JP2018111866A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の変形を抑制しながら、プラズマ強度の低下を抑制することができる成膜装置の提供。【解決手段】ワークを収容し、内部に原料ガスが導入される成膜容器と、成膜容器内に設けられ、貫通孔４２１が形成された電極４２と、ワークと電極４２間に電力を供給して成膜容器内の原料ガスをプラズマ化させるための電源と、一端が成膜容器の壁面に固定され、他端が貫通孔４２１に係合する支持部材４４と、を備え、支持部材４４は、貫通孔４２１の内周面に当接して電極４２を支持する支柱本体４４１と、電極４２の面方向に延在して貫通孔４２１の一方側の面を閉じる縦壁４４２と、を有する成膜装置。【選択図】図２

Description

本発明は、成膜装置に関する。

燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、複数の単セルを積層して成るスタック構造を有している。

単セルは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の流路となる溝が形成された一対のセパレータで膜電極アッセンブリの両面を挟み込んだ構造を有している。このセパレータは、単セルで発生した電流を隣の単セルに流す役割も担っているため、セパレータを構成するセパレータ材には、高い導電性が要求されるだけでなく、その高い導電性が燃料電池のセル内部の高温酸性雰囲気中においても長期間維持される導電耐久性が要求される。このような事情に鑑み、プラズマ成膜装置（以下、成膜装置とも称する）を用いて、燃料電池のセパレータ用のワークの表面に炭素含有薄膜を形成することにより、高い導電性と、その高い導電性が燃料電池のセル内部の高温酸性雰囲気中においても長期間維持される導電耐久性とをセパレータに付与している（例えば下記特許文献１）。成膜装置は、一般的には、ワークを収容する成膜容器と、成膜容器内に設けられた電極と、電力を供給して成膜容器内の原料ガスをプラズマ化させるための電源とを備える。成膜容器内に生成したプラズマにワークを曝すことにより、ワークの露出した表面に炭素含有薄膜が形成される。

特開２０１５−２１８３８１号公報

ところで、成膜装置を用いたワークへの成膜処理時には電極が高温となるため、電極が熱膨張して変形し得る。この変形を抑制することを意図して、電極にスリットを形成し、かかるスリットを利用して膨張した電極の体積の一部を吸収するという考え方がある。しかしながら、この場合にはスリットを形成した分の電極の表面積（すなわち、放電部の表面積）が減少してプラズマが弱くなり、成膜不良となるおそれがあった。

そこで、本発明は、電極の変形を抑制しながら、プラズマ強度の低下を抑制することができる成膜装置を提供することを目的とする。

本発明に係る成膜装置は、燃料電池セパレータ用のワークに薄膜を形成する成膜装置であって、ワークを収容し、内部に原料ガスが導入される成膜容器と、成膜容器内に設けられ、貫通孔が形成された電極と、ワークと電極間に電力を供給して成膜容器内の原料ガスをプラズマ化させるための電源と、一端が成膜容器の壁面に固定され、他端が貫通孔に係合する金属支柱とを備え、金属支柱は、貫通孔の内周面に当接して電極を支持する支柱本体と、電極の面方向に延在して貫通孔の一方側の面を閉じる縦壁と、を有する。

本発明によれば、電極に形成した貫通孔に係合して電極を支持する金属支柱は、貫通孔の一方側の面を閉じる縦壁を有し、このような金属支柱が電極の役割を担うことができるため、貫通孔が電極に形成されていても放電部の表面積の減少を抑えることができる。また電極が昇温されて膨張する際に、電極に形成された貫通孔を利用して膨張した電極の体積の一部を吸収することができるため、電極の熱変形を抑制することができる。その結果、電極の変形を抑制しながら、プラズマ強度の低下を抑制することができる。

本発明によれば、電極の変形を抑制しながら、プラズマ強度の低下を抑制することができる成膜装置を提供することができる。

本実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。 図１に示す電極周辺の構造を説明するための図である。 従来の電極周辺の構造を説明するための図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、本実施形態に係る成膜装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。

成膜装置１は、化学気相成長法の一種であるプラズマＣＶＤ法により薄膜の構成元素を含む化合物の一種類以上の原料ガスをプラズマ化し、燃料電池のセパレータ用のワーク２０（ワーク）の両面に薄膜を真空蒸着形成する。なお、セパレータ用のワーク２０に限らず、プラズマＣＶＤ法により成膜可能な任意の基板をワークとして採用することができる。ワーク２０の平面形状は、例えば、略四辺形である。本実施形態では、ワーク２０の両面に形成される薄膜の一例として、炭素含有薄膜を例示する。炭素含有薄膜の構造は、アモルファス構造でもよく、或いはグラファイト構造でもよい。アモルファス構造を有する炭素含有薄膜として、ダイヤモンドライクカーボン膜が知られている。このような炭素含有薄膜は、炭素原子以外に水素原子等の他の元素を含有していてもよく、炭素含有薄膜全体として、導電性を有していればよい。

成膜装置１は、成膜容器４０（チャンバー）と、２つの電極４２と、支持部材４４（図２参照）と、ヒーター４１と、ヨーク５０と、各ヨーク５０に接して配置されている多数の磁石５１と、電源６０とを備える。

電源６０は、ワーク２０と電極４２間に電力を供給してプラズマ発生領域Ｐにプラズマを生成するための電力供給装置である。図１では、電源６０は、成膜容器４０に収容されたワーク２０を陰極とし、電極４２（防着板）を陽極として電力を供給する。このようにワーク２０は陰極として成膜装置１の一部として機能すると共に、成膜装置１により成膜処理の対象物としても機能する。なお、図１では、成膜容器４０内にワーク２０が支持機構（図示略）により吊持された状態の成膜装置１を示している。図１に示す２つの電極４２はいずれも設地されている。

成膜容器４０は、高い気密性を有し、内部に収容したワーク２０に薄膜を形成するための成膜室として機能する。成膜容器４０内は、ポンプを有する図示しないガス排出機構により真空状態に維持されている。

図１に示すように、成膜装置１において、ワーク２０の一方の面に対向する側の構成と、他方の面に対向する側の構成とは、ワーク２０を軸として対称である。したがって、両側の構成において、互いに同じ種類の構成要素には同じ符号を付し、以下、ワーク２０の一方の面に対向する側の構成のみを述べ、他方側の構成についてはその詳細な説明を省略する。

電極４２は、平面視略矩形の板状に形成されている。図１に示すように、電極４２は、ワーク２０と成膜容器４０の壁との間においてワーク２０の一方の面と対向するように配置されている。電極４２は、複数の支持部材４４（図２参照）により成膜容器４０の壁４８に支持されている。複数の支持部材４４は、一端が成膜容器４０の壁４８に溶接されて固定され、他端が電極４２の貫通孔４２１に係合されて電極４２を支持している。なお、支持部材４４は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）等で形成されるものであるが、この材料に限らず、金属製の材料であれば適宜他の材料を選択することが可能である。

電極４２及び支持部材４４の構成について更に説明する。図２は、電極４２を含む構成を説明するための図である。図２（Ａ）は、図１に示す２つの電極４２のうち、一方の電極４２を、ワーク２０側から見た図を表している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示し、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＣ−Ｃ断面図を示す。

図２（Ａ）に示すように、電極４２の四隅近傍及び電極４２の中央部には、それぞれ一つずつ貫通孔４２１が形成されている。各貫通孔４２１は、電極４２を厚さ方向に貫通して形成されている。このような貫通孔４２１を形成することにより、成膜処理時に電極４２が昇温して膨張した際に、貫通孔４２１を利用して膨張した電極４２の体積の一部を吸収することができる。電極４２の中央部が熱膨張により膨張しやすいことから、好適には、電極４２の中央部に形成する貫通孔４２１を、電極４２の四隅近傍に形成する貫通孔４２１よりも大きく形成して、電極４２の中央部で膨張した体積の一部を吸収しやすくすることが好ましい。なお、本実施形態において、各貫通孔４２１は、電極４２をワーク２０側からみたときにだるま穴形状の貫通孔として５つ形成されているが、図示の例に限定されず、支持部材４４を係合可能な形状であれば他の形状や個数等に変更することが可能である。

ところで、プラズマＣＶＤ法による成膜処理は高温で実行されるため、電極が高温となり熱変形を生じやすい状態となる。このような電極の熱変形を抑制することを意図して、例えば図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、電極９０にスリット９１を形成して、かかるスリット９１によって膨張した体積の一部を吸収する方法がある。しかしこの方法では、スリット９１形成による隙間Ｓ（図３（Ｂ））が生じるため、電極９０の表面積（すなわち、放電部の表面積）が低下してプラズマ強度が低下してしまうという問題が生じ得る。更に、以下の隙間Ｓ（図３（Ｃ））が生じることによってもプラズマ強度が低下し得る。具体的には、一端が成膜容器の壁９６に溶接され、他端が貫通孔９２に挿入される支持部材９４によって電極９０を保持する場合、メンテナンス性を確保して電極９０を容易に取り外し可能なように、貫通孔９２の内径は支持部材９４の外形よりも大きく形成されている必要がある。この場合、支持部材９４と貫通孔９２との間には隙間Ｓ（図３（Ｃ））が生じることとなる。上記した図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すような隙間Ｓがあると、その分、電極９０の表面積（すなわち放電部の表面積）が低下し、放電部面積に比例するプラズマ強度が低下することとなる。プラズマ強度が低下すると、ワークに安定した成膜ができなくなるおそれがあるため、プラズマ強度に影響する放電部の表面積の低下を抑えながら、電極の熱変形を抑制することが望ましい。

そこで本実施形態では、図２に示すように、支持部材４４は、貫通孔４２１の内周面に当接して電極４２を支持する支柱本体４４１と、電極４２の面方向（図２（Ｂ）及び（Ｃ）では上下方向）に略平行に延在し、貫通孔４２１の一方側の面を閉塞する縦壁４４２とを有している。

縦壁４４２は、貫通孔４２１のうちワークから遠い側の部分（図２（Ｂ）、（Ｃ）では貫通孔４２１の左端部）を閉塞して貫通孔４２１周縁に係合されている。言い換えれば、縦壁４４２は、電極４２をワーク側からみたときに、電極４２の裏面側（図２（Ｂ）、（Ｃ）では左側）に位置して貫通孔４２１の一方側を閉塞している。このように電極４２の裏面側に縦壁４４２が位置するので、電極４２を容易に取り外すことが可能な構成でありながら、貫通孔４２１の一方側の面を支持部材４４によって閉塞することができる。なお、本実施形態における縦壁４４２の構成としては、図示の例に限定されず、縦壁４４２によって電極４２の役割を担うという観点では、縦壁４４２が貫通孔４２１のうち少なくとも一方側の面を閉じるように設けられていればよい。

なお、支柱本体４４１のうちワーク側に位置する端部（図２（Ｂ）及び（Ｃ）において支柱本体４４１の右端部）には、支柱本体４４１で支持した電極４２のワーク側への移動を規制するための係止部４４１ａを有する。係止部４４１ａは、略棒状の支柱本体４４１の外形より大きく形成され、電極４２がワーク側（図２（Ｂ）、（Ｃ）において右側）に移動して脱落することを防止する機能を有する。なお、支柱本体４４１や係止部４４１ａは、それぞれ上述した機能を有する部材であれば、その形状や大きさ等は図示の例に限定されず、適宜変更可能である。

このような支持部材４４を設けて貫通孔４２１が閉塞されるので、隙間Ｓ（図３参照）の発生が防止される。また支持部材４４の縦壁４４２によって貫通孔４２１の一方側の面を閉じるように構成されている。これにより、電極４２が昇温して膨張する際に、貫通孔４２１を利用して膨張した体積の一部を吸収可能な構成でありながら、縦壁４４２を含む支持部材４４が電極の役割を担うため、電極４２に貫通孔４２１を形成しても電極４２の表面積（すなわち放電部の表面積）の減少を抑えることができる。その結果、電極４２の熱変形を抑制しながら、プラズマ強度の低下を抑えることができる。

なお、本実施形態において、貫通孔４２１を縦壁４４２によって閉じる（閉塞する）とは、完全に閉塞する態様に限定されず、縦壁４４２を含む支持部材４４が電極の役割を担い、放電部の面積の減少を抑えるように機能していれば、支持部材４４で貫通孔４２１を完全に閉塞していない態様も含まれる。

本実施形態における成膜装置１は、図１に示すように、板状の外観形状を有し、成膜容器４０の外部において、成膜容器４０を挟んで配置されたヨーク５０を備える。ヨーク５０は、成膜容器４０の外壁から所定の距離だけ離れた位置において、成膜容器４０の外壁と平行に配置され、固定部材（図示略）により固定されている。

ヨーク５０における成膜容器４０と対向する面には、多数の磁石５１が位置されている。磁石５１を成膜容器４０の外部に配置することにより、成膜容器４０の内部に配置する構成と比較して成膜処理時の磁石５１の昇温を抑制して、昇温に伴う磁石５１の劣化を抑制している。本実施形態における磁石５１は、高い磁力を有する一方、耐熱性が弱く、高温環境下において減磁し易い性質を有するので、成膜容器４０の外部に磁石５１を配置することにより、磁石５１の昇温に伴う磁束密度の低下を抑制しつつ、高い磁束密度を得ることができる。

図１に示すように、磁石５１は、ヨーク５０における成膜容器４０と対向する面に、例えばワーク２０の長手方向（図１では左右方向）に沿って、Ｎ極の磁石とＳ極の磁石とが交互に配置されている。各磁石５１と電極４２との間の距離は、初期状態において互いに略一定となるように設定されている。これにより、電極４２の対向面において磁束密度が略均一となるため、電極４２とワーク２０との間の空間において発生するプラズマ発生領域Ｐの分布に偏りが生じることを抑制できる。図１に示すように、各磁石５１は、成膜容器４０の外壁と接しておらず、各磁石５１と成膜容器４０の外壁との間には空隙が設けられている。また、上述のように、電極４２と成膜容器４０との間にも空隙が設けられている。これらの構成により、電極４２の熱が成膜容器４０を介して磁石５１に伝導することを抑制できる。

また本実施形態における成膜装置１は、成膜容器４０内部を昇温させるヒーター４１（図１）を備える。例えば、ヒーター４１を、成膜容器４０内における電極４２の外側（図１において、上側電極４２の上方側、下側電極４２の下方側）に設けて成膜容器４０内部をヒーター４１により昇温させることができる。

また本実施形態における成膜装置１は以下の構成を備える。すなわち、成膜容器４０内に原料ガスを供給するためのガス供給機構と、原料ガスの流量を制御する制御部と、成膜容器４０内からガスを排出するためのガス排出機構と、成膜容器４０に隣接する予備真空室と、予備真空室と成膜容器４０との間に配置されているゲートバルブと、ワークを搬送するための搬送機構と、成膜容器４０内においてワーク２０を支持する支持機構とを備える。図示の便宜上、上記した構成（ガス供給機構、制御部、ガス排出機構、予備真空室、ゲートバルブ、搬送機構、支持機構）の図示を省略している。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１…成膜装置
２０…ワーク
４０…成膜容器
４１…ヒーター
４２…電極
４４…支持部材（金属支柱）
５０…ヨーク
５１…磁石
６０…電源
４２１…貫通孔
４４１…支柱本体
４４２…縦壁
Ｐ…プラズマ発生領域

Claims (1)

1. 燃料電池セパレータ用のワークに薄膜を形成する成膜装置であって、
   前記ワークを収容し、内部に原料ガスが導入される成膜容器と、
   前記成膜容器内に設けられ、貫通孔が形成された電極と、
   前記ワークと前記電極間に電力を供給して前記成膜容器内の原料ガスをプラズマ化させるための電源と、
   一端が前記成膜容器の壁面に固定され、他端が前記貫通孔に係合する金属支柱とを備え、
   前記金属支柱は、前記貫通孔の内周面に当接して前記電極を支持する支柱本体と、前記電極の面方向に延在して前記貫通孔の一方側の面を閉じる縦壁と、を有する成膜装置。