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日本開(kāi)發(fā)出新導電材料截流量是銅線(xiàn)100倍,通過(guò)組合單層碳納米管(CNT)和銅(Cu),實(shí)現了與銅同等的電導率


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2018-09-29

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"產(chǎn)綜研")開(kāi)發(fā)出了一種新材料,通過(guò)組合單層碳納米管(CNT)和銅(Cu),實(shí)現了與銅同等的電導率,以及約達到銅100倍的載流量。該研究所表示,這種CNT-Cu復合材料不僅可以通過(guò)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(xiàn)材料使用

日本開(kāi)發(fā)出新導電材料截流量是銅線(xiàn)100倍,通過(guò)組合單層碳納米管(CNT)和銅(Cu),實(shí)現了與銅同等的電導率

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"產(chǎn)綜研")開(kāi)發(fā)出了一種新材料,通過(guò)組合單層碳納米管(CNT)和銅(Cu),實(shí)現了與銅同等的電導率,以及約達到銅100倍的載流量。該研究所表示,這種CNT-Cu復合材料不僅可以通過(guò)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(xiàn)材料使用。 目前為止,半導體芯片的總體布線(xiàn)及芯片間布線(xiàn)材料一般使用銅、鋁(Al)、金(Au)等金屬。不過(guò),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(shí),這種電壓會(huì )導致原子結構崩潰,就會(huì )造成電阻急劇增大,最終導致導線(xiàn)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(shí)具備高載流量和高電導率材料,而CNT-Cu復合材料同時(shí)實(shí)現了兩種特性(b)。從用途方面來(lái)看,隨著(zhù)微細化技術(shù)的進(jìn)步,半導體芯片等的布線(xiàn)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(wú)法實(shí)現的100萬(wàn)(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,也很難導致原子結構崩潰。但是,這種材料的電導率卻不到Cu和Au的1/100。此前,研究人員一直都沒(méi)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CNT和Cu組合而成,首次同時(shí)實(shí)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(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復合材料中,CNT和Cu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的"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(huì )明顯降低,這一點(diǎn)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(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(jìn)行電鍍處理。關(guān)鍵點(diǎn)是在有機類(lèi)溶液中以1m~5mA/cm2的電流密度緩慢對CNT進(jìn)行電鍍處理,而不是在水溶液中快速進(jìn)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(chǎn)綜研與日本瑞翁等開(kāi)發(fā)的垂直配向單層CNT改為水平配向后,先后在有機類(lèi)溶液和水溶液中進(jìn)行鍍銅處理制作而成。目前存在1000倍以上的價(jià)格差距,這種復合材料存在的問(wèn)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(wàn)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(jià)格差距。   產(chǎn)綜研此次在制造單層CNT時(shí),采用了該研究所與日本瑞翁等公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的"超速成長(cháng)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(kāi)始采用超速成長(cháng)法正式量產(chǎn)單層CNT。將來(lái)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(chǎng)商聯(lián)合開(kāi)發(fā)新材料的具體用途,推進(jìn)實(shí)用化。

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