(57)【要約】  本発明は、一般に、燃料電池コンポーネントの作成、および寿命が向上し、生産コストが低く、プロセスパフォーマンスが向上した様々な燃料電池コンポーネントを形成する方法に関する。本発明は、一般に、基板に対する良好な接着性、低電気抵抗（高導電率）を有し、および該燃料電池の作動中の化学的侵食に対する良好な耐性を有する１つ以上の材料層を堆積することにより、基板表面を処理または調節することを含む。該基板は、例えば、特に、燃料電池の部品、導電性プレート、セパレータプレート、バイポーラプレートまたはエンドプレートとすることができる。一実施形態において、該基板表面は、少なくともその一部を、四酸化ルテニウムを備えるガスまたは液体に曝すことによって、処理または調節される。【選択図】  図１
2009533830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組み立てられた燃料電池内において、流路の一部を形成するように適合されている面を有する基板と、
前記面を覆って配置されたルテニウム含有層と、
を備える燃料電池用電極。
【請求項２】
前記基板が、シリコン、アルミニウム、チタンおよびステンレス鋼からなる群から選択された材料を備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ルテニウム含有層の下に配置された第１の層をさらに備え、前記第１の層が、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｈ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群から選択された材料を備える請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ルテニウム含有層を覆って配置された接触層をさらに備え、前記接触層が、金、銀、プラチナ、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ロジウムおよびレニウムからなる群から選択された材料を備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記燃料電池の陽極領域の一部を形成する触媒面を有するイオン交換膜をさらに備え、前記陽極領域が、前記ルテニウム含有層と電気的に連通している請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記組み立てられた燃料電池における流路の一部を形成するように適合されている面を有する第２の基板と、
前記第２の基板の表面を覆って配置された第２のルテニウム含有層であって、前記燃料電池の作動中の、前記第２の基板の表面の腐食を防ぐように適合されており、および前記イオン交換膜の一部に配置された第２の触媒面と電気的に連通している、第２のルテニウム含有層と、
をさらに備える請求項５に記載の装置。
【請求項７】
第１の触媒面と、第２の触媒面とを有する膜を備える膜電極アセンブリと、
第１のコーティングが上に配置されている１つ以上の面を有する第１の導電性プレートであって、前記第１のコーティングが、前記第１の触媒面と電気的に連通している、第１の導電性プレートと、
第２のコーティングが上に配置されている１つ以上の面を有する第２の導電性プレートであって、前記第２のコーティングが、前記第２の触媒面と電気的に連通しており、前記第２の導電性プレートの１つ以上の面に配置されたルテニウム含有層を備える、第２の導電性プレートと、
を備える燃料電池。
【請求項８】
前記第２の導電性プレートの表面を覆って、かつ前記ルテニウム含有層の下に配置された第１の層をさらに備える請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１の層が、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｈ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群から選択された材料を備える請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記１つ以上の導電性プレートが、セパレータプレート、バイポーラプレート、エンドプレートおよびこれらの組合せからなる群から選択される請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第１の導電性プレートおよび第２の導電性プレートが、アルミニウム、チタンおよびステンレス鋼からなる群から選択された材料を備える請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記ルテニウム含有接触層を覆って配置された接触層をさらに備え、前記層が、金、銀、プラチナ、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ロジウムおよびレニウムからなる群から選択された材料を備える請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
燃料電池を形成する方法であって、
基板の表面に形成された１つ以上の流路の少なくとも一部を覆って第１の層を堆積するステップであって、前記１つ以上の流路が、形成された燃料電池の活性領域に燃料を供給するように適合されているステップと、
前記第１の層の少なくとも一部を覆ってルテニウム含有層を堆積するステップと、
を備える方法。
【請求項１４】
前記第１の層が、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ニッケル、ルテニウム、コバルト、プラチナ、パラジウム、イリジウム、モリブデン、オスミウム、ロジウムおよびレニウムからなる群から選択された材料を備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の層を覆って第３の層を堆積するステップをさらに備え、前記第３の層が、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ、銀、タンタルおよび金からなる群から選択される請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の層が、ルテニウムおよび二酸化ルテニウムからなる群から選択された材料を備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の層が、前記第１の層の少なくとも一部を、四酸化ルテニウムを備えるガスに曝すことによって形成される請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
膜電極が、前記ルテニウム含有層と電気的に連通するように、前記膜電極を位置決めするステップをさらに備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記ルテニウム含有層を、前記第１の層の少なくとも一部を覆って堆積するステップが、
次亜リン酸を備える溶液を、前記第１の層の少なくとも一部を覆って配置する工程と、
前記第１の層の少なくとも一部および前記溶液を、四酸化ルテニウムを備えるガスに曝す工程と、
を備える請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
燃料電池を形成するのに用いられる基板の表面を処理する方法であって、
前記燃料電池の電極領域の触媒面と連通している少なくとも１つの流路を有する燃料電池を組み立てるステップと、
四酸化ルテニウムを備えるガスを、前記燃料電池の前記流路および電極領域の触媒面に供給して、前記流路または触媒面の一部にルテニウム含有層を堆積するステップと、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般に、薄膜堆積に関する。より具体的には、本発明は、基板表面に薄膜を堆積するプロセスおよび装置に関する。
【０００２】
関連技術の説明
[0002]環境に優しいエネルギ源を開発することは、電力および電気の生成に関連する様々な産業において、近年、大きな関心を得ている。様々な種類の燃料電池を、多くの用途、例えば、携帯電子機器、携帯電話、無線機器、ＰＤＡ、カメラ、ポータブルプレーヤー、ノートパソコン、移動車両（例えば、自動車、トラック、列車等）、固定大型エネルギ機器、住宅用電気等のための電気を直接生成するのに用いることができる。燃料電池製造には、半導体加工技術を容易に利用することができるため、燃料電池による電気の効率的な生成は、実現可能である。
【０００３】
[0003]燃料電池は、ガス燃料または液体燃料が酸化剤と反応して電気を生成する電気化学的デバイスである。一般的には、燃料電池ユニットを形成するために、電解質が、２つの電極、すなわち、陰極および陽極に挟まれている。炭化水素燃料から再生成された純粋水素または水素等の燃料は、陰極に供給されて酸化され、陽子と電子になる。空気または酸素等の酸化剤は、陽極に流入して、電解質を通った、および、ある場合には陽子透過性膜を通過した陽子と反応する。発生した電子は、陰極から陽極へ流れて、そこで該電子は、陽子および酸化剤と再結合し、熱や水等の副生成物を生じる。この結果、生成された電子の流れは、電力を供給して外部デバイスを駆動する電流を生成する。各燃料電池ユニットは、一緒に積層または配列されて、燃料電池スタックまたはモジュールを形成する。多数のモジュールまたは燃料電池スタックが積み重ねられ、電気的端子、電気絶縁体およびエンドプレートが、電気を集合的に生成するために、このモジュールの積み重ねの反対側に配置される。燃料電池の本質は、一般にシンプルであり、高信頼性かつ長寿命の電気／エネルギ生成用途をもたらす。
【０００４】
[0004]一般的に、燃料電池スタックは、各燃料電池を離隔するために、１つの燃料電池スタックにおける隣接する燃料電池間に配置された多数の導電性プレートを用いる。該導電性プレートは、通常、該燃料電池を介して何らかの燃料ガス、酸化剤または流体を与えおよび移動させる流路または流路溝を組み込んでいる。該導電性プレートは、炭素充填複合材料等の金属、高濃度にドープされた半導体または導電性ポリマーで形成することができる。各導電性プレートは、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すための１つの側部を含む。１つの燃料電池スタックにおける隣接する燃料電池間に設置された該導電性プレートは、一般に、バイポーラプレートまたはセパレータプレートと呼ばれ、燃料電池スタックの両端に配置された該導電性プレートは、エンドプレートと呼ばれている。単極プレート構成においては、該導電性プレートの他方の面は、一般に、冷却流路または導管を含み、該冷却流路または導管は、１つの燃料電池スタックにおける隣接する燃料電池からの冷却流路と合わさって、冷却剤を流して該燃料電池スタックから離れた陰極および／または陽極における化学反応によって製造された熱および水を移動させる内部円筒形流路を有する結合導電性プレートを形成することに留意すべきである。従って、単極プレート構造においては、該結合導電性プレートは、１つの燃料電池のための陰極として作用する一方の側部と、隣接する燃料電池のための陽極として機能する他方の側部とを含み、この結果、合わさった２つの単極プレートは、バイポーラプレートとして機能する。
【０００５】
[0005]電解質は、燃料電池において、陽子を陰極から陽極へ運ぶ重要な役割を果たす。該電解質は、様々な種類の有機および無機化学薬品を含み、従って、異なる種類の燃料電池が、使用する化学薬品の種類によって形成される。１つの種類の燃料電池は、高温（例えば、１５０〜２００℃）でリン酸を用いるリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）である。他の種類の燃料電池は、特に、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）を含む。
【０００６】
[0006]他の種類の燃料電池は、陽子に対しては透過性であるが、ガスまたは電子に対しては透過性ではない陽子交換膜を用いる。この構成においては、典型的な陽子交換膜は、反対側の面に、異なる電解質で被覆された面を有し、これにより、陰極および陽極において、異なる化学反応を加速する。該膜は、一方の側部（例えば、陰極側）で水素燃料に接触し、他方の側部（例えば、陽極側）で酸化剤に接触して、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成するために、（ガス拡散層および電流コレクタとして機能する）２つの微細孔導電層によって挟まれている。ＰＡＦＣ型燃料電池は、電解質を支持する陽子交換膜または多孔質構造を用いることができる。
【０００７】
[0007]ＭＥＡは、陰極と陽極の間で、陽子のみが通過できるようにしなければならない。自由電子または他の物質が、該ＭＥＡを通って移動する場合、該電子は、化学反応を妨げ、電流の一部を短絡させる。さらに、燃料電池を、高い電気出力および信頼性で適切に作動させるには、ガスおよび流体は、様々な動作条件の下で、障害を伴うことなく、該燃料電池内のパーツ、流路、導管、経路、溝および／または穴の表面を通って移動しなければならない。従って、燃料電池の部材の表面特性は、この移動を容易にし、かつ可能にするよう調節しなければならない。加えて、燃料電池スタックまたはモジュールの様々な部材は、表面に、該燃料電池スタック内に存在する電解質、電流または何らかのガス、流体に対して良好な接触面を提供するべきである。
【０００８】
[0008]燃料電池を、エネルギ市場において、より一層、有望な製品にするには、燃料電池の寿命を長くし、該燃料電池の製造コストを低減し、および形成された燃料電池デバイスの効率を向上させることが重要である。燃料電池スタックにおける導電性プレートおよびエンドプレートの両方に関して生じる1つの問題は、これらのプレートは、ほとんどの燃料電池用途において、電解質中の成分によって腐食作用を受けるということである。例えば、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）においては、高温および酸性環境の存在が、該導電性プレートおよびエンドプレートを、非常に腐食しやすくする。
【０００９】
[0009]従って、寿命が向上し、生産コストが低減された導電性プレートおよびエンドプレートを形成する方法および装置に対する要求がある。また、効率が向上した燃料電池に対する要求もある。
【発明の概要】
【００１０】
[0010]本発明の実施形態は、一般に、組み立てられた燃料電池内の流路の一部を形成するように適合されている表面を有する基板と、該基板の表面に配置されたルテニウム含有コーティングとを備えた燃料電池用の電極であって、該ルテニウムコーティングが、該燃料電池の動作中の該表面の腐食を防ぐように適合されている電極を提供する。
【００１１】
[0011]さらに、本発明の実施形態は、膜と、１つ以上の導電性プレートの１つ以上の表面に材料層を有する該１つ以上の導電性プレートであって、該１つ以上の導電性プレートの１つ以上の表面が、該１つ以上の導電性プレートの１つ以上の表面の一部に配置されたコーティングを有し、該コーティングが、該基板の表面に配置された第１の層を備える該１つ以上の導電性プレートとを備える膜電極アセンブリと、該第１の層の上に配置されたルテニウム含有層であって、該ルテニウムコーティングが、燃料電池の動作中の該１つ以上の表面の腐食を防ぐように適合されているルテニウム含有層を備える燃料電池を提供する。
【００１２】
[0012]さらに、本発明の実施形態は、１つ以上の表面を有し、１つ以上のバイポーラプレートの１つ以上の表面に配置されたコーティングを有する１つ以上の表面の一部を覆って配置された材料層を備えるバイポーラプレートであって、該コーティングが、基板の表面に配置された第１の層と、該第１の層を覆って配置されたルテニウム含有層とを備え、該ルテニウム含有層が、該燃料電池の動作中に、該１つ以上の表面の腐食を防ぐように適合されているバイポーラプレートを提供する。
【００１３】
[0013]さらに、本発明の実施形態は、燃料電池を形成するのに用いられる基板の表面を処理する方法であって、組み立てられた燃料電池内の流路の一部を形成するように適合されている表面を有する基板を設けるステップと、該基板の表面にルテニウム含有層を堆積するステップであって、該ルテニウム含有層が、該燃料電池の動作中の該表面の腐食を防ぐように適合されているステップとを備える方法を提供する。
【００１４】
[0014]さらに、本発明の実施形態は、燃料電池を形成するのに用いられる基板の表面を処理する方法であって、該燃料電池の電極領域の触媒面と連通している流路を有する組み立てられた燃料電池を設けるステップと、四酸化ルテニウム含有ガスを、該流路と、該燃料電池の電極領域の触媒面とに供給して、該流路または触媒面の一部に、ルテニウム含有層を付着させるステップとを備える方法を提供する。
【００１５】
[0015]上記に挙げた本発明の特徴が詳細に理解されるように、上記で簡単に要約された本発明のさらに具体的な説明が実施形態を参照してなされ、実施形態の一部は添付の図面に図示されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態のみを図示しており、本発明は他の等しく効果的な実施形態を認めてもよいため、本発明の範囲の制限とは見なされないことが留意される。
【詳細な説明】
【００１６】
[0026]本発明は、一般に、燃料電池のコンポーネントの作成、および向上した寿命、低い製造コストおよび改善されたプロセスパフォーマンスを有する種々の燃料電池コンポーネントを作成する方法に関する。本発明は、一般に、基板に対する良好な接着性、低電気抵抗（高伝導性）および燃料電池の動作中の化学的侵食に対する良好な耐性を有する１つのまたは複数の材料層を堆積させることにより、基板表面を処理するステップまたは調整することを含む。該基板は、例えば、特に、燃料電池の部材、導電性プレート、セパレータプレート、バイポーラプレート、単極プレートまたはエンドプレートとすることができる。しかし、本発明は、他の種類の基板にも同様に適用可能である。本発明の基板は、どのような形状（例えば、円形、正方形、長方形、多角形等）およびサイズとすることも可能である。また、基板の種類は限定されず、金属、プラスチック、半導体、ガラス、炭素含有ポリマー、複合材料または他の適当な材料から構成されるどのような基板であってもよい。
【００１７】
[0027]図１は、燃料電池１００の活性領域１４０の簡略図を示す。活性領域１４０は、一般に、膜１１０と、陰極触媒領域１２０と、陽極触媒領域１３０と、陰極セパレータプレート１６０と、陽極セパレータプレート１７０とを含有する。膜１１０は、一般に、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成するために、陰極触媒領域１２０と陽極触媒領域１３０とで被覆されている。膜１１０は、イオン交換樹脂材料、高分子材料、または、電解質の浸透後に、フローガスに対して不透過性とすることのできる多孔質無機支持体によって形成することができる。例えば、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｅｏｕｒｓ＆Ｃｏ．から入手可能なＮａｆｉｏｎ（商標）等のイオンペルフルオロスルホン酸ポリマー膜。他の適当な膜材料は、Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（商標）、スルホン化フルオロカーボンポリマー、（テキサス州、Ｃｅｌａｎｅｓｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｄａｌｌａｓから入手可能な）ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）膜および他の材料を含む。多孔質無機材料の実例は、セラミックまたは他の無機誘電体材料を含むことができる。一実施例において、膜１１０は、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜材料等の高分子材料で形成される。陽極触媒領域１３０および陰極触媒領域１２０のための様々な適切な触媒調合は、当分野で公知であり、一般に、非常に微細な触媒粒子が、カーボンバインダの内面および外面に支持されたプラチナをベースとし、および多くの場合、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）バインダが含浸される。陰極触媒領域１２０および陽極触媒領域１３０は、一般に、多孔質であり、かつガス透過性であり、およびカーボン紙または布ベースの繊維、グラファイト材料、または、微細メッシュ貴金属スクリーン、発泡体、あるいは、当分野で公知の他の材料から形成される電極部に配置された１つ以上の触媒材料を含有する。
【００１８】
[0028]陰極セパレータプレート１６０および陽極セパレータプレート１７０等のガス不透過性で、非多孔質で、導電性のプレートのペアがＭＥＡを挟み込む。陰極セパレータプレート１６０および陽極セパレータプレート１７０は、一般に、それぞれ、燃料成分または酸化成分をＭＥＡの表面に運んで供給するように適合されている流路１６１および１７１を有する。陰極セパレータプレート１６０の一方の側部は、Ｈ２および他の燃料ガス等のガス状反応物質を該陰極の表面に分配して循環させる流路１６１を含有する。燃料電池１００内の陽極セパレータプレート１７０の他方の面は、Ｏ２、空気および他の酸化剤等のガス状反応物質を該陽極の表面に分配して循環させる流路１７１を含有する。これらの流路１６１、１７１は、一般に、ガス状反応物質が、そこを通ってガス供給部（図示せず）とガス排気孔（図示せず）との間を流れることのできる複数の流路、溝、導管、構成部材を含む。
【００１９】
[0029]図２は、該燃料電池の活性領域１４０のより複雑な変形例を示し、この場合、エネルギ出力を増加させた燃料電池を形成するために、多数のバイポーラプレート１８０が積層されている。この構造において、陰極セパレータプレート１６０および陽極セパレータプレート１７０は、図１に示すように、バイポーラプレート１８０の対向する側部に領域を形成する。この場合、バイポーラプレート１８０の一方の側部は、燃料ガスに曝され、他方の側部は、酸化剤ガスに曝される。バイポーラプレート１８０は、隣接する燃料電池の陰極と陽極の間に電気的接触を提供し、水素反応物質ガスと酸素反応物質ガスが混合するのを防ぐ。
【００２０】
[0030]図３は、一実施形態を示し、この場合、バイポーラプレート１８０の一方の側部の表面は、バイポーラプレート１８０の突起頂部１８３が、ＭＥＡの陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０と物理的かつ電気的に接触したときに（図２および図３を参照）、流路（例えば、項目番号１６１または１７１）が形成されるように、ＭＥＡと、バイポーラプレート１８０のベース領域１８２とを離間するように適合されている複数の突起部１８１を含有する。
【００２１】
[0031]一実施形態において、バイポーラプレート１８０は、基板２３が、該燃料電池内での反応の電解質および／または副生成物によって化学的に侵食されるのを防ぐために、１つ以上の表面を覆って配置されたコーティング２０を有する基板２３を含有する。この構成は、基板２３が選択される材料は、比較的安価である材料とすることができ、低質量密度を有し、および露出面に様々な所要の特徴部を形成するために、容易に機械加工することができるため、特に有利である。典型的な特徴部は、流路１６１および１７１、および様々な加熱／冷却流路（図示せず）の形成を含むことができる。一般に、適切な基板２３の材料は、限定するものではないが、合金（例えば、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム）、半導体材料（例えば、シリコン（Ｓｉ）、高濃度にドープされたＳｉ）、炭素含有材料（例えば、グラファイト）または導電性ポリマーを含む。この構成において、基板２３は、熱エネルギおよび電気エネルギの伝達を増進するために、耐腐食性で導電性のコーティング（例えば、コーティング２０）によって保護される。
【００２２】
[0032]一実施形態において、コーティング２０は、各々が、導電層、電気的接触素子、および／または基板２３の材料を保護する層として機能することができる、材料からなる１つ以上の層を含有する。この構成は、一般に、約１５０℃〜約２００℃の範囲にある温度でリン酸を用いるＰＡＦＣ用途等の強い侵食性の環境で確実に機能する低コスト燃料電池を形成するのに特に重要である。クラック、ホールまたは他の種類の欠陥を含有するコーティングは、基板２３の材料を侵食させて、最終的には、該燃料電池の故障を引き起こす可能性がある。この問題は、それらの温度でリン酸に曝した場合に、シリコン（Ｓｉ）のエッチング速度が非常に速いため、特に、基板２３が、ＰＡＦＣに含有されているリン酸に曝される材料を含有するシリコンから形成されている場合に重要である。
【００２３】
[0033]ＰＡＦＣ構造の一つの実施例は、金層とシリコン基板との間にタンタル（Ｔａ）接着層を有する金（Ａｕ）被覆シリコン基板を利用する。金属蒸発器を用いる従来的に形成されたコーティングは、欠陥のないコーティングを形成せず、従って、このことは、該燃料電池内での反応の電解質および／または副生成物が、基板２３にダメージを与えることを可能にする。基板２３の表面に、流路（例えば、突起部１８１）等の特徴部を経済的に形成するプロセス中に生じる１つの問題は、該特徴部が、一般的に、該燃料電池の動作中に、基板２３の不十分なコーティング範囲および腐食の領域の原因となるファセットまたは他の欠陥領域を含有するということである。図４Ａは、基板２３の表面に形成される可能性のある、ある種のファセットまたは他の欠陥領域（例えば、欠陥４００）を有する突起部１８１の断面を示す。この場合、欠陥４００は、突起部１８１の形状に形成された凹状形状である。この種の欠陥は、多くの場合、従来の堆積技術を用いて完全に被覆するのは難しく、また、多くの場合、該基板を確実に保護するのには、高コストのプロセスおよび材料を必要とする。物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセス等のラインオブサイトの堆積プロセスを用いた場合に見つかる典型的な問題の実例を図４Ｂに示す。ボイド４０２は、図４Ｂに示すように、欠陥４００を十分に被覆して、腐食環境にある場合に、基板２３を侵食から守るためのコーティングプロセスの失敗により、コーティング４０１に形成されている。
【００２４】
[0034]そのため、図５に示すように、基板２３の表面を完全に保護し、および堆積するのに安価であるコーティング２０が必要である。本明細書において「堆積するのに安価である」という表現は、一般的に、該コーティングの材料コスト、および該堆積プロセスを実行するためのコストの両方を指すことを意味することに留意すべきである。一般に、絶縁保護コーティングは、該燃料電池内の活動的なコンポーネントが、基板材料を攻撃するのを防ぐために、基板２３の表面を覆って形成される必要がある。コーティング２０は、バイポーラプレート１８０の一部として用いた場合、該基板表面に付着する必要があり、低い電気抵抗（高導電性）を有し、化学的侵食に対して良好な耐性を有し、および堆積するのに比較的安価であることに留意すべきである。一般に、コーティング２０は、電流通過層および／または該ＭＥＡの陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０に対する良好な電気的接触を形成するのに用いることのできる耐腐食性層を形成するのに用いられるため、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、タンタルおよびプラチナおよび貴金属（例えば、金、銀）等の金属を用いることができる。
【００２５】
一実施形態において、コーティング２０は、該基板の表面を適切に被覆するルテニウム（Ｒｕ）含有層を含有する。ルテニウムからなる層を含有するコーティング２０は、該基板の表面を、該燃料電池内の化学的に侵食性のコンポーネントからの侵食から守るのに有利である。一実施例においては、３０オングストローム（Å）の純粋ルテニウム層を、シリコン基板上に堆積した後、約８５ｗｔ％のリン酸を含有する水溶液に、約１８０℃の温度で約２時間程曝した。この実験では、厚さが約０．７７５ｍｍのドープしたシリコン基板は、該基板の保護されていない裏面から離れて完全にエッチングされ、この間、該３０Å厚のルテニウム層は、化学的侵食の兆候を示さなかった。典型的な腐食の結果は、以下の表１にまとめてあり、ＰＡＦＣの動作中に、侵食を防ぐために、ルテニウムコーティングを用いることが有利であることを示している。この試験は、様々なクーポンを、約１８０℃の温度で、沸騰した８５ｗｔ％リン酸溶液に曝すことによって実行した。該試験は、リン酸燃料電池におけるシリコン含有基板の使用をシミュレートするために完了されたが、どのような種類の基板材料に堆積されたルテニウムコーティングも、ＰＡＦＣを用いた場合、同様の結果を出すと考えられることに留意すべきである。
【００２６】
【表１】
2009533830.tif 000003
【００２７】
[0035]表１に含まれている結果は、ニッケル、タングステン、タンタル、窒化タンタル、チタンおよび窒化チタン等の金属が、高温リン酸環境（例えば、ＰＡＦＣ環境）中における基板の腐食を防ぐのに適していないことを示し、一方、様々な非耐腐食性コーティングを覆う薄いルテニウムコーティングは、これらの層が侵食されるのを防いだ。本明細書に記載されている教示は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）を含むことができる他の種類の燃料電池に対しても有用であることに留意すべきである。
【００２８】
[0036]ルテニウムは、（以下で論じるように）安価に堆積することができ、材料コストは、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）およびイリジウム（Ｉｒ）等の他の化学的に不活性のコーティング材料と比較して、比較的低く、また、良好な電気伝導性および硬度を有するため、保護コーティングとして多くの利点を有する。以下に示す表２は、コーティング２０として用いることのできる典型的な金属の特性およびコストを一覧にしたものである。従って、薄いルテニウムコーティング（例えば、３０Å）が、該基板および下にある層を保護することができるということは、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）またはステンレス鋼等の安価で化学的に活性でない材料を、堆積されたルテニウム層の下に、確実に用いることを可能にする。この構成において、化学的に活性でない基板および／または化学的に活性でない下にある層は、様々な積層セルを電気的に接続するための該燃料電池の電流通過層として用いることができると共に、薄いルテニウム（Ｒｕ）層を含有する保護上部層による化学的侵食から保護される。硫酸（Ｈ２ＳＯ４）またはリン酸（Ｈ２ＰＯ４）等の強い鉱酸電解質を適用する用途においては、ＲｕＯ２面が、電極二重層において陽子化／脱陽子化および電子輸送を伴うと思われる高速の可逆的酸化還元作用を呈すると考えられる。実際には、ＲｕＯ２は、金属（電気）伝導性を呈し、燃料電池作動温度（例えば、１６０℃）で、分子酸素の反応を触媒することができる。従って、ルテニウム二酸化物およびルテニウムは、膜１１０の陰極触媒領域１２０および陽極触媒領域１３０における高表面積ガス拡散層領域に対するＣＶＤタイプのプロセスを用いて適用することのできる触媒活性陽極材料として魅力がある。
【００２９】
【表２】
2009533830.tif 000004
【００３０】
[0037]一実施形態において、コーティング２０は、基板２３の表面に堆積される、材料からなる多数の積層体を含有する。図２は、基板２３上に堆積されたコーティング２０が、３つの層（すなわち、層２５、層２６および層２７）を備える一つの実施形態を示す。図２は、３つの層を含有する構成を示すが、コーティング２０は、バイポーラプレートとＭＥＡとの間の電気的接触を容易にし、燃料電池の中の電気の伝導を容易にし、かつ該基板および／または下にある層の化学的侵食に対する抵抗を与える十分な層を含有することのみを必要とするため、この構成は、本発明の範囲に関して限定を意図するものではない。コーティング２０に含有される１つ以上の層を形成するのに用いることのできる典型的な材料は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）およびレニウム（Ｒｅ）である。好ましい耐腐食性を有するルテニウム（Ｒｕ）含有層を含有するコーティング２０を形成するのに用いることのできる多層スタックの実例は、限定するものではないが、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｒｕ、Ｔｉ／Ｒｕ、Ｎｉ／Ｒｕ、Ｎｉ／Ｒｕ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｒｕ／Ｐｔ、ＴｉＮ／Ｒｕ、Ｔａ／Ｒｕ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｒｕ、ＴａＮ／Ｔａ／Ｒｕ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｒｕ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｒｕ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ｒｕ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｒｕ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｒｕ／Ｐｔ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｒｕ／Ｐｔ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｒｕ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｕ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｒｕ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｕ／Ａｕ、Ｔａ／Ｒｕ／Ａｕ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｒｕ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｕ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｒｕ／Ａｕ／ＰｔおよびＴｉ／ＴｉＮ／Ｒｕ／Ａｕ／Ｐｔを含有する層を含む。一つの態様において、コーティング２０は、約５Å〜約１０，０００Å厚のルテニウム含有層を含有する。多層スタックを画成するのに本明細書において用いられる用語は、最も左の層が底部層（すなわち、該基板に接触し）になり、および最も右の層が上部層になるように配列することができる個別層を含有するコーティング２０を表現することが意図されている。例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｒｕスタックは、Ｔｉ含有層が基板２３上に堆積された後、ＴｉＮ含有層が、Ｔｉ層上に堆積され、その後、Ｒｕ含有層がそれら２つの層を覆って堆積されるように配列される、チタン（Ｔｉ）含有層、窒化チタン（ＴｉＮ）含有層およびルテニウム（Ｒｕ）含有層（例えば、純粋なＲｕ、０．９Ｒｕ：０．１Ｔａ等）である３つの層を含有する。コーティング２０の上部層は、一般に、該燃料電池内に含有されている、または、該燃料電池内で生成される攻撃種によって、化学的侵食を受けない層を含有する。コーティング２０を形成するのに用いることのできる多層スタックは、物理気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学気相堆積（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマ増強原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）、電気化学堆積（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＥＣＰ）または無電解めっき等の１つ以上の従来の堆積技術を用いることによって、堆積することができる。一つの態様において、コーティング２０の総厚みは、約１０〜約１０，０００オングストローム（Å）である。
【００３１】
[0038]一実施形態において、コンフォーマルな接着層２５（図２）は、無電解めっきプロセス、電気化学堆積プロセス（例えば、基板２３は導電性である）、ＣＶＤ堆積プロセスまたはＡＬＤ堆積プロセスを用いて、基板２３の表面に堆積される。接着層２５は、後に堆積される層（例えば、図２における層２６、２７）に対する拡散バリアとして、後に堆積される層の基板２３への付着を促進する層として用いることができ、安定した電気接触層および／または後の層の堆積を促進するコンフォーマルな触媒層として機能することができる。一般に、接着層２５は、該基板に良好な電気的接触をもたらすことが知られている金属を含有し、該接着層は、該基板材料に良好に付着し、および／または燃料電池処理温度において、熱的に安定している。例えば、接着層２５は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）およびこれらの組合せ等の金属を含有することができる。一実施形態において、接着層２５は、カリフォルニア州、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能な従来のＣＶＤまたはＡＬＤタイプのプロセスを用いて、該基板の表面に形成される。別の実施形態においては、接着層２５は、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃ．から入手可能なＳＩＰチャンバ等のＰＶＤタイプのプロセスを用いて、該基板の表面に形成される。
【００３２】
[0039]別の態様においては、接着層２５は、ホウ化コバルト（ＣｏＢ）、三リン化四コバルト（ＣｏＰ）、ホウ化ニッケル（ＮｉＢ）、リン化ニッケル（ＮｉＰ）、リン化コバルトタングステン（ＣｏＷＰ）、ホウ化コバルトタングステン（ＣｏＷＢ）、リン化ニッケルタングステン（ＮｉＷＰ）、ホウ化ニッケルタングステン（ＮｉＷＢ）、リン化コバルトモリブデン（ＣｏＭｏＰ）、ホウ化コバルトモリブデン（ＣｏＭｏＢ）、リン化ニッケルモリブデン（ＮｉＭｏＢ）、リン化ニッケルモリブデン（ＮｉＭｏＰ）、リン化ニッケルレニウム（ＮｉＲｅＰ）、ホウ化ニッケルレニウム（ＮｉＲｅＢ）、ホウ化コバルトレニウム（ＣｏＲｅＢ）、リン化コバルトレニウム（ＣｏＲｅＰ）、これらの誘導体、または、これらの組合せ等の二元または三元合金を堆積するための無電解めっきプロセスを用いて形成することができる。ＣｏＢ、ＣｏＰ、ＣｏＷＰ、ＣｏＷＢ、ＣｏＭｏＰ、ＣｏＭｏＢ、ＣｏＲｅＢ、ＣｏＲｅＰ、ＮｉＢ、ＮｉＰ、ＮｉＢＰ、ＮｉＷＰまたはＮｉＷＢ等のコバルト合金またはニッケル合金を形成するのに用いられる無電解めっきプロセスの実施例は、２００６年３月２０日に出願された米国特許出願第１１／３８５，２９０［ＡＰＰＭ  ９９１６］号、２００５年１月２２日に出願された同時係属の米国特許出願第１１／０４０，９６２［ＡＰＰＭ  ８９６２］号、２００４年１０月１５日に出願された同時係属の米国特許出願第１０／９６７，６４４［ＡＰＰＭ  ８６６０］号、および２００４年１０月１８日に出願された同時係属の米国特許出願第１０／９６７，９１９［ＡＰＰＭ  ８６６０．０２］号でさらに説明されており、これらの出願は本明細書に参照によって組み込まれる。
【００３３】
[0040]一実施例において、ホウ化リン化ニッケル（ＮｉＢＰ）含有接着層２５を堆積する無電解溶液は、約３６ｍＭ〜約４４ｍＭの濃度を有する硫酸ニッケル、約２３ｍＭ〜約２７ｍＭの濃度を有するＤＭＡＢ、約４１ｍＭ〜約４９ｍＭの濃度を有するクエン酸、約６２ｍＭ〜約７３ｍＭの濃度を有する乳酸、約１６ｍＭ〜約２０ｍＭの濃度を有するグリシン、約１ｍＭ〜約４ｍＭの濃度を有するホウ酸、約９ｍＭ〜約１１ｍＭの０．５Ｍの次亜リン酸テトラメチルアンモニウム、および約９〜約１０、例えば、約９．２のｐＨ値を有するように無電解溶液を調節する濃度を有するＴＭＡＨを含有する。該無電解めっきプロセスは、約３５℃〜約１００℃、より好ましくは、約７５℃〜約８０℃の温度で実施することができる。「水」成分は、脱気された、予め加熱されたおよび／または脱イオン化された水であってもよい。水の脱気は、後の形成される無電解溶液の酸素濃度を低減する。低酸素濃度（例えば、約１００ｐｐｍ未満）の無電解溶液を、堆積プロセス中に用いることができる。予め加熱した水は、該堆積プロセスを開始するのに用いられる温度直下の所定の温度で、無電解溶液を形成することを可能にし、それによって、プロセス時間を短縮する。
【００３４】
[0041]コンフォーマルな接着層２５が、基板２３の表面に堆積された後、接着層２５および基板２３を化学的侵食から保護し、後に堆積される層の付着を促進し、電流通過層として機能し、および／またはバイポーラプレート１８０を陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０に接続する電気的接触促進面を形成するために、１つ以上の層をその上に堆積することができる。一実施形態において、コーティング２０は、基板２３の表面に堆積される２つの層を含有する。一つの態様において、コーティング２０は、チタン／ルテニウム（Ｔｉ／Ｒｕ）層スタックであり、この場合、接着層２５は、約１０Å〜約５，０００Åの厚さと、約１０Å〜５，０００Åの厚さを有するルテニウムを含有する上部層とを有するチタン含有層である。別の態様においては、コーティング２０は、ニッケル／ルテニウム（Ｎｉ／Ｒｕ）層スタックであり、この場合接着層２５は、約１０Å〜約５，０００Åの厚さと、約１０Å〜約５，０００Åの厚さを有するルテニウムを含有する上部層とを有するニッケル含有層（例えば、Ｎｉ、ＮｉＢ、ＮｉＰ、ＮｉＢＰ）である。別の態様においては、コーティング２０は、タンタル／ルテニウム（Ｔａ／Ｒｕ）層スタックであり、この場合、接着層２５は、約１０Å〜約５，０００Åの厚さと、約１０Å〜約５，０００Åの厚さを有するルテニウムを含有する上部層とを有するタンタル含有層である。この構造において、ルテニウム含有層は、下にある接着層２５および基板２３を保護し、電流通過層として機能し、および／またはバイポーラプレート１８０と陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０との間に確実な電気的接触を提供するように適合されている。
【００３５】
[0042]別の実施形態においては、コーティング２０は、基板２３を化学的侵食から保護し、後に堆積される層の付着を促進し、電流通過層として機能し、および／またはバイポーラプレート１８０を陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０に接続する電気的接触促進面を提供するように適合されている３つの層を含有する。一つの態様において、コーティング２０は、接着層２５と、約１０Å〜約５，０００Åの厚さを有する中間ルテニウム含有層と、該中間ルテニウム含有層の上に配置された電気的接触層（例えば、層２７）とを含有する。一つの態様において、接着層２５は、約１０Å〜約５，０００Åの厚さの、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）およびこれらの組合せからなる群から選択された金属である。一つの態様において、最上部の電気的接触層（例えば、層２７）は、約５Å〜約１０，０００Åの堆積厚みを有する、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）およびこれらの組合せからなる群から選択された金属である。この構造は、１番上の層（例えば、Ａｕ、Ｐｔ）は、その可塑性および酸化特性により、良好な電気的接触を形成することができ、該ルテニウム層は、良好な物理的特性（例えば、剛性、耐磨耗性）を有する耐腐食層をもたらすため、有利である。金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）およびパラジウム（Ｐｄ）等の金属を堆積するのに用いられる従来の堆積法は、該堆積膜は、一般に、微細孔、ホールまたは他の種類の途切れを含有するため、基板の侵食を防ぐのに用いることのできる信頼できおよび／または堅牢なコーティングを形成することができない。また、ＭＥＡと、バイポーラプレート、単極プレートまたはエンドプレートの表面との間に接触を作成するのに利用される圧力は、コーティング２０の最上層に、貫通および／またはホールの形成を生じる可能性があると考えられる。この問題は、金、銀およびプラチナ等の軟らかいコーティング材料において、より一般的であると考えられている。そのため、ルテニウム等の比較的硬いコーティング２０内に層を追加することにより、この種類の障害を抑止することができると考えられる。一実施形態において、該電気的接触層は、一般に、電流通過層として機能し、および／またはバイポーラプレート１８０と、陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０との間に信頼できる電気的接触を提供するのに用いられ、該中間ルテニウム含有層は、下にある接着層２５および基板２３を保護するように適合されている。
【００３６】
[0043]一つの態様においては、基板２３の表面に堆積されたコーティング２０をアニールして、接着層２５の基板２３に対する接合を促進し、および／または堆積された膜における応力を低減することが望ましい。一つの態様において、基板２３がシリコン含有基板である場合、アニールプロセスは、接着層２５と基板２３の間でのシリサイド層の形成を促進するために、十分に高い温度で完了することができる。この場合、接着層２５は、それぞれ、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉｘ）、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉｘ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）またはタンタルシリサイド（ＴａＳｉｘ）を形成するために、ニッケル、コバルト、モリブデン、タングステン、チタンまたはタンタル含有層とすることができる。
【００３７】
ルテニウム含有層の形成プロセスおよび堆積装置
[0044]上述したように、優れた燃料電池を製造する際の２つの重要な態様は、燃料電池を製造するコストを最小限に抑え、および望ましい寿命／信頼性を有する燃料電池を形成する燃料電池製作プロセスを開発することである。上述したように、これらの目的を達成する１つの方法は、該基板の表面を保護するルテニウム含有層を低コストで形成することである。本明細書に記載されている１つのそのような方法は、四酸化ルテニウム含有ガスを用いて、基板２３の表面にルテニウム含有層を選択的に、または、非選択的に堆積するように適合されている。このルテニウム含有層の基板表面への選択的または非選択的堆積は、該四酸化ルテニウム含有ガスに曝される表面の温度および種類に強く依存すると考えられている。また、該温度を例えば、約１８０℃未満に制御することにより、ルテニウム層を、特定の種類の表面に選択的に堆積することができると考えられる。より高温、例えば、１８０℃を超える温度では、四酸化ルテニウム含有ガスによる該ルテニウム堆積プロセスは、選択性がかなり小さくなり、従って、全面的な膜を、全ての種類の表面に堆積することを可能にする。
【００３８】
[0045]一つの態様において、該基板の表面に堆積されたルテニウム含有層の特性は、該基板の表面を覆って保護層を提供するように特別に合わせられる。典型的な望ましい特性は、該基板の表面への結晶性または非晶質の金属ルテニウム層の形成を含む。四酸化ルテニウム堆積プロセスを用いることの別の望ましい特徴は、例えば燃料電池反応および／または導電体のための触媒として作用するための二酸化ルテニウム層（ＲｕＯ２）を該基板またはＭＥＡの表面に形成する能力である。一実施形態において、四酸化ルテニウムは、燃料電池内への組込みの前に、ＭＥＡ構造を形成するのに用いられる。この構成において、四酸化ルテニウムは、該ＭＥＡの陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０の面を被覆するために、中にＭＥＡが配置された処理チャンバに供給される。別の実施形態においては、四酸化ルテニウムは、（以下で論じるように）ＭＥＡの陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０の表面にコーティングを提供するために、完全に組み立てされた燃料電池における流路に送り込まれる。
【００３９】
[0046]基板表面に層を堆積するのに用いられる四酸化ルテニウムを形成する種々の安価な方法の実施例は、２００５年９月１５日に出願された米国特許出願第１１／２２８，４２５［ＡＰＰＭ  ９９０６］号にさらに記載されており、該出願は本明細書に参照によって組み込まれる。四酸化ルテニウムを形成して、ルテニウム含有層を堆積するのに用いられる一つの方法の実施例について、以下に論じる。基板の表面にルテニウム含有層を形成する四酸化ルテニウム含有ガスを形成する例示的な装置および方法が、本明細書に記載されている。
【００４０】
[0047]図６は、ルテニウム含有層を生成して基板表面に堆積するように適合させることのできる堆積チャンバ６００の一実施形態を示す。一実施形態において、該ルテニウム含有層は、外部容器内で四酸化ルテニウムを作成した後、生成された四酸化ルテニウムガスを、処理チャンバ内に位置決めされている、温度が制御された基板の表面に供給することによって、該基板の表面に形成される。
【００４１】
[0048]一実施形態において、四酸化ルテニウム含有ガスは、外部容器に収容されているルテニウム源全体にオゾン含有ガスを流すことによって、生成され、または形成される。一つの態様において、該ルテニウム源は、室温に近い温度に維持される。一つの態様において、該ルテニウム源は、オゾンと反応する一定量のルテニウム金属（Ｒｕ）を含有する。一つの態様において、該外部容器に収容されている金属ルテニウム源は、粉末状、多孔質ブロック状または固体ブロック状である。
【００４２】
[0049]別の態様においては、該外部容器に収容されているルテニウム源は、以下の反応条件において揮発性である化合物である四酸化ルテニウム（ＲｕＯ４）を生成するために、恐らくは反応（１）または（２）に従って、オゾンと反応する過ルテニウム酸ナトリウム（ＮａＲｕＯ４）または過ルテニウム酸カリウム等の一定量の過ルテニウム酸材料を含有する。
２ＮａＲｕＯ４＋Ｏ３＋Ｈ２Ｏ→ＲｕＯ４＋２ＮａＯＨ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｏ２  …（１）
２ＫＲｕＯ４＋Ｏ３＋Ｈ２Ｏ→ＲｕＯ４＋２ＫＯＨ＋Ｋ２Ｏ＋Ｏ２  …（２）
本明細書に示す材料のリストは、限定しようとするものではなく、従って、オゾンまたは他の酸化ガスへの曝露時に、四酸化ルテニウム含有ガスを生成するどのような材料も、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく用いることができることに留意すべきである。該外部容器内で用いる様々なルテニウム源材料を形成するために、従来の様々な生成プロセスを用いることができる。
【００４３】
[0050]堆積チャンバ６００は、一般に、プロセスガス供給システム６０１と、処理チャンバ６０３とを含有する。図６は、ルテニウム含有層を基板の表面に堆積するように適合されることのできる処理チャンバ６０３の一実施形態を示す。一つの態様において、処理チャンバ６０３は、ルテニウム含有層を、基板２３の表面に堆積する前に、ＣＶＤ、ＡＬＤ、ＰＥＣＶＤまたはＰＥ−ＡＬＤプロセスを用いて、該基板の表面に接着層２５を堆積するように適合させることのできる処理チャンバ６０３である。別の態様においては、処理チャンバ６０３は、最初に、該ルテニウム含有層を堆積するように適合されており、それによって、前後のデバイス製作工程が、他の処理チャンバ内で実行される。真空状態中での処理は、堆積される膜に含有される可能性のある汚染物質の量を低減することができるため、処理中の真空処理チャンバの使用は有利である。また、真空処理は、四酸化ルテニウムの該基板表面への拡散輸送プロセスを改善し、対流式の輸送プロセスによってもたらされる制限を低減する。
【００４４】
[0051]処理チャンバ６０３は、一般に、処理エンクロージャ４０４と、シャワーヘッド４１０と、温度が制御された基板支持体６２３と、処理チャンバ６０３の入口ライン４２６に接続されたプロセスガス供給システム６０１とを含有する。処理エンクロージャ４０４は、一般に、処理チャンバ６０３を包囲して、プロセス領域４２１を形成する、側壁４０５と、天井４０６と、ベース４０７とを含有する。支持面６２３Ａ上の基板４２２を支持する基板支持体６２３は、処理チャンバ６０３のベース４０７に取付けられている。堆積チャンバ６００の一実施形態において、基板支持体６２３は、基板４２２表面に堆積されたルテニウム層の特性を改善および制御するために、熱交換装置６２０および温度制御装置６２１を用いて、加熱および／または冷却される。一つの態様において熱交換装置６２０は、熱交換流体の温度を制御する温度制御装置６２１と連通している、埋め込み熱伝達ライン６２５を含有する流体熱交換装置である。別の態様においては、熱交換装置６２０は、抵抗ヒータであり、この場合、埋め込み熱伝達ライン６２５は、温度制御装置６２１と連通している抵抗加熱素子である。別の態様においては、熱交換装置６２０は、基板支持体６２３を加熱および冷却するように適合されている熱電デバイスである。ターボポンプ、クライオターボポンプ、ルーツ型ブロワーおよび／または粗引きポンプ等の真空ポンプ４３５は、処理チャンバ６０３内の圧力を制御する。シャワーヘッド４１０は、入口ライン４２６およびプロセスガス供給システム６０１に接続されたガス供給プレナム４２０から構成される。入口ライン４２６およびプロセスガス供給システム６０１は、複数のガスノズル開口４３０を介して、基板４２２の上のプロセス領域４２７と連通している。
【００４５】
[0052]本発明の一つの態様においては、堆積されるルテニウム含有層の特性を改善するために、堆積プロセス中にプラズマを生成することが望ましい。この構成において、第１のインピーダンス整合素子４７５および第１の高周波電源４９０に取付けることによって、プラズマ制御装置として機能するシャワーヘッド４１０は、導電性材料（例えば、陽極酸化アルミニウム等）から作られる。バイアス高周波電源４６２は、高周波バイアス電力を、インピーダンス整合素子４６４を介して基板支持体６２３および基板４２２に印加する。コントローラ４８０は、インピーダンス整合素子（すなわち、符号４７５および４６４）、高周波電源（すなわち、符号４９０および４６２）および該プラズマプロセスの他の全ての態様を制御するように適合されている。該高周波電源によって供給される電力の周波数は、約０．４ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ以上である。一実施形態においては、動的インピーダンス整合が、周波数チューニングによりおよび／またはフォワード電力供給により、基板支持体６２３およびシャワーヘッド４１０に対してもたらされる。図６は、容量結合プラズマチャンバを示しているが、本発明の他の実施形態は、本発明の基本的な範囲を変更することなく、誘導結合プラズマチャンバ、または、誘導結合プラズマチャンバと容量結合プラズマチャンバの組合せを含むことができる。
【００４６】
[0053]一実施形態において、処理チャンバ６０３は、様々なプラズマが生成した種またはラジカルを、入口ライン６７１を介して処理領域４２７へ供給するように適合されている遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）（図６における要素６７０）を含有する。堆積チャンバ６００との使用に適合している可能性のあるＲＰＳは、マサチューセッツ、ＷｉｌｍｉｎｇｔｏｎのＭＫＳ  ＡＳＴｅＸ（登録商標）ＰｒｏｄｕｃｔｓからのＡｓｔｒｏｎ（登録商標）Ｔｙｐｅ  ＡＸ７６５１  反応ガスジェネレータである。該ＲＰＳは、一般に、処理領域４２７に導入される水素（Ｈ）ラジカル等の反応性成分を形成するのに用いられる。従って、該ＲＰＳは、励起されたガス種の反応性を向上させて、反応プロセスを増強する。典型的なＲＰＳプロセスは、１０００ｓｃｃｍのＨ２および１０００ｓｃｃｍのアルゴンおよび３５０ワットの高周波電力および約１３．５６ＭＨｚの周波数を用いることを含む。一つの態様においては、４％のＨ２とバランス窒素を含有するガス等の形成ガスを用いることができる。別の態様においては、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）を含有するガスを用いることができる。一般に、ＲｕＯ２からＲｕへの変換が可能な還元種を生成するためのプラズマ励起の利用は、この反応を低温で開始することを可能にする。このプロセスは、概して１８０℃以下で、ＲｕＯ２を選択的に堆積した後、同じ温度で、および／または同じチャンバ内で、金属ルテニウムへの還元を実行する場合に、最も有用である可能性がある。
【００４７】
[0054]堆積チャンバ６００の一実施形態において、プロセスガス供給システム６０１は、ルテニウム含有ガスまたは蒸気を、処理領域４２７へ供給するように適合されており、その結果、ルテニウム含有層を基板表面に形成することができる。プロセスガス供給システム６０１は、一般に、１つ以上のガス源６１１Ａ〜６１１Ｅと、オゾン発生器６１２と、処理容器６３０と、源容器アセンブリ６４０と、処理チャンバ６０３の入口ライン４２６に取付けられている出口ライン６６０とを含有する。１つ以上のガス源６１１Ａ〜６１１Ｅは、一般に、処理チャンバ６０３内での処理中に用いることのできる様々なキャリアガスおよび／またはパージガスの源である。ガス源６１１Ａ〜６１１Ｅから供給される１つ以上のガスは、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素または他の同様のガスを含むことができる。
【００４８】
[0055]典型的には、オゾン発生器６１２は、オゾン発生器６１２に取付けられたガス源（図示せず）からの酸素含有ガスを、約４ｗｔ％〜約１００ｗｔ％のオゾン（Ｏ３）を含有するガスに変換し、残りは典型的には酸素となる装置である。好ましくは、オゾンの濃度は、約６ｗｔ％〜約１００ｗｔ％である。約１５％より高い濃度でオゾンを生成することは、処理容器内の冷たい面でオゾンを吸収した後、不活性ガスを用いて汚染物質を除去するために該容器をパージするプロセスを必要とする浄化プロセスを要する。しかし、オゾン濃度は、所望のオゾン量および使用するオゾン生成機器の種類に基づいて増減させることができる。堆積チャンバ６００との使用に適合している典型的なオゾン発生器は、マサチューセッツ州、ＷｉｌｍｉｎｇｔｏｎのＭＫＳ  ＡＳＴｅＸ（登録商標）  Ｐｒｏｄｕｃｔｓから購入することのできるＳｅｍｏｚｏｎ（登録商標）およびＬｉｑｕｏｚｏｎ（登録商標）オゾン発生器である。ガス源６１１Ａは、パージあるいは、オゾン発生器６１２で生成されたオゾンを、処理容器６３０の入力ポート６３５に供給するための、キャリアガスとして適合させることができる。
【００４９】
[0056]プロセスガス供給システム６０１の一実施形態において、処理容器６３０は、容器６３１と、温度制御装置６３４Ａと、入力ポート６３５と、出力ポート６３６とを含有する。容器６３１は、一般に、ガラス、セラミック、または、容器６３１内で形成される処理ガスと反応しない他の不活性材料で形成された、または、該材料で被覆された密閉領域である。一つの態様において、容器６３１は、オゾンガスが容器６３１に供給されたときに、四酸化ルテニウムの形成を促進するために、好ましくは、多孔質の固体状、粉末状またはペレット状のルテニウム源（例えば、ルテニウム金属、過ルテニウム酸ナトリウム、要素Ａ参照）の容積を収容できる。温度制御装置６３４Ａは、一般に、四酸化ルテニウムの生成プロセス中に、所望の処理温度で、容器６３１の温度を制御するように適合されている温度コントローラ６３４Ｂおよび熱交換装置６３４Ｃを含有する。一つの態様において、熱交換装置６３４Ｃは、該プロセスの異なる段階中に、容器６３１を加熱および／または冷却するように適合されている、温度が制御された流体の熱交換装置、抵抗加熱装置および／または熱電装置である。
【００５０】
[0057]一実施形態において、遠隔プラズマ源６７３は、ＲＰＳ入口ライン６７３Ａを介して処理容器６３０に接続されており、この結果、四酸化ルテニウムの形成プロセスの異なる段階において、該ルテニウム源は、水素（Ｈ）ラジカルを容器６３１に注入して、該ルテニウム源の表面の生成酸化物を還元することによって、再生することができる。再生は、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）からなる好ましくない層が、容器６３１に収容されている露出したルテニウム源のかなりの部分に形成されている場合に、必要となる可能性がある。一実施形態において、この再生プロセスは、形成された酸化物を還元するための作業において、高温に加熱されているルテニウム源に、水素含有ガスを導入することによって実行される。
【００５１】
[0058]別の実施形態においては、四酸化ルテニウムは、次亜塩素酸塩水溶液を用いて形成される。四酸化ルテニウム形成プロセスの第１のステップは、まず、６０℃に加熱された次亜塩素酸ナトリウムを含有する第１の容器内の水溶液中でルテニウム粉末を溶解することによって始まる。一つの態様において、該プロセス溶液は、過剰な次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）の溶液中でルテニウム金属を溶解し、四酸化ルテニウムを遊離させるための、硫酸を用いたｐＨ値７程度までの滴定が後に続くことにより、形成することができる。次亜塩素酸カリウムまたは次亜塩素酸カルシウム等の次亜塩素酸材料は、次亜塩素酸ナトリウムの変わりに用いることもできることに留意する。四酸化ルテニウムは、反応（３）に従って、同様に生成される。
Ｒｕ（金属）＋４ＮａＯＣｌ→ＲｕＯ４＋４ＮａＣｌ  …（３）
一実施例において、プロセス溶液は、５０ｍｌの次亜塩素酸ナトリウム（例えば、１０％ＮａＯＣｌ溶液）と、１グラムの微粉状のルテニウム金属とを混合した後、溶解が本質的に完了するまで攪拌することによって形成した。その後、十分な量のＨ２ＳＯ４の１０％溶液を添加して、約７のｐＨを達成した。一般に、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）等の酸化可能でないおよび不揮発性である酸を、硫酸の代わりに用いることができる。次亜塩素酸を用いる四酸化ルテニウムを形成する方法の実施例は、参照によって本明細書に組み込まれる２００５年９月１５日に出願された米国特許出願第１１／２２８，４２５［ＡＰＰＭ  ９９０６］号にさらに記載されている。
【００５２】
[0059]図６を参照すると、源容器アセンブリ６４０は、一般に、源容器６４１と、温度コントローラ６４２と、入口ポート６４５と、出口ポート６４６とを含有する。源容器６４１は、処理容器６３０内で生成された四酸化ルテニウムを集めて保持するように適合されている。源容器６４１は、一般に、ガラス、セラミック、プラスチック（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ、ポリエチレン等）、あるいは、四酸化ルテニウムと反応せず、かつ望ましい熱衝撃特性および物理特性を有する他の材料で裏打ちされ、被覆され、または形成されている。使用中、温度コントローラ６４２は、源容器６４１を、約２０℃未満の温度に冷却して、四酸化ルテニウムガスを、該源容器の壁部に凝結させる。温度コントローラ６４２は、一般に、所望の処理温度で、源容器６４１の温度を制御するように適合されている温度制御装置６４３および熱交換装置６４４を含有する。一つの態様において、熱交換装置６４４は、源容器６４１を加熱し、および冷却するように適合されている、温度が制御された流体の熱交換装置、抵抗加熱装置および／または熱電装置である。
【００５３】
[0060]図７は、ルテニウム含有層を基板の表面に形成する、本明細書に記載されている一実施形態によるプロセス７００を描いている。プロセス７００は、ステップ７０２〜ステップ７０６を含み、ルテニウム含有層が、基板の表面に直接堆積される。プロセス７００の第１のプロセスステップ７０２は、四酸化ルテニウムガスを形成して、源容器６４１内の生成ガスを集めるステップを含む。プロセスステップ７０２において、オゾン発生器６１２内で生成されたオゾンは、処理容器６３１内に収容されているルテニウム源に供給されて、源容器６４１内に集められる四酸化ルテニウム含有ガスのフローを形成する。そのため、プロセスステップ７０２の間、オゾン含有ガスは、該ルテニウム源全般に流れ、それにより、四酸化ルテニウムが生成され、該フローガスによって流される。このプロセスの間、ガス流の経路は、オゾン発生器６１２から、入口ポート６３５に入って、ルテニウム源（項目“Ａ”）全般にわたり、容器６３１内の出力ポート６３６を通り、プロセスライン６４８を通って、閉塞された源容器６４１に入る。一実施形態においては、四酸化ルテニウム含有ガスを導入する前に、従来の真空ポンプ６５２（例えば、従来の粗引きポンプ、真空インジェクタ）を用いて、源容器６４１を排気することが望ましい。一つの態様において、ガス源６１１Ａは、純粋な酸素およびオゾン、または、不活性ガスを希釈した酸素含有ガスおよびオゾンを含有するオゾン含有ガスを形成するのに用いられる。プロセスステップ７０２の一つの態様において、容器６３１に収容されているルテニウム源（項目“Ａ”）は、容器６３１内での四酸化ルテニウム形成プロセスを増強するために、約０℃〜約１００℃、およびより好ましくは、約２０℃〜約６０℃の温度で維持される。一般的には、より低い四酸化ルテニウム生成温度が望ましいが、四酸化ルテニウムガスを形成する所要の温度は、処理中の容器６３１に含有される水分の量にやや依存すると考えられる。プロセスステップ７０２の間、源容器６４１は、生成された四酸化ルテニウムを、源容器６４１の壁部上に凝結または結晶化（または、凝固）することを可能にする圧力および約２５℃未満の温度で維持される。例えば、源容器６４１は、約５トールの圧力および約−２０℃〜約２５℃の温度に維持される。第２のプロセスステップ７０４において、四酸化ルテニウムを冷却して、源容器６４１の壁部上に凝結または凝固させることにより、四酸化ルテニウムガス中の望ましくない酸素（Ｏ２）およびオゾン（Ｏ３）含有成分を分離して除去することができる。一つの態様においては、一定量の水または水含有ガスを容器６３１に注入して、四酸化ルテニウム生成プロセスを促進することが望ましい。水の注入は、例えば、ルテニウム源が過ルテニウム酸ナトリウムまたは過ルテニウム酸カリウムを含有する場合に、四酸化ルテニウムのルテニウム源からの解離を改善するのに重要である。一つの態様においては、解離プロセスが実行された後に、従来の物理的分離（例えば、分子篩）プロセスによって、過剰な水を取り除くことが望ましい。
【００５４】
[0061]第２のプロセスステップ７０４またはパージングステップは、望ましくない酸素（Ｏ２）および未反応のオゾン（Ｏ３）成分を四酸化ルテニウム含有ガスから除去するように設計されている。図６を参照すると、一実施形態において、第２のプロセスステップ７０４は、源容器６４１の壁部が、２５℃以下の温度に維持されている間に、オゾン分離弁６１２Ａを閉じて、ガス源６１１Ｂ、６１１Ｃのうちの１つ以上から処理容器６３０を介してプロセスライン６４８、源容器６４１および排気ライン６５１を通って排気システム６５０へ１つ以上のパージガスを流すことにより完了する。プロセスステップ７０４を完了する間に浪費される未凝固または未凝結の四酸化ルテニウムの量は、四酸化ルテニウムを凝結または凝固できるようにするために、プロセスステップ７０２とプロセスステップ７０４の間に、所望の長さの待機ステップを加えることによって、最小限に抑えることができる。また、浪費される未凝固または未凝結の四酸化ルテニウムの量は、源容器壁部の温度を低下させて凝固速度を増加させることにより、および／または該源容器の表面積を増加させて、該壁部と四酸化ルテニウム含有ガスの相互作用を増大させることによっても低減することができる。１つ以上のガス源６１１Ｂ、６１１Ｃから供給されるパージガスは、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、または、他の乾燥しかつ清潔なプロセスガスとすることができる。望ましくない酸素（Ｏ２）および未反応のオゾン（Ｏ３）成分は、該基板の露出面の望ましくない酸化を引き起こす可能性があるため、それらの成分を除去するプロセスは、ルテニウム堆積プロセスの成功にとって、極めて重大である。これらの望ましくない酸素（Ｏ２）および未反応のオゾン（Ｏ３）成分は、四酸化ルテニウムが、最終的にその上に供給される材料が、銅等の容易に酸化する材料である場合に、特に重要である。銅、および酸素に対する高い親和力を有する他の材料は、これらの酸化種が存在する場合に、容易に腐食する。一実施形態において、プロセスステップ７０４は、酸素（Ｏ２）および／または未反応のオゾン（Ｏ３）の濃度が、約１００ｐｐｍ未満である間に完了する。一つの態様においては、生成された四酸化ルテニウムの全てが、処理容器６３０から確実に除去されるように、プロセスステップ７０４中に、容器６３１を約２０℃〜約２５℃の温度に加熱することが望ましい。
【００５５】
[0062]一つの態様において、パージングプロセス（ステップ７０４）は、汚染物質を取り除くために、真空ポンプ６５２を用いて、源容器６４１を排気することにより、完了する。このステップの間に、かなりの量の四酸化ルテニウムが源容器アセンブリ６４０から除去されるのを防ぐために、該容器の温度または圧力は、気化による損失を最小限にするように制御することができる。例えば、源容器アセンブリ６４０を、約５トールの圧力に膨張すると共に、約０℃未満の温度に保つことが好ましい。
【００５６】
[0063]一実施形態において、第３のプロセスステップ７０６、または四酸化ルテニウムを処理チャンバ６０３へ供給するステップは、源容器６４１がパージされ、かつバルブ６３７Ａが閉じて、源容器６４１が処理容器６３０から分離された後に完了する。プロセスステップ７０６は、源容器６４１が、凝結または凝固した四酸化ルテニウムを四酸化ルテニウムガスを形成する温度まで加熱されたときに始まり、このとき、１つ以上のガス源６１１（例えば、項目６１１Ｄおよび／または６１１Ｅ）、ガス源に関連する隔離弁（例えば、項目６３８および／または６３９）およびプロセスチャンバ隔離弁６６１が開かれて、それにより、四酸化ルテニウム含有ガスが、入口ライン４２６、シャワーヘッド４１０を介してプロセス領域４２７内および温度が制御された基板４２２の全域に流され、その結果、ルテニウム含有層を、基板２３の表面に形成することができる。一実施形態において、源容器６４１は、凝結または凝固した四酸化ルテニウムに四酸化ルテニウムガスを形成するために、約０℃〜約５０℃の温度に加熱される。低い温度、例えば、約５℃でも、四酸化ルテニウムガスの平衡分圧が源容器６４１内に存在することに留意すべきである。そのため、一つの態様においては、該容器内に収容されている四酸化ルテニウムの質量を知ることにより、源容器６４１の容積および温度を知ることにより、繰り返し可能な量を処理チャンバ６０３へ供給することができる。別の態様においては、四酸化ルテニウム含有ガスの連続フローは、所与の大きさの源容器６４１に対する所与の温度で、四酸化ルテニウムの凝華または気化速度を知って、所望の速度で、キャリアガスを源容器６４１へ流して、所望の濃度の四酸化ルテニウムを有するガスを形成することにより、形成して処理チャンバ６０３へ供給することができる。
【００５７】
[0064]ルテニウム含有層を非選択的に該基板の表面に堆積するために、１８０℃を超える温度で、四酸化ルテニウム（ＲｕＯ４）は、自然分解して、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）を熱力学的に安定させ、および水素（Ｈ２）の存在下で、わずかに高い温度で、堆積は、金属ルテニウム層を形成する所望の結果まで直接進むと考えられる。該反応の平衡式を等式（４）に示す。
ＲｕＯ４＋４Ｈ２→Ｒｕ（金属）＋４Ｈ２Ｏ  …（４）
従って、本発明の一つの態様においては、プロセスステップ７０６の間、基板表面は、約１８０℃を超える温度で、より好ましくは、約１８０℃〜約４５０℃の温度で、より好ましくは、約２００℃〜約４００℃の温度で、温度が制御された基板支持体６２３を用いで維持される。金属ルテニウム層を形成するために、この温度は、約３００℃〜約４００℃にすることができる。典型的には、処理チャンバ圧力は、約１０トール未満、および好ましくは、約５００ミリトール（ｍＴ）〜約５トールの圧力に維持される。該基板の表面の温度を制御することにより、堆積されるルテニウム含有層の選択性および堆積されるルテニウム含有層の結晶構造を所望どおりに調節および制御することができる。結晶性のルテニウム含有層は、３５０℃を超える温度で形成されると考えられる。
【００５８】
[0065]プロセスステップ７０６の一つの態様において、該四酸化ルテニウム含有ガスは、窒素含有ガスがガス源６１１Ｄから供給され、および水素（Ｈ２）含有ガス（例えば、水素（Ｈ２）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４））がガス源６１１Ｅから、一定量の四酸化ルテニウムを収容している源容器アセンブリ６４０およびその後処理チャンバ６０３を介して供給されたときに形成される。例えば、１００ｓｃｃｍの窒素および１００ｓｃｃｍのＨ２が約０．１〜約１０トールの圧力、より好ましくは約２トールの圧力に保たれている処理チャンバ６０３に供給される。ガス源６１１（例えば、項目６１１Ｄ、６１１Ｅ）から供給される所望の流量のガスは、四酸化ルテニウム含有ガス中の四酸化ルテニウムの所望の濃度と、源容器６４１の壁部からの四酸化ルテニウムの気化速度とに依存する。
【００５９】
[0066]一実施形態においては、金属ルテニウム層を形成するプロセスを増強するために、プロセスステップ７０６の間に、遠隔プラズマ源６７０が利用される。この場合、該遠隔プラズマ源内で生成された水素ラジカルは、該基板の表面に堆積されるルテニウムの面に形成される任意の酸化物を低減するために、処理領域４２７へ注入される。一つの態様において、該ＲＰＳは、四酸化ルテニウム含有ガスが処理領域４２７に供給されたときに、水素ラジカルを生成するのに用いられる。別の態様においては、該ＲＰＳは、ルテニウムからなる各連続する単分子層が形成されて、堆積ステップと、その後のルテニウム層の還元ステップとから構成される２つのステッププロセスを構成した後にのみ用いられる。
【００６０】
[0067]プロセスステップ７０６の一実施形態において、処理チャンバ６０３内で生成されて一定量供給される四酸化ルテニウムガスの量は、該プロセスが繰り返し可能であり、プロセスチャンバ成分の完全な飽和が実現され、および所望の厚さのルテニウム含有膜が堆積されることを確実にするために、監視され、かつ制御される。一つの態様において該プロセスチャンバに供給される四酸化ルテニウムの質量は、従来の電子はかり、ロードセルまたは他の重量測定装置を用いて、時間の関数としての源容器６４１の重量の変化を測定することによってモニタされる。
【００６１】
[0068]一実施形態において、ガス供給システム６０１は、１回分の、または、大量の四酸化ルテニウムを処理チャンバ６０３および該基板に供給して、該基板の表面にルテニウム含有層を形成するように適合されている。別の実施形態においては、多数の順次的な１回分の四酸化ルテニウムが処理チャンバ６０３に供給されて、多層ルテニウム含有膜が形成される。この四酸化ルテニウムの多数の順次的な単回供給を実行するには、プロセスステップ７０２〜７０６のうちの少なくとも１つが、多数回繰り返されて、該多層ルテニウム含有膜が形成される。別の実施形態においては、源容器６４１の表面積およびプロセスステップ７０２の長さは共に、ルテニウム含有層堆積プロセス中の該基板の表面全域にわたる所望濃度の四酸化ルテニウム含有ガスの連続フローを可能にするようなサイズになっている。該基板の表面全域にわたるガス流分布は、特に、大量移動限定の反応（ＣＶＤ型反応）が中心のプロセス、および反応速度限定の堆積にとって、急速表面飽和が必要なＡＬＤ型のプロセスの場合に、該処理チャンバ内で処理される基板上での均一な層の形成にとって重要である。そのため、シャワーヘッド４１０を用いた、基板表面全域での均一なガス流の利用は、該基板表面全域での均一なプロセス結果を確実にするのに重要である。
【００６２】
[0069]本発明の一つの態様において、ＡＬＤまたはＣＶＤ前駆物質中に見られる有機物質は、該ルテニウム含有ガス中には存在せず、従って、成長中のルテニウム含有層には入り込まないため、大量の四酸化ルテニウムを処理チャンバ６０３へ供給するプロセスは、伝統的なＡＬＤまたはＣＶＤ型プロセスに優って有利である。有機物質の該成長中のルテニウム含有層中への入り込みは、形成されるデバイスの電気抵抗、接着および応力移行およびエレクトロマイグレーション特性に影響を及ぼす可能性がある。また、四酸化ルテニウムの分子サイズは、従来のルテニウム含有前駆物質よりもかなり小さいため、四酸化ルテニウムを用いた、ＡＬＤサイクル当たりのルテニウム含有層の堆積速度は、ＡＬＤサイクル当たりのルテニウムカバレージの改善により、従来の前駆物質よりも向上する。
【００６３】
[0070]一つの態様において、不活性ガス源６７４および／またはドージング容器６６２は、該四酸化ルテニウム含有ガスをプロセス領域４２７へ「単回供給し（ｄｏｓｅ）」または「律動的に供給する（ｐｕｌｓｅ）」のに用いられ、その結果、該ガスは、該基板の表面を飽和させることができる（例えば、ＡＬＤ型のプロセス）。“単回供給”または“ドージングプロセス”は、所望量のルテニウム含有ガスを、処理チャンバ６０３に注入できるように、様々な隔離弁を所望の期間、開閉することによって実行することができる。一つの態様においては、該ドージングプロセス中に、ガス源６７４からドージング容器６６２へ、不活性ガスは供給されない。
【００６４】
[0071]また別の一実施形態においては、四酸化ルテニウム含有ガスは、過ヨウ素酸カリウム（ＫＩＯ４）および脱イオン水と混合されている二酸化ルテニウム水和物（ＲｕＯ２・Ｈ２Ｏ）を用いて、室温で四酸化ルテニウムを形成して形成することができる。一実施例においては、約０．３ｇのＲｕＯ２を、室温で、２．０のＫＩＯ４と、５０ｍｌの脱イオン水とを含有するＰｙｒｅｘ（登録商標）ガラスバブラーに加えて、該混合物中で気泡を生成する空気の流れに取り込まれる四酸化ルテニウム含有ガスを生成した。ある場合には、従来の物理的分離（例えば、分子篩）、冷却トラップまたは他の従来のスキームを用いて、ルテニウム含有ガス中の任意の取り込まれた水蒸気を分離することが望ましい。
【００６５】
[0072]上述したプロセスのうちの１つ以上は、処理チャンバの処理領域内に基板を配置した後、四酸化ルテニウムが、該基板の表面全てを包み込むように、該基板を四酸化ルテニウムに曝すことによって、該基板の全表面にルテニウム含有層を堆積するのに用いることができることに留意すべきである。従来のＲＦ誘導加熱は、該処理チャンバの処理領域内の該基板の温度を制御するのに用いることができる。
【００６６】
ルテニウム／タンタル層
[0073]一つの態様においては、コーティング２０に含有される１つ以上の層は、２つ以上の元素、例えば、ルテニウムおよびタンタル合金を含有する層を堆積するのに用いられるＰＶＤ堆積プロセスを用いて堆積される。ルテニウムおよびタンタル合金は、後に堆積される層の拡散をブロックするという利点と、後のコーティング層の直接無電解めっきおよび／または電気化学めっきに適した面を提供するという利点とを併せ持っているため、有用である。そのため、本発明の一つの態様においては、コーティング２０は、約７０原子％〜約９５原子％のルテニウムと、平衡タンタルとを含有するＲｕ−Ｔａ合金を含有する。別の態様においては、コーティング２０は、好ましくは、約７０原子％〜約９０原子％のルテニウムと、平衡タンタルとを含有するＲｕ−Ｔａ合金を含有する。また別の態様においては、コーティング２０は、より好ましくは、約８０原子％〜約９０原子％のルテニウムと、平衡タンタルとを含有するＲｕ−Ｔａ合金を含有する。一つの態様においては、純粋なタンタルの領域を基板上に含有しないＲｕ−Ｔａ合金を選択することが望ましい。一つの態様において、ＰＶＤ堆積プロセスは、約９０原子％のルテニウムと、平衡タンタルと含有するＲｕ−Ｔａ合金（例えば、０．９Ｒｕ：０．１Ｔａ）を含有するコーティング２０を堆積するのに用いられる。
【００６７】
ルテニウム前駆物質を用いた堆積
[0074]一実施形態においては、基板表面を、一般的に、半導体ウェーハ上にルテニウム含有層を堆積するのに用いられる従来のルテニウム前駆物質材料に曝すことにより、該基板表面上に、ルテニウム含有層を堆積することが望ましい。該ルテニウム層は、循環堆積プロセスまたは従来のＣＶＤ型プロセスを用いて堆積することができる。該循環堆積プロセスは、基板構造上のルテニウム含有前駆物質と還元ガスとを交互に吸収することを備える。処理中、ルテニウム含有前駆物質および還元ガス（例えば、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３））は、ルテニウム層を基板上に形成する反応を受ける。一般に、ルテニウム層の堆積の場合、該基板は、約５００℃未満、好ましくは、約２００℃〜約４００℃、例えば、約３００℃に維持するべきである。堆積プロセス中のプロセスチャンバ圧力は、約０．１トール〜約８０トールに維持することができる。一般に、有用なルテニウム前駆物質は、限定するものではないが、ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム、ビス（シクロペンタジエニル）ルテニウム、ビス（ペンタメチルシクロペンタジエニル）ルテニウム、メチルシクロペンタジエニルピロリルルテニウムおよびジカルボニルビス（Ｎ，Ｎ’ジ第３ブチルアセトアミジナート）ルテニウム（II）等のルテノセン化合物を含む。
【００６８】
触媒堆積および／または保護コーティングプロセス
[0075]一実施形態において、ルテニウム含有物は、（図１および図２に示す）組み立てられた燃料電池内の流路１６１および１７１内の全ての露出面に堆積される。該露出面は、一般に、基板２３の表面に形成された流路および溝と、陰極触媒領域１２０および陽極触媒領域１３０の表面とを含む。一つの態様において、ルテニウム含有層の堆積は、陰極触媒領域１２０および／または陽極触媒領域１３０の表面で起きる触媒反応を改善するように意図されている。従って、堆積されたルテニウム層は、１）損傷したまたは不連続なコーティングを修繕し、２）燃料電池コンポーネントの化学的侵食をさらに防ぎ、および３）該燃料電池の電極部に配置された１つ以上の触媒物質の触媒効率を改善するのを助けるのに用いることができる。
【００６９】
[0076]流路１６１および１７１内の全ての露出面にルテニウムを堆積するために、一実施形態においては、プロセスステップ７０６が、流路１６１および１７１内の露出コンポーネントに四酸化ルテニウムを供給するのに用いられる。このプロセスにおいては、一定量の四酸化ルテニウムガスが生成されて、所望の厚さのルテニウム含有膜（例えば、金属ルテニウムまたは二酸化ルテニウム）が堆積されるまで、所望の温度に維持された流路１６１および１７１の一方または両方に、該ガスが一定量供給される。一つの態様において、流路１６１および１７１に供給される四酸化ルテニウムの質量は、従来の電子はかり、ロードセルまたは他の重量測定装置を用いて、時間の関数としての源容器６４１の重量の変化を測定することにより監視される。１つ以上の燃料電池コンポーネントを所望の温度に加熱することにより、所望の特性を有するルテニウム含有層を、１つ以上の所望の面に選択的に、または非選択的に堆積することができる。
【００７０】
[0077]低い堆積温度（例えば、２００℃未満）で、選択的または非選択的にルテニウム層を堆積する能力により、四酸化ルテニウム含有ガスを用いることは、ルテニウム金属および／または二酸化ルテニウム層を、該流路に含有される面に堆積して、触媒層を形成し、および／またはＭＥＡの陰極または陽極面をより導電性にするのに用いることができる方法を独自に提供する。一つの態様において、１００℃未満での選択的堆積プロセスは、該ＭＥＡ構造の所望の面に、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）層を形成するのに用いられる。ＭＥＡの所望の面への二酸化ルテニウム層の堆積は、酸素が陽子と反応する陰極において、反応を触媒するプロセスを促進するのに有用である可能性がある。高温のＣＶＤ型堆積プロセスとは対照的に、低温堆積スキームは、ＭＥＡの電極面で一般的に用いられる多孔質炭素繊維構造上に多孔質コーティングを有利にもたらすことが可能である。低温プロセス中に起きる反応は、ＭＥＡの表面の炭素の一部を、ＲｕＯ２層と置換させる。例えば、この反応の場合の平衡式を式（５）に示す。
ＲｕＯ４＋Ｃ→ＲｕＯ２＋ＣＯ２  …（５）
金属ルテニウム層は、還元ガスの存在下で、２５０℃を超える温度で、ＭＥＡの表面の炭素に堆積することができる。例えば、この反応の場合の平衡式を式（６）に示す。
ＲｕＯ４＋Ｃ＋２Ｈ２→Ｒｕ＋ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ  …（６）
[0078]図８Ａおよび図８Ｂは、ルテニウム層（例えば、層８０１または層８０２）が、陰極触媒領域１２０または陽極触媒領域１３０の表面に堆積されている燃料電池の活性領域１４０の断面図を示す。図８Ａにおいて、四酸化ルテニウム含有ガスは、流路１７１を介して供給され、陽極触媒領域１３０の表面と相互作用して、露出したＭＥＡ面に層８０１を形成するようになっている。一つの態様において、層８０１は、該陽極での触媒反応を促進し、および／またはＭＥＡの陽極部の導電率を増大させるために堆積されている多孔質の二酸化ルテニウム層である。
【００７１】
[0079]図８Ｂは、ＭＥＡの陰極部の表面に堆積されたルテニウム含有層（例えば、層８０２）を有する燃料電池を示す。層８０２は、四酸化ルテニウム含有ガスを、陰極触媒領域１２０の表面と相互作用できるように、流路１６１を介して供給することによって堆積した。一つの態様において、層８０２は、還元ガス（例えば、水素）の存在下で、四酸化ルテニウムを、典型的には約２５０℃より高い温度に維持されるＭＥＡの表面に供給することによって堆積されている多孔質の金属ルテニウム層である。この金属ルテニウム膜の堆積は、該陰極における触媒反応を促進し、および／またはＭＥＡの陽極部の導電率を増大させる。別の態様においては、層８０２は、該陰極における触媒反応を促進し、および／またはＭＥＡの陽極部の導電率を増大させるように堆積されている多孔質の二酸化ルテニウム層である。
【００７２】
ＭＥＡまたはＭＥＡコンポーネントのルテニウム処理
[0080]一実施形態において、燃料電池の陰極触媒領域１２０および／または陽極触媒領域１３０は、次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）を表面に加えて、該処理された面を四酸化ルテニウム（ＲｕＯ４）に曝すことにより、膜１１０の所望の領域に堆積される、ルテニウム（Ｒｕ）および／または二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、または、Ｒｕおよび／またはＲｕＯ２接着粒子からなる領域を含有する層で被覆される。次亜リン酸は、様々な所望の面に選択的に加えることのできる水溶液として市販されている。一実施例においては、少量の次亜リン酸（例えば、ｐｐｍの範囲）をリン酸触媒に加えて、膜１１０または多孔質電極面に加えることができる。一実施形態においては、所望量の次亜リン酸を含有する一定量の溶液を供給して、堆積されるルテニウムの量を制御することが望ましい。上述したように、膜１１０の陰極触媒領域１２０および／または陽極触媒領域１３０のガス透過領域は、カーボン紙、布ベースの繊維、グラファイト材料、または、微細メッシュの貴金属スクリーン、発泡体、高分子材料、あるいは他の材料で形成することができる。一実施例において、膜１１０およびガス透過領域は、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜材料等の高分子材料で形成される。次亜リン酸と四酸化ルテニウムの反応は、一般に、式（７）に示すようになる。
ＲｕＯ４＋Ｈ３ＰＯ２→ＲｕＯ２＋Ｈ３ＰＯ４  …（７）
次亜リン酸は、四酸化ルテニウムにとって強い還元剤であるため、ＲｕＯ２層の形成は、室温で実行することができる。ＲｕＯ２が形成した層は、ＲｕＯ２層を、式（４）と共に説明した水素ガス等の還元剤に曝すことによって金属ルテニウムを形成するために、さらに還元することができる。一つの態様において、膜１１０のガス透過領域は、希釈次亜リン酸含有溶液で選択的に被覆された後、四酸化ルテニウム含有ガスに曝されて、燃料電池１００の組立て前に堆積される、ルテニウム含有層、例えば、ＲｕＯ２を有する領域を形成する。
【００７３】
[0081]別の実施形態において、リン酸電解質を含有するＰＡＦＣセルにおける膜１１０は、ルテニウム含有層、例えば、ＲｕＯ２を、膜１１０の表面に形成できるようにする四酸化ルテニウム含有ガスに曝される。一実施例において、ＲｕＯ２層は、室温に近い温度で、リン含有電解質が含浸されているポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜上に堆積される。別の実施例においては、ＲｕＯ２層は、約１６０℃の作動温度近くの温度で、リン含有電解質が含浸されているポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜上に堆積される。
【００７４】
[0082]また別の実施形態においては、少量の次亜リン酸（例えば、ｐｐｍの範囲）を含有するリン酸電解質を含有する膜１１０を有するわずかに変性されたＰＡＦＣセルが、ルテニウム含有層、例えば、ＲｕＯ２を、膜１１０の表面に形成できるようにする四酸化ルテニウム含有ガスに曝される。一実施例において、この堆積プロセスは、約１６０℃の一般的なＰＡＦＣ燃料電池の作動温度で実行することができる。別の実施例においては、該ルテニウム含有層配置プロセスは、約室温で実行される。一つの態様において、膜１１０は、該ＰＡＦＣセルが完全に組み立てられたときに、ルテニウム含有層で被覆することができる。
【００７５】
[0083]また別の実施形態においては、後に、陰極触媒領域１２０および／または陽極触媒領域１３０のいずれかの少なくとも一部を形成するのに用いられる炭素含有成分が、該ＭＥＡ構造内に組み立てられる前に、上記の式（５）または（６）に記載されている反応に続いて、ルテニウム含有層で被覆される。従って、この構成は、ＭＥＡ構造の完全な組立ての前の、該触媒面へのルテニウム含有層の堆積が、該触媒領域間の短絡の作成、および／または組み立てられた膜１１０内の微細孔構造に対する閉塞または損傷を防ぐことを可能にする。
【００７６】
[0084]上述したことは、本発明の実施形態に注目しているが、本発明の他のおよびさらなる実施形態も、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく考案することができ、また、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決まる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】燃料電池ユニットの活性領域の簡略図を示す。
【図２】本明細書に記載されている一実施形態による多数のバイポーラプレートを有する燃料電池の活性領域を示す。
【図３】本明細書に記載されている一実施形態によるバイポーラプレートの一方の側部の表面の一実施形態を示す。
【図４Ａ】本明細書に記載されている一実施形態による基板の表面に形成された突起部の断面図を示す。
【図４Ｂ】図４Ａに示す突起部に配置された従来のコーティングの断面図を示す。
【図５】本明細書に記載されている一実施形態による基板の表面に形成された例示的なコーティングを有する突起部の断面図を示す。
【図６】本明細書に記載されている実施形態を実行するように適合させることのできる堆積チャンバの断面図を示す。
【図７】本明細書に記載されている一実施形態によるプロセスシーケンスを示す。
【図８Ａ】本明細書に記載されている一実施形態による多数のバイポーラプレートを有する燃料電池の活性領域を示す。
【図８Ｂ】本明細書に記載されている一実施形態による多数のバイポーラプレートを有する燃料電池の活性領域を示す。
【符号の説明】
【００７８】
１００…燃料電池、１１０…膜、１２０…陰極触媒領域、１３０…陽極触媒領域、１４０…活性領域、１６０…陰極セパレータプレート、１６１…流路、１７０…陽極セパレータプレート、１７１…流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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