JP4568884B2

JP4568884B2 - 反応液が加工面を流動する形態で行う電気化学的エッチング

Info

Publication number: JP4568884B2
Application number: JP2006018464A
Authority: JP
Inventors: 俊仁齋藤; 修一植田; 文衛小野; 正雄竹腰; 理早坂
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: JP2007197785A

Description

本発明は金属を電気化学的手法でエッチング加工する技術に関する。

本発明者らは、先にニッケル合金をエッチング加工する技術に関し、特に宇宙用のエンジンの壁構造体に用いられるモリブデンを含むニッケル合金をエッチング加工する技術に関する「ニッケル合金の電気化学的手法によるエッチング加工」を特願２００５−３０３００６号として特許出願した。この発明は、モリブデンを含むニッケル合金系耐熱合金の板材に均一な溝構造を加工できる新たなエッチング加工法を提示することを課題とし、その課題を解決するため、モリブデンを含むニッケル合金のパネルに所定の溝パターンをフォトレジストによって形成するステップと、該パネルを硫酸と硝酸をほぼ等量混合した水溶液中に浸すステップと、該水溶液槽内においてパネルを陽電極とし対向電極の陰電極との間に電圧を印加して溝を電気化学的反応で該パネルをエッチング加工するステップと、前記フォトレジストを除去するステップとからなるモリブデンを含むニッケル合金パネルの加工方法である。本発明のモリブデンを含むニッケル合金パネルの加工方法は、モリブデンを含むニッケル合金のパネルに所定の溝パターンをフォトレジストによって形成するステップを踏むことにより、設計通りの溝形状のマスクを被加工パネル面に容易に形成することができる。そして、このような構成を採用したことにより、この発明はパネルを硫酸と硝酸をほぼ等量混合した水溶液中に浸すステップと、水溶液槽内においてパネルを陽電極とし対向電極の陰電極との間に電圧を印加するステップを踏むことにより、機械加工が難しいモリブデンを含むニッケル合金を電気化学的反応で効果的にエッチング加工することができるものである。

しかし、従来の電気化学的エッチングは水溶液槽内に一方の電極となる被加工物と対向電極間に電位差をかけて電気化学的反応を行わせる方式が採られ、被加工物を液に完全に浸してしまうと反応により生じた組成の異なる液が被加工物の反応部付近にとどまり、この液が想定外の部分の反応を促進するため、十分な撹拌を行わないと、加工精度が悪くなるという問題が確認されている。一般の金属の電気を用いない純化学的エッチング加工によれば、液を被加工物に対してスプレー噴射する（特許文献１参照）ことにより、常に新しい液を供給して加工精度が悪くならないように配慮することができる。これに対し先の特許出願明細書に示したような電気を用いる電気化学的エッチング手法では、エッチング反応が特定の電位範囲で起こること、またスプレーで供給された液が被加工物上を流れる際の電気抵抗が大きいことで生じる電位差が大きいため、単に水溶液槽に代え供試体にスプレーで水溶液を供給する方法を採用しただけでは、うまくエッチングを行うことはできない。すなわち、被加工物上で最も対極に近いエッチング部のみで反応が進み、その他の部分では全く反応が進まないことになる。
また、従来のエッチング技術では被加工物にあらかじめ目標とする形状に合わせてマスクを施し露出した部分を加工するというものであるため、露出部分だけ面に垂直な方向へエッチングが進行することとなり、二次元的な形状しか加工できないという制約を持っている。
特開２００４−３６３１５５号公報「半導体装置の製造方法及びその装置」平成１６年１２月２４日公開

本発明の課題は、水溶液の滞留に起因する予定外のエッチングを防止して所望形状の加工を可能とし、更にはマスク処理を用いない複雑形状のエッチングを可能とする金属の電気化学的エッチング手法を提供することにある。

本発明の金属の電気化学的エッチング加工方法は、被加工面が非水平形態に設置された金属板自体を一方の電極とし、該被加工金属板表面に対して反応液を噴射するノズルを配置すると共に、前記被加工金属板表面に接近して対峙する平面メッシュ形状の対向電極を配置し、前記ノズルから噴射される反応液は霧状に噴霧され、両電極間に電位差を印加することにより前記被加工金属板の対向電極と対峙した領域に電気化学的反応を生じさせると共に反応がなされた液は前記被加工金属板表面を自然落下することを特徴とする。
本発明に係る金属の電気化学的エッチング加工方法の１形態では、対向電極には被加工金属板の加工形状に形成したものを用いるようにし、必要に応じて該対向電極は被加工金属板表面近傍で微振動が加えられる構成を採るようにした。
本発明に係る金属の電気化学的エッチング加工方法の他の形態では、被加工面が非水平形態に設置されたを一方の電極とし、該被加工物表面に対して反応液を噴射するノズルを配置すると共に、前記被加工金属板表面に対峙するように対向電極がノズル流路内に配置され、ノズルから噴射される反応液はビーム状に噴射されて被加工金属板表面にスポット状に到達する形態とし、両電極間に電位差を印加することにより前記被加工金属板表面のスポット領域に電気化学的反応を生じさせると共に反応がなされた液は前記被加工物表面を自然落下するようにした。

本発明の金属の電気化学的エッチング加工システムは、一方の電極となる被加工金属板を所定位置に非水平形態で保持する機構と、該被加工金属板に電圧を供給する部材と、被加工金属板が保持されたときその表面に対峙する位置に配置された反応液を噴射するノズルと、被加工金属板が保持されたときその表面に対峙する位置に近接して配置された平面メッシュ形状の対向電極と、両電極間に電位差を印加する手段とを備えるようにした。
また、本発明に係る金属の電気化学的エッチング加工システムの１形態では、上記構成において被加工金属板が保持されたときその表面に対峙する位置に配置された平面メッシュ形状の対向電極に代えて、ノズル流路内に配置されるような構成を採用した。

本発明の金属の電気化学的エッチング加工方法は、金属である被加工物を一方の電極とし、該被加工物表面に対して反応液を噴射するノズルを配置すると共に、前記被加工物表面に対峙する対向電極を配置し、両電極間に電位差を印加することにより前記被加工物に電気化学的反応を生じさせるようにしたものであるから、被加工物表面には新しい反応液が常時供給されると共に、反応がなされた液は該被加工物表面を自然流下するため、反応液の滞留に起因する予定外のエッチング現象を起すことが無く、所望のエッチング加工を行うことができる。
本発明に係る金属の電気化学的エッチング加工方法の１形態では、対向電極は平面メッシュ形状で被加工物表面に近接して配置され、その背後に配置されたノズルから噴射される反応液は霧状に噴霧されるようにしたので、両電極を構成する被加工物表面と対向電極間は自然流下する反応液が介在して電気回路が形成され、電気化学的反応が実現できる。
また本発明の更なる形態では、対向電極には被加工物の加工形状に形成したものを用いたことにより、被加工物表面へマスク処理を行わなくても所望形状のエッチング加工を行うことができる。また該平面メッシュ形状の対向電極を被加工物表面近傍で微振動させることにより、対向電極が平面でなくメッシュであることに起因する反応の領域不均一性を是正する作用効果を加えることができる。
本発明に係る金属の電気化学的エッチング加工方法の他の形態では、対向電極はノズル流路内に配置され、ノズルから噴射される反応液はビーム状に噴射されて被加工物表面にスポット状に到達させるようにしたことにより、両電極を構成する被加工物表面とノズル内の配置された対向電極間はビーム状の反応液流によって電気回路が形成され、電気化学的反応が実現できる。そして、ビーム流のスポット位置に限った反応を行うことができるため、被加工物表面へマスク処理を行わなくても所望形状のエッチング加工を行うことができる。更に、被加工物は平面に限らず立体構造物に対しても所望の加工が可能となって、加工内容を飛躍的に広げることができる。

本発明の金属の電気化学的エッチング加工システムは、金属である被加工物を所定位置に保持する機構と、該被加工物に電圧を供給する部材と、被加工物が保持されたときその表面に対峙する位置に配置された反応液を噴射するノズルと、被加工物が保持されたときその表面に対峙する位置に配置された対向電極と、両電極間に電位差を印加する手段とを備えるようにしたものであるから、被加工物表面には新しい反応液が常時供給されると共に反応がなされた液は該被加工物表面を自然流下させることができるので、水溶液の滞留現象は生じることが無くそれに起因する予定外のエッチングがなされることがない電気化学的エッチング加工システムを提供できる。
また本発明に係る金属の電気化学的エッチング加工システムの１形態では、上記構成において対向電極がノズル流路内に配置されるような構成を採用したことにより、ビーム流のスポット位置に限った反応を行うことができるため、被加工物表面へマスク処理を行わなくても所望形状のエッチング加工を行うことができる。更に、被加工物は平面に限らず立体構造物に対しても所望の加工が可能となって、加工内容を飛躍的に広げることができる。

本発明は、反応液の滞留に起因して予定外のエッチングなされてしまう問題に鑑み、その原因である反応液の滞留を防止する手法として、反応液が流動状態を保つ形態を実現させることからスタートした。すなわち、被加工物を反応液槽内にどぶ付けする従来の形態では攪拌を十分に行わないと液の滞留が起きるので、反応槽を使わずに反応を行わせる金属表面を反応液が流下して流動する形態に想到した。ただし、電気化学的エッチングを行わせるには金属である被加工物を一方の電極とし、該被加工物表面に対峙する対向電極間に反応液が介在すると共に、両電極間には定電流回路が形成される状況を整えることが必要である。
そこで、本発明では第１の実施形態として図１に示すような噴射ノズルとメッシュ形態の対向電極を用いる手法を提示する。図において１は被加工物である金属板、２はその表面と間隙をもった近接位置に配置された平板メッシュ状の対向電極、３は該対向電極２の背後に配置され開口部が前記金属板１の表面に向いた噴射ノズルである。そして被加工物である金属板１と平板メッシュ状の対向電極２間に電界が発生するようにバッテリー等によって電圧が印加される。噴射ノズル３からエッチング用の反応液が霧状に噴射され、メッシュ状の対向電極２を通過して被加工物である金属板１に吹きつけられる。対向電極２がメッシュ状であるのは背後から噴射された反応液が該対向電極２を通過して被加工物まで到達できるためである。吹き付けられた反応液は被加工物１の表面に膜状に付着し、順次吹き付けられる反応液によって膜厚が厚くなって被加工物１の表面上を流下するようになる。金属板１と平板メッシュ状の対向電極２間の間隙はこの際流下する反応液層の厚さ以内とされ、この反応液の介在と先の印加電圧によって、電界が形成される。このとき加工すべき金属板１の表面に所望の液層を形成させるため、１つの噴射ノズル３では加工面全域に反応液の供給が難しい場合には必要に応じて噴射ノズル３は複数個配置するようにすればよい。被加工物１の表面には加工すべき形状のマスク処理がなされており、露出部分が電気化学的反応によってエッチング加工が施される。

図２に示す異なる実施形態は、平板メッシュ状の対向電極が被加工物１の表面全体に対向するものではなく、加工領域のみに対向するように加工形状に対応して形成された対向電極２ａを用いる点が先の実施形態と異なる変形例である。そもそも電気化学的反応を行わせるのは加工部分だけであるから、非加工領域に電界を生じさせる必要はなくその部分の対向電極を省いても加工上何らの支障はない。さらに、このような構成を採用すれば、加工領域を対向電極２ａの近傍に限定することが可能となり、細かい形状の加工でなければ、マスク処理を施さなくても所望形状の加工が可能となる。従来の電気化学的エッチング加工では事前のマスク処理が必須であり、この前処理工程の手間が省略できることはコスト面で大きな貢献となる。因みに図示した形状の対向電極２ａを用いた場合、図中で示すようなパターンの加工ができることになる。
平板メッシュ状の対向電極で電気化学的エッチング加工を行わせる場合、電気化学的反応を均一化させる手法として当該平板メッシュ状の対向電極を微振動させることを提示する。メッシュ状の対向電極２，２ａと被加工物１とを両極として電気化学的反応を行うと、電極間距離が被加工物１の表面位置によって格差を生じ、これに起因して被加工面上に電位分布が起こる。本発明では、メッシュを振動させ被加工物表面の電位分布を時間的に変化させることで反応速度の時間的積分が均一となるように調整することを提案している。

上記の実施形態では対向電極２の背後に配置され開口部が前記金属板１の表面に向いた噴射ノズル３からエッチング用の反応液が霧状に噴射され、反応液がメッシュ状の対向電極２を通過して被加工物である金属板１に吹きつけられる構成を採用したが、要は加工面全域に流動する反応液層が形成できればよく、図３に示すようにアレイ状に噴射ノズルを配列するなどし、被加工物１の上端部表面に噴射しその反応液が加工面を自然流下する形態で加工面全域に流動する反応液層が形成されるようにしても良い。その他の構成は先の形態と同様でよいが、反応液の流動性に支障がなければ対向電極２は必ずしもメッシュである必要はなく、通常の平板電極でも良い。

上記の３つの実施形態はいずれも平板メッシュ状の対向電極２,２ａを用い、該対向電極２,２ａの背後に配置された噴射ノズル３から反応液を霧状に噴射させ、吹き付けられた反応液は被加工物１の表面に膜状に付着し、被加工物１の表面上を流下する反応液が金属板１と平板メッシュ状の対向電極２,２ａ間に介在する形態で電気回路が連結され、電気化学的エッチングが行われるものであるが、図４に示した本発明の他の実施形態は、対向電極２ｂが噴射ノズル３の流路内に配置され、ノズルから噴射される反応液はビーム状に噴射されて被加工物１の表面にスポット状に到達させるようにしたものである。すなわち、対向電極２ｂはメッシュではなく噴射ノズル３内の流路の一部を金属管で構成するなどの形態で取り付けられ、噴射されるビーム状の反応液４が該対向電極２ｂと被加工物１間をブリッジ形態でつながれることによって電気回路が形成され、ビーム流が照射されるスポット領域５の部分で電気化学的反応が実現できる。この場合、ビーム流のスポット位置に限った反応、すなわち点描加工（スポットの直径はサブミリオーダーまで可能）を行うことができるため、被加工物表面へマスク処理を行わなくてもスポット５の位置を移動させることにより所望形状のエッチング加工を行うことができる。更に、被加工物は平面に限らず立体構造物に対しても所望の加工が可能となって、加工内容を飛躍的に広げることができる。

本発明は宇宙用のエンジンの壁構造体に用いられるモリブデンを含むニッケル合金の板材に均一な溝構造を加工できる新たなエッチング加工法を提供することを当初の課題として研究されたものであるが、この分野に限らず、金属一般の微細加工を行う分野に適用できる技術である。とくに、図４に示したビーム流が照射されるスポット領域で電気化学的反応を起させる手法は、彫金やエッチング金属版画等工芸の分野にも応用することができる。

メッシュ状の対向電極の背後に設置したノズルから反応液を噴射する本発明の第１の実施形態を示す図である。加工パターンに対応した形状の対向電極を用いた本発明の第２の実施形態を示す図である。アレイ状に配置したノズルから被加工面の上端部へ反応液を噴射する本発明の第３の実施形態を示す図である。噴射ノズルからビーム状に反応液を噴射してスポット状に加工する本発明の第４の実施形態を示す図である。

符号の説明

１被加工金属板２，２ａ，２ｂ対向電極
３噴射ノズル４ビーム状の反応液噴射流
５噴射流スポット領域

Claims

被加工面が非水平形態に設置された金属板自体を一方の電極とし、該被加工金属板表面に対して反応液を噴射するノズルを配置すると共に、前記被加工金属板表面に接近して対峙する平面メッシュ形状の対向電極を配置し、前記ノズルから噴射される反応液は霧状に噴霧され、両電極間に電位差を印加することにより前記被加工金属板の対向電極と対峙した領域に電気化学的反応を生じさせると共に反応がなされた液は前記被加工金属板表面を自然落下することを特徴とする金属の電気化学的エッチング加工方法。
対向電極には被加工金属板の加工形状に形成したものを用いることを特徴とする請求項１に記載の金属の電気化学的エッチング加工方法。
対向電極は被加工金属板表面近傍で微振動が加えられることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属の電気化学的エッチング加工方法。
被加工面が非水平形態に設置された金属板自体を一方の電極とし、該被加工物表面に対して反応液を噴射するノズルを配置すると共に、前記被加工金属板表面に対峙するように対向電極がノズル流路内に配置され、ノズルから噴射される反応液はビーム状に噴射されて被加工金属板表面にスポット状に到達する形態とし、両電極間に電位差を印加することにより前記被加工金属板表面のスポット領域に電気化学的反応を生じさせると共に反応がなされた液は前記被加工物表面を自然落下することを特徴とする金属の電気化学的エッチング加工方法。
一方の電極となる被加工金属板を所定位置に非水平形態で保持する機構と、該被加工金属板に電圧を供給する部材と、被加工金属板が保持されたときその表面に対峙する位置に配置された反応液を噴射するノズルと、被加工金属板が保持されたときその表面に近接して対峙する位置に配置された平面メッシュ形状の対向電極と、両電極間に電位差を印加する手段とを備えた金属の電気化学的エッチング加工システム。
一方の電極となる被加工金属板を所定位置に非水平形態で保持する機構と、該被加工金属板に電圧を供給する部材と、被加工金属板が保持されたときその表面に対峙する位置に配置された反応液を噴射するノズルと、被加工金属板が保持されたときその表面に対峙するようにノズル流路内位置に配置された対向電極と、両電極間に電位差を印加する手段とを備えた金属の電気化学的エッチング加工システム。