JP2006283132A - 表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマスパッタリングによる薄板の表面処理装置を提供する。
【解決手段】 被処理部材に対してプラズマ処理を施す表面処理装置において、被処理部材(150)が縦置きで搬送されるチャンバ(40)と、チャンバ内に搬送される被処理部材(150)の表裏面とそれぞれ対向し、該被処理部材の両側に対称となるように配置される、少なくとも該被処理部材と対向する表面にターゲット材料を有する少なくとも一組のスパッタカソード(410,410)と、各スパッタカソードの裏面側にそれぞれ配置されて被処理部材の延在方向に移動可能なマグネット(420,420)と、チャンバ内にプロセスガスを導入するガス供給手段と、スパッタカソードと被処理部材間にプラズマを発生させるプラズマ電源と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板の表面にプラズマガスによって薄膜の成膜や基板表面のエッチングを行うプラズマ処理技術に関し、特に、燃料電池のセパレータに用いて好適なマグネトロンスパッタ処理技術に関する。

燃料電池は単セルの集合体であり、単セルはＭＥＡ（膜電極複合体）やセパレータなどを積層して構成されている。燃料電池の性能（出力）は単セルの積層数で決定されるので、一定のサイズに収めるため、また、効率的に発電反応をさせるために単セルを構成する各部品は非常に薄く、かつ大きいものとなっている。これ等の部品は反応性ガス（燃料ガス）に曝されるので耐食性を高めるために表面処理が施される。大量の薄板の成膜を効率よく行うことが必要であり、ウェット式によりセパレータの表面に耐食性膜を形成しているが、ウェット式の表面処理装置は巨大であり、液剤を使うため設備が複雑で廃液処理設備も必要となる。

そこで、プラズマ処理技術による表面処理を検討している。例えば、マグネトロンスパッタ法は、磁場によってプラズマ密度を高めてターゲットから飛散した粒子の対象物上への成膜速度を向上させる技術である。例えば、特開２０００−３５５７６４号公報には、矩形の磁石を用いたマグネトロンカソードユニットを用いてマグネトロンスパッタ装置を構成した例が開示されている。
特開２０００−３５５７６４号公報

しかしながら、燃料電池のセパレータ表面への耐食性膜の成膜ではセパレータが非常に薄い（例えば、０．１ｍｍｍ）ため、スパッタ熱によってセパレータの変形が起き易く、膜厚を均一にし難い。また、セパレータの表面には燃料ガスの経路が凹凸によって形成されている。該経路の角部や垂直壁部にも均一に成膜するために、セパレータの熱変形が抑えられなければならない。

また、耐食成膜は非常に薄いため、セパレータ表面の酸化膜等の除去が不十分であると、剥離しやすい。

耐食性膜は、例えば金（Ａｕ）であるが、非常に高価であるので、成膜材料の使用効率が高いことが望まれる。

生産効率を確保するためには、多数枚取りが可能でスパッタ面積も大きいことが望まれる。

よって、本発明はドライ方式であるプラズマスパッタリングによる薄板のインライン式表面処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の表面処理装置は、被処理部材に対してプラズマ処理を施す表面処理装置において、上記被処理部材が縦置きで搬送されるチャンバと、上記チャンバ内に搬送される上記被処理部材の表裏面とそれぞれ対向し、該被処理部材の両側に対称となるように配置され、上記被処理部材の延在方向に移動可能に設られて、少なくとも該被処理部材と対向する表面にターゲット材料を有する少なくとも一組のスパッタカソードと、各スパッタカソードの裏面側にそれぞれ配置されて上記被処理部材の延在方向に該スパッタカソード共に移動可能なマグネットと、上記チャンバ内にプロセスガスを導入するガス供給手段と、上記スパッタカソードと上記被処理部材間にプラズマを発生させるプラズマ電源と、を備える。

かかる構成とすることによって、マグネット磁界による高密度プラズマで被処理部材両面を同時に走査し、広範囲を短時間でプラズマ処理することが可能となる。また、スパッタ源（ターゲット材料の）の高い利用効率で、被処理部材の両面に同時に成膜を行うことが可能となる。また、被処理部材の両側にそれぞれプラズマを発生させ、これらを移動するので、被処理部材の表裏における熱分布がバランスして被処理部材の熱変形が生じ難い。

好ましくは、上記被処理部材は燃料電池のセパレータである。スパッタ法によるメタルセパレータへの薄膜形成が可能となる。例えば、ステンレス、チタンなどの金属セパレータの表面処理（スパッタエッチング、スパッタ成膜等）に好都合である。

好ましくは、表面処理装置は、上記第１のチャンバの前段に配置される第２のチャンバと、上記第２のチャンバ内に設けられて、上記被処理部材に対してプラズマエッチングを施すエッチング手段と、を更に備える。これによって、前処理（例えば、エッチングによる酸化膜除去）を施した被処理基板に直ちにスパッタ堆積を施すことができ、成膜の剥離が生じにくくなる。

好ましくは、表面処理装置は、上記被処理部材を複数着脱可能に保持するホルダと、上記ホルダを着脱可能に取り付けて上記第２チャンバ及び上記第１のチャンバを移動するトレイと、を更に備える。これにより、多枚数の同時処理を行うことが可能となる。また、トレイ毎に各チャンバで個別処理を容易に行える。

好ましくは、表面処理装置は、上記トレイを、上記第２チャンバ及び上記第１のチャンバ内を直線的に移動させる移動機構、を更に備える。これにより、インライン式の連続処理システムを容易に構成することが可能となる。

本発明の表面処理装置によれば、被処理基板に効率的に均一な耐食膜を形成することができる。環境にも優しく、装置コスト、生産コストを抑制することが可能となって具合がよい。

以下、本発明の最良の実施の形態について説明する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明のスパッタ処理を用いる表面処理装置１の例を示している。同図（ａ）は表面処理装置１を上方側から概略的に示す説明図であり、同図（ｂ）は表面処理装置１を側方側から概略的に示す説明図である。

この例の表面処理装置１は、被処理部材である基板の両面にスパッタエッチングによって表面処理（前処理）を施した後、スパッタ堆積によって基板表面に成膜を行っている。

同図において、表面処理装置１は、概略、トレイ搬入装置１０、ロードロック装置２０、エッチング装置３０、スパッタ装置４０、アンロード装置５０、トレイ搬出装置６０及び図示しないトレイリターン装置を備えている。装置２０〜５０にはそれぞれ排気装置（例えば、ロータリーポンプ）Ｐ１〜Ｐ４が設けられており、減圧可能なチャンバとなっている。各装置相互間にはゲートバルブＧ１〜Ｇ６が設けられ、装置間の搬送トレイ１００の移動と各装置内チャンバの個別の雰囲気設定を可能としている。

まず、作業者（又は作業ロボット）によって処理対象となる複数の基板１５０が後述のホルダに保持されて搬送用の搬送トレイ１００に取付られる。

図３は、搬送トレイ１００の具体例を説明する斜視図である。搬送トレイ１００は、フレーム１０１、その内周を一周するように配置された絶縁部材、フレーム１０１の下辺部に沿って設けられた直線状のラック１０２、フレーム１０１の下辺中央部に設けられたバイアス付与機構１０３等を備えている。この搬送トレイ１００の中央部に複数の基板１５０を取り付けたホルダ１２０が絶縁部材を介して搬送トレイ１００のフレーム１０１に取り付けられている（保持される）。基板１５０は、例えば、燃料電池の金属セパレータ（例えば、ステンレス）である。ホルダ１２０には外方に突出する給電端部１２１が設けられている。ホルダ１２０は、例えば、基板１５０と同種の金属によって形成される。

フレーム１０１は、例えば、高剛性の厚板ステンレスによって形成される。ラック１０２は、後述のモータ３９１によってクラッチ３９２を介して駆動されるギア３９３と噛み合うようになされる。バイアス付与機構１０３は、フレーム１０１の下辺中央部の切欠き部に内外方向に進退可能に設けられて、進位置ではホルダ１２０の金属のフレームに接触し、退位置ではフレームから離間する金属接触片等によって構成される。金属接触片は、搬送トレイがチャンバ内の所定位置で図示しない機構によって付勢力を受けてホルダ１２０と接触状態となり、他の位置において付勢力が解除されてホルダ１２０から離間した状態となる。この動作によって、ホルダ１２０及び基板１５０にバイアス電圧を印加することが可能となる。

搬送トレイ１００はトレイ搬入装置１０のセット位置に縦置きに置かれる。トレイ搬入装置１０は搬送トレイ１００をロードロック装置２０に向けて縦置きで搬送し、ゲートバルブＧ１を通過してロードロック装置２０内に搬入する。搬送トレイ１００の移動は図示しない制御装置によってモータ３９１を制御することによって行われる。各装置に設けられた、モータ３９１、クラッチ３９２、ギア３９３、トレイのラック１０２はトレイを直線状に搬送する移動機構を構成する。

ロードロック装置２０は搬送トレイ１００が搬入されると排気装置Ｐ１によってチャンバ内を減圧し、必要により基板１５０を所定温度に予熱する。その後、搬送トレイ１００はゲートバルブＧ２を通過してエッチング装置３０に搬送される。

エッチング装置３０は後段のスパッタ装置４０と共にプラズマ処理を行う表面処理装置である。搬送トレイ１００は図示しない２つの対向電極間に配置される。エッチング装置３０は排気装置Ｐ２による減圧雰囲気下でプロセスガス（エッチング用ガス、例えば、Ａｒ）を導入し、縦置きの基板１５０及びホルダ１２０と対向電極間に、例えば高周波電力を供給してプロセスガスをプラズマ化して活性化させ、基板１５０表面のエッチングを行う。この表面処理装置１の例でも基板１５０の表裏面を同時にエッチング処理している。また、片面のみのエッチング処理を行うことも出来る。エッチングの終了後、基板１５０を載置した搬送トレイ１００は次ステージのゲートバルブＧ３を通過してスパッタ装置４０に搬送される。

スパッタ装置４０は、前処理（エッチング）された基板１５０に排気装置Ｐ３による減圧雰囲気下でマグネトロンスパッタ法によって金属などの膜を成膜する。本実施例では、所定位置に搬送されて静止している基板１５０の表裏面にそれぞれ対向してスパッタカソードの電極板４１０，４１０が配置される。スパッタカソード４１０は、プラズマ発生の電極とターゲット材料の供給源を兼ねる。スパッタカソード４１０の材質は、形成する薄膜に対応して選定される。例えば、実施例ではステンレスのセパレータに銅薄膜を成膜するために、銅板の電極板が使用される。スパッタカソード４１０には内部に冷却水を流すことによってスパッタカソード４１０の温度調節が可能になされている。スパッタカソード４１０の背面側（基板１５０と非対向側）には、横長のマグネット４２０が配置されている。マグネット４２０は上下方向に移動可能に構成されている。例えば、いわゆる送りネジ機構４３０（図２参照）によって２つの対向するように配置されたマグネット４２０，４２０を往復移動することが可能である。送りネジ機構４３０は図示しないモータによって駆動される。基板１５０とスパッタカソード４１０間に直流高圧あるいは高周波電圧を印加して放電を生ぜしめ、アルゴンガスを電離してプラズマを発生させる。プラズマの照射によってスパッタカソード（電極版）４１０から飛び出した粒子は飛散して基板１５０に堆積し、薄膜を形成する。マグネトロン方式では、スパッタカソード４１０の背面からのマグネット４２０の磁束によってプラズマをスパッタカソード４１０と基板１５０間に封止し、高密度のプラズマを得る。それにより、いわゆるＤＣ（直流）／ＲＦ（高周波）スパッタに比べて成膜速度が高められる。マグネット（永久磁石）４２０を縦方向に移動して基板全体の成膜を均一に行う。

このようにして表面に薄膜が形成された基板１５０を保持した搬送トレイ１００は次ステージのゲートバルブＧ４を通過してアンロード装置５０に搬入される。アンロード装置５０は、基板１５０を常温に戻す。また、一連の減圧雰囲気環境から常圧雰囲気に戻す。基板１５０はゲートバルブＧ５を経てトレイ搬出装置６０に搬送される。トレイ搬出装置６０は搬送トレイ１００を図示しないトレイリターン装置に搬送する。トレイリターン装置は処理の終えた基板１５０した搬送イ１００をトレイ搬入装置１０の元のセット位置に戻す。処理の終えた基板は作業者等によってトレイ１００から取り外される。トレイ１００には新たな被処理基板１５０を保持したホルダ１２０が載置されて再利用される。

なお、上記実施例では、スパッタ装置４０のみで成膜を行った例で説明したが、スパッタ装置４０を縦列に接続して基板に複数層の薄膜を成膜することができる。また、成膜は基板１５０の片面にのみ行っても良い。

図２は、スパッタ装置４０の真空（あるいは減圧）チャンバ内に配置された、基板１５０、スパッタカソード４１０、マグネット４２０の位置関係を説明する説明図である。前述したように、基板１５０はホルダ１２０によって保持され、絶縁物を介して搬送トレイ１００に取り付けられて縦置きに配置されている。基板１５０の両側にスパッタカソード４１０が互いに対向するように対称に配置されている。基板１５０とスパッタカソード４１０とは所定ギャップで対向し、当該空間にはプロセスガスとして図示しないガス供給源から、例えば、アルゴンガス（Ａｒ）が導入される。基板１５０とスパッタカソード４１０間に接続された直流電源あるいは高周波電源（プラズマ電源）から放電電力が供給されて基板１５０とスパッタカソード４１０間のアルゴンガスがプラズマ化する。電離したアルゴンイオンがターゲットとしてのスパッタカソード４１０に衝突してその表面の材料を粒子化して飛散させ、基板１５０に付着させる。

スパッタカソード４１０の背面側に位置したマグネット４２０、４２０はプラズマや飛散粒子の影響を受けないようになされている。マグネット４２０からのスパッタカソード４１０を貫通した磁束によってスパッタカソード４１０と基板間に封止されたプラズマは高密度に維持される。基板１５０の両側に配置されたマグネット４２０、４２０は位置を同期して送りネジ機構４３０により図示の上下方向に移動する。このマグネット４２０、４２０の移動に伴って、高密度のプラズマもスパッタカソード４１０及び基板１５０間を上下方向に移動する。

従って、ターゲットの利用効率（利用ターゲット／ターゲット面積）は高く、均一な膜厚の薄膜をより高い成膜速度（成膜レート）で得ることができる。

なお、スパッタカソード４１０、マグネット４２０、送りネジ機構４３０、電源などはマグネトロンカソードユニット４００を構成するが、例えば、スパッタカソード４１０は電極板表面にターゲット材料（板・膜）を配置して構成しても良い。ターゲット材料が高価な場合に都合がよい。

図４乃至図６は、実施例の利点を説明する比較例である。図４は、固定したスパッタ源（マグネット）の前を基板が通過するタイプのスパッタ装置を示しており、同図（ａ）は、基板とスパッタ源（斜線領域で示す）の大小関係を示している。同図（ｂ）はスパッタ装置４０の構成（大きさ）を示している。この例では、基板の搬送速度が成膜のレートに影響する。また、ターゲットの利用効率は２０％程度である。基板の加減速の領域が必要になるためスパッタ装置（チャンバ）４０が大型化する。

図５は、固定したスパッタ源（マグネット）の前に基板を静止させるタイプのスパッタ装置を示しており、同図（ａ）は、基板とスパッタ源（斜線領域で示す）の大小関係を示している。同図（ｂ）はスパッタ装置の構成（大きさ）を示している。この例では、スパッタ装置４０は図４に示す例に比べて相対的に小型化されるが、基板サイズよりも大きいスパッタ源（大型のマグネット）を必要とする。このような大きいスパッタ源は高価であり、プラズマ密度の均一性（形成膜厚の均一性）を保ちにくい。

図６は、実施例の構成に対応したものであり、基板を静止させて、上下方向（基板の搬送方向と直交する方向）に基板と対向するスパッタ源（マグネット）を移動させるタイプのスパッタ装置を示しており、同図（ａ）は、基板とスパッタ源（斜線領域で示す）の大小関係を示している。同図（ｂ）はスパッタ装置の構成（大きさ）を示している。

この例では、スパッタ装置４０は図４に示す例に比べて加減速のスペースが不要となって相対的に小型化され、スパッタ源の大きさは、図４及び図５に示す例よりも小さくて済む。ターゲットの利用効率は４０％程度である。従って、スパッタ源の利用効率は高く、安価に構成出来る。

また、実施例では、基板を停止して成膜するため、基板搬送型のように搬送速度の変動の影響を受けず、基板に成膜される膜の膜質、膜厚の均一性がよい。更に、スパッタ源を移動（マグネットの対向スパッタ源背面における移動）して成膜を行うため、成膜の膜厚が基板全体でより均一になる利点がある。

上述した実施例によれば、基板の縦型搬送による両面同時成膜可能な表面処理装置が得られる。すなわち、成膜工程において対向型両面同時スパッタ源を採用したので、基板を縦型搬送して基板の両面同時処理が可能である。それにより、表面処理装置（スパッタ装置）をコンパクトに構成出来る。基板一枚の処理に要するサイクルタイムが短縮される。また、マグネットを可動型とすることによってターゲットの利用効率が向上する。

なお、実施例では、マグネットとしてコンパクトな高磁束密度の永久磁石を使用しているが、コイル（電磁石）を用いても良い。

図１は、本発明の表面処理装置を概略的に説明する説明図である。 図２は、マグネトロンカソードユニットと被処理部材の位置関係を説明する説明図ある。 図３は、搬送トレイに載置された被処理基板の例を説明する説明図である。 図４は、基板移動/マグネット固定型のスパッタ装置の例を説明する説明図である。 図５は、基板静止/マグネット固定型のスパッタ装置の例を説明する説明図である。 図６は、本願の基板静止/マグネット移動型のスパッタ装置の例を説明する説明図である。

符号の説明

３０ エッチング装置、４０ スパッタ装置、１００ 搬送トレイ、１５０ 基板、４１０ スパッタカソード、４２０ マグネット

Claims (5)

1. 被処理部材に対してプラズマ処理を施す表面処理装置であって、
   前記被処理部材が縦置きで搬送される第１のチャンバと、
   前記チャンバ内に搬送される前記被処理部材の表裏面とそれぞれ対向し、該被処理部材の両側に対称となるように配置され、前記被処理部材の延在方向に移動可能に設られて、少なくとも該被処理部材と対向する表面にターゲット材料を有する少なくとも一組のスパッタカソードと、
   各スパッタカソードの裏面側にそれぞれ配置されて前記被処理部材の延在方向に該スパッタカソードと共に移動可能なマグネットと、
   前記チャンバ内にプロセスガスを導入するガス供給手段と、
   前記スパッタカソードと前記被処理部材間にプラズマを発生させるプラズマ電源と、
   を備える表面処理装置。
2. 前記被処理部材は燃料電池のセパレータである、請求項１に記載の表面処理装置。
3. 前記第１のチャンバの前段に配置される第２のチャンバと、
   前記第２のチャンバ内に設けられて、前記被処理部材に対してプラズマエッチングを施すエッチング手段と、を更に備える請求項１又は２に記載の表面処理装置。
4. 前記被処理部材を複数着脱可能に保持するホルダと、
   前記ホルダを着脱可能に取り付けて前記第２チャンバ及び前記第１のチャンバを移動するトレイと、を更に備える請求項３に記載の表面処理装置。
5. 前記トレイを、前記第２チャンバ及び前記第１のチャンバ内を直線的に移動させる移動機構、を更に備える請求項４に記載の表面処理装置。

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