TWI839614B - 液體材料驟蒸發坩堝、蒸氣沉積設備及用於塗覆真空腔室內的基板的方法 - Google Patents

Abstract

本案描述了一種用於液體材料的驟蒸發的坩堝。坩堝包括一或多個側壁及在一或多個側壁下方的一貯存器部分，該貯存器部分具有第一尺寸的一第一橫截面，及在第一橫截面上方的具有第二尺寸的一第二橫截面，第二尺寸大於第一尺寸。

Description

液體材料驟蒸發坩堝、蒸氣沉積設備及用於塗覆真空腔室內的基板的方法

本案的實施例涉及透過真空腔室中的熱蒸發進行的基板塗佈。本案的實施例進一步涉及透過驟蒸發的塗佈。實施例還涉及鹼金屬及/或鹼土金屬（例如鋰）的塗佈。具體地，實施例涉及用於液體材料的驟蒸發的坩堝、氣相沉積設備、在真空腔室中塗佈基板的方法、以及製造電池的陽極的方法。

用於在基板上沉積的各種技術，例如化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)為已知的。對於高沉積速率的沉積，熱蒸發可用作PVD製程。對於熱蒸發，加熱源材料以產生蒸氣，其可沉積在例如基板上。增加加熱源材料的溫度，會增加蒸氣濃度並且可以促進高沉積速率。實現高沉積速率的溫度，取決於源材料的物理特性，例如作為溫度函數的蒸氣壓力，以及基板的物理限制，例如熔點。

例如，可以在坩堝中加熱要沉積在基板上的源材料，以在升高的蒸氣壓下產生蒸氣。蒸氣可以從坩堝傳輸到加熱的歧管中的一塗佈容積。源材料蒸氣可以從加熱的歧管分配到一塗佈容積（例如，真空腔室）中的基板上。

現代薄膜鋰電池可包括一鋰層。例如，該鋰層係透過在基板上沉積一蒸氣態的鋰來形成。由於鋰是高反應性的，需要採取複數種措施來操作和維護這種沉積系統。

對於鹼金屬及/或鹼土金屬，一些安排不太適合大量和低成本的製造，因為這些方法在管理材料的高反應性同時達到大規模生產下存在了嚴重的挑戰。這對生產均勻沉積的純鋰造成了挑戰。高反應性材料，尤其是鋰，在與周圍環境（例如氣體、材料等）反應時很容易被氧化。鋰是特別令人感興趣的，因為鋰適用於生產更高能量密度的電池和蓄電池，即一次電池和二次電池。

分別使用鋰和其他鹼金屬或鹼土金屬的常見沉積系統，可利用濺射源或傳統蒸發源及其操作方法。有鑑於鋰的反應性，鋰的濺射方法具有挑戰性，特別是在成本和可製造性方面。高反應性首先影響靶材的製造，靶材是濺射的必要部件，其次會影響到所得到的靶材的處理。由於鋰的熔點相對較低（在183℃），因為熔點限制了高功率密度的濺射方案，沉積速率也可能受到限制，這是一種更易於控制的高產量和低成本製造的方案。換句話說，鋰的低熔點限制了可以施加的最大功率，因此也限制了可以實現的最大沉積速率。

因此，若具有改進的坩堝、改進的氣相沉積設備、及改進的製造薄膜電池的電極的方法將是有利的。

有鑑於此，提供了根據獨立請求項的氣相沉積設備和用於在真空腔室中塗佈基板的方法。本案的其他態樣、優點、特徵從說明書及附圖中是顯而易見的。

根據一個實施例，提供了一種用於液體材料的驟蒸發的坩堝。坩堝包括一或多個側壁及在一或多個側壁下方的一貯存器部分，該貯存器部分具有第一尺寸的一第一橫截面，及在第一橫截面上方的具有第二尺寸的一第二橫截面，第二尺寸大於第一尺寸。

根據一個實施例，提供了一種氣相沉積設備。該氣相沉積設備包括根據本案的任一實施例的坩堝。

根據一個實施例，提供了一種氣相沉積設備，配置以蒸發鹼金屬及/或鹼土金屬，尤其是鋰。氣相沉積設備包括一流量計，該流量計具有在於供液體材料的導管外部的一測量單元。

根據一個實施例，提供了一種在一真空腔室中塗佈一基板的方法。該方法包括步驟：將液體材料導引到坩堝中進行驟蒸發，特別是根據本案的任一實施例的坩堝，對坩堝中的液體材料進行驟蒸發，及測量液體材料的流速以控制在基板上的材料沉積速率。

根據一個實施例，提供了一種製造電池陽極的方法。製造電池的陽極的方法，包括根據本案所述的任何實施例的在真空腔室中塗佈基板的方法。

根據一個實施例，提供了一種製造電池陽極的方法。製造電池的陽極的方法，包括步驟：導引一網模，該網模包含或由在根據本案的任一實施例的氣相沉積設備中的一陽極層所組成，以及利用該氣相沉積設備沉積含鋰材料或鋰在該網模上。

現在將詳細參考本案的各種實施例，附圖中示出了其一或多個示例。在以下對附圖的描述中，相同的元件符號指代相同的部件。僅描述了關於各個實施例的差異。每個實施例都是作為對本案的解釋而提供的，並不意味著對本案的限制。此外，作為一個實施例的一部分而示出或描述的特徵，可用於其他實施例或與其他實施例組合使用，以產生又一實施例。該說明用以包括這樣的修改和變化。

在以下對附圖的描述中，相同的元件符號指代相同或相似的部件。一般地，僅描述相對於各個實施例的差異。除非另有說明，一個部分或態樣的說明，也適用於另一實施例中的相應部分或態樣。

本案的實施例涉及氣相沉積，例如用於驟蒸發的氣相沉積設備，亦即，具有用於驟蒸發的坩堝。特別地，用於驟蒸發的坩堝可以在預定的蒸發材料量下相對於坩堝的填充高度而自調節。附加地或替代地，可以提供在供液體材料的導管外部的流量計及/或具有在供液體材料的導管外部的調節元件的閥。

在以下，將針對作為待蒸發材料的鋰描述一或多個蒸發概念。根據可與本案描述的其他實施例組合的一些實施例，蒸發概念也可以適用於其他材料。特別地，蒸發概念也可適用於高反應性材料，例如鹼金屬或鹼土金屬。此外，蒸發概念可以有利地用於非常高的沉積速率，從而在卷對卷塗佈器上產生幾微米或更大的層厚度。

對於根據本案實施例的蒸發概念，坩堝中僅存在少量液態鋰，其在極短的時間內被蒸發（驟蒸發器）。例如，透過定量泵將蒸發材料連續送入坩堝中。根據本案的實施例，對於驟蒸發，蒸發速率由提供給坩堝的材料量所控制，例如由定量泵提供的材料量及/或進入坩堝的液體材料的流速所控制。蒸發速率不受坩堝溫度控制。

驟蒸發可能是有益的，因為驟蒸發原則上允許在幾乎無限的時間範圍內連續操作。附加地或替代地，與坩堝的溫度控制結合沉積速率測量（例如，使用石英晶體微量天平（QCM），其中必須頻繁更換或再生QCM）相比，可以更容易地測量沉積速率控制。這對於提供具有接近完全材料利用的氣相沉積設備的本案的實施例尤其如此。沉積速率可以基本上對應於提供給坩堝的液體材料的速率。

根據一些實施例，可以藉由特別是在600℃或更高的溫度下的驟蒸發來提供蒸發。例如，溫度可以是800℃或更高。在驟蒸發之前，將液化材料保持在高於待沉積材料熔點190℃至300℃的溫度，例如金屬鋰為373℃至483℃。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，用於驟蒸發的坩堝僅包括少量將在蒸發區域中被蒸發的材料。例如，蒸發區域的體積可以為200cm³或以下，及/或材料量，例如，鋰的體積可以為10cm³或以下。

要蒸發的液體材料可以透過定量泵分配到蒸發坩堝中，在坩堝中蒸發該材料，例如鋰。定量泵可以限定提供給坩堝用於驟蒸發的液體材料的量。蒸發速率由定量泵或液體材料的流速決定，而不是由坩堝溫度決定。

根據一些實施方案，提供了材料的蒸發方法或蒸發設備，特別是鹼金屬或鹼土金屬。提供了配置以液化材料的一第一腔室。第一腔室包括一氣體入口，該氣體入口被配置用於該第一腔室中的氣體的入口，其中尤其可以提供氣體的壓力控制。例如，氣體可以是惰性氣體，例如氬氣。在第二腔室中提供配置以驟蒸發液化材料的蒸發區。提供了在第一腔室與蒸發區之間提供流體連通的管線或導管。管線或導管中液體材料的流速決定了沉積速率。可以根據本案的實施例來調節流速。根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，蒸發區可設置在坩堝中。坩堝可以包括在蒸發器中，特別是具有複數個噴嘴的蒸發器，例如一維噴嘴陣列或二維噴嘴陣列。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，蒸發器可包括坩堝和與坩堝流體連通的罩。該罩即分配罩，可以是蒸氣分配管或蒸氣分配噴頭。蒸氣可以藉由設置在罩壁中或在罩壁處的複數個噴嘴排出該罩。特別地，與在其中至少部分地配置有蒸發器的第二腔室（例如真空腔室）中的壓力相比，罩內的壓力至少高出一或多個數量級。

圖1示出了氣相沉積設備100。氣相沉積設備包括由虛線102指示的第一隔室。第一隔室經配置以將溫度保持在待蒸發的材料的熔化溫度之上。例如，對於鋰，第一隔室的第一溫度可以是190°或更高，例如220°或更高。在第一隔室中提供大氣條件。根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，大氣條件可具有2%或以下的相對濕度，例如1%或以下，或甚至0.5%或以下。因此，第一隔室可以包括除濕器，特別是經配置以提供上述相對濕度的除濕器。降低第一隔室中的濕度對於蒸發高反應性材料例如鹼金屬(例如鋰)或鹼土金屬可能特別有用。

提供槽120用於液化待蒸發的材料。氣體導管122與槽120流體連通。可以在槽120中設有氣體，例如惰性氣體。可為氣體導管122提供壓力控制，以在該槽中產生超壓。待沉積在蒸發區中的液體材料係導引通過導管124。槽120中的超壓，使液體材料移動通過管線或導管124。根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，槽120中的壓力可在蒸發期間被控制為恆定。槽120中的壓力可以不用於調節沉積速率。

流量計130測量管線或導管124中液體材料的流速。流量計130連接到控制器132。例如，控制器可以是一PID控制器。根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，控制器被配置用於閉合迴路控制。由流量計130測量的流速，係提供作為控制器132的輸入。控制器132調節流量閥140，以調節管線或導管124中的流速。液體材料以預定流速提供到處理腔室160中。處理腔室160包括配置用於驟蒸發的蒸發區。導管124中液體材料的預定流速限定了處理腔室的沉積速率。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，可在真空條件下提供處理腔室160。處理腔室中的蒸發器至少可以額外地設置在高溫下，例如500℃或更高，例如600℃至800℃。包括處理腔室160的區域，由圖1中的虛線106表示。處理腔室160可為一真空腔室。根據一些實施例，該區域（見虛線106）可以被提供為一真空腔室，並且處理腔室160可以設置在該真空腔室內。

根據本案的實施例，流量計130可以設置在供液體材料的導管外部，及/或流量閥140可以具有在供液體材料的導管外部的一調節元件。測量來自管道外部的流量並調節來自管道外部的流量，降低了液體材料附著到管道內的部件的可能性，這可能導致管道堵塞。管道的不期望的堵塞是非常嚴重的情況，特別是對於高反應材料，例如鋰等。

根據本案的實施例，提供一流量閥以用於氣相沉積設備。該流量閥可以是膜式流量閥。在用於膜式流量閥的導管中沒有提供移動部件。或者，可以使用馬達驅動的流量閥。流量閥可以提供恆定流量的液體材料，例如液態鋰。

流量閥140包括一膜。該膜被配置成調節導管124的橫截面面積，及/或可以形成導管124的一部分。在導管141中提供氣體，例如惰性氣體，例如氬氣。控制閥142調節控制閥與流量閥140之間的導管143中的氣體壓力。導管143中的氣體壓力驅動流量閥140的可移動膜。導管143中增加的壓力可減小流量閥140中的橫截面面積，即導管124的橫截面面積。

限流元件144與導管143流體連通。導管145可與限流元件144和一泵流體連通。限流元件144釋放導管143中的壓力。通過限流元件144的氣體可由真空泵146泵送。例如，真空泵146可以是用於至少部分地為處理區域抽空真空腔室的一真空泵。限流元件144提供導管143的洩漏，特別是恆定洩漏。因此，可以降低導管143中的壓力。壓力減小增加了流量閥140中的橫截面面積。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，第一隔室102可在與第一隔室的界面處或至少部分地圍繞第一隔室設置有一熱絕熱體。因此，第一隔室內的溫度可以高於待蒸發材料的熔化溫度，特別是始終高於熔化溫度。該隔室內的一或多個部件，特別是與要蒸發的材料接觸的部件，也可以提供在高於熔化溫度之上。可以避免材料（例如鋰）的阻塞。例如，諸如導管122或導管143之類的管線，可以設置有作為不良熱導體的材料，例如不銹鋼。例如，導管143可以在與第一隔室102的界面處具有絕緣體。

閉合迴路控制電路可由流量計130、控制器132、控制閥142、流量閥140和限流元件144提供。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，流量計130可在導管外部，即從待蒸發材料在其中流動的導管外部提供測量。根據一些實施例，流量計可以是科里奧利（Coriolis）流量計，例如科里奧利質量流量計。科里奧利流量計是基於科里奧利力。管或一部分的導管由振動賦予能量。刺激使管或該部分的導管振動。流經管的介質質量會改變管的振動，尤其是可能會在振動中引入相移。例如，管可能由於科里奧利力而扭曲。可以測量振動中所產生的變化，例如相移。在一輸出中的測量結果，關聯於管或導管中的質量流量。例如，該輸出可以與流量成比例。因此，可以在降低或避免導管堵塞的風險的同時，測量導管中的流速。

圖2顯示了蒸發器260的一部分。導管124提供待蒸發到坩堝280中的液體材料。根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，材料可以是鋰或本案所述的任何其他材料。材料在坩堝280中蒸發。坩堝與罩262流體連通。在圖2中示出罩262的一個壁263。罩262的另一壁，例如與壁263相對的壁可包括複數個噴嘴，以將材料導引朝向基板。提供熱電偶的電線282以測量坩堝的溫度。坩堝280可設有用於加熱坩堝的電加熱器。坩堝可由電加熱，或連接到另一個電加熱器。例如，坩堝可以連接到石墨加熱器。例如，石墨加熱器可以至少部分地圍繞坩堝。根據一些實施例，可以透過驟蒸發提供蒸發。坩堝溫度可以是600℃或更高。例如，溫度可以是800℃或更高。隔熱護罩284可以至少部分地設置在坩堝周圍，以減少坩堝的熱損失，減少朝向其他部件的熱輻射，及/或增加坩堝的溫度穩定性。如上所述，由於不利用溫度來控制沉積速率，因此可以穩定溫度。

根據本案的實施例，坩堝可以成形為用於自調節驟蒸發。在圖3A到3C中描述了不同形狀的坩堝的不同橫截面。

根據本案所述的實施例，坩堝280包括一或多個側壁310。例如，側壁310可以形成圓柱體。根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，圓柱體可在頂部開口以允許與罩262流體連通。坩堝280還包括在一或多個側壁310下方的貯存器部分320。貯存器部分320在貯存器部分的底部321處封閉。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，貯存器部分可具有一半圓形橫截面（見圖3A）、對應於橢圓形的一部分（見圖3C）的一橫截面、或一錐形橫截面（見圖3B）。例如，錐形橫截面可以是一圓錐或一截圓錐，如圖3B所示。

如圖3A至3B所示，在俯視圖中，貯存器部分具有一下橫截面380，其小於一上橫截面382。如圖2所示，坩堝和貯存器部分可以經由導管124從貯存器部分的頂部填充液體材料。根據插入坩堝中的液體材料的量，產生貯存器部分中液體材料的填充高度。

根據本案的實施例，填充高度及/或驟蒸發速率是自調節的，特別是基於液體材料進入坩堝的流速。對於坩堝中液體材料的相對低的流速，填充高度會較低，例如靠近下橫截面380。因此，液體材料與坩堝的較小表面積接觸。在給定的液體材料流速和所產生的填充高度之間存在平衡。

對於第一預定流速，由於更靠近上橫截面382的較大橫截面，貯存器部分中較高（過高）的填充高度會得到較高的蒸發速率。透過驟蒸發所蒸發的材料比坩堝中填充的材料多。因此，填充高度減小直到產生平衡。類似地，如果在貯存器部分中較低（過低）的填充高度處提供第二預定流速，則填充高度會較低，即靠近較小的下橫截面380，由於蒸發表面較小，導致填充高度的增加，直到產生平衡。綜上所述，坩堝可對各種液體材料的流速進行自調節。因此，在液體材料的流速出現流速波動的情況下，坩堝不能被過度填充。在波動的情況下，填充高度是自調節的。在貯存器部分中提供了相應的表面積，該表面積具有沿填充高度的坩堝橫截面尺寸的變化，其中坩堝中的填充高度提供用於蒸發的表面積並與插入坩堝的液體材料的流速產生平衡。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，坩堝的溫度可提供為具有低的填充高度。如果液體材料的流速發生波動，該溫度下的填充高度會自調節。沉積速率取決於液體材料的流速。

圖3A至3B示出具有一或多個側壁310和貯存器部分320的坩堝280，其中坩堝的橫截面，即坩堝的內壁的俯視圖中的橫截面是圓形的。根據可與本案所述的其他實施例組合的又一變化型，坩堝的俯視圖中的橫截面，即坩堝的內壁也可具有另一種形狀，例如矩形或多邊形。對於多邊形頂部橫截面，可以提供如圖3B所示特別是錐形橫截面側視圖。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，提供坩堝的蒸發表面的形狀，使得蒸發表面的尺寸隨著液體含量，即填充高度，而增加。蒸發表面的尺寸可以直接隨著液體含量的增加而增加。因此，可以在恆定或幾乎恆定的坩堝溫度下以不同的流速蒸發。對於預定的蒸發速率，填充高度（即坩堝中液體池的尺寸）是蒸發溫度（即坩堝溫度）的函數。可透過坩堝溫度調節液體材料池的填充高度或尺寸。坩堝在高溫下提供用於如本案所述的驟蒸發。坩堝溫度不會分別影響蒸發速率或沉積速率，因為將建立如上所述的平衡填充高度。

圖8示出了根據又一實施例的蒸發器。關於圖8描述的實施方式還可以與本案的其他實施例組合。坩堝280係設置成與罩262（即分配罩）流體連通。蒸氣可以經由噴嘴462離開外殼。從坩堝底部填充液態材料，例如液態鋰。液體材料可由導管124提供。坩堝可以用電加熱器884加熱。例如，坩堝可以連接到石墨加熱器。如圖8所示，電加熱器和坩堝之間的表面可以透過突出部及/或凹部擴大。從底部填充坩堝可具有避免液體材料飛濺到待驟蒸發材料的池中的優點。

圖4示出了根據本案的實施例的具有一或多個蒸發器的另一氣相沉積設備400的示意圖。該設備從處理鼓輪420下方提供網模410或箔的一處理方向。網模410由處理鼓輪420上的輥422導引。處理鼓輪如箭頭所示旋轉，並使網模移動通過蒸發器260的處理區域。圖4顯示了三個蒸發器260。

根據一些實施例，一或多個蒸發器260可包括坩堝280，其蒸發由坩堝中的導管124導引的液體材料。蒸氣分佈在罩262中。導引蒸氣通過噴嘴462，朝向設置在處理滾筒420上的網模。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，可提供加熱護罩464。蒸發器和處理鼓輪至少部分地設置在真空腔室（圖4中未示出）內。蒸發器260的處理區域在真空腔室內。用作蒸氣分配罩的罩262可具有罩內部的壓力，即蒸氣壓，其分別比真空腔室或處理區域中的壓力高至少一個數量級。

可加熱護罩464是可加熱的，使得當可加熱護罩被加熱至操作溫度時，例如在一些實施例中為500℃或更高的操作溫度，例如500℃至600℃，可減少或防止可加熱護罩464上的蒸氣冷凝。防止可加熱護罩上的蒸氣冷凝是有益的，因為可以減少清潔工作。此外，可加熱護罩464上的塗佈可以改變由可加熱護罩提供的塗佈窗的尺寸。特別地，如果在可加熱護罩464與基板支撐件之間提供僅幾毫米範圍內的間隙，例如約1mm或更小，則可加熱護罩上的塗佈將導致間隙尺寸的變化，且因此導致沉積在基板上的塗佈的邊緣形狀發生不期望的變化。此外，當可加熱護罩上沒有源材料積聚時，可以提高源材料利用率。具體地，如果可加熱護罩被加熱到可能高於蒸氣冷凝溫度的操作溫度時，則基本上所有在蒸氣傳播容積內傳播的源材料都可以用於塗佈基板表面。

如本案所用，「蒸氣冷凝溫度」可被理解為可加熱護罩的閾值溫度，高於該溫度時，在可加熱護罩上蒸氣將不再冷凝。可加熱護罩464的操作溫度可以處於或（略微）高於蒸氣冷凝溫度。例如，可加熱護罩的操作溫度可以在高於蒸氣冷凝溫度5℃與50℃之間，以避免朝向基板支撐件的過度熱輻射。應注意的是，蒸氣冷凝溫度可取決於蒸氣壓力。由於蒸氣傳播容積中複數個噴嘴下游的蒸氣壓力低於坩堝內部及/或蒸氣源分配器內部的源壓力，因此蒸氣源內部的蒸氣可能已經在低於蒸氣傳播容積20內部的蒸氣的低溫下冷凝。如本案所用，「蒸氣冷凝溫度」涉及蒸氣傳播容積20中的多個噴嘴下游的可加熱護罩的溫度，其避免可加熱護罩上的蒸氣冷凝。如本案所用，「蒸發溫度」涉及在複數個噴嘴上游的蒸氣源內部的溫度，該源材料在該溫度蒸發。蒸氣源內的蒸發溫度通常高於蒸氣傳播容積內的蒸氣冷凝溫度。例如，蒸氣源內部的蒸發溫度可以設置在600℃以上的溫度，例如750℃至850℃，然而複數個噴嘴下游的蒸氣冷凝溫度可以低於600℃，例如如果鋰蒸發，則是500℃到550℃。在本案所述的實施例中，蒸氣源內部的溫度可為600℃或更高，而可加熱護罩的操作溫度可設定為小於600℃，例如在氣相沉積期間從500℃至550℃。

在例如500℃至550℃的操作溫度下所提供的蒸氣撞擊可加熱護罩，可立即再蒸發，或從可加熱護罩表面反射，使得個別的蒸氣分子最終在基板表面上而不是在可加熱護罩表面上。可以減少或防止可加熱護罩上的材料堆積，並且可以減少清潔工作。

「可加熱護罩」在本案中也可稱為「溫控護罩」，因為可加熱護罩的溫度可在氣相沉積期間設定為預定操作溫度，從而減少或防止可加熱護罩上的蒸氣凝結。特別地，可加熱護罩的溫度可被控制以保持在預定範圍內。可以提供控制器和由控制器控制的相應的加熱裝置，以用來在氣相沉積期間控制可加熱護罩的溫度。

本案的實施例涉及一種蒸氣設備，特別是用於高沉積速率。例如，對於薄膜電池的製造，數微米的沉積速率（例如10µm或更高）有利於具有成本效益的大規模生產。常用的蒸發器可提供約60%至80%的材料利用率。對於高沉積速率，例如，在氣相沉積設備的部件上積累20%或40%的蒸發材料，護罩將導致部件上材料層的快速生長。去除氣相沉積設備部件上的累積材料的維護週期將非常短。

因此，根據本案的實施例的蒸發器或氣相沉積設備提供至少90%，尤其是95%或更高，的材料利用率。該材料經驟蒸發。在坩堝280內沒有發生材料積聚。罩262和噴嘴462設置在高溫下也避免或減少材料積聚。加熱護罩464也設置在高於冷凝溫度的溫度。因此，在蒸發器260中提供的大部分或全部的材料係沉積在基板上，例如網模410上。

根據本案的實施例，提供了用於在真空腔室中藉由蒸發進行塗佈的設備和方法。為了透過蒸發沉積具有源材料的基板，可以將源材料加熱到源材料的蒸發或昇華溫度以上。本案的實施例導致表面上的冷凝減少，例如在除了可能具有較低溫度的基板之外的表面。這種表面可以例如是圖5所示的真空腔室的腔室壁501。

圖5示出了根據本案的實施例的具有一或多個框架或加熱護罩的另一氣相沉積設備的示意圖。參照圖5描述的可以與本案中描述的其他態樣、細節、實施例、及特徵組合的實施例。待沉積的材料，即源材料，透過加熱使材料在坩堝內蒸發。該材料可以包括例如金屬，特別是鋰、金屬合金、及在給定條件下具有氣相的其他可汽化材料等。根據又一實施例，附加地或替代地，該材料可包括鎂(Mg)、鐿(YB)、及氟化鋰(LiF)。在坩堝中產生的蒸發材料可以進入罩262，例如沿著箭頭581表示的方向的分配器。分配器可例如包括提供傳送系統，以沿沉積設備的寬度及/或長度分配蒸發的材料的通道或管。分配器可以具有「噴淋頭反應器」的設計。

如示例性所示，蒸發的源材料可以在分配器內經導引沿著方向583和585。方向583和585可以基本上平行於基板表面110或平行於罩262的壁263。在卷對卷塗佈器的塗佈鼓輪的情況下，方向583和585也可以根據在該源與該滾筒的最短距離處的塗佈鼓輪的切線而彎曲。經蒸發的材料藉由噴嘴462從蒸發器260噴射到真空腔室的內部。噴嘴462可以配置在熱護罩570的開口562內。由噴嘴噴射的蒸發材料585沉積在基板的基板表面110上，例如網模410，以在基板上形成塗佈。蒸發器提供處理區域560。

熱護罩570減少來自蒸發器而朝向基板的輻射熱。根據本案的實施例，熱護罩570包括開口562。根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，分配器的噴嘴462可延伸穿過熱護罩570的開口。

根據可與本案描述的其他實施例組合的實施例，蒸發材料可包括鋰、Yb或LiF或可由鋰、Yb或LiF組成。根據可與本案所述的其他實施例組合的實施例，蒸發器及/或噴嘴的溫度可為至少600℃，或特別地介於600℃與1000℃之間，或更特別地介於600℃與800℃之間。根據可與本案所述的其他實施例組合的實施例，加熱護罩的溫度可在450℃與600℃之間，特別是約550℃，偏差為±10℃或更小。

根據可與本案所述的其他實施例組合的實施例，加熱罩的溫度比蒸發器的溫度至少低至100℃，特別地低至300℃，更特別地低至約最低100℃且最高300℃。

此外，透過加熱熱護罩，例如透過雜散塗佈沉積在熱護罩表面上的材料，也可以再蒸發。熱護罩上的雜散塗佈材料可有利地透過如本案所述的再蒸發而去除。此外，透過將熱護罩上的材料再蒸發，還可以使基板上的塗佈更加均勻，提高材料利用率。

加熱護罩可以是溫控護罩。溫控護罩可以改善真空腔室內部的沉積製程。溫控護罩的溫度可以足夠高，以減少蒸發材料在腔室壁上的冷凝。此外，溫控或加熱護罩的溫度也可以足夠低以保持基板的熱負荷較低。

此外，加熱護罩上的雜散塗佈材料可以再蒸發以沉積在基板上。此外，透過將熱護罩上的材料再蒸發，還可以使基板上的塗佈更加均勻，提高材料利用率。透過加熱護罩減少腔室壁上的雜散塗佈，真空沉積腔室可以以更高的蒸發材料產量運行，這進一步提高了塗佈基板的生產率。

該坩堝、該氣相沉積設備、該在真空腔室中塗佈基板的方法、以及該製造未知電池的方法對於沉積鋰可能特別有用。鋰可以沉積在薄網模或箔上，以提高薄膜電池的大規模生產。

鋰可以例如沉積在薄銅箔上以產生電池的陽極。此外，可以在薄網模或箔上提供包括石墨以及矽和氧化矽中的至少一者的層。網模或箔還可包括一導電層，或可由用作陽極接觸表面的一導電層所組成。沉積在網模上的層上的鋰可以提供包括石墨以及矽和氧化矽中的至少一者的層的預鋰化。

對於大規模生產，高沉積速率是有益的。然而，網模或箔，特別是在卷對卷沉積製程中，是非常薄的。基板上的傳熱主要由蒸發材料的冷凝能來決定。此外，在真空製程中從基板散熱主要由熱傳導控制。因此，根據本案的實施例的氣相沉積設備有利地包括經配置以從基板有效地去除熱量的塗佈鼓輪。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，塗佈鼓輪可以是氣墊塗佈鼓輪。氣墊塗佈鼓輪在鼓輪表面與基板之間提供一冷卻氣體。例如，鼓輪與冷卻氣體可以被冷卻到低於室溫的溫度。熱量可以從基板上移除，以允許更高的沉積速率，而不會損壞在其上沉積材料的薄箔或網模。

對於氣墊輥，可以在處理鼓輪的一網模導引區域中設置第一子組氣體出口，即敞開的氣體出口。在網模導引區域之外提供一第二子組氣體出口，即封閉的氣體出口。由於氣體僅在需要氣體形成懸停墊的網模導引區域中排放，因此沒有或幾乎沒有氣體直接排放到不與網模重疊的區域中，可以減少氣體浪費及/或可以在泵系統上較小的壓變下保持更好的真空度。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，除了氣體出口的子組之外或作為替代，處理鼓輪的外表面可以塗佈有微孔表面。微孔表面可允許少量冷卻氣體從處理滾筒內部流到處理滾筒表面。冷卻氣體可在處理鼓輪與網模或箔之間形成一氣墊，網模或箔係導引在處理滾筒上以在其上沉積材料。

圖6示出了說明在真空腔室中塗佈基板的方法的流程圖。在操作602，該方法包括將液體材料導引到坩堝中用於驟蒸發。根據一些實施例，坩堝可以是根據本案的實施例的用於驟蒸發的坩堝。在操作604，液體材料在坩堝中蒸發。在操作606測量液體材料的流速以控制沉積速率。例如，可以用根據本案的實施例的流量計測量流速。此外，液體材料的流速可與沉積速率直接相關，因為如本案所述的氣相沉積設備可提供95％或以上的材料利用率。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，坩堝溫度是恆定的，並且尤其不用於調節沉積速率。坩堝中的填充高度取決於坩堝中液體材料的流速。

對於本案所述的蒸發器，將蒸發的材料從坩堝導引到一分配罩中，例如圖3、4、及5中所示的罩262。蒸發的材料從分配罩藉由複數個噴嘴被導引到基板上或朝向基板。例如，基板可以是薄網模或箔，尤其是卷對卷真空沉積設備。為了提供非常高的材料利用率，要沉積在基板上的材料可以透過設置在分配罩與基板之間的溫控護罩來再蒸發。

圖7示出了說明製造電池陽極的方法的流程圖。根據一些實施例，製造電池的陽極的方法可以包括在關於圖6描述的真空腔室中塗佈基板的方法。

根據一個實施例，如操作702所示，該方法包括在根據本案的實施例的氣相沉積設備中導引一網模或箔。蒸氣或箔可以包括用於電池（特別是薄膜電池）的陽極層或由陽極層組成。在操作704，在氣相沉積設備的蒸發器中提供液態含鋰材料。在操作706，用氣相沉積設備將含鋰材料或鋰沉積在網模上。

根據可與本案所述的其他實施例組合的一些實施例，對於製造電池的陽極的方法，網模包含銅或由銅組成。根據一些實施方式，網模還可包括石墨和矽及/或氧化矽。例如，鋰可以將包括石墨和矽及/或氧化矽的層預鋰化。

具體而言，這裡描述了以下實施例： 實施例1：一種用於液體材料的驟蒸發的坩堝，包括：一或多個側壁；以及在該一或多個側壁下方的一貯存器部分，該貯存器部分具有一第一尺寸的一第一橫截面及在該第一橫截面上方的一第二尺寸的一第二橫截面，該第二尺寸大於該第一尺寸。 實施例2：根據實施例1所述的坩堝，還包括：一開口，用於導引坩堝中的液體材料的導管。 實施例3：根據實施例2所述的坩堝，其中該開口設置在該一或多個側壁中或在該貯存器部分的該底部處。 實施例4：根據實施例1至3中任一者的坩堝，其中該一或多個側壁和該貯存器部分係一體成型。 實施例5：根據實施例1至4中任一者的坩堝，其中該坩堝包括不銹鋼、Mo、Ta或其組合、或由其組成。 實施例6：根據實施例1至5中任一者的坩堝，還包括：供蒸發材料的一蒸氣通道，該蒸氣通道設置在該一或多個側壁的一上端。 實施例7：根據實施例1至6中任一者的坩堝，其中該貯存器部分具有一另一橫截面，其選自由以下組成的群組：半圓形橫截面、對應於橢圓形的一部分的橫截面，以及錐形橫截面，特別是圓錐或截圓錐的橫截面。 實施例8：根據實施例1至7中任一者的坩堝，其中該第一橫截面和該第二橫截面中的至少一者為圓形、橢圓形、或多邊形。 實施例9：根據實施例1至8中任一者的坩堝，其中該第一橫截面的該第一尺寸為該第一橫截面的一第一周長，且該第二橫截面的該第二尺寸為該第二橫截面的一第二周長。 實施例10：一種氣相沉積設備，包括：根據實施例1至9中任一者的坩堝。 實施例11：根據實施例10的氣相沉積設備，還包括：一流量計，具有一測量單元，其在用於導引液體材料的導管外部。 實施例12：根據實施例11的氣相沉積裝置，其中該流量計為一科里奧利流量計。 實施例13：根據實施例10至12中任一者的氣相沉積設備，還包括：一流量閥，其具有在供液體材料的導管外部的一調節元件。 實施例14：根據實施例13的氣相沉積設備，還包括：一控制閥，用於調節在該流量閥處的氣體壓力。 實施例15：根據實施例14的氣相沉積設備，還包括：一限流元件，其經配置以降低在該流量閥處的氣體壓力。 實施例16：根據實施例14至15中任一者的氣相沉積設備，還包括：一控制器，經配置以提供一閉合迴路控制，該控制器連接到該流量計與該控制閥。 實施例17：一種配置以蒸發鹼金屬及/或鹼土金屬（特別是鋰）的氣相沉積設備，包括：一流量計，其具有在供液體材料的導管外部的一測量單元。 實施例18：根據實施例17的氣相沉積設備，其中該流量計為一科里奧利流量計。 實施例19：根據實施例17至18中任一者的氣相沉積設備，還包括：一流量閥，其具有在供液體材料的導管外部的一調節元件。 實施例20：根據實施方式19的氣相沉積設備，還包括：一控制閥，用於調節該流量閥的氣壓。 實施例21：根據實施例20的氣相沉積設備，還包括：一限流元件，其經配置以降低在該流量閥處的氣體壓力。 實施例22：根據實施例20至21中任一者的氣相沉積設備，還包括：一控制器，經配置以提供閉合迴路控制，該控制器連接到該流量計及該控制閥。 實施例23：根據實施例10至22中任一者的氣相沉積設備，還包括：一真空腔室，用於在該真空腔室中的一基板上沉積該材料。 實施例24：根據實施例10至23中任一者的氣相沉積設備，還包括：一蒸氣分佈罩，其與坩堝（特別是根據實施例1至9中任一項的坩堝）流體連通，該蒸氣分配罩具有複數個噴嘴。 實施例25：根據實施例23至24中任一者的氣相沉積設備，其中該罩內的壓力比該真空腔室中的壓力高至少一個數量級。 實施例26：根據實施例10至25中任一者的氣相沉積設備，還包括一加熱的護罩。 實施例27：根據實施例10至26中任一項的氣相沉積設備，進一步提供經配置以在材料沉積期間支撐基板的一處理鼓輪。 實施例28：一種在真空腔室中塗佈基板的方法，包括以下步驟：將液體材料導引到用於驟蒸發的坩堝（特別是根據實施例1至9中任一者的坩堝）中；將坩堝中的液體材料驟蒸發；以及，測量液體材料的流速以控制在該基板上的一材料沉積速率。 實施例29：根據實施例28所述的方法，其中坩堝中的填充高度取決於液體材料的流速。 實施例30：根據實施例28至29中任一者的方法；進一步包括步驟：將蒸發的材料從坩堝導引到分配罩中；以及，將蒸發的材料從分配罩導引通過該基板上的複數個噴嘴。 實施例31：根據實施例28至30中任一者的方法，還包括步驟：將積聚在設於該分配罩與該基板之間的一溫控護罩上的材料進行再蒸發。 實施例32：根據實施例30所述的方法，還包括步驟：用溫控護罩屏蔽該真空腔室的室壁，其中該蒸發器的溫度高於該溫控護罩的溫度；以及，用被動加熱的熱護罩來護罩至少一部分的蒸發器，其中該蒸發器的溫度高於該熱護罩的溫度。 實施例33：一種電池負極的製造方法，包括：根據實施例28至32中任一者的在真空腔室中塗佈基板的方法。 實施例34：一種製造電池的陽極的方法，包括步驟：在根據實施例10至27中任一實施例的氣相沉積設備中，導引包含陽極層或由陽極層組成的網模；並利用該氣相沉積設備在該網模上沉積含鋰材料或鋰。 實施例35：根據實施例34所述的方法，其中該網模包括銅。 實施例36：根據實施例34所述的方法，其中該網模包含石墨及矽及/或氧化矽。 實施例37：根據實施例36的方法，其中該陽極層被預鋰化。

雖然前面針對實施例，但是在不脫離基本範圍的情況下可以設計其他和進一步的實施例，並且該範圍由所附申請專利範圍來界定。

100:氣相沉積設備 102:第一隔室 106:虛線 120:槽 122:氣體導管 124:導管 130:流量計 132:控制器 140:流量閥 141:導管 142:控制閥 143:導管 144:限流元件 145:導管 146:真空泵 160:處理腔室 260:蒸發器 262:罩 263:壁 280:坩堝 282:電線 284:隔熱護罩 310:側壁 320:貯存器部分 321:底部 380:下橫截面 382:上橫截面 400:氣相沉積設備 410:網模 420:處理鼓輪 422:輥 462:噴嘴 464:可加熱護罩 501:腔室壁 560:處理區域 562:開口 570:熱護罩 581:箭頭 583:方向 585:方向 602:操作 604:操作 606:操作 702:操作 704:操作 706:操作 884:電加熱器

為了能夠詳細理解本案的上述特徵的方式，可以藉由參考實施例對以上簡要概括的本案進行更具體的描述。本案附圖涉及本發明的實施例，描述如下： 圖1示出了具有根據本案實施例的流量計和根據本案實施例的流量閥的氣相沉積設備的示意圖； 圖2示出了根據本案實施例的用於驟蒸發的坩堝的示意圖； 圖3A至3C示出了根據本案所述的實施例，並提供自調節填充高度的坩堝的示意性橫截面； 圖4示出了根據本案實施例的具有蒸發器的氣相沉積設備的示意圖； 圖5為本發明實施例的蒸發器的示意圖； 圖6示出了用於說明根據本案描述的實施例在真空腔室中塗佈基板的方法的流程圖； 圖7示出了用於說明根據本案描述的實施例的製造電池的陽極的方法的流程圖；以及 圖8示出了根據本案實施例的蒸發器的示意圖。

國內寄存資訊 （請依寄存機構、日期、號碼順序註記） 無

國外寄存資訊 （請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記） 無

124:導管

260:蒸發器

262:罩

263:壁

280:坩堝

282:電線

284:隔熱護罩

Claims (20)

1. 一種經配置用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，包括：一或多個側壁；及一貯存器部分，位在該一或多個側壁下方，該貯存器部分具有一第一尺寸的一第一橫截面，及在該第一橫截面上方的具有一第二尺寸的一第二橫截面，該第二尺寸大於該第一尺寸，使得該坩堝的一填充高度及一驟蒸發速率是自調節的。
2. 如請求項1所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，還包括：一開口，用於一導管，該導管導引該液體材料於該坩堝內。
3. 如請求項2所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，其中該開口係設置在該一或多個側壁中，或在該貯存器部分的一底部。
4. 如請求項1至3中任一項所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，其中該一或多個側壁與該貯存器部分係一體成型。
5. 如請求項4所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，其中該坩堝包含不銹鋼、Mo、Ta或其組合，或者由其所組成。
6. 如請求項4所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，還包括： 一蒸氣通道，用於該經蒸發的材料，該蒸氣通道設置在該一或多個側壁的一上端。
7. 如請求項4所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，其中該貯存器部分具有一另一橫截面，該另一橫截面選自以下組成的群組：一半圓形橫截面、對應於一橢圓的一部分的一橫截面，及一錐形橫截面。
8. 如請求項4所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，其中該第一橫截面與該第二橫截面中的至少一者為一圓形、一橢圓形、或一多邊形。
9. 如請求項4所述的用於一液體材料的驟蒸發的坩堝，其中該第一橫截面的該第一尺寸為該第一橫截面的一第一周長，且該第二橫截面的該第二尺寸為該第二橫截面的一第二周長。
10. 一種氣相沉積設備，包括：如請求項1至3中任一項所述的一坩堝。
11. 如請求項10所述的氣相沉積設備，還包括：一流量計，具有一測量單元，該測量單元在用於導引該液體材料的一導管的外部。
12. 如請求項11所述的氣相沉積設備，其中該流量計是一科里奧利(Coriolis)流量計。
13. 如請求項10所述的氣相沉積設備，還包括： 一流量閥，具有一調節元件，該調節元件在用於該液體材料的該導管的外部。
14. 如請求項13所述的氣相沉積設備，還包括：一控制閥，配置以調節該流量閥處的一氣體壓力。
15. 如請求項14所述的氣相沉積設備，還包括：一限流元件，配置以降低該流量閥處的該氣體壓力。
16. 如請求項14所述的氣相沉積設備，還包括：一控制器，配置以提供一閉合迴路控制，該控制器連接到該流量計及該控制閥。
17. 如請求項10所述的氣相沉積設備，還包括：一蒸氣分配罩，該蒸氣分配罩與該坩堝流體連通，該蒸氣分配罩具有複數個噴嘴。
18. 一種經配置以蒸發由一鹼金屬及鹼土金屬組成群組中之一者的氣相沉積設備，包括：一流量計，具有一測量單元，該測量單元在用於該液體材料的一導管的外部。
19. 如請求項18所述的經配置以蒸發由一鹼金屬及鹼土金屬組成群組中之一者的氣相沉積設備，還包括： 一流量閥，具有一調節元件，該調節元件在用於該液體材料的該導管的外部。
20. 一種在一真空腔室中塗佈一基板的方法，包括下列步驟：導引一液體材料進入如請求項1至3中任一項所述的一坩堝以進行驟蒸發；將該坩堝中的該液體材料驟蒸發；以及藉由一流量計來測量該液體材料的一流速以控制在該基板上的一材料沉積速率，該流量計具有一測量單元在用於該液體材料的一導管的外部。

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