JP2009041098A - Deposition method - Google Patents
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Abstract
【課題】複合材料膜中の組成均一性を改善するための成膜方法を提供する。
【解決手段】成膜装置10は、真空チャンバー11内に、被蒸着材料としてSi,Coを個別に格納した第1,第2銅るつぼ13a,13bを備えている。電子銃16により、Si,Coを個別に加熱し、第1,第2水晶振動子15a,15bおよび制御装置50により、Si,Coの蒸着量を個別に制御する。真空蒸着前に、真空チャンバー11の圧力を2×10−3Pa以下に減圧してから、Arガスを1×10−2〜1×10−1Paの圧力範囲で導入する。真空蒸着を行うと、Arガスの存在によって、各粒子の衝突回数が増大するので、Si,Coが十分混合されて、基材シート31上に、組成均一性の良好なSi−Co合金膜35が形成される。
【選択図】図1A film forming method for improving composition uniformity in a composite material film is provided.
A film forming apparatus 10 includes first and second copper crucibles 13a and 13b each storing Si and Co as vapor deposition materials in a vacuum chamber 11. The electron gun 16 individually heats Si and Co, and the first and second crystal resonators 15a and 15b and the control device 50 individually control the deposition amounts of Si and Co. Before vacuum deposition, the pressure in the vacuum chamber 11 is reduced to 2 × 10 −3 Pa or less, and then Ar gas is introduced in a pressure range of 1 × 10 −2 to 1 × 10 −1 Pa. When vacuum deposition is performed, the number of collisions of each particle increases due to the presence of Ar gas, so that Si and Co are sufficiently mixed, and the Si—Co alloy film 35 with good composition uniformity is formed on the base sheet 31. Is formed.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、複合材料の膜を成膜するための成膜方法に係り、特に成膜の組成均一性の向上対策に関する。 The present invention relates to a film forming method for forming a film of a composite material, and more particularly to measures for improving the composition uniformity of a film.
近年、複数種の材料からなる複合材料膜を基材シート上に形成した部品を利用した製品が増大している。たとえば、リチウムイオン電池の負極の活物質としては、SiとCoとの合金膜が用いられる。 In recent years, products using components in which a composite material film made of a plurality of types of materials is formed on a base sheet have been increasing. For example, an alloy film of Si and Co is used as an active material for a negative electrode of a lithium ion battery.
特許文献1には、複合材料膜であるZn−Si合金膜を生成する方法として、減圧された装着室内において、基材シートの走行方向に並べた2つのるつぼからZnとSiとを蒸発させて、基材シート上にZn−Si合金膜を堆積する成膜方法が開示されている。 In Patent Document 1, as a method of generating a Zn—Si alloy film that is a composite material film, Zn and Si are evaporated from two crucibles arranged in the traveling direction of a base sheet in a decompressed mounting chamber. A film forming method for depositing a Zn—Si alloy film on a substrate sheet is disclosed.
特許文献2には、単一のるつぼ内に、基材シートの走行方向に直交する方向に仕切る仕切り板を設けておいて、仕切り板で区画された2つの室から、電子銃を用いて2種の材料を加熱・蒸発させて、基材シート上に複合材料膜を堆積する成膜方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、2つのるつぼを近接させても、合金膜中の組成が不均一であるという不具合があった。その理由は、成膜の膜厚は蒸発源の直上で最大となるcosθ則に従うので、基材シートの走行方向に対して前方に配置されたるつぼから蒸発された材料は、下層に多く偏在し、後方に配置されたるつぼから蒸発された材料は上層に多く偏在するからである。その結果、合金膜は2層構造に近いものになってしまうという不具合があった。 However, the technique of Patent Document 1 has a problem that the composition in the alloy film is not uniform even when the two crucibles are brought close to each other. The reason is that the film thickness of the film conforms to the cos θ rule, which is the maximum directly above the evaporation source, so that the material evaporated from the crucible placed in front of the traveling direction of the base sheet is unevenly distributed in the lower layer. This is because a large amount of material evaporated from the crucible arranged at the rear is unevenly distributed in the upper layer. As a result, there is a problem that the alloy film has a two-layer structure.
一方、特許文献2の技術では、るつぼ内で2種の材料を蒸発させる室を、基材シートの走行方向に直交する方向に並べることにより、蒸発室をできるだけ近接させて、特許文献1のような2層構造に近い構造になることを回避しようとしている。しかし、るつぼの温度は一定であるのに、2種の材料の分圧は互いに異なるので、複合材料膜の組成均一性を所望通りに制御することは困難であった。 On the other hand, in the technique of Patent Document 2, the chambers for evaporating two kinds of materials in the crucible are arranged in a direction perpendicular to the traveling direction of the base sheet, thereby bringing the evaporation chambers as close as possible, as in Patent Document 1 An attempt is made to avoid a structure close to a two-layer structure. However, since the partial pressures of the two materials are different from each other even though the temperature of the crucible is constant, it has been difficult to control the composition uniformity of the composite material film as desired.
本発明の目的は、複数種の材料が蒸発して基材シートに達するまでの過程において複数種の材料の各気体粒子を十分混合させる手段を講ずることにより、組成均一性の良好な複合材料膜を形成しうる成膜方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a composite material film having good composition uniformity by providing means for sufficiently mixing each gas particle of a plurality of types of materials in the process until the plurality of types of materials evaporate and reach the base sheet. It is an object of the present invention to provide a film forming method capable of forming a film.
本発明の成膜方法は、複数種の材料を複数の蒸発源からそれぞれ蒸発させて、基材シート上に複合材料膜を堆積する成膜方法であって、基材シートおよび蒸発源が配置される空間を減圧した後、不活性ガスを導入する方法である。 The film forming method of the present invention is a film forming method in which a plurality of types of materials are evaporated from a plurality of evaporation sources, respectively, and a composite material film is deposited on the substrate sheet. The substrate sheet and the evaporation source are arranged. This is a method of introducing an inert gas after depressurizing the space.
この方法により、複数種の材料から空間内にそれぞれ気体粒子が蒸発すると、不活性ガスの存在によって空間内における各気体粒子の衝突回数が増大するので、気体粒子が基材シート上に到着するまでに、各気体粒子が十分混合される。したがって、基材シート上には、組成均一性の良好な複合材料膜が堆積されることになる。 When gas particles evaporate from a plurality of types of materials into the space by this method, the number of collisions of each gas particle in the space increases due to the presence of the inert gas, so that the gas particles arrive on the base sheet. In addition, each gas particle is sufficiently mixed. Therefore, a composite material film with good composition uniformity is deposited on the base sheet.
不活性ガスを導入する前の減圧工程では、空間内の圧力を2×10−3Pa以下まで減圧することにより、気体粒子と空間内の気体との反応を抑制しつつ、基材シート上に組成均一性のよい複合材料膜を形成することができる。 In the decompression step before introducing the inert gas, by reducing the pressure in the space to 2 × 10 −3 Pa or less, while suppressing the reaction between the gas particles and the gas in the space, on the base sheet. A composite material film with good composition uniformity can be formed.
不活性ガスが導入されたときの空間内の圧力を1×10−2Pa〜1×10−1Paの範囲に維持することにより、成膜能率を高く維持しつつ、組成均一性のよい複合材料膜を基材シート上に形成することができる。 By maintaining the pressure in the space when the inert gas is introduced in the range of 1 × 10 −2 Pa to 1 × 10 −1 Pa, the composite with good composition uniformity while maintaining high film forming efficiency A material film can be formed on a substrate sheet.
本発明の成膜方法によると、基材シート上に、組成均一性の良好な複合材料膜を形成することができる。 According to the film forming method of the present invention, a composite material film having good composition uniformity can be formed on a substrate sheet.
(実施の形態)
−成膜装置の構成−
図1は、本発明の実施の形態における成膜装置10内の要部を模式的に示す側面図である。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と、真空チャンバー11の床面上に取り付けられた第1,第2銅るつぼ13a,13bを有する気体粒子生成部13と、各銅るつぼ13a,13bに電子ビームを照射する電子銃16と、チャンバー11の上部に配置された成膜部14と、各気体粒子の蒸発量を測定するための第1,第2水晶振動子15a,15bと、排気管22によって真空チャンバー11に接続される真空ポンプ21と、真空チャンバー11内に不活性ガス(本実施の形態では、Arガス)を供給するためのガス供給部40と、各水晶振動子15a,15bの検知信号を受けて各銅るつぼ13a,13bの温度を個別に制御するための制御装置50とを備えている。気体粒子生成部13と成膜部14との間は、防着板36によって仕切られており、防着板36により、気体粒子生成部13で生成された気体粒子(本実施の形態では、Si合金の蒸気)の成膜部14への通過範囲が制限されている。本実施の形態においては、真空蒸着法により基材シート31上に成膜する場合を例に採っているが、本発明は、必ずしも真空蒸着法に限定されず、高温で気体粒子を生成して、基材シート上に堆積させる成膜技術一般に適用することができる。
(Embodiment)
−Structure of film forming device−
FIG. 1 is a side view schematically showing a main part in a
気体粒子生成部13において、各銅るつぼ13a,13bは、カーボンハースライナー抵抗加熱機構や電子銃によって加熱されるSi,Coのインゴットがそれぞれ配置されている。1つの電子銃16から2つの銅るつぼ13a,13bに電子ビームが交互に照射される。電子ビームは、図示しない電磁機構を用いた磁界によって偏向し、これによって照射位置が制御される。第1銅るつぼ13a中のSiの温度、および第2銅るつぼ13b中のCoの温度は、電子銃16から照射される電子ビームのエミッション電流によってそれぞれ制御される。そして、リチウムイオン二次電池の負極材料として用いられるSi−Co合金膜35が、銅箔である基材シート31の上に形成される。
In the gas particle generation unit 13, the
基材シート31の厚さは、約0.01〜0.03mmであり、Si−Co合金膜35の厚さは、約3〜10μmである。基材シート31は、リチウムイオン電池に用いられる場合は、銅箔,ITOフィルムなどの導体シートであるが、堆積される膜の種類によっては、必ずしも導体シートに限定されるものではない。Si−Co合金の組成比は、Siが0.8(80%)で、Coが0.2(20%)である。また、各銅るつぼ13a,13b間の距離は30mm〜200mm(たとえば約37mm程度)で、基材シート31と各銅るつぼ13a,13bとの間の距離は、約150mm〜800mm(たとえば300mm程度)である。なお、本実施の形態では、第1,第2銅るつぼ13a,13bは、基材シート31の搬送方向に並んでいるが、基材シート31の搬送方向に対して、直交する方向または交差する方向に並んでいても、本発明の効果は得られる。
The thickness of the
また、成膜部14には、基材シート31を巻き付けたシート供給ロール32と、シート供給ロール32から送られる基材シート31を移動可能に支持するキャンロール33と、成膜された基材シート31を巻き取る巻き取りロール34とが配置されている。図示されていないが、上記各ロール32,33,34の軸は、真空チャンバー11の天井面に固定され、キャンロール33は内部を通過する冷却水により冷却されている。この例では、供給ロール32の制動力と巻き取りロール34の回転駆動力によって基材シート31に張力を付与している。キャンロール33は、クラウン状ではなく、ほぼ直円筒状である。ただし、キャンロール33の端部に近い部分だけ小径にするなど、大きな応力集中が生じない範囲でクラウン状にしてもよい。
The
上記防着板36は、キャンロール33の下方に位置する領域に形成された開口を有している。気体粒子生成部13で生成されたSi,Coの蒸気は、広い範囲に飛散するが、開口を通った気体粒子だけが基材シート31に到達する。したがって、連続して搬送される基材シート31の上には、防着板36の開口直上に位置する領域で、複数種の気体粒子がそれぞれ堆積される。
The
蒸着が行われている間、第1水晶振動子15aにより、第1銅るつぼ13aからのSiの蒸発量がモニターされ、第2水晶振動子15bにより、第2銅るつぼ13aからのCoの蒸発量がモニターされる。そして、制御装置50により、各水晶振動子15a,15bの検知信号に応じて、各銅るつぼ13a,13bの温度が個別に制御される。一般に、蒸発量は、チャンバー内圧力と蒸発源の温度とによって定まるが、本実施の形態では、チャンバー内圧力を一定にしているので、各銅るつぼ13a,13bの温度によってSi,Coの蒸発量が個別に制御されることになる。
While vapor deposition is being performed, the amount of Si evaporated from the
−成膜工程−
次に、成膜工程について説明する。成膜作業を始める前に、まず、真空ポンプ21により、真空チャンバー11内の圧力を2×10−3Pa以下まで減圧する。
-Film formation process-
Next, the film forming process will be described. Before starting the film forming operation, first, the pressure in the
次に、ガス供給装置40から真空チャンバー11内にArガスを徐々に導入し、真空チャンバー11内の圧力を1×10−2Pa〜1×10−1Paの範囲に維持する。そして、この状態で、成膜作業を開始する。すなわち、各ロール32,33,34を回転させて、基材シート31を、シート供給ロール32からキャンロール33に搬送し、キャンロール33上で、Si−Co合金膜35を基材シート31上に形成した後、成膜された基材シート31を巻き取りロール35で巻き取る。その際、たとえば、Siの成膜速度は、50nm/secであり、Coの成膜速度は3.5nm/secである。この条件下では、Siの組成は約0.8(80%)であり、Coの組成割合は、約0.2(20%)である。
Next, Ar gas is gradually introduced into the
図2は、本実施の形態によって形成されたSi−Co合金膜35のEDX(Energy Dispersive X-ray FluorescenceSpectrometer)による組成分析結果を示す図である。同図において、横軸は、基材シート31に隣接する下端から上端までの膜厚方向を示し、縦軸はSiおよびCoの組成(%)を示している。曲線LsiはSiの膜厚方向の組成分布曲線であり、曲線LcoはCoの膜厚方向の組成分布曲線である。ただし、同図において、Si−Co合金膜35の下端のごく近傍の領域では、基材シート31の表面の凹凸によってCoの組成データに誤差が生じている。
FIG. 2 is a diagram showing a composition analysis result by EDX (Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer) of the Si—
図2のデータから以下のことがわかる。Si−Co合金膜35の下部では比較的Siの組成が大きく、上部に向かうほどSiの組成が低減している。そして、上端付近でSiの組成がほぼ0.8(80%)になっている。つまり、SiおよびCoの組成は、上端付近で約80%:20%に収束している。蒸着による複合材料膜の堆積技術としては、本実施の形態によって得られるSiーCo合金膜35は、膜厚方向における組成が相当に均一に分布しているといえる。つまり、本実施の形態のSi−Co合金膜35は、組成均一性の良好な複合材料膜であることがわかる。
The following can be understood from the data of FIG. The Si composition is relatively large in the lower part of the Si—
本実施の形態の成膜方法によると、複数種の材料を個別の銅るつぼ13a,13bに収納して、個別に蒸着量を制御することにより、蒸発量の温度依存性の相違に応じて、目的とする組成の複合材料膜を形成することが可能になる。そして、真空チャンバー11内にArガスを導入した状態で、蒸着を行うので、複数の気体粒子がArや気体粒子同士で衝突する回数が増大し、ほぼ均一に混ざり合った状態で基材シート31の面上に堆積される。したがって、厚み方向などにおいて大きく偏った組成ではなく、組成均一性の優れた複合材料膜が得られる。
According to the film forming method of the present embodiment, a plurality of types of materials are housed in the
また、本実施の形態の成膜方法では、予め真空チャンバー11内の圧力を2×10−3Pa以下に減圧しているので、SiやCoと大気中の成分元素(特に水分子)との化学反応を十分抑制することができる。反面、このような減圧下で、蒸着を行うと、Si,Coの原子が基材シート31に達するまでに他の粒子と衝突する回数は1回以下であるので、前述のように成膜の上部と下部とで大幅に組成が異なることになる。
In the film forming method of the present embodiment, since the pressure in the
それに対して、本実施の形態では、真空チャンバー11内の圧力を2×10−3Pa以下に減圧した後、不活性ガスを真空チャンバー11内に導入し、圧力を1×10−2Pa〜1×10−1Paの範囲に維持して、蒸着を行うので、複数の気体粒子がArや気体粒子同士で衝突する回数を増大させることができる。
On the other hand, in this embodiment, after reducing the pressure in the
なお、真空チャンバー11内の圧力が1×10−2Pa以下の場合には、Arガス,Si粒子,およびCo粒子の衝突回数が十分得られない反面、真空チャンバー内の圧力が1×10−1Pa以上になると、電子ビームの作動が困難となる。
When the pressure in the
本発明が適用可能な蒸着用材料は、Li,Na,Be,B,C,Mg,Al,Si、P,S,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,As,Se,Rb,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Te,Cs,Ba,Hf、Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,Tl,Pb,Bi,Poなどであり、ほとんど制限なく適用することができる。ただし、一般的に用いられるのは、金属材料である。 Vapor deposition materials to which the present invention can be applied are Li, Na, Be, B, C, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni. , Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf , Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Tl, Pb, Bi, Po, etc., and can be applied almost without limitation. However, metal materials are generally used.
本発明において、真空チャンバー内に導入される不活性ガスとしては、He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rnなどの希ガスや、N2である。ただし、N2は、被蒸着材料が窒化されにくい材料である場合に限定することが好ましい。 In the present invention, the inert gas introduced into the vacuum chamber is a rare gas such as He, Ne, Ar, Kr, Xe, or Rn, or N 2 . However, N 2 is preferably limited to the case where the material to be deposited is a material that is not easily nitrided.
(他の実施の形態)
上記実施の形態におけるキャンロール33に代えて、固定ロールなど、回転せずにすべりを利用して基材シートを移動可能に支持する送り支持機構を設けてもよい。
(Other embodiments)
It may replace with the can roll 33 in the said embodiment, and may provide the feed support mechanism which supports a base material sheet | seat so that a movement is possible using a slide without rotating, such as a fixed roll.
上記実施の形態では、基材シート31に張力を付与する機能は、供給ロール32の制動力と巻き取りロール34の回転駆動力によって得られているが、基材シート31の供給部と収納部の双方またはいずれか一方に、基材シートを両側から挟む1対のピンチロールを設けてもよい。その場合、供給ロール31または巻き取りロール34のうちピンチロールが設けられている側のロールは必ずしも必要ではない。基材シートを単に折りたたむなど、してもよいからである。
In the above embodiment, the function of applying tension to the
上記実施の形態では、被蒸着材料を加熱する機構として電子銃16を用いたが、電子銃に代えて抵抗加熱機構など他の方式による加熱装置を用いてもよい。
In the above embodiment, the
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。 The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明の成膜装置は、リチウム二次電池などに使用されるSi−Co合金膜等の成膜に利用することができる。 The film forming apparatus of the present invention can be used for forming a Si—Co alloy film or the like used for a lithium secondary battery or the like.
10 成膜装置
11 真空チャンバー
13 気体粒子生成部
13a 第1銅るつぼ
13b 第2銅るつぼ
14 成膜部
15a 第1水晶振動子
15b 第2水晶振動子
16 電子銃
21 真空ポンプ
22 排気管
31 基材シート
32 供給ロール
33 キャンロール
34 巻き取りロール
35 Si−Co合金膜
36 防着板
40 ガス供給部
50 制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基材シートおよび蒸発源が配置される空間を所定圧力以下に減圧するステップ(a)と、
前記ステップ(a)の後で、前記空間に不活性ガスを導入するステップ(b)と、
を含む成膜方法。 A method of depositing a composite material film on a base sheet by evaporating a plurality of types of materials from a plurality of evaporation sources, respectively,
Reducing the space in which the base sheet and the evaporation source are disposed to a predetermined pressure or lower (a);
After step (a), introducing an inert gas into the space (b);
A film forming method including:
前記ステップ(a)では、前記空間内の圧力を2×10−3Pa以下まで減圧する、成膜方法。 In the film-forming method of Claim 1,
In the step (a), the pressure in the space is reduced to 2 × 10 −3 Pa or less.
前記ステップ(b)では、前記空間内の圧力を1×10−2Pa〜1×10−1Paに維持する、成膜方法。 In the film-forming method of Claim 1 or 2,
In the step (b), the pressure in the space is maintained at 1 × 10 −2 Pa to 1 × 10 −1 Pa.
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