JP2006077299A - スプレーエッチングによる金属微細加工製品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の微細加工を、同一ノズルからエッチング液と気体の双方を同時に噴射し、エッチング液が霧状に噴射される２流体エッチングにより行う方法において、加工特性が高く、効率よく高精度に行うことのできる金属微細加工製品の製造方法およびその製造方法により作られた金属微細加工製品を提供する。
【解決手段】金属板の表面にフォトレジストをパターニングする工程、同一ノズルからエッチング液と気体の双方を同時に噴射する工程を有する金属板加工のための２流体エッチングにおいて、混合噴射する気体の温度がエッチング液の温度以上である。
【選択図】 なし

Description

本発明はプリント配線板、リードフレーム、ＴＡＢ等の精密電子部品、テレビやコンピュータなどディスプレイのブラウン管に用いられているシャドウマスクを製造するスプレーエッチング加工方法に関するものである。

近年、電子部品の高密度実装化に伴い小型化が急速に進展し、プリント配線板、リードフレーム、ＴＡＢ等ファインピッチ化、あるいはディスプレイの大型化、高画素化に伴い、シャドウマスクの大型化、高精細化が急速に進展しつつある。これらの製品はフォトエッチング法で製造されるのが一般的である。ここでのフォトエッチング法とは、加工物である金属表面に耐腐食性の光感応性樹脂（フォトレジスト）を塗布し、露光・パターニングした後に露出した金属表面部分（レジスト開口部）を腐食性薬品にて腐食・加工を施す方法を示す。フォトエッチング法ではエッチング液として４０〜８０℃程度の塩化第二鉄液や塩化第二銅水溶液が一般的に用いられ、基材表面と平行な方向：基材厚さ方向で、おおよそ１：２〜１：３の速度比でエッチングが進行する。そのため、例えば銅箔基板を例に挙げると、加工物の銅箔の厚さがその配線加工性に影響を及ぼし、銅箔が薄いほうが狭ピッチ加工を行うことが可能である。現在では、銅箔厚さ１８μｍで配線ライン／スペースが２５／２５μｍの量産製造が行われている（非特許文献１参照）。

フォトエッチング加工では、基材表面と平行な方向にもエッチングが進行するため、レジストパターンは基材表面と平行な方向のエッチング量を考慮した寸法で形成される。銅箔厚さ１８μｍで配線ライン／スペースが２５／２５μｍの配線パターンの加工を行う際には、レジストのライン／スペースは３５／１５μｍ程度となる。ウェットエッチングでは金属−エッチング液界面への十分な反応種の供給を行うためにスプレー噴射等により液流動を誘起するのが一般的である。しかし、レジストのスペースが３０μｍ以下となると液流動による金属表面への十分な反応種供給が困難となり、静止浴中でのエッチングと同じように反応種の金属表面の供給は液中の反応種の拡散のみにより行われることとなる。そのため、狭レジストスリットを必要とする狭ピッチ配線加工は現在のスペックでは加工限界に近い。

また、従来の液体スプレーノズルを用いた水平搬送式スプレーエッチング法では、加工性を上げるためにスプレー圧を高くする必要があり、必然的にエッチング液の流量増加を招く。過度に噴射されたエッチング液はワーク上にたまり（液ダマリ）、特に液捌けの悪いワーク中央部ではワーク端部と比較して液ダマリが生成しやすく、エッチング速度が低下することに起因したエッチング不均一性が問題となっている。シャドウマスクの大型化や、リードフレーム、プリント基板、ＴＡＢ等、生産性向上を目的としたワークの大型化が進んでいる。大型ワークや広幅の連続した金属ロールを巻き出す搬送方式（リール ｔｏ リール方式）のエッチング加工においては、幅方向への液捌けが特に困難であるため、ワーク中央部に液ダマリの影響が大きく、中央部と幅端部とのエッチング不均一性は深刻なものとなっている。従来のエッチング装置では、ワーク中央部の液ダマリを軽減するために幅方向にスプレーノズルを揺動することによって、幅方向への液捌けを誘起する方式がとられていたが、揺動のみではこの問題を解決することは難しい。

そこで、高い加工性を有し、さらに、液ダマリによるエッチング不均一性を減少できる加工法として、同一ノズルからエッチング液と気体の双方を同時に噴射し、エッチング液が霧状に噴射される２流体エッチングが考えられる（特許文献１参照）。気液を混合噴射することにより、液滴サイズを直径１０〜数十μｍ、液噴射速度を２０〜５０ｍ／ｓｅｃとすることができ、少ない液量で効果的にエッチング加工を施すことが可能となる。

しかし、２流体噴射を行う際、液滴を微細化するために、液体の表面積が急激に上昇するため、液体の温度が激しく降下する。例えば、液滴サイズが直径５０μｍ程度となる２流体噴射では、５０℃の液体が３５℃程度にまで温度降下する。エッチング加工では加工効率や加工特性（アスペクト比）の高い加工を行うため、温度を高温に保つことは重要な条件である。

一般的にエッチング液の温度を高温で一定に保つ手段としては、（１）基板の温度を調整する、（２）エッチング液温度を希望温度以上に設定し調整する、などの手段があるが、エッチング液の温度を降下させる最大の原因が、混合して噴射される気体であるため、常温以上の高温を安定的に保持することは難しい。
社団法人電子情報技術産業協会電子デバイス部著、「２００１年度版日本実装技術ロードマップ」文祥堂印刷出版、２００１年３月発行、２７９頁 特開２００２−２５６４５８号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、金属の微細加工を行う際、同一ノズルからエッチング液と気体の双方を同時に噴射し、エッチング液が霧状に噴射される２流体エッチングにおいて、混合噴射する気体の温度がエッチング液温度以上とすることを特徴とする、金属の微細加工を加工特性が高く、効率よく高精度に行うことのできる金属微細加工製品の製造方法およびその製造方法により作られた金属微細加工製品を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、少なくとも、金属板の表面にフォトレジストをパターニングする工程、同一ノズルからエッチング液と気体の双方を同時に噴射する工程を有する金属板加工のための２流体エッチングにおいて、混合噴射する気体の温度がエッチング液の温度以上であることを特徴とするスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、前記エッチング液が塩化第二鉄溶液または塩化第二銅溶液であることを特徴とする請求項１に記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法である。

請求項３に記載の発明は、前記エッチング液の供給圧力Ｐｌおよび前記気体の供給圧力Ｐａがそれぞれ０．１から０．５ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法である。

請求項４に記載の発明は、前記エッチング液の供給圧力Ｐｌと前記気体の供給圧力Ｐａの比率がＰｌ≦Ｐａであることを特徴とする請求項３に記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法である。

請求項５に記載の発明は、前記気体が、酸化性気体または空気であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法である。

請求項６に記載の発明は、前記金属板が、銅または鉄またはアルミニウム、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法である。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６の製造方法によって製造される、スプレーエッチングによる金属微細加工製品である。

本発明によれば、比較的容易な方法により、加工特性が高く、効率良く高精度な金属の微細加工を行うことが可能であり、この製造方法を用いることにより、高精度な金属微細加工製品を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１には、本発明における２流体エッチング工程の一例を示す。

まず、金属加工物に同一ノズルからエッチング液と気体の双方を同時に噴射することにより、エッチング液が霧状に噴射される２流体エッチングにおいて、エッチング液の温度が降下しない方法について検討する。

エッチング液の温度を高温で一定に保つ手段としては、（１）基板の温度を調整する、（２）エッチング液の温度を希望温度以上に設定し調整するなどの手段がある。しかしながら、エッチング液の温度を降下させる最大の原因は、混合して噴射される気体にあるため、本発明では、気体自体をエッチング液の温度以上に昇温することにより、気液混合噴射後の温度降下を防止することを試みた。

気体の昇温方法としては、気液混合時に所望の気体温度を確保できる方法であれば、その方法を問わない。例えば、図１に示すように、酸化性気体４０をコンプレッサー６０により２流体ノズル５０へ供給する場合、加熱機１００を酸化性気体ボンベ９０とコンプレッサー６０との間に配してもよいし、また、コンプレッサー６０と２流体ノズルの間に配しても構わない。また、気体配管自体を加温して、気体温度の降下を防止することも効果的である。

次に、本発明においては、一般的に鉄、銅、アルミニウムおよびこれらの合金のエッチング加工に塩化第二鉄または塩化第二銅を用いることを特徴としている。鉄やアルミニウム系の金属には塩化第二鉄を用いることが特に好ましい。
塩化第二鉄および塩化第二銅は、塩素または塩素酸化合物などの酸化性物質をエッチング加工の際に同時に混合することにより、反応生成物である塩化第一鉄または塩化第一銅を再生することが可能となる。塩化第二鉄（ＦｅＣｌ_３）を用いた場合を例に取ると、エッチング加工の際の反応生成物である塩化第一鉄（ＦｅＣｌ_２）は、以下の式のように、再び塩化第二鉄に再生される。
（塩素を混合した場合）２ＦｅＣｌ_２＋Ｃｌ_２→２ＦｅＣｌ_３
（塩素酸ナトリウムを混合した場合）
６ＦｅＣｌ_２＋６ＨＣｌ＋ＮａＣｌＯ_３→６ＦｅＣｌ_３＋ＮａＣｌ＋３Ｈ_２Ｏ

また、塩化第二鉄および塩化第二銅は、その濃度によって反応速度が変化する。特に、塩化第二鉄は、２．５ｍｏｌ／Ｌ付近に反応速度の極大を持ち、その前後で特に鉄系合金において表面粗さが変化し、平滑化するため、工業的には３ｍｏｌ／Ｌ以上の濃度域で使用する。

さらに、塩化第二鉄および塩化第二銅は、温度によっても反応速度が変化する。高温ほど反応速度が早くなるため、工業的には４０℃以上で使用する。より好ましくは、５０℃以上であることが好ましい。

さらに、高精度な金属微細加工にあたって、エッチングの均一性が重要となる。エッチングの均一性を向上させるには、ワーク幅方向への液捌けを促進し、ワーク中央部のエッチング液滞流（液ダマリ）を抑えることが極めて重要である。本発明では、液ダマリの原因となる過度の噴射液量を減らし、なおかつ液捌けに十分な噴射速度を与えることのできる、気液混合気体の噴射により、エッチング不均一性および加工速度の問題を改善した。

エッチング速度を上昇させるには、拡散層の厚さを薄くするのに十分な液膜の流動を与えることが重要であると言われている。ここで拡散層とは、金属表面−エッチング液界面付近に存在し、厚さ方向に濃度勾配を持つ層であると定義する。拡散層内での物質移動は自然拡散支配であり、静止状態では拡散層の厚みは無限大になる。上述の液膜とは混合状態において、拡散層上部からエッチング液と大気界面にかけて存在し、この領域内は濃度勾配が存在せず、濃度一定である膜と定義する。すなわち、静止状態では液膜は存在せず、金属表面上のエッチング液は全て拡散層となる。

よって、エッチング速度を向上させるには、拡散層の厚さを薄くすること、すなわち液膜内の流動を十分に誘起するエッチング液の噴射速度を与え、なおかつ噴射液量を抑えることにより、エッチング速度上昇の阻害要因である液膜の厚さ方向への成長を抑えることが重要となる。本発明では、２流体ノズルを用い、噴霧液量の低減と、拡散層の厚さを薄くする十分な流動を誘起することにより、エッチング速度の向上を実現した。

２流体ノズルからの噴霧時に、エッチング液は直径３０〜１１０μｍほどの微細な液滴となる。気体として塩素、酸素等の酸化性ガスあるいは空気等を同時に噴霧することで、前述したように、エッチング反応後に発生する反応生成物をエッチング液成分として再生することが可能となる。２流体噴射時にはエッチング液の表面積が増大するため、酸化再生の反応性向上を可能にし、さらに噴射と酸化再生が同時であることから、ワーク上へ再生直後のエッチング液の供給が可能となる。

また、本発明において、エッチング液の供給圧力Ｐｌと気体の供給圧力Ｐａの比率がＰｌ≦Ｐａであることが好ましい。噴射された気体は、基板上で基板と水平方向に広がる流れを誘起するため、気液混合噴射を行う場合、液体圧が気体圧に勝ると、効率的な液ダマリの除去ができなくなる。

また、ＰｌとＰａの比率がＰｌ≦Ｐａであっても、エッチング液が多量に供給されると効率的な液捌けは期待できない。そこで、エッチング液圧力、気体圧力ともに０．１〜０．５ＭＰａの範囲であることが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

水平搬送方式の長さ２ｍ、幅１ｍのチャンバー内に、スプレーパイプ間隔が１００ｍｍ、ノズル間隔が２００ｍｍで隣り合うスプレーパイプで互い違いにスプレーノズルが配置され、ワークとノズル間隔は１５０ｍｍの高さのエッチング装置を用い加工を行った。スプレーノズルは二流体ノズルを使用した。
エッチング液として塩化第二鉄溶液、気体として塩素を用い、液条件として比重を１．４６、液温度を７０℃、スプレー圧力を０．４ＭＰａ、気体条件として温度８０℃、気体圧力０．５ＭＰａでワークに対して同時にスプレー噴射を行った。ワークとして０．５ｍｍの厚さの鉄−４２％Ｎｉ合金に耐食性レジストが形成され、直径１００μｍの円が２５０μｍ間隔に配置された形で耐食性レジストが除去されたものであり、ワークの幅が６００ｍｍ、搬送方向の長さが３００ｍｍであるものを搬送速度１ｍ／分で搬送し、２分間のエッチング処理を行った。

気体として空気を用い、実施例１と同様の条件でエッチング処理を行った。

＜比較例１＞
水平搬送方式の長さ２ｍ、幅１ｍのチャンバー内に、スプレーパイプ間隔が１００ｍｍ、ノズル間隔が２００ｍｍで隣り合うスプレーパイプで互い違いにスプレーノズルが配置され、ワークとノズル間隔は１５０ｍｍの高さのエッチング装置を用い加工を行った。スプレーノズルは一流体ノズルを使用した。
エッチング液として塩化第二鉄溶液を用い、液条件として比重を１．４６、液温度を７５℃、スプレー圧力を０．４ＭＰａでワークに対してスプレー噴射を行った。ワークとして０．５ｍｍの厚さの鉄−４２％Ｎｉ合金に耐食性レジストが形成され、直径１００μｍの円が２５０μｍ間隔に配置された形で耐食性レジストが除去されたものであり、ワークの幅が６００ｍｍ、搬送方向の長さが３００ｍｍであるものを搬送速度１ｍ／分で搬送し、２分間のエッチング処理を行った。

＜比較例２＞
水平搬送方式の長さ２ｍ、幅１ｍのチャンバー内に、スプレーパイプ間隔が１００ｍｍ、ノズル間隔が２００ｍｍで隣り合うスプレーパイプで互い違いにスプレーノズルが配置され、ワークとノズル間隔は１５０ｍｍの高さのエッチング装置を用い加工を行った。スプレーノズルは二流体ノズルを使用した。
エッチング液として塩化第二鉄溶液、気体として塩素を用い、液条件として比重を１．４６、液温度を７５℃、スプレー圧力を０．４ＭＰａ、気体条件として温度２０℃、気体圧力０．５ＭＰａでワークに対して同時にスプレー噴射を行った。ワークとして０．５ｍｍの厚さの鉄−４２％Ｎｉ合金に耐食性レジストが形成され、直径１００μｍの円が２５０μｍ間隔に配置された形で耐食性レジストが除去されたものであり、ワークの幅が６００ｍｍ、搬送方向の長さが３００ｍｍであるものを搬送速度１ｍ／分で搬送し、２分間のエッチング処理を行った。

実施例１、２および比較例１、２の各加工条件における搬送方向および幅方向の平均円直径、標準偏差、ＥＦ（エッチングファクター）を表１に記載する。

表１の結果から明らかなように、本発明は搬送方向の円直径のばらつきが改善されている。すなわち、本発明のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法を用いることにより、ワーク上の液ダマリが改善されたことで、格段に加工均一性が向上し得たことは明らかである。

また、本発明のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法では、同一時間で処理を行ったにもかかわらず、比較例１、２と比較して、平均円直径が大きいものとなっている。中でも酸化性気体を用いたものでは、平均円直径は飛躍的に上昇していることが確認され、エッチング速度が格段に速いことが確認された。このことは、酸化性の強い塩素を用いることでエッチング液再生が効率的に進行し、エッチング速度が上昇していることを意味している。

また、表１中のＥＦは、エッチングファクターを示し、深さ方向エッチング量／板平面方向エッチング量で計算される。エッチングファクターは、高アスペクト加工を可能とする異方性エッチングの尺度となる。比較例に対し、実施例１および２は０．４〜０．６高いエッチングファクターを示し、本発明のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法により、より高アスペクトな加工が可能となることが確認された。

本発明における２流体エッチング工程の一例を示す説明図である。

符号の説明

１０ 金属基板
２０ 感光性レジストによるパターン
３０ エッチング液
４０ 酸化性気体
５０ ２流体ノズル
６０ コンプレッサー
７０ 液送ポンプ
８０ 液タンク
９０ 酸化性気体ボンベ
１００ 加熱機
１１０ バルブ

Claims (7)

1. 少なくとも、金属板の表面にフォトレジストをパターニングする工程、同一ノズルからエッチング液と気体の双方を同時に噴射する工程を有する金属板加工のための２流体エッチングにおいて、混合噴射する気体の温度がエッチング液の温度以上であることを特徴とするスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法。
2. 前記エッチング液が塩化第二鉄溶液または塩化第二銅溶液であることを特徴とする請求項１に記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法。
3. 前記エッチング液の供給圧力Ｐｌおよび前記気体の供給圧力Ｐａがそれぞれ０．１から０．５ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法。
4. 前記エッチング液の供給圧力Ｐｌと前記気体の供給圧力Ｐａの比率がＰｌ≦Ｐａであることを特徴とする請求項３に記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法。
5. 前記気体が、酸化性気体または空気であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法。
6. 前記金属板が、銅または鉄またはアルミニウム、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のスプレーエッチングによる金属微細加工製品の製造方法。
7. 請求項１から６の製造方法によって製造される、スプレーエッチングによる金属微細加工製品。

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