2013年09月06日08:33
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日本產業技術綜合研究所（以下簡稱“產綜研”）開發出了一種新材料，通過組合單層碳納米管（CNT）和銅（Cu），實現了與銅同等的電導率，以及約達到銅100倍的載流量（也叫最大電流密度）。該研究所表示，這種CNT-Cu復合材料不僅可以通過大電流，而且重量輕、耐高溫，因此可以作為超小型高性能半導體芯片的布線材料使用。
此次制造的CNT-Cu復合材料（圖片：產綜研）
目前為止，半導體芯片的總體布線及芯片間布線材料一般使用銅、鋁（Al）、金（Au）等金屬（圖1）。不過，這些金屬的電導率雖然較高，但載流量不一定很大。施加一定數值以上的高電壓時，這種電壓會導致原子結構崩潰，就會造成電阻急劇增大，最終導致導線斷裂。
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圖1 利用CNT和Cu組成的“鋼筋混凝土”突破阻礙 在電導率和載流量方面，新材料兼具CNT的高載流量和Cu的高電導率（a）。此前人們並未找到同時具備高載流量和高電導率的材料，而CNT-Cu復合材料同時實現了兩種特性（b）。 |
從用途方面來看，隨著微細化技術的進步，半導體芯片等的布線要求的載流量也逐漸增大。產綜研表示，到2015年，所需載流量將達到Cu和Au無法實現的100萬（106）A/cm2。 而CNT及石墨烯等“納米碳材料”則擁有高達10億（109）A/cm2左右的載流量。這是因為碳原子之間具有很強的耦合能力，就算施加很高的電壓，也很難導致原子結構崩潰。但是，這種材料的電導率卻不到Cu和Au的1/100。此前，研究人員一直都沒有找到載流量與CNT相當且電導率與Cu同等的材料。
CNT可抑制Cu的擴散
CNT-Cu復合材料由CNT和Cu組合而成，首次同時實現了上述兩種特性。其載流量為6.3×108A/cm2，高達Cu的約100倍。
產綜研表示，新材料之所以能夠獲得如此高的載流量，是因為CNT可抑制Cu的擴散。在這種CNT-Cu復合材料中，CNT和Cu形成了像“鐵筋混泥土”一樣的結構，CNT起到了增強在高電壓下Cu的“強度”的作用。
在常溫下，這種復合材料的電導率與Cu相當。但即便在200℃左右的高溫下，新材料的電導率也不會明顯降低，這一點比Cu還要出色（圖2）。
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圖2 電導率在高溫下也不易降低 CNT-Cu復合材料與Cu在不同溫度下的電導率變化。CNT-Cu復合材料與Cu相比，溫度造成的電導率變化較小。（圖：產綜研） |
據產綜研介紹，新材料的制作工藝基本上是在含有Cu離子的溶液中對CNT進行電鍍處理（圖3）。關鍵點是在有機類溶液中以1m∼5mA/cm2的電流密度緩慢對CNT進行電鍍處理，而不是在水溶液中快速進行鍍銅處理。這樣便可在CNT構造體內部填充Cu。
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圖3 採用溶液工藝制造 CNT-Cu復合材料的制造工藝概要。將產綜研與日本瑞翁等開發的垂直配向單層CNT改為水平配向后，先后在有機類溶液和水溶液中進行鍍銅處理制作而成。（圖：產綜研） |
目前存在1000倍以上的價格差距
這種復合材料存在的最大問題是單層CNT的成本還很高。目前單層CNT的成本為1000日元∼1萬日元/g（因純度不同而異），與4300日元/g左右的Au差不多。而Cu的成本卻隻有約0.76日元/g，單層CNT與之存在極大的價格差距。
產綜研此次在制造單層CNT時，採用了該研究所與日本瑞翁等公司聯合開發的“超速成長法（Super Growth）”，這是一種可制造高純度單層CNT的工藝。瑞翁計劃從2015年開始採用超速成長法正式量產單層CNT。將來有可能將制造成本降至10日元/g左右。
產綜研表示，今后將與制造廠商聯合開發新材料的具體用途，推進實用化。（作者：野澤哲生，日經技術在線！供稿）
