JPWO2018193993A1 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

本発明の一形態に係る成膜装置は、成膜部と、第１の処理部と、第２の処理部と、真空チャンバと、を有する。上記成膜部は、リチウム金属を蒸発させる蒸発源を含み、基材上にリチウム金属膜を成膜する。上記第１の処理部は、上記リチウム金属膜の表面を水酸化する第１の処理室を含む。上記第２の処理部は、水酸化された前記表面を炭酸化する第２の処理室を含む上記真空チャンバは、上記成膜部、上記第１の処理部及び上記第２の処理部を収容する。

Description

本発明は、リチウム金属を蒸発させて基材上にリチウム金属膜を形成する成膜装置及び成膜方法に関する。

近年、携帯電話やスマートフォン等のモバイル機器の進展に伴い、これらの機器に搭載されるリチウムイオン二次電池が注目されている。このような、リチウムイオン二次電池はその製造工程において、リチウム金属を基材上に形成する工程が特に重要であり、これまでに種々の技術が提案されている。

例えば特許文献１には、チャンバ内でリチウム金属を蒸発させて、飛散した粒子を基材に堆積させることにより、基材上にリチウム金属を形成する技術が記載されている。ここで、特許文献１には、リチウム金属膜の表面に炭酸リチウムからなる保護膜を形成することで、リチウム金属膜の劣化を抑制する技術が記載されている。

特開２０１２−０１７４７８号公報

特許文献１では、基材上にリチウム金属膜が形成されたリチウム積層部材を水分が除去された処理室に移動し、この処理室に炭酸ガスを含む不活性ガスを導入することによって、リチウム金属膜の表面に炭酸リチウムからなる保護膜を形成している。

しかしながら、上記手法は水分が除去された環境で保護膜を形成する手法であるため、炭酸リチウムの前駆体である水酸化物が良好に形成されないことにより、保護膜が安定的に形成されないおそれがある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、リチウム金属膜に保護膜を安定的に形成可能な成膜装置及び成膜方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、成膜部と、第１の処理部と、第２の処理部と、真空チャンバと、を有する。
上記成膜部は、リチウム金属を蒸発させる蒸発源を含み、基材上にリチウム金属膜を成膜する。
上記第１の処理部は、上記リチウム金属膜の表面を水酸化する第１の処理室を含む。
上記第２の処理部は、水酸化された上記表面を炭酸化する第２の処理室を含む。
上記真空チャンバは、上記成膜部、上記第１の処理部及び上記第２の処理部を収容する。

この構成によれば、基材上に形成されたリチウム金属膜を水酸化処理することができる。これにより、炭酸リチウムからなる保護膜の前駆体である水酸化物を良好に形成することができ、後の炭酸化処理において保護膜を安定的に形成することができる。

また、上記構成によれば、リチウム金属膜の形成と、水酸化処理と、炭酸化処理を、真空チャンバ内で一貫して行うことができる。これにより、リチウム金属膜と外気との接触が防止されるため、リチウム金属膜の劣化を抑制し、安定的に保護膜を形成することができる。

上記真空チャンバ内に設けられ、長尺のフィルムである上記基材を搬送可能に構成された搬送機構をさらに具備し、
上記搬送機構は、上記成膜部より上記フィルムの搬送方向上流側に設けられ、上記フィルムを巻き出す巻出しローラと、上記第１及び第２の処理室より上記フィルムの搬送方向下流側に設けられ、上記フィルムを巻き取る巻取りローラとを有してもよい。

上記第１の処理部は、上記第１の処理室に酸素と水素とを含む第１のガスを導入する第１のガス供給ラインをさらに有し、
上記第２の処理部は、上記第２の処理室に炭素と酸素とを含む第２のガスを導入する第２のガス供給ラインをさらに有してもよい。

上記第１のガスは、水蒸気であり
上記第２のガスは、希ガスと炭酸ガスとの混合ガスであってもよい。

上記第１の処理部は、上記第１の処理室に導入された水蒸気の圧力を１．０×１０^−６Ｐａ以上１．０×１０^−２Ｐａ以下に調整する圧力調整機構をさらに有してもよい。
これにより、リチウム金属膜の劣化を抑制しつつ、リチウム金属膜に水酸化リチウムが良好に形成されるため、当該水酸化リチウムと炭酸ガスとの反応効率が向上する。よって、リチウム金属膜に炭酸リチウムからなる保護膜を良好に形成することができる。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜方法は、
基材上にリチウム金属膜が真空チャンバ内で成膜される。
上記リチウム金属膜の表面が真空チャンバ内で水酸化される。
水酸化された上記表面が上記真空チャンバ内で炭酸化される。

以上のように、本発明によれば、リチウム金属膜に保護膜を安定的に形成可能な成膜装置及び成膜方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る成膜装置の構成を示す概略側断面図である。 上記成膜装置を用いた成膜方法を示すフローチャートである。 上記成膜装置の成膜プロセスを示す模式図である。 上記成膜装置の成膜プロセスを示す模式図である。 上記成膜装置の成膜プロセスを示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

［成膜装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置１００の構成を示す概略側断面図である。図１に示すＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向は相互に直交する３軸方向を示し、Ｘ軸及びＹ軸は、水平方向、Ｚ軸方向は鉛直方向を示す。

成膜装置１００は、図１に示すように、真空チャンバ１１０と、成膜部１２０と、搬送部１３０と、第１処理部１４０と、第２処理部１５０と、回収部１６０と、搬送機構１７０と、を有する。

真空チャンバ１１０は、密閉構造を有し、真空ポンプＰ１を有する第１排気ラインＬに接続される。これにより、真空チャンバ１１０は、その内部が所定の減圧雰囲気に排気又は維持可能に構成される。また、真空チャンバ１１０は、図１に示すように、成膜部１２０、搬送部１３０、第１処理室１４１、第２処理室１５１及び回収部１６０をそれぞれ区画する複数の仕切り板１１１，１１２，１１３，１１４，１１５を有する。

成膜部１２０は、仕切り板１１１と真空チャンバ１１０の外壁により区画された成膜室であり、その内部に蒸発源１２１を有する。また、成膜部１２０は、第１排気ラインＬに接続されている。これにより、真空チャンバ１１０が排気される際には、先ず、成膜部１２０内が排気される。

一方、成膜部１２０は搬送部１３０と連通しているため、成膜部１２０内が排気されると、搬送部１３０内も排気される。これにより、成膜部１２０と搬送部１３０との間に圧力差が生じる。この圧力差により、後述するリチウム原料の蒸気流が搬送部１３０内に侵入することが抑制される。

蒸発源１２１は、リチウム金属を蒸発させるリチウム蒸発源であり、例えば、抵抗加熱式蒸発源、誘導加熱式蒸発源、電子ビーム加熱式蒸発源等で構成される。

搬送部１３０は、仕切り板１１１，１１２，１１５と、真空チャンバ１１０の外壁に区画された搬送室であり、真空チャンバ１１０内のＹ軸方向上方に配置される。本実施形態では、第１排気ラインＬを成膜部１２０にのみ接続したが、搬送部１３０にも別の排気ラインを接続することにより、搬送部１３０と成膜部１２０とを独立して排気してもよい。

第１処理部１４０は、第１処理室１４１と、第１ガス供給ライン１４２と、圧力調整機構１４３と、を有する。

第１処理室１４１は、仕切り板１１２，１１３，１１５と、真空チャンバ１１０の外壁により区画された処理室である。

第１処理室１４１は、第１ガス供給源Ｓ１を有する第１ガス供給ライン１４２に接続されている。これにより、第１処理室１４１は、その内部に第１ガスが導入可能に構成される。第１ガスは、酸素と水素を含むガスであれば特に限定されず、典型的には、水蒸気である。

第１処理室１４１は、ポンプＰ２を有する圧力調整機構１４３に接続されている。これにより、第１処理室１４１は、所定の減圧雰囲気に維持されると共に、第１処理室１４１内の第１ガスのガス圧が所定の圧力に調整される。

本実施形態では、第１処理室１４１に導入された第１ガスが排気される際に、先ず第１処理室１４１内が排気される。一方、第１処理室１４１は、搬送部１３０と連通しているため、第１処理室１４１内が排気されると、搬送部１３０内も排気される。これにより、第１処理室１４１と搬送部１３０と間に圧力差が生じる。この圧力差により、第１ガスが搬送部１３０内に侵入することが抑制される。

第２処理部１５０は、第２処理室１５１と、第２ガス供給ライン１５２と、第２排気ライン１５３と、を有する。

第２処理室１５１は、仕切り板１１３，１１４，１１５と、真空チャンバ１１０の外壁により区画された処理室である。

第２処理室１５１は、第２ガス供給源Ｓ２を有する第２ガス供給ライン１５２に接続されている。これにより、第２処理室１５１は、その内部に第２ガスが導入可能に構成される。第２ガスは、炭素と酸素を含むガスであれば特に限定されず、具体的には、例えば、アルゴン等の希ガスと二酸化炭素との混合ガスが用いられる。この場合、第２ガスに含まれる二酸化炭素の量も適宜設定可能であり、例えば体積比で５％程度である。

第２処理室１５１は、ポンプＰ３を有する第２排気ライン１５３に接続されている。これにより、第２処理室１５１は、所定の減圧雰囲気に維持可能に構成される。なお、第２処理室１５１内の内圧は第１処理室１４１の内圧と同圧又は高くてもよい。また、第２ガス供給ライン１５２は必要に応じて省略されてもよい。

搬送機構１７０は、巻出しローラ１７１と、メインローラ１７２と、巻取りローラ１７３と、を有する。

巻出しローラ１７１、メインローラ１７２及び巻取りローラ１７３は、それぞれ図示しない回転駆動部を備え、Ｚ軸周りに所定の回転速度で図１における矢印方向にそれぞれ回転可能に構成されている。これにより、真空チャンバ１１０内において、巻出しローラ１７１から巻取りローラ１７３へ向かって基材Ｆが所定の搬送速度で搬送される。

巻出しローラ１７１は、成膜部１２０より基材Ｆの搬送方向上流側に設けられ、基材Ｆをメインローラ１７２に送り出す機能を有する。なお、巻出しローラ１７１とメインローラ１７２との間の適宜の位置に独自の回転駆動部を備えていない適宜の数のガイドローラ（図示略）が配置されてもよい。

メインローラ１７２は、基材Ｆの搬送方向において巻出しローラ１７１と巻取りローラ１７３との間に配置される。メインローラ１７２は、Ｙ軸方向における下部の少なくとも一部が、仕切り板１１１に設けられた開口部１１１ａを通って成膜部１２０に臨む位置に配置される。

これにより、メインローラ１７２は、所定の間隔を空けて開口部１１１ａに対向し、蒸発源１２１とＹ軸方向に対向する。

メインローラ１７２は、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム等の金属材料で筒状に構成され、その内部に例えば図示しない温調媒体循環系等の温調機構が設けられてもよい。メインローラ１７２の大きさは特に限定されないが、典型的には、Ｚ軸方向の幅寸法が基材ＦのＺ軸方向の幅寸法よりも大きく設定される。

巻取りローラ１７３は、仕切り板１１４，１１５と、真空チャンバ１１０の外壁により区画された空間である回収部１６０に配置され、巻出しローラ１７１から巻き出され成膜部１２０でリチウム金属が成膜された基材Ｆを回収する機能を有する。

なお、巻取りローラ１７３とメインローラ１７２との間の適宜の位置に独自の回転駆動部を備えない適宜の数のガイドローラ（図示略）が配置されてもよい。

基材Ｆは、例えば、所定幅に裁断された長尺のフィルムである。基材Ｆは、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス等の金属で構成される。これに限られず、基材Ｆには、ＯＰＰ（延伸ポリプロピレン）フィルム、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）フィルム、ＰＩ（ポリイミド）フィルム等の樹脂フィルムが用いられてもよい。

基材Ｆの厚さは、特に限定されず、例えば数μｍ〜数十μｍである。また、基材Ｆの幅や長さについても特に制限はなく、用途に応じて適宜決定可能である。

成膜装置１００は、以上のような構成を有する。なお図示せずとも、成膜装置１００は、蒸発源１２１や搬送機構１７０、真空ポンプＰ１〜Ｐ３、第１及び第２ガス供給源Ｓ１，Ｓ２等を制御する制御部を備える。上記制御部は、ＣＰＵやメモリを含むコンピュータで構成され、成膜装置１００の全体の動作を制御する。また成膜装置１００の構成は図１に示す構成に限定されるものではなく、例えば、成膜部１２０、蒸発源１２１、搬送部１３０、第１処理室１４１、第２処理室１５１及び回収部１６０の配置や大きさ等は適宜変更可能である。

［成膜方法］
図２は、成膜装置１００を用いた成膜方法を示すフローチャートである。図３〜図５は、成膜装置１００の成膜プロセスを示す模式図である。以下、成膜装置１００の成膜方法について、図２に沿って、図３〜図５を適宜参照しながら説明する。なお、以下の成膜方法においては、一例として、基材Ｆ上に形成されたリチウム金属膜に炭酸リチウムからなる保護膜を形成する方法について説明する。

（ステップＳ０１：排気処理）
真空ポンプＰ１，Ｐ２，Ｐ３を起動させ、真空チャンバ１１０内を排気し、成膜部１２０、搬送部１３０、第１処理室１４１及び第２処理室１５１各々を所定の真空度に維持する。一例として、成膜部１２０内の圧力は、１×１０^−５Ｐａ以上１×１０^−２Ｐａ以下に調整される。

第１処理室１４１内には、第１ガス供給ライン１４２から第１ガスが導入される。本実施形態では第１ガスとして水蒸気が用いられ、圧力調整機構１４３により、第１処理室１４１内に導入された水蒸気の圧力が１．０×１０^−６Ｐａ以上１．０×１０^−２Ｐａ以下に調整される。これにより、後述する炭酸化処理（ステップＳ０４）において、水酸化物と第２ガスとの反応効率が向上する等の処理条件の最適化が図られる。

また、第２処理室１５１内には、第２ガス供給ライン１５２から第２ガスが導入される。本実施形態では第２ガスとしてアルゴンと炭酸ガスとの混合ガスが用いられ、第２排気ライン１５３により、第２処理室１５１内に導入された上記炭酸ガスの圧力が１×１０^−６Ｐａ以上１×１０^−３Ｐａ以下に調整される。

また、基材Ｆを支持する搬送機構１７０を駆動させ、基材Ｆを巻出しローラ１７１から巻取りローラ１７３に向けて搬送させる。成膜部１２０では、蒸発源１２１が金属リチウムを蒸発させ、メインローラ１７２上の基材Ｆに向けて出射するリチウム原料の蒸気流を形成する。

（ステップＳ０２：成膜工程）
巻出しローラ１７１、メインローラ１７２及び巻取りローラ１７３がＺ軸周りに所定の回転速度で連続的に回転することにより、メインローラ１７２上の基材Ｆが成膜部１２０を通過する過程で、リチウム金属の粒子が基材Ｆに堆積し、図３に示すように、基材Ｆ上にリチウム金属膜Ｍ１が形成される。リチウム金属膜Ｍ１の厚みは特に限定されず、例えば、数μｍ〜数十μｍである。

（ステップＳ０３：水酸化処理）
続いて、リチウム金属膜Ｍ１が形成された基材Ｆは、第１処理室１４１へ搬送され、リチウム金属膜Ｍ１の表面の水酸化処理が実施される。

第１処理室１４１では、リチウム金属膜Ｍ１の表面において、例えば下記式（１）で示す化学反応が起こり、リチウム金属膜Ｍ１の表面が水酸化される。よって、図４に示すように、リチウム金属膜Ｍ１の表面に水酸化リチウムからなる反応層Ｍ２が形成される。

２Ｌｉ＋２Ｈ_２Ｏ→２ＬｉＯＨ＋Ｈ_２Ｏ・・・（１）

（ステップＳ０４：炭酸化処理）
続いて、反応層Ｍ２が形成されたリチウム金属膜Ｍ１が形成された基材Ｆは、第２処理室１５１へ搬送され、リチウム金属膜Ｍ１の表面の炭酸化処理が実施される。

第２処理室１５１では、水酸化リチウムからなる反応層Ｍ２と炭酸ガスとの間で、例えば下記式（２）で示す化学反応が起こり、図５に示すように、リチウム金属膜Ｍ１に炭酸リチウムからなる保護層Ｍ３が形成される。

２ＬｉＯＨ＋ＣＯ_２→Ｌｉ_２ＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏ・・・（２）

（ステップＳ０５：回収）
保護層Ｍ３を有するリチウム金属膜Ｍ１が形成された基材Ｆは、巻取りローラ１７３に巻き取られる。

以上のようにして、リチウム金属膜Ｍ１に炭酸リチウムからなる保護層Ｍ３が形成されたリチウム積層基材Ｆ１が得られる。上記成膜方法により形成された保護層Ｍ３はリチウム金属膜Ｍ１の表面を覆う強固な保護膜として機能する。これにより、リチウム積層基材Ｆ１の変色や、この基材Ｆ１を用いた製品特性の劣化等が抑制される。

本実施形態によればリチウム金属膜Ｍ１を真空チャンバ１１０から出さずに保護層Ｍ３が形成される。これにより、リチウム金属膜Ｍ１と外気との接触が防止されるため、リチウム金属膜Ｍ１の劣化を抑制し、安定的に保護層Ｍ３を形成することができる。

また、成膜装置１００では、リチウム金属膜Ｍ１の形成と、水酸化処理と、炭酸化処理が真空チャンバ１１０内で一貫して行われる。これにより、リチウム金属膜Ｍ１に保護層Ｍ３を形成するために、例えばリチウム金属膜Ｍ１が形成された基材Ｆを真空チャンバ１１０以外の環境に移してエージングを施す等の処理が不要となる。よって、リチウム金属膜Ｍ１の形成から炭酸化処理までのタクトタイムが短縮するため、生産性が向上する。

さらに、成膜装置１００では、第１及び第２処理室１４１，１５１が基材Ｆの搬送経路上に設けられている。これにより、リチウム金属膜Ｍ１が形成された基材Ｆが回収される過程で必然的に第１及び第２処理室１４１，１５１を通過することになる。従って、上記基材Ｆ全体を均一に水酸化及び炭酸化することできるため、反応層Ｍ２及び保護層Ｍ３の形成具合のバラツキが抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、成膜方法の一例として真空蒸着法が採用されるが、これに限られず、分子線蒸着法、イオンプレーティング法又はイオンビーム蒸着法等が採用されてもよい。

また、上記実施形態では、第１及び第２処理室１４１，１５１内のガス圧が調整されることにより、上述の水酸化処理及び炭酸化処理の最適化が図られるが、これに限定されない。

例えば、成膜装置１００では、第１及び第２処理室１４１，１５１の大きさ、配置又は数を適宜変更したり、基材Ｆの搬送速度や搬送経路、あるいは、第１及び第２処理室１４１，１５１内の第１及び第２ガスの濃度や第１及び第２ガス供給ライン１４２，１５２の数を適宜変更したりすることで、上記実施形態の水酸化処理及び炭酸化処理の最適化が図られてもよい。

さらに、上記実施形態では、成膜装置１００の一例として巻取り式の成膜装置について説明したが、本発明は、例えば枚様式の成膜装置にも適用可能である。

１００・・・成膜装置
１１０・・・真空チャンバ
１２０・・・成膜部
１３０・・・搬送部
１４０・・・第１処理部
１４１・・・第１処理室
１４２・・・第１ガス供給ライン
１４３・・・圧力調整機構
１５０・・・第２処理部
１５１・・・第２処理室
１５２・・・第２ガス供給ライン
１７０・・・搬送機構
Ｆ・・・・・基材

Claims (6)

1. リチウム金属を蒸発させる蒸発源を含み、基材上にリチウム金属膜を成膜する成膜部と、
   前記リチウム金属膜の表面を水酸化する第１の処理室を含む第１の処理部と、
   水酸化された前記表面を炭酸化する第２の処理室を含む第２の処理部と、
   前記成膜部、前記第１の処理部及び前記第２の処理部を収容する真空チャンバと
   を具備する成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置であって、
   前記真空チャンバ内に設けられ、長尺のフィルムである前記基材を搬送可能に構成された搬送機構をさらに具備し、
   前記搬送機構は、
   前記成膜部より前記フィルムの搬送方向上流側に設けられ、前記フィルムを巻き出す巻出しローラと、
   前記第１及び第２の処理室より前記フィルムの搬送方向下流側に設けられ、前記フィルムを巻き取る巻取りローラと
   を有する
   成膜装置。
3. 請求項１又は２に記載の成膜装置であって、
   前記第１の処理部は、前記第１の処理室に酸素と水素とを含む第１のガスを導入する第１のガス供給ラインをさらに有し、
   前記第２の処理部は、前記第２の処理室に炭素と酸素とを含む第２のガスを導入する第２のガス供給ラインをさらに有する
   成膜装置。
4. 請求項３に記載の成膜装置であって、
   前記第１のガスは、水蒸気であり、
   前記第２のガスは、希ガスと炭酸ガスとの混合ガスである
   成膜装置。
5. 請求項４に記載の成膜装置であって、
   前記第１の処理部は、前記第１の処理室に導入された水蒸気の圧力を１．０×１０^−６Ｐａ以上１．０×１０^−２Ｐａ以下に調整する圧力調整機構をさらに有する
   成膜装置。
6. 基材上にリチウム金属膜を真空チャンバ内で成膜し、
   前記リチウム金属膜の表面を前記真空チャンバ内で水酸化し、
   水酸化された前記表面を前記真空チャンバ内で炭酸化する
   成膜方法。

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