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        日本開發出新導電材料截流量是銅線100倍

        2018/09/29 09:58
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         日本產業技術綜合研究所(以下簡稱"產綜研")開發出了一種新材料,通過組合單層碳納米管(CNT)和銅(Cu),實現了與銅同等的電導率,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體芯片的布線材料使用。

        目前為止,半導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。不過,這些金屬的電導率雖然較高,但載流量不一定很大。施加一定數值以上的高電壓時,這種電壓會導致原子結構崩潰,就會造成電阻急劇增大,最終導致導線斷裂。在電導率和載流量方面,新材料兼具CNT的高載流量和Cu的高電導率(a)。此前人們并未找到同時具備高載流量和高電導率材料,而CNT-Cu復合材料同時實現了兩種特性(b)。從用途方面來看,隨著微細化技術的進步,半導體芯片等的布線要求的載流量也逐漸增大。產綜研表示,到2015年,所需載流量將達到CuAu無法實現的100(106)A/cm2。CNT及石墨烯等"納米碳材料"則擁有高達10(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,也很難導致原子結構崩潰。但是,這種材料的電導率卻不到CuAu1/100。此前,研究人員一直都沒有找到載流量與CNT相當且電導率與Cu同等的材料。CNT可抑制Cu的擴散CNT-Cu復合材料由CNTCu組合而成,首次同時實現了上述兩種特性。其載流量為6.3×108A/cm2,高達Cu的約100倍。產綜研表示,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復合材料中,CNTCu形成了像"鐵筋混泥土"一樣的結構,CNT起到了增強在高電壓下Cu"強度"的作用。在常溫下,這種復合材料的電導率與Cu相當。但即便在200℃左右的高溫下,新材料的電導率也不會明顯降低,這一點比Cu還要出色。

        CNT-Cu復合材料與Cu在不同溫度下的電導率變化。CNT-Cu復合材料與Cu相比,溫度造成的電導率變化較小。據產綜研介紹,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。關鍵點是在有機類溶液中以1m5mA/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構造體內部填充Cu。CNT-Cu復合材料的制造工藝概要。將產綜研與日本瑞翁等開發的垂直配向單層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。目前存在1000倍以上的價格差距,這種復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合開發的"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單層CNT。將來有可能將制造成本降至10日元/g左右。

          產綜研表示,今后將與制造廠商聯合開發新材料的具體用途,推進實用化。

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