜製造装置１００を用いて、リチウムイオン二次電池用シリコン電極を製造した。まず、チャンバー１を、真空ポンプ２により１×１０^−４Ｐａまで排気した。活物質原料としては、純度９９．９９９９％のシリコン単体（（株）高純度化学研究所製）を用いた。この活物質原料を蒸発源７に収容し、電子銃８から電子ビームを照射し、シリコンの蒸発粒子を生成させた。

厚み３５μｍの粗面化銅箔からなる基板１３を巻出しロール３から巻出し、蒸着ロール６を通過させて巻き取りロール５に走行させる間、シャッター９を開いてシリコン薄膜を蒸着し、シャッター９を閉じた。シャッター９を閉じている間に、２ヶ所のガス供給配管１２に酸素ガスを１ＳＬＭずつ流し、紫外光源ユニット１３を点灯するとともに、紫外光源ユニット１３内部から酸素ガスをチャンバー１に流した。この状態で５分間保持し、マスク１０に付着した堆積物の酸化処理を行った。処理中のチャンバー１の真空度は１×１０^−１Ｐａであった。

酸化処理終了後、酸素ガスを止め、紫外光源を消灯して基板１３を巻き取りロール５から巻出しロール３に向かって走行させ、シャッター９を開いて再び蒸着を行った。

同様の行程を繰り返し、基板１３を５往復走行させて蒸着し、その合間に酸化処理を行った。

（実施例２）
薄膜製造装置２００を用いて、実施例１と同様に往復走行蒸着を行い、その合間に酸化処理を行った。薄膜製造装置２００では、シャッター９を開いて蒸着を行っている間、紫外光源１１は遮蔽板１３とシャッター９に囲まれた領域に格納されるために堆積物がほとんど付着せず、繰り返し蒸着を行っても紫外光源表面の汚染による光量低下によって酸化処理性能が劣化することが無かった。

本発明の製造方法および装置は、リチウムイオン二次電池用電極の製造に利用できるだけでなく、蒸着膜を含む各種電子機器の製造にも好適に利用できる。

１チャンバー
２真空ポンプ
３巻出しロール
４搬送ロール
５巻き取りロール
６蒸着ロール
７蒸発源
８電子銃
９シャッター
１０マスク
１１紫外光源ユニット
１２ガス供給配管
１３基板フィルム
１００薄膜製造装置
２００薄膜製造装置

Claims

チャンバーと、真空ポンプと、蒸発源と、成膜面と、ガス供給ノズルと、励起源と、シャッターを含み、前記シャッターは開閉式で、蒸発源と前記成膜面との間に配置されている、蒸着装置を用いて薄膜を製造する方法であって、前記製造途中において、前記シャッターの開閉によって前記薄膜の前記成膜面への堆積を中断し、前記中断中に、前記材料が堆積する前記チャンバー内壁に前記ガス供給ノズルから酸素原子を含むガスを供給するとともに、前記供給ガスを前記励起源で励起することによって、前記チャンバー内壁の堆積物を酸化処理することを特徴とする薄膜の製造方法。
前記供給ガスを励起する方法が、プラズマ源、イオン源、ラジカル源、紫外光源のうち少なくとも１つ以上を使用する方法であることを特徴とする請求項１記載の薄膜の製造方法。
前記供給ガスがオゾンを含むことを特徴とする請求項１乃至２記載の薄膜の製造方法。
前記堆積物がシリコンを含むことを特徴とする請求項１乃至３記載の薄膜の製造方法。
前記シャッターを閉じることによって、前記チャンバー内において、前記蒸発源と前記成膜面を含む領域を仕切り、前記成膜面を含む領域側にのみ前記ガス供給ノズルから酸素を含むガスを供給することによって、前記成膜面を含む領域のガス圧力を優先的に上昇させることを特徴とする請求項１乃至４記載の薄膜の製造方法。
チャンバーと、真空ポンプと、蒸発源と、成膜面と、ガス供給ノズルと、励起源と、シャッターを含み、前記シャッターは開閉式で、蒸発源と前記成膜面との間に配置されている、薄膜を蒸着する製造装置であって、前記シャッターを閉じることによって、前記チャンバー内において、前記蒸発源と前記成膜面を含む領域を仕切る構造であり、前記ガス供給ノズル及び前記励起源が、前記シャッターの前記成膜面を含む領域側の面上に配置されていることを特徴とする薄膜の製造装置。
チャンバーと、真空ポンプと、蒸発源と、成膜面と、ガス供給ノズルと、励起源と、シャッターを含み、前記シャッターは開閉式で、蒸発源と前記成膜面との間に配置されている、薄膜を蒸着する製造装置であって、前記ガス供給ノズル及び前記励起源が、前記シャッターを開いて、前記成膜面への蒸着を行うときに、前記チャンバー内で、前記蒸発源から蒸発した材料の堆積を防止するための囲われた領域に格納されることを特徴とする薄膜の製造装置。