(57)【要約】【課題】良好な電気的接続構造及び/または熱的接続構造を提供する。【解決手段】本発明の一様態によれば繊維状炭素が長軸方向を揃えて配向している繊維状炭素層101と多孔質な炭素材料からなる多孔質炭素層102からなる複層構造炭素材料103で、前記繊維状炭素層101の長軸方向が前記多孔質炭素層102の面方向に対して略垂直になるように隣接してなる前記複層構造炭素材料103をチップ及び/または基板との接触部に用いることで電気的及び/または熱的に良好な接触構造を形成できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維状炭素が長軸方向を揃えて配向している繊維状炭素層と多孔性の炭素からなる多孔質炭素層からなり、繊維状炭素層の長軸方向が多孔質炭素層の面に対して略垂直になるように隣接してなる複層構造炭素材料。
【請求項２】
前記多孔質炭素層が薄片上のグラファイト及び/または繊維状炭素からなる請求項１に記載の複層構造炭素材料。
【請求項３】
前記繊維状炭素がカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーからなる請求項１から２に記載の複層構造炭素材料。
【請求項４】
前記多孔質炭素層と隣接していない前記繊維状炭素層の端が揃っている請求項１から３に記載の複層構造炭素材料。
【請求項５】
前記繊維状炭素層と前記多孔質炭素層がsp2結合している請求項１から４に記載の複層構造炭素材料。
【請求項６】
前記複層構造炭素材料を電気的及び/または熱的接続部に用いた電気的及び/または熱的接続構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料バンプ構造体に関し、特にチップ間あるいはチップと基板間を電気的及び/または熱的に接続する炭素材料バンプ構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来半導体チップを基板上に実装する際には半田などの金属からなるバンプが用いられている。しかし金属バンプは断線がおこりやすい問題がある。金属バンプに流れる電流が増加すると金属原子が移動しやすくなり、エレクトロマイグレーションがおこる。半田をバンプに用いた場合には、含まれているSn原子の移動がおこり、バンプ内にSn密度の濃淡ができる。Snの濃度が低下した部分では機械的な強度の低下がおこり、断線が起こりやすくなる。また、金属バンプを用いた場合には、接続している基板やチップと金属材料との熱膨張率の違いが原因となった断線も起こりやすい。
【０００３】
上記の問題を解決するためにバンプ電極にカーボンナノチューブを用いる提案がなされている。（非特許文献１）カーボンナノチューブは炭素原子同士が共有結合して形成されていることから、高電流が流れた時にもエレクトロマイグレーションを起こすことが無い。また形状が固定されていないので熱膨張による応力も吸収できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2008-137846号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】IIIE  IEDM2005  265-268
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしカーボンナノチューブをバンプに用いた場合、カーボンナノチューブの長さの不均一さなどが原因で、全てのカーボンナノチューブがチップや基板に接触できず、大きなコンタクト抵抗になることが知られている。この問題を避けるためカーボンナノチューブの一端を研磨し平坦化することが考えられるが、カーボンナノチューブへのダメージが避けられない。
【０００７】
特許文献１においてはカーボンナノチューブの合成条件を制御することで、一端が炭素ネットワークでつながった構造を作り、これによりカーボンナノチューブにダメージを与えることなくチップ及び/または基板電極と熱的、電気的に良好に接触させている。しかし、平坦なチップ、や基板に対してなら上記の炭素ネットワークの形成で良好な接触を形成することができるが、表面に凹凸があるチップや基板に対してはコンタクト抵抗が残ってしまう。
【０００８】
本発明は、これらの課題を解決し、良好な電気的接続構造及び/または熱的接続構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一様態によれば繊維状炭素が長軸方向を揃えて配向している繊維状炭素層101と多孔質な炭素材料からなる多孔質炭素層102からなる複層構造炭素材料103で、前記繊維状炭素層101の長軸方向が前記多孔質炭素層102の面方向に対して略垂直になるように隣接してなる前記複層構造炭素材料103をチップ及び/または基板との接触部に用いることで電気的及び/または熱的に良好な接触構造を形成できる。
【００１０】
前記繊維状炭素としてカーボンナノチューブ及び/またはカーボンナノファイバーが用いられる。
【００１１】
前記多孔質炭素層102と隣接していない前記繊維状炭素層101の端が揃っている。
【００１２】
前記多孔質層102は薄片状及び/またはファイバー状のグラファイトからなり、これらが空孔を有したネットワークを形成している。空孔のサイズは数十nmから数μｍの範囲のものを含んでいる。空孔率は８０％〜５０％のものがのぞましい。
【００１３】
以上のような複層構造炭素材料103をチップ及び/または基板への電気的、熱的な接続部にもちいれば、カーボン材料の特性をいかした良好な接触構造を形成できる。
【００１４】
多孔質層102に隣接した繊維状炭素は多孔質層102に対して略垂直に形成されており、チップ及び/または基板に接触する。チップ及び/または基板203に接触させる際、複層構造炭素材料204にかかる圧力は多孔質層203に含まれる空孔構造がつぶれることで吸収される。表面に凹凸があるチップ及び/または基板303を複層構造炭素材料に接触させる際、チップ及び/基板表面303の凹凸構造に合わせて多孔質炭素層302の空孔がつぶれることでチップ及び/または基板全面が繊維状炭素層301に良好に接触する。これにより電気的及び/または熱的に良好な接触構造が形成できる。この時チップ及び/または基板303表面の凹凸構造の最大の段差以上の厚みの多孔質炭素層302を設ける必要がある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明を用いればチップ及び/または基板との接続部において電気的、熱的に良好な接触構造を提供できる。またチップ及び/または基板の接触面に凹凸構造があっても、それによる接触不良を起こすことなく良好な接触構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】繊維状炭素層と多孔質炭素層からなる複層炭素材料の図
【図２】チップ及び電極と接触した複層炭素材料の図
【図３】表面に凹凸構造を有するチップ及び電極と接触した複層炭素材料の図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を、実施例を用いて示す。なお、これらの実施例は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
【００１８】
本発明に用いる複層構造炭素材料は繊維状炭素層と多孔質炭素層が電気的及び/または熱的に良好に接続されている必要がある。炭素材料は一般的に１枚以上のシート状のグラフェンが重なってなるグラファイトが基本構造になっている。グラファイトの電気的及び/または熱的な伝導性には異方性があり、グラフェン面に対して平行な方向が、グラフェン面に対して垂直な方向よりも高い伝導性を示す。グラフェン面に平行な方向の電気的及び/または熱的な伝導は炭素原子が形成するsp2結合内で起こる。繊維状炭素層と多孔質炭素層が電気的及び/または熱的に良好な接続を形成する為には、量層の接続部がsp2結合を形成する必要がある。
【００１９】
繊維状炭素材料及び多孔質炭素材料各々に関してはいくつかの例が考えられるが、これらを別々に作製した後に重ねるという手順ではsp2結合からなる結合部を形成することは難しい。２つの層を連続的に作る手法をとる必要がある。
【００２０】
一部のカーバイド材料を高温で処理すると、沸点の違いから炭素原子だけが残りグラファイトが形成することが知られている。特にシリコンカーバイドに関しては処理条件によってはカーボンナノチューブやグラフェンが形成する事が知られている。これらのカーボンナノチューブやグラフェンは反応前のシリコンカーバイドの結晶構造の情報を残しており、界面を調べると結晶構造が連続して変化しているのがわかる。これらの層が形成される厚みには上限があり、カーボンナノチューブでは数μm、グラフェンに関しては数層分の形成しか行われない。これらの層が形成された後にも加熱を続けると、グラファイトがランダムにつながったアモルファス層が形成される。カーボンナノチューブやグラフェンとアモルファス層との界面を観察すると、sp2結合が連続しているのがわかる。このようにカーバイド材料を高温処理することにより形成するカーボン材料は、形状の異なる層に分かれても、その層の界面でもsp2結合が良好に形成される。
【００２１】
本発明ではシリコンカーバイドを高温処理する条件によってシート状のグラファイトが数μmの間隔で面方向を一定にして配列し、さらにそのグラファイト同士を架橋するグラファイトが形成されることで空孔率の高い多孔質炭素層が形成される事を見いだした。この多孔質炭素材料は柔軟性を持ち、力を加える事で割れることなく、むしろ内部に形成される空間がなくなりグラファイト同士の接触が向上して電気的及び/または熱的な伝導性が向上する。
【００２２】
このようなスポンジ状の多孔質炭素層は形成速度が早く、厚みが５００μmのシリコンカーバイド基板全体を３０分程度の熱処理で多孔質炭素層にすることができる。また、加熱処理は真空中で行うが、真空度によってもカーボン層の形成速度が変化する。真空度としては１０-3Pa〜数Paの範囲で処理する事が望ましく、真空度が低いほど成長速度は早くなる傾向にある。
【００２３】
カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、グラファイトからなる層は１５００℃〜１８００℃の処理温度で形成される。また上記のスポンジ状の多孔質炭素層は２０００℃以上の処理で形成される。加熱温度、処理時間、昇温速度を制御することでスポンジ状の炭素層とカーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、グラフェンからなる繊維状炭素層が隣接した炭素材料を形成することも出来る。このような炭素材料において形状により層は異なっているが、グラファイトの形成は連続的に起こっているので、層の界面はsp2結合を形成しており、電気的及び/または熱的に良好な接続を形成している。
【００２４】
本発明では上記のように形成した繊維状炭素層と多孔質炭素層が電気的及び/または熱的に良好に結合した炭素材料を半導体チップなどの電気的及び/または熱的接続構造部に用いることで、良好な接続構造を得る事に成功した。以下に本発明の実施例を示す。
【００２５】
（実施例１）
厚みが５００μmのシリコンカーバイド基板を真空度が10-1Paで加熱処理を行った。加熱条件は室温から１５００℃まで昇温後、５℃/minで２２００℃まで昇温し１時間保持とした。作製した複層構造炭素材料をSEM観察すると３μmのカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーからなる繊維状炭素層と多孔質炭素層が形成しているのが確認できた。作製した複層構造炭素材料を電極上に多孔質炭素層を接触させて設置し、半導体チップを繊維状炭素層上にのせ、接続構造部を作製した。
【００２６】
（実施例２）
厚みが５００μmのシリコンカーバイド基板を真空度が10-1Paで加熱処理を行った。加熱条件は室温から１５００℃まで昇温後、５℃/minで２２００℃まで昇温し１時間保持とした。作製した複層構造炭素材料をSEM観察すると３μmのカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーからなる繊維状炭素層と多孔質炭素層が形成しているのが確認できた。作製した複層構造炭素材料を電極上に多孔質炭素層を接触させて設置し、接触面に高低差が500nm程度の凹凸がある半導体チップを繊維状炭素層上にのせ、接続構造部を作製した。
【００２７】
（比較例１）
電極上にアルコールCVD法を用いて配向カーボンナノチューブ層を形成した。種金属の鉄はスパッタ装置を用いて電極上に担持した。鉄粒子の直径は５nm程度であった。鉄を担持した電極を反応容器にいれ、１０-1Paまで真空引きした後にメタノールを反応容器内に導入した。メタノール容器上のヒーターを1000℃に設定してメタノールを気化させ、容器内がメタノールで充分に満たされたところで、電極を置いたヒーターステージを８００℃に加熱して、カーボンナノチューブの形成を行った。形成されたカーボンナノチューブ上に半導体チップを乗せ、接続構造部を作製した。
【００２８】
（比較例２）
電極上にアルコールCVD法を用いて配向カーボンナノチューブ層を形成した。種金属の鉄はスパッタ装置を用いて電極上に担持した。鉄粒子の直径は５nm程度であった。鉄を担持した電極を反応容器にいれ、１０-1Paまで真空引きした後にメタノールを反応容器内に導入した。メタノール容器上のヒーターを1000℃に設定してメタノールを気化させ、容器内がメタノールで充分に満たされたところで、電極を置いたヒーターステージを８００℃に加熱して、カーボンナノチューブの形成を行った。形成されたカーボンナノチューブ上に接触面に高低差が500nm程度の凹凸がある半導体チップを乗せ、接続構造部を作製した。
【００２９】
以上作製した実施例及び比較例の接続構造部の抵抗測定を行った。実施例１及び実施例２に関しては同程度の値を示した。実施例１及び実施例２の比較より本発明を用いれば良好な電気的接続構造がえられるのみならず、チップ及び電極の接触部表面にある凹凸の影響を受けずに良好な接続構造が得られることが判明した。
【００３０】
比較例１及び比較例２は実施例１及び実施例２よりも大きな抵抗を示し、特に比較例２の抵抗値が大きかった。実施例に対し比較例の電気抵抗が大きくなったのは、従来言われているカーボンナノチューブの端の長さが揃っておらず、接触していないところが形成されていることを表している。比較例２でより抵抗値が大きくなったことは従来のカーボンナノチューブなどの繊維状炭素を用いただけの接触構造では電極及びチップの接触部表面の凹凸構造の影響からくる接触不良を防げないことを示している。
【００３１】
以上のように本発明を用いれば、電極及び/またはチップの接触部表面にある凹凸の影響を受けずに良好な接続構造を得ることが出来る。また、熱伝導性と電気伝導性には密接な関係性があることから、本発明はヒートシンクなどの放熱機構の接触構造に用いても良好な熱伝導特性を得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明を用いればチップ及び/または基板との接続部においてその表面構造の影響を受けることなく電気的、熱的に良好な接触構造を形成できる。
【符号の説明】
【００３３】
101  繊維状炭素層
102  多孔質炭素層
103  複層炭素材料
201  繊維状炭素層
202  空孔がつぶれた多孔質炭素層
203  チップまたは電極
204  チップまたは電極と接触した複層炭素材料
301  繊維状炭素層
302  部分的に空孔がつぶれた多孔質炭素層
303  表面に凹凸構造があるチップまたは電極
304  表面に凹凸構造があるチップまたは電極と接触した複層炭素材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013180932.tif 000005