2016 Fiscal Year Annual Research Report
銅ナノ粒子を用いたレーザー直接描画による微細配線形成およびレーザー焼成機構の解明
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15H04132
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
渡辺 明 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (40182901)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | レーザープロセッシング / レーザー直接描画 / レーザー焼成 / 銅ナノ粒子 / 微細配線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、銅ナノ粒子を用いたレーザープロセッシングによって、フレキシブル透明ポリマー基板上へも高導電性微細パターンを自在に形成することが可能な手法を開拓することを目的としている。その目的を達成するために、レーザー光照射による銅ナノ粒子のシンタリング過程を明らかにし、その知見に基づき銅ナノ粒子へのレーザー光照射による低温焼成プロセスを確立し、プリンテッド・フレキシブルエレクトロニクス分野で実現が求められているウェットプロセスによる銅微細配線形成技術の進展への貢献を目指した研究を行った。銅ナノ粒子のレーザー直接描画過程では，プラズモン共鳴によりレーザー光エネルギーが効率的に吸収されることにより高速なシンタリングが起こることから，プラズモン共鳴の405nmの波長帯の小型の青紫色半導体レーザーによるプロセスが可能であった。青紫色半導体レーザー光源として開発したポータブルレーザー直接描画装置を用いて，ポリイミドフレキシブルフィルムに塗布した銅ナノ粒子のシンタリングによって銅マイクロ電極を作成し，その上に酸化グラフェン膜を積層することによって，フレキシブル湿度センサーを形成し，その湿度感応特性の検証を行った。また，3Dレーザー描画法の開拓を目指して，5軸モーションコントローラーで制御されたXYZステージ、基板への金属ナノ粒子インク滴下のためのマイクロチューブポンプ、スピンコーターのステッピングモータ、および405 nmブルーバイオレッドレーザーから成る装置を開発し，金属ナノ粒子の製膜と2Dレーザー描画のサイクルを繰り返す積層法によって3Dマイクロ構造体の形成に関する検討を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度の研究においては、多軸モーションコントローラーによる銅微細パターンのレーザー描画装置の開発と2次元および3次元レーザー描画プロセスの開拓を行った。２Dレーザー描画によって銅マイクロ電極等を自在に形成できており，その応用として，酸化グラフェンと組み合わせたフレキシブル湿度センサーを作成し，その湿度応答性を検証できている。また，多軸モーションコントローラーとコンピューター制御によって、マイクロチューブポンプおよびスピンコートによる製膜プロセスとそのレーザー直接描画プロセスを交互に繰り返して行える3Dレーザー描画装置およびそれによる微細パターン形成プロセスを開拓している。
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザー描画により形成された銅薄膜のモルフォロジーおよび電気特性の制御や，レーザー描画プロセスの速度向上が課題となり，これらの問題の解決のために以下の項目の検討を進めていく。
(1) 銅ナノ粒子から形成した銅薄膜においては，レーザー焼成条件によっては，粒状のナノ構造が残存する場合があり，導電性の向上や信頼性の点で問題となった。銅ナノ粒子のモルフォロジーに対するレーザー焼成条件の影響を，走査型電子顕微鏡（SEM）や透過型電子顕微鏡（TEM）による観察および導電性の評価から明らかにする。レーザー焼成条件としては，レーザーパワー，レーザー光照射速度，焼成雰囲気，およびレーザー光波長（405, 445, 532, 808, 1064 nm）の影響の検討を行う。レーザー光波長の変化によっては銅ナノ粒子のプラズモン共鳴によるレーザー光吸収による銅ナノ粒子自身の加熱過程と銅ナノ粒子を安定化している有機基の直接分解過程の寄与が変わり，それが生成する銅薄膜のモルフォロジーおよび送電性に影響を及ぼすと考えられる，
(2) ガルバノミラースキャン部と自動ステージスキャン部とからなるレーザー描画装置によって，より高速な銅ナノ粒子のレーザー焼成および微細パターン形成を可能とし，それらの過程で形成された銅薄膜のモルフォロジーおよび電気特性を明らかにする。
(3) レーザー直接描画法で形成した銅微細パターンに電解銅めっきや無電解めっきを適用し，銅薄膜の厚膜化とモルフォロジーの向上を目指した検討を行う。
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