JP5168984B2

JP5168984B2 - カーボンナノチューブ金属複合材料によるデバイス構造

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Publication number: JP5168984B2
Application number: JP2007093538A
Authority: JP
Inventors: 大雄近藤; 大介岩井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008251963A

Description

本発明は、カーボンナノチューブ金属複合材料によるデバイス構造に関する。

無線通信の情報を送信する携帯電話基地局の高出力増幅器は、出力源である高出力トランジスタの発熱量も大きくなるため、放熱性が非常に重要となる。従来は、高出力トランジスタチップをパッケージに直接接合し、高出力トランジスタチップを通して熱を逃がす、いわゆるフェイスアップ構造を用いることで放熱性を確保していた。しかし、従来のフェイスアップ構造では、トランジスタの電極とパッケージの電極を接続する金ワイヤのインダクタンスのために、高周波化に伴い増幅率が低下するという問題を有していた。この問題を解決するために、基板を裏返しチップ電極とパッケージ電極をカーボンナノチューブバンプ（突起状の電極）構造により接続する手法がある（非特許文献１参照）。図１から図３は、カーボンナノチューブを用いて作製したバンプ構造の走査型電子顕微鏡像を示す図である。カーボンナノチューブバンプは優れた放熱性を持つだけでなく、金属的な性質を有しているため、フェイスアップ構造と同等の放熱性を確保できる。さらに、２ＧＨｚで増幅率も１０デシベル（ｄＢ）向上可能であることが報告されている。
特開２００３−２８４３０４号公報特開２００６−２２９２９７号公報岩井、外、IEEE IEDM Technical Digest、2005年、p.257 D.B.Mawhinney、外、「Journal of American Chemical Society」、2000年、第122巻、p.2383 S.S.Wong、外、「Nature」、1998年、第394巻、p.52 浅野、外、「Japanese Journal of Applied Physics」、2006年、第45巻、p.3573 D.Kondo、外、「Superlattices and Microstructures」、2003年、第34巻、p.389 H.Hiura、外、「Advanced Materials」、1995年、第7巻、p.275 二瓶、外、「Japanese Journal of Applied Physics」、2004年、第43巻、p.1856 S.Sato、「Chemical Physics Letters」、2003年、第382号、p.361

今後、第４Ｇ以降の携帯電話基地局向けには更なる高周波（３ＧＨｚ以上）での出力の保持（１０ｄＢ）と放熱性が要求される。一本あたりは高い熱伝導性を持つカーボンナノチューブのバンドル（束）をバンプ構造に用いた場合、さらに高い特性を得るためにはカーボンナノチューブの高密度化（１０¹¹本／ｃｍ²以上）が必須となる。

しかし、現在のところ、カーボンナノチューブの密度は１０¹⁰本／ｃｍ²程度であり、
高密度化の実現は非常に困難な課題となっている。また、カーボンナノチューブと同様の構造を有する金属のみからなるバンプ構造を作製することは加工プロセス上大きな困難を伴う。本発明は、カーボンナノチューブのバンドルをバンプ構造の型（骨組）に利用し、メッキにより簡便に金属バンプ構造を作製することを目的とする。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、複数の炭素系繊維で構成される前記炭素系繊維の集合体および金属からなる複合体構造であ
って、前記炭素系繊維の集合体が前記金属で覆われている。本発明の複合体構造によれば、炭素系繊維の集合体および金属の双方の放熱性、電気伝導性を保障することが可能となる。

また、本発明は、複数の炭素系繊維で構成される前記炭素系繊維の集合体および金属からなる複合体構造であって、前記複数の炭素系繊維は、長さ方向に配列しており、前記炭素系繊維の集合体は、前記炭素系繊維の長さ方向と交差する方向に広がる炭素系物質を更に備え、前記炭素系繊維の一方の端部は前記炭素系物質と接続され、前記炭素系繊維の集合体が前記金属で覆われている。本発明の複合体構造によれば、炭素系繊維の集合体および金属の双方の放熱性、電気伝導性を保障すること可能となる。また、本発明の複合体構体は、炭素系繊維の一方の端部と炭素系物質とが接続されている。その結果、炭素系繊維の集合体の放熱性、電気伝導性の向上が可能となる。

また、本発明の複合体構造は、隣接する前記炭素系繊維の集合体の間に前記金属が充填されていてもよい。さらに、本発明の複合体構造は、前記炭素系繊維の集合体が、前記炭素系繊維の集合体の内部で長さ方向に中空部を有し、前記中空部に前記金属が充填されていてもよい。また、本発明の複合体構造は、基板に形成された電極面から略垂直方向に前記炭素系繊維の集合体が長さ方向に配列して成長していてもよい。さらに、本発明の複合体構造は、前記炭素系繊維の集合体の内部の前記炭素系繊維に前記金属が付着してもよい。

本発明によれば、カーボンナノチューブバンドルをバンプ構造の型（骨組）に利用し、メッキにより簡便に金属バンプ構造を作製することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

図４（ａ）に示すように、金属バンプ構造を作製するため、金属電極１０の一部のみに多層カーボンナノチューブ２０を成長させるための触媒金属１１のパターニングを行う。図４（ａ）は、金属電極１０上に触媒金属１１のパターンを作製した模式図である。図４（ａ）に示すように、略矩形の形状の触媒金属１１が、複数配置されるようにパターニングされている。また、金属電極１０上にパターニングされた複数の触媒金属１１は、一定間隔おきに形成されている。本実施形態で用いる金属電極１０は、略矩形の形状であり、一辺が数十μｍ程度である。ただし、金属電極１０の形状、寸法は例示であり、本発明はこれに限定されない。例えば、金属電極１０の形状が、円の形状や他の多角形の形状であってもよい。

また、図４（ａ）では、金属電極１０上に略矩形の形状の触媒金属１１が配置されているが、触媒金属１１の形状や個数は例示であり、本発明はこれに限定されない。例えば、触媒金属１１の形状が、円の形状や他の多角形の形状であってもよいし、任意の個数であってもよい。

さらに、図４（ｂ）に示すように、金属バンプ構造を作製するため、金属電極１０の一部のみに多層カーボンナノチューブ２０を成長させるための触媒金属１１のパターニングを行うことも可能である。図４（ｂ）は、金属電極１０の中央部２００以外に触媒金属１１のパターンを作製した模式図である。図４（ｂ）に示すように、金属電極１０の中央部２００には触媒金属１１がパターニングされておらず、金属電極１０の周辺部２０１に触媒金属１１がパターニングされている。図４（ｂ）は、金属電極１０の中央部２００は、
略矩形の形状となっているが、形状は例示であり、本発明はこれに限定されない。例えば、触媒金属１１がパターニングされていないバンプ部分の形状が、円の形状や他の多角形の形状であってもよい。

そして、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法により、多層カーボ
ンナノチューブ２０を金属電極１０上に自己組織的に垂直に成長させる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に、化学気相成長法により、金属電極１０上に配向成長させた多層カーボンナノチューブ２０を示す。図５（ａ）は、図４（ａ）に示した触媒パターンで多層カーボンナノチューブ２０を成長させた模式図である。また、図５（ｂ）は、図４（ｂ）に示した触媒パターンで多層カーボンナノチューブ２０を成長させた模式図である。

図５（ａ）では、略矩形の形状の触媒金属１１上からのみ多層カーボンナノチューブ２０が配向成長し、触媒金属１１がパターニングされていない金属電極１０上からは、多層カーボンナノチューブ２０が成長していない。図５（ｂ）は、触媒金属１１がパターニングされている金属電極１０上の周辺部２０１（図５（ｂ）では図示せず）からのみ多層カーボンナノチューブ２０が配向成長し、触媒金属１１がパターニングされていない金属電極１０上の中央部２００（図５（ｂ）は図示せず）からは、多層カーボンナノチューブ２０は成長していない。

金属電極１０上に多層カーボンナノチューブ２０を配向成長させた後、電解メッキ法により金、銀、銅などの金属１２を多層カーボンナノチューブ２０に対してメッキする。すなわち、金属電極１０上に配向成長した多層カーボンナノチューブ２０を覆うように金、銀、銅などの金属１２の膜を付着させる。また、電解メッキ法を用いた場合、多層カーボンナノチューブ２０が成長していないバンプ用の電極部分にも同様にメッキされる。

図５（ａ）に示す金属電極１０上に配向成長した多層カーボンナノチューブ２０は、金属電極１０と等電位（同電位）である。また、図５（ａ）に示す多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１は、隣接する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１と一定の間隔をあけて成長させてある。すなわち、金属電極１０上には、一定間隔おきに多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１が形成されており、隣接する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の間の距離が一定となる。そのため、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１及び金属電極１０に対して、金属１２が等方的にメッキされる。

多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１及び金属電極１０に対して金属１２が等方的にメッキされた場合、均一膜厚の金属１２が多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を覆い、金属電極１０上に均一膜厚の金属１２が堆積する。そして、均一膜厚の金属１２が多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を覆い、金属電極１０上に均一膜厚の金属１２が堆積した場合、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１と多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１との間は、金属１２が充填された状態となる。

その結果、金属電極１０および多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を金属１２が覆う電極構造が作製される。すなわち、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０が作製される。

図５（ｂ）に示す金属電極１０上に配向成長した多層カーボンナノチューブ２０は、金属電極１０と等電位（同電位）である。図５（ｂ）に示すように、金属電極１０上に多層カーボンナノチューブ２０が成長した場合、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の中に空間Ａが存在する。図４（ｂ）に示すように、金属電極１０上の中央部２００は
、略矩形の形状となっている。そのため、図５（ｂ）に示す多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の中の空間Ａは、略立方体又は略直方体である。空間Ａの周りに存在する多層カーボンナノチューブ２０は、空間Ａを挟んで対向する多層カーボンナノチューブ２０との距離が一定である。そのため、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１及び金属電極１０に対して、金属１２が等方的にメッキされる。

多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１及び金属電極１０に対して金属１２が等方的にメッキされた場合、均一膜厚の金属１２が多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を覆い、金属電極１０上に均一膜厚の金属１２が堆積する。そして、均一膜厚の金属１２が多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を覆い、金属電極１０上に均一膜厚の金属１２が堆積した場合、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の中の空間Ａは、金属１２が充填された状態となる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に、金属電極１０上に成長した多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を金属１２が覆うようにして作製された多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を示す。図６（ａ）は、図５（ａ）に示す金属電極１０上に成長した多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を用いて作製した多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０の模式図である。
いる。図６（ｂ）は、図５（ｂ）に示す金属電極１０上に成長した多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を用いて作製した多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０の模式図である。

図６（ａ）に示すように、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の上面および側面を金属１２が覆っており、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１と多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１との間には、金属１２が充填されている。また、図６（ｂ）に示すように、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の上面および側面を金属１２が覆っており、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の中の空間Ａには、金属１２が充填されている。

多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１が骨組となることにより、金、銀、銅などの金属１２を使用した１０μｍ以下の微細なバンプの強度を向上させることが可能となる。金属１２は金、銀、銅に限定されず、電解メッキ可能な白金、ロジウム、パラジウム、スズ、ニッケル等の他の金属やそれらを少なくとも１種含む合金を用いても良い。また、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、金、銀、銅などの金属１２と多層カーボンナノチューブ２０双方の放熱性、電気伝導性を保障することが可能となる。

また、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、多層カーボンナノチューブ２０を骨組として、金属電極１０及び多層カーボンナノチューブ２０に金属１０を付着させている。そのため、金属１０のみで形成するには困難な形状であっても、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０であれば、簡便に作製することが可能となる。

実際に用いるバンプ構造は、ドレインバンプ、ソースバンプ、ゲートバンプといった電気的な接続や放熱接続のために使用される。この場合、バンプのサイズが５μｍから１００μｍまでと異なる形状のバンプを用いる。このような異なる形状のバンプを作製するた
めに、触媒金属１１のパターンを任意の形状に加工し、多層カーボンナノチューブ２０を成長させる。そして、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を作製することにより、異なる形状のバンプを作製することが可能となる。

次に、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部までメッキする方法について説明する。通常、多層カーボンナノチューブ２０自体は疎水性であるため、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部にはメッキ液が到達せず、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部はほとんどメッキされない。

しかし、オゾン処理または酸素雰囲気中での加熱処理などにより親水基である官能基を、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部に積極的に導入することで、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部をより効果的にメッキすることが可能となる。具体的には、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部に親水基である官能基を導入することにより、多層カーボンナノチューブ２０に親水基である官能基が導入される。そして、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１がメッキされた場合、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部まで金属１２が浸透する。すなわち、バンドル２１の内部の多層カーボンナノチューブ２１に金属が付着する。

したがって、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部の隙間も有効に利用可能なバンプ構造を作製できる。すなわち、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部についても電気的接続や放熱接続に寄与したバンプ構造を作製できる。

本実施形態で説明した図４（ａ）および図４（ｂ）の触媒金属１１のパターンを組み合わせてもよい。例えば、図４（ａ）の触媒金属１１のパターンの中に、さらに図４（ｂ）の触媒金属１１のパターンを作製してもよい。すなわち、略矩形形状の触媒金属１１を作製し、略矩形形状の触媒金属１１の中央付近に略矩形の形状の多層カーボンナノチューブ２０を成長させない部分を設けてもよい。

次に、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部に親水基である官能基を導入する具体的な方法について説明する。多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部に親水基である官能基を導入する一つの方法であるオゾン処理について説明する。まず、オゾン処理は、室温の真空槽内におけるオゾン中（６０−１００％程度の濃度）に、金属電極１０上に成長した多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を一定時間配置することにより行われる。

非特許文献２では、６０（Ｔｏｒｒ・ｍｉｎ）の曝露量で、単層カーボンナノチューブに親水基である官能基が導入されることが開示されている。多層カーボンナノチューブ２０の平均直径が約１０ｎｍの場合、単層カーボンナノチューブの平均直径が約１．４ｎｍの場合（非特許文献２参照）と比較して、多層カーボンナノチューブ２０の表面積は７倍以上ある。そのため、多層カーボンナノチューブ２０の長さが、単層カーボンナノチューブと同じであると仮定すると、多層カーボンナノチューブ２０に対して必要な曝露量は４２０（Ｔｏｒｒ・ｍｉｎ）以上となる。したがって、本実施形態では、４２０（Ｔｏｒｒ・ｍｉｎ）以上の曝露量で行う。

また、多層カーボンナノチューブ２０への導入に必要な親水基である官能基の量によって曝露量を変化させても良い。多層カーボンナノチューブ２０へ導入可能な親水基である官能基はケトン、エステルを含むカルボキシルが挙げられる。加えて、カルボキシル基はアミンとの反応によりアミドとなるため、アミド基を多層カーボンナノチューブ２０に導入することも可能である。親水基である官能基を多層カーボンナノチューブ２０に導入することに関する非特許文献は他に、非特許文献３や非特許文献４が挙げられる。

次に、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の内部に親水基である官能基を導入する一つの方法である酸素雰囲気中での加熱処理について説明する。酸素雰囲気中での加熱処理は、オゾン処理と同様に真空槽内で行われる。酸素雰囲気１ｋＰａ中で５００−６００℃程度の加熱を行うことにより、化学的に活性な５員環を最も多く有する多層カーボンナノチューブ２０の先端が開端され、開端部分のカーボン原子がカルボキシル化する可能性が高いことが知られている（非特許文献５、非特許文献６参照）。

また、多層カーボンナノチューブ２０の側面の炭素原子が抜け落ちる場合があり、炭素原子が抜け落ちた位置に親水基である官能基が導入される。多層カーボンナノチューブ２０の炭素原子が抜け落ちた状態は、欠陥と呼ばれるものである。さらに、多層カーボンナノチューブ２０の炭素原子の結合が切れた場合における非結合手に親水基である官能基が導入される。したがって、多層カーボンナノチューブ２０の先端に親水基である官能基が導入されるとともに、多層カーボンナノチューブ２０の側面の一部に存在する欠陥等にカルボキシル基などの親水基である官能基が導入される。

なお、多層カーボンナノチューブ２０の成長温度や欠陥量の大小などといった質の違いにより、処理温度は前後する。以上のように、酸素雰囲気中での加熱処理によっても親水基である官能基の導入は可能である。

本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、高周波トランジスタ向けの放熱バンプに適用できる。図７に、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０の上にガリウムナイトライド（ＧａＮ）などの高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor；ＨＥＭＴ）
４０を設置する場合の模式図を示す。バンプ構造における多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０と、ＨＥＭＴ４０の電極部分とがフリップチップボンダにより接合される。

図７に示すように、フリップチップボンダは、高電子移動度トランジスタ４０をひっくり返すことにより、高電子移動度トランジスタ４０の表面に形成された電極４１と、パッケージ基板４２に形成された多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０とを接続させる。すなわち、高電子移動度トランジスタ４０の表面をパッケージ基板４２の方向に向けて、高電子移動度トランジスタ４０の表面に形成された電極４１とパッケージ基板４２に形成された多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０とを接続する。

本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０によれば、複合体電極３０の一方の端部が半導体素子に接合され、複合体電極３０の他方の端部が高電子移動度トランジスタ４０の表面に形成された電極４１に接合される。

また、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、高周波トランジスタ向けの放熱バンプだけでなく、その他の放熱性を要するデバイスにも適用可能である。また、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０の構造は、放熱用途以外の微細な金属電極構造にも適用できる。例えば、受動素子などに適用可能である。図８に、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を用いた受動素子構造の模式図を示す。図８には、入力から出力までの配線５０（信号ライン）に沿って、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０が設置されている。

図８に示すように、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複
合体電極３０は、配線５０に接合されている。また、配線５０は、接地導体５１に対向するように配置されている。そして、配線５０と接地導体５１との間に、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０が配置されている。さらに、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０と、接地導体５１との間には、間隔５２が設けられている。このようなストリップライン構造により高周波分布定数回路における実行波長の短縮化による回路の小型化が可能である（特許文献２参照)。

また、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、配線ビア構造に適用することも可能である。図９に、ＬＳＩ（Large Scale Integration）５３の構造を示す。図９に示すように、ＬＳＩ５３は、ＬＳＩ基板５４、ＬＳＩ基
板５４に形成された電極５５、ＬＳＩ基板５４に対向するように配置された銅配線５６、絶縁膜５７、銅配線５６と銅配線５６とを電気的に接続する複合体電極３０から構成されている。本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を、銅配線５６と銅配線５６とを電気的に接続する配線ビアとして用いることが可能である。図９に示すように、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、ＬＳＩ基板５４に形成された電極５５上に配置され、ＬＳＩ基板５４に形成された電極５５に接合されている。また、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０上に銅配線５６が配置され、多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、銅配線５６に接合されている。多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０は、銅配線５６と銅配線５６との間にも配置される。

〈カーボンナノチューブの成長方法１〉
図１０を参照して、多層カーボンナノチューブ２０の成長方法を示す。以下に示す多層カーボンナノチューブ２０の成長方法は、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を作製するために用いることができる。

まず、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板６０に対して、フォトリソグラフィー等により、任意の形状にパターニングを行った金属電極１０を作製する。金属電極１０の材料は、金、銀、銅などの金属を用いる。図１０（ａ）に、ＡｌＮ基板６０に金属電極１０を作製した模式図を示す。

そして、任意の形状にパターニングされた金属電極１０上にＴａ（タンタル）薄膜６１、Ａｌ（アルミニウム）薄膜６２とＦｅ（鉄）薄膜６３をスパッタ等により堆積する。この場合、Ｔａ薄膜６１、Ａｌ薄膜６２、Ｆｅ薄膜６３の順に金属電極１０に堆積させる。図１０（ｂ）に、金属電極１０上にＴａ薄膜６１、Ａｌ薄膜６２、Ｆｅ薄膜６３を堆積させた模式図を示す。また、１５ｎｍ程度の厚さでＴａ薄膜６１を堆積させ、５ｎｍ程度の厚さでＡｌ薄膜６２を堆積させ、２．５ｎｍ程度の厚さでＦｅ薄膜６３を堆積させる。ただし、Ａｌ薄膜６２はＴａ薄膜６１を全面に覆っていれば特に厚みに制限はない。一方、Ｆｅ薄膜６３の厚みは０．４ｎｍ−５ｎｍであることが好ましい。

ここで、金属電極１０上に堆積させた薄膜の役割について説明する。Ｔａ薄膜６１は、下地の金属電極１０の拡散防止層として機能し、Ａｌ薄膜６２は、多層カーボンナノチューブ２０の成長のためのサポート材料層として機能する。なお、Ａｌ薄膜６２の最表面は自然酸化膜に覆われている。Ｆｅ薄膜６３は、多層カーボンナノチューブ２０の成長のための触媒層として機能する。

Ｔａ薄膜６１、Ａｌ薄膜６２、Ｆｅ薄膜６３を堆積させた後、Ｔａ薄膜６１、Ａｌ薄膜６２、Ｆｅ薄膜６３を所定の形状、大きさにパターニングする。そして、リフトオフプロセスにより、Ｔａ薄膜６１、Ａｌ薄膜６２、Ｆｅ薄膜６３をパターニングするために使用
したレジストを除去する。

Ｔａ薄膜６１、Ａｌ薄膜６２、Ｆｅ薄膜６３が所定の位置に配置されるようにパターニングすることにより、多層カーボンナノチューブ２０が成長する位置を制御することができる。したがって、所望のパターニング箇所以外から多層カーボンナノチューブ２０は成長しない。

リフトオフプロセス後、ＡｌＮ基板６０をＣＶＤ炉に導入する。多層カーボンナノチューブ２０の成長前に水素ガス１ｋＰａをＣＶＤ炉に導入することによる前処理を行う。この前処理は、水素ガスの流量を１００ｓｃｃｍ（standard cubic cm per minute）、処理時間を１０分、処理温度を６００℃とする条件により行う。

そして、ＡｌＮ基板６０の温度を６２０℃とし、アセチレンとアルゴンとの混合ガス（混合比１：９）をＣＶＤ炉に１ｋＰａで導入する条件下で、熱フィラメントＣＶＤ法により多層カーボンナノチューブ２０の成長を行う。また、アセチレンとアルゴンとの混合ガスに加え、水素ガスをＣＶＤ炉に導入する。アセチレンとアルゴンとの混合ガスの流量は３０ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量は３５ｓｃｃｍとする。

１５分の成長時間で多層カーボンナノチューブ２０を成長させた場合、バンプ構造に必要な長さである長さ１９μｍ程度の多層カーボンナノチューブ２０を得ることができる。図１０（ｃ）に、多層カーボンナノチューブ２０を成長させた模式図を示す。

また、多層カーボンナノチューブ２０の成長には、触媒金属１１であるＦｅ薄膜６３を堆積させる方法に代えて、Ｆｅの直径のサイズを制御した触媒微粒子を予め作製し、Ａｌ薄膜６２上に堆積させてもよい。触媒微粒子を用いて堆積することに関して、例えば、非特許文献８に開示されている。

さらに、熱フィラメントＣＶＤ法において、上記説明したのと同じ条件で、Ｆｅ薄膜６３の代わりに１ｎｍ程度の厚さのＣｏ（コバルト）薄膜ないしは１ｎｍ程度の厚さのＮｉ（ニッケル）薄膜を用い、Ａｌ薄膜６２の代わりに５ｎｍ程度の厚さのＴｉＮ（窒化チタン）薄膜ないしは５ｎｍ程度のＴｉ（チタン）薄膜を用いても、同様の多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を成長させることができる。

また、多層カーボンナノチューブ２０の成長のためのサポート材料層として、Ａｌ薄膜６２以外に、ＴａＮ薄膜、Ａｌ酸化膜、Ｔｉ薄膜、Ｔｉ酸化膜、ＴｉＳｉ薄膜、Ｔａ薄膜、ＨｆＮ薄膜、Ｍｏ薄膜を用いることができる。また、Ｔａ薄膜６１も同様の効果をもたらすものであれば良く、例えばＴａＮ薄膜などをＴａ薄膜６１の代わりに用いることができる。

〈カーボンナノチューブの成長方法２〉
本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を作製するために、上記で示したカーボンナノチューブの成長方法１で成長させた多層カーボンナノチューブ２０だけでなく、先端が平坦な笠状構造（グラファイトシート構造７０）を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を用いることもできる。図１１を参照して、グラファイトシート構造７０を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の成長方法を示す。

以下に示す多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の成長方法は、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を作製するために用いることができる。なお、以下では、グラファイトシート構造７０を有する多層カーボンナ
ノチューブ２０のバンドル２１を、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１という。

まず、ＡｌＮ基板６０に対して、フォトリソグラフィー等により、任意の形状にパターニングを行った金属電極１０を作製する。金属電極１０の材料は、金、銀、銅、白金などの金属を用いる。図１１（ａ）に、ＡｌＮ基板６０に金属電極１０を作製した模式図を示す。

そして、任意の形状にパターニングされた金属電極１０上にＴａ薄膜６１、ＴｉＮ（チタンナイトライド）薄膜６４とＣｏ薄膜６５をスパッタ等により堆積する。この場合、Ｔａ薄膜６１、ＴｉＮ薄膜６４、Ｃｏ薄膜６５の順に金属電極１０に堆積させる。図１１（ｂ）に、金属電極１０上にＴａ薄膜６１、ＴｉＮ薄膜６４、Ｃｏ薄膜６５を堆積させた模式図を示す。また、１５ｎｍ程度の厚さでＴａ薄膜６１を堆積させ、５ｎｍ程度の厚さでＴｉＮ薄膜６４を堆積させ、１ｎｍ程度の厚さでＣｏ薄膜６５を堆積させる。ただし、Ｔａ薄膜６１、ＴｉＮ薄膜６４、Ｃｏ薄膜６５の厚みは例示であり、本発明はこれに限定されない。例えば、ＴｉＮ薄膜６４の厚みは２．５−１５ｎｍの間であれば良く、Ｃｏ薄膜６５の厚みは１．５−５ｎｍの間であることが好ましい。

ここで、金属電極１０上に堆積させた薄膜の役割について説明する。Ｔａ薄膜６１は、下地の金属電極１０の拡散防止層として機能し、ＴｉＮ薄膜６４は、多層カーボンナノチューブ２０の成長のためのサポート材料層として機能する。Ｃｏ薄膜６５は、多層カーボンナノチューブ２０の成長のための触媒層として機能する。また、Ｔａ薄膜６１及びＴｉＮ薄膜６４は、電極としても機能する。また、触媒層として、Ｃｏ薄膜６５に代えて、Ｎｉ薄膜、Ｆｅ薄膜６３を用いてもよい。

Ｔａ薄膜６１、ＴｉＮ薄膜６４、Ｃｏ薄膜６５を堆積させた後、Ｔａ薄膜６１、ＴｉＮ薄膜６４、Ｃｏ薄膜６５を所定の形状、大きさにパターニングする。そして、リフトオフプロセスにより、Ｔａ薄膜６１、ＴｉＮ薄膜６４、Ｃｏ薄膜６５をパターニングするために使用したレジストを除去する。

Ｔａ薄膜６１、ＴｉＮ薄膜６４、Ｃｏ薄膜６５が所定の位置に配置されるようにパターニングすることにより、多層カーボンナノチューブ２０が成長する位置を制御することができる。したがって、所望のパターニング箇所以外から多層カーボンナノチューブ２０は成長しない。

リフトオフプロセス後、ＡｌＮ基板６０をＣＶＤ炉に導入する。そして、ＡｌＮ基板６０の温度を５１０℃とし、アセチレンとアルゴンとの混合ガス（混合比１：９）を１ｋＰａにてＣＶＤ炉に導入する条件下で、フィラメントを用いない熱ＣＶＤ法により多層カーボンナノチューブ２０の成長を行う。アセチレンとアルゴンとの混合ガスの流量は２００ｓｃｃｍとする。

本実施形態のカーボンナノチューブの成長方法２で説明した条件により、２５分の成長時間で多層カーボンナノチューブ２０を成長させた場合、バンプ構造に必要な長さである長さ１８μｍ程度の笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０を得ることができる。図１１（ｃ）に、多層カーボンナノチューブ２０を成長させた模式図を示す。図１１（ｃ）に示すように、笠状構造（グラファイトシート構造７０）を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１が成長している。

透過型電子顕微鏡像、エネルギー分散型Ｘ線分析等により、本実施形態のカーボンナノチューブの成長方法２によって成長させた多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１
の先端部分の構造が厚さ５ｎｍ程度の複数層のグラファイトシート構造７０からなることを確認した。図１２及び図１３は、成長した多層カーボンナノチューブ２０の電子顕微鏡像を示す図である。図１２は、本実施形態のカーボンナノチューブの成長方法２によって成長させた多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の電子顕微鏡像を示す図である。図１３は、本実施形態のカーボンナノチューブの成長方法２によって成長させた多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の先端を拡大させた電子顕微鏡像を示す図である。

図１３に示すように、グラファイトシート構造７０と多層カーボンナノチューブ２０の先端部分とはそれぞれ独立して存在しているわけではなく、多層カーボンナノチューブ２０の先端部分が構造的にグラファイトシート構造７０に接続されている。そのため、多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１は、各多層カーボンナノチューブ２０の先端部分同士が構造的に接続される。したがって、多層カーボンナノチューブ２０の先端部分は、隣接する多層カーボンナノチューブ２０同士で繋がった構造となる。

多層カーボンナノチューブ２０の先端部分が構造的にグラファイトシート構造７０に接続されているかを確認するために、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を用いたビア配線の電気測定を行った。この電気測定は、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１と笠状構造を有しない多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１とを比較することにより行った。笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の直径及び笠状構造を有しない多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の直径は共に２μｍとした。電気測定の結果、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の電気抵抗は１３Ωであり、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の電気抵抗は３０Ωであった。したがって、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を用いたビア配線の電気測定の結果、構造的に接続していることが実証された。また、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を用いたビア配線の電気測定の結果、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の電気的特性が向上していることが確認された。

また、グラファイトシート構造７０は、多層構造となっており、垂直方向に対しての放熱性と平面方向に対しての放熱性を持つ。そのため、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１は、垂直方向に対しての放熱性と、平面方向に対しての放熱性を併せた性質を持つ。その結果、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１は、笠状構造を有しない多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１よりも、放熱特性が向上している。

本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０の作製に、笠状構造を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１を用いることにより、より電気的、熱的に良好な多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を作製することができる。

本実施形態では、多層カーボンナノチューブ２０の成長方法として、熱フィラメントＣＶＤ及び熱ＣＶＤ法を挙げているが、本発明はこれに限定されず、プラズマＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法など多層ナノチューブが直接基板上に成長する他の手法を用いても良い。また、多層ナノチューブの原料ガスとして、アセチレンを用いているが、これに代えて、メタン、エチレンなどの炭化水素、エタノール、メタノールなどのアルコール等の他の原料を用いても良い。

本実施形態では、多層カーボンナノチューブ２０を用いて説明しているが、本発明はこ
れに限定されない。本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０に代えて、単層カーボンナノチューブを用いてもよい。また、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０に代えて、カーボンナノファイバーを用いてもよい。単層カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーの成長方法は、本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０の成長方法と同様であり、ここではその説明を省略する。また、本実施形態の構造及び方法は、単層カーボンナノチューブやカーボンファイバーのような細線状の物質に適用できる。さらに、本実施形態の構造及び方法は、炭素系繊維に適用できる。また、本実施形態の構造及び方法は、中空状の炭素系繊維及び中空状でない炭素系繊維に適用できる。

（付記１）
複数の炭素系繊維で構成される前記炭素系繊維の集合体および金属からなる複合体構造であって、
前記炭素系繊維の集合体が前記金属で覆われていることを特徴とする複合体構造。

（付記２）
基板に形成された電極面から略垂直方向に前記炭素系繊維の集合体が長さ方向に配列して成長していることを特徴とする付記１に記載の複合体構造。

（付記３）
前記炭素系繊維の集合体の内部の前記炭素系繊維に前記金属が付着していることを特徴とする付記１又は２に記載の複合体構造。

（付記４）
複数の炭素系繊維で構成される前記炭素系繊維の集合体および金属からなる複合体構造であって、
前記複数の炭素系繊維は、長さ方向に配列しており、
前記炭素系繊維の集合体は、前記炭素系繊維の長さ方向と交差する方向に広がる炭素系物質を更に備え、
前記炭素系繊維の一方の端部は前記炭素系物質と接続され、
前記炭素系繊維の集合体が前記金属で覆われていることを特徴とする複合体構造。

（付記５）
隣接する前記炭素系繊維の集合体の間に前記金属が充填されていることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の複合体構造。

（付記６）
前記炭素系繊維の集合体は、前記炭素系繊維の集合体の内部で長さ方向に中空部を有し、前記中空部に前記金属が充填されていることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の複合体構造。

（付記７）
基板に形成された電極面の所定部分から略垂直方向に前記炭素系繊維の集合体が長さ方向に配列して成長していることを特徴とする付記４から６のいずれかに記載の複合体構造。

（付記８）
前記所定部分は、前記炭素系繊維の集合体を成長させる金属触媒が形成された部分であることを特徴とする付記７に記載の複合体構造。

（付記９）
前記炭素系繊維の集合体を覆う前記金属は、略均一の厚さであることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の複合体構造。

（付記１０）
前記炭素系繊維は、多層カーボンナノチューブであることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の複合体構造。

（付記１１）
前記炭素系繊維の集合体を覆う前記金属は、電解メッキ法により覆われたことを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の複合体構造。

（付記１２）
前記金属は、金、銀、銅、白金、ロジウム、パラジウム、スズ、ニッケルやそれらを少なくとも一種含む合金からなる群より選択される１から１１のいずれかに記載の炭素系繊維の集合体構造。

（付記１３）
前記炭素系繊維の集合体の内部に官能基が導入されていることを特徴とする付記１から１２のいずれかに記載の複合体構造。

（付記１４）
前記金属が、パッケージ基板及び半導体素子のうち少なくとも一つに接合されていることを特徴とする付記１から１３のいずれかに記載の複合体構造。

（付記１５）
前記金属が、接地導体に対向して配置された配線に接合されていることを特徴とする付記１から１４のいずれかに記載の複合体構造。

（付記１６）
前記金属が、半導体基板上に形成された電極に接合されているとともに半導体基板に対向して配置された銅配線に接合されていることを特徴とする付記１から１５のいずれかに記載の複合体構造。

カーボンナノチューブを用いて作製したバンプ構造の走査型電子顕微鏡像を示す図である。カーボンナノチューブを用いて作製したバンプ構造の走査型電子顕微鏡像を示す図である。カーボンナノチューブを用いて作製したバンプ構造の走査型電子顕微鏡像を示す図である金属電極１０上に触媒金属１１のパターンを作製した模式図である。触媒金属１１上からのみ多層カーボンナノチューブ２０が配向成長した模式図である。多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０の模式図である。多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０の上に高電子移動度トランジスタ４０を設置する場合の模式図である。本実施形態の多層カーボンナノチューブ２０と金属電極１０との複合体電極３０を用いた受動素子構造の模式図である。ＬＳＩ（Large Scale Integration）５３の構造を示す図である。多層カーボンナノチューブ２０の成長方法を示す図である。グラファイトシート構造７０を有する多層カーボンナノチューブ２０のバンドル２１の成長方法を示す図である。成長した多層カーボンナノチューブ２０の電子顕微鏡像を示す図である。成長した多層カーボンナノチューブ２０の電子顕微鏡像を示す図である。

符号の説明

１０金属電極
１１触媒金属
１２金属
２０カーボンナノチューブ
２１バンドル
３０複合体電極
４０高電子移動度トランジスタ
４１電極
４２パッケージ基板
５０配線
５１接地導体
５２間隔
５３ＬＳＩ
５４ＬＳＩ基板
５５電極
５６銅配線
５７絶縁膜
６０ＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板
６１Ｔａ（タンタル）薄膜
６２Ａｌ（アルミニウム）薄膜
６３Ｆｅ（鉄）薄膜
６４ＴｉＮ（チタンナイトライド）薄膜
６５Ｃｏ（コバルト）薄膜
７０グラファイトシート構造

Claims

複数の炭素系繊維で構成される前記炭素系繊維の集合体および金属からなる複合体構造であって、
前記複数の炭素系繊維は、長さ方向に配列しており、
前記炭素系繊維の集合体は、前記炭素系繊維の長さ方向と交差する方向に広がる炭素系物質を更に備え、
前記炭素系繊維の一方の端部は前記炭素系物質と直接接続され、
前記炭素系繊維の集合体が前記金属で覆われている複合体構造。
隣接する前記炭素系繊維の集合体の間に前記金属が充填されている請求項１に記載の複合体構造。
前記炭素系繊維の集合体は、前記炭素系繊維の集合体の内部で長さ方向に中空部を有し、前記中空部に前記金属が充填されている請求項１に記載の複合体構造。