JP3820704B2 - Manganese oxide thin film manufacturing method and apparatus - Google Patents

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manganese oxide
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム電池材料等に用いられるマンガン酸化物薄膜を製造するための方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、リチウム電池材料としてのマンガン酸化物は、バルクを焼結及び粉砕して基板上に塗布する焼成法によって製造されている。そして、このようにして製造されたマンガン酸化物のバルクから電極を構成し、電解液やセパレータを挟み込む形で正負極を重ね合わせてリチウム電池を組み上げている。
【0003】
しかしながら、マンガン酸化物のバルクを製造する焼成法では、次のような問題があった。▲1▼.焼成に時間がかかる。▲2▼.微小結晶粒の粒径が不均一となるので、均一な組成を得ることが困難である。そのため、表面と内部とで物性の検討及び評価が必要となる。▲3▼.微小結晶粒の集合体であるため、電気抵抗が高い。これを補うために、導電性材料やバインダ等の添加物が必要となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、このような問題を解決するために、マンガン酸化物のバルクではなく薄膜を用いればよいことに思い至った。薄膜にすれば、製造時間の短縮化、組成の均一化、電気抵抗の低減化等を容易に達成できることになる。そこで、従来技術によりマンガン酸化物薄膜を製造するには、マンガン酸化物を直接蒸着する方法やスパッタリングによる方法が考えられる。
【0005】
しかし、これらの方法では、酸素欠損が起こることにより、所望の組成を得ることが困難である。例えば、MnO2 を直接蒸着する方法では、真空中に酸素が抜け出すことにより、MnO2 の組成で蒸着できない。MnO2 のターゲットを用いてスパッタリングする方法では、酸素がうまく蒸着されないため、酸素欠損によるマンガンの価数の減少が起こる。
【0006】
【発明の目的】
そこで、本発明の主な目的は、所望の組成を有する良質なマンガン酸化物薄膜を容易に製造できる、マンガン酸化物薄膜の製造方法及び装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、種々の薄膜製造技術について検討を重ねた結果、ホットウォールエピタキシャル法を改良したものが上記目的に合致することを見い出した。本発明は、この知見に基づきなされたものである。
【0008】
すなわち、本発明に係るマンガン酸化物薄膜の製造方法は、被蒸着用の基板と、マンガン蒸気を発生させる蒸発源と、この蒸発源から前記基板へ前記マンガン蒸気を均一温度に保ちつつ輸送するホットウォールとを、真空チャンバ内に備えたホットウォールエピタキシャル装置を用い、前記真空チャンバ内に酸素を供給することにより前記マンガン蒸気と当該酸素とを反応させてマンガン酸化物を生成するとともに、このマンガン酸化物を前記基板に蒸着させてマンガン酸化物薄膜を製造する、というものである。
【0009】
本発明に係るマンガン酸化物薄膜の製造装置は、本発明に係る上記製造方法を使用するものであって、被蒸着用の基板と、マンガン蒸気を発生させる蒸発源と、この蒸発源から前記基板へ前記マンガン蒸気を均一温度に保ちつつ輸送するホットウォールと、前記基板、前記蒸発源及び前記ホットウォールを収容する真空チャンバと、この真空チャンバ内に酸素を供給することにより前記マンガン蒸気に当該酸素を接触させる酸素供給源とを備えたものである。
【0010】
また、前記基板は300℃程度に加熱することが好ましい。さらに、前記蒸発源は電力によって発生した熱を用いて固体のマンガンを蒸気化するものであり、前記真空チャンバ内の真空度が所定範囲になるように当該蒸発源へ供給する電力を制御するものとしてもよい。この場合の電力の制御は、電圧、電流、時間(パルス幅)等、どのようなものを用いてもよい。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に係るマンガン酸化物薄膜の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【0012】
本実施形態のマンガン酸化物薄膜の製造装置10は、被蒸着用の基板12と、マンガン蒸気Mvを発生させる蒸発源14と、蒸発源14から基板12へマンガン蒸気Mvを均一温度に保ちつつ輸送するホットウォール16と、基板12、蒸発源14及びホットウォール16を収容する真空チャンバ18と、真空チャンバ18内に酸素O2 を供給することによりマンガン蒸気Mvに酸素O2 を接触させる酸素供給源20とを備えている。
【0013】
製造装置10は、一般的なホットウォールエピタキシャル装置を改良したものである。このホットウォールエピタキシャル装置は、真空チャンバ18内に設けられた、蒸発源14、ホットウォール16及びヘッド部22から構成されている。
【0014】
蒸発源14及びホットウォール16は、マンガンMを内側に収容する坩堝24と、坩堝24の外側からマンガンMを加熱するヒータ26とから一体的に実現されている。坩堝24は、例えば石英等からなり、全体として有底円筒状を呈している。ヒータ26は、石英製の円筒体261と、円筒体261の外周に螺旋状に巻回された発熱抵抗線262とから構成されている。発熱抵抗線262は、例えばタングステンやタンタル等からなる。
【0015】
ヘッド部22は、基板12を載置する載置台221と、載置台221の透孔222と坩堝24の開口端241との間に介挿されたシャッタ223と、基板12を加熱するハロゲンランプ224と、基板12の温度を検出する熱電対等の温度センサ225と、基板12の温度が所定値になるように、温度センサ225で検出された温度に基づきハロゲンランプ224へ供給する電力を制御する温度コントローラ226とから構成されている。載置台221は、支持棒225,226によって、真空チャンバ18に固定されている。
【0016】
基板12には、各種のガラス(スライドガラス、石英ガラス等)、ステンレス、銅又はアルミニウム等が用いられる。基板12を加熱すると、基板12に蒸着された物質の移動が促進されるので、膜質が向上する。ハロゲンランプ224は、基板12用のヒータである。
【0017】
酸素供給源20は、酸素O2 が充填されたガスボンベ201と、酸素O2 供給用の開閉バルブ202と、酸素O2 を一定流量に制御しながら真空チャンバ18内へ供給するマスフローコントローラ203とから構成されている。
【0018】
また、製造装置10には、ヒータ電流によって真空度を制御するための、真空計301及び真空度コントローラ302が付設されている。真空計301は、例えばイオンゲージである。真空度コントローラ302は、例えばマイクロコンピュータ及び定電流源等によって構成されている。
【0019】
一般的なホットウォールエピタキシャル装置の特長は、熱平衡に近い状態でのエピタキシャル成長が可能であるので良質の薄膜が形成でき、しかも蒸着材料の損失を必要最小限に抑えることができる点にある。ホットウォール16は、蒸発源14と基板12との間にあって、マンガン蒸気Mvを均一温度に保つとともに、マンガン蒸気Mvの輸送管の役目をする。蒸発源14から基板12まではある程度の密閉状態にあるので、マンガン蒸気Mvの外部への散逸を防止できるとともに、蒸気圧を一定に制御できる。蒸発源14、ホットウォール16及び基板12は、熱的に弱く結合しているので、ある範囲で温度を独立に制御できる。
【0020】
次に、本発明に係るマンガン酸化物薄膜の製造方法の一実施形態を、製造装置10の動作によって説明する。
【0021】
まず、真空チャンバ18を大気圧に開放した後、真空チャンバ18内に基板12及び粉末状のマンガンMをセットする。続いて、図示しない真空ポンプによって、真空チャンバ18内を所定の真空度にした後、酸素供給源20から一定流量の酸素O2 を真空チャンバ18内に導入することにより、真空チャンバ18内の真空度を10-6Torr程度にする。ここで、発熱抵抗線262に通電するとともに、ハロゲンランプ224を点灯する。すると、発熱抵抗線262が蒸発源14及びホットウォール16を加熱し、ハロゲンランプ224が基板12を加熱する。こうして加熱されたマンガンMは、溶融してマンガン蒸気Mvとなって蒸発源14から離脱し、ホットウォール16の内壁と衝突を繰り返すことによりホットウォール16の温度とほぼ等しくなり、さらにヘッド部22の方へ移動する。シャッタ223を開くと、マンガン蒸気Mvは、基板12上で酸素O2 と反応してマンガン酸化物になるとともに、基板12との間で再蒸発及び再付着も生じながら、ほぼ熱平衡に近い状態で結晶成長する。その結果、基板12にマンガン酸化物薄膜の単結晶(図示せず)が形成される。
【0022】
なお、いうまでもないが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、製造装置10には、必要に応じリザーバ部を付設してもよい。
【0023】
【実施例】
次に、図1の製造装置による実施例について、図1乃至図7に基づき説明する。
【0024】
図2は、図1の製造装置で製造したマンガン酸化物薄膜における、結晶性の基板温度依存性を示すX線回折図である。
【0025】
基板温度Tsubを200 ℃から600 ℃まで変化させて、マンガン酸化物薄膜の結晶性を調べた。基板温度200 ℃までは多結晶マンガン酸化物のままであったが、基板温度が300 ℃で単結晶マンガン酸化物薄膜が得られた。マンガン酸化物薄膜のX線回折の相対強度(200)/(220)を調べた結果、この強度比の最大は300 ℃であった。すなわち、ある特定温度(300 ℃)で単結晶マンガン酸化物薄膜が得られることがわかった。
【0026】
図3は、図1の製造装置で製造したマンガン酸化物薄膜における、結晶性の酸素流量依存性を示すX線回折ピークのグラフである。
【0027】
図3では、横軸に酸素流量、縦軸にX線回折の(200)面のピーク強度を示している。酸素流量を増加させるに従い、マンガン酸化物薄膜の結晶性も増加することがわかる。このように、マンガン酸化物薄膜の結晶性は酸素流量に依存することがわかった。
【0028】
図4は、図1の製造装置で製造したマンガン酸化物薄膜における、結晶性の酸素流量依存性を示すX線回折図である。
【0029】
図4では、酸素流量の少ないときと多いときとのX線回折ピークを示している。酸素流量の少ないときのマンガン酸化物薄膜は多結晶のピークパターンを示し、酸素流量の多いときのマンガン酸化物薄膜は単結晶のピークパターンを示した。したがって、酸素流量を多くすることにより、結晶性の良い単結晶マンガン酸化物薄膜を製作することが可能である。
【0030】
図5は、図1の製造装置でマンガン酸化物薄膜を製造する際における、ヒータ電流と真空度との関係を示すグラフである。
【0031】
ヒータ電流とは、ヒータ26の発熱抵抗線262に流れる電流のことである。したがって、ヒータ電流を制御することによって、蒸発源14への供給電力すなわち発熱量を制御することができる。図5に示されるように、ヒータ電流が点(A)以下の小さいところでは、マンガンMの蒸発に必要な温度に達していないため、真空度は酸素流量と真空ポンプの吸引能力との釣り合った状態にある。やがて、ヒータ電流が点(B)を越えてマンガンMの蒸発が始まると、マンガン蒸気圧により真空度が悪化するのではなく逆に真空度が向上する。これはマンガンMと酸素O2 とが反応して基板12や真空チャンバ18内に付着するためである。ヒータ電流がさらに増加して点(C)を越えると、マンガンMの蒸発速度がマンガン酸化物の生成速度よりも大きくなるので、そのマンガン分圧により真空度は低下する。
【0032】
図6は、図5に示す点(A),(B),(C)において得られた薄膜についてのX線回折図である。
【0033】
点(A)での組成はγ−Mn2 3 、点(B)での組成はMn3 4 、点(C)での組成はα−Mn及びMnOであることがわかった。したがって、図5において真空度が点(B)の位置になるようにヒータ電流を制御することにより、図6に示すようなマンガン酸化物薄膜が得られる。このような制御は、真空計301、及び図5の関係を記憶させた真空度コントローラ302によって可能である。
【0034】
図7は、図1の製造装置でマンガン酸化物薄膜を製造する際における、酸素流量及びマンガンの堆積速度と薄膜の表面状態との関係を示すグラフである。
【0035】
図7において、黒丸で示す表面が黒褐色の薄膜はマンガン酸化物であり、白丸で示す表面が金属光沢(銀色)の薄膜はマンガン(金属)である。図7から明らかなように、酸素流量及びマンガンの堆積速度を適宜選択することにより得られる、マンガン酸化物を生成できる領域(黒丸部分)が明確に存在することがわかる。酸素流量は酸素供給源20によって制御できる。マンガンの堆積速度(蒸発速度)は、真空度を基準とし図5に示す関係を用いてヒータ電流によって制御できる。
【0036】
なお、蒸発源14の温度や基板12の温度を基準にしてヒータ電流やハロゲンランプ電流を制御しようとすると、測定点をどこにするかというが問題が生ずるので制御方法が複雑化する。これに対して、上記のように真空度を基準とする場合は、真空チャンバ18内ではどこでも真空度が一定であるので、制御方法が簡単である。
【0037】
【発明の効果】
本発明に係るマンガン酸化物薄膜の製造方法及び装置によれば、ホットウォールエピタキシャル装置を用い、マンガン蒸気と酸素とを反応させてマンガン酸化物薄膜を製造するようにしたので、所望の組成を有する良質なマンガン酸化物薄膜を容易に製造できる。したがって、製造時間の短縮化、組成の均一化、電気抵抗の低減化等を容易に達成できる。また、マンガン酸化物薄膜をリチウム電池正極材料として用いることにより、リチウム電池電極の薄膜化及び軽量化を達成できる。
【0038】
また、真空チャンバ内の真空度が所定範囲になるように蒸発源への供給電力を制御することにより、マンガン酸化物薄膜の組成を容易にその場制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るマンガン酸化物薄膜の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。
【図2】図1の製造装置で製造したマンガン酸化物薄膜における、結晶性の基板温度依存性を示すX線回折図である。
【図3】図1の製造装置で製造したマンガン酸化物薄膜における、結晶性の酸素流量依存性を示すX線回折ピークのグラフである。
【図4】図1の製造装置で製造したマンガン酸化物薄膜における、結晶性の酸素流量依存性を示すX線回折図である。
【図5】図1の製造装置でマンガン酸化物薄膜を製造する際における、ヒータ電流と真空度との関係を示すグラフである。
【図6】図5に示す点(A),(B),(C)において得られた薄膜についてのX線回折図である。
【図7】図1の製造装置でマンガン酸化物薄膜を製造する際における、酸素流量及びマンガンの堆積速度と薄膜の表面状態との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10 マンガン酸化物薄膜の製造装置
12 基板
14 蒸発源
16 ホットウォール
18 真空チャンバ
26 ヒータ
224 ハロゲンランプ
225 温度センサ
226 温度コントローラ
301 真空計
302 真空度コントローラ
M マンガン
Mv マンガン蒸気
2 酸素
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for producing a manganese oxide thin film used for lithium battery materials and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, manganese oxide as a lithium battery material is manufactured by a firing method in which a bulk is sintered and pulverized and applied onto a substrate. And an electrode is comprised from the bulk of the manganese oxide manufactured in this way, and the positive and negative electrodes are piled up in the form of sandwiching the electrolyte and separator, and a lithium battery is assembled.
[0003]
However, the firing method for producing a bulk of manganese oxide has the following problems. (1). It takes time to fire. (2). It is difficult to obtain a uniform composition because the grain size of the microcrystal grains is not uniform. Therefore, examination and evaluation of physical properties are necessary between the surface and the inside. (3). Since it is an aggregate of fine crystal grains, it has a high electric resistance. In order to compensate for this, an additive such as a conductive material or a binder is required.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventor has come up with the idea that a thin film rather than a bulk of manganese oxide may be used to solve such a problem. By using a thin film, it is possible to easily achieve shortening of manufacturing time, uniforming of composition, reduction of electric resistance, and the like. Therefore, in order to produce a manganese oxide thin film by the conventional technique, a method of directly depositing manganese oxide or a method by sputtering can be considered.
[0005]
However, these methods make it difficult to obtain a desired composition due to oxygen deficiency. For example, in the method of directly depositing MnO 2 , oxygen cannot escape with a composition of MnO 2 because oxygen escapes into the vacuum. In the sputtering method using a MnO 2 target, oxygen is not deposited well, so that the valence of manganese is reduced due to oxygen deficiency.
[0006]
OBJECT OF THE INVENTION
Therefore, a main object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing a manganese oxide thin film that can easily produce a good quality manganese oxide thin film having a desired composition.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated studies on various thin film manufacturing techniques, the present inventor has found that an improved hot wall epitaxial method meets the above object. The present invention has been made based on this finding.
[0008]
That is, a method for producing a manganese oxide thin film according to the present invention includes a substrate for vapor deposition, an evaporation source that generates manganese vapor, and a hot that transports the manganese vapor from the evaporation source to the substrate while maintaining the uniform temperature. Using a hot wall epitaxial apparatus having a wall in a vacuum chamber and supplying oxygen into the vacuum chamber, the manganese vapor reacts with the oxygen to produce manganese oxide. A manganese oxide thin film is produced by depositing an object on the substrate.
[0009]
An apparatus for manufacturing a manganese oxide thin film according to the present invention uses the manufacturing method according to the present invention, and includes a substrate for vapor deposition, an evaporation source for generating manganese vapor, and the substrate from the evaporation source. A hot wall for transporting the manganese vapor while maintaining a uniform temperature, a vacuum chamber for housing the substrate, the evaporation source and the hot wall, and supplying oxygen into the vacuum chamber to supply the oxygen to the manganese vapor. And an oxygen supply source in contact with each other.
[0010]
The substrate is preferably heated to about 300 ° C. Further, the evaporation source vaporizes solid manganese using heat generated by electric power, and controls the electric power supplied to the evaporation source so that the degree of vacuum in the vacuum chamber is within a predetermined range. It is good. The power control in this case may be any voltage, current, time (pulse width), etc.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an apparatus for producing a manganese oxide thin film according to the present invention. Hereinafter, description will be given based on this drawing.
[0012]
The manganese oxide thin film manufacturing apparatus 10 of the present embodiment transports a substrate 12 for vapor deposition, an evaporation source 14 that generates manganese vapor Mv, and the manganese vapor Mv from the evaporation source 14 to the substrate 12 while maintaining the temperature at a uniform temperature. The hot wall 16 to be heated, the vacuum chamber 18 that houses the substrate 12, the evaporation source 14, and the hot wall 16, and the oxygen supply source that brings oxygen O 2 into contact with the manganese vapor Mv by supplying oxygen O 2 into the vacuum chamber 18. 20.
[0013]
The manufacturing apparatus 10 is an improvement of a general hot wall epitaxial apparatus. The hot wall epitaxial apparatus includes an evaporation source 14, a hot wall 16, and a head unit 22 provided in a vacuum chamber 18.
[0014]
The evaporation source 14 and the hot wall 16 are integrally realized by a crucible 24 that houses manganese M inside and a heater 26 that heats manganese M from the outside of the crucible 24. The crucible 24 is made of quartz or the like, for example, and has a bottomed cylindrical shape as a whole. The heater 26 includes a quartz cylinder 261 and a heating resistance wire 262 spirally wound around the outer circumference of the cylinder 261. The heating resistance wire 262 is made of, for example, tungsten or tantalum.
[0015]
The head unit 22 includes a mounting table 221 for mounting the substrate 12, a shutter 223 interposed between the through hole 222 of the mounting table 221 and the open end 241 of the crucible 24, and a halogen lamp 224 for heating the substrate 12. And a temperature sensor 225 such as a thermocouple for detecting the temperature of the substrate 12 and a temperature for controlling the power supplied to the halogen lamp 224 based on the temperature detected by the temperature sensor 225 so that the temperature of the substrate 12 becomes a predetermined value. And a controller 226. The mounting table 221 is fixed to the vacuum chamber 18 by support bars 225 and 226.
[0016]
Various kinds of glass (slide glass, quartz glass, etc.), stainless steel, copper or aluminum are used for the substrate 12. When the substrate 12 is heated, the movement of the substance deposited on the substrate 12 is promoted, so that the film quality is improved. The halogen lamp 224 is a heater for the substrate 12.
[0017]
Oxygen supply 20 includes a gas cylinder 201 that oxygen O 2 is filled, the opening and closing valve 202 of the oxygen O 2 for supplying, from the mass flow controller 203 supplies while controlling the oxygen O 2 at a constant flow rate into the vacuum chamber 18 It is configured.
[0018]
Further, the manufacturing apparatus 10 is provided with a vacuum gauge 301 and a vacuum degree controller 302 for controlling the degree of vacuum by a heater current. The vacuum gauge 301 is, for example, an ion gauge. The vacuum degree controller 302 is constituted by, for example, a microcomputer and a constant current source.
[0019]
A feature of a general hot wall epitaxial apparatus is that epitaxial growth can be performed in a state close to thermal equilibrium, so that a high-quality thin film can be formed, and loss of vapor deposition material can be minimized. The hot wall 16 is located between the evaporation source 14 and the substrate 12, maintains the manganese vapor Mv at a uniform temperature, and serves as a transport pipe for the manganese vapor Mv. Since the evaporation source 14 to the substrate 12 are sealed to some extent, the dissipation of the manganese vapor Mv to the outside can be prevented and the vapor pressure can be controlled to be constant. Since the evaporation source 14, the hot wall 16, and the substrate 12 are thermally weakly coupled, the temperature can be independently controlled within a certain range.
[0020]
Next, an embodiment of a method for producing a manganese oxide thin film according to the present invention will be described by the operation of the production apparatus 10.
[0021]
First, after the vacuum chamber 18 is opened to atmospheric pressure, the substrate 12 and the powdered manganese M are set in the vacuum chamber 18. Subsequently, after the inside of the vacuum chamber 18 is set to a predetermined degree of vacuum by a vacuum pump (not shown), oxygen O 2 having a constant flow rate is introduced from the oxygen supply source 20 into the vacuum chamber 18, thereby vacuum inside the vacuum chamber 18. The degree is about 10 −6 Torr. Here, the heating resistance wire 262 is energized and the halogen lamp 224 is turned on. Then, the heating resistance wire 262 heats the evaporation source 14 and the hot wall 16, and the halogen lamp 224 heats the substrate 12. The thus heated manganese M melts and becomes manganese vapor Mv, leaves the evaporation source 14, and repeatedly collides with the inner wall of the hot wall 16, so that the temperature of the hot wall 16 becomes substantially equal. Move towards. When the shutter 223 is opened, the manganese vapor Mv reacts with oxygen O 2 on the substrate 12 to become manganese oxide, and re-evaporation and redeposition occur between the substrate 12 and in a state close to thermal equilibrium. Crystal grows. As a result, a single crystal (not shown) of the manganese oxide thin film is formed on the substrate 12.
[0022]
Needless to say, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the manufacturing apparatus 10 may be provided with a reservoir as necessary.
[0023]
【Example】
Next, an embodiment of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
[0024]
FIG. 2 is an X-ray diffraction diagram showing the substrate temperature dependence of crystallinity in the manganese oxide thin film manufactured by the manufacturing apparatus of FIG.
[0025]
The crystallinity of the manganese oxide thin film was examined by changing the substrate temperature Tsub from 200 ° C. to 600 ° C. The polycrystalline manganese oxide remained as it was up to the substrate temperature of 200 ° C., but a single crystal manganese oxide thin film was obtained at the substrate temperature of 300 ° C. As a result of examining the relative intensity (200) / (220) of X-ray diffraction of the manganese oxide thin film, the maximum of this intensity ratio was 300 ° C. That is, it was found that a single crystal manganese oxide thin film can be obtained at a specific temperature (300 ° C.).
[0026]
FIG. 3 is a graph of an X-ray diffraction peak showing the dependence of crystallinity on oxygen flow rate in the manganese oxide thin film manufactured by the manufacturing apparatus of FIG.
[0027]
In FIG. 3, the horizontal axis represents the oxygen flow rate, and the vertical axis represents the peak intensity of the (200) plane of X-ray diffraction. It can be seen that the crystallinity of the manganese oxide thin film increases as the oxygen flow rate is increased. Thus, it was found that the crystallinity of the manganese oxide thin film depends on the oxygen flow rate.
[0028]
FIG. 4 is an X-ray diffraction diagram showing the dependence of crystallinity on the oxygen flow rate in the manganese oxide thin film produced by the production apparatus of FIG.
[0029]
FIG. 4 shows X-ray diffraction peaks when the oxygen flow rate is low and when it is high. When the oxygen flow rate was low, the manganese oxide thin film showed a polycrystalline peak pattern, and when the oxygen flow rate was high, the manganese oxide thin film showed a single crystal peak pattern. Therefore, it is possible to produce a single crystal manganese oxide thin film with good crystallinity by increasing the oxygen flow rate.
[0030]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the heater current and the degree of vacuum when the manganese oxide thin film is manufactured by the manufacturing apparatus of FIG.
[0031]
The heater current is a current that flows through the heating resistance line 262 of the heater 26. Therefore, by controlling the heater current, the power supplied to the evaporation source 14, that is, the heat generation amount can be controlled. As shown in FIG. 5, when the heater current is small below the point (A), the temperature required for the evaporation of manganese M has not been reached, so the degree of vacuum is balanced between the oxygen flow rate and the suction capacity of the vacuum pump. Is in a state. Eventually, when the heater current exceeds the point (B) and evaporation of manganese M begins, the degree of vacuum does not deteriorate due to the manganese vapor pressure, but the degree of vacuum improves. This is because manganese M and oxygen O 2 react and adhere to the substrate 12 and the vacuum chamber 18. When the heater current further increases and exceeds the point (C), the evaporation rate of manganese M becomes larger than the generation rate of manganese oxide, and the degree of vacuum decreases due to the manganese partial pressure.
[0032]
FIG. 6 is an X-ray diffraction pattern of the thin film obtained at points (A), (B), and (C) shown in FIG.
[0033]
It was found that the composition at point (A) was γ-Mn 2 O 3 , the composition at point (B) was Mn 3 O 4 , and the composition at point (C) was α-Mn and MnO. Therefore, a manganese oxide thin film as shown in FIG. 6 can be obtained by controlling the heater current so that the degree of vacuum becomes the position of the point (B) in FIG. Such control is possible by the vacuum gauge 301 and the vacuum controller 302 that stores the relationship of FIG.
[0034]
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the oxygen flow rate, the deposition rate of manganese, and the surface state of the thin film when the manganese oxide thin film is produced by the production apparatus of FIG.
[0035]
In FIG. 7, the thin film whose surface indicated by black circles is black-brown is manganese oxide, and the thin film whose surface indicated by white circles is metallic luster (silver) is manganese (metal). As is clear from FIG. 7, it can be seen that there is clearly a region (black circle portion) where manganese oxide can be generated, which is obtained by appropriately selecting the oxygen flow rate and the deposition rate of manganese. The oxygen flow rate can be controlled by the oxygen source 20. The deposition rate (evaporation rate) of manganese can be controlled by the heater current using the relationship shown in FIG.
[0036]
If the heater current and the halogen lamp current are controlled based on the temperature of the evaporation source 14 and the temperature of the substrate 12, a problem arises as to where the measurement point is set, and the control method becomes complicated. On the other hand, when the degree of vacuum is used as a reference as described above, the degree of vacuum is constant everywhere in the vacuum chamber 18, and thus the control method is simple.
[0037]
【The invention's effect】
According to the method and apparatus for manufacturing a manganese oxide thin film according to the present invention, a manganese oxide thin film is manufactured by reacting manganese vapor and oxygen using a hot wall epitaxial apparatus, and thus has a desired composition. A good quality manganese oxide thin film can be easily manufactured. Therefore, shortening of manufacturing time, uniforming of composition, reduction of electric resistance, etc. can be easily achieved. Further, by using the manganese oxide thin film as a lithium battery positive electrode material, the lithium battery electrode can be made thinner and lighter.
[0038]
Further, the composition of the manganese oxide thin film can be easily controlled in situ by controlling the power supplied to the evaporation source so that the degree of vacuum in the vacuum chamber is within a predetermined range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an apparatus for producing a manganese oxide thin film according to the present invention.
FIG. 2 is an X-ray diffraction diagram showing the substrate temperature dependence of crystallinity in a manganese oxide thin film manufactured by the manufacturing apparatus of FIG.
3 is a graph of an X-ray diffraction peak showing the dependence of crystallinity on oxygen flow rate in a manganese oxide thin film manufactured by the manufacturing apparatus of FIG.
4 is an X-ray diffraction diagram showing the dependence of crystallinity on oxygen flow rate in a manganese oxide thin film produced by the production apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a heater current and a degree of vacuum when a manganese oxide thin film is manufactured by the manufacturing apparatus of FIG. 1;
6 is an X-ray diffraction pattern of the thin film obtained at points (A), (B), and (C) shown in FIG.
7 is a graph showing the relationship between the oxygen flow rate, manganese deposition rate, and the surface state of the thin film when the manganese oxide thin film is produced by the production apparatus of FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Manganese oxide thin film manufacturing apparatus 12 Substrate 14 Evaporation source 16 Hot wall 18 Vacuum chamber 26 Heater 224 Halogen lamp 225 Temperature sensor 226 Temperature controller 301 Vacuum gauge 302 Vacuum degree controller M Manganese Mv Manganese vapor O 2 oxygen

Claims (6)

被蒸着用の基板と、マンガン蒸気を発生させる蒸発源と、この蒸発源から前記基板へ前記マンガン蒸気を均一温度に保ちつつ輸送するホットウォールとを、真空チャンバ内に備えたホットウォールエピタキシャル装置を用い、前記真空チャンバ内に酸素を供給することにより前記マンガン蒸気と当該酸素とを反応させてマンガン酸化物を生成するとともに、このマンガン酸化物を前記基板に蒸着させてマンガン酸化物薄膜を製造する、マンガン酸化物薄膜の製造方法。  A hot wall epitaxial apparatus comprising a substrate for vapor deposition, an evaporation source that generates manganese vapor, and a hot wall that transports the manganese vapor from the evaporation source to the substrate while maintaining a uniform temperature in a vacuum chamber. The manganese vapor and the oxygen are reacted by supplying oxygen into the vacuum chamber to produce manganese oxide, and the manganese oxide is deposited on the substrate to produce a manganese oxide thin film. The manufacturing method of a manganese oxide thin film. 被蒸着用の基板と、マンガン蒸気を発生させる蒸発源と、この蒸発源から前記基板へ前記マンガン蒸気を均一温度に保ちつつ輸送するホットウォールと、前記基板、前記蒸発源及び前記ホットウォールを収容する真空チャンバと、この真空チャンバ内に酸素を供給することにより前記マンガン蒸気に当該酸素を接触させる酸素供給源とを備えた、マンガン酸化物薄膜の製造装置。  A substrate for vapor deposition, an evaporation source that generates manganese vapor, a hot wall that transports the manganese vapor from the evaporation source to the substrate while maintaining a uniform temperature, and the substrate, the evaporation source, and the hot wall are accommodated. An apparatus for producing a manganese oxide thin film, comprising: a vacuum chamber for performing the above operation; and an oxygen supply source for bringing oxygen into contact with the manganese vapor by supplying oxygen into the vacuum chamber. 前記基板を300℃程度に加熱する請求項1記載のマンガン酸化物薄膜の製造方法 The manufacturing method of the manganese oxide thin film of Claim 1 which heats the said board | substrate to about 300 degreeC . 前記蒸発源は電力によって発生した熱を用いて固体のマンガンを蒸気化するものであり、前記真空チャンバ内の真空度が所定範囲になるように当該蒸発源へ供給する電力を制御する請求項1若しくは3記載のマンガン酸化物薄膜の製造方法The evaporation source is intended to steam the manganese solid using the heat generated by the power, claim 1, the vacuum degree of the vacuum chamber controls the power supplied to the evaporation source so as to have a predetermined range Or the manufacturing method of the manganese oxide thin film of 3 description . 前記基板を載置し加熱するヘッド部を備え、このヘッド部に300℃程度に加熱するように温度を制御する温度コントローラを備える請求項2記載のマンガン酸化物薄膜の製造装置 The apparatus for producing a manganese oxide thin film according to claim 2, further comprising: a head unit that mounts and heats the substrate, and a temperature controller that controls the temperature so that the head unit is heated to about 300 ° C. 前記蒸発源は電力によって発生した熱を用いて固体のマンガンを蒸気化するヒータを備え、前記真空チャンバ内の真空度が所定範囲になるように当該蒸発源へ供給する電力を制御する真空度コントローラを備える請求項2若しくは5記載のマンガン酸化物薄膜の製造装置 The evaporation source includes a heater that vaporizes solid manganese using heat generated by electric power, and controls a power supplied to the evaporation source so that the vacuum in the vacuum chamber is in a predetermined range. The manufacturing apparatus of the manganese oxide thin film of Claim 2 or 5 provided with these .
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