JP6806014B2 - Metal film film forming equipment - Google Patents
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Description
本発明は、基材の表面に金属皮膜を成膜する成膜装置に係り、特に、陽極と基材との間に電圧を印加することにより、基材の表面に膜厚の異なる金属皮膜を成膜することができる金属皮膜の成膜装置に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus for forming a metal film on the surface of a base material, and in particular, by applying a voltage between an anode and the base material, a metal film having a different film thickness is formed on the surface of the base material. The present invention relates to a metal film forming apparatus capable of forming a film.
従来から、基材の表面に金属皮膜を成膜する際には、固体電解質膜を備えた成膜装置が利用されている。このような成膜装置として、たとえば、例えば、特許文献1には、基材の表面に、部分的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、陽極と基材との間に配置される固体電解質膜と、陽極と固体電解質膜に接触するように金属溶液を収容する溶液収容部と、陽極と基材との間に電圧を印加する電源部と、備えている。
Conventionally, when forming a metal film on the surface of a base material, a film forming apparatus provided with a solid electrolyte film has been used. As such a film forming apparatus, for example,
この成膜装置の固体電解質膜には、基材の表面のうち金属皮膜が成膜される成膜領域に固体電解質膜が接触し、成膜領域を除く表面に固体電解質膜が非接触となるように、成膜領域に接触する接触面に対して凹んだ凹部が形成されている。これにより、固体電解質膜の接触面は、成膜領域に部分的に接触するため、基材の表面に部分的に金属皮膜を成膜することができる。 On the solid electrolyte film of this film forming apparatus, the solid electrolyte film comes into contact with the film forming region on the surface of the base material on which the metal film is formed, and the solid electrolyte film is not in contact with the surface other than the film forming region. As described above, a recess is formed with respect to the contact surface in contact with the film-forming region. As a result, the contact surface of the solid electrolyte film partially contacts the film formation region, so that a metal film can be partially formed on the surface of the base material.
しかしながら、特許文献1に示す成膜装置を用いた場合、固体電解質膜と基材とが接触している界面に均一に金属が析出するため、基材上に厚みの異なる金属皮膜を形成しようとすると、薄い金属皮膜を形成したあと、厚い金属皮膜を形成したい領域以外に凹部が形成された固体電解質膜を用いて、再度成模する必要があり、製造に時間がかかる。
However, when the film forming apparatus shown in
本発明はこのような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、異なる厚みの金属皮膜を簡単に成膜することができる金属皮膜の成膜装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a metal film forming apparatus capable of easily forming metal films having different thicknesses.
このような点に鑑みて、本発明に係る金属皮膜の成膜装置は陽極と、前記陽極と陰極となる基材との間に配置される固体電解質膜と、前記陽極と前記固体電解質膜との間において、前記陽極と前記固体電解質膜に金属イオンを含む金属溶液が接触するように、前記金属溶液を収容する溶液収容部と、前記陽極と前記基材との間に電圧を印加する電源部とを、備えた金属皮膜の成膜装置であって、前記溶液収容部は、収容された前記金属溶液を、前記固体電解質膜に加圧するものであり、前記溶液収容部の内部には、前記固体電解質膜を覆うように前記固体電解質膜に隣接し、かつ、複数の貫通孔が形成された遮蔽板が配置されており、前記遮蔽板は、比誘電率が2.0〜5.4の誘電体であり、引張強さが、19〜80MPaであり、曲げ弾性率が50GPa以下の樹脂材料からなることを特徴とする。 In view of these points, the metal film forming apparatus according to the present invention includes an anode, a solid electrolyte film arranged between the anode and a base material serving as a cathode, and the anode and the solid electrolyte film. A power source that applies a voltage between the solution accommodating portion accommodating the metal solution and the anode and the base material so that the metal solution containing metal ions comes into contact with the anode and the solid electrolyte membrane. A metal film film forming apparatus provided with a portion, wherein the solution accommodating portion pressurizes the accommodating metal solution onto the solid electrolyte membrane, and the inside of the solution accommodating portion includes. A shielding plate adjacent to the solid electrolyte membrane and having a plurality of through holes formed is arranged so as to cover the solid electrolyte membrane, and the shielding plate has a relative dielectric constant of 2.0 to 5.4. It is a dielectric of the above, and is characterized by being made of a resin material having a tensile strength of 19 to 80 MPa and a bending elasticity of 50 GPa or less.
本発明によれば、固体電解質膜と基材が接触する領域に金属イオンが析出する。また、遮蔽板の比誘電率を2.0〜5.4の誘電体にしたので、陽極付近に正電荷が増加して基材付近に負電荷が増加すると、基材と固体電解質膜の界面に誘電分極(界面分極)が生じる。これにより、遮蔽板の貫通孔に対応する部分にはより厚みの大きい金属皮膜が基材に成膜される。このようにして、一度の成膜工程で、基材上に厚みの異なる金属皮膜を形成することができる。 According to the present invention, metal ions are deposited in the region where the solid electrolyte membrane and the base material are in contact with each other. In addition, since the relative permittivity of the shielding plate is set to a dielectric of 2.0 to 5.4, when the positive charge increases near the anode and the negative charge increases near the base material, the interface between the base material and the solid electrolyte film Dielectric polarization (interfacial polarization) occurs in. As a result, a thicker metal film is formed on the base material in the portion corresponding to the through hole of the shielding plate. In this way, metal films having different thicknesses can be formed on the base material in one film forming step.
また、溶液収容部は、収容された金属溶液(電解液)を、固体電解質膜に加圧するものであるので、金属溶液の液圧で、固体電解質膜が変形する。このような場合であっても、遮蔽板の材料に、引張強さを19〜80MPaとなり、曲げ弾性率を50GPa以下となる樹脂材料を選定したので、固体電解質膜の応力変形に、遮蔽板を追従させることができる。このため、遮蔽板の貫通孔の形状に応じて金属皮膜の厚みを大きくし、貫通孔の形状に応じた形状が鮮明となるように、金属皮膜を成膜することができる。 Further, since the solution accommodating portion pressurizes the accommodating metal solution (electrolyte solution) on the solid electrolyte membrane, the solid electrolyte membrane is deformed by the hydraulic pressure of the metal solution. Even in such a case, a resin material having a tensile strength of 19 to 80 MPa and a flexural modulus of 50 GPa or less was selected as the material of the shielding plate, so that the shielding plate was used for stress deformation of the solid electrolyte membrane. It can be made to follow. Therefore, the thickness of the metal film can be increased according to the shape of the through hole of the shielding plate, and the metal film can be formed so that the shape corresponding to the shape of the through hole becomes clear.
さらに、溶液収容部において、固体電解質膜と遮蔽板と間に、わずかに間隙を設ければ、固体電解質膜と遮蔽板の界面に生じたガスが蓄積されることはないので、基材に対する固体電解質膜の面圧ばらつきを抑制することができる。 Further, if a slight gap is provided between the solid electrolyte membrane and the shielding plate in the solution accommodating portion, the gas generated at the interface between the solid electrolyte membrane and the shielding plate will not be accumulated, so that the solid with respect to the base material. It is possible to suppress variations in the surface pressure of the electrolyte membrane.
以下に本発明の実施形態に係る金属皮膜の成膜を好適に実施することができる成膜装置について、図1〜図3を参照しながら説明する。 Hereinafter, a film forming apparatus capable of preferably performing film formation of a metal film according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
1−1.成膜装置1について
図1は、本発明の実施形態の金属皮膜の成膜装置1の模式的分解斜視図であり、図2(a)は、図1に示す成膜装置1の要部断面図であり、(b)は、(a)の成膜前の状態を示す断面図である。図3は、図1に示す成膜装置1による金属皮膜Fの成膜を説明するための模式的図である。図1に示すように、本実施形態に係る成膜装置1は、基材Wの表面wfに金属皮膜Fを成膜する装置である。
1-1. About the
基材Wの表面wfが金属である場合には、基材Wは、アルミニウム系(アルミニウムまたはその合金)材料、または、銅系(銅またはその合金)材料からなってもよく、シリコン基板または樹脂基板などの非導電性基板の表面に上述した金属の表面層が形成されている基材であってもよい。 When the surface wf of the base material W is a metal, the base material W may be made of an aluminum-based (aluminum or an alloy thereof) material or a copper-based (copper or an alloy thereof) material, and is a silicon substrate or a resin. It may be a base material in which the above-mentioned metal surface layer is formed on the surface of a non-conductive substrate such as a substrate.
成膜装置1は、陽極11と、陽極11と陰極となる基材Wとの間に配置される固体電解質膜13と、陽極11と固体電解質膜13に接触するように、金属イオンを含む金属溶液Lを収容する溶液収容部15と、陽極11と基材Wとの間に電圧を印加する電源部16とを備えている。
The
陽極11は、金属溶液Lに対して不溶性を有した酸化ルテニウム、白金、酸化イリジウムなどを挙げることができ、これらの金属が銅板などに被覆された陽極であってもよい。本実施形態では、陽極11は、金属皮膜の金属と同じ金属(金属溶液Lの金属イオンの金属)からなる可溶性の陽極であってもよく、例えば、金属皮膜がニッケル皮膜である場合には、陽極11はニッケルからなる。
Examples of the
固体電解質膜13は、上述した金属溶液Lに接触させることにより、金属イオンを内部に含浸することができ、電圧を印加したときに基材Wの表面において金属イオン由来の金属を析出することができるのであれば、特に限定されるものではない。固体電解質膜の材質としては、たとえばデュポン社製のナフィオン(登録商標)などのフッ素系樹脂、炭化水素系樹脂、ポリアミック酸樹脂、旭硝子社製のセレミオン(CMV、CMD、CMFシリーズ)などのイオン交換機能を有した樹脂を挙げることができる。
The
溶液収容部15は、陽極11と固体電解質膜13の間において、陽極11と固体電解質膜13に金属溶液Lが接触するように、金属溶液Lを収容するものである。溶液収容部15には、金属溶液Lを供給する供給通路15aと、これを排出する排出通路15bが形成されている。溶液収容部15は、金属溶液Lに対して不溶性の材料からなり、金属製および樹脂製のいずれであってもよい。
The
金属溶液Lは、たとえば、銅、ニッケル、銀などのイオンを含む電解液などを挙げることができ、金属溶液Lには、金属皮膜となる金属が、イオンの状態で存在する。 Examples of the metal solution L include an electrolytic solution containing ions such as copper, nickel, and silver. In the metal solution L, a metal to be a metal film exists in an ion state.
溶液収容部15は、溶液供給装置21に接続されている。溶液供給装置21は、金属溶液Lを収容する収容槽(図示せず)と、収容槽から金属溶液Lを圧送する圧送ポンプ(図示せず)と、を備えており、溶液収容部15の供給通路15aに、金属溶液Lを圧送して供給するように接続されている。これにより、溶液収容部15が、収容された金属溶液Lを、固体電解質膜13に加圧することができる。
The
さらに、溶液供給装置21は、溶液収容部15の排出通路15bからの金属溶液Lを回収するように、排出通路15bに接続されている。このようにして、溶液供給装置21により装置内で金属溶液Lを循環させることができる。
Further, the
本実施形態では、溶液収容部15の内部には、固体電解質膜13を覆うように固体電解質膜13に隣接し、かつ、複数(具体的には、4×4個)の貫通孔14cが形成された遮蔽板14が配置されている。遮蔽板14は、固体電解質膜13に対して非接触であることが好ましい。遮蔽板14は、比誘電率が2.0〜5.4の誘電体であり、引張強さが、19〜80MPaであり、曲げ弾性率が50GPaよりも小さい樹脂材料からなる。遮蔽板14の樹脂材料としては、たとえば、ナイロン66、MCナイロン(高結晶ナイロン)、または塩化ビニルなどを挙げることができる。
In the present embodiment, a plurality of (specifically, 4 × 4) through
1−2.成膜装置1を用いた成膜方法について
まず、図1および図2(b)に示すように、成膜装置1の固体電解質膜13に対向する位置に、基材Wを配置する。次に、固体電解質膜13の表面が、基材Wの表面wfに接触するように固体電解質膜13を基材Wに配置する。
1-2. About the film forming method using the
この配置状態で、溶液供給装置21を稼働させて、溶液収容部15に金属溶液Lを供給し、溶液収容部15内の金属溶液Lを加圧することにより、金属溶液Lの液圧で、固体電解質膜13を基材Wの表面wfに加圧する。
In this arrangement state, the
次に、電源部16により、陽極11と基材Wとの間に電圧を印加する。これにより、図3に示すように、固体電解質膜13と基材Wが接触する領域に金属イオンが析出し、基材Wの表面に金属皮膜Fが形成される。ここで、図3に示す拡散層は、金属イオンを含む金属溶液が、固体電解質膜13から基材Wに拡散した層であり、この層でも、僅かに金属が析出する。
Next, a voltage is applied between the
本実施形態では、遮蔽板14の比誘電率を2.0〜5.4の誘電体にしたので、陽極11付近に正電荷が増加して、基材W付近に負電荷が増加すると、基材Wと固体電解質膜13の界面に誘電分極(界面分極)が生じる。これにより、遮蔽板14の貫通孔14cに対応する部分にはより厚みの大きい金属皮膜Fが基材Wの表面wfに成膜される。このようにして、一度の成膜工程で、基材Wの表面wfに厚みの異なる金属皮膜Fを形成することができる。
In the present embodiment, since the relative permittivity of the shielding
また、溶液収容部15は、収容された金属溶液(電解液)Lを、固体電解質膜13に加圧するものであるので、金属溶液Lの液圧で、固体電解質膜13が変形する。このような場合であっても、遮蔽板14の材料に、引張強さが19〜80MPaであり、曲げ弾性率を50GPaよりも小さい樹脂材料を選定したので、固体電解質膜13の応力変形に、遮蔽板14を追従させることができる。このため、遮蔽板14の貫通孔14cの形状に応じて金属皮膜Fの厚みを大きくし、貫通孔14cの形状に応じた形状が鮮明となるように、金属皮膜Fを成膜することができる。
Further, since the
溶液収容部15において、固体電解質膜13と遮蔽板14と間にわずかに間隙を設ければ、固体電解質膜13と遮蔽板14の界面に生じたガスが蓄積されることはないので、基材Wに対する固体電解質膜13の面圧ばらつきを抑制することができる。
If a slight gap is provided between the
ここで、電源部16により、陽極11と基材Wとの間に電圧を印加したときにおける、固体電解質膜13および遮蔽板14の分極について説明する。固体電解質膜13および遮蔽板14は、高分子樹脂からなり、絶縁体であるので電気を通さない。しかし、電源部16による電圧の印加により、高分子樹脂を電場の中に配置すると、電子、原子、および双極子が励起され、これらが分極する。これらの分極は、固体電解質膜13および遮蔽板14の内部で生じる。
Here, the polarization of the
電子分極は、原子間に局在化している電子が励起され、正の電極に向かうセグメントと負の電極に向かうセグメントに分かれ、分子全体として電子の偏りを生じる分極である。原子分極は、正および負の電荷をもって分布している原子が、それぞれの電極に引き寄せられ、偏位するために発生する分極である。双極子分極(配向分極)は、極性官能基を有する分子が電場に置かれると、分極している双極子が回転及び配向することによりさらに分極が進む現象である。 Electron polarization is polarization in which electrons localized between atoms are excited and divided into a segment toward a positive electrode and a segment toward a negative electrode, causing an electron bias in the entire molecule. Atomic polarization is the polarization that occurs when atoms distributed with positive and negative charges are attracted to and deviated from their respective electrodes. Dipole polarization (orientation polarization) is a phenomenon in which when a molecule having a polar functional group is placed in an electric field, the polarized dipoles rotate and orient, resulting in further polarization.
さらに、界面分極とは、不均質誘電体で相間の誘電率と伝導率の比が異なる場合、界面に電荷が蓄積され、分極するという現象でありMaxwell−Wagner効果と呼ばれる。本実施形態では、基材Wと固体電解質膜13の界面にこの界面分極が生じる。
Further, the interfacial polarization is a phenomenon in which electric charges are accumulated at the interface and polarized when the ratio of the dielectric constant and the conductivity between the phases is different in the inhomogeneous dielectric material, which is called the Maxwell-Wagner effect. In the present embodiment, this interfacial polarization occurs at the interface between the base material W and the
具体的には、上述した分極が緩和する緩和時間の異なる材料の界面に電流が流れ込む際には、界面に電荷の蓄積が起きる。より詳細に説明すると、材料内を電荷が広がる速さは緩和時間によって律速されるが、それが異なる材料の界面では電荷の広がる速さが違うため電荷の蓄積が起きることになる。このように異なる材料の界面に電荷が蓄積されることにより、界面分極が生じる。 Specifically, when a current flows into the interface of the above-mentioned materials having different relaxation times for relaxing the polarization, electric charge is accumulated at the interface. More specifically, the rate of charge spread in the material is controlled by the relaxation time, but at the interface of different materials, the rate of charge spread is different, resulting in charge accumulation. The accumulation of electric charges at the interfaces of different materials in this way causes interfacial polarization.
誘電体(絶縁体)を材質とした遮蔽板14を使用して金属皮膜Fの成膜を実施すると、Maxwell−Wagner効果も加味されて、誘電分極(導体に金属イオンが近づくと、導体内の自由電子が移動して、金属イオンに近い側には異符号であるマイナスの電気が発生し、遠い側には同符号のプラスの電気が現れる現象)が発生する。
When the metal film F is formed by using the shielding
以下の実施例では、誘電体である固体電解質膜と金属溶液の界面に、誘電率の異なる遮蔽板を配置し、電極間に電圧を印加して、界面分極(Maxwell−Wagner効果)が金属皮膜に与える影響を、定性的には金属皮膜の形態観察から、定量的には金属皮膜の重量測定から調査した。 In the following examples, shielding plates having different dielectric constants are arranged at the interface between the solid electrolyte film which is a dielectric and the metal solution, and a voltage is applied between the electrodes to cause the interfacial polarization (Maxwell-Wagner effect) to be a metal film. The effect on the metal film was investigated qualitatively from the morphological observation of the metal film and quantitatively from the weight measurement of the metal film.
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。 The present invention will be described below based on examples.
<実施例1>
陽極としてニッケル板(製品番:NI−313551、大きさ:厚さ2mm×40×50mm、(株)ニラコ製)、電解液(金属溶液)として(1M塩化ニッケル、酢酸/酢酸ニッケル緩衝液0.5M)水溶液(pH3.0)、固体電解質膜としてイオン交換膜(電解質膜:CSH50、旭硝子社製)を準備した。
<Example 1>
Nickel plate as an anode (product number: NI-313551, size:
また、陰極としての基材としてニッケル箔(膜厚:15μm、大きさ;260×35mm、福田金属箔粉工業(株)製)、遮蔽板として、ナイロン66からなる樹脂製の遮蔽板(大きさ:30×30×2mm、貫通孔径;2mm、貫通乱数;16個、ピッチ:4mm)を準備した。 A resin shielding plate made of nickel foil (thickness: 15 μm, size; 260 × 35 mm, manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Industry Co., Ltd.) as a base material as a cathode and nylon 66 as a shielding plate (size). : 30 × 30 × 2 mm, through hole diameter; 2 mm, through random number; 16, pitch: 4 mm) was prepared.
成膜条件は、基材温度を80℃、圧力(液圧)を0.5MPa、成膜速度を20μm/分、ニッケル皮膜の成膜面積を50mm2、ニッケル膜厚を50μmとした。なお、ニッケル箔(基材)にニッケル皮膜を成摸する前に、25%塩酸でニッケル箔を10分間リンスし、金属溶液と固体電解質膜の界面に遮蔽板を配置した。遮蔽板のナイロン66では、比誘電率が3.45の誘電体であり、引張強さが80MPaであり、曲げ弾性率が2.9GPaの樹脂材料である。 The film forming conditions were a substrate temperature of 80 ° C., a pressure (hydraulic pressure) of 0.5 MPa, a film forming rate of 20 μm / min, a nickel film film forming area of 50 mm 2 , and a nickel film film of 50 μm. Before forming a nickel film on the nickel foil (base material), the nickel foil was rinsed with 25% hydrochloric acid for 10 minutes, and a shielding plate was placed at the interface between the metal solution and the solid electrolyte film. Nylon 66, which is a shielding plate, is a resin material having a relative permittivity of 3.45, a tensile strength of 80 MPa, and a flexural modulus of 2.9 GPa.
なお、遮蔽板の比誘電率は、静電容量方式比誘電率測定装置(製品名;DPS17、DCバイアス;40V、AC振幅電圧;5mV−2Vrms、キーコム(株))を用いて、JlS C2101に基づき測定した。また、遮蔽板の機械特性(引張強さ及び曲げ弾性率)は、万能型引張試験機(製品番;5566、インストロン社)を用いて、JISK7161及びJISK7171に基づいて測定した。 The relative permittivity of the shielding plate was adjusted to JlS C2101 using a capacitance type relative permittivity measuring device (product name; DPS17, DC bias; 40V, AC amplitude voltage; 5mV-2Vrms, Keycom Co., Ltd.). Measured based on. The mechanical properties (tensile strength and flexural modulus) of the shielding plate were measured based on JISK7161 and JISK7171 using a universal tensile tester (product number: 5566, Instron).
ニッケル皮膜の成膜前後で固体電解質膜と基材の合計重量を測定し、合計重量の差をニッケル成膜の重量と定義した。また、マイクロスコープ(VH−8000(株)キーエンス)により、ニッケル皮膜の外観を観察した。ここで、ニッケル皮膜の重量を測定する際、電解質膜とニッケル基材の合計重量を測定した理由は、ニッケル皮膜を成膜する際、Maxwell−Wagner効果により固体電解質膜の表面にニッケル皮膜が成長し、ニッケル皮膜と電解質膜が密着して、ニッケル皮膜重量を測定することが困難となる可能性が高かったためである。 The total weight of the solid electrolyte film and the base material was measured before and after the formation of the nickel film, and the difference in the total weight was defined as the weight of the nickel film formation. In addition, the appearance of the nickel film was observed with a microscope (Keyence Co., Ltd., VH-8000). Here, the reason why the total weight of the electrolyte film and the nickel base material was measured when measuring the weight of the nickel film is that the nickel film grows on the surface of the solid electrolyte film due to the Maxwell-Wagner effect when the nickel film is formed. However, there is a high possibility that the nickel film and the electrolyte film are in close contact with each other, making it difficult to measure the weight of the nickel film.
<実施例2>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板がMCナイロン(高結晶ナイロン)からなる点である。遮蔽板のMCナイロン(高結晶ナイロン)では、比誘電率が4.25の誘電体であり、引張強さが76MPaであり、曲げ弾性率が2.5GPaの樹脂材料である。
<Example 2>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that the shielding plate is made of MC nylon (highly crystalline nylon). The shielding plate MC nylon (highly crystalline nylon) is a resin material having a relative permittivity of 4.25, a tensile strength of 76 MPa, and a flexural modulus of 2.5 GPa.
<実施例3>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板が塩化ビニルからなる点である。遮蔽板の塩化ビニルは、比誘電率が5.4の誘電体であり、引張強さが19MPaであり、曲げ弾性率が2.9GPaの樹脂材料である。
<Example 3>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that the shielding plate is made of vinyl chloride. The vinyl chloride of the shielding plate is a resin material having a relative permittivity of 5.4, a tensile strength of 19 MPa, and a flexural modulus of 2.9 GPa.
<実施例4>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板がポリテトラフルオロエチレン(PTFE)らなる点である。遮蔽板のポリテトラフルオロエチレンでは、比誘電率が4の誘電体であり、引張強さが25MPaであり、曲げ弾性率が0.5GPaの樹脂材料である。
<Example 4>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from Example 1 is that the shielding plate is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like. The shielding plate polytetrafluoroethylene is a resin material having a relative permittivity of 4, a tensile strength of 25 MPa, and a flexural modulus of 0.5 GPa.
<比較例1>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板を設けなかった点である。
<Comparative example 1>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that the shielding plate is not provided.
<比較例2>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板がステンレス鋼(SUS304)からなる点である。遮蔽板のステンレス鋼では、比誘電率が1であり、引張強さが520MPaであり、曲げ弾性率が197GPaの金属材料である。
<Comparative example 2>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that the shielding plate is made of stainless steel (SUS304). The stainless steel of the shielding plate is a metal material having a relative permittivity of 1, a tensile strength of 520 MPa, and a flexural modulus of 197 GPa.
<比較例3>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板がフェノール樹脂からなる点である。遮蔽板のフェノール樹脂では、比誘電率が7.5の誘電体であり、引張強さが5MPaであり、曲げ弾性率が8GPaの樹脂材料である。したがって、比較例3では、フェノール樹脂の比誘電率および引張強さが、本発明の範囲から外れている。
<Comparative example 3>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from Example 1 is that the shielding plate is made of phenol resin. The phenolic resin of the shielding plate is a dielectric material having a relative permittivity of 7.5, a tensile strength of 5 MPa, and a flexural modulus of 8 GPa. Therefore, in Comparative Example 3, the relative permittivity and tensile strength of the phenolic resin are out of the scope of the present invention.
<比較例4>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板がシリコーン樹脂からなる点である。遮蔽板のシリコーン樹脂では、比誘電率が5の誘電体であり、引張強さが120MPaであり、曲げ弾性率が13GPaの樹脂材料である。したがって、比較例4では、シリコーン樹脂の引張強さが、本発明の範囲を超えている。
<Comparative example 4>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that the shielding plate is made of a silicone resin. The silicone resin of the shielding plate is a dielectric material having a relative permittivity of 5, a tensile strength of 120 MPa, and a flexural modulus of 13 GPa. Therefore, in Comparative Example 4, the tensile strength of the silicone resin exceeds the scope of the present invention.
<比較例5>
実施例1と同じように、ニッケル皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、遮蔽板がウレタンゴムからなる点である。遮蔽板のウレタンゴムでは、比誘電率が7の誘電体であり、引張強さが60MPaであり、曲げ弾性率が10GPaの樹脂材料である。したがって、比較例5では、ウレタンゴムの比誘電率が、本発明の範囲を超えている。
<Comparative example 5>
A nickel film was formed in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that the shielding plate is made of urethane rubber. The urethane rubber of the shielding plate is a resin material having a relative permittivity of 7, a tensile strength of 60 MPa, and a flexural modulus of 10 GPa. Therefore, in Comparative Example 5, the relative permittivity of the urethane rubber exceeds the range of the present invention.
(成膜時の電圧変化の測定とその結果)
実施例1〜4および比較例1〜5の成膜装置で成膜した際に、陽極と基材との間の電圧変化を測定した。この結果を、図4〜図8に示す。図4(a)、(b)は、実施例1、2に係る陽極と基材との間の電圧変化を示したグラフであり、図5(a)、(b)は、実施例3、4に係る陽極と基材との間の電圧変化を示したグラフである。図6(a)、(b)は、比較例1、2に係る陽極と基材との間の電圧変化を示したグラフである。図7は、比較例3に係る陽極と基材との間の電圧変化を示したグラフである。図8(a)、(b)は、比較例4、5に係る陽極と基材との間の電圧変化を示したグラフである。なお、成膜されたニッケル皮膜を、上述したマイクロスコープで観察した。
(Measurement of voltage change during film formation and its result)
The voltage change between the anode and the substrate was measured when the film was formed by the film forming apparatus of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5. The results are shown in FIGS. 4 to 8. 4 (a) and 4 (b) are graphs showing voltage changes between the anode and the base material according to Examples 1 and 2, and FIGS. 5 (a) and 5 (b) are FIGS. It is a graph which showed the voltage change between the anode and the base material which concerns on 4. 6 (a) and 6 (b) are graphs showing voltage changes between the anode and the base material according to Comparative Examples 1 and 2. FIG. 7 is a graph showing the voltage change between the anode and the base material according to Comparative Example 3. 8 (a) and 8 (b) are graphs showing voltage changes between the anode and the base material according to Comparative Examples 4 and 5. The nickel film formed was observed with the above-mentioned microscope.
比較例1の遮蔽板がない場合には、図6(a)に示すように、電圧が一定の方形波となり、固体電解質膜側に水酸化ニッケルが、陰極(基材)側にニッケル皮膜が形成されるが、均一な成膜とはならなかった。 When there is no shielding plate of Comparative Example 1, as shown in FIG. 6A, the voltage becomes a constant square wave, nickel hydroxide is formed on the solid electrolyte film side, and a nickel film is formed on the cathode (base material) side. It was formed, but the film was not uniform.
比較例2の遮蔽板の材質が導体(ステンレス鋼)である場合には、図6(b)に示すように、電位は電圧印加から時間と共に増加し、極大値をとってから二段階のプラトー領域を経て、カットオフされた。遮蔽板の貫通孔形状には、ニッケル皮膜が成膜されないことがわかった。これは、比較例2の場合には、導体(金属)を材質とした遮蔽板を使用したので、静電誘導および電気のチャージアップが発生したことによると考えられる。 When the material of the shielding plate of Comparative Example 2 is a conductor (stainless steel), as shown in FIG. 6 (b), the potential increases with time from the application of voltage, and after reaching the maximum value, a two-step plateau It was cut off through the area. It was found that a nickel film was not formed on the through-hole shape of the shielding plate. It is considered that this is because in the case of Comparative Example 2, since the shielding plate made of the conductor (metal) was used, electrostatic induction and electric charge-up occurred.
一方、遮蔽板の材質が誘電体(絶縁体)として、ナイロン66(実施例1)、MCナイロン(実施例2)、塩化ビニル(実施例3)、ポリテトラフルオロエチレン(実施例4)、および、フェノール樹脂(比較例3)を使用した場合、成膜されたニッケル皮膜を観察すると、遮蔽板の貫通孔の形状に応じて、膜厚の厚いニッケル皮膜が形成されており、成膜時に、ニッケルイオンが貫通孔に収束したと考えられる。 On the other hand, as the material of the shielding plate is a dielectric (insulator), nylon 66 (Example 1), MC nylon (Example 2), vinyl chloride (Example 3), polytetrafluoroethylene (Example 4), and When a phenol resin (Comparative Example 3) is used, when the formed nickel film is observed, a thick nickel film is formed according to the shape of the through hole of the shielding plate. It is considered that the nickel ions converged on the through holes.
しかしながら、遮蔽板の材質が誘電体(絶縁体)であっても、遮蔽板の材質にシリコーン樹脂(比較例4)およびウレタンゴム(比較例5)を使用した場合には、遮蔽板の貫通孔の形状に応じて、膜厚の厚いニッケル皮膜が形成されず、成膜時に、ニッケルイオンが貫通孔に収束しなかったと考えられる。 However, even if the material of the shielding plate is a dielectric (insulator), when silicone resin (Comparative Example 4) and urethane rubber (Comparative Example 5) are used as the material of the shielding plate, the through holes of the shielding plate are used. It is considered that a thick nickel film was not formed according to the shape of the film, and the nickel ions did not converge on the through holes during the film formation.
また、図4、図5、図7から、遮蔽板の貫通孔形状にニッケルイオンを収束できた誘電体(絶縁体)のうち、ナイロン66(実施例1)、MCナイロン(実施例2)、ポリテトラフルオロエチレン(実施例4)、およびフェノール樹脂(比較例3)においては、電圧は電圧印加から時間と共に増加して、極大値をとってから緩やか減少し、プラトー領域を経て、カットオフされていた。一方、塩化ビニル(実施例3)においては、電圧は時間とともに増加して、極大値をとってから急激に増加し、10Vに達してからプラトー領域(80秒から140秒の間)なり、140秒から二つの極大値をとって減少し、カットオフされることがわかった。 Further, from FIGS. 4, 5, and 7, nylon 66 (Example 1), MC nylon (Example 2), among the dielectrics (insulators) capable of converging nickel ions in the shape of the through hole of the shielding plate, In polytetrafluoroethylene (Example 4) and phenol resin (Comparative Example 3), the voltage increases with time from the application of the voltage, reaches a maximum value, then gradually decreases, and is cut off via the plateau region. Was there. On the other hand, in vinyl chloride (Example 3), the voltage increases with time, reaches a maximum value and then rapidly increases, reaches a plateau region (between 80 seconds and 140 seconds) after reaching 10 V, and becomes 140. It was found that it was cut off by taking two maximums from seconds and decreasing.
このように、誘電体(絶縁体)を材質とした遮蔽板を使用すると、ある条件では、遮蔽板の貫通孔形状にニッケルイオンを収束することが可能になることがわかった。一方、金属(導体)を材質とした遮蔽板を使用すると、ニッケルイオンを収束することができないことがわかった。 As described above, it was found that when a shielding plate made of a dielectric (insulator) is used, nickel ions can be converged to the shape of the through hole of the shielding plate under certain conditions. On the other hand, it was found that nickel ions could not be converged when a shielding plate made of metal (conductor) was used.
なお、図7に、フェノール樹脂からなる遮蔽板を使用した時間−電圧曲線における各時間毎の現象を説明する。上述したニッケル皮膜の成膜は定電流方式により、陽極及び基材(陰極)に小さな電圧を印加し、そのあとニッケル皮膜の成膜に必要な値まで電圧を増加し、ニッケル皮膜の成膜を実施した。そのときに発生する現象は図7に記載した(1)→(2)→(3)→(4)のように進む。 Note that FIG. 7 illustrates the phenomenon of each time in the time-voltage curve using the shielding plate made of phenol resin. To form the nickel film described above, a small voltage is applied to the anode and the base material (cathode) by a constant current method, and then the voltage is increased to the value required for forming the nickel film to form the nickel film. Carried out. The phenomenon that occurs at that time proceeds as shown in FIG. 7 (1) → (2) → (3) → (4).
図7に示す電圧波形(1)のように、陽極及び基材(陰極)間に小さな電圧を印加すると、金属溶液中に含まれるイオンの瞬間移動が起き、短時間で各界面に電荷が蓄積する。 As shown in the voltage waveform (1) shown in FIG. 7, when a small voltage is applied between the anode and the substrate (cathode), teleportation of ions contained in the metal solution occurs, and charges are accumulated at each interface in a short time. To do.
次に、電圧波形(2)のように、電圧をさらに上げていくと、電気的性質の異なる相が接する界面の電気エネルギーが十分な値となり、電気二重層と界面分極が形成される(電気二重層を充電する非ファラデー電流が流れる)。 Next, as shown in the voltage waveform (2), when the voltage is further increased, the electric energy at the interface where the phases having different electrical properties are in contact becomes a sufficient value, and the electric double layer and the interface polarization are formed (electricity). Non-faraday current to charge the double layer flows).
次に、電圧波形(3)のように、金属溶液が陽極に電子を供与し、基材(陰極)から電子を受容して、電解反応が開始する。電解反応が進むと、陽極付近の金属溶液は正電荷が増加し(負電荷が減少し)、基材(陰極)付近の溶液は負電荷が増加(正電荷が減少)する(電子授受律速のファラデー電流が流れる)。 Next, as shown in the voltage waveform (3), the metal solution donates electrons to the anode, receives electrons from the base material (cathode), and the electrolytic reaction starts. As the electrolytic reaction progresses, the positive charge of the metal solution near the anode increases (the negative charge decreases), and the negative charge of the solution near the substrate (cathode) increases (the positive charge decreases) (electron transfer rate control). Faraday current flows).
次に、電圧波形(4)のように、過剰の電荷を打ち消し、電気的中性を形成するため、固体電解質膜及び金属溶液中のアニオンは陽極に、金属溶液中のカチオンは基材(陰極)に向かい、陽極からニッケルイオンが溶解し、基材(陰極)にニッケルイオンが輸送され、基材(陰極)の表面にニッケル皮膜が成膜される(拡散律速のファラデー電流が流れる)。このとき、界面分極が発生するため、ニッケルを基材(陰極)に収束することが可能になる。そのため、均一なニッケルイオンを収束させるためには、(4)ニッケル皮膜の成膜における電圧をプラトーにする材質の遮蔽板を選択すればよいことが考えられる。 Next, as shown in the voltage waveform (4), in order to cancel the excess charge and form electrical neutrality, the anion in the solid electrolyte membrane and the metal solution is the anode, and the cation in the metal solution is the substrate (cathode). ), Nickel ions are dissolved from the anode, nickel ions are transported to the base material (cathode), and a nickel film is formed on the surface of the base material (cathode) (diffusion-determining faraday current flows). At this time, since interfacial polarization occurs, nickel can be converged on the base material (cathode). Therefore, in order to converge the uniform nickel ions, it is conceivable to select (4) a shielding plate made of a material that makes the voltage in the formation of the nickel film a plateau.
ここで、金属溶液の液圧により、固体電解質膜を基材に押圧する液圧方式では、成膜時に、陽極と固体電解質膜との間に金属溶液が配置された状態で、固体電解質膜を基材に接触させる。この状態で、陽極と基材(陰極)との間に電圧を印加すると、金属溶液に含まれるニッケルイオンが陽極側から陰極側(基材側)に向かって移動し固体電解質膜の内部に含有され、さらにこのニッケルイオンを固体電解質膜の陰極側に析出させることができる。この成膜時においても、パスカルの原理により、固体電解質膜は、加圧された溶液の液圧により基材表面を均一に加圧するため、均一な膜厚のニッケル皮膜を基材の表面に成膜することができる。 Here, in the hydraulic method in which the solid electrolyte film is pressed against the base material by the hydraulic pressure of the metal solution, the solid electrolyte film is formed with the metal solution arranged between the anode and the solid electrolyte film at the time of film formation. Contact the substrate. In this state, when a voltage is applied between the anode and the base material (cathode), the nickel ions contained in the metal solution move from the anode side to the cathode side (base material side) and are contained inside the solid electrolyte membrane. Further, the nickel ions can be precipitated on the cathode side of the solid electrolyte membrane. Even during this film formation, according to Pascal's principle, the solid electrolyte film uniformly pressurizes the surface of the base material by the hydraulic pressure of the pressurized solution, so that a nickel film having a uniform thickness is formed on the surface of the base material. Can be filmed.
さらに、固体電解質膜と金属溶液の界面に貫通孔が形成された遮蔽板を配置した。液圧方式では、固体電解質膜を基材(陰極)に接触させたときに、金属溶液を加圧することにより、金属溶液の液圧で固体電解質膜を介して基材(陰極)を加圧しながら、ニッケル皮膜の成膜を行った。このため、成膜中の固体電解質膜及び遮蔽板は加圧により変形し、静電場により誘電分極する。そこで、ニッケル皮膜重量に依存する遮蔽板の物性(機械及び電気)を調査した。 Further, a shielding plate having through holes formed at the interface between the solid electrolyte membrane and the metal solution was placed. In the hydraulic method, when the solid electrolyte membrane is brought into contact with the base material (cathode), the metal solution is pressurized, so that the hydraulic pressure of the metal solution pressurizes the base material (cathode) through the solid electrolyte membrane. , A nickel film was formed. Therefore, the solid electrolyte film and the shielding plate during the film formation are deformed by the pressure and are dielectrically polarized by the electrostatic field. Therefore, the physical properties (mechanical and electrical) of the shielding plate, which depend on the weight of the nickel film, were investigated.
図9は、実施例1〜4および比較例2、3における遮蔽板の比誘電率とニッケル皮膜重量の関係を示したグラフである。図10は、実施例1〜4および比較例2、3における遮蔽板の引張り強さとニッケル皮膜重量の関係を示したグラフである。さらに、図11は、実施例1〜4および比較例2、3における遮蔽板の曲げ弾性率とニッケル皮膜重量の関係を示したグラフである。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the relative permittivity of the shielding plate and the weight of the nickel film in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 2 and 3. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the tensile strength of the shielding plate and the weight of the nickel film in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 2 and 3. Further, FIG. 11 is a graph showing the relationship between the flexural modulus of the shielding plate and the weight of the nickel film in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 2 and 3.
図9から、比誘電率が2.0〜5.4の範囲において、ニッケル皮膜重量が極大値となることが分かった。図10から、引張り強さが19〜80MPaの範囲においてニッケル皮膜重量の極大値があることがわかった。図11から曲げ弾性率が50GPa以下の範囲でニッケル皮膜重量が大きくなることわかった。 From FIG. 9, it was found that the nickel film weight became the maximum value in the range of the relative permittivity of 2.0 to 5.4. From FIG. 10, it was found that the nickel film weight had a maximum value in the range of the tensile strength of 19 to 80 MPa. From FIG. 11, it was found that the nickel film weight increased in the range where the flexural modulus was 50 GPa or less.
遮蔽板の比誘電率において、最適範囲が存在する理由は、成膜中において電気的性質の異なる相が接する界面に電荷がたまる界面分極(Maxwe11−Wagner効果)が発生するためと推定できる。遮蔽板の比誘電率が2.0未満である場合、5.4を超えた場合には、このような効果が得られない。比較例2のように、金属製の遮蔽板を使用すると、ニッケルイオンを収束ができなかったことは、遮蔽板表面では静電誘導が生じ(誘電分極が生じず)、界面分極(Maxwell−Wagner効果)が発生しないことによる。 It can be presumed that the reason why the optimum range exists in the relative permittivity of the shielding plate is that interfacial polarization (Maxwe11-Wagner effect) in which electric charges are accumulated at the interface where phases having different electrical properties are in contact with each other occurs during film formation. When the relative permittivity of the shielding plate is less than 2.0 and exceeds 5.4, such an effect cannot be obtained. As in Comparative Example 2, when a metal shielding plate was used, nickel ions could not be converged because electrostatic induction occurred on the shielding plate surface (dielectric polarization did not occur) and interfacial polarization (Maxwell-Wagner). Effect) does not occur.
ここで、遮蔽板の引張り強さが19MPa未満である場合、基材(陰極)を固体電解質膜で加圧の際、貫通孔が変形し、ニッケルイオンが収束し難くなると考えらえる。一方、遮蔽板の引張り強さが80MPaを超えた場合、基材(陰極)を固体電解質膜で加圧の際、遮蔽板が固体電解質膜の変形に追従できず、ニッケルイオンが収束し難くなるからであると考えられる。 Here, when the tensile strength of the shielding plate is less than 19 MPa, it is considered that when the base material (cathode) is pressurized with the solid electrolyte membrane, the through holes are deformed and the nickel ions are difficult to converge. On the other hand, when the tensile strength of the shielding plate exceeds 80 MPa, when the base material (cathode) is pressurized with the solid electrolyte film, the shielding plate cannot follow the deformation of the solid electrolyte film, and it becomes difficult for nickel ions to converge. It is thought that it is from.
また、遮蔽板の曲げ弾性率が50GPaを超えた場合にも、成膜中に固体電解質膜が変形する際、遮蔽板が固体電解質膜の変形に追従できず、ニッケルイオンが収束し難くなるからであると考えられる。 Further, even when the flexural modulus of the shielding plate exceeds 50 GPa, when the solid electrolyte film is deformed during film formation, the shielding plate cannot follow the deformation of the solid electrolyte film, and it becomes difficult for nickel ions to converge. Is considered to be.
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 types are described within the scope of claims without departing from the spirit of the present invention. It is possible to make design changes.
1:成膜装置、11:陽極、13:固体電解質膜、14:遮蔽板、14c:貫通孔、15:溶液収容部、16:電源部、L:金属溶液、W:基材 1: Film formation device, 11: Anode, 13: Solid electrolyte film, 14: Shielding plate, 14c: Through hole, 15: Solution storage part, 16: Power supply part, L: Metal solution, W: Base material
Claims (1)
前記陽極と陰極となる基材との間に配置される固体電解質膜と、
前記陽極と前記固体電解質膜との間において、前記陽極と前記固体電解質膜に金属イオンを含む金属溶液が接触するように、前記金属溶液を収容する溶液収容部と、
前記陽極と前記基材との間に電圧を印加する電源部とを、備えた金属皮膜の成膜装置であって、
前記溶液収容部は、収容された前記金属溶液を、前記固体電解質膜に加圧するものであり、
前記溶液収容部の内部には、前記固体電解質膜を覆うように前記固体電解質膜に隣接し、かつ、複数の貫通孔が形成された遮蔽板が配置されており、
前記遮蔽板は、比誘電率が2.0〜5.4の誘電体であり、引張強さが、19〜80MPaであり、曲げ弾性率が50GPa以下の樹脂材料からなることを特徴とする金属皮膜の成膜装置。 With the anode
A solid electrolyte membrane arranged between the anode and the base material serving as the cathode,
A solution accommodating portion for accommodating the metal solution so that the metal solution containing metal ions comes into contact with the anode and the solid electrolyte membrane between the anode and the solid electrolyte membrane.
A metal film forming apparatus provided with a power supply unit for applying a voltage between the anode and the base material.
The solution accommodating portion pressurizes the contained metal solution onto the solid electrolyte membrane.
Inside the solution accommodating portion, a shielding plate adjacent to the solid electrolyte membrane and having a plurality of through holes formed is arranged so as to cover the solid electrolyte membrane.
The shielding plate is a metal having a relative permittivity of 2.0 to 5.4, a tensile strength of 19 to 80 MPa, and a bending elastic modulus of 50 GPa or less. Film deposition equipment.
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