(57)【要約】【課題】ワークに成膜する被膜の成膜速度を高め、生産性を高めることができるプラズマＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】ワークＷにプラズマＰを生成し、ワークＷの表面に被膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置１である。プラズマＣＶＤ装置１は、ワークＷを収容する密閉空間Ｓが形成された成膜室１１と、ワークＷに対して重畳的に電圧を印加して、ワークＷの周りにプラズマを生成する直流電源１４Ａおよび高周波電源１４Ｂと、密閉空間Ｓに収容されたワークＷを挟むように配置された一対のコイル１５Ａ、１５Ｂを有し、一方のコイル１５Ａから他方のコイル１５Ｂに向かうように磁場Ｅを印加する磁場印加手段１７と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークにプラズマを生成し、ワークの表面に被膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置であって、
前記プラズマＣＶＤ装置は、前記ワークを収容する密閉空間が形成された成膜室と、
前記ワークに対して重畳的に電圧を印加して、前記ワークの周りにプラズマを生成する直流電源および高周波電源と、
前記密閉空間に収容された前記ワークを挟むように配置された一対のコイルを有し、一方のコイルから他方のコイルに向かうように磁場を印加する磁場印加手段と、を備えることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークにプラズマを生成し、ワークの表面に被膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ワークの表面に成膜する装置として、プラズマＣＶＤ装置が利用されている。このプラズマＣＶＤ装置は、ワークを収容する密閉空間が形成された成膜室と、ワークの周りにプラズマを生成する直流電源とを備えている（たとえば特許文献１参照）。ワークに被膜を成膜する際には、被膜の原料となる原料ガスを成膜室に供給し、電源によりワークに電圧を印加することにより、原料ガスをプラズマ化して、原料ガスの一部となるイオンをワークに付着させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−０４００２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示すプラズマＣＶＤ装置では、ワークに成膜される被膜の成膜速度が遅く、生産性が十分であるとは言えない。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、ワークに成膜する被膜の成膜速度を速め、生産性を高めることができるプラズマＣＶＤ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を鑑みて、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置は、ワークにプラズマを生成し、ワークの表面に被膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置であって、前記プラズマＣＶＤ装置は、前記ワークを収容する密閉空間が形成された成膜室と、前記ワークに対して重畳的に電圧を印加して、前記ワークの周りにプラズマを生成する直流電源および高周波電源と、前記密閉空間に収容された前記ワークを挟むように配置された一対のコイルを有し、一方のコイルから他方のコイルに向かうように磁場を印加する磁場印加手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、成膜室に収容したワークに対して、直流電源および高周波電源の電圧を重畳的にワークに印加して、ワークの周りに原料ガスに由来するプラズマを生成することができる。この際、直流電源の電圧により、原料ガスに由来するイオンがワークに吸着され、高周波電源の電圧により、プラズマが高密度化される。
【０００８】
これに加えて、磁場印加手段により、密閉空間に収容されたワークを挟むように配置された一対のコイルに通電すると、一方のコイルから他方のコイルに向かうように磁場が印加される。これにより、ワークを挟んで一対のコイル間に、単純ミラー磁場が形成される。具体的には、プラズマを構成する荷電粒子は、磁力線に巻き付きながら、それに沿って運動し、磁力線が収束しているコイルの両端で反射する。この結果、プラズマは磁力線で囲まれた内部に閉じ込められる。この結果、原料ガスに由来するプラズマを磁場により、ワークの周りに閉じ込め、プラズマ体積を縮小させ、プラズマの高密度化を図ることができる。
【０００９】
このようにして、これまでに比べて、原料ガス由来のイオンをワークに付着させることができ、ワークに成膜する被膜の成膜速度を速め、生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の模式図である。
【図２】図１に示すプラズマＣＶＤ装置の断面図である。
【図３】図２に示すプラズマＣＶＤ装置の原理を説明するための図である。
【図４】燃料電池用のセパレータに炭素被膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置の模式図である。
【図５】図４に示す直流電源でセパレータに一定の電圧を印加した状態で、高周波電源の出力と、一対のコイルに通電した電流とを変化させたときに生成されるプラズマ密度（成膜速度）を示したグラフ。
【図６】図４に示すプラズマＣＶＤ装置の変形例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図１〜図６を参照しながら本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を説明する。
【００１２】
１．プラズマＣＶＤ装置１について
図１に示すように、本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置１は、ワークＷにプラズマＰを生成し、ワークＷの表面に被膜を成膜する装置である。プラズマＣＶＤ装置１は、ワークＷを収容する密閉空間Ｓが形成された成膜室１１を備えている。成膜室１１には、密閉空間Ｓ内のガスを排気する脱気ポンプ１２が接続されている。脱気ポンプ１２を駆動することにより、密閉空間Ｓを減圧状態（好ましくは真空状態）にすることができる。さらに、成膜室には、原料ガスを密閉空間Ｓ内に供給する原料ガス供給源１３が接続されている。原料ガスは、ワークＷに成膜する被膜の原料となるガスである。
【００１３】
プラズマＣＶＤ装置１は、密閉空間Ｓ内に収容されたワークＷに対して、電圧を印加する直流電源（ＤＣ電源）１４Ａと、高周波電源（ＲＦ電源）１４Ｂと、を備えている。これにより、ワークＷに対して、直流電源１４Ａの電圧と、高周波電源１４Ｂの電圧を重畳的に印加し、ワークＷの周りにプラズマＰを生成することができる。直流電源１４Ａと、高周波電源１４Ｂとにより重畳的に印加される電圧の波形は、直流電源１４Ａの電圧の波形と、高周波電源１４Ｂの電圧の波形とを重ね合わせた波形である。
【００１４】
ワークＷ（具体的には、ワークＷを密閉空間Ｓ内に固定する治具（図示せず）など）には、直流電源１４Ａのマイナス極と、高周波電源１４Ｂのマイナス極が接続されており、直流電源１４Ａのプラス極と、高周波電源１４Ｂのプラス極は、接地されている。
【００１５】
これにより、成膜室１１の外壁とワークＷとの間に電圧が印加され、ワークＷがマイナスに帯電し、ワークＷの周りに、上述した原料ガスＧに由来したプラズマを生成することができる。なお、直流電源１４Ａおよび高周波電源１４Ｂと、ワークＷとの電気的な接続は、公知のプラズマＣＶＤ装置と同様の一般的な接続である。
【００１６】
さらに、本実施形態では、プラズマＣＶＤ装置１は、密閉空間Ｓに収容されたワークＷを挟むように配置された一対のコイル１５Ａ、１５Ｂを有している。コイル１５Ａ、１５Ｂには、磁場Ｅが印加可能なように、直流または交流の電源（図示せず）が接続されている。具体的には、コイル１５Ａ、１５Ｂに電流Ｉを通電すると、一方のコイル１５Ａから他方のコイル１５Ｂに磁場Ｅが印加されるように、コイル１５Ａ、１５Ｂが構成されている。一対のコイル１５Ａ、１５Ｂと、これに通電される電源（図示せず）とが、本発明でいう「磁場印加手段」である。
【００１７】
２．被膜の成膜方法について
図１に示すプラズマＣＶＤ装置１を用いて、ワークＷに被膜を成膜する。ここでは、ワークＷの素材は特に限定されるものではなく、例えば、ステンレス鋼、チタン、または、チタン合金などの金属を挙げることができる。ワークＷに、炭素被膜を成膜する場合には、原料ガスに炭化水素系ガスが用いられる。
【００１８】
被膜を成膜する際には、まず、ワークＷを成膜室１１の密閉空間Ｓに収容し、次に、脱気ポンプ１２で、密閉空間Ｓ内のガスを吸引し、密閉空間Ｓを減圧し、真空に近い状態にする。
【００１９】
次に、コイル１５Ａ、１５Ｂに電流Ｉを通電し、一方のコイル１５Ａから他方のコイル１５Ｂに向かうように磁場Ｅを印加する。これと同時に、成膜室１１内に、原料ガス供給源１３から原料ガスを供給するとともに、密閉空間Ｓ内に収容されたワークＷに対して、直流電源（ＤＣ電源）１４Ａと、高周波電源（ＲＦ電源）１４ＢとからワークＷに電圧を印加する。
【００２０】
これにより、成膜室１１に収容したワークＷに対して、直流電源１４Ａおよび高周波電源１４Ｂの電圧を重畳的にワークＷに印加して、ワークＷの周りに原料ガスＧに由来するプラズマを生成することができる。
【００２１】
この際、直流電源１４Ａの電圧により、原料ガスＧに由来するイオンがワークＷに吸着され、高周波電源１４Ｂの電圧により、プラズマＰが高密度化される。このような結果、直流電源１４Ａにより、負の電圧が印加されたワークＷと、プラズマＰの界面にシースが形成され、シースの電場で、原料ガス（例えば炭化水素系ガス）Ｇに由来するイオン（例えば炭素イオン）が加速される。
【００２２】
これに加えて、密閉空間Ｓに収容されたワークＷを挟むように配置された一対のコイル１５Ａ、１５Ｂに通電すると、一方のコイル１５Ａから他方のコイル１５Ｂに向かうように磁場Ｅが印加される。これにより、ワークＷを挟んで一対のコイル１５Ａ、１５Ｂの間に、単純ミラー磁場が形成される。
【００２３】
具体的には、図３に示すように、プラズマＰを構成する荷電粒子Ａは、磁力線Ｌに巻き付きながら、それに沿って運動し、磁力線Ｌが収束しているコイル１５Ａ、１５Ｂの両端で反射する。この結果、プラズマＰは磁力線Ｌで囲まれた内部に閉じ込められる。この結果、原料ガスＧに由来するプラズマＰをミラー磁場（磁場Ｅ）により、ワークＷの周りに閉じ込め、プラズマＰの体積を縮小させ、プラズマＰの高密度化を図ることができる。
【００２４】
このようにして、これまでに比べて、原料ガスＧ由来のイオンを、より短時間でワークＷに付着させることができるため、ワークＷに成膜する被膜の成膜速度を速め、生産性を高めることができる。
【００２５】
ここで、発明者らは、図４に示す、プラズマＣＶＤ装置１Ａで、燃料電池の単セルを構成するセパレータＷ１に炭素被膜を成膜した。セパレータＷ１は、チタン製であり、その外形は、長辺および短辺からなる矩形状である。セパレータＷ１には、その長辺方向に沿って複数の溝部ｗａが形成されている。
【００２６】
なお、プラズマＣＶＤ装置１Ａが図２に示すプラズマＣＶＤ装置１と相違する点は、一対のコイル１５Ａ、１５Ｂを上下方向に配置した点であり、図２に示すプラズマＣＶＤ装置１と同じ機能を有する構成は、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２７】
ここで、図５に示すように、直流電源１４ＡでセパレータＷ１に一定の電圧を印加した状態で、高周波電源１４Ｂの出力と、一対のコイル１５Ａ、１５Ｂに通電した電流とを変化させたときに生成されるプラズマ密度（成膜速度）を確認した。図５のグラフに示す各曲線は、同程度のブラズマ密度となるコイルの電流と高周波電源の出力の関係を示した曲線である。図５から、高周波電源１４Ｂの出力と、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電した電流とを増加させると、成膜速度が増加することが分かる。
【００２８】
ここで、図６に示すように、炭化水素系ガス（例えばアセチレンガス）を原料ガスとして、直流電源１４ＡでセパレータＷ１に一定の電圧（−７００Ｖ）のみを印加した場合には、炭素被膜の成膜速度は、１．５ｎｍ／秒であった。
【００２９】
一方、直流電源１４ＡでセパレータＷ１に一定の電圧（−７００Ｖ）を印加した状態で、高周波電源１４Ｂの出力を２０Ｗとし、一対のコイル１５Ａ、１５Ｂに通電した電流を２０Ａとした場合には、炭素被膜の成膜速度は、３．０ｎｍ／秒であった。これらの結果から、高周波電源１４Ｂからの電圧をセパレータＷ１に印加し、さらに、一対のコイル１５Ａ、１５Ｂを通電することで、成膜速度が最大で２倍に増加することが確認できた。
【００３０】
図４に示すプラズマＣＶＤ装置１Ａでは、矩形状のセパレータＷ１を、その短辺方向から挟み込むように、一対のコイル１５Ａ、１５Ｂを配置したが、例えば、図６に示すプラズマＣＶＤ装置１Ｂのように、矩形状のセパレータＷ１を、その長辺方向から挟み込むように、一対のコイル１５Ａ、１５Ｂを配置してもよい。
【００３１】
このプラズマＣＶＤ装置１Ｂには、炭化水素ガス（例えばアセチレンガス）などの原料ガスＧを成膜室１１に供給する原料ガス供給源１３の他に、不活性ガスＧ１を成膜室１１に供給する不活性ガス供給源１９が接続されている。
【００３２】
成膜前に、不活性ガス供給源１９から成膜室１１に不活性ガスＧ１を供給することにより、成膜室１１内のガスを入れ替えるとともに、この不活性ガスＧ１を成膜時と同様にして、プラズマ化することにより、セパレータＷ１の表面をクリーニングすることができる。
【００３３】
さらに、矩形状のセパレータＷ１を、その長辺方向から挟み込むように、一対のコイル１５Ａ、１５Ｂを配置したので、長辺方向に沿って複数の溝部ｗａを含む部分に、より均一な膜厚の炭素被膜を成膜することができる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００３５】
たとえば、セパレータＷ１に、燃料電池の発電時に生成される生成水の排水経路が形成されている場合には、この排水経路を形成する部分を挟むように、一対のコイルを配置すれば、この部分の炭素被膜の膜厚をより均一にすることができる。これにより、排水経路の耐久性を向上することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１：プラズマＣＶＤ装置、１１：成膜室、１４Ａ：直流電源、１４Ｂ：高周波電源、１５Ａ：一方のコイル、１５Ｂ：他方のコイル、１７：磁場印加手段、Ｅ：磁場、Ｉ：電流、Ｓ：密閉空間、Ｗ：ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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