(57)【要約】【課題】通常のワイヤ材料を用いるナノ回路の構築に伴う問題点を解決すること。【解決手段】本発明は一般にナノスケールの回路に関連する。特に本発明はカーボンナノチューブを基礎とする（即ち、ＣＮＴベースの）回路を製造する方法に関連する。本方法は実質的に分離したカーボンナノチューブの混合物を用意すること及び静電気力でカーボンナノチューブをパターニングすることを含む。混合物中のカーボンナノチューブは典型的には各自のナノチューブ上に誘発される正電荷により分離される。カーボンナノチューブのパターニングは典型的には予め形成された金属線と帯電したカーボンナノチューブとの間の電気的引力を利用することでなされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を溶液に浸し、帯電したカーボンナノチューブの懸濁液を用意し、
ｂ）少なくとも１つの帯電した金属ナノワイヤでパターニングされている基板に前記懸濁液を接触させる  
ことでカーボンナノチューブベースのナノ回路を製造する方法。
【請求項２】
前記溶液が、溶媒及び酸性元素より成る
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記帯電したカーボンナノチューブが、前記懸濁液の中で実質的に集まっていない
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記基板が、一連の金属ナノワイヤセグメントでパターニングされている
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
ｃ）前記金属ナノワイヤに電気バイアスを印加し、少なくとも１つの帯電したＣＮＴがＣＮＴの先端でそろうようにする
ことを更なる特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
ｄ）電気バイアスを除去し、金属ナノワイヤ上にカーボンナノチューブのパターンを有する基板を用意する
ことを更なる特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
ｄ）電気バイアスを除去し、金属ナノワイヤ上にカーボンナノチューブのパターンを有する基板テンプレートを用意し、
ｅ）前記カーボンナノチューブのパターンを第２の基板に転送する
ことを更なる特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記金属ナノワイヤセグメントの間の隙間が導電性材料より成るブリッジで満たされる
ことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項９】
前記導電性材料が、導電性ポリマ、金属を含有する導電性接着剤又は堆積された金属である
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ｃ）前記金属ナノワイヤセグメントに掃引バイアスを印加し、少なくとも１つの帯電したＣＮＴが少なくとも１つのセグメントの先端を揃える
ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
ｄ）カーボンナノチューブの懸濁液をイオンを含む電解質で置換し、
ｅ）前記電解質を用いて電着を実行し、カーボンナノチューブ間に金属接続部を設ける
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記電解質のイオンが、銅又はニッケルのイオンである
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にナノスケールの回路に関連する。特に本発明はカーボンナノチューブを基礎とする（即ち、ＣＮＴベースの）回路を製造する方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジは数ナノメートル乃至百ナノメートル又はそれ以上のスケールで物体を組織的に編成及び操作することで材料を作成することを含む。素子、装置及びシステムを含むそのような材料はそのようなスケールでの操作による新規な特性に起因してしばしば望まれ利用される。
【０００３】
ナノテクノロジの主眼は（マイクロテクノロジのような）関連分野のものと根本的に相違する。マイクロテクノロジはマクロスケールデバイスを取り扱い、それらをより小さくすることを主として意図してきている。マイクロテクノロジの成果例は真空管からソリッドステートトランジスタへの変遷や、電気機械システムからＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）への変遷を含む。この動向は一般に「トップダウン」アプローチと呼ばれる。これに対してナノテクノロジでの微細化は異なるが副次的な利益をもたらす。ナノテクノロジは「ボトムアップ」アプローチである：材料は分子又は原子レベルで合わせられ、劇的且つ整然とした特性変化をもたらし；その特性変化はマクロスケールでは今まで決して見られなかったものである。
【０００４】
ナノメートルスケールで物体をパターニングすることで化学組成や分子構造を変えずに基礎的な物性（例えば、溶解温度、硬度及び光分散性）を変えることもできる。これは全く新しい内容及び特性を有する材料の作成を可能にする。そのような特性はより小型で、より軽量で及びより安価であって良好な機能を備えるデバイスを製造する代替手法を与えるであろう。
【０００５】
様々なナノ材料及びナノテクノロジ（例えば、ナノ合成物、ナノクリスタル、ナノ粒子、ナノ構造物質、ナノチューブ、ナノ触媒及びナノフィルタ）が多数のアプリケーションで考察されている。想定されるアプリケーションは：ナノクリスタル材料を有する巨大磁気抵抗；選択性光バリア又はハードコーティングを有するナノレイヤ；化学的生物学的センサ；先端ドラッグデリバリーシステム；ナノパーティクルスラリーによる化学機械研磨；新世代レーザ；ナノ構造触媒；システムオンチップ；熱障壁；及び記憶媒体等を含む。
【０００６】
マイクロエレクトロニクス及びコンピュータの分野では、ナノ回路を形成することはルーティングの長さを相当に減らし、計算能力及びデータ速度を劇的に増やす。これは平面内での距離及び層から層までの高さの双方が短いことに起因する。ルーティング長の短縮化はオームの法則で説明されるような電気抵抗も減らす。不利なことにワイヤ直径が減ると電気抵抗は増えてしまう。このことは通常のワイヤ材料を用いるナノ回路の構築を実現不可能にしてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従ってナノ回路を構成する新規材料及びナノ回路を製造する新規な方法が必要とされ、それを提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は一般にナノスケールの回路に関連する。特に本発明はカーボンナノチューブを基礎とする（即ち、ＣＮＴベースの）回路を製造する方法に関連する。
【０００９】
本方法は実質的に非結合の（分離した）カーボンナノチューブの混合物を用意すること及び静電気力でカーボンナノチューブをパターニングすることを含む。
【００１０】
混合物中のカーボンナノチューブは一般に各自のナノチューブ上に誘発される正電荷によって分離させられる。正の電荷は様々な手法で導入されてよいが、典型的には適切な酸性ｐＨを有する電解質溶液にナノチューブをさらすことで作成される。
【００１１】
カーボンナノチューブのパターニングは典型的には予め形成された金属線と帯電したカーボンナノチューブとの間の電気的引力を利用することでなされる。予め形成された金属線は連続的でも断続的でもよい（即ち、区切られていてもよい）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
カーボンナノチューブ（即ち、ＣＮＴ）は幅広く研究されているナノ材料であり、様々な用途で優良な特性を示す。金属性のナノワイヤとは異なり、ＣＮＴはたとえナノスケールでも良好な導電性を示す。この重要な現象はＣＮＴを筒状型形状に丸めて重ねたグラファイトとみなすことで説明される。電流の流れは依然としてグラファイト層の平面次元の中（即ち、カーボンナノチューブの長さ方向）にある。従ってナノチューブの直径がナノスケールに縮小すること（シュリンキング）は導電性にいささかの影響も与えない。しかしながら従来の手法でＣＮＴ接続を形成することは困難であった。
【００１３】
ＣＮＴは、電気アーク放電、レーザ蒸着、化学蒸着堆積（即ち、ＣＶＤ）のような方法を用いて気相で製造されるのが通常的である。グラファイトと同様にＣＮＴは本質的に不変である。この物性は他の分子特性と共にＣＮＴを結合させ、分子間の強いファンデルワールス力に起因してＣＮＴをもつれた「ロープ」状にする。図１はそのような結合を示す。個々のＣＮＴ（１０１）はＣＮＴの束（１０２）を形成するように集まる。束１０２はより小さなＣＮＴの束（１０３）及び個々のＣＮＴ１０１と平衡状態にある。この釣り合い（平衡）は分子間の強力な引力に起因して束１０２の遠方に及ぶ。
【００１４】
本発明は少なくともその第１段階で（溶液又は懸濁液のような）混合物の中でＣＮＴを実質的に分離する方法を提供する。このプロセスは図２に示される。帯電したＣＮＴを形成することで生成された反発力は作用しているファンデルワールス引力を上回る。例えば結合２０１は個々のＣＮＴ２０２と平衡状態にある。図２で矢印で示される結合の平衡状態は、相互に正に帯電した種類のものが互いに反発することに起因して個々のＣＮＴ２０２側にシフトする。
【００１５】
一般的には、帯電したＣＮＴが生じる程度に充分な酸性を有する溶液にＣＮＴを浸すことで、帯電したＣＮＴが生成される。帯電の程度は使用される溶液の特性にそのまま依存する。帯電の度合がファンデルワールス力を上回ることができる程度の反発力を与えるならば、ＣＮＴの分離が生じる。反発力が、存在する分子引力を部分的にしか上回らなかったならば、ＣＮＴの束の混合物が形成される。一般に個々の帯電したＣＮＴ又は相対的に小さなＣＮＴの束が本発明で使用可能である。
【００１６】
ＣＮＴを浸すことが行われる溶液は溶剤と少なくとも１つの酸性元素を含む。溶媒の非限定的な例は、有機溶媒、非有機溶媒及び水（例えば、電解質溶液）を含む。溶液中の酸性元素は酸素でもよいし非有機的酸（選択された溶液に匹敵するもの）でもよい。
【００１７】
ＣＮＴが適切な溶液に浸される場合に、混合物を攪拌することで、帯電した種を生成する反応が促進される。攪拌は例えば密閉容器を揺すること、機械的手段を用いて動かすこと或いは混合物にガスを押し込むことを含む様々な手法でなされてもよい。
【００１８】
ナノ回路を構築するために、帯電した、分離したＣＮＴはパターニングされる必要がある。パターニングは予め形成された金属線及び帯電したＣＮＴの間の正電引力を用いてなされる。高度なリソグラフィを利用して、１０ナノメートルの幅を有する金属線を基板上に作成してもよい。金属線に電気バイアスを印加して、帯電したＣＮＴの先端を整合させるようにする。このプロセスは図３に示されている。分離した帯電したＣＮＴ３０１は金属線３０２に隣接するように連れて来られ、その金属線には電気バイアスが印加されている。負に帯電したワイヤ（３０２）はＣＮＴ３０１を引き寄せる。この引力はパターニングされた回路の一部であるコンタクト部分３０３をもたらす。
【００１９】
図３に示されるプロセスに続いて連続的な金属線に沿って帯電したＣＮＴが堆積される。これは図４Ａで４０１として示される。図４Ｂ，４Ｃに示されるように複数のワイヤセグメントにより循環的に印加される掃引バイアスが利用されてもよい。個々のＣＮＴ（４０４）はワイヤセグメント４０３に順に引き寄せられ、組み合わさった生成物４０２を作成する。バイアス電圧、サイクリックタイム及び波形は金属トレースにＣＮＴを順に配置するように適切に調整される。
【００２０】
金属セグメントがＣＮＴで占められるとパターニングがなされる。金属セグメントはＣＮＴ直下にあってもよい。或いはパターニングされたＣＮＴは実際の回路がある第２の基板に移管されてもよい。そのような場合には、第１の基板の金属セグメントはテンプレートとして多数回反復的に使用可能であり；第２の基板は金属セグメントを下地に有しないＣＮＴだけを含む。
【００２１】
堆積されたＣＮＴの間に隙間（ギャップ）が生じる場合があるかもしれない。これは図５Ａに示される。ＣＮＴ／セグメントの組み合わせ５０１は隣接しているがそれらは接触していない。万一ギャップが充分に広かったならば、導電性に大きく影響を及ぼすであろう。ギャップを埋める１つの手法はワイヤセグメントの間に導電性ブリッジ（５０２、図５Ｂ）を挿入することである。限定ではないが、導電性ポリマ、金属を含有する導電性接着剤及び堆積された金属を含む如何なる導電性材料でブリッジが形成されてもよい。ブリッジ５０２が金属である場合に、それは一般的には電着法によりナノワイヤセグメントのパターンに形成される。或いはブリッジ５０２はナノスケールリソグラフィを用いてセグメント間に設けられた小さなメタルドットでもよい。
【００２２】
ブリッジ５０２が使用される場合には、ＣＮＴ堆積中に金属セグメントのみにバイアスがかけられる。ＣＮＴの堆積が完了すると、ＣＮＴ懸濁液は電着用のイオン（例えば、銅やニッケルのイオン）を含む電解液で置換される。電着は電気めっきされた「バンプ」（５０３）を設け、バンプは離間したＣＮＴを接続するよう機能する（図５Ｃ参照。）。
【００２３】
図６，７を参照して本発明による方法が更に説明される。方法６００は一例を示す。ステップ６０１でカーボンナノチューブは酸性溶液に浸され、その溶液は正に帯電したＣＮＴをもたらす。ステップ６０２では、正に帯電したＣＮＴがパターニングされた基板と接触するように寄せられ、ＣＮＴ懸濁液でコーティングされたパターニング基板を用意する。ステップ６０３ではパターニングされた基板に電気バイアスがかけられ、帯電したＣＮＴがパターニングされたナノワイヤに高くそびえるように整合させられる。ステップ６０４にて電気バイアスが単に除去されると、ナノ回路が得られる。或いはステップ６０５で電気バイアスがテンプレートを用意するように除去されてもよく、テンプレートはパターニングされたＣＮＴの移管後にナノ回路を形成する（ステップ６０６）。
【００２４】
図７の方法７００は本発明による改善された方法を示す。カーボンナノチューブは酸性溶液に浸され（ステップ６０６）、帯電したＣＮＴを作成する。ステップ７０２では帯電したＣＮＴがパターニングされた基板と接するように寄せられる。パターニング基板の基板は導電性材料で予め満たされている（ステップ７０３）。ステップ７０４では充填されたパターニングされた基板に電気バイアスがかけられ、電気バイアスは帯電したＣＮＴがパターニングされたナノワイヤに高くそびえるように整合させられる。ＣＮＴ懸濁液は電解液を含むイオンで置換され、電着が実行される（ステップ７０５）。ステップ７０６では電気バイアスが除去され、それに応じてナノワイヤを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】カーボンナノチューブの結合／非結合プロセスを示す図である。
【図２】正に帯電したカーボンナノチューブの結合／非結合プロセスを示す図である。
【図３】帯電したカーボンナノチューブと電気バイアスのかかった金属セグメントとの間の誘引及び以後の結合の様子を示す図である。
【図４Ａ】連続的な金属線に沿って帯電したカーボンナノチューブをパターニングする様子を示す図である。
【図４Ｂ】掃引するバイアスを印加しながら金属セグメントに沿って帯電したカーボンナノチューブをパターニングする様子を示す図である。
【図４Ｃ】掃引するバイアスを印加しながら金属セグメントに沿って帯電したカーボンナノチューブをパターニングする様子を示す図である。
【図５Ａ】カーボンナノチューブ／ワイヤセグメント（それらの間に隙間を含む）を示す図である。
【図５Ｂ】導電性材料又はブリッジで充填された図５Ａの隙間を示す図である。
【図５Ｃ】２つの帯電したナノチューブを接続する金属で更に満たされた図５Ｂの構造を示す図である。
【図６】帯電したナノチューブでナノ回路を製造する方法を示す図である。
【図７】帯電したナノチューブでナノ回路を製造する方法であってナノチューブ／セグメントの組の隙間を橋渡しすることを含む方法を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０１  ＣＮＴ
１０２  ＣＮＴの束
１０３  より小さな束
２０１  結合したＣＮＴ
２０２  個々のＣＮＴ
３０１  分離及び帯電したＣＮＴ
３０２  負に帯電した金属線
３０３  コンタクト生成物
４０１  連続的な金属線
４０２  組み合わさった生成物
４０３  ワイヤセグメント
４０４  個々のＣＮＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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