JP2020514549A - 技術的マスクの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えばガラス、サファイア、またはケイ素から成る板状の基材（２）からの技術的マスク（１）の製造方法に関する。マスク（１）の少なくとも１つの開口部は、レーザ誘起深堀エッチングによって製造され、その際、基材（２）は、少なくともレーザ誘起深堀エッチングの際に用いられるレーザ波長に対して透明である。このために、基材（２）は、とりわけ閉じた輪郭（３）を分離するために、レーザのパルスにより、予め規定された加工線（４）に沿って改質される。結合帯、いわゆるブレイクアウトタブの形態での、加工線（４）の局所的な中断は、分離すべき輪郭（３）が、エッチング溶液で処理した後も最初はまだ板状の基材（２）と結合していることを保証している。このやり方で前処理された板状の基材（２）を、その後のステップでは、例えばフッ化水素酸（ＨＦ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）のようなエッチング溶液で処理し、これにより、基材（２）の改質されていない領域は均質かつ等方性にエッチングされる。改質された領域は、基材（２）の未処理の領域に比べて異方性に反応し、したがって処理された位置では、最初は方向づけられた凹部が形成され、最終的にはこの位置での基材（２）の材料が完全に溶ける。

Description

本発明は、板状の基材からの技術的マスクの製造方法に関する。

オープンアパーチャを有する技術的マスクとは、一般的には、構造化された材料塗布または材料除去のための何度も使用可能な機構のことである。これに属するのは、なかでも、ステンシル印刷用のステンシルテンプレートまたは堆積法および除去法用のシャドウマスクである。印刷ステンシルテンプレートは、ステンシル印刷およびスクリーン印刷に使用される。その際、例えばレーザ切断されたスチールフィルムを、フレームに張って固定する。印刷するには、ドクターブレードで印刷物質をステンシルテンプレート内の開口部に通して押しつける。

シャドウマスクは、コーティングプロセス用の、例えばスパッタリングコーティングまたは気相コーティング用のマスキングとして利用される。シャドウマスクはしばしばディスプレイ（例えばＯＬＥＤディスプレイ）の製造に使用される。その場合は、マスクが各ピクセルのために、例えば５０μｍ大の長方形の開口部を有している。

レーザ誘起深堀エッチング（例えばＷＯ２０１４／１６１５３４Ａ２（特許文献１）およびＷＯ２０１６／０４１５４４Ａ１（特許文献２））では、透明な材料を、レーザパルスまたはパルス列で、ビーム軸に沿った細長い領域にわたって改質し、しばしば、透明な材料、例えばガラス板の厚さ全体にわたって改質し、これにより、その後の湿式化学エッチング浴においては、この改質が異方性にエッチングされる。

工業的には、技術的マスクは、一般的に非常に薄い特殊鋼またはその他の金属板から製造される。構造化された材料塗布または材料除去に必要なマスク開口部（アパーチャ）は、レーザ切断を使って、またはフォトリソグラフィによるエッチング法を使って施される。技術的マスクを製造するための従来技術で知られているさらなる手法は電鋳である。技術的マスクは、一般的に非常に多数のアパーチャを有しており、これらのアパーチャはまた、事情によっては形状、ポジション、および数において法則性に則っていない。これらのアパーチャは、しばしば＞１：１のアスペクト比（材料厚さ：構造サイズの比）を有するべきであり、これによりすべての等方性エッチング法が除外される。本来の材料塗布または材料除去中は、非常に薄いマスクを、加工すべき材料の上方または上で非常に平坦にポジショニングしなければならない。従来技術で用いられる薄い金属基材は、変形およびたわみを回避するために引張応力を印加される。

ガラスは、オープンアパーチャを有する技術的マスク用の材料として、金属に比べて幾つかの基本的な利点を有している。つまりガラスは、より高い耐ひっかき性、高い弾性率、およびより低い熱膨張を有しており、ガラスは、負荷の際に可塑性に伸びず、かつ化学的にはるかに耐性がある。ガラスの透明性は、例えば位置合わせのための光学的方法に活用できる。挙げた利点にもかかわらず、ガラスは、構造化された材料塗布または材料除去のための技術的マスク用の材料として用いられていない。これは第一に、ガラスはオープンアパーチャを有するマスク用の材料として用いるには割れ易すぎるという先入観のせいである。とりわけ、従来技術において金属マスクに対しては一般に行われている引張応力の印加は、ガラス製の技術的マスクの信頼性にとって極めて致命的と思われている。

ガラス内に構造がエッチングで生成され、よって破壊強度が十分に高い方法は、リソグラフィである。これに関してはコーティングが露光され、続いて局所的に開けられる。続いて所望の構造を生成するために基材がエッチングされる。その際、コーティングがエッチングレジストとして働く。エッチング腐食は、エッチングレジストが開けられた位置で等方性に起こるが、これにより大きなアスペクト比を有する構造は生成できない。技術的マスク内に高分解能の構造を製造できるようにするには、クロム・ニッケルフィルムをリソグラフィによって構造化する。これに関しては、部分領域がマスクされ、マスクされていない領域がエッチングされる。この場合、エッチングプロセスは等方性であり、したがってマスキングのアンダーエッチングが生じ、これにより、生成される構造の直径はコントロール不能に増大する。この構造をエッチングリップ（ＡＥｔｚｌｉｐｐｅ）と言う。

ＷＯ２０１４／１６１５３４Ａ２ ＷＯ２０１６／０４１５４４Ａ１

本発明の基礎となる課題は、ガラス製の技術的マスクのための著しく改善された製造方法を提供する可能性を提供することである。

この課題は、本発明によれば請求項１の特徴に基づく方法によって解決される。本発明のさらなる形態は従属請求項から読み取ることができる。

本発明によれば、技術的マスクはレーザ誘起深堀エッチングによって生成される。これに関しては、少なくともレーザ誘起深堀エッチングの際に使用されるレーザ波長に対して透明な板状の基材に、少なくとも１つの開口部が備えられる。この少なくとも１つの開口部は、レーザ誘起深堀エッチングによって製造され、詳しくは、基材が最初にレーザビームで開口部の輪郭に沿って改質され、続いてエッチング浴中で、改質された位置で異方性にエッチングされる。

本発明によれば技術的マスクとは、例えば、構造化された材料塗布または材料除去のための何度も使用可能な機構のことである。

本発明によれば、異方性のエッチング腐食に基づき、所望のエッジ角度を、とりわけ予め決定された開き角度で達成でき、これはとりわけ、例えばスパッタリングプロセスのために、シャドウマスクとしてガラスステンシルテンプレートを使用する際に特に有利であることが分かっている。

本発明は、レーザ誘起深堀エッチングによってアパーチャが施されたガラス基材は、構造化された材料塗布または材料除去用の材料として非常に具合よく用い得るという驚くべき知見に基づいている。これに関して特に驚くべきことに、こうして製造されたガラス基材は、それだけでなく従来技術で一般に行われている引張応力の印加にもちこたえるという知見である。

本発明に基づく方法により、異方性にエッチングされる分離面または空隙の形状を、レーザ照射により非常に正確に制御することができ、かつエッチングリップの形成を回避することができる。

第２のプロセスステップでは少なくとも１つのエッチングステップが行われ、その際、例えばフッ化水素酸によるエッチング腐食の進行、とりわけ速度は、改質の個別の特性に依存する。エッチング腐食を、最初は、例えばエッチングレジストによる基材の片面コーティングにより、片面に限定することもできる。

さらなる１つのエッチングステップでは、例えば切断エッジに半径を生成できる。

エッチング剤としては、例えば以下の湿式化学溶液が実現可能である。
フッ化水素酸：
− 濃度：１〜２０％
− 温度：５〜４０℃
− 第２の酸：Ｈ２ＳＯ４、ＨＣＬ、Ｈ３ＰＯ４
水酸化カリウム溶液：
− 濃度：１０〜６０％
− 温度：８５〜１６０℃

加工が常に、不可避の微細な亀裂を生じさせ、したがってステンシルテンプレートとしての使用は、使用のためにフレームに装着されるので、およびドクターブレードコーティングの際に大きな機械的負荷に曝されるので不可能であることから、十分な破壊強度をもつガラス製の技術的マスクはこれまで実現できなかった従来技術に基づく方法とは違い、本発明によれば、このような微細な亀裂は回避される。

技術的マスク用の材料としてガラスを使用することにより、材料塗布または材料除去のためのプロセスをより高い信頼性で実施することができる。つまり以下のさらなる本発明による利点を達成できる。
・ より高い精度（塑性変形なし）
・ より高い硬度、つまりより耐摩耗性
・ ケイ素、セラミックのような熱膨張
・ より高い化学的および機械的な耐性
・ 透明な特性に基づく、光学的方法による簡略化された位置合わせ

本発明は様々な実施形態を許容する。本発明の基本原理をさらに明らかにするため、そのうちの１つを図面に示し、以下で説明する。

本発明による方法によって製造された技術的マスクの平面図である。 本発明により製造された、エッチング処理後の開口部の断面図である。 従来技術に基づく方法によって製造された、エッチング処理後の開口部の断面図である。

板状の基材２から技術的マスク１を製造するための本発明による方法を、以下に図１および図２に基づいてより詳しく解説する。板状の基材２は、少なくともレーザ誘起深堀エッチングに用いられるレーザ波長に対して透明である。板状の基材２は、例えばガラス、サファイア、またはケイ素から成り得る。

厚さｓが数百マイクロメートルの板状の基材２は、とりわけ閉じた輪郭３を分離するために、図示されていないレーザ放射を使って、レーザのパルスにより、予め規定された加工線４に沿って改質される。輪郭３を切断するには、レーザのパルスを予め規定された加工線４に沿って当てるように、かつ結果として生じる改質中心の間隔が数マイクロメートルしかないように注意する。結合帯、いわゆるブレイクアウトタブ（Ｂｒｅａｋｏｕｔｔａｂ）の形態での、加工線の局所的な中断は、分離すべき輪郭３が、エッチング溶液で処理した後も最初はまだ板状の基材２と結合していることを保証している。

このやり方で前処理された板状の基材２を、その後のステップでは、例えばフッ化水素酸（ＨＦ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）のようなエッチング溶液で処理し、これにより、ガラス基材２の改質されていない領域は均質かつ等方性にエッチングされる。改質された領域は、基材２の未処理の領域に比べて異方性に反応し、したがって処理された位置では、最初は方向づけられた凹部が形成され、最終的にはこの位置での基材２の材料が完全に溶ける。このエッチングステップは通常、使用する基材２、基材２の厚さｓ、およびエッチング溶液の濃度に応じて数分〜数時間を要する。

この時点では、ブレイクアウトタブを除いては輪郭が切断されており、空隙８によって分離されているレイアウトが、それ以外の板状の基材２内で保たれており、したがって、希釈溶液または中和溶液中への浸漬およびその後の乾燥の後に、残っている基材２から所望のレイアウトを分離することができ、これにより、完成した技術的マスク１が生じる。

これらの開口部は、断面において表面の１つに対する開き角度が＞５°から＞３５°までであることができる。これは、印刷物質によるコーティング、印刷すべき表面からの剥離、もしくはコーティングプロセスを容易にすることができ、または材料塗布もしくは材料除去の際の分解能を改善することができる。

それだけでなく本発明によれば、図２に示しているように基材２の片面をエッチングレジスト５で保護すれば、板状の基材２の片面エッチングも可能である。この場合には例えばクロム層または接着フィルムが用いられる。片面エッチングにより、断面において様々な高さプロファイルをもつ開口部を生成できるようになる。

接着フィルムは、さらにフレーム内に張って固定することができ、これはとりわけ、厚さｓが１００μｍ未満の薄いガラスの取扱いを容易にする。板状の基材２の厚さｓが１００μｍ未満の場合、基材２はプラスチックフィルムのように挙動し、したがってエッチング槽内で従来のホルダに据え付けることはできない。

エッチングレジスト５としてクロム層を使用する場合は、輪郭３を完全に切り取ってもよい。この場合、輪郭３はクロム層にくっついたままであり、エッチング槽内に落ちることはない。とりわけ第２のエッチング浴中でクロム層が取り去られる際にこの切片も取り去られ、抜き取る必要はない。

技術的マスク１を使用する際は、技術的マスク１をフレームに装着することが好ましい。このフレームは、マスクを張るための装置を備えていることが好ましい。張る際には技術的マスク１が大きな機械的負荷に曝される。この機械的負荷は、生じる引張応力を変形によって取り除くのに適した負荷軽減構造６によって相殺できる。この構造によって達成可能な変形全体は、材料の破断伸びより明らかに大きく、局所的にだけでも破断伸び以上に伸びることはない。このような負荷軽減構造６は、例えば基材２の縁領域内でスリット状に生成することができる。

技術的マスクは、少なくとも局所的に金属層を備えることができる。金属層は、例えばマスクを磁気によって固定するために使用できる。金属層はこれに加え、光学的マスクとしての利用を可能にする。

より理解し易くするために、図３は従来技術に基づく方法によるエッチング処理を、そうして製造された基材２の断面に基づいて明らかにしている。認識できるようにこの場合は、点状の改質が、一様な広がりおよび後の等方性エッチング除去を伴うことにより、規定通りではない開口部の広がりによる、いわゆるエッチングリップ７が生じる。このエッチングプロセスは等方性に進行し、つまりエッチングレートがすべての方向で同じなので、エッチングレジスト５のアンダーエッチングが生じ、これにより、生成される構造の直径はコントロール不能に増大する。これは本発明により、異方性エッチング除去によって阻止できる。

材料塗布プロセスまたは材料除去プロセスのための技術的マスクの使用には、正確なポジショニングが必要である。板状の基材として透明な材料を使用する場合、例えば表面構造、空隙、または局所的なコーティングに基づいて行える光学的ポジショニングが可能である。

１ マスク
２ 基材
３ 輪郭
４ 加工線
５ エッチングレジスト
６ 負荷軽減開口部
７ エッチングリップ
８ 空隙
ｓ 厚さ

Claims (16)

1. マスクが少なくとも板状の基材から成り、かつ前記板状の基材が少なくともレーザ波長に対して透明であり、かつ前記マスクの少なくとも１つの開口部がレーザ誘起深堀エッチングによって製造されたことを特徴とする、技術的マスクの製造方法。
2. 前記レーザ誘起深堀エッチングの際のエッチング腐食が、少なくとも一時的には片面で起こることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記板状の基材の材料が、ガラス、ケイ素、サファイアから選択されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. レーザ改質またはエッチング腐食の際のパラメータは、前記マスクの前記開口部が、＞５°、好ましくは＞１５°、特に好ましくは＞２５°、特に好ましくは＞３５°の開き角度を有するように選択されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記マスクが、前記板状の基材材料のほかに、少なくとも１つのさらなるコンポーネントから成ることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記第２のコンポーネントがフレームであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記第２のコンポーネントが、前記板状の基材材料を張るための少なくとも１つの装置を備えていることを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
8. 前記板状の基材材料が少なくとも部分的に、伸び構造を備えていることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. とりわけ前記板状の基材（２）の縁領域内に、とりわけスリット状の負荷軽減開口部（６）が施されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
10. 前記負荷軽減開口部（６）が、まっすぐにのびたまたは螺旋状の幾何形状を有することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
11. 前記板状の基材が、＜２５０μｍ、好ましくは＜１５０μｍ、特に好ましくは＜７５μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。
12. 前記板状の基材に選択的にエッチングマスクが備えられ、それにより前記エッチング腐食が少なくとも局所的に妨げられ、それにより高さプロファイルをもつマスクが生じることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の方法。
13. 前記マスクに少なくとも部分的に金属層が備えられることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の方法。
14. 再利用可能なマスクを使った構造化された材料塗布または材料除去のための方法において、前記マスクが、請求項１〜１３のいずれか一つに基づいて製造されており、かつ前記マスクが、コーティングすべきまたは除去すべき前記材料に対して位置合わせされることを特徴とする方法。
15. 再利用可能なマスクを使った構造化された材料塗布または材料除去のための請求項１１に記載の方法において、前記位置合わせが、表面構造、空隙、または前記マスク上に堆積された層に基づいて取得される情報に基づいて行われる方法。
16. 前記改質を有する前記基材（２）が第１のエッチング溶液中で処理され、これにより輪郭（３）が、加工線（４）に沿って完全に分離され、かつとりわけクロムを主成分として含有するエッチングレジスト（５）によってのみ、前記基材（２）の隣接する領域と結合していること、および続いて、さらなるエッチング溶液中で前記エッチングレジスト（５）が取り去られ、かつ前記加工線（４）に囲まれた領域が、前記基材（２）から分離されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一つに記載の方法。