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日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下簡稱“產(chǎn)綜研”）開發(fā)出了一種新材料，通過組合單層碳納米管（CNT）和銅（Cu），實現(xiàn)了與銅同等的電導(dǎo)率，以及約達到銅100倍的載流量（也叫最大電流密度）。該研究所表示，這種CNT-Cu復(fù)合材料不僅可以通過大電流，而且重量輕、耐高溫，因此可以作為超小型高性能半導(dǎo)體芯片的布線材料使用。

此次制造的CNT-Cu復(fù)合材料（圖片：產(chǎn)綜研）

目前為止，半導(dǎo)體芯片的總體布線及芯片間布線材料一般使用銅、鋁（Al）、金（Au）等金屬（圖1）。不過，這些金屬的電導(dǎo)率雖然較高，但載流量不一定很大。施加一定數(shù)值以上的高電壓時，這種電壓會導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)崩潰，就會造成電阻急劇增大，最終導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂。

圖1 利用CNT和Cu組成的“鋼筋混凝土”突破阻礙 在電導(dǎo)率和載流量方面，新材料兼具CNT的高載流量和Cu的高電導(dǎo)率（a）。此前人們并未找到同時具備高載流量和高電導(dǎo)率的材料，而CNT-Cu復(fù)合材料同時實現(xiàn)了兩種特性（b）。

從用途方面來看，隨著微細化技術(shù)的進步，半導(dǎo)體芯片等的布線要求的載流量也逐漸增大。產(chǎn)綜研表示，到2015年，所需載流量將達到Cu和Au無法實現(xiàn)的100萬（106）A/cm2。 而CNT及石墨烯等“納米碳材料”則擁有高達10億（109）A/cm2左右的載流量。這是因為碳原子之間具有很強的耦合能力，就算施加很高的電壓，也很難導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)崩潰。但是，這種材料的電導(dǎo)率卻不到Cu和Au的1/100。此前，研究人員一直都沒有找到載流量與CNT相當(dāng)且電導(dǎo)率與Cu同等的材料。

CNT可抑制Cu的擴散

CNT-Cu復(fù)合材料由CNT和Cu組合而成，首次同時實現(xiàn)了上述兩種特性。其載流量為6.3×108A/cm2，高達Cu的約100倍。

產(chǎn)綜研表示，新材料之所以能夠獲得如此高的載流量，是因為CNT可抑制Cu的擴散。在這種CNT-Cu復(fù)合材料中，CNT和Cu形成了像“鐵筋混泥土”一樣的結(jié)構(gòu)，CNT起到了增強在高電壓下Cu的“強度”的作用。

在常溫下，這種復(fù)合材料的電導(dǎo)率與Cu相當(dāng)。但即便在200℃左右的高溫下，新材料的電導(dǎo)率也不會明顯降低，這一點比Cu還要出色（圖2）。

圖2 電導(dǎo)率在高溫下也不易降低 CNT-Cu復(fù)合材料與Cu在不同溫度下的電導(dǎo)率變化。CNT-Cu復(fù)合材料與Cu相比，溫度造成的電導(dǎo)率變化較小。（圖：產(chǎn)綜研）

據(jù)產(chǎn)綜研介紹，新材料的制作工藝基本上是在含有Cu離子的溶液中對CNT進行電鍍處理（圖3）。關(guān)鍵點是在有機類溶液中以1m～5mA/cm2的電流密度緩慢對CNT進行電鍍處理，而不是在水溶液中快速進行鍍銅處理。這樣便可在CNT構(gòu)造體內(nèi)部填充Cu。

圖3 采用溶液工藝制造 CNT-Cu復(fù)合材料的制造工藝概要。將產(chǎn)綜研與日本瑞翁等開發(fā)的垂直配向單層CNT改為水平配向后，先后在有機類溶液和水溶液中進行鍍銅處理制作而成。（圖：產(chǎn)綜研）

目前存在1000倍以上的價格差距

這種復(fù)合材料存在的最大問題是單層CNT的成本還很高。目前單層CNT的成本為1000日元～1萬日元/g（因純度不同而異），與4300日元/g左右的Au差不多。而Cu的成本卻只有約0.76日元/g，單層CNT與之存在極大的價格差距。

產(chǎn)綜研此次在制造單層CNT時，采用了該研究所與日本瑞翁等公司聯(lián)合開發(fā)的“超速成長法（Super Growth）”，這是一種可制造高純度單層CNT的工藝。瑞翁計劃從2015年開始采用超速成長法正式量產(chǎn)單層CNT。將來有可能將制造成本降至10日元/g左右。

產(chǎn)綜研表示，今后將與制造廠商聯(lián)合開發(fā)新材料的具體用途，推進實用化。（作者：野澤哲生，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）