JP2006291259A - 帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金表面形成方法及び帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金部材 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体や液晶ディスプレイの製造工程などで使用されるアルミ表面に発生する静電気によるトラブルを解消するため、帯電を抑制するアルミ表面形成方法を提供するものである。
【解決手段】アルミ表面の静電気の発生原因となる接触・剥離帯電を抑えるため、アルミ表面に平均表面粗さ（Ｒａ）が５ミクロン以上である粗い凹凸を有する粗面を形成し、接触面積を小さくして帯電量を抑える。また、不導体であるアルマイト皮膜に、電気伝導性を向上させた導電性アルマイトを形成して皮膜の電気抵抗値を半導体領域とし、皮膜の適度な導電性により電荷が緩やかに除電され、その結果スパークによる静電破壊が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電気の発生を防止するための、帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金表面形成方法及び帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金部材に関する。

半導体や液晶ディスプレイの製造工程中で使用する治工具や液晶ディスプレイ製造装置の保持テーブル類、搬送用ロボットのアーム等の構成部品などには軽量化のためにアルミニウムまたはアルミニウム合金材料が使用されている。

半導体や液晶ディスプレイの製造工程において、シリコンウエハーやガラス基板、または治工具などが、搬送中の接触・剥離の繰り返しにより電荷が蓄積されることで発生する静電気により、ゴミ・ホコリの静電吸着によるパターンの破損、 放電により素子にしきい値以上の電圧、電流がかかることによる静電破壊や、放電によるレジストパターンの破損あるいは、基板が保持台と静電吸着することによる基板の破損などの様々なトラブルを引き起こし、歩留り低下の重要な原因となっている。とりわけ近年、液晶ディスプレイ製造では取り扱うガラス基板が大きくなるため、静電破壊の問題は更に深刻になる。

静電気によるトラブルを解消するための対策としては、着衣や床材などに電気抵抗値が半導体領域のものを使用するものから、イオナイザ−のような装置を使用するもの（特許文献１参照）、アルマイト処理されたアルミニウム製レールのアルマイト除去部分に静電気を逃がす搬送装置（特許文献２参照）等がある。
特開平８−７７９５５号公報 特開平８−１４０２１７号公報

イオナイザーなどの除電装置は、以下にあげるような接触・剥離帯電では中和するためのイオンが帯電した面に到達が困難なため、除電の効果は期待できない。

前記の接触・剥離帯電について述べる。図３はガラス基板を保持台から引き上げる際の接触・剥離帯電の発生と放電の発生の過程を示す模式図である。

例えば、液晶ディスプレイの製造工程中、ガラス基板を種々の保持台（ステージ、プレート）に載せる必要があるが、ガラス基板１を保持台２から引き剥がす際、次のような不具合が発生する場合がある。

不具合の一点目は、ガラス基板１を保持台２から引き剥がす際、ガラス基板１を持ち上げることができず、ガラス基板１が割れるなどの損傷が発生する不具合がある。これは、接触帯電と呼ばれる帯電現象に起因するとされる。ガラス基板１と保持台２はそれぞれ平滑なため、面内の多くの点で接触し、この接触界面では、ガラス基板と保持台の表面エネルギーの違いにより、一方から他方（表面電位がプラス側からマイナス側）に電子が移動し、ガラス基板１と保持台２に異符号の電荷３が発生し（ガラス基板がプラスなら保持台はマイナス、あるいはその逆）、それぞれの極表層に電気二重層が形成される。この電荷３によりガラス基板１と保持台２が静電気力（クーロン力）により、強く引き合うために引き起こされる。特にガラス基板１を真空吸着などにより強く保持した場合、接触面積が増加し移行する電荷量が増えるため、真空吸着を解いたあとでも強く吸着したままになる傾向がある。また実際の生産現場では、ガラス基板１を載せる際に多少のズレが生じ接触面積が大きくなる。

不具合の二点目として、ガラス基板１を保持台２から引き剥がした後は、前記の接触帯電により生じた電荷３のため、向き合った空間に電解が発生することになる。ここで発生する電界強度は、存在する電荷量は一定なため、持ち上げる際の互いの距離（極間距離）により決まり、距離が大きくなるにつれ電界強度が大きくなり、ある距離を超えたところで放電が発生する。一般的に放電が発生する電界強度は３×１０^６〔Ｖ／ｍ〕と言われ、放電が発生する距離は一定ではなく、帯電した電荷量によるところが大きい。

そこで、本発明は、半導体や液晶ディスプレイの製造工程などで使用されるアルミニウムまたはアルミニウム合金表面に発生する静電気によるトラブルを解消するため、帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金の表面形成方法及び帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金部材を提供するものである。

本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金表面の静電気の発生原因となる接触・剥離帯電を抑えるため、アルミニウムまたはアルミニウム合金表面に平均表面粗さ（Ｒａ）が５ミクロン以上である粗い凹凸を有する粗面を形成することを特徴とする。

表面の粗さの程度を表す一般的な指標には平均表面粗さ（Ｒａ）が用いられるが、接触・剥離帯電を抑えるための平均表面粗さは、Ｒａ＝５〜２０μｍ必要である。

粗面化処理方法として、通常フッ酸系の梨地処理液が市販されている。しかしながら、一般的な処理時間の範囲で得ることが出来る表面粗さはＲａ＝２〜３μｍであり、Ｒａ＝５μｍ以上を満たすことができなかった。また、処理時間を極端に延長した場合、部分的にはＲａ＝５μｍの粗度を得ることができたが、面内に均一な粗さを得ることは困難だった。

このように市販の処理液ではＲａ＝５μｍ以上の要求を満たすことが出来なかったため、本発明の粗化処理は、鉄族金属を含む金属塩とアルミニウムまたはアルミニウム合金に対して腐食能を有する酸の混合溶液に浸漬することで反応により溶液中の金属塩をアルミニウムまたはアルミニウム合金表面に還元析出させ、次いでアルカリ金属塩を含む溶液中にてエッチングして粗面を形成する。

具体的には、前処理として、５５〜６５℃で５〜２０ｇ／Ｌのリン酸ナトリウムに１０〜２０分浸漬し、脱脂した後、水洗する。尚、以降の薬液処理後も同様に水洗を行うが、簡略化のため以降の薬液処理後の水洗については記述を省略する。

脱脂後、４０〜６０℃で１０〜５０ｇ／Ｌの苛性ソーダに１〜５分浸漬してエッチングする。

エッチング後、室温で１０〜５０ｇ／Ｌの硝酸に０．５〜３分浸漬してデスマット処理を行う。

デスマットまでの前処理が終了した後、１〜３０ｇ／Ｌの塩化ニッケルと１００ｇ／Ｌ以下の硫酸の混合水溶液中に３０〜５０℃で１０〜１２０分浸漬し、表面に金属粒子を付着させる。

硫酸あるいは塩酸，フッ酸などのアルミニウムまたはアルミニウム合金に対して腐食能のある酸に鉄あるいはニッケルなどの鉄族金属塩を添加することで、局部電池による局部腐食を起こさせ、極端な凹部を作ることが可能である。必要であればアルミニウムまたはアルミニウム合金部材を負極とし２〜５Ｖで電解を行うことで金属粒子の析出密度を上げることも可能である。

金属粒子の析出を終了後、４０〜６０℃で１０〜５０ｇ／Ｌの苛性ソーダに５〜２０分浸漬して２回目のアルカリエッチングする。

２回目のエッチング後、室温で１０〜５０ｇ／Ｌの硝酸に０．５〜３分浸漬して２回目のデスマット処理を行って粗面化を完了した後、最終の表面処理を行う。

最終の表面処理としては、陽極酸化処理（アルマイト処理），無電解ニッケル処理などあるが、静電気対策としては表面の抵抗値が１０^３〜１０^９Ωｃｍであることが望ましいことが知られている。アルミニウムまたはアルミニウム合金の一般的な表面処理である、通常不導体であるアルマイト皮膜の電気伝導性を向上させ電気抵抗値を半導体領域とした導電性アルマイトが望ましい。

アルマイトはアルミニウムまたはアルミニウム合金の陽極酸化皮膜であり、その皮膜は微細な穴が空いた多孔質層と呼ばれる部分と、密に詰まったバリヤー層と呼ばれる２つの層から成り立っており、バリヤー層が高抵抗体であるため絶縁性を示す。導電性アルマイトは、このバリヤー層の厚みを調整して電気抵抗を下げ、さらに２次電解と呼ばれる手法を用いて多孔質層の中に金属を充填して皮膜表面と母材のアルミニウム金属との導電性を上げ、半導体領域程度まで電気抵抗を下げることで得ることが可能である。

帯電しても皮膜の適度な導電性により電荷が緩やかに除電され、その結果スパークによる静電破壊が抑制される。

具体的には、前述の２回目のデスマット処理まで終了した粗面化されたアルミニウムまたはアルミニウム合金部材を、０℃〜３０℃で１００ｇ／Ｌ〜３００ｇ／Ｌの硫酸溶液にて、５Ｖ〜５０Ｖで電解を行いアルマイト皮膜を形成する。

アルマイト皮膜形成後、電解電圧を一挙にあるいは徐々に降下させることでバリヤー層を電気化学的に溶解し、その厚みを調整する。

バリヤー層の厚み調整後、１５℃〜３５℃でニッケル、コバルト、銀、銅、スズ、亜鉛、クロムなどの金属塩化合物を１ｇ／Ｌ〜１００ｇ／Ｌ含む硫酸溶液にて、３Ｖ〜３０Ｖで２次電解を行うことで処理を完了する。

本発明では、粗面化処理により、表面に多くの凹部が形成され、液晶ガラス基板の保持枠に本発明を適用すれば、接触面積が小さくなるために、帯電量を抑えることが可能となる。

さらに前述の粗面化を行ったアルミニウムまたはアルミニウム合金の部材に導電性アルマイトを形成することにより、帯電しても皮膜の適度な導電性により電荷が緩やかに除電され、その結果スパークによる静電破壊が抑制されて半導体・液晶ディスプレイ製造工程等における歩留まりが向上する。

本発明の実施例について説明する。

本実施例の粗化処理工程は次のとおりである。尚、各工程間には処理液除去のため水洗が入るが、簡略化のため記載は省略する。素材にはＪＩＳ Ａ５０５２相当のアルミニウム合金を使用した。

１．脱脂工程：６０℃のリン酸ナトリウム１５ｇ／Ｌの溶液中に１０分浸漬する。
２．エッチング：５０℃の１５ｇ／Ｌ苛性ソーダ中に３分浸漬する。
３．デスマット：２０ｇ／Ｌの硝酸により室温で１分行う。
４．金属置換：塩化ニッケル１５ｇ／Ｌ＋硫酸５０ｇ／Ｌの混合水溶液に４０℃で１２０分浸漬する。
５．エッチング：５０℃の１５ｇ／Ｌ苛性ソーダ中に１０分浸漬する。
６．亜鉛置換：水酸化ナトリウム５００ｇ／Ｌ＋酸化亜鉛１００ｇ／Ｌの混合水溶液に室温で１分浸漬する。
７．亜鉛剥離：硝酸３５０ｇ／Ｌの硝酸により室温で１分行う。
８．亜鉛置換：６と同じく、１分浸漬する。
９．ニッケルめっき：硫酸ニッケル３０ｇ／Ｌ＋次亜りん酸ナトリウム１０ｇ／Ｌ＋酢酸ナトリウム１０ｇ／Ｌのめっき液に９０℃で４０分浸漬し、ニッケルめっきを行う。
１０．乾燥

図１は粗面化処理を行った断面形状を示す図である。凹凸が激しい粗面を形成されていることが分かる。

帯電防止の効果確認のため、前述の方法で粗面化したアルミニウム合金部材に無電解ニッケルめっきを行ったサンプルを用い、表面電位計により帯電量の測定を行った。測定は評価するステージとガラス基板を接触させた後、ガラス表面の電位を測定することで行った。なお、測定は湿度４５％のクリーンルーム内にて行い、ガラスは液晶ディスプレイと同じグレードの無アルカリガラスを使用した。

測定の結果、本実施例で処理を行った場合の電位（１８２Ｖ）は、行わなかった場合（５１４Ｖ）に比べて半分以下の約３５％となり、本発明が接触・剥離帯電の抑制に効果があることが示された。

液晶ガラス基板の保持枠に本実施例を適用すれば凹凸が激しい粗面により接触面積が小さくなるために、帯電量を抑えることが可能となる。

本実施例の粗化処理工程は次のとおりである。尚、各工程間には処理液除去のため水洗が入るが、記載は省略する。素材にはＪＩＳ Ａ５０５２相当のアルミニウム合金を使用した。

１．脱脂工程：６０℃のリン酸ナトリウム１５ｇ／Ｌの溶液中に１０分浸漬する。
２．エッチング：５０℃の１５ｇ／Ｌ苛性ソーダ中に３分浸漬する。
３．デスマット：２０ｇ／Ｌの硝酸により室温で１分行う。
４．金属置換：塩化第二鉄１５ｇ／Ｌ＋酸性フッ化アンモニウム３０ｇ／Ｌの混合水溶液に４０℃で２０分浸漬する。
５．エッチング：５０℃の１５ｇ／Ｌ苛性ソーダ中に５分浸漬する。
６．デスマット：２０ｇ／Ｌの硝酸により室温で１分行う。
７．陽極酸化：２０℃の２００ｇ／Ｌの硫酸溶液中で、１０Ｖで３０分電解を行い、アルマイト皮膜を形成する。
８．バリヤー調整
９．二次電解：３０℃で硝酸銀５ｇ／Ｌを含む５０ｇ／Ｌ濃度の硫酸溶液にて二次電解を行う。
１０．封孔：９０℃で７ｇ／Ｌ濃度の酢酸ニッケル溶液中に、浸漬し封孔処理を行う。
１１．乾燥

帯電防止の効果確認のため、ステージとガラス基板を、真空吸着と真空破壊を繰返し接触させたときの帯電量の推移を表面電位計により帯電量の測定を行った。測定は評価するステージとガラス基板を接触させた後、ガラス表面の電位を測定することで行った。なお、測定は湿度４５％のクリーンルーム内にて行い、ガラスは液晶ディスプレイと同じグレードの無アルカリガラスを使用した。

帯電量の測定の結果を図２に示す。１００〜３００回それぞれの測定で、本実施例で処理を行った場合の電位は、行わなかった場合に比べて約半分となり、本発明が接触・剥離帯電の抑制に効果があることが示された。

液晶ガラス基板の保持枠に本実施例を適用すれば凹凸が激しい粗面により接触面積が小さくなるために、帯電量を抑えることが可能となる。

粗面化処理を行った断面形状を示す図である。 帯電量の測定の結果を示すグラフである。 ガラス基板を保持台から引き上げる際の接触・剥離帯電の発生と放電の発生の過程を示す模式図である。

符号の説明

１：ガラス基板
２：保持台
３：電荷

Claims (4)

1. 表面に平均表面粗さが５〜２０μｍである粗い凹凸を有する粗面を薬液反応により形成することを特徴とする帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金表面形成方法。
2. 表面を鉄族金属の金属塩とアルミニウムまたはアルミニウム合金に対して腐食能を有する酸の混合溶液に浸漬することで置換反応によりアルミニウムまたはアルミニウム合金表面に金属を析出させた後、次いでアルカリ金属塩を含む溶液中に浸漬することで粗面を形成することを特徴とする帯電を抑制する請求項１記載のアルミニウムまたはアルミニウム合金表面形成方法。
3. 薬液反応により粗い凹凸を形成後、陽極酸化によりアルマイト皮膜を生成した後、２次電解により電気抵抗値が１０^３〜１０^９Ωｃｍに調整された導電性アルマイトを形成することを特徴とする帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金表面形成方法。
4. 薬液反応により粗い凹凸を形成された後、電気抵抗値が１０^３〜１０^９Ωｃｍの導電性アルマイト皮膜が形成されてなることを特徴とする帯電を抑制するアルミニウムまたはアルミニウム合金部材。

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