蒸發(fā)器、沉積裝置、沉積設(shè)備及其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施方式涉及沉積及蒸發(fā)堿金屬或堿土金屬，比如鋰。本發(fā)明的實(shí)施方式尤其涉及用于控制蒸發(fā)的材料的蒸發(fā)裝置、沉積設(shè)備及所述裝置與所述設(shè)備的操作方法。特定而言，本發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于蒸發(fā)包含堿金屬或堿土金屬的材料及沉積所述材料于基板上的沉積裝置、用于蒸發(fā)包含堿金屬或堿土金屬的材料及沉積所述材料于基板上的沉積設(shè)備和蒸發(fā)包含堿金屬或堿土金屬的材料的方法，所述堿金屬或堿土金屬特別是金屬鋰。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代薄膜鋰電池通常在真空腔室中生產(chǎn)，其中基板提供有數(shù)層，包括鋰層。鋰層例如通過(guò)沉積汽態(tài)鋰于基板上而形成。由于鋰具有高反應(yīng)性，故需提供多種措施以操作及維護(hù)此類沉積系統(tǒng)。例如，在打開(kāi)真空腔室后，應(yīng)將暴露于空氣環(huán)境的氧化蒸汽(特別是H2O)及接觸人員減至最少。
[0003]另外，期望以高沉積速率蒸發(fā)及提高均勻度。過(guò)去已利用許多類型的薄膜沉積系統(tǒng)。而且，就堿金屬和/或堿土金屬而言，已應(yīng)用一些典型的薄膜沉積系統(tǒng)裝置。然而，這些典型裝置不適合大量、低成本制造，因要這些方法在管理材料的高反應(yīng)性同時(shí)達(dá)成高產(chǎn)量方面存在嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這在制造均勻沉積的純鋰(Li)方面造成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。眾所周知，這些類型的材料(特別是Li)易與例如氣體、材料等周圍環(huán)境反應(yīng)而被氧化。鋰因適于生產(chǎn)高能量密度電池和蓄電池而受到特別關(guān)注。
[0004]一般用于鋰和其他堿金屬或堿土金屬的沉積系統(tǒng)分別采用濺射源或習(xí)用的蒸發(fā)源和所述源的操作方法。鑒于Li的反應(yīng)性，鋰濺射方法具有挑戰(zhàn)性，特別是在成本和可制造性方面。高反應(yīng)性首先會(huì)影響靶材制造，靶材是濺射的必要部件，其次會(huì)影響制得的靶材的搬運(yùn)。由于需避免靶材材料與周圍空氣反應(yīng)，故裝運(yùn)、安裝、預(yù)防維護(hù)等都較非反應(yīng)性靶材困難。另一挑戰(zhàn)來(lái)自于處置靶材上用過(guò)的材料，因?yàn)榘胁睦寐释ǔ２粫?huì)達(dá)100%。因此，為安全處置，使用者需中和或反應(yīng)殘余材料。又更重要的是，由于鋰的熔點(diǎn)比較低(183°C )，熔點(diǎn)限制高功率密度濺射體系(此體系是更適合大量、低成本制造的體系)，因此沉積速率亦會(huì)受到限制。
[0005]習(xí)用鋰蒸發(fā)方法通常采用點(diǎn)源，此鋰蒸發(fā)方法要達(dá)到所需均勻度及擴(kuò)展成大量制造的可制造性十分困難，因而深具挑戰(zhàn)性。因此管理或供應(yīng)高反應(yīng)性Li金屬至蒸發(fā)源及反應(yīng)性蒸汽至沉積腔室的需要是挑戰(zhàn)性的。然而，這是大量制造及長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間制造所必需的。
[0006]已知一些現(xiàn)有技術(shù)的堿金屬與堿土金屬沉積系統(tǒng)產(chǎn)量不足，且無(wú)法為高產(chǎn)量與大基板應(yīng)用提供足夠便利的可測(cè)量性。故需要堿金屬與堿土金屬沉積源和系統(tǒng)，特別是需要可擴(kuò)展以容納尺寸逐漸增大的基板及容許高產(chǎn)量沉積的鋰沉積源和沉積裝置。如此應(yīng)考慮制造諸如薄膜電池和電致變色窗之類的裝置的成本競(jìng)爭(zhēng)力。再者，期望考慮沉積工藝的均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于上述內(nèi)容，提供根據(jù)權(quán)利要求、且特別根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的沉積裝置、沉積設(shè)備和蒸發(fā)方法。本發(fā)明的其他方面、優(yōu)點(diǎn)和特征在參閱從屬權(quán)利要求、說(shuō)明書(shū)和附圖后將變得更淺顯易懂。
[0008]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，提供用于蒸發(fā)包括堿金屬或堿土金屬的材料及用于沉積所述材料于基板上的沉積裝置。所述裝置包括:第一腔室，第一腔室被配置以用于液化材料；閥，閥與第一腔室流體連通且在第一腔室下游，其中閥被配置以用于控制液化材料通過(guò)閥的流率；蒸發(fā)區(qū)，蒸發(fā)區(qū)與閥流體連通且在閥下游，其中蒸發(fā)區(qū)被配置以用于蒸發(fā)液化材料；及一或更多出口，用于將蒸發(fā)材料導(dǎo)向基板。
[0009]根據(jù)另一實(shí)施方式，提供用于蒸發(fā)包括堿金屬或堿土金屬的材料及用于沉積所述材料于基板上的沉積設(shè)備。所述設(shè)備包括真空腔室和沉積裝置，真空腔室用于沉積材料于真空腔室內(nèi)的基板上。所述裝置包括:第一腔室，第一腔室被配置以用于液化材料；閥，閥與第一腔室流體連通且在第一腔室下游，其中閥被配置以用于控制液化材料通過(guò)閥的流率；蒸發(fā)區(qū)，蒸發(fā)區(qū)與閥流體連通且在閥下游，其中蒸發(fā)區(qū)被配置以用于蒸發(fā)液化材料；及一或更多出口，用于將蒸發(fā)材料導(dǎo)向基板。
[0010]根據(jù)又一實(shí)施方式，提供蒸發(fā)包含堿金屬或堿土金屬，特別是金屬鋰的材料的方法。所述方法包括:在第一腔室中液化材料；引導(dǎo)液化材料，使液化材料從第一腔室通過(guò)控制閥而到達(dá)蒸發(fā)區(qū)；在蒸發(fā)區(qū)中蒸發(fā)材料；及將材料的蒸汽引導(dǎo)于基板上。
【附圖說(shuō)明】
[0011]為了能詳細(xì)地理解本發(fā)明的上述特征，可通過(guò)參考實(shí)施方式獲得以上簡(jiǎn)要概述的本發(fā)明的更具體的描述。附圖涉及本發(fā)明的實(shí)施方式，并且描述如下:
[0012]圖1圖示根據(jù)本文描述的實(shí)施方式的沉積裝置的示意圖，所述裝置用于蒸發(fā)堿金屬或堿土金屬，比如鋰，且所述裝置包括液化區(qū)、用于控制流率的控制閥和在閥下游的蒸發(fā)區(qū)；
[0013]圖2圖示根據(jù)本文描述的進(jìn)一步實(shí)施方式的另一沉積裝置和設(shè)備的示意圖，所述裝置和設(shè)備用于蒸發(fā)堿金屬或堿土金屬，比如鋰，且所述裝置和設(shè)備包括液化區(qū)、用于控制流率的控制閥和在閥下游的蒸發(fā)區(qū)；
[0014]圖3圖示根據(jù)本文描述的又進(jìn)一步實(shí)施方式的又一沉積裝置和設(shè)備的示意圖，所述裝置和設(shè)備用于蒸發(fā)堿金屬或堿土金屬，比如鋰，且所述裝置和設(shè)備包括液化區(qū)、用于控制流率的控制閥和在閥下游的蒸發(fā)區(qū)；
[0015]圖4圖示根據(jù)本文描述的實(shí)施方式的沉積裝置的控制體系的示意圖，所述裝置用于蒸發(fā)堿金屬或堿土金屬，比如鋰，且包括液化區(qū)、用于控制流率的控制閥和在閥下游的蒸發(fā)區(qū)；
[0016]圖5圖示根據(jù)本文描述的實(shí)施方式的蒸發(fā)方法的流程圖，其中材料被液化，流率由閥控制，及在閥下游蒸發(fā)材料；
[0017]圖6圖示根據(jù)本文描述的又進(jìn)一步實(shí)施方式的再一沉積裝置和設(shè)備的示意圖，所述裝置和設(shè)備用于蒸發(fā)堿金屬或堿土金屬，比如鋰；及
[0018]圖7圖示根據(jù)本文描述的實(shí)施方式的用于沉積裝置的一些實(shí)施方式的第一腔室的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)將詳述本發(fā)明的各種實(shí)施方式，實(shí)施方式的一或更多實(shí)例示于附圖中。在以下附圖描述中，相同的標(biāo)記數(shù)字代表相同的部件。通常，只描述各個(gè)實(shí)施方式的差異。各實(shí)例僅提供為對(duì)本發(fā)明的解釋，而無(wú)意限制本發(fā)明。另外，圖示或描述為一實(shí)施方式的部分的特征可并入或結(jié)合其他實(shí)施方式使用而產(chǎn)生又進(jìn)一步的實(shí)施方式。旨在使本說(shuō)明書(shū)包括這些修改例與變化例。
[0020]圖1圖示沉積裝置100，用于蒸發(fā)堿金屬和堿土金屬，特別是鋰。第一腔室或儲(chǔ)槽110被提供用來(lái)接收待沉積材料。通常，儲(chǔ)槽被提供以使將要在裝置中蒸發(fā)的材料(即堿金屬和堿土金屬，例如鋰)可在非反應(yīng)性氣氛下提供在儲(chǔ)槽110中。例如，非反應(yīng)性氣氛可為氬氣或另一適于防止待蒸發(fā)材料反應(yīng)的惰性氣體，待蒸發(fā)材料通常具有高反應(yīng)性。
[0021]儲(chǔ)槽110被配置以加熱材料至高于熔點(diǎn)的溫度，例如比待沉積材料的熔點(diǎn)高5°C至100°C，例如20°C至60°C (例如20°C或40°C )。如此待沉積材料以液態(tài)經(jīng)由閥130輸向蒸汽分配噴頭112或各噴嘴。故根據(jù)可與本文描述的其他實(shí)施方式結(jié)合的一些實(shí)施方式，一或更多導(dǎo)管120和/或閥130可被配置成被加熱，以致能夠提供液體堿金屬或堿土金屬至蒸發(fā)區(qū)，所述蒸發(fā)區(qū)例如在噴頭內(nèi)或靠近噴頭。
[0022]根據(jù)典型實(shí)施方式，用于堿和堿土金屬(例如鋰)的沉積系統(tǒng)具有一或更多出口，用于將堿金屬和堿土金屬的蒸汽導(dǎo)向基板，進(jìn)而沉積堿金屬和堿土金屬于基板上。出口可為一或更多開(kāi)口或一或更多噴嘴，開(kāi)口或噴嘴例如可設(shè)于噴頭或另一蒸汽分配系統(tǒng)中。根據(jù)可與本文描述的其他實(shí)施方式結(jié)合的一些實(shí)施方式，蒸發(fā)裝置可包括噴嘴，用于將蒸汽引向基板。如圖1所示，裝置包括蒸汽分配噴頭112，例如具有多個(gè)噴嘴116的線形蒸汽分配噴頭112。
[0023]就現(xiàn)有鋰蒸發(fā)器而言，前驅(qū)物貯槽是單一腔室部件，Li金屬在貯槽中熔化及蒸發(fā)而到達(dá)沉積腔室中的噴頭。由此，汽態(tài)蒸發(fā)材料，即蒸汽被引導(dǎo)通過(guò)單一分隔閥。如圖1所示，且根據(jù)本文描述的實(shí)施方式，待蒸發(fā)材料(例如鋰)區(qū)分隔成兩個(gè)腔室、區(qū)段或區(qū)域。第一腔室(比如儲(chǔ)槽110)液化堿金屬或堿土金屬，液化堿金屬或堿土金屬被引導(dǎo)通過(guò)閥130，在閥130下游的另一區(qū)域、區(qū)段或腔室蒸發(fā)堿金屬或堿土金屬。
[0024]如圖1所示，液體材料在材料供給系統(tǒng)中從第一腔室110被引導(dǎo)通過(guò)導(dǎo)管120及通過(guò)閥。在進(jìn)入蒸汽分配噴頭112之前，液體材料從閥130被引導(dǎo)通過(guò)導(dǎo)管120而進(jìn)入噴頭112。因此，加熱單元118可被設(shè)置成與噴頭112相鄰，以于提供液體材料至蒸發(fā)區(qū)114之前加熱材料達(dá)更高溫度。材料在蒸發(fā)區(qū)114中蒸發(fā)。材料在噴頭112中分配并通過(guò)噴嘴116導(dǎo)向基板4。
[0025]根據(jù)可與本文描述的其他實(shí)施方式結(jié)合的一些實(shí)施方式，閥可為控制閥，用于控制或調(diào)整液體材料的流率。閥可分隔液化區(qū)和蒸發(fā)區(qū)。第一腔室或儲(chǔ)槽110儲(chǔ)放固體鋰金屬。第一腔室或儲(chǔ)槽110用于熔化和/或液化固體鋰金屬。熔化或液化的鋰金屬即以液態(tài)流入第二腔室或另一蒸