JP2017088918A - Metal film formation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基材表面に金属皮膜を成膜する成膜装置に係り、特に、陽極と基材との間に電圧を印加することにより金属皮膜を好適に成膜することができる金属皮膜の成膜装置に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus for forming a metal film on the surface of a substrate, and in particular, a metal film capable of suitably forming a metal film by applying a voltage between an anode and a substrate. The present invention relates to a film forming apparatus.
従来から、基材の表面に金属イオンを析出させて金属皮膜を成膜する技術が提案されている。このような技術として、例えば、図6に示すように、陽極11と、陽極11と基材B(陰極)の間に配置される固体電解質膜13と、陽極11と陰極(基材B)との間に電圧を印加する電源部16とを備えた、金属皮膜の成膜装置8が提案されている。
Conventionally, a technique for forming a metal film by depositing metal ions on the surface of a substrate has been proposed. As such a technique, for example, as shown in FIG. 6, the
成膜装置8には、固体電解質膜13と陽極11との間に配置され、金属溶液Lを収容する溶液室15が形成されている。溶液室15は、ハウジング12と固体電解質膜13により形成されている。固体電解質膜13は、ハウジング12の収容空間Sの開口部12aを封止するように取り付けられている。
In the
さらに、溶液室15には、溶液室15内の金属溶液Lの液圧を増加させる高圧ポンプ17が接続されている。成膜装置8には、基材Bに向かって固体電解質膜13を押圧するための加圧部(シリンダ)18が設けられている。
Further, the
ここで、基材Bの表面に金属皮膜Fを成膜する際には、固体電解質膜13を加圧部18で基材Bに押圧した状態で、溶液室15の金属溶液Lの液圧を高圧ポンプ17で増圧させる。この状態で、陽極11と基材Bとの間に電圧を印加して、固体電解質膜13の内部に含有された金属溶液Lに由来した金属イオンを還元することで金属皮膜Fを基材Bの表面に成膜することができる。
Here, when the metal film F is formed on the surface of the base material B, the liquid pressure of the metal solution L in the
上述した成膜装置8によれば、成膜時に、載置台40に載置された基材Bに対して、固体電解質膜13を押圧した状態で、溶液室15の金属溶液Lの液圧を増圧させる。これにより、固体電解質膜13を基材Bの表面に倣わせて、金属皮膜Fを成膜することができる。
According to the
しかしながら、特許文献1に係る成膜装置8では、固体電解質膜13を基材Bの表面に均一に接触させる手段として、高圧ポンプ17と、加圧部18とを有しており、これらの制御も含め、その装置構成は複雑である。
However, the
そこで、たとえば、加圧部18を省略した成膜装置9を用いた場合には、図7に示すように、基材Bに対して固体電解質膜13が一定の距離で保持されるように、成膜装置9のハウジング12を固定することになる。金属皮膜を成膜する際には、高圧ポンプ17で金属溶液Lの液圧を増圧することにより、固体電解質膜13を基材Bに向かって変形させ、固体電解質膜13を基材Bに接触させる。しかしながら、成膜装置9では、金属溶液Lの液圧により変形した固体電解質膜13を基材Bの表面に均一に接触させることは難しい。
Therefore, for example, when the
そこで、固体電解質膜13をより均一に基材Bの表面に接触させるべく、図7に示す成膜装置9では、高圧ポンプ17で金属溶液Lの液圧をさらに高め、さらに固体電解質膜13を変形させることも想定される。しかしながら、さらなる金属溶液Lの増圧と固体電解質膜13の変形により、ハウジング12と固体電解質膜13との間のシール性が損なわれ、溶液室15から外部に金属溶液Lが漏えいするおそれがある。
Therefore, in order to bring the
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶液室からの金属溶液の漏えいを抑えつつ、より単純な装置構成で、固体電解質膜を基材の表面に均一に接触させながら、金属皮膜を成膜することができる金属皮膜の成膜装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points. The object of the present invention is to suppress the leakage of the metal solution from the solution chamber and to make the solid electrolyte membrane of the base material with a simpler device configuration. An object of the present invention is to provide a metal film deposition apparatus capable of depositing a metal film while uniformly contacting the surface.
前記課題を解決すべく、本発明に係る金属皮膜の成膜装置は、陽極と、前記陽極と陰極となる基材との間に配置される固体電解質膜と、前記陽極と前記固体電解質膜との間に配置され、前記陽極および前記固体電解質膜に金属溶液が接触するように該金属溶液を収容する溶液室と、前記陽極と前記基材との間に電圧を印加する電源部と、を少なくとも備え、前記固体電解質膜を前記基材に押圧した状態で、前記陽極と前記基材との間に電圧を印加して、前記固体電解質膜の内部に含有された前記金属溶液に由来した金属イオンを還元することで金属皮膜を前記基材の表面に成膜する金属皮膜の成膜装置であって、前記溶液室は、前記金属溶液を収容する収容空間を有しかつ該収容空間が前記基材側に開放した開口部を有するハウジングと、該ハウジングの前記開口部に取り付けられた弾性体により形成されており、前記固体電解質膜は前記弾性体を介して前記溶液室に取付けられており、前記弾性体は、前記固体電解質膜を前記基材に押圧する際に前記基材の押圧方向に圧縮変形可能なように、前記押圧方向に沿った前記溶液室の外側に延在していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a metal film deposition apparatus according to the present invention includes an anode, a solid electrolyte membrane disposed between the anode and the base material serving as the cathode, the anode, and the solid electrolyte membrane. A solution chamber for accommodating the metal solution so that the metal solution is in contact with the anode and the solid electrolyte membrane, and a power supply unit for applying a voltage between the anode and the substrate. A metal derived from the metal solution contained in the solid electrolyte membrane by applying a voltage between the anode and the substrate in a state in which the solid electrolyte membrane is pressed against the substrate. A metal film-forming apparatus for forming a metal film on the surface of the substrate by reducing ions, wherein the solution chamber has a storage space for storing the metal solution, and the storage space is A housing having an opening opened to the substrate side; and The solid electrolyte membrane is attached to the solution chamber via the elastic body, and the elastic body attaches the solid electrolyte membrane to the substrate. It extends to the outside of the solution chamber along the pressing direction so that it can be compressed and deformed in the pressing direction of the base material when pressed onto the substrate.
本発明によれば、固体電解質膜を基材に押圧したときに、弾性体が基材の押圧方向に圧縮変形するので、溶液室内の金属溶液の体積が減少し、溶液室内の金属溶液の圧力が増圧される。これにより、固体電解質膜を基材の表面に均一に押圧することができる。 According to the present invention, when the solid electrolyte membrane is pressed against the substrate, the elastic body compresses and deforms in the pressing direction of the substrate, so that the volume of the metal solution in the solution chamber is reduced, and the pressure of the metal solution in the solution chamber is reduced. Is increased. Thereby, a solid electrolyte membrane can be uniformly pressed on the surface of a substrate.
この押圧状態で、電源部により陽極と基材との間に電圧を印加した際に、固体電解質膜に供給された金属イオンは、固体電解質膜に接触した基材の表面に移動し、基材の表面で還元され、基材の表面には金属イオンに由来した金属が析出する。これにより、基材の表面に金属皮膜を均一に成膜することができる。なお、金属溶液を溶液室に収容した状態で、金属溶液が固体電解質膜に接触しているので、固体電解質膜には金属イオンが随時供給される。 In this pressed state, when a voltage is applied between the anode and the substrate by the power supply unit, the metal ions supplied to the solid electrolyte membrane move to the surface of the substrate in contact with the solid electrolyte membrane, and the substrate The metal derived from metal ions is deposited on the surface of the substrate. Thereby, a metal film can be uniformly formed on the surface of the substrate. Since the metal solution is in contact with the solid electrolyte membrane while the metal solution is accommodated in the solution chamber, metal ions are supplied to the solid electrolyte membrane as needed.
また、固体電解質膜を基材に押圧したときに、弾性体が基材の押圧方向に圧縮変形するので、ハウジングと固体電解質膜との間に設けられた弾性体が溶液室のシール材として作用する。これにより、溶液室内の金属溶液の圧力が増圧されたとしても、ハウジングと固体電解質膜との間から、溶液室内の金属溶液が漏えいすることを回避することができる。 In addition, when the solid electrolyte membrane is pressed against the base material, the elastic body compresses and deforms in the pressing direction of the base material, so the elastic body provided between the housing and the solid electrolyte membrane acts as a sealant for the solution chamber. To do. Thereby, even if the pressure of the metal solution in the solution chamber is increased, it is possible to avoid leakage of the metal solution in the solution chamber from between the housing and the solid electrolyte membrane.
このようにして、本発明によれば、溶液室からの金属溶液の漏えいを抑えつつ、より単純な装置構成で、固体電解質膜を基材の表面に均一に接触させながら、金属皮膜を成膜することができる。 Thus, according to the present invention, the metal film is formed while the solid electrolyte membrane is uniformly brought into contact with the surface of the substrate with a simpler apparatus configuration while suppressing the leakage of the metal solution from the solution chamber. can do.
1.成膜装置1について
図1は、本発明の実施形態に係る金属皮膜の成膜装置1の模式的断面図である。図1に示すように、本発明に係る成膜装置1は、金属イオンを還元することで金属を析出させて、析出した金属からなる金属皮膜を基材Bの表面に成膜する装置である。
1. Film Forming Apparatus 1 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a metal
基材Bは、成膜される表面が陰極(すなわち導電性を有した表面)として機能するものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、基材Bは、アルミニウム、鉄等の金属材料からなってもよく、エポキシ樹脂などの高分子樹脂、セラミックス等の表面に、銅、ニッケル、銀、または鉄などの金属層が被覆されていてもよい。本実施形態では、基材Bは、樹脂製の基材の表面に、レジストRが部分的に形成された基材であり、レジストRから露出した表面には、金属薄膜(図示せず)が形成されている。したがって、基材Bの金属薄膜が、基材Bの成膜される表面を有し、本発明でいう陰極に相当する。 The substrate B is not particularly limited as long as the surface on which the film is formed functions as a cathode (that is, a surface having conductivity). Specifically, the base material B may be made of a metal material such as aluminum or iron, and a metal layer such as copper, nickel, silver, or iron is provided on the surface of a polymer resin such as an epoxy resin or ceramics. It may be coated. In this embodiment, the base material B is a base material in which a resist R is partially formed on the surface of a resin base material, and a metal thin film (not shown) is exposed on the surface exposed from the resist R. Is formed. Therefore, the metal thin film of the base material B has a surface on which the base material B is formed, and corresponds to the cathode in the present invention.
成膜装置1は、金属製の陽極11と、陽極11と基材B(陰極)との間に配置される固体電解質膜13と、陽極11と基材Bとの間に電圧を印加する電源部16と、を備えている。
The
陽極11は、金属皮膜の金属と同じ金属からなり、金属溶液Lに溶解する可溶性陽極であり、ブロック状または平板状の陽極である。固体電解質膜13は、金属溶液Lに接触させることにより、金属イオンを内部に含浸(含有)することができ、電圧を印加したときに基材Bの表面に金属イオンが還元され、金属イオン由来の金属を析出することができるのであれば、特に限定されるものではない。
The
金属溶液Lは、上述したように成膜すべき金属皮膜の金属をイオンの状態で含有している液(電解液)である。このような金属に、銅、ニッケル、銀、または鉄を挙げることができ、金属溶液Lは、これらの金属を、硝酸、リン酸、コハク酸、硫酸ニッケル、またはピロリン酸などの酸で溶解(イオン化)した水溶液である。 The metal solution L is a liquid (electrolytic solution) containing the metal of the metal film to be formed as described above in an ionic state. Such metals can include copper, nickel, silver, or iron, and the metal solution L can be dissolved in an acid such as nitric acid, phosphoric acid, succinic acid, nickel sulfate, or pyrophosphoric acid ( Ionized aqueous solution.
さらに、成膜装置1は、金属溶液Lを収容する溶液室15を備えており、溶液室15は、陽極11と固体電解質膜13に金属溶液Lが接触するように、固体電解質膜13と陽極11との間に配置されている。
Furthermore, the
溶液室15は、ハウジング12と弾性体14とにより形成されている。具体的には、ハウジング12は、金属溶液Lを収容する収容空間Sと、収容空間Sを基材側に開放した開口部12aと、を有している。固体電解質膜13は、ハウジング12の開口部12aを封止するように溶液室15(具体的には弾性体14)を介してハウジング12に取付けられている。
The
弾性体14は、ハウジング12の開口部12aの周縁を囲うように、ハウジング12と固体電解質膜13との間において、それぞれに取付けられている(接着されている)。さらに、弾性体14は、固体電解質膜13に基材Bを押圧する際に、基材Bの押圧方向に圧縮変形可能なように押圧方向に沿った溶液室15の外側に延在している。なお、溶液室15は、成膜時に固体電解質膜13による基材Bを押圧する際に、その内部を密閉状態を維持することができるのであれば、その構造は特に限定されない。
The
ハウジング12の材質としては、金属材料等を挙げることができ、加圧部18により過度に変形しないもの(剛体)とすることができれば、その材料は特に限定されるものではない。また、弾性体14は、上述した圧縮変形可能なゴムまたは樹脂などを挙げることができ、金属溶液Lにより劣化しない材料(例えば耐酸性の材料)であることが好ましい。このような弾性体14の材質として、シリコーンゴム等を挙げることができる。
Examples of the material of the
さらに、成膜装置1には、基材Bを載置する金属製の載置台40が設けられており、載置台40に電源部16の負極が接続されており、陽極11には、電源部16の正極が接続されている。なお、ここで載置台40と基材Bの成膜される表面(金属薄膜(図示せず))とは導通している。これにより、基材Bの表面を陰極として機能させることができる。
Furthermore, the
本実施形態では、成膜装置1には、さらに、ハウジング12の上部に、バネなどの緩衝部材19を介して加圧部18が設けられている。加圧部18は、油圧式または空気式のシリンダなどを挙げることができ、固体電解質膜13を基材Bに押圧する機器である。これにより、固体電解質膜13を基材Bの表面に押圧しながら金属皮膜を成膜することができる。また、緩衝部材19を設けたことにより、固体電解質膜13を基材Bの表面に緩やかに押圧することができる。
In the present embodiment, the
2.成膜装置1を用いた成膜方法について
以下に本実施形態に係る成膜装置1を用いた成膜方法を説明する。図2は、図1に示す成膜装置1の成膜時の状態を説明するための模式的断面図である。図3(a)は、図2に示す成膜装置1により固体電解質膜13を基材Bの表面fに押圧した状態を示した拡大図である。図3(b)は、図3(a)に示す押圧状態から、基材Bの表面fに金属皮膜Fが成膜された状態を示した拡大図である。
2. About the film-forming method using the film-forming
まず、図1に示すように、固体電解質膜13に対向するように、載置台40に、レジストRおよび金属薄膜(図示せず)が形成された基材Bを配置する。次に、図2に示すように、加圧部18を用いて、ハウジング12を載置台40に向かって下降させ、固体電解質膜13を基材Bの表面に接触させ、さらに固体電解質膜13を基材Bの表面に押圧する。
First, as shown in FIG. 1, a base material B on which a resist R and a metal thin film (not shown) are formed is placed on a mounting table 40 so as to face the
ここで、固体電解質膜13で基材に押圧したときに、弾性体が基材Bの押圧方向に圧縮変形するので、溶液室15内の金属溶液Lの体積がVからV−dVに減少し、溶液室15内の金属溶液Lの圧力がPからP+dPに増圧される。
Here, when the
これにより、図3(a)に示すように、基材Bの表面が、レジストRを形成した凹凸を有する表面であっても、固体電解質膜13を基材BのレジストRから露出した表面(金属薄膜の表面)fに均一に押圧することができる。
As a result, as shown in FIG. 3A, even when the surface of the base material B is an uneven surface on which the resist R is formed, the surface where the
この押圧状態で、電源部16により陽極11と基材Bとの間に電圧を印加する。溶液室15の金属溶液Lは、陽極11および固体電解質膜13に接触しており、固体電解質膜13に供給された金属イオンは、固体電解質膜13に接触した基材Bの露出した表面fに移動する。移動した金属イオンは、基材BのレジストRから露出した表面fで還元され、基材Bの露出した表面fには金属イオンに由来した金属が析出する。これにより、図3(b)に示すように、基材Bの露出した表面fに金属皮膜Fを均一に成膜することができる。
In this pressed state, a voltage is applied between the
また、固体電解質膜13を基材Bに押圧したときに、弾性体14が基材Bの押圧方向に圧縮変形するので、ハウジング12と固体電解質膜13との間に設けられた弾性体14が溶液室のシール材として作用する。これにより、溶液室15内の金属溶液Lの圧力が増圧されたとしても、ハウジング12と固体電解質膜13との間から、溶液室15内の金属溶液Lが漏えいすることを回避することができる。
Further, when the
このようにして、本実施形態に係る成膜装置1によれば、従来の如き高圧ポンプ(たとえば図6,図7参照)を必要とせず、より単純な装置構成で、金属皮膜Fを成膜することができる。
Thus, according to the
本発明を以下の実施例により説明する。 The invention is illustrated by the following examples.
[実施例]
上述した図1に示す成膜装置1を用いて金属皮膜を成膜した。まず、基材として、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板を準備した。この基材の表面には、厚さ35μmのレジストが形成されており、レジストから露出した表面には、直径1.0mmの銅ランド(銅薄膜)が形成されている。
[Example]
A metal film was formed using the
次に、金属溶液として、1.0mol/Lの硫酸銅水溶液を準備し、これを溶液室に収容した。陽極に、無酸素銅板を用い、固体電解質膜に、膜厚183μmの電解質膜(デュポン社製:ナフィオンN117)を用いた。基材の銅ランド(銅薄膜)を電源部の負極に導通させ、固体電解質膜を基材の表面に0.5MPaで押圧しながら、電流密度100mA/cm2となるように陽極と基材との間に電圧を1分間印加し、基材の銅ランドの表面に銅皮膜を成膜した。
Next, 1.0 mol / L copper sulfate aqueous solution was prepared as a metal solution, and this was accommodated in the solution chamber. An oxygen-free copper plate was used for the anode, and an electrolyte membrane with a film thickness of 183 μm (DuPont: Nafion N117) was used for the solid electrolyte membrane. To conduct copper land of substrate (copper thin film) to the negative pole of the power source unit, while pressing at 0.5MPa the solid electrolyte film on the surface of the substrate, the anode and the substrate such that the
[比較例]
実施例と同じ基材に対して、銅皮膜を成膜した。実施例と相違する点は、図4に示す成膜装置7を用いた点と、電流密度10mA/cm2、10分間の条件で成膜した点である。なお、比較例で用いる成膜装置が、実施例のものを相違する点は、弾性体を設けていない点と、陽極に、気孔率85%、孔径50μmの発泡チタン板(三菱マテリアル製)からなる多孔質体の陽極91を用い、これを固体電解質膜13に接触させた点である。
[Comparative example]
A copper film was formed on the same substrate as in the example. The difference from the example is that the film forming apparatus 7 shown in FIG. 4 was used and the film was formed under the conditions of a current density of 10 mA / cm 2 for 10 minutes. The film forming apparatus used in the comparative example is different from that of the example in that the elastic body is not provided and the anode is made of a foamed titanium plate (made by Mitsubishi Materials) having a porosity of 85% and a pore diameter of 50 μm. The
(成膜状態の確認)
実施例および比較例で形成した銅皮膜(2カ所)の形状を顕微鏡で確認し、銅ランドに被覆された銅皮膜の被覆率を算出した。具体的には、被覆率(%)=銅皮膜面積/銅ランド×100の式から、銅皮膜の被覆率を算出した。この結果を図5に示す。
(Confirmation of film formation)
The shape of the copper film (2 places) formed in the examples and comparative examples was confirmed with a microscope, and the coverage of the copper film coated on the copper land was calculated. Specifically, the coverage of the copper film was calculated from the formula: coverage (%) = copper film area / copper land × 100. The result is shown in FIG.
<結果および考察>
図5に示すように、実施例の場合には銅皮膜の被覆率はいずれも100%であり、銅ランドに銅皮膜が完全に覆われていた。一方、比較例の場合には、銅皮膜の被覆率は、20%、14%であり、銅皮膜から銅ランドが露出していた。
<Results and discussion>
As shown in FIG. 5, in the case of the example, the coverage of the copper film was 100%, and the copper film was completely covered with the copper land. On the other hand, in the case of the comparative example, the coverage of the copper film was 20% and 14%, and the copper land was exposed from the copper film.
このことから、実施例の場合には、金属溶液の液圧により固体電解質膜を基材の銅ランドに押圧したので、比較例の場合とは異なり、固体電解質膜が銅ランドに均一に押圧された状態で銅ランドに銅皮膜を成膜できたと考えられる。 From this, in the case of the example, the solid electrolyte membrane was pressed against the copper land of the base material by the liquid pressure of the metal solution, and unlike the case of the comparative example, the solid electrolyte membrane was uniformly pressed against the copper land. It is thought that the copper film could be formed on the copper land in the state.
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed.
1:成膜装置、11:陽極、12:ハウジング、12a:開口部、13:固体電解質膜、14:弾性体、15:溶液室、16:電源部、18:加圧部、17:高圧ポンプ、19:緩衝部材、40:載置台、B:基材、L:金属溶液、F:金属皮膜、R:レジスト、S:収容空間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Film-forming apparatus, 11: Anode, 12: Housing, 12a: Opening part, 13: Solid electrolyte membrane, 14: Elastic body, 15: Solution chamber, 16: Power supply part, 18: Pressurization part, 17: High pressure pump , 19: buffer member, 40: mounting table, B: base material, L: metal solution, F: metal film, R: resist, S: accommodation space
Claims (1)
前記溶液室は、前記金属溶液を収容する収容空間を有しかつ該収容空間が前記基材側に開放した開口部を有するハウジングと、該ハウジングの前記開口部に取り付けられた弾性体により形成されており、前記固体電解質膜は前記弾性体を介して前記溶液室に取付けられており、
前記弾性体は、前記固体電解質膜を前記基材に押圧する際に前記基材の押圧方向に圧縮変形可能なように、前記押圧方向に沿った前記溶液室の外側に延在していることを特徴とする金属皮膜の成膜装置。 An anode, a solid electrolyte membrane disposed between the anode and the substrate serving as the cathode, and a metal solution disposed between the anode and the solid electrolyte membrane, the metal solution being in contact with the anode and the solid electrolyte membrane And at least a power supply unit that applies a voltage between the anode and the base material, and the anode is pressed against the base material in a state where the solid electrolyte membrane is pressed against the base material. A metal that forms a metal film on the surface of the substrate by applying a voltage between the substrate and the substrate to reduce metal ions derived from the metal solution contained in the solid electrolyte membrane A film forming apparatus,
The solution chamber is formed by a housing having a storage space for storing the metal solution, the storage space having an opening opened to the base, and an elastic body attached to the opening of the housing. The solid electrolyte membrane is attached to the solution chamber via the elastic body,
The elastic body extends to the outside of the solution chamber along the pressing direction so that it can be compressed and deformed in the pressing direction of the base material when the solid electrolyte membrane is pressed against the base material. A metal film forming apparatus characterized by the above.
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