JP6729255B2 - メタルマスクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機ＥＬ表示装置等の製造に使用されるメタルマスクの製造方法に関する。

近年、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置が、液晶表示装置と比較して応答時間が早い、視野角が広い、バックライトが不要であるため薄型化が図れる、等の理由から注目を集めている。有機ＥＬ表示装置に使用される有機ＥＬ素子の製造では、透明基板上にＩＴＯ等の透明電極を形成した後、密着保持したメタルマスクを介し、蒸着法により有機電界発光層のパターンを形成する方法が採られる。通常の微細パターン形成法であるフォトリソグラフィ法では、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト剥離の工程を経るため、空気あるいは熱、水分に不安定である有機電界発光層に損傷を与えてしまい、作製が困難なためである。有機電界発光層パターンの寸法精度は、蒸着用のメタルマスクの精度に依存するため、寸法精度の良いメタルマスクを安定して製造することが望まれている。

メタルマスクは、一般的にフォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより金属基板や箔に開口部（貫通孔）を形成することにより製造される。代表的な例としては、２０μｍ〜１００μｍ程度の厚さのインバー材（Ｆｅ、Ｎｉの合金）を金属基板とし、図２に示す形態例では、大孔側スリット４２の幅Ｗ_１は７０μｍ〜１３０μｍ、大孔側スリット４２と小孔側スリット４１で形成される開口部４７のもっとも狭い部分の幅（開口幅）Ｗは３０μｍ〜５０μｍ、小孔側スリット４１面側のライン幅Ｌは５０μｍ〜１００μｍである。

開口部４７を形成する方法としては、金属基板の片側ないし表裏両側からエッチングする方法が一般的である（例えば特許文献１）。開口幅が高精細な場合には、通常エッチングを二段階に分けて表裏両側から行うエッチングによる製造方法が用いられている。図３に表裏両側からエッチングを行う製造工程を示す。金属基板５１の両面を脱脂、整面、洗浄処理した後、フォトレジスト５２を両面に塗布し（図３（ａ））、第１面側（図３では小孔面側）を、第１のフォトマスク（図示せず）を通して露光、現像し、スペース部５３ａをもつレジストパターン５２ａを転写形成する（図３（ｂ））。その後、１次エッチング工程として開口部までは形成しないハーフエッチングを行い、凹部５５ａを形成する（図３（ｃ））。

次に、凹部５５ａを形成した面側に、後工程である第２面側のエッチングに対する保護層５６とする樹脂を塗布して硬化させ十分に密着させる。保護層５６の樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの光硬化型樹脂や熱硬化型樹脂を用いる。次に、第２の面側を第２のフォトマスク（図示せず）を通して露光、現像し、前記スペース部５３ａよりも広いスペース部５３ｂをもつレジストパターン５２ｂを転写形成する（図３（ｄ））。その後、２次エッチング工程としてのエッチングを行い（図３（ｅ））、１次エッチング工程で形成した凹部５５ａと貫通する開口部５７を形成した後、保護層５６、及びレジストパターン５２ａ、５２ｂを除去してメタルマスク５０の形態とする（図３（ｆ））。

上記のような、金属基板の表裏両側または片側からエッチングのみで製造する方法では、終始等方的なエッチングであるため、微細な開口寸法や形状をコントロールし、好適なアスペクト比を得ることが難しい。そこで寸法精度の向上を目的として、仕様値よりも縮小された開口部を形成し、測定値と仕様値とのずれ量だけレーザ光を照射して開口寸法を調整する方法（特許文献２）や、バリ（加工残り）の低減を目的として、大孔面側を先にハーフエッチングした後はレーザで開口部を形成する方法（特許文献３）が開示されている。特許文献２、及び特許文献３では、いずれも熱の影響や熱損傷を低減するために、パルス幅が１ナノ秒より短いピコ秒レーザやフェムト秒レーザなどの短パルスレーザを用いるようにしている。

特開２００３−２７２８３９号公報 特開２００９−０６８０８２号公報 特開２０１５−２１１７９号公報

目黒和幸「超短パルスレーザ微細加工の最適加工条件探索に関する研究」、平成２３年度一般研究開発助成 ＡＰ−２０１１２１６

短パルスレーザを用いた加工はアブレーションを利用する加工であり、加工部周辺への熱の影響が小さく、熱損傷の少ない加工法であるが、アブレーションによる非熱加工ではデブリの発生を避けることができない。ここで、デブリとは一般に、被加工材料（メタルマスクでは金属基板）や、被加工材料がレーザ光を吸収、反応してできる生成物からなる微小パーティクルである。

すなわち、アブレーション加工では、被加工材料の分子は励起状態となり、瞬間的に分子間結合を開裂させ、固体状態にある分子を昇華、放出して飛散、拡散する。しかし、飛散、拡散した分子の一部は、レーザ光路より外側で再結合するため、金属基板の加工部周辺の表裏面にデブリとなって付着し堆積する。特に反応生成物は、金属基板に付着すると熱を奪われて凝着し、洗浄しても取り切れなくなる。図４（ａ）にレーザで開口部を形成する際のデブリ７２の付着の様態を示す。

一方、レーザ加工において、連続発振や長波長レーザ、もしくはパルス幅が長いパルス幅が長いパルスレーザの場合は、熱の影響が大きくなり、金属基板は溶融されながら加工されるため、特に貫通したときに溶融物（ドロス）の飛沫が基板下部に付着する。図４（ｂ）にドロス７３が付着した様態を示す。前記のデブリやドロスが付着すると、メタルマスクは所望の形状や寸法を得られなくなり、有機ＥＬ表示装置の製品不良の原因となる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、レーザを用いて開口部を形成するメタルマスクの製造において、メタルマスクを作製する金属基板の表面を保護するとともに、付着したデブリやドロスを一括除去することができ、従って外観不良がなくかつ精度の高い開口部を有するメタルマスクの製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、金属基板にレーザを用いて開口部（貫通孔）を形成するメタルマスクの製造方法であって、次の１）、２）、３）、４）の工程を順次含むことを特徴とするメタルマスクの製造方法としたものである。
１）前記金属基板の第１面側にエッチングにより凹部を形成する工程。
２）前記凹部を含む前記第１面側、及び前記金属基板の第２面側に保護膜を形成する工程。
３）前記保護膜が形成された前記凹部、または前記第２面側で前記凹部に対向する部分にレーザを照射し、開口部を形成する工程。
４）前記第１面側の保護膜、及び第２面側の保護膜を除去する工程。

請求項２に記載の発明は、前記保護膜は水溶性であることを特徴とする請求項１に記載のメタルマスクの製造方法としたものである。

請求項３に記載の発明は、前記第２面側の保護膜の形成は、保護シートの貼り付けによることを特徴とする請求項１、または２に記載のメタルマスクの製造方法としたものである。

請求項４に記載の発明は、前記レーザを照射する条件は、前記第１面側の保護膜を近接面として照射するときのエネルギー密度が、前記金属基板を近接面として照射するときのエネルギー密度よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のメタルマスクの製造方法としたものである。

請求項５に記載の発明は、前記レーザのパルス幅を１０ピコ秒より短い超短パルスで発振して照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のメタルマスクの製造方法としたものである。

本発明の製造方法によると、金属基板の第１面側にエッチングにより凹部を形成し、前記第１面側、及び平坦な第２面側に保護膜を形成した後、レーザを照射して開口部を形成するので、デブリやドロスは金属基板に直接付着せず保護膜上に堆積する。その後表裏面の保護膜を除去するため、デブリやドロスは保護膜とともに一括して除去されるので、外観不良がなくかつ精度の高い開口部を有するメタルマスクを製造することができる。

本発明の実施形態に係る、メタルマスクの製造工程を示す模式断面図である。 一般的なメタルマスクの構造を示す（ａ）模式平面図（小孔面側）、（ｂ）Ａ−Ａ’線で切断した模式断面図、（ｃ）模式平面図（大孔面側）である。 従来のエッチングによるメタルマスクの製造工程を示す模式断面図である。 レーザで開口部を形成する際の（ａ）デブリ（ｂ）ドロスが付着する様態を示す模式断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るメタルマスクの製造方法について詳細に説明する。尚、同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付け、重複する説明は省略する。また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じではない。

図１に、本発明の実施形態に係る、メタルマスクの製造工程を示す。金属基板１の両面を脱脂、整面、洗浄処理した後、片側の面側（第１面側とする）にフォトレジスト２を塗布し、遮光膜パターン１７ａを備えるフォトマスク１６を通して露光する（図１（ａ））。次に現像を行い、スペース部３ａをもつレジストパターン２ａを形成する（図１（ｂ））。（尚、図ではフォトレジスト２をポジレジストとしているが、ネガレジストとし、フォトマスク１６を白黒反転したフォトマスクを用いてもよい。）その後、開口部（貫通孔）までは形成しないハーフエッチングを行い、凹部５ａを形成し（図１（ｃ））、さらに溶剤等によりレジストパターン２ａを除去する（図１（ｄ））。

次に、凹部５ａを形成した第１面側、及び平坦な第２面側にそれぞれ保護膜６ａ、６ｂを順次形成する（図１（ｅ））。その後、エッチング工程で形成した凹部５ａのもっとも深い位置、すなわち金属基板１ａがもっとも薄くなっている位置を中心に、第１面側または第２面側から（図では第１面側から）レーザ装置２０によりレーザ光２１を照射して加工し、凹部５ａと貫通する開口部７を形成する（図１（ｆ））。さらに、第１面側の保護膜６a、及び第２面側の保護膜６ｂを除去してメタルマスク１０を作製する（図１（ｇ））。

図１（ｆ）のレーザ光２１の照射による開口部７の形成時には、デブリ２２やドロス２３が発生するが、本発明の製造方法では、金属基板１は保護膜６ａ、６ｂで覆われているために、デブリ２２やドロス２３は金属基板１に直接付着せず保護膜６ａ、６ｂ上に付着、堆積する。さらに本発明の製造方法では、開口部７の形成後、保護膜６ａ、６ｂを剥離除去するので、デブリ２２やドロス２３は保護膜６ａ、６ｂとともに除去され、残存しない。

保護膜６ａ、６ｂは、取り扱いの簡便性、及び環境負荷の低減の観点から水溶性であることが好ましい。そのためのベース樹脂としては、水等に溶解させて塗液とし、塗布・乾燥して塗膜を形成し得るものであれば、特に制限されないが、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキサイド、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコールポリアクリル酸ブロック共重合体等を例示することができ、これらは、何れか１種を単独で使用しても、２種以上を併用してもよい。有機溶剤に対する耐性が高く、温水によって除去することができるポリビニルアルコールが特に好ましい。

保護膜６ａ、６ｂの厚みは１μｍ〜１０μｍが好ましい。１μｍ以下であると凹部への被覆状態が不均一となり、１０μｍ以上であると乾燥及び硬化時の膜収縮の影響により、カール等の変形が発生する。

第１面側の保護膜６ａの形成は、微小な凹部５ａへの塗布を含むので、塗液は凹部５ａの側面全体を隙間なく被覆するために、低粘度で流動性が高いことが好ましく、具体的には５０００ｃｐ以下の粘度であることが好ましい。

第２面側に形成する保護膜６ｂは、第１面側の保護膜６ａ同様、塗布・乾燥して形成してもよいが、第２面側は平坦な面であるため、貼り付け可能な保護シート（ドライフィルム）であってもよい。保護シート（ドライフィルム）である方が、工程数が少なく、短時間で施工可能である。

図１（ｆ）のレーザ光２１の照射において、レーザ光２１は当初保護膜６ａを近接面として照射され、保護膜６ａの消失後は金属基板１を近接面として照射され、さらに金属基板１の消失後は保護膜６ｂを近接面として照射される。ここで、第１面側の保護膜６ａを近接面として照射するエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）は、金属基板１を近接面として照射するエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）よりも小さいことが好ましい。

前記の理由は、金属基板と樹脂である保護膜とで加工に要するエネルギーを比較すると、金属基板の方が桁違いに大きく、光吸収による熱的影響も大きいからである。金属基板１上に保護膜６ａがある状態で金属加工に要するエネルギーでレーザを照射すると、エネルギーは保護膜６ａを透過して金属基板１で吸収され、気化した金属は行き場がないため、保護膜６ａを吹き飛ばしてしまい、開口となる周辺部分の保護膜は剥離する。それ故、保護膜６ａを近接面として照射するときは、樹脂加工に適したエネルギー密度で照射し保護膜６ａのみを消失させ、気化した金属が抜けやすい形態にした上で、金属加工に適したエネルギー密度で金属基板１に照射することが好ましい。同様の理由により、金属基板１への照射の終わり頃（貫通間近）においては、第２面側の保護膜６ｂの剥離を避けるため、エネルギー密度を下げて照射することが望ましい。

前記のように、エネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）を変えるためには、照射面積を変えればよく、照射面積を変えるには、ビーム径調整機能を使うか、光路中のレンズと試料（金属基板）間の距離を変えればよい。照射領域を加工領域に合わせる調整は、レーザ光を走査することにより行う。

また、エネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）は、パワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）とパルス幅（ｓｅｃ）の積であるので、エネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）の変更は、パルス幅（ｓｅｃ）の変更によっても可能である。すなわち、パルス幅（ｓｅｃ）を小さく（大きく）するほどエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）は小さく（大きく）なる。

非特許文献１に記載があるように、パルス幅が１０ピコ秒以下の超短パルスレーザを用いた加工であっても、常にアブレーションによる非熱加工となる訳ではなく、パルス幅、繰返し周波数、照射パワー、走査速度などのレーザ加工パラメータによって、アブレーション加工である割合は変化する。

パルス幅が小さいほど、熱的影響が小さくなって、アブレーション加工である割合は大きくなり、デブリやドロスは減少するので、好ましい。反面、実際の製造工程では、アブレーション加工の割合が大きくなるほど加工時間が長くなり、スループットが低下するという欠点もある。従って、パルス幅を可変として適宜使い分けることが好ましい。パルス幅を可変とするには、非特許文献１のように、パルス圧縮機能を備えればよい。

特に、有機ＥＬ用メタルマスクのように微細な開口寸法や形状をコントロールする必要がある場合は、パルス幅を１０ピコ秒より短い超短パルス発振が可能であるようにして、上記のように、エネルギー密度を使い分けて加工することが好ましい。発振波長としては、保護膜、及び金属基板の吸収効率と熱的影響を考慮し、Ｎｄ：ＹＶＯ_４をレーザ媒質として使用した半導体レーザ励起の固体レーザの波長である１０６４ｎｍよりも短いことが好ましい。

本発明の製造方法では、上記のように条件を好適化してレーザを使用するが、エネルギー密度を大きくすると、熱的影響が大きくなる傾向は残っている。しかしながら、本発明の製造方法では、開口部形成後に保護膜とともにデブリやドロスを剥離除去することができるので、従来よりもエネルギー密度の大きい条件まで使用でき、メタルマスクの製造時間が短縮される利点も有する。

１、５１・・・・金属基板
１ａ、５１ａ、６１ａ・・・ハーフエッチングされた金属基板
２、５２・・・・レジスト
２ａ、５２ａ、５２ｂ・・・レジストパターン
３ａ、５３ａ、５３ｂ・・・スペース部
５ａ、５５ａ・・・凹部
６ａ、６ｂ・・・保護膜
７、４７、５７・・・・開口部
１０、５０・・・メタルマスク
１５・・・露光光
１６・・・フォトマスク
１７ａ・・遮光膜パターン
２０、７０・・・レーザ装置
２１、７１・・・レーザ光
２２、７２・・・デブリ
２３、７３・・・ドロス
４０・・・金属基板
４１・・・小孔側スリット
４２・・・大孔側スリット
５６・・・保護層

Claims (5)

1. 金属基板にレーザを用いて開口部（貫通孔）を形成するメタルマスクの製造方法であって、次の１）、２）、３）、４）の工程を順次含むことを特徴とするメタルマスクの製造方法。
   １）前記金属基板の第１面側にエッチングにより凹部を形成する工程。
   ２）前記凹部を含む前記第１面側、及び前記金属基板の第２面側に保護膜を形成する工程。
   ３）前記保護膜が形成された前記凹部、または前記第２面側で前記凹部に対向する部分にレーザを照射し、開口部を形成する工程。
   ４）前記第１面側の保護膜、及び第２面側の保護膜を除去する工程。
2. 前記保護膜は水溶性であることを特徴とする請求項１に記載のメタルマスクの製造方法。
3. 前記第２面側の保護膜の形成は、保護シートの貼り付けによることを特徴とする請求項１、または２に記載のメタルマスクの製造方法。
4. 前記レーザを照射する条件は、前記第１面側の保護膜を近接面として照射するときのエネルギー密度が、前記金属基板を近接面として照射するときのエネルギー密度よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のメタルマスクの製造方法。
5. 前記レーザのパルス幅を１０ピコ秒より短い超短パルスで発振して照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のメタルマスクの製造方法。