(57)【要約】【課題】電極をクリーニングする際の熱変形を低減し、成膜時の異常放電を防止することができるプラズマＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】プラズマＣＶＤ装置１は、導体部１１と、電極１２と、電極１２の異なる位置の温度を測定する２つの温度センサ５１、５２と、電極１２と導体部１１またはワークＷとの間に印加する電圧を制御する制御装置６０とを備える。制御装置６０は、ワークＷに前記炭素皮膜を成膜する処理が完了するごとにクリーニング制御を行うものであり、２つの温度センサ５１、５２により測定された温度差が、所定の温度差以上となったときに、次回のクリーニング制御において印加する電圧値を、前回のクリーニング制御において印加した電圧値よりも下げて、電極１２に付着した炭素皮膜Ｃ２を除去する。【選択図】図２
2019157150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室内に成膜用の炭化水素系ガスを導入し、導体部に設置されたワークを陽極として、前記ワークに対向して配置された電極を陰極とし、前記ワークと前記電極との間に電圧を印加して、前記炭化水素系ガスをプラズマ化し、炭化水素系ガス由来の炭素皮膜をワークに成膜するプラズマＣＶＤ装置であって、
前記プラズマＣＶＤ装置は、
前記導体部と、
前記電極と、
前記電極の異なる位置の温度を測定する２つの温度センサと、
前記電極と、前記導体部または前記ワークと、の間に印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ワークに前記炭素皮膜を成膜する処理が完了するごとに、前記導体部から前記ワークを取り外し、前記成膜室内に不活性ガスを導入し、前記導体部を陰極とし、前記電極を陽極として、前記導体部と前記電極との間に電圧を印加することにより、前記不活性ガスをプラズマ化して、前記電極に付着した炭素皮膜を除去するクリーニング制御を行うものであり、
前記制御装置は、前記２つの温度センサにより測定された温度差が、所定の温度差以上となったときに、次回のクリーニング制御において印加する電圧値を、前回のクリーニング制御において印加した電圧値よりも下げて、前記電極に付着した炭素皮膜を除去す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、プラズマＣＶＤによりワークに炭素皮膜を成膜する際に、陰極の表面に形成された炭素皮膜を好適に除去することができるプラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池用のセパレータとなるワークなどには、導電性および耐食性を高めるため、ワークの表面に炭素皮膜を成膜することがある。例えば、炭素皮膜を成膜する方法として、プラズマＣＶＤ、スパッタリングなどのＰＶＤ等を利用した成膜方法が知られている。
【０００３】
プラズマＣＶＤによりワークの表面に炭素皮膜を成膜する装置として、プラズマＣＶＤ装置が利用されている。この装置は、ワークを陽極とし、成膜用（プラズマ生成用）の陰極を備えている。成膜時には、成膜室内に、炭化水素系ガスを導入し、ワークと陰極との間に電圧を印加することにより、ワークの表面に炭化水素系ガス由来の炭素皮膜を成膜する。
【０００４】
ここで、成膜時にプラズマ化した炭化水素系ガスの炭素は、陰極に付着することがあり、この陰極に付着した炭素により、電極間に電圧を印加した際に、異常放電が発生し、炭素皮膜の成膜が阻害されることがある。このような点を鑑みて、例えば、特許文献１には、ワークへの炭素皮膜の成膜後に、陰極に付着した炭素皮膜を、プラズマ化したアルゴンガスなどの不活性ガスを接触させることにより、除去するようにクリーニング制御を行うプラズマＣＶＤ装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−０８４５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような装置を用いて、炭素皮膜を成膜する成膜制御と、電極に付着した炭素皮膜を除去するクリーニング制御とを、連続して交互に繰り返した場合、電極の温度に偏りが生じてしまい、電極が熱変形することがある。この電極の熱変形により、電極から炭素皮膜を除去したにも拘わらず、成膜時に異常放電するおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明では、電極をクリーニングする際の熱変形を低減し、成膜時の異常放電を防止することができるプラズマＣＶＤ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑みて、本発明は、成膜室内に成膜用の炭化水素系ガスを導入し、導体部に設置されたワークを陽極として、前記ワークに対向して配置された電極を陰極とし、前記ワークと前記電極との間に電圧を印加して、前記炭化水素系ガスをプラズマ化し、炭化水素系ガス由来の炭素皮膜をワークに成膜するプラズマＣＶＤ装置であって、前記プラズマＣＶＤ装置は、前記導体部と、前記電極と、前記電極の異なる位置の温度を測定する２つの温度センサと、前記電極と、前記導体部または前記ワークと、の間に印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ワークに前記炭素皮膜を成膜する処理が完了するごとに、前記導体部から前記ワークを取り外し、前記成膜室内に不活性ガスを導入し、前記導体部を陰極とし、前記電極を陽極として、前記導体部と前記電極との間に電圧を印加することにより、前記不活性ガスをプラズマ化して、前記電極に付着した炭素皮膜を除去するクリーニング制御を行うものであり、前記制御装置は、前記２つの温度センサにより測定された温度差が、所定の温度差以上となったときに、次回のクリーニング制御において印加する電圧値を、前回のクリーニング制御において印加した電圧値よりも下げて、前記電極に付着した炭素皮膜を除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、温度センサにより、電極の異なる位置で測定された温度の温度差が、所定の温度差以上になる場合には、この温度差が起因となる熱変形が電極に生じると判断し、次のクリーニング制御時に、印加する電圧を前回の電圧よりも下げる。これにより、次回のクリーニング制御時には、電極の異なる位置で測定された温度の温度差が小さくなり、電極の熱変形を抑え、電極における成膜時の異常放電を防止することができる。
【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装置による成膜制御を説明するための模式図である。
【図２】図１に示すプラズマＣＶＤ装置によるクリーニング制御を説明するための模式図である。
【図３】成膜回数と温度差との関係を示したグラフである。
【図４】実施例と比較例に係る成膜方法により成膜した際のプラズマＣＶＤ装置内の磁束密度と、試験体の接触抵抗との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１に示すように、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置１は、例えば、チタンまたはチタン合金からなるワーク（例えば、燃料電池用のセパレータ）の表面に炭素皮膜Ｃ１を成膜するための装置である。プラズマＣＶＤ装置１は、ワークＷを成膜するための成膜室１０と、成膜室１０内でワークＷが設置される導体部１１と、導体部１１に設置されたワークＷに対向する位置に配置された電極１２とを備えている。なお、図示しないが、プラズマＣＶＤ装置は、導体部１１に設置されたワークＷを成膜室１０の外に搬送する搬送装置も備えている。
【００１３】
導体部１１と電極１２とは、電源１３に接続されており、電源１３は、後述する制御装置により、成膜制御およびクリーニング制御において、正極と負極とが反転自在となっている。導体部１１は、ワークＷを設置した際（具体的には取付けた際）に、ワークＷに導通するようになっている。
【００１４】
成膜室１０には、成膜用の炭化水素ガスを供給する成膜ガス供給源２１が、バルブ２２を介して接続されている。また、成膜装置１には、クリーニング用の不活性ガス（本実施形態ではアルゴンガス）を供給するクリーニングガス供給源３１が、バルブ３２を介して接続されている。さらに、成膜室１０には、成膜室１０内の圧力を減圧するための排気ポンプ４０が接続されている。
【００１５】
電極１２の背面側（具体的には導体部１１とは反対側）には、マグネット１５が配置さえており、このマグネット１５により、発生するプラズマを安定させることができる。さらに、電極１２には、異なる位置に２つの温度センサ５１、５２が取付けられている。２つの温度センサ５１、５２のうち、一方の温度センサ５１は、電極１２の中央に取付けられており、他方の温度センサ５２は、電極１２の中央に対して、電極の縁部側に取付けられている。このようにして、電極１２の異なる位置の温度を測定することができる。
【００１６】
プラズマＣＶＤ装置１は、さらに、制御装置６０を備えている。制御装置６０は、ワークＷに炭素皮膜Ｃ１を成膜する成膜制御および電極１２のクリーニング制御を行うものである。
【００１７】
制御装置６０は、制御信号を出力することにより、電源１３の出力電圧および極の反転制御、バルブ２２、３２の開閉制御、排気ポンプ４０の駆動制御が実行できるように、電源１３、バルブ２２、３２、および排気ポンプ４０に接続されている。さらに、制御装置６０は、制御信号を出力することにより、導体部１１に成膜前のワークＷを設置し、成膜後のワークＷを導体部１１から取り外すように上述した搬送装置（不図示）に接続されている。さらに、制御装置６０は、温度センサ５１、５２に接続されており、温度センサ５１、５２で測定された測定信号（温度情報）は制御装置６０に入力される。
【００１８】
このように構成することにより、制御装置６０は、後述する成膜制御とクリーニング制御とを繰り返して行い、順次、ワークＷの表面に炭素皮膜Ｃ１を成膜する。具体的には、成膜制御において、以下の制御を行う。
【００１９】
図１に示すように、まず、不図示の搬送装置を制御することにより、導体部１１にワークＷを設置する。次に、バルブ２２、３２が閉弁状態で、排気ポンプ４０を稼働し、成膜室１０内を減圧する。次に、バルブ２２を開弁することにより、成膜室１０内に成膜用の炭化水素系ガスを導入する。
【００２０】
次に、電源１３を制御することにより、導体部１１に設置されたワークＷを陽極として、電極１２を陰極として、ワークＷと電極１２との間に電圧を印加して、炭化水素系ガスをプラズマ化し、プラズマ化した炭化水素ガスＰ１により、炭素皮膜Ｃ１をワークＷに成膜する。成膜後には、電源１３による電圧の印加を終了するとともに、バルブ２２を閉弁する。
【００２１】
なお、ワークＷがチタンまたはチタン合金からなる場合には、成膜制御前に、バルブ３２を開弁し、導体部１１に設置されたワークＷを陽極として、電極１２を陰極として、ワークＷと電極１２との間に電圧を印加して、ワークＷの表面に形成された酸化皮膜を除去してもよい。
【００２２】
なお、図１に示す成膜制御を行うと、図２に示すように、成膜時に、電極１２の表面に炭素皮膜Ｃ２が形成されることがある。この炭素皮膜Ｃ２が成長すると、電圧の印加時に異常放電が発生し、ワークＷへの炭素皮膜Ｃ１の成膜が損なわれるおそれがある。そこで、制御装置６０は、以下のクリーニング制御を行う。
【００２３】
具体的には、図２に示すように、ワークＷに炭素皮膜Ｃ１を成膜する成膜制御が完了すると、搬送装置を制御することにより、導体部１１からワークＷを取り外す。次に、バルブ３２を開弁することにより、成膜室１０内にアルゴンガスを導入する。
【００２４】
次に、電源１３を制御することにより、導体部１１を陰極とし、電極１２を陽極として、導体部１１と電極１２との間に電圧を印加することにより、アルゴンガスをプラズマ化して、プラズマ化したアルゴンガスＰ２により、電極１２に付着した炭素皮膜Ｃ２を除去する。
【００２５】
本実施形態では、制御装置６０は、２つの温度センサ５１、５２により測定された温度差が、所定の温度差以上となったときに、次回のクリーニング制御時において印加する電圧値を、前回のクリーニング制御において印加した電圧値よりも下げて、電極１２に付着した炭素皮膜Ｃ２を除去する。
【００２６】
本実施形態では、温度センサ５１、５２により、電極１２の異なる位置で測定された温度の温度差が、所定の温度差以上になる場合には、この温度差が起因となる熱変形が電極１２に生じると判断する。この場合には、次のクリーニング制御時に、印加する電圧を前回の電圧よりも下げる。これにより、次回のクリーニング制御時には、電極１２の異なる位置で測定された温度の温度差を小さくし、電極１２の熱変形を抑え、電極１２における成膜時の異常放電を防止することができる。
【実施例】
【００２７】
以下の本発明の実施例を説明する。
【００２８】
（実施例）
表１に示すように、レイヤ１〜１１に区分して、図１に示すプラズマＣＶＤ装置を用いて、ワークであるチタン基材の表面に、成膜処理を行った。レイヤ１および２は、クリーニング制御であり、レイヤ３〜７は、昇温・エッチング制御であり、レイヤ８〜１１は、成膜制御であり、これらを繰り返すことにより、複数のチタン基材の表面に成膜を行った。なお、レイヤとは、所定の時間同じ条件で処理を行う工程のことである。
【００２９】
クリーニング制御では、チタン基材を成膜室内に配置する前に、成膜室内を減圧し、次に、成膜室内のアルゴンガスを導入した。次に、電極を陽極とし、導体部を陰極として、これらの間に、表１に示す範囲で、電圧を印加し、これまでの成膜により電極の表面に付着した炭素皮膜を除去した。
【００３０】
次に、昇温・エッチング制御では、成膜室内にチタン基材を配置し、成膜室内にアルゴンガスを導入し、電極を陰極とし、導体部が配置されたチタン基材を陽極とし、これらの間に、表１に示す電圧を印加した。これにより、プラズマ化したアルゴンガスにより、チタン基材が昇温されるとともに、チタン基材の表面に形成された酸化皮膜を除去した（エッチングした）。
【００３１】
成膜制御では、成膜室内を減圧し、次に、成膜室内のアセチレンガスを導入した。次に、電極を陰極とし、導体部が配置されたチタン基材を陽極とし、これらの間に、表１に示す電圧を印加した。これにより、チタン基材の表面に炭素皮膜を成膜した。
【００３２】
【表１】
2019157150.tif 000003
【００３３】
なお、レイヤ１およびレイヤ２における電圧をそれぞれ設定し、この設定された電圧によるクリーニング制御から成膜制御までを繰り返した時の異常放電の発生回数を測定した。この結果を、表２に示す。表２からも明らかなように、レイヤ１およびレイヤ２の電圧が高いほど、電極の表面に付着した炭素皮膜が効果的に除去されていることが確認できた。これにより、クリーニング制御時の電圧が高いほど電極の表面における異常放電の発生回数が低減されると考えられる。
【００３４】
【表２】
2019157150.tif 000004
【００３５】
次に、表３に示す条件で、本実施形態に係る制御装置を用いて、チタン基材の表面に成膜を行った。この制御装置では、レイヤ１またはレイヤ２において、２つの温度センサの温度差が１９５℃以上になったときに、次のクリーニング制御時において印加する電圧を下げるように設定されている。この結果を表３および図３に示す。なお、理論上、２つの温度センサの温度差が２００℃を超えたときに、電極の塑性変形が発生する。
【００３６】
【表３】
2019157150.tif 000005
【００３７】
この結果から、表３および図３に示すように、成膜回数が７回目となったときに、温度センサの温度差が１９５℃（具体的にはレイヤ１で１９５℃）となり、成膜回数８回目におけるクリーニング制御時に、温度センサの温度差が、２００℃以上になるおそれがある。したがって、成膜回数８回目では、制御装置により、レイヤ１およびレイヤ２における電圧値を、成膜回数７回目よりも小さくすることにより、成膜回数８回目の電極の温度差が小さくなり、電極の熱変形を抑えることができると考えられる。
【００３８】
（比較例）
実施例と同じように、チタン基材の表面に炭素皮膜を成膜した。実施例と相違する点は、制御装置により、温度センサの温度差に基づく制御を行っていない点である。
【００３９】
＜評価試験＞
成膜後の実施例および比較例のプラズマＣＶＤ装置に対して、成膜室内のマグネットによる磁束の密度を測定した。この結果を図４に示す。さらに、実施例および比較例のチタン基材に炭素皮膜が成膜された試験体の接触抵抗を測定した。この結果を図４に示す。
【００４０】
〔結果〕
図４に示すように、実施例のプラズマＣＶＤ装置の成膜室内の磁束密度は、比較例のものよりも高く、得られた試験体の接触抵抗は低かった。このことから、実施例１のプラズマＣＶＤ装置を用いてクリーニング制御を行った場合、電極の熱変形が少なく、これにより、成膜室内の磁束密度も安定し、良好な炭素皮膜が成膜されたと考えられる。
【００４１】
以上、本発明の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。
【００４２】
本実施形態では、２つの温度センサの温度差が所定の温度差以上となったときに、次回のクリーニング制御の電圧を下げたが、単位時間あたりの温度差の上昇率が、所定の値以上となったときに、同様の制御を行ってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１：プラズマＣＶＤ装置、１０：成膜室、１１：導体部、１２：電極、１３：電源、５１，５２：温度センサ、６０：制御装置、Ｃ１，Ｃ２：炭素皮膜、Ｗ：ワーク
【図１】
2019157150.tif 000006
【図２】
2019157150.tif 000007
【図３】
2019157150.tif 000008
【図４】
2019157150.tif 000009