極めて広い材料選択性を持つ
レーザーマイクロコーティング技術
山形大学 学術研究院（大学院理工学研究科主担当）
機械システム工学専攻
准教授 西山 宏昭

2021年11月30日

技術概要（１）レーザーマイクロコーティング
レーザー発光素子
半導体

圧電素子

 マイクロ電極などに機能性材料を被覆
 レーザー照射だけで簡便に積層
 機能性コロイドのデバイス化技術

技術概要（２）半導体製造プロセス 高品質 & 高分解能
 平面基板に限定
 高真空プロセスで高価

無機材料を広く含む
プリンティング技術

インクジェットプリンティング 曲面/フレキシブル基板
 非真空で安価
 ディスポ型貼付けセンサーなど
 インク化容易な有機材料が主体
 低耐候性・数um程度の加工分解能で良い・曲面/フレキシブル基板
・有機材料では不安な環境下・低炭素化 & 非真空
必要な箇所に必要なだけ

技術概要（３）レーザーマイクロコーティング
レーザーコロイド粒子溶液

 マイクロコーティング技術
 液中レーザープロセス
 分散粒子を集積固化

微細電極上に機能材料を積層・簡便・従来リソでの難加工材料（量子ドットなどの次世代材料）
電極など（金属，金属/絶縁体複合構造, etc）

レーザー集光部に分散微粒子が高速被覆

技術概要（４）
従来レーザーコーティング
熱源レーザー

噴射ノズル

 被覆材料粉末の吹付け
 粉末を高温溶融/被覆 バルク体 & 熱加工

被覆層

マイクロ領域で従来法は不可

基材

本技術
レーザーコロイド粒子

 被覆材料を分散
 集光部へ集積/凝集 マイクロ構造 & 光加工
光加工なので基材損傷なし

溶液

技術概要（５）
コーティング原理

コロイド粒子

ライン断面
レーザー

溶液

マイクロ電極気泡 レーザー誘起バブルによるコロイド粒子堆積 電極部に密着 & 緻密堆積
 非熱的コーティング

コーティング技術概要（５）超広域材料選択性
レーザー

材料 A

コロイド粒子

材料 B

溶液

材料 C
電極など（金属，金属/絶縁体複合構造, etc）

・光加工にありがちな材料制限がない
・様々な機能性材料を被覆可能：
絶縁体，半導体，生体親和材料，発光層，
撥水材料，抗菌材料など電極など

マイクロコーティング事例（１）
Agライン電極パターン

コーティング後 レーザー照射 ⇒ コロイド粒子が厚く被覆
電極線幅 2.5 umほど ⇒ 幅 5 umほどへ 緻密 & 滑らかな表面（粒子径： 20 nm）
 大半のコロイド粒子に適用が可能
 均一コーティング ⇒ 今後プロセス改善

マイクロコーティング事例（２）ライン断面
ライン断面像

コーティング層

観察用保護層コーティング層内
金属配線
基板

Ag電極
基板
20 nm

 線幅 4.0 um電極 ⇒ 厚さ 1.1 umほどの被覆層 コーティング層内： 集積粒子が緻密に凝集（結晶性を維持） 完全被覆 & 電極に密着
 金属電極： 高い導電性を維持

マイクロコーティング事例（３）線幅 vs. レーザーパワー
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膜厚 小14Width (µm)

12108

膜厚 大64電極線幅20010203040
Laser Power (mW)5060

 電極線幅 3 um ⇒ 被覆で最大12 umほどへ コーティング膜厚： レーザーパワー/走査速度で制御可能
 不均一性 ⇒ 今後のデータ蓄積

並列多点照射による高速描画
レーザー光

空間位相変調ミラーレンズサンプル

 一筆書き ⇒ 並列多点描画（高スループット）
 デジタル制御による動的パターン制御
 1 m/s 程度の実効的描画速度

技術の特徴１． 金属マイクロ配線 ⇒ 高機能材料を付加製造（半導体などの無機材料, etc.）
２． 超広域材料選択性の光パターニング
非感光性材料でもOK
３． 機能性コロイドの基材固定化
高品質コロイド ⇒ 高品質デバイス部材
コロイド

レーザー
発光素子
半導体

圧電素子

競合技術との比較（１）－ 半導体製造プロセス ー
真空成膜

廃液
レジストコート 高真空工程 複雑な繰り返し工程
 平面的 & 非フレキシブル
 大きな環境負荷
廃液大，温暖化ガス大廃液
レジスト
パターニング

温暖化
ガス
RIE

廃液
レジスト除去本技術
 必要な箇所に必要なだけ（付加製造）
 コロイド溶液は交換再利用
 曲面上形成
 低炭素化技術

競合技術との比較（２）－ インクジェット印刷 ー
本技術 高いデジタル制御性
 スマートプロセス
 高安定な無機材料
 フレキシブル & 高機能無機材料（張り合わせ× ⇒ 光照射）
FHE

 必要な箇所に必要なだけ
 低環境負荷 インク吐出 有機材料： 低い耐候性
 FHE（既存半導体などとのハイブリッド）だが張り合わせ

印刷配線

ICチップ（非印刷）

印刷素子

ICチップ（非印刷）競合技術との比較（３）－ 従来レーザー描画 ー

金属ライン
5 µm

Ag NPlaser

Ag NP ink

Light absorptionSintering レーザー描画によるAgマイクロ配線
 Agナノ粒子周辺の有機物をレーザーで熱分解
被加工材料： 適切な吸収特性（感光性）が必要
・吸収過少 加工×・吸収過多 表面損傷
強い材料制限が存在（Ag配線はOK．でもCu配線は×など）

本技術
光パターニング と超広域材料選択性 が両立（感光性に限定されない）

競合技術との比較（４）本発明

リソグラフィ

インクジェット

従来
レーザ描画

材料選択性

◎

△

△×デバイス化◎◎○×

微細パターン化

◎◎

×

○

低炭素化

◎

×〇

○

コスト

◎

×

◎

◎

スループット◎◎◎◎本発明は、競合技術と比較し，材料選択性や低炭素化において優位性

想定される用途（１）レーザーマイクロ付加製造装置
・ 超広域材料選択性を持つ光パターニング装置
・ 半導体工程： レーザー描画装置の高機能化
・ ペロブスカイト量子ドットなど次世代材料
・ 6G対応アンテナの光パターニング

インクジェット印刷装置の高付加価値化
・ 金属インクでの配線印刷 ＋ 無機半導体
・ 金属インク配線の絶縁被覆
・ 金属インク配線上に無機半導体の配置
・ 金属インク配線上に無機発光層の配置

想定される用途（２）
区分

材料

用途・応用

センサー

SnO2、ZnO、TiO2

ガスセンサー

ITO

静電容量型タッチパネル電極

ZnO＋Auナノ粒子

高感度UVセンサー

TiO2光触媒の高表面積化

PZT

圧電型センサー、加速度センサー

ダイヤモンド量子センサー

ディスプレイ

量子ドット、ZnO

マイクロLEDエネルギー

Li系粒子やSi粒子

全固体電池

TiO2＋Auナノ粒子、
TiO2

広域波⻑応答型光触媒/人工光合成（水素製造）

TiO2

抗菌化、生体親和化

ライフサイエンス

Ca5(PO4)3(OH)

人工関節表面の抗菌化/立体細胞培養足場

８．実用化に向けた課題
 加工装置としてのシステム化
位置合わせ，ステージ連動，ビームデリバリー⇒ コーティング膜厚や膜質の均一化
 各種コーティング材料での特性データ蓄積⇒ 被覆特性評価，プロセス安定化
 レーザー照射方法や基材検討⇒ 応用ターゲットに合わせた条件探索

９．企業への期待
装置メーカーとの共同研究
高付加価値の印刷装置やレーザー付加製造装
置開発
スタートアップベンチャーとの共同研究研究機関向け高付加価値の加工装置
 材料メーカーとの共同研究
機能性コロイド粒子の基材固定化による新展開

本技術に関する知的財産権○発明の名称 ：レーザー照射による複合配線の製造方法及び複合配線○出願番号：特願2021-019324○出願人：国立大学法人 山形大学

○発明者

：西山 宏昭，他１名

産学連携• ～2020 企業数社との共同研究を実施• 2020～ NEDO若手サポート研究助成採択中
NEDO助成下で共同研究が可能です• 2022/1/26-28
nano tech 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議に出展致します．ご興味あればお立ち寄りください

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お問い合わせ先
山形大学
オープンイノベーション推進本部
知財クリエイティブ・マネージャー
弁理士 小原 淳史
ＴＥＬＦＡＸe-mail0238－26－3480
0238－26－3633
obara.atsushi＠yz.yamagata-u.ac.jp