JP2019183241A - Nickel film depositing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質膜を用いたニッケル皮膜の成膜方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a nickel film using a solid electrolyte membrane.
この種の金属皮膜の成膜方法として、たとえば、特許文献1には、陽極と陰極との間に、陰極に接触するように金属イオンが含浸された固体電解質膜を設置し、陽極と陰極との間に電圧を印加して、陰極の表面で金属イオンを還元させて金属皮膜を成膜する方法が開示されている。 As a method for forming this type of metal film, for example, in Patent Document 1, a solid electrolyte membrane impregnated with metal ions so as to be in contact with the cathode is placed between the anode and the cathode, and the anode and cathode A method of forming a metal film by applying a voltage between the electrodes and reducing metal ions on the surface of the cathode is disclosed.
特許文献1に記載の成膜方法では、成膜時間ごとの電気化学インピーダンスから固体電解質膜の抵抗値と、電荷移動抵抗値と、を算出する。これらの抵抗値から、固体電解質膜の金属イオンのイオン交換を完了する成膜時間と、固体電解質膜とこれに接触した金属皮膜とが一体化する成膜時間とを特定する。これにより、固体電解質膜とこれに接触した金属皮膜とが一体化することなく、安定して金属皮膜を成膜することができる。 In the film forming method described in Patent Document 1, the resistance value of the solid electrolyte membrane and the charge transfer resistance value are calculated from the electrochemical impedance for each film forming time. From these resistance values, a film formation time for completing the ion exchange of metal ions of the solid electrolyte membrane and a film formation time for integrating the solid electrolyte membrane and the metal film in contact with the solid electrolyte membrane are specified. Thereby, the metal film can be stably formed without the solid electrolyte film and the metal film in contact with the solid electrolyte film being integrated.
しかしながら、たとえば、銅皮膜とニッケル皮膜とでは、結晶の析出形態が異なる上、電解液の組成、温度、またはpHなどが異なる。このため、特許文献1に記載の方法で、ニッケル皮膜を成膜した場合、固体電解質膜とニッケル皮膜とが一体化することがあった。これは、固体電解質膜とこれに接触したニッケル皮膜とを含む部分では、電流集中によるニッケルイオン不足により、水酸化ニッケルが生成されてしまい、生成された水酸化ニッケルが脱水して酸化ニッケルとなることによる。この結果、固体電解質膜とこれに接触したニッケル皮膜が物理的および化学的に密着したと考えられる。 However, for example, a copper film and a nickel film differ in the form of crystal precipitation and also in the composition, temperature, pH, etc. of the electrolytic solution. For this reason, when the nickel film is formed by the method described in Patent Document 1, the solid electrolyte film and the nickel film may be integrated. This is because nickel hydroxide is generated due to the lack of nickel ions due to current concentration in the portion including the solid electrolyte membrane and the nickel film in contact therewith, and the generated nickel hydroxide is dehydrated to become nickel oxide. It depends. As a result, it is considered that the solid electrolyte membrane and the nickel film in contact therewith were physically and chemically adhered.
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、本発明では、成膜中に、固体電解質膜とこれに接触したニッケル皮膜との一体化を防止することができるニッケル皮膜の成膜方法を提供する。 The present invention has been made in view of the above points. In the present invention, there is provided a method for forming a nickel film capable of preventing the solid electrolyte film and the nickel film in contact with the film from being integrated during film formation. provide.
上記課題を解決するために、本発明のニッケル皮膜の成膜方法は、陽極と陰極との間に、前記陰極に接触するようにニッケルイオンが含浸された固体電解質膜を設置し、前記陽極と前記陰極との間に電流を流して、前記陰極の表面に、前記ニッケルイオンに由来したニッケル皮膜を成膜するニッケル皮膜の成膜方法であって、前記陽極と前記陰極との間に通電する前記電流が異なる電流密度となる条件で、成膜した後、前記陽極と前記陰極との間に印加する電圧を高周波数から低周波数まで変化させながら、前記固体電解質膜とこれに接触した前記ニッケル皮膜とを含む部分の電気化学インピーダンスを前記異なる電流密度ごとに測定する工程と、前記異なる電流密度ごとに測定された前記電気化学インピーダンスから、X軸を実数成分とし、Y軸を虚数成分とする座標系を有したコールコールプロット図を、前記高周波数から前記低周波数へ測定された順にプロットすることにより作成する際に、前記低周波数側で前記実数成分の値が減少した場合の前記電流密度を特定する工程と、特定した前記電流密度よりも小さい電流密度で、前記陰極の表面に前記ニッケル皮膜を成膜する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a nickel film forming method according to the present invention includes a solid electrolyte membrane impregnated with nickel ions so as to be in contact with the cathode between the anode and the cathode, A method for forming a nickel film, in which a current is passed between the cathode and a nickel film derived from the nickel ions on the surface of the cathode, wherein the current is applied between the anode and the cathode. After the film is formed under the condition that the currents have different current densities, the voltage applied between the anode and the cathode is changed from a high frequency to a low frequency, and the solid electrolyte membrane and the nickel in contact therewith are changed. From the step of measuring the electrochemical impedance of the portion including the film for each of the different current densities and the electrochemical impedance measured for each of the different current densities, the X axis is used as a real component. When creating a Cole-Cole plot diagram having a coordinate system with the Y-axis as an imaginary component by plotting in the order measured from the high frequency to the low frequency, the value of the real component on the low frequency side is It includes at least a step of specifying the current density when it is decreased, and a step of forming the nickel film on the surface of the cathode at a current density smaller than the specified current density.
本発明によれば、ニッケル皮膜を成膜した後に、固体電解質膜とこれに接触したニッケル皮膜とを含む部分の電気化学インピーダンスを異なる電流密度ごとに測定する。電流密度ごとに測定した電気化学インピーダンスから、コールコールプロット図を作成する際に、低周波数側で実数成分の値が減少した場合の電流密度を特定する。特定した電流密度より小さい電流密度でニッケル皮膜を成膜するため、成膜中に、固体電解質膜とこれに接触したニッケル皮膜との一体化を防止することができる。 According to the present invention, after the nickel coating is formed, the electrochemical impedance of the portion including the solid electrolyte membrane and the nickel coating in contact therewith is measured for each different current density. When creating a Cole-Cole plot from the electrochemical impedance measured for each current density, the current density when the value of the real component decreases on the low frequency side is specified. Since the nickel film is formed at a current density smaller than the specified current density, integration of the solid electrolyte film and the nickel film in contact with the film can be prevented during the film formation.
以下に、図1〜4を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係るニッケル皮膜Fの成膜方法を説明するための模式的断面図であって、図1(a)は、成膜装置1の成膜前の状態を説明する模式的断面図であり、図1(b)は、成膜装置1の成膜時の状態を説明する模式的断面図である。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for forming a nickel film F according to the present embodiment. FIG. 1A is a schematic diagram for explaining a state of the film forming apparatus 1 before film formation. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view illustrating a state of the film forming apparatus 1 during film formation.
1.成膜装置1について
本実施形態では、図1(a)、(b)に示すように、基板Wを陰極として、成膜装置1を用いて、基板Wの表面にニッケル皮膜を成膜する。陰極となる基板Wは、導電性を有した金属材料からなり、たとえば、銅、ニッケル、銀、または金などを挙げることができる。また、基板Wが、絶縁性を有した基材に、上述した金属材料が被覆されていてもよい。
1. About Film Forming Apparatus 1 In this embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, a nickel film is formed on the surface of the substrate W using the film forming apparatus 1 with the substrate W as a cathode. The substrate W serving as the cathode is made of a conductive metal material, and examples thereof include copper, nickel, silver, and gold. In addition, the substrate W may be coated with the above-described metal material on an insulating base material.
図1(a)、(b)に示すように、成膜装置1は、金属製の陽極11と、陽極11と基板W(陰極)との間に配置された固体電解質膜13と、陽極11と基板Wとの間に電流を流す電源部16と、を少なくとも備えている。固体電解質膜13を基板Wの表面に接触させた状態で、陽極11と基板Wとの間に電源部16で一定電圧を印加することにより、成膜時に、陽極11と基板Wとの間に電流が流れる。 As shown in FIGS. 1A and 1B, a film forming apparatus 1 includes a metal anode 11, a solid electrolyte membrane 13 disposed between the anode 11 and a substrate W (cathode), and an anode 11. And a power supply unit 16 that allows current to flow between the substrate W and the substrate W. In the state where the solid electrolyte membrane 13 is in contact with the surface of the substrate W, a constant voltage is applied between the anode 11 and the substrate W by the power supply unit 16, so that the film is formed between the anode 11 and the substrate W at the time of film formation. Current flows.
本実施形態では、成膜装置1は、さらにハウジング15を備えており、ハウジング15には、陽極11と、成膜されるニッケル皮膜の材料であるニッケルイオンを含む溶液L(以下、ニッケル溶液Lという)と、が収容されている。より具体的には、陽極11と固体電解質膜13との間に、ニッケル溶液Lを収容する空間17が形成されている。なお、本実施形態では、陽極11と固体電解質膜13とは、離間して配置されているが、固体電解質膜13にニッケルイオンが供給可能であれば、陽極11の表面に固体電解質膜13が接触していてもよい。 In the present embodiment, the film forming apparatus 1 further includes a housing 15, and the housing 15 includes a positive electrode 11 and a solution L (hereinafter referred to as a nickel solution L) containing nickel ions as a material of a nickel film to be formed. And is housed. More specifically, a space 17 for accommodating the nickel solution L is formed between the anode 11 and the solid electrolyte membrane 13. In this embodiment, the anode 11 and the solid electrolyte membrane 13 are spaced apart from each other. However, if nickel ions can be supplied to the solid electrolyte membrane 13, the solid electrolyte membrane 13 is formed on the surface of the anode 11. It may be in contact.
陽極11は、基板Wが成膜される領域を覆う大きさを有していれば、ブロック状または平板状であってもよい。陽極11の材料としては、ニッケル皮膜と同じ材質であり、ニッケル溶液Lに対して可溶性の陽極であることが好ましい。これにより、ニッケル皮膜の成膜速度を高めることができる。なお、成膜前のニッケル溶液Lにはニッケルイオンが含まれているので、陽極11は、ニッケル溶液Lに対して不溶性の陽極であってもよい。 The anode 11 may have a block shape or a flat plate shape as long as the anode 11 has a size that covers a region where the substrate W is formed. The material of the anode 11 is the same material as that of the nickel film, and is preferably an anode that is soluble in the nickel solution L. Thereby, the film-forming speed | rate of a nickel membrane | film | coat can be raised. Since the nickel solution L before film formation contains nickel ions, the anode 11 may be an anode that is insoluble in the nickel solution L.
また、陽極11と固体電解質膜13とが接触している場合には、陽極11に、ニッケル溶液Lが透過し、かつ固体電解質膜13にニッケルイオンを供給する、多孔質体からなる陽極を用いてもよい。 In addition, when the anode 11 and the solid electrolyte membrane 13 are in contact with each other, an anode made of a porous material that allows the nickel solution L to pass through the anode 11 and supplies nickel ions to the solid electrolyte membrane 13 is used. May be.
本実施形態では、複数の基板Wの表面にニッケル皮膜を成膜後、固体電解質膜13を交換して、基板Wの表面にニッケル皮膜Fを成膜する。固体電解質膜13は、上述したニッケル溶液Lに接触させることにより、ニッケル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板Wの表面においてニッケルイオン由来のニッケルを析出可能であれば、特に限定されるものではない。固体電解質膜13の膜厚は、100〜200μmである。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)などの陽イオン交換機能を有した樹脂を挙げることができる。 In the present embodiment, after forming nickel films on the surfaces of the plurality of substrates W, the solid electrolyte film 13 is replaced, and the nickel films F are formed on the surfaces of the substrates W. The solid electrolyte membrane 13 can be impregnated (contained) with nickel ions by being brought into contact with the above-described nickel solution L, and nickel derived from nickel ions can be deposited on the surface of the substrate W when a voltage is applied. If it is, it will not specifically limit. The film thickness of the solid electrolyte membrane 13 is 100 to 200 μm. Examples of the material of the solid electrolyte membrane include cations such as fluorine resins such as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, hydrocarbon resins, polyamic acid resins, and selemions (CMV, CMD, CMF series) manufactured by Asahi Glass. A resin having an exchange function can be mentioned.
ニッケル溶液Lは、たとえば、塩化ニッケル、硫酸ニッケル、ピロリン酸ニッケルなどを含む溶液を挙げることができる。また、ニッケル溶液Lは、成膜時において、所定のpHの範囲内で緩衝能を有し、ニッケルイオンと不溶性塩および錯体を形成しないpH緩衝液(pH緩衝液)をさらに含んでいることが好ましい。さらに、ニッケルイオンの固体電解質膜13中の移動を阻害しないために、pH緩衝液に含まれるカチオンが、ニッケルよりもイオン化傾向が小さい金属であることが好ましい。このようなpH緩衝液としては、酢酸−酢酸ニッケル緩衝液、または、コハク酸−コハク酸ニッケル緩衝液を挙げることができる。 Examples of the nickel solution L include a solution containing nickel chloride, nickel sulfate, nickel pyrophosphate, and the like. Further, the nickel solution L further includes a pH buffer solution (pH buffer solution) that has a buffer capacity within a predetermined pH range and does not form an insoluble salt and a complex with nickel ions during film formation. preferable. Furthermore, in order not to inhibit the movement of nickel ions in the solid electrolyte membrane 13, the cation contained in the pH buffer solution is preferably a metal having a smaller ionization tendency than nickel. Examples of such a pH buffer solution include an acetic acid-nickel acetate buffer solution and a succinic acid-nickel succinate buffer solution.
さらに、本実施形態の成膜装置1は、ハウジング15の上部に、加圧装置(不図示)を備えていてもよい。加圧装置は、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で、基板Wを押圧する装置である。これにより、図1(b)に示すように、固体電解質膜13を介して基板Wの表面にニッケル溶液Lを配置し、その液圧により、を固体電解質膜13で均一に加圧しながら、基板Wにニッケル皮膜Fを成膜することができる。なお、陽極11と固体電解質膜13とが接触している場合には、陽極11を介して固体電解質膜13で、基板Wを押圧してもよい。 Furthermore, the film forming apparatus 1 of the present embodiment may include a pressurizing device (not shown) on the top of the housing 15. The pressurizing device can be a hydraulic or pneumatic cylinder, and is a device that presses the substrate W with the solid electrolyte membrane 13. As a result, as shown in FIG. 1B, the nickel solution L is disposed on the surface of the substrate W via the solid electrolyte membrane 13, and the substrate is pressed uniformly by the solid electrolyte membrane 13 by the fluid pressure. A nickel film F can be formed on W. When the anode 11 and the solid electrolyte membrane 13 are in contact, the substrate W may be pressed with the solid electrolyte membrane 13 via the anode 11.
本実施形態の成膜装置1は、基板Wを載置する金属台座12をさらに備えており、金属台座12は、電源部16の負極に電気的に接続されている。これにより、基板Wを、電源部16の負極に導通することができる。一方、電源部16の正極は、ハウジング15に内蔵された陽極11に電気的に接続されている(導通している)。なお、電源部16は、成膜できるのであれば、直流電源または交流電源のいずれであってもよい。 The film forming apparatus 1 according to the present embodiment further includes a metal pedestal 12 on which the substrate W is placed, and the metal pedestal 12 is electrically connected to the negative electrode of the power supply unit 16. Thereby, the substrate W can be conducted to the negative electrode of the power supply unit 16. On the other hand, the positive electrode of the power supply unit 16 is electrically connected (conducted) to the anode 11 built in the housing 15. The power supply unit 16 may be either a DC power supply or an AC power supply as long as it can form a film.
ところで、発明者の知見によれば、上述した課題に示すように、ニッケル皮膜Fを成膜する際に、固体電解質膜13とニッケル皮膜Fの密着し一体化してしまうことがあり、例えば、成膜時の電流密度が高くなる場合、ニッケル溶液のニッケルイオン濃度が低い場合、成膜温度が高い場合、成膜時の固体電解質膜の圧力が高い場合、あるいはこれらの組み合わせの場合に発生することがあった。そこで、発明者は、成膜時の電流密度に着眼し、成膜装置1にインピーダンスアナライザー20を取付けている。 By the way, according to the knowledge of the inventor, as shown in the above-described problem, when the nickel film F is formed, the solid electrolyte film 13 and the nickel film F may be brought into close contact with each other. This occurs when the current density during film formation is high, the nickel ion concentration of the nickel solution is low, the film formation temperature is high, the pressure of the solid electrolyte film during film formation is high, or a combination of these. was there. Therefore, the inventor attaches the impedance analyzer 20 to the film forming apparatus 1 while paying attention to the current density during film formation.
具体的には、本実施形態に係る成膜装置1には、陽極11に配置された対極18と、基板Wに配置された作用極19と、陽極11と固体電解質膜13との間に配置された参照極14と、が取付けられている。 Specifically, in the film forming apparatus 1 according to the present embodiment, the counter electrode 18 disposed on the anode 11, the working electrode 19 disposed on the substrate W, and the anode 11 and the solid electrolyte membrane 13 are disposed. A reference electrode 14 is attached.
詳細には、対極18は、ハウジング15を貫通しており、対極18の一端部は陽極11に電気的に接続されており、他端部は外部に露出している。作用極19は、金属台座12を貫通しており、作用極19の一端部は基板Wに電気的に接続されており、他端部は外部に露出している。参照極14は、ハウジング15を貫通しており、参照極14の一端部はニッケル溶液Lに接触しており、他端部は外部に露出している。なお、陽極11の表面に固体電解質膜13が接触している場合、参照極14は、参照極14の一端部が固体電解質膜13内に挿入され、他端部は外部に露出するように配置されていてもよい。 Specifically, the counter electrode 18 passes through the housing 15, one end of the counter electrode 18 is electrically connected to the anode 11, and the other end is exposed to the outside. The working electrode 19 penetrates the metal base 12, one end of the working electrode 19 is electrically connected to the substrate W, and the other end is exposed to the outside. The reference electrode 14 passes through the housing 15, one end of the reference electrode 14 is in contact with the nickel solution L, and the other end is exposed to the outside. When the solid electrolyte membrane 13 is in contact with the surface of the anode 11, the reference electrode 14 is arranged such that one end of the reference electrode 14 is inserted into the solid electrolyte membrane 13 and the other end is exposed to the outside. May be.
後述するように、対極18、作用極19、および参照極14の他端部が、それぞれインピーダンスアナライザー20に接続されることにより、成膜後に、固体電解質膜13とこれに接触したニッケル皮膜Fとを含む部分の電気化学インピーダンスを測定することができる。対極18、作用極19、および参照極14の材料としては、ニッケル溶液Lに対して、腐食しない材料であればよく、たとえば白金(Pt)などを挙げることができる。 As will be described later, the other end of the counter electrode 18, the working electrode 19, and the reference electrode 14 are connected to the impedance analyzer 20, so that the solid electrolyte membrane 13 and the nickel coating F in contact with the solid electrolyte membrane 13 are formed after the film formation. The electrochemical impedance of the portion containing can be measured. As a material for the counter electrode 18, the working electrode 19, and the reference electrode 14, any material that does not corrode with respect to the nickel solution L may be used. For example, platinum (Pt) may be used.
2.ニッケル皮膜Fの成膜方法について
図2は、本実施形態のニッケル皮膜Fの成膜方法の工程を説明するフロー図である。まず電気化学インピーダンスの測定工程S11では、陽極11と基板W(陰極)との間に通電する電流が異なる電流密度となる条件で、ニッケル皮膜Fを成膜した後に、電気化学インピーダンスを測定する。なお、この工程におけるニッケル皮膜Fの成膜方法は、この電流密度を除き、後述する成膜工程S13と同じ条件であるので、その詳細を、成膜工程S13で説明する。
2. Regarding Film Formation Method of Nickel Film F FIG. 2 is a flowchart for explaining the steps of the film formation method of the nickel film F of the present embodiment. First, in the electrochemical impedance measurement step S11, the electrochemical impedance is measured after the nickel film F is formed under the condition that the currents flowing between the anode 11 and the substrate W (cathode) have different current densities. The method for forming the nickel film F in this step is the same as that in the later-described film forming step S13 except for the current density, and the details will be described in the film forming step S13.
具体的には、各電流密度の条件で、ニッケル皮膜Fを成膜した後、固体電解質膜13をニッケル皮膜Fに接触させた状態で、陽極11(具体的には対極18)と基板W(具体的には作用極19)との間に印加する電圧を高周波数から低周波数まで変化させながら、固体電解質膜13とこれに接触したニッケル皮膜Fとを含む部分の電気化学インピーダンスを測定する。この電気化学インピーダンスの測定は、異なる電流密度で成膜したものに対して、それぞれ行う。本実施形態では、電気化学インピーダンスは、参照極14と作用極19との電気化学インピーダンスである。なお、この電気化学インピーダンスを測定する方法については、以下の確認試験で詳述する。 Specifically, after forming the nickel film F under the conditions of each current density, the anode 11 (specifically, the counter electrode 18) and the substrate W (specifically, in a state where the solid electrolyte film 13 is in contact with the nickel film F). Specifically, the electrochemical impedance of the portion including the solid electrolyte membrane 13 and the nickel coating F in contact therewith is measured while changing the voltage applied to the working electrode 19) from a high frequency to a low frequency. This electrochemical impedance measurement is performed on each film formed at different current densities. In the present embodiment, the electrochemical impedance is the electrochemical impedance between the reference electrode 14 and the working electrode 19. The method for measuring the electrochemical impedance will be described in detail in the following confirmation test.
次いで、電流密度特定工程S12を行う。この工程では、まず、異なる電流密度ごとに測定された電気化学インピーダンスから、X軸を実数成分とし、Y軸を虚数成分とする座標系を有したコールコールプロット図を、高周波数から低周波数へ測定された順に、各成分に対応した点をプロットして作成する。この際に、低周波数側で実数成分の値が減少した場合の電流密度を特定する。 Next, a current density specifying step S12 is performed. In this process, first, from the electrochemical impedance measured at different current densities, a Cole-Cole plot diagram having a coordinate system with the X axis as the real component and the Y axis as the imaginary component is changed from the high frequency to the low frequency. Plot points corresponding to each component in the order of measurement. At this time, the current density when the value of the real component decreases on the low frequency side is specified.
具体的には、各電流密度において成膜されたニッケル皮膜Fに対して、コールコールプロット図を高周波数から低周波数へ測定された順にプロットすることにより作成する際に、低周波数側で実数成分の値が減少するコールコールプロット図を特定する。ここで、発明者らの実験によれば、この特定されたコールコールプロット図に対応した電流密度で成膜した場合、ニッケル皮膜Fと固体電解質膜13とが一体化することがわかり、この電流密度が大きくなるに従って、これらの一体化が顕著なものになることがわかった。したがって、ニッケル皮膜Fの成膜時に、低周波数側で実数成分の値が減少した場合の電流密度より小さい電流密度で成膜すれば、固体電解質膜13とこれに接触したニッケル皮膜Fが一体化することはない。 Specifically, when creating a Cole-Cole plot diagram for the nickel film F formed at each current density by plotting in order of measurement from high frequency to low frequency, the real component on the low frequency side Specify the Cole-Cole plot diagram where the value of decreases. Here, according to experiments by the inventors, it is found that when the film is formed at a current density corresponding to the specified Cole-Cole plot diagram, the nickel film F and the solid electrolyte film 13 are integrated. It has been found that these integrations become more prominent as the density increases. Therefore, when the nickel film F is formed at a current density smaller than the current density when the value of the real component decreases on the low frequency side, the solid electrolyte film 13 and the nickel film F in contact therewith are integrated. Never do.
次いで、成膜工程S13を行う。この工程では、電流密度特定工程S12で特定した電流密度より小さい電流密度で基板Wの表面にニッケル皮膜Fを成膜する。なお、その他の成膜条件は、電気化学インピーダンスの測定工程S11における成膜条件と同じ条件である。 Next, a film forming step S13 is performed. In this step, the nickel film F is formed on the surface of the substrate W at a current density smaller than the current density specified in the current density specifying step S12. The other film formation conditions are the same as the film formation conditions in the electrochemical impedance measurement step S11.
具体的には、まず、固体電解質膜13を新しい固体電解質膜13に交換する。次に、図1(a)に示すように、新しい基板Wを金属台座12に載置する。次に、図1(b)に示すように、加圧装置(不図示)を用いて、交換後の固体電解質膜13を基板Wに接触させる。これにより、陽極11と基板Wとの間に、基板Wに接触するように、ニッケルイオンが含浸された固体電解質膜13が設置される。 Specifically, first, the solid electrolyte membrane 13 is replaced with a new solid electrolyte membrane 13. Next, as shown in FIG. 1A, a new substrate W is placed on the metal base 12. Next, as shown in FIG. 1B, the replaced solid electrolyte membrane 13 is brought into contact with the substrate W using a pressurizing device (not shown). Thereby, the solid electrolyte membrane 13 impregnated with nickel ions is placed between the anode 11 and the substrate W so as to be in contact with the substrate W.
次に、陽極11と基板Wとの間に通電する電流が特定した電流密度より小さくなるように、電源部16で一定の電圧を作用させる。これにより、固体電解質膜13に含有していたニッケルイオンが、基板Wの表面で還元されて、基板Wの表面には、ニッケルイオンに由来したニッケル皮膜Fを成膜することができる。 Next, a constant voltage is applied by the power supply unit 16 so that the current supplied between the anode 11 and the substrate W is smaller than the specified current density. Thereby, the nickel ions contained in the solid electrolyte membrane 13 are reduced on the surface of the substrate W, and the nickel film F derived from the nickel ions can be formed on the surface of the substrate W.
ここで、本実施形態では、電流密度特定工程S12で特定した電流密度より小さい電流密度で成膜しているため、成膜工程S13において、成膜中に、固体電解質膜13とこれに接触するニッケル皮膜Fとが一体化することはない。このため、2回目以降の成膜では、基板Wを新しいものに交換するだけで、固体電解質膜13とこれに接触するニッケル皮膜Fとが一体化することなく、複数の基板Wに連続して成膜することができる。 Here, in this embodiment, since the film is formed at a current density smaller than the current density specified in the current density specifying step S12, in the film forming step S13, the solid electrolyte membrane 13 is brought into contact with the film during the film formation. The nickel film F is not integrated. For this reason, in the second and subsequent film formations, the solid electrolyte membrane 13 and the nickel coating F in contact therewith are not integrated with each other by simply replacing the substrate W with a new one. A film can be formed.
<確認試験>
電気化学インピーダンスを測定する方法と電流密度を特定する方法を、以下の確認試験により説明する。まず、図1に示す成膜装置1を準備した。成膜装置1の陽極11として、ニッケル板を使用し、ニッケル溶液Lとして、0.95Mの塩化ニッケル(NiCl2)および0.05Mの酢酸ニッケル(Ni(CH3COO)2)を含有した水溶液(pH4.0および電流密度が25〜175mA/cm2)を使用した。また、基板Wとして、2インチのシリコン(Si)ウエハの表面に、金(Au)がスパッタリングにより成膜されているものを用いた。Au皮膜の膜厚は50nmであった。さらに、参照極14として、白金線を用いた。
<Confirmation test>
A method for measuring electrochemical impedance and a method for specifying current density will be described by the following confirmation test. First, the film forming apparatus 1 shown in FIG. 1 was prepared. A nickel plate is used as the anode 11 of the film forming apparatus 1, and an aqueous solution containing 0.95 M nickel chloride (NiCl 2 ) and 0.05 M nickel acetate (Ni (CH 3 COO) 2 ) as the nickel solution L. (PH 4.0 and current density 25-175 mA / cm < 2 >) were used. In addition, a substrate W in which gold (Au) was formed by sputtering on the surface of a 2-inch silicon (Si) wafer was used. The film thickness of the Au film was 50 nm. Further, a platinum wire was used as the reference electrode 14.
次に、電気化学インピーダンスを測定するインピーダンスアナライザー20として、北斗電工製のインピーダンス測定装置(HZ7000(FRAボード、3Aブースター増設))を準備した。図1(a)、(b)に示すように、準備したインピーダンス測定装置に、成膜装置1の対極18と、作用極19と、参照極14とをそれぞれ接続した。 Next, as an impedance analyzer 20 for measuring electrochemical impedance, an impedance measuring device (HZ7000 (FRA board, 3A booster extension)) manufactured by Hokuto Denko was prepared. As shown in FIGS. 1A and 1B, the counter electrode 18, the working electrode 19, and the reference electrode 14 of the film forming apparatus 1 were connected to the prepared impedance measuring apparatus.
まず、基板Wを金属台座12に載置し、固体電解質膜13をハウジング15に取り付けた。次いで、図1(b)に示すように、陽極11と基板Wとの間に、基板Wに接触するように固体電解質膜13を配置した後、成膜前の電気化学インピーダンスの測定を行った。 First, the substrate W was placed on the metal base 12 and the solid electrolyte membrane 13 was attached to the housing 15. Next, as shown in FIG. 1B, after the solid electrolyte membrane 13 was disposed between the anode 11 and the substrate W so as to be in contact with the substrate W, the electrochemical impedance before film formation was measured. .
具体的な電気化学インピーダンスの測定条件は、電位振幅10mV、周波数範囲10mHz〜100kHzで、1桁5点で対数掃引し、対極18と作用極19との間の電圧を0.05Vにした。また、測定時のニッケル溶液Lの圧力および温度は、それぞれ、後述する成膜条件と同様の約1.0MPaおよび70℃にした。 Specific measurement conditions for electrochemical impedance were a potential amplitude of 10 mV, a frequency range of 10 mHz to 100 kHz, logarithmically sweeping 5 digits per digit, and a voltage between the counter electrode 18 and the working electrode 19 being 0.05V. Further, the pressure and temperature of the nickel solution L at the time of measurement were set to about 1.0 MPa and 70 ° C., respectively, which are the same as film forming conditions described later.
次いで、電流密度50mA/cm2となる電流を陽極11と基板W(陰極)との間に通電して、ニッケル皮膜を成膜した。成膜時間は1分、基板Wを押圧する圧力は約1.0MPa、および温度は70℃とした。なお、加圧は、空間17内のニッケル溶液の圧力を加圧する液圧法により行った。 Next, a current having a current density of 50 mA / cm 2 was passed between the anode 11 and the substrate W (cathode) to form a nickel film. The film formation time was 1 minute, the pressure for pressing the substrate W was about 1.0 MPa, and the temperature was 70 ° C. The pressurization was performed by a hydraulic method in which the pressure of the nickel solution in the space 17 was increased.
次いで、成膜後の電気化学インピーダンスを測定した。なお、電気化学インピーダンスの測定条件を、上述した成膜前の電気化学インピーダンスの測定条件と同じにした。次いで、基板Wおよび固体電解質膜13を取り外した。 Next, the electrochemical impedance after film formation was measured. The electrochemical impedance measurement conditions were the same as the electrochemical impedance measurement conditions before film formation described above. Next, the substrate W and the solid electrolyte membrane 13 were removed.
上述した50mA/cm2の電流密度の場合と同じようにして、新たな固体電解質膜13に対して、成膜前の電気化学インピーダンスの測定し、その後、電流密度が100mA/cm2の成膜条件において、Ni皮膜を成膜した後、電気化学インピーダンスの測定を測定した。さらに、上述した50mA/cm2の電流密度の場合と同じようにして、新たな固体電解質膜13に対して、成膜前の電気化学インピーダンスの測定し、その後、電流密度が150mA/cm2の成膜条件において、Ni皮膜を成膜した後、電気化学インピーダンスの測定を測定した。なお、電流密度50、100、および150mA/cm2の電流効率100%時の成膜速度は、それぞれ1.0、2.0、および3.0μm/分である。 In the same manner as in the case of the current density of 50 mA / cm 2 described above, the electrochemical impedance before film formation is measured for the new solid electrolyte membrane 13, and then the film formation with a current density of 100 mA / cm 2 is performed. Under the condition, after the Ni film was formed, the measurement of electrochemical impedance was measured. Further, in the same manner as in the case of the current density of 50 mA / cm 2 described above, the electrochemical impedance before film formation is measured for the new solid electrolyte membrane 13, and then the current density is 150 mA / cm 2 . Under the film forming conditions, after the Ni film was formed, the measurement of electrochemical impedance was measured. The film formation rates at a current efficiency of 100% at current densities of 50, 100, and 150 mA / cm 2 are 1.0, 2.0, and 3.0 μm / min, respectively.
<結果>
このようにして測定された成膜前後の電気化学インピーダンスから、コールコールプロット図を作成した。結果を図3(a)、(b)に示す。図3(a)は、電流密度が50、100、および150mA/cm2の場合の成膜前後の電気化学インピーダンスから得られたコールコールプロット図であり、図3(b)は、図3(a)の一部拡大図である。
<Result>
A Cole-Cole plot diagram was created from the electrochemical impedance measured before and after the film formation. The results are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). FIG. 3A is a Cole-Cole plot obtained from the electrochemical impedance before and after film formation when the current density is 50, 100, and 150 mA / cm 2 , and FIG. It is a partially enlarged view of a).
なお、図3(a)、(b)に示すコールコールプロット図の座標系は、X軸およびY軸をそれぞれ実数成分Z’(Ω)および虚数成分Z’’(Ω)である。また、コールコールプロット図は、高周波数から低周波数へ測定された順に、実数成分および虚数成分に対応する点をプロットして、作成するため、図の左側から右側へ行くほど低周波数となる。 In the coordinate system of the Cole-Cole plot diagrams shown in FIGS. 3A and 3B, the X axis and the Y axis are the real component Z ′ (Ω) and the imaginary component Z ″ (Ω), respectively. In addition, since the Cole-Cole plot diagram is created by plotting points corresponding to the real component and the imaginary component in the order measured from the high frequency to the low frequency, the frequency decreases from the left side to the right side of the diagram.
図3(a)に示すように、異なる3つの電流密度(50、100、および150mA/cm2)において、成膜前の全体のインピーダンスと比べて、成膜後の全体のインピーダンスが小さくなった。 As shown in FIG. 3A, at three different current densities (50, 100, and 150 mA / cm 2 ), the overall impedance after film formation was smaller than the total impedance before film formation. .
図3(b)に示すように、成膜後のインピーダンススペクトラムについて、異なる3つの電流密度のうち、50および100mA/cm2の電流密度の場合では、高周波領域で略半円状の軌跡が認められ、低周波数側になるにつれて、実数成分Z’が増加することが観察された。一方、150mA/cm2の電流密度の場合では、高周波領域で略半円状の軌跡が認められたものの、低周波数側で、実数成分Z’が低減することが確認された(図3(b)の点線円で示す部分を参照)。これは、固体電解質膜13とこれに接触するニッケル皮膜Fとが強く密着(一体化)したため、電流が流れやすくなり、抵抗が減少したためと考えられる。 As shown in FIG. 3B, the impedance spectrum after film formation has a substantially semicircular locus in the high-frequency region when the current density is 50 and 100 mA / cm 2 among three different current densities. It was observed that the real component Z ′ increased as the frequency became lower. On the other hand, in the case of a current density of 150 mA / cm 2 , although a substantially semicircular locus was observed in the high frequency region, it was confirmed that the real component Z ′ was reduced on the low frequency side (FIG. 3B). ) (See the dotted circle). This is presumably because the solid electrolyte membrane 13 and the nickel coating F in contact therewith were strongly adhered (integrated), so that the current flowed easily and the resistance decreased.
ここで、発明者らは、異なる3つの電流密度の場合で成膜した後に取り外した基板に係る試験体の表面を、それぞれ顕微鏡にて観察した。結果を図4に示す。図4は、ニッケル皮膜を成膜した後の基板Wに係る試験体の表面の顕微鏡画像であって、図4(a)〜(c)は、それぞれ、50、100、および150mA/cm2の電流密度で成膜した試験体の画像である。 Here, the inventors observed the surface of the test body according to the substrate removed after film formation in the case of three different current densities, respectively, with a microscope. The results are shown in FIG. FIG. 4 is a microscopic image of the surface of the test body according to the substrate W after the nickel film is formed, and FIGS. 4A to 4C are 50, 100, and 150 mA / cm 2 , respectively. It is an image of the test body formed into a film with the current density.
図4(a)〜(c)からわかるように、異なる3つの電流密度のうち、150mA/cm2の電流密度の場合のみに、固体電解質膜13とニッケル皮膜Fとの一体化が確認された。上述のように、150mA/cm2の電流密度の場合のインピーダンススペクトラムは、低周波数側で、実数成分Z’が減少するという異常波形となる。よって、この異常波形が固体電解質膜13とニッケル皮膜Fとの一体化の指標となるため、異常波形を示した電流密度を特定することができる。これにより、特定した電流密度よりも小さい電流密度でニッケル皮膜を成膜することで、固体電解質膜13とニッケル皮膜Fとの一体化を防止することができる。 As can be seen from FIGS. 4A to 4C, the integration of the solid electrolyte membrane 13 and the nickel coating F was confirmed only when the current density was 150 mA / cm 2 among the three different current densities. . As described above, the impedance spectrum in the case of a current density of 150 mA / cm 2 has an abnormal waveform in which the real component Z ′ decreases on the low frequency side. Therefore, since this abnormal waveform becomes an index of integration of the solid electrolyte membrane 13 and the nickel coating F, the current density indicating the abnormal waveform can be specified. Thereby, the integration of the solid electrolyte membrane 13 and the nickel coating F can be prevented by forming the nickel coating with a current density smaller than the specified current density.
以上、本発明の一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 one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. Design changes can be made.
11:陽極、13:固体電解質膜、F:ニッケル皮膜、W:基板(陰極)、S11:電気化学インピーダンスの測定工程、S12:電流密度特定工程、S13:成膜工程 11: Anode, 13: Solid electrolyte membrane, F: Nickel coating, W: Substrate (cathode), S11: Electrochemical impedance measuring step, S12: Current density specifying step, S13: Film forming step
Claims (1)
前記陽極と前記陰極との間に通電する前記電流が異なる電流密度となる条件で、成膜した後、前記陽極と前記陰極との間に印加する電圧を高周波数から低周波数まで変化させながら、前記固体電解質膜とこれに接触した前記ニッケル皮膜とを含む部分の電気化学インピーダンスを前記異なる電流密度ごとに測定する工程と、
前記異なる電流密度ごとに測定された前記電気化学インピーダンスから、X軸を実数成分とし、Y軸を虚数成分とする座標系を有したコールコールプロット図を、前記高周波数から前記低周波数へ測定された順にプロットすることにより作成する際に、前記低周波数側で前記実数成分の値が減少した場合の前記電流密度を特定する工程と、
特定した前記電流密度よりも小さい電流密度で、前記陰極の表面に前記ニッケル皮膜を成膜する工程と、を少なくとも含むことを特徴とするニッケル皮膜の成膜方法。 A solid electrolyte membrane impregnated with nickel ions is placed between the anode and the cathode so as to be in contact with the cathode, a current is passed between the anode and the cathode, and the nickel is formed on the surface of the cathode. A nickel film forming method for forming a nickel film derived from ions,
Under the condition that the current passed between the anode and the cathode has different current densities, the voltage applied between the anode and the cathode is changed from a high frequency to a low frequency, Measuring the electrochemical impedance of the portion including the solid electrolyte membrane and the nickel coating in contact therewith for each of the different current densities;
A Cole-Cole plot diagram having a coordinate system with the X axis as a real component and the Y axis as an imaginary component is measured from the high frequency to the low frequency from the electrochemical impedance measured for each different current density. Identifying the current density when the value of the real component is reduced on the low frequency side when creating by plotting
Forming a nickel film on the surface of the cathode at a current density lower than the specified current density.
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