JP2010059449A - 電解加工装置、電解加工方法、および構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、加工精度の高い凸状部を低コストで形成することができる電解加工装置、電解加工方法、および構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】電源と、電解加工液を収納する電解槽と、前記電解槽の内部に設けられ、被加工物を載置する載置台と、軸方向の一方の端面を前記載置台に対向させて設けられた電解部と、前記電解部と前記載置台との少なくともいずれかを移動させる移動手段と、を備え、前記電解部の前記軸方向と略直交する方向の面上には、絶縁性を有する絶縁部が設けられていること、を特徴とする電解加工装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解加工装置、電解加工方法、および構造体の製造方法に関する。

構造体の表面に微細な凸状部を形成する方法として、サブトラクティブ法とセミアディティブ法とが知られている。サブトラクティブ法は、めっき膜を形成させた後に酸溶液やアルカリ溶液などを用いて、めっき膜を所定のパターン形状にエッチング加工する方法である（例えば、特許文献１を参照）。また、セミアディティブ法は、無電解めっき法などにより形成されためっき層（シード層）上にレジストパターンを形成し、レジストに覆われていない部分に電解めっき法などを用いて金属を析出させることで所定のパターン形状を形成させる方法である（例えば、特許文献２を参照）。

これらの電解加工法は、プリント配線板、フラットパネルディスプレイ、半導体装置などの製造において、構造体の表面に微細な凸状部（例えば、配線パターンなど）を形成する技術として利用されている。

サブトラクティブ法は、簡便な加工方法である。しかしながら、めっき膜（被エッチング膜）をエッチング加工する際にエッチングが等方的に進むため、縦方向（深さ方向）のエッチングだけでなく横方向にもエッチングが進むといういわゆるサイドエッチングが生ずる。そのため、微細で加工精度の高いパターンを形成することができないという問題がある。
一方、セミアディティブ法によれば微細で加工精度の高いパターンを形成することができる。しかしながら、形成されるパターンの厚み寸法がレジスト膜の厚み寸法により制限を受けるため、厚み寸法の大きなパターン（アスペクト比の大きなパターン）を形成することが難しいという問題がある。
また、サブトラクティブ法、セミアディティブ法のいずれにしてもレジストパターンを形成する必要があるため、製造コストが高くなるという問題もある。
そのため、加工精度が高い凸状部を低コストで形成することができる技術の開発が望まれていた。
特開２００４−３１９５９３号公報 特開２００１−８５５７３号公報

本発明は、加工精度の高い凸状部を低コストで形成することができる電解加工装置、電解加工方法、および構造体の製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、電源と、電解加工液を収納する電解槽と、前記電解槽の内部に設けられ、被加工物を載置する載置台と、軸方向の一方の端面を前記載置台に対向させて設けられた電解部と、前記電解部と前記載置台との少なくともいずれかを移動させる移動手段と、を備え、前記電解部の前記軸方向と略直交する方向の面上には、絶縁性を有する絶縁部が設けられていること、を特徴とする電解加工装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、電解加工液の中で、被加工物の加工部分と、軸方向の一方の端面を前記加工部分に対向させて設けられる電解部と、の間に電圧を印加して、前記加工部分に前記電解加工液中の金属イオンを引き寄せる電解加工方法であって、前記電解部の軸方向と略直交する方向の面上に絶縁性を有する絶縁部を設けることで、前記電解部と、前記加工部分と、の間に発生する電界の拡がりを抑制すること、を特徴とする電解加工方法が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、上記の電解加工方法を用いて、構造体の表面に凸状部を形成すること、を特徴とする構造体の製造方法が提供される。

本発明によれば、加工精度の高い凸状部を低コストで形成することができる電解加工装置、電解加工方法、および構造体の製造方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る電解加工装置を例示するための模式断面図である。なお、図１（ａ）は電解加工開始時の状態を表し、図１（ｂ）は電解加工中の状態を表している。 図１に示すように、電解加工装置１には、加工電極２、電源４、スイッチ５、電解槽６、移動手段８が設けられている。

加工電極２には、基体２ａが設けられている。また、基体２ａには基板（被加工物）１００の表面に形成させる凸状部１０１の形状寸法に対応した電解部２ｂが設けられている。なお、電解部２ｂは、１つ設けられるようにしてもよいし、複数設けられるようにしてもよい。また、電解部２ｂを複数設けたり電解部２ｂ同士を連設させたりすることで、電解部２ｂの端面の形状が基板１００の表面に形成されるパターンの形状と略同一となるようにすることもできる。そのようにすれば、基板１００の表面にパターン状の凸状部を一括して成長させることができる。

基体２ａ、電解部２ｂは、導電性を有する材料により形成されている。例えば、これらを金属材料などで形成させることができる。ここで、基体２ａの形成に用いられる材料としては、特に限定はされないが電解加工液１０２に接触することを考慮して耐食性に優れる材料を選択することが好ましい。そのようなものとしては、例えば、ステンレスなどを例示することができる。ただし、これに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

また、電解部２ｂは、凸状部１０１を形成させるための金属イオンを供給可能な材料とすることができる。例えば、Ｃｕ（銅）からなる凸状部１０１を形成させる場合には、Ｃｕ（銅）やＣｕ（銅）を含む合金などとすることができる。この場合、電解部２ｂを金属イオンを供給可能な材料で形成させるものとすれば、凸状部１０１の成長とともに電解部２ｂの端部が溶解されてしまう。そのため、電解部２ｂを不溶性の材料である白金、チタン、酸化イリジウムなどで形成させることもできる。なお、電解部２ｂを不溶性の材料で形成させる場合には、凸状部１０１を形成させるための金属イオンを供給可能な電解加工液１０２を用いればよい。例えば、凸状部１０１がＣｕ（銅）からなるものである場合には、銅イオンを供給可能な電解加工液１０２を用いればよい。そのようなものとしては、硫酸銅やシアン化銅などを含むものを例示することができる。ただし、これらに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。
また、電解部２ｂを金属イオンを供給可能な材料で形成させる場合には、必要に応じて電解部２ｂの端面位置を揃えるための研磨加工などを行うようにすることもできる。また、基体２ａと電解部２ｂとを同じ材料を用いて一体に形成させることもできる。

電解加工液１０２に浸漬させる部分であって、電解部２ｂの端面以外の表面には絶縁性を有する絶縁部２ｃが設けられている。すなわち、電解部２ｂの軸方向と略直交する方向の面上には、絶縁性を有する絶縁部２ｃが設けられている。
絶縁部２ｃの材料としては特に限定されないが、電解加工における耐電圧、電解加工液１０２に対する耐食性などを考慮して、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂などとすることができる。ただし、これらに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

基体２ａの電解部２ｂが設けられた面と対向する側の面には、加工電極２（電解部２ｂ）を保持、移動させるための移動手段８が設けられている。移動手段８には、加工電極２を保持するための保持部８ｂと、保持部８ｂを介して加工電極２（電解部２ｂ）を移動させるための駆動部８ａとが設けられている。保持部８ｂに設けられる図示しない保持手段としては、例えば、機械的なチャックなどを例示することができる。駆動部８ａとしては、例えば、サーボモータのような駆動手段とボールネジなどのような動力伝達手段などを備えたものを例示することができる。なお、駆動部８ａ、保持部８ｂの構成は例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

直流電圧を印加するための電源４の陽極側は、基体２ａ（電解部２ｂ）と電気的に接続されている。また、電源４の陰極側は、基板１００の加工部分と電気的に接続されている。
なお、基板１００の加工部分は、電解加工開始時においては、シード層（導電層）１００ｂ上における電解部２ｂの下方に位置する部分であり、電解加工中においては、シード層１００ｂ上に形成された凸状部１０１となる。すなわち、電解加工の際に電解部２ｂの下方に位置する部分が加工部分となる。

また、電源４の陰極側にはスイッチ５が設けられ、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦ制御ができるようになっている。
また、加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間に流れる電流を測定する電流測定手段１１が設けられている。そして、この測定値に基づいて、移動手段８の制御が行われるようになっている。すなわち、この測定値に基づいて加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離が制御されるようになっている。なお、電流の測定値に基づいて加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離を制御することに関しては後述する。

また、電解加工液１０２を収納するための電解槽６の内部には、基板１００を載置、保持するための載置台７が設けられている。また、載置台７の載置面は、移動手段８の保持部８ｂと対向するように設けられ、載置台７に載置された基板１００と、保持部８ｂに保持された加工電極２とが対峙するようになっている。すなわち、電解部２ｂは、軸方向の一方の端面を載置台７に対向させて設けられている。

なお、移動手段８は、加工電極２と載置台７との相対的な位置関係を変化させることができればよい。したがって、移動手段８が加工電極２ではなく載置台７を移動するものであってもよく、あるいは、移動手段８が加工電極２と載置台７の両方を移動可能なものであってもよい。

基板１００としては、絶縁性を有するガラス基板１００ａの主面に導電性を有するシード層１００ｂ（例えば、Ｃｕ膜など）が形成されたものを例示することができる。この場合、シード層１００ｂは、例えば、無電解めっき法やスパッタリング法などを用いて形成させることができる。そして、このシード層１００ｂの表面に凸状部が形成されることにより、所望の形状寸法のパターンなどが形成されることになる。なお、基板１００の構成は例示したものに限定されるわけではなく、凸状部が形成される面が導電性を有していればよい。例えば、基板が導電性を有する材料で一体に形成されたものであってもよい。また、シード層１００ｂの材料もＣｕ（銅）に限定されるわけではなく、導電性を有する材料であればよい。

また、電解加工液１０２を供給するための図示しない供給手段、電解加工液１０２の温度を制御するための図示しない温度制御手段などを適宜設けるようにすることもできる。

次に、本実施の形態に係る加工電極２の作用について例示をする。

図２は、本実施の形態に係る加工電極の作用について例示をするための要部模式断面図である。なお、図２（ａ）は電解加工開始時の状態を表し、図２（ｂ）は電解加工中の状態を表している。
図３は、比較例に係る加工電極の作用について例示をするための要部模式断面図である。なお、図３（ａ）は電解加工開始時の状態を表し、図３（ｂ）は電解加工中の状態を表している。
また、図２、図３とも加工電極の基体に設けられた電解部の部分を拡大した図である。また、図２（ｂ）、図３（ｂ）に記載された矢印は電解部（加工電極）の移動方向を表している。

まず、図３に例示をする比較例に係る加工電極の作用について例示をする。
図３（ａ）に示すように、比較例に係る加工電極には絶縁部が設けられていない。すなわち、比較例に係る加工電極２０は、導電性を有する材料により形成された図示しない基体と電解部とで形成されている。そのため、加工電極２０と加工部分との間に電圧を印加することで発生する電界１０ａの拡がりが大きくなってしまう。この場合、加工電極２０と加工部分との間の距離を変えても電界１０ａの拡がりを抑制することができない。その結果、図３（ｂ）に示すように、広い範囲にめっき膜１０１ａが形成されてしまうことになり、微細なパターンや突起などを形成させることができない。また、加工精度も低く、アスペクト比の大きなパターンなどを形成させることも困難である。

これに対し図２（ａ）に示すように、絶縁部２ｃを設けた加工電極２（電解部２ｂ）を用いるものとすれば、加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間に電圧を印加することで発生する電界１０の拡がりを抑制することができる。そのため、図２（ｂ）に示すように、所望の範囲に凸状部１０１を形成させることができ、微細なパターンや突起などを形成させることができる。また、加工精度も高く、アスペクト比の大きなパターンなどを形成させることもできるようになる。

また、加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離を変えることで電界１０の拡がりを制御することができる。例えば、加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離を小さくすれば電界１０の拡がりを小さくすることができ、この距離を大きくすれば電界１０の拡がりを大きくすることができる。そのため、この距離を略一定に保つように加工電極２（電解部２ｂ）を移動させることで断面寸法が略一定の凸状部を形成させることができる。また、この距離を制御することで凸状部の断面寸法を変化させることもできる。

この場合、凸状部１０１が成長すると加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離が小さくなる。そのため、加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間に流れる電流を電流測定手段１１で測定し、この測定値に基づいて加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離を制御するようにすることもできる。例えば、電流値が所定の範囲の値を保つように加工電極２（電解部２ｂ）を上方に移動させるようにすれば、断面寸法が略一定の凸状部を形成させることができる。また、電流値に基づいて加工電極２（電解部２ｂ）の移動を制御することで、凸状部の断面寸法を変化させることもできる。

次に、電解加工装置１の作用とともに、本実施の形態に係る電解加工方法について例示をする。
まず、図示しない搬送装置により基板１００が搬入され、載置台７の載置面に載置、保持される。また、基板１００が載置台７に載置された際に、基板１００のシード層１００ｂが電源４の陰極側と電気的に接続される。

次に、図示しない供給手段から電解槽６の内部に電解加工液１０２が供給される。そして、移動手段８により加工電極２を図中下方に移動させることで、加工電極２の電解部２ｂとシード層１００ｂとの間が所定の距離に保持される。なお、基板１００の載置後に電解加工液１０２を供給するようにしたが、電解加工液１０２が供給、貯留された後に基板１００を搬入、載置するようにしてもよい。

次に、スイッチ５により電源回路を閉じることで、加工電極２の電解部２ｂとシード層１００ｂとの間に直流電圧を印加する。
そして、電解部２ｂが金属イオンを供給可能な材料で形成されている場合には、電解部２ｂとシード層１００ｂとの間に電解反応が生じ、電解部２ｂが溶解することで生成された金属イオン（陽イオン）がシード層１００ｂの表面に引き寄せられて凸状部１０１が形成、成長する。

また、電解部２ｂが不溶性の材料で形成されている場合には、電解加工液１０２に含まれる金属イオン（陽イオン）がシード層１００ｂの表面に引き寄せられて凸状部１０１が形成、成長する。

また、移動手段８により加工電極２を図中上方に移動させることで所定の高さの凸状部１０１を形成する。この際、前述したように、電解部２ｂと加工部分との間に流れる電流を電流測定手段１１で測定し、この測定値に基づいて加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離を制御することもできる。そのようにすれば、断面寸法が略一定の凸状部１０１を形成させたり、凸状部１０１の断面寸法を変化させたりすることができる。
所定の電解加工が終了した場合には、移動手段８により加工電極２を図中上方に移動させ、図示しない搬送装置により基板１００を搬出する。

本実施の形態によれば、加工電極２（電解部２ｂ）に絶縁部２ｃを設けているので、加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間に電圧を印加することで発生する電界１０の拡がりを抑制することができる。すなわち、電解部２ｂの軸方向と略直交する方向の面上に絶縁性を有する絶縁部２ｃを設けることで、電解部２ｂと、加工部分と、の間に発生する電界の拡がりを抑制するようにしている。そのため、所望の範囲に凸状部１０１を形成させることができ、微細なパターンや突起などを形成させることができる。また、加工精度も高く、アスペクト比の大きなパターンなどを形成させることができる。

また、電解部２ｂと加工部分との間に流れる電流を測定し、電流の測定値に基づいて電解部２ｂと加工部分との間の距離を制御するようにしている。この場合、加工電極２（電解部２ｂ）と加工部分との間の距離を変えることで電界１０の拡がりを制御することができる。そのため、この距離を略一定に保つように加工電極２（電解部２ｂ）を移動させることで断面寸法が略一定の凸状部を形成させることができる。また、この距離を制御することで凸状部の断面寸法を変化させることもできる。

また、電解部２ｂを複数設けたり電解部２ｂ同士を連設させたりすることで、電解部２ｂの端面の形状が基板１００の表面に形成されるパターンの形状と略同一となるようにすることもできる。そのようにすれば、基板１００の表面にパターン状の凸状部を一括して成長させることができる。なお、加工電極の形状は図示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
なお、電解部２ｂが複数設けられている場合などには、それぞれの電解部２ｂの下方に形成された凸状部１０１の成長速度にバラツキが生じる場合がある。しかしながら、凸状部１０１が成長することで電解部２ｂの端面と接触した場合には、接触した凸状部１０１の成長が止まるので、接触していない凸状部１０１の成長のみを継続させることができる。そのため、凸状部１０１の高さ寸法を揃えることができる。

次に、本実施の形態に係る構造体の製造方法について例示をする。
構造体としては表面に凸状部を有するものを例示することができる。例えば、プリント基板やフラットパネルディスプレイなどの配線部分、半導体装置、機械部品などを例示することができる。

ここでは、フラットパネルディスプレイの製造方法を例にとって説明をする。フラットパネルディスプレイとしては、薄膜トランジスタ駆動液晶ディスプレイ（TFT-LCD）、プラズマディスプレイ（PD）、電子放出型ディスプレイ（FED）、有機ELディスプレイなどを例示することができる。そして、これらのフラットパネルディスプレイの配線部分の形成工程において、前述した本実施の形態に係る電解加工装置、電解加工方法を用いることができる。

ここで、一般的には、フラットパネルディスプレイの配線部分の形成には、ウエットエッチング法、ドライエッチング法が用いられている。
ウエットエッチング法は、簡便で低コストの加工方法であるが、エッチングが等方的に進むため微細加工が難しいという問題がある。一方、RIE（reactive ion etching：反応性イオンエッチング)法に代表されるドライエッチング法を用いるものとすれば、サイドエッチングを抑えた異方性の高い加工を行うことができる。そのため、加工精度の高い微細加工を行うことができる。しかしながら、ドライエッチング法には装置コストが高く、被エッチング膜と下地膜やレジストとのエッチング選択比をあまり大きくとれないという問題がある。また、ウエットエッチング法、ドライエッチング法のいずれにしてもレジストパターンを形成する必要があるため、製造コストが高くなるという問題もある。

そこで、本実施の形態に係る構造体の製造方法においては、ウエットエッチング法やドライエッチング法に換えて、前述した本実施の形態に係る電解加工装置、電解加工方法を用いた配線部分の形成を行うようにしている。なお、前述した本実施の形態に係る電解加工装置、電解加工方法以外は、既知の各工程の技術を適用できるのでそれらの説明は省略する。
本実施の形態によれば、低コストで加工精度の高い配線部分の形成を行うことができる。また、アスペクト比が大きい場合であっても低コストで加工精度の高い配線部分の形成を行うことができる。また、製品歩留まりを向上させることができ、生産性も向上させることができる。

なお、一例として、フラットパネルディスプレイの製造方法を例にとって説明をしたがこれに限定されるわけではない。表面に凸状部を有する構造体に広く適用させることができる。
例えば、プリント配線板や半導体装置におけるパターンの形成においてはサブトラクティブ法やセミアディティブ法が用いられている。しかしながら、エッチングが等方的に進むサブトラクティブ法には微細で加工精度の高いパターンを形成できないという問題がある。また、セミアディティブ法には厚み寸法の大きなパターン（アスペクト比の大きなパターン）を形成するのが難しいという問題がある。また、サブトラクティブ法、セミアディティブ法のいずれにしてもレジストパターンを形成する必要があるため、製造コストが高くなるという問題もある。
これに対し本実施の形態によれば、加工精度が高く、アスペクト比の大きなパターンを低コストで形成することができる。また、製品歩留まりを向上させることができ、生産性も向上させることができる。

以上、本実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、前述した加工電極、電解加工装置などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、電解加工液の組成も例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

本実施の形態に係る電解加工装置を例示するための模式断面図である。 本実施の形態に係る加工電極の作用について例示をするための要部模式断面図である。 比較例に係る加工電極の作用について例示をするための要部模式断面図である。

符号の説明

１ 電解加工装置、２ 加工電極、２ａ 基体、２ｂ 電解部、２ｃ 絶縁部、４ 電源、５ スイッチ、６ 電解槽、７ 載置台、８ 移動手段、１０ 電界、１１ 電流測定手段、２０ 加工電極、１００ 基板、１００ａ ガラス基板、１００ｂ シード層、１０１ 凸状部、１０１ａ めっき膜、１０２ 電解加工液

Claims (8)

1. 電源と、
   電解加工液を収納する電解槽と、
   前記電解槽の内部に設けられ、被加工物を載置する載置台と、
   軸方向の一方の端面を前記載置台に対向させて設けられた電解部と、
   前記電解部と前記載置台との少なくともいずれかを移動させる移動手段と、
   を備え、
   前記電解部の前記軸方向と略直交する方向の面上には、絶縁性を有する絶縁部が設けられていること、を特徴とする電解加工装置。
2. 前記電解部と前記被加工物の加工部分との間に流れる電流を測定する電流測定手段をさらに備え、
   前記電流の測定値に基づいて前記移動手段の制御を行うこと、を特徴とする請求項１記載の電解加工装置。
3. 前記電源の陽極側は、前記電解部と電気的に接続され、
   前記電源の陰極側は、前記被加工物の加工部分と電気的に接続されること、を特徴とする請求項１または２に記載の電解加工装置。
4. 前記電解部が複数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１つに記載の電解加工装置。
5. 前記電解部の前記端面の形状が、前記被加工物の表面に形成されるパターンの形状と略同一とされていること、を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電解加工装置。
6. 電解加工液の中で、被加工物の加工部分と、軸方向の一方の端面を前記加工部分に対向させて設けられる電解部と、の間に電圧を印加して、前記加工部分に前記電解加工液中の金属イオンを引き寄せる電解加工方法であって、
   前記電解部の軸方向と略直交する方向の面上に絶縁性を有する絶縁部を設けることで、前記電解部と、前記加工部分と、の間に発生する電界の拡がりを抑制すること、を特徴とする電解加工方法。
7. 前記電解部と前記加工部分との間に流れる電流を測定し、前記電流の測定値に基づいて前記電解部と前記加工部分との間の距離を制御すること、を特徴とする請求項６記載の電解加工方法。
8. 請求項６または７に記載の電解加工方法を用いて、構造体の表面に凸状部を形成すること、を特徴とする構造体の製造方法。

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