JP5623390B2 - Apparatus and method for removing alkali metal or alkaline earth metal from a vacuum coating chamber - Google Patents
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- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/4401—Means for minimising impurities, e.g. dust, moisture or residual gas, in the reaction chamber
- C23C16/4405—Cleaning of reactor or parts inside the reactor by using reactive gases
Description
本発明は請求項1及び11の前提項に係る装置(アレンジメント)及び方法に関する。
The invention relates to a device (arrangement) and method according to the premise of
現代のリチウム電池は概して真空チャンバ内で生産される。その基板はリチウム層を備えている。リチウム層は、例えば気相状態のリチウムを基板上に堆積することを通して形成される。リチウムは非常に反応性が高いので、真空チャンバを開けた後のオペレータによる接触は避けなければならない。たとえ余分なリチウムが真空チャンバからポンプで送出されたとしても、真空チャンバの内壁又は面上、及び/又はマスキングに堆積したリチウム粒子が、オペレータに危害を加えるおそれが依然として残っている。 Modern lithium batteries are generally produced in a vacuum chamber. The substrate includes a lithium layer. The lithium layer is formed, for example, by depositing vapor phase lithium on the substrate. Lithium is so reactive that contact by the operator after opening the vacuum chamber should be avoided. Even if excess lithium is pumped out of the vacuum chamber, there remains a risk that lithium particles deposited on the inner wall or surface of the vacuum chamber and / or on the mask may harm the operator.
リチウムを真空チャンバ内で蒸気に変換し、続いて基板上に堆積させるリチウム電池の製造法が既に知られている(JP59−060866、JP2003−007290、JP2003−234100、JP2007−207663)。真空チャンバのクリーニングに関しては、これらの刊行物には何も見当たらない。 There are already known methods for producing lithium batteries in which lithium is converted into vapor in a vacuum chamber and subsequently deposited on a substrate (JP 59-060866, JP 2003-007290, JP 2003-234100, JP 2007-207663). There is nothing in these publications regarding vacuum chamber cleaning.
クリーニングガスによってコーティング設備内部の望ましくない堆積物を除去することが更に知られている(JP2003−229365)。しかしながら、リチウム又はアルカリ金属はここには記載されていない。 It is further known to remove undesired deposits inside the coating facility with a cleaning gas (JP 2003-229365). However, lithium or alkali metals are not described here.
更に、O2を含むガスによって処理チャンバをクリーニングすることは既知である(US2007/0163617 A1)。ここでは、クリーニングは昇温・減圧の下で行われる。プラズマによってクリーニング処理を実行することもできるので、ガスがHラジカルも含んでいることは望ましい。しかしながら、処理チャンバの壁は、リチウム又は別の攻撃力に富む材料でクリーニングされるのではなく、タングステンでクリーニングされている。 Furthermore, it is known to clean the processing chamber with a gas containing O 2 (US 2007/0163617 A1). Here, the cleaning is performed under elevated temperature and reduced pressure. Since the cleaning process can also be performed by plasma, it is desirable that the gas also contains H radicals. However, the walls of the processing chamber are not cleaned with lithium or another aggressive material, but with tungsten.
コーティングチャンバをクリーニングするための更なる方法がDE103 38 275A1で開示されている。この方法において、処理チャンバはコーティング処理の前に、調整されたパージガスによって一掃される。パージガスは湿度値が最大30%であるO2及びN2を含むことが望ましい。コーティングチャンバはコーティング処理前にクリーニングされ、コーティング材料はリチウムではない。 A further method for cleaning the coating chamber is disclosed in DE 103 38 275 A1. In this method, the processing chamber is purged with a conditioned purge gas prior to the coating process. The purge gas preferably contains O 2 and N 2 with a humidity value of up to 30%. The coating chamber is cleaned before the coating process and the coating material is not lithium.
US2002/0185067 A1では、CVDシステムにおけるスロットルバルブのインサイチュー(in−situ、その場での)クリーニングのための装置及び方法を開示している。ここでは、F2、C2F6、O2、NF3を含む可能性のあるクリーニングガスを導入している。リチウムについては議論されていない。 US 2002/0185067 A1 discloses an apparatus and method for in-situ cleaning of a throttle valve in a CVD system. Here, a cleaning gas that may contain F 2 , C 2 F 6 , O 2 , and NF 3 is introduced. Lithium is not discussed.
更に、とりわけN2及びO2をクリーニングガスとして使用するコーティングチャンバのクリーニング処理は既知である(EP1 612 857 A1)。これらのガスはプラズマに変換されて、その後、CVDチャンバの内壁をクリーニングするために利用される。高周波がプラズマの生成に利用される。しかしながら、Liではなく、むしろSi3N4又はSiO2が取り除かれている。 Furthermore, cleaning processes for coating chambers using N 2 and O 2 as cleaning gases are known (EP 1 612 857 A1). These gases are converted to plasma and then used to clean the inner walls of the CVD chamber. High frequency is used to generate plasma. However, not Li, but rather Si 3 N 4 or SiO 2 has been removed.
EP 0 441 368 Aは、PVDチャンバから余剰材料を除去するための装置及び方法を開示している。クリーニングサイクルの間、PVDチャンバ内は真空が作られ、反応ガスを含む混合ガスがPVDチャンバ内へ導入される。ここで、反応ガスはプラズマ放電を通して活性化する。また、クリーニングの目的はスクリーニングでもある。しかしながら、除去される材料はTi、W、Alであり、Liではない。 EP 0 441 368 A discloses an apparatus and method for removing excess material from a PVD chamber. During the cleaning cycle, a vacuum is created in the PVD chamber, and a mixed gas containing reaction gas is introduced into the PVD chamber. Here, the reactive gas is activated through plasma discharge. The purpose of cleaning is also screening. However, the material to be removed is Ti, W, Al, not Li.
JP 2002−206160は、リチウム金属又はリチウム合金の薄膜を製造するための装置を開示している。装置内壁に付いたリチウム金属を取り除くために、内壁に付いたリチウム金属を溶かすためのヒーターが提供されている。装置に付いたリチウム金属を溶かして除去することによって、装置が大気に開放されるときの湿気とリチウム金属との反応に起因する点火と爆発の危険を回避することができる。 JP 2002-206160 discloses an apparatus for producing a thin film of lithium metal or lithium alloy. In order to remove the lithium metal attached to the inner wall of the apparatus, a heater for melting the lithium metal attached to the inner wall is provided. By melting and removing the lithium metal attached to the device, the risk of ignition and explosion due to the reaction between moisture and lithium metal when the device is opened to the atmosphere can be avoided.
本発明は、薄膜電池の製造中に、意図に反してコーティングされた、例えばマスキングや金属ライニングシート等の真空コーティングチャンバの部品をクリーニングする問題を対象とする。 The present invention is directed to the problem of cleaning parts of a vacuum coating chamber, such as masking and metal lining sheets, which are unintentionally coated during the manufacture of thin film batteries.
この問題は請求項1及び11の構成によって解決される。
This problem is solved by the configurations of
本発明で得られる利点は、特に意図に反してコーティングされた部品が簡単な方法でクリーニングされ、サイクルタイム又はサービスタイムが短縮されることを含む。また、周期的にクリーニングを行うことができるので、コーティング設備を間断なく稼動させることができる。 The advantages obtained with the present invention include, in particular, unintentionally coated parts being cleaned in a simple manner, reducing cycle time or service time. Further, since the cleaning can be performed periodically, the coating facility can be operated without interruption.
従って、本発明はアルカリ金属又はアルカリ土類金属で基板をコーティングするためのコーティング設備の真空コーティングチャンバから、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の残留物を除去するクリーニング方法に関する。この目的のために、アルカリ金属又はアルカリ土類金属と反応して対応する固体化合物を形成するN2、O2、又は空気の群からのガスをチャンバ内に導入する。また、真空コーティングチャンバ内に追加的に水を導入することもできる。 Accordingly, the present invention relates to a cleaning method for removing alkali metal or alkaline earth metal residues from a vacuum coating chamber of a coating facility for coating a substrate with an alkali metal or alkaline earth metal. For this purpose, a gas from the group of N 2 , O 2 , or air is introduced into the chamber that reacts with the alkali metal or alkaline earth metal to form the corresponding solid compound. It is also possible to introduce additional water into the vacuum coating chamber.
アルカリ金属又はアルカリ土類金属がガスと反応した後で、真空コーティングチャンバから対応する固体化合物が除去される。 After the alkali metal or alkaline earth metal has reacted with the gas, the corresponding solid compound is removed from the vacuum coating chamber.
本発明の実施形態の例が図に示されており、以下で更に詳しく記載される。図面は以下を示している。 Examples of embodiments of the present invention are shown in the figures and are described in more detail below. The drawings show the following:
基板2をコーティングできるコーティング設備1の断面が図1に示される。このコーティング設備1は、真空コーティングチャンバ3を含んでおり、その2つの側壁4、5は明らかである。マスキング6は基板2と蒸気供給システム7の間に配置され、蒸気供給システム7は蒸発器るつぼ8、バルブ9、蒸気入口10〜13を含む。蒸気入口の端は、直線的に形成された開口を有する垂直方向に指向されるチューブとして備わる直線分配器14によって形成されている。これらの開口はマスキング6の反対側に位置している。真空チャンバ3内のカバーが15、16で示されている。
A cross section of a coating facility 1 capable of coating a substrate 2 is shown in FIG. The coating equipment 1 includes a
例えば、薄膜リチウム電池製造用のリチウムは蒸発器るつぼ8内で溶融し蒸発する。リチウムの代わりに、例えばセシウムのようなアルカリ金属及びアルカリ土類金属の群からなる別の反応性金属を利用することも可能である。 For example, lithium for manufacturing a thin film lithium battery melts and evaporates in the evaporator crucible 8. Instead of lithium, another reactive metal from the group of alkali metals and alkaline earth metals such as cesium can be used.
蒸発物質は蒸気入口10〜13を通って分配器14に到達し、ここから全ての場合に提供される必要はないマスキング6を経由して、基板2へ到達する。更に、蒸発物質はカバー15、16及びそれが到達することを意図しない他の部品にも到達する。
The evaporating material reaches the
基板2のコーティングが完了すると、オペレータが真空チャンバ3を開けて、コーティングされた基板2を取り除くとき、反応性の高いリチウムによって危害を被らないように、意図に反してコーティングされた部品はコーティングを除去しなければならない。
When the coating of the substrate 2 is complete, the uncoated parts are coated so that they are not harmed by the reactive lithium when the operator opens the
しかしながら、人がリチウム又は他のアルカリ土類金属又はアルカリ金属と接触しないためには、これらの金属は設備から取り除かなければならない。コーティング処理が終了し、基板が図1に示されていない真空ロックを経由してコーティング設備1から運ばれた後で、設備からこれらの反応性の高い金属の除去が行われる。基板がコーティング設備1から取り除かれた後で、1つ又はいくつかのガスが真空チャンバ3を開ける前に真空チャンバ3内に導入される。
However, in order for humans not to come into contact with lithium or other alkaline earth metals or alkali metals, these metals must be removed from the facility. After the coating process is complete and the substrate is transported from the coating facility 1 via a vacuum lock not shown in FIG. 1, removal of these highly reactive metals from the facility takes place. After the substrate has been removed from the coating facility 1, one or several gases are introduced into the
この目的のために、N2、O2、又は空気のガスを含むいくつかのガス容器20、21、22が真空チャンバ3の外側に提供される。ガスの活性化は絶対的に必要というわけではない。これらのガス容器20、21、22は供給管23、24、25及びバルブ26、27、28を介して真空チャンバ3に接続される。もしもN2が真空チャンバ3内に導入されるならば、反応式6Li+N2→2Li3Nに従って、N2分子はリチウムと結合する。この最終生産物は、真空チャンバ3の垂直面から底部まで落下するか、又は反応場所に付着する固体である。
For this purpose,
もしO2が真空チャンバ3に導入されるならば、式4Li+O2に基づいて、無色の粉末状の固体化合物Li2Oが形成され、これも無毒であり垂直な部分から落下する。
If O 2 is introduced into the
純粋な酸素の代わりに真空チャンバ3内に空気を導入することも可能であることが理解される。ここでこの空気にはO2が豊富である。空気は酸素のみならず窒素も両方含んでいるので、その結果リチウムは酸素と反応するのみならず窒素とも反応する。ここで空気にある程度の湿度があるならば有利である。このため、空気に水が豊富となるように追加することができる。もしも空気中に水も含んでいるならば、以下の反応が起こる。
Li+H2O→LiOH+1/2H2
It is understood that it is also possible to introduce air into the
Li + H 2 O → LiOH + 1 / 2H 2
空気と水が導入されるとき、Li3NとLi2Oに加えて、LiOHとLi2CO3も形成される。 When air and water are introduced, LiOH and Li 2 CO 3 are also formed in addition to Li 3 N and Li 2 O.
例えば、Li2CO3は以下の反応を通して形成される: 2LiOH+CO2→Li2CO3+H2O。 For example, Li 2 CO 3 is formed through the following reaction: 2LiOH + CO 2 → Li 2 CO 3 + H 2 O.
高温ではLi2CO3は再びLi2OとCO2に分解する。また、同じことがLiOHにも当てはまり、Li2OとH2Oに分解する。リチウム化合物は、あらゆる場合において無毒であり、空気中に安定して存在していなければならない。 At high temperatures, Li 2 CO 3 decomposes again into Li 2 O and CO 2 . The same applies to LiOH, which decomposes into Li 2 O and H 2 O. Lithium compounds must be non-toxic in all cases and stable in air.
H2O、O2、N2の反応は発熱するので、真空チャンバ3を冷やすのが有利である。図1に図示されない冷却システムによってこれを行うことが可能である。
Since the reaction of H 2 O, O 2 and N 2 generates heat, it is advantageous to cool the
原則として、金属Li又は他のアルカリ金属及びアルカリ土類金属も、例えばハロゲン又はこれらハロゲンの水素化合物などのような他の物質と反応させることができる。 In principle, metal Li or other alkali metals and alkaline earth metals can also be reacted with other substances such as, for example, halogens or hydrogen compounds of these halogens.
しかしながら、これらのハロゲン又はハロゲン化合物は非常に反応性が高く、また化学的にチャンバを攻撃する可能性もあるので、これらの化合物を使用する際には、これらの化合物に対して化学的に不活性な材料でチャンバを作ることが必要である。 However, since these halogens or halogen compounds are very reactive and may chemically attack the chamber, they are chemically insensitive to these compounds when used. It is necessary to make the chamber with an active material.
ガスの活性化は絶対的に必要というわけではないが、それにもかかわらず昇温して反応を実行させるのが有利である。30℃から200℃までの範囲の温度が選択可能であり、この温度で反応が開始する。より高い温度で、より速く反応が進むことは、明白である。反応が100mbarまでの圧力で起こるならば有利である。温度と圧力の選択は実質的に真空チャンバ3のデザイン次第である。もしも、純粋な酸素のみをガスとして使用するならば、例えば、80℃の温度と100mbarの酸素圧力が可能である。これによって最適な反応条件が確実となる。
Although activation of the gas is not absolutely necessary, it is nevertheless advantageous to carry out the reaction at an elevated temperature. A temperature in the range from 30 ° C. to 200 ° C. can be selected and the reaction starts at this temperature. It is clear that the reaction proceeds faster at higher temperatures. It is advantageous if the reaction takes place at pressures up to 100 mbar. The choice of temperature and pressure depends substantially on the design of the
クリーニング処理の間、反応がガスセンサ32によってモニターされるならば、それは有利である。ガスセンサ32として考えられるものは、例えば、質量分析計、ラムダプローブ、又はIR又はNIR分光計である。これらの測定装置を介して、ガス容積を処理中に決定することができる。もしもラムダプローブが用いられるならば、ガス又はガス混合物に酸素を加えるのが望ましい。この場合、酸素含有量は処理中に決定することができる。リチウムがチャンバ内に依然として存在しガスと反応している限り、反応性ガスの濃度はリチウムによって低下されるため、真空チャンバ3内にガスを導入する前のガス濃度を下回る。リチウムがガスと反応するとすぐに、ガスの濃度は再び初期値に到達する。これは、反応プロセスが完了したことを示す。ガスセンサ32による決定されていたガス容積が評価装置33に供給される。プロセスが完了すると、ポンプ30と抽出フィッティング31によって、真空チャンバ3の底部の粉を吸い出すことが可能である。また、真空チャンバ3に通気して、その後集塵機によって粉を除去することも可能である。ここで、超音波によって真空チャンバ3の壁に付着しているリチウム塩を底部へ落下させて取り除くのが有利である。これはクリーニング作業をかなり容易にする。例えば、圧力、温度、ガス又はガス混合物中に水の形で存在する含水量などのパラメータを設定することによって、リチウムとの反応を加速できる。湿気でガスを満たすために、フィードパイプ35を通して真空チャンバ3内に水を導入する。
It is advantageous if the reaction is monitored by the
リチウム塩がクリーニング処理の後に表面に付着したままで残っているか、又は破砕してその後真空チャンバ3の底に落ちるかは、実質的に形成されたリチウム塩の層の厚さに依存する。もしもコーティング反応で形成されたリチウム層が非常に薄いならば、非常に小さい粒径をもった塩がクリーニング処理で形成される。そのようなリチウム層は望ましくは、真空チャンバ3の壁によく付着したままで残っている。もしもコーティング処理中に厚いリチウム層が真空チャンバの壁に形成されたならば、層はガスとのクリーニング反応で形成され、そのような層は機械的応力の下にあるので、コーティングの破砕へとつながる可能性がある。こういった理由によって、真空チャンバ3の壁に依然として付着している塩残留物を超音波によって除去するのは、有利な場合がある。
Whether the lithium salt remains attached to the surface after the cleaning process or breaks and then falls to the bottom of the
ここに記載された実施形態によって達成された結果と実質的に同じ結果を達成するために、多様な変形形態及び代替形態が本発明とその利用及びその構成においてなされてもよいことを当業者は容易に認めることができる。従って、本発明を開示された例示的な形態に制限することは意図していない。特許請求の範囲に表現されているように、多くの変形形態、修正形態、及び代替構造が、開示された本発明の範囲及び精神に含まれる。 Those skilled in the art will appreciate that various modifications and alternatives may be made in the invention, its use, and its construction to achieve substantially the same results as those achieved by the embodiments described herein. It can be easily recognized. Accordingly, it is not intended that the invention be limited to the disclosed exemplary forms. Many variations, modifications and alternative constructions fall within the scope and spirit of the disclosed invention as expressed in the claims.
1 コーティング設備
2 基板
3 真空コーティングチャンバ
4 側壁
5 側壁
6 マスキング
7 蒸気供給システム
8 蒸発器るつぼ
9 バルブ
10 蒸気入口
11 蒸気入口
12 蒸気入口
13 蒸気入口
14 直線分配器
15 カバー
16 カバー
20 ガス容器
21 ガス容器
22 ガス容器
23 供給管
24 供給管
25 供給管
26 バルブ
27 バルブ
28 バルブ
30 ポンプ
31 抽出フィッティング
32 ガスセンサ
33 評価装置
35 フィードパイプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coating equipment 2
Claims (15)
前記真空コーティングチャンバ(3)は、供給管(23−25)を介して前記真空コーティングチャンバ(3)に接続される少なくとも1つのガス容器(20−22)を有し、
前記ガス容器はN2、O2又は空気の群からの気体を含み、前記真空コーティングチャンバ(3)は、ポンプ(30)に接続された抽出フィッティング(31)又は集塵機を底部に含む装置。 An apparatus for removing alkali metals or alkaline earth metals from a vacuum coating chamber (3),
The vacuum coating chamber (3) has at least one gas container (20-22) connected to the vacuum coating chamber (3) via a supply pipe (23-25);
The gas container viewed including the gas from N 2, O 2 or the group of air, the vacuum coating chamber (3), the pump (30) connected to the extraction fitting (31) or a dust collector device including the bottom of.
a)前記コーティング処理が完了した後に、前記真空コーティングチャンバ(3)が真空下に設定され、
b)N2、O2又は空気の群からなる気体が前記真空コーティングチャンバ(3)内に導入され、前記ガスはアルカリ金属又はアルカリ土類金属と前記真空コーティングチャンバ(3)内で反応して固体化合物を形成し、
c)前記固体化合物は前記真空コーティングチャンバ(3)から除去されるステップを特徴とする方法。 A method for removing alkali metal or alkaline earth metal from a vacuum coating chamber (3) of a coating facility (1), comprising:
a) After the coating process is completed, the vacuum coating chamber (3) is set under vacuum,
b) A gas consisting of a group of N 2 , O 2 or air is introduced into the vacuum coating chamber (3), and the gas reacts with the alkali metal or alkaline earth metal in the vacuum coating chamber (3). Forming a solid compound,
c) The solid compound is removed from the vacuum coating chamber (3).
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