(57)【要約】【課題】  炭素含有層が形成されることを抑制することができる成膜装置および成膜方法を提供する。【解決手段】  成膜装置（２００）は、水素透過性を有する水素分離膜（３１）の上に電解質膜を成膜する成膜装置（２００）であって、水素分離膜（３１）を配置するチャンバ（３０）と、成膜装置（２００）内に設けられ水素分離膜（３１）と同等以上の二酸化炭素吸着性を有する吸着部材（３５）と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る成膜装置（２００）によれば、吸着部材（３５）に二酸化炭素が吸着される。それにより、水素分離膜（３１）の成膜面における炭素含有層の形成を抑制することができる。【選択図】        図１
2008214694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素透過性を有する水素分離膜の上に電解質膜を成膜する成膜装置であって、
前記水素分離膜を配置するチャンバと、
前記成膜装置内に設けられ前記水素分離膜と同等以上の二酸化炭素吸着性を有する吸着部材と、を備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記吸着部材は、前記チャンバ内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記吸着部材の露出面の表面積は、前記水素分離膜の露出面の表面積に比較して大きいことを特徴とする請求項１〜２記載の成膜装置。
【請求項４】
前記吸着部材は、少なくとも１つの凹凸を有することを特徴とする請求項３記載の成膜装置。
【請求項５】
前記水素分離膜を加熱する加熱手段と、
前記水素分離膜と前記吸着部材との間に配置された断熱部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記吸着部材は、前記水素分離膜の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項７】
前記チャンバ内にガスを導入するための導入管をさらに備え、
前記吸着部材は、前記導入管に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
前記水素分離膜は、少なくとも表面の一部にパラジウムを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項９】
前記吸着部材は、金属水酸化物であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１０】
前記吸着部材は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物であることを特徴とする請求項９記載の成膜装置。
【請求項１１】
前記吸着部材は、金属酸化物であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１２】
前記吸着部材は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物であることを特徴とする請求項１１記載の成膜装置。
【請求項１３】
前記吸着部材は、金属からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１４】
前記吸着部材は、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウムおよび金のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３記載の成膜装置。
【請求項１５】
水素透過性を有する水素分離膜上に電解質膜を成膜する成膜方法であって、
前記電解質膜を成膜する成膜装置内に前記水素分離膜と同等以上の二酸化炭素吸着性を有する吸着部材を配置する配置工程と、
前記配置工程後に、前記水素分離膜上に前記電解質膜を成膜する成膜工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
【請求項１６】
前記配置工程は、前記成膜装置のチャンバ内に前記吸着部材を配置する工程であることを特徴とする請求項１５記載の成膜方法。
【請求項１７】
前記配置工程は、前記成膜装置のガス導入管に前記吸着部材を配置する工程であることを特徴とする請求項１５記載の成膜方法。
【請求項１８】
前記水素分離膜を加熱手段により加熱する加熱工程をさらに含み、
前記成膜工程は、前記加熱手段から前記吸着部材への熱伝導を抑制しつつ前記水素分離膜上に前記電解質膜を成膜する工程であることを特徴とする請求項１５〜１７記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜を、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）等により積層することにより製造される（例えば、特許文献１参照）。水素分離膜に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質膜中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５１５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような水素分離膜電池においては、電解質膜の成膜時に、例えば成膜装置のチャンバ内に存在する炭素、炭素化合物等が、水素分離膜の電解質膜が成膜される面に付着することがある。この場合、炭素を含む層（以下、炭素含有層と称する。）が形成されることがある。炭素含有層が形成されると、電解質膜のプロトン伝導性が低下するおそれがある。また、水素分離膜と電解質膜とが剥離するおそれがある。
【０００６】
本発明は、炭素含有層の形成を抑制することができる成膜装置および成膜方法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】
【０００７】
本発明に係る成膜装置は、水素透過性を有する水素分離膜の上に電解質膜を成膜する成膜装置であって、水素分離膜を配置するチャンバと、成膜装置内に設けられ水素分離膜と同等以上の二酸化炭素吸着性を有する吸着部材と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る成膜装置によれば、吸着部材に二酸化炭素が吸着される。それにより、水素分離膜の成膜面における炭素含有層の形成を抑制することができる。
【０００８】
上記構成において、吸着部材は、チャンバ内に設けられていてもよい。この構成によれば、チャンバ内に含まれている二酸化炭素を吸着部材によって効率よく吸着することができる。それにより、水素分離膜の成膜面における炭素含有層の形成を抑制することができる。
【０００９】
上記構成において、吸着部材の露出面の表面積は、水素分離膜の露出面の表面積に比較して大きいものであってもよい。上記構成において、吸着部材は、少なくとも１つの凹凸を有するものであってもよい。この構成によれば、二酸化炭素が吸着される領域が大きくなるため、吸着部材の二酸化炭素の吸着量が多くなる。
【００１０】
上記構成において、水素分離膜を加熱する加熱手段と、水素分離膜と吸着部材との間に配置された断熱部材と、をさらに備えるものであってもよい。この構成によれば、断熱部材が吸着部材の温度上昇を抑制することができる。それにより、吸着部材の二酸化炭素吸着性を維持することができる。
【００１１】
上記構成において、吸着部材は、水素分離膜の近傍に配置されているものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜の成膜面における炭素含有層の形成をさらに抑制することができる。
【００１２】
上記構成において、チャンバ内にガスを導入するための導入管をさらに備え、吸着部材は、導入管に配置されているものであってもよい。この構成によれば、酸素供給装置のオイルミスト等に含まれている二酸化炭素を吸着部材によって効率よく吸着することができる。それにより、水素分離膜の成膜面における炭素含有層の形成を抑制することができる。
【００１３】
上記構成において、水素分離膜は、少なくとも表面の一部にパラジウムを備えるものであってもよい。
【００１４】
上記構成において、吸着部材は、金属水酸化物であってもよい。この場合、吸着部材に二酸化炭素が吸着すると、炭酸水素塩が形成される。したがって、高い二酸化炭素吸着性が得られる。また、上記構成において、吸着部材は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物であってもよい。この場合、より高い二酸化炭素吸着性が得られる。
【００１５】
上記構成において、吸着部材は、金属酸化物であってもよい。この場合、吸着部材に二酸化炭素が吸着すると、炭酸塩が形成される。したがって、高い二酸化炭素吸着性が得られる。また、上記構成において、吸着部材は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物であってもよい。この場合、より高い二酸化炭素吸着性が得られる。
【００１６】
上記構成において、吸着部材は、金属からなるものであってもよい。上記構成において、吸着部材は、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウムおよび金のうち少なくとも１つを含むものであってもよい。
【００１７】
本発明に係る成膜方法は、水素透過性を有する水素分離膜上に電解質膜を成膜する成膜方法であって、電解質膜を成膜する成膜装置内に水素分離膜と同等以上の二酸化炭素吸着性を有する吸着部材を配置する配置工程と、配置工程後に、水素分離膜上に電解質膜を成膜する成膜工程と、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る成膜方法によれば、吸着部材に二酸化炭素が吸着される。それにより、水素分離膜の成膜面における炭素含有層の形成を抑制することができる。
【００１８】
上記成膜方法において、配置工程は、成膜装置のチャンバ内に吸着部材を配置する工程であってもよい。上記成膜方法において、配置工程は、成膜装置のガス導入管に吸着部材を配置する工程であってもよい。
【００１９】
上記成膜方法において、水素分離膜を加熱手段により加熱する加熱工程をさらに含み、成膜工程は、加熱手段から吸着部材への熱伝導を抑制しつつ水素分離膜上に電解質膜を成膜する工程であってもよい。この方法によれば、断熱部材が吸着部材の温度上昇を抑制することができる。それにより、吸着部材の二酸化炭素吸着性を維持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、炭素含有層の形成を抑制することができる成膜装置および成膜方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の第１実施例に係る成膜装置２００の模式図である。図１に示すように、成膜装置２００は、酸素供給装置１０、導入管２０、チャンバ３０、排気管４０および排気装置５０が順に接続された構造を有する。酸素供給装置１０は、チャンバ３０内に酸素を供給するための装置である。酸素供給装置１０としては、例えば酸素ボンベ等を用いることができる。
【００２３】
導入管２０は、酸素供給装置１０から供給される酸素をチャンバ３０内に導入するための管である。導入管２０の一方端は酸素供給装置１０に接続され、他方端はチャンバ３０に接続される。チャンバ３０は、基材上に膜を成膜するための成膜室である。
【００２４】
排気管４０は、チャンバ３０内の気体を排気装置５０へ排気するための管である。排気管４０の一方端はチャンバ３０に接続され、他方端は排気装置５０に接続される。排気装置５０は、チャンバ３０内の気体を外部へ排気するための装置である。排気装置５０としては、例えば真空ポンプ等を用いることができる。
【００２５】
チャンバ３０内には、基材としての水素分離膜３１、ターゲット３２、加熱手段３３、断熱部材３４および吸着部材３５が配置されている。水素分離膜３１は、水素を選択的に透過する膜である。水素分離膜３１としては、少なくとも表面の一部にパラジウム（Ｐｄ）を備えるものを用いることができる。本実施例においては、水素分離膜３１として、ＰｄあるいはＰｄ合金を用いる。
【００２６】
ターゲット３２としては、電解質膜を構成する物質を用いることができる。ターゲット３２として、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、インジウム（Ｉｎ）等を用いることができる。ターゲット３２は、水素分離膜３１に対向するように設置される。加熱手段３３は、水素分離膜３１を加熱するための手段である。加熱手段３３は、例えば、水素分離膜３１下に配置されている。加熱手段３３としては、例えば電気ヒータ等を用いることができる。
【００２７】
断熱部材３４は、加熱手段３３における熱の吸着部材３５への伝導を抑制する部材である。本実施例においては、断熱部材３４は、水素分離膜３１の側面および加熱手段３３を覆うように配置されている。断熱部材３４としては、例えば、セラミックファイバ等を用いることができる。
【００２８】
吸着部材３５は、水素分離膜３１と同等以上の二酸化炭素吸着性を有する物質からなる。ここで、二酸化炭素吸着性とは、同等の温度、同等の雰囲気下における単位面積あたりの二酸化炭素吸着力のことをいう。したがって、二酸化炭素吸着性が高いと、二酸化炭素が吸着されやすくなる。ここでいう吸着には、物理吸着、化学吸着、化合等が含まれる。吸着部材３５としては、例えば金属水酸化物を用いることができる。本実施例においては、吸着部材３５として、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を用いる。また、本実施例においては、吸着部材３５は、断熱部材３４を介在させて水素分離膜３１の少なくとも一部の側面を覆うように配置されている。
【００２９】
続いて、成膜装置２００の作用について説明する。まず、排気装置５０がチャンバ３０内の気体を外部へ排気する。この際、酸素供給装置１０から微量の酸素がチャンバ３０内に供給される。この排気と酸素供給とのバランスにより、チャンバ３０内の酸素の分圧は、電解質膜の成膜に適した分圧に維持される。本実施例においては、チャンバ３０内の酸素分圧は、０．００１Ｔｏｒｒ〜０．１Ｔｏｒｒ程度に調整される。
【００３０】
次に、加熱手段３３は、水素分離膜３１の温度を電解質膜の成膜温度（例えば、約６００℃〜約８００℃）まで上昇させる。水素分離膜３１の温度が成膜温度に到達すると、レーザがターゲット３２に照射される。それにより、ターゲット３２を構成する原子は、プラズマ状のプルーム１００となって、水素分離膜３１上に蒸着する。その結果、水素分離膜３１上に電解質膜が成膜される。
【００３１】
ここで、チャンバ３０内には、二酸化炭素が存在する。この二酸化炭素は、チャンバ３０内の構成部材から発生することもあり、酸素供給装置１０のオイルミスト等から発生することもある。本実施例に係る成膜装置２００においては、吸着部材３５を構成するＮａＯＨが、チャンバ３０内に存在する二酸化炭素を吸着し、ＮａＨＣＯ３を生成する。この場合、水素分離膜３１の成膜面における炭素含有層の形成が抑制される。本実施例においてはＰｄの二酸化炭素吸着性に比較してＮａＯＨの二酸化炭素吸着性が高いことから、水素分離膜３１に優先して吸着部材３５に二酸化炭素が吸着する。それにより、炭素含有層の形成を効率よく抑制することができる。
【００３２】
ここで、吸着部材３５の温度が低いほど、吸着部材３５の二酸化炭素吸着性が高くなる。本実施例においては、吸着部材３５と水素分離膜３１との間に断熱部材３４が配置されていることから、吸着部材３５の温度上昇を抑制することができる。それにより、吸着部材３５の二酸化炭素吸着性を維持することができる。なお、吸着部材３５は、冷却装置等によって冷却されていてもよい。この場合、吸着部材３５の二酸化炭素吸着性がより高くなるからである。
【００３３】
吸着部材３５の露出面の表面積は、水素分離膜３１の露出面の表面積に比較して大きいことが好ましい。この場合、二酸化炭素が吸着する領域が大きくなり、吸着部材３５の二酸化炭素吸着量が多くなるからである。
【００３４】
また、吸着部材３５は、水素分離膜３１の近傍に配置されていることが好ましい。水素分離膜３１の近傍に配置されている方が、炭素含有層の形成抑制効果がより期待できるからである。例えば、本実施例のように、吸着部材３５は、水素分離膜３１の側面を囲むように配置されていることが好ましい。
【００３５】
なお、吸着部材３５は、ＮａＯＨに限定されない。吸着部材３５として、例えば、他の金属水酸化物を用いてもよい。この場合、吸着部材３５に二酸化炭素が吸着すると、ＮａＯＨと同様に炭酸水素塩が形成される。したがって、高い二酸化炭素吸着性が得られる。また、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物を用いることによって、より高い二酸化炭素吸着性が得られる。
【００３６】
また、吸着部材３５として、金属酸化物を用いてもよい。この場合、吸着部材３５に二酸化炭素が吸着すると、炭酸塩が形成される。したがって、高い二酸化炭素吸着性が得られる。また、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物を用いることによって、より高い二酸化炭素吸着性が得られる。例えば、吸着部材３５として、酸化カルシウム（ＣａＯ）を用いることができる。この場合、吸着部材３５は、二酸化炭素を吸着して、ＣａＣＯ３を生成する。それにより、炭素含有層が水素分離膜３１の成膜面に形成されることが抑制される。また、ＣａＯは、ＮａＯＨに比較して耐熱性がよい。したがって、ＣａＯは、ＮａＯＨよりも高温環境下で使用できるという利点を有する。
【００３７】
また、吸着部材３５として、金属を用いてもよい。具体的には、Ｐｄ、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ）等を用いることができる。例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、ＲｕおよびＡｕのうちいずれかの金属またはこららの合金を用いることができる。これらの金属を用いた場合、吸着部材３５の露出面に、二酸化炭素が吸着する。それにより、水素分離膜３１の成膜面における炭素含有層の形成が抑制される。また、Ｐｄブラック、Ｐｔブラック、Ｒｈブラック、Ｒｕブラック、Ａｕブラック等を用いることができる。この場合、吸着部材３５の表面積が大きくなって、二酸化炭素吸着量が多くなる。
【００３８】
（変形例１）
また、吸着部材は、少なくとも１つの凹凸を有してもよい。図２は、変形例１に係る成膜装置２００ａを示す模式図である。図２に示すように、成膜装置２００ａは、ターゲット３２側の表面に凹凸を有する吸着部材３５ａを備える。本変形例においては、吸着部材３５ａの表面積が大きくなる。それにより、吸着部材３５ａの二酸化炭素吸着量が多くなる。それにより炭素含有層の形成をより抑制することができる。
【００３９】
（変形例２）
また、吸着部材３５の配置場所は、図１に示す箇所に限定されない。図３は、変形例２に係る成膜装置２００ｂを示す模式図である。図３に示すように、成膜装置２００ｂにおいては、吸着部材３５は、プルーム１００を囲むように配置されている。
【００４０】
本変形例においても、吸着部材３５に二酸化炭素が吸着される。それにより、炭素含有層の形成を抑制することができる。
【実施例２】
【００４１】
続いて、本発明の第２実施例に係る成膜装置２００ｃについて説明する。図４に、成膜装置２００ｃの模式図を示す。図４に示すように、成膜装置２００ｃが図１の成膜装置２００と異なる点は、吸着部材３５が導入管２０に配置されている点および断熱部材３４が配置されていない点である。その他の構成は、図１に示す成膜装置２００と同じであるため、説明を省略する。図４に示す成膜装置２００ｃによれば、吸着部材３５が導入管２０に配置されているため、酸素供給装置のオイルミスト等に含まれている二酸化炭素を効率よく吸着することができる。それにより、水素分離膜３１の成膜面における炭素含有層の形成を抑制することができる。
【００４２】
また、図４に示す成膜装置２００ｃによれば、断熱部材３４を配置しなくても、吸着部材３５の温度を水素分離膜３１に比較して低温に保つことができる。さらに、チャンバ３０の内部に吸着部材３５を設置する場合に比較して、チャンバ３０内部の構造を簡素化することができる。
【００４３】
なお、吸着部材３５は、水素分離膜３１の近傍に配置されていることが好ましいため、導入管２０とチャンバ３０との接続部付近に設置するとよい。また、吸着部材３５は、金属水酸化物であってもよく、金属酸化物であってもよく、金属であってもよい。また、吸着部材３５は、図２に示す吸着部材３５ａのように、少なくとも１つの凹凸を有するものであってもよい。
【００４４】
また、図１〜図３のそれぞれに示す成膜装置２００，２００ａ，２００ｂは、導入管２０に吸着部材３５をさらに備えていてもよい。
【００４５】
なお、本発明は、パルスレーザ蒸着装置（ＰＬＤ装置）以外の成膜装置にも適用することができる。例えば、本発明は、スパッタリング装置等の他の蒸着装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施例に係る成膜装置の模式図である。
【図２】第１実施例の変形例１に係る成膜装置の模式図である。
【図３】第１実施例の変形例２に係る成膜装置の模式図である。
【図４】第２実施例に係る成膜装置の模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  酸素供給装置
２０  導入管
３０  チャンバ
３１  水素分離膜
３２  ターゲット
３３  加熱手段
３４  断熱部材
３５  吸着部材
１００  プルーム
２００  成膜装置
【図１】
2008214694.tif 000003
【図２】
2008214694.tif 000004
【図３】
2008214694.tif 000005
【図４】
2008214694.tif 000006