JP5372144B2 - 真空蒸着システム及び真空蒸着方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質を用いたリチウム二次電池を製造する技術に関し、特に真空蒸着によって負極層を形成する技術に関する。

従来から、携帯電話やパーソナルコンピュータの電源として、リチウムイオン二次電池が広く知られている。
しかし、リチウムイオン二次電池は、液体電解質を用いているため、液漏れや発火等が発生する場合があり、安全性についての課題がある。

そこで、近年、電解質の材料として固体材料を用いた全固体型のリチウム二次電池が提案されており、その開発が進展している。
特に、固体材料を用いた全固体型のリチウム二次電池として、薄膜からなる全固体型のリチウム二次電池は、カード型の電子部品等の電源用として期待されている。

ところで、薄膜からなる全固体型のリチウム二次電池は、リチウム（Ｌｉ）からなる負極を真空蒸着によって形成するが、リチウムは水や空気に対して非常に反応しやすい材料であるため、リチウムからなる蒸発材料を蒸着室に搬入する際には、搬送経路の雰囲気に十分気を配る必要がある。

さらに、従来技術においてリチウムを真空蒸着によって連続的に成膜する場合には、シャッタ機構や膜厚モニタを用い、膜厚の制御を行うようにしているが、従来技術では、装置構成が複雑化するとともに、リチウムの経時変化や雰囲気の変化等によってリチウムが劣化して膜厚や膜質が変化するおそれがある。
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、例えば以下のようなものがある。

特開２００７−２１４１０９号公報

本発明は、このような従来の技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、反応性の高いリチウムを真空蒸着によって連続的に成膜する場合に、膜厚及び膜質の均一な膜を効率良く簡素な構成の装置で形成することができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明は、基板上に蒸発材料を蒸着によって蒸着する真空蒸着室と、前記真空蒸着室に接続され、当該真空蒸着室との間で基板を供給し、かつ、交換するための基板供給交換系と、前記蒸発材料を前記真空蒸着室との間で供給し、かつ、交換するための材料供給交換系とを有し、前記材料供給交換系には、大気に対して遮断された雰囲気中で、１回の蒸着工程によって全て蒸発する量に設定された蒸発材料を蒸発容器内に配置する材料仕込み室、並びに、当該材料仕込み室に接続され、真空中で前記真空蒸着室との間で前記蒸発材料の供給及び交換を行う材料供給交換室を有する材料仕込み領域と、前記真空蒸着室との間で前記蒸発容器を搬送する蒸発容器搬送領域とが設けられ、前記真空蒸着室内には、前記材料供給交換系から供給された前記蒸発容器を加熱するためのランプ加熱方式のヒータからなる加熱手段が設けられている真空蒸着システムである。
また、本発明は、前記真空蒸着システムを用いた真空蒸着方法であって、前記材料仕込み領域において前記蒸発容器内に１回の蒸着工程によって全て蒸発する量の蒸発材料を配置する工程と、前記材料仕込み領域から前記蒸発容器を搬送して前記真空蒸着室内に搬入し前記蒸発材料を供給する工程と、前記真空蒸着室内において、前記蒸発容器を加熱して前記基板上に真空蒸着を行う工程と、前記真空蒸着終了後、前記真空蒸着室から前記蒸発容器を排出して前記材料供給交換系の前記材料仕込み領域に戻す工程とを有するものである。
本発明では、複数の前記蒸発容器を着脱自在に装着可能な容器搬送部材を用い、当該容器搬送部材を搬送することにより、前記蒸発材料の供給及び交換を行う場合にも効果的である。
本発明では、前記蒸発材料がリチウムからなる場合に最も効果的である。

本発明装置の場合、真空蒸着室に接続され、当該真空蒸着室との間で基板を供給し、かつ、交換するための基板供給交換系と、蒸発材料を真空蒸着室との間で供給し、かつ、交換するための材料供給交換系とを有しており、材料供給交換系は、大気に対して遮断された乾燥雰囲気中で蒸発容器内に蒸発材料を配置する材料仕込み領域を有するとともに、真空蒸着室との間で蒸発容器を搬送する蒸発容器搬送機構が設けられていることから、反応性の高いリチウム蒸発材料を真空蒸着室に搬入する際、また、蒸着終了後に蒸発容器を真空蒸着室から材料供給交換系に戻す際において、水分等が蒸発材料や蒸発容器に付着して蒸発材料が劣化することを阻止できる。

また、本発明によれば、真空蒸着室内には、材料供給交換系から供給された蒸発容器を加熱するための加熱手段が設けられており、この蒸発容器を加熱して基板上に真空蒸着を行うことにより、急速に蒸発材料を加熱し、蒸着終了後には、蒸発容器を急速に冷却することができる。

また、本発明の場合、蒸発容器内に配置される蒸発材料の量を１回の蒸着工程によって全て蒸発する量に設定することにより、蒸着の際に蒸発材料を使い切ることができるため、シャッタや膜厚モニタを用いることなく、簡素な構成の装置で所望の膜厚の成膜を行うことができる。また、特に経時変化や雰囲気変化に起因するリチウム蒸発材料の劣化を確実に防止することができる。

さらに、本発明方法のように、例えばリチウムを収容した蒸発容器を用いて蒸着を行った後、この蒸発容器を材料仕込み領域に戻す工程を繰り返すことにより、真空蒸着室内を高真空にした状態で蒸発材料の供給が可能になる。
本発明方法において、複数の蒸発容器を着脱自在に装着可能な容器搬送部材を用い、当該容器搬送部材を搬送することにより、前記蒸発材料の供給及び交換を行うようにすれば、複数の蒸発容器を一括して搬送して蒸発材料の供給及び交換が可能になるため、各工程の効率を大幅に向上させることができる。

本発明によれば、反応性の高いリチウムを真空蒸着によって連続的に成膜する場合に、膜厚及び膜質の均一な膜を効率良く簡素な構成の装置で形成することができる。

本発明に係る真空蒸着システムの実施の形態の概略構成正面図 （ａ）：同実施の形態に用いる材料搬送トレイの例を示すトレイ本体の平面図、（ｂ）：材料搬送トレイに蒸発容器を装着した状態を示す平面図、（ｃ）：図２（ｂ）のＡ−Ａ線断面図 同実施の形態における蒸着工程の一例を示す説明図（その１） 同実施の形態における蒸着工程の一例を示す説明図（その２） 同実施の形態における蒸着工程の一例を示す説明図（その３） 同実施の形態における蒸着工程の一例を示す説明図（その４）

１…真空蒸着システム、２…真空蒸着室、３…基板供給交換系、４…材料供給交換系、６…材料搬送トレイ（容器搬送部材）、７…蒸発容器、８…材料供給カセット、９…保護層形成室、１０…蒸発材料、２２…ヒータ（加熱手段）、３１…基板搬送室、３２…基板搬送ロボット、３４…基板仕込み室、３６…基板取り出し室、４１…第１の材料交換室、４２…第２の材料交換室、４３…材料交換室、４４…トレイ搬送ロボット、４５…材料仕込み室（材料仕込み領域）、５０…基板

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る真空蒸着システムの実施の形態の概略構成正面図である。
図１に示すように、本実施の形態の真空蒸着システム１は、図示しない真空排気系に接続された真空蒸着室２を有している。また、真空蒸着室２は、希ガスである例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを導入するように構成されている。

この真空蒸着室２内の上部には、基板５０を保持する基板ホルダー２０を有している。ここで、基板ホルダー２０は、例えば真空蒸着室２の上部に設けられた駆動モータ２１によって、基板５０を水平方向に向けた状態で回転するように構成されている。
一方、真空蒸着室２内の下部には、後述する蒸発容器７内に収容された蒸発材料１０を加熱するためのヒータ（加熱手段）２２が配置されている。

本発明の場合、特に限定されることはないが、蒸発材料１０を急速に加熱し、かつ、蒸発容器７を急速に冷却する観点からは、ヒータ２２として、ランプ加熱方式のものを用い、後述するように、蒸発材料１０を収容する蒸発容器７を所定の距離をおいて間接的に加熱するように構成することが好ましい。

本実施の形態の場合、真空蒸着室２には、基板５０を真空蒸着室２との間で供給し、かつ、交換するための基板供給交換系３と、蒸発材料１０を真空蒸着室２との間で供給し、かつ、交換するための材料供給交換系４とが接続されている。
基板供給交換系３は、ゲートバルブ３０を介して真空蒸着室２に接続された基板搬送室３１を有している。
この基板搬送室３１は、例えば縦長形状に形成され、図示しない真空排気系に接続されている。そして、基板搬送室３１内には、基板５０を載置して昇降可能な基板搬送ロボット３２が配置されている。

本実施の形態では、例えば基板搬送室３１の上側部分においてゲートバルブ３３を介して基板仕込み室３４が接続され、さらに、例えば基板搬送室３１の下側部分においてゲートバルブ３５を介して基板取り出し室３６が接続されている。
これら基板仕込み室３４、基板取り出し室３６は、それぞれ図示しない真空排気系に接続されている。

一方、材料供給交換系４は、ゲートバルブ４０を介して真空蒸着室２に接続された材料交換室４３を有している。この材料交換室４３は、図示しない真空排気系に接続されており、第１の材料交換室４１と第２の材料交換室４２に区分けされている。
また、材料交換室４３は、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを導入するように構成されている。

真空蒸着室２に隣接する第１の材料交換室４１内には、材料搬送トレイ（容器搬送部材）６を供給・交換するためのトレイ搬送ロボット４４が設けられている。
また、第２の材料交換室４２は、後述する材料仕込み室（材料仕込み領域）４５が、ゲートバルブ４６を介して接続されている。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に用いる材料搬送トレイの例を示すもので、図２（ａ）は、トレイ本体の平面図、図２（ｂ）は、トレイ本体に蒸発容器を装着した状態を示す平面図、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
図２（ａ）に示すように、本実施の形態の材料搬送トレイ６は、例えば平板状の部材からなるトレイ本体６０を有している。

このトレイ本体６０の材料としては、例えば、石英ガラス等の無機材料、ステンレス等の金属材料、炭素材料等を用いることができる。
また、トレイ本体６０には、蒸発容器（ボート）７を装着するための例えば円形の装着孔６１が、トレイ本体６０を貫通するように複数個設けられている。
本例では、トレイ本体６０に、３×３＝９個の装着孔６１が行列状に設けられている。

一方、本例の場合、蒸発容器７は、例えばステンレス等金属材料からなるもので、ほぼコップ形状（有底円筒形状）の胴体部７０を有し、この胴体部７０の開口部分の縁部に、例えばリング形状のフランジ部７１が設けられている。
ここで、蒸発容器７の胴体部７０は、トレイ本体６０の装着孔６１より若干小さい外径を有し、フランジ部７１は、トレイ本体６０の装着孔６１より若干大きい外径を有するように形成されている。

このような構成により、トレイ本体６０の各装着孔６１内に、それぞれ上方から蒸発容器７の胴体部７０を挿入した場合に、蒸発容器７のフランジ部７１がトレイ本体６０の表面に当接して、各蒸発容器７が所定の位置に位置決めされるようになっている。
そして、本実施の形態の材料搬送トレイ６は、図２（ｃ）に示すように、各蒸発容器７が、トレイ本体６０に装着された状態で蒸発材料１０が挿入配置され、これにより各蒸発材料１０が、各蒸発容器７に収容された状態でトレイ本体６０と共に搬送されることになる。

本実施の形態、材料搬送トレイ６への蒸発材料１０の供給は、上述した材料仕込み室４５内において行う（図１参照）。
この材料仕込み室４５は、人手で作業が可能なグローブボックスから構成されている。
材料仕込み室４５内には、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを導入することにより、室内の露点温度が−５０℃〜−６０℃程度に保たれ、大気に対して遮断された乾燥雰囲気が保たれるようになっている。

そして、材料仕込み室４５内において、所定の大きさ・形状（例えば粒子形状）のリチウムからなる蒸発材料１０を、トレイ本体６０に装着された蒸発容器７内に、例えば１個づつ人手によって挿入する。
本発明の場合、各蒸発容器７内に収容される蒸発材料１０の量は特に限定されることはないが、経時変化等によって膜厚や膜質が変化することを防止する観点からは、１回の蒸着工程によって全て蒸発する量に設定することが好ましい。

なお、各蒸発容器７内に収容される蒸発材料１０の量は、基板の大きさやトレイ本体６０における蒸発容器７の位置等によって適宜変更することができる。
ここで、各蒸発容器７内に蒸発材料１０が収容された材料搬送トレイ６は、材料供給カセット８に複数個装着され、材料仕込み室４５内に保管される。

そして、必要に応じてこの材料供給カセット８を人手によって第２の材料交換室４２内に搬入する。
第２の材料交換室４２内の下部には、材料供給カセット８を昇降させるための材料カセット昇降機構４７が設けられている。
この材料カセット昇降機構４７は、例えば第２の材料交換室４２の下部に設けられた駆動モータ４８によって上下方向に駆動されるステージ４７ａを有し、例えば一つの材料供給カセット８を載置支持した状態で、このステージ４７ａを昇降させるように構成されている。

図３〜図６は、本実施の形態における蒸着工程の一例を示す説明図である。
本実施の形態において、基板５０上にリチウムからなる蒸発材料１０の蒸着を行う場合には、図３に示すように、基板仕込み室３４を介して基板搬送室３１内に搬入した基板５０を、基板搬送ロボット３２によって真空蒸着室２内に搬入し、基板ホルダー２０に装着する。

その一方、予め蒸発材料１０を材料搬送トレイ６に装着しておいた材料供給カセット８を人手によって第２の材料交換室４２内に搬入する。そして、トレイ搬送ロボット４４を用い、所定の位置（ここでは最上段）の一つの材料搬送トレイ６を第１の材料交換室４１を介して真空蒸着室２内に搬入し、この材料搬送トレイ６を、真空蒸着室２内の所定の成膜位置、例えばヒータ２２の上方にヒータに対して離間した位置に位置決めする。

そして、この状態で、真空蒸着室２内の圧力を所定の値に調整し、図４に示すように、ヒータ２２を動作させて蒸発容器７を介して蒸発材料１０を加熱することにより、各蒸発容器７内の蒸発材料１０を全て蒸発させ基板５０上にリチウム層を形成する。
本工程では、駆動モータ２１を動作させ、基板５０を水平方向に向けて回転させながら蒸着を行う。

なお、効率良く連続的に蒸着を行う観点からは、例えば、図４に示すように、蒸着中に、次に蒸着を行うべき基板５０を予め基板仕込み室３４内に搬入しておくことが好ましい。
また、同様に効率良く連続的に蒸着を行う観点からは、例えば、図４に示すように、材料仕込み室４５内において、トレイ本体６０に装着された蒸発容器７内への蒸発材料１０の挿入作業を適宜必要に応じて行うことが好ましい。

蒸着工程終了後は、図５に示すように、基板ホルダー２０から離脱させた基板５０を、基板搬送ロボット３２によって基板搬送室３１内に搬入する。
さらに基板搬送ロボット３２を下降させ、ゲートバルブ３５を介して基板取り出し室３６内に基板５０を搬入し、さらに、図示しない基板搬送ロボットを用いて基板取り出し室３６から基板５０を排出する。

その一方、蒸発材料１０を使い切った材料搬送トレイ６を、トレイ搬送ロボット４４によって真空蒸着室２から第１の材料交換室４１を介して第２の材料交換室４２内に搬入し、材料供給カセット８の元の最上段の位置に装着する。
その後、図６に示すように、基板搬送室３１内において、基板搬送ロボット３２を上昇させ、基板仕込み室３４内の基板５０を、基板搬送ロボット３２によって真空蒸着室２内に搬入し、基板ホルダー２０に装着する。

その一方、駆動モータ４８を動作させて第２の材料交換室４２内においてカセット昇降機構４７を上昇させ、トレイ搬送ロボット４４を用い、材料供給カセット８の例えば中段の材料搬送トレイ６を第１の材料交換室４１を介して真空蒸着室２内に搬入し、この材料搬送トレイ６を、真空蒸着室２内の成膜位置例えばヒータ２２の上方の成膜位置に位置決めする。

そして、上述したように、真空蒸着室２内において、ヒータ２２を動作させて蒸発容器７を介して蒸発材料１０を加熱し、各蒸発容器７内の蒸発材料１０を全て蒸発させ基板５０上にＬｉ層を形成する。
蒸着終了後は、上述した工程を繰り返す。すなわち、蒸着が終了した基板５０を、基板搬送ロボット３２によって基板搬送室３１を介して基板取り出し室３６内に搬入し、さらに基板取り出し室３６から基板５０を排出する。

また、蒸着が終了した材料搬送トレイ６を、トレイ搬送ロボット４４によって真空蒸着室２から第１の材料交換室４１を介して第２の材料交換室４２内に搬入し、材料供給カセット８の元の位置に装着する。
その後、第２の材料交換室４２内における材料供給カセット８の材料搬送トレイ６の蒸発材料１０を全て使い切った場合には、人手によって材料供給カセット８を材料仕込み室４５に戻し、新たな材料供給カセット８を人手によって第２の材料交換室４２内に搬入する。

以下、上述した工程を繰り返すようにする。
なお、蒸着が終了した蒸発容器７については、純水を用いて洗浄するとよい。
純水を用いれば、リチウムを効率良くほぼ完全に除去することができる。
本実施の形態の場合、真空蒸着室２に接続され、真空蒸着室２との間で基板５０を供給し、かつ、交換するための基板供給交換系３と、蒸発材料１０を真空蒸着室２との間で供給し、かつ、交換するための材料供給交換系４とを有しており、材料供給交換系４は、大気に対して遮断された乾燥雰囲気中で蒸発容器７内に蒸発材料１０を配置する材料仕込み領域（材料仕込み室４５）を有するとともに、真空蒸着室２との間で蒸発容器７を搬送するトレイ搬送ロボット４４が設けられていることから、反応性の高いリチウムからなる蒸発材料１０を真空蒸着室２に搬入する際、また、蒸着終了後に蒸発容器７を真空蒸着室２から材料供給交換系４に戻す際において、水分等が蒸発材料１０や蒸発容器７に付着して蒸発材料１０が劣化することを阻止できる。

また、本実施の形態によれば、真空蒸着室２内には、材料供給交換系４から供給された蒸発容器７を加熱するためのヒータ２２が設けられており、この蒸発容器７を加熱して基板５０上に真空蒸着を行うことにより、急速に蒸発材料１０を加熱し、蒸着終了後には、蒸発容器７を急速に冷却することができる。

また、本実施の形態の場合、例えば、蒸発材料１０の量を１回の蒸着工程によって全て蒸発する量に設定することにより、蒸着の際に蒸発材料１０を使い切ることができるため、シャッタや膜厚モニタを用いることなく、簡素な構成の装置で所望の膜厚の成膜を行うことができる。また、特に経時変化や雰囲気変化に起因するリチウムからなる蒸発材料１０の劣化を確実に防止することができる。

さらに、本実施の形態のように、例えばリチウムを収容した蒸発容器７を用いて蒸着を行った後、この蒸発容器７を材料仕込み室４５に戻す工程を繰り返すことにより、真空蒸着室２内を高真空にした状態で蒸発材料１０の供給が可能になる。
一方、本実施の形態では、複数の蒸発容器７を着脱自在に装着可能な材料搬送トレイ６を用い、この材料搬送トレイ６を搬送することにより蒸発材料１０の供給及び交換を行うことから、複数の蒸発容器７を一括して搬送して蒸発材料１０の供給及び交換ができ、各工程の効率を大幅に向上させることができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、上述の実施の形態においては、蒸発容器７を材料搬送トレイ６に装着して蒸発材料１０の供給及び交換を行うようにしたが、本発明はこれに限られず、例えば搬送ロボット等を用いて複数の蒸発容器７の供給及び交換を行うことも可能である。

ただし、蒸着工程を効率良く行う観点からは、上記実施の形態のように、蒸発容器７を材料搬送トレイ６に装着して蒸発材料１０の供給及び交換を行うことが好ましい。
また、上記実施の形態における各室の配置構成は一例であり、必要とするプロセスに応じて適宜変更することができる。例えば、材料供給交換系を一つの大きな室として構成することもできる。

さらに、本発明は、種々の材料、形状、大きさの基板、例えば、シリコン基板、セラミックス基板、耐熱樹脂基板、雲母基板等に適用することができるものである。
さらにまた、本発明はリチウム以外の材料にも適用することができるが、負極にリチウムを用いるリチウム二次電池を製造する技術に最も有効となるものである。

Claims (4)

1. 基板上に蒸発材料を蒸着によって蒸着する真空蒸着室と、
   前記真空蒸着室に接続され、当該真空蒸着室との間で基板を供給し、かつ、交換するための基板供給交換系と、前記蒸発材料を前記真空蒸着室との間で供給し、かつ、交換するための材料供給交換系とを有し、
   前記材料供給交換系には、大気に対して遮断された雰囲気中で、１回の蒸着工程によって全て蒸発する量に設定された蒸発材料を蒸発容器内に配置する材料仕込み室、並びに、当該材料仕込み室に接続され、真空中で前記真空蒸着室との間で前記蒸発材料の供給及び交換を行う材料供給交換室を有する材料仕込み領域と、前記真空蒸着室との間で前記蒸発容器を搬送する蒸発容器搬送領域とが設けられ、前記真空蒸着室内には、前記材料供給交換系から供給された前記蒸発容器を加熱するためのランプ加熱方式のヒータからなる加熱手段が設けられている真空蒸着システム。
2. 請求項１記載の真空蒸着システムを用いた真空蒸着方法であって、
   前記材料仕込み領域において前記蒸発容器内に１回の蒸着工程によって全て蒸発する量の蒸発材料を配置する工程と、
   前記材料仕込み領域から前記蒸発容器を搬送して前記真空蒸着室内に搬入し前記蒸発材料を供給する工程と、
   前記真空蒸着室内において、前記蒸発容器を加熱して前記基板上に真空蒸着を行う工程と、
   前記真空蒸着終了後、前記真空蒸着室から前記蒸発容器を排出して前記材料供給交換系の前記材料仕込み領域に戻す工程とを有する真空蒸着方法。
3. 複数の前記蒸発容器を着脱自在に装着可能な容器搬送部材を用い、当該容器搬送部材を搬送することにより、前記蒸発材料の供給及び交換を行う請求項２記載の真空蒸着方法。
4. 前記蒸発材料は、リチウムからなる請求項２又は３のいずれか１項記載の真空蒸着方法。
   

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