(57)【要約】【課題】薄膜グラファイト層が用いられた導電性細線において、安定性が高く、かつ電気的特性に優れ、しかもバンドギャップを狭くする。【解決手段】基板１表面に形成される導電性細線２、３であって、複数の薄膜グラファイト層４、５が積層されて構成され、これら複数の薄膜グラファイト層４、５のうち、少なくとも隣り合う２層４Ａ、４Ｂの一方または両方の側縁４ａ、４ｂどうしが細線２、３の長手方向にわたって結合している。【選択図】図１
2011113797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に形成される導電性細線であって、
複数の薄膜グラファイト層が積層されて構成され、
これら複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う２層の一方または両方の側縁どうしが前記細線の長手方向にわたって結合していることを特徴とする導電性細線。
【請求項２】
前記複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う３層の側縁どうしが結合していることを特徴とする請求項１に記載の導電性細線。
【請求項３】
前記２層の薄膜グラファイト層の結合部分は、断面略円弧状に形成され、
前記結合部分の内径は、前記薄膜グラファイト層の厚さ方向の層間距離より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の導電性細線。
【請求項４】
幅が２ｎｍ以上、１μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の導電性細線。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の導電性細線を基板表面に形成したことを特徴とするデバイス。
【請求項６】
基板表面に導電性細線を形成する方法であって、
前記基板表面に、複数の薄膜グラファイト層を積層した導電層を形成し、これをパターニングして導電性細線を形成し、前記導電性細線を熱処理することによって、複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う２層の一方または両方の側縁どうしを前記細線の長手方向にわたって結合することを特徴とする導電性細線の形成方法。
【請求項７】
基板表面に導電性細線を形成したデバイスを製造する方法であって、
前記基板表面に、複数の薄膜グラファイト層を積層した導電層を形成し、これをパターニングして導電性細線を形成し、前記導電性細線を熱処理することによって、複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う２層の一方または両方の側縁どうしを前記細線の長手方向にわたって結合することを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜グラファイトからなる導電性細線、これを用いたデバイス、および導電性細線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラファイトは金属的な特性を持っており、これまで導電性材料としての応用が積極的になされてきた。
近年、ナノテクノロジーの発展に伴って、薄膜グラファイトのデバイス応用が注目を集めている。
薄膜グラファイトは数層の原子層が積層した構造になっており、層内は非常に強固な共有結合によって形成されているため、熱的な安定性が高く、エレクトロマイグレーションによる劣化に対しても耐性が高いと考えられる。
また近年、デバイスの配線の微細化に伴い局所的に集中した配線からの熱の拡散が大きな課題となっているが、薄膜グラファイトは非常に高い熱伝導特性を持っており、この問題にも有効であると考えられている。さらにフェルミ面近傍の電子状態から電子の移動度が非常に高いため、高周波デバイスへの応用も期待されている。
【０００３】
しかしながら、薄膜グラファイトを用いて導電性細線を形成すると、バンドギャップが大きくなりやすいという問題がある（非特許文献１を参照）。
また、導電性細線の端縁部において電子の散乱が生じ、わずかな欠陥があっても電気伝導度に大きな影響が及び、さらにはジュール加熱による細線の破壊を招くおそれがあった。
また、薄膜グラファイトからなる導電性細線は、特に端縁部が外部環境中の物質と反応して経時劣化することがある。
このため、導電性細線の形成技術が、薄膜グラファイトのデバイス用の配線材料への応用に大きな障壁となっていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Young-Woo Son, Marvin L. Cohen, and Steven G. Louie, Physical Review Letters 97, 216803 (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、薄膜グラファイト層からなる導電性細線において、安定性が高く、かつ電気的特性に優れ、しかもバンドギャップを狭くすることが可能な導電性細線、これを用いたデバイス、および導電性細線の形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の導電性細線は、基板表面に形成される導電性細線であって、複数の薄膜グラファイト層が積層されて構成され、これら複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う２層の一方または両方の側縁どうしが前記細線の長手方向にわたって結合している導電性細線である。
【０００７】
本発明の導電性細線の形成方法は、基板表面に導電性細線を形成する方法であって、前記基板表面に、複数の薄膜グラファイト層を積層した導電層を形成し、これをパターニングして導電性細線を形成し、前記導電性細線を熱処理することによって、複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う２層の一方または両方の側縁どうしを前記細線の長手方向にわたって結合する導電性細線の形成方法である。
【０００８】
本発明のデバイスの製造方法は、基板表面に導電性細線を形成したデバイスを製造する方法であって、前記基板表面に、複数の薄膜グラファイト層を積層した導電層を形成し、これをパターニングして導電性細線を形成し、前記導電性細線を熱処理することによって、複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う２層の一方または両方の側縁どうしを前記細線の長手方向にわたって結合するデバイスの製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の導電性細線は、隣り合う薄膜グラファイト層の側縁どうしが結合した構造を有するので、反応性が高く不安定な縁部が露出することがなくなる。このため、化学的な安定性が高められ、経年劣化が起こりにくくなる。また、縁部における電子の散乱を原因とする電気的特性の劣化も防ぐことができる。
また、上記結合により薄膜グラファイト層が立体的な構造となるため、機械的および熱的な安定性を高めることができる。また、薄膜グラファイト層が立体的な構造となることにより、皺の発生が起こりにくくなり、電気的特性も高められる。
さらに、薄膜グラファイト層の層間相互作用によってバンドギャップが狭くなるため、優れた電気的特性が得られる。
【００１０】
本発明の導電性細線の形成方法によれば、容易な操作で上記層間結合を有する導電性細線を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のデバイスの一例を示す断面図である。
【図２】図１に示すデバイスの導電性細線の形成工程を示す工程図である。
【図３】前図に続く工程図である。
【図４】試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明のデバイスの一例を示す断面図である。
このデバイスは、基板１の表面に導電性細線２、３を形成した構成を有する。導電性細線２、３は、複数の薄膜グラファイト層が積層されて構成された細線（配線）であり、短冊状（帯状）に形成されている。図１において、導電性細線２、３は紙面に垂直な方向に延在している。
導電性細線２、３は、基板１表面に複数形成することができる。例えば、複数の導電性細線２、３を基板１表面に並列させて形成することができる。
薄膜グラファイト層は、炭素原子の六員環によるネットワークを骨格として持つ、１または複数の原子層からなる。
【００１３】
本発明の導電性細線は、前記複数の薄膜グラファイト層のうち、少なくとも隣り合う２層の一方または両方の側縁どうしが前記細線の長手方向にわたって結合した構造を有する。薄膜グラファイト層の積層数は、特に限定されないが、例えば２〜８とすることができる。
【００１４】
例えば、図１に示す導電性細線２は、４層の薄膜グラファイト層４が積層されて構成され、これらのうち、隣り合う第１層４Ａと第２層４Ｂの一方の側縁４ａ、４ｂどうしが長手方向にわたって結合している。同様に、隣り合う第３層４Ｃと第４層４Ｄの一方の側縁４ｃ、４ｄどうしも長手方向にわたって結合している。
側縁４ａ、４ｂの結合部分６Ａは断面略円弧状に形成され、結合部分６Ａの内径は、第１層４Ａと第２層４Ｂの厚さ方向の距離（層間距離）より大きいことが好ましい。同様に、側縁４ｃ、４ｄの結合部分６Ｂは断面略円弧状とされ、その内径は第３層４Ｃと第４層４Ｄの層間距離より大きいことが好ましい。
【００１５】
導電性細線３は、４層の薄膜グラファイト層５が積層されて構成され、これらのうち、隣り合う第１層５Ａと第２層５Ｂの一方の側縁５ａ、５ｂどうし、および他方の側縁５ａ、５ｂどうしが結合している。同様に、隣り合う第３層５Ｃと第４層５Ｄの一方および他方の側縁５ｃ、５ｄどうしが結合している。
側縁５ａ、５ｂの結合部分７Ａ、７Ａは断面略円弧状に形成され、その内径は、第１層５Ａと第２層５Ｂの層間距離より大きいことが好ましい。同様に、側縁５ｃ、５ｄの結合部分７Ｂ、７Ｂは断面略円弧状とされ、その内径は第３層５Ｃと第４層５Ｄの層間距離より大きいことが好ましい。
【００１６】
導電性細線２、３の幅は、２ｎｍ以上、１μｍ未満であることが好ましい。
導電性細線２、３の幅が狭すぎると、薄膜グラファイト層４、５の安定な積層状態が維持できにくくなるおそれがある。例えば導電性細線２では、結合部分６Ａに近い部分では第１層４Ａと第２層４Ｂの層間距離が大きくなることから、導電性細線２の幅が狭い場合には、第１層４Ａと第２層４Ｂのファンデルワールス的な相互作用が弱くなるため、これらが結合部分６Ａを支点として互いに剥離しやすくなる。
また、導電性細線２、３の幅が十分に広い場合には、層間相互作用が大きくなるため熱力学的強度を確保でき、バンドギャップも小さくなることから、この結合構造を採用することで得られる効果が相対的に小さくなる。
従って、本発明における導電性細線の幅は上記範囲が好適である。
【００１７】
また、両方の側縁が結合した構造の導電性細線３では、特に幅が３ｎｍ以上である場合に、ファンデルワールス的な相互作用によるエネルギー利得のため積層状態が安定に維持される（例えば、P.Zhang and V.H.Crespi, Phys. Rev. Lett. 83, 1791 (1999)を参照）。導電性細線の幅は、４ｎｍ以上とすると積層状態の安定性がさらに高められる。
【００１８】
基板１は、特に限定されるものではなく、電子デバイス等の基板として用いられるもの、例えば酸化シリコン基板のほか、樹脂材料、無機材料からなる基板を用いることができる。
【００１９】
次に、図１に示すデバイスを製造する場合を例として、本発明のデバイスの製造方法の一例を説明する。
図２に示すように、基板１表面に、複数の薄膜グラファイト層８を積層した導電層９を形成する。
薄膜グラファイト層８の形成は、例えば高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）基材からの転写によって行うことができる。グラファイト基材は、欠陥構造の少ないものであれば、炭化シリコンの熱分解や金属基板上へのエピタキシャル成長などの方法によって形成されたものであってもよい。
導電層９は、例えば２〜８層の薄膜グラファイト層８からなる。
【００２０】
次いで、図３に示すように、導電層９をパターニングすることによって導電性細線１０を形成する。
導電性細線１０は、高電圧を印加した走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope）の探針を用いて形成することができる。また、酸素プラズマエッチングによる方法や反応性イオンエッチングによる形成方法も採用できる。
【００２１】
導電性細線１０は、ＳＴＭによって薄膜グラファイト層の層数および結晶方向を明らかにし、アームチェア方向またはジグザグ方向に沿うように形成することが好ましい。これによって、薄膜グラファイト層８の側縁どうしを結合する際に欠陥が生じるのを防ぎ、強固な層間結合が得られる。
導電性細線１０の幅は、上述の理由で２ｎｍ以上、１μｍ未満であることが好ましい。
【００２２】
導電性細線１０を、真空下（例えば１×１０−５Ｐａ以下）で加熱する。加熱温度は、例えば７００Ｋ以上（好ましくは８００Ｋ以上）とすることができる。
この加熱処理によって、少なくとも隣り合う２層の薄膜グラファイト層８の側縁どうしが結合され、図１に示す導電性細線２、３が形成される。
ＳＴＭ探針、エッチング等を用いて導電性細線１０を形成する場合には、導電性細線１０を形成する時点で、ある程度の層間結合が形成されることがある。
【００２３】
上記構成の導電性細線２、３は、薄膜グラファイト層４、５の側縁どうしが結合した構造を有するので、反応性が高く不安定な縁部が露出することがなくなる。このため、化学的な安定性が高められ、経年劣化が起こりにくくなる。また、縁部における電子の散乱を原因とする電気的特性の劣化も防ぐことができる。
また、上記結合により薄膜グラファイト層４、５が立体的な構造となるため、機械的および熱的な安定性を高めることができる。また、薄膜グラファイト層４、５が立体的な構造となることにより、皺の発生が起こりにくくなり、電気的特性も高められる。
さらに、薄膜グラファイト層４、５の層間相互作用によってバンドギャップが狭くなるため、優れた電気的特性が得られる。
【００２４】
また、上記導電性細線２、３の形成方法によれば、容易な操作で上記層間結合を有する導電性細線２、３を形成できる。
【００２５】
薄膜グラファイトでは、膜の熱振動等によってマイクロメートルオーダーの周期の皺が形成されることがある。
この皺構造は電子散乱を誘起し、電気的特性の劣化を引き起こすことが指摘されているが、薄膜グラファイト層の側縁に層間結合を形成すると、薄膜グラファイト層が立体的な構造を取ることによって皺が形成されにくくなるため、良好な電気的特性が得られる。
層間結合は、薄膜グラファイト層の一方の側縁のみに形成してもよいが、両方の側縁に形成すると、熱力学的な安定性が高まる。
層間結合を両方の側縁に形成する構造（押しつぶされたチューブ状の構造）では、狭いバンドギャップ（例えば０．１ｅＶ以下）を得るには、細線の幅を４ｎｍ以上とすることが好ましい。
導電性細線は、製造条件によっては、層間の結合の形成部位が細線の長さ方向の全体でなく一部となるが、いずれかの側縁において層間結合が形成されていれば、狭いバンドギャップが得られる。
【００２６】
図１に示す例では、隣り合う２層の薄膜グラファイト層間に層間結合が形成されているが、これに限らず、少なくとも隣り合う３層の薄膜グラファイト層間に層間結合が形成されていてもよい。
すなわち、上下に隣接した３層以上の薄膜グラファイト層の一方または両方の側縁が互いに結合した構造を採用することもできる。
【００２７】
薄膜グラファイト層の一方の側縁が結合した構造（図１における導電性細線２を参照）においては、結合が形成される部位が長手方向に異なる構成も可能である。例えば、結合部分が長手方向の一部では一方の側縁に形成され、他の部分では他方の側縁に形成されていてもよい。
結合部分がいずれの側縁に形成されていても、π電子の広がりと層間の相互作用によりバンドギャップが減少する効果は得られる。
また、一方の側縁が結合した構造において、結合部分が長手方向の一部において両側縁に形成されていてもよい。
また、結合部分は、細線の全長にわたって形成されていてもよいが、一部（例えば全長に対し半分以上の長さ）のみに形成されていてもよい。すなわち、結合部分は、細線の側縁の少なくとも一部に形成されていればよい。結合部分が一部にしかない場合でも、π電子の広がりと層間の相互作用によりバンドギャップは減少する。
また、３層以上の薄膜グラファイト層において層間結合が形成されている場合でも、π電子の広がりと層間の相互作用によりバンドギャップは減少する。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
２層の薄膜グラファイト層の一方の側縁のみが結合した構造の導電性細線（例えば図１に示すデバイスの導電性細線２）について、密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算を行った。
一般に、ジグザグ端よりもアームチェア端の方がエネルギー的に安定であるため、細線を形成する際にはアームチェア端が表出しやすい。
そこで、アームチェア端を持つ２層の薄膜グラファイト層を結合した構造を対象として計算を実施した。
単位胞あたり炭素原子数９０から１０４で形成される２層の薄膜グラファイト層の一方の側縁間に結合を形成し、第一原理電子状態計算による構造最適化を行うことによって、幅が２．４ｎｍから２．８ｎｍの範囲の細線の安定構造を決定した（図４参照）。
【００２９】
上記構造最適化によって、結合部分は、内径が薄膜グラファイト層の層間距離より大きい断面略円弧状（図１参照）となることがわかった。この構造をとることによって、結合部分の曲げ構造におけるエネルギー損失が小さくなる。導電性細線２、３の幅は、２ｎｍ以上、１μｍ未満が好ましい。
また、薄膜グラファイト層の側縁どうしをアームチェア端で結合すると、グラファイト構造で一般的なＡＢ積層型ではなく、ＡＡ積層型（２層間で六員環が重なる構造）になることがわかった。
【００３０】
図４は、上記構造におけるバンドギャップを示すグラフである。
Ｓｏｎらによると（非特許文献１を参照）、アームチェア端を持つ、互いに結合していない薄膜グラファイト層からなる導電性細線ではバンドギャップは約０．４ｅＶであるが、図４に示すように、薄膜グラファイト層の一方の側縁どうしを結合した導電性細線では０．０９ｅＶ以下と、大幅に小さくなることがわかった。
これは、層間結合によって２層間に広がったπ軌道の相互作用により、軌道の安定性が変化するためである。
薄膜グラファイト層からなる細線のバンドギャップは、その原子幅によって３倍周期の振動をするが、本シミュレーションでは振動は見られず、バンドギャップが大きく減少することがわかった。
従って、アームチェア端を持つ薄膜グラファイト層からなる細線において、薄膜グラファイト層の一方の側縁を結合することによって、熱力学的安定性の向上、化学的安定性の向上、さらにバンドギャップの減少による電気伝導特性の向上が可能になることがわかった。
【００３１】
（実施例２）
２層の薄膜グラファイト層の両方の側縁が結合した構造（すなわち押しつぶされたチューブ状の構造）の導電性細線（例えば図１に示すデバイスの導電性細線３）について、密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算を行った。
単位胞あたり炭素原子数１５２から１６８で形成される単層ジグザグカーボンナノチューブについて第一原理電子状態計算を行い、上記構造（両側縁結合）の導電性細線の構造最適化とバンドギャップを求めた。結果を図４に併せて示す。
この結果より、この構造（両側縁結合）におけるバンドギャップは、実施例１と同様に、円筒構造に比べて狭くなることがわかった。バンドギャップの減少は一方の側縁結合構造の場合ほど大きくはないが、一般の配線用途としては充分低く、少なくとも０．２ｅＶ以下となる。
より幅の広い細線の場合には層間の相互作用が大きくなるため、バンドギャップはさらに狭くなると考えられる。
従って、アームチェア端をもつ薄膜グラファイト層からなる細線において、薄膜グラファイト層の両側縁を互いに結合することによって、熱力学的安定性、化学的安定性、電気伝導特性の向上を実現できる。
【００３２】
（実施例３）
図２に示すように、高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）基材からの転写によって、酸化シリコンからなる基板１表面に、複数の薄膜グラファイト層８からなる導電層９を形成した。
ＳＴＭ探針によって導電層９をパターニングし、幅１０ｎｍの導電性細線１０を形成した。
導電性細線１０を真空下（１×１０−６Ｐａ）で加熱した。加熱温度は１０００Ｋとした。
この加熱処理によって、２層の薄膜グラファイト層８の一方の側縁どうしを結合させた。
導電性細線の幅を０．２ｎｍとすると、層間結合がない場合、バンドギャップは０．４〜０．５ｅＶ程度となるが、一方の側縁を層間結合した導電性細線（図１における導電性細線２）では、０．１ｅＶ以下にすることが可能であった。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・基板、２、３、１０・・・導電性細線、４、５、８・・・薄膜グラファイト層、４ａ〜４ｄ、５ａ〜５ｄ・・・側縁、６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂ・・・結合部分、９・・・導電層。
【図１】
2011113797.tif 000003
【図２】
2011113797.tif 000004
【図３】
2011113797.tif 000005
【図４】
2011113797.tif 000006