(57)【要約】【課題】複合材料からなる膜を成膜する成膜装置において、気体粒子生成温度が異なる複数の気体粒子生成部の温度制御性を改善する。【解決手段】成膜装置１０は、真空チャンバー１１内に、第１気体粒子生成部２０と、第２気体粒子生成部２１と、第１，第２気体粒子生成部２０，２１の間にそれぞれ配置された２つの仕切り部材２５と、被加工基板Ｄが保持されている成膜部３０とを配置して構成されている。仕切り部材２５は冷媒によって冷却され、高温側の第２気体粒子生成部２１からの輻射熱による第１気体粒子生成部２０の温度上昇を抑制している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生成温度が相異なる複数材料の気体粒子を生成するための複数の気体粒子生成部と、
前記複数の気体粒子生成部で生成された複数材料の気体粒子から基材状に膜を成膜する成膜部と、
前記複数の気体粒子生成部の間に設けられ、冷却されている仕切り部材と、
を備えている、成膜装置。
【請求項２】
請求項１記載の成膜装置において、
前記仕切り部材は、冷媒が流れる冷却部を有している、成膜装置。
【請求項３】
請求項２記載の成膜装置において、
前記複数材料のうちの少なくとも１つは、水分と反応する成分を含んでおり、
前記冷媒は、非水冷媒である、成膜装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置において、
前記膜は、蒸着法で形成される固体電解質膜である、成膜装置。
【請求項５】
請求項４記載の成膜装置において、
前記固体電解質膜は、リチウム二次電池の一部として用いられるものである、成膜装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の成膜装置において、
前記複数の気体粒子生成部の周囲に設けられ、冷却されている防着部材をさらに備えている、成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池などに用いられる薄膜を成膜するための成膜装置に係り、特に複数の気体粒子生成部を備えたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、リチウム二次電池や、半導体素子、光学素子などの電極等の要素として、複合材料からなる薄膜が用いられることも多い。そして、複合材料からなる薄膜を蒸着法やスパッタ法によって形成する際には、複数の気体粒子生成部が設けられることになる。すなわち、スパッタ，蒸発などを行う気体粒子生成部を複数個設置して、複数の気体粒子を蒸発等させて、被加工物に付着させることになる。
【０００３】
図４（ａ），（ｂ）は、特許文献１に記載されている従来の成膜装置の平面図および断面図である。同図に示すように、処理室１０１を形成する真空チャンバー１０２内には、ターゲット１１５と磁石１１６とを有する３つのスパッタ源１１２が同心状に配置されている。そして、センターマスク１１１のベアリング軸受け装置１１０の中心軸Ｏの周りに、仮想円Ｃに中心が位置するように被加工基板Ｄを回転させながら、３つのターゲット１１５から相異なる物質をスパッタリングして、気体粒子を生成し、この気体粒子を被加工基板Ｄ上に堆積することにより、複合材料からなる膜を成膜するようにしている。被加工基板Ｄは、搬送ラインＬに沿って出し入れされる。
【０００４】
【特許文献１】特開平２０００−２８２２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、蒸着法を用いる場合の蒸発温度の相違など、気体粒子を生成するための温度が材料によって異なる場合がある。その場合に、上記従来の成膜装置を利用すると、高温側の気体粒子生成部の温度の影響によって低温側気体粒子生成部の温度が上昇するので、低温側気体粒子生成部における温度制御性が悪化するという不具合がある。
【０００６】
本発明の目的は、生成温度が相異なる複数材料の気体粒子を生成する複数の気体粒子生成装置を備えながら、気体粒子生成装置における温度制御性の優れた成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の成膜装置は、生成温度が相異なる複数材料の気体粒子を生成する複数の気体粒子生成部を備えており、複数の気体粒子生成部同士の間に、冷却されている仕切り部材を介設したものである。
【０００８】
これにより、生成温度が高温側の気体粒子生成部の輻射熱が仕切り部材で遮られるので、低温側の気体粒子生成部の温度上昇が抑制される。また、各気体粒子生成部からの輻射熱を受けても、冷却されている仕切り部材の温度の上昇が抑制されるので、仕切り部材からの輻射熱に起因する低温側の気体粒子生成部の温度上昇が抑制される。したがって、各気体粒子生成部の温度制御性が向上し、形成される膜の特性も向上することになる。
【０００９】
本発明の成膜装置が、以下の限定事項を有していることにより、さらに付加的な効果を得ることができる。
【００１０】
仕切り部材が、冷媒が流れる冷却部を有していることにより、さらに効果的に仕切り部材の温度上昇を抑制することができるので、各気体粒子生成部の温度制御性がさらに向上する。
【００１１】
複数材料のうちの少なくとも１つが、水分と反応する成分を含んでいる場合には、冷媒が非水冷媒であることにより、信頼性が向上する。
【００１２】
形成される膜が蒸着法で形成される固体電解質であることにより、蒸発温度の差が大きい複数の材料を複数の蒸気生成部（気体粒子生成部）で蒸発させる場合にも、低温側の蒸気生成部の温度制御性を良好に保持することができる。
【００１３】
特に、固体電解質膜が、リチウム二次電池の一部として用いられるものである場合には、膜の組成比の制御性が向上するので、特性の優れたリチウム二次電池の製造に供することができる。
【００１４】
複数の気体粒子生成部の周囲に、冷却されている防着部材をさらに備えることにより、防着機能を備えつつ、防着部材からの輻射熱に起因する気体粒子生成部の温度制御性の悪化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の成膜装置によると、生成温度が相異なる複数材料の気体粒子を生成する複数の気体粒子生成装置を備えながら、各気体粒子生成装置の温度制御性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における成膜装置１０の要部を示す側面図である。同図に示すように、本実施の形態の成膜装置１０は、真空チャンバー１１内に、２つの第１気体粒子生成部２０と、１つの第２気体粒子生成部２１と、第１，第２気体粒子生成部２０，２１の間にそれぞれ配置された２つの仕切り部材２５と、各気体粒子生成部２０，２１および仕切り部材２５の横方向を囲む筒状防着板２７と、各気体粒子生成部２０，２１および仕切り部材２５の上方に設けられ、開口２８ａを有する板状防着板２８と、真空チャンバー１１の天井面に取り付けられ、リチウム二次電池の電極用の被加工基板Ｄが保持されている成膜部３０とを配置して構成されている。
【００１７】
第１気体粒子生成部２０は、カーボン製のボート２０ａおよびボート台２０ｂを備えていて、リチウム二次電池の固体電解質膜を形成するためのＰ２Ｓ５の気体粒子（蒸気）（生成温度３５０°Ｃ前後）を生成するものである。第２気体粒子生成部２１は、カーボン製のボート２１ａおよびボート台２１ｂを備えていて、リチウム二次電池の固体電解質膜を形成するためのＬｉ２Ｓの気体粒子（蒸気）（生成温度１０００°Ｃ前後）を生成するものである。本実施の形態における各ボート２０ａおよび２１ａは、いずれも抵抗加熱により発熱するものであって、本実施の形態では、抵抗加熱による蒸着法を採用している。ただし、電子ビーム加熱による蒸着法や、加熱を伴うスパッタ法を用いて、気体粒子を生成してもよい。仕切り部材２５の高さは、ボート２０ａ，２１ａの高さ以上であることが必要で、複合材料からなる膜の適正な組成比が得られなくなる高さ未満であることが必要である。
【００１８】
成膜部３０に保持される被加工基板Ｄは、銅箔の上にリチウム金属薄膜を形成したものであり、本実施の形態の成膜装置１０は、リチウム金属薄膜の上に固体電解質膜であるＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜を成膜する装置である。
【００１９】
図２（ａ），（ｂ）は、仕切り部材２５の側面図、およびII-II線における断面図である。図２（ａ），（ｂ）に示すように、仕切り部材２５は、ＳＵＳ製の平板２５ａに、断面形状が矩形のＳＵＳ製の冷却パイプ２５ｂを溶接して構成されており、冷却パイプ２５ｂの内部を冷媒が流れるようになっている。冷媒としては、たとえばフッ素系の熱媒体である商品名ガルデン（ソルベイソレクシス株式会社製）のような非水冷媒が適している。Ｐ２Ｓ５およびＬｉ２Ｓ等の硫化物は、水分と反応して有毒ガスである硫化水素を発生するおそれがあるので、非水冷媒を用いることにより、万一冷媒が成膜装置内に漏洩しても、かかる事態を回避することができる。非水冷媒としては、アルゴン、フロンなどの不活性ガス、グリコール、商品名フロリナート（住友スリーエム株式会社製）などの液体がある。また、冷却パイプ２５ｂと、圧縮機，凝縮器とを冷媒配管で接続して冷凍回路を構成し、冷凍回路内に冷媒を循環させることができる。その場合には、冷却パイプ２５ｂは冷凍回路の蒸発器として機能することになる。
【００２０】
上述のように、Ｐ２Ｓ５の気体粒子（蒸気）の生成温度は３５０°Ｃ前後（３００°Ｃ〜５００°Ｃ）である。また、Ｌｉ２Ｓの気体粒子（蒸気）の生成温度は１０００°Ｃ前後（９００°Ｃ〜１３００°Ｃ）である。そして、リチウム二次電池の特性上、固体電解質膜であるＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜の組成比Ｌｉ２Ｓ／Ｐ２Ｓ５は、モル比で「３」程度であることが求められる。
【００２１】
このように、第１気体粒子生成部２０と第２気体粒子生成部２１とでは、気体粒子（蒸気）の生成温度（蒸発温度）が大幅に異なっている。そこで、第１気体粒子生成部２０と第２気体粒子生成部２１との間に仕切り部材２５を設けることにより、高温側気体粒子生成部である第２気体粒子生成部２１からの輻射熱に起因する，低温側気体粒子生成部である第２気体粒子生成部２１の温度上昇をある程度抑制することができる。ところが、ある程度時間が経過すると、第２気体粒子生成部２１からの輻射熱によって仕切り部材２５の温度が上昇するので、仕切り部材２５からの輻射熱に起因して、第１気体粒子生成部２０の温度が上昇するおそれがある。
【００２２】
ここで、本実施の形態では、仕切り部材２５が、冷媒によって冷却される冷却部である冷却パイプ２５ｂを有しているので、仕切り部材２５の温度上昇が抑制され、仕切り部材２５からの輻射熱に起因する第１気体粒子生成部２０の温度上昇を抑制することができる。したがって、第１気体粒子生成部２０の温度を、適正範囲である３００°Ｃ〜５００°Ｃに収めることができる。
【００２３】
なお、本実施の形態においては、仕切り部材２５に、冷却部として冷却パイプ２５ｂを設けたが、仕切り部材２５の一部（たとえば下端部）がヒートシンクにつながっていて、ヒートシンクとの熱伝導によって冷却される構成となっていてもよい。また、防着板２７，２８を、冷媒が流れる冷却部を有する構造とするか、あるいはヒートシンクからの熱伝導を利用して冷却する構造にしてもよい。
【００２４】
図３（ａ），（ｂ）は、仕切り部材２５および第１，第２気体粒子生成部２０，２１の構造の変形例を示す上面図である。
【００２５】
図３（ａ）に示す変形例では、仕切り部材２５は、二重管によって構成されていて、図示されていないが、二重管の内部を冷媒が流れる構造となっている。そして、第１気体粒子生成部２０は二重管からなる仕切り部材２５の外方に配置され、第２気体粒子生成部２１は、仕切り部材２５の内方に配置されている。この場合、第１気体粒子生成部２０と、第２気体粒子生成部２１とが円筒の内外に隔離して設置されているので、各気体粒子生成部２０，２１の個別の温度制御が簡単になるという利点がある。
【００２６】
なお、図３（ａ）の破線に示すように、第１気体粒子生成部２０が、２カ所だけでなく、４カ所，３カ所など、３カ所以上の複数箇所に配置されていてもよい。また、３つ以上の種類の気体粒子（蒸気など）を生成する場合には、３つ以上の各気体粒子生成部同士の間にそれぞれ仕切り部材を配置することになる。その場合、３つ以上の気体粒子生成部のうちで、生成温度が近い又は等しい２つの気体粒子生成部が隣接している場合に、その間に、仕切り部材が設けられていないか、あるいは、仕切り部材が設けられているとしても仕切り部材が冷却されていない、という構成でもよい。ただし、全ての気体粒子生成部のうち、少なくとも２つの気体粒子生成部の間に、冷却されている仕切り部材が存在する必要がある。
【００２７】
図３（ｂ）に示す変形例では、図２（ａ），（ｂ）に示す構造を有する仕切り部材２５の両側に、第１気体粒子生成部２０と第２気体粒子生成部２１とが１つずつ配置されている。このように、気体粒子生成部の個数が１つずつでもよい。
【００２８】
（実施例１）
図１に示すように、本発明の仕切り部材２５を配置して、第２気体粒子生成部２１の制御目標温度を１０００°Ｃに設定して、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜（固体電解質膜）を成膜した。この実施例では、防着板２７，２８は冷却していない。このとき、第１気体粒子生成部２０の温度を３５０°Ｃに制御することができ、成膜レート０．０２μｍ／ｓで、組成比Ｌｉ２Ｓ／Ｐ２Ｓ５が「３」のＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜を形成することができた。成膜されたＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜（硫化物系固体電解質膜）のリチウムイオン伝導度は、１×１０−４Ｓ／ｃｍであった。
【００２９】
（実施例２）  
図１に示すように、本発明の仕切り部材２５を配置して、固体電解質膜の成膜レートを高くするために、第２気体粒子生成部２１の制御目標温度を１２００°Ｃに設定して、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜（固体電解質膜）を成膜した。この実施例では、第２気体粒子生成部２５の温度が実施例１よりも高いので、防着板２７，２８にも冷媒が流れる冷却パイプを取り付ける構造を採用した。このとき、第１気体粒子生成部２０の温度を４００°Ｃに制御することができ、成膜レート０．０３μｍ／ｓで、組成比Ｌｉ２Ｓ／Ｐ２Ｓ５が「３」のＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜を形成することができた。成膜されたＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜（硫化物系固体電解質膜）のリチウムイオン伝導度は、１．２×１０−４Ｓ／ｃｍであった。
【００３０】
（比較例）
図１に示す構成において、仕切り部材２５を冷却せずに、第２気体粒子生成部２１の制御目標温度を１０００°Ｃに設定して、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜（固体電解質膜）を成膜した。このとき、第１気体粒子生成部２０の温度は、ボートが通電されていないにもかかわらず、６００°Ｃに達した。形成されたＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜の組成比Ｌｉ２Ｓ／Ｐ２Ｓ５は「１」であった。そして、成膜されたＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５混合膜（硫化物系固体電解質膜）のリチウムイオン伝導度は、１×１０−６Ｓ／ｃｍであり、目標値１×１０−４Ｓ／ｃｍを達成することができなかった。
【００３１】
（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００３２】
上記実施の形態においては、成膜のための硫化物等の気体粒子生成部として、抵抗加熱による真空蒸着設備を用いたが、電子ビーム溶解による蒸着法や、蒸着法以外のスパッタリング法などを用いた構造を採ることができる。
【００３３】
上記実施の形態においては、本発明の成膜装置を、リチウム二次電池の固体電解質膜の成膜に適用したが、本発明の成膜装置は、Ｏ２，Ｎ２などのガスセンサ、燃料電池などの固体電解質膜の成膜にも適用することができる。
【００３４】
上記実施の形態では、成膜部３０に板状の被加工基板Ｄを設置するようにしたが、シート状の基材を供給ロール−巻き取りロール間で送りながら、連続的に成膜する構成を採ることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の成膜装置は、リチウム二次電池、ガスセンサ、燃料電池などの固体電解質膜の成膜に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態における成膜装置の要部を示す側面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、仕切り部材の側面図およびII-II線における断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、気体粒子生成部および仕切り部材の変形例を示す上面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、特許文献１に記載されている従来の成膜装置の平面図および断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０    成膜装置
１１    真空チャンバー
２０    第１気体粒子生成部
２０ａ  ボート
２０ｂ  ボート台
２１    第２気体粒子生成部
２１ａ  ボート
２１ｂ  ボート台
２５    仕切り部材
２５ａ  平板
２ｂｂ  冷却パイプ
２７    筒状防着板
２８    板状防着板
２８ａ  開口
３０    成膜部
Ｄ      被加工基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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