JP5764409B2 - 薄膜リチウム二次電池製造装置及び薄膜リチウム二次電池製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質を用いたリチウム二次電池を製造する技術に関し、特に真空中で薄膜によってリチウム二次電池を製造する技術に関する。

従来から、携帯電話やパーソナルコンピュータの電源として、リチウムイオン二次電池が広く知られている。
しかし、リチウムイオン二次電池は、液体電解質を用いているため、液漏れや発火等が発生する場合があり、安全性についての課題がある。
そこで、近年、電解質の材料として固体材料を用いた全固体型のリチウム二次電池が提案されており、その開発が進展している。

特に、固体材料を用いた全固体型のリチウム二次電池として、薄膜からなる全固体型のリチウム二次電池は、カード型の電子部品等の電源用として期待されている。
しかし、薄膜からなる全固体型のリチウム二次電池は、種々の工程を経て製造されるため、一つの成膜装置で薄膜リチウム二次電池を製造することは困難である。その一方で、例えば実験用の小型の成膜装置で薄膜リチウム二次電池を簡易に製造する技術も要望されている。
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、例えば以下のようなものがある。

特開２０１０−２５１０７５号公報

本発明は、このような従来の技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、薄膜リチウム二次電池を小型の装置で真空一貫で簡易に製造する技術を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明は、基板上に、正極層、負極層、固体電解質層、正極集電層、負極集電層、保護層を有する薄膜リチウム二次電池を製造するための薄膜リチウム二次電池製造装置であって、真空槽と、前記真空槽内に設けられ、前記基板を保持する基板保持部を有し当該基板保持部を前記真空槽内に設けられた回転軸を中心として旋回させて搬送する基板搬送機構と、前記真空槽内に設けられ、前記基板を当該真空槽内に搬入し且つ当該真空槽から前記基板を搬出するための仕込取出室と、前記基板上にスパッタリングによって成膜を行うスパッタ室と、前記基板上に真空蒸着によって成膜を行う真空蒸着室と、前記基板上に保護層を形成する保護層形成室とを有し、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部には、それぞれ前記基板を装着する基板装着位置に開口部が設けられるとともに、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室は、それぞれの開口部が、前記回転軸の周囲で、かつ、前記基板搬送機構の基板保持部が通過する領域と対向する位置に配置され、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部には、前記開口部に基板ホルダーに保持された基板を配置し、前記基板装着位置に前記基板を装着した状態で前記開口部の上の空間を塞ぐための蓋機構がそれぞれ設けられ、前記蓋機構は、前記基板装着位置に装着された基板を回転させる回転駆動部を有するものである。
本発明では、前記真空槽内に、前記仕込取出室と、前記基板上に分子中にリチウムを含む正極層をスパッタリングによって形成する正極層形成室と、前記基板上に形成された正極層をアニール処理するアニール処理室と、前記基板上に真空蒸着によって負極層を形成する負極層形成室と、前記基板上に分子中にリチウムを含む固体電解質層をスパッタリングによって形成する固体電解質層形成室と、前記基板上に正極集電層と負極集電層をスパッタリングによって形成する集電体層形成室と、前記保護層形成室とを有し、前記スパッタ室は、前記正極層形成室、前記固体電解質層形成室及び前記集電体層形成室であり、前記真空蒸着室は、前記負極層形成室であって、前記アニール処理室の上部には、前記基板を装着する基板装着位置に開口部が設けられるとともに、前記アニール処理室は、該開口部が、前記回転軸の周囲で、かつ、前記基板搬送機構の基板保持部が通過する領域と対向する位置に配置され、前記アニール処理室の上部には、前記開口部に基板ホルダーに保持された基板を配置し、前記基板装着位置に前記基板を装着した状態で前記開口部の上の空間を塞ぐための蓋機構が設けられ、該蓋機構は、前記基板装着位置に装着された基板を回転させる回転駆動部を有する場合にも効果的である。
本発明では、前記蓋機構は、前記基板装着位置に装着された基板の温度を調整するための温度調整手段を有する場合にも効果的である。
本発明では、前記仕込取出室内に基板加熱手段が設けられ、当該仕込取出室と前記アニール処理室とが兼用するように構成されている場合にも効果的である。
一方、本発明は、基板上に、正極層、負極層、固体電解質層、正極集電層、負極集電層、保護層を形成する工程を有する薄膜リチウム二次電池製造方法であって、真空槽と、前記真空槽内に設けられ、前記基板を保持する基板保持部を有し当該基板保持部を前記真空槽内に設けられた回転軸を中心として旋回させて搬送する基板搬送機構と、前記真空槽内に設けられ、前記基板を当該真空槽内に搬入し且つ当該真空槽から前記基板を搬出するための仕込取出室と、前記基板上にスパッタリングによって成膜を行うスパッタ室と、前記基板上に真空蒸着によって成膜を行う真空蒸着室と、前記基板上に保護層を形成する保護層形成室とを有し、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部には、それぞれ前記基板を装着する基板装着位置に開口部が設けられるとともに、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室は、それぞれの開口部が、前記回転軸の周囲で、かつ、前記基板搬送機構の基板保持部が通過する領域と対向する位置に配置された装置を用い、前記基板搬送機構を動作させることにより、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の開口部に基板ホルダーに保持された基板を所定の順序で配置し、前記基板装着位置に前記基板を装着した状態で、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部にそれぞれ設けられた蓋機構によって前記開口部の上の空間をそれぞれ塞ぎ、かつ、当該各蓋機構に設けられた回転駆動部によって前記基板を回転させながらそれぞれ成膜を行う工程を有する薄膜リチウム二次電池製造方法である。
本発明では、前記スパッタ室内に、保護層形成用のターゲットを含む複数のターゲットを配置し、前記保護層形成室において蒸着重合によって前記基板上に第１の保護層を形成した後、前記スパッタ室内において、前記保護層形成用のターゲットを用い、前記基板上の第１の保護層上に、前記基板を回転させながら第２の保護層をスパッタリングによって積層形成する工程を有する場合にも効果的である。
本発明では、前記正極層は、コバルト酸リチウムからなる場合に特に効果的である。
本発明では、前記固体電解質層は、リン酸リチウムオキシナイトライドからなる場合に特に効果的である。

本発明装置の場合、真空槽内において、それぞれ基板装着位置に開口部を有する、仕込取出室、スパッタ室、真空蒸着室、保護層形成室が配置され、さらに、前述の基板装着位置に基板ホルダーに保持された基板を装着した状態で各室の上部に設けられた開口部の上の空間を塞ぐための蓋機構が各室の上部にそれぞれ設けられていることから、一つの真空槽内に、各空間が仕切られた複数の成膜室及び処理室を設けることができ、これにより小型の薄膜リチウム二次電池製造装置を提供することができる。
特に、真空槽内に、例えば、仕込取出室、正極層形成室、アニール処理室、負極層形成室、固体電解質層形成室、集電体層形成室、保護層形成室が配置され、さらに、前述の基板装着位置に基板を装着した状態で各室の開口部の上の空間を塞ぐための蓋機構がそれぞれ設けられている場合には、一つの真空槽内に、各空間がそれぞれ仕切られた複数の成膜室及び処理室を設けることができ、これにより小型の薄膜リチウム二次電池製造装置を提供することができる。
また、本発明の場合、複数の成膜室及び処理室は、それぞれの開口部が、基板搬送機構の回転軸の周囲で、かつ、基板保持部が通過する領域と対向する位置に配置されていることから、基板搬送機構の基板保持部を旋回させることにより、複数の成膜室及び処理室の開口部間において、基板を迅速に搬送することができる。また、本発明によれば、搬送ロボットを用いる必要がないので、小型で簡素な構成の薄膜リチウム二次電池製造装置を提供することができる。
本発明において、前記蓋機構が、前記基板装着位置に装着された基板の温度を調整するための温度調整手段を有する場合には、最適の温度条件の下で各工程を行うことができる。
本発明においては、前記蓋機構が、前記基板装着位置に装着された基板を回転させる回転駆動部を有することから、成膜工程において膜厚の均一な成膜を行うとともに、アニール処理工程において、均一な温度分布の下でアニール処理を行うことができる。
本発明において、前記仕込取出室内に基板加熱手段が設けられ、当該仕込取出室と前記アニール処理室とが兼用するように構成されている場合には、真空槽内における室の数を減らすことができるとともに、仕込取出室を使用しない時間においてアニール処理を行うことができるので、効率良く各工程を行うことができる。
一方、本発明方法において、スパッタ室内に、保護層形成用のターゲットを含む複数のターゲットを配置し、保護層形成室において蒸着重合によって基板上に第１の保護層を形成した後、スパッタ室内において、前記保護層形成用のターゲットを用い、前記基板上の第１の保護層上に第２の保護層をスパッタリングによって積層形成する工程を有する場合には、スパッタリング室を増やすことなく、簡素な構成の薄膜リチウム二次電池製造装置を提供することができる。
この場合、スパッタ室内において基板上に第２の保護層を積層形成する際、当該基板を回転させることにより、膜厚の均一な第２の保護層を形成することができる。

本発明によれば、薄膜リチウム二次電池を小型の装置で真空一貫で簡易に製造する技術を提供することができる。

本発明に係る薄膜二次電池製造装置の実施の形態の内部構成を示す概略構成平面図 本発明における各室の開口部及び蓋機構の構成を第１のスパッタリング室を例にとって示す部分断面図 （ａ）（ｂ）：本発明における基板装着及び蓋機構の動作を第１のスパッタリング室を例にとって示す部分断面図

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る薄膜二次電池製造装置の実施の形態の内部構成を示す概略構成平面図である。

図１に示すように、本実施の形態の薄膜二次電池製造装置１は、図示しない真空排気系に接続された円筒形状の真空槽２を有している。なお、本実施の形態では、この真空槽２が水平面上に配置されている場合を例にとって説明する。
この真空槽２の内部の中央部分には、図示しない駆動モータの回転軸に連結された回転駆動軸（回転軸）３が鉛直方向に向けて設けられている。

回転駆動軸３の側部には、例えば回転中心軸Ｏを通る直線上に延び且つ水平方向に配置された腕部３１が固定されている。そして、この腕部３１の先端部には、基板１０を保持する基板ホルダー１１が例えば爪状の保持部（基板保持部）３２によって保持され、これにより基板１０を水平面内において円弧方向に搬送可能な基板搬送機構３０が構成されている。

一方、回転駆動軸３の周囲には、後述するように、アニール処理室を兼ねる仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５、６、７、負極層形成室８、保護層形成室９が設けられている。
ここで、仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５〜７、負極層形成室８、保護層形成室９は、成膜又はアニール処理の際に基板１０を装着する位置に、すなわち、各室の上端部に、それぞれ開口部４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａが設けられている。

そして、基板搬送機構３０は、保持部３２によって保持される基板ホルダー１１が、仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５〜７、負極層形成室８、保護層形成室９に設けられた開口部４ａ、５ａ〜７ａ、８ａ、９ａの位置に対して若干上方に離れた高さ位置において、水平方向に円運動するように構成されている。

さらに、仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５〜７、負極層形成室８、保護層形成室９は、それぞれの開口部４ａ、５ａ〜７ａ、８ａ、９ａが、基板搬送機構３０の保持部３２によって保持される基板ホルダー１１が通過する領域と対向するように配置されている。
なお、仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５〜７、負極層形成室８、保護層形成室９の上部には、後述する蓋機構２０がそれぞれ設けられている。

本実施の形態では、上述したように、仕込取出室４はアニール処理室を兼ねるもので、仕込取出室４内には、例えばランプ加熱方式のヒータ（基板加熱手段）４１が設けられている。

一方、本実施の形態の第１のスパッタリング室５は、集電体層形成室と保護層形成室の機能を兼ねるもので、その底部には、複数（本実施の形態の場合は４個）のターゲット５１〜５４が配置されている。

第１のターゲット５１としては、例えば、正極集電層形成用のクロム（Ｃｒ）ターゲット、第２のターゲット５２としては、例えば、正極集電層形成用の白金（Ｐｔ）ターゲット、第３のターゲット５３としては、例えば、負極集電層形成用の銅（Ｃｕ）ターゲット、第４のターゲット５４としては、例えば、保護層形成用のアルミニウム（Ａｌ）ターゲットが配置されている。

本実施の形態の第１のスパッタリング室５は、図示しない反応ガス源に接続され、第１のスパッタリング室５内に、酸素（Ｏ₂）ガスを導入するように構成されている。
第２のスパッタリング室６の底部には、正極層形成用のターゲット６１として、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）ターゲットが配置されている。

第３のスパッタリング室７の底部には、固体電解質層形成用のターゲット７１として、例えばリン酸リチウム（Ｌｉ₃ＰＯ₄）ターゲットが配置されている。
本実施の形態の第３のスパッタリング室７は、図示しない反応ガス源に接続され、酸素（Ｏ₂）ガスを導入するように構成されている。

負極層形成室８の底部には、例えば、金属リチウム（Ｌｉ）からなる蒸発材料を加熱蒸発させるための蒸発源８１が配置されている。
保護層形成室９の底部には、例えばポリ尿素層を蒸着重合によって形成するための２種類の原料モノマー用の蒸発源９１、９２が配置されている。

本発明の場合、蒸着重合用の原料モノマーとしては、ジアミンモノマーとして、例えば、１，１２−ジアミノドデカン、酸成分モノマーとして、例えば、１，３−ビス（イソシアネートメチル）シクロヘキサンを好適に用いることができる。

図２は、本実施の形態における各室の開口部及び蓋機構の構成を第１のスパッタリング室を例にとって示す部分断面図、図３（ａ）（ｂ）は、本実施の形態における基板装着及び蓋機構の動作を第１のスパッタリング室を例にとって示す部分断面図である。

図２に示すように、本実施の形態の第１のスパッタリング室５は、その開口部５ａの縁部に、マスク５５が取り付けられている。
このマスク５５は、第１のスパッタリング室５の開口部５ａの周縁部に例えば、円筒形状のマスク基部５５ｂが設けられ、このマスク基部５５ｂの内方側の部分に所定形状のマスク部５５ａが設けられている。

マスク基部５５ｂの内側の部分には平坦なステージ部５５ｃが形成され、このステージ部５５ｃ上には、例えばころがり軸受けからなる軸受け５６が取り付けられている。
さらに、この軸受け５６の内側には、例えばリング状に形成された回転部材５７が設けられている。ここで、回転部材５７は、その外周部分が軸受け５６の内輪部分に取り付けられている。

また、回転部材５７の上側表面部分には、後述する蓋機構２０の回転駆動部２５の回転面２５ａに設けた駆動ピン２２とはまり合う、固定用の穴部５８が複数設けられている。
そして、回転部材５７には図示しない固定機構が設けられ、これにより基板ホルダー１１が、基板１０を下側（第１のスパッタリング室５の底部）に向けた状態で回転部材５７の内側面に固定状態で装着されるようになっている。
なお、上述したマスク５５は、使用するターゲットに応じて交換することができるものである。

一方、本実施の形態の蓋機構２０は、第１のスパッタリング室５の開口部５ａの大きさより大きく、かつ、下面が例えば円形状に形成された本体部２１を有している。
蓋機構２０の本体部２１の上部には、例えば真空槽２の外部の昇降機構（図示せず）に連結された中空の昇降軸２３が設けられ、この昇降軸２３を鉛直方向に移動させることにより、第１のスパッタリング室５の直上の位置において本体部２１が上下動するように構成されている。

蓋機構２０には、本体部２１の第１のスパッタリング室５に対向する側、すなわち、本体部２１の下面の縁部に、シール用のＯリング２４が設けられている。
また、本体部２１の下側部分のＯリング２４より内側の領域には、例えば円板形状の回転駆動部２５が本体部２１に埋め込まれた状態で設けられている。

この回転駆動部２５は、本体部２１を貫通し昇降軸２３の内部を介して鉛直方向に延びる駆動軸２６を有している。この駆動軸２６は、例えば真空槽２の外部に設けた駆動モータの回転軸（図示せず）に連結され、これにより回転駆動部２５の回転面２５ａを水平方向に向けた状態で回転させるように構成されている。
また、回転駆動部２５の回転面２５ａには、上記回転部材５７に設けた固定用の穴部５８とはまり合う駆動ピン２２が複数設けられている。

一方、蓋機構２０の回転駆動部２５の下側部分には、温度調整手段２８が回転駆動部２５に埋め込まれた状態で設けられている。
この温度調整手段２８は、成膜対象である基板１０を加熱、冷却又は一定温度に保持するためのもので、図示しないヒータ及び冷却媒体循環路等が設けられている。

なお、本実施の形態では、上述したマスク５５、軸受け５６及び回転部材５７は、各室の条件によって多少の形状、大きさの相違はあるが、仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５〜７、負極層形成室８、保護層形成室９の全てに設けることができる。

本実施の形態において、第１のスパッタリング室５において成膜を行う場合には、基板搬送機構３０の保持部３２（図１参照）による基板ホルダー１１の保持を解除し、図３（ａ）に示すように、基板１０を下側に向けた状態で基板ホルダー１１を回転部材５７の内側に配置して基板ホルダー１１を回転部材５７に装着する。
そして、基板搬送機構３０を動作させ、保持部３２を旋回移動させて、基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がすようにする。

その後、蓋機構２０の本体部２１を下降させ、回転駆動部２５の回転面２５ａの駆動ピン２２を回転部材５７の穴部５８内に挿入し、駆動ピン２２と穴部５８とをはめ合わせた状態で本体部２１を所定の圧力で押圧する。
これにより、蓋機構２０の回転駆動部２５と、第１のスパッタリング室５側の回転部材５７とが連結され、回転部材５７が蓋機構２０の回転駆動部２５と共に回転可能な状態となる。

また、Ｏリング２４が、蓋機構２０の本体部２１下面とマスク５５の上面からの押圧力によって弾性変形し、その反力によって本体部２１下面とマスク５５の上面との隙間が塞がれ、第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上の空間が気密な構造で塞がれた状態になる。

この状態で、蓋機構２０の回転駆動部２５を動作させて回転部材５７を回転させるとともに、基板１０と、第１〜第４のターゲット５１〜５４のうち所定のものとの間に例えば高周波電力を印加することにより、基板１０上に所定の材料のスパッタリング成膜を行うことができる。

次に、本実施の形態の薄膜二次電池製造装置１を用いた薄膜二次電池の製造方法の一例を説明する。
まず、基板１０を保持した基板ホルダー１１を仕込取出室４内に搬入し、真空槽２内の圧力を所定の値となるように真空排気を行う。

そして、基板搬送機構３０の保持部３２によって基板ホルダー１１を保持して第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上に配置し、基板ホルダー１１を回転部材５７に装着する。
そして、上述したように、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、蓋機構２０の回転駆動部２５を動作させて回転部材５７を回転させ、基板１０と、第１及び第２のターゲット５１（例えばＣｒ）、５２（例えばＰｔ）との間にそれぞれ高周波電力を順次印加することにより、基板１０上に正極集電層（Ｐｔ／Ｃｒ）をスパッタリングによって形成する。

次に、蓋機構２０の本体部２１を上昇させ、基板搬送機構３０の保持部３２を第２のスパッタリング室６の開口部６ａ上に配置し、基板ホルダー１１を保持部３２によって保持する。
そして、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１を第２のスパッタリング室６の開口部６ａ上に配置して装着し、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて第２のスパッタリング室６の開口部６ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、第２のスパッタリング室６内にアルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、蓋機構２０の回転駆動部２５を動作させて回転部材５７を回転させながら、基板１０と、正極層形成用のターゲット６１（ＬｉＣｏＯ₂）との間に高周波電力を印加することにより、基板１０の正極集電層上にＬｉＣｏＯ₂からなる正極層を形成する。
本工程では、蓋機構２０の温度調整手段２８を動作させ、基板１０を加熱しながらスパッタリングを行う。

その後、蓋機構２０の本体部２１を上昇させ、基板搬送機構３０の保持部３２を仕込取出室４の開口部４ａ上に配置して基板ホルダー１１を保持部３２によって保持し、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１を仕込取出室４の開口部４ａ上に配置して装着する。
そして、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて仕込取出室４の開口部４ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、蓋機構２０の回転部材５７を回転させながら、仕込取出室４内のヒータ４１を動作させ、基板１０上に形成された正極層に対してアニール処理を行う（例えば、６００℃、１０分程度）。これにより、基板１０上に積層された正極層が結晶化される。

その後、蓋機構２０の本体部２１を上昇させ、基板搬送機構３０の保持部３２を第３のスパッタリング室７の開口部７ａ上に配置し、基板ホルダー１１を保持部３２によって保持し、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１を第３のスパッタリング室７の開口部７ａ上に配置して固定する。
そして、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて第３のスパッタリング室７の開口部７ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、第３のスパッタリング室７内に例えば窒素（Ｎ₂）ガスを導入し、蓋機構２０の回転部材５７を回転させながら、基板１０と、固体電解質層形成用のターゲット７１（Ｌｉ₃ＰＯ₄）との間に高周波電力を印加することにより、基板１０の正極層上にＬｉＰＯＮ（リン酸リチウムオキシナイトライド）からなる固体電解質層を形成する。
本工程では、蓋機構２０の温度調整手段２８を動作させ、基板１０を冷却しながらスパッタリングを行う。

次に、蓋機構２０の本体部２１を上昇させ、基板搬送機構３０の保持部３２を第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上に配置し、基板ホルダー１１を保持部３２によって保持し、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１を第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上に配置して固定する。

そして、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、蓋機構２０の回転駆動部２５を動作させて回転部材５７を回転させながら、基板１０と、第３のターゲット５３（例えばＣｕ）との間にそれぞれ高周波電力を印加することにより、基板１０上にＣｕからなる負極集電層をスパッタリングによって形成する。

次に、蓋機構２０の本体部２１を上昇させ、基板搬送機構３０の保持部３２を負極層形成室８の開口部８ａ上に配置し、基板ホルダー１１を保持部３２によって保持し、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１を負極層形成室８の開口部８ａ上に配置して固定する。

そして、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて負極層形成室８の開口部８ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、蓋機構２０の回転駆動部２５を動作させて回転部材５７を回転させながら、蒸発源８１の蒸発材料（Ｌｉ）を加熱することにより、真空蒸着によって基板１０上にＬｉからなる負極層を形成する。
本工程では、蓋機構２０の温度調整手段２８を動作させ、基板１０を冷却しながら蒸着を行う。

次に、蓋機構２０の本体部２１を上昇させ、基板搬送機構３０の保持部３２を保護層形成室９の開口部９ａ上に配置し、基板ホルダー１１を保持部３２によって保持し、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１を保護層形成室９の開口部９ａ上に配置して固定する。

そして、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて保護層形成室９の開口部９ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、蓋機構２０の回転駆動部２５を動作させて回転部材５７を回転させながら、原料モノマー用の蒸発源９１、９２を加熱することにより、蒸着重合によって基板１０上にポリ尿素からなる第１の保護層を形成する。
本工程では、蓋機構２０の温度調整手段２８を動作させ、基板１０を一定温度に保持しながら蒸着重合を行う。

次に、蓋機構２０の本体部２１を上昇させ、基板搬送機構３０の保持部３２を第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上に配置し、基板ホルダー１１を保持部３２によって保持し、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１を第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上に配置して固定する。

そして、基板搬送機構３０を動作させて基板ホルダー１１と蓋機構２０との間から保持部３２を水平方向へ逃がした後、蓋機構２０の本体部２１を下降させて第１のスパッタリング室５の開口部５ａ上の空間を塞ぐ。

この状態で、第１のスパッタリング室５内に例えば酸素（Ｏ₂）ガスを導入し、蓋機構２０回転部材５７を回転させながら、基板１０と、保護層形成用の第４のターゲット５４（例えばＡｌ）との間にそれぞれ高周波電力を印加することにより、基板１０の第１の保護層上に二酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる第２の保護層をスパッタリングによって形成する。
これにより、目的とする全固体型の薄膜リチウム二次電池が得られる。

以上述べたように本実施の形態の場合、真空槽２内において、仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５〜７、負極層形成室８、保護層形成室９が配置され、さらに、基板装着位置に基板１０を装着した状態で各室の開口部４ａ〜９ａを塞ぐための蓋機構２０がそれぞれ設けられていることから、一つの真空槽２内に、それぞれ仕切られた六つのチャンバーを有する小型の薄膜リチウム二次電池製造装置を提供することができる。

また、本実施の形態においては、仕込取出室４、第１〜第３のスパッタリング室５〜７、正極層形成室８、保護層形成室９の開口部４ａ〜９ａが、基板搬送機構３０の回転駆動軸３の周囲で、かつ、基板保持部３２が通過する領域と対向する位置に配置されていることから、基板搬送機構３０の基板保持部３２を旋回させることにより、各室の開口部４ａ〜９ａ間において、基板１０を迅速に搬送することができる。また、本実施の形態によれば、搬送ロボットを用いる必要がないので、小型で簡素な構成の薄膜リチウム二次電池製造装置を提供することができる。

さらに、本実施の形態においては、基板装着位置に装着された基板１０の温度を調整する温度調整手段２８を蓋機構２０に設けたことから、最適の温度条件の下で各工程を行うことができる。
さらにまた、本実施の形態においては、蓋機構２０が、基板装着位置に装着された基板１０を回転させるための回転駆動部２５を有することから、成膜工程において膜厚の均一な成膜を行うとともに、アニール処理工程において、均一な温度分布の下でアニール処理を行うことができる。

加えて、本実施の形態においては、仕込取出室４内にヒータ４１が設けられ、仕込取出室４とアニール処理室とが兼用するように構成されていることから、真空槽２内における処理室の数を減らすことができるとともに、仕込取出室４を使用しない時間においてアニール処理を行うことができるので、効率良く各工程を行うことができる。

一方、本実施の形態においては、第１のスパッタリング室５内に、保護層形成用の第４のターゲット５４を含む第１〜第４のターゲット５１〜５４を配置し、保護層形成室９において蒸着重合によって基板１０上に第１の保護層を形成した後、第１のスパッタリング室５内において、保護層形成用の第４のターゲット５４を用い、基板１０上の第１の保護層上に第２の保護層をスパッタリングによって積層形成するようにしたことから、スパッタリング室を増やすことなく、簡素な構成の薄膜リチウム二次電池製造装置を提供することができる。

この場合、集電体層形成室内において基板１０上に第２の保護層を積層形成する際、この基板１０を回転させることから、膜厚の均一な第２の保護層を形成することができる。
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。

例えば、上述の実施の形態においては、基板搬送機構３０の保持部３２によって基板ホルダー１１を保持するようにしたが、本発明はこれに限られず、基板搬送機構３０の保持部３２によって基板１０を直接保持するように構成することもできる。

また、上記実施の形態においては、仕込取出室４とアニール処理室とが兼用するようにしたが、本発明はこれに限られず、アニール処理室を別に設けることもできる。
さらに、上記実施の形態においては、蒸着重合によって第１の保護層を形成し、さらに、第１の保護層の上にスパッタリングによって第２の保護層を形成するようにしたが、本発明はこれに限られず、スパッタリングのみによって保護層を形成することもできる。

この場合、ターゲットとしては、Ａｌ（又はＡｌ₂Ｏ₃）からなるものを用い、保護層として、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃／Ａｌ／Ａｌ₂Ｏ₃が積層された膜を形成することもできる。このような保護層を形成すれば、真空槽内の室の数を減らすことができるとともに、水分のバリア性を向上させることが可能になる。

さらにまた、上記実施の形態における各室の配置構成は一例であり、必要とするプロセスに応じて適宜変更することができる。
例えば、上記実施の形態においては、第１〜第３のスパッタリング室５〜７を別々の室に区分けして構成したが、第１〜第３のスパッタリング室５〜７を一つのスパッタリング室として構成することも可能である。この場合には、スパッタリング室を構成するユニットを削減することができるという効果がある。

１…薄膜二次電池製造装置、２…真空槽、３…回転駆動軸（回転軸）、４…仕込取出室（アニール処理室）、４ａ…開口部、５…第１のスパッタリング室（スパッタ室、集電体層形成室、保護層形成室）、５ａ…開口部、６…第２のスパッタリング室（スパッタ室、正極層形成室）、６ａ…開口部、７…第３のスパッタリング室（スパッタ室、固体電解質層形成室）、７ａ…開口部、８…負極層形成室、８ａ…開口部、９…保護層形成室、９ａ…開口部、１０…基板、１１…基板ホルダー、２０…蓋機構、３０…基板搬送機構、３２…保持部（基板保持部）、４１…ヒータ（基板加熱手段）、５１〜５４…第１〜第４のターゲット、６１…正極層形成用のターゲット、７１…固体電解質層形成用のターゲット、８１…蒸発源、９１、９２…原料モノマー用の蒸発源

Claims (8)

1. 基板上に、正極層、負極層、固体電解質層、正極集電層、負極集電層、保護層を有する薄膜リチウム二次電池を製造するための薄膜リチウム二次電池製造装置であって、
   真空槽と、
   前記真空槽内に設けられ、前記基板を保持する基板保持部を有し当該基板保持部を前記真空槽内に設けられた回転軸を中心として旋回させて搬送する基板搬送機構と、
   前記真空槽内に設けられ、前記基板を当該真空槽内に搬入し且つ当該真空槽から前記基板を搬出するための仕込取出室と、前記基板上にスパッタリングによって成膜を行うスパッタ室と、前記基板上に真空蒸着によって成膜を行う真空蒸着室と、前記基板上に保護層を形成する保護層形成室とを有し、
   前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部には、それぞれ前記基板を装着する基板装着位置に開口部が設けられるとともに、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室は、それぞれの開口部が、前記回転軸の周囲で、かつ、前記基板搬送機構の基板保持部が通過する領域と対向する位置に配置され、
   前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部には、前記開口部に基板ホルダーに保持された基板を配置し、前記基板装着位置に前記基板を装着した状態で前記開口部の上の空間を塞ぐための蓋機構がそれぞれ設けられ、
   前記蓋機構は、前記基板装着位置に装着された基板を回転させる回転駆動部を有する薄膜リチウム二次電池製造装置。
2. 前記真空槽内に、前記仕込取出室と、前記基板上に分子中にリチウムを含む正極層をスパッタリングによって形成する正極層形成室と、前記基板上に形成された正極層をアニール処理するアニール処理室と、前記基板上に真空蒸着によって負極層を形成する負極層形成室と、前記基板上に分子中にリチウムを含む固体電解質層をスパッタリングによって形成する固体電解質層形成室と、前記基板上に正極集電層と負極集電層をスパッタリングによって形成する集電体層形成室と、前記保護層形成室とを有し、前記スパッタ室は、前記正極層形成室、前記固体電解質層形成室及び前記集電体層形成室であり、前記真空蒸着室は、前記負極層形成室であって、前記アニール処理室の上部には、前記基板を装着する基板装着位置に開口部が設けられるとともに、前記アニール処理室は、該開口部が、前記回転軸の周囲で、かつ、前記基板搬送機構の基板保持部が通過する領域と対向する位置に配置され、前記アニール処理室の上部には、前記開口部に基板ホルダーに保持された基板を配置し、前記基板装着位置に前記基板を装着した状態で前記開口部の上の空間を塞ぐための蓋機構が設けられ、該蓋機構は、前記基板装着位置に装着された基板を回転させる回転駆動部を有する請求項１記載の薄膜リチウム二次電池製造装置。
3. 前記蓋機構は、前記基板装着位置に装着された基板の温度を調整するための温度調整手段を有する請求項１又は２のいずれか１項記載の薄膜リチウム二次電池製造装置。
4. 前記仕込取出室内に基板加熱手段が設けられ、当該仕込取出室と前記アニール処理室とが兼用するように構成されている請求項２記載の薄膜リチウム二次電池製造装置。
5. 基板上に、正極層、負極層、固体電解質層、正極集電層、負極集電層、保護層を形成する工程を有する薄膜リチウム二次電池製造方法であって、
   真空槽と、前記真空槽内に設けられ、前記基板を保持する基板保持部を有し当該基板保持部を前記真空槽内に設けられた回転軸を中心として旋回させて搬送する基板搬送機構と、前記真空槽内に設けられ、前記基板を当該真空槽内に搬入し且つ当該真空槽から前記基板を搬出するための仕込取出室と、前記基板上にスパッタリングによって成膜を行うスパッタ室と、前記基板上に真空蒸着によって成膜を行う真空蒸着室と、前記基板上に保護層を形成する保護層形成室とを有し、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部には、それぞれ前記基板を装着する基板装着位置に開口部が設けられるとともに、前記仕込取出室、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室は、それぞれの開口部が、前記回転軸の周囲で、かつ、前記基板搬送機構の基板保持部が通過する領域と対向する位置に配置された装置を用い、
   前記基板搬送機構を動作させることにより、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の開口部に基板ホルダーに保持された基板を所定の順序で配置し、前記基板装着位置に前記基板を装着した状態で、前記スパッタ室、前記真空蒸着室、前記保護層形成室の上部にそれぞれ設けられた蓋機構によって前記開口部の上の空間をそれぞれ塞ぎ、かつ、当該各蓋機構に設けられた回転駆動部によって前記基板を回転させながらそれぞれ成膜を行う工程を有する薄膜リチウム二次電池製造方法。
6. 前記スパッタ室内に、保護層形成用のターゲットを含む複数のターゲットを配置し、
   前記保護層形成室において蒸着重合によって前記基板上に第１の保護層を形成した後、
   前記スパッタ室内において、前記保護層形成用のターゲットを用い、前記基板上の第１の保護層上に、前記基板を回転させながら第２の保護層をスパッタリングによって積層形成する工程を有する請求項５記載の薄膜リチウム二次電池製造方法。
7. 前記正極層は、コバルト酸リチウムからなる請求項５又は６のいずれか１項記載の薄膜リチウム二次電池製造方法。
8. 前記固体電解質層は、リン酸リチウムオキシナイトライドからなる請求項５乃至７のいずれか１項記載の薄膜リチウム二次電池製造方法。
   

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