JP2008063178A - 被加工材の変形量低減方法、被加工材の加工方法及び処理器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガラス材に生じた反り等の変形量を低減する。
【解決手段】ガラス基板10,20,30の両面にドライフィルムを施し、各ガラス基板10,20,30について一方のドライフィルムに所定パターンの開口を露光・現像により形成する。次に、サンドブラスト法によってその開口パターンに沿った溝をガラス基板10,20,30に施す。次に、ドライフィルムを貼り付けた状態でガラス基板10,20,30をドライエッチング装置100のステージ106に載置し、溝の壁面部分をドライエッチングする。次に、溝に触媒を担持し、ガラス基板10,20,30を接合する。
【選択図】図2
【解決手段】ガラス基板10,20,30の両面にドライフィルムを施し、各ガラス基板10,20,30について一方のドライフィルムに所定パターンの開口を露光・現像により形成する。次に、サンドブラスト法によってその開口パターンに沿った溝をガラス基板10,20,30に施す。次に、ドライフィルムを貼り付けた状態でガラス基板10,20,30をドライエッチング装置100のステージ106に載置し、溝の壁面部分をドライエッチングする。次に、溝に触媒を担持し、ガラス基板10,20,30を接合する。
【選択図】図2
Description
本発明は、機械的加工により変形した被加工材の変形量低減方法に関するともに、その変形量低減方法を利用した被加工材の加工方法及び処理器の製造方法に関する。
近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源としての燃料電池を自動車や携帯機器などに搭載するため、燃料電池やその周辺技術の開発が進められている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素を電気化学的に反応させて、化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出す装置である。
燃料電池に用いる燃料としては水素単体が挙げられるが、常温、常圧で気体であることによる取り扱いに問題がある。そこで、燃料を液体の状態で保存して、その燃料を反応器(処理器)によって水素に改質し、その水素を燃料電池に送ることが行われている。このような燃料電池や反応器を小型な電子機器に搭載するために、反応器や燃料電池を小型化するための開発が行われている。小型な反応器としては、溝が形成された複数のガラス基板を積み重ねて接合したものがあり、溝には触媒が担持されている。複数のガラス基板の接合により溝に対応する部分が流路とされ、燃料がその流路を流れる過程で触媒反応が起こる。また、特許文献1に記載された静電接合方法を応用すれば、溝が形成された複数のガラス基板を接合することができる。
特開平6−326331号公報
ところで、ガラス基板の接合前にガラス基板に溝を加工する必要があり、溝の加工によってガラス基板に残留応力が発生し、ガラス基板に反り等の変形が生じる。しかし、反りが生じたガラス基板を接合したものとしても、隣り合うガラス基板の対向面を十分に面接触させることができず、高い密着性の接合面を得ることができない。
そこで、本発明は、ガラス材に生じた反り等の変形量を低減することを目的とする。
以上の課題を解決するため、請求項1に係る発明は、機械的に削ることによる彫込み加工により変形した被加工材についてその彫込みの壁面をドライエッチングすることによって、その被加工材の変形量を低減することを特徴とする被加工材の変形量低減方法である。
請求項2に係る発明は、マスクを被加工材に被覆し、前記マスクに形成された開口部を通じて前記被加工材を機械的に削ることによって前記開口部に沿った彫込みを前記被加工材に施し、前記マスクにより被覆された状態で前記被加工材の彫込みの壁面をドライエッチングすることを特徴とする被加工材の加工方法である。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の被加工材の加工方法において、微細粉を含んだ圧縮エアーを前記開口部を通じて前記被加工材に吹き付けることで前記被加工材を削ることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項2又は3に記載の被加工材の加工方法において、前記被加工材のドライエッチング後に前記マスクを除去し、前記被加工材に別の部材を接合することによって前記被加工材の彫込みを前記別の部材で覆うことを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項2から4の何れか一項に記載の被加工材の加工方法において、前記被加工材がリチウム含有ガラス材又は硼珪酸ガラス材であることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、マスクで被加工板の一方の面を被覆し、前記マスクに形成された開口部を通じて前記被加工板を機械的に削ることによって前記開口部に沿った彫込みを前記被加工板に施し、前記マスクにより被覆された状態で前記被加工板の彫込みの壁面をドライエッチングすることを特徴とする処理器の製造方法である。
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の処理器の製造方法において、前記ドライエッチングをした後に、前記マスクを除去し、前記被加工板の一方の面に板材を接合することによって前記被加工板の彫込みを前記板材で覆うことを特徴とする。
請求項8に係る発明は、請求項6又は7に記載の処理器の製造方法において、前記被加工材がリチウム含有ガラス材又は硼珪酸ガラス材であることを特徴とする。
請求項9に係る発明は、請求項6から8の何れか一項に記載の処理器の製造方法において、前記ドライエッチングをした後に、前記被加工板の彫込みに触媒を担持することを特徴とする。
本発明によれば、被加工材や被加工板を機械的に削ることにより形成された彫込みの壁面をドライエッチングすると、その彫込みの壁面の表層に生じた加工変質層が除去され、加工変質層の残留応力も除去される。そのため、被加工材や被加工板に生じた変形量が低減される。
彫込みの深さ方向に大きく、深さに垂直な方向に小さい異方性の形状を有する加工変質層が発生した場合、ドライエッチングによるエッチング処理を同様の異方性の領域に対して行うように制御できるので、加工変質層以外の領域を必要以上に除去することなく、加工変質層を除去することができる。
彫込みの深さ方向に大きく、深さに垂直な方向に小さい異方性の形状を有する加工変質層が発生した場合、ドライエッチングによるエッチング処理を同様の異方性の領域に対して行うように制御できるので、加工変質層以外の領域を必要以上に除去することなく、加工変質層を除去することができる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
反応器(処理器)1の製造方法について説明する。
図1は、反応器1の構成要素であるガラス基板10の加工工程を示した図である。まず、図1(a)に示すような矩形平板状のガラス基板10を準備し、ガラス基板10を洗浄する。このガラス基板10は可動イオンのもとなるアルカリ金属(例えば、Na、Li)を含有した耐熱性ガラス又は硼珪酸ガラスからなり、具体的にはパイレックス(登録商標)ガラスからなる。
図1は、反応器1の構成要素であるガラス基板10の加工工程を示した図である。まず、図1(a)に示すような矩形平板状のガラス基板10を準備し、ガラス基板10を洗浄する。このガラス基板10は可動イオンのもとなるアルカリ金属(例えば、Na、Li)を含有した耐熱性ガラス又は硼珪酸ガラスからなり、具体的にはパイレックス(登録商標)ガラスからなる。
次に、図1(b)に示すように、感光性樹脂からなるドライフィルム(レジストフィルム)41,42をガラス基板10の両面に貼り付ける。続いて、一方のドライフィルム41を部分的に露光して潜像をドライフィルム41に形成し、他方のドライフィルム42を部分的に露光して潜像をドライフィルム42に形成する。そして、ドライフィルム41及びドライフィルム42が貼り付けられたガラス基板10を現像液に浸漬すると、図1(c)に示すように、潜像に応じた開口パターン41aがドライフィルム41に形成され、潜像に応じた開口パターン42aがドライフィルム42に形成される。
次に、図1(d)に示すように、残留したドライフィルム41をマスクとして、微細粉(例えば、平均粒径40μmの緑色炭化珪素粒)を含んだ圧縮エアーを開口パターン41aを通じてガラス基板10に吹き付ける。微細粉や圧縮エアーの衝突力によりガラス基板10を削って孔部18aを形成する。また、このとき、後の接合時に電極を取り出すための切欠き19(図4参照)の部分にも、この切欠き19に対応する孔部を形成する。なお、圧縮エアーの圧力は特に限定されないが、例えば、0.23MPaとする。
次に、残留したドライフィルム42をマスクとして、微細粉(例えば、平均粒径40μmの緑色炭化珪素粒)を含んだ圧縮エアーを開口パターン42aを通じてガラス基板10に吹き付ける。微細粉や圧縮エアーの衝突力によりガラス基板10を削る。ここで、開口パターン42aをなぞるように圧縮エアーをガラス基板10に吹き付けて、開口パターン42aに沿ってガラス基板10を削る。これにより、図1(e)に示すように、開口パターン42aに沿った形状の彫込み溝11をガラス基板10に形成する。この時、ドライフィルム42側から彫り込んだ孔部をドライフィルム41側から彫り込んだ孔部18aに貫通させ、彫込み溝11のほかに貫通孔18を形成する。また、上述の切欠き19も、この過程で貫通孔18と同時に形成される。また、サンドブラスト法によって形成された彫込み溝11や貫通孔18の壁面は比較的粗い。なお、圧縮エアーの圧力は特に限定されないが、例えば、0.23MPaとすると、ガラス基板10に数百MPaもの応力がかかる。
以上のようなサンドブラスト法によってガラス基板10を機械的に削って彫込み溝11や貫通孔18や切欠き19を施すと、ガラス基板10の加工面のうち、より広範囲において加工されている面(ドライフィルム42側の面)が凸となるようにガラス基板10が反る。これは、図2(a)に示すように、機械的加工によって彫込み溝11の壁面の表層が加工変質層11aとして形成され、その加工変質層11aに応力が残留するためである。
加工変質層11aは、機械的な加工によってガラス基板10の一部が材質的に変化したものであって、機械的エネルギーや熱的エネルギーによって形成されたものである。ここで、機械的な加工による機械的エネルギーによって、表面流動や塑性変形によって増加する格子欠陥の乱れ、結晶粒の変形、それらにより微細化が生じ、これにより加工変質層11aが形成される。一方、機械的な加工による熱的エネルギーによって相転移による組織変化が生じ、これにより加工変質層11aが形成される。また、図2(a)に示すように、加工変質層11aは、圧縮エアーを吹き付ける方向には大きく形成され、その吹き付け方向に垂直な方向には小さく形成される。
以上のように彫込み溝11が形成されたガラス基板10に対してドライエッチングを行い、加工変質層11aを除去する。ドライエッチングを行うためのプラズマエッチング装置にはプラズマ発生方式によって様々な種類が存在し、ここで用いるプラズマエッチング装置は並行平板型であっても良いし、アンテナ型であっても良い。
図3は、ガラス基板10のドライエッチングに用いるヘリコン波プラズマエッチング装置100を示した概略図である。図3に示すように、ヘリコン波プラズマエッチング装置100は、プラズマ生成チャンバ101、アンテナ102、ヘリコン高周波電源103、磁場コイル104、拡散チャンバ105、ステージ106及びバイアス高周波電源107を備える。プラズマ生成チャンバ101が拡散チャンバ105の上に設けられ、プラズマ生成チャンバ101と拡散チャンバ105が通じている。アンテナ102がプラズマ生成チャンバ101の外側を周回し、磁場コイル104がアンテナ102の更に外側においてプラズマ生成チャンバ101を周回している。磁場コイル104は二重構造となっている。アンテナ102にヘリコン高周波電源103が接続され、高周波電圧がアンテナ102に印加され、アンテナ102によってヘリコン波が励起する。磁場コイル104によって、プラズマ生成チャンバ101の軸方向(上下方向)に沿った磁界が生じる。ステージ106が拡散チャンバ105内に収容され、バイアス高周波電源107がステージ106に接続されている。
ドライエッチングを行うに際して、まず、彫込み溝11が形成された面を上にして、ガラス基板10をステージ106に載置する。ここでは、ドライフィルム41,42を除去していない。そして、プラズマ生成チャンバ101内にガス(例えば、C4F6といったフッ素系ガス)を供給し、アンテナ102によってプラズマ生成チャンバ101にヘリコン波を導入し、磁場コイル104によって磁界を形成し、プラズマが生成される。これにより、図2(b)に示すように、彫込み溝11や貫通孔18の壁面部分のドライエッチングを行い、加工変質層11aを除去する。ヘリコン高周波電源103の供給電力を1000Wとし、バイアス高周波電源107の供給電力を600Wとし、ガラス基板10がパイレックス(登録商標)ガラスである場合、約0.1μm/minのエッチングレートが得られる。このヘリコン波プラズマエッチング装置100では、ヘリコン波が発生するので、並行平板型よりもプラズマ密度が高い。
以上のようなドライエッチングでは、ウェットエッチングと異なり、異方性のエッチングが行われる。つまり、彫込み溝11の深さ方向に向かってエッチングが行われるが、深さ方向に対して垂直な方向に向かってはエッチングが行われにくい。特に、バイアス高周波電源107によってステージ106を介してガラス基板10にバイアスがかけられているので、高異方性エッチングが行われる。異方性のエッチングが行われるので、彫込み溝11の深さ方向に厚く、深さ方向に垂直な方向に薄い加工変質層11a以外の領域を必要以上に除去することなく、加工変質層11aを除去することができる。つまり、深さ方向のエッチングが不足せず、深さに垂直な方向のエッチングが過剰にならない。また、異方性エッチングであるがため、彫込み溝11の縁の角部11bが丸まらない。
以上のようなドライエッチングにより、彫込み溝11や貫通孔18や切欠き19の壁面近傍の残留応力が除去され、ガラス基板10の反りが低減される。また、彫込み溝11の壁面がエッチングされても、彫込み溝11の壁面の粗さは残る。また、ガラス基板10のうちドライフィルム42によって被覆された部分は除去されない。
以上のようなドライエッチングでは、ウェットエッチングと異なり、溶液の温度管理等をせずとも済み、プラズマ発生時間を調整することでエッチング量も調整することができる。そのため、エッチングストップのタイミングが非常に簡便である。このようなドライエッチングによってガラス基板10を大量生産した場合に、ロット間におけるエッチング量の不揃いがなくなり、非常に高い再現性が可能となる。
また、ウェットエッチングでは、エッチング液の廃液処理設備が必要となるが、ドライエッチングでは、そのような設備を必要としない。その上、ヘリコン波プラズマエッチング装置100のようなドライエッチング装置には、除外装置という有害ガスを除去する装置が付属されているので、反応ガスの外部への流出を防いでいる。そのため、ドライエッチングのほうが、ウェットエッチングよりも安全性において優れている。また、ヘリコン波プラズマエッチング装置100のようなドライエッチング装置は小型な反応器の製造に必要な設備であり、そのドライエッチング装置をガラス基板10の変形量を低減するために転用しているので、新たに設備を導入しなくても済む。
なお、貫通孔18や切欠き19を形成しないのであれば、サンドブラスト加工の際にドライフィルム41を貼り付けずとも済む。ドライエッチングの際にも、ドライフィルム42が形成された面が上になり、反対面がステージ106に当接する。そのため、ドライエッチングの際には、ドライフィルム41が不要であり、加工面のドライフィルム42だけで十分である。ウェットエッチングでは、彫込み溝11が形成された面とは反対側の面を保護するために、ドライフィルム41が必要であるのに対し、ドライフィルムでは、必ずしもドライフィルム41が必要ではない。従って、ドライエッチングでは、ウェットエッチングで必ず必要であったドライフィルム41をなくすことができる。
ドライエッチングが完了したら、ガラス基板10を拡散チャンバ105から取り出し、
除去液によってドライフィルム41,42を除去する。なお、反応物が揮発性の反応として発散するため、ガラス基板10の表面にガスの吸着や残留物の堆積もなく、ドライエッチング後の洗浄工程を必要としない。
除去液によってドライフィルム41,42を除去する。なお、反応物が揮発性の反応として発散するため、ガラス基板10の表面にガスの吸着や残留物の堆積もなく、ドライエッチング後の洗浄工程を必要としない。
図4(a)は彫込み溝11が形成された面とは反対の面の平面図であり、図4(b)は彫込み溝11が形成された面の平面図であり、図4(c)は図4(a)、(b)のIVc−IVc線に沿った面の矢視断面図である。図4(b)に示すように、彫込み溝11は、右縁から貫通孔18の左側へ至る燃料導入部12と、燃料導入部12に通じるとともに貫通孔18の左側において葛折り状になった改質部13と、改質部13に通じるとともに貫通孔18の左側から右側へ至る連通部14と、右縁から連通部14に通じる空気導入部15と、空気導入部15及び連通部14に通じるとともに貫通孔18の右側において葛折り状となった一酸化炭素除去部16と、一酸化炭素除去部16から右縁に至る排出部17等とからなる。
なお、一枚の大きな基板から複数のガラス基板10をダイシング加工により切り出しても良い。その場合には、図1(a)〜図1(e)の各工程やドライエッチング工程をガラス基板10ごとに順番に行うのではなく、図1(a)〜図1(e)の各工程やドライエッチング工程を全てのガラス基板10についてまとめて行った後に、一枚の大きな基板から複数のガラス基板10を切り出す。
なお、一枚の大きな基板から複数のガラス基板10をダイシング加工により切り出しても良い。その場合には、図1(a)〜図1(e)の各工程やドライエッチング工程をガラス基板10ごとに順番に行うのではなく、図1(a)〜図1(e)の各工程やドライエッチング工程を全てのガラス基板10についてまとめて行った後に、一枚の大きな基板から複数のガラス基板10を切り出す。
次に、彫込み溝11のうち改質部13の壁面に改質用触媒(例えば、Cu/ZnO系触媒)81を担持させるとともに、一酸化炭素除去部16の壁面に選択酸化用触媒(例えば、白金系触媒)82を担持させる。彫込み溝11の壁面が粗くなっているので、改質用触媒81や選択酸化用触媒82を担持させやすく、改質用触媒81や選択酸化用触媒82のミクロ的な表面積が大きくなるので、改質用触媒81や選択酸化用触媒82による反応効率が高くなる。
図5及び図6は、反応器1の構成要素であるガラス基板20の加工工程を示した図である。図5(a)に示すように、矩形平板状の別のガラス基板20を準備し、ガラス基板20を洗浄する。次に、図5(b)に示すように、ガラス基板20の両面に金属薄膜51,52を気相成長法(例えば、スパッタリング法、蒸着法等)によって成膜する。金属薄膜51,52は、ガラス基板10や後述するガラス基板30をガラス基板20に陽極接合するために用いるものであり、例えばタンタルからなる。
次に、図5(c)に示すように、金属薄膜52に電熱膜53を気相成長法によって成膜する。ここで、電熱膜53は金属薄膜52側から順にタングステン層、金層、タングステン層を積層したものである。
次に、図5(d)に示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法により電熱膜53及び金属薄膜52をパターニングし、電熱膜53からヒータ53a,53bを形成する。
次に、図5(e)に示すように、気相成長法、フォトリソグラフィー法及びエッチング法によりヒータ53a,53bを酸化シリコン又は窒化シリコンの絶縁膜54で被覆し、その後、ヒータ53a,53b以外の部分で電熱膜53をエッチングにより除去する。
次に、図5(f)に示すように、感光性樹脂からなるドライフィルム55,56をガラス基板20の両面に貼り付け、一方のドライフィルム56を部分的に露光して潜像をドライフィルム56に形成し、他方のドライフィルム55を部分的に露光して潜像をドライフィルム55に形成する。そして、ドライフィルム55及びドライフィルム56が貼り付けられたガラス基板20を現像液に浸漬すると、図6(a)に示すように、潜像に応じた開口パターン56aがドライフィルム56に形成され、潜像に応じた開口パターン55aがドライフィルム55に形成される。
次に、残留したドライフィルム55をマスクとして、微細粉を含んだ圧縮エアーを開口パターン55aを通じてガラス基板20に吹き付ける。このようなサンドブラスト法によって開口パターン55aに沿ってガラス基板20を削り、図6(b)に示すように、開口パターン55aに沿った形状の彫込み溝21をガラス基板20に形成する。
次に、図6(c)に示すように、残留したドライフィルム56をマスクとして、微細粉を含んだ圧縮エアーを開口パターン56aを通じてガラス基板20に吹き付けて、ドライフィルム56側から彫り込んだ孔部を反対側に貫通させ、貫通孔28を形成する。
次に、ドライフィルム55,56を残留させた状態で、彫込み溝21が形成された面を上にして、ガラス基板20をヘリコン波プラズマエッチング装置100のステージ106に載置する。そして、ヘリコン波プラズマエッチング装置100を用いて彫込み溝21や貫通孔28の壁面部分のドライエッチングを行い、壁面部分の表層の加工変質層を除去する。これにより、ガラス基板20の反りが低減される。ドライフィルム55が張り付けられているので、彫込み溝21や貫通孔28の壁面部分がエッチングされるが、他の部分はエッチングされず、金属薄膜52を保護することができる。反対面に形成されたヒータ53a,53b、金属薄膜51,52、絶縁膜54等は下側になっているので、ドライフィルム56がなくとも、ヒータ53a,53b、金属薄膜51,52、絶縁膜54を保護することができる。
ドライエッチングが完了したら、ガラス基板20を拡散チャンバ105から取り出す。続いて、除去液によってドライフィルム55,56を除去し、ガラス基板20を洗浄する。
なお、一枚の大きな基板から複数のガラス基板20をダイシング加工により切り出しても良い。その場合には、図5(a)〜(f)、図6(a)〜(c)の各工程及びドライエッチング工程をガラス基板20ごとに順番に行うのではなく、図5(a)〜(f)、図6(a)〜(c)の各工程及びドライエッチング工程を全てのガラス基板20についてまとめて行った後に、一枚の大きな基板から複数のガラス基板20を切り出す。
なお、一枚の大きな基板から複数のガラス基板20をダイシング加工により切り出しても良い。その場合には、図5(a)〜(f)、図6(a)〜(c)の各工程及びドライエッチング工程をガラス基板20ごとに順番に行うのではなく、図5(a)〜(f)、図6(a)〜(c)の各工程及びドライエッチング工程を全てのガラス基板20についてまとめて行った後に、一枚の大きな基板から複数のガラス基板20を切り出す。
図7(a)は彫込み溝21が形成された面の平面図であり、図7(b)は彫込み溝21が形成された面とは反対の面の平面図であり、図7(c)は図7(a)、(b)のVIIc−VIIc線に沿った面の矢視断面図である。図7(a)に示すように、彫込み溝21のうち改質部23がガラス基板10の改質部13と対称な形状となっており、一酸化炭素除去部26がガラス基板10の一酸化炭素除去部16と対称な形状となっており、貫通孔28がガラス基板10の貫通孔18と対称な形状となっている。
次に、彫込み溝21のうち改質部23の壁面に改質用触媒(例えば、Cu/ZnO系触媒)83を担持させるとともに、一酸化炭素除去部26の壁面に選択酸化用触媒(例えば、白金系触媒)84を担持させる。
図8は、反応器1の構成要素であるガラス基板30の加工工程を示した図である。図8(a)に示すように、可動イオンのもととなるアルカリ金属(例えば、Na、Li)を含有した矩形平板状のガラス基板30を準備し、ガラス基板30を洗浄する。なお、ガラス基板30は硼珪酸ガラスの基板であっても良い。
次に、図8(b)に示すように、ドライフィルム61,62をガラス基板30の両面に貼り付ける。続いて、一方のドライフィルム62を部分的に露光して潜像をドライフィルム62に形成し、他方のドライフィルム61を部分的に露光して潜像をドライフィルム61に形成する。そして、ドライフィルム61及びドライフィルム62が貼り付けられたガラス基板30を現像液に浸漬すると、図8(c)に示すように、潜像に応じた開口パターン62aがドライフィルム62に形成され、潜像に応じた開口パターン61aがドライフィルム61に形成される。
次に、残留したドライフィルム61をマスクとして、微細粉を含んだ圧縮エアーを開口パターン61aを通じてガラス基板30に吹き付ける。微細粉や圧縮エアーの衝突力によりガラス基板30を削って、図8(d)に示すように、開口パターン61aに沿った形状の彫込み溝31をガラス基板30に形成する。また、このとき、後の接合時に電極を取り出すための切欠き39(図9参照)の部分にも、この切欠き39に対応する孔部を形成する。
次に、図8(e)に示すように、残留したドライフィルム62をマスクとして、微細粉を含んだ圧縮エアーを開口パターン62aを通じてガラス基板30に吹き付ける。微細粉や圧縮エアーの衝突力によってドライフィルム62側から彫り込み、その彫り込みによる孔部を反対側に貫通させ、貫通孔38を形成する。また、上述の切欠き39も、この過程で貫通孔38と同時に形成される。
次に、ドライフィルム61,62を残留させた状態で、彫込み溝31が形成された面を上にして、ガラス基板30をヘリコン波プラズマエッチング装置100のステージ106に載置する。そして、ヘリコン波プラズマエッチング装置100を用いて彫込み溝31や貫通孔38や切欠き39の壁面部分のドライエッチングを行い、壁面部分の表層の加工変質層を除去する。これにより、ガラス基板30の反りが低減される。
ドライエッチングが完了したら、ガラス基板30を拡散チャンバ105から取り出す。続いて、除去液によってドライフィルム61,62を除去し、ガラス基板30を洗浄する。
図9(a)は彫込み溝31が形成された面の平面図であり、図9(b)は彫込み溝31が形成された面とは反対の面の平面図であり、図9(c)は図9(a)、(b)のIXc−IXc線に沿った面の矢視断面図である。図9(a)に示すように、彫込み溝31は、右縁から貫通孔38の左側へ至る燃料導入部32と、燃料導入部32に通じるとともに貫通孔38の左側において葛折り状になった燃焼部33と、燃焼部33に通じた端子収納部34,35と、燃焼部33に通じるとともに貫通孔38の左側から右縁に至る排出部36と、貫通孔38の右側において枝分かれしたヒータ収納部37等とからなる。
なお、一枚の大きな基板から複数のガラス基板30をダイシング加工により切り出しても良い。その場合には、図8(a)〜図8(e)の各工程やドライエッチング工程をガラス基板30ごとに順番に行うのではなく、図8(a)〜図8(e)の各工程やドライエッチング工程を全てのガラス基板30についてまとめて行った後に、一枚の大きな基板から複数のガラス基板30を切り出す。
なお、一枚の大きな基板から複数のガラス基板30をダイシング加工により切り出しても良い。その場合には、図8(a)〜図8(e)の各工程やドライエッチング工程をガラス基板30ごとに順番に行うのではなく、図8(a)〜図8(e)の各工程やドライエッチング工程を全てのガラス基板30についてまとめて行った後に、一枚の大きな基板から複数のガラス基板30を切り出す。
次に、彫込み溝31のうち燃焼部33の壁面に燃焼用触媒(例えば、白金系触媒)85を担持させる。
以上のように加工したガラス基板10,20,30を積み重ねて、これらを接合する。ここで、ガラス基板20をガラス基板10とガラス基板30の間に挟み、ガラス基板20の両面のうち金属薄膜51が成膜された面をガラス基板10との接合面にし、金属薄膜52が成膜された面をガラス基板30との接合面にする。また、ガラス基板10については、彫込み溝11が形成された面をガラス基板20との接合面にし、ガラス基板30について彫込み溝31が形成された面をガラス基板20との接合面にする。
具体的には、図10(a)に示すように、ガラス基板10とガラス基板20を重ね合わせ、ガラス基板10,20の全体を加熱し、ガラス基板10側を陰極とし、切欠き19を通じて陽極91をガラス基板20の金属薄膜51に当接させる。これにより、ガラス基板10とガラス基板20を陽極接合する。なお、ガラス基板10とガラス基板20の接合に際しては、彫込み溝11の改質部13と彫込み溝21の改質部23を重ね合わせ、彫込み溝11の一酸化炭素除去部16と彫込み溝21の一酸化炭素除去部26を重ね合わせ、貫通孔18と貫通孔28を重ね合わせる。
次に、ヒータ53a,53bの両端部にリード線を接続する。
次に、図10(b)に示すように、ガラス基板20とガラス基板30を重ね合わせ、ガラス基板10,20、30の全体を加熱し、ガラス基板30側を陰極とし、切欠き39を通じて陽極91をガラス基板20の金属薄膜52に当接させる。これにより、ガラス基板20とガラス基板30を陽極接合する。なお、ガラス基板20とガラス基板30の接合に際しては、ヒータ53aを彫込み溝31の燃焼部33に収容され、ヒータ53bを彫込み溝31のヒータ収納部37に収容し、貫通孔28と貫通孔38を重ね合わせる。
ガラス基板10,20,30が終わったら、リード線がガラス基板20とガラス基板30の間の穴を通っているので、その穴をガラス封止材等により封止する。ガラス基板10,20,30の接合体を断熱パッケージ内に収容し、その断熱パッケージ内を真空にする。以上により、反応器(処理器)1が完成する。
以上のような製造方法においては、ガラス基板10,20,30に生じた反りがドライエッチングによって低減されているので、ガラス基板10,20,30の面同士を十分に接触させて陽極接合することができる。そのため、ガラス基板10,20,30の密着性が高いものとなる。
また、ガラス基板10やガラス基板30についてはドライエッチングの際にドライフィルムによって保護された面が接合面となるので、ガラス基板10やガラス基板30をガラス基板20に高い密着性で陽極接合することができる。そのため、製造される反応器1内の気密性が高くされた状態となる。
同様に、ガラス基板20についてもエッチングの際に金属薄膜51,52が保護されて熱やエッチング液によるダメージを受けていないので、ガラス基板20をガラス基板10やガラス基板30に高い密着性で陽極接合することができる。そのため、製造される反応器1内の気密性が高くされた状態となる。
また、ガラス基板10やガラス基板30についてはドライエッチングの際にドライフィルムによって保護された面が接合面となるので、ガラス基板10やガラス基板30をガラス基板20に高い密着性で陽極接合することができる。そのため、製造される反応器1内の気密性が高くされた状態となる。
同様に、ガラス基板20についてもエッチングの際に金属薄膜51,52が保護されて熱やエッチング液によるダメージを受けていないので、ガラス基板20をガラス基板10やガラス基板30に高い密着性で陽極接合することができる。そのため、製造される反応器1内の気密性が高くされた状態となる。
以上のように製造した反応器(処理器)1の作用について説明する。
燃料(例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ブタン、ガソリン)と水が気化して混合した状態で燃料導入部12に供給され、燃料と水の混合気が燃料導入部12から改質部13,23に送られる。燃料と水の混合気が改質部13,23を流動しているときに、改質用触媒81,83によって燃料と水から水素ガスが生成され、更に微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。燃料がメタノールの場合には、次式(1)、(2)のような化学反応が起こる。なお、水素が生成される反応は吸熱反応であって、ヒータ53aの熱や後述の燃焼熱が用いられる。
燃料(例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ブタン、ガソリン)と水が気化して混合した状態で燃料導入部12に供給され、燃料と水の混合気が燃料導入部12から改質部13,23に送られる。燃料と水の混合気が改質部13,23を流動しているときに、改質用触媒81,83によって燃料と水から水素ガスが生成され、更に微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。燃料がメタノールの場合には、次式(1)、(2)のような化学反応が起こる。なお、水素が生成される反応は吸熱反応であって、ヒータ53aの熱や後述の燃焼熱が用いられる。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 …(1)
H2+CO2→H2O+CO …(2)
H2+CO2→H2O+CO …(2)
改質部13,23で生成された水素ガス及び一酸化炭素ガス等は連通部14を通って一酸化炭素除去部16に送られ、更に外部の空気が空気導入部15を通って一酸化炭素除去部16に送られる。水素ガス、一酸化炭素ガス及び空気が一酸化炭素除去部16を流動しているときに、選択酸化用触媒82,84によって一酸化炭素が優先的に酸化し、一酸化炭素が選択的に除去される。
一酸化炭素除去後、水素ガス等の混合気が排出部17から排出される。排出された水素ガス等の混合気は燃料電池型発電セルに送られ、燃料電池型発電セルでは水素と酸素の電気化学反応により電気が取り出される。また、燃料電池型発電セルで電気化学反応せずに残った水素ガス等が空気と混合されて、燃料導入部32に供給される。水素ガスと空気等の混合気が燃料導入部32から燃焼部33に送られ、混合気が燃焼部33を流動しているときに、水素ガスが燃焼用触媒85によって酸化し、酸化によって燃焼熱が発する。以上の工程を経て生成された排ガスが排出部36を通って外部に排出される。
以上のような反応器は、燃料電池型発電セルとともに、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistant)、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられる。電子機器には、その他に、液体状の燃料と水を混合した状態で又は別々で収容した燃料容器と、燃料容器の燃料と水を気化し、その燃料と水の混合気を反応器へ送る気化器とが備え付けられる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
上記実施形態では、彫込み溝11,21,31や貫通孔18,28,38や切欠き19,39の加工として、衝突荷重を利用したサンドブラスト法を用いたが、他の機械的加工法を用いても良い。例えば、工具を用いて剪断力によりガラス基板10,20,30を削り、彫込み溝11,21,31や貫通孔18,28,38や切欠き19,39を施しても良い。具体的には、エンドミル等のような切削工具によりガラス基板10,20,30を削って、彫込み溝11,21,31や貫通孔18,28,38や切欠き19,39を形成しても良い。
上記実施形態では、彫込み溝11,21,31や貫通孔18,28,38や切欠き19,39を加工したが、彫込みによる溝や孔や切欠きのほかに、彫込みによる凹部を加工しても良い。また、貫通孔18,28,38や切欠き19,39は両面から彫り込むことで貫通させたが、片面から彫り込むことで貫通させても良い。
また、上記実施形態では、ドライフィルム41,42,55,56,61,62がネガ型であるが、ドライフィルム41,42,55,56,61,62がポジ型であっても良い。ドライフィルム41,42,55,56,61,62がポジ型である場合には、ネガ型に対して、露光する箇所と露光しない箇所を反転させる。
また、上記実施形態では、被加工材がガラス材、特にガラス基板10,20,30であった。ガラス基板10,20,30の全部又は何れかを他の材料(例えば、イオン伝導性を持たせたセラミックス、鉄、アルミニウム、銅等からなる金属材料若しくは鉄、アルミニウム、銅等を含む合金材料又はシリコン)からなる基板に代えて、その基板をサンドブラスト法で削って、その基板に形成された彫込み溝の壁面をドライエッチングし、得られた基板を接合して、反応器を製造しても良い。但し、基板の材料に応じて、ドライエッチング工程において用いるガスを変更したり、接合の方法を変更したりする。
また、上記実施形態では、触媒81〜85を担持させることによって、反応器1が、改質器、一酸化炭素除去器及び燃焼器を複合した複合型触媒反応器であったが、触媒81〜85の種類を適宜変更し、改質器、一酸化炭素除去器及び燃焼器以外のものを複合した複合型触媒反応器としても良い。また、触媒81〜85のうち全部又はどれかを担持させなくても良い。例えば、改質部13,23の上流側の部分に触媒81,83を担持させずに、その部分で液体(液体燃料と水の混合液)を蒸発させても良い。また、触媒81〜85の全てを担持せずに、単に液体を蒸発させる蒸発器として用いても良い。つまり、本発明に係る処理器の製造方法は、複合型触媒反応器のみならず、液体を蒸発させる蒸発器、一種類の触媒を用いた単一型触媒反応器、触媒を用いない反応器、電気化学反応を起こす燃料電池型発電装置のセパレータ、その他の種類の処理器を製造する場合にも適用することができる。
直径125mmのパイレックス(登録商標)ガラス基板にドライフィルムを貼り付けた。ドライフィルムの中央部には、80mm四方のノズル状開口部が形成されていた。次に、平均粒径40μmの緑色炭化珪素粒を含んだ圧縮エアー(気圧0.23MPa)をノズル状開口部を通じてガラス基板に吹き付けて、彫込み溝をガラス基板に施した。その彫込み溝が形成された面とは反対の面について非接触段差計にてその面の反り具合を直径に沿って測定した。その測定結果を図11(凡例:ブラスト加工)に示した。図11から明らかなように、ガラス基板の加工面が凸となるようにガラス基板が反っていることがわかる。
また、サンドブラスト加工をした後、ドライフィルムを残した状態でガラス基板をヘリコン波プラズマエッチング装置にセッティングし、彫込み溝の壁面のドライエッチングを行った。ヘリコン波プラズマエッチング装置のチャンバに導入する供給するガスは、C4F6とした。ヘリコン波のための供給電力を1000Wとし、バイアスのための供給電力を600Wとすると、約0.1μm/minのエッチングレートが得られる。ここで、エッチング量は、0.5μmと1.0μmになるようにした。そして、0.5μmと1.0μmのエッチングの場合について、彫込み溝が形成された面とは反対の面について非接触段差計にてその面の反り具合を直径に沿って測定した。その結果を図11(凡例:0.5μm、1.0μm)に示した。
図11から明らかなように、サンドブラスト加工した後では、直径の中央部(測定位置60mm)では反り量が大きく、直径の両側(測定位置0mm、110mm)では反り量が小さく、ガラス基板が反っていることがわかる。それに対して、0.5μmのドライエッチングでは、ガラス基板の反りが小さくなったことがわかる。更に、1.0μmのドライエッチングでは全体的な反り量が更に小さく、ガラス基板の反りが殆どないことが明らかである。
一方、比較例として、サンドブラスト加工をした後に、ドライフィルムを残した状態でガラス基板を常温15%フッ化水素酸でエッチングした。ここで、エッチング量は、0.5μmと1.0μmになるようにした。そして、0.5μmと1.0μmのエッチングの場合について、彫込み溝が形成された面とは反対の面について非接触段差計にてその面の反り具合を直径に沿って測定した。その結果を図12(凡例:0.5μm、1.0μm)に示した。
図11、図12から明らかなように、加工変質層を除去してガラス基板の反りを減少させるという観点では、ドライエッチングもウェットエッチングも同等の効果を得られることがわかる。しかし、ウェットエッチングでは、彫込み溝の縁となる角部が丸まるのに対し、ドライエッチングでは、そのような丸まりの現象が発生しなかった。
また、上述の実施形態に沿って製造された反応器1は気密性が高く製造されていることが確認された。
また、上述の実施形態に沿って製造された反応器1は気密性が高く製造されていることが確認された。
10、20、30 ガラス基板
11、21、31 彫込み溝
41、42、55、56、61、62 ドライフィルム
41a、42a、55a、56a、61a、62a 開口パターン
81、83 改質用触媒
82、84 選択酸化用触媒
85 燃焼用触媒
11、21、31 彫込み溝
41、42、55、56、61、62 ドライフィルム
41a、42a、55a、56a、61a、62a 開口パターン
81、83 改質用触媒
82、84 選択酸化用触媒
85 燃焼用触媒
Claims (9)
- 機械的に削ることによる彫込み加工により変形した被加工材についてその彫込みの壁面をドライエッチングすることによって、その被加工材の変形量を低減することを特徴とする被加工材の変形量低減方法。
- マスクを被加工材に被覆し、前記マスクに形成された開口部を通じて前記被加工材を機械的に削ることによって前記開口部に沿った彫込みを前記被加工材に施し、前記マスクにより被覆された状態で前記被加工材の彫込みの壁面をドライエッチングすることを特徴とする被加工材の加工方法。
- 請求項2に記載の被加工材の加工方法において、
微細粉を含んだ圧縮エアーを前記開口部を通じて前記被加工材に吹き付けることで前記被加工材を削ることを特徴とする被加工材の加工方法。 - 請求項2又は3に記載の被加工材の加工方法において、
前記被加工材のドライエッチング後に前記マスクを除去し、前記被加工材に別の部材を接合することによって前記被加工材の彫込みを前記別の部材で覆うことを特徴とする被加工材の加工方法。 - 請求項2から4の何れか一項に記載の被加工材の加工方法において、
前記被加工材がリチウム含有ガラス材又は硼珪酸ガラス材であることを特徴とする被加工材の加工方法。 - マスクで被加工板の一方の面を被覆し、前記マスクに形成された開口部を通じて前記被加工板を機械的に削ることによって前記開口部に沿った彫込みを前記被加工板に施し、前記マスクにより被覆された状態で前記被加工板の彫込みの壁面をドライエッチングすることを特徴とする処理器の製造方法。
- 請求項6に記載の処理器の製造方法において、
前記ドライエッチングをした後に、前記マスクを除去し、前記被加工板の一方の面に板材を接合することによって前記被加工板の彫込みを前記板材で覆うことを特徴とする処理器の製造方法。 - 請求項6又は7に記載の処理器の製造方法において、
前記被加工材がリチウム含有ガラス材又は硼珪酸ガラス材であることを特徴とする処理器の製造方法。 - 請求項6から8の何れか一項に記載の処理器の製造方法において、
前記ドライエッチングをした後に、前記被加工板の彫込みに触媒を担持することを特徴とする処理器の製造方法。
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-
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