JP2019129247A - ガラス基板上の配線パターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーの照射条件を細かく調整せずとも、ガラス基板を損傷することなくガラス基板上に配線パターンを形成することができるガラス基板上の配線パターンの形成方法を提供する。【解決手段】ガラス基板１上の配線パターン３の形成方法は、ガラス基板１の表面に設けられた金属皮膜２の配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂにレーザーを照射することにより、当該部位２ｂの金属皮膜２を減厚する工程と、金属エッチング液によってエッチングを行うことにより、部位２ｂに残された金属皮膜２を除去してガラス基板１を露出させ、所望のパターン形状を有する配線パターン３を形成する工程とを備える。【選択図】図１

Description

本件出願に係る発明は、ガラス基板上の配線パターンの形成方法に関する。

従来、フライス、ルーティング等の機械的加工に代わる低ストレスの手法として、レーザーを用いたプリント回路基板の加工技術が提案されている。中でも、紫外線レーザー（以下、「ＵＶレーザー」と称する。）は、熱ストレスを低減するという他のレーザー源にはないメリットがある。また、ＵＶレーザーは可視光よりも短い波長で構成されているため、ＵＶレーザーを用いた加工技術は、精密に焦点を合わせて優れた位置精度を維持して、微細な回路形状を形成することができるというメリットもある。

非特許文献１には、Ｗ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕが表面に設けられた焼成セラミックス基板（Ａｌ_２Ｏ_３）に対してＵＶレーザーを照射することにより、配線幅２ミル、配線間隔１ミルの配線パターンを形成する方法が開示されている。この方法は、ＣＡＤデータを用いてＵＶレーザーの照射位置を決定できるため、セミアディティブ法で行われるようなめっきレジストによるマスキングやその剥離が不要であり、セミアディティブ法と比較して工程数を減らすことができる。そして、非特許文献１には、ＵＶレーザーは、樹脂や銅に対して非常に高い吸収率を示し、ガラスを加工する場合の吸収率も低くないことが記載されており、ＵＶレーザー照射によるガラス基板の加工が示唆されている。

また、非特許文献２には、パルス幅、パルスエネルギー、周波数等の照射条件をソフトウエアで細かく調整しながら、ＵＶレーザー照射によってシリコンやガラスを微細加工する技術が開示されている。

一方、近年、民生用モバイル電子機器や液晶テレビ等の用途で、透明性、平坦性、化学的安定性、電気絶縁性等の観点から、ガラス基板上に配線パターンを形成することが望まれている。そこで、ガラス基板の表面に設けられた金属皮膜にレーザーを照射して不要な金属皮膜を除去することにより、ガラス基板上に所望のパターン形状を有する配線パターンを形成することが考えられる。

シェーン・スタフォード、「ＵＶレーザによるプリント回路基板の加工」、Industrial Laser Solutions Japan、日本、株式会社イーエクス プレス、２０１４年９月、ｐ．１６−１９ ラジェシ・パテル 外２名、「高出力ＵＶレーザのパルスコントロールで新しい微細加工が可能に」、Industrial Laser Solutions Japan、日本、株式会社イーエクス プレス、２０１３年７月、ｐ．２０−２３

しかしながら、ガラス基板の表面に設けられた金属皮膜にレーザーを照射して不要な金属皮膜を除去するときに、ガラス基板にもレーザーが照射され、熱応力によってガラス基板にクラックが発生することがあるという不都合がある。このようなガラス基板の損傷を防ぐために、パルス幅、パルスエネルギー、繰り返し周波数等の照射条件を細かく調整しながらレーザーを照射したり、ガラス基板にレーザーが照射される直前に照射を停止するように調整することも考えられるが、その調整が非常に煩雑であるという不都合がある。

従って、本件発明の課題は、レーザーの照射条件を細かく調整せずとも、ガラス基板を損傷することなくガラス基板上に配線パターンを形成することができるガラス基板上の配線パターンの形成方法を提供することである。

そこで、本件発明者らは、ガラス基板の損傷を防ぐことができるガラス基板上の配線パターンの形成方法について鋭意検討した結果、以下の発明に想到した。

すなわち、本件発明のガラス基板上の配線パターンの形成方法は、レーザー照射によりガラス基板上に配線パターンを形成するガラス基板上の配線パターンの形成方法であって、ガラス基板の表面に設けられた金属皮膜の配線パターンが形成される領域以外の部位にレーザーを照射することにより、当該部位の金属皮膜を減厚する工程と、金属エッチング液によってエッチングを行うことにより、前記部位に残された金属皮膜を除去して前記ガラス基板を露出させ、所望のパターン形状を有する配線パターンを形成する工程とを備えることを特徴とする。

本件発明のガラス基板上の配線パターンの形成方法において、前記レーザー照射により、前記配線パターンが形成される領域以外の部位の前記金属皮膜を膜厚０．０１〜５μｍに減厚することが好ましい。

本件発明のガラス基板上の配線パターンの形成方法において、前記レーザーは紫外線レーザーであることが好ましい。

本件発明のガラス基板上の配線パターンの形成方法において、前記レーザー照射前の前記金属皮膜には、表面に黒化処理又はマイクロエッチング処理が施されていることが好ましい。

本件発明のガラス基板上の配線パターンの形成方法では、まず、レーザー照射によって、ガラス基板の表面に設けられた金属皮膜の配線パターンが形成される領域以外の部位を、ガラス基板が露出しない範囲で減厚する。このとき、ガラス基板は金属皮膜によって被覆されているため、当該ガラス基板に直接レーザーが照射されない。そして、レーザー照射に伴って金属皮膜に生じた熱は当該金属皮膜を伝導するため、ガラス基板への熱伝導が抑制される。これらのことから、レーザー照射に伴うガラス基板の損傷を防ぐことができる上に、ガラス基板の損傷を防ぐためのレーザー照射条件の細かな調整を不要とすることができる。

その後、金属エッチング液によってエッチングを行い、所望の形状の配線パターンを得る。配線パターンが形成される領域以外の部位の金属皮膜は、上記レーザー照射によって膜厚が薄くなっている。そのため、当該部位の金属皮膜を短時間で除去することができる。

以上のとおり、本件発明のガラス基板上の配線パターンの形成方法によれば、レーザーの照射条件を細かく調整せずとも、ガラス基板を損傷することなくガラス基板上に配線パターンを形成することができる。

本件発明の配線パターンの形成方法を示すフロー図である。 実施例６の照射条件でＵＶ照射及びエッチングされた金属皮膜を実体顕微鏡（倍率５０倍）で観察したときの写真を示す。

以下、本件発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は、本件発明の一例に関するものであり、本件発明はこれらによって限定されるものではない。

本実施形態に係るガラス基板上の配線パターンの形成方法は、レーザー照射によりガラス基板上に配線パターンを形成するものである。以下、その形成方法について順に説明する。

１．金属皮膜形成
はじめに、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１の表面を金属皮膜２によって被覆する。

ガラス基板１として、ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ及びＣａＯを主成分とするソーダ石灰ガラス、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３及びＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする無アルカリガラス、ＳｉＯ_２を主成分とする石英ガラス等を用いることができる。

金属皮膜２は、無電解めっき、真空蒸着めっき等の方法により形成することができる。金属皮膜２は、ガラス基板１の少なくとも一方の面の一部を被覆するものであってもよく、当該面の全面を被覆するものであってもよい。金属皮膜２として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕやそれらの合金等を用いることができる。

金属皮膜２は、単層であってもよく、複数層であってもよい。例えば、ガラス基板１の表面に無電解Ｃｕめっき層を積層したものでもよく、その上に無電解Ｎｉめっき層と無電解Ａｕめっき層とを順に積層したものであってもよい。

さらに、金属皮膜２表面でのレーザーの反射を低下させてレーザー加工性を向上させるために、金属皮膜２の表面に黒化処理又はマイクロエッチング処理が施されていることが好ましい。黒化処理としては、例えば、金属皮膜２が銅からなる場合、過硫酸ナトリウム水溶液や亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いて、金属皮膜２の表面に黒色の銅酸化物膜を化学的に形成することができる。また、マイクロエッチング処理としては、例えば、金属皮膜２が銅からなる場合、日本マクダーミッド株式会社のマルチボンドプロセスを行い、金属皮膜２の表面に微細な凹凸を形成することができる。

金属皮膜２は、レーザー照射前の膜厚が０．１〜２０μｍであることが好ましい。金属皮膜２の膜厚が０．１μｍ未満であると、本実施形態の配線パターンの形成方法においてレーザー照射を行う意味がない。金属皮膜２の膜厚が２０μｍを超えると、レーザー照射に長時間を要するため好ましくない。

２．レーザー照射
次に、金属皮膜２に対してレーザーを照射する。レーザーの波長は、紫外線〜可視光〜赤外線の幅広い波長領域を利用できる。中でも、小さいスポット径に集光して加工精度を高くすることができる、熱ストレスを低減して光分解加工を行うことができる等の観点から、紫外線レーザー（ＵＶレーザー）が特に好ましい。ＵＶレーザーとして、固体レーザーであるＹＡＧレーザーの３倍波（波長３５５ｎｍ）、ＹＡＧレーザーの４倍波（波長２６６ｎｍ）、気体レーザーであるエキシマレーザー（ＡｒＦ：波長１９３ｎｍ、ＫｒＦ：波長２４８ｎｍ、ＸｅＣｌ：波長３０８ｎｍ、ＸｅＦ：波長３５１ｎｍ）等が知られている。本実施形態では、ＵＶレーザー装置が小型であって、有毒ガスを使用せず、日常のメンテナンスが不要で取り扱いが容易であるという観点から、固体レーザーのＹＡＧレーザーの３倍波（波長３５５ｎｍ）を採用する。以下、ＵＶレーザーの照射について説明する。

ＵＶレーザーは、金属皮膜２の配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂに照射されるように、制御システムによってＣＡＤデータを基に照射位置が決定される。ＵＶレーザーの照射条件は、例えば、スポット径１０〜３０μｍ、パルスエネルギー２０〜８０μＪ、パルス周波数５０〜２００ｋＨｚ、走査速度２００〜５００ｍｍ／ｓとする。ＵＶレーザー照射によって、配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂの金属皮膜２の表面が剥離され、その部位２ｂの金属皮膜２が減厚される。レーザー照射は、配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂの金属皮膜２が膜厚０．０１〜５μｍに達するまで行う。

減厚後の金属皮膜２の膜厚は、できるだけ薄いことが好ましいが、ガラス基板１へのＵＶレーザー照射を回避しつつ薄膜化を実現するにはＵＶレーザーの照射条件を細かく調整する必要があるため、０．１μｍ以上であることが好ましい。また、減厚後の金属皮膜２の膜厚が厚いと、その後のエッチングに長時間を要し、配線パターンが形成される領域２ａへの不要なエッチングが生じるおそれがあるため、５μｍ以下であることが好ましい。

ＵＶレーザー照射の結果、図１（ｂ）に示すように、金属皮膜２の配線パターンが形成される領域２ａは照射前の膜厚が維持される一方、金属皮膜２の配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂは膜厚０．０１〜５μｍを残して除去される。

３．エッチング
次に、金属皮膜２に対してエッチング液を用いてエッチングを行う。エッチング液は、金属皮膜２を溶解除去できるものであればよく、例えば、金属皮膜２がＣｕからなる場合には、塩化第二鉄系エッチング液やアルカリ系エッチング液を用いることができる。エッチングは、配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂの金属皮膜２を完全に除去しつつ、配線パターンが形成される領域２ａの金属皮膜２にはできるだけ影響しない範囲の時間で行う。例えば、膜厚０．１μｍのＣｕからなる金属皮膜２を塩化第二鉄系エッチング液によってエッチングするとき、金属皮膜２にエッチング液を５〜２０秒間接触させる。

配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂの金属皮膜２は、上記レーザー照射によって膜厚が薄くなっている。そのため、短時間のエッチングによって、当該部位２ｂの金属皮膜２を短時間で除去することができる。そして、当該部位２ｂでガラス基板１の表面１ａが露出した時点で、エッチングを終了する。以上により、図１（ｃ）に示すように、ガラス基板１上に所望の形状の配線パターン３を得ることができる。

なお、金属皮膜２に黒化処理が施されている場合には、塩化第二鉄系エッチング液によって黒色の銅酸化物膜を除去することができるが、アルカリ系エッチング液では当該黒色の銅酸化物膜を除去することができない。そこで、エッチングにアルカリ系エッチング液を用いる場合には、エッチングの前に酸性水溶液によって黒色の銅酸化物膜を除去する。酸性水溶液として、酸性エッチャント、塩酸、硫酸等を用いることができる。

本実施形態のガラス基板１上の配線パターン３の形成方法によれば、金属皮膜２を完全に除去することなく厚さ方向に一部を残すようにレーザー照射を行えばよいため、レーザーをガラス基板１に照射させないための照射条件の細かな調整が不要である。また、ガラス基板１は金属皮膜２によって被覆されており、ガラス基板１にレーザーが直接照射されないため、ガラス基板１の損傷を防ぐことができる。そして、レーザー照射に伴って金属皮膜２に生じた熱は、金属皮膜２を伝導してガラス基板１への伝導が抑制されるため、ガラス基板１の損傷を防ぐことができる。

さらに、本実施形態のガラス基板１上の配線パターン３の形成方法によれば、ＣＡＤデータを用いてレーザー照射位置を決定して配線パターン３を形成することができるため、従来、セミアディティブ法で行われるようなめっきレジストによるマスキングやその剥離が不要であり、セミアディティブ法と比較して工程数を減らすことができる。セミアディティブ法では、各工程間を搬送させる毎に、ガラス基板１の割れや、金属皮膜２又は配線パターン３の断線、欠損、短絡等の不良リスクが高まっていた。これに対し、本実施形態の形成方法では、工程数が少ないため、そのような不良リスクを低減することができる。

以上説明した本件発明に係る実施の形態は、本件発明の一態様であり、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であるのは勿論である。また、以下、実施例を挙げて本件発明をより具体的に説明するが、本件発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

まず、無アルカリガラスであるイーグルＸＧ（コーニング社）からなり、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍであるガラス基板１を用意した。そして、無電解銅めっきによって、ガラス基板１に銅からなる金属皮膜２を形成した。金属皮膜２の膜厚は１４μｍとした。そして、金属皮膜２を過硫酸ナトリウム水溶液（過硫酸ナトリウム１５ｇ／Ｌ、水酸化ナトリウム３５ｇ／Ｌ、温度５５℃）に１５０秒間接触させることにより、金属皮膜２の表面に黒化処理を施した。その後、水洗し乾燥させた。

次に、レーザー発振装置によってＵＶレーザーを金属皮膜２の配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂに照射した。照射条件は、ＵＶレーザー波長３５５ｎｍ、スポット径３０μｍ、パルスエネルギー４０μＪ、パルス周波数１００ｋＨｚ、走査速度３５０〜４５０ｍｍ／ｓ、走査回数４〜６回とした。尚、照射中に照射条件の変更は行わなかった。表１に、実施例１〜６の照射条件を示す。ＵＶレーザー照射により、配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位２ｂの金属皮膜２が減厚された。図２（ａ）に、実施例６の照射条件でＵＶ照射後の金属皮膜２を実体顕微鏡（倍率５０倍）で観察した写真を示す。

続いて、エッチング液として第二塩化銅水溶液（第二塩化銅１４０ｇ／Ｌ、塩酸２．８６ｇ／Ｌ、比重１．２９７、温度４７．０℃）を用意した。そして、エッチング液を、ハイブリッドエッチング装置の二流体ノズル（エアー０．０９ＭＰａ、液０．０８ＭＰａ）によって金属皮膜２の表面に２０秒間噴霧することにより接触させ、エッチングを行った。エッチングレートは１μｍ／秒であった。その結果、配線パターンが形成される領域２ａ以外の部位の金属皮膜２が除去されたガラス基板１の表面１ａが露出し、ガラス基板１上に、配線幅／配線間隔（Ｌ／Ｓ）が３０μｍ／３０μｍである配線パターン３が形成された。

図２（ｂ）に、実施例６の照射条件でＵＶ照射後にエッチングすることによって得られた配線パターン３を実体顕微鏡（倍率５０倍）で撮影した写真を示す。配線パターン３の間に露出したガラス基板１の表面１ａを実体顕微鏡で観察したところ、クラックが生じていないことが判明した。そして、実施例１〜５の照射条件でＵＶ照射後にエッチングすることによって得られた配線パターン３についても、同様に実体顕微鏡で観察したところ、クラックが生じていないことが判明した。以上のことから、レーザーの照射条件を細かく調整せずとも、ガラス基板を損傷することなくガラス基板上に配線パターンを形成することができることが理解できる。

本件発明のガラス基板上の配線パターンの形成方法は、民生用モバイル電子機器、液晶テレビ等に使用されるプリント配線基板やガラスアンテナ等の用途に適用することができる。さらに、本件発明のレーザー照射によって金属皮膜の膜厚を減厚し、続いてエッチングを行うことを特徴とする配線パターンの形成方法は、ガラス基板上に配線パターンを形成するときに特に有効な方法であるが、ガラス基板以外の基板、例えば、樹脂基板や焼成セラミックス基板上に配線パターンを形成するときにも適用可能である。

１…ガラス基板
２…金属皮膜
２ａ…金属皮膜の配線パターンが形成される領域
２ｂ…金属皮膜の配線パターンが形成される領域以外の部位
３…配線パターン

Claims (4)

1. レーザー照射によりガラス基板上に配線パターンを形成するガラス基板上の配線パターンの形成方法であって、
   ガラス基板の表面に設けられた金属皮膜の配線パターンが形成される領域以外の部位にレーザーを照射することにより、当該部位の金属皮膜を減厚する工程と、
   金属エッチング液によってエッチングを行うことにより、前記部位に残された金属皮膜を除去して前記ガラス基板を露出させ、所望のパターン形状を有する配線パターンを形成する工程とを備えることを特徴とするガラス基板上の配線パターンの形成方法。
2. 前記レーザー照射により、前記配線パターンが形成される領域以外の部位の前記金属皮膜を膜厚０．０１〜５μｍに減厚する請求項１に記載のガラス基板上の配線パターンの形成方法。
3. 前記レーザーは紫外線レーザーである請求項１又は請求項２に記載のガラス基板上の配線パターンの形成方法。
4. 前記レーザー照射前の前記金属皮膜には、表面に黒化処理又はマイクロエッチング処理が施されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガラス基板上の配線パターンの形成方法。
   
   

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