JP5287237B2 - 炭素系繊維のデバイス構造およびその製造方法 - Google Patents

炭素系繊維のデバイス構造およびその製造方法 Download PDF

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本発明は、炭素系繊維のデバイス構造およびその製造方法に関する。
カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ（ＣＮＴ））は、電気伝導性、熱伝導性、機械的特性に優れていることから、様々な分野で応用が試みられている。そのため、電子デバイス、放熱デバイス、ＬＳＩ（Large Scale Integration）用配線、トランジスタのチャネル、放熱バンプ、電子放出源としての応用が期待されている。特に配向成長したカーボンナノチューブは、配線応用、放熱応用が期待されている。なお、カーボンナノチューブを配向成長させる方法として、現在、化学気相堆積法（ＣＶＤ）法が主流であり、所望の基板上に直接ＣＮＴを成長させることも一般的に行われている。カーボンナノチューブを配向成長させる方法として、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ホットフィラメントＣＶＤ法などがある。また、最密充填に近いカーボンナノチューブを得る方法として、ＳｉＣの熱分解法がある。
特開２００４−１８５９８５号公報 特表２００２−５３０８０５号公報 特許第３１８３８４５号公報 特開２００２−３２９７２３号公報 A. Bezyadin、外、Nature、Vol. 386、1997年、p. 474 T. Iwai、外、IEEE IEDM Tech. Digest、2005年、p. 265 A. G. Rinzler、外、Science、Vol. 269、1995年、p.1550
カーボンナノチューブの応用においては、基板に配向成長させたカーボンナノチューブを利用するものも多い。カーボンナノチューブの応用例として、例えば、ＬＳＩ用配線や放熱バンプがある。カーボンナノチューブを応用した場合、配線抵抗の低減や放熱効率の向上の点から、できるだけ密度が高いカーボンナノチューブを基板に成長させることが望ましい。しかし、従来の方法によって配向成長させたカーボンナノチューブは密度が低い。また、隣接するカーボンナノチューブの一部は接触しているが、そのすべてが接触しているわけではない。すなわち、隣接するカーボンナノチューブの間隔が開くという問題がある。高密度のカーボンナノチューブの成長は、一般的に容易ではなく、従来の方法によって配向成長させたカーボンナノチューブの体積占有率は、１０％程度である。また、ＳｉＣの熱分解法は、熱処理温度が１２００〜２２００℃である。そのため、基板選定や他のデバイスとのプロセス整合が困難となる。本発明では、カーボンナノチューブを高密度化する技術を提供することを目的とする。
本発明は、上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、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、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構造であって、一方の端部における前記炭素系繊維の密度と他方の端部における前記炭素系繊維の密度とが異なる前記炭素系繊維が長さ方向に配列された前記炭素系繊維の集合体からなる。本発明によれば、炭素系繊維の集合体の両端の密度は、一方の端部と他方の端部とで異なり、一方の端部の炭素系繊維の密度よりも他方の端部の炭素系繊維の密度が高い。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、隣接する前記炭素系繊維の集合体の間に前記炭素系繊維と異なる物質を有するものでもよい。本発明によれば、炭素系繊維の集合体の両端の密度は、一方の端部と他方の端部とで異なっている。そのため、隣接する炭素系繊維の集合体の間に炭素系繊維と異なる物質を有することが可能となる。その結果、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、炭素系繊維の集合体と、炭素系繊維と異なる物質とを組み合わせることが可能となる。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、隣接する前記炭素系繊維の集合体の間に空間を有するものでもよい。本発明によれば、炭素系繊維の集合体の両端の密度は、一方の端部と他方の端部とで異なっている。そのため、隣接する炭素系繊維の集合体の間に空間を有する。その結果、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、隣接する炭素系繊維の集合体の間の空間を有効に利用することが可能となる。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、隣接する前記炭素系繊維の集合体が異なる方向に配置されてもよい。本発明によれば、炭素系繊維の集合体の両端の密度は、一方の端部と他方の端部とで異なっている。そのため、隣接する炭素系繊維の集合体の間に、炭素系繊維の集合体を異なる方向に配置することができる。その結果、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、炭素系繊維の集合体と、異なる方向に配置された炭素系繊維の集合体とを組み合わせることが可能となる。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造では、一方の端部の前記炭素系繊維の密度よりも高密度である他方の端部の前記炭素系繊維は、各炭素系繊維が互いに密着して形成されていてもよい。本発明によれば、炭素系繊維の集合体の両端の密度は、一方の端部と他方の端部とで異なり、各炭素系繊維が互いに密着して形成されている。その結果、各炭素系繊維を互いに密着して形成することにより、一方の端部の炭素系繊維の密度よりも他方の端部の炭素系繊維の密度を高くすることができる。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、一方の端部がパッケージ基板に接合されるともに、一方の端部の前記炭素系繊維の密度よりも高密度である他方の端部が半導体素子に接合されてもよい。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、前記炭素系繊維が、中空状であってもよい。さらに、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、前記炭素系繊維が、カーボンナノチューブであってもよい。また、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、前記炭素系繊維が、カーボンナノファイバーであってもよい。さらに、本発明の炭素系繊維の集合体構造は、前記炭素系繊維と異なる物質が、誘電体、有機物質、金属、絶縁体のいずれかであってもよい。
本発明の炭素系繊維の集合体構造の製造方法は、基板面から略垂直方向に炭素系繊維が長さ方向に配列した前記炭素系繊維の集合体を成長させる工程と、前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の一方の端部を密集させる密集工程とを有する。本発明によれば、炭素系繊維の集合体の長さ方向の一方の端部を密集させることができる。そのため、一方の端部と他方の端部とで密度が異なる炭素系繊維の集合体構造を製造することが可能となる。
本発明の炭素系繊維の集合体構造の製造方法は、第１の基板の基板面から略垂直方向に炭素系繊維が長さ方向に配列した前記炭素系繊維の集合体を成長させる工程と、前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の一方の端部を密集させる密集工程と、前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の他方の端部を第２の基板の基板面に密着させる工程と、前記第１の基板の基板面に成長した前記炭素繊維の集合体を前記第１の基板の基板面から引き剥がす工程と、前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の他方の端部を密集させる密集工程とを有する。本発明によれば、炭素系繊維の集合体の長さ方向の両方の端部を密集させることができる。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造の製造方法は、前記密集工程が、前記炭素系繊維と異なる付着物質を含む溶媒を前記炭素系繊維の集合体に含浸させる工程と、前記溶媒を蒸発させる工程とを有するものでもよい。また、本発明の炭素系繊維の集合体構造の製造方法は、前記密集工程が、溶媒を前記炭素系繊維の集合体に含浸させる工程と、前記炭素系繊維の集合体及び前記溶媒を乾燥させる工程とを有するものでもよい。
また、本発明の炭素系繊維の集合体構造の製造方法は、前記溶媒が、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジクロロエタン、イソプロピルアルコール、メタノール、エタノールからなる群より選択されるものでもよい。また、本発明の炭素系繊維の集合体構造の製造方法は、前記溶媒が、界面活性剤又は機能性高分子を含むものでもよい。
また、本発明の半導体基板の配線形成方法は、前記半導体基板が備える電極上に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構造を形成する工程と、前記電極と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程と、前記炭素系繊維の集合体構造上に導電体を形成する工程と、前記導電体上に前記炭素系繊維の集合体構造を形成する工程と、前記導電体と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程とを有し、前記炭素系繊維の集合体は、前記炭素系繊維が長さ方向に配列され、一方の端部の前記炭素系繊維の密度と他方の端部の前記炭素系繊維の密度とが異なり、一方の端部の前記炭素系繊維の密度よりも高密度である他方の端部の前記炭素系繊維は、各炭素系繊維が互いに密着して形成されている。本発明によれば、炭素系繊維の集合体構造によって、半導体基板が備える電極と導電体とを電気的に接続する。その結果、電流密度が増加した場合でも、電極と導電体との間の断線の可能性を低減させることができる。
また、本発明の半導体基板の配線形成方法は、前記電極と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程が、前記電極上に触媒膜を堆積し、プロセスガスを使用して前記触媒膜を溶融させて前記電極と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程であり、前記導電体と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程が、前記導電体上に触媒膜を堆積し、プロセスガスを使用して前記触媒膜を溶融させて前記導電体と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程であってもよい。
また、本発明の半導体基板の配線形成方法は、前記触媒膜が、コバルト、鉄、ニッケルからなる群より選択される金属、または当該金属を含む合金よりなるものでもよい。また、本発明の半導体基板の配線形成方法は、前記プロセスガスが、炭化水素系ガス及びアルコールのうち少なくとも一つを含むものでもよい。
本発明によれば、カーボンナノチューブを高密度化することができる。
従来の方法によってカーボンナノチューブ１を配向成長させた場合の図である。 従来の方法によってカーボンナノチューブ１を配向成長させた場合のカーボンナノチューブ１の正面図である。 従来の方法によってカーボンナノチューブ１を配向成長させた場合のカーボンナノチューブ１の上面図である。 第１実施形態のカーボンナノチューブ１の成長方法を示す図である。 カーボンナノチューブ群５が成長した例を示す図である。 有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬する図である。 有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬する図である。 有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬する図である。 有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬する図である。 各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の正面図である。 各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の上面図である。 各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の正面図である。 各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の上面図である。 カーボンナノチューブ１が存在しない空間を示す図である。 密度が異なるカーボンナノチューブ群５を複数配置した図である。 高密度の端部の方向が互い違いになるように密度が異なるカーボンナノチューブ群５を複数配置した場合の正面図である。 パターニング後の鉄膜８を示す図である。 、酸化膜付きシリコン基板７に配向成長したカーボンナノチューブ群５を示す図である。 カーボンナノチューブ群５に溶媒を付着させる工程を示す図である。 カーボンナノチューブ群５に溶媒を付着させる工程を示す図である。 カーボンナノチューブ群５に溶媒を付着させる工程を示す図である。 カーボンナノチューブ群５に溶媒を付着させる工程を示す図である。 カーボンナノチューブ群５に溶媒を付着させる工程を示す図である。 カーボンナノチューブ群５に溶媒を付着させる工程を示す図である。 各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の正面図である。 高密度化されたカーボンナノチューブ群５及び基板２０を示す図である。 基板２０及び基板２３の構造を示す図である。 低融点金属膜付きの基板２３と基板２０とを重ね合わせた構造を示す図である。 基板２０からカーボンナノチューブ群５が引き剥がされ、低融点金属膜付きの基板２３にカーボンナノチューブ群５が密着した構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５に、第３実施形態で示した高密度化処理を行う場合の工程図である。 カーボンナノチューブ群５に、第３実施形態で示した高密度化処理を行う場合の工程図である。 カーボンナノチューブ群５に、第３実施形態で示した高密度化処理を行う場合の工程図である。 カーボンナノチューブ群５に、第３実施形態で示した高密度化処理を行う場合の工程図である。 従来のトランジスタ実装を示す構造図である。 フリップチップ実装を示す構造図である。 フリップチップ実装を示す構造図である。 電極５１を形成した窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５を形成した窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。 高密度化したカーボンナノチューブ群５が形成された窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。 各カーボンナノチューブ１の長さが不均一のカーボンナノチューブ群５が形成された窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５を覆うように、層間絶縁膜６０を堆積させた窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜６０が研磨された後の窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。 高出力トランジスタチップ４０を備え付けた窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。 ＬＳＩ（Large Scale Integration）７０の構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５を成長させた基板７４及びＬＳＩ基板７５の構造を示す図である。 基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせた構造を示す図である。 基板７４とＬＳＩ基板７５との間の隙間を、層間絶縁膜８０で埋めた構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５を覆うように層間絶縁膜８０を堆積させた基板７４の構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５の先端を突出させた構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０が研磨されたＬＳＩ基板７５の構造を示す図である。 銅配線７１が形成されたＬＳＩ基板７５の構造を示す図である。 銅配線７１が形成されたＬＳＩ基板７５及び基板７４の構造を示す図である。 基板７４と銅配線７１が形成されたＬＳＩ基板７５とを重ね合わせた構造を示す図である。 ＬＳＩ基板７５に形成された銅配線７１にカーボンナノチューブ群５が密着した構造を示す図である。 カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０が研磨されたＬＳＩ基板７５の構造を示す図である。
符号の説明
１ カーボンナノチューブ
２ シリコン基板
３ チタン層
４ コバルト層
５ カーボンナノチューブ群
６ 容器
７ 酸化膜付きシリコン基板
８ 鉄膜
９ 溶媒
１０ 容器
２０ 基板
２１ 基板
２２ 低融点金属膜
２３ 低融点金属膜付きの基板
３０ 低融点金属膜付きの基板
３１ 基板
３２ 低融点金属膜
５０ 窒化アルミニウム基板
５１ 電極
６０ 層間絶縁膜
７０ ＬＳＩ（Large Scale Integration）
７１ 銅配線
７２ 絶縁膜
７３ ビア
７４ 基板
７５ ＬＳＩ基板
７６ 電極
７７ コバルト膜
７８ タンタル膜
７９ チタン膜
８０ 層間絶縁膜
以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）について説明する。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限定されない。
図１は、従来の方法によってカーボンナノチューブ１を配向成長させた場合の図である。図１に示すように、大量のカーボンナノチューブ１が成長している。しかし、隣接するカーボンナノチューブ１は、互いに接触していない場合がある。図２は、従来の方法によってカーボンナノチューブ１を配向成長させた場合のカーボンナノチューブ１の正面図である。図３は、従来の方法によってカーボンナノチューブ１を配向成長させた場合のカーボンナノチューブ１の上面図である。図２及び図３に示すように、隣接するカーボンナノチューブ１の間には間隔がある。すなわち、隣接するカーボンナノチューブ１の間には隙間が生じている。ただし、すべてが接触しないで孤立しているわけではない。配向成長するには接触した部分も必要な場合がある。特にカーボンナノチューブが細くなった場合には一部接触した部分がないと配向成長しにくくなる。この場合でも隣接するカーボンナノチューブ１の間には隙間が生じる。
〈第１実施形態〉
図４から図１１を用いて、本実施形態のカーボンナノチューブ１の成長方法を示す。図４に示すように、シリコン基板２上にチタン（Ｔｉ）層を形成する。そして、チタン層３上にコバルト（Ｃｏ）層４を形成する。この場合、コバルト層４を直径１μｍ程度でパターニングしておく。本実施形態では、コバルト層４を直径１μｍ程度でパターニングしているが、これに限定されず、任意の大きさにパターニングしてもよい。コバルト層４をパターニングすることにより、カーボンナノチューブ１が成長する位置を制御することができる。
次に、チタン層３及びコバルト層４が形成されたシリコン基板２を熱ＣＶＤチャンバーに導入する。そして、熱ＣＶＤチャンバーにアルゴン（Ａｒ）とアセチレン（Ｃ２Ｈ２）との混合ガス（９：１）を１ｋＰａで導入する。
さらに、熱ＣＶＤチャンバー内の圧力が安定した後、シリコン基板２を３０分かけて５１０℃に加熱する。次に、シリコン基板２を５１０℃に加熱した状態で１０分間保持する。上記の過程を経て、コバルト層４上にカーボンナノチューブ１が成長する。図５は、コバルト層４にカーボンナノチューブ群５が成長した図である。カーボンナノチューブ群５とは、コバルト層４上に成長したカーボンナノチューブ１のまとまりをいう。
図５に示すように、コバルト層４上のカーボンナノチューブ１は、垂直方向に成長している。図５は、カーボンナノチューブ群５が成長した例であって、カーボンナノチューブ１の数はこれに限定されるものではない。また、本実施形態では、カーボンナノチューブ１を成長させる際に、触媒金属としてコバルトを使用している。しかし、触媒金属としてコバルトに限らず鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）等の遷移金属を使用してもよい。また、カーボンナノチューブ１の成長方法として、化学的気相成長法(ＣＶＤ法)、ホットフィラメントＣＶＤ法及びプラズマＣＶＤ法を使用してもよい。
次に、有機溶媒（カーボンナノチューブと異なる付着物質を含む溶媒）を含む樹脂に、カーボンナノチューブ群５を浸漬する。具体的には、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６に図５で示すカーボンナノチューブ群５を浸漬する。有機溶媒を含む樹脂にカーボンナノチューブ群５を浸漬する場合、カーボンナノチューブ群５はシリコン基板２とともに浸漬する。図６は、有機溶媒を含む樹脂にカーボンナノチューブ群５を浸漬した図である。
例えば、図６に示すように、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５をＡの部分まで浸漬する。また、例えば、図７に示すように、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５をＢの部分まで浸漬する。図６及び図７は、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬した直後を示した図である。
図６では、カーボンナノチューブ１の浸漬部分をカーボンナノチューブ１の長さの半分程度とする。浸漬部分とは、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ１を浸漬する部分をいう。図７では、浸漬部分をカーボンナノチューブ１の長さの２０パーセント程度とする。浸漬部分は、有機溶媒の種類、樹脂の種類などに応じて適宜変更することができる。
図６及び図７では、カーボンナノチューブ群５の根元側（シリコン基板２と接触している端部側）を浸漬部分としている。また、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬する場合、カーボンナノチューブ群５の先端側（シリコン基板２と接触していない端部側）を浸漬させることもできる。
例えば、図８に示すように、各カーボンナノチューブ１の先端側を浸漬部分とする。この場合、図８に示すように、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５をＣの部分まで浸漬する。また、例えば、図９に示すように、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５をＤの部分まで浸漬する。図８及び図９は、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬した直後を示した図である。図８では、カーボンナノチューブ１の浸漬部分をカーボンナノチューブ１の長さの半分程度とする。図９では、浸漬部分をカーボンナノチューブ１の長さの２０パーセント程度とする。
有機溶媒を含む樹脂にカーボンナノチューブ群５を浸漬する時間は、１分程度とする。本実施形態では、有機溶媒を含む樹脂にカーボンナノチューブ群５を浸漬する時間を１分程度としたが、これに限定されるものではない。したがって、カーボンナノチューブ１の構造、数等によって適宜変更してもよい。
有機溶媒として、例えば、メタノール、エタノールなどのアルコールを使用する。また、樹脂として、例えば、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂などを使用する。樹脂として、より具体的には、例えば、エポキシ系樹脂を使用する。
図６及び図７に示すように、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬した場合、隣接するカーボンナノチューブ１の間は有機溶媒を含む樹脂で満たされる。そして、シリコン基板２上のカーボンナノチューブ群５は、各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成される。
有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬した場合、毛細管現象により有機溶媒を含む樹脂がカーボンナノチューブ１を浸漬していない部分へ移動する。そして、有機溶媒を含む樹脂は、カーボンナノチューブ１の端部まで移動する。有機溶媒を含む樹脂がカーボンナノチューブ１の端部まで移動した場合、カーボンナノチューブ１は有機溶媒を含む樹脂で覆われた状態となる。
有機溶媒を含む樹脂がカーボンナノチューブ１の端部まで移動する際に、表面張力により、隣接するカーボンナノチューブ１は寄り添う。また、有機溶媒を揮発させた場合、カーボンナノチューブ１は樹脂で覆われた状態となる。そして、有機溶媒が揮発する際の体積収縮により、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１は寄り添う。すなわち、有機溶媒を含む樹脂から有機溶媒が揮発した場合、樹脂のみが各カーボンナノチューブ１を覆う。そのため、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１はさらに寄り添う。
したがって、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１が互いに寄り添ってカーボンナノチューブ群５を形成する。また、各カーボンナノチューブ１が隣接するカーボンナノチューブ１と接触した場合、各カーボンナノチューブ１は互いに寄り添った状態を保持する。すなわち、各カーボンナノチューブ１を覆っている樹脂によって各カーボンナノチューブ１は互いに寄り添った状態が保持される。言い換えれば、各カーボンナノチューブ１を覆っている樹脂は、隣接するカーボンナノチューブ１同士が固着した状態を保持する。
図１０は、各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の正面図である。図１０は、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬し、カーボンナノチューブ群５を容器６から引き上げた後の図である。
図１１は、各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の上面図である。図１１は、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬し、カーボンナノチューブ群５を容器６から引き上げた後の図である。
図１０及び図１１に示すように、有機溶媒を含む樹脂によって満たされた容器６にカーボンナノチューブ群５を浸漬した場合、各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成される。
有機溶媒を含む樹脂にカーボンナノチューブ群５を浸漬することに代えて、有機溶媒を含む樹脂をカーボンナノチューブ群５に滴下してもよい。また、スピンコート法を用いて有機溶媒を含む樹脂をカーボンナノチューブ群５に滴下してもよい。
有機溶媒を含む樹脂をカーボンナノチューブ群５に滴下する場合、各カーボンナノチューブ１が有機溶媒を含む樹脂で覆われるように滴下する。具体的には、各カーボンナノチューブ１の一部に有機溶媒を含む樹脂を滴下する。各カーボンナノチューブ１の一部に有機溶媒を含む樹脂を滴下した場合、毛細管現象により有機溶媒を含む樹脂を滴下していない部分に有機溶媒を含む樹脂が移動する。有機溶媒を含む樹脂を滴下していない部分に有機溶媒を含む樹脂が移動した場合、カーボンナノチューブ１は有機溶媒を含む樹脂で覆われた状態となる。
有機溶媒を含む樹脂が有機溶媒を含む樹脂を滴下していない部分に移動する際に、表面張力により、隣接するカーボンナノチューブ１は寄り添う。また、有機溶媒を揮発させた場合、カーボンナノチューブ１は樹脂で覆われた状態となる。そして、有機溶媒が揮発する際の体積収縮により、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１は寄り添う。すなわち、有機溶媒を含む樹脂から有機溶媒が揮発した場合、樹脂のみが各カーボンナノチューブ１を覆う。そのため、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１はさらに寄り添う。
したがって、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１が互いに寄り添ってカーボンナノチューブ群５を形成する。また、各カーボンナノチューブ１が隣接するカーボンナノチューブ１と接触した場合、各カーボンナノチューブ１は互いに寄り添った状態を保持する。すなわち、各カーボンナノチューブ１を覆っている樹脂によって各カーボンナノチューブ１は互いに寄り添った状態が保持される。言い換えれば、各カーボンナノチューブ１を覆っている樹脂は、隣接するカーボンナノチューブ１同士が固着した状態を保持する。
このように、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１は、その端部の一方が互いに寄り添って形成される。その結果、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度は、カーボンナノチューブ群５の先端側と根元側とで異なる。すなわち、一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５が形成される。カーボンナノチューブ群５の先端側のカーボンナノチューブ１の密度は、カーボンナノチューブ群５の根元側のカーボンナノチューブ１の密度よりも高密度になる。
例えば、有機溶媒としてエタノールを使用し、樹脂としてエポキシ樹脂を使用した場合、有機溶媒を含む樹脂はエタノールで希釈したエポキシ樹脂である。また、エタノールとエポキシ樹脂との比率は任意である。ただし、隣接するカーボンナノチューブ１の間の隙間のすべてがエポキシ樹脂によって埋まらないようにする。隣接するカーボンナノチューブ１の間の隙間のすべてがエポキシ樹脂によって埋まると、隣接するカーボンナノチューブ１は寄り添うことができない。その結果、樹脂で覆われた各カーボンナノチューブ１は、その端部の一方が互いに寄り添って形成できない。そのため、例えば、有機溶媒を含む樹脂の体積をカーボンナノチューブ群５の体積よりも少なくする。これにより、隣接するカーボンナノチューブ１の間の隙間のすべてがエポキシ樹脂によって埋まることがなくなる。
本実施形態では、有機溶媒と樹脂の組み合わせを示したが、樹脂の変わりに、ナノポーラスシリカ（誘電体材料）などの微結晶材料を用いても良い。こうすることで樹脂だけでなく、誘電体材料でも寄り添った形のカーボンナノチューブが形成できる。
〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態を図１２及び図１３の図面に基づいて説明する。上記第１実施形態では、有機溶媒を含む樹脂を用いて各カーボンナノチューブ１を覆うことにより、一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を形成する方法について説明した。本実施形態では、金属を用いて各カーボンナノチューブ１を覆うことにより、一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を形成する方法について説明する。他の構成および作用は第１実施形態と同様である。そこで、同一の構成要素については、第１実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。また、必要に応じて図５から図１１の図面を参照する。
まず、図５に示すチタン層３及びコバルト層４が形成されたシリコン基板２にカーボンナノチューブ群５を成長させる。カーボンナノチューブ群５の成長方法は、第１実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。次に、各カーボンナノチューブ１に金属を蒸着させる。例えば、各カーボンナノチューブ１に蒸着させる金属として金（Ａｕ）を使用する。また、各カーボンナノチューブ１に蒸着させる金属として、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、はんだ等を使用してもよい。
各カーボンナノチューブ１に金を蒸着させる場合、スパッタ法により各カーボンナノチューブ１の表面に金を１ナノメートル（ｎｍ）程度の厚さで蒸着させる。スパッタ法を用いることにより、各カーボンナノチューブ１に金を正確に蒸着させることが可能である。例えば、スパッタ装置を用いる場合、蒸着させる金の膜厚を１ナノメートル（ｎｍ）と設定することにより、各カーボンナノチューブ１は膜厚１ナノメートル（ｎｍ）の金が蒸着する。この場合、カーボンナノチューブ１に対して金を蒸着させる部分は任意である。また、蒸着させる金の体積は、蒸着させる対象となるカーボンナノチューブ群５の体積によって決定する。また、各カーボンナノチューブ１に金属を蒸着させることに代えて、溶融した金属に各カーボンナノチューブ１を浸漬させてもよい。
次に、カーボンナノチューブ群５に対して約３００度の熱処理を行う。金の融点は通常１０００度を超える。しかし、金をナノサイズまで小さくした場合、金の融点は低下する。したがって、カーボンナノチューブ群５に対して約３００度の熱処理を行った場合、各カーボンナノチューブ１に蒸着した金は溶融する。そして、各カーボンナノチューブ１は溶融した金で覆われる。各カーボンナノチューブ１に蒸着させる金属として、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、はんだ等を使用した場合の熱処理の温度は、実験又はシミュレーションによって求めておけばよい。
各カーボンナノチューブ１に蒸着した金が溶融する際、表面張力により、隣接する金で覆われたカーボンナノチューブ１は寄り添う。そして、金で覆われた各カーボンナノチューブ１が寄り添って形成される。したがって、金で覆われた各カーボンナノチューブ１は、互いに寄り添ってカーボンナノチューブ群５を形成する。また、各カーボンナノチューブ１が隣接するカーボンナノチューブ１と接触した場合、各カーボンナノチューブ１は互いに寄り添った状態を保持する。すなわち、各カーボンナノチューブ１を覆っている金によって各カーボンナノチューブ１は互いに寄り添った状態が保持される。言い換えれば、各カーボンナノチューブ１を覆っている金は、隣接するカーボンナノチューブ１同士が固着した状態を保持する。
このように、金で覆われた各カーボンナノチューブ１は、その端部の一方が互いに寄り添って形成される。その結果、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度は、カーボンナノチューブ群５の先端側と根元側とで異なる。すなわち、一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５が形成される。カーボンナノチューブ群５の先端側のカーボンナノチューブ１の密度は、カーボンナノチューブ群５の根元側のカーボンナノチューブ１の密度よりも高密度になる。
図１２は、各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の正面図である。図１３は、各カーボンナノチューブ１の端部の一方が寄り添って形成されたカーボンナノチューブ群５の上面図である。図１２及び図１３に示すように、各カーボンナノチューブ１を金で覆うことにより、一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５が形成される。このように、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度を高くする処理を高密度化処理という。
また、上記第１実施形態の方法とともに本実施形態による方法を行ってもよい。すなわち、金属を用いて各カーボンナノチューブ１を覆うとともに、有機溶媒を含む樹脂を用いて各カーボンナノチューブ１を覆う。金属が各カーボンナノチューブ１の先端側に多く蒸着した場合、カーボンナノチューブ群５を有機溶媒を含む樹脂に浸漬させる。そのことにより、各カーボンナノチューブ１の端部の一方が互いに寄り添って形成されることを促進することが可能となる。一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５は、例えば、フィールドエミッションの電子源等に利用することができる。
〈第３実施形態〉
本発明の第３実施形態を図１４の図面に基づいて説明する。上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を形成する方法について説明した。カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５は、端部の一方が互いに寄り添って形成されている。カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５とは、一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５をいう。
カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５にはカーボンナノチューブ１が存在しない空間がある。すなわち、図１４に示すように、Ｅの部分にカーボンナノチューブ１が存在しない空間がある。
本実施形態では、カーボンナノチューブ１が存在しない空間を利用する方法について説明する。本実施形態では、カーボンナノチューブ１が存在しない空間に誘電体膜を形成する。すわわち、図１４のＥの部分に誘電体膜を形成する。このように、カーボンナノチューブ１が存在しない空間に誘電体膜が形成されることにより、カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を誘電体膜の強度補強財として利用することができる。例えば、誘電体膜として機能するナノポーラスシリカは、機械的強度が弱い。そこで、カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を誘電体膜の強度補強財として利用することにより、誘電体膜の機械的強度を補強することが可能となる。
また、カーボンナノチューブ１が存在しない空間にメッキによる金属を形成してもよい。すなわち、カーボンナノチューブ１が存在しない空間に金属層を形成してもよい。さらには、カーボンナノチューブ１が存在しない空間に樹脂を充填してもよい。カーボンナノチューブ１が存在しない空間に充填する樹脂としては、例えば有機物質がある。また、カーボンナノチューブ１が存在しない空間にＳｉＯ２等の絶縁膜を形成してもよい。
このように、カーボンナノチューブ１が存在しない空間に誘電体膜、金属層、樹脂及び絶縁膜等が形成されることにより、デバイス特性の改善、放熱特性の改善、デバイス強度の改善が可能となる。
〈第４実施形態〉
本発明の第４実施形態を図１５及び図１６の図面に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態又は第２実施形態によって形成された密度が異なるカーボンナノチューブ群５を組み合わせる方法について説明する。
まず、カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を同一直線上に複数配置する。この場合、一方の端部よりも高密度である他方の端部が同じ方向となるように配置する。図１５に示すように、カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５は、同一直線上に複数配置されている。また、一方の端部よりもカーボンナノチューブ１の密度が高密度である他方の端部が同じ方向となるように配置されている。ここで、カーボンナノチューブ群５の端部のうち、一方の端部よりもカーボンナノチューブ１の密度が高密度である他方の端部を高密度の端部という。
次に、同一直線上に並んでいる複数のカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５の間に、カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を更に配置する。この場合、既に並んでいる複数のカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５の高密度の端部に対して、高密度の端部が反対方向となるようにカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を更に配置する。すなわち、カーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を高密度の端部の方向が互い違いになるように同一直線上に複数配置する。図１６は、高密度の端部の方向が互い違いになるように同一直線上にカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を複数配置した場合の正面図である。
カーボンナノチューブ１が存在しない空間にカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群５を更に配置することでカーボンナノチューブ群５の密度を増加させることができる。すなわち、高密度のカーボンナノチューブ群５の形成が可能となる。
〈第５実施形態〉
本発明の第５実施形態を図１７から図２５の図面に基づいて説明する。図１７及び図１８の図面を用いて、本実施形態のカーボンナノチューブ１の成長方法を説明する。まず、酸化膜付きシリコン基板７に触媒を堆積させる。この場合、微粒子化された触媒を用いてもよいし、スパッタ法によって堆積させた膜状の触媒を用いてもよい。
本実施形態では、酸化膜付きシリコン基板７に堆積させる触媒として鉄を用いて説明する。また、本実施形態では、酸化膜付きシリコン基板７に鉄触媒を堆積させる方法として、スパッタ法を用いて説明する。酸化膜付きのシリコン基板７に厚さ１ｎｍの鉄膜８をスパッタ法により堆積させ、フォトリソグラフィーを用いて、直径５μｍ程度の鉄膜８となるようにパターニングを行う。図１７に、パターニング後の鉄膜８を示す。図１７に示すように、酸化膜付きのシリコン基板７上に略円形の鉄膜８がパターニングにより形成される。鉄膜８の直径は例示であって、本発明はこれに限定されず、任意のサイズで鉄膜８のパターニングを行ってもよい。
パターニング後の鉄膜８が形成された酸化膜付きシリコン基板７を、通常の熱ＣＶＤ炉内の過熱ステージ上に置き、真空排気を行う。そして、酸化膜付きシリコン基板７の温度が５９０℃になるまで酸化膜付きシリコン基板７を加熱する。その後、アルゴン（Ａｒ）とアセチレン（Ｃ２Ｈ２）の混合ガスを熱ＣＶＤ炉内に３０間導入する。この場合、アルゴン（Ａｒ）とアセチレン（Ｃ２Ｈ２）の混合ガスの圧力は１ｋＰａとする。このようにして、酸化膜付きシリコン基板７にカーボンナノチューブ１を配向成長させる。
図１８に、酸化膜付きシリコン基板７に配向成長したカーボンナノチューブ群５を示す。個々のカーボンナノチューブ１の直径は約１０ｎｍであり、長さは約２０μｍである。また、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度は約１０１１本／ｃｍ２である。直径５ｎｍのカーボンナノチューブが最密充填の状態の密度は、約１０１２本／ｃｍ２程度であるので、カーボンナノチューブの占有率は１０％程度に過ぎない。
つぎに、図１９から図２５の図面を用いて、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度を高密度化させる工程を説明する。まず、カーボンナノチューブ群５を溶媒９に浸漬する。カーボンナノチューブ群５を浸漬させる溶媒９は、ＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）、ジクロロエタン、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール等の有機溶媒や、水等の無機溶媒を用いる。
具体的には、酸化膜付きシリコン基板７を入れることができるサイズの容器１０に、室温の溶媒９を入れる。そして、溶媒９が入った容器１０に、酸化膜付きシリコン基板７を縦又は横にして入れることにより、カーボンナノチューブ群５を溶媒９に浸漬させる。
図１９から図２１は、カーボンナノチューブ群５に溶媒９を付着させる工程を示した図である。この工程では、溶媒９が入った容器１０に、酸化膜付きシリコン基板７を横にして入れ、カーボンナノチューブ群５を溶媒９に浸漬させた後、溶媒９が入った容器１０から酸化膜付きシリコン基板７を引き上げる。具体的には、図１９に示すように、酸化膜付きシリコン基板７を横に配置する。そして、図２０に示すように、溶媒９が入った容器１０に酸化膜付きシリコン基板７を浸漬させる。この場合、カーボンナノチューブ群５の全体を溶媒９に浸漬させる。すなわち、カーボンナノチューブ群５の全体に溶媒９を付着させる。
次に、カーボンナノチューブ群５を溶媒９に約１分浸漬させた後、図２１に示すように、カーボンナノチューブ群５を溶媒９から引き上げる。カーボンナノチューブ群５を溶媒９に浸漬させる時間は１分に限定されず、カーボンナノチューブ群５に対する溶媒９の付着状態により、浸漬時間を適宜調整する。
図２２から図２４は、カーボンナノチューブ群５に溶媒９を付着させる工程を示した図である。この工程では、溶媒９が入った容器１０に、酸化膜付きシリコン基板７を縦にして入れ、カーボンナノチューブ群５を溶媒９に浸漬させた後、溶媒９が入った容器１０から酸化膜付きシリコン基板７を引き上げる。具体的には、図２２に示すように、酸化膜付きシリコン基板７を縦に配置する。そして、図２３に示すように、溶媒９が入った容器１０に酸化膜付きシリコン基板７を浸漬させる。この場合、カーボンナノチューブ群５の全体を溶媒９に浸漬させる。すなわち、カーボンナノチューブ群５の全体に溶媒９を付着させる。
次に、カーボンナノチューブ群５を溶媒９に約１分浸漬させた後、図２４に示すように、カーボンナノチューブ群５を溶媒９から引き上げる。カーボンナノチューブ群５を溶媒９に浸漬させる時間は１分に限定されず、カーボンナノチューブ群５に対する溶媒９の付着状態により、浸漬時間を適宜調整する。
また、カーボンナノチューブ群５に対する溶媒９の付着状態が悪い場合、ＳＤＳ（硫酸ドデシルナトリウム）のような界面活性剤又はピレン、ペリレン、アントラセン、ポルフィリン、フタロシアニン、ＤＮＡなどの機能性分子を溶媒９に加えることにより、カーボンナノチューブ群５に対する溶媒９の付着状態を良化させる。
本実施形態では、溶媒９が入った容器１０に、酸化膜付きシリコン基板７を入れ、カーボンナノチューブ群５を溶媒９に浸漬させた後、溶媒９が入った容器１０から酸化膜付きシリコン基板７を引き上げる方法を説明した。しかし、本発明は、これに限定されず、スピンコート法を用いて溶媒９をカーボンナノチューブ群５に滴下することにより、溶媒９をカーボンナノチューブ群５に付着させてもよい。
カーボンナノチューブ群５に溶媒９を付着させた後、カーボンナノチューブ群５を乾燥させる。カーボンナノチューブ群５を乾燥させる方法は、カーボンナノチューブ群５を自然乾燥させる方法でもよいし、酸化膜付きシリコン基板の温度を２００℃程度に加熱して急速に乾燥させる方法でもよい。
カーボンナノチューブ群５を乾燥させる過程において、カーボンナノチューブ群５の先端部分（カーボンナノチューブ群５の端部のうち酸化膜付きシリコン基板７と接していない端部）のカーボンナノチューブ１は、毛菅力により各カーボンナノチューブ１がお互いに引き寄せられる。お互いに引き寄せられたカーボンナノチューブ１は、分子間力によってカーボンナノチューブ１同士が密着する。そのため、図２５に示すように、カーボンナノチューブ群５の先端部分は、各カーボンナノチューブ１が寄り添った状態が形成される。すなわち、カーボンナノチューブ群５の先端部分のカーボンナノチューブ１の密度と、カーボンナノチューブ群５の根本部分（カーボンナノチューブ群５の端部のうち、酸化膜付きシリコン基板と接している端部）のカーボンナノチューブ１の密度とが異なるカーボンナノチューブ群５が形成される。
このように形成されたカーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度は、カーボンナノチューブ群５の先端部分と根本部分とで異なる。すなわち、カーボンナノチューブ群５の一方の端部と他方の端部とでカーボンナノチューブ１の密度が異なるカーボンナノチューブ群が形成される。カーボンナノチューブ群５の先端部分のカーボンナノチューブ１の密度は、カーボンナノチューブ群５の根本部分のカーボンナノチューブ１の密度よりも高密度になる。したがって、図２５に示すカーボンナノチューブ群５は、カーボンナノチューブ群５の先端部分のカーボンナノチューブ１が最密充填程度の高密度となる。
〈第６実施形態〉
本発明の第６実施形態を図２６から図３３の図面に基づいて説明する。第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態において説明した方法によって形成されたカーボンナノチューブ群５は、カーボンナノチューブ群５の端部のうち、一方の端部のカーボンナノチューブ１の密度が高密度となる。本実施形態では、カーボンナノチューブ群５の両方の端部のカーボンナノチューブ１の密度を高密度化させる方法について説明する。すなわち、カーボンナノチューブ群５の両方の端部のカーボンナノチューブ１が寄り添って形成され、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１が全体として寄り添った状態を形成する方法について説明する。
まず、カーボンナノチューブ群５を成長させた基板２０を用意する。本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態で示したシリコン基板２又は第５実施形態で示した酸化膜付きシリコン基板７を基板２０として使用する。ここで、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態において説明したカーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度を高くする処理を高密度化処理という。また、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度が高密度となったカーボンナノチューブ群５を、高密度化されたカーボンナノチューブ群５という。基板２０に成長させたカーボンナノチューブ群５に対して、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態において説明した高密度化処理を行い、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度を高密度化する。図２６に、高密度化されたカーボンナノチューブ群５及び基板２０を示す。
次に、図２７に示すように、カーボンナノチューブ群５を成長させた基板２０と同じサイズの基板２１を用意する。そして、基板２１の表面に、はんだやインジウム等の低融点金属膜２２を堆積する。基板２１の表面に堆積させる低融点金属膜２２の厚さは数μｍとする。このように、基板２１の表面に低融点金属膜２２を堆積させると、低融点金属膜付きの基板２３が作製される。
そして、図２８に示すように、カーボンナノチューブ群５を挟むように、低融点金属膜付きの基板２３と基板２０とを重ね合わせる。具体的には、基板２１の表面に堆積した低融点金属膜２２と、カーボンナノチューブ群５の端部（カーボンナノチューブ群５のうち基板２０と接していない端部）とが接触するように、低融点金属膜付きの基板２３と基板２０とを重ね合わせる。
そして、低融点金属膜付きの基板２３の温度が、低融点金属膜２２の融点以上となるように低融点金属膜付きの基板２３を加熱した後、低融点金属膜付きの基板２３を冷却する。低融点金属膜付きの基板２３を冷却した後、低融点金属膜付きの基板２３と基板２０とを引き離す。低融点金属膜付きの基板２３と基板２０とを引き離した場合、カーボンナノチューブ群５と低融点金属膜付きの基板２３とが密着された状態となる。すなわち、カーボンナノチューブ群５は、基板２０から引き剥がされ、カーボンナノチューブ群５は、低融点金属膜付きの基板２３に密着する。図２９に示すように、基板２０からカーボンナノチューブ群５が引き剥がされ、低融点金属膜付きの基板２３にカーボンナノチューブ群５が密着している。
基板２０とカーボンナノチューブ群５との密着が強い場合、カーボンナノチューブ群５は、基板２０から引き剥がされず、カーボンナノチューブ群５は、低融点金属膜付きの基板２３に密着しない。第１実施形態、第２実施形態及び第５実施形態では、シリコン基板２又は酸化膜付きシリコン基板７の上に極めて薄い触媒膜（数ｎｍ以下の触媒膜）を堆積させた後、カーボンナノチューブ群５を成長させている。本実施形態では、シリコン基板２又は酸化膜付きシリコン基板７を基板２０として使用している。したがって、基板２０の上に極めて薄い触媒膜を堆積させた場合、基板２０とカーボンナノチューブ群５との密着力は弱い。そのため、カーボンナノチューブ群５が、基板２０から引き剥がされないという問題は生じない。
図２９に示すように、低融点金属膜付きの基板２３に密着したカーボンナノチューブ群５の端部のうち低融点金属膜付きの基板２３に接している端部は、他方の端部（カーボンナノチューブ群５の端部のうち低融点金属膜付きの基板２３に接していない端部）よりもカーボンナノチューブ１の密度が高い。カーボンナノチューブ群５は、低融点金属膜付きの基板２３から距離が遠くなるにつれて、カーボンナノチューブ群５の横幅が広くなる。すなわち、カーボンナノチューブ群５は、低融点金属膜付きの基板２３から距離が遠くなるにつれて、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度が低くなる。
カーボンナノチューブ群５の両端部のうち、カーボンナノチューブ１の密度が高い端部を密着させた低融点金属膜付きの基板２３に対して、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理を行う。すなわち、カーボンナノチューブ群５の両端部のうち、カーボンナノチューブ１の密度が低い端部に対して、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理を行う。
カーボンナノチューブ群５の両端部のうち、カーボンナノチューブ１の密度が低い端部に対して、高密度化処理を行った場合、カーボンナノチューブ群５の両端部のカーボンナノチューブ１が高密度となるカーボンナノチューブ群５が形成される。
図３０は、低融点金属膜付きの基板２３に密着したカーボンナノチューブ群５を溶媒９が入った容器１０に浸漬させている工程を示している。図３１は、低融点金属膜付きの基板２３に密着したカーボンナノチューブ群５を溶媒９が入った容器から引き上げる工程を示している。図３１に示すカーボンナノチューブ群５は、両端部のカーボンナノチューブ１が最密充填に近い高密度となる。
また、融点の異なる低融点金属（合金）を利用した場合、高密度化されたカーボンナノチューブ群５を、さらに高密度化することができる。図３２及び図３３を参照して、カーボンナノチューブ群５の両端部のカーボンナノチューブ１が高密度化されたカーボンナノチューブ群５を、さらに高密度化する方法について説明する。
図３２に示すように、カーボンナノチューブ群５の両端部のカーボンナノチューブ１が高密度化されたカーボンナノチューブ群５が密着した低融点金属膜付きの基板２３と、低融点金属膜付きの基板３０とを用意する。低融点金属膜付きの基板２３と低融点金属膜付きの基板３０とは同じサイズである。低融点金属膜付きの基板３０は、基板３１の表面に、はんだやインジウム等の低融点金属膜３２を堆積させたものである。この場合、低融点金属膜付きの基板２３に堆積させた低融点金属膜２２の融点よりも融点が高い低融点金属膜３２を基板３１の表面に堆積させる。また、基板３１の表面に堆積させる低融点金属膜３２の厚さは数μｍとする。
次に、図３３に示すように、低融点金属膜付きの基板２３と低融点金属膜付きの基板３０とを重ね合わせる。具体的には、カーボンナノチューブ群５の端部（カーボンナノチューブ群５の端部のうち低融点金属膜付きの基板２３に接していない端部）と、基板３１の表面に堆積した低融点金属膜３２とが接触するように、低融点金属膜付きの基板２３と低融点金属膜付きの基板３０とを重ね合わせる。
そして、低融点金属膜付きの基板２３の温度及び低融点金属膜付きの基板３０の温度が、低融点金属膜３２の融点以上となるように、低融点金属膜付きの基板２３及び低融点金属膜付きの基板３０を加熱する。その後、低融点金属膜付きの基板２３及び低融点金属膜付きの基板３０を冷却する。この場合、低融点金属膜付きの基板２３の温度及び低融点金属膜付きの基板３０の温度が、低融点金属膜２２の融点以上であって、低融点金属膜３２の融点以下となるように冷却する。
そして、低融点金属膜付きの基板２３と低融点金属膜付きの基板３０とを引き離す。低融点金属膜付きの基板２３と低融点金属膜付きの基板３０とを引き離した場合、カーボンナノチューブ群５と低融点金属膜付きの基板３０とが密着された状態となる。すなわち、カーボンナノチューブ群５は、低融点金属膜付きの基板２３から引き剥がされ、低融点金属膜付きの基板３０に密着する。
低融点金属膜２２の融点以上であって、低融点金属膜３２の融点以下の温度の場合、低融点金属膜付きの基板２３に堆積した低融点金属膜２２は、溶融状態である。そのため、カーボンナノチューブ群５と低融点金属膜付きの基板３０との密着の方が、カーボンナノチューブ群５と低融点金属膜付きの基板２３との密着よりも強い。したがって、カーボンナノチューブ群５は、低融点金属膜付きの基板２３から引き剥がされ、低融点金属膜付きの基板３０に密着する。
そして、低融点金属膜付きの基板３０に接着したカーボンナノチューブ群５に対して、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理を行うことにより、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度をさらに高密度化させることができる。このような処理を複数回繰り返すことも可能であり、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度をより高密度化することができる。
本実施形態によれば、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の密度を、カーボンナノチューブ群５の全体で高密度とすることができる。
〈第７実施形態〉
本発明の第７実施形態を図３４から図４３の図面に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理によって高密度化されたカーボンナノチューブ群５を、放熱バンプに応用する方法について説明する。
従来、高出力トランジスタチップ４０をパッケージ４１に直接接合するフェイスアップ構造を用いていた。図３４に、従来のトランジスタ実装を示す。高出力トランジスタチップ４０とパッケージ４１とは、ワイヤボンディングにより接続される。すなわち、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とパッケージ４１に形成された電極（図示せず）とを金線等のワイヤで接続する。図３４に示すトランジスタ実装は、フェイスアップ構造を用いており、高出力トランジスタチップ４０を通して熱を逃がすことで放熱性を確保する。
また、高出力トランジスタチップ４０を裏返し、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とパッケージ４１の電極とをカーボンナノチューブバンプ４３で接続するフリップチップ実装がある。図３５に示すように、フリップチップ実装は、高出力トランジスタチップ４０をひっくり返すことにより、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２と、パッケージ４１に形成された電極（図示せず）とを接続させる。すなわち、高出力トランジスタチップ４０の表面をパッケージ４１の方向に向けて、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とパッケージ４１に形成された電極とを接続する。ここで、バンプは、突起状に形成された端子である。カーボンナノチューブバンプ４３は、カーボンナノチューブ群５を突起上に形成した端子である。
図３６に示すように、カーボンナノチューブバンプ４３は、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とパッケージ４１に形成された電極とを接続する。図３６では、高出力トランジスタチップ４０は裏返しになっており、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２はパッケージ４１の方向に向いている。また、カーボンナノチューブバンプ４３は、高出力トランジスタチップ４０が発生する熱を放熱させるための放熱の経路としての役割を持つ。高出力トランジスタチップ４０が発生する熱の放熱を十分に行うためには、カーボンナノチューブバンプ４３のカーボンナノチューブ１の密度を高める必要がある。しかし、従来のカーボンナノチューブバンプ４３のカーボンナノチューブ１の占有率は１０％程度であり、従来のカーボンナノチューブバンプ４３のカーボンナノチューブ１の密度を高めることが望まれていた。
本実施形態では、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理によって高密度化されたカーボンナノチューブ群５をカーボンナノチューブバンプ４３に利用する。すなわち、高密度化されたカーボンナノチューブ群５をカーボンナノチューブバンプ４３として用いることにより、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とパッケージ４１に形成された電極とを接続する。また、本実施形態では、カーボンナノチューブ１を成長させるための基板として窒化アルミニウム基板５０を使用する。窒化アルミニウム基板５０は、パッケージ４１を作製するための材料として使用される。ただし、カーボンナノチューブ１を成長させるための基板として使用する窒化アルミニウム基板５０は、例示であって、本発明はこれに限定されない。
図３７に示すように、窒化アルミニウム基板５０上に金などの金属で電極５１を形成する。電極５１上に、５ｎｍの厚さのアルミニウムを堆積させる。そして、電極５１上に堆積させたアルミニウムの上に、１ｎｍの厚さの鉄を堆積させる。この場合、アルミニウム及び鉄は、カーボンナノチューブ１を成長させる触媒として使用する。
電極５１上に堆積させたアルミニウム及びそのアルミニウム上に堆積させた鉄に対してパターニングを行う。この場合、パターニングによって形成されるアルミニウム及び鉄の形状が、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２の形状と同じ形状となるようにする。また、パターニングによって形成されるアルミニウム及び鉄の中心位置が、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２の中心位置と同じ位置になるようにする。パターニングによって形成されるアルミニウム及び鉄の大きさは、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２の大きさと同じでもよいし、数倍の大きさになってもよい。
次に、第１実施形態又は第５実施形態で説明した方法を用いて、窒化アルミニウム基板５０上に２０μｍ以上の長さのカーボンナノチューブ群５を成長させる。図３８に、窒化アルミニウム基板５０上に成長したカーボンナノチューブ群５を示す。図３８に示すカーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１の占有率は１０％程度である。
そして、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理を用いて、窒化アルミニウム基板５０と接していないカーボンナノチューブ群５の端部のカーボンナノチューブ１の密度を高密度化させる。この場合、カーボンナノチューブ群５の端部のうちカーボンナノチューブ１の密度が高密度である端部の直径のサイズが、高出力トランジスタチップ４０の電極４２のサイズと同じか、高出力トランジスタチップ４０の電極４２のサイズよりも小さくなるように、カーボンナノチューブ群５を成長させる。
窒化アルミニウム基板５０に堆積する触媒の大きさを変えることにより、カーボンナノチューブ群５の端部のうちカーボンナノチューブ１の密度が高密度である端部の直径のサイズを変えることができる。したがって、カーボンナノチューブ群５を成長させる窒化アルミニウム基板５０に堆積した触媒に対してパターニングを行う際、高出力トランジスタチップ４０の電極４２のサイズを考慮して触媒の大きさを変更する。窒化アルミニウム基板５０に堆積する触媒の大きさと、カーボンナノチューブ群５の端部のうちカーボンナノチューブ１の密度が高密度である端部の直径のサイズとの関係は、実験又はシミュレーションによって求めておけばよい。
図３９に、高密度化されたカーボンナノチューブ群５及び窒化アルミニウム基板５０を示す。第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した方法によって形成されたカーボンナノチューブ群５は、カーボンナノチューブ１の長さがそれぞれ異なる。すなわち、カーボンナノチューブ群５は、各カーボンナノチューブ１の長さが不ぞろいとなって成長する可能性が高い。カーボンナノチューブ群５の各カーボンナノチューブ１の長さの不ぞろいの程度が大きい場合、カーボンナノチューブ群５の各カーボンナノチューブ１の長さを均一にする処理を行う。
図４０から図４３を参照して、カーボンナノチューブ群５の各カーボンナノチューブ１の長さを均一にする処理について説明する。図４０に示すように、窒化アルミニウム基板５０に成長したカーボンナノチューブ群５は、各カーボンナノチューブ１の長さが均一になっていない。図４０に示すカーボンナノチューブ群５は、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理が行われている。
まず、カーボンナノチューブ群５を覆うように、窒化アルミニウム基板５０上に層間絶縁膜６０を堆積させる。層間絶縁膜６０として、ポーラスシリカ膜やＳＯＧ（spin on glass）膜等を用いる。窒化アルミニウム基板５０上に層間絶縁膜６０を堆積させた後、加熱処理を行い、層間絶縁膜６０を固化させる。図４１は、カーボンナノチューブ群５を覆うように、層間絶縁膜６０を堆積させた窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。
窒化アルミニウム基板５０上に層間絶縁膜６０を堆積させ、加熱処理を行うと、カーボンナノチューブ群５は層間絶縁膜６０とともに固まる。カーボンナノチューブ群５が層間絶縁膜６０とともに固まった後、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理により、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜６０を研磨する。この場合、カーボンナノチューブ群５の各カーボンナノチューブ１の長さが均一となるまで、カーボンナノチューブ群５と層間絶縁膜６０とを研磨する。図４２に、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜６０が研磨された後の窒化アルミニウム基板５０を示す。
その後、窒化アルミニウム基板５０上に堆積させた層間絶縁膜６０を取り除く。ただし、窒化アルミニウム基板５０上に堆積させた層間絶縁膜６０を取り除く必要性がない場合、窒化アルミニウム基板５０上に堆積させた層間絶縁膜６０は取り除かなくてもよい。
このように、カーボンナノチューブ群５の各カーボンナノチューブ１の長さを均一にすることにより、カーボンナノチューブ群５を高出力トランジスタチップ４０に安定して接着させることが可能となる。
次に、カーボンナノチューブ群５をカーボンナノチューブバンプ４３として用いることにより、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とパッケージ４１上に形成された電極とを接続する方法について説明する。
まず、パッケージ４１の作製に利用する窒化アルミニウム基板５０を用意する。第１実施形態又は第２実施形態で説明したカーボンナノチューブ群５の成長方法によって、窒化アルミニウム基板５０上にカーボンナノチューブ群５を成長させる。窒化アルミニウム基板５０上に形成されたカーボンナノチューブ群５は、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理が行われている。また、窒化アルミニウム基板５０上に形成されたカーボンナノチューブ群５は、各カーボンナノチューブ１の長さを均一化する処理が行われたものであってもよい。
次に、窒化アルミニウム基板５０上に形成されたカーボンナノチューブ群５に１μｍの厚さの金を堆積させる。ただし、カーボンナノチューブ群５に堆積させる金の厚さは例示であって、本発明はこれに限定されない。また、窒化アルミニウム基板５０上に形成されたカーボンナノチューブ群５のうち、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２に接着させたい部分に金を堆積させてもよい。
そして、通常のフリップチップボンダーを使用して、金を堆積させたカーボンナノチューブ群５と高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とを接着させる。カーボンナノチューブ群５と高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２とを接着するために使用する圧力は６ｋｇ／ｃｍ２であり、温度は３４５℃である。ただし、圧力及び温度は例示であって、本発明はこれらに限定されない。
図４３は、高出力トランジスタチップ４０を備え付けた窒化アルミニウム基板５０の構造を示す図である。図４３では、カーボンナノチューブ群５をカーボンナノチューブバンプ４３として使用している。カーボンナノチューブ群５を介して、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２と窒化アルミニウム基板５０上の電極５１とが接続される。カーボンナノチューブ群５の端部のうち、高出力トランジスタチップ４０に接着している端部のカーボンナノチューブ１の密度は、高出力トランジスタチップ４０に接着していない端部のカーボンナノチューブ１の密度の１０倍程度である。そのため、従来のカーボンナノチューブバンプ４３に比べて高い放熱性を有する。カーボンナノチューブ群５の端部のうちカーボンナノチューブ１の密度が高密度である端部と、高出力トランジスタチップ４０に形成された電極４２とが接着されることにより、高出力トランジスタチップ４０の熱がカーボンナノチューブ群５を介して放熱される。
また、カーボンナノチューブ１の密度が全体的に高密度であるカーボンナノチューブ群５を用いて、高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極４２と窒化アルミニウム基板５０上の電極５１とを接続することもできる。カーボンナノチューブ１の密度が全体的に高密度であるカーボンナノチューブ群５は、第６実施形態で説明した方法により作製することができる。カーボンナノチューブ１の密度が全体的に高密度であるカーボンナノチューブ群５を用いることにより、配線用の基板のデザインの自由度を広げることが可能となる。
〈第８実施形態〉
本発明の第８実施形態を図４４から図５１の図面に基づいて説明する。現在、ＬＳＩの配線は、１０層あるいはそれ以上の層による多層配線になっており、配線材料として銅が通常用いられている。しかし、ＬＳＩの配線幅の減少に伴う電流密度の増加により、エレクトロマイグレーションによる断線が懸念される。そのため、ＬＳＩの縦配線（ビア配線）を、より高い電流密度に耐えられるカーボンナノチューブ１に置き換える試みが行われている。図４４に、ＬＳＩ７０の構造を示す。図４４に示すように、ＬＳＩ７０は、銅配線７１を挟む絶縁膜７２、銅配線７１と他の銅配線７１とを電気的に接続するビア７３から構成されている。
本実施形態では、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態で説明した高密度化処理によって高密度化されたカーボンナノチューブ群５を、ＬＳＩ配線に応用する方法について説明する。本実施形態では、図４４に示すＬＳＩ７０を構成するビア７３を高密度化されたカーボンナノチューブ群５で置き替える。以下、図４５から図５１の図面を参照して、ＬＳＩ７０を構成するビア７３を高密度化されたカーボンナノチューブ群５で置き替える方法について説明する。
まず、図４５に示すように、カーボンナノチューブ群５を成長させた基板７４を用意する。この場合、基板７４として、シリコン基板２又は酸化膜付きシリコン基板７を用いてもよいし、他の基板を用いてもよい。第１実施形態又は第５実施形態に示すカーボンナノチューブ１の成長方法を用いて、カーボンナノチューブ群５を基板７４に成長させておく。さらに、第１実施形態、第２実施形態又は第５実施形態に示す高密度化処理を用いて、カーボンナノチューブ群５を高密度化させておく。本実施形態では、基板７４にカーボンナノチューブ群５を成長させるための触媒として、コバルト、鉄その他の金属を使用する。
ＬＳＩ７０を構成するビア７３の位置にカーボンナノチューブ群５を配置できるように、基板７４にカーボンナノチューブ群５を成長させる必要がある。そのため、本実施形態では、ＬＳＩ７０を構成するビア７０の位置にカーボンナノチューブ群５を配置できるように、触媒に対してパターニングを行い、基板７４にカーボンナノチューブ群５を成長させる。
次に、ＬＳＩ基板７５の電極７６上に、コバルト膜７７を５ｎｍの厚さで堆積させ、コバルト膜７７の上にタンタル膜７８を５ｎｍの厚さで堆積させ、タンタル膜７８の上にチタン膜７９を５ｎｍの厚さで堆積させる。なお、コバルト膜７７に替えて、鉄、ニッケル等の膜を使用してもよい。また、コバルト膜７７に替えて、コバルト合金、鉄合金又はニッケル合金等の膜を使用してもよい。
コバルト膜７７、タンタル膜７８及びチタン膜７９を堆積させたＬＳＩ基板７５と、基板７４とを重ね合わせる。具体的には、図４６に示すように、カーボンナノチューブ群５の端部（カーボンナノチューブ群５の端部のうち基板７４と接触していない端部）が、ＬＳＩ基板７５の電極７６に接触するように、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる。この場合、ＬＳＩ基板７５の長手方向に対して、基板７４の長手方向が略平行方向となるように、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる。また、光学的位置合わせにより、カーボンナノチューブ群５の端部とＬＳＩ基板７５の電極７６とが接触するように、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる。
基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせた状態で、ＣＶＤ炉内に搬送する。ＣＶＤ炉内において、真空排気を行った後、基板７４及びＬＳＩ基板７５を置いたステージを加熱する。そして、ＣＶＤ炉内の温度が安定した後、ＣＶＤ炉内にプロセスガス（混合ガス）を１ｋＰａで導入する。本実施形態では、プロセスガスとして、アルゴン及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を使用する。また、アルゴン及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）のプロセスガスにメタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）等の炭化水素系ガス又はアルコールを加えてもよい。また、プロセスガス中のアセチレン（Ｃ２Ｈ２）に替えて、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）等の炭化水素系ガス又はアルコールを用いてもよい。また、プロセスガスは、複数種類の炭化水素系ガスから構成されてもよいし、複数種類の炭化水素系ガス及びアルコールから構成されてもよい。
プロセスガスをＣＶＤ炉内に導入することにより、ＬＳＩ基板７５の電極７６上に堆積させたコバルト膜７７は、溶融状態となる。そのため、カーボンナノチューブ群５とＬＳＩ基板７５の電極７６とは、強固に結合する。
ＣＶＤ炉内のステージの温度は、コバルト膜７７とプロセスガスとは反応するが、カーボンナノチューブ群５のカーボンナノチューブ１が成長しない程度の温度（例えば、３５０℃程度の温度）にすることが望ましい。なお、ＣＶＤ炉内のステージの温度は、プロセスガスの種類、ＬＳＩ基板７５に堆積させる膜の厚さによって変動し得る。
カーボンナノチューブ群５とＬＳＩ基板７５の電極７６とを結合させた後、基板７４及びＬＳＩ基板７５をＣＶＤ炉内から取り出す。そして、基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離す。基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離した場合、カーボンナノチューブ群５とＬＳＩ基板７５の電極７６とが密着された状態となる。すなわち、カーボンナノチューブ群５は、基板７４から引き剥がされ、ＬＳＩ基板７５の電極７６に密着する。
本実施形態では、第１実施形態又は第５実施形態で説明したカーボンナノチューブ１の成長方法を用いて、基板７４にカーボンナノチューブ群５を成長させている。すなわち、基板７４の上に極めて薄い触媒膜（数ｎｍ以下の触媒膜）を堆積させた後、カーボンナノチューブ群５を成長させている。基板７４の上に極めて薄い触媒膜を堆積させているため、基板７４とカーボンナノチューブ群５との密着力は弱い。そのため、カーボンナノチューブ群５が、基板７４から引き剥がされないという問題は生じない。
また、図４７に示すように、基板７４とＬＳＩ基板７５との間の隙間を、ＳＯＧ膜又はポーラスシリカ膜等の層間絶縁膜８０で埋めた後に、基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離してもよい。この場合、層間絶縁膜８０を適当な溶媒に溶かして、層間絶縁膜８０を液状にしておく。
そして、基板７４とＬＳＩ基板７５とを、液状の層間絶縁膜８０に浸漬させることにより、基板７４とＬＳＩ基板７５との間の隙間を層間絶縁膜８０で埋める。また、これに代えて、基板７４とＬＳＩ基板７５との間の隙間に、液状の層間絶縁膜８０を注入することにより、基板７４とＬＳＩ基板７５との間の隙間を層間絶縁膜８０で埋めてもよい。
そして、基板７４及びＬＳＩ基板７５に対して熱処理を行うことにより、層間絶縁膜８０が固化し、基板７４とＬＳＩ基板７５との間に層間絶縁膜８０が形成される。
基板７４とＬＳＩ基板７５との間の隙間に層間絶縁膜８０を形成する前に、基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離した場合、カーボンナノチューブ群５が密着したＬＳＩ基板７５に対して層間絶縁膜８０を形成する。具体的には、スピンコート等を利用して、液状の層間絶縁膜８０をカーボンナノチューブ群５が密着したＬＳＩ基板７５に塗布することにより、ＬＳＩ基板７５に対して層間絶縁膜８０を形成する。
また、基板７４に層間絶縁膜８０を形成した後、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせてもよい。すなわち、既に層間絶縁膜８０が形成された基板７４を使用して、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる。この場合、以下の方法により、基板７４に層間絶縁膜８０を形成させる。
まず、カーボンナノチューブ群５を覆うように、基板７４上に層間絶縁膜８０を堆積させる。基板７４上に層間絶縁膜８０を堆積させた後、加熱処理を行い、層間絶縁膜８０を固化させる。図４８は、カーボンナノチューブ群５を覆うように、層間絶縁膜８０を堆積させた基板７４の構造を示す図である。基板７４上に層間絶縁膜８０を堆積させ、加熱処理を行うと、カーボンナノチューブ群５は層間絶縁膜８０とともに固まる。このように、基板７４に層間絶縁膜８０を形成する。
また、カーボンナノチューブ群５が層間絶縁膜８０とともに固まった後、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理により、層間絶縁膜８０を研磨する。この場合、カーボンナノチューブ群５の先端が露出するように、層間絶縁膜８０を研磨する。さらに、カーボンナノチューブ群５の各カーボンナノチューブ１の長さが均一でない場合、カーボンナノチューブ群５の各カーボンナノチューブ１の長さが均一となるまで、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０を研磨してもよい。
また、既に層間絶縁膜８０が形成された基板７４を使用して、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる場合、カーボンナノチューブ群５の先端を突出させてもよい。すなわち、図４９に示すように、基板７４に形成された層間絶縁膜８０の厚さ方向の長さよりもカーボンナノチューブ群５の長さを長くする。具体的には、層間絶縁膜８０に対して、ウエットエッチング又はドライエッチングを行い、層間絶縁膜８０のみを削る。層間絶縁膜８０のみが削られることにより、カーボンナノチューブ群５の先端を突出させることができる。
本実施形態におけるウエットエッチングは、液体又は気体の希フッ化水素を使用する。層間絶縁膜８０としてポーラスシリカ膜を使用する場合、ウエットエッチングを行うと、層間絶縁膜８０のみがエッチングされる。そのため、カーボンナノチューブ群５の先端を突出させることができる。ドライエッチングで層間絶縁膜８０を削る場合、スパッタリング法でアルゴンイオンを層間絶縁膜８０にぶつける。ドライエッチングを行うと、層間絶縁膜８０のみがエッチングされる。そのため、カーボンナノチューブ群５の先端を突出させることができる。
このようにして基板７４に層間絶縁膜８０を形成した後、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせ、基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離すことにより、ＬＳＩ基板７５には、層間絶縁膜８０が形成され、かつカーボンナノチューブ群５が密着した状態となる。
次に、層間絶縁膜８０が形成されたＬＳＩ基板７５に対して、化学機械研磨（ＣＭＰ）の処理を行い、カーボンナノチューブ群５の長さ及び層間絶縁膜８０の厚さが所望の範囲になるまで、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０を研磨する。層間絶縁膜８０が形成されたＬＳＩ基板７５は、基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離した後に層間絶縁膜８０を形成したＬＳＩ基板７５であってもよいし、基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離す前に層間絶縁膜８０を形成したＬＳＩ基板７５であってもよい。図５０に、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０が研磨された後のＬＳＩ基板７５を示す。
次に、ＬＳＩ基板７５に銅配線７１を形成する。具体的には、ＬＳＩ基板７５に密着したカーボンナノチューブ群５の上に銅を堆積させ、ＬＳＩ基板７５に形成された層間絶縁膜８０の上に銅を堆積させる。そして、堆積させた銅に対してパターニングを行い、ＬＳＩ基板７５に銅配線７１を形成する。銅配線７１と他の銅配線７１との間には、層間絶縁膜８０を形成する。ただし、この層間絶縁膜８０の形成はこの段階で行わなくてもよい。図５１に、銅配線７１を形成した後のＬＳＩ基板７５を示す。
ＬＳＩ基板７５にカーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０を形成し、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０の上に銅配線７１を形成する工程を第１の配線工程という。第１の配線工程を行った後、ＬＳＩ基板７５に対して、カーボンナノチューブ群５をさらに形成する。すなわち、銅配線７１上にカーボンナノチューブ群５を形成し、ＬＳＩ基板７５を多層化する。銅配線７１上にカーボンナノチューブ群５を形成する工程を以下に説明する。
図５２に示すように、カーボンナノチューブ群５を成長させた基板７４を用意する。基板７４に成長させたカーボンナノチューブ群５を高密度化させておくことは、第１の配線工程と同様である。また、ＬＳＩ７０を構成するビア７０の位置にカーボンナノチューブ群５を配置できるように、触媒に対してパターニングを行い、基板７４にカーボンナノチューブ群５を成長させることは、第１の配線工程と同様である。さらに、ＬＳＩ７０を構成するビア７０の位置にカーボンナノチューブ群５を配置できるように、触媒に対してパターニングを行い、基板７４にカーボンナノチューブ群５を成長させることは、第１の配線工程と同様である。
次に、銅配線７１上に、コバルト膜７７を５ｎｍの厚さで堆積させ、コバルト膜７７の上にタンタル膜７８を５ｎｍの厚さで堆積させ、タンタル膜７８の上にチタン膜７９を５ｎｍの厚さで堆積させる。なお、コバルト膜７７の代わりに、鉄、ニッケル等の膜を使用してもよい。
そして、銅配線７１を形成したＬＳＩ基板７５と基板７４とを重ね合わせる。具体的には、図５３に示すように、基板７４と接触していないカーボンナノチューブ群５の端部が、銅配線７１に接触するように、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる。この場合、ＬＳＩ基板７５の長手方向に対して、基板７４の長手方向が略平行方向となるように、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる。また、光学的位置合わせにより、カーボンナノチューブ群５の端部とＬＳＩ基板７５の電極７６とが接触するように、基板７４とＬＳＩ基板７５とを重ね合わせる。
ここで、カーボンナノチューブ群５の端部（カーボンナノチューブ群５のうち基板７４と接していない端部）を銅配線７１に結合させる方法は、第１の配線工程におけるカーボンナノチューブ群５の端部を電極７６に結合させる方法と同様である。
そして、基板７４と銅配線７１との間の隙間を層間絶縁膜８０で埋めた後に、基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離す。基板７４とＬＳＩ基板７５とを引き離した場合、カーボンナノチューブ群５と銅配線７１とが密着された状態となる。すなわち、カーボンナノチューブ群５は、基板７４から引き剥がされ、銅配線７１に密着する。図５４に、基板７４からカーボンナノチューブ群５が引き剥がされ、ＬＳＩ基板７５に形成された銅配線７１にカーボンナノチューブ群５が密着した状態を示す。
次に、層間絶縁膜８０が形成されたＬＳＩ基板７５に対して、化学機械研磨（ＣＭＰ）の処理を行い、カーボンナノチューブ群５の長さ及び層間絶縁膜８０の厚さが所望の範囲になるまで、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０を研磨する。図５５に、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０が研磨された後のＬＳＩ基板７５を示す。
そして、ＬＳＩ基板７５に銅配線７１を形成する。ＬＳＩ基板に銅配線７１を形成する方法は、第１の配線工程と同様である。銅配線７１の上にカーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０を形成し、さらに銅配線７１を形成する工程を第２の配線工程という。第１の配線工程で使用する材料及び方法は、第２の配線工程において使用することができる。
本実施形態では、ＬＳＩ基板７５にカーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０を形成し、カーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０の上に銅配線７１を形成する第１の配線工程を行う。そして、本実施形態では、銅配線７１の上にカーボンナノチューブ群５及び層間絶縁膜８０を形成し、さらに銅配線７１を形成する第２の配線工程を行う。第２の配線工程を繰り返すことにより、カーボンナノチューブ群５を利用した多層配線のＬＳＩが形成される。
また、本実施形態のコバルト膜７７、タンタル膜７８及びチタン膜７９を用いて、カーボンナノチューブ群５を電極７６又は銅配線７１に接着させる方法は、第７実施形態に利用することも可能である。すなわち、本実施形態におけるカーボンナノチューブ群５と電極７６との接着方法を用いて、第７実施形態におけるカーボンナノチューブ群５と高出力トランジスタチップ４０の表面に形成された電極とを接着してもよい。
本実施形態によれば、ＬＳＩ７０を構成するビア７３を高密度化されたカーボンナノチューブ群５で置き替えることにより、エレクトロマイグレーションによる断線の可能性を低減させることができる。すなわち、ＬＳＩ７０を構成する電極７６と銅配線７１との間の断線の可能性を低減させることができる。
〈変形例〉
本発明の第１実施形態から第８実施形態において、カーボンナノチューブ１に代えてカーボンナノファイバーを用いてもよい。カーボンナノファイバーの成長方法は、カーボンナノチューブ１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、本発明の第１実施形態から第８実施形態の構造及び方法は、カーボンナノチューブ１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、本発明の第１実施形態から第８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、本発明の第１実施形態から第８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。

Claims (6)

  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構造であって、
    第１の端部における前記炭素系繊維の密度と第２の端部における前記炭素系繊維の密度とが異なる前記炭素系繊維が長さ方向に配列された前記炭素系繊維の集合体を複数有し、
    一方の前記炭素系繊維の集合体の前記第１の端部と他方の前記炭素系繊維の集合体の前記第１の端部とが互い違いの方向を向くように、一方の前記炭素系繊維の集合体及び他方の前記炭素系繊維の集合体が配置される炭素系繊維の集合体構造。
  2. 第２の端部の前記炭素系繊維の密度よりも高密度である第１の端部の前記炭素系繊維は、各炭素系繊維が互いに密着して形成されている請求項１記載の炭素系繊維の集合体構造。
  3. 基板面から略垂直方向に炭素系繊維が長さ方向に配列した前記炭素系繊維の集合体を成長させる工程と、
    前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の一方の端部を密集させる密集工程とを有し、
    前記密集工程は、前記炭素系繊維と異なる付着物質を含む溶媒を前記炭素系繊維の集合体に含浸させる工程と、
    前記溶媒を蒸発させる工程とを有する炭素系繊維の集合体構造の製造方法。
  4. 基板面から略垂直方向に炭素系繊維が長さ方向に配列した前記炭素系繊維の集合体を成長させる工程と、
    前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の一方の端部を密集させる密集工程とを有し、
    前記密集工程は、界面活性剤、ピレン、ペリレン、アントラセン、ポルフィリン、フタロシアニン又はＤＮＡが加えられた溶媒を前記炭素系繊維の集合体に含浸させる工程と、
    前記炭素系繊維の集合体及び前記溶媒を乾燥させる工程とを有する炭素系繊維の集合体構造の製造方法。
  5. 第１の基板の基板面から略垂直方向に炭素系繊維が長さ方向に配列した前記炭素系繊維の集合体を成長させる工程と、
    前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の一方の端部を密集させる密集工程と、
    前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の一方の端部を第２の基板の基板面に密着させる工程と、
    前記第１の基板の基板面に成長した前記炭素繊維の集合体を前記第１の基板の基板面から引き剥がす工程と、
    前記炭素系繊維の集合体の長さ方向の他方の端部を密集させる密集工程とを有する炭素系繊維の集合体構造の製造方法。
  6. 半導体基板の配線形成方法であって、
    前記半導体基板が備える電極上に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構造を形成する工程と、
    前記電極と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程と、
    前記炭素系繊維の集合体構造上に導電体を形成する工程と、
    前記導電体上に前記炭素系繊維の集合体構造を形成する工程と、
    前記導電体と前記炭素系繊維の集合体構造とを接着する工程とを有し、
    前記炭素系繊維の集合体は、前記炭素系繊維が長さ方向に配列され、一方の端部の前記炭素系繊維の密度と他方の端部の前記炭素系繊維の密度とが異なり、一方の端部の前記炭素系繊維の密度よりも高密度である他方の端部の前記炭素系繊維は、各炭素系繊維が互いに密着して形成されている半導体基板の配線形成方法。
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