(57)【要約】【課題】限られた体積内で高い表面積率を有するシリコンベースの固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を提供する。【解決手段】本構造体は、所与の体積内での電気化学反応活性表面積を最大化するために、二段階基板キャビティウインドウ内に波状ナノ薄膜電解質層とシリコン支持層とを備える。シリコン支持層は、拡散ドープ法を用いたホウ素エッチングストップ技術により得られる。互いに異なる大きさを有する二段階キャビティウインドウ（第１段階キャビティウインドウと第１段階キャビティウインドウ内に形成される第２段階キャビティウインドウ）の作製は、深堀り反応性イオンエッチング法（ＤＲＩＥ）とＫＯＨ湿潤エッチング法とを組み合わせて行われる。このような設計及び製造方法により、絶対的な電気化学活性面積をその投影面積の５倍の大きさにすることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池用の電解質・電極アセンブリであって、
（ａ）第１の基板表面及びそれに平行な第２の基板表面を有する基板と、
（ｂ）基板キャビティ側壁、基板キャビティ基部要素及び基板キャビティ底部からなり、前記第２の基板表面に形成された少なくとも１つの基板キャビティと、
（ｃ）前記第１及び第２の基板表面に対して垂直に形成され、前記第１の基板表面から少なくとも前記基板キャビティ底部まで延びる複数の溝部と、
（ｄ）その少なくとも一部が前記基板キャビティ内に配置される電解質キャビティを前記溝部内に形成する第１の電解質表面、及び前記第１の基板表面上に及び前記溝部の壁部に沿って配置されかつその少なくとも一部が前記基板キャビティ内に配置される第２の電解質表面を有する電解質層と、
（ｅ）前記第１の電解質表面上に前記電解質キャビティの形状に適合するように配置される第１の電極層と、
（ｆ）前記基板キャビティ側壁、前記キャビティ基部要素、前記基板キャビティ底部、及び前記基板キャビティ内に配置された前記第２の電解質表面の前記少なくとも一部の上に配置される第２の電極層とを含む電解質・電極アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記第１の基板表面にホウ素をドープしたことを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記ホウ素ドープは拡散ドープ法により行われ、前記ホウ素ドープは、ゼロから前記電解質キャビティの深さまでの範囲の厚さを有することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板キャビティ底部及び前記第１の電解質表面が波状表面を形成することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項５】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板が、３００μｍ乃至１ｍｍの範囲の厚さになるまで研磨された（１００）面方位の両面シリコンウエハであることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記電解質キャビティが、最密充填形状に配列されることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項７】
請求項６に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記最密充填形状が、円形、長方形、正方形、三角形及び多角形からなる群より選択される形状であることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項８】
請求項７に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記円形が、１０μｍ乃至６５μｍの範囲の直径を有することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項９】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記電極層が、多孔質白金層、金属層及びサーメット層からなる群より選択される層であることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記電極層が、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、蒸発法、原子層堆積法及びパルスレーザー堆積法からなる群より選択される方法により作製されることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記電解質層が、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、化学気相堆積法、原子層堆積法及びパルスレーザー堆積法からなる群より選択される方法により作製されることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記電解質層が、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニアドープドセリア及び任意の酸素イオン伝導体からなる群より選択されることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１３】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記電解質層が、１ｎｍ乃至１０μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１４】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板キャビティが、１ｍｍ乃至１００ｍｍの範囲の幅を有することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１５】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板キャビティが、５μｍ乃至３００μｍの範囲の深さを有することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１６】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板キャビティ側壁が、５０μｍ乃至２５０μｍの範囲の長さを有することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１７】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板キャビティ基部要素が、１０μｍ乃至２５０μｍの範囲の垂直長さを有することを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１８】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板キャビティが、少なくとも１つの別の前記基板キャビティと５０μｍ乃至５００μｍの範囲の間隔を隔てて隣接配置されることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項１９】
請求項１に記載の電解質・電極アセンブリであって、
前記基板キャビティが、深堀り反応性イオンエッチング法、及び水酸化カリウムエッチング法または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチング法の両方法を用いて作製されることを特徴とする電解質・電極アセンブリ。
【請求項２０】
固体酸化物型燃料電池用の電解質・電極アセンブリの作製方法であって、
（ａ）第１の基板表面及び第２の基板表面を有するシリコンウエハ基板を準備するステップと、
（ｂ）前記第１の基板表面上に二酸化ケイ素マスクを形成するステップと、
（ｃ）拡散ドープ法を用いて前記第１の基板表面上にホウ素をドープするステップと、
（ｄ）前記第１の基板表面上にフォトレジスト層を堆積させるステップと、
（ｅ）前記二酸化ケイ素マスクを除去するステップと、
（ｆ）フォトリソグラフィー技術を用いて、前記第１の基板表面上に最密充填形状パターンのマスクを作製するステップと、
（ｇ）深堀り反応性イオンエッチング法（ＤＲＩＥ）を用いて、前記第１の基板表面上に最密充填配列の溝部を形成するステップと、
（ｈ）低圧化学気相堆積法を用いて、前記第１及び前記第２の基板表面上に低応力窒化ケイ素を堆積させるステップと、
（ｉ）フォトリソグラフィー技術を用いて、前記第２の基板表面上に、第２段階の基板ウインドウキャビティのパターン形状を有する窒化ケイ素マスクを形成するステップと、
（ｊ）フォトリソグラフィー技術を用いて、前記窒化ケイ素マスク上に、第１段階の基板ウインドウキャビティのパターン形状を有するフォトレジストマスクを形成するステップと、
（ｋ）ＤＲＩＥ法を用いて、前記第２の基板表面上に第１段階の基板ウインドウキャビティを形成するステップと、
（ｌ）ピラニア溶液を使用して前記第２の基板表面上から前記フォトレジストマスクを除去するステップと、
（ｍ）原子層堆積法を用いて、前記第１の基板表面上に、前記最密充填形状の前記溝部の形状に適合する電解質層を形成するステップと、
（ｎ）水酸化カリウムエッチング法または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチング法を用いて、前記第１段階の基板ウインドウキャビティ内に第２段階の基板ウインドウキャビティを形成するステップと、
（ｏ）プラズマエッチング法を用いて前記第２の基板表面から前記低応力窒化ケイ素層を除去し、前記電解質層の底部を前記第２段階の基板ウインドウキャビティ内に露出させるステップと、
（ｐ）前記第１基板上に第１の電極層を堆積させ、前記第２の基板表面上に第２の電極層を堆積させ、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に前記電解質層が配置されるようにするステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に固体酸化物型燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、有効表面積率を増大させた固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、クリーンで効率的なエネルギー変換装置として知られている。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するとともに、主産物として水を生成する。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、燃料電池の主要タイプの１つであり、酸素空孔を生成する固体状材料が電解質として用いられている。ＳＯＦＣは、様々な種類のセラミック電解質材料が利用されるが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が最も一般的に用いられている。ＹＳＺは酸素イオン伝導体であり、酸素イオンを或る空孔部位から他の空孔部位へ「ホップ」させることにより、カソード側からアーノード側へ電解質を介して電荷を伝導する。カソード電極及びアーノード電極は、ガス供給のために多孔質状に作製される。
【０００４】
固体電解質は酸素イオン伝導度が低いため、従来のＳＯＦＣは比較的高温（８００〜１０００℃）で作動させる必要があった。そのため、ＳＯＦＣの用途は、大規模用途及び固定設置用途に限定される。ＳＯＦＣを低温で作動させると、電解質イオン伝導度が小さくなるので、燃料電池の出力密度は低くなる。ＳＯＦＣの作動温度をより低くするための１つの効果的な方法は、電解質の厚さを薄くして、抵抗損失を減少させることである。
【０００５】
ＳＯＦＣは、電気化学反応の障壁である活性損失、燃料電池の電極と電解質との間の抵抗に起因する抵抗損失、及び物質輸送の制約である濃度損失を含む、燃料電池システムにおける３つの主要な損失を有する。
【０００６】
燃料電池の合計電圧は、熱力学的電圧から上記の３つの過電圧を引いた電圧である。３つの過電圧のうち、抵抗損失は、ＳＯＦＣの作動温度が高温であることの主原因の１つである。酸素イオンが或る空孔から他の空孔にホップするとき、電解質のイオン伝導度が大きくなるように酸素イオンに十分なエネルギーを提供するために高温の作動温度が必要となる。従って、ＳＯＦＣの作動温度を低くするために、電解質の抵抗を小さくする必要がある。低い作動温度を実現するための効果的な方法は、電解質の厚さをサブミクロンの厚さまで薄くすることである。サブミクロン厚さの電解質の面積は、通常は、物理的特性により制限される。そのため、表面積率は低くなり、生成される絶対出力はわずかなものとなる。
【０００７】
従って、絶対的な電気化学的に活性な領域を増加させるために、限られた体積内で高い表面積率を有するシリコンベースの固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を開発することが求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
制限された体積内で高い表面積率を有するシリコンベースの固体酸化物型燃料電池の必要性に対処するために、ＳＯＦＣ用の電解質・電極アセンブリが提供される。このＳＯＦＣ用の電解質・電極アセンブリは、第１の基板表面及びそれに平行な第２の基板表面を有する基板と、基板キャビティ側壁、基板キャビティ基部要素及び基板キャビティ底部からなり、前記第２の基板表面に形成された少なくとも１つの基板キャビティと、前記第１及び第２の基板表面に対して垂直に形成され、前記第１の基板表面から少なくとも前記基板キャビティ底部まで延びる複数の溝部とを含む。このＳＯＦＣ用の電解質・電極アセンブリは、第１の電解質表面及び第２の電解質表面を有する電解質層をさらに含む。前記第２の電解質表面は、前記第１の基板表面上に及び前記溝部の壁部に沿って配置されかつその少なくとも一部が前記基板キャビティ内に配置される。前記第１の電解質表面は、その少なくとも一部が前記基板キャビティ内に配置される電解質キャビティを前記溝部内に形成する。第１の電極層が、前記第１の電解質表面上に前記電解質キャビティの形状に適合するように配置され、第２の電極層が、前記基板キャビティ側壁、前記キャビティ基部要素、前記基板キャビティ底部、及び前記基板キャビティ内に配置された前記第２の電解質表面の前記少なくとも一部の上に配置される。
【０００９】
一実施形態によれば、前記第１の基板表面にホウ素がドープされる。この実施形態の一態様では、前記ホウ素のドープは拡散ドープ法により行われ、前記ホウ素ドープは、ゼロから前記電解質キャビティの深さまでの範囲の厚さを有する。
【００１０】
本発明の一態様では、前記基板キャビティ底部及び前記第１の電解質表面が、波状表面を形成する。
【００１１】
本発明の別の態様では、前記基板は、３００μｍ乃至１ｍｍの範囲の厚さになるまで研磨された（１００）面方位の両面シリコンウエハである。
【００１２】
本発明の他の実施形態によれば、前記電解質キャビティが、最密充填形状で配列される。この実施形態の一態様では、前記最密充填形状は、円形、長方形、正方形、三角形及び多角形からなる群より選択される形状である。この実施形態の一態様では、前記円形は、１０μｍ乃至６５μｍの範囲の直径を有する。
【００１３】
本発明のさらなる態様では、前記電極層としては、多孔質白金層、金属層、またはサーメット層が挙げられる。
【００１４】
本発明の別の態様では、前記電極層は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、蒸発法、原子層堆積法、またはパルスレーザー堆積法により作製することができる。
【００１５】
さらなる別の態様では、前記電解質層は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、化学気相堆積法、原子層堆積法、またはパルスレーザー堆積法などの方法を用いて堆積させられる。
【００１６】
本発明のさらなる態様では、前記電解質層は、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニアドープドセリア、または任意の酸素イオン伝導体であり得る。
【００１７】
本発明の一態様では、前記電解質層は、１ｎｍ乃至１０μｍの範囲の厚さを有する。
【００１８】
本発明の別の態様では、前記基板キャビティは、１ｍｍ乃至１００ｍｍの範囲の幅を有する。
【００１９】
一態様では、前記基板キャビティは、５μｍ乃至３００μｍの範囲の深さを有する。
【００２０】
さらなる態様では、前記基板キャビティ側壁は、５０μｍ乃至２５０μｍの長さを有する。
【００２１】
本発明のさらなる別の態様では、前記基板キャビティ基部要素は、１０μｍ乃至２５０μｍの範囲の垂直長さを有する。
【００２２】
本発明の別の態様では、前記基板キャビティは、少なくとも１つの別の前記基板キャビティと、５０μｍ乃至５００μｍの範囲の間隔を隔てて隣接配置される。
【００２３】
さらなる態様では、前記基板キャビティは、深堀り反応性イオンエッチング法、及び水酸化カリウムエッチング法または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチング法の両方法を用いて作製される。
【００２４】
別の実施形態によれば、本発明は、固体酸化物型燃料電池用の電解質・電極アセンブリの作製方法を含む。本発明は、第１の基板表面及び第２の基板表面を有するシリコンウエハ基板を準備するステップと、前記第１の基板表面上に二酸化ケイ素マスクを形成するステップと、拡散ドープ法を用いて前記第１の基板表面上にホウ素をドープするステップと、前記第１の基板表面上にフォトレジスト層を堆積させるステップと、前記二酸化ケイ素マスクを除去するステップと、フォトリソグラフィー技術を用いて、前記第１の基板表面上に最密充填形状パターンのマスクを作製するステップと、深堀り反応性イオンエッチング法（ＤＲＩＥ）を用いて、前記第１の基板表面上に最密充填形状の溝部を形成するステップと、低圧化学気相堆積法を用いて、前記第１及び前記第２の基板表面上に低応力窒化ケイ素を堆積させるステップと、フォトリソグラフィー技術を用いて、前記第２の基板表面上に、第２段階の基板ウインドウキャビティのパターン形状を有する窒化ケイ素マスクを形成するステップと、フォトリソグラフィー技術を用いて、前記窒化ケイ素マスク上に、第１段階の基板ウインドウキャビティのパターン形状を有するフォトレジストマスクを形成するステップと、ＤＲＩＥ法を用いて、前記第２の基板表面上に第１段階の基板ウインドウキャビティを形成するステップと、ピラニア溶液を使用して前記第２の基板表面から前記フォトレジストマスクを除去するステップと、原子層堆積法を用いて、前記第１の基板表面上に、前記最密充填形状の前記溝部の形状に適合する電解質層を形成するステップと、水酸化カリウムエッチング法または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチング法を用いて、前記第１段階の基板ウインドウキャビティ内に第２段階の基板ウインドウキャビティを形成するステップと、プラズマエッチング法を用いて前記第２の基板表面から前記低応力窒化ケイ素層を除去し、前記電解質層の底部を前記第２段階の基板ウインドウキャビティ内に露出させるステップと、前記第１基板上に第１の電極層を堆積させ、前記第２の基板表面上に第２の電極層を堆積させ、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に前記電解質層が配置されるようにするステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の目的及び利点は図面と併せて以下の詳細な説明を読むことにより理解されるであろう。
【００２６】
【図１】シリコン微細加工プロセスにより成功裏に作製されたナノ薄膜ＳＯＦＣの各ステップを示す。
【図２】本願発明者の先の作製技術及び本発明の技術を用いて形成したウインドウの間隔を示す概略図である。
【図３】本発明による限られた体積内で高い表面積率を有するシリコンベースのＳＯＦＣ構造体を示す概略図である
【図４】本発明によるシリコンベースＳＯＦＣ構造体の互いに隣接する複数のウインドウの概略切断図である。
【図５Ａ】本発明による二段階キャビティウインドウ形成プロセスを説明するための図である。
【図５Ｂ】図５Ａの続きである。
【図５Ｃ】図５Ｂの続きである。
【図６Ａ】本発明に従って作製されたＳＯＦＣを示す。
【図６Ｂ】作製されたＳＦＯＣの画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下の詳細な記述は、説明の目的のために多くの具体的な詳細を含むが、以下の例示的な詳細な説明に対する種々の変形例及び代替例が本発明の範囲内に含まれることを当業者であれば容易に理解できるであろう。従って、以下に記す本発明の好適な実施形態は、請求された発明の一般性を失うことなく、かつこれに何らかの制限を加えることなく説明される。
【００２８】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）には、様々な種類のセラミック電解質材料が利用されるが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が最も一般的に用いられている。固体電解質は酸素イオン伝導度が低いため、従来のＳＯＦＣは比較的高温（８００〜１０００℃）で作動させる必要があった。そのため、ＳＯＦＣの用途は、大規模用途及び固定設置用途に限定される。ＳＯＦＣを低温で作動させると、電解質イオン伝導度が小さくなるので、燃料電池の出力密度は低くなる。ＳＯＦＣの作動温度をより低くするための１つの効果的な方法は、電解質の厚さを薄くして、抵抗損失を減少させることである。このことは、スパッタリング法や原子層堆積法（ＡＬＤ）などの薄膜堆積技術を用いてサブミクロンの厚さの電解質を堆積させることにより実現することができる。これらの薄膜堆積技術はまた、マイクロスケールのＳＯＦＣ構造を作製するためにＭＥＭＳプロセスを使用することを容易にする。
【００２９】
この参照により本明細書に組み込まれる本願発明者による先の教示は、シリコン微細加工プロセスを用いてナノ薄膜ＳＯＦＣを作製することを含む。シリコンウエハが基板として使用され、基板上に堆積させられた窒化ケイ素がマスク層を提供する。ＹＳＺ薄膜が、スパッタリング法や原子層堆積法（ＡＬＤ）などの薄膜堆積技術を用いてウエハの平坦面上に堆積させられる。ＹＳＺ薄膜を得るために、ＫＯＨ溶液を用いたエッチングによりシリコンが除去され、プラズマエッチング法により窒化ケイ素がエッチングされる。ＹＳＺ薄膜の両面には、電極／触媒としての多孔質白金（Ｐｔ）が堆積させられる。
【００３０】
図１（図１（ａ）〜図１（ｇ））は、シリコン微細加工プロセス１００により、成功裏に作製されたナノ薄膜ＳＯＦＣの各ステップを示す。図１（ａ）は、基板として使用される、研磨された両面シリコンウエハ１０２を示す。図１（ｂ）は、マスク層１０４として堆積させられた窒化ケイ素を示す。図１（ｃ）は、リソグラフィー技術により形成したエッチング領域１０６を示す。図１（ｄ）は、スパッタリング法や原子層堆積法（ＡＬＤ）などの薄膜堆積技術により上側平坦面１０４に堆積させられたＹＳＺ薄膜１０８を示す。図１（ｆ）に示すように、ＫＯＨ溶液によってシリコン１０２をエッチング除去し、プラズマエッチング法によって窒化ケイ素マスク１０４／１０６を除去することにより、ウインドウ１１０が形成される。図１（ｅ）及び図１（ｆ）に示すように、ＹＳＺ薄膜１０８はウインドウ１１０を跨ぐように吊り下げられている。図１（ｇ）は、ＹＳＺ薄膜１０８の両面に堆積させられた、電極／触媒としての多孔質白金（Ｐｔ）１１２を示す。
【００３１】
従来の燃料電池の作動温度の下限は摂氏４００℃であり、そのときの出力密度は４００ｍＷ／ｃｍ２であると報告されている。単一のＭＥＭＳ燃料電池の低温でのそのような出力密度は高いものではあるが、そのような絶対出力は実用的用途には低すぎる。この従来構造の欠点の１つは、有効表面積率が非常に限られていることである。
【００３２】
平坦マイクロＳＯＦＣからは高い出力密度が得られるが、この装置から供給される絶対出力は非常に小さい。このＳＯＦＣの出力伝達が小さい理由は、表面積率が低いことである。図１（ｅ）及び図１（ｆ）に示したＫＯＨエッチングプロセスの後、（１００）面方位のシリコンウエハの結晶化に起因して、各ウインドウ１１０間に大きな間隔１１４が存在することとなる。厚さが３５０μｍのシリコンウエハの場合、各ウインドウ間の間隔は５００μｍとなる。窒化ケイ素マスク１０４／１０６上のウインドウのサイズが６００μｍに設計されている場合、ＫＯＨエッチング後の上面におけるウインドウのサイズ１１６はわずか１００μｍとなる。従って、表面積率は、（１００μｍ）２／（６００μｍ）２＝２．８％というとても小さいものとなる。そのため、薄膜１０８の厚さを薄くすると共に、ウインドウ１１０間の間隔を減少させることが求められている。このことは、本発明による二段階キャビティウインドウエッチング形成プロセスを用いることにより実現される。
【００３３】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本願発明者の先の作製技術及び本発明の技術を用いて形成したウインドウの間隔２００を示す概略図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、ＫＯＨエッチングプロセスのみを用いて形成した使用可能表面を示し、図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、本発明の二段階キャビティウインドウエッチング形成プロセスを用いて形成した、より大きな使用可能表面を示す。
【００３４】
以下に示すように、限られた体積内で表面積率を効率的に高めるために、本発明は、ＹＳＺ波状薄膜のナノ構造を含む、固体酸化物型燃料電池用の電解質・電極アセンブリを提供する。一実施形態によれば、ＹＳＺは、深さ１０〜４０μｍの円形溝が予めパターン形成された厚さ４インチのシリコン基板上に、原子層堆積法（ＡＬＤ）により堆積させられる。シリコン基板の除去後、ＹＳＺは予めパターン形成された表面形状を複製し、波状の電解質膜を形成する。溝の深さをより深くすると、表面積率はより大きくなる。開発された波状薄膜ＳＯＦＣに基づき、電解質の波状膜を補強するための及び使用可能なウエハ面積をさらに増加させるための２つの新しい作製方法が提供される。１つは、重ホウ素ドープシリコン支持層に基づいた方法であり、もう１つは二段階キャビティウインドウ形成プロセスを含む方法である。
【００３５】
シリコンにホウ素を１０１９／ｃｍ３を超える濃度でドープすると、ＫＯＨによるシリコンのエッチング速度は著しく減少する。本発明の一態様では、シリコンウエハにドープされたホウ素を、ＫＯＨエッチングのエッチングストップとして用いる。このホウ素エッチングストップ技術を利用することにより、本発明の方法により作製した場合に、自立型ＹＳＺ波状膜の支持層としての役割を果す数マイクロメートルの厚さのシリコン層を、ＫＯＨエッチング後に残すことが可能となる。このことにより、ＹＳＺ波状薄膜の物理的な補強が提供されるので、より深い波状にすることが可能となる。
【００３６】
二段階キャビティウインドウ形成プロセスは、２つの互いに異なるサイズを含む基板キャビティウインドウの作製を可能にする。この方法の目的は、自立膜を薄くすると共に、使用可能なウエハ面積を増加させることにある。ＫＯＨ溶液を用いたキャビティウインドウエッチング形成では、（１００）面方位のシリコンウエハの結晶性が、ウエハ上面における開口の大きさを不回避的に制限する。本発明の二段階キャビティウインドウ形成プロセスは、深堀り反応性イオンエッチング法（ＤＲＩＥ）とＫＯＨエッチング法とを組み合わせたものである。まず、異方性ＤＲＩＥエッチング法によりウエハ厚さの一部をエッチングした後、反対側の面にパターンをエッチングする。このＤＲＩＥエッチングは、第２段階ウインドウ２０２を形成する。その後、（１００）面方位のシリコンウエハの表面をＫＯＨエッチングすることにより、第２段階ウインドウ２０２を完成させる。この二段階キャビティウインドウ形成プロセスを用いた場合に、従来のＫＯＨエッチング法のみの場合よりも表面積が増加したことを、図２（ｄ）に示す。ＤＲＩＥエッチングにより形成する深さをより深くすると、第２段階ウインドウ２０２間の間隔はより小さくなり、そのことにより、使用可能な表面積１１６は増加する。第２段階ウインドウ２０２のサイズをより小さくすると、使用可能な表面積のパーセンテージはより著しく増加する。２つの方法（ＤＲＩＥエッチング法とＫＯＨエッチング法）を組み合わせることにより、高い表面積率を有する、燃料電池用の最終的な構造体が作製される。
【００３７】
図３（図３ａ〜図３ｃ）は、限られた体積内で高い表面積率を有するシリコンベースのＳＯＦＣ構造体３００を示す概略図である。図３ａは、二段階キャビティウインドウ形成プロセスにより作製されたウインドウ３０４（図３ｂ参照）をまたぐようにして配置された一般的な電解質／電極アセンブリ３０２を示す。図３ｃは、電解質／電極アセンブリ３０２がその中に作製された、複数の互いに隣接するウインドウ３０４を示す。
【００３８】
図４は、シリコンベースＳＯＦＣ構造体４００の互いに隣接する複数のウインドウ（基板キャビティ）を示す概略切断図である。ＳＯＦＣ４００は、第１の基板表面４０４及びそれに平行な第２の基板表面４０６を有する基板４０２と、基板キャビティ側壁４１０、基板キャビティ基部要素（base feature）４１２及び基板キャビティ底部４１４からなり、第２の基板表面４０６に形成された少なくとも１つの基板キャビティ４０８と、基板表面（４０４／４０６）に対して垂直に形成され、第１の基板表面４０４から少なくとも基板キャビティ底部４１４まで延びる複数の溝部４１６とを含む。基板キャビティ４０８は、１ｍｍ乃至１００ｍｍの範囲の幅、及び、５μｍ乃至３００μｍの範囲の深さを有し得る。基板キャビティ側壁４１０は、５０μｍ乃至２５０ｍｍの範囲の長さを有し得る。基板キャビティ基部要素４１２は、１０μｍ乃至２５０μｍの範囲の垂直長さを有し得る。このＳＯＦＣ用の電解質・電極アセンブリ４００は、第１の電解質表面４２０及び第２の電解質表面４２２を有する電解質層４１８をさらに含む。第２の電解質表面４２２は、第１の基板表面４０４上に及び溝部４１６の壁部に沿って配置され、かつその少なくとも一部が基板キャビティ４０８内に配置される。第１の電解質表面４２０は、その少なくとも一部が前記基板キャビティ４０８内に配置される電解質キャビティを溝部４１６内に形成する。第１の電極層４２６が、第１の電解質表面４２２上に、電解質キャビティ４２４の形状に適合するように配置される。第２の電極層４２８が、基板キャビティ側壁部４１０、キャビティ基部要素４１２、基板キャビティ底部４１４、及び、基板キャビティ４０８内に配置された第２の電解質表面の４２２の前記少なくとも一部の上に配置される。波状薄膜の強度の維持を助けるため及びより深い波状薄膜の形成を可能にするためのホウ素エッチングストップ層４３０がさらに形成される。図４は、逆三角形状の基板キャビティセパレーター４３２をさらに示す。セパレーター４３２の三角形の基底部が、互いに隣接する基板キャビティ４０８間の離間距離を規定する。離間距離は、５０μｍ乃至５００μｍの範囲であり得る。電解質層４１８は、１ｎｍ乃至１０μｍの範囲の厚さを有し得る。さらに、原子層堆積法を用いて個々の材料層を堆積させて形成した電解質層４１８の最小厚さを考慮した例では、イオン伝導度と低い作動温度との間の最適化を提供するために、電解質層４１８の厚さの下限は、１のイットリア層と約７のジルコニア層であり得る。電解質層の堆積方法の他の例としては、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、蒸発法、及びパルスレーザー堆積法が挙げられる。
【００３９】
図５Ａ（図５ａ〜図５ｆ）、図５Ｂ（図５ｇ〜図５ｌ）及び図５Ｃ（図５ｍ〜図５ｏ）は、二段階キャビティウインドウ形成プロセス５００を示す。図５ａは、図４に示したＳＯＦＣ構造体４００の基板として使用される厚さ４インチのシリコンウエハ５０２の破断側面図を示す。この例示的な実施形態でのウエハ５０２は、ｐ型の（１００）面方位の両面シリコンウエハであり、３５０〜４００μｍの厚さに研磨されている。まず、ウエハの一方の面に、１μｍ厚さのシリコン酸化物をドープマスク（図示せず）として使用して、拡散ドープ法により、１１００℃、６時間でホウ素５０４をドープする。図５ｂは、ホウ素ドープ面にコーティングされた１．６μｍ厚さのフォトレジスト５０６（Shipley Co.社製の３６１２ポジ型レジスト）を示す。図５ｃは、フォトリソグラフィー技術５０８を用いて、円形溝５１２のパターン形状を有するマスク５１０を形成した状態を示す。円形溝５１２は、限られた表面積内で最大数にするために最密充填形状に配列される（図６ｂ参照）。なお、円形以外にも、例えば、長方形、正方形、三角形、多角形などの他の形状を用いることもできることは明らかであろう。円の直径は、１０μｍ乃至６５μｍであり得る。図５ｄは、ＤＲＩＥ法を用いて前記円形溝マスクパターンにエッチングし、カップ状の溝部５１４を形成した状態を示す。図５ｅは、フォトレジスト層５０６を除去した状態を示す。図５ｆ及び図５ｇは、低圧化学気層堆積法（ＬＰＣＶＤ）を用いて、ウエハ５０２の両面に厚さ１００ｎｍの低応力窒化ケイ素５１６を堆積させた状態を示す。窒化ケイ素５１６（ａ）の層は、ウエハ上面のカップ状の溝部５１４の形状に適合するように配置される。図５ｈは、その後、フォトリソグラフィー技術を用いて、窒化ケイ素５１６（ｂ）をパターン形成し、後でＫＯＨエッチングにより形成される第２段階の基板キャビティウインドウ用のウインドウマスク５１８を形成した状態を示す。ウインドウの幅は約１０ｍｍ乃至６０ｍｍである。図５ｉは、第２段階の基板キャビティウインドウ用のウインドウマスクである窒化ケイ素５１６（ｂ）の上に厚さ７μｍのフォトレジスト層５０６をコーティングした後、フォトリソグラフィー技術を用いてパターン形成し、ＤＲＩＥにより形成される第１段階の基板キャビティウインドウ用の小型のウインドウマスク（フォトレジストマスク）５２０を形成した状態を示す。最外側に位置する小型ウインドウの縁部は、窒化ケイ素マスクの縁部から５０〜２００μｍの距離を有する。これは、ＫＯＨエッチング後に、（１１１）表面が凹面形状になるのを防ぐためである。図５ｊは、第１段階の基板キャビティウインドウ５２２を形成するために、ＤＲＩＥによりウエハ５０２を５０μｍ乃至２５０μｍの深さエッチングした状態を示す。ピラニア溶液に浸すことによりフォトレジストマスク５２０を除去する（図５ｋ参照）。その後、図５ｌに示すように、ＡＬＤ法によって、カップ状溝部５１４内の窒化ケイ素５１６層（ａ）の上に、厚さ５０〜１５０μｍのＹＳＺ薄膜５２４を堆積させる。堆積させられたＹＳＺ５２４は、予めパターン形成された円形溝部５１４の形状を複製する。二段階キャビティウインドウ形成プロセスを完了するために��図５ｍに示すように、開口形成されたＳｉウインドウ５２２を、１０％ＫＯＨ溶液を使用して６０℃でエッチング５２６する。このエッチング５２６は、窒化物層５１６（ａ）でストップされ、重ホウ素ドープシリコン層５０４でスローダウンされる。その後、図５ｎに示すように、第２段階の基板キャビティウインドウ内において電解質層５２４上に形成されている窒化ケイ素層５１６（ａ）を、ＳＦ６プラズマエッチングにより除去する。電気化学反応のための活性表面は、ＹＳＺカップ底部５２８と、部分的なカッブ側壁５３０である。最後に、図５ｏは、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により、電極／触媒としての多孔質白金膜５３２（カソード及びアーノード）をＹＳＺ５２４の両面に堆積させた状態を示す。
【００４０】
図６Ａ（図６ａ、図６ｂ）及び図６Ｂ（図６ｃ）は、作製されたＳＦＯＣ６００を示す。図６ｃは、作製されたＳＦＯＣ６００の画像を示す。図６ａには、４個のＳＯＦＣチップ６０４が存在する、厚さ４インチのシリコンウエハ６０２が示されている。各チップ６０４は４つの第１段階ウインドウ６０６を有し、各第１段階ウインドウ６０６はその内側に８つの第２段階ウインドウ６０８を有する。作製された第２段階ウインドウ６０８のサイズは、２ｍｍ×２ｍｍ乃至６ｍｍ×６ｍｍである。各第２段階ウインドウ６０８は、ウインドウ６０８のサイズに応じて数千個乃至数十万個の非常に多くのＹＳＺ「カップ」６１０（図６ｂ参照）を有する。第２段階ウインドウ６０８間の間隔は、図５ｊにおけるデザイン及びエッチング深さに応じて２００μｍ乃至４１０μｍにされる。ＫＯＨエッチングのみを使用した場合、前記間隔は、５５０μｍよりも大きくなる。従って、前記間隔の減少は明らかであり、ウインドウのサイズをより小さくした場合は特に、使用可能なウエハ表面積が著しく増加する。図６ｃは、ホウ素ドープシリコン層によって支持された波状膜の断面の画像である。この画像では、カップの深さは１０μｍであり、支持層の厚さは約３μｍである。キャビティ内に吊り下げられた多孔質白金膜／ＹＳＺ膜／多孔質白金膜の厚さは、それぞれ、１２０ｎｍ／８０ｎｍ／１２０ｎｍである。
【００４１】
ナノ薄膜ＳＯＦＣは、ホウ素エッチングストップ技術及び二段階キャビティウインドウ形成技術を含むＭＥＭＳ作製法を用いて作製される。ホウ素エッチングストップ技術は、ＹＳＺ薄膜電解質の安定的な支持を提供し、基板キャビティウインドウを覆う、３ｍｍ×３ｍｍ乃至６ｍｍ×３ｍｍの自立膜の形成を可能にする。二段階キャビティウインドウ形成技術は、エッチング形成されたキャビティウインドウ間の間隔を減少させ、使用可能なウエハ表面積を増加させる。
【００４２】
以上、本発明をいくつかの例示的な実施形態に従って説明したが、これらの実施形態は全ての側面において例示を意図するものであり、限定を意図するものではない。従って、当業者であれば、本発明の詳細な実施において、本明細書中に記載された説明から導出される種々の変形が可能である。例えば、ホウ素ドープ支持層は、in-situでのホウ素ドープによりエピタキシャルシリコンを成長させることにより形成することができる。さらに、溝部の形状は、円形、長方形、正方形、三角形または多角形に限定されない。
【００４３】
これらの変形例はすべて、請求項及びその法的均等物によって規定された本発明の範囲及び精神の範囲内に入ると見なされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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