プラスチック上での低温配線技術
独立行政法人国立高等専門学校機構
広島商船高等専門学校 電子制御工学科
准教授 酒池 耕平
2023年9月14日

特許出願技術の要点

低耐熱基板上で、高品質金属配線や層間絶縁膜 (SiO2) を形成する技術
特許出願技術要点

A :特願2022-179567「配線の形成方法」

・金属ナノインクをインクジェットにより配線描画すると同時に低抵抗薄膜化可能。
(スループットの向上)
・基材への熱伝導を抑制することで低温にて描画と同時に低抵抗化可能。
(低温形成の実現)

B :特願2023-008679「シリカ膜の製造方法」

・ポリシラザンを 100℃ 程度の低温・短時間でSiO2 薄膜へシリカ転化可能。
(スループットの向上)(低温形成の実現)

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Out Line
A. 金属配線をインクジェット描画と同時に低抵抗化
金属ナノインクを用いたインクジェット
配線描画同時低抵抗化技術
特許出願技術の概要

配線描画同時低抵抗化技術による抵抗率評価結果

B. 層間絶縁膜をプラスチックが耐えうる低温で形成
ポリシラザンの低温シリカ転化技術
特許出願技術の概要
低温シリカ転化技術による絶縁膜の評価 (FT-IR) 結果
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背景
フレキシブルエレクトロニクス“映す”プラスティック
フレキシブルディスプレイ

“測る”プラスティック“発電する”プラスティック

医療用センサフレキシブル太陽電池

バイオセンサプラスチック基板上で電子デバイスを回路構成“考える”プラスティック
シートコンピュータ
フレキシブルCPU

薄型・軽量化による利便性の向上
新たな価値の創出およびエレクトロニクス領域の拡大
世界規模の巨大市場 (7兆円規模)
Printed, Organic & Flexible Electronics: Forecasts,
Players & Opportunities 2013-2023, IDTechEx Ltd.

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既存技術課題と解決策
フレキシブルエレクトロニクスの高機能化
フレキシブル基板上で電子回路を作製することで実現できる
このような電子回路構成する為には、電子デバイスを接続する金属配線や層間絶縁膜が必要
A : 金属配線技術
真空を用いた成膜：高品質薄膜が得られる反面、時間やコストが増加
インクジェット配線：低抵抗化する為にアニール工程が必要

インクジェット滴下同時低抵抗化技術を提案
B : 層間絶縁膜 (SiO2) 形成技術

CVD(化学気相堆積法)を用いた成膜：プラスチックが耐えうる低温での絶縁膜形成は困難
低温で高品質 SiO2 絶縁膜を形成する技術を提案 5

A : 金属配線技術

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先行・既存技術との比較 (課題の抽出)
レーザ援用インクジェット技術
Akito Endo et.al.,Synthesiology - English edition, 4, No.1, 1-10 (2011).
ガラスや Si 基板上着弾と同時にアニールすることにより、高いアスペクト比（配線厚／配線幅）1以上を持つ配線を描画可能

プラスチック基板上に適用するには、液滴が着弾すると同時に、極短時間の瞬間的なアニールを行い、基材への熱伝導を抑制する必要がある。

Agナノインク：300-500 nm 付近でプラズモン共鳴による強い吸収
プラスチック基板への吸収も大きくなる

7先行・既存技術との比較 (課題の抽出)

先行技術における課題

レーザ光吸収による基材への熱ダメージ
描画後のアニール処理によるスループットの低下
描画後のアニール処理による基材への熱ダメージ

本研究では基材への光吸収を排除し、描画と同時に低抵抗薄膜化できるレーザアニールとして金属ナノインクの体積変化を利用したレーザアニールを提案

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提案技術の方法

着弾同時アニール実験装置

金属ナノインクの滴下
インクジェットヘッド
Metalnanoparticle ink

Laser light

PET substrate

金属ナノインクの着弾及びレーザ光の照射

低抵抗金属薄膜が形成
Thin metal film

集光レンズ

サンプル
自動走査ステージ
ビットマップ描画可能
ブルーレーザ
445nm ～24 W

滴下直後の液滴は、分散液の体積分の高さを持ち、この高さを利用して液滴表面にレーザ光を照射し液滴に光吸収させ加熱する。液滴が高温になるに伴い、分散液が蒸発していく。
(なお、金属ナノインクの沸点は約 105 ℃。)

分散液が蒸発すると、レーザ光の焦点よりも低い位置に金属薄膜が形成される為、薄膜形成後はレ ーザ光の吸収はなく、温度上昇も自動で停止する。
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金属ナノインク及びインクジェット条件
Ag ナノインク

インクジェット条件

レーザ波長及び出力

固形分濃度：10 wt%
密度：1.12 g/cm3
粘度：3.9 mPa・s
表面張力：31.4 mN/m

電圧：40 V
周波数：50~1000 Hz
吐出液滴径 (空中)：~40 mm
走査速度：1~10 mm/s

近赤外レーザ：804 nm~ 47 W
ブルーレーザ：450 nm~5W

評価方法：体積抵抗率
膜厚

体積抵抗率：𝑅𝑣 = 𝑅 × 𝑡 × 𝐹
抵抗値
4 探針測定補正係数
JIS K7194に準拠
サンプル毎に算出
10比較用：体積抵抗率

PET substrate
Glass substrate

73.2 mW・cm
7.1 mW・cm

PET基板 ：120℃ ⇒ 73.2 mW・cm
Glass基板：250℃ ⇒ 7.1 mW・cm

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近赤外レーザアニール：体積抵抗率

Electric furnace
Laser annealing (804nm)
インクジェット条件

電圧：40 V
周波数：1000 Hz滴下数：500

29.2 mW・cm
電気炉アニールした場合よりも低抵抗化できることを確認

レーザ出力47W ⇒ 29.2 mW・cm

PET基板上でも低抵抗化可能

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ブルーレーザアニール：体積抵抗率

Electric furnace
Laser annealing (450nm)
インクジェット条件

電圧：40 V
周波数：1000 Hz
滴下数：500

23.1 mW・cm
電気炉アニールした場合よりも低抵抗化できることを確認

レーザ出力 5W ⇒ 23.1 mW・cm

低抵抗化確認13

ライン描画：体積抵抗率-周波数依存性
450 nm, 5 W
804 nm, 47 W
Scan speed : 1 mm/s

47.5 mW・cm

25.5 mW・cm

ライン描画でも低抵抗化できることを確認
周波数の増加に伴い低抵抗化

体積(高さ)の増加が温度上昇を促進

14薄膜形成時間の観察
実時間測定：λ = 804nm, 47W
10000Hz
1000滴 蒸発期間
約50ms

Metal
nanoparticle ink

Laser light

電極接触

10kΩ
Al electrode

レーザ照射あり
レーザ照射なし

5V

1 mm

約 500 mm蒸発するのに要する時間：約 50 ms⇒ミリ秒オーダーでの膜形成

レーザ照射面中央から温度上昇が始まり、左右に均一に蒸発し電極に繋がった瞬間に電圧が急峻に上昇

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A : 金属配線技術まとめ

既存・先行技術課題

開発技術

基材へのレーザ光吸収

滴下直後の金属ナノインクの体積を利用したレーザアニールにより、基材へのレーザ光の吸収を排除することが可能となる。

描画後のアニール処理によるスループットの低下

金属ナノインクを滴下と同時にレーザアニールすることで、描画後にアニール処理が不要となった。また、レーザ出力の向上によりmsを超える短時間での膜形成が期待できる。

描画後のアニール処理による基材への熱ダメージ

金属ナノインクのみをレーザアニールすることで、基材含めたアニール処理が不要となり、基材への熱ダメージ（プラスチック基板に於いては大規模な収縮）を抑制できる。

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B : ポリシラザンの低温
シリカ転化技術17ポリシラザンのシリカ転化
化学式(SiH2NH)
単位分子量＝45+ 2H2O → (SiO2) + NH3 + 2H2
密度＝1.3単位分子量＝60

密度＝2.0密着性 (基材との結合)
Si

SiO

SiOO

SiO

SiO

SiOOOSiO

ポリシラザンは加熱により大気の水分と化学反応し、良質な SiO2 膜にシリカ転化させることが可能

O

SiO

O

O

O

基材
低温でのシリカ転化法として、過酸化水素水(H2O2)を用いた転化法が提案
Jae-Seo Lee et.al., Electrochemical and Solid-State Letters, 13 (1) H23 (2010).

電気絶縁特性を劣化させる OH 結合の抑制課題

18既存技術との比較(課題の抽出)ポリシラザンのシリカ転化における課題
450 ℃ 以上で 1 時間以上のアニール処理が必要となり、低耐熱基板上でのシリカ転化は困難過酸化水素水 (H2O2) を用いて低温でシリカ転化する場合、OH 結合による電気絶縁特性の劣化
やはり、基本となる H2O との反応による低温シリカ転化法が必要

本研究では基本となる H2O との化学反応を低温で促進する方法として、飽和水蒸気圧によるシリカ転化を提案

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実験方法
Pressure gauge

自然酸化膜除去
RCA 洗浄フッ酸処理

ポリシラザン (PHPS) 成膜

Thermometer

スピンコーター・回転数：4600 rpm
・時間 : 1 min
約 110 nm

シリカ転化
高圧水蒸気熱処理
・温度：103 ℃
・時間 : 1 h
・純水 : 80 μL

MOSキャパシタ作製

Al electrodeAl 真空蒸着
・真空度：1×10-4 Pa 以下
・膜厚 : 100 nm 程度

評価
・膜質 : FT-IR 分析
・膜質 : リーク電流密度測定

SiO2 ~110nm

n-Si20PHPSの低温シリカ転化技術
高圧水蒸気アニール処理
密閉チャンバー内に純水とサンプルを入れ、103℃、飽和水蒸気圧 約 0.1 MPaでアニール飽和水蒸気圧下で加熱処理を行うことで、100 ℃ 程度の低温かつ短時間で完全なシリカ転化が可能であることを示している。

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PHPSの低温シリカ転化技術

SiO2 層間絶縁膜

低温でのシリカ転化法として、過酸化水素水(H2O2)を用いた転化法が提案
OH 結合の抑制課題

Jae-Seo Lee et.al., Electrochemical and Solid-State Letters, 13 (1) H23 (2010).

提案技術は OH 結合を抑えつつ、低温でシリカ転化が可能
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B : ポリシラザンの低温シリカ転化技術のまとめ

既存・先行技術課題

開発技術

450 ℃ 以上で 1 時間以上のアニール処理が必要となり、低耐熱基板上でのシリカ転化は困難

飽和水蒸気圧によるシリカ転化法により、・100℃ 程度のプラスチックが耐えうる低温でシリカ転化が可能。
・最短 15 min 程度の短時間で完全なシリカ転化が可能。

過酸化水素水を用いて低温でシリカ転化する場合、OH 結合による電気絶縁特性の劣化基本となる H2O によるシリカ転化の為、・OH 結合を抑制したシリカ転化が可能。

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新技術の特徴・従来技術との比較
A : 配線の形成方法• 従来技術の問題点であった、基材へのレーザ光の吸収及び、描画後のアニールを排除することに成功。
• 従来技術の問題点であった、アニールによる低耐熱基板の収縮を抑制することに成功。

B : シリカ膜の製造方法• 従来技術の問題点であった、高温シリカ転化法をプラスチックが耐えうる 100℃ 程度の低温化に成功。
• 従来技術の問題点であった、低温シリカ転化法における OH 結合の取込みを抑制することに成功。

⇒なお、シリカ転化に 15~30 min 程度要す為、スループットの向上を目指し新技術を開発中。
現時点では、数分でシリカ転化させることに成功している。

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想定される用途• 低耐熱基板上での配線用途• インクジェット描画同時低抵抗化装置製造

企業への期待• 描画速度等の生産性の指標に関するデータも取得中です。
• また、本提案技術に関する評価実験、応用実験等も可能です。
• お気軽にお声がけください。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：配線の形成方法：特願2022-179567：独立行政法人国立高等専門学校機構：酒池耕平• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：シリカ膜の製造方法：特願2023-008679：独立行政法人国立高等専門学校機構
：酒池耕平
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謝辞
この成果は、国立研究開発法人新エネル
ギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の助成事業（JPNP20004）の結果得られたものです。

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お問い合わせ先
独立行政法人 国立高等専門学校機構
本部事務局 研究推進課
国立高専リサーチ・アドミニストレータ
宮地 保好（みやち やすよし）
ＴＥＬ 042-668-5495
e-mail KRA-contact@kosen-k.go.jp

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