JP6501700B2 - 電解処理装置及び電解処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、処理液に含まれる被処理イオンを用いて所定の処理を行う電解処理装置、及び当該電解処理装置を用いた電解処理方法に関する。
電解プロセス（電解処理）は、めっき処理やエッチング処理等の種々の処理に用いられる技術である。
上述しためっき処理を均一に行うため、例えば特許文献１に記載されためっき処理が提案されている。このめっき処理では、めっき液を挟むように直接電極と対向電極（被処理体）をそれぞれ配置すると共に、当該めっき液に電界を形成する間接電極を配置する。その後、間接電極を用いて形成された電界によってめっき液中の金属イオンを対向電極側に移動させ、さらに直接電極と対向電極との間に電圧を印加することで、対向電極側に移動した金属イオンを還元する。
かかる場合、間接電極による金属イオンの移動と直接電極及び対向電極による金属イオンの還元が個別に行われるので、対向電極側に金属イオンが均一に集積した状態で金属イオンの還元を行うことができ、これによりめっき処理の均一化を図っている。
しかしながら、発明者らが鋭意検討したところ、特許文献１に記載されためっき処理では、構造上、めっきの成長速度を上げるには、めっき液に浸漬している間接電極の表面積を大きくしなければならず、設計の自由度が低いことが分かった。また、対向電極側に集積した金属イオンの濃度が低い場合があり、かかる場合、めっきの成長速度と、めっきの膜厚や品質などの被覆性に改善の余地があることが分かった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、処理液中の被処理イオンを用いて、被処理体に対する所定の処理を効率よく且つ適切に行うことを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、処理液に含まれる被処理イオンを用いて所定の処理を行う電解処理装置であって、前記処理液を挟むように配置された共通電極と対向電極を有し、前記共通電極には第１の配線と第２の配線が接続され、且つ前記第１の配線にはコンデンサが設けられ、前記電解処理装置には前記所定の処理を制御する制御部が設けられ、前記所定の処理は、前記第１の配線と前記第２の配線を接続せずに前記コンデンサの充電を行うことで、前記共通電極は前記処理液に電界を形成し、前記処理液中の被処理イオンを前記対向電極側に移動させ、前記第１の配線と前記第２の配線を接続して前記コンデンサの放電を行うことで、前記共通電極は前記対向電極との間で電圧を印加し、前記対向電極側に移動した前記被処理イオンを酸化又は還元することを含むことを特徴としている。
例えば被処理イオンが陽イオンの場合、コンデンサの充電を行い処理液に電界（静電場）を形成すると、共通電極側に負の荷電粒子が集まり、対向電極側に被処理イオンが移動する。そしてコンデンサの放電を行い、共通電極を陽極とし対向電極を陰極として電圧を印加して、共通電極と対向電極との間に電流を流す。そうすると、対向電極側に移動した被処理イオンの電荷が交換されて、被処理イオンが還元される。
また、例えば被処理イオンが陰イオンの場合も同様に、コンデンサの充電を行い処理液に電界を形成すると、対向電極側に被処理イオンが移動する。そしてコンデンサの放電を行い、共通電極を陰極とし対向電極を陽極として電圧を印加して、共通電極と対向電極との間に電流を流す。そうすると、対向電極側に移動した被処理イオンの電荷が交換されて、被処理イオンが酸化される。
このように本発明では、コンデンサの充電による被処理イオンの移動とコンデンサの放電による被処理イオンの酸化又は還元（以下、単に「酸化還元」という場合がある）が個別に行われる。そして、コンデンサの容量を調整することで、対向電極側に集積する被処理イオンの濃度を制御することができる。例えば当該被処理イオンの濃度を高くすると、対向電極の表面に十分な被処理イオンが集積した状態で被処理イオンの酸化還元を行うことができ、これにより電解処理のレートを向上させることができる。また、対向電極の表面に被処理イオンが均一に配列した状態で被処理イオンの酸化還元を行うので、電解処理の均一性も向上させることができる。
前記電解処理装置は、前記第１の配線と前記第２の配線の接続又は非接続を切り替えるスイッチをさらに有してもよい。
前記第１の配線において、前記コンデンサは並列に複数設けられていてもよい。
前記コンデンサは前記処理液の外部に設けられていてもよい。
別な観点による本発明は、処理液に含まれる被処理イオンを用いて所定の処理を行う電解処理方法であって、前記処理液を挟むように共通電極と対向電極を配置すると共に、前記共通電極に第１の配線と第２の配線を接続し、且つ前記第１の配線にコンデンサを設ける第１の工程と、前記第１の配線と前記第２の配線を接続せずに前記コンデンサの充電を行うことで、前記処理液に電界を形成し、前記処理液中の被処理イオンを前記対向電極側に移動させる第２の工程と、前記第１の配線と前記第２の配線を接続して前記コンデンサの放電を行うことで、前記共通電極と前記対向電極との間で電圧を印加し、前記対向電極側に移動した前記被処理イオンを酸化又は還元する第３の工程と、を有することを特徴としている。
前記第２の工程における前記第１の配線と前記第２の配線の非接続と、前記第３の工程における前記第１の配線と前記第２の配線の接続との切り替えは、スイッチによって行われてもよい。
前記第１の工程において、前記第１の配線に前記コンデンサを並列に複数設けてもよい。
前記第１の工程において、前記コンデンサを前記処理液の外部に設けてもよい。
本発明によれば、処理液中の被処理イオンを用いて、被処理体に対する所定の処理を効率よく且つ適切に行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態では、本発明にかかる電解処理としてめっき処理を行う場合について説明する。図１は、本実施の形態にかかる電解処理装置としてのめっき処理装置１の構成の概略を示す縦断面図である。なお、以下の説明で用いる図面において、各構成要素の寸法は、技術の理解の容易さを優先させるため、必ずしも実際の寸法に対応していない。
めっき処理装置１は、内部に処理液としてのめっき液Ｍを貯留するめっき槽１０を有している。めっき液Ｍとしては、例えば硫酸銅と硫酸を溶解した混合液が用いられる。このめっき液Ｍ中には、被処理イオンとして銅イオンが含まれている。
めっき槽１０内には、共通電極２０及び対向電極２１がめっき液Ｍに浸漬して配置されている。共通電極２０において大気に露出している部分は、例えばＵＶ硬化樹脂等の絶縁材２２で被覆されている。なお、例えばめっき処理装置１における回路が電気的な等価回路の場合、絶縁材２２を省略してもよい。
対向電極２１は、めっき液Ｍを挟んで共通電極２０に対向して配置されている。なお、本実施の形態において、この対向電極２１はめっき処理される被処理体である。
共通電極２０と対向電極２１には、直流電源３０が接続されている。共通電極２０は、直流電源３０の正極側に接続されている。対向電極２１は、直流電源３０の負極側に接続されている。
共通電極２０には第１の配線３１と第２の配線３２が接続され、さらに第１の配線３１にはコンデンサ３３が設けられている。また第１の配線３１には、スイッチ３４が設けられている。スイッチ３４は、第１の配線３１と直流電源３０の接続と、第１の配線３１と第２の配線３２の接続とを切り替える。スイッチ３４の切り替えは、制御部４０によって制御される。
以上のめっき処理装置１には、制御部４０が設けられている。制御部４０は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、めっき処理装置１におけるめっき処理を制御するプログラムが格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から制御部４０にインストールされたものであってもよい。
次に、以上のように構成されためっき処理装置１を用いためっき処理について説明する。
図２に示すようにスイッチ３４によって、第１の配線３１と直流電源３０を接続する。すなわち、第１の配線３１と第２の配線３２を接続しない。そうすると、コンデンサ３３が充電される。すなわち、コンデンサ３３の共通電極２０側に正の電荷が蓄積され、コンデンサ３３の直流電源３０側に負の電荷が蓄積される。そして、めっき液Ｍに電界（静電場）が形成される。そうすると、共通電極２０に正の電荷が蓄積され、共通電極２０側に負の荷電粒子である硫酸イオンＳが集まる。一方、対向電極２１には負の電荷が蓄積され、対向電極２１側に正の荷電粒子である銅イオンＣが移動する。
なお、共通電極２０が陰極になるのを回避するため、共通電極２０をグランドに接続せず、電気的にフローティング状態にしている。このような状況においては、共通電極２０と対向電極２１のいずれの表面においても電荷交換が行われないので、静電場により引きつけられた荷電粒子が電極表面に配列されることになる。
スイッチ３４による第１の配線３１と直流電源３０の接続は、コンデンサ３３が満充電されるまで行われる。そうすると、対向電極２１の表面に銅イオンＣが均一に配列される。対向電極２１の表面で銅イオンＣの電荷交換が行われず、水の電気分解も抑制されるので、共通電極２０と対向電極２１との間に電圧を印可する際の電界を高くすることができる。そして、この高電界によって銅イオンＣの移動を速くできる。さらに、この電界を任意に制御することで、対向電極２１の表面に配列される銅イオンＣも任意に制御される。
その後、図３に示すようにスイッチ３４を切り替え、第１の配線３１と直流電源３０の接続を切断し、第１の配線３１と第２の配線３２を接続する。そうすると、コンデンサ３３から放電され、コンデンサ３３の共通電極２０側に蓄積された正の電荷が共通電極２０に移動し、共通電極２０側に集まった硫酸イオンＳの電荷が交換されて、硫酸イオンＳは酸化される。これに伴い、対向電極２１の表面に配列されている銅イオンＣの電荷が交換されて、銅イオンＣが還元される。そして、対向電極２１の表面に銅めっき５０が析出する。
対向電極２１の表面に十分な銅イオンＣが集積し、均一に配列された状態で還元されるので、対向電極２１の表面に銅めっき５０を均一に析出させることができる。結果的に、銅めっき５０における結晶の密度が高くなり、品質の良い銅めっき５０を形成することができる。また、対向電極２１の表面に銅イオンＣが均一に配列された状態で還元を行っているので、銅めっき５０を均一且つ高品質に生成することができるのである。
そして、上述したコンデンサ３３の充電時の銅イオンＣの移動集積と、コンデンサ３３の放電時の銅イオンＣの還元とが繰り返し行われることで、銅めっき５０が所定の膜厚に成長する。こうして、めっき処理装置１における一連のめっき処理が終了する。
以上の実施の形態によれば、スイッチ３４によりコンデンサ３３の充電と放電を切り替えることによって、銅イオンＣの移動と銅イオンＣの還元が個別に行われる。そして、コンデンサ３３の容量を調整することで、対向電極２１側に集積する銅イオンＣの濃度を制御することができる。例えば当該銅イオンＣの濃度を高くすると、対向電極２１の表面に十分な銅イオンＣが集積した状態で銅イオンＣの還元を行うことができ、これによりめっき処理のレートを向上させることができる。
また、対向電極２１の表面に銅イオンＣが均一に配列した状態で銅イオンＣの還元を行うので、めっき処理の均一性も向上させることができる。しかも、銅イオンＣが均一に配置されるので、銅めっき５０中の結晶を密に配置することができる。したがって、めっき処理後の被処理体の品質を向上させることができる。
なお、スイッチ３４と直流電源３０を用いる代わりに、パルス電源を用いてパルス電圧を印加しても、本実施の形態と同様の作用効果を享受できる。
次に、めっき処理装置１の他の実施の形態について説明する。図１に示しためっき処理装置１では、スイッチ３４は第１の配線３１に設けられていたが、スイッチの構成はこれに限定されない。例えば図４に示すように第２の配線３２にスイッチ１００が設けられていてもよい。スイッチ１００のオンオフは、制御部４０によって制御される。
そしてスイッチ１００がオンの状態では、共通電極２０と直流電源３０が接続され、共通電極２０と対向電極２１との間に電流が流れる。またスイッチ１００がオフの状態では、共通電極２０と直流電源３０が切断され、共通電極２０と直流電源３０との間に電流が流れない。なお、図４に示すめっき処理装置１の他の構成は、図１に示しためっき処理装置１の他の構成と同じである。
かかる場合、図５に示すように第１の配線３１を介して共通電極２０と対向電極２１との間に直流電圧（間接電圧）を連続的に印加しつつ、第２の配線３２を介して共通電極２０と対向電極２１との間に直流電圧をパルス状に印加する、いわゆるパルス電圧（直接電圧）を印加する。
より詳細に説明すると、図６に示すように第１の配線３１を介して共通電極２０と対向電極２１との間に直流電圧を連続的に印加し、コンデンサ３３が充電される。すなわち、コンデンサ３３の共通電極２０側に正の電荷が蓄積され、コンデンサ３３の直流電源３０側に負の電荷が蓄積される。そして、めっき液Ｍに電界（静電場）が形成される。そうすると、共通電極２０に正の電荷が蓄積され、共通電極２０側に負の荷電粒子である硫酸イオンＳが集まる。一方、対向電極２１には負の電荷が蓄積され、対向電極２１側に正の荷電粒子である銅イオンＣが移動する。
このとき、スイッチ１００をオフの状態にしておくことで、共通電極２０を電気的にフローティング状態にしておく。このような状況においては、共通電極２０と対向電極２１のいずれの表面においても電荷交換が行われないので、静電場により引きつけられた荷電粒子が電極表面に配列されることになる。図６に示すように、被処理体である対向電極２１の表面においても銅イオンＣが均一に配列される。対向電極２１の表面で銅イオンＣの電荷交換が行われず、水の電気分解も抑制されるので、共通電極２０と対向電極２１との間に電圧を印可する際の電界を高くすることができる。そして、この高電界によって銅イオンＣの移動を速くできる。さらに、この電界を任意に制御することで、対向電極２１の表面に配列される銅イオンＣも任意に制御される。
なお、本実施の形態においては、共通電極２０が陰極になるのを回避するため、共通電極２０をグランドに接続せず、電気的にフローティング状態にしている。
その後、十分な銅イオンＣが対向電極２１側に移動して集積すると、図７に示すようにスイッチ１００をオンにする。そして第２の配線３２を介して共通電極２０と対向電極２１との間に直流電圧をパルス状に印加し、共通電極２０を陽極とし、対向電極２１を陰極として電圧を印加して、共通電極２０と対向電極２１との間に電流を流す。さらにコンデンサ３３から放電され、コンデンサ３３の共通電極２０側に蓄積された正の電荷が共通電極２０に移動し、共通電極２０側に集まった硫酸イオンＳの電荷が交換されて、硫酸イオンＳは酸化される。これに伴い、対向電極２１の表面に配列されている銅イオンＣの電荷が交換されて、銅イオンＣが還元される。そして、対向電極２１の表面に銅めっき５０が析出する。
対向電極２１の表面に十分な銅イオンＣが集積し、均一に配列された状態で還元されるので、対向電極２１の表面に銅めっき５０を均一に析出させることができる。結果的に、銅めっき５０における結晶の密度が高くなり、品質の良い銅めっき５０を形成することができる。また、対向電極２１の表面に銅イオンＣが均一に配列された状態で還元を行っているので、銅めっき５０を均一且つ高品質に生成することができるのである。
そして、上述したコンデンサ３３の充電時の銅イオンＣの移動集積と、コンデンサ３３の放電時の銅イオンＣの還元とが繰り返し行われることで、銅めっき５０が所定の膜厚に成長する。こうして、めっき処理装置１における一連のめっき処理が終了する。
本実施の形態においても、上記実施の形態と同じ効果を享受できる。すなわち、めっき処理のレートを向上させることができ、さらにめっき処理の均一性を向上させ、めっき処理後の被処理体の品質を向上させることができる。
次に、めっき処理装置１の他の実施の形態について説明する。図８に示すようにコンデンサ３３は、第１の配線３１において並列に複数設けられていてもよい。なお、コンデンサ３３の数は任意に設定することができる。コンデンサ３３はめっき液Ｍと接している必要はなく、任意の位置に配置することができることから、大きさや数の設定自由度が高いのである。
かかる場合、コンデンサ３３の容量を大きくすることができる。そうすると、対向電極２１の表面に集積する銅イオンＣの濃度を高くすることができる。銅イオンＣの濃度を高くすると、対向電極２１の表面に十分な銅イオンＣが集積した状態で銅イオンＣの電荷交換を行うことができ、これによりめっき処理のレートを向上させることができる。また、対向電極２１の表面に銅イオンＣが均一に配列した状態で銅イオンＣの電荷交換を行うので、めっき処理の均一性も向上させることができる。
なお、本実施の形態においてもスイッチ３４の代わりに、図４に示したスイッチ１００を用いてもよい。
以上の実施の形態では、電解処理としてめっき処理を行う場合について説明したが、本発明は例えばエッチング処理等の種々の電解処理に適用することができる。
また、以上の実施の形態では対向電極２１側において銅イオンＣを還元する場合について説明したが、本発明は対向電極２１側において被処理イオンを酸化する場合にも適用できる。かかる場合、被処理イオンは陰イオンであり、上記実施の形態において陽極と陰極を反対にして同様の電解処理を行えばよい。本実施の形態においても、被処理イオンの酸化と還元の違いはあれ、上記実施の形態と同様の効果を享受することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明はこの例に限らず種々の態様を採りうるものである。
本発明はこの例に限らず種々の態様を採りうるものである。
以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、図１に示しためっき処理装置１を用いて実験を行い、めっき処理の評価を行った。実験では、めっき液Ｍとして、銅の濃度が２５０ｇ／Ｌの硫酸銅を用いた。またコンデンサ３３の放電時間は１０μｓであり、コンデンサ３３の放電周期は５００μｓとした。そして、コンデンサ３３の容量を４７０ｐＦ、２２０ｐＦ、１１０ｐＦに変化させて、電圧の変化の測定を行った。具体的には、直流電源３０と対向電極２１との間に１０ｋΩの抵抗を設けて、電圧の測定を行った。また、コンデンサ３３の容量を上記のように変化させて、めっき析出量の測定も行った。
図９は実験の結果、印加される電圧の変化を示したグラフであり、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示している。また、図９（ａ）はコンデンサ３３の容量が４７０ｐＦの場合の電圧の変化を示し、図９（ｂ）はコンデンサ３３の容量が２２０ｐＦの場合の電圧の変化を示し、図９（ｃ）はコンデンサ３３の容量が１１０ｐＦの場合の電圧の変化を示している。
図９を参照すると、コンデンサ３３の容量を大きくした場合、当該コンデンサ３３の充電開始時は印加される電圧が大きくなることが分かった。またコンデンサ３３の放電は容量時定数に依存するため、コンデンサ３３の容量が大きくなると放電しきる時間が長くなることが分かった。
図１０は実験の結果、めっき析出量を示すグラフであり、縦軸はめっき析出量を示し、横ジムはめっき時間を示している。図１０においては、コンデンサ３３の容量を４７０ｐＦ、２２０ｐＦ、１１０ｐＦに変化させた場合（４７０ｐＦ外付け、２２０ｐＦ外付け、１１０ｐＦ外付け）のめっき析出量を示している。また、従来の特開２０１５−４１２４号公報に記載された図７に示すめっき処理装置を用いて実験を行い（二重電極）、その結果得られためっき析出量も示している。なお、この従来の二重電極の実効容量は５０ｐＦと推定される。
図１０を参照すると、従来の特開２０１５−４１２４号公報に記載されためっき処理装置に比して、本発明のめっき処理装置を用いた方が、銅めっき５０の析出速度が大きくなり、析出量が大きくなることが分かった。また、本発明においても、コンデンサ３３の容量を大きくすると、銅めっき５０の析出速度が大きくなり、析出量が大きくなることが分かった。
したがって、本発明のようにめっき処理装置１にコンデンサ３３を設けた構成でも、等価回路計算で示されるとおりの効果を得ることができ、めっき処理のレートを向上させることができることが分かった。なお、コンデンサ３３の容量は、放電の容量時定数で最適化が必要となる。
１ めっき処理装置
２０ 共通電極
２１ 対向電極
３０ 直流電源
３１ 第１の配線
３２ 第２の配線
３３ コンデンサ
３４ スイッチ
４０ 制御部
５０ 銅めっき
１００ スイッチ
Ｃ 銅イオン
Ｍ めっき液
Ｓ 硫酸イオン
２０ 共通電極
２１ 対向電極
３０ 直流電源
３１ 第１の配線
３２ 第２の配線
３３ コンデンサ
３４ スイッチ
４０ 制御部
５０ 銅めっき
１００ スイッチ
Ｃ 銅イオン
Ｍ めっき液
Ｓ 硫酸イオン
Claims (8)
- 処理液に含まれる被処理イオンを用いて所定の処理を行う電解処理装置であって、
前記処理液を挟むように配置された共通電極と対向電極を有し、
前記共通電極には第１の配線と第２の配線が接続され、且つ前記第１の配線にはコンデンサが設けられ、
前記電解処理装置には前記所定の処理を制御する制御部が設けられ、
前記所定の処理は、
前記第１の配線と前記第２の配線を接続せずに前記コンデンサの充電を行うことで、前記共通電極は前記処理液に電界を形成し、前記処理液中の被処理イオンを前記対向電極側に移動させ、
前記第１の配線と前記第２の配線を接続して前記コンデンサの放電を行うことで、前記共通電極は前記対向電極との間で電圧を印加し、前記対向電極側に移動した前記被処理イオンを酸化又は還元することを含むことを特徴とする、電解処理装置。
- 前記第１の配線と前記第２の配線の接続又は非接続を切り替えるスイッチをさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の電解処理装置。
- 前記第１の配線において、前記コンデンサは並列に複数設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電解処理装置。
- 前記コンデンサは前記処理液の外部に設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解処理装置。
- 処理液に含まれる被処理イオンを用いて所定の処理を行う電解処理方法であって、
前記処理液を挟むように共通電極と対向電極を配置すると共に、前記共通電極に第１の配線と第２の配線を接続し、且つ前記第１の配線にコンデンサを設ける第１の工程と、
前記第１の配線と前記第２の配線を接続せずに前記コンデンサの充電を行うことで、前記処理液に電界を形成し、前記処理液中の被処理イオンを前記対向電極側に移動させる第２の工程と、
前記第１の配線と前記第２の配線を接続して前記コンデンサの放電を行うことで、前記共通電極と前記対向電極との間で電圧を印加し、前記対向電極側に移動した前記被処理イオンを酸化又は還元する第３の工程と、を有することを特徴とする、電解処理方法。 - 前記第２の工程における前記第１の配線と前記第２の配線の非接続と、前記第３の工程における前記第１の配線と前記第２の配線の接続との切り替えは、スイッチによって行われることを特徴とする、請求項５に記載の電解処理方法。
- 前記第１の工程において、前記第１の配線に前記コンデンサを並列に複数設けることを特徴とする、請求項５又は６に記載の電解処理方法。
- 前記第１の工程において、前記コンデンサを前記処理液の外部に設けることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の電解処理方法。
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