成果報告書詳細
管理番号20090000000054
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 「ナノテク・先端部材実用化研究開発 電子デバイスのためのCNTを用いたナノスプリング接点接続の研究開発 」
公開日2009/8/26
報告書年度2006 - 2009
委託先名三菱瓦斯化学株式会社 富士通株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約本研究開発は、1)基本コンセプトの確認、2)CNT形状の最適化、3)転写に適した電極材料・構造開発、4)転写材料・プロセス開発、5)接点接続特性評価、6)CNT封止材料方式・放熱開発、7)信頼性試験、8)CNTと電極の金属接合の8項目からなる。先ず、本研究開発の目的とする方向が正しいことの証明として、金を蒸着したシリコンのチップにCNT束を銀ペーストで転写し、金蒸着のウエハにチップを押し当て、CNTを撓ませて抵抗を測定した。長さ125μm、径100μmのCNT束は、1Nの荷重で21μm撓み、電気抵抗は測定系を含め0.6Ωを示し、CNTが目的に沿う材料であることを証明した。目的に沿う長さ100-200μmと特性を有するCNT成長条件では、反応温度600℃-800℃、反応ガス流量20-1000ml/min、反応時間2-60分での製造方法を確立した。CNTの転写性,転写したチップの電気的特性,接続の経時的変化などを評価用に、25種類のTEG(Test Element Group)を設計製作した。TEGの電極金属として、1)銅電極、2)無電解Ni+Auメッキ電極、3)電解Ni+Auメッキ電極の3種を製作。TEGのカバー膜は、ポリイミドとし、電極の開口径は、20μm-180μmまでの7種類のサイズを製作。製作したTEGへのCNT転写は、フェノール系、シリコーン系のAgペーストで100%の転写率を達成した。また、銅電極の方が金電極に比べて転写強度が高いこと、転写前処理としてArアッシングは不可欠であった。TEGを評価用の基板に押し当て、100個のCNTのデージチェン抵抗の測定をしたところ、CNTバンプ一個あたり10-60Ωと高い抵抗値を示した。この高抵抗が、個々のCNT繊維と電極との接触面積が小さいためと判断し、CNTの両端を金コーティングし、接触面積の拡張を試みたが、CNTバンプ一個あたり最小値で0.23Ωが得られ、端面金属コーティングの効果は確認できたが更なる低抵抗化が必要とされた。低抵抗化に向け、CNT自身のバルク抵抗を明らかにするため、CNTバンプ抵抗のCNT長さ依存を評価した結果、200μmのバンプ径において、バンプ抵抗は、45mΩ/μmと判明し、実用化に向けては、CNT自身の抵抗低減が必須となった。直流抵抗だけでなく、CNTバンプ部の等価回路モデルを作製し50MHz-20GHzの範囲でAC特性を測定した結果、CNTバンプは10GHz以上の高周波領域でも実用に問題がないことが分かった。CNTバンプの電気的接続を維持した状態で固定する封止方法は、チップ周辺のみ樹脂で固定し、CNTバンプが封止後も自由な撓み性を有する中空封止した方法は、1,000サイクル超の温度サイクル試験でも抵抗変化も無かった。一方、CNTバンプ間及びCNT繊維間に樹脂を充填し、CNT繊維の撓み性を拘束した場合は、温度サイクル数の増加とともにチップ周辺からオープン不良が発生した。CNTバンプの繰り返しコンタクト抵抗は、初期20回までは27%増加するものの、その後100回までは変化しなかった。前述したCNTの高い接触抵抗を低減するため、CNTと電極金属にArのFAB(Fast Atomic Bombardment)を照射し、CNTと電極金属を活性化させ直接合金接続することを試みた結果、CNTは、アルミ及び金と金属接合が可能であった。今後、接合の電気抵抗と信頼性の関係を明にする。以上の結論として、CNTバンプはリペアラブルなコンタクト特性を持ち、高周波領域まで使用可能であることなどを明らかにし、その製造方法としてCNT成長、転写技術、LSIの電極構造の開発など成果を得た。しかしながら、電気抵抗は、既存のはんだバンプ領域まで低減できず、ステージ2に進めなかった。今後、課題として明らかになったCNTの金属接合、CNTのクォリティ改善などについて研究を行い、将来の実用化を目指す。
英文要約Title:The Research and Development of Nanodevices for Practical Utilization of technology Carbon nanotube flexible bumps for future LSI interconnects (FY2006-FY2008) Final Report This research consists of eight items followed, 1)Confirmation of the basic concept, 2)Optimization of the CNT structure, 3)Electrode material and construction optimized for transfer process, 4)Materials and process suitable for CNT transference, 5)Flip chip interconnection evaluation, 6) Sealing and heat dissipation, 7)Reliability, 8)Alloy interconnection between CNT and electrode metals. Firstly electrical connection with CNT was confirmed with aligned CNT columns, 125μm in height and 100μm across, established with transferred CNT onto the electro-conductive Ag paste printed on the Au vaporized silicone chips. Bending the columns by 21μm under the weight of 1N resulted to 0.6Ω resistance of the whole system. Desired CNT, 100-200μm height, which could give suitable length and quality, were surely achieved under optimized conditions. 25 types of Test Element Groups (TEG) and 3 types of metallic electrodes, Cu plated, electric Ni /Au plated and electric Ni/Au plated, were prepared. Polyimide, the metallic electrode protection film, was designed to be opened in a circle in 7 different sizes of 20-180μm. CNT transference at 100% yield was achieved with Phenolic and Silicone types of conductive adhesive paste containing Ag with Ar plasma etching pre-treatment. Cu electrode was more suitable than the Au electrodes. 100-CNT daisy chain, holding the CNT transferred TEG on host substrate, resulted of high resistance of 10-60 Ω /bumps. Au coating of both ends of CNT bumps was effective in reduction the resistance greatly down to 0.23 Ω. And CNT length-dependency resistance with CNT bump of 200μm in diameter resulted of 45mΩ/μm. Thus we found that resistance reduction of CNT themselves were necessary for practical application of CNT bumps. CNT bumps’ function at more than 10GHz frequency was proved with construction of the equivalent circuit model of CNT bumps and its measurement at 50MHz -20GHz at alternating current properties, as well as direct current resistant. As to sealing method, the chip fixed its surrounding by resin with midair in it, keeping the flexibility of CNT fibers after sealing, has no defect of resistance even over 1,000 cycles at the thermal cycling test. Hence the chips sealed resin fully filled until CNT fibers could not bend failed from its surroundings by the cycle. Direct CNT- electrodes metal connection, by the alloy method which has activating process of CNT and electrode metal with applying Ar FAB, Fast Atomic Bombardment, were proved CNT connection with Al and Au. Electrical resistance and reliability are further issues. Summary : CNT bumps was proved to have the repairable contact property and the function at high frequency. In addition, the manufacturing method and the transfer technique of CNT, and the structure of electrodes on LSI were successfully achieved. However, since the electric resistance could not be reduced into the practical extent of solder bump, the research was not qualified for the Stage two.
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