(57)【要約】【課題】安定した成膜を行うことができ、且つ、異常放電の発生を抑えることができる成膜装置を提供する。【解決手段】本発明に係る成膜装置１は、真空排気可能な接地された成膜室４０と、成膜室４０内に配置された基材６０に薄膜の構成元素を含む原料ガスを供給するガス供給ノズル５０と、を備え、ガス供給ノズル５０は、基材６０の表面６１の一端側から他端側に向かって表面６１に沿うように延在し表面６１側に原料ガスを噴射するガス流路５１と、基材６０の裏面６２の一端側から他端側に向かって裏面６２に沿うように延在し裏面６２側に原料ガスを噴射するガス流路５２とに分岐され、成膜室４０の側壁部に形成された孔にガス供給ノズル５０が貫通接続されると共に、該孔とガス供給ノズル５０との間の隙間には絶縁体７０が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のセパレータ用の基材に薄膜をプラズマ成膜する成膜装置であって、
真空排気可能な接地された成膜室と、
前記成膜室に接続され、前記成膜室内に配置された前記基材に前記薄膜の構成元素を含む原料ガスを供給するガス供給ノズルと、を備え、
前記ガス供給ノズルは、前記基材の表面の一端側から他端側に向かって前記表面に沿うように延在し前記表面側に前記原料ガスを噴射する噴射ノズルと、前記基材の裏面の一端側から他端側に向かって前記裏面に沿うように延在し前記裏面側に前記原料ガスを噴射する噴射ノズルとに分岐され、
前記成膜室の側壁部に形成された孔に前記ガス供給ノズルが貫通接続されると共に、前記孔と前記ガス供給ノズルとの間の隙間に絶縁部材が設けられている成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセパレータ用の基材に薄膜をプラズマ成膜する成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって電力を作り出す発電システムとして燃料電池が注目されている。この燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は、一般的に、複数の単セルを積層したスタック構造を有する。
【０００３】
単セルは、膜電極接合体の両側を一対のセパレータで挟み込んで構成されている。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。
【０００４】
このような事情に鑑み、下記特許文献１に記載のプラズマ成膜装置を用いて、燃料電池のセパレータ用の基材の表面に炭素含有薄膜を形成することにより、高い導電性と耐久性とを付与したセパレータを作製することが知られている。下記特許文献１に記載のプラズマ成膜装置では、処理容器（真空チャンバー）内にて高周波電力により原料ガスをプラズマ化し、そのプラズマにより基材に炭素含有薄膜を形成している。このプラズマ成膜装置において、原料ガスを供給するガスノズルは、カソード電極及び接地電極と対向しない真空チャンバーの側壁面部に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２８４２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、基材の表裏全面に均一な膜を成膜するためには、基材にガスを均一に供給する必要があり、そのためには基材に近い部分にガスノズルを設置することが望ましい。しかし、ガスノズルを基材の近くに設置してしまうと、ガスノズルが電極となり、基材とガスノズルの間でプラズマが発生してガスノズルに膜が付着してしまう。ガスノズルの噴出口に膜が堆積すると、異常放電が発生するおそれがある。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基材に供給するガスの均一性を向上させながら、安定したプラズマ成膜を行うことができる成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る成膜装置は、燃料電池のセパレータ用の基材に薄膜をプラズマ成膜する成膜装置であって、真空排気可能な接地された成膜室と、前記成膜室に接続され、前記成膜室内に配置された前記基材に前記薄膜の構成元素を含む原料ガスを供給するガス供給ノズルと、を備え、前記ガス供給ノズルは、前記基材の表面の一端側から他端側に向かって前記表面に沿うように延在し前記表面側に前記原料ガスを噴射する噴射ノズルと、前記基材の裏面の一端側から他端側に向かって前記裏面に沿うように延在し前記裏面側に前記原料ガスを噴射する噴射ノズルとに分岐され、前記成膜室の側壁部に形成された孔に前記ガス供給ノズルが貫通接続されると共に、前記孔と前記ガス供給ノズルとの間の隙間に絶縁部材が設けられている。
【０００９】
本発明では、基材の表面の一端側から他端側に向かって表面に沿うように延在する噴射ノズルと、基材の裏面の一端側から他端側に向かって裏面に沿うように延在する噴射ノズルとを備えたガス供給ノズルにより、基材の表裏の広範囲に亘って均一に原料ガスを供給できるので、基材に成膜する膜の均一性を向上させることができる。また、ガス供給ノズルと成膜室の側壁部に形成された孔との間の隙間に設けた絶縁部材により、ガス供給ノズルが成膜室と絶縁されるので、ガスノズルと基材間での放電を抑制することができ、ガスノズルを基材に近づけた状態でも安定した成膜を行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、基材に供給するガスの均一性を向上させながら、安定したプラズマ成膜を行うことができる成膜装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態における成膜装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１の成膜室の側面を示す説明図である。
【図３】図１の成膜室の正面を示す説明図である。
【図４】図１のガス供給ノズルの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。図１乃至図４において、Ｘ方向及びＹ方向は、水平面に平行な方向を示し、Ｚ方向は鉛直方向に平行な方向を示す。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る成膜装置１０の概略構成を示す説明図である。成膜装置１０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、成膜対象である基材６０の表面全体に炭素含有薄膜を形成する。基材６０に成膜される炭素含有薄膜の構造としては、アモルファス構造や、グラファイト構造であるものとしても良く、他の種類の構造で有るものとしても良い。なお、基材６０としては、例えば、燃料電池のセパレータの基材として用いられる平板状の金属板とすることができる。
【００１４】
成膜装置１０は、成膜室４０と、予備加熱室３０と、搬送機構２０とを備える。成膜室４０は、プラズマ存在下で基材６０の両面に炭素含有薄膜を成膜する。予備加熱室３０は、成膜室４０におけるプラズマ存在下での基材６０への薄膜形成に先立って基材６０の両面を均一に予備加熱する。搬送機構２０は、予備加熱室３０と成膜室４０との間で基材６０を搬送する装置である。
【００１５】
搬送機構２０は、中空円筒状のシリンダ筒２１と、シリンダ筒２１の内壁に沿って往復摺動可能に配置されたシリンダ軸２２と、シリンダ軸２２をシリンダ筒２１に沿って往復摺動させるための摺動機構２３とを備えている。摺動機構２３は、シリンダ筒２１の外壁に沿って往復摺動可能に嵌合する環状のスライダであり、その内部には、磁石２４が設けられている。また、シリンダ軸２２の端部付近には、磁石２４と相互作用する磁石２５が設けられており、これらの磁石２４，２５間に作用する磁力を利用して摺動機構２３の往復運動に連動してシリンダ軸２２を往復運動させることができる。シリンダ軸２２の先端には、弁体２６と、弁体２６に接続する治具２７とが設けられている。治具２７は、基材６０を保持するための部材である。
【００１６】
予備加熱室３０は、予備加熱空間を画定する筐体３１と、基材６０を予備加熱室３０へ搬入するために筐体３１に対して開閉可能な蓋３２と、予備加熱空間に設置された基材６０を予備加熱する赤外線ランプヒータ３３と、予備加熱室３０と成膜室４０との間で基材６０を搬送するために開閉可能なシャッター３４とを備えている。なお、図１には図示していないが、予備加熱室３０は、基材６０を予備加熱する際に、予備加熱室３０内を真空引きする真空ポンプと、基材６０の温度を目標温度に一致させるために赤外線ランプヒータ３３から照射される赤外線の強度を制御する制御ユニットとを備えている。
【００１７】
成膜室４０は、プラズマ発生空間を画定する筐体４１（チャンバー）と、プラズマ生成に必要な電圧を発生する一対の対極４２，４３と、薄膜の構成元素を含む原料ガスを基材６０の表面及び裏面に噴射するガス供給ノズル５０とを備えている。なお、図１には図示していないが、成膜室４０は、基材６０への薄膜形成時に成膜室４０内を真空引きする真空ポンプと、ガス供給ノズル５０に原料ガスを供給する原料ガス供給源と、基材６０を陰極とし、且つ、一対の対極４２，４３を陽極として、電圧を印加するプラズマ発生用電源と、プラズマ成膜に用いられることのなかった原子を含む排ガスを成膜室４０から排気する排ガス処理部とを備えている。原料ガスとして、例えば、複素環式芳香族化合物のアミンの一種であるピリジンを用いることができる。原料ガスは、炭素原子に加えて、窒素原子やケイ素原子を含んでいてもよい。プラズマ中の原料ガスの炭素原子の陽イオンは、陰極である基材６０の表面及び裏面に吸着及び堆積することにより、炭素含有薄膜が蒸着形成される。
【００１８】
なお、上述した成膜室４０における原料ガスの供給量の制御、成膜室４０内を真空引きする真空ポンプの制御、予備加熱室３０における加熱制御、搬送機構２０の制御等は図示しない制御ユニットにより制御される。
【００１９】
続いて、図２乃至図４を参照しながら、ガス供給ノズル５０の構成について説明する。図２は成膜室４０の側面を示す説明図、図３は成膜室４０の正面を示す説明図、図４はガス供給ノズル５０の概略構成を示す説明図である。なお、例えば図１の成膜室４０と図２の成膜室４０との縦横比（形状）が相違しているが、これは図面の便宜上であり、図２の成膜室４０は、図１の成膜室４０と同様のものである。その他の縦横比が相違している部分についても、それぞれの図面で同一の符号を付している部材は同様のものである。
【００２０】
ガス供給ノズル５０は、基材６０の表面６１の一端側から他端側に延在して表面６１に向けて原料ガスを噴射するガス流路５１（噴射ノズル）と、基材６０の裏面６２の一端側から他端側に延在して裏面６２に向けて原料ガスを噴射するガス流路５２（噴射ノズル）と、原料ガス供給源から供給される原料ガスを、二股に分岐する分岐流路５４を介して、ガス流路５１，５２に導くガス流路５３とを備えている。ガス流路５１及びガス流路５２には、それぞれ基材６０側の面に複数の噴射孔（図示略）が形成され、この噴射孔から基材６０に向けて原料ガスが噴射される。なお、ガス供給ノズル５０としては例えば金属製の材料が用いられる。
【００２１】
ガス流路５１は、基材６０の表面６１に平行な平面内において、基材６０の三辺を囲むように略コの字状に屈曲している。同様に、ガス流路５２は、基材６０の裏面６２に平行な平面内において、基材６０の三辺を囲むように略コの字状に屈曲している。
【００２２】
ガス流路５３と成膜室４０との接続部には、絶縁体７０が設けられている。具体的には、成膜室４０の一の側壁部に孔（ガス流路５３の外径よりも大きな孔）が形成され、その孔を貫通するようにガス流路５３が配設されており（図３参照）、側壁部に形成された孔の内周面とガス流路５３の外周面との間の隙間に絶縁体７０が設けられている。これによりガス供給ノズル５０と接地された成膜室４０（真空チャンバ）とが電気的に絶縁された状態となる。このように成膜室４０と絶縁されたガス供給ノズル５０は、接地電極と同電位ではなく、いわゆる浮遊電位と称される状態となり、接地電極（０Ｖ）と基材６０の電極（−３ｋＶ）の中間の電位をとる。これにより、ガス供給ノズル５０と基材６０間の電位差を小さくすることができ、ガス供給ノズル５０を基材６０に近づけることが可能となる。また、ガス供給ノズル５０のうち対極４２，４３と対向した部分にのみ電位差（基材６０と対極４２、４３間との電位差よりも小さい電位差）がかかるが、基材６０に比べると弱い放電であり、ガスを噴出する噴射孔とは反対側の面（背面）に放電、成膜されるので、噴射孔へ成膜されることを抑えることができる。これにより、噴射孔への膜の堆積が抑えられ、異常放電を抑制することができる。
【００２３】
なお、絶縁体７０に用いられる材料は絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、例えばアルミナを用いることができる。
【００２４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、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。
【符号の説明】
【００２５】
１０：成膜装置
２０：搬送機構
２１：シリンダ筒
２２：シリンダ軸
２３：摺動機構
３０：予備加熱室
３３：赤外線ランプヒータ
３４：シャッター
４０：成膜室
４２，４３：対極
５０：ガス供給ノズル
５１，５２：ガス流路（噴射ノズル）
６０：基材
７０：絶縁体（絶縁部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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