(57)【要約】【課題】真空チャンバー内においてレーザー光をターゲットに照射し、固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を基板上に蒸着し製膜する場合において、レーザー光学系の反射ミラーを移動させる方法よりも簡便な方法により、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を移動させることができ、基板面内で均質な膜を製膜することができる製膜装置を提供する。【解決手段】真空チャンバー１と、真空チャンバー１内に設けられ、ターゲット１６を載置するターゲット載置台１２と、真空チャンバー１内に設けられ、基板１８を保持する基板保持部材１３とを有する。真空チャンバー１は、真空チャンバー１の側壁に設けられ、レーザー光を真空チャンバー１内に導入するレーザー光導入窓１１１を有し、真空チャンバー１がターゲット１６、基板１８と一体的に移動に加え往復運動可能に設けられている。【選択図】図１
2011021215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバーを有し、該真空チャンバー内においてレーザー光をターゲットに照射し、固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を基板上に蒸着し製膜する製膜装置において、
前記真空チャンバー内に設けられ、ターゲットを載置するターゲット載置台と、
前記真空チャンバー内に設けられ、基板を保持する基板保持部材と
を有し、
前記真空チャンバーは、該真空チャンバーの側壁に設けられ、レーザー光を前記真空チャンバー内に導入するレーザー光導入窓を有し、
前記真空チャンバーが前記ターゲット載置台のターゲットと基板が一体的に、移動に加え往復運動可能に設けられていることを特徴とする製膜装置。
【請求項２】
前記基板保持部材は、前記基板を、前記ターゲット載置台に載置されたターゲットに対向するように保持することを特徴とする請求項１に記載の製膜装置。
【請求項３】
前記載置されたターゲットは、該ターゲットの上面側において、前記真空チャンバー内に導入された前記レーザー光に照射され、
前記基板保持部材は、前記基板を、前記載置されたターゲットの対面において保持し、
前記真空チャンバーが前記ターゲット載置台と一体的に水平面内で移動に加え往復運動可能に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の製膜装置。
【請求項４】
前記基板保持部材の上側に設けられ、前記基板保持部材に保持された前記基板を、駆動源から伝達される駆動力により回転駆動する回転軸を有することを特徴とする請求項３に記載の製膜装置。
【請求項５】
前記基板保持部材の上側に設けられ、前記基板保持部材に保持された前記基板を、該基板の上方から加熱する複数の基板加熱部材を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の製膜装置。
【請求項６】
前記複数の基板加熱部材は、前記回転軸を中心として環状に配列されていることを特徴とする請求項５に記載の製膜装置。
【請求項７】
前記真空チャンバー内に前記レーザー光を導入する光学系を有し、
前記光学系は、レーザー光源と、反射ミラーと、集光レンズとを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の製膜装置。
【請求項８】
真空チャンバーと、該真空チャンバー内においてターゲットを載置するターゲット載置台とを有する製膜装置を用い、固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を基板上に製膜する製膜方法であって、
前記真空チャンバー内においてレーザー光を回転しているターゲットに照射して蒸着する工程を含み、
前記工程を、前記真空チャンバーを前記ターゲット載置台と一体的に、移動に加え往復運動させている状態で行うことを特徴とする製膜方法。
【請求項９】
前記基板保持部材は、前記基板を、前記ターゲット載置台に載置されたターゲットに対向するように保持することを特徴とする請求項８に記載の製膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー蒸着法を用いて固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、又は集電電極を基板上に製膜する製膜装置及び製膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池は、発電の際のエネルギー変換効率が高いこと、及び発電の際に二酸化炭素を排出しないこと等により、クリーンエネルギーとして大きな注目を集めており、現在その研究開発が世界中で行われている。
【０００３】
固体酸化物燃料電池は、空気極／電解質／燃料極よりなる積層構造を有し、その積層構造を両側から挟むように、酸素ガス及び水素ガス（又は可燃性ガス）のそれぞれが供給される２つの空間が設けられる。一方の側の空間に供給された酸素ガスは、その一方の側の電極（空気極）において電子を与えられ酸素イオンになり、酸素イオンが固体酸化物よりなる電解質中を移動し、他方の側の電極（燃料極）において、他方の側の空間に供給された水素ガスと反応する際に電極（燃料極）に与えることにより、起電力を発生させる。
【０００４】
空気極及び燃料極は、それぞれ酸素ガス及び水素ガス（又は可燃性ガス）を効率よく透過させるために、多孔質であることが望ましい。一方、電解質は、イオンを効率良く透過させるとともに、両側のガスが混合することがないように、緻密であることが望ましい。従って、固体酸化物燃料電池は、空気極（多孔質）／電解質（緻密）／燃料極（多孔質）よりなる積層構造を有する。
【０００５】
固体酸化物燃料電池の構成の一つのタイプとして、燃料極を支持基板に用いる構造を有する燃料極支持型固体酸化物燃料電池がある。燃料極支持型固体酸化物燃料電池の積層構造を作製するには、まず、燃料極よりなる支持基板である燃料極支持基板を準備する。次に、燃料極支持基板上に電解質膜の原料を塗布法等により塗布する。次に、電解質膜の原料が塗布された燃料極支持基板を１０００℃以上で焼成して電解質膜を形成する。その後、室温に冷却した後、電解質膜が形成された燃料極支持基板上に、空気極の原料を塗布法等に塗布する。次に、空気極の原料が塗布された燃料極支持基板を１０００〜１２００℃程度で再度焼結して空気極を形成する。上記した作製方法が、燃料極支持型固体酸化物燃料電池の一般的な作製方法である。
【０００６】
しかしながら、燃料極支持型固体酸化物燃料電池を作製する場合には、電解質膜の原料が塗布された後に焼成する際に、燃料極支持基板が変質することを防止するため、焼成温度を充分高くすることができず、形成される電解質膜を緻密にすることができないという問題がある。また、空気極の原料が塗布された後に焼成する際に、形成された電解質膜が劣化するという問題がある。
【０００７】
電解質膜を緻密にすることができない等の課題を解決するための作製方法として、塗布法に代えレーザー蒸着法を用いる方法がある。レーザー蒸着法は、基板上に製膜する膜の原料となる材料を含むターゲットの表面にレーザー光を照射し、ターゲットの表面からターゲット材料を昇華させ、昇華したターゲット材料を基板上に蒸着することによって基板上に膜を製膜する方法である。レーザー光として波長の短い紫外レーザーから出射されるレーザー光を用いる場合には、ターゲット材料に高エネルギーが付与され活性化された状態で基板上に蒸着することができる。従って、基板上でターゲット材料を充分に反応させ、緻密な膜を製膜することができる。更に、塗布法に比べて基板温度（焼成温度）を下げることができ、基板温度（焼成温度）が高過ぎることによる異常粒成長を抑制し、緻密な膜を製膜することができる。
【０００８】
レーザー蒸着法による固体酸化物燃料電池の製膜方法としては、多孔質である基板上に電解質膜を製膜する方法がある（例えば特許文献１参照）。また、電解質の材料よりなる基板上に空気極を製膜する方法がある（例えば特許文献２参照）。また、燃料極の材料よりなる基板であって、かつ、多孔質である基板上に、緻密な電解質膜を製膜し、更にその上にプリンティング法により多孔質な空気極を製膜する方法がある（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１４７５１４号公報
【特許文献２】特開２００８−４４４３号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １６４  （２００７）  １８２−１８８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、レーザー蒸着法を用いて固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を製膜する場合、次のような問題があった。
【００１１】
レーザー蒸着法を用いて固体酸化物燃料電池の電解質膜、空気極又は集電電極を製膜する場合、ターゲットの表面の状態によってターゲットの表面から昇華する材料の状態が変動するのを防止するために、ターゲットに自転運動をさせることによってターゲットの同じ領域に連続してレーザー光を照射させないようにする方法がある。しかし、基板から視た場合におけるターゲットの表面から原料が昇華する位置は変わらないため、基板上に製膜される膜の膜厚が、基板面内で均一にならないという問題がある。基板を回転させることによっても、基板の半径方向の膜厚の分布を均一にすることはできない。
【００１２】
一方、真空チャンバーに導入されるレーザー光の光路を移動することによって、基板の半径方向の膜厚の分布も均一にするようにする方法がある。レーザー光の光路を移動させる方法として、レーザー光学系に設けられた反射ミラー又は集光レンズを動かす方法がある。
【００１３】
一つの反射ミラーのみを動かしてレーザー光の光路を移動させる場合、レーザー光の光路の移動に伴ってターゲットの表面にレーザー光が入射する入射角が変動する。入射角が変動すると、入射するレーザー光のエネルギー密度が変動するため、基板に製膜される膜の膜厚の分布に変動が生ずるという問題がある。
【００１４】
二つの反射ミラーを動かすことにより、レーザー光の光路を平行に移動させることができる。しかしながら、二つの反射ミラーの動きを同期させるために反射ミラーの駆動を精密に制御しなくてはならず、簡便な方法でレーザー光の光路を平行に移動させることができないという問題がある。
【００１５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、レーザー蒸着法を用いて基板上に固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を製膜する場合において、レーザー光学系の反射ミラーを移動させる方法よりも簡便な方法により、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を移動させることができ、基板面内で均質な膜を製膜することができる製膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１７】
第１の発明は、真空チャンバーを有し、該真空チャンバー内においてレーザー光をターゲットに照射し、固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を基板上に蒸着し製膜する製膜装置において、前記真空チャンバー内に設けられ、ターゲットを載置するターゲット載置台と、前記真空チャンバー内に設けられ、基板を保持する基板保持部材とを有し、前記真空チャンバーは、該真空チャンバーの側壁に設けられ、レーザー光を前記真空チャンバー内に導入するレーザー光導入窓を有し、前記真空チャンバーが前記ターゲット載置台のターゲットと基板保持部材に保持された基板を、一体的に移動に加え往復運動可能に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明に係る製膜装置において、前記基板保持部材は、前記基板を、前記ターゲット載置台に載置されたターゲットに対向するように保持することを特徴とする。
【００１９】
第３の発明は、第２の発明に係る製膜装置において、前記載置されたターゲットは、該ターゲットの上面側において、前記真空チャンバー内に導入された前記レーザー光に照射され、前記基板保持部材は、前記基板を、前記載置されたターゲットの対面において保持し、前記真空チャンバーが前記ターゲット載置台と基板保持部材に保持された基板が一体的に水平面内で移動に加え往復運動可能に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
第４の発明は、第３の発明に係る製膜装置において、前記基板保持部材の上側に設けられ、前記基板保持部材に保持された前記基板を、駆動源から伝達される駆動力により回転駆動する回転軸を有することを特徴とする。
【００２１】
第５の発明は、第３又は第４の発明に係る製膜装置において、前記基板保持部材の上側に設けられ、前記基板保持部材に保持された前記基板を、該基板の上方から加熱する複数の基板加熱部材を有することを特徴とする。
【００２２】
第６の発明は、第５の発明に係る製膜装置において、前記複数の基板加熱部材は、前記回転軸を中心として環状に配列されていることを特徴とする。
【００２３】
第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明に係る製膜装置において、前記真空チャンバー内に前記レーザー光を導入する光学系を有し、前記光学系は、レーザー光源と、反射ミラーと、集光レンズとを有することを特徴とする。
第８の発明は、真空チャンバーと、該真空チャンバー内においてターゲットを載置するターゲット載置台とを有する製膜装置を用い、固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を基板上に製膜する製膜方法であって、前記真空チャンバー内においてレーザー光をターゲットに照射して蒸着する工程を含み、前記工程を、前記真空チャンバーを前記ターゲット載置台と一体的に移動に加え往復運動させている状態で行うことを特徴とする。
【００２４】
第９の発明は、第８の発明に係る製膜方法において、前記基板保持部材は、前記基板を、前記ターゲット載置台に載置されたターゲットに対向するように保持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、レーザー光学系の反射ミラーを移動させる方法よりも簡便な方法により、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を移動させることができ、基板面内で均質な膜を製膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態に係る製膜装置の構成を模式的に示す一部断面を含む概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る製膜装置におけるターゲットがレーザー光に照射される状態を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る製膜装置におけるターゲットのレーザー照射域、ターゲットのレーザー照射エリア、及び基板の基板製膜エリアを、上方から視た図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る製膜装置におけるターゲットのレーザー照射域、ターゲットのレーザー照射エリア、及び基板の基板製膜エリアを、上方から視た図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る製膜装置におけるターゲットのレーザー照射域、ターゲットのレーザー照射エリア、及び基板の基板製膜エリアを、上方から視た図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る製膜装置における基板の製膜エリアを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（実施の形態）
図１から図６を参照し、本発明の実施の形態である製膜装置について説明する。
【００２８】
始めに図１を参照し、本実施の形態に係る製膜装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る製膜装置の構成を模式的に示す一部断面を含む概略構成図である。
【００２９】
本実施の形態に係る製膜装置は、真空チャンバーを有し、真空チャンバー内においてレーザー光をターゲットに照射し、固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を基板上に蒸着し製膜する製膜装置において、ターゲットを載置するターゲット載置台と、基板を保持する基板保持部材とを有し、真空チャンバーは、真空チャンバーの側壁に設けられ、レーザー光を真空チャンバー内に導入するレーザー光導入窓を有し、真空チャンバーがターゲット載置台と一体的に移動に加え往復運動可能に設けられていることを特徴とするものである。
【００３０】
換言すれば、本実施の形態では、真空チャンバーと、真空チャンバー内においてターゲットを載置するターゲット載置台とを有する製膜装置を用い、固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を基板上に製膜する場合において、真空チャンバー内においてレーザー光をターゲットに照射して蒸着する工程を、真空チャンバー内の基板保持部材に保持された基板とターゲット載置台が一体的に、移動に加え往復運動させている状態で行う。
【００３１】
図１に示すように、製膜装置は、真空チャンバー１、ガス排気系３、ガス給気系３１、レーザー光学系４、真空チャンバー移動機構５を有する。
【００３２】
真空チャンバー１は、レーザー光導入窓１１１を有する。また、真空チャンバー１内には、ターゲット載置台１２、外周狭持部１３１と基板当接部１３２から成る基板保持部材１３、回転軸１４、及び基板加熱部材１５が設けられている。
【００３３】
レーザー光導入窓１１１は、レーザー光がターゲット（ターゲット載置台１２に載置されるターゲット１６）に照射されるように、真空チャンバーの側壁（後述する真空チャンバー本体１０１の側壁部１０７）に設けられ、レーザー光を真空チャンバー１内に導入する。
【００３４】
ターゲット載置台１２は、真空チャンバー１の内部に設けられ、レーザー光が照射されるターゲット１６が載置される。ターゲット載置台１２は、ターゲット１６を、ターゲット１６の上面側において、レーザー光に照射されるように、載置する。レーザー光がターゲット１６の表面に照射されるレーザー照射域２１において、後述するプルーム１７が発生する。
【００３５】
外周狭持部１３１と基板当接部１３２から成る基板保持部材１３は、真空チャンバー１の内部に設けられ、固体酸化物燃料電池を製膜する被加工物である基板１８が回転可能に保持される。基板保持部材１３は、基板１８を、ターゲット載置台１２に載置されているターゲット１６の上方において対向するように保持する。すなわち、基板保持部材１３は、基板１８を、基板１８の固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極が製膜される側の面を下向きにした状態で、保持する。
【００３６】
回転軸１４は、基板保持部材１３の上側に設けられ、基板１８及び基板保持部材１３と一体に、基板１８の面内で基板１８を回転させる。回転軸１４は、基板保持部材１３に保持される基板１８を、図示しないモータ等である駆動源から伝達される駆動力により回転駆動する。
【００３７】
基板加熱部材１５は、基板保持部材１３の上側に設けられ、基板保持部材１３によって保持されている基板１８を、上方から、すなわち基板１８の固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極が製膜される側の面と反対側から加熱する。また、基板加熱部材１５の付近には、基板１８の温度を測定するための図示しない温度センサが設けられている。温度センサとして、例えば熱電対を用いることができる。
【００３８】
なお、ターゲット載置台１２と基板加熱部材１５は、ターゲット１６と基板１８とが、後述するように、平面視において同心でなく、例えば、ターゲット１６の中心が基板１８の中心と外周との略中間に位置するように設けられる。
【００３９】
ガス排気系３は、排気管３２、及び真空チャンバー１内の空気を排出するポンプ３３を有する。ガス給気系３１は、ガス導入配管３１を有する。
【００４０】
レーザー光学系４は、レーザー発振器４１、反射ミラー４２ａ、４２ｂ、集光レンズ４３を有する。レーザー発振器４１は、例えば紫外レーザーであるＫｒＦエキシマレーザーを発振する。
【００４１】
真空チャンバー移動機構５は、ＸＹステージであり、Ｘステージ５１、Ｙステージ５２、真空チャンバー支持部材５３を有する。ここで、＋Ｘ方向は、図１における右方向であり、−Ｘ方向は、図１における左方向である。また、＋Ｙ方向は、図１における紙面に垂直な奥に向いた方向であり、−Ｙ方向は、図１における紙面に垂直な手前に向いた方向である。また、＋Ｚ方向は、図１における上方向であり、−Ｚ方向は、図１における下方向である。
【００４２】
真空チャンバー移動機構５は、真空チャンバー支持部材５３により支持する真空チャンバー１を、Ｘステージ５１により、Ｘ方向に移動させる。Ｘステージ５１として、例えばリニアモータ駆動のステージを用いることができる。
【００４３】
また、真空チャンバー移動機構５は、真空チャンバー支持部材５３により支持する真空チャンバー１を、Ｙステージ５２により、Ｙ方向に往復運動させる。Ｙステージ５２も、Ｘステージ５１と同様に、例えばリニアモータ駆動のステージを用いることができる。
【００４４】
次に、真空チャンバーの内部の詳細な構成について説明する。
【００４５】
真空チャンバー１は、真空チャンバー本体１０１、真空チャンバー蓋１０２、レーザー光導入窓１１１を有する。真空チャンバー本体１０１は、上端が開口部１０３により開口された形状を有し、その上面を覆うように、真空チャンバー蓋１０２が取外し可能に設けられている。真空チャンバー蓋１０２は、真空チャンバー本体１０１の開口部１０３の外周縁部１０４との間にＯリング１０５を挟んでネジ止めされており、真空チャンバー１内を気密可能に封止している。真空チャンバー蓋１０２には、回転軸に図示しない駆動源から回転駆動力を伝達するための回転導入ポート１０６を始めとして、基板加熱部材１５に電流を供給するための図示しない電流導入ポート、基板１８の温度を測定する図示しない熱電対の端子導入ポート、その他予備ポート等が設けられている。
【００４６】
真空チャンバー本体１０１の側壁部１０７には、前述したように、レーザー光導入窓１１１が設けられている。レーザー光導入窓１１１は、ターゲット載置台１２に載置されているターゲット１６の照射領域２１に、レーザー光が入射する方向のターゲット表面とのなす角である入射角を、θとして入射することができるように設けられる。θとして、例えば３０°とすることができる。レーザー光導入窓１１１は、ともに石英ガラス等よりなる。
【００４７】
また、真空チャンバー１内には、前述したように、ターゲット載置台１２、基板保持部材１３、回転軸１４、及び基板加熱部材１５が設けられている。
【００４８】
ターゲット載置台１２は、複数のターゲットとターゲット載置台がそれぞれ回転（自転）できるように構成されている。ターゲット載置台１２は、ターゲット載置台１２１、１２２等の複数のターゲット載置台及びターゲット載置台より鉛直方向下方に向けて延在する中心回転軸１２３を有する。中心回転軸１２３は、ターゲット載置台１２１、１２２のそれぞれに対応して設けられるターゲット回転軸１２４、１２５の中間に設けられる。あるいは、ターゲット載置台１２１、１２２等が３個以上設けられている場合には、中心回転軸１２３は、中心回転軸１２３を中心として、３個以上のターゲット載置台が環状に配列するように、環状に配列するターゲット回転軸の中心に設けられてもよい。ターゲット回転軸１２４、１２５には、ギヤ１２６、１２７が設けられている。中心回転軸１２３には、ギヤ１２６、１２７に対応する鉛直方向に対応する高さにおいて、ギヤ１２８が設けられている。ギヤ１２８は、ギヤ１２６、１２７と係合している。また、中心回転軸１２３は、真空チャンバー本体１０１の底面部１０８に設けられた回転導入ポート１０９から導入され、図示しないモータ等の駆動源により回転駆動される。従って、ターゲット載置台１２１は、ターゲット回転軸１２４が、図示しない駆動源により回転駆動される中心回転軸１２３より、ギヤ１２８、１２６を介して回転駆動される。また、ターゲット載置台１２２は、ターゲット回転軸１２５が、図示しない駆動源により回転駆動される中心回転軸１２３より、ギヤ１２８、１２７を介して回転駆動される。
【００４９】
また、ターゲット載置台１２は、載置された複数のターゲットが公転できるように構成されている。ターゲット載置台１２は、ギヤ１２９ａ、ギヤ１２９ｂを有する。ギヤ１２９ｂは、回転軸１２９ｃを有する。回転軸１２９ｃは、真空チャンバー本体１０１の底面部１０８に設けられた回転導入ポート１２９ｄから導入され、図示しないモータ等の駆動源により回転駆動される。ギヤ１２９ａは、回転軸１２９ｃを有するギヤ１２９ｂより回転駆動力を伝達され、中心回転軸１２３と同心に設けられた回転軸１２９ｅの周りに回転することができる。この回転により、ターゲット載置台１２に載置された複数のターゲットが公転する。
【００５０】
あるいは、本実施の形態に係る真空チャンバー１では、前述した真空チャンバー蓋１０２と真空チャンバー本体１０１の外周縁部１０４との間に、それぞれＯリング１０５を介して挟むことが可能な、厚さの異なる複数枚の高さ調整リングを用意しておき、挟む調整リングの枚数又は厚さを変えることにより、ターゲット載置台１２に載置されるターゲット１６と、基板保持部材１３に保持される基板１８との距離である基板ターゲット間距離を変えることもできる。
【００５１】
基板保持部材１３は、基板１８の外周を上下から挟持して支持する外周狭持部１３１と、基板１８の固体酸化物燃料電池を構成する各種の膜を製膜する側（下側）と反対側（上側）から基板１８に当接する基板当接部１３２とを有する。外周狭持部１３１は、基板１８の外周の全部又は一部を、基板１８と基板当接部１３２とを重ねた状態で挟持するように構成することができる。また、基板当接部１３２は、回転軸１４に支持されるように設けられる。基板当接部１３２の平面視における形状は、例えば２つの線状部材を回転軸１４に取り付けられる中心部分で直交させる十字形状にすることができる。または、回転軸１４に取り付けられる中心部分から放射状に半径方向に延在する複数の線状部材よりなる放射形状にすることができる。あるいは、基板と同じ形状である円板形状にすることができる。このうち、円板形状の外周のみ円板を残したドーナツ形状とし、その内部を十字形状にすることが特に望ましい。この形状が特に望ましいのは、後述する基板加熱部材１５としてハロゲンランプを用いる場合に、ハロゲンランプからの光が基板に直接当たる面積を増大させ、基板加熱部材１５の加熱効率を向上させること、基板１８を回転する基板保持部材１３に安定して保持することができるためである。
【００５２】
複数の基板加熱部材１５は、基板保持部材１３の上側に設けられ、基板保持部材１３に保持されている基板１８を、基板１８の固体酸化物燃料電池を構成する各種の膜が製膜される側と反対側から加熱する。基板加熱部材１５として、例えばハロゲンランプを用いることができる。複数の基板加熱部材１５であるハロゲンランプは、回転軸１４を中心として環状に配列されている。このように、ハロゲンランプ１５を、回転軸１４を中心として環状に配列するように設けることにより、回転軸１４を、基板保持部材１３に保持される基板１８の中心直上に設けることができる。また、ハロゲンランプ１５からの熱を略中心軸に対して軸対称に基板に付与することができるため、基板面内での温度の均熱性に優れる。
【００５３】
複数の基板加熱部材１５は、基板加熱部材支持部１５１に支持される。基板加熱部材支持部１５１は、回転軸１４を中心として基板１８と反対側、すなわち基板加熱部材１５の上側に設けられ、冷却水を通水する冷却水管路１５２を有する。基板加熱部材支持部１５１の外周下側には、基板加熱部材１５の熱が外周方向に拡散することを防止する保護部材１５３が設けられている。また、基板加熱部材支持部１５１は、支持部材１５４により、例えば真空チャンバー蓋１０２に取り付けられる。
【００５４】
次に、レーザー蒸着法を用いた製膜の原理及び製膜される膜質が面内で不均一になる要因について説明する。
【００５５】
レーザー蒸着法は、集光したレーザー光をターゲットに照射し、ターゲット表面においてターゲット材料を昇華させることにより、ターゲットに対向して保持されている基板に薄膜を蒸着する方法である。具体的には、レーザー光をターゲットに照射することによって、ターゲットの表面からターゲット材料が昇華するとともにターゲットの表面が削られ（アブレーションされ）、蒸着物質群であるプルームが発生し、プルームとしてターゲット材料が飛び出してくる。プルーム中では、昇華したターゲット材料の濃度分布は、ターゲットのレーザー照射位置の直上の部分を中心とし、中心から周囲に向けて減衰する分布を有する。従って、ターゲットに対向して配置された基板表面では、プルームの中心に近い領域から離れるに従って蒸着される膜の膜厚が減少し、基板の表面のそれぞれの場所で、膜厚が不均一になることがある。
【００５６】
また、レーザー蒸着法による製膜の条件を表すパラメータとしては、以下の９つの条件が知られている。
（１）レーザーエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ２）
（２）繰返し周波数（Ｈｚ）
（３）レーザー出力（Ｊ／ｓ）
（４）レーザー波長（ｎｍ）
（５）酸素分圧
（６）基板温度
（７）レーザーショット数
（８）ターゲット材料
（９）基板ターゲット間距離
上記の条件に加え、レーザー蒸着法を用いて製膜される膜の基板の面内での膜質の分布を左右する条件として、
（１０）ターゲット表面のレーザー照射位置と基板との相対位置（基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置）
がある。
【００５７】
また、レーザー蒸着法では、ターゲット材料は、主として、レーザー光による光励起によって化学的結合を切られたターゲット材料が蒸着される電子的蒸着機構、又はレーザー光による加熱によってターゲットの表面が融点を超えることによってターゲット材料が蒸着される熱的蒸着機構等により、昇華させられる。このうち、熱的蒸着機構によってターゲット材料が蒸着される際には、電子的蒸着機構に比べより大きな塊で蒸着される。またターゲットへ入射するレーザー光のエネルギー密度が大きい場合には、レーザー光のエネルギー密度が小さい場合よりも大きな塊で蒸着される。また、ターゲット材料が大きな塊で蒸着されるほど、製膜される膜の製膜速度が大きくなるとともに、多孔質膜になる。レーザー波長が短い紫外レーザー光を用いる場合には、電子的蒸着機構及び熱的蒸着機構の両方によってターゲット材料が蒸着される。従って、レーザー光のターゲット表面への入射角度が変動し、レーザーのエネルギー密度が変動する場合には、製膜される膜の膜質も変動する。
【００５８】
以上より、レーザー蒸着法を用いて大型の基板上に固体電解質燃料電池を製膜する場合、基板面内で膜厚及び膜構造を含めた膜質を均質にし、大面積の製膜を行うには、レーザー光の入射角度を一定に保持したまま、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置をできるだけ広い範囲で移動させることが必要である。
【００５９】
次に、図２から図６を参照し、本実施の形態に係る製膜装置において、レーザー光学系の反射ミラーを移動させる方法よりも簡便な方法により、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を移動させることができ、支持基板の表面に面内で均質な膜を製膜することができる効果について説明する。
【００６０】
図２は、本実施の形態に係る製膜装置におけるターゲットがレーザー光に照射される状態を示す図である。図２（ａ）は、ターゲットがレーザー光に照射される状態を上方から見た図であり、図２（ｂ）は、照射域及び照射エリアをターゲットと基板及び基板とを重ね合わせた状態で正面から視た図である。図３から図５は、本実施の形態に係る製膜装置におけるターゲットのレーザー照射域、ターゲットのレーザー照射エリア、及び基板の基板製膜エリアを、上方から視た図である。図３から図５においては、基板を、ターゲット上から＋Ｙ方向にずらした状態で示している。図６は、本実施の形態に係る製膜装置における基板の製膜エリアを示す平面図である。
【００６１】
なお、図２（ａ）において、＋Ｘ方向は右方向（−Ｘ方向は左方向）であり、＋Ｙ方向は上方向（−Ｙ方向は下方向）であり、＋Ｚ方向は紙面に垂直な手前に向いた方向（−Ｚ方向は奥に向いた方向）である（図３から図５においても同じ）。
【００６２】
また、図２（ｂ）において、＋Ｘ方向は右方向（−Ｘ方向は左方向）であり、＋Ｚ方向は上方向（−Ｚ方向は下方向）であり、＋Ｙ方向は紙面に垂直な奥に向いた方向（−Ｙ方向は手前に向いた方向）である。
【００６３】
以下では、真空チャンバー１が、図１に示すＸＹステージである真空チャンバー移動機構５により、ターゲット載置台１２及び基板保持部材１３と一体的にＸ方向に移動し、Ｙ方向に移動又は往復運動する場合を説明する。
【００６４】
図２（ａ）に示すように、ターゲット１６と基板１８は、所定の大小関係を有することが好ましい。例えば、ターゲット１６の直径が、基板１８の半径と等しいか又はそれ以上であることが好ましい。すなわち、ターゲット１６の半径をｒ１、基板１８の半径をｒ２とするとき、２ｒ１≧ｒ２であることが好ましい。
【００６５】
なお、２ｒ１≧ｒ２の条件が好ましいのは、一つのみのレーザー光路を有する場合であって、複数のレーザー光路を有する場合には、後述するように、２ｒ１＜ｒ２であってもよい。
【００６６】
また、図２（ａ）に示すように、ターゲット１６と基板１８は、平面視において同心でなく配置されることが好ましい。例えば、ターゲット１６が、平面視において、基板の中心と外周上の特定の点とを含むように配置されることが好ましい。すなわち、ターゲット１６の中心を点ＣＴ、基板１８の中心を点ＣＳ、外周上の特定の点を点ＥＳとすると、点ＣＴは、平面視において、点ＣＳと点ＥＳとの間にあることが好ましい。また、例えば２ｒ１＝ｒ２、すなわちターゲット１６の直径が基板の半径に等しい場合に、点ＣＴが点ＣＳと点ＥＳのちょうど中間に配置されるように、点ＣＴが点ＣＳと点ＥＳとの略中間に配置されることが好ましい。
【００６７】
ここで、真空チャンバー１がＸ方向の移動範囲の略中心付近にあるとき（このときをＸ＝０とする）は、レーザー光がターゲット１６を照射するレーザー照射域は、図２（ａ）に示す小さな矩形で囲まれた領域２１ｂになる。これは、レーザー光発振器から出力発振されるレーザー光が、Ｙ方向に移動又は往復運動することにより略矩形状に分布するためである。同様に、真空チャンバー１がＸ方向の移動範囲のＸ＞０にあるときは、レーザー光がターゲット１６を照射する照射域は、図２（ａ）に示す小さな矩形で囲まれた領域２１ａになる。また同様に、真空チャンバー１がＸ方向の移動範囲のＸ＜０にあるときは、レーザー光がターゲット１６を照射するレーザー照射域は、図２（ａ）に示す小さな矩形で囲まれた領域２１ｃになる。更に、レーザー照射域がそれぞれ領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃになるときの基板１８の基板製膜エリアは、図２（ｂ）に示すように、領域２３ａ、２３ｂ、２３ｃになる。
【００６８】
図２（ａ）におけるレーザー照射域が領域２１ａになる場合において、基板１８をターゲット１６上から＋Ｙ方向にずらした状態を、図３に示す。レーザー照射域が領域２１ａになる場合には、ターゲット１６がターゲット載置台１２により回転（自転）するため、ターゲット１６がレーザー光により照射され、表面が削られる（アブレーションされる）領域であるレーザー照射エリアは、図３に示す領域２２ａになる。
【００６９】
一方、ターゲット１６がアブレーションされて発生する原料は、対向して保持される基板１８に製膜される。前述したレーザー出力、酸素分圧、ターゲット材料、基板ターゲット間距離等の種々の製膜条件等によって基板上に製膜される膜厚の平面内での分布は若干変化するものの、製膜される薄膜は、ターゲット１６のレーザー照射域２１ａを略垂直に投影した部分になる。また、基板１８が回転軸１４により回転している。従って、基板１８の基板製膜エリアは、凡そ図３に示す領域２３ａになる。基板製膜エリア２３ａは、基板の最外周側に位置するドーナツ状の領域である。
【００７０】
次に、図２（ａ）におけるレーザー照射域が領域２１ｂになる場合において、基板１８をターゲット１６上から＋Ｙ方向にずらした状態を、図４に示す。レーザー照射域が領域２１ｂになる場合には、ターゲット１６がターゲット載置台１２により回転（自転）するため、ターゲット１６がレーザー光により照射され、表面が削られる（アブレーションされる）領域であるレーザー照射エリアは、図４に示す領域２２ｂになる。
【００７１】
一方、ターゲット１６がアブレーションされて発生する原料は、対向して保持される基板１８に製膜される。図３の場合と同様に、製膜される薄膜は、ターゲット１６のレーザー照射域２１ｂを略垂直に投影した部分になる。また、基板１８が回転軸１４により回転している。従って、基板１８の基板製膜エリアは、凡そ図４に示す領域２３ｂになる。基板製膜エリア２３ｂは、前述した基板製膜エリア２３ａよりも中心側に位置するドーナツ状の領域である。
【００７２】
次に、図２（ａ）におけるレーザー照射域が領域２１ｃになる場合において、基板１８をターゲット１６上から＋Ｙ方向にずらした状態を、図５に示す。レーザー照射域が領域２１ｃになる場合には、ターゲット１６がターゲット載置台１２により回転（自転）するため、ターゲット１６がレーザー光により照射され、表面が削られる（アブレーションされる）領域であるレーザー照射エリアは、図５に示す領域２２ｃになる。
【００７３】
一方、ターゲット１６がアブレーションされて発生する原料は、対向して保持される基板１８に製膜される。図３及び図４の場合と同様に、製膜される薄膜は、ターゲット１６のレーザー照射域２１ｃを略垂直に投影した部分になる。また、基板１８が回転軸１４により回転している。従って、基板１８の基板製膜エリアは、図５に示す領域２３ｃになる。基板製膜エリア２３ｃは、基板の中心ＣＳを含み、前述した基板製膜エリア２３ｂよりも中心側に位置する円形状の領域である。
【００７４】
ここで、図３から図５における基板製膜エリア２３ａ、２３ｂ、２３ｃを合わせて図示した場合を図６に示す。図６に示すように、基板製膜エリア２３ａ、２３ｂ、２３ｃを合わせることにより、基板１８の全面をカバーすることができる。従って、本実施の形態では、真空チャンバー１が、真空チャンバー移動機構５により、ターゲット載置台１２及び基板保持部材１３と一体的に、Ｙ方向に移動又は往復運動し、かつ、Ｘ方向に移動することによって、基板１８の全面に膜を製膜することができる。すなわち、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を移動させることにより、基板面内で均質な膜を製膜することができる。
【００７５】
一方、従来の製膜装置においては、真空チャンバー１を二次元的に移動又は往復運動させることはせず、レーザー光学系の集光レンズ又は反射ミラーを移動させる。
【００７６】
例えば、集光レンズ４３を移動させることによって、ターゲット１６のレーザー照射域２１を移動させる場合には、ターゲット１６の表面に入射するレーザー光がターゲットの表面となす角である入射角θとフォーカスが変動してしまい、基板１８の中心側と外周側とで膜質が変動してしまうという問題がある。
【００７７】
また、反射ミラー４２ａ、４２ｂを移動させることによって、ターゲット１６のレーザー照射域を２１ａから２１ｃの間で移動させる場合には、複数の反射ミラー４２ａ、４２ｂを移動させるための移動機構を複数設けなくてはならない上に、２つの反射ミラー４２ａ、４２ｂと集光レンズ４３を連動させるように制御しなくてはならないため、制御が複雑になる。
【００７８】
従って、本実施の形態に係る製膜装置によれば、真空チャンバーがターゲット載置台と一体的にＸ軸方向に移動可能に加えＹ軸方向に移動又は往復運動可能に設けられることにより、レーザー光学系の反射ミラーを移動させる方法よりも簡便な方法により、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を移動させることができ、基板面内で均質な膜を製膜することができる。
【００７９】
なお、本実施の形態に係る真空チャンバー移動機構と併用して、集光レンズをも移動させてもよい。真空チャンバー移動機構を一軸方向のみ移動可能とし、もう一軸方向に集光レンズを移動又は往復運動させることにより、制御機構を複雑にすることなく、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を、広範囲に容易に移動させることができる。従って、大面積の膜を容易に製膜することができる。
【００８０】
さらに、本実施の形態に係る真空チャンバー移動機構と併用して、集光レンズ及び反射ミラーを移動させてもよい。反射ミラーを移動させるのに加え、集光レンズを移動させることにより、基板から視たときのターゲット材料を昇華させる位置を、更に広範囲に容易に移動させることができる。従って、更に大面積の膜を容易に製膜することができる。
【００８１】
また、本実施の形態では、ターゲットの上面側がレーザー光に照射され、基板はターゲットの上方に保持される。しかし、ターゲットと基板の位置関係は、特に限定されるものではない。従って、ターゲットと基板の上下の位置関係を逆にし、ターゲットの下面側がレーザー光に照射され、基板がターゲットの下方に保持されてもよい。更に、ターゲット及び基板を互いに水平方向に沿って対向するように配置してもよい。
【００８２】
また、本実施の形態では、基板保持部材を真空チャンバーと一体的に移動に加え往復運動させる。しかし、基板保持部材を真空チャンバーと独立して移動や往復運動させてもよい。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００８４】
なお、本発明における製膜装置は、基板上に固体酸化物燃料電池の燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極を製膜する場合に限定して適用されるものではなく、基板上に、燃料極、電解質膜、空気極又は集電電極以外の膜であって固体酸化物燃料電池を構成する各種の酸化物その他の材料を含む膜を製膜する場合にも適用することができる。また、本発明における製膜装置は、固体酸化物燃料電池を構成する各種の膜を製膜する場合に限定して適用されるものではなく、その他各種の場合において、基板上に各種の酸化物その他の材料を含む膜を製膜する場合に適用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１  真空チャンバー
３  ガス排気系
４  レーザー光学系
５  真空チャンバー移動機構
１２、１２１、１２２  ターゲット載置台
１３  基板保持部材
１４  回転軸
１５  基板加熱部材（ハロゲンランプ）
１６  ターゲット
１７  プルーム
１８  基板
２１、２１ａ〜２１ｃ  レーザー照射域
２２、２２ａ〜２２ｃ  レーザー照射エリア
２３、２３ａ〜２３ｃ  基板製膜エリア
３１  ガス給気系（ガス導入配管）
３２  排気管
３３  ポンプ
４１  レーザー発振器
４２ａ、４２ｂ  反射ミラー
４３  集光レンズ
５１  Ｘステージ
５２  Ｙステージ
５３  真空チャンバー支持部材
１０１  真空チャンバー本体
１０２  真空チャンバー蓋
１０３  開口部
１０４  外周縁部
１０５  Ｏリング
１０６、１０９、１２９ｄ  回転導入ポート
１０７  側壁部
１０８  底面部
１１１  レーザー光導入窓
１２３  中心回転軸
１２４、１２５、１２９ｃ、１２９ｅ  回転軸
１２６、１２７、１２８、１２９ａ、１２９ｂ  ギヤ
１３１  外周狭持部
１３２  基板当接部
１５１  基板加熱部材支持部
１５２  冷却水管路
１５３  保護部材
１５４  支持部材
【図１】
2011021215.tif 000003
【図２】
2011021215.tif 000004
【図３】
2011021215.tif 000005
【図４】
2011021215.tif 000006
【図５】
2011021215.tif 000007
【図６】
2011021215.tif 000008