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JP6039540B2 - 電解銅箔及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電解銅箔及びその製造方法に関する。
近年、有機EL照明等の発光素子が、環境に配慮したグリーンデバイスとして注目されている。有機EL照明の特徴としては、1)白熱灯に対して低消費電力であること、2)薄型かつ軽量であること、3)フレキシブルであることが挙げられる。現在、有機EL照明は、上記2)及び3)の特徴を実現すべく開発が進められている。この点、フラットパネルディスプレイ(FPD)等で従来使用されてきたガラス基板では、上記2)及び3)の特徴を実現することは不可能である。
そこで、有機EL照明のための支持体としての基板(以下、支持基材という)に対する研究が進められており、その候補として、極薄ガラス、樹脂フィルム、金属箔等が提案されている。極薄ガラスは、耐熱性、バリア性、及び光透過性に優れ、フレキシブル性も良好であるが、ハンドリング性がやや劣り、熱伝導性が低く、材料コストも高い。また、樹脂フィルムは、ハンドリング性及びフレキシブル性に優れ、材料コストも低く、光透過性も良好であるが、耐熱性及びバリア性に乏しく、熱伝導性が低い。
これに対し、金属箔は、光透過性が無いことを除けば、耐熱性、バリア性、ハンドリング性、熱伝導性に優れ、フレキシブル性も良好であり、材料コストも低いといった優れた特徴を有する。特に、熱伝導性については、典型的なフレキシブルガラスやフィルムが1W/m℃以下と極めて低いのに対し、銅箔の場合、400W/m℃程度と極めて高い。
金属基板を用いた発光素子を実現するために、特許文献1(特開2009−152113号公報)では金属基板の表面を研磨処理やメッキ処理により平滑化して、その上に有機層を形成することが提案されている。また、特許文献2(特開2008−243772号公報)では金属基板上にニッケルめっき層を設けることで研磨等をすることなく平滑面を形成し、その上に有機EL素子を形成することが提案されている。一方、金属基板を用いた光電素子も提案されており、例えば、特許文献3(特開2011−222819号公報)には平滑化処理された金属基材上に有機薄膜起電力層を設けた太陽電池が開示されている。これらの技術においては、電極間の短絡防止のため、金属基板表面の平滑化が重要な課題となっている。この課題に対処した技術として、特許文献4(国際出願第2011/152091号)及び特許文献5(国際出願第2011/152092号)では、算術平均粗さRaが10.0nm以下と極めて低い超平坦面を備えた金属箔を支持基材兼電極として用いることが提案されている。
一方、算術平均粗さRaに加えて光沢度Gs(60°)を考慮した表面処理電解銅箔も知られている。例えば、特許文献6(特開2013−147755号公報)には、電解銅箔の表面に防錆処理又はシランカップリング剤処理のいずれか一種以上を施した表面処理電解銅箔であって、当該表面処理電解銅箔の絶縁層構成材料との接着面は、表面粗さ(Rzjis)が0.1μm〜1.0μm、且つ、光沢度[Gs(60°)]が400以上の電解銅箔の表面を用いて得られるものであり、当該接着面の凹凸の最大高低差(PV)が、0.05μm〜1.5μmである表面処理電解銅箔が提案されている。
特開2009−152113号公報 特開2008−243772号公報 特開2011−222819号公報 国際出願第2011/152091号 国際出願第2011/152092号 特開2013−147755号公報
本発明者らは、今般、表面を電子線後方散乱回折法(EBSD)により解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上である電解銅箔に対して化学的機械研磨(CMP)を施すと光沢度の高い電解銅箔を短時間で製造できるとの知見を得た。
したがって、本発明の目的は、短時間で製造可能な光沢度の高い電解銅箔を提供することにある。
本発明の一態様によれば、表面を電子線後方散乱回折法(EBSD)により解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上である電解銅箔であって、
前記電解銅箔の少なくとも一方の面が、JIS Z 8741−1997に準拠して測定される1500以上の光沢度G(20°)を有する、電解銅箔が提供される。
本発明の他の一態様によれば、上記電解銅箔を含んでなる電極箔と、
前記電極箔の表面に設けられる有機半導体層と、
前記有機半導体層上に設けられる対向電極層と、
を備えた、有機半導体デバイスが提供される。
本発明の更に他の一態様によれば、表面を電子線後方散乱回折法(EBSD)により解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上である未処理電解銅箔を用意する工程と、
前記未処理電解銅箔の少なくとも一方の面に化学的機械研磨(CMP)を施す工程と、
を含む、電解銅箔の製造方法が提供される。
本発明の電解銅箔を示す模式断面図である。 本発明の電解銅箔を用いた電極箔の一例を示す模式断面図である。 本発明の電解銅箔をアノードとして用いた有機EL素子の一例を示す模式断面図である。 本発明によるトップエミッション型有機EL照明の一例を示す模式断面図である。 本発明による電解銅箔をカソードとして用いた有機EL素子の一例を示す模式断面図である。 例1で作製された電解銅箔の表面に対するEBSD測定により得られた結晶方位マップ({100}、ND方向)である。<001>結晶方位からのずれが30°以内である{100}面の占める領域が着色されている。 例1においてグリシン及び過酸化水素水でエッチング処理した電解銅箔表面を撮影したSEM写真である。 例2で作製された電解銅箔の表面に対するEBSD測定により得られた{100}結晶方位マップ(ND方向)である。<001>結晶方位からのずれが30°以内である{100}面の占める領域が着色されている。 例3で作製された電解銅箔の表面に対するEBSD測定により得られた{100}結晶方位マップ(ND方向)である。<001>結晶方位からのずれが30°以内である{100}面の占める領域が着色されている。 例3においてグリシン及び過酸化水素水でエッチング処理した電解銅箔表面を撮影したSEM写真である。 例4(比較)で作製された電解銅箔の表面に対するEBSD測定により得られた{100}結晶方位マップ(ND方向)である。<001>結晶方位からのずれが30°以内である{100}面の存在を示す領域が着色されている。 例4(比較)においてグリシン及び過酸化水素水でエッチング処理した電解銅箔表面を撮影したSEM写真である。 例1〜4で測定された<001>結晶方位からのずれが2°、6°、10°、14°、18°、22°、26°及び30°以内である{100}面が占める面積の割合({100}配向率)をプロットしたグラフである。 例2〜4で測定された表面粗さRaとCMP処理時間との関係を示すグラフである。 例1〜4で測定された<001>結晶方位からのずれが14°以内である{100}面の占める面積の割合({100}配向率)と1分間のCMP処理後における表面粗さRaとの関係をプロットしたグラフである。
電解銅箔
本発明による電解銅箔及び本発明の方法に用いられる未処理電解銅箔は、表面を電子線後方散乱回折法(EBSD)により解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上である電解銅箔である。電子線後方散乱回折法(以下、EBSDという)とは、走査電子顕微鏡(SEM)内で試料表面の1点に電子線を照射したときに生じる反射電子回折模様(EBSP)を用いて局所領域の結晶方位や結晶構造を解析する周知の手法である。ここで、未処理電解銅箔とは、化学的機械研磨(CMP)等の表面処理が施される前の電解銅箔を意味し、典型的には電解により製造されたままの銅箔を指す。なお、未処理電解銅箔であっても、表面処理が施された電解銅箔であっても、表面をEBSDにより解析して得られる結果は概して同じものである。
図1に本発明による電解銅箔の模式断面図を示す。図1に示される電解銅箔12は、銅又は銅合金からなり、表面12a及び裏面12bを有する。また、電解銅箔12の少なくとも一方の面(すなわち表面12a及び/又は裏面12b)は、好ましくは1500以上、より好ましくは1600以上、さらに好ましくは1650以上の高い光沢度G(20°)を有する。光沢度Gs(20°)は、JIS Z 8741−1997に準拠して測定される指標であって、電解銅箔の表面に入射角20°で測定光を照射し、反射角20°で跳ね返った光の強度を測定したものである。この1500以上の光沢度Gs(20°)は極めて高いものであり銅箔表面が光沢に富んだ鏡であるかの如く視覚的に認識されるレベルである。従来の電解銅箔にはこれ程までに高い光沢度は要求されてこなかったが、発光素子等の電子デバイス用の電極として電解銅箔を用いる試みが近年なされており(例えば特許文献4及び5参照)、電解銅箔に鏡面レベルの高い光沢度が望まれるようになってきた。このレベルで光沢度が高いと表面が極めて平坦となることから発光素子、光電素子等の電子デバイスに電極として使用された際の電極間の短絡を効果的に防止でき、その結果、銅箔を支持基材兼電極として電子デバイスに使用可能となる。また、光沢度が高いとキャビティーの角度依存性が低くなり、特に白色発光の際にはその効果が大きくなり、光学設計上有利となる。その一方で、そのように高い光沢度を付与しようとすると表面処理に要する時間が長くなり、製造効率が悪化するとの問題がある。高い光沢度を電解銅箔に付与する上で化学的機械研磨(CMP)は有効な手法であるが、1500以上という極めて高い光沢度G(20°)を付与するにはそれ相応に処理時間を要することになる。特に、ロール・トゥ・ロール・プロセスにより電解銅箔への表面処理及びそれに続く素子形成の連続工程を採用しようとした場合、表面処理工程での時間ロスは連続工程の実現を阻害する要因となりうる。
これに対し、本発明の電解銅箔及び本発明の方法に用いられる未処理電解銅箔は表面をEBSDにより解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上、好ましくは15%以上、より好ましくは20%以上、さらに好ましくは25%以上、さらにより好ましくは30%以上、特に好ましくは35%以上、最も好ましくは40%以上である。このように<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が高いと、多くの結晶粒子の{100}面が銅箔表面に露出している、すなわち銅箔表面で{100}面が高い割合で配向していることになる。そして、本発明者らの今般の知見によれば、この{100}面は(111)面等の他の結晶面よりも化学的機械研磨(CMP)を施した場合に短時間で研磨される。したがって、本発明によれば、短時間で高い光沢度を付与することができる。換言すれば、短時間で製造可能な光沢度の高い電解銅箔を提供することが可能となる。このため、本発明による電解銅箔及びその製造方法は、ロール・トゥ・ロール・プロセスにより電解銅箔への表面処理及びそれに続く素子形成の連続工程に極めて適しているといえる。ロール・トゥ・ロール・プロセスは、ロール状に巻いた長尺状の箔を引き出して所定のプロセスを施したのち再び巻き取るという電子デバイスを効率的に量産する上で極めて有利なプロセスであり、本発明の電解銅箔の好適用途である発光素子及び光電素子等の電子デバイスの量産化を実現する上で鍵になるプロセスである。
したがって、本発明の電解銅箔は、表面をEBSDにより解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上であり、好ましくは15%以上、より好ましくは20%以上、さらに好ましくは25%以上、さらにより好ましくは30%以上、特に好ましくは35%以上、最も好ましくは40%以上である未処理電解銅箔を用意し、この未処理電解銅箔の少なくとも一方の面に化学的機械研磨(CMP)を施すことにより好ましく製造することができる。こうしてCMP処理が施された面が高い光沢度を有する面となる。なお、表面をEBSDにより解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が上記範囲内である電解銅箔は商業的に入手可能であり、また、電解液条件及び電解条件を適宜設定することにより製造可能なものでもある。化学的機械研磨(CMP)は、少なくとも一方の面(すなわち表面12a及び/又は裏面12b)に1500以上の光沢度G(20°)を付与するように行われるのが好ましく、より好ましくは1600以上、さらに好ましくは1650以上である。そして、本発明によればCMP処理が短時間で行えることから、このCMP処理はロール・トゥ・ロール・プロセスにより連続的に行われるのが好ましい。
CMP処理は、公知の研磨液及び公知の研磨パッドを用いて、公知の条件に従って行うことができる。好ましい研磨液としては、セリア、シリカ、アルミナ、ジルコニア等から選択される1種以上の研磨砥粒約0.1〜10重量%程度を含んでなり、かつ、ベンゾトリアゾール(BTA)等の防錆剤と、更に/又は、キナルシン酸、キノリン酸、ニコチン酸、リンゴ酸、アミノ酸(例えばグリシン)、クエン酸、カルボン酸、ポリアクリル酸等の有機錯体形成剤と、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤等の界面活性剤と、所望により防食剤とをさらに含むものが挙げられる。また、研磨液はグリシン等のアミノ酸系の有機錯体形成剤に加えて過酸化水素を含むのが特に好ましく、この場合には銅を過酸化水素で酸化させて有機錯体形成剤と反応させることで銅箔表面を溶解しやすくすることができ、それによりCMP効率を更に高めることができる。好ましい研磨パッドとしては、ウレタン製のパッドが挙げられる。研磨条件は、パッド回転速度、ワーク荷重、研磨液塗布流量等を適宜調整すればよく特に限定されないが、回転速度を20〜1000rpmの範囲内に、ワーク荷重を100〜500gf/cmの範囲内に、研磨液塗布流量を20〜200cc/min範囲内に調整するのが好ましい。
CMP処理されて高い光沢度が付与された面(以下、CMP処理面という)は、JIS B 0601−2001に準拠して測定される、5.0nm以下の算術平均粗さRaを有する超平滑面であるのが好ましく、より好ましくは4.0nm以下であり、さらに好ましくは3.0nm以下であり、特に好ましくは2.0nm以下である。電解銅箔に求められる用途や性能等に応じて粗さを適宜決定すればよい。算術平均粗さRaの下限は特に限定されずゼロであってもよいが、平坦化処理の効率を考慮すると0.5nmが下限値の目安として挙げられる。この算術平均粗さRaは、JIS B 0601−2001に準拠して市販の粗さ測定装置を用いて測定することができる。CMP処理面の算術平均粗さRaが上述のごとく極めて小さいことで、発光素子、光電素子等の電子デバイスに使用した際の電極間の短絡をより一層効果的に防止できる。
電解銅箔の厚さは、フレキシブル性を損なうことなく、箔として単独でハンドリングが可能な厚さである限り特に限定されないが、電解銅箔に求められる用途や性能等に応じて厚さを適宜決定すればよい。例えば、フレキシブル電子デバイス用の基材を兼ねた電極として使用される場合やロール・トゥ・ロール・プロセスによる連続工程に適用される場合には、電解銅箔の厚さは50μm以下とするのが好ましく、より好ましくは35μm以下、さらに好ましくは15μm以下である。このような厚さの電解銅箔はフレキシブル性に富んだものとなる。また、箔強度確保の観点から、電解銅箔の厚さは1μm以上が好ましく、より好ましくは3μm以上、さらに好ましくは5μm以上、特に好ましくは7μm以上である。このような厚さであれば、市販の裁断機を用いて簡単に切断することが可能である。また、電解銅箔は、ガラス基板と異なり、割れ、欠け等の問題が無く、また、切断時のパーティクルが発生しづらい等の利点も有する。電解銅箔は、四角形以外の形状、例えば、円形、三角形、多角形といった様々な形状とすることができ、しかも切断及び溶接も可能なことから、切り貼りによりキュービック状やボール状といった立体的な形状の電子デバイスを作製することも可能である。この場合、電解銅箔の切断部や溶接部には、半導体機能層を形成しないことが好ましい。
電解銅箔の長さは特に限定されないが、ロール・トゥ・ロール・プロセスに適用させるためにはある程度の長さを有するのが好ましい。電解銅箔の好ましい長さは、装置の仕様等に応じて異なってくるが、概ね2m以上であり、生産性向上の観点から、より好ましくは20m以上、さらに好ましくは50m以上、特に好ましくは100m以上、最も好ましくは1000m以上である。もっとも、電解銅箔は所定サイズに切断されたシート状であってもよい。また、電解銅箔の好ましい幅は、装置の仕様等に応じて異なってくるが、概ね150mm以上であり、生産性向上の観点から、好ましくは350mm以上、より好ましくは600mm以上、特に好ましくは1000mm以上である。なお、前述したとおり、本発明の特定の態様による電解銅箔にあっては、巻きによって発生しうる傷を効果的に抑制できることから、フィルム、エンボスフィルム等、電極箔よりも弾力性の高い材料を表面と裏面の間に挟むといった巻き傷防止対策が不要となり、ロール品としての取り扱いが簡素化する。
CMP処理面はアルカリ溶液で洗浄することが好ましい。そのようなアルカリ溶液としては、アンモニアを含有した溶液、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液等の公知のアルカリ溶液が使用可能である。好ましいアルカリ溶液はアンモニアを含有した溶液であり、より好ましくはアンモニアを含有した有機系アルカリ溶液、さらに好ましくはテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)溶液である。TMAH溶液の好ましい濃度は0.1〜3.0wt%である。そのような洗浄の一例としては、0.4%TMAH溶液を用いて23℃で1分間の洗浄を行うことが挙げられる。このようなアルカリ溶液による洗浄と併せて、又は、アルカリ溶液による洗浄の代わりに、UV(Ultra Violet)処理を行っても同様の洗浄効果を得ることができる。さらに、銅箔等の場合、希硫酸等の酸性洗浄液を用いて、銅表面に形成されうる酸化物を除去することも可能である。酸洗浄の一例としては、希硫酸を用いて30秒間の洗浄を行うことが挙げられる。
CMP処理面上に存在するパーティクルを除去することが好ましい。有効なパーティクル除去の手法としては、超純水によるソニック洗浄法やドライアイスブラスト法等が挙げられるが、ドライアイスブラスト法がより効果的である。ドライアイスブラスト法は、高圧に圧縮した炭酸ガスを細いノズルから噴射させることにより、低温固化した炭酸を超平坦面12aに吹き付けてパーティクルを除去する方法である。このドライアイスブラスト法は、ウェット工程とは異なり、乾燥工程を省くことができ、また有機物の除去ができる等の利点を有する。ドライアイスブラスト法は、例えばドライアイススノーシステム(エアウォーター社製)等の市販の装置を用いて行うことができる。もっとも、1.5以上のPv/Pp比を付与するための処理(例えばドライアイスブラスト法)によって既にパーティクルが除去されている場合には、このパーティクル除去工程は省略可能である。
電極箔
本発明の電解銅箔は、箔単独の形態で、又は他の機能層を積層させた形態で、電極箔として使用されるのが好ましい。図2に電極箔10の一例の模式断面図を示す。図2に示される電極箔10は電解銅箔12を備えてなる。電極箔10は、所望により電解銅箔12の表面12aに直接、又は拡散防止層を介して設けられる反射層13を備えていてもよい。また、電極箔10は、所望により少なくとも電解銅箔12の超平坦面12a又は(存在する場合には)反射層13の表面13a上に直接設けられるバッファ層14を備えていてもよい。図2に示される電極箔10は電解銅箔12、反射層13及びバッファ層14を備えた3層構成であるが、本発明の電極箔はこれに限定されず、電解銅箔12の1層構成であってもよいし、電解銅箔12及び反射層13の2層構成であってもよい。あるいは、電解銅箔12の両面に反射層13及びバッファ層14を備えた5層構成であってもよい。
このように電解銅箔12を支持基材のみならず電極として用いることで、支持基材と電極の機能を兼ね備えた電極箔を提供することができる。特に、電解銅箔12の厚さを適切な範囲とすれば、フレキシブル電子デバイス用の支持基材を兼ねた電極として用いることができる。このようなフレキシブル電子デバイスの製造に関して、電極箔12は、電解銅箔をベースとしているため、支持基材を特に必要とすることなく、例えばロール・トゥ・ロール・プロセスによって効率的に製造することができる。ロール・トゥ・ロール・プロセスは、ロール状に巻いた長尺状の箔を引き出して所定のプロセスを施したのち再び巻き取るという電子デバイスを効率的に量産する上で極めて有利なプロセスであり、本願発明の用途である発光素子及び光電素子等の電子デバイスの量産化を実現する上で鍵になるプロセスである。このように、本発明の電極箔は、支持基材及び反射層を不要にすることができる。このため、本発明の電極箔は、少なくとも電子デバイスが構築される部分に絶縁層を有しないのが好ましく、より好ましくはいかなる部位にも絶縁層を有しない。
所望により電解銅箔12の表面12a上には反射層13が直接、又は後述する反射防止層を介して設けられてもよい。反射層13は、アルミニウム、アルミニウム系合金、銀、及び銀系合金からなる群から選択される少なくとも一種で構成されるのが好ましい。これらの材料は、光の反射率が高いため反射層に適しており、しかも薄膜化した際の平坦性にも優れる。特に、アルミニウム又はアルミニウム系合金は安価な材料であることから好ましい。アルミニウム系合金及び銀系合金としては、発光素子や光電素子においてアノード又はカソードとして使用される一般的な合金組成を有するものが幅広く採用可能である。好ましいアルミニウム系合金組成の例としては、Al−Ni、Al−Cu、Al−Ag、Al−Ce、Al−Zn、Al−B、Al−Ta、Al−Nd、Al−Si、Al−La、Al−Co、Al−Ge、Al−Fe、Al−Li、Al−Mg、Al−Mn、Al−Ti合金が挙げられる。これらの合金を構成する元素であれば、必要な特性に合わせて任意に組み合わせることが可能である。また、好ましい銀合金組成の例としては、Ag−Pd、Ag−Cu、Ag−Al、Ag−Zn、Ag−Mg、Ag−Mn、Ag−Cr、Ag−Ti、Ag−Ta、Ag−Co、Ag−Si、Ag−Ge、Ag−Li、Ag−B、Ag−Pt、Ag−Fe、Ag−Nd、Ag−La、Ag−Ce合金が挙げられる。これらの合金を構成する元素であれば、必要な特性に合わせて任意に組み合わせることが可能である。反射層13の膜厚は特に限定されるものではないが、30〜500nmの厚さを有するのが好ましく、より好ましくは50〜300nmであり、さらに好ましくは100〜250nmである。
反射層13がアルミニウム膜又はアルミニウム系合金膜で構成される場合、反射層を少なくとも2つの層からなる積層構造で構成してもよい。この態様にあっては、反射層13が界面によって仕切られた2つの層の積層構造を有し、この界面を境に下層及び上層が互いに異なる結晶方位を有する。これにより、電極箔がかなりの高温に曝される場合であっても、銅箔とアルミニウム含有反射層の間の界面から起こりうるサーマルマイグレーションを効果的に抑制して、サーマルマイグレーションに起因する表面平坦性や反射率の低下を抑制することができる。すなわち、電極箔の耐熱性を向上することができる。したがって、この態様は、200℃以上、好ましくは230℃以上、より好ましくは250℃以上の温度で行われる、正孔注入層塗布後の熱処理において特に有効であるといえる。このような耐熱性の向上は、結晶粒界を優先して進行するサーマルマイグレーションが、結晶粒界が不連続となる界面によって阻止されることにより実現されるものと考えられる。なお、反射層13中の界面の数は2つ以上であってもよく、この場合、反射層は3層以上の積層構造となる。
所望により電解銅箔12と反射層13との間に設けられる拡散防止層は、電解銅箔に由来する金属の拡散を防止する機能を有するものであればよく、公知のあらゆる組成および構造の膜が採用可能である。これにより、電極箔がかなりの高温に曝される場合であっても、銅箔とアルミニウム含有反射層の間の界面から起こりうるサーマルマイグレーションを効果的に抑制して、サーマルマイグレーションに起因する表面平坦性や反射率の低下を抑制することができる。すなわち、電極箔の耐熱性を向上することができる。したがって、この態様は、200℃以上、好ましくは230℃以上、より好ましくは250℃以上の温度で行われる、正孔注入層塗布後の熱処理において特に有効であるといえる。なお、拡散防止層は2層以上の積層構造としてもよい。
電解銅箔12又は存在する場合には反射層13の少なくとも一方の最表面にはバッファ層14が直接設けられるのが好ましい。発光素子又は光電素子の場合、バッファ層14は、半導体機能層と接触して所望の仕事関数を与えるものであれば特に限定されない。本発明におけるバッファ層は、光散乱効果を十分に確保するため、透明又は半透明であるのが好ましい。
バッファ層14は、導電性非晶質炭素膜、導電性酸化物膜、マグネシウム系合金膜、及びフッ化物膜から選択される少なくとも一種であるのが好ましく、電子デバイスのアノード又はカソードといった適用用途及び要求される特性に応じて適宜選択すればよい。
本発明による電解銅箔又は電極箔は、各種電子デバイス用の電極(すなわちアノード又はカソード)として好ましく用いることができる。本発明の電極箔は、概して低応力で屈曲が容易なことからフレキシブル電子デバイス用の電極として用いるのが特に好ましいが、フレキシブル性に劣る又は剛性のある電子デバイスに用いるものであってもよい。そのような電子デバイス(主としてフレキシブル電子デバイス)の例としては、i)発光素子、例えば有機EL素子、有機EL照明、有機ELディスプレイ、電子ペーパー、液晶ディスプレイ、無機EL素子、無機ELディスプレイ、LED照明、LEDディスプレイ、ii)光電素子、例えば薄膜太陽電池が挙げられるが、好ましくは有機EL素子、有機EL照明、有機ELディスプレイ、有機太陽電池、色素増感太陽電池であり、より好ましくは極薄で高輝度の発光が得られる点で有機EL照明である。また、有機太陽電池の場合、電極材料に求められる特性の多くが有機EL素子の場合に求められる特性と共通するため、本発明による電極箔は有機太陽電池のアノード又はカソードとして好ましく用いることができる。すなわち、本発明による電極箔上に積層させる有機半導体機能層の種類を公知の技術に従い適宜選択することにより、有機デバイスを有機EL素子及び有機太陽電池のいずれにも構成することが可能となる。
本発明の電解銅箔又は電極箔はその両面を高光沢度ないし超平坦にしてもよく、その場合には電極箔の両側に電子デバイスを設けるのに有利となり、これにより電子デバイスを両面に備えた両面機能素子又は両面機能素子箔を提供することができる。また、同一電極の一方の面に発光素子を、他方の面に発電素子を形成することも可能となり、それによって有機EL素子の機能と有機太陽電池の機能を併せ持った従来に無い複合電子デバイスを作製することもできる。さらに、本発明による電極箔は、有機EL素子の電極のみならず、LEDの実装基板にも使用することができる。特に、本発明による電極箔は、LED素子を密に実装することができる点でLED照明用のアノード又はカソードとして好ましく用いることができる。
電子デバイス
本発明による電解銅箔又はそれを用いた電極箔を用いることで、半導体特性を有する半導体機能層を電極箔上に備えた電子デバイスを提供することができる。半導体機能層は電極箔の表面に直接形成されるのが好ましい。半導体機能層は、電極上又は電極間で所望の機能を発現しうる半導体特性を有する層であればいかなる構成や材質のものであってもよいが、有機半導体、無機半導体又はそれらの混合物又は組合せを含むものであるのが好ましい。例えば、半導体機能層は、励起発光又は光励起発電の機能を有し、それにより電子デバイスが発光素子又は光電素子として機能するのが好ましい。また、発光素子や光電素子にあっては、半導体機能層上に透明又は半透明の対向電極が設けられるのが好ましい。本発明の電極箔は、半導体機能層の形成に際して、高分子材料や低分子材料をクロロベンゼン等の溶剤に溶解させて塗布するプロセスが好ましく適用可能であり、また、インライン式の真空プロセスも適用可能であり、生産性の向上に適する。前述したとおり、半導体機能層は電極箔の両面に設けられてもよい。
(1)有機EL素子及び有機EL照明
本発明による電極箔を反射電極として用いて、その表面にトップエミッション型有機EL素子を備えた発光素子及び有機EL照明を構築することができる。
図3に、本発明の電極箔をアノードとして用いたトップエミッション型有機EL素子の層構成の一例を示す。図3に示される有機EL素子は、電解銅箔22、反射層23及び所望によりバッファ層24を備えたアノードとしての電極箔20と、バッファ層24の表面に直接設けられる有機EL層26と、有機EL層26の表面に直接設けられる透光電極としてのカソード28とを備えてなる。バッファ層24は、アノードとして適するように導電性非晶質炭素膜又は導電性酸化物膜で構成されるのが好ましい。
有機EL層26としては、有機EL素子に使用される公知の種々のEL層構成が使用可能であり、所望により正孔注入層及び/又は正孔輸送層、発光層、ならびに所望により電子輸送層及び/又は電子注入層を、アノード電極箔20からカソード28に向かって順次備えてなることができる。正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、及び電子注入層としては、それぞれ公知の種々の構成ないし組成の層が適宜使用可能であり特に限定されるものではない。
図4に、図3に示される有機EL素子が組み込まれたトップエミッション型有機EL照明の層構成の一例が示される。図4に示される有機EL照明において、有機EL素子はアノード電極箔20の電解銅箔22を介して電源30に電気的に接続可能とされる。バッファ層24表面の、有機EL層26と非接触の領域は層間絶縁膜29で被覆される。層間絶縁膜29としては、CVD成膜したSi系絶縁膜が、有機層を劣化させる原因となる水分及び酸素に対するバリア性が高いことから好ましく、より好ましくはSiN系絶縁膜である。さらに好ましい層間絶縁膜は、膜の内部応力が小さく、屈曲性に優れる点で、SiNO系絶縁膜である。
カソード28の上方には有機EL素子と対向して封止材32が設けられ、封止材32とカソード28との間には封止用樹脂が充填されて封止膜34が形成される。封止材32としては、ガラスやフィルムを用いることができる。ガラスの場合は、封止膜34上に疎水性粘着テープを用いて直接接着することができる。フィルムの場合は、両面及び端面をSi系絶縁膜で被覆して用いることが可能である。将来的にバリア性の高いフィルムが開発された場合には、被覆処理を行うことなく封止することが可能となり、量産性に優れたものになることが予想される。封止材32としては、フレキシブル性を付与する観点からはフィルムの方が望ましいが、厚さ20〜100μmの非常に薄いガラスにフィルムを接着させた封止材を使用して所望の性能を得ることも可能である。
カソード28としてはトップエミッション型有機EL素子に使用される公知の種々のカソードが使用可能であり、光を透過する必要があるため透明又は半透明のものであれば特に限定されないが、仕事関数の低いものが好ましい。好ましいカソードとしては、導電性酸化物膜、マグネシウム系合金膜及びフッ化物膜が挙げられ、これらを2層以上に組み合わせるのがより好ましい。これらの膜は、電極箔のバッファ層で述べたものと同様のものが使用可能である。
特に好ましいカソードは、導電性酸化物膜からなるカソード層としての透明酸化物層に、マグネシウム系合金膜及び/又はフッ化物膜からなるバッファ層としての半透過金属層を積層させた2層構造であり、抵抗の観点からも実用性が高い。この場合、カソード28の半透過金属層(バッファ層)側を有機EL層26と接触させて用いることにより、高い光透過性と低い仕事関数がもたらされ、有機EL素子の輝度及び電力効率を向上することができる。最も好ましい例としては、IZO(インジウム亜鉛酸化物)からなる透明酸化物層(カソード層)とMg−Agからなる半透過金属層(バッファ層)が積層されてなるカソード構造体が挙げられる。また、カソード構造体は、2層以上の透明酸化物層及び/又は2層以上の半透過金属層を備えるものであってもよい。こうして、有機EL層26で発生した光はカソード28及び封止膜34及び封止材32を通過して外部に放出される。
なお、電極箔20の裏面には、使用形態に応じて補助的な基材を適宜設置してもよい。この部分は、発光特性に影響を与えない為、材料選択の自由度は高い。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリエーテルニトリル(PEN)等の樹脂フィルムを使用すればフレキシブル性を損なうことが無いので最適といえる。
図5に、本発明の電極箔をカソードとして用いたトップエミッション型有機EL素子の層構成の一例を示す。図5に示される有機EL素子は、電解銅箔42、反射層43及びバッファ層44を備えたカソード電極箔40と、バッファ層44の表面に直接設けられる有機EL層46と、有機EL層46の表面に直接設けられる対向電極としてのアノード48とを備えてなる。有機EL層46は、図3に示される有機EL層26と同様に構成可能であり、バッファ層44は、図3に示されるカソード28と同様に構成可能であり、導電性酸化物膜、マグネシウム系合金膜、フッ化物膜、又はそれらの2層以上の組み合わせで構成されるのが好ましい。より好ましいバッファ層44は、マグネシウム系合金膜及び/又はフッ化物膜からなる半透過金属層である。
すなわち、図5に示されるカソード電極箔40を用いた有機EL素子は、図3に示されるアノード電極箔20を用いた有機EL素子において、バッファ層24とカソード28を入れ替え、かつ、有機EL層26内部のアノード側からカソード側への積層順序を逆転させた構成に相当する。例えば、カソード電極箔40のバッファ層44としてマグネシウム系合金膜又はフッ化物膜をスパッタリング又は蒸着により形成する一方、アノード48として導電性非晶質炭素、MoO又はVの膜を蒸着法により形成するのが好ましい。特に、導電性非晶質炭素膜を有機EL層上に成膜する場合には、スパッタ時のプラズマダメージを避けるため真空蒸着法を用いるのが好ましい。
(2)光電素子
本発明による電極箔を反射電極として用いて、その表面に光電素子を構築することができる。本発明の好ましい態様による光電素子は、電極箔と、電極箔の表面に直接設けられる半導体機能層としての光励起層と、光励起層の表面に直接設けられる対向電極としての透光電極とを備えてなる。光励起層としては、光電素子の半導体機能層として知られる種々の構成及び材料が使用可能である。
例えば、図3に示される有機EL層26を公知の有機太陽電池活性層で置き換えることにより、有機太陽電池を構成することができる。本発明の電極箔をアノードとして用いる有機太陽電池の場合、バッファ層(例えばカーボンバッファ層)上に、正孔輸送層(PEDOT:PSS(30nm))、p型有機半導体機能層(例えばBP(ベンゾポルフィリン))、n型有機半導体とp型有機半導体のi型ミキシング層(例えばBP:PCBNB(フラーレン誘導体))、n型有機半導体機能層(例えばPCBM(フラーレン誘導体))、低い仕事関数を有するバッファ層(例えばMg−Ag)及び透明電極層(例えばIZO)を順次積層させて太陽電池を構成することが可能である。また、別の例としては、電解銅箔(例えば銅箔)が反射層(例えばアルミニウム膜)及びn型半導体バッファ層(例えばZnO、SnO、TiO、NbO、In、Ga、及びこれらの組合せ等のn型酸化物半導体)を備え、このn型半導体バッファ層上に、p型有機半導体とn型有機半導体のブレンド層(例えばP3HT:PCBM)、正孔輸送層(例えばPEDOT:PSS)、並びに電極を順次積層させて太陽電池を構成してもよい。これらの各層を構成する材料としては公知の材料を適宜使用することができ、特に限定されない。有機太陽電池に使用される電極は、有機EL素子に使用される電極と同じ材料及び構造を有するものであってよい。本発明の電極箔は反射層を備えることで、キャビティー効果に起因する光の閉じ込めによる発電効率の向上が期待される。
このように光励起層は公知の複数の機能層を有して構成されるが、その積層は電極箔から対向電極に向かって各相を順に積層させることによって行ってもよいし、あるいは、電極箔側の第一の積層部分と対向電極側の第二の積層部分とを別個に作製した後、第一及び第二の積層部分を互いに貼り合わせて所望の光励起層を備えた光電素子を得てもよい。
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。
例1:{100}配向銅箔
(1)未処理電解銅箔の作製
硫酸濃度140g/L及び銅濃度80g/Lの硫酸系硫酸銅水溶液を調製した。この水溶液を用いて、ビス(3−スルホプロピル)ジスルフィドを5ppm、環状構造を持つ4級アンモニウム塩重合体(センカ(株)製、ユニセンス:FPA100L)を3ppm、分子量1000のポリエチレングリコールを10ppm、塩素を20ppm含む電解液を調製した。この電解液を用いて液温60℃及び電解電流密度75A/dmで電解を行い、厚さ35μmの電解銅箔を製造した。得られた電解銅箔の表面(析出面)の粗さを走査型プローブ顕微鏡(Veeco社製、Nano Scope V)を用いてJIS B 0601−2001に準拠して測定したところ、算術平均粗さRa:66.4nmであった。この測定は、10μm四方の範囲について、Tapping Mode AFMにて行った。
(2)CMP処理
10cm四方に切断した厚さ0.5mmのゴムパットを両面テープでステンレスの治具に張り付けた。こうして得られたステンレスのパットの総重量を測定したところ20kgであった。一方、先に得られた未処理の電解銅箔を、ゴムパットよりもやや大きい11.5mm四方に予め切断しておいた。切断された電解銅箔の中央にゴムパットが当たるようにステンレス治具で上から押さえた。この電解銅箔の表面(析出面)に対して、エムエーティー社製研磨機を用いてCMP処理を行った。このCMP処理は、XY溝付き研磨パット及びコロイダルシリカ系研磨液を用いて、パッド回転数:30rpm、荷重:200gf/cm、液供給量:100cc/minの条件で行った。コロイダルシリカ系研磨液は、コロイダルシリカ(粒径サイズ50nm〜100nm):5重量%、グリシン:1重量%、過酸化水素水:3重量%、水:90.9重量%、ベンゾトリアゾール(BTA):0.1重量%を含む液を用いた。CMP処理を開始して1分経過後に研磨を止め、金属銅箔表面の算術平均粗さRaを上記同様の条件で測定した。1分間のCMP処理による算術平均粗さRaの減少率を計算したところ62.9nm/分であった。
(3){100}配向率の測定
電解銅箔のCMP処理された表面をCarl Zeisss社製のFE−SEM(電界放射型電子顕微鏡、製品名:SUPRA55AP)に搭載されたEBSD(電子線後方散乱回折装置、TSLソリューションズ社製、製品名:Pegasusシステム、加速電圧:20kV、アパーチャー径60μm、High current mode、電流:3nA、測定範囲:35μm×105μm、ステップ幅:0.3μm)で観察した。<001>結晶方位からのずれが2、6、10、14、18、22、26及び30°以内である{100}面の占める面積の割合(以下、{100}配向率と総称する)をそれぞれ画像解析により算出したところ、図13に示される結果が得られた。<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合は24.38%であった。EBSDにより得られた電解銅箔の表面の結晶方位マップ({100}、ND方向)を図6に示す。図6の結晶方位マップには、<001>方位からのずれが30°以内の{100}面の占める結晶が着色表示されており、着色が濃いほど<001>結晶方位からのずれが小さい{100}面が存在することを意味する。
また、グリシンを全有機炭素(TOC)濃度で2.7g/L含む3体積%過酸化水素水をエッチング液として用いて電解銅箔の表面にエッチングを行った。このエッチング液を用いてエッチングを行うと、{100}面がエッチングされやすい一方、(111)等の他の結晶面はエッチングされにくく残存した傾向がある。実際にこのエッチング後の銅箔表面を観察したところ、図7に示されるように、エッチングされずに残存した領域が少なかったことから、銅箔表面においてエッチングされやすい{100}面の占める割合が高かったものと理解される。
(4)光沢度G(20°)の測定
ハンディ型光沢計(PG−II/IIM、日本電色工業株式会社製)を用いて、電解銅箔のCMP処理された表面の光沢度G(20°)を測定した。この測定はJIS Z 8741−1997に準拠して行った。その結果、CMP処理された電解銅箔の表面の光沢度G(20°)は1607であった。なお、光沢度の測定に際しては、必要に応じて、標準光沢板(黒)を用いて校正を随時行い、その後同様に副標準光沢板(白)を測定してメーカー記載の基準値との差が2.0以下であることを確認した。
例2:{100}配向銅箔
硫酸濃度140g/L及び銅濃度80g/Lの硫酸系硫酸銅水溶液を調整した。この水溶液を用いて、ビス(3−スルホプロピル)ジスルフィド5ppmと分子量3000ポリエチレングリコール50ppm、塩素30ppmを含む電解液を調整し、この電解液の液温を60℃とし、電解電流密度60A/dmで電解し、厚さ35μmの電解銅箔を製造した。得られた電解銅箔の析出面側の表面粗さRaを例1と同様にして測定したところ53.6nmであった。この電解銅箔の表面(析出面)に対して、例1と同様にしてCMP処理を行った。CMP処理を行いながら、30秒、1分、2分、3分、4分及び5分の経過時間毎に研磨を止め、金属銅箔表面の算術平均粗さRaを上記同様の条件で測定した。各経過時間後における表面粗さRaは図14に示されるとおりであった。1分間のCMP処理による算術平均粗さRaの減少率を計算したところ50.4nm/分であった。また、例1と同様にして{100}配向率の測定を行ったところ、図8及び13に示される結果が得られた。<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合は30.98%であった。例1と同様にしてCMP処理された電解銅箔の表面の光沢度G(20°)を測定したところ1635であった。
例3:{100}配向銅箔
硫酸濃度140g/L及び銅濃度80g/Lの硫酸系硫酸銅水溶液を調整した。この水溶液を用いて、ビス(3−スルホプロピル)ジスルフィドを5ppm、分子量6000のポリエチレングリコールを20ppm、塩素を30ppm含む電解液を調製した。この電解液を用いて液温60℃及び電解電流密度60A/dmで電解を行い、厚さ35μmの電解銅箔を製造した。得られた電解銅箔の析出面側の算術平均粗さRaを例1と同様にして測定したところ64.7nmであった。この電解銅箔の表面(析出面)に対して、例1と同様にしてCMP処理を行った。CMP処理を行いながら、30秒、1分、2分、3分、4分及び5分の経過時間毎に研磨を止め、金属銅箔表面の算術平均粗さRaを上記同様の条件で測定した。各経過時間後における算術平均粗さRaは図14に示されるとおりであった。1分間のCMP処理による算術平均粗さRaの減少率を計算したところ61.8nm/分であった。例1と同様にして{100}配向率の測定を行ったところ、図9、10及び13に示される結果が得られた。<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合は38.54%であった。例1と同様にしてCMP処理された電解銅箔の表面の光沢度G(20°)を測定したところ1665であった。
例4(比較):(111)配向銅箔
硫酸濃度140g/L及び銅濃度80g/Lの硫酸系硫酸銅水溶液を調整した。この水溶液を用いて、ビス(3−スルホプロピル)ジスルフィドを5ppmと、環状構造を持つ4級アンモニウム塩重合体(センカ(株)製、ユニセンス:FPA100L)を40ppm、塩素を30ppm含む電解液を調製した。この電解液を用いて液温60℃及び電解電流密度75A/dmで電解を行い、厚さ35μmの電解銅箔を製造した。得られた電解銅箔の析出面側の表面粗さRaを例1と同様にして測定したところ25.6nmであった。この電解銅箔の表面(析出面)に対して、例1と同様にしてCMP処理を行った。CMP処理を行いながら、30秒、1分、2分、3分、4分及び5分の経過時間毎に研磨を止め、金属銅箔表面の算術平均粗さRaを上記同様の条件で測定した。各経過時間後における表面粗さRaは図14に示されるとおりであった。1分間のCMP処理による算術平均粗さRaの減少率を計算したところ25.6nm/分であった。例1と同様にして<001>配向率の測定を行ったところ、図11〜13に示される結果が得られた。本例の電解銅箔は、<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合は8.88%と低く、図11に示される結晶方位マップにおいても<001>方位からのずれが30°以内である{100}面の存在を示す着色領域の割合が低かった。実際、図12に示されるように、エッチングされずに残存した領域が大きかったことから、銅箔表面においてエッチングされやすい{100}面の占める割合が低かったものと理解される。例1と同様にして1分間CMP処理された電解銅箔の表面の光沢度G(20°)を測定したところ1477と低めであった。
結果
図14及び15に示される結果から分かるように、{100}配向率の高い金属箔を使用することで、CMP処理を用いて光沢度の高い良質な電解銅箔を短時間で作製することができる。光沢度が高いとキャビティーの角度依存性が低くなる。特に白色発光の際、その効果が大きくなる。また、結晶面により研磨レートに差があるため、{100}配向率の高い電解銅箔の方がより短時間で鏡面となるため、ロール・トゥ・ロール・プロセスに適し、高光沢銅箔ロールを効率的に製造することができる。

Claims (12)

  1. 表面を電子線後方散乱回折法(EBSD)により解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上である電解銅箔であって、
    前記電解銅箔の少なくとも一方の面が、JIS Z 8741−1997に準拠して測定される1500以上の光沢度G(20°)を有する、電解銅箔。
  2. 前記光沢度G(20°)が1600以上である、請求項1に記載の電解銅箔。
  3. 前記少なくとも一方の面が、JIS B 0601−2001に準拠して測定される、5.0nm以下の算術平均粗さRaを有する、請求項1又は2に記載の電解銅箔。
  4. 50μm以下の厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解銅箔。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解銅箔を含んでなる電極箔と、
    前記電極箔の表面に設けられ、半導体特性を有する半導体機能層と、
    前記半導体機能層上に設けられる対向電極層と、
    を備えた、電子デバイス。
  6. 前記半導体機能層が励起発光又は光励起発電の機能を有し、それにより前記電子デバイスが発光素子又は光電素子として機能する、請求項5に記載の電子デバイス。
  7. 表面を電子線後方散乱回折法(EBSD)により解析した場合に<001>結晶方位からのずれが18°以内である{100}面の占める面積の割合が10%以上である未処理電解銅箔を用意する工程と、
    前記未処理電解銅箔の少なくとも一方の面に化学的機械研磨(CMP)を施す工程と、
    を含む、電解銅箔の製造方法。
  8. 前記化学的機械研磨(CMP)が、前記少なくとも一方の面に、JIS Z 8741−1997に準拠して測定される1500以上の光沢度G(20°)を付与するように行われる、請求項7に記載の方法。
  9. 前記光沢度G(20°)が1600以上である、請求項8に記載の方法。
  10. 前記少なくとも一方の面が、JIS B 0601−2001に準拠して測定される、5.0nm以下の算術平均粗さRaを有する、請求項7又は8に記載の方法。
  11. 50μm以下の厚さを有する、請求項7〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記化学的機械研磨(CMP)がロール・トゥ・ロール・プロセスにより連続的に行われる、請求項7〜11のいずれか一項に記載の方法。
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