単層CNT融合新材料研究開発機構(TASC)と産業技術総合研究所(産総研)は1月23日、単層カーボンナノチューブ(CNT)と銅の複合材料を用いて、銅の100倍の電流を流すことが可能な微細配線を基板上に作製する技術を開発したと発表した。

同成果は、TASCの畠賢治サブプロジェクトリーダー(産総研 ナノチューブ応用研究センター首席研究員)、山田健郎テーマリーダー(同所 CNT用途開発チーム 研究チーム長)、二葉ドンテーマリーダー(同所 スーパーグロースCNTチーム 研究チーム長)、チャンドラモウリ・スブラマニアン研究員らによるもの。詳細は、1月29～31日に東京ビッグサイトで開催される「第13回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議(nano tech 2014)」にて発表される。

微細加工した単層CNT銅複合材料

各種材料の熱膨張係数

これまで、産総研とTASCは単層CNTの用途開発を行っており、その合成法としてスーパーグロース法を開発した。同方法で合成されたCNTは、他の単層CNTに比べて比表面積が大きいという特徴を持つ。さらに、銅の100倍電流を流せるCNTと銅の複合材料を開発している。また、産総研では、銅よりも配線材料として優位な特性を持つ単層CNT銅複合材料のデバイス配線への応用を実現するため、単層CNT銅複合材料の配線加工技術の開発を進めてきた。

今回、研究グループは、リソグラフィ技術で形状加工したCNT配線に銅をめっきすることで、CNT銅複合材料の微細配線作製方法を確立した。さらに、CNTと銅を複合化することで、Siと同程度の熱膨張係数を持つ配線材料を実現した。また、高電流容量、低熱膨張係数の単層CNT銅複合材料を、電子デバイスやMEMSの配線材料として用途展開する道を開いた。

このうち、単層CNT銅複合材料配線の作製方法は、まずSi基板上に垂直配向単層CNTが膜状に成長するように合成する。次に、このCNT膜を剥がし、他の基板上に載せる。この際に、イソプロピルアルコールに単層CNT膜を浸漬させ乾燥させることで、基板に水平に配向している単層CNT膜を高密度化し、その基板への密着性を高めたという。このプロセスにより、単層CNT膜にリソグラフィが可能になり、平坦な配線形状だけでなく、多段配線形状、架橋配線形状など、任意に加工することができるようになった。さらに、形状加工した単層CNT配線に、銅イオンの有機系溶液と水溶液で、順に電気めっきすることで、配線形状に加工した単層CNT銅複合材料配線を作製することが可能になった。

CNTフィルム+パターニング

プレーティング

今回開発した単層CNT銅複合材料の微細配線加工技術は、平坦な基板だけでなく、パターンが形成された基板上への適用も可能となった。単層CNTの微細加工にリソグラフィ技術を用いることで、高精緻な位置制御が可能なため、種々の段差をつなぐ配線や任意のピラー間を架橋する複雑な空中配線も形成できる。

さらに、単層CNT銅複合材料の新たな特性として、Siと近い熱膨張係数を持つことが明らかになった。通常、銅やアルミニウムのような高導電性材料は、Siとの熱膨張係数差が大きいため、電子デバイスやMEMSの配線には、熱サイクル下で熱膨張の違いによる機械的なひずみが発生し、信頼性を低下させていた。今回開発した単層CNT銅複合材料配線では、熱ひずみの影響が抑制されるため、デバイスの信頼性向上が期待される。

(上)Siピラーによる段差を覆う単層CNT銅複合材料配線、(下)Siピラー間を架橋した単層CNT銅複合材料配線

単層CNT銅複合材料(CNT-Cu)、各種金属、化合物の導電率と熱膨張係数

今後は、開発した単層CNT銅複合材料配線の加工技術をもとに、単層CNT銅複合材料が有する高電流容量、温度依存性の小さい導電率、Siと同等の熱膨張係数などの特性を生かせる用途を見出し、デバイス開発に繋げる。また、単層CNT銅複合材料の量産製造プロセスの開発を行い、この材料の新たな用途開発を進めていく。さらに、展示会での実物展示などを通じて、興味を持った企業と連携することで、実用化を目指すとコメントしている。