JP2023090542A - Metal film forming apparatus and method of film formation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基材の表面に金属皮膜を成膜する成膜装置およびその成膜方法に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method for forming a metal film on the surface of a substrate.
この種の技術として、たとえば、特許文献1には、基材の表面に金属皮膜を成膜する成膜装置が提案されている。この成膜装置は、陽極と、陽極と陰極となる基材との間に配置される電解質膜と、陽極と基材との間に電圧を印加する電源部と、を備えている。成膜装置は、陽極と電解質膜との間には、これらと接触するようにめっき液を収容する収容体と、電解質膜と基材とを接触する際に、これらの間に存在する空気を吸引する吸引装置と、をさらに備えている。この成膜装置によれば、吸引装置を設けることにより、電解質膜と基材との間の空気の噛み込みを抑えた状態で、金属皮膜を成膜することができる。 As a technique of this kind, for example, Patent Literature 1 proposes a film forming apparatus for forming a metal film on the surface of a base material. This film forming apparatus includes an anode, an electrolyte membrane arranged between the anode and a base material serving as a cathode, and a power supply section for applying a voltage between the anode and the base material. In the film forming apparatus, between the anode and the electrolyte membrane, there is a container that accommodates the plating solution so as to be in contact with them. and a suction device for suction. According to this film forming apparatus, by providing the suction device, it is possible to form the metal film while suppressing entrainment of air between the electrolyte film and the substrate.
しかしながら、特許文献1に記載の成膜装置で、金属皮膜を成膜した後、基材から、電解質膜を引き離そうとすると、金属皮膜に電解質膜が密着していることがあるため、電解質膜が引き伸ばされることがある。 However, when the electrolyte film is separated from the base material after forming the metal film with the film forming apparatus described in Patent Document 1, the electrolyte film may adhere to the metal film. It can be stretched.
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属皮膜の成膜後に、電解質膜が引き伸ばされることを抑えつつ、電解質膜を基材から容易に引き離すことができる成膜装置を提供することである。 The present invention has been made in view of these points, and its object is to easily separate the electrolyte membrane from the substrate while suppressing the stretching of the electrolyte membrane after the formation of the metal coating. It is an object of the present invention to provide a film forming apparatus capable of
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、前記陽極と基材との間に配置される電解質膜と、前記陽極およびめっき液を収容し、前記基材側に開口した開口部を前記電解質膜で覆った収容体と、前記陽極と、陰極となる前記基材との間に電圧を印加する電源部と、を備え、前記基材に電解質膜を接触させた状態で、前記電圧の印加により前記めっき液の金属イオンに由来した金属皮膜を、前記基材の表面に成膜する成膜装置であって、前記成膜装置は、前記基材を載置する載置台と、前記基材に対して前記電解質膜が接離自在となるように、前記収容体および前記載置台の少なくとも一方を昇降させる昇降装置と、前記載置台に載置された前記基材と、前記電解質膜との間に存在する空気を吸引する吸引装置と、前記載置台に載置された前記基材と、前記電解質膜との間に空気を圧送する圧送装置と、前記昇降装置による昇降動作、前記吸引装置による吸引動作、前記電源部による印加動作、および前記圧送装置による圧送動作を制御する制御装置と、をさらに備えており、前記制御装置は、前記基材が前記電解質膜に接触するように前記昇降装置による昇降動作を制御しつつ、前記吸引装置による吸引動作を制御し、前記基材が前記電解質膜に接触した後、前記金属皮膜が所定の膜厚となるまで、前記電源部による印加動作を制御し、前記印加動作の完了後、前記基材が前記電解質膜に離間するように前記昇降装置による昇降動作を制御しつつ、前記圧送装置により圧送動作を制御することを特徴とする。 In view of the above problems, a metal film deposition apparatus according to the present invention contains an anode, an electrolyte film disposed between the anode and a substrate, the anode and a plating solution, and and a power supply section for applying a voltage between the anode and the base material serving as a cathode, wherein the electrolyte membrane is brought into contact with the base material. a film forming apparatus for forming a metal film derived from the metal ions of the plating solution on the surface of the base material by applying the voltage, the film forming apparatus having the base material placed thereon. a lifting device for lifting and lowering at least one of the container and the mounting table so that the electrolyte membrane can be brought into contact with and separated from the substrate; and the substrate mounted on the mounting table. a suction device for sucking air existing between the material and the electrolyte membrane; a pumping device for pumping air between the substrate placed on the mounting table and the electrolyte membrane; a control device for controlling an up-and-down operation by the apparatus, a suction operation by the suction device, an application operation by the power supply unit, and a pumping operation by the pumping device, wherein the controller controls the base material to be the electrolyte While controlling the lifting operation by the lifting device so as to contact the membrane, the suction operation by the suction device is controlled, and after the base material contacts the electrolyte membrane, until the metal film reaches a predetermined thickness. and controlling the application operation by the power supply unit, and controlling the lifting operation by the lifting device so that the base material is separated from the electrolyte membrane after the completion of the application operation, while controlling the pumping operation by the pumping device. It is characterized by
本発明によれば、まず、制御装置により、基材が電解質膜に接触するように昇降装置による昇降動作を制御しつつ、吸引装置により吸引動作を制御する。この制御により、収容体に形成された開口部を覆った電解質膜と、電解質膜に対向して配置された基材との間の空気を吸引装置で吸引しながら、電解質膜を基材に接触させることができる。この結果、電解質膜と基材の間に空気が噛み込むことを抑え、電解質膜を基材に密着させることができる。 According to the present invention, first, the suction device controls the suction operation while controlling the lifting operation of the lifting device so that the base material comes into contact with the electrolyte membrane. By this control, the electrolyte membrane is brought into contact with the substrate while sucking the air between the electrolyte membrane covering the opening formed in the container and the substrate arranged facing the electrolyte membrane with the suction device. can be made As a result, entrainment of air between the electrolyte membrane and the substrate can be suppressed, and the electrolyte membrane can be brought into close contact with the substrate.
次に、制御装置は、基材が前記電解質膜に接触した後、金属皮膜が所定の膜厚となるまで、電源部による印加動作を制御する。この制御により、電解質膜を基材に接触させた状態で、陽極と基材との間に電圧を印加すると、電解質膜を介して金属イオンが、基材の表面側に移動し、基材の表面で、還元されて、金属を析出させることができる。この結果、析出した金属に由来した金属皮膜を、基材の表面に成膜することができる。金属皮膜が所定の膜厚となるまで、このような電圧の印加を行うことにより、所望の膜厚の金属皮膜を成膜することができる。 Next, the control device controls the voltage application operation by the power supply unit until the metal coating reaches a predetermined thickness after the base material contacts the electrolyte membrane. With this control, when a voltage is applied between the anode and the substrate while the electrolyte membrane is in contact with the substrate, the metal ions move to the surface side of the substrate via the electrolyte membrane, and the substrate At the surface, it can be reduced to deposit metal. As a result, a metal film derived from the deposited metal can be formed on the surface of the substrate. By applying such a voltage until the metal film reaches a predetermined film thickness, a metal film having a desired film thickness can be formed.
最後に、制御装置は、印加動作の完了後(すなわち、成膜のための電圧の印加の終了後)、基材から電解質膜が離間するように昇降装置による昇降動作を制御しつつ、圧送装置により圧送動作を制御する。これにより、金属皮膜が成膜された基材と、電解質膜との間に空気を供給しながら、電解質膜を基材から引き離すことができるので、電解質膜が基材に吸着して、引き伸ばされることを抑えつつ、電解質膜を基材から容易に引き離すことができる。特に、密閉空間内において、電解質膜が基材に接触した状態である場合には、この密閉空間は、吸引装置により減圧された空間となるが、圧送装置による空気の圧送により、空間内の圧力を高め、電解質膜と基材との吸着を抑えることができる。 Finally, after the application operation is completed (that is, after the voltage application for film formation is completed), the control device controls the lifting operation by the lifting device so that the electrolyte film is separated from the substrate, and the pumping device controls the pumping operation. As a result, the electrolyte membrane can be separated from the substrate while supplying air between the substrate on which the metal film is formed and the electrolyte membrane, so that the electrolyte membrane is adsorbed to the substrate and stretched. It is possible to easily separate the electrolyte membrane from the substrate while suppressing the In particular, when the electrolyte membrane is in contact with the base material in the closed space, the closed space becomes a space depressurized by the suction device. can be increased, and the adsorption between the electrolyte membrane and the substrate can be suppressed.
より好ましい態様としては、前記成膜装置は、前記収容体に収容された前記めっき液を大気に入れ替える入れ替え機構をさらに備えており、前記制御装置は、前記電源部による印加動作の終了後、前記基材から前記電解質膜が離間するように前記昇降装置による昇降動作の制御を開始するまでの間に、めっき液が大気に入れ替わるように前記入れ替え機構を制御する。 As a more preferable aspect, the film forming apparatus further includes a replacement mechanism for replacing the plating solution accommodated in the container with the atmosphere, and the control device controls the operation of the plating solution after the power supply unit completes the application operation. The exchange mechanism is controlled so that the plating solution is exchanged with the atmosphere before starting control of the lifting operation by the lifting device so that the electrolyte film is separated from the substrate.
この態様によれば、制御装置は、昇降動作の制御を開始するまでの間に、めっき液が大気に入れ替わるように前記入れ替え機構を制御する。この制御により、電解質膜が基材に接触した状態で、収容体に収容されためっき液を大気に入れ替えた後、電解質膜が基材から離間するので、電解質膜が、めっき液の自重により変形することを抑えることができる。さらに、めっき液の自重が、電解質膜に作用しないため、電解質膜と基材との間に空気を入り込ませ易くなり、電解質膜を基材から引き離し易くなる。なお、ここで、本明細書でいう「空気」のうち、吸引される空気は、電解質膜と基材との間に存在する空気のことであり、圧送される空気は、大気中の空気を加圧したものである。収容体に収容されためっき液を入れ替えるための「大気」とは、大気中における大気圧の空気のことをいう。 According to this aspect, the control device controls the replacement mechanism so that the plating solution is replaced with the atmosphere before starting the control of the lifting operation. With this control, the electrolyte membrane is separated from the base material after the plating solution contained in the container is replaced with the atmosphere while the electrolyte membrane is in contact with the base material, so that the electrolyte membrane is deformed by its own weight. can refrain from doing Furthermore, since the weight of the plating solution does not act on the electrolyte membrane, it becomes easier for air to enter between the electrolyte membrane and the substrate, making it easier to separate the electrolyte membrane from the substrate. Here, of the "air" referred to in this specification, the sucked air is the air existing between the electrolyte membrane and the substrate, and the pumped air is the air in the atmosphere. It is pressurized. The "atmosphere" for exchanging the plating solution contained in the containing body means atmospheric pressure air in the atmosphere.
本明細書では、本発明として、金属皮膜の成膜方法をも開示する。本発明に係る金属皮膜の成膜方法は、金属イオンを含むめっき液と接触した電解質膜を基材に接触させた状態で、陽極と、陰極となる基材との間に電圧を印加し、電解質膜に含まれる金属イオンに由来した金属皮膜を、前記基材の表面に成膜する成膜方法であって、収容体に形成された開口部を覆った前記電解質膜と、前記電解質膜に対向して配置された前記基材との間に存在する空気を吸引しながら、前記電解質膜を前記基材に接触させる工程と、前記電解質膜を前記基材に接触させた状態で、前記金属皮膜が所定の膜厚となるまで、前記陽極と前記基材との間に電圧を印加し、前記金属皮膜を成膜する工程と、前記金属皮膜が成膜された前記基材と、前記電解質膜との間に空気を圧送しながら、前記電解質膜を前記基材から引き離す工程と、を含むことを特徴とする。 In this specification, a method for forming a metal film is also disclosed as the present invention. In the method for forming a metal film according to the present invention, a voltage is applied between an anode and a substrate serving as a cathode while an electrolyte film in contact with a plating solution containing metal ions is in contact with the substrate, A film forming method for forming a metal film derived from metal ions contained in an electrolyte film on the surface of the substrate, comprising: the electrolyte film covering an opening formed in a container; a step of contacting the electrolyte membrane with the base material while sucking air existing between the base material and the base material arranged facing each other; a step of applying a voltage between the anode and the base material to form the metal coating until the coating reaches a predetermined thickness; the base on which the metal coating is formed; and the electrolyte. and separating the electrolyte membrane from the substrate while pumping air between the electrolyte membrane and the membrane.
本発明によれば、まず、めっき液を収容体に収容した状態で、収容体に形成された開口部を覆った電解質膜と、電解質膜に対向して配置された基材との間の空気を吸引装置で吸引しながら、電解質膜を基材に接触させる。この結果、電解質膜と基材の間に空気が噛み込むことを抑え、電解質膜を基材に密着させることができる。 According to the present invention, first, in a state in which the plating solution is stored in the container, the air between the electrolyte membrane covering the opening formed in the container and the base material arranged facing the electrolyte membrane is removed. is sucked by a suction device, the electrolyte membrane is brought into contact with the substrate. As a result, entrainment of air between the electrolyte membrane and the substrate can be suppressed, and the electrolyte membrane can be brought into close contact with the substrate.
次に、電解質膜を基材に接触させた状態で、陽極と基材との間に電圧を印加すると、電解質膜を介して金属イオンが、基材の表面側に移動し、基材の表面で、還元されて、金属を析出させることができる。この結果、析出した金属に由来した金属皮膜を、基材の表面に成膜することができる。金属皮膜が所定の膜厚となるまで、このような電圧の印加を行うことにより、所望の膜厚の金属皮膜を成膜することができる。 Next, when a voltage is applied between the anode and the substrate while the electrolyte membrane is in contact with the substrate, the metal ions migrate to the surface side of the substrate through the electrolyte membrane, and the surface of the substrate , can be reduced and the metal can be deposited. As a result, a metal film derived from the deposited metal can be formed on the surface of the substrate. By applying such a voltage until the metal film reaches a predetermined film thickness, a metal film having a desired film thickness can be formed.
最後に、金属皮膜が成膜された基材と、電解質膜との間に空気を供給しながら、電解質膜を基材から引き離すことができるので、電解質膜が基材に吸着して、引き伸ばされることを抑えつつ、電解質膜を基材から容易に引き離すことができる。特に、密閉空間内において、電解質膜が基材に接触した状態である場合には、この密閉空間は、吸引装置により減圧された空間となるが、圧送装置による空気の圧送により、空間内の圧力を高め、電解質膜と基材との吸着を抑えることができる。 Finally, the electrolyte membrane can be pulled away from the substrate while supplying air between the substrate on which the metal film is formed and the electrolyte membrane, so that the electrolyte membrane is adsorbed to the substrate and stretched. It is possible to easily separate the electrolyte membrane from the substrate while suppressing the In particular, when the electrolyte membrane is in contact with the base material in the closed space, the closed space becomes a space depressurized by the suction device. can be increased, and the adsorption between the electrolyte membrane and the substrate can be suppressed.
さらに好ましい成膜方法としては、前記金属皮膜を成膜する工程後、前記引き離す工程の前に、前記収容体に収容された前記めっき液を大気と入れ替える工程とをさらに含む。 A more preferable film forming method further includes a step of exchanging the plating solution contained in the containing body with air after the step of forming the metal film and before the separating step.
この態様によれば、電解質膜が基材に接触した状態で、収容体に収容されためっき液を大気に入れ替えた後、電解質膜が基材から離間するので、電解質膜が、めっき液の自重により変形することを抑えることができる。さらに、めっき液の自重が、電解質膜に作用しないため、電解質膜と基材との間に空気を入り込ませ易くなり、電解質膜を基材から引き離し易くなる。 According to this aspect, after the plating solution contained in the container is replaced with the atmosphere while the electrolyte membrane is in contact with the base material, the electrolyte membrane is separated from the base material. deformation can be suppressed. Furthermore, since the weight of the plating solution does not act on the electrolyte membrane, it becomes easier for air to enter between the electrolyte membrane and the substrate, making it easier to separate the electrolyte membrane from the substrate.
本発明によれば、金属皮膜の成膜後に、電解質膜が引き伸ばされることを抑えつつ、電解質膜を基材から容易に引き離すことができる。 According to the present invention, it is possible to easily separate the electrolyte membrane from the substrate while preventing the electrolyte membrane from being stretched after forming the metal coating.
以下、図面を用いて、本発明の実施形態に係る金属皮膜の成膜装置について説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A metal film forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に示すように、成膜装置1は、陽極11と、陽極11と基材Wとの間に配置される電解質膜13と、陽極11およびめっき液Lを収容し、基材W側に開口した開口部15gを電解質膜13で覆った収容体15と、を備えている。成膜装置1は、陽極11と陰極となる基材Wとの間に電圧を印加する電源部19と、基材Wを載置する載置台20と、収容体15を昇降する昇降装置70と、をさらに備えている。
As shown in FIG. 1, the film forming apparatus 1 accommodates an
成膜装置1は、昇降装置70により、載置台20に載置した基材Wに対して、電解質膜13を接触させた状態で、電源部19により、陽極11と基材Wとの間に電圧を印加して、金属皮膜を基材Wの表面waに成膜する。成膜時には、めっき液Lから電解質膜13の内部に含有された金属イオンが基材Wの表面waで還元されて、金属イオンに由来の金属が析出し、析出した金属により金属皮膜Fが成膜される(たとえば図5参照)。
In the film forming apparatus 1 , the substrate W placed on the mounting table 20 is brought into contact with the
基材Wは陰極として機能するものである。基材Wの材料は、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く、アルミニウム、鉄等の金属材料からなってもよく、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。 The substrate W functions as a cathode. The material of the base material W is not particularly limited as long as it functions as a cathode (that is, a surface having conductivity), and may be made of a metal material such as aluminum or iron, or may be made of resin, ceramics, or the like. The surface may be coated with a metal layer such as copper, nickel, silver, or iron.
載置台20は、導電性を有した材料からなり、基材Wが電解質膜13に対向するように、収容体15の下方に配置されている。基材(具体的には、陰極)Wは、載置台20を介して電源部19の負極に電気的に接続されている。載置台20は絶縁性を有する材料からなる場合には、基材Wに電源部19の負極が、配線を介して直接接続されていてもよい。
The mounting table 20 is made of a conductive material and is arranged below the
載置台20には、後述するように、圧送経路81を介してエアポンプ(圧送装置)51が接続され、吸引経路82を介して吸引ポンプ(吸引装置)52が接続されている。エアポンプ51は、載置台20に載置された基材Wと、電解質膜13との間に、大気を加圧した空気を圧送する装置であり、吸引ポンプ52は、載置台20に載置された基材Wと、電解質膜13との間に存在する空気を吸引する装置である。なお、載置台20を含む吸引機構および圧送機構の詳細は後述する。
As will be described later, the mounting table 20 is connected to an air pump (pumping device) 51 via a
陽極11は、載置台20(具体的には、基材W)に対向するように、後述する収容体15に取付けられており、導線等を介して電源部19の正極に電気的に接続されている。陽極11は、基材Wの成膜領域に応じた形状となっている。基材Wの成膜領域とは、陽極11と対向する基材Wの表面waのうち、陰極として作用する表面である。陽極11は、金属皮膜の金属と同じ金属からなる非多孔質(たとえば無孔質)の陽極であり、ブロック状または平板状の陽極である。陽極11は、金属皮膜と同じ金属からなり、めっき液Lに対して可溶性を有していてもよく、不溶性を有していてもよい。ただし、必要な表面積を満たしていれば、陽極は、多孔質、メッシュ、金属ボールを容器に敷き詰めたものであってもよい。
The
陽極11がめっき液Lに対して可溶性を有する場合には、その材料としては、例えば、銅、ニッケル、銀、または錫などを挙げることができる。本実施形態では、電源部19を用いて電圧を印加することにより陽極11が溶解するものであれば、特に限定されるものではない。陽極11がめっき液Lに対して不溶性を有する場合には、ステンレス鋼、チタン、またはチタン合金などを挙げることができる。
When the
めっき液(電解液)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であり、その金属としては、銅、ニッケル、銀、または錫などを挙げることができる。めっき液Lは、これらの金属を、硝酸、リン酸、コハク酸、硫酸、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。たとえば、金属がニッケルの場合には、めっき液Lとしては、たとえば、硝酸ニッケル、リン酸ニッケル、コハク酸ニッケル、硫酸ニッケル、ピロリン酸ニッケル、またはスルファミン酸ニッケルなどの水溶液を挙げることができる。たとえば、金属が銅の場合には、めっき液Lとしては、硫酸銅、ピロリン酸銅などを含む水溶液を挙げることができる。 The plating solution (electrolytic solution) L is a solution containing the metal of the metal film to be formed as described above in the form of ions. Examples of the metal include copper, nickel, silver, and tin. be able to. The plating solution L is an aqueous solution obtained by dissolving (ionizing) these metals with an acid such as nitric acid, phosphoric acid, succinic acid, sulfuric acid, or pyrophosphoric acid. For example, when the metal is nickel, examples of the plating solution L include aqueous solutions of nickel nitrate, nickel phosphate, nickel succinate, nickel sulfate, nickel pyrophosphate, nickel sulfamate, and the like. For example, when the metal is copper, the plating solution L may be an aqueous solution containing copper sulfate, copper pyrophosphate, or the like.
電解質膜(固体電解質膜)13は、上述しためっき液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)することができる膜であり、可撓性を有した膜である。電解質膜13は、電源部19により電圧を印加したときに基材Wにおいて金属イオンが還元され、金属イオン由来の金属が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。電解質膜13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、または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。
The electrolyte membrane (solid electrolyte membrane) 13 is a flexible membrane that can be impregnated (contained) with metal ions when brought into contact with the plating solution L described above. The
図1に示すように、収容体15は、めっき液Lに対して不溶性の材料からなり、収容体15には、陽極11および電解質膜13が取り付けられている。本実施形態では、収容体15の内部には、収容体15の側壁、陽極11、および電解質膜13によって、めっき液Lを収容する収容空間Sが形成されている。収容体15の内側面には、陽極11が取り付けられており、陽極11と対向する位置には、基材Wの側に開口した開口部15gが、形成されている。開口部15gは下方に向かって開口しており、この開口部15gを封止するように、電解質膜13が取り付けられている。本実施形態では、電解質膜13の周縁が、収容体15の本体15aと枠体15bに、挟み込まれることにより、収容体15に取り付けられている。陽極11と電解質膜13とは、互いに離間して配置されて非接触状態にあり、これらの間に形成された収容空間Sには、成膜時にめっき液Lが充填されている。このように、収容体15は、収容空間Sに収容されためっき液Lが、陽極11および電解質膜13に直接接触する構造となっている。
As shown in FIG. 1, the
収容体15には、めっき液Lを収容空間Sに供給する供給流路15cと、めっき液Lを収容空間Sから排出する排出流路15dとが形成されている。供給流路15cおよび排出流路15dは、収容空間Sに連通している。供給流路15cおよび排出流路15dのいずれも、電解質膜13の近傍において、収容空間Sに連通している。
A
昇降装置70は、電解質膜13と基材Wが接離自在となるように、収容体15および載置台20の少なくとも一方を昇降させる装置である。本実施形態では、載置台20が移動せず固定されており、昇降装置70は、収容体15のみを昇降させる。具体的には、図1および図3に示すように、昇降装置70は、装置本体71と、装置本体71に対して直線的に移動するロッド72とを備えており、ロッド72は、収容体15の上部に固着されている。昇降装置70は、たとえばサーボモータなどのモータの回転を、直線運動に変換する公知の電動アクチュエータであってもよい。直線運動により、電解質膜13を基材Wに接離させることができるのであれば、昇降装置70は、載置台20に設けられていてもよく、油圧式または空気式のシリンダなどであってもよい。
The elevating device 70 is a device for elevating at least one of the
以下に、成膜装置1にめっき液Lを循環させるための循環機構と、載置台20を含む吸引機構および圧送機構と、制御装置60とについて説明する。成膜装置1は、循環機構として、収容体15に接続されて、収容体15からの排出されためっき液Lを収容するタンク17と、タンク17に接続されて、タンク17のめっき液Lを収容体に圧送するポンプ18と、を備えている。
A circulation mechanism for circulating the plating solution L in the film forming apparatus 1, a suction mechanism and a pumping mechanism including the mounting table 20, and the
タンク17には、めっき液Lを加熱する電気式の加熱装置90が設けられている。加熱装置90は、めっき液Lを所定の温度に加熱することができるのであれば、特に、その加熱方式は限定されるものではなく、たとえば蒸気式のヒータであってもよい。本実施形態では、タンク17に収容されためっき液Lを、加熱装置90で加熱することにより、加熱されためっき液Lを、タンク17から収容体15の収容空間Sに、ポンプ18で供給することができるため、金属皮膜Fの成膜速度を高めることができる。なお、本実施形態では、加熱装置をタンク17に設けたが、たとえば、所定の温度に加熱されためっき液Lを用いて成膜することができるのであれば、加熱装置が、収容体15に設けられていてもよく、タンク17と収容体15の間の供給経路87に設けられていてもよい。なお、本実施形態でいう「経路」とは、配管により形成され、めっき液Lまたは大気中の空気(すなわち大気)が流れる流路のことである。
An
本実施形態では、タンク17は、供給経路87を介して、収容体15に接続されている。供給経路87には、ポンプ18が設けられており、ポンプ18は、正回転および逆回転の動作が可能である。ポンプ18の正回転時には、タンク17から収容体15に向かって、めっき液Lを送ることか可能なり、その逆回転時には、収容体15からタンク17に向かって、めっき液Lを送ることが可能となる。
In this embodiment, the
収容体15には、収容体15から排出されためっき液Lをタンク17に戻す排出経路83、84が接続されている。本実施形態では、排出経路83と排出経路84との間には、三方弁56が設けられている。三方弁56は、排出経路83、84に加えて、大気に開放された開放経路85が接続されている。三方弁56は、排出経路83、84を連通する第1切り換え位置と、排出経路83と開放経路85とを連通する第2切り換え位置を有する。三方弁56による各切り換え位置は、制御装置60によって制御される。
ここで、図4に示すように、ポンプ18に正回転の動作をさせ、かつ、三方弁56を第1切り換え位置に制御すれば、成膜装置1内において、収容体15にめっき液Lを充填しつつ、めっき液Lを循環させることができる。具体的には、タンク17内に収容されためっき液は、ポンプ18により供給経路87を介して収容体15に供給され、収容体15から排出されためっき液は、排出経路83および排出経路84を介して、タンク17に戻される。
Here, as shown in FIG. 4, if the
なお、本実施形態において、たとえば、排出経路84に、収容体15から排出されためっき液Lの液圧を調節する圧力調整弁(図示せず)が設けられていてもよい。これにより、収容体15の収容空間に収容されためっき液Lの液圧を、圧力調整弁で設定した圧力に調整することができる。
In this embodiment, for example, the
一方、図5に示すように、ポンプ18に逆回転の動作をさせ、かつ、三方弁56を第2切り換え位置に制御すれば、収容体15に収容されためっき液Lを大気に入れ替えることができる。具体的には、三方弁56が第2切り換え位置で、ポンプ18を逆回転すると、開放経路85から大気が吸入され、排出経路83を介して、収容体15の内部に流入し、収容体15に収容されためっき液Lが、タンク17に戻される。これにより、収容体15の収容空間Sには、大気圧の空気(大気)が充填される。
On the other hand, as shown in FIG. 5, by rotating the
本実施形態では、三方弁56、開放経路85、および、ポンプ18で、入れ替え機構50を構成している。しかしながら、このような装置機構に限定されるものではなく、入替え機構として、収容体15の底部近傍に、液抜き孔を設けて、めっき液Lの自重により、めっき液Lを排出する機構であってもよい。この他にも、入替え機構は、後述するエアポンプ51またはこれとは別のエアポンプを用いて、収容体15の収容空間Sに大気を圧送する機構であってもよい。収容体15内において、めっき液Lを大気に入れ替えることができるのであれば、入替え機構の構成は、特に限定されるものではない。
In this embodiment, the three-
載置台20には、基材Wを収容する凹部21が形成されている。本実施形態では、凹部21の側壁と基材Wの側面との間には、隙間が形成されている。載置台20は、基材Wの表面waが、電解質膜13に当接した状態で、収容体15の枠体15bの内側に入り込み、枠体15bに遊嵌するように、凹部21を含む部分が、収容体15側に突出している。これにより、収容体15の昇降時に、枠体15bが載置台20に遊嵌した状態で、基材Wと電解質膜13とを含む空間が密閉された空間となる。
A
載置台20には、流路22が形成されており、流路22は、凹部21の側壁と基材Wの側面と隙間に連通している。流路22には、エアポンプ51が接続されている。具体的には、流路22には、圧送経路81が繋がっており、圧送経路81には、上流側から下流側にエアポンプ51および開閉弁53が設けられている。図6に示すように、制御装置60により、エアポンプ51の起動時には、開閉弁53が開弁され、圧送経路81を介して、流路22に圧縮された空気が供給される。流路22に供給された空気は、凹部21の側壁と基材Wの側面との隙間を流れ、載置台20に載置された基材Wと電解質膜13との間に圧送される。なお、エアポンプ51を駆動する際には、流路22に設けられた開閉弁55は、制御装置60により閉弁され、後述する開閉弁54は、制御装置60により開弁されていてもよい。
A
本実施形態では、流路22には、吸引ポンプ52が接続されている。具体的には、流路22には、圧送経路81とは異なる吸引経路82が繋がっており、吸引経路82には、上流側から下流側に開閉弁54および吸引ポンプ52が設けられている。図6に示すように、制御装置60により、吸引ポンプ52の起動時には、開閉弁54、55が開弁され、電解質膜13と基材Wとの間の空気は、凹部21の側壁と基材Wの側面との隙間を流れ、流路22および吸引経路82を介して、大気に放出される。このようにして、吸引ポンプ52により、電解質膜13と基材Wとの間の空気が吸引することができる。なお、エアポンプ51を駆動する際には、圧送経路81の開閉弁53は、制御装置60により閉弁されていてもよい。
In this embodiment, a
制御装置60は、昇降装置70による昇降動作、吸引ポンプ52による吸引動作、電源部19による印加動作、入れ替え機構50による入れ替え動作(具体的にはポンプ18の駆動とその回転方向)、およびエアポンプ51による圧送動作と、これに合わせて開閉弁53~55および三方弁56の動作も制御する。なお、電源部19の印加動作とは、電源部19によりで電圧を印加するスイッチの動作である。
The
図示しないが、制御装置60は、以下の一連の工程を実行するための制御プログラムを記憶する記憶装置(図示せず)と、制御プログラムを実行する演算装置(図示せず)を備えている。記憶装置は、ポンプ18、エアポンプ51、および吸引ポンプ52の起動タイミングと駆動時間、電源部19の印加開始時間と印加時間、および昇降装置70による変位量などの設定値をさらに記憶されている。制御装置60は、入力装置等により収容体15の収容空間Sの圧力を測定する圧力センサ(図示せず)の信号などが入力される。
Although not shown, the
制御装置60の制御フローを、以下の図2を参照しながら、説明する。制御装置60は、以下の一連の動作を行う。まず、設置工程S1を行う。具体的には、この工程において、図示しない搬送装置等を制御し、載置台20に基材Wを設置する。この際、収容体15に取付けられた陽極11に対して基材Wのアライメントが調整され、基材Wの温度調整が行われてもよい。
A control flow of the
次に、吸引・接触工程S2を行う。具体的には、図3に示すように、制御装置60は、基材Wが電解質膜13に接触するように昇降装置70による昇降動作を制御しつつ、吸引ポンプ52による吸引動作を制御する。この制御により、収容体15の開口部15gを覆った電解質膜13と、電解質膜13に対向して配置された基材Wとの間に存在する空気を吸引しながら、電解質膜13を基材Wに接触させる。この結果、電解質膜13と基材Wの間に空気が噛み込むことを抑え、電解質膜13を基材Wに密着させることができる。この状態で、制御装置60は、吸引ポンプ52を停止する。この状態で、流路22は、(大気圧に対して)負圧になる。この段階で、制御装置60は、必要に応じて、開閉弁53~55を閉弁させる。
Next, the suction/contact step S2 is performed. Specifically, as shown in FIG. 3 , the
次に、送液工程S3を行う。この工程では、制御装置60は、ポンプ18の駆動を制御するとともに、三方弁56を第1切り換え位置に制御する。これにより、図4に示すように、ポンプ18を正回転で駆動することにより、タンク17内において、加熱装置90で所定の温度に加熱されためっき液Lを、供給経路87から収容体15の収容空間Sに供給し、排出経路83、84を介して、タンク17に戻すことができる。
Next, liquid transfer step S3 is performed. In this step, the
ここで、上述した圧力調整弁により、収容空間Sに収容されためっき液Lの液圧が、所定の圧力に維持させることができるのであれば、制御装置60は、成膜時にもポンプ18を連続して駆動してもよい。また、排出経路83に開閉弁(図示せず)を設け、所定の圧力を維持した段階で、制御装置60は、この開閉弁を閉弁し、ポンプ18を停止させてもよい。
Here, if the liquid pressure of the plating solution L accommodated in the accommodation space S can be maintained at a predetermined pressure by the above-described pressure regulating valve, the
次に成膜工程S4を行う。この工程では、制御装置60は、基材Wが電解質膜13に接触した後、金属皮膜Fが所定の膜厚となるまで、電源部19による印加動作を制御する。具体的には、電解質膜13を基材Wに接触させた状態で、陽極11と基材Wとの間に電圧を印加すると、電解質膜13を介して金属イオンが、基材Wの表面側に移動し、基材Wの表面waで、還元されて、金属が析出し、金属皮膜Fが成膜される。金属皮膜Fが所定の膜厚となるまで、このような電圧の印加を行うことにより、所望の膜厚の金属皮膜Fを成膜することができる。
Next, film-forming process S4 is performed. In this step, the
次に入れ替え工程S5を行う。この工程では、制御装置60は、めっき液Lが大気に入れ替わるように入れ替え機構50(具体的には、ポンプ18と三方弁56)を制御する。具体的には、制御装置60は、三方弁56を第2切り換え位置に切り替え、ポンプ18を逆回転させることにより、図5に示すように、収容体15の収容空間Sのめっき液Lは、供給経路87を介してタンク17に戻される。これと同時に、開放経路85に大気が導入され、導入された大気は、排出経路83を介して、収容体15の収容空間Sに供給される。収容空間Sからほぼ全てのめっき液Lが排出されると、制御装置は、ポンプ18を停止させる。なお、図5は、収容空間に収容されためっき液Lを大気に入れ替える途中の段階である。
Next, the replacement step S5 is performed. In this step, the
次に、圧送・離間工程S6を行う。具体的には、図6に示すように、制御装置60は、基材Wが電解質膜13に離間するように昇降装置70による昇降動作を制御しつつ、エアポンプ51による圧送動作を制御する。この制御により、金属皮膜Fが成膜された基材Wと、電解質膜13との間に空気を圧送しながら、電解質膜13を基材Wから引き離す。具体的には、エアポンプ51で圧送された空気は、圧送経路81を介して流路22を流れ、電解質膜13と基材Wとの間に押し込まれた後、流路22を流れ、吸引経路82を介して吸引ポンプ52から排出される。
Next, the pumping/spacing step S6 is performed. Specifically, as shown in FIG. 6 , the
なお、本実施形態では、このような流れが形成されるように、制御装置60は、開閉弁55を閉弁し、吸引ポンプ52を、流路22が負圧にならないように(好ましくは正圧となるように)駆動させる。ただし、電解質膜13と基材Wとの間に空気を流すことができるのであれば、吸引ポンプ52を駆動せず、吸引ポンプ52の上流側において、吸引経路82から排出される空気を、大気中に放出してもよい。
In the present embodiment, the
最後に、取り出し工程S7を行う。この工程では、基材Wと収容体15は、図1に示す配置関係であるので、図示しない搬送装置等を制御し、載置台20から基材Wを取り出す。新たな基材Wに、金属皮膜を成膜する際には、これらの一連の工程を繰り返す。
Finally, an extraction step S7 is performed. In this step, the base material W and the
本実施形態によれば、上述した如く、圧送・離間工程S6において、金属皮膜Fが成膜された電解質膜13と、基材Wとの間に空気を圧送しながら、電解質膜13を基材Wから引き離した。これにより、電解質膜13が基材Wに吸着して、引き伸ばされることを抑えつつ、電解質膜13を基材Wから容易に引き離すことができる。特に、本実施形態では、密閉空間内において、電解質膜13が基材Wに接触した状態であるので、この密閉空間は、吸引・接触工程S2により、吸引ポンプ52により減圧された空間となるが、圧送・離間工程S6でのエアポンプ51による空気の圧送により、空間内の圧力を高め、電解質膜13と基材Wとの吸着を抑えることができる。
According to the present embodiment, as described above, in the pumping/separating step S6, air is pumped between the
さらに、電解質膜13が基材Wに接触した状態で、入替え工程S5により、収容体15に収容されためっき液Lを大気に入れ替えた後、電解質膜13が基材Wから離間するので、電解質膜13が、めっき液Lの自重により変形することを抑えることができる。さらに、めっき液Lの自重が、電解質膜13に作用しないため、圧送・離間工程S6において、電解質膜13と基材Wとの間に空気を入り込ませ易くなり、電解質膜13を基材Wから引き離し易くなる。
Furthermore, after the plating solution L stored in 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]
表面に成膜する基材として、18mm×35mmの成膜領域を有し、厚さ3mmとなる銅ブロックの基材を準備した。
[Example]
A copper block substrate having a film formation area of 18 mm×35 mm and a thickness of 3 mm was prepared as a substrate for forming a film on the surface.
次に、図1に示す成膜装置を用いてニッケル皮膜を成膜した。めっき液には、「1M 塩化ニッケル+酢酸ニッケル水溶液(pH4.0)」を準備し、陽極にはニッケル陽極を使用した。成膜条件として、めっき液の温度を60℃として、電解質膜(ナフィオン(登録商標):デュポン社製)を基材に密着させ、めっき液の液圧1.0MPa、電流密度15A/dm2で、3分20秒の通電を行い、ニッケル皮膜を成膜した。これを、図2に示すフローで複数回繰り返した。 Next, a nickel film was formed using the film forming apparatus shown in FIG. "1M nickel chloride + nickel acetate aqueous solution (pH 4.0)" was prepared as the plating solution, and a nickel anode was used as the anode. As film formation conditions, the temperature of the plating solution was set to 60° C., an electrolyte film (Nafion (registered trademark): manufactured by DuPont) was brought into close contact with the substrate, and the liquid pressure of the plating solution was 1.0 MPa, and the current density was 15 A/dm 2 . , and energization was performed for 3 minutes and 20 seconds to form a nickel film. This was repeated multiple times according to the flow shown in FIG.
[比較例]
実施例と同じようにニッケル皮膜を成膜した。実施例と異なる点は、図2に示す、圧送・離間工程S6を行わなかった点である。
[Comparative example]
A nickel film was formed in the same manner as in the example. The difference from the embodiment is that the pumping/spacing step S6 shown in FIG. 2 was not performed.
<電解質膜の伸び率の確認>
実施例および比較例に係る成膜装置で、繰り返し成膜した後の電解質膜の伸び率を測定した。この結果を、図7に示す。図7は、実施例および比較例の成膜装置を用いた、電解質膜の伸び率と、成膜回数との関係を説明した図である。
<Confirmation of Elongation Rate of Electrolyte Membrane>
The elongation rate of the electrolyte film after repeated film formation was measured using the film formation apparatuses according to the examples and the comparative examples. The results are shown in FIG. FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the elongation rate of the electrolyte film and the number of film formations using the film formation apparatuses of Examples and Comparative Examples.
図7に示すように、実施例の成膜装置を用いて、ニッケル皮膜を成膜した場合には、成膜回数が90回を超えても、上述した理由により、電解質膜は、成膜前のものに比して、殆ど伸びなかった。しかしながら、比較例の如く、圧送・離間工程を行わなかったものは、成膜回数が数回で、電解質膜が塑性変形し、16%程度伸びた。 As shown in FIG. 7, when a nickel film was formed using the film forming apparatus of the example, even if the number of film forming times exceeded 90, the electrolyte film was formed before film formation for the reason described above. It hardly stretched compared to the one of (1). However, as in the comparative example, the electrolyte membrane was plastically deformed and elongated by about 16% after several film formations without the pumping/separating process.
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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 invention described in the claims. Changes can be made.
本実施形態では、成膜方法を、制御装置の制御により行ったが、たとえば、図2に示す一連の動作を、制御装置による制御をおこなわず手動により行ってもよく、その一部を制御装置により行ってもよい。 In the present embodiment, the film forming method is performed under the control of the control device, but for example, the series of operations shown in FIG. 2 may be performed manually without being controlled by the control device. can be done by
1:成膜装置、11:陽極、13:電解質膜、15:収容体、15g:開口部、17:タンク、19:電源部、20:載置台、50:入れ替え機構、51:エアポンプ(圧送装置)、52:吸引ポンプ(吸引装置)、60:制御装置、70:昇降装置、W:基材、L:めっき液 1: film forming apparatus, 11: anode, 13: electrolyte membrane, 15: container, 15g: opening, 17: tank, 19: power supply unit, 20: mounting table, 50: replacement mechanism, 51: air pump (pumping device ), 52: Suction pump (suction device), 60: Control device, 70: Lifting device, W: Base material, L: Plating solution
Claims (4)
前記陽極と基材との間に配置される電解質膜と、
前記陽極およびめっき液を収容し、前記基材側に開口した開口部を前記電解質膜で覆った収容体と、
前記陽極と、陰極となる前記基材との間に電圧を印加する電源部と、を備え、
前記基材に電解質膜を接触させた状態で、前記電圧の印加により前記めっき液の金属イオンに由来した金属皮膜を、前記基材の表面に成膜する成膜装置であって、
前記成膜装置は、
前記基材を載置する載置台と、
前記基材に対して前記電解質膜が接離自在となるように、前記収容体および前記載置台の少なくとも一方を昇降させる昇降装置と、
前記載置台に載置された前記基材と、前記電解質膜との間に存在する空気を吸引する吸引装置と、
前記載置台に載置された前記基材と、前記電解質膜との間に空気を圧送する圧送装置と、
前記昇降装置による昇降動作、前記吸引装置による吸引動作、前記電源部による印加動作、および前記圧送装置による圧送動作を制御する制御装置と、をさらに備えており、
前記制御装置は、
前記基材が前記電解質膜に接触するように前記昇降装置による昇降動作を制御しつつ、前記吸引装置による吸引動作を制御し、
前記基材が前記電解質膜に接触した後、前記金属皮膜が所定の膜厚となるまで、前記電源部による印加動作を制御し、
前記印加動作の完了後、前記基材から前記電解質膜が離間するように前記昇降装置による昇降動作を制御しつつ、前記圧送装置により圧送動作を制御することを特徴とする金属皮膜の成膜装置。 an anode;
an electrolyte membrane disposed between the anode and a substrate;
a container containing the anode and the plating solution and having an opening facing the base material covered with the electrolyte membrane;
A power supply unit that applies a voltage between the anode and the base material that serves as a cathode,
A film forming apparatus for forming a metal film derived from metal ions of the plating solution on the surface of the base material by applying the voltage while the electrolyte film is in contact with the base material,
The film forming apparatus is
a mounting table for mounting the base material;
an elevating device for elevating at least one of the container and the mounting table so that the electrolyte membrane can be brought into contact with and separated from the base;
a suction device for sucking air existing between the base material placed on the mounting table and the electrolyte membrane;
a pumping device for pumping air between the substrate placed on the mounting table and the electrolyte membrane;
A control device that controls the lifting operation by the lifting device, the suction operation by the suction device, the application operation by the power supply unit, and the pumping operation by the pumping device,
The control device is
While controlling the lifting operation by the lifting device so that the base material contacts the electrolyte membrane, controlling the suction operation by the suction device;
After the base material comes into contact with the electrolyte membrane, the voltage application operation by the power supply unit is controlled until the metal coating reaches a predetermined thickness,
After the completion of the application operation, the pumping operation is controlled by the pumping unit while controlling the lifting operation by the lifting unit so that the electrolyte film is separated from the substrate. .
前記制御装置は、前記電源部による印加動作の終了後、前記基材から前記電解質膜が離間するように前記昇降装置による昇降動作の制御を開始するまでの間に、めっき液が大気に入れ替わるように前記入れ替え機構を制御することを特徴とする請求項1に記載の金属皮膜の成膜装置。 The film forming apparatus further includes a replacement mechanism for replacing the plating solution contained in the container with the atmosphere,
The control device controls the lifting operation of the lifting device so that the electrolyte film is separated from the substrate after the application operation by the power source is completed, and the plating solution is replaced with the atmosphere. 2. The apparatus for depositing a metal film according to claim 1, wherein said replacement mechanism is controlled immediately.
収容体に形成された開口部を覆った前記電解質膜と、前記電解質膜に対向して配置された前記基材との間に存在する空気を吸引しながら、前記電解質膜を前記基材に接触させる工程と、
前記電解質膜を前記基材に接触させた状態で、前記金属皮膜が所定の膜厚となるまで、前記陽極と前記基材との間に電圧を印加し、前記金属皮膜を成膜する工程と、
前記金属皮膜が成膜された前記基材と、前記電解質膜との間に空気を圧送しながら、前記電解質膜を前記基材から引き離す工程と、を含むことを特徴とする金属皮膜の成膜方法。 A metal film derived from the metal ions contained in the electrolyte film is formed by applying a voltage between the anode and the substrate, which is the cathode, while the electrolyte film in contact with the plating solution containing metal ions is in contact with the substrate. A film formation method for forming a film on the surface of the base material,
The electrolyte membrane is brought into contact with the base material while sucking the air present between the electrolyte membrane covering the opening formed in the container and the base material arranged facing the electrolyte membrane. and
a step of forming the metal film by applying a voltage between the anode and the substrate while the electrolyte film is in contact with the substrate until the metal film reaches a predetermined thickness; ,
and a step of separating the electrolyte membrane from the substrate while pumping air between the substrate on which the metal coating is formed and the electrolyte membrane. Method.
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