JPH04136189A - 金属エッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエツチング液の化学的な金属熔解作用を用いて
、金属材料の化学打ち抜き・化学切削・表面処理を行う
金属エツチング方法に関する。

〔従来の技術〕

金属エツチング加工に使用されるエッチング液としては
塩化第二鉄溶液、塩化第二銅溶液などが代表的である。

塩化第二鉄溶液では第二鉄イオンＦｅ”が塩化第二銅溶
液では第二銅イオンＣｕ”″が酸化剤として作用して金
属を酸化溶解する。金属エツチング加工の応用分野とし
ては電気・電子部品、精密機器部品のフォトエツチング
による微細加工が代表的である。対象となる加工材は金
属薄板・薄膜・箔といった厚みの薄いものが主体である
。加工材表面に写真法で所望のマスクパターンを設けて
からエツチングを施すことにより各種のフレーム、マス
ク、フィルタ、スリットといった複雑・微細な形状の部
品が製作されている。

このような精密加工を精度良く行うためにはエツチング
の正確なコントロールが重要である。しかし、化学的な
金属エツチング速度は装置条件、加工材のエツチング性
、エツチング液の金属熔解能など絶えず変動する要因に
左右され、その計測と制御は容易でない、このため目的
の寸法の製品を得るためには製品の仕上がり状態を常に
監視しなからエツチング時間の調整を頻繁に行う必要が
あった。エツチングは金属とエツチング液の化学反応に
よる金属溶解であり、機械加工のように加正中の加工速
度を直接その場で数値としてとらえる手段は過去に存在
しなかった。したがって、エツチング時間の調整に際し
ても、その時点でのエツチング速度の定量的な把握がな
されているわけではなく、標準化をほとんど不可能に近
いものにしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来、エッチング加工の管理にはエツチング液の比重測
定、成分分析、酸化還元電位の測定などによる間接的な
金属溶解能の評価が一般的に行われてきている。比重測
定と成分分析はエッチング液の老化度の目安となり、酸
化還元電位はエツチング液の酸化力の目安となる。

しかし、これらはエツチング速度の絶対値を与え得るも
のではなく、厳密な制御のためには極めて不十分な指標
であった。老化度や酸化力と反応速度の間には系によっ
て異なる複雑な関係が存在するので、老化度や酸化力を
測定してもエツチング速度自体を検出していることには
ならない。

本発明の目的は上述した課題に鑑み、エツチング加工の
高精度化、歩留りの向上、品質の安定化のための絶対的
な管理指標としての金属のエツチング速度を、実時間で
精度の良い計測が行なえる金属エツチング方法を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明は、金属をエツチング液を用いて化学的に熔解す
る金属エツチング方法において、エツチングの際に、エ
ツチング反応速度を支配する拡散限界電流を電気化学的
手法を用いて測定してエツチング速度の検出を行なうこ
とを特徴とする金属エツチング方法により上記課題を解
決した。

〔作用］ 本発明の根底にある基本的な原理は、電気化学的な視点
からエツチング速度を反応によって流れる電流として観
測するならばエツチング速度は反応物質の移動に伴って
流れる拡散限界電流と等価となる点にある。本発明者ら
は、この拡散限界電流は電気化学的な手法により容易に
測定することができ、直ちにエツチング速度を知ること
ができることを見いだした。

以下、本発明の原理について詳しく説明する。

化学的なエツチング反応を単純化して一般式で表せば次
式のようになる。

Ｍ＋Ｏｘ　　　−＊　　Ｍ”−＋Ｒｅｄ　　　　−（１
）ここで、Ｍはエツチングされる金属、ＯＸとＲｅｄは
それぞれエツチング液中の反応物質の酸化体及び還元体
、ｎは移動する電子数である。エツチング反応は電子の
移動を伴う酸化還元反応であり金属Ｍは反応物質によっ
て電子を奪われイオンＭ７゛となって溶解する。したが
って、工・ンチング反応は電子が移動すること、すなわ
ち電流が流れることによって進行する。この電流は金属
が熔解する速度（腐食速度）に比例するので、腐食電流
（Ｉ　Ｃ，、、）と呼ばれる。そして、腐食電流はエッ
チング速度に直接対応する。ファラデーの法則によれば
、溶解する金属の量Ｗ（ｇ）と流れる電気量Ｑ（クーロ
ン）の間には次のような比例関係がある。

Ｑ＝　ｎ　　Ｆ　Ｗ／ｍ　　　　　　　　　　　　　　
　−（２）ここで、ｎは単位量の反応に関与する電子数
、Ｆはファラデ一定数（９６５００ク一ロン１モル）、
ｍは金属の分子量である。したがって、腐食ｉｔ流Ｉ　
Ｃ，、、（Ａ）とエツチング速度ｄ　Ｗ　／　ｄ　ｔ　
（ｇ／５ｅｃ）の間には ｄ　ｔ　　　　　　　　ｍ　　　　　　ａｔの関係があ
る。ｎとｍは金属によって定まるので腐食ｔｆＬからエ
ツチング速度を知ることができる。

本発明者らは金属エツチング速度の計測手段としてこの
腐食電流に着目しその検出方法について電気化学的な手
法を用いて検討を重ねた０反応が進行するためには反応
物質が金属表面に供給され続けなければならない、金属
表面への反応物質の輸送力には限界があり、エツチング
反応はこの限界を越えて進行することはできない、この
反応物質の輸送力の限界値に対応して進行する反応によ
って流れるｉｆ流が拡散限界電流である。全エツチング
反応は電子移動の過程とそれに直結する金属／エツチン
グ液間の反応物質の移動過程からなり、この二つの過程
のうちの進行が遅い方の過程が反応を支配すなわち腐食
電流の値を決定するのである０本発明者らはポテンシャ
ルスイープ法による電流−電位曲線の測定からエツチン
グ反応が反応物質の移動過程に支配されており腐食電流
が拡散限界電流に等しいことを見いだしたのである。

第１図に種々の電子移動の過程の速度Ｃと反応物質の移
動過程の速度Ｒに対する電流−電位曲線を示す。電子移
動の過程が速いほど電流−電位曲線の立ち上がりは急激
になり、反応物質の移動過程が遅いほど電流−電位曲線
は頭打ちになる。曲線１はＣとＲがともに大きい場合、
曲線２はＣが大きくＭが小さい場合、曲線３はＣが小さ
くＲが大きい場合、曲線４はＣとＲがともに小さい場合
のｔ流−電位曲線である。金属エツチング反応の電流−
電位曲線は典型的な曲線２の形を示す。工業的に実用可
能な多くのエッチング反応では反応物質の持つ強い金属
溶解作用により電子移動の過程は極めて速く、比較的遅
い反応物質の移動過程によって速度が決まって（る、す
なわち拡散限界電流が腐食電流に等しくなるのである。

拡散限界電流は曲線２の電流の飽和値に相当する。ここ
では、金属表面への反応物質の輸送力が限界に到達して
いるので電位を動かしてもこれ以上の′＠流が流れなく
なっているのである。したがってエツチング反応に対し
て通常の３電極力式によるポテンシオスタットを用いた
電流−電位曲線の測定を行えば腐食電流に等しい拡散限
界電流を求めることができる。そして拡散限界ｉｔ流を
あたえる電位領域において電極電位を一定に保ちながら
流れる電流をモニターすれば（３）弐によってそのとき
のエッチング速度を直ちに知ることができる。

本発明の金属エツチング方法は、以上のような原理に基
づく金属エッチング速度の測定系をエツチング加工工程
に設け、一定の電極電位で拡散限界電流を検出すること
により現在加工中の金属のエッチング速度を実時間で計
測しながら金属エツチングを行なうものである。

〔実施例〕

以下、本発明の金属エツチング方法に関する実施例につ
いて説明する。

第２図に使用したエツチング速度の測定系の概略を示す
。この測定系は３を極力式でありエツチングされる金属
を作用電極２、白金を対電極１とし、参照電極３には銀
・塩化銀電極を使用した。

３つの電極を、恒温水槽８によって一定温度に保たれて
いるエッチング液７中に入れ、ポテンシオスタット５で
電極電位を制御しながら回路に流れる電流の測定を行う
、ポテンシャルスィーパ−４によって電極電位をスイー
プして電流−電位曲線をレコーダー６に記録することが
できる。この測定系によってエツチング加工に使用され
る代表的なエツチング液の一つである塩化第二鉄液によ
る鉄・ニッケル合金のエツチング速度を測定した。

用いた鉄・ニッケル合金は主要な半導体集積回路用リー
ドフレーム材料であるＦｅ−４２％Ｎｉ合金である。

まず最初に４７ポ一メ濃度、６０′Ｃの塩化第二鉄液に
おける電流−電位曲線を測定し拡散限界電流を求めた。

得られた電流−電位曲線を第３図に示す。電極電位が一
２００ｍＶから一４００ｍＶの領域で９０ｍＡ／ｃｍ’
の拡散限界電流が得られた。この値が腐食電流に相当す
るので（３）式からエツチング速度を求めると１．５９
ｍｇ／ｍｉｎ−ｃｍ”となった。Ｆｅ−４２％Ｎ１合金
のｎは２、ｍは５６．９９で計夏した。このときの工、
チング速度を別に重量減少量を測定して求めたところ１
．６６ｍｇ／ｍ　ｉ　ｎ　−ｃｍ宜となった。

拡散限界電流から得られたエツチング速度と実際の重量
減少から得られたエツチング速度はわずかに３％の誤差
で一致を見た。

次に拡散限界電流をあたえる一３００ｍＶに電極電位を
保ち、種々のエツチング液組成と温度に対して拡散限界
電流のモニターを行った。その結果を第４図に示す、広
い範囲で拡散限界電流とエツチング速度は第４図のよう
に比例関係にあり、一定の電位において拡散限界電流を
モニターすることによってエツチング速度の実時間計測
が可能であった。

もちろん、本発明の金属エツチング速度の計測方法の原
理は塩化第二鉄液による鉄・ニッケル合金のエツチング
加工においてのみ成立するのではなく、同様の反応機構
を有する他のエツチング系に対しても適用できるもので
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり本発明に係わる金属エツチング方法
によれば、金属エツチング速度を実時間で容易に且つ精
度よく測定しながらエツチングを行なうことが可能であ
る。

また、新しいエツチング液の開発、金属のエツチング性
評価を行う場合にも本発明の金属エツチング方法が有効
な評価手段として適用できる。

さらに、本発明に係わる金属エツチング方法をエツチン
グ装置に用いれば、エツチング速度を電気的な信号とし
て実時間で検出することにより、エツチング速度の変化
を常時監視することができ、制御装置と組み合わせるこ
とによりエツチングの正確なコントロールおよび自動化
が可能となる。

これによってエツチング加工の高精度化、歩留りの向上
、品質の安定化が図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子移動の過程の速度Ｃと反応物質の移動過程
の速度Ｒの大小による電流−電位曲線の形状を示すグラ
フ図、第２図は本発明の金属エツチング速度の測定系の
一例を示す模式図、第３図は塩化第二鉄液によるＦｅ−
４２％Ｎｉ合金のエツチングにおける電流−電位曲線の
測定結果を示すグラフ図、第４図は塩化第二鉄液による
Ｆｅ−４２％Ｎ　ｉ　合金のエツチングにおけるエツチ
ング速度と拡散限界電流の関係を示すグラフ図である。 １・・・対電極 ２・・・作用電極 ３・・・参照電極 ４・・・ポテンシャルスィーパ− ５・・・ポテンシオスタット ６・・・レコーダー ７・・・エツチング液 ８・・・恒温水槽 電　　　位 第１因 １−：　　イ士口　　（ｍＶ） 第３図 第２図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属をエッチング液を用いて化学的に溶解する金
   属エッチング方法において、エッチングの際に、エッチ
   ング反応速度を支配する拡散限界電流を電気化学的手法
   を用いて測定してエッチング速度の検出を行なうことを
   特徴とする金属エッチング方法。