2013年09月06日08:33
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日本产业技术综合研究所（以下简称“产综研”）开发出了一种新材料，通过组合单层碳纳米管（CNT）和铜（Cu），实现了与铜同等的电导率，以及约达到铜100倍的载流量（也叫最大电流密度）。该研究所表示，这种CNT-Cu复合材料不仅可以通过大电流，而且重量轻、耐高温，因此可以作为超小型高性能半导体芯片的布线材料使用。
此次制造的CNT-Cu复合材料（图片：产综研）
目前为止，半导体芯片的总体布线及芯片间布线材料一般使用铜、铝（Al）、金（Au）等金属（图1）。不过，这些金属的电导率虽然较高，但载流量不一定很大。施加一定数值以上的高电压时，这种电压会导致原子结构崩溃，就会造成电阻急剧增大，最终导致导线断裂。
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图1 利用CNT和Cu组成的“钢筋混凝土”突破阻碍 在电导率和载流量方面，新材料兼具CNT的高载流量和Cu的高电导率（a）。此前人们并未找到同时具备高载流量和高电导率的材料，而CNT-Cu复合材料同时实现了两种特性（b）。 |
从用途方面来看，随着微细化技术的进步，半导体芯片等的布线要求的载流量也逐渐增大。产综研表示，到2015年，所需载流量将达到Cu和Au无法实现的100万（106）A/cm2。 而CNT及石墨烯等“纳米碳材料”则拥有高达10亿（109）A/cm2左右的载流量。这是因为碳原子之间具有很强的耦合能力，就算施加很高的电压，也很难导致原子结构崩溃。但是，这种材料的电导率却不到Cu和Au的1/100。此前，研究人员一直都没有找到载流量与CNT相当且电导率与Cu同等的材料。
CNT可抑制Cu的扩散
CNT-Cu复合材料由CNT和Cu组合而成，首次同时实现了上述两种特性。其载流量为6.3×108A/cm2，高达Cu的约100倍。
产综研表示，新材料之所以能够获得如此高的载流量，是因为CNT可抑制Cu的扩散。在这种CNT-Cu复合材料中，CNT和Cu形成了像“铁筋混泥土”一样的结构，CNT起到了增强在高电压下Cu的“强度”的作用。
在常温下，这种复合材料的电导率与Cu相当。但即便在200℃左右的高温下，新材料的电导率也不会明显降低，这一点比Cu还要出色（图2）。
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图2 电导率在高温下也不易降低 CNT-Cu复合材料与Cu在不同温度下的电导率变化。CNT-Cu复合材料与Cu相比，温度造成的电导率变化较小。（图：产综研） |
据产综研介绍，新材料的制作工艺基本上是在含有Cu离子的溶液中对CNT进行电镀处理（图3）。关键点是在有机类溶液中以1m～5mA/cm2的电流密度缓慢对CNT进行电镀处理，而不是在水溶液中快速进行镀铜处理。这样便可在CNT构造体内部填充Cu。
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图3 采用溶液工艺制造 CNT-Cu复合材料的制造工艺概要。将产综研与日本瑞翁等开发的垂直配向单层CNT改为水平配向后，先后在有机类溶液和水溶液中进行镀铜处理制作而成。（图：产综研） |
目前存在1000倍以上的价格差距
这种复合材料存在的最大问题是单层CNT的成本还很高。目前单层CNT的成本为1000日元～1万日元/g（因纯度不同而异），与4300日元/g左右的Au差不多。而Cu的成本却只有约0.76日元/g，单层CNT与之存在极大的价格差距。
产综研此次在制造单层CNT时，采用了该研究所与日本瑞翁等公司联合开发的“超速成长法（Super Growth）”，这是一种可制造高纯度单层CNT的工艺。瑞翁计划从2015年开始采用超速成长法正式量产单层CNT。将来有可能将制造成本降至10日元/g左右。
产综研表示，今后将与制造厂商联合开发新材料的具体用途，推进实用化。（作者：野泽哲生，日经技术在线！供稿）
