WO2010023720A1 - 構造体、電子装置及び構造体の形成方法 - Google Patents

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佐久間　尚志
片桐　雅之
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Definitions

  • the present invention relates to a structure using a carbon nanotube, an electronic device, and a method for forming the structure.
  • Carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNT) have high electrical conduction characteristics, thermal conduction characteristics, and mechanical strength, and are attracting attention as materials for wiring, electrodes, contacts, and the like instead of metals.
  • CNT bundles such as pads and bumps of semiconductor devices as bundles of many bundles (hereinafter referred to as CNT bundles).
  • Proposals have been made (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 when used as a wider range of connection terminals and electrodes, there are the following problems.
  • An object of the present invention is to provide a structure, an electronic device, and a method for forming a structure that can prevent CNTs from being scattered.
  • a conductive film provided on the underlayer and a CNT bundle composed of a plurality of carbon nanotubes, one end of which is connected to the conductive film Among the carbon nanotubes, at least the carbon nanotubes on the outer side of the CNT bundle are stretched with a convex curvature toward the outside of the CNT bundle, and the curvature increases toward the outer periphery of the CNT bundle, and toward the other end.
  • a structure with a reduced diameter is provided.
  • the first CNT bundle is composed of a plurality of first carbon nanotubes whose one ends are connected to the first wiring provided in the underlayer, and a plurality of the first CNT bundles are arranged on the other end side.
  • the first carbon nanotubes at least the carbon nanotubes on the outer side of the first CNT bundle extend with a convex curvature toward the outside of the CNT bundle, and the curvature increases toward the outer periphery of the first CNT bundle.
  • An electronic device is provided.
  • a structure forming method for growing a CNT bundle composed of a plurality of carbon nanotubes connected at one end to a conductive film formed on an underlayer in a reaction chamber in which plasma is generated. And, at the other end of the CNT bundle, at least the carbon nanotubes on the outer side of the CNT bundle grow with a convex curvature toward the outside of the CNT bundle, and toward the outer periphery of the CNT bundle.
  • the growth temperature, the concentration of hydrocarbon gas supplied to the reaction chamber, and the grid potential of the grid provided between the plasma and the conductive film are set so that the curvature increases and the diameter of the CNT bundle decreases toward the other end.
  • a method of forming a structure is provided.
  • the present invention it is possible to provide a structure, an electronic device, and a structure forming method that can prevent the CNT bundle from being scattered.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a II-II cross section of the structure shown in FIG. It is the schematic which shows an example of the apparatus used for the growth of CNT which concerns on embodiment of this invention.
  • It is a schematic sectional drawing (the 1) which shows an example of the formation method of the CNT bundle which concerns on embodiment of this invention.
  • It is a schematic sectional drawing (the 2) which shows an example of the formation method of the CNT bundle which concerns on embodiment of this invention.
  • FIG. 23 is a schematic view showing a section XXIII-XXIII of the probe shown in FIG.
  • FIG. 23 is a schematic view showing a section XXIII-XXIII of the probe shown in FIG.
  • FIG. 23 is a schematic view showing a section XXIII-XXIII of the probe shown in FIG.
  • FIG. 23 is a schematic view showing a section XXIII-XXIII of the probe shown in FIG.
  • FIG. 23 is a cross-sectional schematic diagram which shows the other example of the probe using the structure which concerns on the 2nd application example of embodiment of this invention.
  • the structure according to the embodiment of the present invention includes a plurality of conductive films (12, 14) provided in the base layer 10, and a plurality of conductive films (12 , 14) connected to each of a plurality of CNT bundles (hereinafter referred to as “CNT bundles”) 20.
  • the plurality of CNT bundles 20 are respectively disposed in through holes provided in the insulating film 18 on the base layer 10.
  • a catalyst layer 16 is disposed between each conductive film (12, 14) and the CNT bundle 20.
  • Each conductive film (12, 14) is composed of a first conductive film 12 and a second conductive film 14, respectively.
  • the CNT bundle 20 is used as a contact electrode such as a bump of an electronic device such as a semiconductor device.
  • the conductive films (12, 14) are used as wirings connected to a semiconductor circuit or the like formed on the semiconductor substrate.
  • the underlayer 10 is a wiring layer provided on the semiconductor substrate.
  • FIG. 3 shows a surface wave plasma CVD apparatus as an example.
  • the microwave introduced from the microwave waveguide 60 is introduced into the reaction chamber 6 from the slit antenna 62 through the quartz window 63.
  • Plasma is generated by discharging in the reaction chamber 6 by the introduced microwave.
  • An ion trap 64 made of quartz glass or the like is provided for reducing the ion component by retaining plasma in the discharge region 76 in the reaction chamber 6 near the slit antenna 62.
  • a source gas is introduced into the reaction chamber 6 from a gas inlet 70.
  • the reaction chamber 6 is evacuated by a vacuum pump 72 and maintained at a predetermined pressure by a flow rate of the raw material gas and an automatic pressure regulator (APC) 74.
  • the substrate 2 is placed on the heater built-in susceptor 68 and maintained at a predetermined growth temperature.
  • a grid 66 is disposed between the discharge region 76 and the substrate 2.
  • a grid potential is applied to the grid 66 by a power source 67 so as to suppress a charge component diffused from the discharge region 76 onto the substrate 2.
  • hydrocarbon gases such as methane (CH 4 ) and acetylene (C 2 H 2 ), and dilution gases such as hydrogen (H 2 ), argon (Ar), helium (He), and nitrogen (N 2 ) Is used.
  • dilution gases such as hydrogen (H 2 ), argon (Ar), helium (He), and nitrogen (N 2 ) Is used.
  • hydrogen H 2
  • argon Ar
  • He helium
  • N 2 nitrogen
  • first and second conductive films 12 and 14 are provided on the base layer 10 on the substrate 2.
  • An insulating film 18 is formed on the base layer 10, and a through hole is provided in the insulating film 18 so that the surface of the second conductive film 14 is exposed.
  • the catalyst metal is evaporated by physical vapor deposition such as laser ablation to form the catalyst layer 16 on the surface of the second conductive film 14.
  • the substrate 2 thus prepared is placed on the susceptor 68 of the plasma CVD apparatus shown in FIG. 3, and CNT growth is performed.
  • CH 4 gas and H 2 gas are used as source gas, and the concentration of CH 4 gas is set to about 10%.
  • the grid potential is grounded.
  • the growth temperature is about 600 ° C. to about 900 ° C., desirably about 600 ° C. to about 700 ° C.
  • the first region 24a of the CNT bundle 20 composed of a plurality of CNTs 22 connected at one end to the catalyst layer 16 on the second conductive film 14 grows.
  • Each of the grown CNTs 22 converges toward the center of the CNT bundle 20 by van der Waals force. Therefore, at least the CNTs 22 on the outer side of the CNT bundle 20 out of the plurality of CNTs 22 grow to have a convex curvature toward the outside, and the curvature increases toward the outer periphery of the CNT bundle 20. Therefore, the diameter of the CNT bundle 20 decreases toward the tip of the CNT bundle 20. Further, since the source gas is sufficiently supplied to the outer peripheral portion of the CNT bundle 20, the length of each of the plurality of CNTs 22 increases from the inside to the outside of the CNT bundle 20.
  • the growth temperature is lowered to about 400 ° C. to about 600 ° C., desirably about 400 ° C. to about 500 ° C.
  • the growth of the CNT 22 occurs at the interface with the catalyst layer 16, and the second region 24b grows below the first region 24a. Since the growth temperature is lowered, CNTs 22 having low linearity and meandering grow. As a result, the plurality of CNTs 22 are suppressed from converging to the central portion by van der Waals force, and the outer diameter of the second region 24b can be kept substantially constant. In this way, the CNT bundle 20 having the first and second regions 24a and 24b is formed.
  • FIG. 6 shows, as a comparative example, a CNT bundle 20a when the CNTs 22 are grown without lowering the growth temperature.
  • the plurality of CNTs 22 grow with good linearity.
  • the CNT 22 grows so as to extend with a concave curvature toward the outer periphery at the base end portion, and a substantially linear CNT bundle 20a having a smaller diameter than the base end portion is obtained at the tip end portion.
  • the CNT bundle 20a of the comparative example since the CNTs 22 are substantially straight at the tip, if the pressure is applied from the tip of the CNT bundle 20a, the CNT bundle 20a is scattered.
  • the distal end portion of the CNT bundle 20 has a convex curvature toward the outer periphery of the CNT bundle 20, and has an envelope shape in which a plurality of CNTs 22 converge toward the center. Take. Therefore, it is difficult for the CNT bundle 20 itself to be scattered.
  • the catalyst layer 16 acts as a catalyst metal for the growth of the CNT bundle 20.
  • metal particles such as a metal such as cobalt (Co), nickel (Ni), iron (Fe), or an alloy mainly composed of Co, Ni, Fe, or the like are used.
  • the CNT diameter of the CNT bundle 20 is controlled by the diameter of the catalyst layer 16. Therefore, the average particle diameter of the catalyst layer 16 is in the range of about 2 nm to about 10 nm, desirably about 4 nm to about 6 nm.
  • the average particle diameter is an average diameter when the metal particles are regarded as spherical, and is measured by, for example, a laser diffraction scattering method.
  • the first conductive film 12 is made of a metal such as copper (Cu), aluminum (Al), or tungsten (W).
  • TiN titanium nitride
  • As a material for the low dielectric constant insulating film an inorganic material such as carbon-added silicon oxide (SiOC) or inorganic spin-on-glass (SOG), or an organic material such as organic SOG can be used.
  • a laminated film such as an inorganic material film and an organic material film may be used as the low dielectric constant insulating film.
  • the structure according to the embodiment of the present invention is provided on the uppermost wiring (first wiring) of the first substrate on which the semiconductor circuit is formed, and used as a contact electrode such as a bump.
  • a conductive film 102 such as Cu and a conductive film 104 such as TiN are formed over the conductive film 102 as the second wiring on the second substrate 100 used as a mounting substrate such as a package.
  • the conductive film 104 of the second wiring is opposed to and electrically connected to the CNT bundle 20 that is a contact electrode.
  • the CNT bundle 20 is pressed and connected to the second wiring. Since the CNT bundle 20 is convex toward the outer periphery, it is possible to prevent the CNT bundle 20 from being opened outward or buckled even if pressure is applied. In addition, since the CNT bundle 20 is not scattered even when pressure is applied, there is no possibility of contact with an adjacent structure, and the pitch of the contact electrodes can be reduced.
  • the CNT 22 has a structure having higher meandering property than the tip end portion. Therefore, contact with higher pressure is possible. Further, as shown in FIG. 5, since the plurality of CNTs 22 meander, reliable connection is possible due to the spring effect.
  • the first and second regions 24a and 24b of the CNT bundle 20 are grown by changing the growth temperature.
  • the first and second regions 24a and 24b can be grown by changing at least one of the growth temperature, the concentration of hydrocarbon gas, or the grid potential.
  • the growth temperature is about 600 ° C. and the grid potential is grounded.
  • the first region 24a can be grown by setting the CH 4 gas concentration as low as about 1% to about 0.01%, desirably about 1% to about 0.1%.
  • the second region 24b can be grown by increasing the CH 4 gas concentration to about 10% to about 100%, desirably about 10% to about 50%.
  • the growth temperature is about 600 ° C. and the CH 4 gas concentration is about 10%.
  • the first region 24a can be grown by setting the grid potential to a positive potential.
  • the second region 24b can be grown by lowering the grid potential or making it floating.
  • a first conductive film 12 such as Cu and TiN are formed on a wiring layer (underlayer) 10 formed on a substrate on which a semiconductor circuit or the like is formed by photolithography, etching, sputtering, or the like.
  • a second conductive film 14 is formed. The first and second conductive films 12 and 14 are used as wiring.
  • an insulating film 18 such as SiO 2 is formed on the wiring layer 10 by CVD or the like.
  • a part of the insulating film 18 is selectively removed by photolithography, etching or the like to form a through hole 30.
  • the surface of the second conductive film 14 is exposed in the through hole 30.
  • a catalyst layer 16 such as Co is formed on the surface of the second conductive film 14 exposed in the through hole 30 by physical vapor deposition or the like.
  • a CNT bundle 20 is grown on the catalyst layer 16 by plasma CVD using the plasma CVD apparatus shown in FIG. First, CNT growth is performed at a growth temperature of about 600 ° C., a CH 4 concentration of about 10%, and a grid potential at ground. Thereafter, the growth temperature is lowered to about 500 ° C. to perform CNT growth. As a result, a CNT bundle 20 having a convex curvature toward the outer periphery at the distal end and a shape that embeds the through hole 30 at the proximal end is formed.
  • a remote plasma is generated inside the reaction chamber 6 by a surface wave type electromagnetic wave introduction method. Therefore, generation of amorphous carbon or the like and plasma damage to the catalyst layer 16 are minimized.
  • the ion component contained in the discharge active species excited by the microwave power introduced from the surface wave type slit antenna 62 may generate amorphous carbon during CNT growth.
  • the ion trap 64 is disposed in the vicinity of the microwave introduction portion to cause the discharge gas to stay in the discharge region 76 to reduce the ion component.
  • a metal mesh grid 66 is provided in the vicinity of the substrate 2 to neutralize charge components diffusing from the discharge region. In this way, a CNT bundle can be selectively grown in the through hole 30.
  • the diameter and deposition surface density of the CNT 22 are controlled by the underlying catalyst layer 16.
  • the size distribution of a cluster such as Co evaporated by laser ablation or the like is adjusted using an impactor system or the like.
  • the catalyst layer 16 is formed by depositing metal particles such as Co having an average particle diameter of about 5 nm at a desired surface density.
  • the catalyst layer 16 may be formed by heating and aggregating a deposited metal thin film such as Co at a predetermined temperature.
  • a metal film 40 may be selectively provided at the tip of the CNT bundle 20.
  • a material other than carbon can be arbitrarily selected for the tip contact portion of the contact electrode. Further, it is effective when it is necessary to avoid the fine needle-like structure of each CNT22.
  • the metal film 40 can be formed by printing and transferring a previously patterned paste electrode. Alternatively, the metal film 40 may be formed by mask vapor deposition.
  • a through hole 115 is provided in the insulating film 108 provided over the substrate 100 as shown in FIG. Also good.
  • the dimension of the through hole 115 is adjusted to the outer diameter of the CNT bundle 20.
  • the CNT bundle 20 and the conductive films 102 and 104 are connected so that the tip of the CNT bundle 20 is fitted into the through hole 115.
  • the tip of the CNT bundle 20 has a small diameter. Therefore, alignment and fitting of the CNT bundle 20 and the conductive films 102 and 104 can be performed smoothly. Further, there is no fear that the CNT bundle 20 protrudes outside the through hole 115. Therefore, the CNT bundle 20 can be pushed in with an appropriate contact pressure, and good contact between the CNT bundle 20 and the conductive film 104 can be obtained. Thereby, electrical or thermal conduction can be enhanced.
  • a CNT bundle 110 may be formed on the surface of the conductive film 104.
  • the CNT bundle 110 is grown on the catalyst layer 106 formed on the surface of the conductive film 104.
  • the CNT bundle 20 and the CNT bundle 110 are connected so as to press each other.
  • the CNT bundle 110 may be only the first region 24a shown in FIG.
  • a CNT bundle 110 may be formed in a through hole 115 provided in the insulating film 108.
  • the CNT bundle 20 is brought into contact with the CNT bundle 110 so as to fit into the through hole 115.
  • the MEMS device As a first application example of the embodiment of the present invention, a micro electro mechanical system (MEMS) apparatus such as a micro switch using a CNT bundle will be described.
  • the MEMS device according to the first application example includes a CNT bundle 20 as a fixed electrode and a movable beam 122.
  • the CNT bundle 20 is disposed on the wiring 126 provided in the base layer 10 on the substrate.
  • the movable beam 122 is fixed on the base layer 10 by an anchor 124.
  • the tip of the movable beam 122 that is separated from the base layer 10 faces the CNT bundle 20.
  • a movable electrode 120 is provided on the surface of the movable beam 122 facing the base layer 10.
  • the movable beam 122 can be driven to bend and displaced by electrostatic force, thermal stress, electromagnetic force, piezoelectric power, etc., and brought into contact with the CNT bundle 20.
  • electrostatic force thermal stress
  • electromagnetic force piezoelectric power, etc.
  • the probe according to the second application example includes a wiring (conductive film) 12 provided on a lead beam 140 such as silicon (Si) and a CNT provided on the wiring 12.
  • a bundle 20 is provided.
  • the wiring 12 is formed on the base layer 10 on the lead beam 140.
  • the base end portion of the CNT bundle 20 is buried in the insulating film 18 provided on the surface of the base layer 10 at the tip end portion of the lead beam 140.
  • the lead beam 140 is attached to the probe head 142 of the prober.
  • the operation test of the semiconductor chip 132 can be performed by bringing the CNT bundle 20 into contact with the pad 130 provided on the surface of the semiconductor chip 132. Due to the elastic effect of the CNT bundle 20, the contact with the pad 130 can be performed stably, and the reliability of the test data can be improved.
  • a probe array may be formed using a plurality of lead beams.
  • CNT bundles 20a, 20b, and 20c are provided at the tips of the plurality of lead beams 140a, 140b, and 140c, respectively.
  • the operation test is performed by bringing each of the CNT bundles 20a, 20b, and 20c into contact with the plurality of pads 130a, 130b, and 130c of the semiconductor chip 132. Due to the elastic effect of the CNT bundles 20a, 20b, and 20c, it is possible to simultaneously contact each of the plurality of pads 130a, 130b, and 130c with good stability.
  • a plurality of CNT bundles 20 may be arranged in an array as bumps on a substrate 150 provided at the tip of the probe pin 152.
  • Each of the plurality of CNT bundles 20 is disposed on the plurality of wirings 12 formed in the base layer 10 on the substrate 150.
  • Each of the plurality of CNT bundles 20 is embedded in an insulating film 18 provided on the base layer 10.
  • Each of the plurality of CNT bundles 20 is elastic and can be brought into stable contact with each of the plurality of pads 130 of the semiconductor chip 132 simultaneously.
  • a structure having a CNT bundle is used for a contact electrode of a semiconductor device.
  • the structure is not limited to the semiconductor device, but a liquid crystal device, a magnetic recording medium, an optical recording medium, a thin film magnetic head, It can be easily understood from the above description that the present invention can also be applied to contact electrodes of electronic devices such as conductive elements and acoustoelectric conversion elements.
  • the present invention can be applied to structures and electronic devices using carbon nanotubes.

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Abstract

　下地層（１０）に設けられた導電膜（１２）と、一端を導電膜（１２）に接続した複数のカーボンナノチューブのＣＮＴ束（２０）とを備え、ＣＮＴ束（２０）の他端側において、複数のカーボンナノチューブのうち少なくともＣＮＴ束（２０）の外側部のカーボンナノチューブがＣＮＴ束（２０）の外に向かって凸の曲率を有して延伸し、ＣＮＴ束（２０）の外周に向かうほど曲率が大きくなり、他端に向かって束の直径が小さくなる。

Description

構造体、電子装置及び構造体の形成方法
　本発明は、カーボンナノチューブを用いる構造体、電子装置及び構造体の形成方法に関する。
　カーボンナノチューブ（以下ＣＮＴ）は、電気伝導特性、熱伝導特性、及び機械強度が高く、金属に代わる配線、電極、及び接点等の材料として注目されている。例えば、実用的な電流や熱量を伝導するために、ＣＮＴを一本ずつ用いるのではなく、多数本をまとめた束（以下、ＣＮＴ束）として、半導体装置のパッドやバンプ等のコンタクト電極に用いる提案がなされている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）
　しかしながら、より幅広い接続端子や電極等として用いる場合、以下のような課題がある。すなわち、ＣＮＴ自体は高い強度を有しているが、ＣＮＴ束内のＣＮＴ間はファンデアワールス力で集合しているに過ぎない。そのため、ＣＮＴ束自体の散けが生じやすくなり、例えばコンタクト電極で一般的な押圧を加えた時に、ＣＮＴの外側への開きや坐屈となって現れる懸念がある。更に、ＣＮＴの外側への開きや坐屈により、隣接の構造との接触が生じる恐れがあり、狭ピッチ化を妨げる可能性があった。
特開２００７－１１５７９８号公報 岩井、他、電子デバイス国際会議（IEDM）、２００５年（IEEE Cat. No.05CH37703C (USA) CD-ROM pp.4-7）
　本発明の目的は、ＣＮＴの散けを防止することが可能な構造体、電子装置及び構造体の形成方法を提供することにある。
　本発明の第１の態様によれば、下地層に設けられた導電膜と、一端を導電膜に接続した複数のカーボンナノチューブからなるＣＮＴ束とを備え、ＣＮＴ束の他端側において、複数のカーボンナノチューブのうち少なくともＣＮＴ束の外側部のカーボンナノチューブがＣＮＴ束の外に向かって凸の曲率を有して延伸し、ＣＮＴ束の外周に向かうほど曲率が大きくなり、他端に向かってＣＮＴ束の直径が小さくなる構造体が提供される。
　本発明の第２の態様によれば、下地層に設けられた第１配線に一端を接続した複数の第１カーボンナノチューブからなる第１ＣＮＴ束からなり、第１ＣＮＴ束の他端側において、複数の第１カーボンナノチューブのうち少なくとも第１ＣＮＴ束の外側部のカーボンナノチューブがＣＮＴ束の外に向かって凸の曲率を有して延伸し、第１ＣＮＴ束の外周に向かうほど曲率が大きくなり、第１ＣＮＴ束の他端に向かって第１ＣＮＴ束の直径が小さくなるコンタクト電極を有する第１基板と、第１基板に対向し、コンタクト電極に電気的に接続される第２配線を有する第２基板とを備える電子装置が提供される。
　本発明の第３の態様によれば、プラズマが生成される反応室において、下地層に形成された導電膜に一端を接続する複数のカーボンナノチューブからなるＣＮＴ束を成長させる構造体の形成方法であって、ＣＮＴ束の他端側において、複数のカーボンナノチューブのうち少なくともＣＮＴ束の外側部のカーボンナノチューブがＣＮＴ束の外に向かって凸の曲率を有して成長し、ＣＮＴ束の外周に向かうほど曲率が大きくなり、他端に向かってＣＮＴ束の直径が小さくなるように、成長温度、反応室に供給する炭化水素ガスの濃度、及びプラズマと導電膜の間に設けたグリッドのグリッド電位を設定して複数のカーボンナノチューブの第１領域を導電膜上に成長させる段階と、導電膜と第１領域の間で複数のカーボンナノチューブのそれぞれが蛇行するように、成長温度を下げること、炭化水素ガスの濃度を上げること、及びグリッド電位を下げることのうち少なくとも一つを実施して複数のカーボンナノチューブの第２領域を成長させる段階とを含む構造体の形成方法が提供される。
　本発明によれば、ＣＮＴ束の散けを防止することが可能な構造体、電子装置及び構造体の形成方法を提供することが可能となる。
本発明の実施の形態に係る構造体の一例を示す概略平面図である。 図１に示した構造体のII－II断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るＣＮＴの成長に用いる装置の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るＣＮＴ束の形成方法の一例を示す概略断面図（その１）である。 本発明の実施の形態に係るＣＮＴ束の形成方法の一例を示す概略断面図（その２）である。 比較例によるＣＮＴ束の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる実装基板の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る構造体と実装基板の接続の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る構造体を用いる半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る構造体を用いる半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その２）である。 本発明の実施の形態に係る構造体を用いる半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その３）である。 本発明の実施の形態に係る構造体を用いる半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その４）である。 本発明の実施の形態に係る構造体を用いる半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図（その５）である。 本発明の実施の形態に係る構造体の他の例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる実装基板の他の例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る構造体と実装基板の接続の他の例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる実装基板の他の例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る構造体と実装基板の接続の他の例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる実装基板の他の例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る構造体と実装基板の接続の他の例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態の第１の応用例に係る構造体を用いたＭＥＭＳ装置の一例を示す断面概略図である。 本発明の実施の形態の第２の応用例に係る構造体を用いたプローブの一例を示す断面概略図である。 図２２に示したプローブのXXIII－XXIII断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態の第２の応用例に係る構造体を用いたプローブの他の例を示す断面概略図である。 本発明の実施の形態の第２の応用例に係る構造体を用いたプローブの他の例を示す断面概略図である。
　以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
　本発明の実施の形態に係る構造体は、図１及び図２に示すように、下地層１０に設けられた複数の導電膜（１２、１４）と、それぞれの一端を複数の導電膜（１２、１４）のそれぞれに接続した複数のＣＮＴの束（以下において、「ＣＮＴ束」と称す。）２０とを備える。複数のＣＮＴ束２０は、下地層１０上の絶縁膜１８中に設けられた貫通孔にそれぞれ配置される。それぞれの導電膜（１２、１４）とＣＮＴ束２０の間に、触媒層１６が配置される。各導電膜（１２、１４）は、それぞれ第１及び第２導電膜１２、１４からなる。
　例えば、ＣＮＴ束２０は半導体装置等の電子装置のバンプ等のコンタクト電極として用いられる。導電膜（１２、１４）は、半導体基板に形成された半導体回路等に接続された配線として用いられる。下地層１０は、半導体基板上に設けられた配線層である。
　ＣＮＴ束２０の成膜には、プラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）法を用いることが望ましい。図３には、一例として表面波プラズマＣＶＤ装置を示す。マイクロ波導波路６０から導入されたマイクロ波はスリットアンテナ６２から石英窓６３を介して反応室６内に導入される。導入されたマイクロ波により、反応室６内で放電させプラズマを発生させる。反応室６のスリットアンテナ６２近傍の放電領域７６にプラズマを滞留させてイオン成分を低減する石英ガラス等のイオントラップ６４が配置される。反応室６内には、原料ガスがガス導入口７０より導入される。反応室６内は真空ポンプ７２により排気され、原料ガスの流量と自動圧力調整器（ＡＰＣ）７４により所定の圧力に維持される。基板２はヒータ内蔵サセプタ６８に設置され、所定の成長温度に維持される。放電領域７６と基板２の間にグリッド６６が配置される。グリッド６６には電源６７により、放電領域７６から基板２上に拡散してくる電荷成分を抑制するようにグリッド電位が印加される。
　原料ガスとして、メタン（ＣＨ4）やアセチレン（Ｃ2Ｈ2）等の炭化水素ガス、及び水素（Ｈ2）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、及び窒素（Ｎ2）等の希釈ガスが用いられる。なお、成長条件によっては、希釈ガス無しで炭化水素ガスだけを用いてもよい。
　図４に示すように、基板２上の下地層１０に第１及び第２導電膜１２、１４を設ける。下地層１０上に絶縁膜１８を形成し、第２導電膜１４の表面が露出するように絶縁膜１８に貫通孔が設けられる。レーザアブレーション等の物理蒸着により触媒金属を蒸発させて第２導電膜１４表面に触媒層１６を形成する。
　このようにして準備した基板２を、図３に示したプラズマＣＶＤ装置のサセプタ６８に設置してＣＮＴ成長を行う。例えば、原料ガスとして、ＣＨ４ガス及びＨ２ガスを用い、ＣＨ４ガスの濃度を約１０％とする。また、グリッド電位を接地とする。まず、成長温度を約６００℃～約９００℃、望ましくは約６００℃～約７００℃とする。その結果、第２導電膜１４上の触媒層１６に一端を接続した複数のＣＮＴ２２からなるＣＮＴ束２０の第１領域２４ａが成長する。
　成長した複数のＣＮＴ２２のそれぞれは、ファンデアワールス力によってＣＮＴ束２０の中央部に向かって収束する。そのため、複数のＣＮＴ２２のうち少なくともＣＮＴ束２０の外側部のＣＮＴ２２は外に向かって凸の曲率を有して延伸するように成長し、ＣＮＴ束２０の外周に向かうほど曲率が大きくなる。よって、ＣＮＴ束２０の先端に向かってＣＮＴ束２０の直径が小さくなる。また、ＣＮＴ束２０の外周部は原料ガスの供給が十分であるため、複数のＣＮＴ２２のそれぞれの長さは、ＣＮＴ束２０の内側から外側に向かって長くなる。
　その後、成長温度を約４００℃～約６００℃、望ましくは約４００℃～約５００℃に下げる。ＣＮＴ２２の成長は触媒層１６との界面で起こり、第１領域２４ａの下側に第２領域２４ｂが成長する。成長温度を下げているため、直線性が低く蛇行したＣＮＴ２２が成長する。その結果、複数のＣＮＴ２２がファンデアワールス力によって中央部に収束することが抑制され、第２領域２４ｂの外径寸法をほぼ一定に保つことができる。このようにして、第１及び第２領域２４ａ、２４ｂを有するＣＮＴ束２０が形成される。
　図６には、比較例として、成長温度を下げずにＣＮＴ２２を成長させた場合のＣＮＴ束２０ａを示す。図６に示すように、複数のＣＮＴ２２は直線性よく成長する。その結果、ＣＮＴ２２は基端部において外周に向かって凹状の曲率を有して延伸するように成長し、先端部においては基端部より小さな直径でほぼ直線的なＣＮＴ束２０ａが得られる。
　比較例のＣＮＴ束２０ａでは、先端部でＣＮＴ２２がほぼ直線となっているため、ＣＮＴ束２０ａの先端から押圧を加えると、ＣＮＴ束２０ａの散けが生じてしまう。一方、本発明の実施の形態によれば、ＣＮＴ束２０の先端部では、ＣＮＴ束２０の外周に向かって凸状の曲率を有し、複数のＣＮＴ２２が中心に向かって集束する包絡面形状をとる。よって、ＣＮＴ束２０自体の散けが生じにくい。
　触媒層１６は、ＣＮＴ束２０の成長のための触媒金属として作用する。触媒層１６として、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等の金属、あるいはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等を主成分とする合金等の金属粒子が用いられる。ＣＮＴ束２０のＣＮＴの直径は、触媒層１６の直径で制御される。したがって、触媒層１６の平均粒径は、約２ｎｍ～約１０ｎｍ、望ましくは約４ｎｍ～約６ｎｍの範囲とされる。ここで、平均粒径は、金属粒子を球形とみなしたときの平均直径であり、例えば、レーザ回折散乱法等により測定される。
　また、第１導電膜１２として、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）等の金属が用いられる。第２導電膜１４として、窒化チタン（ＴｉＮ）等が用いられる。下地層１０、及び絶縁膜１８として、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）膜、低誘電率（ｌｏｗ－ｋ）絶縁膜等が用いられる。低誘電率絶縁膜の材料として、炭素添加酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、無機スピンオングラス（ＳＯＧ）等の無機材料、あるいは有機ＳＯＧ等の有機材料が使用できる。また、低誘電率絶縁膜として、無機材料膜及び有機材料膜等の積層膜を用いてもよい。
　例えば、本発明の実施の形態に係る構造体を、半導体回路が形成された第１基板の最上配線（第１配線）に設けて、バンプ等のコンタクト電極として用いる。図７に示すように、パッケージ等の実装基板として用いる第２基板１００に第２配線として、Ｃｕ等の導電膜１０２、及び導電膜１０２上にＴｉＮ等の導電膜１０４を形成する。図８に示すように、コンタクト電極であるＣＮＴ束２０に第２配線の導電膜１０４を対向させて電気的に接続する。
　この場合、ＣＮＴ束２０に押圧を加えて第２配線と接続させる。ＣＮＴ束２０が外周に向かって凸状になっているため、押圧を加えてもＣＮＴ束２０の外側への開きや坐屈を生じにくくすることが出来る。また、押圧を加えてもＣＮＴ束２０が散けないため、隣接の構造との接触が生じる恐れがなく、コンタクト電極の狭ピッチ化を進めることが可能となる。
　また、ＣＮＴ束２０の基端部では、ＣＮＴ２２が先端部に比較して蛇行性の高い構造を有している。そのため、より高い押圧での接触が可能になる。また、図５に示したように、複数のＣＮＴ２２が蛇行しているため、バネ的な効果により、確実な接続が可能になる。
　なお、上記説明においては、成長温度を変えることによりＣＮＴ束２０の第１及び第２領域２４ａ、２４ｂを成長させている。しかし、成長温度、炭化水素ガスの濃度、あるいはグリッド電位のうち少なくとも一つを変化させることにより、第１及び第２領域２４ａ、２４ｂを成長させることができる。
　例えば、成長温度を約６００℃、グリッド電位を接地とする。ＣＨ４ガス濃度を約１％～約０．０１％、望ましくは約１％～約０．１％と低く設定することにより、第１領域２４ａを成長させることができる。ＣＨ４ガス濃度を約１０％～約１００％、望ましくは約１０％～約５０％に上げることにより、第２領域２４ｂを成長させることができる。
　また、成長温度を約６００℃、ＣＨ４ガス濃度を約１０％とする。グリッド電位を正極性の電位に設定することにより、第１領域２４ａを成長させることができる。グリッド電位を下げる、あるいはフローティングにすることにより、第２領域２４ｂを成長させることができる。
　次に、本発明の実施の形態に係る構造体を用いる半導体装置の製造方法を、図９～図１３に示す工程断面図を用いて説明する。
　図９に示すように、フォトリソグラフィ、エッチング、及びスパッタリング等により、半導体回路等が形成された基板上に形成された配線層（下地層）１０に、Ｃｕ等の第１導電膜１２、及びＴｉＮ等の第２導電膜１４を形成する。第１及び第２導電膜１２、１４が配線として用いられる。
　図１０に示すように、ＣＶＤ等により配線層１０上にＳｉＯ2等の絶縁膜１８を形成する。
　図１１に示すように、フォトリソグラフィ、エッチング等により絶縁膜１８の一部を選択に除去して貫通孔３０を形成する。貫通孔３０には、第２導電膜１４の表面が露出する。
　図１２に示すように、物理蒸着等により貫通孔３０内に露出した第２導電膜１４表面にＣｏ等の触媒層１６を形成する。
　図１３に示すように、図３に示したプラズマＣＶＤ装置を用いるプラズマＣＶＤ等により、触媒層１６上にＣＮＴ束２０を成長させる。まず、成長温度を約６００℃、ＣＨ4濃度を約１０％、及びグリッド電位を接地としてＣＮＴ成長を行う。その後、成長温度を約５００℃に下げてＣＮＴ成長を行う。その結果、先端部において外周に向かって凸状の曲率を有し、基端部において貫通孔３０を埋めこむような形状のＣＮＴ束２０が形成される。
　本発明の実施の形態では、図３に示したように、表面波型の電磁波導入方式によって、反応室６の内部でリモート化されたプラズマを発生させる。そのため、アモルファスカーボン等の生成や触媒層１６へのプラズマによるダメージを最小化している。また、表面波型のスリットアンテナ６２から導入されたマイクロ波電力により励起された放電活性種に含まれるイオン成分は、ＣＮＴ成長の際にアモルファスカーボンを生成させる恐れがある。そのため、マイクロ波導入部近傍にイオントラップ６４を配置して放電ガスを放電領域７６に滞留させてイオン成分を低減する。更に、基板２の近傍には金属製メッシュのグリッド６６を設置し、放電領域から拡散してくる電荷成分を中和する。このようにして、貫通孔３０内に選択的にＣＮＴ束を成長させることが出来る。
　ここで、ＣＮＴ２２は、下地の触媒層１６により直径及び堆積表面密度が制御される。例えば、レーザアブレーション等によって蒸発させたＣｏ等のクラスタをインパクタ方式等を用いてサイズ分布を整える。このようにして、平均粒径が約５ｎｍのＣｏ等の金属粒子を所望の面密度で堆積させて触媒層１６を形成する。あるいは、堆積したＣｏ等の金属薄膜を、所定の温度で加熱して凝集させることにより触媒層１６を形成してもよい。
　なお、図１４に示すように、ＣＮＴ束２０の先端に金属膜４０を選択的に設けてもよい。コンタクト電極の先端接触部に炭素以外の材料を任意に選択することができる。また、ＣＮＴ２２個々の微細な針状構造を避ける必要がある場合に有効である。金属膜４０は、予めパターニングしたペースト電極を印刷して転写することにより形成することができる。あるいは、マスク蒸着により金属膜４０を形成してもよい。
　また、本発明の実施の形態に係る構造体をコンタクト電極として用い、パッケージ等の配線と接続させる場合、図１５に示すように、基板１００上に設けた絶縁膜１０８に貫通孔１１５を設けてもよい。貫通孔１１５の寸法は、ＣＮＴ束２０の外径に合わせる。
　図１６に示すように、ＣＮＴ束２０の先端部を貫通孔１１５に嵌め合わせるようにしてＣＮＴ束２０と導電膜１０２、１０４とを接続させる。ＣＮＴ束２０の先端部は直径が小さくなっている。そのため、ＣＮＴ束２０と導電膜１０２、１０４との位置合わせやはめ込みをスムーズに行うことができる。また、ＣＮＴ束２０は貫通孔１１５の外にはみ出してしまう恐れがない。したがって、ＣＮＴ束２０を適切な接触圧で押し込むことができ、ＣＮＴ束２０と導電膜１０４との良好な接触を得ることができる。これにより、電気的あるいは熱的な導通を高めることが可能となる。
　また、図１７に示すように、導電膜１０４の表面にＣＮＴ束１１０を形成してもよい。この場合、導電膜１０４の表面に形成した触媒層１０６上にＣＮＴ束１１０を成長させる。図１８に示すように、ＣＮＴ束２０とＣＮＴ束１１０とを互いに押し付けるようにして接続させる。ＣＮＴ束１１０は、図４に示した第１領域２４ａだけであってもよい。
　また、図１９に示すように、絶縁膜１０８に設けた貫通孔１１５の中にＣＮＴ束１１０を形成してもよい。この場合、図２０に示すように、ＣＮＴ束２０は貫通孔１１５に嵌め合わせるようにしてＣＮＴ束１１０と接触させる。
　図１８及び図２０に示した構造では、ＣＮＴ束２０、１１０同士を接触させるため、接触電位差等を生じさせること無く接続することが可能である。また、接触を保持できるストローク幅が広がるため、ＣＮＴ束２０、１１０の先端高さがばらつく場合にも、押圧を確保しながら、一様に接触させることができる。
　（第１の応用例）
　本発明の実施の形態の第１の応用例として、ＣＮＴ束を用いるマイクロスイッチ等のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置について説明する。第１の応用例に係るＭＥＭＳ装置は、図２１に示すように、固定電極としてのＣＮＴ束２０と可動梁１２２を備える。ＣＮＴ束２０は、基板上の下地層１０に設けられた配線１２６上に配置される。可動梁１２２は、アンカー１２４により下地層１０上に固定される。下地層１０から離間した可動梁１２２の先端が、ＣＮＴ束２０と対向する。可動梁１２２の下地層１０に対向する表面に可動電極１２０が設けられる。
　可動梁１２２を静電力、熱応力、電磁力、圧電力等で駆動して屈曲変位させ、ＣＮＴ束２０と接触させることができる。高い電気伝導性及び熱伝導性を有するＣＮＴ束２０を用いることにより、安定で十分な接触が可能な接点構造を実現することができる。
　（第２の応用例）
　本発明の実施の形態の第２の応用例では、ＣＮＴ束を用いる電子装置の電気的特性の検査に用いるプローバのプローブについて説明する。第２の応用例に係るプローブは、図２２及び図２３に示すように、シリコン（Ｓｉ）等のリードビーム１４０上に設けられた配線（導電膜）１２と、配線１２上に設けられたＣＮＴ束２０を備える。配線１２は、リードビーム１４０上の下地層１０に形成される。ＣＮＴ束２０の基端部は、リードビーム１４０の先端部において下地層１０表面に設けられた絶縁膜１８に埋めこまれている。リードビーム１４０は、プローバのプローブヘッド１４２に取り付けられる。
　例えば、ＣＮＴ束２０を半導体チップ１３２表面に設けられたパッド１３０に接触させて半導体チップ１３２の動作試験を行うことができる。ＣＮＴ束２０の弾性効果によりパッド１３０との接触を安定に行うことができ、試験データの信頼性を向上させることが可能となる。
　また、複数のリードビームを用いてプローブアレイとしてもよい。例えば、図２４に示すように、複数のリードビーム１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃのそれぞれの先端部にＣＮＴ束２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設けられる。ＣＮＴ束２０ａ、２０ｂ、２０ｃのそれぞれを半導体チップ１３２の複数のパッド１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃに接触させて動作試験が行われる。ＣＮＴ束２０ａ、２０ｂ、２０ｃの弾性効果により、複数のパッド１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃのそれぞれに同時に安定性よく接触させることが可能である。
　更に、図２５に示すように、プローブピン１５２の先端に設けた基板１５０上に、バンプとしてアレイ状に複数のＣＮＴ束２０を配置してもよい。複数のＣＮＴ束２０のそれぞれは、基板１５０上の下地層１０に形成された複数の配線１２上に、それぞれ配置される。また、複数のＣＮＴ束２０のそれぞれは、下地層１０上に設けられた絶縁膜１８に埋めこまれている。複数のＣＮＴ束２０のそれぞれには弾力性があり、半導体チップ１３２の複数のパッド１３０のそれぞれと同時に安定に接触させることができる。
（その他の実施の形態）
　上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
　本発明の実施の形態においては、ＣＮＴ束を有する構造体を半導体装置のコンタクト電極に用いているが、半導体装置に限定されず、液晶装置、磁気記録媒体、光記録媒体、薄膜磁気ヘッド、超伝導素子、音響電気変換素子、等の電子装置のコンタクト電極に対しても、本発明が適用できることは、上記説明から容易に理解できるであろう。
　このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
産業上の利用の可能性
　本発明は、カーボンナノチューブを用いる構造体及び電子装置に適用できる。

Claims (9)

  1. 　下地層に設けられた導電膜と、
    　一端を前記導電膜に接続した複数のカーボンナノチューブからなるＣＮＴ束とを備え、
    　前記ＣＮＴ束の他端側において、前記複数のカーボンナノチューブのうち少なくとも前記ＣＮＴ束の外側部のカーボンナノチューブが前記ＣＮＴ束の外に向かって凸の曲率を有して延伸し、前記ＣＮＴ束の外周に向かうほど前記曲率が大きくなり、前記他端に向かって前記ＣＮＴ束の直径が小さくなることを特徴とする構造体。
  2. 　前記他端側における前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれの長さが、前記ＣＮＴ束の内側から前記外側に向かって長くなることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  3. 　前記一端側における前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれが、蛇行していることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  4. 　前記他端に接続した金属膜を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  5. 　前記ＣＮＴ束が、前記下地層上の絶縁膜中に設けられた貫通孔に配置されることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  6. 　下地層に設けられた第１配線に一端を接続した複数の第１カーボンナノチューブからなる第１ＣＮＴ束からなり、前記第１ＣＮＴ束の他端側において、前記複数の第１カーボンナノチューブのうち少なくとも前記第１ＣＮＴ束の外側部のカーボンナノチューブが前記ＣＮＴ束の外に向かって凸の曲率を有して延伸し、前記第１ＣＮＴ束の外周に向かうほど前記曲率が大きくなり、前記第１ＣＮＴ束の他端に向かって前記第１ＣＮＴ束の直径が小さくなるコンタクト電極を有する第１基板と、
    　前記第１基板に対向し、前記コンタクト電極に電気的に接続される第２配線を有する第２基板
    　とを備えることを特徴とする電子装置。
  7. 　前記第２基板の上に、少なくとも前記第１ＣＮＴ束の他端側の領域と嵌合する貫通孔を有する絶縁膜が設けられることを特徴とする請求項６に記載の電子装置。
  8. 　前記第２配線に一端を接続した複数の第２カーボンナノチューブからなる第２ＣＮＴ束を更に備え、該第２ＣＮＴ束の他端に前記コンタクト電極が接続され、前記第２ＣＮＴ束の他端側において、前記複数の第２カーボンナノチューブのうち少なくとも前記第２ＣＮＴ束の外側部のカーボンナノチューブが前記ＣＮＴ束の外に向かって凸の曲率を有して延伸し、前記第２ＣＮＴ束の外周に向かうほど前記曲率が大きくなり、前記第２ＣＮＴ束の他端に向かって前記第２ＣＮＴ束の直径が小さくなることを特徴とする請求項６に記載の電子装置。
  9. 　プラズマが生成される反応室において、下地層に形成された導電膜に一端を接続する複数のカーボンナノチューブからなるＣＮＴ束を成長させる構造体の形成方法であって、
    　前記ＣＮＴ束の他端側において、前記複数のカーボンナノチューブのうち少なくとも前記ＣＮＴ束の外側部のカーボンナノチューブが前記ＣＮＴ束の外に向かって凸の曲率を有して成長し、前記ＣＮＴ束の外周に向かうほど前記曲率が大きくなり、前記他端に向かって前記ＣＮＴ束の直径が小さくなるように、成長温度、前記反応室に供給する炭化水素ガスの濃度、及び前記プラズマと前記導電膜の間に設けたグリッドのグリッド電位を設定して前記複数のカーボンナノチューブの第１領域を前記導電膜上に成長させる段階と、
    　前記導電膜と前記第１領域の間で前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれが蛇行するように、前記成長温度を下げること、前記炭化水素ガスの濃度を上げること、及び前記グリッド電位を下げることのうち少なくとも一つを実施して前記複数のカーボンナノチューブの第２領域を成長させる段階
    　とを含むことを特徴とする構造体の形成方法。
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