(57)【要約】【課題】基板温度を迅速かつ正確に制御することが可能な成膜装置および成膜方法を提供する。【解決手段】成膜装置1は、抵抗加熱式の真空蒸着により、基板50表面に成膜材料を成膜する装置である。成膜装置1は、成膜室10と、この成膜室10内に、基板50を保持する基板ホルダー20と、基板ホルダー20が固定される冷却ブロック30と、成膜材料を蒸発させる蒸発源40と、を備える。そして、冷却ブロック30と基板ホルダー20との間に、しわ加工を施した金属箔60が介在されている。この冷却ブロック30は、内部に冷媒が流通する冷媒流路31が形成されており、冷媒流路31を冷媒が循環することにより冷却される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室内に、基板を保持する基板ホルダーと、前記基板ホルダーが固定される冷却ブロックと、を備える成膜装置であって、
前記冷却ブロックと前記基板ホルダーとの間に、しわ加工を施した金属箔が介在されていることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記金属箔の融点が、200℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記金属箔の熱伝導率が、100W/m・K以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記金属箔の厚みが、10μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記金属箔に形成されたしわのピッチが、50mm以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項６】
前記金属箔に形成されたしわの高さが、0.1mm以上5mm以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項７】
成膜室内の冷却ブロックに基板を保持した基板ホルダーを固定し、基板表面に成膜材料を成膜する成膜方法であって、
前記冷却ブロックと前記基板ホルダーとの間に、しわ加工を施した金属箔を介在させて成膜することを特徴とする成膜方法。
【請求項８】
前記基板と前記基板ホルダーとの間に、しわ加工を施した第二の金属箔を介在させて成膜することを特徴とする請求項７に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜室内に、基板を保持する基板ホルダーと、基板ホルダーが固定される冷却ブロックと、を備える成膜装置およびその成膜装置を用いた成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空蒸着などの気相法により、基板表面に成膜材料を成膜する成膜装置が知られている。例えば特許文献１には、基板の成膜面と反対側の非成膜面に接触して基板を冷却する背面冷却部材と、この背面冷却部材を冷却する冷却手段とを有する成膜装置が開示されている。そして、特許文献１には、背面冷却部材の基板に対する接触面の中央部に凸部を形成することにより、蒸発源による熱源位置に対応して高温になる基板の中央部との接触面積を大きくすることで、背面冷却部材の冷却効率に分布をもたせて、成膜時の基板温度分布を改善する技術が記載されている。
【０００３】
また、携帯電話やノートパソコン、電動車両などのバッテリーとして、非水電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池が知られている。この電池の基本構造は、正極と負極、及びこれら正負極間に介在する電解質からなり、最近では、電解質に電解液ではなく固体電解質を用いた全固体型リチウムイオン二次電池が提案されている。そして、最近では、更なる電池の小型・軽量化を図るため、正極や負極、或いは固体電解質を気相法により成膜する研究が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９‐２６３７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば真空蒸着法において、基板表面に成膜材料を成膜する際に、蒸発源からの輻射熱の影響により基板温度が上昇する。そのため、成膜前と成膜中、或いは成膜中と成膜後において、基板の温度変化が大きく、その温度差に起因して、基板又は基板表面に成膜された薄膜に変形やゆがみ、膜の剥離などの不具合を生じることがある。したがって、基板を冷却手段により冷却して、基板の温度をある温度範囲内に保つように、基板温度を迅速かつ正確に制御することが望まれる。
【０００６】
しかし、従来の成膜装置では、冷却手段の冷却能力に対して冷却効率が低く、成膜中の基板の温度を適確に制御することが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、基板温度を迅速かつ正確に制御することが可能な成膜装置および成膜方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の成膜装置は、成膜室内に、基板を保持する基板ホルダーと、基板ホルダーが固定される冷却ブロックと、を備える。そして、冷却ブロックと基板ホルダーとの間に、しわ加工を施した金属箔が介在されていることを特徴とする。
【０００９】
一方、本発明の成膜方法は、成膜室内の冷却ブロックに基板を保持した基板ホルダーを固定し、基板表面に成膜材料を成膜する。そして、冷却ブロックと基板ホルダーとの間に、しわ加工を施した金属箔を介在させて成膜することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、冷却ブロックと基板ホルダーとの間にしわ加工を施した金属箔が介在することで、冷却ブロックによる基板ホルダーの冷却効率を高めることができ、もって冷却ブロックの冷却能力を十分に引き出して基板ホルダー（基板）を冷却することができる。その結果、成膜中の基板の温度を迅速かつ正確に制御することができる。
【００１１】
しわ加工としては、無秩序にしわを付けるシワ加工の他、機械的に折り目を付ける折り曲げ加工や、凹凸模様を付けるエンボス加工なども含まれる。
【００１２】
上記構成により、基板ホルダーの冷却効率が上がる（基板の冷却効果が改善される）メカニズムについては、次のように考えられる。基板ホルダーは通常、基板と接触する面とは反対側の面（以下単に「背面」という）を冷却ブロックの取り付け面に押し当て、冷却ブロックに圧接するように固定される。しかし、基板ホルダーや冷却ブロックには、繰り返しの使用により、反りやゆがみなどの変形が生じることがあり、また、製造上の凹凸が存在することがある。そのため、基板ホルダーを冷却ブロックに直接固定した場合、冷却ブロックと基板ホルダーとの間に十分な接触面積を確保することができず、両者間の熱伝導が阻害され、冷却ブロックの冷却能力を十分に引き出すことができないと考えられる。これに対し、冷却ブロックと基板ホルダーとの間にしわ加工を施した金属箔を介在させた場合、金属箔を介して冷却ブロックと基板ホルダーとの接触点（接触面積）を増やすことができ、両者間の熱伝導が改善され、冷却ブロックによる基板ホルダーの冷却効率を高めることができると考えられる。
【００１３】
なお、冷却ブロックと基板ホルダーとの間に介在される金属箔は、１枚であってもよいし、複数枚を重ねてもよい。
【００１４】
（２）本発明の成膜装置および成膜方法において、金属箔の融点が、200℃以上であることが好ましい。
【００１５】
金属箔の融点が200℃以上の場合、成膜中に金属箔が基板ホルダーの背面又は冷却ブロックの取り付け面に固着し難く、装置の取り扱い性やメンテナンス性を損なうことが少ない。
【００１６】
（３）本発明の成膜装置および成膜方法において、金属箔の熱伝導率が、100W/m・K以上であることが好ましい。
【００１７】
金属箔の熱伝導率が100W/m・K以上の場合、基板ホルダーと冷却ブロック間の熱伝導性を良好にして必要な冷却効率を確保し易い。
【００１８】
上記した融点および熱伝導率を満たす金属としては、例えば、アルミニウム（660℃、236W/m・K）、銅（1083℃、403W/m・K）、銀（962℃、429W/m・K）、金（1064℃、317W/m・K）が挙げられる。なお、カッコ内の数値は、その金属の融点と273K（0℃）での熱伝導率を示す。
【００１９】
本発明の成膜装置および成膜方法において、金属箔は、以下の少なくとも一つの条件を満たすことが好ましい。
（４）金属箔の厚みが、10μm以上100μm以下である。
（５）金属箔に形成されたしわのピッチが、50mm以下である。
（６）金属箔に形成されたしわの高さが、0.1mm以上5mm以下である。
【００２０】
金属箔の厚みが上記範囲を満たす場合、破れ難く、しわ加工を施し易い。また、しわのピッチ又はしわの高さが上記範囲を満たす場合、金属箔を介して冷却ブロックと基板ホルダーとの接触点を増やして十分な接触面積を確保し易い。さらに、以上の条件を全て満たすことがより好ましい。なお、しわのピッチの下限は、例えば0.5mm、好ましくは1mmである。
【００２１】
（７）本発明の成膜方法の一形態としては、さらに、基板と基板ホルダーとの間に、しわ加工を施した第二の金属箔を介在させて成膜することが挙げられる。
【００２２】
上述したように、基板ホルダーには反りや凹凸などが存在することがあるため、基板を基板ホルダーに直接接触させ保持した場合、基板と基板ホルダーとの間に十分な接触面積を確保できず、両者間の熱伝導が阻害されると考えられる。そこで、基板と基板ホルダーとの間にもしわ加工を施した第二の金属箔を介在させることにより、第二の金属箔を介して基板と基板ホルダーとの接触点（接触面積）を増やすことができ、両者間の熱伝導が改善されると考えられる。したがって、基板をより効果的に冷却し、基板の冷却効率をより高めることができる。なお、第二の金属箔は、上記した金属箔と同じ構成のものを用いることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の成膜装置および成膜方法は、冷却ブロックと基板ホルダーとの間にしわ加工を施した金属箔が介在することで、冷却ブロックによる基板ホルダーの冷却効率を高めることができ、基板温度を迅速かつ正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る成膜装置の概略構成図である。
【図２】基板ホルダーの概略構成図である。
【図３】（A）はしわ加工を施した金属箔の一例を示す外観斜視図であり、（B）はしわのピッチ及びしわの高さを説明するための図である。
【図４】試験例１の各パターンでの基板の温度低下曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２６】
＜実施の形態１＞
（成膜装置）
図１に示す成膜装置1は、抵抗加熱式の真空蒸着により、基板表面に成膜材料を成膜する装置である。成膜装置1は、成膜室10と、この成膜室10内に、基板50を保持する基板ホルダー20と、基板ホルダー20が固定される冷却ブロック30と、成膜材料を蒸発させる蒸発源40と、を備える。そして、この成膜装置1の最も特徴とするところは、冷却ブロック30と基板ホルダー20との間に、しわ加工を施した金属箔60が介在されているところにある。以下、成膜装置1の構成を詳しく説明する。
【００２７】
成膜室10は、成膜室10内に連通する排気管11と、排気管11に接続される真空ポンプ12とからなる真空排気手段を有し、成膜室10内を所定の真空度まで真空引きできる。
【００２８】
基板ホルダー20は、例えばボルト止めにより冷却ブロック30に締め付け固定されており、背面側（冷却ブロック30と対向する側）とは反対側（前面側）に開口部25を有し、成膜される基板50表面を露出できる。この基板ホルダー20は、図２に示すように、冷却ブロック30側に配置される平板状の基部21と、基板50の外周縁部に対応する枠部22とを有し、これら基部21と枠部22とで基板50を狭持するように構成されている。また、基部21と枠部22とは、例えばネジ止めにより固定されている。基板ホルダー20は、例えば、アルミニウムや銅、又はステンレスなどで形成されている。
【００２９】
冷却ブロック30は、内部に冷媒が流通する冷媒流路31が形成されており、冷媒により冷却される。この冷却ブロック30は、冷媒を貯留し、冷却する冷媒槽32と、冷媒槽32から冷媒流路31に冷媒を送る往路管33と、冷媒流路31を流通した冷媒を冷媒槽32に戻す復路管34とからなる冷媒循環手段を有し、冷媒流路31を冷媒が循環するように構成されている。冷却ブロック30は、例えば、アルミニウムや銅、又はステンレスなどで形成されている。
【００３０】
冷媒には、水などの液体冷媒を使用することができる。また、水と反応して水素を発生するLiや流化水素を発生する硫化物などが成膜材料に含まれている場合は、非水系冷媒を使用することで、成膜中に成膜室10内で冷媒が漏洩することがあっても、水素爆発や硫化水素の発生などの危険性を回避できる。非水系冷媒としては、フッ素含有高分子、特に、パーフルオロカーボン、パーフルオロアミン、パーフルオロポリエーテル、又はハイドロフルオロポリエーテル、或いはこれらを２種以上含む混合物が好適に利用できる。このようなフッ素含有高分子は、Liと反応した場合に安定なLiFを生成するので、安全性を確保できる。非水系冷媒の具体例としては、Solvay  Solexis社製のGALDEN（登録商標、パーフルオロポリエーテルの一種）や同じくH‐GALDEN（ハイドロフルオロポリエーテルの一種）などが挙げられる。
【００３１】
蒸発源40は、成膜材料を収容し、加熱・蒸発させる。この蒸発源40には、電力を供給する電源41が接続されている。蒸発源40は、融点の高い材料で形成されている。
【００３２】
金属箔60は、しわ加工が施されており、例えば図３（A）に示すような、無秩序にしわを付けるシワ加工が施されている。この金属箔60の１枚の厚みは10μm〜100μmであり、また、しわのピッチ及びしわの高さはそれぞれ50mm以下及び0.1mm〜5mmである。なお、しわのピッチは、金属箔60に任意の直線を引き、その基準長さにおける山と谷の一周期の間隔（図３（B）のP）を求め、それを平均値で表したものであり、例えばJIS  B0601：2001に規定された「粗さ曲線要素の平均長さ（RSm）」に準じて測定することができる。また、しわの高さは、同基準長さにおいて、隣り合う山と谷の高低差（図３（B）のT）を求め、それを平均値で表したものであり、例えばJIS  B0601：2001に規定された「粗さ曲線要素の平均高さ（Rc）」に準じて測定することができる。
【００３３】
この金属箔60は、１枚であってもよいし、複数枚重ねてもよい。複数枚重ねる場合は、10枚以下とすることが考えられる。また、金属箔60には、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）、又は金（Au）の箔を使用することでき、特に、入手容易性の観点からAl箔が好適に利用できる。
【００３４】
この金属箔60は、基板ホルダー20が冷却ブロック30に固定されることで、冷却ブロック30と基板ホルダー20との間に圧接されている。
【００３５】
（試験例１）
上記した図１に示す成膜装置1を用いて、冷却ブロック30と基板ホルダー20との間にしわ加工を施した金属箔60が介在することによる基板の冷却効率の改善効果について実験的に検討した。
【００３６】
試験方法は、基板50を保持した基板ホルダー20を冷却ブロック30に固定し、室温状態から冷却ブロック30に冷媒を循環させて冷却を開始したときの基板50の温度変化を測定し、その温度低下曲線（温度変化の近似曲線）を求めた。具体的には、図１に示すように、基板50と基板ホルダー20（基部21）との間にAl箔70を介在させ、このAl箔70の基板50中央部に対応する位置に温度計71の熱電対を設置して、温度計71により計測された温度を基板50の温度とした。
【００３７】
冷却ブロック30は、冷却ブロック30と基板ホルダー20との間の熱伝導を100％、つまり冷却ブロック30による基板ホルダー20の冷却効率を100％と仮定した場合の理論上の冷却能力が5.58W/Kとなるように設計した。また、冷媒には、Solvay  Solexis社製のGALDENを使用した。
【００３８】
そして、上記試験を以下の３パターンについて行った。
パターン１（比較例１）：従来同様に、基板ホルダーの背面が冷却ブロックの取り付け面に密着するように、基板ホルダーを冷却ブロックに固定する。
パターン２（比較例２）：冷却ブロックと基板ホルダーとの間にしわ加工を施していないAl箔を介在するように、基板ホルダーを冷却ブロックに固定する。ここでは、縦横：195mm×175mm、厚み：20μmのAl箔を9枚重ねて用いた。
パターン３（実施例１）：冷却ブロックと基板ホルダーとの間にしわ加工を施したAl箔を介在するように、基板ホルダーを冷却ブロックに固定する。ここでは、縦横：195mm×175mm、厚み：20μmのAl箔を手で丸めてシワ加工を施したもの（図３（A）参照）を9枚重ねて用いた。各Al箔のしわのピッチ及びしわの高さはそれぞれ1mm〜20mm及び0.5mm〜2mmであった。
【００３９】
以上の各パターンでのそれぞれの基板の温度変化を表１に示し、その温度低下曲線を図４に示す。表１中、理論値は、冷却ブロックの設計冷却能力を5.58W/Kとし、冷却ブロックと基板ホルダーとの間の熱伝導を100％と仮定した場合の基板の温度変化を算出して求めた値である。また、図４中、■印はパターン１（比較例１）での基板の温度低下曲線、◆印はパターン２（比較例２）での基板の温度低下曲線、●印はパターン３（実施例１）での基板の温度低下曲線をそれぞれ示す。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
また、図４の各温度低下曲線からそれぞれの冷却能力（W/K）を算出したところ、比較例１では0.80W/K、比較例２では2.23W/K、実施例１では5.20W/Kであった。
【００４２】
表１及び図４の結果から、実施例１では、比較例１及び２に比較して、冷却ブロックによる基板ホルダーの冷却効率が高く、基板の冷却効果を改善できることが分かる。特に、実施例１では、その冷却能力が冷却ブロックの設計冷却能力（5.58W/K）に近いことから、冷却ブロックの冷却能力を十分に引き出して基板ホルダー（基板）を冷却できることが分かる。したがって、本発明の成膜装置および成膜方法によれば、成膜中の基板の温度を迅速かつ正確に制御することができる。
【００４３】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、冷却ブロックと基板ホルダーとの間に介在される金属箔の枚数や材質を適宜変更したり、この金属箔に施すしわ加工の加工方法を適宜変更したりすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の成膜装置および成膜方法は、例えばリチウムイオン二次電池の正極や負極、或いは固体電解質の成膜に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
1  成膜装置
10  成膜室
11  排気管    12  真空ポンプ
20  基板ホルダー
21  基部    22  枠部    25  開口部
30  冷却ブロック
31  冷媒流路    32  冷媒槽    33  往路管    34  復路管
40  蒸発源    41  電源
50  基板
60  しわ加工を施した金属箔（Al箔）
70  Al箔    71  温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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