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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Metallschichtbildungsvorrichtung und ein Metallschichtbildungsverfahren, welche in der Lage sind, eine Metallschicht durch das Aufbringen einer Spannung zwischen einer Anode und einem Substrat und das Ablagern von Metall aus Metallionen, welche in einer Festelektrolytmembran enthalten sind, auf einer Oberfläche des Substrats geeignet auszubilden.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Üblicherweise wird, wenn ein elektronisches Schaltungssubstrat oder dergleichen hergestellt wird, eine Nickelschicht auf einer Oberfläche eines Substrats ausgebildet, um ein Nickel-Schaltungsmuster auszubilden. Als Schichtbildungstechnologie einer solchen Metallschicht wurde beispielsweise eine Technologie vorgeschlagen, welche eine Metallschicht durch einen Plattierungs- bzw. Abscheidungsvorgang, wie einen nicht elektrolytischen Plattierungsvorgang, ausbildet, oder welche eine Metallschicht durch ein PVD-Verfahren, wie Sputtern bzw. Kathodenzerstäuben, auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats aus Si oder dergleichen ausbildet.
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Wenn ein Plattierungsvorgang, wie ein nicht elektrolytischer Plattierungsvorgang, durchgeführt wird, ist nach dem Plattierungsvorgang jedoch ein Spülen notwendig und das resultierende Abwasser muss anschließend beseitigt werden. Außerdem wird, wenn durch ein PVD-Verfahren, wie Sputtern, eine Schicht auf einer Substratoberfläche ausgebildet wird, eine innere Spannung in dem Metallschichtüberzug erzeugt, so dass eine Begrenzung dahingehend besteht, wie dick die Schicht sein kann. Insbesondere kann die Schicht bei dem Sputtern bzw. der Kathodenzerstäubung lediglich in einem Hochvakuum ausgebildet werden.
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Mit Blick darauf schlägt beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer 2014-51701 (
JP 2014-51701 A ) eine Metallschichtbildungsvorrichtung vor, welche zumindest eine Anode, ein Substrat, welches einer Kathode entspricht, eine Festelektrolytmembran, welche zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, und einen Leistungszuführungsabschnitt, welcher zwischen der Anode und der Kathode eine Spannung aufbringt, umfasst. Bei dieser Schichtbildungsvorrichtung ist zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran ein Speicherabschnitt vorgesehen, welcher eine elektrolytische Lösung (das heißt, eine wässrige Lösung, in welcher Metallsalz aufgelöst wurde) speichert, welche Metallionen enthält, so dass diese sowohl mit der Anode als auch der Festelektrolytmembran in Kontakt steht.
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Wenn auf der Oberfläche des Substrats eine Metallschicht ausgebildet wird, wird die aus Metall aus Metallionen hergestellte Metallschicht auf der Oberfläche des Substrats durch Aufbringen einer Spannung zwischen der Anode und der Kathode und Ablagern von in der Festelektrolytmembran enthaltenen Metallionen auf der Kathodenseite ausgebildet (siehe beispielsweise
JP 2014-51701 A ).
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Darüber hinaus offenbart die
WO 2015/019 154 A2 eine Filmabscheidevorrichtung für einen Metallfilm mit einer positiven Elektrode, einer Festelektrolytmembran und einem Stromzuführteil, das eine Spannung zwischen der positiven Elektrode und einem Basismaterial, das als eine negative Elektrode dienen soll, anlegt. Die Festelektrolytmembran erlaubt einen Wassergehalt von 15 Ma% oder mehr und kann Metallionen enthalten. Das Stromzuführteil legt zwischen der positiven Elektrode und dem Basismaterial eine Spannung in einem Zustand an, in dem die Festelektrolytmembran auf einer Oberfläche der positiven Elektrode angeordnet ist, so dass Metall aus Metallionen, die im Innern der Festelektrolytmembran enthalten sind, auf einer Oberfläche des Basismaterials ausgefällt wird.
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Zudem beschreibt die
US 6,416,647 B1 eine elektrochemische Abscheidungszelle für die Verarbeitung von nach oben gerichteten einzigen Halbleitersubstraten.
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Kurzfassung der Erfindung
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Wenn eine Schichtbildungsvorrichtung, wie die in der
JP 2014-51701 A beschriebene, verwendet wird, kann Feuchtigkeit in der elektrolytischen Lösung durch einen elektrischen Strom zerfallen und Sauerstoffgas kann bei der Oberfläche der Anode zu der Zeit der Schichtbildung erzeugt werden. Während die Zeit der Schichtbildung verstreicht, nimmt der Betrag von erzeugtem Sauerstoffgas zu und das angestiegene Sauerstoffgas kann kondensieren und sich bei einer vorbestimmten Position bei der Oberfläche der Anode sammeln. Dieses Phänomen kann auftreten, falls zu der Zeit des Ausbildens der geringste Betrag von Feuchtigkeit mit der elektrolytischen Lösung vermischt ist, nicht nur, wenn die elektrolytische Lösung einer wässrigen Lösung entspricht, welche Metallionen umfasst, sondern auch falls beispielsweise eine elektrolytische Lösung verwendet wird, in welcher Metallionen in einem anderen Lösungsmittel als Wasser, wie Alkohol, enthalten sind.
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Daher kann, auch wenn zwischen der Anode und dem Substrat, das heißt der Kathode, eine Spannung aufgebracht wird, der Stromfluss ausgehend von der Position, bei welcher sich das Sauerstoffgas angesammelt hat (das heißt, ein Teil der Oberfläche der Anode), in Richtung hin zu der Kathode behindert sein. Folglich kann in der ausgebildeten Metallschicht ein Defekt bzw. eine Fehlstelle, wie ein Pinhole bzw. ein Nadelloch bzw. ein sehr kleines Loch, erzeugt werden, oder die Dicke der Metallschicht kann ungleichmäßig sein. Dieses Problem soll durch die vorliegende Erfindung gelöst werden.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung sieht daher eine Schichtbildungsvorrichtung und ein Schichtbildungsverfahren vor, welche in der Lage sind, eine Metallschicht mit einheitlicher Dicke mit wenigen Fehlstellen auszubilden.
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Ein erster Aspekt der Erfindung sieht eine Schichtbildungsvorrichtung vor. Der erste Aspekt umfasst: eine Anode; eine Festelektrolytmembran, welche zwischen der Anode und einem als eine Kathode dienenden Substrat angeordnet ist und Metallionen enthält; eine Leistungszuführung, welche in einem Zustand, bei welchem die Festelektrolytmembran von oberhalb mit dem Substrat in Kontakt steht, zwischen der Anode und dem Substrat eine Spannung aufbringt; und einen Oszillierungs- bzw. Schwingungsabschnitt, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser in dem Zustand, bei welchem die Festelektrolytmembran mit dem Substrat in Kontakt steht, zumindest die Anode in Schwingung versetzt.
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Bei dem ersten Aspekt kann die Schichtbildungsvorrichtung einen Flüssigkeits-Speicherabschnitt umfassen, welcher zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran vorgesehen ist, wobei der Flüssigkeits-Speicherabschnitt eine die Metallionen enthaltende elektrolytische Lösung in einer Art und Weise speichert, dass die elektrolytische Lösung mit der Anode und der Festelektrolytmembran in Kontakt steht.
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Gemäß diesem ersten Aspekt bewegen sich die in der Festelektrolytmembran enthaltenen Metallionen, wenn die Spannung zwischen der Anode und der Kathode (dem Substrat) in einem Zustand aufgebracht wird, bei welchem die Festelektrolytmembran von oben mit dem Substrat in Kontakt steht, hin zu der Oberfläche des Substrats, welches mit der Festelektrolytmembran in Kontakt steht, und diese werden bei der Oberfläche des Substrats reduziert. Folglich wird das aus den Metallionen stammende Metall auf der Oberfläche des Substrats abgelagert, so dass die Metallschicht ausgebildet wird.
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Andererseits kann, auch wenn eine Feuchtigkeit in der elektrolytischen Lösung durch einen elektrischen Strom zerfällt und bei der Oberfläche der Anode Sauerstoffgas erzeugt wird, wenn die Schicht ausgebildet wird, das Sauerstoffgas daran gehindert werden, sich bei einer vorbestimmten Position bei der Oberfläche der Anode zu sammeln, da die Anode durch den Oszillierungsabschnitt oszilliert bzw. in Schwingung versetzt wird. Daher kann infolgedessen eine örtlich begrenzte Zunahme des elektrischen Widerstands zwischen der Anode und dem Substrat aufgrund der Ansammlung von Sauerstoffgas verhindert werden. Daher kann das Auftreten von Nadellöchern in der Metallschicht und einer Ungleichmäßigkeit hinsichtlich der Dicke der Metallschicht verhindert werden.
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Bei dem vorstehenden Aspekt kann der Flüssigkeits-Speicherabschnitt eine Flüssigkeits-Zuführöffnung, welche die elektrolytische Lösung in den Flüssigkeits-Speicherabschnitt führt, und eine Flüssigkeits-Abführöffnung, welche die elektrolytische Lösung aus dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt abführt, umfassen. Die Flüssigkeits-Zuführöffnung und die Flüssigkeits-Abführöffnung können derart vorgesehen sein, dass die elektrolytische Lösung zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran strömt.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Metallschicht ausgebildet werden, während die elektrolytische Lösung zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran strömt bzw. geleitet wird, durch Zuführen der elektrolytischen Lösung von der Flüssigkeits-Zuführöffnung und Abführen der elektrolytischen Lösung von der Flüssigkeits-Abführöffnung. Daher kann das bei der Anode erzeugte Sauerstoffgas zusammen mit der elektrolytischen Lösung von der Flüssigkeits-Abführöffnung abgeführt werden.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Flüssigkeits-Abführöffnung bei einer höheren Position als die Flüssigkeits-Zuführöffnung vorgesehen sein.
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Sauerstoffgas, welches bei der Anode erzeugt wird, besitzt ein leichteres spezifisches Gewicht als die elektrolytische Lösung, so dass dieses dazu neigt, sich durch die elektrolytische Lösung einfacher nach oben zu bewegen. Gemäß dem vorstehenden Aspekt kann eine Strömung von elektrolytischer Lösung, welche ausgehend von der Flüssigkeits-Zuführöffnung in Richtung hin zu der Flüssigkeits-Abführöffnung nach oben geneigt ist, durch Ausbilden der Flüssigkeits-Abführöffnung bei einer höheren Position als die Flüssigkeits-Zuführöffnung ausgebildet werden. Daher kann das bei der Anode erzeugte Sauerstoffgas auf einfache Art und Weise mit der elektrolytischen Lösung von dem Flüssigkeits-Abführabschnitt abgeführt werden.
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Bei dem vorstehenden Aspekt kann eine Oberfläche der Anode, welche der Festelektrolytmembran zugewandt ist, mit Bezug auf eine horizontale Ebene in einer Richtung ausgehend von der Flüssigkeits-Zuführöffnung in Richtung hin zu der Flüssigkeits-Abführöffnung nach oben geneigt sein.
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Gemäß diesem Aspekt bewegt sich das bei der Oberfläche der oszillierenden Anode erzeugte Sauerstoffgas auf einfache Art und Weise entlang der geneigten Oberfläche der Anode, ausgehend von der Flüssigkeits-Zuführöffnung in Richtung hin zu der Flüssigkeits-Abführöffnung nach oben. Folglich wird das bei der Anode erzeugte Sauerstoffgas auf einfache Art und Weise zusammen mit der elektrolytischen Lösung von der Flüssigkeits-Abführöffnung abgeführt.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Schichtbildungsvorrichtung eine Gasabführöffnung umfassen, welche Gas innerhalb des Flüssigkeits-Speicherabschnitts abführt. Die Gasabführöffnung kann bei einer höheren Position als die Flüssigkeits-Abführöffnung zwischen der Flüssigkeits-Zuführöffnung und der Flüssigkeits-Abführöffnung vorgesehen sein, wobei die Gasabführöffnung näher an der Flüssigkeits-Abführöffnung als der Flüssigkeits-Zuführöffnung vorgesehen ist.
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Gemäß diesem Aspekt ist die Gasabführöffnung bei einer höheren Position als die Flüssigkeits-Abführöffnung ausgebildet. Daher kann das bei der Anode erzeugte Sauerstoffgas von der Gasabführöffnung abgeführt werden, bevor dieses von der Flüssigkeits-Abführöffnung abgeführt wird. Folglich kann der Betrag von Sauerstoffgas, welches in der elektrolytischen Lösung enthalten ist, die von der Flüssigkeits-Abführöffnung abgeführt wird, reduziert werden. Folglich kann die elektrolytische Lösung geeignet wiederverwendet werden, beispielsweise kann die elektrolytische Lösung hin zu der Vorrichtung zirkuliert bzw. zurückgeführt werden.
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Bei dem ersten Aspekt, bei welchem die Schichtbildungsvorrichtung einen Flüssigkeits-Speicherabschnitt umfasst, kann die Anode eine erste Oberfläche, welche der Festelektrolytmembran zugewandt ist; eine zweite Oberfläche, welche sich auf einer entgegengesetzten Seite zu der ersten Oberfläche befindet; und ein Durchgangsloch, welches ausgehend von der ersten Oberfläche bis hin zu der zweiten Oberfläche vorgesehen ist, umfassen.
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Gemäß diesem Aspekt kann das Sauerstoffgas, welches bei derjenigen Oberfläche aus den Oberflächen der Anode erzeugte wird, welche der Festelektrolytmembran zugewandt ist, durch die Mehrzahl von Durchgangslöchern geleitet werden und durch die Oszillation bzw. Schwingung der Anode durch den Oszillierungsabschnitt hin zu der anderen Oberfläche der Anode abgeführt werden.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Flüssigkeits-Speicherabschnitt eine Flüssigkeits-Zuführöffnung, welche die elektrolytische Lösung in den Flüssigkeits-Speicherabschnitt führt, und eine Flüssigkeits-Abführöffnung, welche die zugeführte elektrolytische Lösung abführt, umfassen. Die Flüssigkeits-Abführöffnung kann mit Bezug auf die Anode auf einer Seite der zweiten Oberfläche vorgesehen sein.
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Gemäß diesem Aspekt kann das erzeugte Sauerstoffgas zusammen mit der elektrolytischen Lösung durch die Durchgangslöcher in der Anode von einer Oberfläche in Richtung hin zu der anderen Oberfläche der Anode geleitet und von der Flüssigkeits-Abführöffnung abgeführt werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung sieht ein Schichtbildungsverfahren vor. Der zweite Aspekt umfasst das Anordnen einer Festelektrolytmembran, welche Metallionen umfasst, in Kontakt mit einem Substrat von oben durch Anordnen der Festelektrolytmembran zwischen einer Anode und dem Substrat, welches als eine Kathode dient; das Oszillieren bzw. in Schwingung Versetzen zumindest der Anode in einem Zustand, bei welchem die Festelektrolytmembran mit dem Substrat in Kontakt steht; und das Ausbilden der Metallschicht auf einer Oberfläche des Substrats durch Aufbringen einer Spannung zwischen der Anode und dem Substrat und Reduzieren der Metallionen in dem Zustand, bei welchem die Festelektrolytmembran mit dem Substrat in Kontakt steht.
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Der zweite Aspekt kann das Speichern bzw. Aufnehmen einer elektrolytischen Lösung, welche Metallionen enthält, in einer Art und Weise zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran umfassen, dass die elektrolytische Lösung mit der Anode und der Festelektrolytmembran in Kontakt steht.
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Gemäß diesem zweiten Aspekt bewegen sich die in der Festelektrolytmembran enthaltenen Metallionen, wenn die Spannung zwischen der Anode und der Kathode (dem Substrat) in einem Zustand aufgebracht wird, bei welchem die Festelektrolytmembran mit dem Substrat von oben in Kontakt steht, hin zu der Oberfläche des Substrats, welches mit der Festelektrolytmembran in Kontakt steht, und diese werden bei der Oberfläche des Substrats reduziert. Folglich wird Metall, welches aus den Metallionen stammt, auf der Oberfläche des Substrats abgelagert, so dass die Metallschicht ausgebildet wird.
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Andererseits kann, auch wenn eine Feuchtigkeit in der elektrolytischen Lösung durch einen elektrischen Strom zerfällt und ein Sauerstoffgas bei der Oberfläche der Anode erzeugt wird, wenn die Schicht ausgebildet wird, verhindert werden, dass sich das Sauerstoffgas bei einer bestimmten Position bei der Oberfläche der Anode sammelt, da die Anode oszilliert bzw. in Schwingung versetzt wird. Folglich kann das Auftreten von Nadellöchern bzw. sehr kleinen Löchern in der Metallschicht und einer Ungleichmäßigkeit hinsichtlich der Dicke der Metallschicht verhindert werden.
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Bei dem zweiten Aspekt kann die Schichtbildung durchgeführt werden, während die elektrolytische Lösung zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran strömt bzw. geleitet wird.
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Gemäß diesem Aspekt kann die Metallschicht ausgebildet werden, während die elektrolytische Lösung zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran strömt. Daher kann das bei der Anode erzeugte Sauerstoffgas zusammen mit der elektrolytischen Lösung abgeführt werden.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Schichtbildung in einem Zustand durchgeführt werden, bei welchem die Anode derart angeordnet ist, dass eine Oberfläche der Anode, welche der Festelektrolytmembran zugewandt ist, mit Bezug auf eine horizontale Ebene in einer Richtung ausgehend von einer stromaufwärtigen Seite in Richtung hin zu einer stromabwärtigen Seite einer Strömung der elektrolytischen Lösung zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran nach oben geneigt ist.
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Gemäß diesem Aspekt bewegt sich das bei der Oberfläche der oszillierenden Anode erzeugte Sauerstoffgas entlang der geneigten Oberfläche der Anode auf einfache Art und Weise nach oben. Folglich wird das bei der Anode erzeugte Sauerstoffgas zusammen mit der elektrolytischen Lösung ausgehend zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran auf einfache Art und Weise abgeführt.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Anode eine erste Oberfläche, welche der Festelektrolytmembran zugewandt ist; eine zweite Oberfläche, welche sich auf einer entgegengesetzten Seite zu der ersten Oberfläche befindet; und ein Durchgangsloch, welches ausgehend von der ersten Oberfläche hin zu der zweiten Oberfläche vorgesehen ist, umfassen.
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Gemäß diesem Aspekt kann das Sauerstoffgas, welches bei derjenigen Oberfläche aus den Oberflächen der Anode erzeugt wird, welche der Festelektrolytmembran zugewandt ist, durch die Oszillation bzw. Schwingung der Anode durch den Oszillierungsabschnitt durch die Mehrzahl von Durchgangslöchern geleitet und hin zu der anderen Oberfläche der Anode abgeführt werden.
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Bei dem vorstehenden Aspekt kann die Schichtbildung durchgeführt werden, während die elektrolytische Lösung durch das Durchgangsloch von der ersten Oberfläche in Richtung hin zu der zweiten Oberfläche geleitet wird. Die elektrolytische Lösung kann sich zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran befinden.
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Bei den vorstehend beschriebenen Aspekten kann das erzeugte Sauerstoffgas zusammen mit der elektrolytischen Lösung, welche sich zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran befindet, durch die Durchgangslöcher in der Anode ausgehend von einer Oberfläche in Richtung hin zu der anderen Oberfläche der Anode geleitet, und hin zu der Seite der anderen Oberfläche der Anode abgeführt werden.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung von Ausführungsformen der Erfindung und erläuternde beispielhafte Ausführungsformen sind nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin:
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1A eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands einer Metallschichtbildungsvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform vor dem Ausbilden einer Schicht zeigt;
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1B eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird;
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2A eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands einer Metallschichtbildungsvorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist;
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2B eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird;
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3A eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands einer Metallschichtbildungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist;
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3B eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird;
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4A eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands einer Metallschichtbildungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist;
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4B eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird;
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5A eine Draufsicht der Positionsbeziehung zwischen einem Substrat, einer Schicht-Saugöffnung eines Saugabschnitts und einer Festelektrolytmembran der in 4 gezeigten Schichtbildungsvorrichtung ist;
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5B eine perspektivische Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands um die Schicht-Saugöffnung der in 5A gezeigten Schichtbildungsvorrichtung zeigt;
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6A eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands einer Metallschichtbildungsvorrichtung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist;
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6B eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird;
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7A eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands einer Metallschichtbildungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist; und
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7B eine Schnittansicht ist, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachfolgend ist eine Schichtbildungsvorrichtung beschrieben, welche in der Lage ist, ein Metallschichtbildungsverfahren gemäß erfindungsgemäßen und beispielhaften Ausführungsformen geeignet auszuführen.
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1A und 1B sind konzeptionelle Abbildungen, welche Rahmenformate einer Schichtbildungsvorrichtung 1A zum Ausbilden einer Metallschicht F gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform zeigen. 1A ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1A vor dem Ausbilden einer Schicht zeigt, und 1B ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1A zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird.
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Wie in 1A und 1B gezeigt ist, entspricht die Schichtbildungsvorrichtung 1A einer Vorrichtung, welche Metall aus Metallionen ablagert bzw. abscheidet und eine Metallschicht aus dem abgelagerten Metall auf einer Oberfläche eines Substrats B ausbildet. Hierbei kann als das Substrat B ein Substrat verwendet werden, welches aus einem Metallmaterial, wie Aluminium, hergestellt ist, oder ein Substrat, welches durch Ausbilden einer Metall-Basisschicht auf einer behandelten Oberfläche eines Harz- oder Silikonsubstrats ausgebildet ist.
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Die Schichtbildungsvorrichtung 1A umfasst zumindest eine Metallanode 11, eine Festelektrolytmembran 13, welche zwischen der Anode 11 und dem Substrat B, welches als eine Kathode dient, angeordnet ist, und eine Leistungszuführung 14, welche zwischen der Anode 11 und dem Substrat B eine Spannung aufbringt. Obwohl in 1 nicht detailliert gezeigt, ist die Anode 11 mit einer positiven Elektrode der Leistungszuführung 14 über ein Gehäuse 15 elektrisch verbunden, und das Substrat B, welches als die Kathode dient, ist mit einer negativen Elektrode der Leistungszuführung 14 über einen Belastungs- bzw. Einspannständer bzw. -gestell 21 elektrisch verbunden. Das Gehäuse 15 ist aus einem Material hergestellt, welches mit Bezug auf die später beschriebene elektrolytische Lösung L nicht löslich ist.
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Die Festelektrolytmembran 13 und die Anode 11 sind in dem Gehäuse 15 getrennt voneinander angeordnet, so dass sich die Festelektrolytmembran 13 und die Anode 11 nicht gegenseitig berühren. Ein Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a, welcher eine Lösung L speichert bzw. aufnimmt, die Metallionen enthält, (nachfolgend ist diese Lösung als „elektrolytische Lösung” bezeichnet) ist zwischen der Festelektrolytmembran 13 und der Anode 11 ausgebildet. Hierbei ist der Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a derart ausgebildet, dass die gespeicherte elektrolytische Lösung L mit der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 direkt in Kontakt steht.
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Die Anode 11 besitzt eine Gestalt entsprechend einem Schichtbildungsbereich des Substrats B. Die Anode 11 gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform sowie der zweiten beispielhaften und der ersten und zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsformen, welche später beschrieben sind, kann ein poröser Körper sein, diese entspricht bevorzugter jedoch einem nicht porösen Körper. Unter Verwendung der Anode 11, welche ein nicht poröser Körper ist, wird die auf dem Substrat B ausgebildete Metallschicht F durch den Zustand der Oberfläche der Anode 11 nicht einfach beeinflusst.
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Das Material der Anode 11 kann Rutheniumoxid, Platin oder Iridiumoxid oder dergleichen sein, welche mit Bezug auf die elektrolytische Lösung L unlöslich sind. Die Anode 11 kann außerdem aus diesen Metallen, überzogen mit eine Kupferbahn bzw. -schicht oder dergleichen ausgebildet sein. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Anode 11 noch bevorzugter eine lösliche Anode aus dem gleichen Metall wie das Metall der Metallschicht F (das heißt, das Metall der Metallionen in der elektrolytischen Lösung L). Die Elektrolyse des Metalls der Anode 11 wird durch eine niedrigere Spannung induziert als die Elektrolyse von Wasser, so dass verhindert werden kann, dass Sauerstoffgas, welches später beschrieben ist, bei einer Oberfläche 11a der Anode 11 erzeugt werden kann.
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Die elektrolytische Lösung L kann beispielsweise eine elektrolytische Lösung sein, welche Ionen von Kupfer, Nickel oder Silber umfasst. Beispielsweise kann die elektrolytische Lösung L mit Nickelionen eine wässrige Lösung sein, welche Nickelchlorid, Nickelsulfat oder Nickelsulfamat oder dergleichen enthält. Die Festelektrolytmembran 13 kann außerdem eine Membran oder eine Schicht hergestellt aus einem Festelektrolyten oder dergleichen sein.
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Die Festelektrolytmembran 13 ist nicht in besonderer Art und Weise beschränkt, solange diese in der Lage ist, durch in Kontakt Bringen mit der elektrolytischen Lösung L, wie vorstehend beschrieben, mit Metallionen imprägniert bzw. getränkt zu sein, und Metall aus den Metallionen auf der Oberfläche des Substrats B abgelagert werden kann, wenn eine Spannung aufgebracht wird. Als Material der Festelektrolytmembran kann beispielsweise ein Fluorharz, wie Nafion (Markenname) von DuPont oder dergleichen, ein Kohlenwasserstoffharz, ein Polyamidharz oder ein Harz mit einer Ionenaustauschfunktion, wie SELEMIONTM (CMV, CMD, CMF Reihe) oder dergleichen von Asahi Glass Co., Ltd., verwendet werden.
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Hierbei wird, wenn Metall aus den Metallionen abgelagert bzw. abgeschieden wird, wenn die Schicht ausgebildet wird, Sauerstoffgas durch eine Elektrolysereaktion (2H2O → O2 + 4H+ + 4e–) der in der elektrolytischen Lösung L enthaltenen Feuchtigkeit bei der Anode 11 erzeugt. Wenn die elektrolytische Lösung L einer wässrigen Lösung entspricht, findet diese Art von Reaktion statt, welche Sauerstoffgas erzeugt. Auch wenn die elektrolytische Lösung L keiner wässrigen Lösung entspricht, wird Sauerstoffgas erzeugt, wenn Feuchtigkeit mit der elektrolytischen Lösung L vermischt ist. Während die Zeit der Schichtausbildung verstreicht, nimmt ebenso der Betrag des erzeugten Sauerstoffgases zu. Dieses angestiegene Sauerstoffgas kondensiert und kann sich schließlich bei einer bestimmten Position bei der Oberfläche 11a der Anode 11 (das heißt, der Oberfläche 11a, welche der Festelektrolytmembran 13 zugewandt ist) sammeln. Folglich wird der Stromfluss ausgehend von der Position, bei welcher sich das Sauerstoffgas gesammelt hat (das heißt, der Oberfläche der Anode 11), in Richtung hin zu dem Substrat B lokal behindert, wenn durch die Leistungszuführung 14 eine Spannung aufgebracht wird. Folglich kann bei der ausgebildeten Metallschicht F ein Defekt, wie ein Pinhole bzw. ein Nadelloch bzw. ein sehr kleines Loch, ausgebildet werden oder die Dicke der Metallschicht kann ungleichmäßig sein. Daher ist die Schichtbildungsvorrichtung 1A bei dieser beispielhaften Ausführungsform mit einem Oszillierungsabschnitt 31 vorgesehen.
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Der Oszillierungsabschnitt 31 entspricht einem Abschnitt, welcher zumindest die Anode 11 in einem Zustand, bei welchem die Festelektrolytmembran 13 mit dem Substrat B in Kontakt steht, oszilliert bzw. in Schwingung versetzt. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Oszillierungsabschnitt 31 bei dem Gehäuse 15 montiert. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Oszillierungsabschnitt 31 bei dem Gehäuse 15 montiert, solange die Anode 11 in einem Zustand oszilliert bzw. in Schwingung versetzt werden kann, bei welchem die Festelektrolytmembran 13 mit dem Substrat B in Kontakt steht, kann der Oszillierungsabschnitt 31 jedoch beispielsweise ebenso bei dem Belastungsständer 21 montiert sein, oder dieser kann direkt bei der Anode 11 montiert sein.
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Der Oszillierungsabschnitt 31 ist mit Blick auf die Oszillierungs- bzw. Schwingungsrichtung, Amplitude und Frequenz und dergleichen nicht in besonderer Art und Weise beschränkt, solange dieser in der Lage ist, die Anode 11 zu oszillieren, wenn eine Schicht ausgebildet wird, und das Sauerstoffgas ausgehend von einer vorbestimmten Position zu bewegen, so dass sich das Sauerstoffgas nicht bei einer vorbestimmten Position bei der Oberfläche 11a der Anode 11 sammelt, wie später beschrieben ist.
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Der Oszillierungsabschnitt 31 oszilliert die Anode 11 jedoch vorzugsweise in einer Richtung zumindest parallel zu der Oberfläche 11a der Anode 11. Zusätzlich beträgt die Amplitude beispielsweise vorzugsweise 1 bis 15 mm und die Frequenz beträgt vorzugsweise 5 bis 7000 Hz. Auf diese Art und Weise kann mit dem Oszillierungsabschnitt 31 Sauerstoffgas, welches bei der Oberfläche 11a der Anode 11 erzeugt wird, durch das Oszillieren in einer Richtung parallel zu der Oberfläche 11a der Anode 11 auf einfache Art und Weise bewegt werden. Darüber hinaus kann mit dem Oszillierungsabschnitt 31, falls ebenso eine Oszillation in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche 11a der Anode 11 in Betracht gezogen wird, das bei der Oberfläche 11a der Anode 11 anhaftende Sauerstoffgas temporär desorbiert, so dass das bei der Oberfläche 11a der Anode 11 erzeugte Sauerstoffgas auf einfache Art und Weise bewegt werden kann.
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Nachfolgend ist das Schichtbildungsverfahren gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform beschrieben. Zunächst wird das Substrat B auf dem Belastungsständer 21 platziert und die elektrolytische Lösung L wird in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a des Gehäuses 15 gespeichert bzw. aufgenommen. Nachfolgend wird die Ausrichtung des Substrats B mit Bezug auf die Anode 11 angepasst und die Temperatur des Substrats B wird angepasst. Anschließend wird das Gehäuse 15 oberhalb des Substrats B angeordnet, die Festelektrolytmembran 13 wird von oberhalb mit dem Substrat B in Kontakt gebracht und die Festelektrolytmembran 13 wird einem konstanten Druck auf das Substrat B gedrückt. Hierbei ist die Schichtbildungsvorrichtung 1A bei dieser beispielhaften Ausführungsform nicht mit einem Pressabschnitt (Vorrichtung) vorgesehen, welcher durch einen Hydraulikdruck oder einen pneumatischen Druck nach unten drückt, die Festelektrolytmembran 13 kann jedoch ebenso mit einem konstanten Druck von oberhalb des Gehäuses 15 unter Verwendung eines Pressabschnitts auf das Gehäuse 15 nach unten gedrückt werden. In diesem Zustand werden die Anode 11 und das Substrat B, welches als die Kathode dient, elektrisch mit der Leistungszuführung 14 verbunden.
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Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird zwischen der Anode 11 und dem Substrat B, welches als die Kathode dient, unter Verwendung der Leistungszuführung 14 eine Spannung aufgebracht, während die Anode 11 mit dem Oszillierungsabschnitt 31 oszilliert wird, während veranlasst wird, dass die Festelektrolytmembran 13 das Substrat B berührt bzw. mit diesem in Kontakt steht. Folglich bewegen sich Metallionen, welche in der Festelektrolytmembran 13 enthalten sind, hin zu der Oberfläche des Substrats B, welches mit der Festelektrolytmembran 13 in Kontakt steht, und diese werden bei der Oberfläche des Substrats B reduziert. Folglich wird auf der Oberfläche des Substrats B Metall abgelagert, so dass die Metallschicht F auf der Oberfläche des Substrats B ausgebildet wird. Zu dieser Zeit ist die elektrolytische Lösung L in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a gespeichert, so dass die Metallionen konstant hin zu der Festelektrolytmembran 13 geführt werden können.
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Darüber hinaus kann, auch wenn eine Feuchtigkeit in der elektrolytischen Lösung L durch einen elektrischen Strom zerfällt und Sauerstoffgas (die Mehrzahl von weißen Kreisen in 1B) bei der Oberfläche der Anode erzeugt wird, wenn die Schicht ausgebildet wird, verhindert werden, dass sich Sauerstoffgas bei einer bestimmten Position bei der Oberfläche 11a der Anode 11 sammelt, da die Anode 11 durch den Oszillierungsabschnitt 31 oszilliert werden kann. Folglich kann die Beschränkung der Bewegung von Elektronen zwischen der Anode 11 und dem Substrat B (eine lokale Zunahme des elektrischen Widerstands) aufgrund einer Sauerstoffgasansammlung bei der vorbestimmten Position verhindert werden. Folglich kann eine lokale Abnahme der Schichtbildungsrate der Metallschicht F reduziert werden, so dass das Auftreten von Nadellöchern bzw. sehr kleinen Löchern in der Metallschicht F und einer Ungleichmäßigkeit hinsichtlich der Dicke der Metallschicht F verhindert werden kann.
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2A und 2B sind konzeptionelle Abbildungen, welche Rahmenformate einer Schichtbildungsvorrichtung 1B zum Ausbilden einer Metallschicht F gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform zeigen. 2A ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1B zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist, und 2B ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1B zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird. Diese beispielhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten beispielhaften Ausführungsform dahingehend, dass bei dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a eine Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b und eine Flüssigkeits-Abführöffnung 15c vorgesehen sind. Daher ist die übrige Struktur, welche bei der ersten beispielhaften Ausführungsform und dieser beispielhaften Ausführungsform gleich ist, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und auf eine detaillierte Beschreibung dieser Struktur ist verzichtet.
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Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b, welche die elektrolytische Lösung L in den Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a führt, und die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c, welche die elektrolytische Lösung L aus dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a abführt, bei dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a ausgebildet, wie in 2A gezeigt ist. Die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b und die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c sind derart ausgebildet, dass die elektrolytische Lösung L zwischen der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 strömen kann.
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Auf diese Art und Weise kann die Metallschicht F ausgebildet werden, während die elektrolytische Lösung L durch Zuführen der elektrolytischen Lösung L von der Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b und Abführen der elektrolytischen Lösung L von der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c, wie in 2B zeigt, zwischen der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 strömt bzw. geleitet wird. Folglich kann Sauerstoffgas, welches bei der Anode 11 erzeugt wird, zusammen mit der elektrolytischen Lösung L von der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c abgeführt werden. Daher kann eine Metallschicht einheitlicher Dicke mit wenigen Defekten stabil ausgebildet werden.
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Bei dieser beispielhaften Ausführungsformen kann die Schichtbildungsvorrichtung 1B außerdem mit einem Zirkulationsmechanismus, nicht gezeigt, zum Zirkulieren der elektrolytischen Lösung L innerhalb des Flüssigkeits-Speicherabschnitts 15a vorgesehen sein. Diese Art von Zirkulationsmechanismus ermöglicht es, die elektrolytische Lösung L, deren Konzentration von Metallionen auf eine vorbestimmte Konzentration angepasst wurde, von der Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b zu dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a zuzuführen, und die beim Ausbilden der Schicht verwendete elektrolytische Lösung L in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a von der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c abzuführen.
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3A und 3B sind konzeptionelle Abbildungen, welche Rahmenformate einer Schichtbildungsvorrichtung 1C zum Ausbilden einer Metallschicht F gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen. 3A ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1C zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist, und 3B ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1C zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten beispielhaften Ausführungsform hinsichtlich der Positionen der Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b und der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c des Flüssigkeits-Speicherabschnitts 15a, der Position der Oberfläche 11a der Anode 11 und dahingehend, dass eine Gasabführöffnung 18 neu vorgesehen ist. Daher ist die übrige Struktur, welche bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform und dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform gleich ist, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und auf eine detaillierte Beschreibung dieser Struktur ist verzichtet.
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Wie in 3A gezeigt, ist die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform bei einer höheren Position als die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b ausgebildet. Die Oberfläche 11a der Anode 11, welche der Festelektrolytmembran 13 zugewandt ist, ist mit Bezug auf die horizontale Oberfläche ausgehend von der Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b (auf der stromaufwärtigen Seite der Strömung der Festelektrolytmembran 13) in Richtung hin zu der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c (auf der stromabwärtigen Seite der Strömung der Festelektrolytmembran 13) nach oben geneigt. Insbesondere sind die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b und die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c in der Nähe der Oberfläche 11a der Anode 11 ausgebildet, so dass die elektrolytische Lösung L, welche zwischen der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 strömt, entlang der Oberfläche 11a der Anode 11 strömen wird.
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Darüber hinaus ist bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Gasabführöffnung 18 zum Abführen von Gas (Sauerstoffgas), welches sich in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a befindet, bei einer höheren Position als die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c, in der Nähe der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c (näher an der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c als der Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b) zwischen der Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b und der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c bei der Schichtbildungsvorrichtung 1C ausgebildet. Insbesondere ist die Gasabführöffnung 18 bei einer Position am weitesten stromabwärts der elektrolytischen Lösung L ausgebildet, welche entlang der Oberfläche 11a der Anode 11 strömt.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Gasabführöffnung 18 zwischen der Anode 11 und dem Gehäuse 15 ausgebildet, diese kann jedoch ebenso in der Anode 11 oder dem Gehäuse 15 ausgebildet sein. Es ist ebenso in Ordnung, falls ein Teil der elektrolytischen Lösung L zusammen mit dem Sauerstoffgas von der Gasabführöffnung 18 ausströmt, in der Gasabführöffnung 18 kann jedoch ein poröses Element oder dergleichen ausgebildet sein, durch welches beispielsweise ein Gas, wie Sauerstoffgas, passieren kann, durch welches eine Flüssigkeit, wie die elektrolytische Lösung L, jedoch nicht passieren kann, so dass die elektrolytische Lösung L von der Gasabführöffnung 18 nicht ausströmt.
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Mit der Schichtbildungsvorrichtung 1C gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann durch das Ausbilden der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c bei einer höheren Position als die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b eine Strömung der elektrolytischen Lösung L, welche ausgehend von der Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b in Richtung hin zu der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c nach oben geneigt ist, ausgebildet werden.
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Insbesondere kann bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform Sauerstoffgas, welches bei der Oberfläche 11a der Anode 11 erzeugt wird, die oszilliert wird, zusammen mit der elektrolytischen Lösung L bewegt werden, die entlang der geneigten Oberfläche 11a der Anode 11 strömt. Folglich kann das Sauerstoffgas ausgehend von der Oberfläche der Anode 11 bewegt werden, so dass der Großteil des Sauerstoffgases von der Gasabführöffnung 18 auf einfache Art und Weise abgeführt werden kann.
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Insbesondere neigt das Sauerstoffgas dazu, sich in der Nähe der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c zu sammeln, welche in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a ausgebildet ist. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Gasabführöffnung 18 bei der vorstehend beschriebenen Position ausgebildet. Daher kann von der Gasabführöffnung 18 ein Großteil des bei der Anode 11 erzeugten Sauerstoffgases abgeführt werden, bevor dieser von der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c abgeführt wird. Folglich kann der Betrag von Sauerstoffgas, welches in der elektrolytischen Lösung L enthalten ist, die von der Flüssigkeits-Abführöffnung 15c abgeführt wird, reduziert werden, so dass die abgeführte elektrolytische Lösung L geeignet wiederverwendet werden kann, beispielsweise kann die elektrolytische Lösung L hin zu der Schichtbildungsvorrichtung 1C zirkuliert bzw. zurückgeführt werden.
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4A und 4B sind konzeptionelle Abbildungen, welche Rahmenformate einer Schichtbildungsvorrichtung 1D zum Ausbilden einer Metallschicht F gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen. 4A ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1D zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist, und 4B ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1D zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird.
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5A ist eine Draufsicht der Positionsbeziehung zwischen dem Substrat B, Schicht-Saugöffnungen 23a eines Saugabschnitts 22 und der Festelektrolytmembran 13 der Schichtbildungsvorrichtung 1D, welche in 4 gezeigt ist. 5B ist eine perspektivische Schnittansicht, welche ein Rahmenformat des Zustands um die Schicht-Saugöffnungen 23a der in 4A gezeigten Schichtbildungsvorrichtung 1D zeigt, wenn die Schicht ausgebildet wird. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform hinsichtlich der Struktur des Belastungsständers 21, der Position des Oszillierungsabschnitts 31 und dahingehend, dass der Saugabschnitt 22 und eine O-Ring 19 neu vorgesehen sind. Daher ist die übrige Struktur, welche bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform und dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform gleich ist, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und auf eine detaillierte Beschreibung dieser Struktur ist verzichtet.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Schichtbildungsvorrichtung 1D den Saugabschnitt 22, welcher die Festelektrolytmembran 13 von der Seite des Substrats B (Belastungsständers 21) ansaugt, so dass die Festelektrolytmembran 13 mit der Oberfläche des Substrats B, welches auf dem Belastungsständer 21 platziert ist, in dichtem bzw. engem Kontakt steht, wenn die Metallschicht F ausgebildet wird.
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Der Saugabschnitt 22 besitzt einen Schicht-Saugdurchlass 23 und eine Saugpumpe 24, welche mit einem Ende des Schicht-Saugdurchlasses 23 verbunden ist. Ein Gehäuse-Vertiefungsabschnitt 26 zum Aufnehmen des Substrats B ist bei dem Belastungsständer 21 ausgebildet und eine Mehrzahl von Schicht-Saugöffnungen 23a sind bei einer Bodenfläche des Gehäuse-Vertiefungsabschnitts 26 (der Oberfläche des Belastungsständers 21) ausgebildet. Die Mehrzahl von Schicht-Saugöffnungen 23a entsprechen Saugöffnungen zum Ansaugen der Festelektrolytmembran 13, und diese sind bei dem anderen Ende des Schicht-Saugdurchlasses 23 ausgebildet und bilden einen Abschnitt davon.
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Hierbei stimmt die Tiefe des Gehäuse-Vertiefungsabschnitts 26 mit der Dicke des Substrats B überein, oder diese ist flacher als die Dicke des Substrats B. Folglich befinden sich die Oberfläche des Substrats B und die Oberfläche des Belastungsständers 21 auf der gleichen Ebene oder die Oberfläche des Substrats B befindet sich oberhalb der Oberfläche des Belastungsständers 21, wenn das Substrat B in dem Gehäuse-Vertiefungsabschnitt 26 aufgenommen ist. Auf diese Art und Weise kann die Festelektrolytmembran 13 durch den Saugabschnitt 22 angesaugt werden, während die Festelektrolytmembran 13 die Öffnung des Gehäuse-Vertiefungsabschnitts 26 blockiert, so dass auf das Substrat B mit einem stärkeren Ansaugen durch die Festelektrolytmembran 13 gedrückt werden kann.
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Darüber hinaus sind die Mehrzahl von Schicht-Saugöffnungen 23a entlang eines Umfangs-Kantenabschnitts b1 des Substrats B, welches auf dem Belastungsständer 21 platziert wurde, bei äquidistanten Abständen ausgebildet, wie in 5A und 5B gezeigt ist. Die Schicht-Saugöffnungen 23a sind derart ausgebildet, dass der Umfangs-Kantenabschnitt des Substrats B einen Abschnitt jeder Schicht-Saugöffnung 23a bedeckt, wenn das Substrat B in dem Gehäuse-Vertiefungsabschnitt 26 des Belastungsständers 21 angeordnet (platziert) ist. Darüber hinaus ist um das Substrat B zwischen dem Gehäuse-Vertiefungsabschnitt 26 und dem Substrat B durch Aufnehmen des Substrats B in dem Gehäuse-Vertiefungsabschnitt 26 eine ringförmige Nut R ausgebildet.
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Ferner ist der Oszillierungsabschnitt 31 bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform bei dem Belastungsständer 21 montiert, so dass der Belastungsständer 21 oszilliert bzw. schwingt (insbesondere so dass das Substrat B schwingt). Der Oszillierungsabschnitt 31 oszilliert außerdem die Anode 11 mit der Festelektrolytmembran 13, welche mit dem Substrat B in Kontakt steht, in ähnlicher Art und Weise zu dem Oszillierungsabschnitt bei den ersten und zweiten beispielhaften und der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Hier ist der Oszillierungsabschnitt 31 bei dem Belastungsständer 21 montiert, ein solcher kann jedoch außerdem bei sowohl dem Belastungsständer 21 als auch dem Gehäuse 15 montiert sein. Folglich können die Anode 11 und das Substrat B in individuellen Oszillierungsmustern oszilliert werden. Solange die Ausbildung der Metallschicht F nicht behindert wird, kann der Oszillierungsabschnitt 31 entweder in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Substrats B oder einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats B oszillieren, oder dieser kann in diesen beiden Richtungen oszillieren.
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Hier ist die ringförmige Nut R in einem Zustand, bei welchem das Substrat B in dem Gehäuse-Vertiefungsabschnitt 26 aufgenommen ist, wenn die Schicht ausgebildet wird, um das Substrat B zwischen dem Gehäuse-Vertiefungsabschnitt 26 und dem Substrat B ausgebildet, wie in 5B gezeigt ist. Der Raum in der ringförmigen Nut R weist durch das Ansaugen von den Schicht-Saugöffnungen 23a einen negativen Druck auf. Daher kann die Festelektrolytmembran 13, welche mit dem Umfangs-Kantenabschnitt b1 des Substrats B in Kontakt steht, wirkungsvoller angesaugt werden, so dass die Festelektrolytmembran 13 gleichmäßig gegen die Oberfläche des Substrats B gedrückt werden kann. Insbesondere wird die Festelektrolytmembran 13 angesaugt, während der Umfangs-Kantenabschnitt b1 des Substrats B einen Abschnitt jeder Schicht-Saugöffnung 23a bedeckt, so dass auf die Festelektrolytmembran 13, welche den Umfangs-Kantenabschnitt b1 des Substrats B berührt, ein stärkeres Ansaugen bzw. Saugkraft aufgebracht werden kann.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist darüber hinaus der O-Ring 19 angeordnet, welcher die Festelektrolytmembran 13 bei dem Gehäuse 15 umgibt. Daher wirkt der O-Ring 19 als ein Dichtelement, welches zwischen der Festelektrolytmembran 13 und dem Belastungsständer 21, auf welchem das Substrat B platziert ist, einen geschlossenen Raum ausbildet, wenn die Schicht ausgebildet wird. Folglich saugt der Saugabschnitt 22 den Bereich innerhalb des geschlossenen Raums an, so dass die Festelektrolytmembran 13 effektiv gegen die Oberfläche des Substrats B gedrückt werden kann (ein enger Kontakt geschaffen wird).
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Wie vorstehend beschrieben ist, sind die Mehrzahl von Schicht-Saugöffnungen 23a entlang des Umfangs-Kantenabschnitts b1 des Substrats B angeordnet, und ferner befindet sich ein Abschnitt bzw. ein Teil jeder Schicht-Saugöffnung 23a, welcher durch den Umfangs-Kantenabschnitt b1 nicht abgedeckt ist, benachbart zu dem Umfangs-Kantenabschnitt b1 des Substrats B. Daher kann auf die Festelektrolytmembran 13, welche in der Nähe des Umfangs-Kantenabschnitts des Substrats B in Kontakt steht, ein stärkeres Ansaugen bzw. eine stärkere Saugkraft aufgebracht werden. Folglich kann auf den gesamten Schichtbildungsbereich des Substrats B gleichmäßig Druck aufgebracht werden. Folglich kann die Festelektrolytmembran 13 der Oberfläche (dem Schichtbildungsbereich) des Substrats B gleichmäßig folgen bzw. sich dieser gleichmäßig anschließen.
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Darüber hinaus kann durch Ausbilden der Metallschicht F, während das Substrat B durch den Oszillierungsabschnitt 31 oszilliert wird, die Metallschicht auf der Oberfläche des Substrats B ausgebildet werden, während Gas (Wasserstoffgas), das bei dem der Kathode entsprechenden Substrat B erzeugt wird, von den Schicht-Saugöffnungen 23a abgeführt wird, während die Schicht ausgebildet wird (siehe die durchgehenden Pfeile in 5B).
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6A und 6B sind konzeptionelle Ansichten, welche Rahmenformate einer Schichtbildungsvorrichtung 1E zum Ausbilden einer Metallschicht F gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform zeigen. 6A ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1E zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist, und 6B ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1E zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird. Diese beispielhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform hinsichtlich der Struktur der Anode 11 und des Gehäuses 15. Daher ist die übrige Struktur, welche bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform und dieser beispielhaften Ausführungsform gleich ist, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und auf eine detaillierte Beschreibung dieser Struktur ist verzichtet.
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Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind in der Anode 11, wenn die Oberfläche, welche der Festelektrolytmembran 13 zugewandt ist, einer ersten Oberfläche 11a entspricht, und die Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite zu der Oberfläche 11a einer zweiten Oberfläche 11b entspricht, eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 11c ausgehend von der ersten Oberfläche 11a hin zu der zweiten Oberfläche 11b ausgebildet. Hierbei ist der Lochdurchmesser der Durchgangslöcher 11c auf eine Größe eingestellt, bei welcher in der Schicht keine Nadellöcher oder Unebenheiten auftreten, wenn die Schicht ausgebildet wird.
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Das Gehäuse 15 bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist hin zu der Seite der zweiten Oberfläche 11b (das heißt, der oberen Seite) der Anode 11 offen. Auch bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die elektrolytische Lösung L innerhalb des Gehäuses 15 auf der Seite der anderen Oberfläche 11b der Anode 11 gespeichert, wie in 6B gezeigt ist.
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Die Verwendung dieser Art von Anode 11 ermöglicht es, dass Sauerstoffgas, welches bei der ersten Oberfläche 11a der Anode 11 erzeugt wird, die Mehrzahl von Durchgangslöchern 11c durchläuft und durch Oszillieren der Anode 11 durch den Oszillierungsabschnitt 31 hin zu der zweiten Oberfläche 11b der Anode 11 abgeführt wird, wenn die Schicht ausgebildet wird.
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7A und 7B sind konzeptionelle Abbildungen, welche Rahmenformate einer Schichtbildungsvorrichtung 1F zum Ausbilden einer Metallschicht F gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen. 7A ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1F zeigt, bevor eine Schicht ausgebildet ist, und 7B ist eine Schnittansicht, welche ein Rahmenformat eines Zustands der Schichtbildungsvorrichtung 1F zeigt, wenn eine Schicht ausgebildet ist bzw. wird. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten beispielhaften Ausführungsform hinsichtlich der Struktur des Gehäuses 15 und dahingehend, dass die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b und die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a vorgesehen sind. Daher ist die übrige Struktur, welche bei der dritten beispielhaften Ausführungsform und dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform gleich ist, durch gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine detaillierte Beschreibung dieser Struktur ist verzichtet.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform unterscheidet sich das Gehäuse 15 von diesem in der dritten beispielhaften Ausführungsform dahingehend, dass dieses hin zu der oberen Seite nicht offen ist, und dass ein Flüssigkeits-Aufnahmeraum S, in welchem die elektrolytische Lösung aufgenommen ist, innerhalb des Gehäuses 15 ausgebildet ist. Der Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a ist, wie bei der dritten beispielhaften Ausführungsform, zwischen der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 ausgebildet. Die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b, welche die elektrolytische Lösung L in den Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a führt, ist in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a ausgebildet. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c, welche die elektrolytische Lösung L abführt, auf der Seite der anderen Oberfläche 11b der Anode 11 ausgebildet.
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Mit dieser Art von Struktur kann die Metallschicht F ausgebildet werden, während die elektrolytische Lösung L, die sich zwischen der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 befindet, durch die Durchgangslöcher 11c der Anode 11, ausgehend von der ersten Oberfläche 11a in Richtung hin zu der zweiten Oberfläche 11b der Anode 11, geleitet wird.
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Entsprechend kann Sauerstoffgas, welches bei der Anode 11 erzeugt wird, zusammen mit der elektrolytischen Lösung L, die sich zwischen der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 befindet, die Durchgangslöcher 11c der Anode 11 ausgehend von der ersten Oberfläche 11a in Richtung hin zu der zweiten Oberfläche 11b der Anode 11 durchlaufen und von der zweiten Oberfläche 11b der Anode 11 durch die Flüssigkeits-Abführöffnung 15c abgeführt werden.
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Die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b ist in dem Flüssigkeits-Speicherabschnitt 15a zwischen der Anode 11 und der Festelektrolytmembran 13 vorgesehen, so dass die elektrolytische Lösung L zugeführt werden kann. Solange durch den Oszillierungsabschnitt 31 veranlasst werden kann, dass das erzeugte Gas die Durchgangslöcher 11c in der Anode 11 ausgehend von der ersten Oberfläche 11a in Richtung hin zu der zweiten Oberfläche 11b der Anode 11 durchläuft, kann die Flüssigkeits-Zuführöffnung 15b jedoch ebenso auf der Seite der zweiten Oberfläche 11b der Anode 11 ausgebildet sein.
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Die Erfindung ist nun unter Verwendung der nachstehenden Beispiele beschrieben.
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Zunächst ist ein Beispiel 1 beschrieben. Bei dem Beispiel 1 wurde ein Reinaluminium-Substrat (50 mm × 50 mm × 1 mm Dicke) als das Substrat vorbereitet, bei welchem eine Schicht auf einer Oberfläche davon ausgebildet werden soll. Anschließend wurde auf der Oberfläche des Substrats eine Vernickelung ausgebildet und ferner wurde auf der Oberfläche dieser Vernickelungsschicht eine Vergoldungsschicht ausgebildet, und diese wurde anschließend unter fließendem entionisiertem Wasser gewaschen.
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Anschließend wurde unter Verwendung der Schichtbildungsvorrichtung 1D gemäß der in 4A gezeigten zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Kupferschicht ausgebildet. Für die elektrolytische Lösung wurde eine wässrige Kupfersulfatlösung von 1,0 mol/L verwendet, für die Anode wurde eine Pt-Platte (hergestellt durch The Nilaco Corporation) verwendet, und für die Festelektrolytmembran wurde Nafion 212 (von DuPont) mit einer Schichtdicke von 50 μm verwendet. Für den Oszillierungsabschnitt wurde ein Schwingungserreger (BigWave: hergestellt durch Asahi Seisakusyo) verwendet. Als Testbedingungen wurde die Kupferschicht während einer Schichtbildungszeit von 10 min ausgebildet, mit einer Stromdichte von 5 mA/cm2 und einer Strömungsrate der elektrolytischen Lösung von 15 ml/Min., während die Anode bei einer Frequenz von 300 Hz durch den Schwingungserreger oszilliert wurde, während die Saugpumpe angetrieben wurde, um die Festelektrolytmembran hin zu der Seite des Substrats zu saugen, so dass sich die Festelektrolytmembran in engem Kontakt mit dem Substrat befand.
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Nachfolgend ist ein Beispiel 2 beschrieben. In ähnlicher Art und Weise zu dem Beispiel 1 wurde eine Kupferschicht ausgebildet. Das Beispiel 2 unterscheidet sich von dem Beispiel 1 dahingehend, dass die Schichtbildungsvorrichtung 1E gemäß der in 7A gezeigten dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wurde. Es wurde eine Anode mit Durchgangslöchern mit jeweils einem Lochbereich von 3,14 mm2 verwendet.
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Nachfolgend wird ein Beispiel 3 beschrieben. In ähnlicher Art und Weise zu dem Beispiel 1 wurde eine Kupferschicht ausgebildet. Das Beispiel 3 unterscheidet sich von dem Beispiel 1 dahingehend, dass für die Anode eine Kupferanode (eine lösliche Anode (hergestellt durch The Nilaco Corporation)) verwendet wurde.
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Nachfolgend ist ein Vergleichsbeispiel 1 beschrieben, welches einem Vergleichsbeispiel mit Bezug auf die Beispiele der Erfindung entspricht. Wie bei dem Beispiel 1 wurde eine Kupferschicht ausgebildet. Das Vergleichsbeispiel 1 unterscheidet sich von dem Beispiel 1 dahingehend, dass die Schichtbildungsvorrichtung 1B gemäß der in 2A gezeigten zweiten beispielhaften Ausführungsform verwendet wurde, die Schicht wurde jedoch ohne das Oszillieren durch den Oszillierungsabschnitt ausgebildet.
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Anschließend wurde die Abdeckung der Kupferschicht und das Vorliegen von Nadellöchern darin gemäß der Beispiele 1 bis 3 und dem Vergleichsbeispiel 1 ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tab. 1 gezeigt. [Tabelle 1]
| | Abdeckung | Vorliegen von Nadellöchern |
| Beispiel 1 | 100% | Nein |
| Beispiel 2 | 100% | Nein |
| Beispiel 3 | 100% | Nein |
| Vergleichsbeispiel 1 | 98% | Ja |
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Aus Tabelle 1 wird angenommen, dass bei dem Vergleichsbeispiel 1 Nadellöcher ausgebildet wurden und die Abdeckung der Kupferschicht abgenommen hat, da der Widerstand zwischen der Anode und der Kathode (dem Substrat) aufgrund der Tatsache, dass bei der Oberfläche der Anode Sauerstoffgas zurückgeblieben ist, lokal angestiegen ist.
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Diesbezüglich wurden Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Das heißt, es sind verschiedene Gestaltungsveränderungen möglich, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise ist bei der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Flüssigkeits-Speicherabschnitt, welcher die elektrolytische Lösung speichert, zwischen der Anode und der Festelektrolytmembran vorgesehen. Es kann jedoch ebenso eine Schicht ausgebildet werden, während eine poröse Anode, die in der Lage ist zu ermöglichen, dass die elektrolytische Lösung diese durchläuft, und dass das erzeugte Sauerstoffgas abgeführt wird, in direktem Kontakt mit der Festelektrolytmembran angeordnet ist und die Anode oszilliert wird.
