(57)【要約】【課題】薄膜形成効率を向上させた薄膜形成装置を提供すること【解決手段】薄膜を構成する材料を供給する材料供給源１３と、材料供給源１３から発せられた材料が付着する薄膜材料支持体１１と、薄膜材料支持体１１を移動させる駆動機構２０とを備えた、薄膜形成装置１００である。駆動機構２０は、薄膜材料支持体１１が材料供給源１３に対して凹面となるたわみが生じるように、薄膜材料支持体１１に応力を加えて薄膜材料支持体１１を移動させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜を形成するための薄膜形成装置であって、
前記薄膜を構成する材料を供給する材料供給源と、
前記材料供給源から発せられた材料が付着する薄膜材料支持体と、
前記薄膜材料支持体を移動させる駆動機構と
を備え、
前記駆動機構は、前記薄膜材料支持体が前記材料供給源に対して凹面となるたわみが生じるように、前記薄膜材料支持体に応力を加えて前記薄膜材料支持体を移動させる、薄膜形成装置。
【請求項２】
前記薄膜材料支持体は、ベルト形状を有しており、
前記凹面の部分における前記薄膜材料支持体には、実質的に張力が印加されておらず、
前記薄膜材料支持体の前記凹面の部分において、前記材料供給源に面する側の全ての表面は、前記材料供給源に対して露出している、請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
薄膜を構成する材料を蒸発させ蒸発源と、
前記蒸発源から蒸発した材料を蒸着させるベルトと、
前記ベルトを移動させるローラと
を備え、
前記材料が前記ベルトに蒸着する時、前記ベルトは、前記蒸発源に対して凹面を形成するように移動し、
前記ローラは、前記ベルトを押し出すように駆動することによって、前記ベルトをたるまして前記凹面を形成する、薄膜形成装置。
【請求項４】
前記ローラは、前記材料が蒸着する前の前記ベルトを押し出す第１ローラと、前記材料が蒸着された前記ベルトを引き込む第２ローラとからなり、
前記蒸発源は、前記第１ローラと前記第２ローラとの間に位置する領域に配置されており、
前記第１ローラは、前記ベルトを略水平方向よりも上方に押し出すようにセットされている、請求項３に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記第１ローラは、前記ベルトを挟む一対のローラを含んでおり、
前記第２ローラは、前記ベルトを挟む一対のローラを含んでいる、請求項４に記載の薄膜形成装置。
【請求項６】
前記材料は、リチウム含有金属酸化物である、請求項１から５の何れか一つに記載の薄膜形成装置。
【請求項７】
前記材料の少なくとも一種は、リチウムである、請求項１から５の何れか一つに記載の薄膜形成装置。
【請求項８】
ベルト形状の薄膜材料支持体を、薄膜材料供給源に対して凹状に移送させて、前記薄膜材料支持体の前記蒸発源側の表面の実質的に全面に、薄膜を形成する、薄膜形成方法。
【請求項９】
前記薄膜材料供給源は、リチウム含有金属酸化物またはリチウムを蒸発させる蒸発源である、請求項８に記載の薄膜形成方法。
【請求項１０】
複数の層から構成されたリチウムイオン電池であって、
前記複数の層の少なくとも一層は、ベルト形状の薄膜材料支持体を蒸発源に対して凹状に移送させて、蒸発源から蒸発した電池構成材料を蒸着させることによって形成された層である、リチウムイオン電池。
【請求項１１】
リチウム含有金属酸化物からなる層を備えたリチウムイオン電池であって、
前記層は、ベルト形状の薄膜材料支持体を蒸発源に対して凹状に移送させて、蒸発源から蒸発したリチウム含有金属酸化物またはリチウムを蒸着させることによって形成された層である、リチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成装置および薄膜形成方法に関する。本発明はまた、それらを利用して形成した薄膜を含むリチウムイオン電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば連続真空蒸着によって薄膜を形成する場合、図１５に示すような薄膜形成装置が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。図１５に示した薄膜形成装置は、被蒸着材料１を搬送・冷却する冷却回転ロール２と、蒸着材料を蒸発させる蒸発源３と、被蒸着材料１を送り出す送出し軸４と、蒸着後の被蒸着材料１を巻き取る巻取り軸５を備えている。
【０００３】
この薄膜形成装置の動作では、まず、送出し軸４から被蒸発材料１が繰り出され、次いで、冷却回転ロール２に沿って搬送、冷却されると同時に、蒸発源３によって蒸着され、その後、巻取り軸５にて巻き取られる。このようにして、薄膜が連続して形成されていく。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１４５９８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、図１６に示すように、回転ロール２の円周の一部の領域だけを使って蒸着を行うため、成膜時の蒸着効率が悪いという問題点がある。また、この構成で、蒸着面積を増やして蒸着効率を向上させようとしても、それは難しい。なぜならば、良好な成膜を行う上では、蒸発源１から飛び出る材料の方向と、蒸発源１と蒸着面との距離を適切に規定しなければならず、それらの規定を無視して、蒸着面積を安易に増やすことができないからである。
【０００６】
また、磁気テープ用の薄膜は、斜め蒸着法によって形成されるため、蒸発源１から飛び出る材料の方向、および、蒸発源１と蒸着面との距離の制約はより厳しくなり、その結果、さらに蒸着効率（つまり、薄膜形成効率）は悪くなってしまう。この場合の実際に蒸着面として利用している割合は、わずか１割〜２割ぐらいにすぎない。
【０００７】
本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、薄膜形成効率を向上させた薄膜形成装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、薄膜形成効率を向上させた薄膜形成方法、ならびに、そのような手法を用いて形成した薄膜を含むリチウムイオン電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜形成装置は、薄膜を形成するための薄膜形成装置であって、前記薄膜を構成する材料を供給する材料供給源と、前記材料供給源から発せられた材料が付着する薄膜材料支持体と、前記薄膜材料支持体を移動させる駆動機構とを備え、前記駆動機構は、前記薄膜材料支持体が前記材料供給源に対して凹面となるたわみが生じるように、前記薄膜材料支持体に応力を加えて前記薄膜材料支持体を移動させる、薄膜形成装置である。
【０００９】
ある好適な実施形態において、前記薄膜材料支持体は、ベルト形状を有しており、前記凹面の部分における前記薄膜材料支持体には、実質的に張力が印加されておらず、前記薄膜材料支持体の前記凹面の部分において、前記材料供給源に面する側の全ての表面は、前記材料供給源に対して露出している。
【００１０】
本発明の他の薄膜形成装置は、薄膜を構成する材料を蒸発させ蒸発源と、前記蒸発源から蒸発した材料を蒸着させるベルトと、前記ベルトを移動させるローラとを備え、前記材料が前記ベルトに蒸着する時、前記ベルトは、前記蒸発源に対して凹面を形成するように移動し、前記ローラは、前記ベルトを押し出すように駆動することによって、前記ベルトをたるまして前記凹面を形成する、薄膜形成装置である。
【００１１】
ある好適な実施形態において、前記ローラは、前記材料が蒸着する前の前記ベルトを押し出す第１ローラと、前記材料が蒸着された前記ベルトを引き込む第２ローラとからなり、前記蒸発源は、前記第１ローラと前記第２ローラとの間に位置する領域に配置されており、前記第１ローラは、前記ベルトを略水平方向よりも上方に押し出すようにセットされている。
【００１２】
ある好適な実施形態において、前記第１ローラは、前記ベルトを挟む一対のローラを含んでおり、前記第２ローラは、前記ベルトを挟む一対のローラを含んでいる。
【００１３】
ある好適な実施形態において、前記材料は、リチウム含有金属酸化物である。
【００１４】
ある好適な実施形態において、前記材料の少なくとも一種は、リチウムである。
【００１５】
本発明の薄膜形成方法は、ベルト形状の薄膜材料支持体を、薄膜材料供給源に対して凹状に移送させて、前記薄膜材料支持体の前記蒸発源側の表面の実質的に全面に、薄膜を形成する。
【００１６】
ある好適な実施形態において、前記薄膜材料供給源は、リチウム含有金属酸化物またはリチウムを蒸発させる蒸発源である。
【００１７】
本発明のリチウムイオン電池は、複数の層から構成されたリチウムイオン電池であり、前記複数の層の少なくとも一層は、ベルト形状の薄膜材料支持体を蒸発源に対して凹状に移送させて、蒸発源から蒸発した電池構成材料を蒸着させることによって形成された層である。
【００１８】
本発明の他のリチウムイオン電池は、リチウム含有金属酸化物からなる層を備えたリチウムイオン電池であり、前記層は、ベルト形状の薄膜材料支持体を蒸発源に対して凹状に移送させて、蒸発源から蒸発したリチウム含有金属酸化物またはリチウムを蒸着させることによって形成された層である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願発明者は、従来の薄膜形成装置について蒸着効率を向上させるべく、鋭意研究した結果、被蒸着材料（基体）の曲率を正から負に、すなわち、蒸発源に対して凸面だったものを凹面にすることによって、蒸発効率を向上させることが可能であることを見いだし、本発明に至った。
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２１】
本発明の実施形態に係る薄膜形成装置１００の構成を図１に示す。本実施形態の薄膜形成装置１００は、薄膜を構成する材料を供給する材料供給源（例えば、蒸発源）１３と、材料供給源１３から発せられた材料が付着する薄膜材料支持体１１と、薄膜材料支持体１１を移動させる駆動機構２０とを備えている。薄膜材料支持体１１は、薄膜を支持する材料（基板）であるとともに、薄膜形成用の基板でもあり、この上（特に、材料供給源１３側の面）に、薄膜が形成される。ここで、薄膜材料支持体１１は、材料供給源１３に対して凹面となるように移動していく。そして、駆動機構２０は、そのような凹面となるたわみが薄膜材料支持体１１に生じるように、薄膜材料支持体１１に応力を加えることができる。この駆動機構２０からの応力によって、薄膜材料支持体１１は移動（移送）する。
【００２２】
本実施形態における薄膜材料支持体１１は、図１に示すように、フィルム状の基板であり、この例では、ベルト形状をしている。薄膜材料支持体１１の材質は、使用目的にあわせて適宜決定されるが、例えば、金属（ステンレス、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄など）、セラミックス、樹脂、または、それらの複合材料などである。
【００２３】
駆動機構２０は、薄膜材料支持体（以下、「ベルト（あるいは、フィルム基板）」とも称する。）１１を送り出しできる摩擦力を有するローラ２１を有している。さらに、駆動機構２０は、薄膜が形成されたベルト１１を引き込むローラ２２と、ベルト１１を送り出す送出し軸１４と、ベルト１２を巻き取る巻取り軸１５とを有している。
【００２４】
ベルト１１は、まず、送出し軸１４から送り出された後、ローラ２１によって応力が加えられて、凹面を形成し、次いで、ローラ２２によって引き込まれる。材料供給源（より詳細には、薄膜形成材料の供給源）１３が蒸発源の場合、ベルト１１が凹面を形成して移動している間に、蒸発源１３から蒸発した材料がベルト１１上に蒸着し、それによって、ベルト１１上に薄膜が形成される。薄膜が形成されたベルト１１は、ローラ２２によって引き込まれ、その後、巻取り軸１５によって巻き取られる。
【００２５】
本実施形態の薄膜形成装置１００では、図１５に示した従来の構成と異なり、ベルト（フィルム基板）１１が凹面を形成しながら移動させることができるので、薄膜形成面（例えば、蒸着面）を非常に広くすることができる。本願発明者の推定によれば、条件によって異なるものの、図１５に示した従来の構成と比較して、３〜４倍くらい蒸着効率（薄膜形成効率）を向上させることが可能であることがわかった。
【００２６】
また、この構成によれば、材料供給源（例えば、蒸発源）１３から飛び出る材料の方向、および、材料供給源１３と薄膜形成面との距離の制約を満たすことが容易となる。例えば、凹面の形状や材料供給源１３の位置を規定することにより、材料供給源１３と薄膜形成面との距離を実質的に一定にすることも可能であるし、薄膜形成面に実質的に直角な方向で材料がベルト１１に付着（例えば、蒸着）させるようにすることができる。
【００２７】
また、本実施形態の構成では、ベルト１１が凹面となるたわみを生じるように、駆動機構２０（特に、ローラ２１）がベルト１１に応力を加えるようにしている。
【００２８】
言い換えると、凹面の部分（言い換えると、薄膜形成面）におけるベルト１１には、張力が加わっていない。これは、通常、ベルトには張力を加えて動作させる技術常識と比べると、奇異なものであるが、このように動作させることにより、次のような効果が得られる。すなわち、ベルト１１に張力を加えて凹面を形成させようとすると、薄膜形成面（例えば、蒸着面）側に、凹面を形成・維持するためのガイドを設けることが必要となる。このガイドの存在により、ガイドによって覆われている部分のベルト上には薄膜は形成されず、それゆえに、ベルト上に、薄膜が形成されている部分と形成されていない部分とが発生してしまうことになる。ベルトから薄膜が形成されていない部分を除去するには、切断工程がさらに必要となり、工程が複雑化してしまう結果を招いてしまうことにもなりなねない。この切断工程では、切断の際に薄膜から粉体が生じる場合もあるので、粉体の発生が好ましくない製造工程においては、切断工程自体行うことが難しい場合もある。加えて、薄膜形成時において、ガイドと、ベルト上に形成された薄膜とが擦れることによって、薄膜がはがれたり、薄膜から粉体が発生するような不具合も生じ得る。
【００２９】
本実施形態の構成によれば、ローラ２１によってベルト１１を押し出し、それによって凹面を形成するので、ベルト１１の薄膜形成面側に、凹面を形成・維持するためのガイドを配置する必要がない。したがって、本実施形態の薄膜形成装置１００では、ベルト１１の薄膜形成面の全面に薄膜を形成することができる。それゆえ、上述した問題の発生も回避することも可能となる。なお、ガイド無しで凹面を形成するために、ベルト１１に張力を加えないようにしているので、引き込みローラ２２の周囲に、張力を加えることは特段問題は生じない。ローラ２１の押し出しによって、ベルト１１の凹面を形成する場合、ベルト１１の寸法や物理的特性を考慮した上で、ローラ２１の速度やベルト１１の飛び出し角度を調整することによって、所定の凹面を形成するようにするのが好ましい。
【００３０】
本発明の実施形態の薄膜形成装置と類似した技術に、特開平９−３０２４６８号公報に開示されたものがある。ここでは、蒸発源からの蒸発物質の粒子数が等しくなるような凹面を形成するようにフィルム基板を走行させるようさせた技術が開示されている。しかしながら、この技術は、フィルム基板の蒸発源側にガイドを配置して、フィルム基板に張力を加えて凹面を形成するものであり、上述したような問題が生じ、本発明とは、基本的構成が大きく異なるものである。
【００３１】
次に、本発明の実施形態の改変例について説明する。すなわち、上記実施形態の構成は、以下のように改変することも可能である。
【００３２】
図２は、その改変例を例示的に示している。図２に示した薄膜形成装置では、ベルト１１の凹面をより容易に作るために、ローラ２１として、ベルト１１を挟むことができる一対のローラを用いている。同様に、ローラ２２においても、一対のローラを用いている。これにより、より動作を安定させることが可能となる。
【００３３】
なお、上記実施形態１で説明したとおり、ベルト１１の薄膜形成面側にガイドを配置することは好ましくないが、それとは反対側の面にガイドを配置することは、特に問題はない。そのようなガイドは、凹面を安定して維持する上で好適である。
【００３４】
また、ローラからの出射角度を調整すれば、図３に示すように、材料供給源１３を覆うような凹面形状（いわゆるボウシ型）も形成することができる。この場合、ローラ２１とローラ２２とを結ぶ線（典型的には、水平線）よりも上方に、材料供給源１３を配置することができる（図３参照）。なお、図１および図２に示した例も含めて、ローラ２１とローラ２２との間に位置する領域に、材料供給源１３は配置されていればよい。
【００３５】
ローラ２１における一対のローラの配置としては、ローラの中心が略水平になるようにセットしてもよい。このようにしても、図４に示すように、ベルト１１を凹面形状にて移動させることができる。ただし、図５に示すように、ローラの中心が垂直になるようにセットすると、ベルト１１を凹面形状にて移動させることは難しくなる。つまり、ローラ２１は、ベルト１１を略水平方向よりも上方または下方に押し出すようにセットされていることが好ましい。
【００３６】
なお、図５に示した場合で、凹面を形成したい場合、下から上へと吹き上げるような浮力（例えば、風。場合によっては、磁力などの吸引力）を導入すれば、凹面を形成することができる。この浮力の導入は、図１等に示した例においても適用可能である。
【００３７】
また、図６に示すように、ローラ２１とローラ２２との高さを変えるようにしてもよい。この構成は、ベルト１１の曲面（凹面）および材料供給源の距離を規定することにより、ある限定した入射角で形成された薄膜を得ることも可能となる。
【００３８】
さらに、他の改変例を示すと、以下の通りである。
【００３９】
図７は、搬送用エンドレス支持ベルト１６を用いた構成例を示している。凹面を形成している領域の支持ベルト１６の裏面側には、複数のバックアップロール１９が形成されている。また、ローラ（第１駆動軸）２１とニップロール１７とはベルト１１を挟むとともに、ローラ（第２駆動軸）２２とニップロール１８とがベルト１１を挟む構成となっている。
【００４０】
また、図８は、搬送用支持ベルト１６をエンドレスでなく、使いきりのもの（使いきりバックアップベルト）にした構成例を示している。図９は、搬送用エンドレス支持ベルト１６と、スライドガイド１９’と組み合わせて用いた構成例を示している。図１０は、バックアップロール１９やスライドガイド１９’を用いない構成例を示している。
【００４１】
図１１は、搬送用エンドレス支持ベルト１６を用いて、Ω型（いわゆるボウシ型）を形成した構成例を示している。図１２は、搬送用エンドレス支持ベルト１６を用いて、定入射角（α）型の配置にした構成例を示している。なお、参考のために、円形（凸面）ロールの構成例（比較例）を図１３に示し、凹面構成でない平面構成の例（比較例）を図１４に示す。
【００４２】
本実施形態では、薄膜形成方法として、主に、蒸着（例えば、真空蒸着）の例を示したが、これに限らず、スパッタでも噴霧でもよい。したがって、材料供給源としては蒸発源に必ずしも限定されない。また、紫外線硬化樹脂のコーティングおよび／または紫外線照射を行うものに対して、この技術を適用してもよい。形成された薄膜は、種々の用途に広く適用することができ、例えば、包装・装飾用の用途に用いることができる。薄膜材料（材料供給源１３から発せられる材料）としては、例えば、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、有機物、酸化物、窒化物、またはそれらの複合材料を挙げることができる。
【００４３】
本実施形態の薄膜形成装置を、リチウムイオン電池の製造の用途に用いる場合、例えば、リチウムイオン電池の正極の製造において好適に利用することができる。つまり、リチウムイオン電池は、積層構造をしているので、正極の基板となる下地をベルト１１として、本実施形態の薄膜形成装置を動作させ、そのベルト１１上にリチウム含有金属酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ２など）を蒸着させれば、効率良く正極を製造することができる。この場合、スパッタよりも蒸着の方が、成膜速度が速いので、大量生産およびコスト低減を図る上で好ましい。また、蒸着源１３からの蒸着方向（例えば、ベルト１１に対して略垂直）をコントロールすることによって、正極の特性、ひいてはリチウムイオン電池の特性を向上させることも可能である。
【００４４】
以上、本発明の好ましい例について説明したが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の変形が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の薄膜形成装置によれば、材料供給源から発せられた材料が付着する薄膜材料支持体を移動させる駆動機構が、材料供給源に対して凹面となるたわみが生じるように、薄膜材料支持体に応力を加えて、薄膜材料支持体を移動させることができるので、従来よりも薄膜形成効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置１００の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図５】ローラ２１とローラ２２との配置関係を説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の改変例を模式的に示す図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の比較例を模式的に示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の比較例を模式的に示す図である。
【図１５】従来の薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図１６】従来の薄膜形成装置の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１    被蒸着材料
２    冷却回転ロール
３    蒸発源
４    送出し軸
５    巻取り軸
１１  ベルト（フィルム基板または被蒸着材料）
１３  材料供給源（蒸発源）
１４    送出し軸
１５    巻取り軸
１６  搬送用支持ベルト
１７，１８  ニップロール
１９  バックアップロール
１９’スライドガイド
２０  駆動機構
２１  ローラ（第１ローラ）
２２  ローラ（第２ローラ）
１００  薄膜形成装置
【図１】
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【図２】
2004292931.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004292931.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004292931.tif 000012
【図１１】
2004292931.tif 000013
【図１２】
2004292931.tif 000014
【図１３】
2004292931.tif 000015
【図１４】
2004292931.tif 000016
【図１５】
2004292931.tif 000017
【図１６】
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