TWI527925B - 用於鍍膜基板的結構配置 - Google Patents

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TWI527925B TW098116042A TW98116042A TWI527925B TW I527925 B TWI527925 B TW I527925B TW 098116042 A TW098116042 A TW 098116042A TW 98116042 A TW98116042 A TW 98116042A TW I527925 B TWI527925 B TW I527925B
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康寧麥可
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應用材料股份有限公司
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Description

用於鍍膜基板的結構配置
本發明有關於一種如請求項1前言所述之用於基板鍍膜的設備。
在US 4401052、DE10224908 A1、EP 1357200 A1等專利中，已揭示以硫化鎘、硫化鋅鎘或以有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)物質為鍍膜材料的設備。在這些文獻中所揭示的材料是先以汽化器加以汽化，之後再鍍覆在基板上。
然而，以這種設備無法汽化鹼金族或鹼土族金屬，因為這些金屬具有高反應性，並會與玻璃或水形成化合物。在鹼金族和鹼土族金屬中，特別讓人感興趣的是鋰金屬，因其可用來製造緩慢放電的電池和充電電池。
現代化的鋰電池係於1991年被首次引入市場。在此電池中，Li+離子在石墨陽極(LixC6)和層狀氧化物(Li1-xTMO2)陰極之間進行交換，TM為過鍍金屬，即鈷、鎳、或偶爾可為錳。在平均電壓為3.8V時，能量密度接近於180Whkg-1，此約為早期鉛酸電池的5倍。
鋰電池領域最近的發展涉及使用奈米材料。此外，也有人從事包含氧陰極和鋰陽極的鋰氧電池的研究。(M.Armand and J.-M Tarascon：Building Better Batteries, Nature,Vol.451,7,Febr.2008,pp.652-657)。
鋰電池也被製造成薄膜電池(WO 02/099910 A1,p.1,lines 17-20)。薄膜是以濺鍍方式施加。在濺鍍時，離子(例如，正磷酸鋰)被沉積在基板上。也可經由反應性濺鍍來施加LixPyONz的電解質層。
以電漿輔助化學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)的方式，將SiO2和鋰薄膜施加在基板上的方法也為已知(US 6177142 B1)。
使用電子束汽化器，將Li-Co-O鍍膜在基板上的方法也為已知(JP 2003-234100)。
其它已知在基板上製造鋰或鋰合金薄膜的設備為在真空中，將在坩堝中的鋰進行汽化(JP 2002-206160)。
最後，薄膜形成設備(具有一可形成真空或降壓狀態的薄膜形成腔室)中所使用之薄膜形成源為已知，且薄膜形成材料經由昇華或汽化，而在基板上形成薄膜(EP 1584 705 A)。這種薄膜形成源更包含：位於薄膜形成腔室中的排放口(用於朝向基板的薄膜形成表面排放形成薄膜材料)、位於薄膜形成腔室外部的材料供應部份，且包含裝有形成薄膜材料的材料容器。薄膜形成源中也具有使排放口與材料供應部份產生氣密式連通的排放通道。
本發明解決設置基板鍍膜設備的問題，該基板鍍膜設 備中鍍膜材料亦可為具有化學反應性的鹼金屬和鹼土金屬。
這個問題可依據包含申請專利範圍第1項所述之特徵的設備加以解決。
本發明可達成的特殊優點包含，可對汽化坩堝進行再補充或更換，且不會產生危險。這對於欲汽化的高反應性材料(例如，鋰)而言特別重要，因這些材料不可被接觸，也不可暴露於一般的大氣、氧氣和水之中。
因而，本發明有關於一種經由蒸氣分配器而在基板上進行鍍膜的設備。蒸氣分配器經由饋入系統與汽化坩堝連結。在坩堝和饋入系統之間至少設有一閥門。汽化坩堝位於一腔室中，可利用氣體源和真空幫浦，經由真空閥門進行抽空或充氣。
第1圖為可用於一真空腔室的蒸氣饋入系統1。在圖中，可明顯看出真空腔室的腔壁2。這種真空腔室的詳細內容揭示在專利號DE 10224908 A1的第1-3圖中。
蒸氣饋入系統1包含垂直方向的汽化管3，其對面設有欲進行鍍膜之基板4。汽化管3具有數個線性垂直安置的汽化器噴嘴，並與入口管5相連接，入口管5與汽化管3彼此成直角方式設置。汽化管3因此可做為蒸氣分配器。位於坩堝容座8中的圓筒形汽化坩堝7，與汽 化管3平行且與入口管5垂直。若欲汽化的反應材料為鋰，則所使用的坩堝7為不鏽鋼、鈦、或鉬。在汽化坩堝7之下為具有活塞10的汽缸9。在第1圖中的汽化坩堝7位於較低的位置，坩堝7可經由活塞10升高或降低。活塞10的側面為真空閥門11，坩堝腔室12可經由真空閥門11進行抽空和充氣，在一實例中，係以保護性氣體進行充氣。
然而，因為並非僅有坩堝7會與反應材料接觸，所以整個蒸氣饋入系統必須包含不會與此材料進行反應的相對惰性材料。
在坩堝腔室12中具有一線性導引器31，用以穩定坩堝腔室12。在線性導引器31中，設有一與汽化坩堝7相連接的導引元件32。藉由延著線性導引器31移動導引元件32，汽化坩堝7也隨之延著線性導引器31進行移動(即，箭頭33和34的方向)。
經由分離閥門13的協助(在第1圖為緊閉的狀態)，坩堝腔室12和坩堝7可脫離入口管5。分離閥門13位於墊圈25之上。入口管5包含方向向下的連接配件14。在第1圖中也可看到加熱用外罩15。連接配件14可由活塞17的一端16進行封閉。這個連接配件14更包含一個半球狀部份19(a calotte-shaped part 19)，可以銜接汽化坩堝7的上部18。活塞17是連接到一汽缸，並透過此汽缸而移動此活塞17。透過汽缸35可為空氣作動的汽缸。
在坩堝腔室12之中，可發現被裝在活塞10上面的支撐裝置36。一熱耦44從真空密封功率穿導件50(power feedthrough)開始螺旋纏繞於支撐裝置36，並終止於坩堝7底部的刻痕51。經由熱耦44，可測量汽化坩堝7的底部溫度。熱耦44的螺旋狀纏繞，一端固定於功率穿導件50上，另一端固定於支撐裝置36上，以容許坩堝7從一較低位置被抬升到一較高位置。如第2圖所繪示。熱耦44與坩堝7可藉由活塞10，分別朝向箭頭33和34的方向移動。
在第1圖中也可見手套箱40的側壁6，手套箱40封圍住汽化坩堝7和汽化器腔室12。藉由手套箱40，可在保護性氣體存在下，進行汽化坩堝7的更換或是材料的填充。在一實例中，保護性氣體可為氬氣。第1圖所示之手套箱40僅為部份簡圖。
第1圖更繪示了壓力計測頭38，適以測量汽化坩堝7的壓力。當汽化坩堝7的壓力達到期望值時，即可經由一控制器(第1圖中未繪示)來開啟或關閉分離閥門13。
在第1圖中也可發現冷卻口37(僅示出一部份)。這種冷卻口37與供應單元連接(在第1圖中未繪示)，冷卻方法可為水冷式。如果需要，可以這種方式來冷卻外殼41。這種冷卻口37可以經由一元件(例如，一條橡皮管(未於第1圖中繪示))而連接至供應單元。如果冷卻方法為水冷式，供應單元可為一般的水路連接。
第2圖所示為與第1圖相同的裝置，然而其中的汽化 坩堝7由活塞10升起，特別的一點在於，汽化坩堝7最頂端的部份18，插入在連接配件14的最底端的部份19內。因連接配件14最底端部份被設計成半球狀，汽化坩堝7最頂端的部份18於此會成為球狀。分離閥門13此時為開啟。
坩堝加熱系統20圍繞在汽化坩堝7的周圍。此坩堝加熱系統20是連接到一比例積分微分(Proportional Integral Derivative,PID)控制器21，PID控制器21與速度擷取器22連接。速度擷取器22具有一測量裝置23，例如振盪晶體或是發射光譜儀。這種測量裝置23可擷取從汽化管3抵達基板4的材料汽化速率。為了此目的，在汽化管3中裝置了一個特別的噴嘴24，可產生與基板4之鍍膜速率成比例的速率訊號。蒸氣氣流經由噴嘴24到達測量元件23。經由這種方式，可將坩堝加熱系統20調為一鍍膜速率的函數。在PID控制器21上也可設置一組標準值。PID控制器也可以使用其它的控制器取代。PID控制器為一般基本型態的控制器，包含PD(比例微分)控制器和I(積分)控制器的平行電路，其同時結合早期干擾物質的偵測、快速校正和去除調節偏差等特性。但如果調節的製程包含了空載時間(dead time)，就不可以使用PID控制器(因為其具有D(微分)元件)。
由經由垂直線性配置的孔洞離開汽化管3的蒸氣，象徵性地以箭頭26表示。這些孔洞經設計使得能夠達成高汽化速度和均勻的鍍膜。例如，孔洞的直徑為1mm至4 mm，且間距為5mm至30mm。為了補償在基板4邊緣區域膜厚的減少，在此處所裝置的孔洞或噴嘴口，彼此之間可以更靠近，例如，間距只有其它孔洞一半的距離。除了圓柱型的孔洞，據信也可使用狹長的孔洞或其它型式的開口。
第3圖表示了與第1圖相同的裝置，然而具有兩個分離閥門13和27，兩者皆為緊閉。兩個分離閥門13和27可在保護性氣體存在之下更易於更換汽化坩堝7。上方分離閥門13可將鍍膜腔室28與大氣壓力29分離，而下方分離閥門27可將坩堝腔室8(以保護性氣體填充)與大氣壓力29分離。分離閥門27位於墊圈25之上。
分離閥門27的外殼必須被設計成真空密封，然而閥門的閘門只需密封防止氣體擴散。因為當將坩堝7充氣至大氣壓力之後，與周圍空氣之間就沒有壓差，因此閥門27的閘門不需要吸收任何因真空所產生的力量。
第3圖中所表示之汽化坩堝7位於較低位置。坩堝腔室12經由真空閥門11進行抽真空或充氣，在一實例中，以保護性氣體進行充氣。真空閥門11與氣體源和真空幫浦的連接關係未於圖中繪示。在一實例中，氣體源和真空幫浦可視情況選擇性地與T形管及合適安裝的閥門連接，以軟性波浪狀管路導引至閥門11。為了坩堝腔室12中移除汽化坩堝7，腔室進行了充氣。在手套箱40中，可對汽化坩堝7進行裝填或更換。手套箱40此時處於具有保護性氣體(例如，氬氣)的情況下。
在第4圖的繪示中，汽化坩堝7經由軌道30被帶到遠離汽化腔室的位置。其進行方式為以箭頭39的方向移動汽化腔室12。在這個位置較易於進行汽化坩堝7的更換或裝填。上方分離閥門13此時為緊閉，所以汽化腔室維持在真空狀態下。此時的真空未被破壞。
可瞭解的是，坩堝7的更換或裝填僅能於閥門27為開啟的狀態下進行。汽化坩堝7必需以手套箱40封圍住，並在其中填入保護性氣體。
如在第4圖中所示，汽化坩堝7位於較低位置。坩堝腔室12可獨立地經由真空閥門11進行抽空或充氣，不會對真空腔室造成影響。汽化坩堝7與坩堝腔室12被放入手套箱40中。汽化坩堝7在此被移除並以新的汽化坩堝更換，或是進行汽化坩堝7的填充。
在以汽化材料填充坩堝7之後，分離閥門27關閉且進行坩堝腔室12抽空。之後，坩堝腔室12和汽化坩堝7延著軌道30，朝著箭頭42的方向，移動回到後方的位置。在分離閥門13和27之間以真空密閉連接，並且坩堝腔室12進行抽空之後，分離閥門13和27即可開啟。之後，汽化坩堝7以箭頭33的方向移動到上方位置。
依據其它的具體實施例(未繪示)，手套箱40可與鍍膜裝置分離。在這種例子中，於保護性氣體存在的情況下，坩堝7與墊圈25和一合適鎖定機構(未繪示)，被從坩堝腔室12中移動至如第4圖所示之拉出的位置(即，從軌道30昇起)，此時閥門27為緊閉。鎖定機構將坩堝7固 定在墊圈25或墊圈25的凸緣上。坩堝7以這種方式在密閉狀態下，移動至旁邊的手套箱40。於是，坩堝7可在閥門27密閉狀態下進行視情況選擇性的清理或再填充。
前述製程適用於玻璃基板的鍍膜。然而也可利用其在200mm或300mm直徑的矽晶圓之上進行鍍膜，其中基板的托架可裝上一或數片基板。然而，第4圖中未繪示基板的托架。對於所有擺放在托架上的基板，進行均勻鍍膜之基板必要高度h，可經由汽化管3的長度進行調整。
此外，合成材料或金屬的可撓基板也可使用這個設備，例如EP 1589130 A1專利中之第3圖所示的例子。在這個已知的設備中，只有蒸氣分配器管路和蒸氣出口噴嘴，且其需要水平設置並與薄板平行。
需要瞭解的是，除了擺放一個坩堝之外，也可擺放數個坩堝，並可以EP 1357200 A1所描述的方式進行連接。
在此技術中具有通常知識者可瞭解，本發明可進行各種變化、替換、使用與設置，以達成與這裡所述之具體實施方式實質相同的結果。所以，本發明並不限於所提供之具體實施例。本發明應包含申請專利範圍中之具有相同範圍和精神之各種變化、改造、和其它裝置。
1‧‧‧蒸氣饋入系統
2‧‧‧腔壁
3‧‧‧汽化管
4‧‧‧基板
5‧‧‧入口管
6‧‧‧側壁
7‧‧‧汽化坩堝
8‧‧‧坩堝腔室
9‧‧‧汽缸
10‧‧‧活塞
11‧‧‧真空閥門
12‧‧‧坩堝腔室
24‧‧‧噴嘴
25‧‧‧墊圈
26‧‧‧箭頭
27‧‧‧分離閥門
28‧‧‧鍍膜腔室
29‧‧‧大氣壓力
30‧‧‧軌道
31‧‧‧線性導引器
32‧‧‧導引元件
33‧‧‧箭頭
34‧‧‧箭頭
35‧‧‧汽缸
13‧‧‧分離閥門
14‧‧‧連接配件
15‧‧‧外罩
16‧‧‧端
17‧‧‧活塞
18‧‧‧部份
19‧‧‧部份
20‧‧‧坩堝加熱系統
21‧‧‧PID控制器
22‧‧‧速率擷取器
23‧‧‧測量裝置
36‧‧‧支撐裝置
37‧‧‧冷卻口
38‧‧‧壓力計測頭
39‧‧‧箭頭
40‧‧‧手套箱
41‧‧‧外殼
42‧‧‧箭頭
44‧‧‧熱耦
50‧‧‧功率穿導件
51‧‧‧刻痕
本發明之具體實施方式以特徵方式描敘，且可進一步以圖示方式詳細描述。在圖中所表示為：第1圖為分離閥門緊閉時之蒸氣饋入系統；第2圖為依據第1圖所繪示之，具有PID控制器之蒸氣饋入系統，此分離閥門為開啟；第3圖為具有兩個分離閥門的蒸氣饋入系統；第4圖為依據第3圖所繪示之蒸氣饋入系統，分離閥門緊閉且汽化坩堝為側向移動。
1‧‧‧蒸氣饋入系統
2‧‧‧腔壁
3‧‧‧汽化管
4‧‧‧基板
5‧‧‧入口管
6‧‧‧側壁
7‧‧‧汽化坩堝
8‧‧‧坩堝腔室
9‧‧‧汽缸
10‧‧‧活塞
11‧‧‧真空閥門
12‧‧‧坩堝腔室
13‧‧‧分離閥門
14‧‧‧連接配件
15‧‧‧外罩
16‧‧‧端
17‧‧‧活塞
18‧‧‧部份
19‧‧‧部份
20‧‧‧坩堝加熱系統
21‧‧‧PID控制器
22‧‧‧速率擷取器
23‧‧‧測量裝置
24‧‧‧噴嘴
25‧‧‧墊圈
26‧‧‧箭頭
27‧‧‧分離閥門
28‧‧‧鍍膜腔室
29‧‧‧大氣壓力
30‧‧‧軌道
31‧‧‧線性導引器
32‧‧‧導引元件
33‧‧‧箭頭
34‧‧‧箭頭
35‧‧‧汽缸
36‧‧‧支撐裝置
37‧‧‧冷卻口
38‧‧‧壓力計測頭
39‧‧‧箭頭
40‧‧‧手套箱
41‧‧‧外殼
42‧‧‧箭頭
44‧‧‧熱耦
50‧‧‧功率穿導件
51‧‧‧刻痕

Claims (22)

  1. 一種用於經由一蒸氣分配器(3)而在一基板(4)上進行鍍膜的設備，該蒸氣分配器(3)可經由一入口(5)連接一汽化坩堝(7)，其中該坩堝(7)和該入口(5)之間配置有至少一個閥門(13)，其中該汽化坩堝(7)位於一腔室(12)中，該腔室可經由一真空閥門(11)進行抽空或充氣，且該設備特徵在於一第二閥門(27)，該第二閥門與該坩堝腔室(12)相關連(associated)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該蒸氣分配器(3)為一線性蒸氣分配器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該汽化坩堝(7)可朝向該入口(5)移動或遠離該入口。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中設於該汽化坩堝(7)和該入口(5)之間的該閥門(13)與該入口(5)相關連。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第二閥門(27)可與該汽化坩堝(7)及該腔室(12)一起移動。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中設有一 測量裝置(23)，該測量裝置測量汽化速率，且其中此測量裝置(23)與一調節器(21)連接，該調節器調控加熱該汽化坩堝(7)的一加熱系統(20)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該基板(4)是位於一真空腔室內。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該汽化坩堝(7)是位於一真空腔室外。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該蒸氣分配器(3)包含至少一個噴嘴(24)，蒸氣透過該噴嘴而汽化至一測量裝置(23)上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該蒸氣饋入系統(1)與該坩堝(7)包含不會與即將汽化之材料發生化學反應的一材料。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之設備，其中該移動係沿著一軌道(30)進行。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中設有一分開的腔室(40)，以用於填充或更換該汽化坩堝(7)。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之設備，其中該腔室(40)為一手套箱(40)。
  14. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中該調節器(21)為一PID控制器。
  15. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該線性蒸氣分配器(3)具有複數個開口，該等開口配置於至少一條線上，且具有約為1mm至4mm的直徑。
  16. 如申請專利範圍第5項所述之設備，其中由該分離式閥門(27)所關閉的該坩堝(7)可由該軌道(30)移除。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中該些開口為孔洞。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中該些開口為狹縫。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中該些開口在位於該蒸氣分配器(3)之邊緣區域彼此之間排列得較緊密。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該基板 包含矽、玻璃、合成材料或金屬。
  21. 一種以申請專利範圍第1-20項中任一項所述之設備來製造複數個具有鍍膜之基板的方法。
  22. 一種使用一設備製造一鋰電池的方法，該設備係如申請專利範圍第1-20項中任一項所述之設備。
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