JP2018154855A

JP2018154855A - 金属皮膜の成膜装置

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Publication number: JP2018154855A
Application number: JP2017050398A
Authority: JP
Inventors: 勇也宮園; Yuya Miyazono
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: JP6699606B2

Abstract

【課題】固体電解質膜に、金属溶液中の気泡が付着することを抑えることにより、固体電解質膜内の金属イオンの移動が阻害されることを抑制し、金属皮膜の成膜不良を回避することができる金属皮膜の成膜装置を提供する。【解決手段】成膜装置１は、収容空間Ｇ１に金属溶液Ｌを供給する供給ピストン２２と、前記収容空間から前記金属溶液を排出する排出ピストン２３と、陽極１１と基板Ｂとの間に、電圧を印加するように、電源部１４を制御するとともに、電圧の印加時に、少なくとも、供給ピストン２２による収容空間Ｇ１への金属溶液Ｌの供給と、排出ピストン２３による収容空間Ｇ１からの金属溶液Ｌの排出とを行いつつ、収容空間Ｇ１内の金属溶液Ｌの液圧が保持されるように、供給ピストン２２と排出ピストン２３とを制御する制御装置２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質膜を基板の表面に接触させて、基板の表面に金属皮膜を成膜する金属皮膜の成膜装置に関する。

従来から、陽極と、前記陽極の上方に配置され、陰極に相当する基板との間に、固体電解質膜に基板を接触させた状態で、陽極と陰極に電圧を印加することにより、基板の表面に金属皮膜を成膜する成膜装置が、利用されている。

このような技術として、たとえば、特許文献１には、以下の成膜装置が提案されている。この成膜装置は、陽極と、陽極の下方において陽極と基板との間に配置される固体電解質膜と、固体電解質膜と陽極とに接触するように金属溶液を収容する溶液収容部と、陽極と基板の間に、電圧を印加する電源部と、を備えている。

成膜時には、陽極と基板との間に電圧を印加すると、溶液収容部に収容された金属溶液に含まれる金属イオンが、固体電解質膜内を、陽極から基板に向かう方向に移動し、基板の表面で還元される。これにより、基板の表面に金属皮膜を成膜することができる。

特開２０１４−０５１７０１号公報

しかしながら、特許文献１に示す成膜方法では、金属皮膜の成膜後、固体電解質膜を交換する際、陽極の下方に固体電解質膜が配置されているため、これらの間に存在する金属溶液が、溶液収容部から流下して漏洩してしまう。また、成膜時に、金属溶液から酸素ガスが発生するが、この酸素ガスは、浮力によって金属溶液中を浮上し、陽極に付着することがある。これにより、成膜時に、陽極に付着した酸素ガスが付着した部分が、電気的に絶縁されるため、成膜不良が発生するおそれがある。

このような点を鑑みると、たとえば、陽極の上方に固体電解質膜を配置し、陽極とともに金属溶液を収容するチャンバ（溶液収容部）を設ければ、固体電解質膜の取り外しに拘わらず、金属溶液をチャンバに収容した状態を保持することができる。これにより、固体電解質膜の交換時の金属溶液の液漏れを低減することができる。

しかしながら、このような構造を採用しても、固体電解質膜の下方の陽極から発生したガスは、金属溶液中を浮上し、固体電解質膜に付着してしまう。この結果、固体電解質膜内において、金属イオンの移動が阻害されるため、成膜不良が生じるおそれがある。

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、固体電解質膜に、金属溶液中の気泡が付着することを抑えることにより、固体電解質膜内の金属イオンの移動が阻害されることを抑制し、金属皮膜の成膜不良を回避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。

前記課題を鑑みて、本発明に係る金属皮膜の成膜装置は、陽極と、前記陽極と、陰極に相当する基板との間において、前記基板の表面が接触するように、前記陽極の上方に配置される固体電解質膜と、前記固体電解質膜と前記陽極とに接触するように、金属イオンを含む金属溶液を収容する収容空間が形成された溶液収容部と、前記陽極と前記基板との間に、電圧を印加する電源部と、を備えた金属皮膜の成膜装置であり、前記成膜装置は、前記収容空間に前記金属溶液を供給する供給ピストンと、前記収容空間から前記金属溶液を排出する排出ピストンと、前記陽極と前記基板との間に、電圧を印加するように、前記電源部を制御するとともに、前記電圧の印加時に、前記供給ピストンによる前記収容空間への前記金属溶液の供給と、前記排出ピストンによる前記収容空間からの前記金属溶液の排出とを行いつつ、前記収容空間内の前記金属溶液の液圧が保持されるように、前記供給ピストンと前記排出ピストンとを制御する制御装置と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る金属皮膜の成膜装置によれば、固体電解質膜に、金属溶液中の気泡が付着することを抑えることにより、固体電解質膜内の金属イオンの移動が阻害されることを抑制し、金属皮膜の成膜不良を回避することができる。

本発明の第１実施形態に係る金属皮膜の成膜装置の模式的断面図である。図１に示す成膜装置において、固体電解質膜を取り除いた状態の成膜装置の平面図である。本発明の第２実施形態に係る金属皮膜の成膜装置を説明するための模式的断面図である。

以下に、図１〜３を参照して、本発明の第１および第２実施形態に係る金属皮膜の成膜装置を説明する。

１．金属皮膜の成膜装置１について
まず、金属皮膜の成膜装置１について説明する。図１は、本発明の第１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２は、図１に示す成膜装置１において、固体電解質膜１３を取り除いた状態の成膜装置１の平面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る成膜装置１は、金属イオンから金属を析出させて、析出した金属からなる金属皮膜を基板Ｂの表面に成膜する装置である。ここで、基板Ｂは、アルミニウムなどの金属材料からなる基板、樹脂またはシリコン基板の処理表面に金属下地層が形成されている基板、または、一方向に電流が流れる半導体基板（ダイオード）などを挙げることができる。

成膜装置１は、金属製の陽極１１と、陽極１１の上方に配置され、陰極に相当する基板Ｂとの間に配置された固体電解質膜１３と、陽極１１と基板Ｂとの間に電圧を印加する電源部１４と、を少なくとも備えている。

陽極１１は、チャンバ（溶液収容部）１５を介して電源部１４の正極に電気的に接続されており、陰極となる基板Ｂは、たとえば導電性材料からなる押え用治具１７を介して、電源部１４の負極に電気的に接続されている。チャンバ１５は、後述する金属溶液Ｌに対して不溶性の材料からなる。押え用治具１７は、基板Ｂを保持可能な構造になっている。

陽極１１は、金属溶液Ｌに対して不溶性を有した酸化ルテニウム、白金、酸化イリジウムなどを挙げることができ、これらの金属が銅板などに被覆された陽極であってもよい。本実施形態では、陽極１１は、金属皮膜の金属と同じ金属（金属溶液Ｌの金属イオンの金属）からなる可溶性の陽極であってもよい。

固体電解質膜１３は、上述した金属溶液Ｌに接触させることにより、金属イオンを内部に含浸することができ、電圧を印加したときに基板Ｂの表面において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。固体電解質膜の材質としては、たとえばデュポン社製のナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂、炭化水素系樹脂、ポリアミック酸樹脂、旭硝子社製のセレミオン（ＣＭＶ、ＣＭＤ、ＣＭＦシリーズ）などのイオン交換機能を有した樹脂を挙げることができる。

本実施形態では、チャンバ（溶液収容部）１５は、金属溶液Ｌを収容するものであり、その内部には、金属溶液Ｌを収容する収容空間Ｇ１が形成されている。金属溶液Ｌは、たとえば、銅、ニッケル、銀などのイオンを含む電解液などを挙げることができ、金属溶液Ｌには、金属皮膜となる金属が、イオンの状態で存在する。

金属溶液Ｌを収容する収容空間Ｇ１には、陽極１１が配置されており、チャンバ１５の上方には、陽極１１の表面の大きさと同じまたはそれよりも大きい開口部１５ａが形成されている。開口部１５ａには、固体電解質膜１３がこれを覆うように配置される。

本実施形態では、成膜装置１は、チャンバ１５に金属溶液Ｌを供給する供給ピストン２２と、チャンバ１５から金属溶液Ｌを排出する排出ピストン２３とを備えている。具体的には、チャンバ１５には、供給ピストン２２が上下に移動可能に配置されており、供給ピストン２２の上昇により、収容空間Ｇ１に金属溶液Ｌを供給する供給空間Ｇ２が形成されている。供給空間Ｇ２は、第１連通孔１５ｂを介して、収容空間Ｇ１に連通している（例えば図２参照）。

これにより、供給ピストン２２の上昇時には、供給空間Ｇ２内の金属溶液Ｌを加圧し、供給空間Ｇ２から、第１連通孔１５ｂを介して、収容空間Ｇ１に、金属溶液Ｌを供給することができる。加圧された金属溶液Ｌの圧力は、供給空間Ｇ２に取付けられた圧力計１８により測定することができる。

さらに、チャンバ１５には、排出ピストン２３が上下に移動可能に配置されており、排出ピストン２３の下降により、収容空間Ｇ１から金属溶液Ｌを回収する回収空間Ｇ３が形成されている。回収空間Ｇ３は、第２連通孔１５ｃを介して、収容空間Ｇ１に連通している。

これにより、排出ピストン２３の下降時には、収容空間Ｇ１から、第２連通孔１５ｃを介して、回収空間Ｇ３に金属溶液Ｌを吸い込むことができる。なお、回収空間Ｇ３の上部には、排気バルブ２５が取り付けられており、成膜時に、収容空間Ｇ１から金属溶液Ｌとともに排出された気泡（空気）を、回収空間Ｇ３から排出することができる。

本実施形態では、供給ピストン２２と、排出ピストン２３とは、これらが上下動自在となるように、回転−直動変換機構（図示せず）を介して電動モータ２２ａ、２２ｂに接続されている。

さらに、本実施形態では、制御装置２０をさらに備えている。制御装置２０は、陽極１１と基板Ｂとの間に、電圧を印加するように、電源部１４を制御する。これに加えて、制御装置２０は、供給ピストン２２による収容空間Ｇ１への金属溶液Ｌの供給と、排出ピストン２３による収容空間Ｇ１からの金属溶液Ｌの排出とを行いつつ、収容空間Ｇ１内の金属溶液Ｌの液圧が所定の範囲に保持されるように、供給ピストン２２と排出ピストン２３とを制御する。

具体的には、制御装置２０が、それぞれに接続された電動モータ２２ａ、２２ｂの回転速度を制御する。具体的には、供給ピストン２２が収容空間Ｇ１に供給する金属溶液Ｌの供給流量と、排出ピストン２３が収容空間Ｇ１から排出する金属溶液Ｌの排出流量とが、同じ流量になるように、制御装置２０は、電動モータ２２ａ、２２ｂの回転速度を制御する。この結果、制御装置２０により、供給ピストン２２の上昇速度と、排出ピストン２３の下降速度とが制御される。

これに加え、制御装置２０は、成膜時に、電動モータ２２ａ、２２ｂの起動タイミングを同期させることにより、供給ピストン２２の上昇タイミングと、排出ピストン２３の下降タイミングと、を制御する。

なお、本実施形態では、制御装置２０は、電動モータ２２ａ、２２ｂを制御することにより、供給ピストン２２と排出ピストン２３の昇降速度および昇降タイミングを制御した。しかしながら、供給ピストン２２と排出ピストン２３のそれぞれにエアシリンダを連結し、制御装置が、エアシリンダを電磁弁等を介して制御することにより、供給ピストン２２と排出ピストン２３とを制御してもよい。

２．金属皮膜の成膜方法について
以下に、本実施形態に係る金属皮膜の成膜方法を図１および図２を参照しながら説明する。まず、本実施形態では、固体電解質膜１３を、チャンバ１５の開口部１５ａを覆うように配置する。この際、チャンバ１５の金属溶液Ｌが収容される収容空間Ｇ１を固体電解質膜１３で密閉してもよいが、後述する基板Ｂの固体電解質膜１３への押圧により、チャンバ１５の金属溶液Ｌが収容される収容空間Ｇ１を固体電解質膜１３で密閉してもよい。

次に、固体電解質膜１３に、固体電解質膜１３の上方から、基板Ｂの表面を押圧し、供給ピストン２２により、圧力計１８が所定の圧力となるように、収容空間Ｇ１内の金属溶液Ｌを加圧する。

この状態で、制御装置２０は、陽極１１と基板Ｂとの間に、電圧を印加するように、電源部１４を制御する。陽極１１と基板Ｂとの間に電圧を印加すると、チャンバ１５に収容された金属溶液Ｌの金属イオンが、固体電解質膜１３内を、陽極１１から基板Ｂに向かって流れ、基板Ｂの表面で、これが還元されて、金属が析出する。これにより、基板Ｂの表面に金属皮膜を成膜することができる。

上述した電圧の印加時に、制御装置２０は、供給ピストン２２による収容空間Ｇ１への金属溶液Ｌの供給と、排出ピストン２３による収容空間Ｇ１からの金属溶液Ｌの排出とを行いつつ、収容空間Ｇ１内の金属溶液Ｌの液圧が所定の範囲に保持されるように、供給ピストン２２と排出ピストン２３とを制御する。

具体的には、制御装置２０は、収容空間Ｇ１に供給する金属溶液Ｌの供給タイミングと、排出ピストン２３が収容空間Ｇ１から排出する金属溶液Ｌの排出タイミングとが、同期するように、供給ピストン２２と排出ピストン２３とを制御する。

さらに、収容空間Ｇ１に供給する金属溶液Ｌの供給流量と、排出ピストン２３が収容空間Ｇ１から排出する金属溶液Ｌの排出流量とが、同じ流量となるように、供給ピストン２２と排出ピストン２３の昇降速度および昇降タイミングを制御する。なお、成膜中は、供給ピストン２２による収容空間Ｇ１への金属溶液Ｌの供給と、排出ピストン２３による収容空間Ｇ１からの金属溶液Ｌの排出とが行なわれる。

このようにして、金属皮膜の成膜中に、陽極１１で発生した気泡が、浮力により、固体電解質膜１３の表面に集まったとしても、排出ピストン２３により、この気泡は、金属溶液Ｌと共に、収容空間Ｇ１から第２連通孔１５ｃを介して回収空間Ｇ３に排出される。成膜中または成膜後に、回収空間Ｇ３の上部に溜った気泡を、排気バルブ２５から排出してもよい。

このような結果、固体電解質膜１３に、金属溶液Ｌ中の気泡が付着することを抑えることにより、固体電解質膜１３内の金属イオンの移動が阻害されることを抑制し、金属皮膜の成膜不良を回避することができる。

金属皮膜の成膜の完了後、固体電解質膜１３を交換する際には、供給ピストン２２を下降させ、かつ、排出ピストン２３を上昇させた後、収容空間Ｇ１内の金属溶液Ｌの液圧を、大気圧と同じ圧力にする。固体電解質膜１３を取り外した状態では、収容空間Ｇ１は開放されているので、排出ピストン２３により、金属溶液Ｌと共に収容空間Ｇ１に押し戻された気泡を、収容空間Ｇ１から大気中に排出することができる。

なお、第１連通孔１５ｂは、収容空間Ｇ１の下方において、平面視したときに露出している（鉛直方向に第１連通孔１５ｂの開口が形成されている（図２参照））ので、供給空間Ｇ２に押し戻した気泡を供給空間Ｇ２に溜めた後、固体電解質膜１３を取り外した際に、第１連通孔１５ｂを介して収容空間Ｇ１から大気中に簡単に排出することができる。

〔第２実施形態〕
以下に、本発明の第２実施形態に係る金属皮膜の成膜方法を説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る金属皮膜の成膜装置を説明するための模式的断面図である。

本実施形態に係る成膜装置が、第１実施形態に係る成膜装置と相違する点は、収容空間Ｇ１に連通した第２連通孔１５ｃの開口の近傍のチャンバ１５の部分の位置が、収容空間Ｇ１を形成する他の部分よりも高くなるように、チャンバ１５を傾斜させた点である。

本実施形態では、成膜装置１を全体的に傾斜させている。成膜装置１は、ブラケット等などを介して、常時傾斜させてもよく、たとえば、サーボモータ、エアシリンダ等で可動するチルト機構によって、成膜装置１を支持し、成膜時にのみ成膜装置１を傾斜させてもよい。

本実施形態では、このような傾斜により、成膜時に発生し、浮力によって浮き上がった気泡を、第２連通孔１５ｃに、より確実に流すことができる。これにより、チャンバ１５の収容空間Ｇ１から気泡を効率良く除去し、金属皮膜の成膜不良を回避することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：成膜装置、１１：陽極、１３：固体電解質膜、１４:電源部、１５チャンバ（溶液処理部）、２２：供給ピストン、２３：排出ピストン、Ｇ１：収容空間、Ｌ：金属溶液

Claims

陽極と、
前記陽極と、陰極に相当する基板との間において、前記基板の表面が接触するように、前記陽極の上方に配置される固体電解質膜と、
前記固体電解質膜と前記陽極とに接触するように、金属イオンを含む金属溶液を収容する収容空間が形成された溶液収容部と、
前記陽極と前記基板との間に、電圧を印加する電源部と、を備えた金属皮膜の成膜装置であり、
前記成膜装置は、前記収容空間に前記金属溶液を供給する供給ピストンと、
前記収容空間から前記金属溶液を排出する排出ピストンと、
前記陽極と前記基板との間に、電圧を印加するように、前記電源部を制御するとともに、前記電圧の印加時に、前記供給ピストンによる前記収容空間への前記金属溶液の供給と、前記排出ピストンによる前記収容空間からの前記金属溶液の排出とを行いつつ、前記収容空間内の前記金属溶液の液圧が保持されるように、前記供給ピストンと前記排出ピストンとを制御する制御装置と、をさらに備えることを特徴とする金属皮膜の成膜装置。