蒸发器、沉积装置、沉积设备及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施方式涉及沉积及蒸发碱金属或碱土金属，比如锂。本发明的实施方式尤其涉及用于控制蒸发的材料的蒸发装置、沉积设备及所述装置与所述设备的操作方法。特定而言，本发明的实施方式涉及用于蒸发包含碱金属或碱土金属的材料及沉积所述材料于基板上的沉积装置、用于蒸发包含碱金属或碱土金属的材料及沉积所述材料于基板上的沉积设备和蒸发包含碱金属或碱土金属的材料的方法，所述碱金属或碱土金属特别是金属锂。
【背景技术】
[0002]现代薄膜锂电池通常在真空腔室中生产，其中基板提供有数层，包括锂层。锂层例如通过沉积汽态锂于基板上而形成。由于锂具有高反应性，故需提供多种措施以操作及维护此类沉积系统。例如，在打开真空腔室后，应将暴露于空气环境的氧化蒸汽(特别是H2O)及接触人员减至最少。
[0003]另外，期望以高沉积速率蒸发及提高均匀度。过去已利用许多类型的薄膜沉积系统。而且，就碱金属和/或碱土金属而言，已应用一些典型的薄膜沉积系统装置。然而，这些典型装置不适合大量、低成本制造，因要这些方法在管理材料的高反应性同时达成高产量方面存在严峻的挑战。这在制造均匀沉积的纯锂(Li)方面造成严峻的挑战。众所周知，这些类型的材料(特别是Li)易与例如气体、材料等周围环境反应而被氧化。锂因适于生产高能量密度电池和蓄电池而受到特别关注。
[0004]一般用于锂和其他碱金属或碱土金属的沉积系统分别采用溅射源或习用的蒸发源和所述源的操作方法。鉴于Li的反应性，锂溅射方法具有挑战性，特别是在成本和可制造性方面。高反应性首先会影响靶材制造，靶材是溅射的必要部件，其次会影响制得的靶材的搬运。由于需避免靶材材料与周围空气反应，故装运、安装、预防维护等都较非反应性靶材困难。另一挑战来自于处置靶材上用过的材料，因为靶材利用率通常不会达100%。因此，为安全处置，使用者需中和或反应残余材料。又更重要的是，由于锂的熔点比较低(183°C )，熔点限制高功率密度溅射体系(此体系是更适合大量、低成本制造的体系)，因此沉积速率亦会受到限制。
[0005]习用锂蒸发方法通常采用点源，此锂蒸发方法要达到所需均匀度及扩展成大量制造的可制造性十分困难，因而深具挑战性。因此管理或供应高反应性Li金属至蒸发源及反应性蒸汽至沉积腔室的需要是挑战性的。然而，这是大量制造及长正常运行时间制造所必需的。
[0006]已知一些现有技术的碱金属与碱土金属沉积系统产量不足，且无法为高产量与大基板应用提供足够便利的可测量性。故需要碱金属与碱土金属沉积源和系统，特别是需要可扩展以容纳尺寸逐渐增大的基板及容许高产量沉积的锂沉积源和沉积装置。如此应考虑制造诸如薄膜电池和电致变色窗之类的装置的成本竞争力。再者，期望考虑沉积工艺的均匀性。
【发明内容】
[0007]鉴于上述内容，提供根据权利要求、且特别根据独立权利要求的沉积装置、沉积设备和蒸发方法。本发明的其他方面、优点和特征在参阅从属权利要求、说明书和附图后将变得更浅显易懂。
[0008]根据一个实施方式，提供用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于沉积所述材料于基板上的沉积装置。所述装置包括:第一腔室，第一腔室被配置以用于液化材料；阀，阀与第一腔室流体连通且在第一腔室下游，其中阀被配置以用于控制液化材料通过阀的流率；蒸发区，蒸发区与阀流体连通且在阀下游，其中蒸发区被配置以用于蒸发液化材料；及一或更多出口，用于将蒸发材料导向基板。
[0009]根据另一实施方式，提供用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于沉积所述材料于基板上的沉积设备。所述设备包括真空腔室和沉积装置，真空腔室用于沉积材料于真空腔室内的基板上。所述装置包括:第一腔室，第一腔室被配置以用于液化材料；阀，阀与第一腔室流体连通且在第一腔室下游，其中阀被配置以用于控制液化材料通过阀的流率；蒸发区，蒸发区与阀流体连通且在阀下游，其中蒸发区被配置以用于蒸发液化材料；及一或更多出口，用于将蒸发材料导向基板。
[0010]根据又一实施方式，提供蒸发包含碱金属或碱土金属，特别是金属锂的材料的方法。所述方法包括:在第一腔室中液化材料；引导液化材料，使液化材料从第一腔室通过控制阀而到达蒸发区；在蒸发区中蒸发材料；及将材料的蒸汽引导于基板上。
【附图说明】
[0011]为了能详细地理解本发明的上述特征，可通过参考实施方式获得以上简要概述的本发明的更具体的描述。附图涉及本发明的实施方式，并且描述如下:
[0012]图1图示根据本文描述的实施方式的沉积装置的示意图，所述装置用于蒸发碱金属或碱土金属，比如锂，且所述装置包括液化区、用于控制流率的控制阀和在阀下游的蒸发区；
[0013]图2图示根据本文描述的进一步实施方式的另一沉积装置和设备的示意图，所述装置和设备用于蒸发碱金属或碱土金属，比如锂，且所述装置和设备包括液化区、用于控制流率的控制阀和在阀下游的蒸发区；
[0014]图3图示根据本文描述的又进一步实施方式的又一沉积装置和设备的示意图，所述装置和设备用于蒸发碱金属或碱土金属，比如锂，且所述装置和设备包括液化区、用于控制流率的控制阀和在阀下游的蒸发区；
[0015]图4图示根据本文描述的实施方式的沉积装置的控制体系的示意图，所述装置用于蒸发碱金属或碱土金属，比如锂，且包括液化区、用于控制流率的控制阀和在阀下游的蒸发区；
[0016]图5图示根据本文描述的实施方式的蒸发方法的流程图，其中材料被液化，流率由阀控制，及在阀下游蒸发材料；
[0017]图6图示根据本文描述的又进一步实施方式的再一沉积装置和设备的示意图，所述装置和设备用于蒸发碱金属或碱土金属，比如锂；及
[0018]图7图示根据本文描述的实施方式的用于沉积装置的一些实施方式的第一腔室的示意图。
【具体实施方式】
[0019]现将详述本发明的各种实施方式，实施方式的一或更多实例示于附图中。在以下附图描述中，相同的标记数字代表相同的部件。通常，只描述各个实施方式的差异。各实例仅提供为对本发明的解释，而无意限制本发明。另外，图示或描述为一实施方式的部分的特征可并入或结合其他实施方式使用而产生又进一步的实施方式。旨在使本说明书包括这些修改例与变化例。
[0020]图1图示沉积装置100，用于蒸发碱金属和碱土金属，特别是锂。第一腔室或储槽110被提供用来接收待沉积材料。通常，储槽被提供以使将要在装置中蒸发的材料(即碱金属和碱土金属，例如锂)可在非反应性气氛下提供在储槽110中。例如，非反应性气氛可为氩气或另一适于防止待蒸发材料反应的惰性气体，待蒸发材料通常具有高反应性。
[0021]储槽110被配置以加热材料至高于熔点的温度，例如比待沉积材料的熔点高5°C至100°C，例如20°C至60°C (例如20°C或40°C )。如此待沉积材料以液态经由阀130输向蒸汽分配喷头112或各喷嘴。故根据可与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，一或更多导管120和/或阀130可被配置成被加热，以致能够提供液体碱金属或碱土金属至蒸发区，所述蒸发区例如在喷头内或靠近喷头。
[0022]根据典型实施方式，用于碱和碱土金属(例如锂)的沉积系统具有一或更多出口，用于将碱金属和碱土金属的蒸汽导向基板，进而沉积碱金属和碱土金属于基板上。出口可为一或更多开口或一或更多喷嘴，开口或喷嘴例如可设于喷头或另一蒸汽分配系统中。根据可与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，蒸发装置可包括喷嘴，用于将蒸汽引向基板。如图1所示，装置包括蒸汽分配喷头112，例如具有多个喷嘴116的线形蒸汽分配喷头112。
[0023]就现有锂蒸发器而言，前驱物贮槽是单一腔室部件，Li金属在贮槽中熔化及蒸发而到达沉积腔室中的喷头。由此，汽态蒸发材料，即蒸汽被引导通过单一分隔阀。如图1所示，且根据本文描述的实施方式，待蒸发材料(例如锂)区分隔成两个腔室、区段或区域。第一腔室(比如储槽110)液化碱金属或碱土金属，液化碱金属或碱土金属被引导通过阀130，在阀130下游的另一区域、区段或腔室蒸发碱金属或碱土金属。
[0024]如图1所示，液体材料在材料供给系统中从第一腔室110被引导通过导管120及通过阀。在进入蒸汽分配喷头112之前，液体材料从阀130被引导通过导管120而进入喷头112。因此，加热单元118可被设置成与喷头112相邻，以于提供液体材料至蒸发区114之前加热材料达更高温度。材料在蒸发区114中蒸发。材料在喷头112中分配并通过喷嘴116导向基板4。
[0025]根据可与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，阀可为控制阀，用于控制或调整液体材料的流率。阀可分隔液化区和蒸发区。第一腔室或储槽110储放固体锂金属。第一腔室或储槽110用于熔化和/或液化固体锂金属。熔化或液化的锂金属即以液态流入第二腔室或另一蒸