JP2009164552A - シート状構造体及びその製造方法並びに電子機器 - Google Patents

シート状構造体及びその製造方法並びに電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】炭素元素の線状構造体を用いた熱伝導度及び電気伝導度が極めて高いシート状構造体及びその製造方法、並びにこのようなシート状構造体を用いた高性能の電子機器を提供する。
【解決手段】 複数の炭素元素の線状構造体１２と、複数の線状構造体を保持する充填層１４とを有するシート状構造体１０において、複数の線状構造体１２を、表面に平行な方向に配向させる。これにより、シートの表面に平行な方向への熱伝導度及び電気伝導度の高いシートを形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シート状構造体及びその製造方法に係り、特に、シートの膜厚方向と交わる方向に配向した炭素元素の線状構造体を有するシート状構造体及びその製造方法、並びにこのようなシート状構造体を用いた電子機器に関する。
サーバーやパーソナルコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）などに用いられる電子部品には、半導体素子から発する熱を効率よく放熱するために、銅などの高い熱伝導度を有する材料よりなるヒートスプレッダが設けられている。このヒートスプレッダは、インジウムシートなどの熱伝導性シートを介して、半導体素子上に形成されている。
しかしながら、近年におけるレアメタルの大幅な需要増加によりインジウム価格は高騰しており、インジウムよりも安価な代替材料が待望されている。また、物性的に見てもインジウムの熱伝導度（５０Ｗ／ｍ・Ｋ）は高いとはいえず、半導体素子から生じた熱をより効率的に放熱させるために更に高い熱伝導度を有する材料が望まれている。
このような背景から、インジウムよりも高い熱伝導度を有する材料として、カーボンナノチューブに代表される炭素元素の線状構造体が注目されている。カーボンナノチューブは、非常に高い熱伝導度（１５００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するだけでなく、柔軟性や耐熱性に優れた材料であり、放熱材料として高いポテンシャルを有している。
カーボンナノチューブを用いた熱伝導シートとしては、樹脂中にカーボンナノチューブを分散した熱伝導シートや、基板上に配向成長したカーボンナノチューブ束を樹脂等によって埋め込んだ熱伝導シートが提案されている。
特開２００５−１５０３６２号公報 特開２００６−１４７８０１号公報 特開２００６−３０３２４０号公報
本発明の目的は、炭素元素の線状構造体を用いた熱伝導度及び電気伝導度が極めて高いシート状構造体及びその製造方法、並びにこのようなシート状構造体を用いた高性能の電子機器を提供することにある。
実施形態の一観点によれば、複数の炭素元素の線状構造体と、前記複数の線状構造体を保持する充填層とを有するシート状構造体であって、前記複数の線状構造体は、前記充填層の膜厚方向と交わる方向に配向しているシート状構造体が提供される。
また、実施形態の他の一観点によれば、複数の炭素元素の線状構造体と、前記複数の線状構造体を保持する充填層とを有し、前記複数の線状構造体が、前記充填層の膜厚方向と交わる方向に配向しているシート状構造体を含む電子機器が提供される。
また、実施形態の更に他の一観点によれば、基板上の互いに隔てられた複数の領域上に、触媒金属膜をそれぞれ形成する工程と、前記触媒金属膜を触媒として炭素元素の線状構造体を成長し、前記複数の領域上に、前記基板の表面に複数の前記線状構造体を含む複数の線状構造体束を選択的に形成する工程と、前記線状構造体束を、前記基板の表面に垂直な方向に交わる方向に流れる流体に曝すことにより、前記表面に垂直な方向に交わる方向に配向するように倒す工程と、前記線状構造体束間及び前記線状構造体間に充填材を充填し、充填層を形成する工程と、前記基板を除去する工程とを有するシート状構造体の製造方法が提供される。
また、実施形態の更に他の一観点によれば、基板上の互いに隔てられた複数の領域上に、触媒金属膜をそれぞれ形成する工程と、前記触媒金属膜を触媒として炭素元素の線状構造体を成長し、前記複数の領域上に、前記基板の表面に複数の前記線状構造体を含む複数の線状構造体束を選択的に形成する工程と、前記複数の線状構造体束を加圧し、前記複数の線状構造体束を前記基板の表面に垂直な方向と交わる方向に傾ける工程と、前記線状構造体束間及び前記線状構造体間に充填材を充填し、充填層を形成する工程と、前記基板を除去する工程とを有するシート状構造体の製造方法が提供される。
開示のシート状構造体によれば、炭素元素の複数の線状構造体が、充填層の膜厚方向と交わる方向に配置しているため、膜厚方向と交わる方向、例えば水平方向への熱伝導度及び電気伝導度の極めて高いシート状構造体を形成することができる。
また、開示のシート状構造体の製造方法によれば、膜厚方向と交わる方向に配向した複数の線状構造体束を有するシート状構造体を容易に形成することができる。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図１乃至図５を用いて説明する。
図１は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図及び平面図、図２は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図、図３乃至図５はカーボンナノチューブ束の形成領域を示す平面図である。
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図１を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図であり、図１（ｂ）は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図である。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、図１（ａ）に示すように、複数のカーボンナノチューブ１２が、樹脂材料や金属材料等の充填層１４内に埋め込まれた構造を有している。
それぞれのカーボンナノチューブ１２は、少なくとも一方の端部がカーボンナノチューブシート１０の一方の面（図面において下側の面）に露出している。また、当該一方の端部から他方の端部に向かうにつれ、配向方向が、シートの面に垂直な方向（図面において縦方向）からシートの面に水平な方向（図面において横方向）に変化している。すなわち、カーボンナノチューブ１２は、当該一方の端部近傍で倒れるように折れ曲がっている。全体的に見ると、複数のカーボンナノチューブ１２は、シートの表面に垂直な方向に交わる同一の方向（例えば、シートの面に対して平行な同一の方向）に配向している。
カーボンナノチューブシート１０を平面的に見ると、カーボンナノチューブ１２の当該一方の端部は、図１（ｂ）に示すように、ストライプ状に配置された領域１６内に位置している。すなわち、充填層１４内に埋め込まれたカーボンナノチューブ１２は、離間して設けられた複数の領域１６からそれぞれ伸びるカーボンチューブ１２の束（カーボンナノチューブ束１８）が、シートの面に水平な一方向に倒れるように折れ曲がるように形成されている。
このように、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、充填層１４中にカーボンナノチューブ１２が埋め込まれてなり、少なくともシートの一方の面にカーボンナノチューブ１２の一端部が露出している。また、全体的に見ると、カーボンナノチューブ１２は、シートの面に水平な一方向に配向している。このようなカーボンナノチューブシート１０を形成することにより、シートの面に水平な方向への熱伝導度及び電気伝導度の高いシートを形成することができる。また、シートの一方の面にはカーボンナノチューブ１２が露出しているため、シートと被着体との間の熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。
カーボンナノチューブ１２は、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。カーボンナノチューブ束１８に含まれるカーボンナノチューブ１２の密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。カーボンナノチューブ１２の長さは、カーボンナノチューブシート１０の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。
充填層１４の構成材料としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機系充填材、ＳＯＧ（Spin On Glass）などの塗布型絶縁膜形成用組成物などの無機系充填材、インジウム、はんだ、金属ペースト（例えば、銀ペースト）などの金属材料、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性ポリマ等を適用することができる。
また、充填層１４には、必要に応じて、添加物を分散混合してもよい。添加物としては、例えば熱伝導性の高い物質や導電性の高い物質が考えられる。充填層１４部分に熱伝導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層１４部分の熱伝導率を向上することができ、カーボンナノチューブシート全体としての熱伝導率を向上することができる。また、カーボンナノチューブシートを導電性シートとして用いる場合にあっては、充填層１４部分に電導性の高い添加物を分散混合することにより、充填層１４部分の導電率を向上することができ、カーボンナノチューブシート全体としての導電率を向上することができる。充填層１４として例えば有機系充填材などの熱伝導性の低い絶縁材料を用いる場合には、特に有効である。熱伝導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、グラファイト、フラーレン等を適用することができる。電導性の高い材料としては、カーボンナノチューブ、金属材料等を適用することができる。
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図２乃至図５を用いて説明する。
まず、カーボンナノチューブシート１０を形成するための土台として用いる基板３０を用意する。基板３０としては、特に限定されるものではないが、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ（サファイア）基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板などを用いることができる。また、これら基板上に薄膜が形成されたものでもよい。例えば、シリコン基板上に膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成されたものを用いることができる。
基板３０は、カーボンナノチューブシート１０の形成後に剥離されるものである。この目的のもと、基板３０としては、少なくともカーボンナノチューブシート１０に接する面が、カーボンナノチューブシート１０から容易に剥離できる材料によって形成されていること、又はカーボンナノチューブシート１０に対して選択的にエッチングできる材料によって形成されていることが望ましい。
例えば、充填層１４の材料としてアクリル樹脂を用いる場合、基板３０の表面に、アクリル樹脂に対する接着力の弱い材料、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを形成しておく。これにより、カーボンナノチューブシート１０を容易に剥離することができる。或いは、基板３０の表面を、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜など、カーボンナノチューブシート１０に対して選択的にエッチングが可能な材料で形成しておく。これにより、この膜をエッチング除去することにより、カーボンナノチューブシート１０を基板３０から遊離させることができる。
次いで、基板３０の所定の領域上に、例えばリフトオフ法により、触媒金属膜３２を選択的に形成する（図２（ａ））。例えば、触媒金属膜３２の形成予定領域を露出するフォトレジスト膜を形成後、全面に触媒金属膜３２を堆積し、触媒金属膜３２の形成予定領域以外の触媒金属膜３２を、フォトレジスト膜とともに除去する。
触媒金属膜３２を形成する領域は、カーボンナノチューブ束１８の形成予定領域（図１（ｂ）の領域１６に相当）であり、例えば図３に示すようなストライプパターンを有する。触媒金属膜３２を形成する領域１６のパターンとしては、図３に示すようなストライプパターンのほか、図４に示すような矩形パターンをマトリクス状に配置したパターンや、図５に示すような円形パターンをマトリクス状に配置したパターンなど、種々のパターンを適用することができる。
触媒金属としては、Ｆｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いてもよい。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いてもよい。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様でよい。
また、これら触媒金属の下地膜として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（酸化チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金の膜を形成してもよい。例えば、Ｆｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１０ｎｍ）の積層構造、Ｃｏ（２．６ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えば、Ｃｏ（平均直径：３．８ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）などの積層構造を適用することができる。
なお、触媒金属膜３２を形成する方法は、リフトオフ法に限定されるものではない。例えば、カーボンナノチューブ束１８の形成予定領域に開口部を有するメタルマスクを用い、このメタルマスクにより基板３０の表面を覆った状態で触媒金属をスパッタすることにより、カーボンナノチューブ束１８の形成予定領域に選択的に触媒金属膜３２を形成してもよい。
次いで、基板３０上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜３２を触媒として、カーボンナノチューブ１２を成長する。カーボンナノチューブ１２の成長条件は、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を用い、成膜室内の総ガス圧を１ｋＰａ、ホットフィラメント温度を１０００℃、成長時間を２０分とする。これにより、層数が３〜６層（平均４層程度）、直径が４〜８ｎｍ（平均６ｎｍ）、長さが８０μｍ（成長レート：４μｍ／ｍｉｎ）の多層カーボンナノチューブを成長することができる。なお、カーボンナノチューブ１２は、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。
こうして、基板３０の触媒金属膜３２が形成された領域１６上に、基板３０の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブ１２を有するカーボンナノチューブ束１８を選択的に形成する（図２（ｂ））。なお、上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ束１８では、カーボンナノチューブ束１８内のカーボンナノチューブ１２の密度は、１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。
次いで、このように成長したカーボンナノチューブ１２を、基板３０上に寝かせるように水平方向に倒す（図２（ｃ））。垂直方向に配向成長したカーボンナノチューブ１２を水平方向に倒す方法としては、カーボンナノチューブ１２を液体や気体などの流体に曝す方法を適用することができる。例えば、カーボンナノチューブ１２を成長した基板３０上に流体（例えばエタノールなどの液体）を一方向に流すことで、カーボンナノチューブ１２を液体の流れる方向と同一の方向に倒すことができる。或いは、スピンコータの遠心力による流体の流れを利用してカーボンナノチューブ１２を倒すこともできる。或いは、後述する第３実施形態の方法を用いても、カーボンナノチューブ１２を同一の方向に倒すことができる。
なお、流体を用いてカーボンナノチューブを水平方向に倒す方法は、例えば同一出願人による特願２００７−１９３８２３号明細書等に詳述されている。
本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法では、カーボンナノチューブ束１８の形成領域（領域１６）間に間隙を設けている。これにより、カーボンナノチューブ１２を倒れやすくすることができる。カーボンナノチューブ束１８のパターンとして、図３に示すようなストライプパターンを用いる場合、カーボンナノチューブ１２を倒す方向は、ストライプパターンの繰り返し周期の方向が望ましい。これにより、カーボンナノチューブ１２を一方向に倒れやすくできる。
領域１６の大きさ及び間隔は、図３のパターンの場合、カーボンナノチューブ１２を倒す方向と平行な方向の領域１６の幅を例えば１〜５０μｍ程度に、カーボンナノチューブ１２を倒す方向と垂直な方向の領域１６の幅を例えば１μｍ〜２０ｍｍ程度に、カーボンナノチューブ１２を倒す方向と平行な方向の領域１６の間隔を例えば１〜１００μｍ程度に、それぞれ設定することができる。また、図４及び図５のパターンの場合、カーボンナノチューブ１２を倒す方向と平行な方向の領域１６の幅を例えば１〜５０μｍ程度に、カーボンナノチューブ１２を倒す方向と垂直な方向の領域１６の幅を例えば１〜５０μｍ程度に、カーボンナノチューブ１２を倒す方向と平行な方向の領域１６の間隔を例えば１μｍ〜１００μｍ程度に、カーボンナノチューブ１２を倒す方向と垂直な方向の領域１６の間隔を例えば１μｍ〜２０ｍｍ程度に、それぞれ設定することができる。
但し、領域１６の大きさ及び間隔は、カーボンナノチューブ１２の倒れやすさを考慮して、カーボンナノチューブ束１８に含まれるカーボンナノチューブ１２の密度や、カーボンナノチューブシート１０に必要とされる熱伝導度及び電気伝導度等に応じて適宜設定することが望ましい。
次いで、例えばスピンコート法により、充填層１４となる充填材を塗布する。充填層１４の構成材料としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機系充填材、ＳＯＧ（Spin On Glass）などの塗布型絶縁膜形成用組成物などの無機系充填材、インジウム、はんだ、金属ペースト（例えば、銀ペースト）などの金属材料、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性ポリマ等を適用することができる。
なお、カーボンナノチューブ１２を倒すことにより、倒れたカーボンナノチューブ１２は凝集する。このため、カーボンナノチューブ１２の密度等によっては、凝集したカーボンナノチューブ１２の間隙に充填材が充填されず、シートの上面だけを覆うようなかたちとなる。この場合には、カーボンナノチューブシート１０の一方の面の全面に、カーボンナノチューブ１２が露出する。
次いで、充填材を硬化し、充填層１４を形成する（図２（ｄ））。例えば、充填材としてアクリル樹脂等の光硬化性の材料を用いる場合には、光照射によって充填材を硬化させることができる。また、充填材としてエポキシ樹脂やシリコーン系樹脂などの熱硬化性の材料を用いる場合には、熱処理によって充填材を硬化させることができる。エポキシ樹脂の場合、例えば１５０℃、１時間の熱処理により、熱硬化することができる。また、シリコーン系樹脂の場合、例えば２００℃、１時間の熱処理により、熱硬化することができる。
なお、充填層１４を金属材料により形成する場合には、めっき法により充填層１４を形成することもできる。
次いで、カーボンナノチューブ１２が埋め込まれた充填層１４を基板３０から剥離し、カーボンナノチューブシート１０を得る。
この際、基板３０の表面がカーボンナノチューブシート１０を容易に剥離できる材料により形成されている場合、例えば、基板３０の表面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が形成されており、充填層１４がアクリル樹脂により形成されている場合などには、カーボンナノチューブシート１０から基板３０を容易に剥離することができる。
或いは、基板３０の表面に、カーボンナノチューブシート１０を容易に剥離することはできないが、カーボンナノチューブシート１０に対して選択的にエッチングできる層が形成されている場合、例えば基板３０の表面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が形成されており、充填層１４がエポキシ樹脂により形成されている場合などには、このシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を、弗酸水溶液や熱リン酸などを用いたウェットエッチングにより除去することにより、カーボンナノチューブシート１０を基板３０から遊離させることができる。
基板３０の表面が、カーボンナノチューブシート１０を容易に剥離することができず、選択的に除去することもできない材料により形成されている場合、例えば基板３０がサファイア基板であり、充填層１４がシリコーン系樹脂により形成されている場合には、基板３０とカーボンナノチューブシート１０との間に鋭利な刃物を入れることにより、カーボンナノチューブシート１０を基板３０から剥離することができる。
剥離前、カーボンナノチューブ束１２は基板３０に直に接しているため、剥離したカーボンナノチューブシート１０の基板３０側の面には、カーボンナノチューブ束１２が露出する。
このように、本実施形態によれば、シートの面に水平な方向への熱伝導度及び電気伝導度の高いシートを形成することができる。また、シートの一方の面にはカーボンナノチューブが露出しているため、シートの被着体に対する熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図６及び図７を用いて説明する。なお、図１乃至図５に示す第１実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
図６は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図及び平面図、図７は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。
まず、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図６を用いて説明する。図６（ａ）は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図であり、図６（ｂ）は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図である。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、図６（ａ）に示すように、複数のカーボンナノチューブ１２が、絶縁材料の充填層１４内に埋め込まれた構造を有している。充填層１４の一方の面には、絶縁膜３４が形成されている。絶縁膜３４には開口部３６，３８が設けられている。
カーボンナノチューブ１２は、複数の組に分けられており、それぞれの組がカーボンナノチューブ束１８を形成している。カーボンナノチューブ束１８の一方の端部は、開口部３６内に露出している。各カーボンナノチューブ１２は、当該一方の端部から他方の端部に向かうにつれ、配向方向が、シートの面に垂直な方向（図面において縦方向）からシートの面に水平な方向（図面において横方向）に変化している。すなわち、カーボンナノチューブ１２は、当該一方の端部近傍で倒れるように折れ曲がっている。全体的に見ると、複数のカーボンナノチューブ１２は、シートの面に水平な一方向に配向している。カーボンナノチューブ束１８の他方の端部は、開口部３６又は開口部３８内に露出している。
カーボンナノチューブシート１０を平面的に見ると、図６（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ束１８は、開口部３６と開口部３８との間又は開口部３６と開口部３６との間を接続するように配置されている。すなわち、各カーボンナノチューブ束１８は、開口部３６，３８間を電気的に接続する配線として機能する。したがって、このようなカーボンナノチューブシート１０を形成することにより、このシートを配線シートとして用いることができる。
充填層１４の構成材料としては、絶縁材料、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機系充填材、ＳＯＧなどの塗布型絶縁膜形成用組成物などの無機系充填材等を適用することができる。
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図７を用いて説明する。なお、各構成部分の構成材料や詳細な製造方法は、第１実施形態の場合と同様である。
まず、カーボンナノチューブシート１０を形成するための土台として用いる基板３０を用意する。
次いで、基板３０の所定の領域上に、例えばリフトオフ法により、触媒金属膜３２を選択的に形成する。触媒金属膜３２を形成する領域は、カーボンナノチューブ束１８の形成予定領域（図６の開口部３６の形成領域に相当）である。触媒金属膜３２の形成領域は、製造しようとするシートの配線パターンに応じて適宜設定する。
次いで、触媒金属膜３２が形成された基板３０上に、酸化チタン膜の絶縁膜３４を形成する。絶縁膜３４は、例えば、酸化チタン塗布液を基板３０上に塗布した後、２００℃のプリベークを行うことにより形成することができる。
次いで、フォトリソグラフィ及び弗酸を用いたウェットエッチングにより、絶縁膜３４をパターニングし、絶縁膜３４に、触媒金属膜３２を露出する開口部３６と、触媒金属膜３２が形成された領域以外の領域の基板３０を露出する開口部３８を形成する（図７（ａ））。
次いで、基板３０上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜３２を触媒として、カーボンナノチューブ１２を成長する。こうして、基板３０の触媒金属膜３２が形成された領域上に、基板３０の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブ１２を有するカーボンナノチューブ束１８を選択的に形成する（図７（ｂ））。
次いで、このように成長したカーボンナノチューブ束１８を、例えば液体や気体などの流体に曝すことにより、基板３０上に寝かせるように水平方向に倒す（図７（ｃ））。このとき、倒したカーボンナノチューブ束１８の上端部が、開口部３８上に位置するように、開口部３６，３８のパターンやカーボンナノチューブ束１８の高さ等を適宜設定しておく。
次いで、例えばスピンコート法により、充填層１４となる充填材を塗布する。
次いで、充填材を硬化し、充填層１４を形成する（図７（ｄ））。
次いで、カーボンナノチューブ１２が埋め込まれた充填層１４を基板３０から剥離し、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０を得る（図７（ｅ））。
このように、本実施形態によれば、充填層中にカーボンナノチューブが埋め込まれてなり、少なくともシートの一方の面にカーボンナノチューブの両端部が露出しているとともに、全体的に見るとカーボンナノチューブがシートの面に水平な一方向に配向しているカーボンナノチューブシートを形成するので、シートの面に水平な方向への電気伝導度の高い配線シートシートを形成することができる。また、シートの一方の面にはカーボンナノチューブが露出しているため、シートの被着体に対する電気伝導度を向上することができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法について図８乃至１２を用いて説明する。なお、図１乃至図７に示す第１及び第２実施形態によるカーボンナノチューブシート及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
図８は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図、図９は本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図、図１０はカーボンナノチューブ束の平面レイアウトの例を示す平面図、図１１はカーボンナノチューブ束を傾ける方法を示す概略図、図１２はカーボンナノチューブ束を傾ける前と傾けた後における形状を示す電子顕微鏡写真である。
はじめに、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造について図８を用いて説明する。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、図８（ａ）に示すように、複数のカーボンナノチューブ束１８が、樹脂材料や金属材料等の充填層１４内に埋め込まれた構造を有している。
複数のカーボンナノチューブ束１８は、カーボンナノチューブシート１０の一方の面側（図面において下側）から他方の面側（図面において上側）に向けて、シートの面に垂直な方向と交わる同一の方向に傾くように配向している。各カーボンナノチューブ束１８の両端部は、カーボンナノチューブシート１０の表面に露出している。傾斜した方向に隣接するカーボンナノチューブ束１８同士は、少なくとも一方の端部（図面において上側）近傍において互いに接触している。
各カーボンナノチューブ束１８は、カーボンナノチューブ束１８の配向方向に沿って配向した複数のカーボンナノチューブ（図示せず）を有している。各カーボンナノチューブ束１８に含まれるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。カーボンナノチューブ束１８に含まれるカーボンナノチューブ１２の密度は、放熱性及び電気伝導性の観点から、１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。カーボンナノチューブ１２の長さは、カーボンナノチューブシート１０の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ〜５００μｍ程度の値に設定することができる。
充填層１４の構成材料には、第１及び第２実施形態によるカーボンナノチューブシートの場合と同様の材料を適用することができる。
このように、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では、カーボンナノチューブ束１８がシートの一方の面側から他方の面側に向かうように配向している。したがって、配向方向に沿った熱伝導度及び電気伝導度が高いというカーボンナノチューブの特性を十二分に発揮し、シートの膜厚方向の熱伝導性・電気伝導性に優れたカーボンナノチューブシートを実現することができる。
また、カーボンナノチューブ束１８の両端部は、カーボンナノチューブシート１０の表面に露出している。これにより、カーボンナノチューブシート１０を放熱体又は発熱体と接触したとき、カーボンナノチューブ束１８と放熱体又は発熱体とを充填層１４を介さずに接触できるため、熱伝導効率を大幅に高めることができる。なお、カーボンナノチューブ束１８の両端部を充填層が１００ｎｍ以下で覆っている場合は同様である。
また、カーボンナノチューブは導電性をも有しているため、カーボンナノチューブ束１８の両端部が充填層１４により覆われていないことにより、カーボンナノチューブ束１８を、シートを貫く配線体として用いることもできる。すなわち、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０は、熱伝導シートとしてのみならず、縦型配線シートとしても利用可能である。
また、本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０では更に、カーボンナノチューブ束１８がシートの面に垂直な方向と交わる方向に傾斜して配向しており、傾斜した方向に隣接するカーボンナノチューブ束１８同士は、少なくとも一方の端部近傍において互いに接触している。これにより、シートの面に垂直な方向の熱伝導性及び電気伝導性を更に高めるとともに、シートの面に平行な方向の熱伝導性及び電気伝導性をも向上することができる。
複数のカーボンナノチューブ束１８を成長する場合、必ずしも総てのカーボンナノチューブ束１８の長さが等しいとは限らない。カーボンナノチューブ束１８の長さにばらつきが生じると、長いカーボンナノチューブ束１８だけが被着体に接触することとなり、他のカーボンナノチューブ束１８を熱伝導体・電気伝導体として利用できない虞がある。
隣接するカーボンナノチューブ束１８同士を互いに接触させることにより、被着体に直接接触しないカーボンナノチューブ束１８を、他のカーボンナノチューブ束１８を介して間接的に熱伝導体・電気伝導体として機能させることができる。また、後述の製造方法を用いることにより、傾斜したカーボンナノチューブ束１８の高さの均一性を高めることができ、被着体に対する接触面積を増加することができる。また、カーボンナノチューブ束１８を傾斜させることには、カーボンナノチューブ束１８の密度を向上する効果もある。このような種々の効果により、シートの面に垂直な方向の熱伝導性及び電気伝導性を更に高めることができる。
また、隣接するカーボンナノチューブ束１８同士が接触することで、シートの面に平行な方向にもカーボンナノチューブ束１８を介した熱伝導及び電気伝導のパスが形成され、シートの面に平行な方向の熱伝導性及び電気伝導性をも向上することができる。
本実施形態によるカーボンナノチューブシート１０には、例えば図８（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ束１８の一方の端部（図面において上側）上に形成された被膜２０や、カーボンナノチューブ束の他方の端部（図面において下側）上に形成された被膜２２を設けるようにしてもよい。被膜２０，２２は、いずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
被膜２０，２２には、カーボンナノチューブ束１８と被着体との接触面積を増加する効果や、隣接するカーボンナノチューブ束１８同士の接続をより確実にする効果がある。したがって、被膜２０，２２を設けることにより、カーボンナノチューブシート１０と被着体との間の接触熱抵抗・接触抵抗を低減することができる。
被膜２０，２２の構成材料は、充填層１４の構成材料よりも熱伝導率の高い材料であれば、特に限定されるものではない。充填層１４の構成材料よりも熱伝導率の高い種々の絶縁性材料や導電性材料を適用することができる。カーボンナノチューブシート１０を電気伝導用途に用いる場合には、導電性を有する材料、例えば、金属や合金等を適用することができる。被膜２０，２２の構成材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等を用いることができる。また、被膜１４は、単層構造である必要はなく、例えばチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）との積層構造など、２層或いは３層以上の積層構造であってもよい。
次に、本実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法について図９乃至１２を用いて説明する。なお、各構成部分の構成材料や詳細な製造方法は、第１実施形態の場合と同様である。
まず、カーボンナノチューブシート１０を形成するための土台として用いる基板３０を用意する。
次いで、基板３０上に、例えばリフトオフ法により、触媒金属膜３２を選択的に形成する。触媒金属膜３２を形成する領域は、カーボンナノチューブ束１８の形成予定領域である。
触媒金属３２の平面的なレイアウトは、特に限定されるものではないが、例えば図１０に示すようなレイアウトを適用することができる。図１０（ａ）に示すレイアウトは、正方格子の頂点にそれぞれカーボンナノチューブ束１８の形成領域を配置したものである。図１０（ｂ）に示すレイアウトは、カーボンナノチューブ束１８の形成領域を細密充填配列したものである。
次いで、基板３０上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜３２を触媒として、カーボンナノチューブを成長する。こうして、基板３０の触媒金属膜３２が形成された領域上に、基板３０の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブ束１８を選択的に形成する（図９（ｂ））。
次いで、このように成長したカーボンナノチューブ束１８を、シートの面に垂直な方向と交わる方向に傾ける（図９（ｃ））。
本実施形態では、カーボンナノチューブ束１８を傾ける際に、基板３０の表面に対して均一な圧力を印加できるとともに、圧力を印加した状態で基板３０を水平方向に移動させることができる装置を用いる。このような装置としては、特に限定されるものではないが、例えばフリップチップボンダ装置を利用することができる。ここでは、フリップチップボンダ装置を用いた場合を例にして、カーボンナノチューブ束１８を傾ける方法について説明するものとする。
まず、カーボンナノチューブ束１８を成長した基板３０を、フリップチップボンダ装置のステージ２４上に載置する（図１１参照）。
次いで、フリップチップボンダ装置の加圧ヘッド２６により、カーボンナノチューブ束１８上から基板３０の表面に対して垂直な方向（図において下方向）に、〜数Ｎ／ｃｍ２程度の第１の圧力を印加する（図１１参照）。加圧ヘッド２６は、例えば図１１に示すように、基板３０に対して平行な表面を有している。
次いで、カーボンナノチューブ束１８に第１の圧力を印加した状態で、基板３０の表面に平行な第１の方向（図において右方向）に数十ミクロン程度、例えば３０μｍ、加圧ヘッド２６を移動する（図１１参照）。
次いで、加圧ヘッド２６により印加する圧力を、第１の圧力から、第１の圧力よりも高い１０〜５０Ｎ／ｃｍ２程度の第２の圧力に増加する。この際、第１の圧力から第２の圧力へ断続的に変化してもよいし、第１の圧力から第２の圧力に連続的に徐々に変化してもよいし、第１の圧力から第２の圧力に段階的に徐々に変化してもよい。
次いで、カーボンナノチューブ束１８に第２の圧力を印加した状態で、基板３０の表面に平行な第１の方向に更に数ミリ程度、例えば２ｍｍ、加圧ヘッド２６を移動する。
このようにして、カーボンナノチューブ束１８への圧力の印加と加圧ヘッド２６の移動とを行うにより、カーボンナノチューブ束１８を第１の方向に傾け、隣接するカーボンナノチューブ束１８同士を接続することができる。
上述の方法では、カーボンナノチューブ束１８に印加する圧力と加圧ヘッドの移動とを２段階で行っている。これは、カーボンナノチューブ束１８が破壊されるのを防止しつつ、カーボンナノチューブ束１８を所望の形状まで傾けるためである。
カーボンナノチューブ束１８が垂直配向した初期の状態で垂直方向に圧力を印加する場合、印加する圧力が強すぎるとカーボンナノチューブ束１８が潰れたり折れたりして破壊されることがある。そこで、まず第１段階として、カーボンナノチューブ束１８が破壊されない圧力でカーボンナノチューブ束１８の上端に加圧ヘッド２６を押し付け、カーボンナノチューブ束１８に加圧ヘッド２６を密着させる。そして、この状態で加圧ヘッド２６を水平方向に移動させることにより、カーボンナノチューブ束１８を僅かに傾ける。なお、カーボンナノチューブ束１８上には加圧ヘッド２６が接しているため、カーボンナノチューブ束１８を傾けることには、カーボンナノチューブ束１８の高さばらつきを均一化する効果もある。
カーボンナノチューブ束１８が傾くと、カーボンナノチューブ束１８に加わる圧力が分散されるため、カーボンナノチューブ束１８が破壊されることなくより高い圧力を印加することができるようになる。そこで第２段階として、第１の圧力よりも高い第２の圧力でカーボンナノチューブ束１８の上端に加圧ヘッド２６を押し付け、この状態で加圧ヘッド２６を水平方向に移動させることにより、カーボンナノチューブ束１８を所望の形状まで傾ける。
カーボンナノチューブ束１８に印加する圧力、加圧ヘッド２６の移動方向や移動量は、フリップチップボンダ装置でモニタしながら制御することができる。
長さ１００μｍ、面密度１×１０１１／ｃｍ２のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブ束を２×３ｃｍ２の大きさの基板３０上に６３％の面積割合で形成した試料について本願発明者等が検討したところでは、第１の圧力として、数Ｎ／ｃｍ２程度、例えば３Ｎ／ｃｍ２の圧力が好適であった。また、第２の圧力として、数十Ｎ／ｃｍ２程度、例えば４０Ｎ／ｃｍ２の圧力が好適であった。
なお、カーボンナノチューブ束１８に印加する第１及び第２の圧力は、カーボンナノチューブ束１８が破壊されないように、カーボンナノチューブ束１８の長さ、カーボンナノチューブ束１８内のカーボンナノチューブの面密度やカーボンナノチューブ束１８の面密度等に応じて適宜設定することが望ましい。また、加圧ヘッド２６の水平移動距離も、カーボンナノチューブ束１８の長さ、カーボンナノチューブ束１８に必要な傾斜度合い等に応じて適宜設定することが望ましい。
上記説明では、カーボンナノチューブ束１８を傾ける際に加圧ヘッド２６を移動するとしたが、加圧ヘッド２６は、基板３０に対する相対的な位置を移動すればよい。すなわち、ステージ２４を固定して加圧ヘッド２６を移動してもよいし、加圧ヘッド２６を固定してステージ２４を移動してもよいし、ステージ２４と加圧ヘッド２６とを互いに反対方向に移動してもよい。
加圧ヘッド２６の移動方向は、カーボンナノチューブ束１８を傾ける方向に応じて適宜設定することができる。加圧ヘッドの移動方向をカーボンナノチューブ束１８のレイアウトに応じて選択すれば、カーボンナノチューブ束１８の接続方向を任意に設定することもできる。
例えば図１０（ａ）に示すような平面レイアウトでカーボンナノチューブ束１８が配置されている場合、例えばｘ軸方向に平行に加圧ヘッド２６を移動する。こうすることで、ｘ軸方向に隣接するカーボンナノチューブ束１８同士が接続され、ｙ軸方向に隣接するカーボンナノチューブ束１８が接続されていない構造を形成することができる。
或いは、例えば図１０（ｂ）に示すような平面レイアウトでカーボンナノチューブ束１８が配置されている場合には、どの方向に加圧ヘッド２６を移動することによっても、総てのカーボンナノチューブ束１８が接続された構造を形成することができる。
加圧ヘッド２６の移動方向は、必ずしも一方向でなくてもよい。例えば、図１０（ａ）に示すような平面レイアウトでカーボンナノチューブ束１８が配置されている場合、第１段階として、ｘ軸方向に加圧ヘッド２６を移動して、ｘ軸方向に隣接するカーボンナノチューブ束１８同士を接続する。次いで、第２段階として、ｙ軸方向に加圧ヘッド２６を移動して、ｙ軸方向に隣接するカーボンナノチューブ束１８同士を接続する。これにより、総てのカーボンナノチューブ束が接続された構造を形成することができる。
図１２は、カーボンナノチューブ束１８を傾ける前及び傾けた後の構造を示す電子顕微鏡写真である。図１２（ａ）は傾ける前であり、図１２（ｂ）は傾けた後である。
図１２（ａ），（ｂ）に示される円筒形の構造体が、カーボンナノチューブ束１８である。カーボンナノチューブ束１８を傾ける前は、図１２（ａ）に示すように、隣接するカーボンナノチューブ束１８は互いに接触していない。これに対し、カーボンナノチューブ束１８を傾けることにより、図１２（ｂ）に示すように、隣接するカーボンナノチューブ束１８が互いに接触していることが判る。
次いで、このようにしてカーボンナノチューブ束１８を傾けた後、例えばスピンコート法により充填層１４となる充填材を塗布し、この充填材を硬化することにより、カーボンナノチューブ束１８の間隙に充填された充填層１４を形成する（図９（ｄ））。
なお、充填層１４の硬化後、カーボンナノチューブ束１８の上端部が充分に露出していない又は充填層１４によって覆われている場合には、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）、酸素プラズマアッシング、アルゴンイオンミリング等によって、カーボンナノチューブ束１８の上の充填層１４を除去するようにしてもよい。
カーボンナノチューブ束１８の上端上に被膜２０を形成する場合には、例えば図９（ｃ）に示す工程の後或いは図９（ｄ）に示す工程の後に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚５０ｎｍのＡｕ（金）膜を堆積し、被膜２０を形成する。
次いで、カーボンナノチューブ束１８が埋め込まれた充填層１４を、基板３０から剥離する。
次いで、剥離したカーボンナノチューブシート１０の基板側の面にカーボンナノチューブ束１８が露出していない場合には、例えばアッシング等により、カーボンナノチューブ束１８の端部を覆う充填層１４を除去する。
カーボンナノチューブ束１８の下端上に被膜２２を形成する場合には、例えばスパッタ法により、例えば膜厚５０ｎｍのＡｕ膜を堆積し、被膜２２を形成する。
なお、本実施形態の図面では、カーボンナノチューブ束１８の下端に、成長の際に用いた触媒金属膜３２が形成されている状態を示している。触媒金属膜３２は、カーボンナノチューブの成長の際に凝集化してカーボンナノチューブ内に取り込まれるため、実際には図示するような状態で残存してはおらず、シートの下面にはカーボンナノチューブ束１８が露出する。また、触媒金属膜３２は、基板３０を剥離する際に同時に除去されることもある。
こうして、本実施形態のカーボンナノチューブシート１０を完成する。
このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブ束がシートの一方の面から他方の面に向けて配向しているとともに、隣接するカーボンナノチューブ束同士が接続されているので、シートの面に垂直な方向及びシートの面に水平な方向への熱伝導度及び電気伝導度の高いシートを形成することができる。また、シートの表面にカーボンナノチューブ束が露出しているため、シートの被着体に対する熱伝導度及び電気伝導度を向上することができる。
また、カーボンナノチューブ束を傾けて隣接するカーボンナノチューブ束同士を接続する際、カーボンナノチューブ束に印加する圧力と加圧ヘッドの移動とを、２段階のステップで行うので、カーボンナノチューブ束が破壊されるのを防止しつつ、カーボンナノチューブ束１８を所望の形状まで傾けることができる。
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による電子機器について図１３を用いて説明する。
図１３は本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。
本実施形態では、第１又は第３実施形態によるカーボンナノチューブシートを放熱シートとして適用した電子機器について説明する。
多層配線基板などの回路基板４０上には、例えばＣＰＵなどの半導体素子４６が実装されている。半導体素子４６は、はんだバンプ４２を介して回路基板４０に電気的に接続されており、多層配線基板４０と半導体素子４６との間にはアンダーフィル４４が充填されている。
半導体素子４６上には、半導体素子４６を覆うように、半導体素子４６からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ５０が形成されている。半導体素子４６とヒートスプレッダ５０との間には、第１又は第３実施形態によるカーボンナノチューブシート４８が形成されている。
ヒートスプレッダ５０上には、ヒートスプレッダ５０に伝わった熱を放熱するためのヒートシンク５４が形成されている。ヒートスプレッダ５０とヒートシンク５４との間には、第１又は第３実施形態によるカーボンナノチューブシート５２が形成されている。
このように、本実施形態による電子機器では、半導体素子４６とヒートスプレッダ５０との間及びヒートスプレッダ５０とヒートシンク５４との間に、第１又は第３実施形態によるカーボンナノチューブシート４８，５２がそれぞれ設けられている。
上述のように、第１実施形態によるカーボンナノチューブシートは、カーボンナノチューブ１２がシートの膜面に対して水平方向に配向しており、面内方向の熱伝導度が極めて高いものである。また、第３実施形態によるカーボンナノチューブシートは、カーボンナノチューブ束１８がシートの一方の面から他方の面に向けて配向しているとともに、隣接するカーボンナノチューブ束１８同士が接続されており、面直方向及び面内方向の熱伝導度が極めて高いものである。
したがって、第１又は第３実施形態によるカーボンナノチューブシートを、半導体素子４６とヒートスプレッダ５０との間及びヒートスプレッダ５０とヒートシンク５４との間に形成する熱伝導シートとして用いることにより、半導体素子４６から発せられた熱を効率よく広げてヒートスプレッダ５０及びヒートシンク５４に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間及びヒートスプレッダとヒートシンクとの間に、第１又は第３実施形態によるカーボンナノチューブシートを配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による電子機器について図１４を用いて説明する。
図１４は、本実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。
本実施形態では、第３実施形態によるカーボンナノチューブシートを、導電性シートを兼ねる熱伝導性シートとして適用した電子機器について説明する。
図１４に示すように、無線通信基地局などに用いられる高出力増幅器（ＨＰＡ：High Power Amplifier）６０は、パッケージ６２に組み込まれ、パッケージ６２の裏面においてヒートシンク６４に接合される。高出力増幅器６０から発せられた熱は、パッケージ６２の裏面を通してヒートシンク６４に放熱される。同時に、パッケージ６２は、電気的なグラウンド（接地面）としても用いられるものであり、ヒートシンク１２４に対しても電気的に接続される。このため、パッケージ６２とヒートシンク６４との接合には、電気及び熱に対する良導体を用いることが望ましい。
したがって、図１４に示すように、パッケージ６２とヒートシンク６４との接合部に、第３実施形態によるカーボンナノチューブシート６６を用いることにより、パッケージ６２とヒートシンク６４とを電気的に接続することができる。また、高出力増幅器６０から発せられた熱を効率よくヒートシンク６４に伝えることができ、放熱効率を高めることができる。これにより、電子機器の信頼性を向上することができる。
このように、本実施形態によれば、高出力増幅器のパッケージとヒートシンクとの間に、カーボンナノチューブ束１８がシートの一方の面から他方の面に向けて配向しているとともに、隣接するカーボンナノチューブ束１８同士が接続されている第３実施形態のカーボンナノチューブシートを配置するので、これらの間の熱伝導度を大幅に向上することができる。これにより、半導体素子から発せられる熱の放熱効率を高めることができ、電子機器の信頼性を向上することができる。また、高出力増幅器とグラウンドとしてのヒートシンクとを電気的に接続することもできる。
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
また、上記実施形態では、カーボンナノチューブを用いたシート状構造体の例を説明したが、本発明は、炭素元素の線状構造体を用いたシート状構造体に広く適用することができる。炭素元素の線状構造体としては、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これら線状構造体を用いたシート状構造体においても、本発明を適用することができる。
また、上記実施形態に開示の構成材料や製造条件は、当該開示内容に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
また、上記第１及び第２実施形態では、総てのカーボンナノチューブを基板の表面に垂直な方向に交わる同方向に配向させたカーボンナノチューブシートを示したが、総てのカーボンナノチューブが必ずしも同じ方向に配向していなくてもよい。例えば、ある点から放射線状にカーボンナノチューブを配向させるようにしてもよい。このようなシートは、例えばスピンコータ等を用いて放射線方向に流体を流すことにより形成することができる。
また、カーボンナノチューブシートの使用目的も、上記実施形態に開示のものに限定されるものではない。例えば、熱伝導シートとしては、例えば、ＣＰＵの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバー、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。また、カーボンナノチューブの高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。
図１は、本発明の第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図及び平面図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す平面図である。 図４は、本発明の第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの他の構造を示す平面図（その１）である。 図５は、本発明の第１実施形態によるカーボンナノチューブシートの他の構造を示す平面図（その２）である。 図６は、本発明の第２実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図及び平面図である。 図７は、本発明の第２実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。 図８は、本発明の第３実施形態によるカーボンナノチューブシートの構造を示す概略断面図である。 図９は、本発明の第３実施形態によるカーボンナノチューブシートの製造方法を示す工程断面図である。 図１０は、カーボンナノチューブ束の平面レイアウトの例を示す平面図である。 図１１は、本発明の第３実施形態においてカーボンナノチューブ束を傾ける方法を示す概略図である。 図１２は、カーボンナノチューブ束を傾ける前と傾けた後における形状を示す電子顕微鏡写真である。 図１３は、本発明の第３実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。 図１４は、本発明の第４実施形態による電子機器の構造を示す概略断面図である。
符号の説明
１０…カーボンナノチューブシート
１２…カーボンナノチューブ
１４…充填層
１６…領域
１８…カーボンナノチューブシート
２０，２２…被膜
２４…ステージ
２６…加圧ヘッド
３０…基板
３２…触媒金属膜
３４…絶縁膜
３６，３８…開口部
４０…回路基板
４２…はんだバンプ
４４…アンダーフィル
４６…半導体素子
４８，５２…カーボンナノチューブシート
５０…ヒートスプレッダ
５４…ヒートシンク
６０…高出力増幅器
６２…パッケージ
６４…ヒートシンク
６６…カーボンナノチューブシート

Claims (8)

  1. 複数の炭素元素の線状構造体と、前記複数の線状構造体を保持する充填層とを有するシート状構造体であって、
    前記複数の線状構造体は、前記充填層の膜厚方向と交わる方向に配向している
    ことを特徴とするシート状構造体。
  2. 請求項１記載のシート状構造体において、
    前記複数の線状構造体は、同じ方向に配向している
    ことを特徴とするシート状構造体。
  3. 請求項１又は２記載のシート状構造体において、
    前記複数の線状構造体は、複数の組に分けられ、前記複数の組は、互いに離間して設けられた複数の線状構造体束を形成している
    ことを特徴とするシート状構造体。
  4. 請求項３記載のシート状構造体において、
    前記複数の線状構造体束のそれぞれは、前記充填層の前記膜厚方向に対して傾いており、隣接する前記線状構造体束が互いに接触している
    ことを特徴とするシート状構造体。
  5. 複数の炭素元素の線状構造体と、前記複数の線状構造体を保持する充填層とを有し、前記複数の線状構造体が、前記充填層の膜厚方向と交わる方向に配向しているシート状構造体を含む
    ことを特徴とする電子機器。
  6. 基板上の互いに隔てられた複数の領域上に、触媒金属膜をそれぞれ形成する工程と、
    前記触媒金属膜を触媒として炭素元素の線状構造体を成長し、前記複数の領域上に、前記基板の表面に複数の前記線状構造体を含む複数の線状構造体束を選択的に形成する工程と、
    前記線状構造体束を、前記基板の表面に垂直な方向に交わる方向に流れる流体に曝すことにより、前記表面に垂直な方向に交わる方向に配向するように倒す工程と、
    前記線状構造体束間及び前記線状構造体間に充填材を充填し、充填層を形成する工程と、
    前記基板を除去する工程と
    を有することを特徴とするシート状構造体の製造方法。
  7. 基板上の互いに隔てられた複数の領域上に、触媒金属膜をそれぞれ形成する工程と、
    前記触媒金属膜を触媒として炭素元素の線状構造体を成長し、前記複数の領域上に、前記基板の表面に複数の前記線状構造体を含む複数の線状構造体束を選択的に形成する工程と、
    前記複数の線状構造体束を加圧し、前記複数の線状構造体束を前記基板の表面に垂直な方向と交わる方向に傾ける工程と、
    前記線状構造体束間及び前記線状構造体間に充填材を充填し、充填層を形成する工程と、
    前記基板を除去する工程と
    を有することを特徴とするシート状構造体の製造方法。
  8. 請求項７記載のシート状構造体の製造方法において、
    前記複数の線状構造体束を傾ける工程は、前記基板の前記表面に対して平行な表面を有する加圧ヘッドを、前記第１の方向と逆向きの第２の方向から押し付けた状態で、前記基板の前記表面に垂直な方向と交わる方向に移動させ、前記加圧ヘッドを前記第２の方向から前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力で押し付けた状態で前記基板の表面に垂直な方向と交わる方向に更に移動させ、前記複数の線状構造体束を前記基板の表面に垂直な方向と交わる方向に傾ける
    ことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011035403A (ja) * 2009-08-05 2011-02-17 Qinghua Univ 放熱構造体及び放熱システム
JP2011035046A (ja) * 2009-07-30 2011-02-17 Fujitsu Ltd シート状構造体及びその製造方法
JP2011086700A (ja) * 2009-10-14 2011-04-28 Shinko Electric Ind Co Ltd 放熱用部品
JP2013201261A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Fujitsu Ltd 放熱シートおよび半導体装置、放熱シートの製造方法
JP2013232683A (ja) * 2013-07-24 2013-11-14 Fujitsu Ltd シート状構造体及びその製造方法
JP2014126659A (ja) * 2012-12-26 2014-07-07 Brother Ind Ltd 現像装置
JP2015023256A (ja) * 2013-07-23 2015-02-02 独立行政法人産業技術総合研究所 電子デバイス及びその製造方法
CN105247674A (zh) * 2013-06-03 2016-01-13 富士通株式会社 散热结构体及其制造方法以及电子装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001160607A (ja) * 1999-12-02 2001-06-12 Polymatech Co Ltd 異方性熱伝導性シート
JP2002088171A (ja) * 2000-09-13 2002-03-27 Polymatech Co Ltd 熱伝導性シートおよびその製造方法ならびに放熱装置
JP2004172286A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Kyocera Chemical Corp 熱伝導シート
JP2006111517A (ja) * 2004-09-14 2006-04-27 Tokai Univ カーボンナノチューブの作製装置および作製方法
JP2006228818A (ja) * 2005-02-15 2006-08-31 Fujitsu Ltd カーボンナノチューブの形成方法および電子デバイスの製造方法
JP2006290736A (ja) * 2005-04-14 2006-10-26 Kofukin Seimitsu Kogyo (Shenzhen) Yugenkoshi 熱伝導材料及びその製造方法
WO2007063764A1 (ja) * 2005-11-30 2007-06-07 Shimane Prefectural Government ミクロンサイズおよびナノサイズの炭素繊維を共含有する金属基複合材料
JP2009043851A (ja) * 2007-08-07 2009-02-26 Toshiba Corp 半導体パッケージ

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001160607A (ja) * 1999-12-02 2001-06-12 Polymatech Co Ltd 異方性熱伝導性シート
JP2002088171A (ja) * 2000-09-13 2002-03-27 Polymatech Co Ltd 熱伝導性シートおよびその製造方法ならびに放熱装置
JP2004172286A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Kyocera Chemical Corp 熱伝導シート
JP2006111517A (ja) * 2004-09-14 2006-04-27 Tokai Univ カーボンナノチューブの作製装置および作製方法
JP2006228818A (ja) * 2005-02-15 2006-08-31 Fujitsu Ltd カーボンナノチューブの形成方法および電子デバイスの製造方法
JP2006290736A (ja) * 2005-04-14 2006-10-26 Kofukin Seimitsu Kogyo (Shenzhen) Yugenkoshi 熱伝導材料及びその製造方法
WO2007063764A1 (ja) * 2005-11-30 2007-06-07 Shimane Prefectural Government ミクロンサイズおよびナノサイズの炭素繊維を共含有する金属基複合材料
JP2009043851A (ja) * 2007-08-07 2009-02-26 Toshiba Corp 半導体パッケージ

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011035046A (ja) * 2009-07-30 2011-02-17 Fujitsu Ltd シート状構造体及びその製造方法
JP2011035403A (ja) * 2009-08-05 2011-02-17 Qinghua Univ 放熱構造体及び放熱システム
CN101989583A (zh) * 2009-08-05 2011-03-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 散热结构及使用该散热结构的散热系统
JP2011086700A (ja) * 2009-10-14 2011-04-28 Shinko Electric Ind Co Ltd 放熱用部品
JP2013201261A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Fujitsu Ltd 放熱シートおよび半導体装置、放熱シートの製造方法
JP2014126659A (ja) * 2012-12-26 2014-07-07 Brother Ind Ltd 現像装置
CN105247674A (zh) * 2013-06-03 2016-01-13 富士通株式会社 散热结构体及其制造方法以及电子装置
JPWO2014196006A1 (ja) * 2013-06-03 2017-02-23 富士通株式会社 放熱構造体及びその製造方法並びに電子装置
US9659836B2 (en) 2013-06-03 2017-05-23 Fujitsu Limited Heat dissipation structure, fabricating method, and electronic apparatus
JP2015023256A (ja) * 2013-07-23 2015-02-02 独立行政法人産業技術総合研究所 電子デバイス及びその製造方法
JP2013232683A (ja) * 2013-07-24 2013-11-14 Fujitsu Ltd シート状構造体及びその製造方法

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