フェムト秒レーザーアブレーションによる熱影響部（HAZ）ゼロの銅箔パターン形成を実現

1. フェムト秒レーザーアブレーションの原理と利点

フェムト秒レーザー（パルス幅 10⁻¹⁵ 秒）は、以下の理由により HAZ がほぼゼロの非線形吸収（多光子イオン化、アバランシェイオン化など）を可能にします。

• 非熱的優位性：エネルギーの沈着が熱拡散よりも速い（Cuの熱拡散時間≈1 ps）。

• 高精度：サブミクロン解像度（線幅

• 素材の多様性: 反射金属(Cu)、透明材料、複合材料に適しています。

2. 主要なプロセスパラメータ

（1）レーザーパラメータ

• 波長: UV (343/515 nm) では Cu の吸収率が高くなります (≈40% vs. IR 5%)。

• パルスエネルギーとフルエンス: 0.1～10 μJ/パルス、フルエンス=1～5 J/cm²（Cuアブレーション閾値付近）。

（2）ビーム制御と走査

• 集束光学系: 1～5μmのスポットサイズに対応する高NA対物レンズ（NA≥0.5）

• スキャン戦略: スパイラル/ラスタースキャン、速度=1～10 m/s、熱入力を最小限に抑えるために3パス以下。

（３）環境管理

• 不活性ガス（Ar/N₂）: 酸化を低減します（XPS による表面 O

• 真空（: プラズマシールドを抑制します。

3. ゼロHAZのメカニズム

• 電子格子分離: エネルギーが電子に閉じ込められ、熱拡散が防止されます。

• 相爆発優位: 直接昇華/プラズマ形成により溶融を回避します。

• 熱蓄積抑制: パルス間隔 (>10 ns) が電子冷却時間 (≈1 ps) を超えています。

4. 検証

• 顕微鏡検査SEM/TEMでは溶融や格子歪みは見られない（HAZ幅

• 化学分析XPS により酸化物の厚さが 2 nm 未満であることを確認しました。ラマンでは炭化は見られませんでした。

• 機能テスト：

  • 導電率：抵抗率≈1.7 μΩ·cm（バルク状）

  • 熱安定性: 300°C 焼鈍後も HAZ 成長なし。

5. 課題と解決策

• 課題1：高い反射率：

  • 解決: 反射防止コーティング (例: 10 nm Ti) または円偏光。

• 課題2：プラズマシールド：

  • 解決: 真空処理または低い繰り返しレート (

• 課題3: スループットが低い：

  • 解決: 並列マルチビーム処理（DMD/SLM）。

6. アプリケーションと経済

• 高周波PCB: 損失が 0.3 dB/cm 未満の 28 GHz アンテナ。

• フレキシブルエレクトロニクス: PI ベースの Cu パターンは 10⁵ 回以上の曲げに耐えます (R=1 mm)。

• コスト削減リソグラフィーに比べて化学廃棄物が 90% 削減され、処理速度が 5 倍になります。