KR101587245B1 - 구리의 전해식각을 위한 식각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 혼합장치의 제1 출구를 통하여 그에 연결된 연결라인 내로 통과할 수 있는 제1 액체/가스 혼합물을 형성하도록 하기 위하여 구리 이온 및 산소 가스 또는 오존 가스를 포함하는 산성 전해질을 수용하도록 구성된 제1 혼합장치, 용기 액체를 포함하는 용기, 상기 용기 내에 배열되고 그리고 상기 용기 액체에 의해 둘러싸여지며, 흡기오리피스의 영역 내에 존재하는 상기 용기 액체를 흡기하기 위한 흡기오리피스를 갖고 그리고 제2 혼합장치가 상기 연결라인에 연결되고 그리고 상기 제1 액체/가스 혼합물 및 상기 용기 액체가 흡기되어 상기 제2 혼합장치의 협색 영역 내로 통과되도록 구성되어 흡기된 상기 용기 액체가 상기 제1 액체/가스 혼합물과 혼합되고 그에 따라 제2 액체/가스 혼합물을 형성하도록 할 수 있고, 그리고 상기 제2 혼합장치가 그를 통하여 상기 제2 액체/가스 혼합물이 흘러나가고 그리고 제2 출구의 영역 내에 존재하는 상기 용기 액체와 혼합될 수 있도록 하는 제2 혼합장치, 및 그 안에 존재하는 상기 용기 액체를 식각모듈 내에 제공된 식각재료에 공급하도록 구성되는 용기 출구라인을 포함하는 식각재료 상의 구리의 전해식각을 위한 식각장치에 관한 것이다.

Description

구리의 전해식각을 위한 식각장치{Etching device for the electrolytic etching of copper}
본 발명은 식각재료(etching material), 예를 들면, 인쇄회로(printed circuitry) 또는 회로기판(circuit boards)에 대한 구리의 전해식각을 위한 식각장치에 관한 것이다.
인쇄회로 또는 인쇄회로기판 상에 구리를 전해식각하기 위해서는, 구리-함유 식각액을 사용하는 것이 가능하다. 이 경우, 상기 식각액은, 예를 들면, 염화구리(II)를 포함하며, 이는 상기 회로 또는 회로기판 상의 구리와 접촉하여 염화구리(I)로 환원된다. 이 반응 생성물은 거의 구리를 누적하지 않고, 만일 상기 식각액이 재사용되는 경우, 염화구리(II)로 재생되어야 한다. 이러한 재생은 염소 가스를 발생시키는 염산과 과산화수소의 사용에 의하여 달성될 수 있다. 달리, 구리의 식각은 또한 황산 전해질(sulfuric acid electrolytes)을 기반으로 하여 달성될 수 있다. 이러한 목적을 위하여는, 황산구리(II)를 황산에 용해시키고 그리고 식각되어야 할 구리와의 반응 후에 환원되어 황산구리(I)를 생성해내도록 한다. 과산화수소의 첨가 후, 이러한 방법으로 재생된 식각액이 다시 식각재료에 공급될 수 있도록 다시 황산구리(II)를 생성하는 것이 가능하다.
구리가 상기 산용액 내의 상기 과산화수소에 대하여 촉매적으로 작용하고, 이를 분해시키고, 따라서 상기 과산화수소의 소비가 상대적으로 높기 때문에, 이러한 식각법은 실제 운용하기는 어렵다는 것이 발견되었다. 게다가, 높은 발열이 일어나고 따라서 에너지-소비적(energy-intensive)인 냉각이 요구된다.
다른 접근법은 상기 전해질 중의 1가 구리(copper(I)) 이온에 대한 산화제로서 과산화수소가 아닌 오존 가스를 사용하는 것이다. 2가의 구리는 하기의 반응식 1에 따라 황산 전해질 중에서 식각되어야 할 구리와 반응하여 황산구리(I)를 생성한다:
[반응식 1]
Cu + CuSO4 → Cu2SO4.
수득된 황산구리(I)는 계속해서 하기의 반응식 2에 따라 황산 및 오존 가스로 산화되어 다시 황산구리(II)가 된다:
[반응식 2]
Cu2SO4 + H2SO4 + O3 → 2CuSO4 + H2O + O2
여기에서 상대적으로 적은 반응열이 발생하고, 따라서 냉각에 대한 비용이 상대적으로 낮다. 더우기, 염소 가스가 형성되지 않으나 대신에 산소가 생성되고, 이는 식각장치에서의 보다 낮은 위험과 연관된다.
이 방법에 의해 작동하는 식각장치들이 공지되어 있다. 그러나, 인쇄회로 또는 회로기판 상의 도전체 트랙(conductor tracks)들의 소형화(miniaturization)의 요구가 증가함에 따라, 연장된 공정시간(processing time)에 걸쳐 연속적으로 식각하는 것에 의하여 도전체 트랙들 사이에 좁게 그리고 선명하게 고착된 중간공간(intermediate spaces)들을 형성하는 것은 어렵다는 것이 발견되었다.
따라서 본 발명의 하나의 목적은 소량의 식각액으로 대량의 구리를 연속적으로 식각하는 것을 가능하게 하고, 그리고 또한 높은 측면 첨도(high flank steepness)를 갖는 도전체 트랙들의 미세하고 선명한 윤곽(contours)을 달성하는 것을 가능하게 하는 식각장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립청구항 제1항의 대상물건에 의하여 달성된다. 종속청구항들이 본 발명의 이로운 개발점들이다.
식각재료 상의 구리의 전해식각을 위한 본 발명의 식각장치는:
제1 혼합장치의 제1 출구를 통하여 그에 연결된 연결라인(connecting line) 내로 통과할 수 있는 제1 액체/가스 혼합물을 형성하도록 하기 위하여 구리 이온 및 산소 가스 또는 오존 가스를 포함하는 산성 전해질을 수용하도록 구성된 제1 혼합장치,
용기 액체(vessel liquid)를 포함하는 용기,
상기 용기 내에 배열되고 그리고 상기 용기 액체에 의해 둘러싸여지며, 흡기오리피스의 영역 내에 존재하는 상기 용기 액체를 흡기하기 위한 흡기오리피스(suction orifice)를 갖고 그리고 제2 혼합장치가 상기 연결라인에 연결되고 그리고 상기 제1 액체/가스 혼합물 및 상기 용기 액체가 흡기되어 상기 제2 혼합장치의 협색 영역(constriction zone) 내로 통과되도록 구성되어 흡기된 상기 용기 액체가 상기 제1 액체/가스 혼합물과 혼합되고 그에 따라 제2 액체/가스 혼합물을 형성하도록 할 수 있고, 그리고 상기 제2 혼합장치가 그를 통하여 상기 제2 액체/가스 혼합물이 흘러나가고 그리고 제2 출구의 영역 내에 존재하는 상기 용기 액체와 혼합될 수 있도록 하는 제2 혼합장치, 및
그 안에 존재하는 상기 용기 액체를 식각모듈(etching module) 내에 제공된 식각재료에 공급하도록 구성되는 용기 출구라인(vessel outlet line)
을 포함한다.
본 발명자는 단순히 1가 구리 이온 및 2가 구리 이온들을 포함하는 산성 전해질을 산소 가스, 오존 가스 또는 산소/오존 가스 혼합물과 혼합하는 것만으로는 충분치 않다는 것을 인지하였다. 비록 이론적으로는 1가 구리 이온의 2가 구리 이온으로의 산화가 일어나기는 하나, 현존하는 식각장치 내의 2가의 구리(divalent copper)의 양은 상기 전해질의 순환의 증가에 따라 감소한다. 그 후, 식각 작업의 결과가 더 이상 만족스럽지 않게 될 때까지, 상기 전해질의 식각 작용(etching action)은 이제까지 중에서 가장 큰 정도로 감소한다. 이것이 바로 본 발명의 시점이며; 본 발명의 식각장치에 있어서는, 공급된 산소 가스 또는 오존 가스의 상기 산성 전해질과의 고도로 집중적인 혼합이 존재하여 고농도의 산소 가스 또는 오존 가스의 가스 미세방울(microbubbles)들이 형성되도록 한다. 이것의 효과는 상기 전해질 중에서 대량의 1가 구리 이온들이 다시 2가 구리 이온으로 산화되도록 하고, 이는 단지 상기 식각장치를 통한 1회 운전(single run) 후에 달성되게 된다. 따라서 먼저 높은 효율의 상기 전해질의 재생을 달성하는 것을 가능하게 한다. 두 번째로, 연속적으로 고농도의 2가 구리 이온들을 갖는 이러한 식각장치로, 심지어 구리 도전체 트랙들 사이에 매우 좁은 요홈(recesses)들에 있어서도 신속하고 그리고 선명하게 윤곽이 진(contoured) 식각을 달성하는 것이 가능하다.
상기 가스와 상기 전해질의 혼합은 먼저 제1 액체/가스 혼합물을 형성하도록 하기 위하여 구리 이온들을 포함하는 산성 전해질과 산소 가스 또는 오존 가스를 수령하도록 구성되는 제1 혼합장치의 수단에 의하여 달성된다. 이는 상기 1가 구리 이온들의 일부가 이 초기 단계에서 산화될 수 있도록 1가 구리 이온들과 산소 또는 오존 가스 간의 제1 접촉의 결과를 가져온다.
본 발명의 식각장치에 의하여 충분한 양의 1가의 구리를 산화시키기 위하여, 상기 제1 혼합장치는 연결라인에 의하여 제2 혼합장치에 연결되고, 여기에 상기 제1 액체/가스 혼합물이 공급된다. 상기 제2 혼합장치는 용기 내에 배치되고 그리고 이 용기 내에 존재하는 액체로 둘러싸여진다. 상기 제2 혼합장치는 흡기오리피스의 영역 내에 존재하는 용기 액체를 흡기하기 위한 흡기오리피스를 갖는다. 본 발명에 따른 상기 제2 혼합장치는 상기 제1 액체/가스 혼합물 및 흡기된 상기 용기 액체가 협색 영역 내로 통과되도록 구성되어 흡기된 상기 용기 액체가 상기 제1 액체/가스 혼합물과 집중적으로 접촉하도록 하고 그리고 이들 둘이 서로 혼합되어 제2 액체/가스 혼합물을 형성하도록 구성된다.
상기 제2 액체/가스 혼합물은 그에 구현된 출구에서 상기 제2 혼합장치를 빠져나가고, 그리고 상기 제2 액체/가스 혼합물은 상기 협색 영역을 통과한 후 압축되고 그리고 베르누이 방정식(Bernoulli equation)에 따라 고속으로 빠져나간다. 이렇게 함에 있어서, 이는 상기 출구의 영역 내에 존재하는 상기 용기 액체의 일부를 포획하고 그리고 상기 제2 액체/가스 혼합물과 그에 존재하는 상기 용기 액체 사이의 혼합이라는 결과를 가져온다. 상기 용기 액체는 구리 이온을 포함하는 산성 전해질이다. 상기 제2 혼합장치 내의 상기 협색 영역 및 상기 제2 혼합장치의 상기 출구의 영역 내에서의 압축은 다시 대량의 가스 미세방울이 형성될 수 있도록 하는 전해질과 가스 간의 명백한 혼합이라는 결과를 가져온다. 상기 가스 미세방울은 대량의 1가 구리 이온의 상기 산성 전해질로의 산화를 달성하여 2가 구리 이온을 제공한다.
이러한 방법으로 형성되고 그리고 2가 구리 이온으로 풍부화된 상기 액체/가스 혼합물은 계속해서 용기 출구라인에서 인출되고 그리고 식각되어야 할 상기 재료에 공급된다.
바람직하게는, 상기 제1 혼합장치는 벤튜리노즐(Venturi nozzle)이고 그리고 보다 바람직하게는 액체 분사 가스 압축기(liquid jet gas compressor)이다. 이러한 노즐 또는 이러한 압축기의 경우에 있어서, 상기 전해질은 동인 기류(motive stream)로서 상기 전해질이 그리고 흡기 기류(suction stream)로서 상기 산소 가스 또는 오존 가스가 공급될 수 있다. 상기 혼합은 가동부(moving parts) 없이 집약적인 것이어서 저-관리비용(low-maintenance)의 혼합장치를 가능하게 한다. 부가적으로 벤튜리노즐 또는 액체 분사 가스 압축기는 구입가능한 구성성분으로서 상대적으로 저렴한 것이다.
본 발명의 하나의 구체예에 있어서, 상기 제2 혼합장치는 상기 용기의 절반 이하에 배열되고 그리고 상기 용기 출구라인은 상기 제2 혼합장치의 상부에 배열된다. 이는 제2 액체/가스 혼합물과 상기 제2 혼합장치의 상기 출구에 존재하는 상기 용기 액체 간의 혼합이 다시 상기 제2 혼합장치의 상기 흡기오리피스에 의하여 흡기되고 그리고 상기 제2 혼합장치 내에서 한번 더 혼합되는 것을 가능하게 하는 효과를 달성한다. 이러한 작업의 다중의 반복의 경우에 있어서, 이제까지의 경우 보다 더한 산소 가스 또는 오존 가스의 가스 미세방울이 형성되도록 상기 유체들의 고도로 집중적이고 그리고 연장된 혼합이 존재하게 된다. 계속해서 단지 상대적으로 작은 부분만이 궁극적으로 상기 용기 출구라인에 도달하고, 이는 상기 혼합물을 통과하여 식각되어야 할 재료에 도달할 수 있다.
바람직하게는, 상기 용기 출구라인과 상기 제2 혼합장치 사이에는 적어도 1m의 거리가 존재한다. 따라서, 상기 제2 혼합장치를 통한 상기 용기 액체의 다중의 순환을 확실하게 달성하는 것이 가능하다. 보다 바람직하게는, 상기 용기는 적어도 1.5m의 높이를 가지며, 적어도 400ℓ의 용기 액체의 용적을 갖는다. 이것의 결과는 상기 용기 액체가 반복적으로 상기 제2 혼합장치를 통하여 흐르고 그리고 상기 용기 내에서 적어도 2분간 순환하여 대량의 가스 미세방울이 생성되도록 하는 결과를 가져온다.
다른 구체예에 있어서, 상기 제1 혼합장치는 적어도 분당 100ℓ의 산성 전해질 및 적어도 분당 50ℓ의 산소 가스 또는 오존 가스를 수용하는 것이 가능하다. 따라서, 통상적인 크기의 회로판 및 식각모듈을 고려하면, 그 안에 형성된 충분한 양의 1가 구리 이온이 단일의 사이클에서 다시 2가 구리 이온으로 산화될 수 있다.
본 발명의 다른 잇점들 및 특징들이 하기의 도면들을 참조하여 설명될 수 있으며, 이들은 다음과 같이 나타난다:
도 1은 본 발명의 식각장치의 하나의 구체예의 모식도이고; 그리고
도 2는 도 1에 따른 상기 식각장치의 용기의 유동 상태의 모식도이다.
크게 단순화된 형태 및 모식적인 도면인 도 1은 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 식각장치(100)를 나타내고 있다. 상기 식각장치(100)는 제1 혼합장치(1)를 가지며, 이는 구리 이온을 포함하는 산성 전해질(3)을 받아들이는 제1 입구(2)를 갖는다. 제2 입구(4)의 수단에 의하여, 산소 가스, 오존 가스 또는 산소/오존 가스 혼합물의 형태의 가스(5)가 상기 제1 혼합장치(1) 내로 통과하여 상기 전해질(3)과의 혼합을 유효하게 하도록 할 수 있다. 이 혼합 작동의 결과는 제1 액체/가스 혼합물(6)이며, 이는 제1 출구(7)에서 상기 제1 혼합장치(1)를 벗어날 수 있다.
계속해서 상기 제1 액체/가스 혼합물(6)은 연결라인(8)을 통해 용기(11) 내에 배치된 제2 혼합장치(10)에로 통과된다. 상기 용기는 구리 이온을 포함하는 산성 전해질인 용기 액체(12)로 채워져 있다. 상기 제2 혼합장치(10)는 적어도 하나의 흡기오리피스(13)를 갖는다. 이 흡기오리피스(13)를 통하여, 상기 흡기오리피스의 영역 내에 존재하는 용기 용액(14)을 흡기하는 것이 가능하다. 상기 제2 혼합장치(10) 내에는 영역(15)이 제공되고, 여기에서는 유로단면적(flow cross section)의 협색이 존재하여 상기 제1 액체/가스 혼합물(6)과 상기 용기 액체(14)의 양호한 혼합의 결과를 가져와서 제2 액체/가스 혼합물(16)이 형성되도록 한다. 계속해서 상기 제2 혼합장치(10)의 제2 출구(17)에서, 상기 제2 액체/가스 혼합물(16)은 고속으로 배출된다. 그렇게 함으로써, 상기 제2 출구(17)의 영역 내에 존재하는 용기 액체(18)를 포획하고 그리고 이 액체와 혼합한다.
단순화되고 그리고 고도로 모식적인 도면인 도 2는 상기 제2 액체/가스 혼합물(16)과 상기 제2 출구(17) 주변에 존재하는 상기 용기 용액(18) 사이의 이러한 종류의 혼합 작업을 나타내고 있다. 흐름 화살표(flow arrows)들은 상기 용기 액체의 대부분이 수 배(several times) 상기 제2 혼합장치(10)의 상기 흡기오리피스(13) 쪽으로 흘러 그곳에서 상기 연결라인(8)을 흘러나가는 상기 제1 액체/가스 혼합물(6)과 혼합되도록 하는 것을 나타낸다. 이는 상기 용기 액체(12) 내에 대량의 가스 미세방울이 분포하도록 하는 것을 야기한다. 이러한 방법으로 집중적으로 혼합되고 그리고 가스 미세방울들이 제공된 단지 상대적으로 소량의 상기 용기 액체(12)가 상기 용기의 모서리에서 상기 제2 혼합장치(10) 상부에 배열된 용기 출구라인(19) 쪽으로 상방으로 흐른다.
도 1로부터 명백한 바와 같이, 계속해서 상기 용기 출구라인(19)는 상기 액체/가스 혼합물을 식각모듈(30) 쪽으로 통과시키고, 여기에서 회로기판(31) 등과 같은 식각재료가 식각될 수 있다. 이는 2가 구리 이온의 1가 구리 이온으로의 환원을 포함한다. 계속해서 상기 식각모듈(30) 내에 존재하는 상기 1가 구리 이온 및 2가 구리 이온들을 포함하는 상기 액체는 회수라인(return line)(32) 내로 통과하고, 여기에서 펌프(33)에 의해 지지되는 상기 액체는 다시 상기 제1 혼합장치(1)에로 공급되어 상기 혼합 작업 및 상기 식각 액체의 재생을 다시 시작하도록 한다.
1: 제1 혼합장치 2: 제1 입구
3: 전해질 4: 제2 입구
5: 산소 가스 또는 오존 가스 6: 제1 액체/가스 혼합물
7: 제1 출구 8: 연결라인
10: 제2 혼합장치 11: 용기
12: 용기 액체 13: 흡기 오리피스
14: 흡기 오리피스 영역 내의 용기 액체
15: 협색 영역 16: 제2 액체/가스 혼합물
17: 제2 출구 18: 출구 영역 내의 용기 액체
19: 용기 출구라인 30: 식각모듈
31: 회로기판 32: 회수라인
33: 펌프 100: 식각장치

Claims (6)

  1. 제1 혼합장치의 제1 출구를 통하여 그에 연결된 연결라인 내로 통과할 수 있는 제1 액체/가스 혼합물을 형성하도록 하기 위하여 구리 이온 및 산소 가스 또는 오존 가스를 포함하는 산성 전해질을 수용하도록 구성된 제1 혼합장치,
    용기 액체를 포함하는 용기,
    상기 용기 내에 배열되고 그리고 상기 용기 액체에 의해 둘러싸여지며, 흡기오리피스의 영역 내에 존재하는 상기 용기 액체를 흡기하기 위한 흡기오리피스를 갖고 그리고 제2 혼합장치가 상기 연결라인에 연결되고 그리고 상기 제1 액체/가스 혼합물 및 상기 용기 액체가 흡기되어 상기 제2 혼합장치의 협색 영역 내로 통과되도록 구성되어 흡기된 상기 용기 액체가 상기 제1 액체/가스 혼합물과 혼합되고 그에 따라 제2 액체/가스 혼합물을 형성하도록 할 수 있고, 그리고 상기 제2 혼합장치가 그를 통하여 상기 제2 액체/가스 혼합물이 흘러나가고 그리고 제2 출구의 영역 내에 존재하는 상기 용기 액체와 혼합될 수 있도록 하는 제2 혼합장치, 및
    그 안에 존재하는 상기 용기 액체를 식각모듈(etching module) 내에 제공된 식각재료에 공급하도록 구성되는 용기 출구라인(vessel outlet line)
    을 포함하는 식각재료 상의 구리의 전해식각을 위한 식각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 혼합장치가 벤튜리노즐 또는 액체 분사 가스 압축기인 식각장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 혼합장치가 상기 용기의 절반 이하에 배열되고 그리고 상기 용기 출구라인이 상기 제2 혼합장치의 상부에 배열되는 식각장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 용기 출구라인과 상기 제2 혼합장치 사이에 적어도 1m의 거리가 존재하는 식각장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 용기가 적어도 1.5m의 높이를 가지며, 적어도 400ℓ의 용기 액체의 용적을 갖는 식각장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 혼합장치가 적어도 분당 100ℓ의 산성 전해질 및 적어도 분당 50ℓ의 산소 가스 또는 오존 가스를 수용하는 식각장치.
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