JP5757523B2 - 一価銅の濃度測定方法及び濃度管理方法、並びに濃度測定装置 - Google Patents
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Description
以下の例では、銅めっき液として硫酸銅めっき液を用いる。但し、本発明は硫酸銅めっき液に限らず、酸性浴及びアルカリ浴に使用される銅めっき液全般を対象とするものである。例えばシアン化銅めっき液やピロ燐酸銅めっき液等も対象となる。通常、銅めっき液のpHはBCS試薬で測定可能なpH域4〜10から外れている場合が多いが、各種銅めっき液を中和してBCS試薬と混合することで測定が可能となる。また、後述する実施形態に示すように、緩衝液を用いることによりpH調整を容易化することができる。短時間でのpH調整が可能となり、一価銅濃度を継続的にモニタリングする場合等に有用である。
本例では、キレート試薬としてBCS試薬を用いる。BCSはCu(I)と選択的に橙黄色の錯体を形成することより、銅の比色試薬として使用される。バソクプロインをスルホン化して水溶性としたもので、水に易溶であるものを使用する。後述する実験では、図1に示すBCSを使用する。BCSは水溶液中、pH4〜10でCu(I)に対しBCS2分子で1:2の組成の橙黄色のキレートを形成する(λmax=485nm,ε=1.2×104)。重金属イオン類が共存してもCu(I)としか選択的に錯形成しない。一方、抽出操作を必要としないため、操作が簡便で分析に便利である。
硫酸銅めっき溶液を還元することにより一価銅標準溶液を調整し、BCS試薬の検量線を作成した。BCS試薬はpH4〜10の領域でほぼ一定の吸光度が得られるが、pH4〜7、好ましくはpH4〜5.5で安定な吸光度を示すので、pHをこの範囲内に調整した。BCS(株式会社同仁化学研究所製、所在地:熊本県)を用いて、モル濃度10−2mol/dm3のBCS水溶液を調整した。試薬特級硫酸銅(II)5水和物を用いてモル濃度10−3mol/dm3の硫酸銅水溶液を調整した。この水溶液を分取し(0〜2.5mL)、還元剤である10%塩酸ヒドロキシルアミン5mLと2%クエン酸5mLを加え、25%アンモニア水でpHを7〜8に調整した。これに60%過塩素酸を加えてpH4〜5の一価銅標準溶液を調整後、モル濃度10−2mol/dm3のBCS水溶液を5mL添加し、水を加えて全量100mLの吸光度測定用溶液を調整した。
硫酸銅めっき液は酸濃度が極めて高く、BCS試薬による比色測定では、pHを4以上に調整する必要がある。一方、pHが7以上になると、水酸化銅の白色沈殿が生じてしまい、吸光度が不安定になるため、緩衝液を使用する必要がある。緩衝液によって硫酸銅めっき液をpH4〜7程度に調整することが好ましく、pH4〜5.5に調整することが特に好ましい。後述する実験では銅イオンとの相互作用が小さく、比較的単純な酢酸−NaOH系の緩衝液を用いた。
呈色用緩衝液を分光光度計の参照用セルとサンプル用セルにそれぞれ2.5mL移した。サンプル用セルに硫酸銅めっき液50μLを注入して吸光度測定用溶液を調整した。その吸光度測定用溶液の1mL程度をピペットで吸い上げ、排出することで撹拌した。ここでセル中の硫酸銅めっき液は51倍に希釈されたことになる。吸光度測定用溶液調整後20分までの吸光度に関して、波長範囲350〜700nm、スキャンスピード200nm/minで吸収スペクトルを測定した。銅めっき液試料として、実際の硫酸銅電気めっき浴工程で使用されている添加剤成分の異なる2種類の硫酸銅めっき液(以下、A液、B液と称する)を用意した。
銅めっき液中の一価銅の状態分析のために、銅めっき液の新液B−1と稼働液B−2について、プロトン核磁気共鳴(1H−NMR(1H-Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy))及びマトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析(MALDI−MS(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization-Mass Spectrometry)による成分分析を行った。MALDI−MSにはAXIMA−TOF2(株式会社島津製作所製、所在地:京都府)を用い、マトリックスにはカーボンを用いた。試料としては、銅めっき液を中和し、遠心分離後、上澄み液を凍結乾燥したものを使用した。B−1液及びB−2液の1H−NMRによる成分分析によって、銅めっき液中にはポリエチレングリコール(PEG(polyethylene glycol))が多量に存在することが確認された。PEGは通常、硫酸銅めっき液に抑制剤として添加されている。さらに、高分子量まで測定可能なMALDI−MSによる成分分析によって、鎖長の異なるPEGが一価銅に配位した[H(OCH2CH2)nOH+Cu]+をn=4〜43で検出することができた。図6に示すように、[H(OCH2CH2)nOH+Cu]+(n=4〜43)の各質量対電荷比(Mass/Charge)に対応する強度(Intensity)の上方に「○」を表示させた。n=4〜43に対応する各位置に強度の明確なピークがあらわれている。このようにして、めっき液中のCu(I)−PEG錯体[H(OCH2CH2)nOH+Cu]+(n=4〜43)の各々の存在比率を比較することができる。
図9は、硫酸銅電気めっき浴工程で使用されている硫酸銅めっき液の吸光度を長期間モニタリングした結果を示す図である。一価銅の分析について、実際にプリント回路基板の硫酸銅電気めっき浴工程で使用されている硫酸銅めっき液(前述したA液)のモニタリングを実施した。生産ラインに使用されている硫酸銅めっき液についてほぼ1ヶ月の期間、生産ライン稼働中又は稼働直後の一価銅濃度、及び休止期間終了直前(稼働開始直前)の吸光度を測定した。通常、生産ライン稼働中に電解めっき槽に流している電流は、週末等の休暇時等に停止させている。図中のONで示す期間は電流を流している期間(稼働期間)であり、図中のOFFで示す期間は電流を停止している期間(休止期間)である。休止期間においてめっき浴は電気的に休止した状態に保たれている。図中の曲線aは、吸光度の上昇開始から20分後の吸光度を示しており、曲線bは、吸光度の上昇開始から2分後の吸光度を示している。曲線cは前記両吸光度の差、即ち吸光度の上昇開始から2分〜20分迄の18分間に上昇した吸光度を示している。
図10は、めっき液の吸光度(T値)を、数分以内に急激に増大する成分(F値)と、数十分以上かけて緩やかに増大する成分(H値)に分けたモデルを示す図である。図10に示すように、本発明者らは錯体の形成に伴う吸光度(以下T値と称する)の時間変化は、数分以内に急激に増大する成分(以下F値と称する)と、数十分かけて緩やかに増大する成分(以下H値と称する)に分けられると推定している。そして、前者は錯体を形成しない一価銅及び小錯体の一価銅とBCSとの反応、後者は大錯体の一価銅とBCSとの反応に各々対応すると推定した。また、図9に示した実験結果により、吸光度変化が急激な成分(F値)は電解めっき槽の稼働状態に影響され、吸光度変化が緩やかな成分(H値)は電解めっき槽の稼働状態にかかわらずほぼ一定であった。これらの結果を踏まえて本発明者らは図11に示す一価銅濃度測定装置を構築した。
図11は、一価銅濃度測定装置の一例を示す機能ブロック図である。この一価銅濃度測定装置1は、電解めっき槽10から硫酸銅めっき液をサンプリングし、測定セル31に供給するサンプリング部20と、前述した呈色用緩衝液を測定セル31に供給する呈色用緩衝液供給部21と、分光光度計30を有し、分光光度計30の制御部37と接続されるシステム制御部40を含む装置である。
休止期間が明けて硫酸銅電気めっき浴工程を実行する前に、循環路11内を流れる硫酸銅めっき液をサンプリング部20によってサンプリングし、サンプリング部20から所定量の硫酸銅めっき液を測定セル31に供給する。一方、呈色用緩衝液供給部21からは所定量の呈色用緩衝液を測定セル31に供給する。呈色用緩衝液が測定セル31に供給されることで吸光度測定用溶液が調整され、呈色反応が生じる。本例では呈色用緩衝液の供給時点からの吸光度を計測するものとする。測定セル31は、上下方向の振動を発生するための撹拌機能付き恒温槽(図示せず)内に設置されている。撹拌による振動で吸光度測定用溶液が撹拌され、恒温槽によって一定温度に保たれている。測定部において吸光度測定用溶液の吸光度の測定が行われる。この吸光度は例えば以下のようにして測定される。
上記のようにして、吸光度の上昇開始から数分後の吸光度を測定することで、エアバブリング等の要否を判断することができるが、最終的な一価銅濃度、即ち吸光度の上昇が収束した時点における一価銅濃度を取得するには、あくまで吸光度の収束を待たなければならないという問題がある。本システムでは、前述したシステム制御部40に記憶している吸光度曲線を利用して、吸光度の上昇が収束していない期間において、当該吸光度測定用溶液の最終的な一価銅濃度を推定することを可能とした。これによって、例えば吸光度測定用溶液調整から数分程度で当該吸光度測定用溶液の最終的な一価銅濃度を取得することが可能となる。
10…電解めっき槽
14…バブリング装置
20…サンプリング部
21…呈色用緩衝液供給部
30…分光光度計
40…システム制御部
Claims (9)
- 一価銅と錯体を形成する物質を含む銅めっき液を含むpH4〜10のサンプル溶液及びバソクプロインジスルホン酸二ナトリウム試薬を混合した吸光度測定用溶液を調整する調整工程と、
前記調整工程において調整された吸光度測定用溶液の吸光度の収束前の時点における吸光度を測定する吸光度測定工程と、
前記吸光度測定工程において測定された吸光度に基づいて、前記銅めっき液中の一価銅濃度を推定する濃度推定工程と、
を含むことを特徴とする一価銅の濃度測定方法。 - 請求項1に記載した一価銅の濃度測定方法であって、
前記吸光度測定工程において、吸光度の上昇開始から収束前の時点までの所定期間における吸光度を測定し、
前記吸光度測定工程において測定された所定期間における吸光度の時間変動を示す吸光度曲線を取得する吸光度曲線取得工程をさらに含み、
前記濃度推定工程において、前記吸光度曲線取得工程において取得した吸光度曲線に基づいて、前記銅めっき液中の一価銅濃度を推定する、
ことを特徴とする一価銅の濃度測定方法。 - 請求項1又は2に記載した一価銅の濃度測定方法であって、
前記銅めっき液は硫酸銅めっき液であり、
前記調整工程において、前記硫酸銅めっき液を含むpH4〜7のサンプル溶液及びバソクプロインジスルホン酸二ナトリウム試薬を混合した吸光度測定用溶液を調整することを特徴とする一価銅の濃度測定方法。 - 請求項1〜3から選択される1項に記載した一価銅の濃度測定方法によって測定された一価銅濃度を管理する一価銅の濃度管理方法であって、
前記一価銅濃度が所定値以上であるときに、前記銅めっき液に対して一価銅濃度を低減させる処理を行うことを特徴とする一価銅の濃度管理方法。 - 一価銅と錯体を形成する物質を含む銅めっき液を含むpH4〜10のサンプル溶液及びバソクプロインジスルホン酸二ナトリウム試薬を混合した吸光度測定用溶液を収容する収容手段と、
前記収容手段に収容された吸光度測定用溶液の吸光度の収束前の時点における吸光度を測定する吸光度測定手段と、
前記吸光度測定手段により測定された吸光度に基づいて、前記銅めっき液中の一価銅濃度を推定する濃度推定手段と、
を有することを特徴とする一価銅の濃度測定装置。 - 電解めっき槽内の、一価銅と錯体を形成する物質を含む銅めっき液をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされた銅めっき液を含むpH4〜10のサンプル溶液及びバソクプロインジスルホン酸二ナトリウム試薬を混合した吸光度測定用溶液を調整する調整手段と、
前記調整手段により調整された吸光度測定用溶液の吸光度の収束前の時点における吸光度を測定する吸光度測定手段と、
前記吸光度測定手段により測定された吸光度に基づいて、前記銅めっき液中の一価銅濃度を推定する濃度推定手段と、
を有することを特徴とする一価銅の濃度測定装置。 - 請求項5又は6に記載した一価銅の濃度測定装置であって、
前記吸光度測定手段は、前記吸光度測定用溶液の吸光度の上昇開始から収束前の時点までの所定期間における吸光度を測定し、
前記吸光度測定手段により測定された所定期間における吸光度の時間変動を示す吸光度曲線を取得する吸光度曲線取得手段をさらに含み、
前記濃度推定手段は、前記吸光度曲線取得手段により取得した吸光度曲線に基づいて、前記銅めっき液中の一価銅濃度を推定する、
ことを特徴とする一価銅の濃度測定装置。 - 請求項5〜7から選択される1項に記載した一価銅の濃度測定装置であって、
前記銅めっき液は硫酸銅めっき液であり、
前記吸光度測定用溶液は、前記硫酸銅めっき液を含むpH4〜7のサンプル溶液及びバソクプロインジスルホン酸二ナトリウム試薬を混合したものであることを特徴とする一価銅の濃度測定装置。 - 請求項5〜8から選択される1項に記載した一価銅の濃度測定装置であって、
前記一価銅濃度が所定値以上であるときに、前記銅めっき液に対して一価銅濃度を低減させる手段を更に有することを特徴とする一価銅の濃度測定装置。
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