(57)【要約】【課題】  基板の反りの発生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】  本発明に係る成膜装置は、気相成膜法により基板（２５）上に膜を成膜する成膜装置であって、基板（２５）を基板（２５）の面方向に摺動可能に保持する保持手段（１０）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、基板（２５）は、保持手段（１０）によって基板（２５）の面方向に摺動可能に保持されている。この場合、基板（２５）と膜との間の熱膨張率差に起因する応力が基板（２５）の摺動によって分散される。それにより、基板（２５）の反りが緩和される。その結果、膜に欠陥が生じることが抑制される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相成膜法により基板上に膜を成膜する成膜装置であって、
前記基板を前記基板の面方向に摺動可能に保持する保持手段を備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記保持手段は、前記基板に対して前記基板の厚さ方向に押圧をかけて前記基板を保持することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記保持手段は、前記基板の外周部に対して前記基板の厚さ方向に押圧をかけて前記基板を保持することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項４】
前記基板を加熱する加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記基板は、水素透過性を有する水素分離膜であり、
前記膜は、プロトン伝導性を有する電解質膜であ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】
基板を前記基板の面方向に摺動可能に保持する保持工程と、
前記基板上に膜を気相成膜法により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７】
前記保持工程は、前記成膜工程の後に行われることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
【請求項８】
前記保持工程は、前記基板に対して前記基板の厚さ方向に押圧をかけることによって前記基板を保持する工程であることを特徴とする請求項６または７記載の成膜方法。
【請求項９】
前記保持工程は、前記基板の外周部に対して前記基板の厚さ方向に押圧をかけることによって前記基板を保持する工程であることを特徴とする請求項６または７記載の成膜方法。
【請求項１０】
前記成膜工程は、前記基板を加熱する加熱工程を含むことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項１１】
前記基板は、水素透過性を有する水素分離膜であり、
前記膜は、プロトン伝導性を有する電解質膜であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の成膜方法。
【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が成膜された構造をとっている。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】
水素分離膜上に電解質膜を成膜する方法としては、水素分離膜からなる基板上に気相成膜法により電解質膜を成膜する方法が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０２４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、水素分離膜を構成する物質と電解質膜を構成する物質とが異なっていることから、水素分離膜と電解質膜との間には熱膨張率差が生じる。この場合、温度変化に伴って水素分離膜に反りが発生する。それにより、電解質膜に欠陥が発生するおそれがある。その結果、水素分離膜と電解質膜上に設けられる電極との間に短絡が発生するおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、基板の反りの発生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】
【０００８】
本発明に係る成膜装置は、気相成膜法により基板上に膜を成膜する成膜装置であって、基板を基板の面方向に摺動可能に保持する保持手段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、基板は、保持手段によって基板の面方向に摺動可能に保持されている。この場合、基板と膜との間の熱膨張率差に起因する応力が基板の摺動によって分散される。それにより、基板の反りが緩和される。その結果、膜に欠陥が生じることが抑制される。
【０００９】
上記構成において、保持手段は、基板に対して基板の厚さ方向に押圧をかけて基板を保持するものであってもよい。上記構成において、保持手段は、基板の外周部に対して基板の厚さ方向に押圧をかけて基板を保持するものであってもよい。この構成によれば、基板における膜が成膜される領域を広く確保することができる。
【００１０】
上記構成において、基板を加熱する加熱手段をさらに備えていてもよい。この構成によれば、基板を膜の成膜温度まで加熱することができる。上記構成において、基板は、水素透過性を有する水素分離膜であり、膜は、プロトン伝導性を有する電解質膜であってもよい。この構成によれば、電解質膜に欠陥が生じることを抑制できる。それにより、水素分離膜と電解質膜上に設けられる電極との短絡を抑制することができる。
【００１１】
本発明に係る成膜方法は、基板を基板の面方向に摺動可能に保持する保持工程と、基板上に膜を気相成膜法により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、基板は、保持手段によって基板の面方向に摺動可能に保持されている。この場合、基板と膜との間の熱膨張率差に起因する応力が基板の摺動によって分散される。それにより、基板の反りが緩和される。その結果、膜に欠陥が生じることが抑制される。
【００１２】
上記成膜方法において、保持工程は、成膜工程の後に行われるものであってもよい。上記成膜方法において、保持工程は、基板に対して基板の厚さ方向に押圧をかけることによって基板を保持する工程であってもよい。上記成膜方法において、保持工程は、基板の外周部に対して基板の厚さ方向に押圧をかけることによって基板を保持する工程であってもよい。この成膜方法によれば、基板における膜が成膜される領域を広く確保することができる。
【００１３】
上記成膜方法において、成膜工程は、基板を加熱する加熱工程を含むものであってもよい。この成膜方法によれば、基板を膜の成膜温度まで加熱することができる。上記成膜方法において、基板は、水素透過性を有する水素分離膜であり、膜は、プロトン伝導性を有する電解質膜であってもよい。この成膜方法によれば、電解質膜に欠陥が生じることを抑制できる。それにより、水素分離膜と電解質膜上に設けられる電極との短絡を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、基板の反りの発生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】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る成膜装置について説明する。第１の実施の形態に係る成膜装置１００は、気相成膜法により基板上に膜を成膜する成膜装置である。気相成膜法としては、特に限定されず、例えばＰＶＤ法、ＣＶＤ法等を用いることができる。
【００１７】
図１は、成膜装置１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、成膜装置１００は、成膜室５内に基板を保持するための保持手段１０、基板を加熱するための加熱手段２０等が配置された構造を有する。成膜室５としては、例えば真空チャンバ等を用いることができる。
【００１８】
保持手段１０は、基板を基板の面方向に摺動可能に保持する保持手段である。例えば、保持手段１０として、基板に対して基板の厚さ方向に押圧をかけて基板を保持する保持手段を用いることができる。
【００１９】
加熱手段２０は、基板を所定の温度まで加熱する手段である。加熱手段２０を備えることにより、基板を所定温度まで加熱してから膜を成膜することができる。加熱手段２０としては、例えば、電気ヒータ等を用いることができる。
【００２０】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、保持手段１０の模式図である。図２（ａ）は、保持手段１０に基板２５が保持されている状態を基板２５の膜が成膜される面（以下、成膜面と称する）側から見た模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００２１】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、保持手段１０は、支持台１２および押さえ金具１４を備える。支持台１２は、基板２５を支持する台である。基板２５は、支持台１２に設置される。支持台１２としては、特に限定されないが、例えばステンレス等を用いることができる。
【００２２】
押さえ金具１４は、例えばステンレスからなる板バネ等からなり、支持台１２に固定されている。押さえ金具１４は、基板２５の厚さ方向に押圧をかけることによって基板２５を保持する。この場合、基板２５は、押さえ金具１４によって保持されつつ、基板２５の面方向に摺動可能である。なお、押さえ金具１４は複数設けられていてもよい。
【００２３】
続いて、本実施の形態に係る成膜装置１００の作用について説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、成膜装置１００に係る保持手段１０を用いて基板２５上に膜３０を気相成膜する工程を示す模式図である。図３（ａ）〜図３（ｄ）を用いて、成膜装置１００の作用について説明する。
【００２４】
まず、図３（ａ）に示すように、基板２５が保持手段１０により保持される。押さえ金具１４は、基板２５の成膜面に対し厚さ方向に押圧をかけることによって基板２５を保持する。それにより、基板２５は、押さえ金具１４によって保持されつつ、基板２５の面方向に摺動可能である。なお、保持手段１０は、基板２５の外周部に押圧をかけて基板２５を保持することが好ましい。基板２５における膜が成膜される領域を広く確保することができるからである。
【００２５】
基板２５としては、特に限定されないが、例えば水素透過性を有する水素分離膜を用いることができる。水素分離膜としては、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の金属、またはこれらの合金等を用いることができる。また、これらの水素透過性金属層の２面のうち電解質膜が成膜される側の面上に、水素解離能を有するＰｄ、Ｐｄ合金等の膜が形成されたものを水素分離膜として用いてもよい。水素分離膜の膜厚は、特に限定されないが、例えば５μｍ〜１００μｍ程度である。水素分離膜は、自立膜であってもよく、多孔質状の卑金属板によって支持されていてもよい。
【００２６】
次に、図３（ｂ）に示すように、加熱手段２０によって基板２５が加熱される。本実施の形態においては、基板２５は、後述する膜３０の成膜温度まで加熱される。
【００２７】
次に、図３（ｃ）に示すように、膜３０が基板２５上に、例えばＰＶＤ法等の気相成膜法により成膜される。膜３０としては、特に限定されないが、基板２５が水素分離膜である場合にはプロトン伝導性を有する電解質膜を用いることができる。電解質膜としては、プロトン伝導性電解質であれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ３等）、パイロクロア型電解質（Ｌｎ２Ｚｒ２Ｏ７（Ｌｎ：Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）等））、モナザイト型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ、Ｓｍ等））、ゼニタイプ型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類メタリン酸塩電解質（ＬｎＰ３Ｏ９（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類オキシリン酸塩電解質（Ｌｎ７Ｐ３Ｏ１８（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））等を用いることができる。また、電解質膜の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。
【００２８】
次に、図３（ｄ）に示すように、基板２５は、保持手段１０によって保持されたまま冷却される。この場合、基板２５は、押さえ金具１４によって保持されつつ図３（ｄ）の矢印方向に収縮する。基板２５が水素分離膜でありかつ膜３０が電解質膜である場合には、図３（ａ）〜図３（ｄ）の工程により、水素分離膜−電解質膜接合体が完成する。
【００２９】
第１の実施の形態に係る成膜装置１００によれば、基板２５は、保持手段１０によって基板２５の面方向に摺動可能に保持されている。この場合、基板２５と膜３０との間の熱膨張率差に起因する応力が基板２５の摺動によって分散される。それにより、基板２５の反りが緩和される。その結果、膜３０に欠陥が生じることが抑制される。膜３０が電解質膜からなる場合、水素分離膜と電解質膜上に設けられる電極との短絡を抑制することができる。
【００３０】
なお、押さえ金具１４による押圧力は、基板２５と膜３０との熱膨張率差、基板２５および膜３０の材質、基板２５および膜３０の厚み等に応じて適宜選択される。また、保持手段１０の構成は、基板２５を基板２５の面方向に摺動可能に保持できるものであれば、図２（ａ）に示す構成に限定されない。また、基板２５は、図３（ａ）〜図３（ｃ）の工程においては押さえ金具１４によって保持されていなくてもよい。図３（ｄ）の冷却工程において基板２５が押さえ金具１４によって保持されていれば、基板２５と膜３０との間の熱膨張率差に起因する応力を分散させることができるからである。
【００３１】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る成膜装置１００ａについて説明する。第２の実施の形態に係る成膜装置１００ａは、第１の実施の形態に係る保持手段１０の代わりに保持手段１０ａを備える。その他の構成は、第１の実施の形態に係る成膜装置１００と同じため、説明を省略する。
【００３２】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、保持手段１０ａの模式図である。図４（ａ）は、保持手段１０ａに基板２５が保持されている状態を基板２５の成膜面側から見た模式図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面のＣ部分を拡大した模式図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、保持手段１０ａは、支持台１２ａおよびボルト１４ａを備える。本実施の形態においては、貫通孔２２が形成された基板を基板２５として用いる。
【００３３】
支持台１２ａは、基板２５を支持する台である。基板２５は、支持台１２ａに支持される。支持台１２ａとしては、特に限定されないが、例えばステンレス等を用いることができる。図４（ｂ）に示すように、支持台１２ａには、ボルト１４ａが螺合されるネジ穴が形成されている。ボルト１４ａの径は、貫通孔２２の径よりも小さく設定されている。
【００３４】
ボルト１４ａは、貫通孔２２を介して保持手段１０ａのネジ穴に螺合される。それにより、基板２５の厚さ方向に押圧がかかり、基板２５が保持手段１０ａによって保持される。ボルト１４ａによる締結力は、基板２５が基板２５の面方向に摺動可能な程度である。なお、基板２５には貫通孔２２が複数設けられていてもよい。この場合、貫通孔２２の位置に対応して、支持台１２ａにネジ穴が形成される。
【００３５】
第２の実施の形態に係る成膜装置１００ａにおいても、基板２５の冷却工程において、基板２５が基板２５の面方向に摺動する。それにより、基板２５と膜３０との間の熱膨張率差に起因する応力が分散される。それにより、基板２５の反りが緩和される。
【００３６】
なお、ボルト１４ａによる押圧力は、基板２５と膜３０の熱膨張率差、基板２５および膜３０の材質、基板２５および膜３０の厚み等に応じて適宜選択される。また、保持手段１０ａの構成は、基板２５を基板２５の面方向に摺動可能に保持できるものであれば、図４（ａ）に示す構成に限定されない。
【実施例】
【００３７】
以下、上記実施の形態に係る成膜装置により基板２５上に膜３０を成膜し、その特性を調べた。
【００３８】
（実施例）
実施例においては、第１の実施の形態に係る成膜装置１００を用いて基板上に膜をＰＶＤ法により成膜した。まず、基板として、１７ｍｍ角、厚さ８０μｍのＰｄを準備した。次に、成膜装置１００を用いて、基板上に、膜厚２μｍのＳｒＺｒＩｎＯ３からなる膜を成膜した。成膜温度は、６００℃とした。次いで、押さえ金具１４によって基板を保持しつつ、基板および膜を室温まで冷却した。なお、Ｐｄの熱膨張率は、１２×１０−６／Ｋである。また、ＳｒＺｒＩｎＯ３の熱膨張率は、１０×１０−６／Ｋである。
【００３９】
（比較例）
比較例においては、ＰＶＤ法により基板上に膜を成膜し、基板を支持台に固定しつつ基板および膜を室温まで冷却した。その他の条件は、実施例と同様である。
【００４０】
（分析）
実施例および比較例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の反り量を測定した。まず、各水素分離膜−電解質膜接合体を、凸部が上側になるように平滑な平面に配置する。次に、凸部の頂点と平面との距離を測定した。この距離を反り量と定義した。比較例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の反り量は、３．５ｍｍであった。これに比較して、実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の反り量は、１．０ｍｍであった。このように、保持手段によって基板を基板の面方向に摺動させつつ保持することによって、反り量を大幅に低減させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る成膜装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る保持手段の模式図である。
【図３】第１の実施の形態に係る成膜装置の効果を示す模式図である。
【図４】第２の実施の形態に係る成膜装置に係る保持手段の模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
５  成膜室
１０  保持手段
１２  支持台
１４  押さえ金具
２０  加熱手段
２２  貫通孔
２５  基板
３０  膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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