JP2023091220A - Deposition apparatus of metallic film and deposition method thereof - 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.
従来から、基材の表面に金属を析出させて金属皮膜を成膜することが行われている(例えば、特許文献1)。特許文献1には、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、陽極と電解質膜との間に、金属イオンを含む電解液を収容する収容体と、を備える金属皮膜の成膜装置が提案されている。
BACKGROUND ART Conventionally, deposition of metal on the surface of a substrate to form a metal film has been performed (for example, Patent Document 1).
この成膜装置では、電解質膜を基材に接触させた状態で、電源部を用いて、陽極と基材との間に電圧が印加される。これにより、電解質膜に含有された金属イオンは、電解質膜に接触した基材の表面に移動し、この基材の表面で還元される。この結果、基材の表面に金属が析出され、金属皮膜が成膜される。 In this film-forming apparatus, a voltage is applied between the anode and the substrate using the power source while the electrolyte membrane is in contact with the substrate. As a result, the metal ions contained in the electrolyte membrane migrate to the surface of the base material in contact with the electrolyte membrane and are reduced on the surface of the base material. As a result, the metal is deposited on the surface of the substrate to form a metal film.
ところで、上記成膜装置を用いて成膜速度を高めるため、加熱された電解液で金属皮膜を成膜することがある。この場合、加熱された電解液は、収容体に収容されるため、電解液の熱は、収容体と電解質膜に伝達する。 By the way, in order to increase the film-forming speed using the film-forming apparatus, a heated electrolytic solution is sometimes used to form a metal film. In this case, the heated electrolytic solution is contained in the containing body, so the heat of the electrolytic solution is transferred to the containing body and the electrolyte membrane.
しかしながら、金属皮膜の成膜が終了した後、収容体の電解液を大気に入れ替えることがある。この際、電解質膜に付着した電解液が、電解質膜の熱により、収容体内の大気等に蒸発することがある。特に、収容体に蓄熱された熱は、電解質膜に伝達され続けるため、電解液の蒸発が継続して助長され、電解質膜が乾燥状態になることがある。このような乾燥に起因して、電解質膜の内部や表面にめっき成分(例えば硫酸銅など)が析出することがある。めっき成分が電解質膜に析出した状態で、再び成膜をしようとすると、金属皮膜にピットやピンホールが生じることがある。 However, after the formation of the metal film is completed, the electrolytic solution in the container may be replaced with the atmosphere. At this time, the electrolyte adhered to the electrolyte membrane may evaporate into the air or the like in the container due to the heat of the electrolyte membrane. In particular, since the heat stored in the container continues to be transferred to the electrolyte membrane, evaporation of the electrolyte continues to be accelerated, and the electrolyte membrane may become dry. Due to such drying, a plating component (for example, copper sulfate) may be deposited inside or on the surface of the electrolyte membrane. If a film is formed again in a state where the plating components are deposited on the electrolyte film, pits and pinholes may occur in the metal film.
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電解質膜に付着した電解液の蒸発を抑制することにより、成膜品質の向上を図る金属皮膜の成膜装置、およびその成膜方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and its object is to provide a metal film deposition apparatus for improving film deposition quality by suppressing the evaporation of the electrolytic solution adhering to the electrolyte membrane. and to provide a film forming method thereof.
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、前記基材に前記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、前記収容体に収容される前記めっき液の温度が所定の温度になるように、前記めっき液を加熱する加熱装置と、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と、前記基材から離間した前記電解質膜に対して、前記電解質膜を冷却する冷却装置と、前記昇降装置による昇降動作、前記電源部による印加動作、前記入れ替え機構による入れ替え動作、および前記冷却装置による冷却動作、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、前記基材が前記電解質膜に接触した後、前記加熱装置で加熱された前記めっき液を前記収容体に収容した状態で、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、前記電源部による印加動作の終了後、めっき液が大気に入れ替わるように前記入れ替え機構による入れ替え動作を制御し、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、前記基材から離間した前記電解質膜を冷却するように前記冷却装置による冷却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 metal ions of the plating solution on the surface of the base material by applying the voltage in a state in which the base material is placed on the base material; an elevating 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 base material; and the plating accommodated in the container. A heating device for heating the plating solution so that the temperature of the solution reaches a predetermined temperature; On the other hand, a cooling device that cools the electrolyte membrane, a control device that controls the lifting operation by the lifting device, the application operation by the power supply unit, the switching operation by the switching mechanism, and the cooling operation by the cooling device. The control device controls the lifting operation by the lifting device so that the substrate contacts the electrolyte membrane, and after the substrate contacts the electrolyte membrane, the substrate is heated by the heating device. With the plating solution stored in the container, the voltage applying operation by the power supply unit is controlled until the metal film reaches a predetermined thickness, and after the voltage application operation by the power supply unit is completed, the plating solution is released into the atmosphere. The switching operation by the switching mechanism is controlled so that the electrolyte membrane is replaced with the base material, the lifting operation by the lifting device is controlled so that the electrolyte membrane is separated from the base material, and the electrolyte membrane separated from the base material is cooled. The cooling operation of the cooling device is controlled.
本発明によれば、まず、制御装置は、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する。この制御により、載置台に載置された基材に、電解質膜を接触させることができる。 According to the present invention, first, the control device controls the lifting operation by the lifting device so that the base material comes into contact with the electrolyte membrane. By this control, the electrolyte membrane can be brought into contact with the substrate mounted on the mounting table.
次に、前記基材が前記電解質膜に接触した後、加熱装置で加熱されためっき液を収容体に収容した状態で、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。特に、加熱されためっき液を用いることにより、金属皮膜の成膜速度を高めることができる。 Next, after the base material comes into contact with the electrolyte film, the plating solution heated by the heating device is stored in the container, and the voltage application operation by the power supply unit is controlled until the metal film reaches a predetermined thickness. do. 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. In particular, by using a heated plating solution, the deposition rate of the metal film can be increased.
次に、制御装置は、電源部による印加動作の終了後、めっき液が大気に入れ替わるように入れ替え機構による入れ替え動作を制御する。これにより、収容体に収容されためっき液が大気に入れ替わる。次に、制御装置は、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する。この制御により、収容体に収容されためっき液を大気に入れ替えた後、電解質膜を基材から離間させるので、電解質膜が、めっき液の自重により変形することを防止することができる。 Next, the control device controls the replacement operation by the replacement mechanism so that the plating solution is replaced with the air after the power supply unit finishes the application operation. As a result, the plating solution stored in the container is replaced with the atmosphere. Next, the control device controls the lifting operation by the lifting device so that the electrolyte membrane is separated from the substrate. With this control, the electrolyte membrane is separated from the substrate after the plating solution stored in the container is replaced with the air, so that the electrolyte membrane can be prevented from being deformed by the weight of the plating solution itself.
基材から離間した電解質膜は、露出しているので、制御装置は、電解質膜を冷却するように冷却装置による冷却動作を制御する。ここで、たとえば、上述した成膜時に、めっき液の熱により、収容体および電解質膜が加熱された状態になり、大気との入れ替えの際に、加熱されためっき液が収容体から排出される。このとき、電解質膜に付着しためっき液は、入れ替わった大気に蒸発し、さらに収容体の熱が、電解質膜に伝達される。しかしながら、本発明では、この収容体からの熱が電解質膜に伝達されたとしても、電解質膜は冷却装置で冷却されるので、収容体から伝達された熱により電解質膜が乾燥することを抑えることができる。これにより、金属皮膜を再度成膜する際に、乾燥によるめっき液からの成分の析出に起因した、成膜不良を抑えることができる。 Since the electrolyte membrane spaced from the substrate is exposed, the control device controls the cooling operation by the cooling device so as to cool the electrolyte membrane. Here, for example, during the film formation described above, the heat of the plating solution heats the container and the electrolyte film, and the heated plating solution is discharged from the container when the atmosphere is replaced. . At this time, the plating solution adhering to the electrolyte membrane evaporates into the replaced air, and the heat of the container is transferred to the electrolyte membrane. However, in the present invention, even if the heat from the containing body is transferred to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is cooled by the cooling device. can be done. As a result, when the metal film is formed again, it is possible to suppress film formation defects caused by precipitation of components from the plating solution due to drying.
ここで、冷却装置は、たとえば、電解質膜に接触して、電解質膜の熱を吸熱し、これを放熱する放熱板を備えてもよく、冷却水などを吹き付ける吹き付けノズルを備えてもよい。しかしながら、より好ましい態様としては、前記冷却装置は、前記電解質膜をエアで冷却するエアノズルを備える。本発明によれば、エアノズルからのエアにより、電解質膜を冷却するので、電解質膜を簡単に冷却することができる。特に、成膜装置の外部から、液体などを用いずに、エアによりドライの環境下で冷却することができるので、より簡単にかつクリーンな環境で冷却を実現することができる。 Here, the cooling device may include, for example, a radiator plate that is in contact with the electrolyte membrane to absorb and dissipate the heat of the electrolyte membrane, or may include a spray nozzle that sprays cooling water or the like. However, as a more preferable aspect, the cooling device includes an air nozzle for cooling the electrolyte membrane with air. According to the present invention, since the electrolyte membrane is cooled by the air from the air nozzle, the electrolyte membrane can be easily cooled. In particular, since cooling can be performed in a dry environment by air from the outside of the film forming apparatus without using liquid or the like, cooling can be achieved in a simpler and cleaner environment.
本明細書では、本発明として、金属皮膜の成膜方法も開示する。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、陰極となる前記基材との間に電圧を印加し、前記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を、前記電解質膜に対向して配置した前記基材に接触させた後、加熱された前記めっき液を前記収容体に収容した状態で、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、前記金属皮膜の成膜後、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工程と、前記めっき液を大気に入れ替えた後、前記電解質膜を前記基材から引き離す工程と、前記基材から引き離した前記電解質膜を冷却する工程と、を含むことを特徴とする。 This specification also discloses a method for forming a metal film 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 the substrate, which serves as a cathode, while an electrolyte film in contact with a plating solution containing metal ions is in contact with the substrate. and a film forming method for forming a metal film derived from metal ions contained in the electrolyte film on the surface of the base material, wherein the electrolyte film covering an opening formed in a container is formed by the electrolyte film. After being brought into contact with the base material arranged opposite to the film, the anode and the base material are separated from each other until the metal film has a predetermined thickness while the heated plating solution is contained in the container. applying a voltage between and forming the metal film; after forming the metal film, replacing the plating solution contained in the container with the atmosphere; and exposing the plating solution to the atmosphere After the replacement, the step of separating the electrolyte membrane from the substrate and the step of cooling the electrolyte membrane separated from the substrate are included.
本発明によれば、まず、電解質膜を基材に接触させた後、加熱されためっき液を収容体に収容した状態で、陽極と基材との間に電圧を印加する。これにより、電解質膜を介して金属イオンが、基材の表面側に移動して、基材の表面で還元されて、金属が析出する。この結果、析出した金属に由来した金属皮膜が成膜される。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。 According to the present invention, first, after the electrolyte membrane is brought into contact with the base material, a voltage is applied between the anode and the base material while the heated plating solution is contained in the container. As a result, the metal ions migrate to the surface side of the substrate through the electrolyte membrane, are reduced on the surface of the substrate, and deposit the metal. As a result, a metal film derived from the deposited metal is formed. 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.
次に、金属皮膜の成膜後、基材から固体電解質膜を引き離す前に、収容体に収容されためっき液を大気に入れ替える。次に、めっき液を大気に入れ替えた後、電解質膜を基材から引き離す。これにより、電解質膜を基材から引き離したとしても、収容体に収容されためっき液は、大気に入れ替わっているので、電解質膜がめっき液の自重により変形することを防止することができる。 Next, after the formation of the metal film, the plating solution contained in the containing body is replaced with the atmosphere before separating the solid electrolyte film from the substrate. Next, after replacing the plating solution with air, the electrolyte membrane is separated from the substrate. As a result, even if the electrolyte membrane is separated from the base material, the plating solution contained in the container is replaced by the air, so that the electrolyte film can be prevented from being deformed by the weight of the plating solution itself.
また、基材から引き離した電解質膜は露出しているので、電解質膜を簡単に冷却することができる。成膜時には、めっき液の熱により、収容体および電解質膜が加熱された状態になり、大気との入れ替えの際に、加熱されためっき液が収容体から排出される。このとき、電解質膜に付着しためっき液は、入れ替わった大気に蒸発し、さらに、電解質膜よりも熱容量の多い収容体の熱が、電解質膜に伝達される。しかしながら、本発明では、この収容体からの熱が電解質膜に伝達されたとしても、電解質膜は冷却されるので、収容体から伝達された熱により電解質膜が乾燥することを抑え、めっき液の成分の析出を抑えることができる。このような結果、金属皮膜を再度成膜する際に、この乾燥によりめっき液からの成分の析出に起因した、成膜不良を抑えることができる。 In addition, since the electrolyte membrane separated from the substrate is exposed, the electrolyte membrane can be easily cooled. At the time of film formation, the container and the electrolyte film are heated by the heat of the plating solution, and the heated plating solution is discharged from the container at the time of air exchange. At this time, the plating solution adhering to the electrolyte membrane evaporates into the replaced air, and the heat of the container, which has a larger heat capacity than the electrolyte membrane, is transferred to the electrolyte membrane. However, in the present invention, even if the heat from the containing body is transferred to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is cooled. Precipitation of components can be suppressed. As a result, when a metal film is formed again, it is possible to suppress film formation defects caused by precipitation of components from the plating solution due to the drying.
さらに好ましい成膜方法としては、前記電解質膜の冷却を、エアを吹き付けることにより行う。この態様によれば、エアの吹き付けにより電解質膜を冷却するので、電解質膜を簡単に冷却することができる。特に、氷、ドライアイスなどを用いた冷却に比べて、簡単かつ安価に、ドライの環境下で電解質膜を冷却することができる。これにより、より簡単にかつクリーンな環境で電解質膜の冷却を実現することができる。 As a more preferable film forming method, cooling of the electrolyte film is performed by blowing air. According to this aspect, since the electrolyte membrane is cooled by blowing air, the electrolyte membrane can be easily cooled. In particular, the electrolyte membrane can be cooled in a dry environment more easily and inexpensively than cooling using ice, dry ice, or the like. This makes it possible to cool the electrolyte membrane in a simpler and cleaner environment.
本発明によれば、電解質膜に付着した電解液の蒸発を抑制することにより、成膜品質の向上を図ることができる。 According to the present invention, film formation quality can be improved by suppressing evaporation of the electrolytic solution adhering to the electrolyte membrane.
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。なお、図1では、収容体15には、めっき液Lは収容されていない。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
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6参照)。
In 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、銅、銀、金、ニッケル、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、上述した金属からなる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 substrate W is not particularly limited as long as it functions as a cathode (that is, a surface having conductivity), and is made of metal materials such as copper, silver, gold, nickel, aluminum, and iron. Alternatively, the surface of the resin, ceramics, or the like may be coated with a metal layer made of the metal described above.
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。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。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
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に取り付けられており、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、または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、白金、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の側壁と、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5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、電解質膜13を冷却する冷却装置40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。
The circulation mechanism for circulating the plating solution L in 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、加熱しためっき液Lで金属皮膜を成膜することがでるのであれば、タンク17に限定されるものではない。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6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L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L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. 6, 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7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. 7, 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により、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、入替え機構は、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-
本実施形態では、図1に示すように、基材Wから離間した電解質膜13に対して、電解質膜13を冷却する冷却装置40を備えている。冷却装置40は、電解質膜13をエアAで冷却するエアノズル41を備えている。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, a
図2(a)に示すように、エアノズル41は、エアノズル41を、装置本体43から出し入れする出し入れ機構42を備えている。装置本体43には、大気を圧縮したエアAを供給するコンプレッサ(図示せず)またはエア配管(図示せず)などが接続されている。出し入れ機構42は、筒状の部材であり、入れ子式でエアノズル41を内部に収容自在となっている。出し入れ機構42は、装置本体43に設けられた直動式のアクチュエータ(図示せず)に接続されている。本実施形態では、このアクチュエータの駆動により、冷却時に、基材Wと電解質膜13との間にエアノズル41を移動させ、それ以外のときには、出し入れ機構42の内部にエアノズル41を移動させる。
As shown in FIG. 2( a ), the
図2(b)に示すように、エアノズル41は、装置本体43からの圧縮されたエアが流れる筒状のヘッタ管41aに、長手方向に沿って複数の貫通孔41bが形成されたものである。貫通孔41bは、電解質膜13に向かって形成されている。エアノズル41は、圧縮された大気(エア)を供給するエア供給経路(図示せず)に接続されており、エア供給経路に設けられた開閉弁(図示せず)により、エアノズル41へのエアの供給が行われる。
As shown in FIG. 2(b), the
このようにして、上述した開閉弁を開き、エアノズル41に、圧縮したエアAを流すと、貫通孔41bから電解質膜13に向かって、エアAを吹き付けることができる。この結果、図2(a)および(b)に示すように、吹き付けられたエアAは、電解質膜13の表面に沿って、電解質膜13の縁部に向かって流れる。これにより、収容体15から、電解質膜13の周縁に伝達される熱を、エアAで効率良く冷却することができる。成膜装置1の外部から、液体などを用いずに、エアAによりドライの環境下で冷却することができるので、より簡単にかつクリーンな環境で、電解質膜13の冷却を実現することができる。なお、ここで、本明細書でいう「エア」とは、大気を圧縮したものであり、「大気」とは、大気圧の空気のことをいう。
In this way, when the above-described on-off valve is opened and the compressed air A is allowed to flow through the
さらに、冷却装置40は、図3(a)に示す変形例の如く、平面視において、電解質膜13を囲繞するようなエアノズル41を備えてもよい。エアノズル41は、枠状に成形されたヘッタ管41aに、複数の貫通孔41bが形成されている。具体的には、ヘッタ管41aは、直線状の鋼管を湾曲させ、その両端を溶接などにより接合した管であり、ヘッタ管41aには、可撓性を有したエア供給用チューブ(図示せず)が接続されている。
Furthermore, the
図3(b)に示すように、貫通孔41bは、電解質膜13に向かって、斜め内側に(具体的には、電解質膜13の中央側に傾斜するように)形成されている。これにより、収容体15により加熱され易い電解質膜13の周縁を、エアノズル41の貫通孔41bから放出されたエアで、冷却することができる。なお、エアノズル41には、一対のガイドレール46、46が取り付けられている。エアノズル41には、ガイドレール46に沿って、可撓性のチューブ(図示せず)が取り付けられており、チューブを介して、圧縮された空気がエアノズル41に供給される。
As shown in FIG. 3B, through
エアノズル41は、エアノズル41に取り付けられたアクチュエータ(図示せず)により、冷却時には、ガイドレール46に沿ってスライドし、基材Wと電解質膜13との間に挿入される。冷却後の時には、エアノズル41は、基材Wと電解質膜13との間から外れた退避位置まで、ガイドレール46に沿ってスライドする。
The
図2および図3では、エアノズル41は、冷却時に、基材Wと電解質膜13との間に挿入されるように、移動自在となっている。しかしながら、たとえば、電解質膜13にエアAを吹き付けて、電解質膜13を冷却することができるのであれば、収容体15および載置台20の間から外れた位置に、エアノズル41が固定されていてもよい。また、エアノズルの代わりに、送風ファンなどを有した送風機が設けられていてもよい。
2 and 3, the
制御装置60は、昇降装置70による昇降動作、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)、ポンプ18による循環動作、および冷却装置40による冷却動作、を制御する。なお、電源部19の印加動作とは、電源部19により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がさらに記憶されている。制御装置60には、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4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に取り付けられた陽極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。
The control flow of the
次に、接触工程S2を行う。具体的には、図5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する。この制御により、昇降装置70のロッド72が伸長し、収容体15の開口部15gを覆った電解質膜13を基材Wに接触させることができる。
Next, a contact step S2 is performed. Specifically, as shown in FIG. 5 , 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切り替え位置に制御する。これにより、図5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の液圧を、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。なお、本実施形態では、めっき液Lを収容体15に収容する前に、電解質膜13を基材Wに接触させたが、たとえば、収容体15を下降させながら、めっき液Lを収容体15の収容空間Sに供給してもよく、以下の成膜工程S4を行う前に、めっき液Lが収容体15に収容され、かつ、電解質膜13が基材Wに接触していればよい。
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、めっき液Lを収容体15に収容した状態(充填した状態)で、かつ、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、電源部19による印加動作の終了後、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)の入れ替え動作を制御する。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7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60は、ポンプ18を停止させる。なお、図7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、離間工程S6を行う。具体的には、図8に示すように、制御装置60は、基材Wから電解質膜13が離間するように昇降装置70による昇降動作を制御する。この制御により、電解質膜13を基材Wから引き離す。
Next, the separating step S6 is performed. Specifically, as shown in FIG. 8, the
ここで、たとえば、上述した成膜時に、めっき液の熱により、収容体および電解質膜が加熱された状態になり、入れ替え工程S5において、加熱されためっき液Lが収容体15から排出される。このとき、電解質膜13に付着しためっき液Lは、入れ替わった大気に蒸発し、さらに収容体15の熱が、電解質膜13に伝達される。これにより、電解質膜13が乾燥し、めっき成分が電解質膜13に析出するおそれがある。この状態の電解質膜13を用いて、上述した一連の工程を経て成膜された金属皮膜Fには、ピットやピンホールが生じることがある。このような点から、本実施形態では、以下の冷却工程S7を行う。
Here, for example, during the film formation described above, the container and the electrolyte film are heated by the heat of the plating solution, and the heated plating solution L is discharged from the
冷却工程S7では、制御装置60は、電解質膜13を冷却するように冷却装置40による冷却動作を制御する。具体的には、離間工程S6において、基材Wから離間した電解質膜13は露出しているので、載置台20と収容体15との間に、エアノズル41を挿入し、エアノズル41から電解質膜13にエアAを吹き付ける。制御装置60は、冷却動作の制御として、エアノズル41の移動の制御を、上述したアクチュエータ(図示せず)により行い、エアAの吹き付けの制御を、エアAを供給する経路に設けられた開閉弁(図示せず)により行う。
In the cooling step S<b>7 , the
最後に、取り出し工程S8を行う。この工程では、冷却工程S7後のエアノズル41を、載置台20と収容体15との間から退避させ、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F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 S8 is performed. In this step, the
このように、本実施形態によれば、収容体15からの熱が電解質膜13に伝達されたとしても、冷却工程S7において、電解質膜13は冷却装置40で冷却されるので、収容体15から伝達された熱により電解質膜13が乾燥することを抑えることができる。これにより、金属皮膜Fを再度成膜する際に、乾燥によるめっき液からの成分の析出に起因した、成膜不良を抑えることができる。
As described above, according to the present embodiment, even if the heat from the
熱回路網法を用いて、電解質膜の周縁部(収容体から直接加熱される部分)の温度と、電解質膜の中央部(めっき液と入れ替えられた大気の接触する部分)の温度を算出した。ここでは、めっき液を70℃に加熱しためっき液で、金属皮膜を成膜する場合を想定している。具体的には、計算条件を、収容体の温度を70℃に設定し、収容体の収容空間内の大気(空気)の温度を40℃に設定した。この状態で、参考実施例では、60秒間、25℃の温度のエアを吹き付けた条件で、電解質膜の周縁部の温度と中央部の温度を算出した。一方参考比較例では、60秒間、エアを吹き付けない条件で、電解質膜の周縁部の温度と中央部の温度を算出した。これらの結果を表1に示す。 Using the thermal network method, the temperature of the peripheral part of the electrolyte membrane (the part directly heated from the container) and the temperature of the central part of the electrolyte membrane (the part in contact with the atmosphere replaced with the plating solution) were calculated. . Here, it is assumed that a plating solution heated to 70° C. is used to form a metal film. Specifically, as calculation conditions, the temperature of the container was set to 70°C, and the temperature of the atmosphere (air) in the accommodation space of the container was set to 40°C. In this state, in the reference example, the temperature of the peripheral portion and the temperature of the central portion of the electrolyte membrane were calculated under the condition of blowing air at a temperature of 25° C. for 60 seconds. On the other hand, in the reference comparative example, the temperature of the peripheral portion and the temperature of the central portion of the electrolyte membrane were calculated under the condition that air was not blown for 60 seconds. These results are shown in Table 1.
(結果および考察)
参考実施例では、エアの吹き付けにより、収容体から電解質膜に伝達される熱を、エアに吸熱させることにより、電解質膜が冷却されたことがわかった。一方、参考比較例では、収容体からの熱が、電解質膜の周縁部から中央部に、伝達されたことが分かる。
(Results and Discussion)
In the reference example, it was found that the electrolyte membrane was cooled by allowing the air to absorb the heat transferred from the container to the electrolyte membrane by blowing air. On the other hand, in the reference comparative example, it can be seen that the heat from the container was transferred from the peripheral portion to the central portion of the electrolyte membrane.
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4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 formation method is performed under the control of the control device, but for example, the series of operations shown in FIG. 4 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、40:冷却装置、41:エアノズル、50:入れ替え機構、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, 40: Cooling device, 41: Air nozzle, 50: Replacement mechanism, 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、
前記基材に前記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、
前記収容体に収容される前記めっき液の温度が所定の温度になるように、前記めっき液を加熱する加熱装置と、
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と、
前記基材から離間した前記電解質膜に対して、前記電解質膜を冷却する冷却装置と、
前記昇降装置による昇降動作、前記電源部による印加動作、前記入れ替え機構による入れ替え動作、および前記冷却装置による冷却動作、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、
前記基材が前記電解質膜に接触した後、前記加熱装置で加熱された前記めっき液を前記収容体に収容した状態で、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、
前記電源部による印加動作の終了後、めっき液が大気に入れ替わるように前記入れ替え機構による入れ替え動作を制御し、
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、
前記基材から離間した前記電解質膜を冷却するように前記冷却装置による冷却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 heating device for heating the plating solution so that the temperature of the plating solution contained in the container reaches a predetermined temperature;
a replacement mechanism for replacing the plating solution contained in the container with the atmosphere;
a cooling device for cooling the electrolyte membrane with respect to the electrolyte membrane spaced apart from the base;
A control device that controls the lifting operation by the lifting device, the application operation by the power supply unit, the switching operation by the switching mechanism, and the cooling operation by the cooling device,
The control device is
controlling the lifting operation by the lifting device so that the base material contacts the electrolyte membrane;
After the base material comes into contact with the electrolyte membrane, the power supply unit performs an application operation until the metal film reaches a predetermined thickness in a state in which the plating solution heated by the heating device is contained in the container. to control the
controlling the replacement operation by the replacement mechanism so that the plating solution is replaced with the atmosphere after the application operation by the power supply unit is completed;
controlling the lifting operation by the lifting device so that the electrolyte membrane is separated from the base material;
An apparatus for forming a metal film, wherein the cooling operation of the cooling device is controlled so as to cool the electrolyte film separated from the substrate.
収容体に形成された開口部を覆った前記電解質膜を、前記電解質膜に対向して配置した前記基材に接触させた後、加熱された前記めっき液を前記収容体に収容した状態で、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、
前記金属皮膜の成膜後、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工程と、
前記めっき液を大気に入れ替えた後、前記電解質膜を前記基材から引き離す工程と、
前記基材から引き離した前記電解質膜を冷却する工程と、
を含むことを特徴とする金属皮膜の成膜方法。 A voltage is applied between the anode and the substrate, which is the cathode, in a state where the electrolyte membrane in contact with the plating solution containing metal ions is in contact with the substrate, and the metal ions contained in the electrolyte membrane are applied. A film formation method for forming a metal film on the surface of the base material,
After the electrolyte membrane covering the opening formed in the container is brought into contact with the base material arranged facing the electrolyte membrane, the heated plating solution is accommodated in the container, a step of applying a voltage between the anode and the base material to form the metal film until the metal film reaches a predetermined thickness;
After forming the metal film, replacing the plating solution contained in the container with the atmosphere;
a step of separating the electrolyte membrane from the substrate after replacing the plating solution with the atmosphere;
cooling the electrolyte membrane separated from the substrate;
A method for forming a metal film, comprising:
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