JP7035971B2 - Metal film film formation method - 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方法に関する。 The present invention relates to a film forming method for forming a metal film on the surface of a base material.
この種の技術として、たとえば、陽極と、陰極である基板との間に固体電解質膜を配置し、陽極と基板との間に電圧を印加することにより、固体電解質膜に含有した金属イオンを還元し、基材の表面に金属皮膜を成膜する成膜方法が利用されている(たとえば特許文献1参照)。 As this kind of technology, for example, a solid electrolyte membrane is placed between the anode and the substrate which is the cathode, and a voltage is applied between the anode and the substrate to reduce the metal ions contained in the solid electrolyte membrane. However, a film forming method for forming a metal film on the surface of a substrate is used (see, for example, Patent Document 1).
金属皮膜の原料となる金属イオンを含有した金属溶液は、陽極に接触するように、円筒状のハウジング内に収容されており、固体電解質膜は、ハウジングの一方の開口部を覆うように、ハウジングの端面に固定されている。これにより、ハウジング内に収容した金属溶液の金属イオンが、固体電解質膜に供給される。 The metal solution containing the metal ion that is the raw material of the metal film is housed in the cylindrical housing so as to contact the anode, and the solid electrolyte membrane covers one opening of the housing. It is fixed to the end face of. As a result, the metal ions of the metal solution contained in the housing are supplied to the solid electrolyte membrane.
金属皮膜を成膜する際には、基板を載置台に載置し、固体電解質膜を介して、基板の上方に陽極を配置し、基板を固体電解質膜で上方から押圧した状態で、陽極と基板との間に電圧を印加する。これにより、固体電解質膜に含有した金属イオンが還元され、基板の表面に金属皮膜が成膜される。 When forming a metal film, the substrate is placed on a mounting table, the anode is placed above the substrate via the solid electrolyte membrane, and the substrate is pressed from above with the solid electrolyte membrane. A voltage is applied between the board and the board. As a result, the metal ions contained in the solid electrolyte film are reduced, and a metal film is formed on the surface of the substrate.
しかしながら、特許文献1に示すように、固体電解質膜に対して、陽極を上方、基板を下方に配置すると、固体電解質膜の引張伸度が大きい場合、固体電解質膜が金属溶液の重量に耐えることができず、固体電解質膜が撓むことがある。
However, as shown in
固体電解質膜の撓み量が大きい状態で、成膜時に固体電解質膜と基板とを接触させると、ハウジングの端面に固体電解質膜がはみ出てしまい、ハウジングの端面と基板との間に固体電解質膜が挟まれることがある。このような状態で、繰り返し成膜を行うと、固体電解質膜に亀裂が発生し破損する可能性がある。その結果、金属溶液がハウジングから漏れだし、金属皮膜が成膜できなくなることがある。 If the solid electrolyte membrane is brought into contact with the substrate during film formation while the amount of deflection of the solid electrolyte membrane is large, the solid electrolyte membrane protrudes from the end face of the housing, and the solid electrolyte membrane is formed between the end face of the housing and the substrate. It may be pinched. If the film is repeatedly formed in such a state, the solid electrolyte film may be cracked and damaged. As a result, the metal solution may leak from the housing and the metal film may not be formed.
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、固体電解質膜の破損を抑制し、安定して金属皮膜を成膜することができる金属皮膜の成膜方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of these points, and an object thereof is to prevent damage to a solid electrolyte membrane and to form a metal film in a stable manner. To provide a method.
前記課題を鑑みて、本発明に係る金属皮膜の成膜方法は、その前提として、陽極と、陰極である基板との間に固体電解質膜を配置し、前記陽極と前記固体電解質膜とに接触するように金属イオンを含む金属溶液を配置し、前記基板の表面に前記固体電解質膜を接触させた状態で、前記陽極と前記基板との間に電圧を印加することにより、前記固体電解質膜に含有した金属イオンを還元し、前記基板の表面に金属皮膜を成膜するものである。 In view of the above problems, the method for forming a metal film according to the present invention presupposes that a solid electrolyte membrane is arranged between the anode and the substrate which is the cathode, and the anode and the solid electrolyte membrane are in contact with each other. By arranging a metal solution containing metal ions so as to be in contact with the surface of the substrate and applying a voltage between the anode and the substrate in a state where the solid electrolyte membrane is in contact with the surface of the substrate, the solid electrolyte membrane is formed. The contained metal ions are reduced to form a metal film on the surface of the substrate.
前記金属皮膜の成膜方法は、前記金属溶液が収容される筒状のハウジングの両端の開口部のうち、円形状の一方の開口部を、前記固体電解質膜で覆うように、前記固体電解質膜を前記ハウジングの端面に固定した状態で、前記金属皮膜を成膜するものである。 In the method for forming a metal film, the solid electrolyte film is formed so that one of the circular openings among the openings at both ends of the tubular housing in which the metal solution is accommodated is covered with the solid electrolyte film. Is fixed to the end face of the housing, and the metal film is formed.
前記金属皮膜を成膜する前に、前記ハウジングの前記一方の開口部を下方にし、他方の開口部から、前記ハウジング内に前記金属皮膜の成膜時の温度条件に調整した前記金属溶液を注入し、レーザ変位計を用いて、前記一方の開口部の中心に位置する前記固体電解質膜の最大撓み量を測定する。 Before forming the metal film, the one opening of the housing is turned downward, and the metal solution adjusted to the temperature conditions at the time of forming the metal film is injected into the housing through the other opening. Then, using a laser displacement meter, the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane located at the center of the one opening is measured.
前記最大撓み量が前記一方の開口部の半径以下となる場合には、前記固体電解質膜を挟んで上方に前記陽極を配置し、下方に前記基板を配置して、前記金属皮膜を成膜する。 When the maximum amount of deflection is equal to or less than the radius of one of the openings, the anode is placed above the solid electrolyte membrane and the substrate is placed below the solid electrolyte membrane to form the metal film. ..
一方、前記最大撓み量が、前記一方の開口部の半径よりも大きい場合には、前記最大撓み量から前記固体電解質膜に作用する最大応力を算出し、前記最大応力が、前記固体電解質膜の引張破断強度以下である場合には、前記固体電解質膜を挟んで、上方に前記基板を配置し、下方に前記陽極を配置して、前記金属皮膜を成膜し、前記最大応力が、前記固体電解質膜の引張破断強度よりも大きい場合には、前記金属皮膜の成膜を実施しない。 On the other hand, when the maximum amount of deflection is larger than the radius of the one opening, the maximum stress acting on the solid electrolyte membrane is calculated from the maximum amount of deflection, and the maximum stress is the maximum stress of the solid electrolyte membrane. When it is equal to or less than the tensile breaking strength, the substrate is placed above the solid electrolyte membrane and the anode is placed below to form the metal film, and the maximum stress is the solid. If it is larger than the tensile breaking strength of the electrolyte membrane, the metal film is not formed.
本発明によれば、金属溶液の自重による固体電解質膜の最大撓み量が一方の開口部の半径以下となる場合、固体電解質膜を挟んで上方に陽極を配置し、下方に基板を配置して、金属皮膜を成膜しても、ハウジングの端面と基板との間に固体電解質膜が挟まれることは殆どない。したがって、この場合には、固体電解質膜の破損を低減し、安定して金属皮膜を成膜することができる。 According to the present invention, when the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane due to the weight of the metal solution is equal to or less than the radius of one of the openings, the anode is arranged above and the substrate is arranged below with the solid electrolyte membrane interposed therebetween. Even if a metal film is formed, the solid electrolyte film is hardly sandwiched between the end face of the housing and the substrate. Therefore, in this case, damage to the solid electrolyte film can be reduced, and a metal film can be stably formed.
一方、固体電解質膜の最大撓み量が、一方の開口部の半径よりも大きい場合、固体電解質膜を挟んで上方に陽極を配置し、下方に基板を配置して、金属皮膜を成膜すると、ハウジングの端面と基板との間に固体電解質膜が挟まれる可能性が高い。 On the other hand, when the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane is larger than the radius of one opening, the anode is placed above the solid electrolyte membrane and the substrate is placed below to form a metal film. There is a high possibility that the solid electrolyte membrane will be sandwiched between the end face of the housing and the substrate.
したがって、このような場合には、まず、最大撓み量から固体電解質膜に作用する最大応力を算出する。算出した最大応力が、固体電解質膜の引張破断強度以下である場合には、固体電解質膜を挟んで、上方に基板を配置し、下方に陽極を配置して、金属皮膜を成膜する。これにより、成膜時に、固体電解質膜が金属溶液の自重による撓みが抑制されるので、ハウジングの端面と基板との間に固体電解質膜が挟まれることを抑えることができる。なお、固体電解質膜の引張破断強度は、固体電解質膜と同じ材料で引張試験した際に、その材料が破断する応力である。 Therefore, in such a case, first, the maximum stress acting on the solid electrolyte membrane is calculated from the maximum amount of deflection. When the calculated maximum stress is equal to or less than the tensile breaking strength of the solid electrolyte film, the substrate is placed above the solid electrolyte film and the anode is placed below the solid electrolyte film to form a metal film. As a result, the solid electrolyte film is suppressed from bending due to the weight of the metal solution during film formation, so that it is possible to prevent the solid electrolyte film from being sandwiched between the end face of the housing and the substrate. The tensile breaking strength of the solid electrolyte membrane is the stress at which the material breaks when the same material as the solid electrolyte membrane is subjected to a tensile test.
一方、算出した固体電解質膜の最大応力が、固体電解質膜の引張破断強度よりも大きい場合には、固体電解質膜をセッティングする際に、仮に固体電解質膜に金属溶液の自重が作用すると、固体電解質膜が破損するおそれがある。したがって、このような場合には、前記金属皮膜の成膜を行わず、成膜可能な最適な条件を検討することができる。 On the other hand, when the calculated maximum stress of the solid electrolyte membrane is larger than the tensile breaking strength of the solid electrolyte membrane, if the weight of the metal solution acts on the solid electrolyte membrane when setting the solid electrolyte membrane, the solid electrolyte The membrane may be damaged. Therefore, in such a case, the optimum conditions under which the metal film can be formed can be examined without forming the metal film.
以下に本発明の実施形態に係る金属皮膜の成膜方法と、これを好適に実施することができる成膜装置について説明する。 Hereinafter, a method for forming a metal film according to an embodiment of the present invention and a film forming apparatus capable of preferably carrying out the film forming method will be described.
1.金属皮膜の成膜装置1Aについて
図1は、本発明の本実施形態に係る金属皮膜の成膜装置1Aの模式的概念図である。なお、図1では、固体電解質膜13を挟んで上方に陽極11を配置し、下方に基板Bを配置して、金属皮膜Fを成膜する場合(図2のステップS5およびステップS6)を示しているが、固体電解質膜13を挟んだ陽極11と基板Bとの上下の位置関係は、後述するフロー図に従って決定される。
1. 1. About the metal
図1に示すように、本発明に係る成膜装置1Aは、金属イオンから金属を析出させて、該析出した金属からなる金属皮膜を基材Bの表面に成膜する装置である。ここで、基材Bは、たとえば、アルミニウムなどの金属材料からなる基材、または樹脂またはシリコン基材の処理表面に金属下地層が形成されている基材である。
As shown in FIG. 1, the
成膜装置1Aは、金属製の陽極11と、陽極11と陰極となる基材Bとの間において陽極11の表面に配置された固体電解質膜13と、陽極11と陰極となる基材Bとの間に電圧を印加する電源部14と、を少なくとも備えている。
The
なお、電源部14の正極は、陽極11に導通するように、成膜装置1Aに電気的に接続されており、電源部14の陰極は、基材Bの成膜する領域に導通するように、成膜装置1Aまたは基板Bに電気的に接続されている。
The positive electrode of the
陽極11は、成膜用の金属イオンを含む溶液(以下、金属溶液という)Lを陽極11に供給するハウジング15内に収容されている。ハウジング15は、たとえばチタンなどの金属製であり、円筒状の形状を有しており、その内部空間に陽極11と、金属溶液(めっき液)Lが収容されている。
The
本実施形態では、金属溶液Lが収容されるハウジング15の両端の開口部15a、15bのうち、円形状の一方の開口部15aを、固体電解質膜13で覆うように、固体電解質膜13は、ハウジング15の端面15dに固定されている。より具体的には、本実施形態では、ハウジング15は、有底円筒状であり、円形状の一方の開口部15aは、底部15eの中央に形成され、固体電解質膜13は、ハウジング15の底部15eの外面に相当する端面15dに接着固定され、一方の開口部15aを封止している。
In the present embodiment, the
さらに、ハウジング15の他方側の開口部15bは、蓋体15cで覆われており、蓋体15cには、加圧手段16が接続されている。加圧手段16は、ハウジング15を基材Bに向かって移動させることにより、固体電解質膜13を基材Bの成膜領域に加圧するものである。例えば、加圧手段16としては、油圧式または空気式のシリンダなどを挙げることができる。成膜装置1Aは、基材Bを固定し、陽極11に対して基材Bのアライメントを調整する基台21を備えている。
Further, the opening 15b on the other side of the
ハウジング15の一方側には、金属溶液Lが収納された溶液タンク17が、供給管17aを介して接続されており、その他方側には、使用後の廃液を回収する廃液タンク18が、廃液管18aを介して接続されている。
A
このように構成することにより、たとえば、金属皮膜の成膜の前後に、溶液タンク17に収納された金属溶液Lが、供給管17aに配置されたポンプ等を介してハウジング15の内部に供給される。ハウジング15内では、金属溶液Lが多孔質の陽極11内に流れる。陽極11内を通過した金属溶液Lは、廃液管18aを介して廃液タンク18に送ることができる。
With this configuration, for example, before and after the formation of the metal film, the metal solution L stored in the
本実施形態では、陽極11は、固体電解質膜13に接触するようにハウジング15に固定されており、金属溶液Lが透過し、かつ固体電解質膜13に金属溶液Lの金属イオンを供給する、多孔質体からなる。陽極11は、たとえば、発泡チタンなど、金属溶液Lの金属イオンよりもイオン化傾向が低く(あるいは、電極電位が高く)、開気孔の連続気泡体からなる発泡金属体などを挙げることができる。
In the present embodiment, 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Bの表面において金属イオン由来の金属が析出するとこ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
固体電解質膜13の膜厚は、20~60μmの範囲にあることが好ましく、その等量重量(グラム等量)は、500~1000g/molの範囲にあることが好ましい。固体電解質膜13の引張破断強度は、300~500kg/cm2の範囲にあることが好ましく、その引張伸度は、150~400%の範囲にあることが好ましく、成膜時の固体電解質膜の寸法変化は、4~30%以下であることが好ましい。さらに、固体電解質膜の縦弾性率は、2000~6000kg/cm2であることが好ましい。
The film thickness of the
なお、本実施形態では、金属皮膜Fを成膜する装置として陽極11を多孔質体としたが、後述するように、固体電解質膜13に金属イオンを供給することができるのであれば、陽極と固体電解質膜との間に間隙を設け、この間に金属溶液を流してもよい。また、陽極11が、金属皮膜Fと同じ材料からなる可溶性陽極であってもよい。
In the present embodiment, the
2.金属皮膜の成膜方法について
図2~4を参照しながら、本実施形態に係る金属皮膜Fの成膜方法を説明する。まず、図2に示す、ステップS1では、金属皮膜Fを成膜する前に、ハウジング15の一方の開口部15aを下方にし、他方の開口部15bから、ハウジング15内に金属皮膜Fの成膜時の金属溶液Lの温度条件(たとえば80℃)に調整した金属溶液Lを注入する。ハウジング15に注入する金属溶液Lの量は、成膜時にハウジング15に収容される金属溶液Lの量に相当する。なお、この際、ハウジング15に陽極11が固定されていてもよい。
2. 2. Regarding the method of forming the metal film, the method of forming the metal film F according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4. First, in step S1 shown in FIG. 2, before the metal film F is formed, one
次に、ステップS2に進み、ハウジング15内の金属溶液Lの温度が低下しないように、保温しながら一定時間保持する。保持時間は、連続して金属皮膜Fを成膜する時間である。これにより、固体電解質膜13に、金属溶液Lの自重が作用し、ハウジングの一方の開口部15aを覆う固体電解質膜13の部分が、下方に膨らむ(撓む)。
Next, the process proceeds to step S2, and the metal solution L in the
次にステップS3に進み、一方の開口部15aの中心に位置する固体電解質膜13の撓み量が最も大きいので、本実施形態では、レーザ変位計8を用いて、一方の開口部15aの中心に位置する固体電解質膜13の最大撓み量を測定する。本実施形態では、レーザ変位計8で、ハウジング15に金属溶液Lを注入する前に、固体電解質膜13の変位を測定し、ハウジング15に金属溶液Lを注入した後、一定時間保持後の固体電解質膜13の変位を測定し、これらの変位の差分から、固体電解質膜13の最大撓み量を測定する。
Next, the process proceeds to step S3, and since the amount of deflection of the
なお、固体電解質膜13が、金属溶液Lの熱による影響(変形の影響)が少ない場合には、ハウジング15に金属溶液Lを注入した時点の固体電解質膜13の変位を測定し、この変位と、金属溶液Lを注入する前の固体電解質膜13の変位との差分から、最大撓み量を測定してもよい。
When the
次に、ステップS4に進み、固体電解質膜13の最大撓み量が、一方の開口部15aの半径よりも大きいか、否かを判定する。ここで、固体電解質膜13の最大撓み量が、一方の開口部15aの半径よりも大きくない場合、すなわち、最大撓み量が一方の開口部15aの半径以下となる場合には、ステップS5に進み、図1に示すように、固体電解質膜13を挟んで上方に陽極11を配置し、下方に基板Bを配置する。次に、ステップS6に進み、金属皮膜Fを成膜する(すなわち、固相電析法を実施する)。
Next, the process proceeds to step S4, and it is determined whether or not the maximum amount of deflection of the
具体的には、ステップS5では、図1に示すように、基台21に基材Bを配置し、陽極11に対して基材Bのアライメントを調整し基材Bの温度調整を行う。次に、多孔質体からなる陽極11の表面に固体電解質膜13を配置し、固体電解質膜13を基材Bに接触させる。
Specifically, in step S5, as shown in FIG. 1, the base material B is arranged on the
次に、加圧手段16を用いて、陽極11を基材Bに向かって移動させることにより、固体電解質膜13を基材Bに加圧する。次に、電源部14を用いて、陽極11と陰極となる基材Bとの間に電圧を印加する。これにより、固体電解質膜13内の金属イオンは、陽極11側から基材B側に移動し、固体電解質膜13の内部に含有された金属イオンが還元されて、この金属イオンに由来する金属が基材Bの表面に析出される。これにより、金属皮膜Fを基材Bの表面に成膜することができる。
Next, the
このように、金属溶液Lの自重による固体電解質膜13の最大撓み量が一方の開口部15aの半径以下となる場合、固体電解質膜13を挟んで上方に陽極11を配置し、下方に基板Bを配置して、金属皮膜Fを成膜しても、固体電解質膜13の撓みは小さい。このため、ハウジング15の端面15dと基板Fとの間に固体電解質膜13が挟まれることは殆どない。したがって、この場合には、固体電解質膜13の破損を低減し、安定して金属皮膜Fを成膜することができる。
As described above, when the maximum amount of deflection of the
さらに、陽極11は固体電解質膜13に接触しているので、仮に、ハウジング15内において金属溶液Lの量が減少しても、陽極11の表面のうち、固体電解質膜13に対向する表面は、金属溶液Lに浸漬された状態を維持することができる。これにより、陽極11が酸化されることを抑制することができ、陽極の過電圧上昇が抑制される。
Further, since the
一方、ステップS4において、固体電解質膜13の最大撓み量が、一方の開口部15aの半径よりも大きい場合には、ステップS7に進む。ステップS7では、固体電解質膜13の最大撓み量から、固体電解質膜13に作用する最大応力を算出する。
On the other hand, in step S4, if the maximum amount of deflection of the
具体的には、図4に示すモデルで示すように、固体電解質膜13の最大撓み量wmaxと、最大応力σmaxは、固体電解質膜13の膜厚t、ポアソン比ν、縦弾性係数E、固体電解質膜に作用する金属溶液Lの圧力p、一方の開口部15aの半径Rとしたときに、式(1)および式(2)により算出することができる。本実施形態では、測定した最大撓み量wmaxと、各物性値等から、式(1)を用いて、金属溶液Lの圧力pを算出し、算出した圧力pを用いて、固体電解質膜13の最大応力σmaxを算出し、ステップS8に進む。
Specifically, as shown in the model shown in FIG. 4, the maximum deflection amount wmax of the
ステップS8では、算出した最大応力が、固体電解質膜13の引張破断強度よりも大きいか、否かを判定する。ここで、ステップS8で、算出した最大応力が、固体電解質膜13の引張破断強度よりも大きくない場合、すなわち、算出した最大応力が、固体電解質膜13の引張破断強度以下である場合には、ステップS9に進む。
In step S8, it is determined whether or not the calculated maximum stress is larger than the tensile breaking strength of the
ステップS9では、固体電解質膜13を挟んで、上方に基板Bを配置し、下方に陽極11を配置する。具体的には、図1に示す成膜装置1Aを上下反転する。なお、基板Bは、基台21から落下しないように、吸引固定等により基台21に固定する。次に、ステップS10に進み、ステップS10では、ステップS6と同様の方法により、下方に陽極11を配置して、金属皮膜Fを成膜する。
In step S9, the substrate B is placed above and the
固体電解質膜13の最大撓み量が、一方の開口部15aの半径よりも大きい場合、図1に示すように固体電解質膜13を挟んで上方に陽極11を配置し、下方に基板Bを配置して、金属皮膜Fを成膜すると、ハウジング15の端面15dと基板Bとの間に固体電解質膜13が挟まれる可能性が高い。
When the maximum amount of deflection of the
したがって、ステップS9で、固体電解質膜13を挟んで、上方に基板Bを配置し、下方に陽極11を配置して、ステップS10で、金属皮膜Fを成膜すると、成膜時に、固体電解質膜13が金属溶液Lの自重による撓みが抑制される。したがって、ハウジング15の端面15dと基板Bとの間に固体電解質膜13が挟まれることを抑えることができる。
Therefore, if the substrate B is placed above and the
ただし、算出した固体電解質膜13の最大応力が、固体電解質膜13の引張破断強度よりも大きい場合には、固体電解質膜13をセッティングする際等に、固体電解質膜13に金属溶液Lの自重が作用すると、固体電解質膜13が破損するおそれがある。
However, when the calculated maximum stress of the
したがって、ステップS8で、算出した最大応力が、固体電解質膜13の引張破断強度よりも大きい場合には、ステップS11に進み、金属皮膜Fの成膜を実施しない。なお、固体電解質膜13の引張破断強度は、固体電解質膜13と同じ材料で引張試験した際に、その材料の塑性変形が開始する際の応力である。
Therefore, if the maximum stress calculated in step S8 is larger than the tensile breaking strength of the
以下に、本発明に係る確認試験を、以下に示す参考例により確認した。 Below, the confirmation test according to the present invention was confirmed by the reference example shown below.
〔参考例1〕
まず、成膜装置のハウジングに、金属溶液を注入し、固体電解質膜の最大撓み量を測定した。具体的には、ハウジングとして、外形15cm、内径13cm、高さ50cmであり、固体電解質膜が取り付けられた一方の開口部の半径50mmの円筒状のハウジングを用いた。ハウジングの端面には、一方の開口部を覆うように、固体電解質膜が取り付けられている。
[Reference Example 1]
First, a metal solution was injected into the housing of the film forming apparatus, and the maximum amount of deflection of the solid electrolyte film was measured. Specifically, as the housing, a cylindrical housing having an outer diameter of 15 cm, an inner diameter of 13 cm, and a height of 50 cm and having a radius of 50 mm at one opening to which the solid electrolyte membrane was attached was used. A solid electrolyte membrane is attached to the end face of the housing so as to cover one of the openings.
次に、固体電解質膜のたわみ量を計測するため、円筒形ハウジングの直下にレーザ変位計(LK-G5000、キーエンス製)を設置した。固体電解質膜のたわみ量を計測する際には、円筒形ハウジングの開放端面から80℃に加熱した成膜用の金属溶液を1L注入し、一定時間(全成膜時間に相当;1時間)保持した。その際、固体電解質膜が設置されていない端側を樹脂シート(PTFE製)で封止し、コードヒーターで金属溶液を80℃に保温して、その状態を保持した。 Next, in order to measure the amount of deflection of the solid electrolyte membrane, a laser displacement meter (LK-G5000, manufactured by KEYENCE) was installed directly under the cylindrical housing. When measuring the amount of deflection of the solid electrolyte membrane, 1 L of a metal solution for film formation heated to 80 ° C. is injected from the open end face of the cylindrical housing and held for a certain period of time (corresponding to the total film formation time; 1 hour). did. At that time, the end side where the solid electrolyte membrane was not installed was sealed with a resin sheet (manufactured by PTFE), and the metal solution was kept at 80 ° C. with a cord heater to maintain the state.
金属溶液注入前および一定時間経過後に、ハウジングの直下に配置したレーザ変位計で、円形状の一方の開口部の中心における固体電解質膜の変位を測定し、この変位から固体電解質膜の最大撓み量を算出した。この結果を表1に示す。 Before injecting the metal solution and after a certain period of time, a laser displacement meter placed directly under the housing measures the displacement of the solid electrolyte membrane at the center of one of the circular openings, and the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane is measured from this displacement. Was calculated. The results are shown in Table 1.
次に、参考例1に係る成膜装置を用いて、図1に示すように、固体電解質膜を挟んで、陽極を上方に配置し、基板(陰極)を下方に配置した場合と、図1に示す成膜装置の上下を反転させて、固体電解質膜を挟んで、陽極を下方に配置し、基板を上方に配置した場合とにおいて、ニッケル皮膜を成膜した。 Next, using the film forming apparatus according to Reference Example 1, as shown in FIG. 1, the anode is arranged above and the substrate (cathode) is arranged below with the solid electrolyte film interposed therebetween, and FIG. 1 The nickel film was formed by inverting the top and bottom of the film forming apparatus shown in (1), sandwiching the solid electrolyte film, arranging the anode below, and arranging the substrate above.
具体的には、いずれの成膜の場合にも、基板に銅スパッタ基板を用い、成膜用の金属溶液に1M塩化ニッケル水溶液+酢酸(pH4.0)の溶液を用いた。成膜時の金属溶液の温度を80℃に保持し、押圧力が1.0MPaで、固体電解質膜を基板に押圧した。成膜面積は、10mm×10mmであり、電流密度を100mA/cmとし、金属皮膜の厚さが4μmとなるまで通電した。なお、成膜領域は、基板上にポリイミドテープ(カプトン粘着テープ:650R#25、(株)寺岡製作所製)により10×10mm角の開口部を形成することにより作製した。固体電解質膜は、特許第3369569号公報に準ずる方法により作製した。表1に示すように、いずれの場合も、基板の表面にニッケル皮膜を成膜することができた。 Specifically, in any of the film formations, a copper sputter substrate was used as the substrate, and a 1M nickel chloride aqueous solution + acetic acid (pH 4.0) solution was used as the metal solution for film formation. The temperature of the metal solution at the time of film formation was maintained at 80 ° C., and the pressing force was 1.0 MPa, and the solid electrolyte film was pressed against the substrate. The film forming area was 10 mm × 10 mm, the current density was 100 mA / cm, and electricity was applied until the thickness of the metal film became 4 μm. The film-forming region was formed by forming a 10 × 10 mm square opening on the substrate with a polyimide tape (Capton adhesive tape: 650R # 25, manufactured by Teraoka Seisakusho Co., Ltd.). The solid electrolyte membrane was prepared by a method according to Japanese Patent No. 3369569. As shown in Table 1, in each case, a nickel film could be formed on the surface of the substrate.
〔参考例2~6〕
参考例2~6も、確認試験1と同様に、図1に示すように、陽極を上方に配置し、基板を下方に配置した場合と、陽極を下方に配置し、基板を上方に配置した場合とにおいて、ニッケル皮膜を成膜した。参考例2~6が参考例1と相違する点は、固体電解質膜の膜厚であり、参考例2~6の順に、固体電解質膜の膜厚が薄くなっている。
[Reference Examples 2 to 6]
In Reference Examples 2 to 6, as in the
参考例2~4では、表1に示すように、固体電解質膜の最大撓み量が、一方の開口部の半径50mm以下であり、この場合には、陽極を上方に配置し、基板を下方に配置した場合と、陽極を下方に配置し、基板を上方に配置した場合とのいずれの場合においても、ニッケル皮膜の成膜をすることができた。 In Reference Examples 2 to 4, as shown in Table 1, the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane is 50 mm or less in radius of one opening. In this case, the anode is arranged above and the substrate is placed below. A nickel film could be formed in both the case where the anode was arranged below and the case where the substrate was arranged above.
参考例5では、表1に示すように、固体電解質膜の最大撓み量が、一方の開口部の半径50mmよりも大きい。この場合には、陽極を上方に配置し、基板を下方に配置した場合には、ニッケル皮膜を成膜することができなかった。しかしながら、陽極を下方に配置し、基板を上方に配置した場合には、ニッケル皮膜の成膜をすることができた。 In Reference Example 5, as shown in Table 1, the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane is larger than the radius of 50 mm of one opening. In this case, when the anode was arranged above and the substrate was arranged below, the nickel film could not be formed. However, when the anode was arranged below and the substrate was arranged above, a nickel film could be formed.
参考例6では、表1に示すように、固体電解質膜の最大撓み量が、一方の開口部の半径50mmよりも大きい。この場合には、陽極を上方に配置し、基板を下方に配置した場合も、陽極を下方に配置し、基板を上方に配置した場合もともに、ニッケル皮膜の成膜をすることができなかった。 In Reference Example 6, as shown in Table 1, the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane is larger than the radius of 50 mm of one opening. In this case, the nickel film could not be formed either when the anode was arranged above and the substrate was arranged below or when the anode was arranged below and the substrate was arranged above. ..
参考例5および参考例6のように、固体電解質膜の最大撓み量がハウジングの一方の開口部の半径よりも大きい場合、陽極を上方に配置し、陰極を下方に配置して、金属皮膜の成膜を行う際に、陽極と基板とを近接させると、鉛直方向に撓んだ固体電解質膜がハウジングの一方の開口部からはみ出す。これにより、ハウジングの端面が固体電解質膜を圧潰する。固体電解質膜の圧潰した圧潰部には、一方向に荷重が印加された状態になり、結果として、固体電解質膜の一方向に応力が働く。この結果、固体電解質膜に内在する空隙や亀裂が引張方向に対して垂直方向に成長し、成膜中に固体電解質膜が破断するため、成膜ができないことがわかった。 When the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane is larger than the radius of one opening of the housing as in Reference Example 5 and Reference Example 6, the anode is placed above and the cathode is placed below to form the metal film. When the anode and the substrate are brought close to each other during the film formation, the solid electrolyte film bent in the vertical direction protrudes from one opening of the housing. As a result, the end face of the housing crushes the solid electrolyte membrane. A load is applied to the crushed portion of the solid electrolyte membrane in one direction, and as a result, stress acts in one direction of the solid electrolyte membrane. As a result, it was found that the voids and cracks inherent in the solid electrolyte film grow in the direction perpendicular to the tensile direction, and the solid electrolyte film breaks during the film formation, so that the film cannot be formed.
しかしながら、陽極を下方に配置し、陰極を上方に配置して、金属皮膜を成膜しようとすると、金属溶液の自重により固体電解質膜が鉛直方向に撓むことが無いため、固体電解質膜は、ハウジングの一方の開口部からはみ出ることがない。したがって、ハウジングの端面がはみ出した固体電解質膜を圧潰することがないため、参考例5のように、金属皮膜を成膜することができる。 However, when the anode is arranged below and the cathode is arranged above to form a metal film, the solid electrolyte film does not bend in the vertical direction due to the weight of the metal solution. It does not protrude from one opening of the housing. Therefore, since the solid electrolyte film on which the end face of the housing protrudes is not crushed, a metal film can be formed as in Reference Example 5.
ただし、参考例6は、陽極を下方に配置し、陰極を上方に配置して、金属皮膜を成膜しようとしても、金属皮膜を成膜することができなかった。これは、陽極を上方に配置し、陰極を上方に配置して、成膜をしようとした際に、固体電解質膜が破損したからであると考えられる。 However, in Reference Example 6, even if the anode was arranged below and the cathode was arranged above to form a metal film, the metal film could not be formed. It is considered that this is because the solid electrolyte film was damaged when the anode was arranged above and the cathode was arranged above to form a film.
そこで、JIS 7127に基づき、測定環境(80℃、RH=95%)で、参考例6の引張破断強度を測定したところ、MD方向およびTD後方ともに、9.0N/mm2であることがわかった。参考例6の固体電解質膜の厚みtは0.05mm、一方の開口部の半径Rは50mm、ヤング率Eは400N/mm2、ポアソン比νは0.25、最大たわみwmaxは280.0mmであるため、図4に示した式(1)および式(2)により、圧力p0.0000127N/mm2が算出され、最大応力σmax9.5N/mm2が算出された。 Therefore, when the tensile breaking strength of Reference Example 6 was measured in a measurement environment (80 ° C., RH = 95%) based on JIS 7127, it was found to be 9.0 N / mm 2 in both the MD direction and the rear of the TD. rice field. The thickness t of the solid electrolyte membrane of Reference Example 6 is 0.05 mm, the radius R of one opening is 50 mm, the Young's modulus E is 400 N / mm 2 , the Poisson's ratio ν is 0.25, and the maximum deflection wmax is 280.0 mm. Therefore, the pressure p0.0000127N / mm 2 was calculated and the maximum stress σmax9.5N / mm 2 was calculated by the equations (1) and (2) shown in FIG.
したがって、参考例6では、最大たわみwmaxから算出した最大応力σmaxが、固体電解質膜の引張破断強度よりも大きい。このため、陽極を上方、陰極を下方に設置した場合でも陽極を下部、陰極を上部に設置した場合でもニッケル皮膜の成膜が不可能であることが示唆され、参考例6のニッケル皮膜の成膜ができない結果と合致した。 Therefore, in Reference Example 6, the maximum stress σmax calculated from the maximum deflection wmax is larger than the tensile breaking strength of the solid electrolyte membrane. Therefore, it is suggested that the nickel film cannot be formed even when the anode is installed above and the cathode is installed below, and even when the anode is installed at the bottom and the cathode is installed at the top, and the nickel film of Reference Example 6 is formed. Consistent with the result that the membrane could not be formed.
以上、本発明の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 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 are designed without departing from the spirit of the present invention described in the claims. You can make changes.
1A:成膜装置、8:レーザ変位計、13:固体電解質膜、15:ハウジング、15a,15b:開口部、B:基板、F:金属皮膜、L:金属溶液
1A: film forming apparatus, 8: laser displacement meter, 13: solid electrolyte membrane, 15: housing, 15a, 15b: opening, B: substrate, F: metal film, L: metal solution
Claims (1)
前記陽極と前記固体電解質膜とに接触するように金属イオンを含む金属溶液を配置し、
前記基板の表面に前記固体電解質膜を接触させた状態で、前記陽極と前記基板との間に電圧を印加することにより、前記固体電解質膜に含有した金属イオンを還元し、前記基板の表面に金属皮膜を成膜する金属皮膜の成膜方法であって、
前記金属皮膜の成膜方法は、前記金属溶液が収容される筒状のハウジングの両端の開口部のうち、円形状の一方の開口部を、前記固体電解質膜で覆うように、前記固体電解質膜を前記ハウジングの端面に固定した状態で、前記金属皮膜を成膜するものであり、
前記金属皮膜を成膜する前に、前記ハウジングの前記一方の開口部を下方にし、他方の開口部から、前記ハウジング内に前記金属皮膜の成膜時の温度条件に調整した前記金属溶液を注入し、レーザ変位計を用いて、前記一方の開口部の中心に位置する前記固体電解質膜の最大撓み量を測定し、
前記最大撓み量が前記一方の開口部の半径以下である場合には、前記固体電解質膜を挟んで上方に前記陽極を配置し、下方に前記基板を配置して、前記金属皮膜を成膜し、
前記最大撓み量が、前記一方の開口部の半径よりも大きい場合には、前記最大撓み量から前記固体電解質膜に作用する最大応力を算出し、
前記最大応力が、前記固体電解質膜の引張破断強度以下である場合には、前記固体電解質膜を挟んで、上方に前記基板を配置し、下方に前記陽極を配置して、前記金属皮膜を成膜し、
前記最大応力が、前記固体電解質膜の引張破断強度よりも大きい場合には、前記金属皮膜の成膜を実施しないことを特徴とする金属皮膜の成膜方法。 A solid electrolyte membrane is placed between the anode and the substrate that is the cathode,
A metal solution containing metal ions is placed so as to be in contact with the anode and the solid electrolyte membrane.
By applying a voltage between the anode and the substrate in a state where the solid electrolyte membrane is in contact with the surface of the substrate, the metal ions contained in the solid electrolyte membrane are reduced to the surface of the substrate. A method for forming a metal film, which is a method for forming a metal film.
In the method for forming a metal film, the solid electrolyte film is formed so that one of the circular openings among the openings at both ends of the tubular housing in which the metal solution is accommodated is covered with the solid electrolyte film. Is fixed to the end face of the housing, and the metal film is formed.
Before forming the metal film, the one opening of the housing is turned downward, and the metal solution adjusted to the temperature conditions at the time of forming the metal film is injected into the housing through the other opening. Then, using a laser displacement meter, the maximum amount of deflection of the solid electrolyte membrane located at the center of the one opening is measured.
When the maximum amount of deflection is equal to or less than the radius of one of the openings, the anode is placed above the solid electrolyte membrane and the substrate is placed below to form the metal film. ,
When the maximum amount of deflection is larger than the radius of one of the openings, the maximum stress acting on the solid electrolyte membrane is calculated from the maximum amount of deflection.
When the maximum stress is equal to or less than the tensile breaking strength of the solid electrolyte membrane, the substrate is placed above the solid electrolyte membrane and the anode is placed below the solid electrolyte membrane to form the metal film. Membrane and
A method for forming a metal film, wherein the metal film is not formed when the maximum stress is larger than the tensile breaking strength of the solid electrolyte film.
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