シート状構造体及びその製造方法並びに電子機器及びその製造方法
【課題】充填層としての樹脂層を設けることなく、線状構造体の機械的強度を向上させて、ハンドリング可能なシート状構造体を実現する。
【解決手段】シート状構造体２を、炭素元素によって形成された複数の線状構造体１と、複数の線状構造体１のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層３とを備え、複数の線状構造体１が被覆層３を介して互いに部分的に結合されているものとする。
【解決手段】シート状構造体２を、炭素元素によって形成された複数の線状構造体１と、複数の線状構造体１のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層３とを備え、複数の線状構造体１が被覆層３を介して互いに部分的に結合されているものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート状構造体及びその製造方法並びに電子機器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバーやパーソナルコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）などに用いられる電子部品には、例えばＬＳＩ（Large Scale Integration）チップなどの半導体チップから発する熱を効率よく放熱することが求められる。なお、半導体チップを、半導体素子あるいは発熱体ともいう。
このため、半導体チップの直上に設けられたインジウムシートなどの熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーを介して、銅などの高い熱伝導度を有する材料からなるヒートスプレッダが配置された構造を有している。つまり、半導体チップとヒートスプレッダとを、熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーを介して熱的に接触させている。なお、ヒートスプレッダを放熱体ともいう。
【０００３】
しかしながら、近年におけるレアメタルの大幅な需要増加によってインジウム価格は高騰しており、インジウムよりも安価な代替材料が待望されている。また、物性的に見てもインジウムの熱伝導度（約８０Ｗ／ｍ・Ｋ）は高いとはいえず、全体の放熱性能を低下させる要因になっている。なお、その他の熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーについても同様である。
【０００４】
このため、半導体チップから生じた熱をより効率的に放熱させるために更に高い熱伝導度（熱伝導性；熱伝導率）を有する材料が望まれていた。つまり、放熱性能を向上させるために、半導体チップとヒートスプレッダとの間に設けられるサーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）の熱伝導度を高める、言い換えると、熱抵抗を低減することが望まれていた。
【０００５】
このような背景から、インジウムなどの熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーよりも高い熱伝導度を有する材料として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon nano tube）に代表される炭素元素からなる線状構造体が注目されている。例えば、カーボンナノチューブは、非常に高い熱伝導度（約１５００〜約３０００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するだけでなく、柔軟性や耐熱性に優れた材料であり、放熱材料として高いポテンシャルを有している。
【０００６】
カーボンナノチューブを用いた熱伝導性シートとしては、例えば樹脂中にカーボンナノチューブを分散したもの、基板上に配向成長したカーボンナノチューブ束を樹脂等によって埋め込んだものなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１５０３６２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７８０１号公報
【特許文献３】特開２００６−３０３２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の線状構造体をサーマルインターフェイスマテリアルとして用いる場合、複数の線状構造体の間に樹脂を充填して形成された樹脂層（充填層）によって各線状構造体が支持されたシート状構造体とし、ハンドリング可能なものとしている。
このようなシート状構造体を半導体チップとヒートスプレッダとの間に設ける場合、半導体チップとヒートスプレッダとはシート状構造体に備えられる樹脂層によって接着されることになる。
【０００９】
しかしながら、線状構造体の機械的強度が十分でないため、例えば樹脂層をリフローさせ、荷重をかけて接着する際などに、線状構造体が押し潰されてしまう場合がある。また、線状構造体と半導体チップとの間、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間に樹脂が残存してしまう場合がある。これらの場合、線状構造体と半導体チップとの間、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間に樹脂が存在することになるため、熱抵抗を低減するのは難しい。
【００１０】
つまり、上述のようなシート状構造体を用いる場合、全体の熱抵抗は、線状構造体自身の熱抵抗と、線状構造体と半導体チップとの間の接触熱抵抗と、線状構造体とヒートスプレッダとの間の接触熱抵抗との和になる。なお、接触熱抵抗を界面熱抵抗ともいう。
この場合、カーボンナノチューブに代表される炭素元素からなる線状構造体は熱伝導度が非常に高いため、全体の熱抵抗に占める線状構造体自身の熱抵抗の割合は大きくない。このため、全体の熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させるためには、線状構造体と半導体チップとの間の接触熱抵抗、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間の接触熱抵抗を低減することが非常に重要となる。
【００１１】
しかしながら、上述のようなシート状構造体を用いる場合、線状構造体と半導体チップとの間、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間に樹脂が存在することになるため、接触熱抵抗を低減するのは難しい。つまり、半導体チップからヒートスプレッダへの熱伝導パスに樹脂が存在することになるため、全体の熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させるのは難しい。
【００１２】
そこで、充填層としての樹脂層を設けることなく、線状構造体の機械的強度を向上させて、ハンドリング可能なシート状構造体及びその製造方法を実現したい。
また、線状構造体と発熱体との間の接触熱抵抗、及び、線状構造体と放熱体との間の接触熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させた電子機器及びその製造方法を実現したい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本シート状構造体は、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、複数の線状構造体は、被覆層を介して互いに部分的に結合されていることを要件とする。
本電子機器は、発熱体と、放熱体と、発熱体と放熱体との間に設けられ、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、複数の線状構造体が被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体と、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、発熱体とシート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第１接合層と、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、放熱体とシート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第２接合層とを備えることを要件とする。
【００１４】
本シート状構造体の製造方法は、基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層を形成する工程と、被覆層を介して互いに部分的に結合されている複数の線状構造体を、基板から剥離する工程とを含むことを要件とする。
本電子機器の製造方法は、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、複数の線状構造体が被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第１接合層を介して発熱体に接合する工程と、シート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第２接合層を介して放熱体に接合する工程とを含むことを要件とする。
【発明の効果】
【００１５】
したがって、本シート状構造体及びその製造方法によれば、充填層としての樹脂層を設けることなく、線状構造体の機械的強度を向上させて、ハンドリング可能なシート状構造体及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
また、本電子機器及びその製造方法によれば、線状構造体と発熱体との間の接触熱抵抗、及び、線状構造体と放熱体との間の接触熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させた電子機器及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態のシート状構造体の構成を示す模式的斜視図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態のシート状構造体の製造方法を説明するための模式的斜視図である。
【図３】第１実施形態のシート状構造体の変形例の構成を示す模式的斜視図である。
【図４】第２実施形態の電子機器の構成及び電子機器の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】第２実施形態の電子機器の構成及び電子機器の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかるシート状構造体及びその製造方法並びに電子機器及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかるシート状構造体及びその製造方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施形態にかかるシート状構造体は、図１に示すように、炭素元素によって形成された複数の線状構造体として例えば複数のカーボンナノチューブ１を備えるカーボンナノチューブシート２である。なお、カーボンナノチューブシート２を、シート状のカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ構造体、あるいは、シート状カーボンナノチューブ構造体ともいう。
【００１９】
ここでは、カーボンナノチューブシート２は、間隔を開けて配置された複数のカーボンナノチューブ１を有している。なお、カーボンナノチューブ１は、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでも良い。
ここで、カーボンナノチューブ１は、垂直配向している。つまり、複数のカーボンナノチューブ１は、シート２の膜厚方向、即ち、シート２の面と交差する方向に配向している。
【００２０】
カーボンナノチューブ１の面密度は、特に限定されるものではないが、放熱性及び電気伝導性の観点から、約１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。複数のカーボンナノチューブ１は、束状に密集した状態で形成されており、束状構造体を形成している。
カーボンナノチューブ１の直径（平均値）は、特に限定されるものではないが、例えば約２５ｎｍである。
【００２１】
カーボンナノチューブ１の長さ、即ち、シート２の厚さは、カーボンナノチューブシート２の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは約５μｍ〜約５００μｍ程度の値に設定することができる。例えば、カーボンナノチューブシート２を、発熱体（例えば半導体チップ）と放熱体（例えばヒートスプレッダ）との間に形成するサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱体及び放熱体の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。なお、発熱体及び放熱体を被着体ともいう。
【００２２】
特に、本実施形態では、複数のカーボンナノチューブ１を支持する充填層としての樹脂層は形成されていない。一方、本実施形態では、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層３が形成されており、この被覆層３を介して複数のカーボンナノチューブ１が互いに部分的に結合されている。ここでは、被覆層３は、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の全体及び一方の端面（図１中、上側の端面）を覆っている。つまり、複数のカーボンナノチューブ１の他方の端面（図１中、下側の端面）は、被覆層３によって覆われておらず、露出した状態になっている。なお、被覆層３を、被膜又はコーティングともいう。
【００２３】
実際には、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、シート２の膜厚方向に対して傾いており、隣接するカーボンナノチューブ１が互いに接触するように形成される。例えば、複数のカーボンナノチューブ１の少なくとも一部が互いに絡まり合うようにして形成される。このため、実際のカーボンナノチューブ１の束状構造体は、隣接するカーボンナノチューブ同士が互いに支え合うような構造になっている。
【００２４】
そして、複数のカーボンナノチューブ１の表面を覆う被覆層３を形成する際に、複数のカーボンナノチューブ１が互いに接触している部分を覆うように形成された被覆層３によって、複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合される。例えば、複数のカーボンナノチューブ１が互いに絡まり合った構造を有する束状構造体において、絡まり合った複数のカーボンナノチューブ１に被覆層３を形成することで、被覆層３によって隣接するカーボンナノチューブ同士が互いに連結された構造となる。
【００２５】
このようにして、隣接するカーボンナノチューブ１の表面に形成される被覆層３が互いに部分的に結合することで、被覆層３を介して複数のカーボンナノチューブ１が互い部分的に結合される。
このように、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、被覆層３によって覆われているため、カーボンナノチューブ１（又はカーボンナノチューブの束状構造体）の機械的強度が向上する。これにより、カーボンナノチューブシート２の機械的強度も向上する。また、被覆層３によって複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合しているため、その状態で、即ち、充填層を設けずに、基板から剥離して取り出すことができ、ハンドリング可能なカーボンナノチューブシート２を実現することができる。
【００２６】
このため、本実施形態のカーボンナノチューブシート２には、複数のカーボンナノチューブ１を支持する充填層としての樹脂層が設けられていない。したがって、後述の第２実施形態のように、例えば、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合に、発熱体から放熱体への熱伝導パスに樹脂が存在することがなく、全体の熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させることができる。
【００２７】
なお、ここでは、被覆層３は、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の全体を覆うように形成されているが、これに限られるものではない。つまり、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させることができ、隣接するカーボンナノチューブを互いに結合させることができるのであれば、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の一部を覆うように被膜層３を形成しても良い。
【００２８】
また、被覆層３の材料（コーティング材）は、特に限定されるものではないが、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合には、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。
このように、被覆層３の材料として、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料を用いるのは、次の理由による。
【００２９】
本実施形態では、カーボンナノチューブ１の一方の端面も被覆層３によって覆っているため、カーボンナノチューブ１の端面に形成された被覆層３が、発熱体又は放熱体とカーボンナノチューブ１との間に介在することになる。このため、被覆層３の熱伝導率が樹脂の熱伝導率よりも低いと、従来技術のように発熱体又は放熱体とカーボンナノチューブ１との間に樹脂が存在する場合よりも、全体の熱抵抗が大きくなってしまう。したがって、被覆層３の材料として、樹脂よりも熱伝導率が高い材料を用いている。
【００３０】
また、被覆層３の材料としては、カーボンナノチューブ１の束状構造体の単位面積当たりの熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料を用いるのが望ましい。これは、被覆層３が発熱体又は放熱体とカーボンナノチューブ１との間に介在したとしても、カーボンナノチューブ１の高い熱伝導性を損なわないようにするためである。また、被覆層３によって発熱体と放熱体との間に追加の熱伝導パスが形成されることになるため、この追加の熱伝導パスにおいて高い熱伝導性を確保するためである。なお、カーボンナノチューブ１の束状構造体の単位面積当たりの熱伝導率は、カーボンナノチューブ１本当たりの熱伝導率を約１５００Ｗ／ｍ・Ｋ、カーボンナノチューブ１の直径を約２０ｎｍ、カーボンナノチューブ１の面密度を約１×１０１０本／ｃｍ２とすると、約４７．１Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００３１】
具体的には、被覆層３の材料は、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化金属などの金属を含む材料である。つまり、被覆層３は金属を含む層である。より具体的には、被覆層３は、アトミックレイヤーデポジション（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition；原子層蒸着）法によって形成された原子層、即ち、金属を含む原子層である。つまり、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの表面は、ＡＬＤ法によって形成された原子層で覆われている。この場合、被覆層３の材料には、ＡＬＤ法によって成膜可能なものであれば採用することができる。例えば、ＡＬＤ法によって成膜可能な主要なものとしては、チタンオキサイド、ハフニウムオキサイド、酸化鉄、インジウムオキサイド、ランタンオキサイド、モリブデンオキサイド、ニオブオキサイド、ニッケルオキサイド、ルテニウムオキサイド、シリコンオキサイド、バナジウムオキサイド、タングステンオキサイド、イットリウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ランタンなどが挙げられる。なお、被覆層３は、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させることができ、隣接するカーボンナノチューブ１を互いに結合させることができるのであれば、薄膜として形成されても良いし、微粒子の集合体として形成されても良い。
【００３２】
また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被覆層３の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。これにより、発熱体１０や放熱体１１との接合を信頼性の高いものとすることができる。
【００３３】
また、被覆層３の厚さ（平均値）は、特に限定されるものではないが、例えば約１００ｎｍ以下とするのが望ましい。これは、被覆層３の厚さを過度に大きくすると、カーボンナノチューブ１が本来有する柔軟性が損なわれるからである。なお、カーボンナノチューブ１の面密度によって、カーボンナノチューブ１の束状構造体が元々有する機械的強度は異なるので、被膜層３の許容し得る厚さもカーボンナノチューブ１の面密度に依存する。しかしながら、放熱性及び電気伝導性の観点から、カーボンナノチューブ１の面密度自体に一定の下限値が存在することから、被覆層３の許容し得る厚さにも、上述のように上限値が存在する。
【００３４】
なお、図３に示すように、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの他方の端面（図３中、上側の端面）、即ち、ＡＬＤ法によって形成された原子層で覆われていない側の端面（カーボンナノチューブ１の根元側端面）を覆う被膜４をさらに備えるものとしても良い。なお、図３では、図１で示す基板から剥離された状態のカーボンナノチューブシート２を上下反転させた状態で示している。例えば、被膜４の材料は、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合には、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。ここでは、被膜４の材料は、例えばＡｕ（金）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の金属や合金などの金属を含む材料である。つまり、被膜４は金属を含む被膜である。なお、被膜４を、熱伝導性被膜、被覆層又はコーティングともいう。また、被膜４は、単層構造であっても良いし、２層あるいはそれ以上の層を積層させた積層構造を有するものであっても良い。また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被膜４の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。これにより、発熱体１０や放熱体１１との接合を信頼性の高いものとすることができる。
【００３５】
なお、上述のように構成されるカーボンナノチューブシート２は、熱伝導性シートとして利用することもできるし、配線シート（縦型配線シート）として利用することもできる。但し、配線シートとして利用する場合には、カーボンナノチューブ１の電気的導電性を利用して、カーボンナノチューブ１を配線体として用いることになるため、一方の端面を覆う被覆層３は電気的導電性を有するものとし、他方の端面は露出された状態にするか、電気的導電性を有する被膜４で覆った状態にすることになる。
【００３６】
次に、本実施形態のシート状構造体、即ち、カーボンナノチューブシートの製造方法について説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、炭素元素からなる複数の線状構造体としての複数のカーボンナノチューブ１を形成するための土台として用いる基板５を用意する。
基板５としては、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ基板、サファイア基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板などの絶縁性基板、金属基板などを用いることができる。また、これらの基板上に薄膜が形成されたものでも良い。例えば、シリコン基板上に膜厚約３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成されたものを用いることができる。
【００３７】
基板５は、カーボンナノチューブ１の形成後に剥離されるものである。このため、基板５としては、カーボンナノチューブ１の形成温度において変質しないことが望ましい。また、少なくともカーボンナノチューブ１に接する面が、カーボンナノチューブ１から容易に剥離できる材料によって構成されていることが望ましい。また、カーボンナノチューブ１に対して選択的にエッチングできる材料によって構成されていることが望ましい。
【００３８】
次いで、図示していないが、基板５上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚約２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜、即ち、Ｆｅからなる触媒金属膜を形成する。なお、触媒金属膜は、必ずしも基板５上の全面に形成する必要はなく、例えばリフトオフ法を用いて基板５の所定の領域上に選択的に形成するようにしても良い。つまり、触媒金属膜の配置は用途に応じて決定すれば良い。
【００３９】
触媒金属としては、Ｆｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いても良い。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いても良い。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様で良い。
【００４０】
また、これらの触媒金属の下地膜として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（酸化チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成しても良い。例えば、Ｆｅ（約２．５ｎｍ）／Ａｌ（約１０ｎｍ）の積層構造、Ｃｏ（約２．６ｎｍ）／ＴｉＮ（約５ｎｍ）の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えばＣｏ（平均直径約３．８ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）などの積層構造を適用することができる。
【００４１】
次いで、基板５上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜を触媒として、カーボンナノチューブ１を成長する。
カーボンナノチューブ１の成長条件は、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を用い、成膜室内の総ガス圧を約１ｋＰａ、ホットフィラメント温度を約１０００℃、成長時間を約２５分とする。これにより、層数が平均５層程度、直径が平均約２５ｎｍ、長さが約５０μｍ（成長レート：約２μｍ／ｍｉｎ）の多層カーボンナノチューブを成長することができる。
【００４２】
なお、カーボンナノチューブ１は、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法などの他の成膜方法により形成しても良い。また、成長するカーボンナノチューブ１は、単層カーボンナノチューブでも良い。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いても良い。また、カーボンナノチューブ１の長さは、カーボンナノチューブシート２の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは約５μｍ〜約５００μｍ程度の値に設定することができる。例えば、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱体及び放熱体の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００４３】
このようにして、基板５上、即ち、基板５の触媒金属膜が形成された領域上に、基板５の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブ１（束状構造体）を形成する。なお、この工程をカーボンナノチューブの垂直配向成長工程という。実際には、複数のカーボンナノチューブ１が互いに絡まり合うようにして形成される。また、上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１では、面密度は、約１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。これは、基板５の表面の面積のおよそ１０％の領域上にカーボンナノチューブ１が形成されていることに相当する。
【００４４】
次いで、図２（Ｂ）に示すように、複数のカーボンナノチューブ１が形成された基板５の全面に、ＡＬＤ法により、例えば白金（Ｐｔ）の原子層を数十ナノメートル成膜して、被覆層３を形成する。なお、この工程をカーボンナノチューブのメタルコーティング工程という。例えば、原料ガスとして例えばＰｔ（ＣＦ４ＣＯＯＨ ＣＯＯＦ）２を用い、成膜温度を約２００〜約２５０℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ（Plasma Enhanced ALD）法によって、白金（Ｐｔ）の原子層を数十ナノメートル成膜することで被覆層３を形成する。これにより、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層３が形成され、被覆層３を介して複数のカーボンナノチューブ１が互いに部分的に結合される。ここでは、被覆層３は、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の全体及び一方の端面［図２（Ｂ）中、上側の端面］を覆うように形成される。
【００４５】
実際には、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、シート２の膜厚方向に対して傾いており、隣接するカーボンナノチューブ１が互いに接触するように形成される。そして、複数のカーボンナノチューブ１の表面を覆う被覆層３を形成する際に、複数のカーボンナノチューブ１が互いに接触している部分を覆うように形成された被覆層３によって、複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合される。
【００４６】
このように、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面が覆われ、複数のカーボンナノチューブ１が互いに部分的に結合されるように、被覆層３を形成するには、上述のように、ＡＬＤ法を用いるのが好ましい。これは、次の理由による。複数のカーボンナノチューブ１は小さい面積の領域に密集して形成されるため、複数のカーボンナノチューブ１の隙間に生じる領域は、極めて高いアスペクト比を有する凹部となる。このため、極めて高いアスペクト比を有する凹部においても高いカバレッジ性を有する成膜法であるＡＬＤ法を用いるのが好ましい。
【００４７】
なお、ここでは、被覆層３の材料として白金（Ｐｔ）を用いているが、これに限られるものではない。例えば、被覆層３の材料として、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化金属などの金属を含む材料を用いても良い。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いる場合、原料ガスとして例えばトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）と水（Ｈ２Ｏ）を用い、成膜温度を約２００℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約２０ｎｍ成膜することで被覆層３を形成することができる。また、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いる場合、原料ガスとして例えばジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）と水（Ｈ２Ｏ）を用い、成膜温度を約２００℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約２０ｎｍ成膜することで被覆層３を形成することができる。また、例えば、銅（Ｃｕ）を用いる場合、原料ガスとして例えばビス（Ｎ−Ｎ−ジイソプロピルアセトアミジネート）銅（Ｉ）（bis(N-N-diisopropylacetoamidinato)copper(I)）と水素（Ｈ２）を用い、成膜温度を約１９０℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約１００ｎｍ以下に成膜することで被覆層３を形成することができる。また、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）を用いる場合、原料ガスとして例えばＲｕ（Ｃ５Ｈ４−Ｃ２Ｈ５）２を用い、成膜温度を約２００〜約２５０℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約２０ｎｍ成膜することで被覆層３を形成することができる。このほか、被覆層３の材料には、ＡＬＤ法によって成膜可能なものであれば採用することができる。例えば、ＡＬＤ法によって成膜可能な主要なものとしては、チタンオキサイド、ハフニウムオキサイド、酸化鉄、インジウムオキサイド、ランタンオキサイド、モリブデンオキサイド、ニオブオキサイド、ニッケルオキサイド、ルテニウムオキサイド、シリコンオキサイド、バナジウムオキサイド、タングステンオキサイド、イットリウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ランタンなどが挙げられる。つまり、被覆層３の材料としては、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いれば良い。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。また、被覆層３の材料としては、カーボンナノチューブ１の束状構造体の単位面積当たりの熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料を用いるのが望ましい。また、被覆層３は、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させることができ、隣接するカーボンナノチューブ１を互いに結合させることができるのであれば、薄膜として形成しても良いし、微粒子の集合体として形成しても良い。また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被覆層３の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。また、被覆層３の厚さ（平均値）は、特に限定されるものではないが、例えば約１００ｎｍ以下とするのが望ましい。
【００４８】
次いで、それぞれが被覆層３によって覆われており、被覆層３を介して互いに部分的に結合されている複数のカーボンナノチューブ１を、基板５、即ち、基板５及び触媒金属膜から剥離する。なお、この工程を剥離工程という。また、隣接するカーボンナノチューブ１の間の触媒金属膜の表面に形成された被覆層３は、触媒金属膜から剥離せずに、触媒金属膜の表面に残存する。
【００４９】
これにより、図２（Ｃ）に示すように、それぞれが被覆層３によって覆われており、被覆層３を介して互いに部分的に結合されている複数のカーボンナノチューブ１を備えるカーボンナノチューブシート２が取り出される。本実施形態では、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、被覆層３によって覆われており、機械的強度が向上しており、また、被覆層３によって複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合している。このため、充填層としての樹脂層を設けずに、そのままの状態で、基板５から剥離して取り出すことができ、ハンドリング可能なカーボンナノチューブシート２となる。
【００５０】
なお、このようにして取り出されたカーボンナノチューブシート２では、複数のカーボンナノチューブ１の他方の端面［図２（Ｃ）中、下側の端面］は、被覆層３によって覆われておらず、露出している。この場合、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの他方の端面、即ち、ＡＬＤ法によって形成された原子層で覆われていない側の端面を覆うように、例えばＡｕ（金）を蒸着して被膜４を形成しても良い（図３参照）。つまり、剥離工程の後に、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの他方の端面を覆う被膜４を形成する工程を含むものとしても良い。ここでは、被膜４の材料としてＡｕ（金）を用いているが、これに限られるものではない。例えば、被膜４の材料として、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の金属や合金などの金属を含む材料を用いても良い。つまり、被膜４の材料としては、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いれば良い。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。また、被膜４として、単層構造の被膜を形成しても良いし、２層あるいはそれ以上の層を積層させた積層構造を有する被膜を形成しても良い。また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被膜４の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。
【００５１】
したがって、本実施形態にかかるシート状構造体及びその製造方法によれば、充填層としての樹脂層を設けることなく、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させて、ハンドリング可能なカーボンナノチューブシート２及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる電子機器及びその製造方法について、図４、図５を参照しながら説明する。
【００５２】
本実施形態にかかる電子機器は、図４に示すように、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間に機械的、熱的に接続される熱伝導性シートして、上述の第１実施形態及びその変形例のカーボンナノチューブシート２を用いた電子機器１４である。
なお、半導体チップ１０を、半導体素子、発熱体又は発熱源ともいう。また、ヒートスプレッダ１１を、放熱体又は放熱部品ともいう。また、熱伝導性シートを、放熱シートともいう。また、カーボンナノチューブシート２を、シート状構造体又は熱拡散装置ともいう。
【００５３】
本電子機器１４では、プリント配線基板１５上に、多層配線基板などの回路基板１６が実装されている。つまり、回路基板１６は、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５に電気的に接続されている。なお、回路基板１６をビルドアップ基板ともいう。なお、はんだバンプ１７を突起状電極ともいう。
また、回路基板１６上には、例えばＣＰＵなどに用いられるＬＳＩチップなどの半導体チップ１０が実装されている。つまり、半導体チップ１０は、はんだバンプ１８を介して回路基板１６に電気的に接続されている。なお、はんだバンプ１８を突起状電極ともいう。
【００５４】
また、半導体チップ１０上には、半導体チップ１０を覆うように、半導体チップ１０からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ１１が設けられている。ここでは、ヒートスプレッダ１１は、例えば有機シーラントによって回路基板１６に接着されている。
また、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間には、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２、即ち、充填層としての樹脂層を備えないカーボンナノチューブシート２が熱伝導性シートとして設けられている。
【００５５】
そして、図５に示すように、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面（図５中、下側の端面）と半導体チップ１０とが、樹脂層を用いずに接合層１２によって接合されている。つまり、カーボンナノチューブシート２の半導体チップ１０側の表面は、半導体チップ１０の表面に接合層１２を介して熱的に接続されている。
【００５６】
なお、図５では、カーボンナノチューブシート２として、上述の第１実施形態の変形例のもの（図３参照）を用いた場合を例示しているが、これに限られるものではなく、上述の第１実施形態のもの（図１参照）を用いても良い。また、カーボンナノチューブシート２を、図５に示した状態から上下反転させた状態にして半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合するようにしても良い。
【００５７】
実際には、上述の第１実施形態の変形例のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は被膜４によって覆われている。このため、被覆層３によって覆われた一方の端面及び被膜４によって覆われた他方の端面のうち一方は半導体チップ１０に接合層１２を介して接合され、他方はヒートスプレッダ１１に接合層１３を介して接合される。この場合、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面は、一方で被覆層３を間に挟んで接合層１２（又は１３）に接合され、他方で被膜４を間に挟んで接合層１３（又は１２）に接合されたものとなる。
【００５８】
なお、上述の第１実施形態のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は露出している。このため、被覆層３によって覆われた一方の端面及び露出した他方の端面のうち一方は半導体チップ１０に接合層１２を介して接合され、他方はヒートスプレッダ１１に接合層１３を介して接合される。この場合、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面は、一方で被覆層３を間に挟んで接合層１２（又は１３）に接合され、他方で直接接合層１３（又は１２）に接合されたものとなる。
【００５９】
また、上述の第１実施形態のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面（図５中、上側の端面）とヒートスプレッダ１１とが、樹脂層を用いずに接合層１３によって接合されている。つまり、カーボンナノチューブシート２のヒートスプレッダ１１側の表面は、ヒートスプレッダ１１の表面に接合層１３を介して熱的に接続されている。
【００６０】
ここで、これらの接合層１２、１３は、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料からなる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、これらの接合層１２、１３は、はんだ、銀、インジウム、スズなどの金属又は合金からなる層である。特に、半導体チップ１０の耐熱温度が低い場合には、接合層１２、１３は、例えばビスマス（Ｂｉ）・スズ（Ｓｎ）系合金はんだ等のはんだ、インジウム、スズなどの低融点金属からなる層とするのが好ましい。
【００６１】
このように、本電子機器１４は、樹脂層を備えないカーボンナノチューブシート２を、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間に挟み込み、接合層１２、１３によって半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合した構造を備える。つまり、本電子機器１４は、半導体チップ１０と、ヒートスプレッダ１１と、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２と、接合層１２、１３とを備える。
【００６２】
このような構造では、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面と半導体チップ１０との間には、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる被覆層３（又は被膜４）及び接合層１２、１３が存在するだけである。つまり、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブの各端面と半導体チップ１０との間、即ち、カーボンナノチューブ１の各端面と半導体チップ１０との界面には樹脂は存在しない。
【００６３】
同様に、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面とヒートスプレッダ１１との間には、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる被覆層３（又は被膜４）及び接合層１２、１３が存在するだけである。つまり、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面とヒートスプレッダ１１との間、即ち、カーボンナノチューブ１の各端面とヒートスプレッダ１１との界面には樹脂は存在しない。
【００６４】
このため、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０との間の接触熱抵抗、及び、カーボンナノチューブ１とヒートスプレッダ１１との間の接触熱抵抗を低減することができ、即ち、界面ロスを低減することができ、放熱性能（放熱効率）を向上させることができる。つまり、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２は、複数のカーボンナノチューブ１がシート膜厚方向に配向しているため、面直方向の熱伝導度が極めて高い。これに加え、上述のように構成することで接触熱抵抗を低減することができる。これにより、全体の熱抵抗を低減することができ、全体の放熱性能を向上させることができる。このように、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合層１２、１３を介して接合することで、半導体チップ１０が発した熱を効率良くヒートスプレッダ１１に伝えることができ、放熱効率を向上させることができる。これにより、電子機器１４の信頼性を向上させることができる。また、カーボンナノチューブ１には被覆層３が設けられており、カーボンナノチューブ１の機械的強度が高められているため、カーボンナノチューブ１が潰れないようにすることができる。これにより、カーボンナノチューブ１の柔軟性によって半導体チップ１０の動作時に生じる熱膨張差を吸収することが可能となる。
【００６５】
また、従来技術のように、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０又はヒートスプレッダ１１との間に樹脂が存在すると、この部分が樹脂のみの熱伝導パスとなり、接触熱抵抗が、樹脂自体の熱抵抗、即ち、樹脂の材料や厚さに依存する熱抵抗に大きく左右されることになる。これに対し、上述のように、本実施形態では、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０又はヒートスプレッダ１１との間に樹脂が存在しないため、接触熱抵抗が樹脂自体の熱抵抗に左右されることがなく、性能のばらつきを低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００６６】
次に、本実施形態にかかる電子機器の製造方法について説明する。
まず、回路基板１６上に、はんだバンプ１８を介して半導体チップ１０を実装する（図４参照）。
次に、回路基板１６上に実装した半導体チップ１０の表面上に、半導体チップ１０と上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２とを接合しうる接合層１２を形成する（図５参照）。ここで、接合層１２は、アセンブリ条件に適用可能な樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料からなる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、接合層１２は、はんだ、銀、インジウム、スズなどの金属又は合金からなる層である。特に、半導体チップ１０の耐熱温度が低い場合には、接合層１２は、例えばビスマス（Ｂｉ）・スズ（Ｓｎ）系合金はんだ等のはんだ、インジウム、スズなどの低融点金属からなる層とするのが好ましい。また、接合層１２は、例えばはんだシート（導電性シート；熱伝導性シート）などのシート状の金属又は合金であっても良いし、例えば銀ペーストやはんだペースト（導電性ペースト；熱伝導性ペースト）などのペースト状の金属又は合金であっても良い。つまり、接合層１２は、シート状の金属又は合金を半導体チップ１０の表面上に配置することによって形成しても良いし、ペースト状の金属又は合金を半導体チップ１０の表面上に配置することによって形成しても良い。なお、ペースト状の金属又は合金は、例えばディスペンス法、スクリーン印刷法などの印刷法などによって、半導体チップ１０の表面上に塗布又は印刷することで、半導体チップ１０の表面上に形成することができる。
【００６７】
次に、半導体チップ１０の表面上に形成された接合層１２の上に、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を載置する（図５参照）。
ここで、上述の第１実施形態のカーボンナノチューブシート２では、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３で覆われており、他方の端面は露出している（図１参照）。また、上述の第１実施形態の変形例のカーボンナノチューブシート２では、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３で覆われており、他方の端面は被膜４で覆われている（図３参照）。本実施形態では、被覆層３や被膜４は、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面は、接触熱抵抗を低減するのに適した端面構造になっている。また、本実施形態では、被覆層３や被膜４は、接合層１２、１３を形成する材料、即ち、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面と半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１とを接合するのに用いる金属又は合金に対して、ぬれ性の良い金属を含む材料からなるものとしている。
【００６８】
次に、ヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に、ヒートスプレッダ１１と上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２とを接合しうる接合層１３を形成する。ここで、接合層１３は、はんだバンプ（図４参照）が溶けない温度で接合できるというアセンブリ条件を満たし、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料からなる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、接合層１３は、はんだ、銀、インジウム、スズなどの金属又は合金からなる層である。特に、半導体チップ１０の耐熱温度が低い場合には、接合層１３は、例えばビスマス（Ｂｉ）・スズ（Ｓｎ）系合金はんだ等のはんだ、インジウム、スズなどの低融点金属からなる層とするのが好ましい。また、接合層１３は、例えばはんだシートなどのシート状の金属又は合金であっても良いし、例えば銀ペーストやはんだペーストなどのペースト状の金属又は合金であっても良い。つまり、接合層１３は、シート状の金属又は合金をヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に配置することによって形成しても良いし、ペースト状の金属又は合金をヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に配置することによって形成しても良い。なお、ペースト状の金属又は合金は、例えばディスペンス法、スクリーン印刷法などの印刷法などによって、ヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に塗布又は印刷することで、ヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に形成することができる。なお、半導体チップ１０に設ける接合層１２と、ヒートスプレッダ１１に設ける接合層１３とは、同じ材料からなるものであっても良いし、異なる材料からなるものであっても良い。
【００６９】
次に、回路基板１６上に、ヒートスプレッダ１１を固定するための有機シーラントを塗布した後、回路基板１６、及び、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２の上に、裏面１１Ａ上に接合層１３が形成されたヒートスプレッダ１１を載置する（図４、図５参照）。
次に、このようにして、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間に、接合層１２、１３を介して上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟み込み、この状態で加熱し冷却することで、これらを接合する（図５参照）。つまり、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２と半導体チップ１０とを接合層１２によって接合するとともに、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２とヒートスプレッダ１１とを接合層１３によって接合する。
【００７０】
ここでは、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面を、金属又は合金からなる接合層１２によって半導体チップ１０に接合する。これと同時に、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面を、金属又は合金からなる接合層１３によってヒートスプレッダ１１に接合する。
【００７１】
なお、ここでは、カーボンナノチューブシート２と半導体チップ１０との接合と、カーボンナノチューブシート２とヒートスプレッダ１１との接合とを、同時に行なうようにしているが、これに限られるものではなく、それぞれ別の工程で行なうようにしても良い。
上述のように、本実施形態では、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面と半導体チップ１０とが、樹脂層を用いずに接合層１２によって接合される。また、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブのそれぞれの端面とヒートスプレッダ１１とが、樹脂層を用いずに接合層１３によって接合される。
【００７２】
実際には、上述の第１実施形態の変形例のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は被膜４によって覆われている。このため、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面を覆っている被覆層３及び他方の端面を覆っている被膜４のうち一方が接合層１２（又は１３）を介して半導体チップ１０に接合され、他方が接合層１３（又は１２）を介してヒートスプレッダ１１に接合される。
【００７３】
なお、上述の第１実施形態のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は露出している。このため、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面を覆っている被覆層３及び露出している他方の端面のうちの一方が接合層１２（又は１３）を介して半導体チップ１０に接合され、他方が接合層１３（又は１２）を介してヒートスプレッダ１１に接合される。
【００７４】
上述のように、本実施形態では、樹脂層を備えないカーボンナノチューブシート２を半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合層１２、１３によって接合している。つまり、カーボンナノチューブシート２は複数のカーボンナノチューブ１の間に樹脂が充填されておらず、カーボンナノチューブシート２を半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に樹脂によって接着していない。このため、例えば従来技術のように界面から樹脂が排除されるように荷重を調整することが不要であるなどアセンブリ方法における許容範囲が広がり、性能のばらつきを低減することができ、放熱効率などの特性を向上させることができ、歩留まりを向上させることができる。また、従来技術のように、樹脂層をリフローさせ、荷重をかけて接着する際などにカーボンナノチューブが押し潰されてしまうことがないため、カーボンナノチューブ１の柔軟性によって半導体チップ１０の動作時に生じる熱膨張差を吸収することが可能となる。これに対し、従来技術のように、複数のカーボンナノチューブの間に樹脂を充填してシート構造としたものを熱伝導性シートとして用いる場合、例えば熱圧着のようなアセンブリ方法を用いて、樹脂によって接着する際に各カーボンナノチューブの端面を露出させることで、接触熱抵抗を低減することが考えられる。しかしながら、このようなアセンブリ方法を用いたとしても、カーボンナノチューブと半導体チップ又はヒートスプレッダとの間に樹脂が存在しないようにするのは難しく、上述の利点を得ることは難しい。
【００７５】
その後、このようにして、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１を、これらの間に上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟んで搭載した回路基板１６を、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５上に実装する（図４参照）。なお、回路基板１６を、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５上に搭載した後に、回路基板１６上に、半導体チップ１０、ヒートスプレッダ１１及び上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を搭載しても良い。
【００７６】
このようにして、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を用いた電子機器１４が完成する。
したがって、本実施形態にかかる電子機器及びその製造方法によれば、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０との間の接触熱抵抗、及び、カーボンナノチューブ１とヒートスプレッダ１１との間の接触熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させた電子機器及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
【００７７】
なお、上述の実施形態では、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１を、これらの間に上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟んで搭載した回路基板１６を、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５上に実装したものとして電子機器１４を構成しているが、これに限られるものではない。例えば、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１を、これらの間に上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟んで回路基板上に搭載したものとして電子機器を構成しても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【００７８】
例えば、上述の各実施形態では、炭素元素によって形成された複数の線状構造体を備えるシート状構造体としてカーボンナノチューブシート２を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、炭素元素によって形成された線状構造体としては、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これらの線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これらの線状構造体を備えるシート状構造体にも本発明を適用することができる。
【００７９】
また、上述の各実施形態において記載した構成材料や製造条件は、記載した内容に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
また、カーボンナノチューブシートなどの炭素元素によって形成された複数の線状構造体を備えるシート状構造体の使用目的も、上述の各実施形態において記載したものに限られるものではない。上述の各実施形態にかかるシート状構造体は、熱伝導性シートとしては、例えば、ＣＰＵの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバ、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。また、カーボンナノチューブなどの線状構造体の高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ カーボンナノチューブ（線状構造体）
２ カーボンナノチューブシート（シート状構造体）
３ 被覆層
４ 被膜
５ 基板
１０ 半導体チップ（発熱体）
１１ ヒートスプレッダ（放熱体）
１２ 接合層（第１接合層）
１３ 接合層（第２接合層）
１４ 電子機器
１５ プリント配線基板
１６ 回路基板
１７、１８ はんだバンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート状構造体及びその製造方法並びに電子機器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバーやパーソナルコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）などに用いられる電子部品には、例えばＬＳＩ（Large Scale Integration）チップなどの半導体チップから発する熱を効率よく放熱することが求められる。なお、半導体チップを、半導体素子あるいは発熱体ともいう。
このため、半導体チップの直上に設けられたインジウムシートなどの熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーを介して、銅などの高い熱伝導度を有する材料からなるヒートスプレッダが配置された構造を有している。つまり、半導体チップとヒートスプレッダとを、熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーを介して熱的に接触させている。なお、ヒートスプレッダを放熱体ともいう。
【０００３】
しかしながら、近年におけるレアメタルの大幅な需要増加によってインジウム価格は高騰しており、インジウムよりも安価な代替材料が待望されている。また、物性的に見てもインジウムの熱伝導度（約８０Ｗ／ｍ・Ｋ）は高いとはいえず、全体の放熱性能を低下させる要因になっている。なお、その他の熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーについても同様である。
【０００４】
このため、半導体チップから生じた熱をより効率的に放熱させるために更に高い熱伝導度（熱伝導性；熱伝導率）を有する材料が望まれていた。つまり、放熱性能を向上させるために、半導体チップとヒートスプレッダとの間に設けられるサーマルインターフェイスマテリアル（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）の熱伝導度を高める、言い換えると、熱抵抗を低減することが望まれていた。
【０００５】
このような背景から、インジウムなどの熱伝導性シートや熱伝導性ポリマーよりも高い熱伝導度を有する材料として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon nano tube）に代表される炭素元素からなる線状構造体が注目されている。例えば、カーボンナノチューブは、非常に高い熱伝導度（約１５００〜約３０００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するだけでなく、柔軟性や耐熱性に優れた材料であり、放熱材料として高いポテンシャルを有している。
【０００６】
カーボンナノチューブを用いた熱伝導性シートとしては、例えば樹脂中にカーボンナノチューブを分散したもの、基板上に配向成長したカーボンナノチューブ束を樹脂等によって埋め込んだものなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１５０３６２号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７８０１号公報
【特許文献３】特開２００６−３０３２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の線状構造体をサーマルインターフェイスマテリアルとして用いる場合、複数の線状構造体の間に樹脂を充填して形成された樹脂層（充填層）によって各線状構造体が支持されたシート状構造体とし、ハンドリング可能なものとしている。
このようなシート状構造体を半導体チップとヒートスプレッダとの間に設ける場合、半導体チップとヒートスプレッダとはシート状構造体に備えられる樹脂層によって接着されることになる。
【０００９】
しかしながら、線状構造体の機械的強度が十分でないため、例えば樹脂層をリフローさせ、荷重をかけて接着する際などに、線状構造体が押し潰されてしまう場合がある。また、線状構造体と半導体チップとの間、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間に樹脂が残存してしまう場合がある。これらの場合、線状構造体と半導体チップとの間、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間に樹脂が存在することになるため、熱抵抗を低減するのは難しい。
【００１０】
つまり、上述のようなシート状構造体を用いる場合、全体の熱抵抗は、線状構造体自身の熱抵抗と、線状構造体と半導体チップとの間の接触熱抵抗と、線状構造体とヒートスプレッダとの間の接触熱抵抗との和になる。なお、接触熱抵抗を界面熱抵抗ともいう。
この場合、カーボンナノチューブに代表される炭素元素からなる線状構造体は熱伝導度が非常に高いため、全体の熱抵抗に占める線状構造体自身の熱抵抗の割合は大きくない。このため、全体の熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させるためには、線状構造体と半導体チップとの間の接触熱抵抗、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間の接触熱抵抗を低減することが非常に重要となる。
【００１１】
しかしながら、上述のようなシート状構造体を用いる場合、線状構造体と半導体チップとの間、及び、線状構造体とヒートスプレッダとの間に樹脂が存在することになるため、接触熱抵抗を低減するのは難しい。つまり、半導体チップからヒートスプレッダへの熱伝導パスに樹脂が存在することになるため、全体の熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させるのは難しい。
【００１２】
そこで、充填層としての樹脂層を設けることなく、線状構造体の機械的強度を向上させて、ハンドリング可能なシート状構造体及びその製造方法を実現したい。
また、線状構造体と発熱体との間の接触熱抵抗、及び、線状構造体と放熱体との間の接触熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させた電子機器及びその製造方法を実現したい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本シート状構造体は、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、複数の線状構造体は、被覆層を介して互いに部分的に結合されていることを要件とする。
本電子機器は、発熱体と、放熱体と、発熱体と放熱体との間に設けられ、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、複数の線状構造体が被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体と、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、発熱体とシート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第１接合層と、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、放熱体とシート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第２接合層とを備えることを要件とする。
【００１４】
本シート状構造体の製造方法は、基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層を形成する工程と、被覆層を介して互いに部分的に結合されている複数の線状構造体を、基板から剥離する工程とを含むことを要件とする。
本電子機器の製造方法は、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、複数の線状構造体が被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第１接合層を介して発熱体に接合する工程と、シート状構造体の複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第２接合層を介して放熱体に接合する工程とを含むことを要件とする。
【発明の効果】
【００１５】
したがって、本シート状構造体及びその製造方法によれば、充填層としての樹脂層を設けることなく、線状構造体の機械的強度を向上させて、ハンドリング可能なシート状構造体及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
また、本電子機器及びその製造方法によれば、線状構造体と発熱体との間の接触熱抵抗、及び、線状構造体と放熱体との間の接触熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させた電子機器及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態のシート状構造体の構成を示す模式的斜視図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態のシート状構造体の製造方法を説明するための模式的斜視図である。
【図３】第１実施形態のシート状構造体の変形例の構成を示す模式的斜視図である。
【図４】第２実施形態の電子機器の構成及び電子機器の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】第２実施形態の電子機器の構成及び電子機器の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかるシート状構造体及びその製造方法並びに電子機器及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかるシート状構造体及びその製造方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施形態にかかるシート状構造体は、図１に示すように、炭素元素によって形成された複数の線状構造体として例えば複数のカーボンナノチューブ１を備えるカーボンナノチューブシート２である。なお、カーボンナノチューブシート２を、シート状のカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ構造体、あるいは、シート状カーボンナノチューブ構造体ともいう。
【００１９】
ここでは、カーボンナノチューブシート２は、間隔を開けて配置された複数のカーボンナノチューブ１を有している。なお、カーボンナノチューブ１は、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれでも良い。
ここで、カーボンナノチューブ１は、垂直配向している。つまり、複数のカーボンナノチューブ１は、シート２の膜厚方向、即ち、シート２の面と交差する方向に配向している。
【００２０】
カーボンナノチューブ１の面密度は、特に限定されるものではないが、放熱性及び電気伝導性の観点から、約１×１０１０本／ｃｍ２以上であることが望ましい。複数のカーボンナノチューブ１は、束状に密集した状態で形成されており、束状構造体を形成している。
カーボンナノチューブ１の直径（平均値）は、特に限定されるものではないが、例えば約２５ｎｍである。
【００２１】
カーボンナノチューブ１の長さ、即ち、シート２の厚さは、カーボンナノチューブシート２の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは約５μｍ〜約５００μｍ程度の値に設定することができる。例えば、カーボンナノチューブシート２を、発熱体（例えば半導体チップ）と放熱体（例えばヒートスプレッダ）との間に形成するサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱体及び放熱体の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。なお、発熱体及び放熱体を被着体ともいう。
【００２２】
特に、本実施形態では、複数のカーボンナノチューブ１を支持する充填層としての樹脂層は形成されていない。一方、本実施形態では、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層３が形成されており、この被覆層３を介して複数のカーボンナノチューブ１が互いに部分的に結合されている。ここでは、被覆層３は、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の全体及び一方の端面（図１中、上側の端面）を覆っている。つまり、複数のカーボンナノチューブ１の他方の端面（図１中、下側の端面）は、被覆層３によって覆われておらず、露出した状態になっている。なお、被覆層３を、被膜又はコーティングともいう。
【００２３】
実際には、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、シート２の膜厚方向に対して傾いており、隣接するカーボンナノチューブ１が互いに接触するように形成される。例えば、複数のカーボンナノチューブ１の少なくとも一部が互いに絡まり合うようにして形成される。このため、実際のカーボンナノチューブ１の束状構造体は、隣接するカーボンナノチューブ同士が互いに支え合うような構造になっている。
【００２４】
そして、複数のカーボンナノチューブ１の表面を覆う被覆層３を形成する際に、複数のカーボンナノチューブ１が互いに接触している部分を覆うように形成された被覆層３によって、複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合される。例えば、複数のカーボンナノチューブ１が互いに絡まり合った構造を有する束状構造体において、絡まり合った複数のカーボンナノチューブ１に被覆層３を形成することで、被覆層３によって隣接するカーボンナノチューブ同士が互いに連結された構造となる。
【００２５】
このようにして、隣接するカーボンナノチューブ１の表面に形成される被覆層３が互いに部分的に結合することで、被覆層３を介して複数のカーボンナノチューブ１が互い部分的に結合される。
このように、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、被覆層３によって覆われているため、カーボンナノチューブ１（又はカーボンナノチューブの束状構造体）の機械的強度が向上する。これにより、カーボンナノチューブシート２の機械的強度も向上する。また、被覆層３によって複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合しているため、その状態で、即ち、充填層を設けずに、基板から剥離して取り出すことができ、ハンドリング可能なカーボンナノチューブシート２を実現することができる。
【００２６】
このため、本実施形態のカーボンナノチューブシート２には、複数のカーボンナノチューブ１を支持する充填層としての樹脂層が設けられていない。したがって、後述の第２実施形態のように、例えば、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合に、発熱体から放熱体への熱伝導パスに樹脂が存在することがなく、全体の熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させることができる。
【００２７】
なお、ここでは、被覆層３は、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の全体を覆うように形成されているが、これに限られるものではない。つまり、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させることができ、隣接するカーボンナノチューブを互いに結合させることができるのであれば、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の一部を覆うように被膜層３を形成しても良い。
【００２８】
また、被覆層３の材料（コーティング材）は、特に限定されるものではないが、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合には、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。
このように、被覆層３の材料として、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料を用いるのは、次の理由による。
【００２９】
本実施形態では、カーボンナノチューブ１の一方の端面も被覆層３によって覆っているため、カーボンナノチューブ１の端面に形成された被覆層３が、発熱体又は放熱体とカーボンナノチューブ１との間に介在することになる。このため、被覆層３の熱伝導率が樹脂の熱伝導率よりも低いと、従来技術のように発熱体又は放熱体とカーボンナノチューブ１との間に樹脂が存在する場合よりも、全体の熱抵抗が大きくなってしまう。したがって、被覆層３の材料として、樹脂よりも熱伝導率が高い材料を用いている。
【００３０】
また、被覆層３の材料としては、カーボンナノチューブ１の束状構造体の単位面積当たりの熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料を用いるのが望ましい。これは、被覆層３が発熱体又は放熱体とカーボンナノチューブ１との間に介在したとしても、カーボンナノチューブ１の高い熱伝導性を損なわないようにするためである。また、被覆層３によって発熱体と放熱体との間に追加の熱伝導パスが形成されることになるため、この追加の熱伝導パスにおいて高い熱伝導性を確保するためである。なお、カーボンナノチューブ１の束状構造体の単位面積当たりの熱伝導率は、カーボンナノチューブ１本当たりの熱伝導率を約１５００Ｗ／ｍ・Ｋ、カーボンナノチューブ１の直径を約２０ｎｍ、カーボンナノチューブ１の面密度を約１×１０１０本／ｃｍ２とすると、約４７．１Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００３１】
具体的には、被覆層３の材料は、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化金属などの金属を含む材料である。つまり、被覆層３は金属を含む層である。より具体的には、被覆層３は、アトミックレイヤーデポジション（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition；原子層蒸着）法によって形成された原子層、即ち、金属を含む原子層である。つまり、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの表面は、ＡＬＤ法によって形成された原子層で覆われている。この場合、被覆層３の材料には、ＡＬＤ法によって成膜可能なものであれば採用することができる。例えば、ＡＬＤ法によって成膜可能な主要なものとしては、チタンオキサイド、ハフニウムオキサイド、酸化鉄、インジウムオキサイド、ランタンオキサイド、モリブデンオキサイド、ニオブオキサイド、ニッケルオキサイド、ルテニウムオキサイド、シリコンオキサイド、バナジウムオキサイド、タングステンオキサイド、イットリウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ランタンなどが挙げられる。なお、被覆層３は、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させることができ、隣接するカーボンナノチューブ１を互いに結合させることができるのであれば、薄膜として形成されても良いし、微粒子の集合体として形成されても良い。
【００３２】
また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被覆層３の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。これにより、発熱体１０や放熱体１１との接合を信頼性の高いものとすることができる。
【００３３】
また、被覆層３の厚さ（平均値）は、特に限定されるものではないが、例えば約１００ｎｍ以下とするのが望ましい。これは、被覆層３の厚さを過度に大きくすると、カーボンナノチューブ１が本来有する柔軟性が損なわれるからである。なお、カーボンナノチューブ１の面密度によって、カーボンナノチューブ１の束状構造体が元々有する機械的強度は異なるので、被膜層３の許容し得る厚さもカーボンナノチューブ１の面密度に依存する。しかしながら、放熱性及び電気伝導性の観点から、カーボンナノチューブ１の面密度自体に一定の下限値が存在することから、被覆層３の許容し得る厚さにも、上述のように上限値が存在する。
【００３４】
なお、図３に示すように、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの他方の端面（図３中、上側の端面）、即ち、ＡＬＤ法によって形成された原子層で覆われていない側の端面（カーボンナノチューブ１の根元側端面）を覆う被膜４をさらに備えるものとしても良い。なお、図３では、図１で示す基板から剥離された状態のカーボンナノチューブシート２を上下反転させた状態で示している。例えば、被膜４の材料は、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合には、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。ここでは、被膜４の材料は、例えばＡｕ（金）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の金属や合金などの金属を含む材料である。つまり、被膜４は金属を含む被膜である。なお、被膜４を、熱伝導性被膜、被覆層又はコーティングともいう。また、被膜４は、単層構造であっても良いし、２層あるいはそれ以上の層を積層させた積層構造を有するものであっても良い。また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被膜４の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。これにより、発熱体１０や放熱体１１との接合を信頼性の高いものとすることができる。
【００３５】
なお、上述のように構成されるカーボンナノチューブシート２は、熱伝導性シートとして利用することもできるし、配線シート（縦型配線シート）として利用することもできる。但し、配線シートとして利用する場合には、カーボンナノチューブ１の電気的導電性を利用して、カーボンナノチューブ１を配線体として用いることになるため、一方の端面を覆う被覆層３は電気的導電性を有するものとし、他方の端面は露出された状態にするか、電気的導電性を有する被膜４で覆った状態にすることになる。
【００３６】
次に、本実施形態のシート状構造体、即ち、カーボンナノチューブシートの製造方法について説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、炭素元素からなる複数の線状構造体としての複数のカーボンナノチューブ１を形成するための土台として用いる基板５を用意する。
基板５としては、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ基板、サファイア基板、ＭｇＯ基板、ガラス基板などの絶縁性基板、金属基板などを用いることができる。また、これらの基板上に薄膜が形成されたものでも良い。例えば、シリコン基板上に膜厚約３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成されたものを用いることができる。
【００３７】
基板５は、カーボンナノチューブ１の形成後に剥離されるものである。このため、基板５としては、カーボンナノチューブ１の形成温度において変質しないことが望ましい。また、少なくともカーボンナノチューブ１に接する面が、カーボンナノチューブ１から容易に剥離できる材料によって構成されていることが望ましい。また、カーボンナノチューブ１に対して選択的にエッチングできる材料によって構成されていることが望ましい。
【００３８】
次いで、図示していないが、基板５上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚約２．５ｎｍのＦｅ（鉄）膜、即ち、Ｆｅからなる触媒金属膜を形成する。なお、触媒金属膜は、必ずしも基板５上の全面に形成する必要はなく、例えばリフトオフ法を用いて基板５の所定の領域上に選択的に形成するようにしても良い。つまり、触媒金属膜の配置は用途に応じて決定すれば良い。
【００３９】
触媒金属としては、Ｆｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いても良い。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いても良い。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様で良い。
【００４０】
また、これらの触媒金属の下地膜として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（酸化チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成しても良い。例えば、Ｆｅ（約２．５ｎｍ）／Ａｌ（約１０ｎｍ）の積層構造、Ｃｏ（約２．６ｎｍ）／ＴｉＮ（約５ｎｍ）の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えばＣｏ（平均直径約３．８ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）などの積層構造を適用することができる。
【００４１】
次いで、基板５上に、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、触媒金属膜を触媒として、カーボンナノチューブ１を成長する。
カーボンナノチューブ１の成長条件は、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を用い、成膜室内の総ガス圧を約１ｋＰａ、ホットフィラメント温度を約１０００℃、成長時間を約２５分とする。これにより、層数が平均５層程度、直径が平均約２５ｎｍ、長さが約５０μｍ（成長レート：約２μｍ／ｍｉｎ）の多層カーボンナノチューブを成長することができる。
【００４２】
なお、カーボンナノチューブ１は、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法などの他の成膜方法により形成しても良い。また、成長するカーボンナノチューブ１は、単層カーボンナノチューブでも良い。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いても良い。また、カーボンナノチューブ１の長さは、カーボンナノチューブシート２の用途によって決まり、特に限定されるものではないが、好ましくは約５μｍ〜約５００μｍ程度の値に設定することができる。例えば、カーボンナノチューブシート２をサーマルインターフェイスマテリアルとして使用する場合、少なくとも発熱体及び放熱体の表面の凹凸を埋める長さ以上であることが望ましい。
【００４３】
このようにして、基板５上、即ち、基板５の触媒金属膜が形成された領域上に、基板５の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブ１（束状構造体）を形成する。なお、この工程をカーボンナノチューブの垂直配向成長工程という。実際には、複数のカーボンナノチューブ１が互いに絡まり合うようにして形成される。また、上記の成長条件で形成したカーボンナノチューブ１では、面密度は、約１×１０１１本／ｃｍ２程度であった。これは、基板５の表面の面積のおよそ１０％の領域上にカーボンナノチューブ１が形成されていることに相当する。
【００４４】
次いで、図２（Ｂ）に示すように、複数のカーボンナノチューブ１が形成された基板５の全面に、ＡＬＤ法により、例えば白金（Ｐｔ）の原子層を数十ナノメートル成膜して、被覆層３を形成する。なお、この工程をカーボンナノチューブのメタルコーティング工程という。例えば、原料ガスとして例えばＰｔ（ＣＦ４ＣＯＯＨ ＣＯＯＦ）２を用い、成膜温度を約２００〜約２５０℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ（Plasma Enhanced ALD）法によって、白金（Ｐｔ）の原子層を数十ナノメートル成膜することで被覆層３を形成する。これにより、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層３が形成され、被覆層３を介して複数のカーボンナノチューブ１が互いに部分的に結合される。ここでは、被覆層３は、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面の全体及び一方の端面［図２（Ｂ）中、上側の端面］を覆うように形成される。
【００４５】
実際には、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、シート２の膜厚方向に対して傾いており、隣接するカーボンナノチューブ１が互いに接触するように形成される。そして、複数のカーボンナノチューブ１の表面を覆う被覆層３を形成する際に、複数のカーボンナノチューブ１が互いに接触している部分を覆うように形成された被覆層３によって、複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合される。
【００４６】
このように、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの長手方向に沿う側面が覆われ、複数のカーボンナノチューブ１が互いに部分的に結合されるように、被覆層３を形成するには、上述のように、ＡＬＤ法を用いるのが好ましい。これは、次の理由による。複数のカーボンナノチューブ１は小さい面積の領域に密集して形成されるため、複数のカーボンナノチューブ１の隙間に生じる領域は、極めて高いアスペクト比を有する凹部となる。このため、極めて高いアスペクト比を有する凹部においても高いカバレッジ性を有する成膜法であるＡＬＤ法を用いるのが好ましい。
【００４７】
なお、ここでは、被覆層３の材料として白金（Ｐｔ）を用いているが、これに限られるものではない。例えば、被覆層３の材料として、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化金属などの金属を含む材料を用いても良い。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いる場合、原料ガスとして例えばトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）と水（Ｈ２Ｏ）を用い、成膜温度を約２００℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約２０ｎｍ成膜することで被覆層３を形成することができる。また、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いる場合、原料ガスとして例えばジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）と水（Ｈ２Ｏ）を用い、成膜温度を約２００℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約２０ｎｍ成膜することで被覆層３を形成することができる。また、例えば、銅（Ｃｕ）を用いる場合、原料ガスとして例えばビス（Ｎ−Ｎ−ジイソプロピルアセトアミジネート）銅（Ｉ）（bis(N-N-diisopropylacetoamidinato)copper(I)）と水素（Ｈ２）を用い、成膜温度を約１９０℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約１００ｎｍ以下に成膜することで被覆層３を形成することができる。また、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）を用いる場合、原料ガスとして例えばＲｕ（Ｃ５Ｈ４−Ｃ２Ｈ５）２を用い、成膜温度を約２００〜約２５０℃とした熱ＡＬＤ法、又は、プラズマを用いたＰＥＡＬＤ法によって、原子層を例えば厚さ約２０ｎｍ成膜することで被覆層３を形成することができる。このほか、被覆層３の材料には、ＡＬＤ法によって成膜可能なものであれば採用することができる。例えば、ＡＬＤ法によって成膜可能な主要なものとしては、チタンオキサイド、ハフニウムオキサイド、酸化鉄、インジウムオキサイド、ランタンオキサイド、モリブデンオキサイド、ニオブオキサイド、ニッケルオキサイド、ルテニウムオキサイド、シリコンオキサイド、バナジウムオキサイド、タングステンオキサイド、イットリウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ランタンなどが挙げられる。つまり、被覆層３の材料としては、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いれば良い。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。また、被覆層３の材料としては、カーボンナノチューブ１の束状構造体の単位面積当たりの熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料を用いるのが望ましい。また、被覆層３は、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させることができ、隣接するカーボンナノチューブ１を互いに結合させることができるのであれば、薄膜として形成しても良いし、微粒子の集合体として形成しても良い。また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被覆層３の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。また、被覆層３の厚さ（平均値）は、特に限定されるものではないが、例えば約１００ｎｍ以下とするのが望ましい。
【００４８】
次いで、それぞれが被覆層３によって覆われており、被覆層３を介して互いに部分的に結合されている複数のカーボンナノチューブ１を、基板５、即ち、基板５及び触媒金属膜から剥離する。なお、この工程を剥離工程という。また、隣接するカーボンナノチューブ１の間の触媒金属膜の表面に形成された被覆層３は、触媒金属膜から剥離せずに、触媒金属膜の表面に残存する。
【００４９】
これにより、図２（Ｃ）に示すように、それぞれが被覆層３によって覆われており、被覆層３を介して互いに部分的に結合されている複数のカーボンナノチューブ１を備えるカーボンナノチューブシート２が取り出される。本実施形態では、複数のカーボンナノチューブ１は、それぞれ、被覆層３によって覆われており、機械的強度が向上しており、また、被覆層３によって複数のカーボンナノチューブ１が互いに結合している。このため、充填層としての樹脂層を設けずに、そのままの状態で、基板５から剥離して取り出すことができ、ハンドリング可能なカーボンナノチューブシート２となる。
【００５０】
なお、このようにして取り出されたカーボンナノチューブシート２では、複数のカーボンナノチューブ１の他方の端面［図２（Ｃ）中、下側の端面］は、被覆層３によって覆われておらず、露出している。この場合、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの他方の端面、即ち、ＡＬＤ法によって形成された原子層で覆われていない側の端面を覆うように、例えばＡｕ（金）を蒸着して被膜４を形成しても良い（図３参照）。つまり、剥離工程の後に、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの他方の端面を覆う被膜４を形成する工程を含むものとしても良い。ここでは、被膜４の材料としてＡｕ（金）を用いているが、これに限られるものではない。例えば、被膜４の材料として、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の金属や合金などの金属を含む材料を用いても良い。つまり、被膜４の材料としては、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料を用いれば良い。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。また、被膜４として、単層構造の被膜を形成しても良いし、２層あるいはそれ以上の層を積層させた積層構造を有する被膜を形成しても良い。また、後述の第２実施形態では、カーボンナノチューブシート２と発熱体１０、及び、カーボンナノチューブシート２と放熱体１１を、それぞれ、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる接合層１２、１３によって接合する。このような場合、被膜４の材料としては、接合層１２、１３を形成する材料に対してぬれ性の良い金属を含む材料を選択するのが望ましい。
【００５１】
したがって、本実施形態にかかるシート状構造体及びその製造方法によれば、充填層としての樹脂層を設けることなく、カーボンナノチューブ１の機械的強度を向上させて、ハンドリング可能なカーボンナノチューブシート２及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる電子機器及びその製造方法について、図４、図５を参照しながら説明する。
【００５２】
本実施形態にかかる電子機器は、図４に示すように、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間に機械的、熱的に接続される熱伝導性シートして、上述の第１実施形態及びその変形例のカーボンナノチューブシート２を用いた電子機器１４である。
なお、半導体チップ１０を、半導体素子、発熱体又は発熱源ともいう。また、ヒートスプレッダ１１を、放熱体又は放熱部品ともいう。また、熱伝導性シートを、放熱シートともいう。また、カーボンナノチューブシート２を、シート状構造体又は熱拡散装置ともいう。
【００５３】
本電子機器１４では、プリント配線基板１５上に、多層配線基板などの回路基板１６が実装されている。つまり、回路基板１６は、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５に電気的に接続されている。なお、回路基板１６をビルドアップ基板ともいう。なお、はんだバンプ１７を突起状電極ともいう。
また、回路基板１６上には、例えばＣＰＵなどに用いられるＬＳＩチップなどの半導体チップ１０が実装されている。つまり、半導体チップ１０は、はんだバンプ１８を介して回路基板１６に電気的に接続されている。なお、はんだバンプ１８を突起状電極ともいう。
【００５４】
また、半導体チップ１０上には、半導体チップ１０を覆うように、半導体チップ１０からの熱を拡散するためのヒートスプレッダ１１が設けられている。ここでは、ヒートスプレッダ１１は、例えば有機シーラントによって回路基板１６に接着されている。
また、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間には、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２、即ち、充填層としての樹脂層を備えないカーボンナノチューブシート２が熱伝導性シートとして設けられている。
【００５５】
そして、図５に示すように、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面（図５中、下側の端面）と半導体チップ１０とが、樹脂層を用いずに接合層１２によって接合されている。つまり、カーボンナノチューブシート２の半導体チップ１０側の表面は、半導体チップ１０の表面に接合層１２を介して熱的に接続されている。
【００５６】
なお、図５では、カーボンナノチューブシート２として、上述の第１実施形態の変形例のもの（図３参照）を用いた場合を例示しているが、これに限られるものではなく、上述の第１実施形態のもの（図１参照）を用いても良い。また、カーボンナノチューブシート２を、図５に示した状態から上下反転させた状態にして半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合するようにしても良い。
【００５７】
実際には、上述の第１実施形態の変形例のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は被膜４によって覆われている。このため、被覆層３によって覆われた一方の端面及び被膜４によって覆われた他方の端面のうち一方は半導体チップ１０に接合層１２を介して接合され、他方はヒートスプレッダ１１に接合層１３を介して接合される。この場合、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面は、一方で被覆層３を間に挟んで接合層１２（又は１３）に接合され、他方で被膜４を間に挟んで接合層１３（又は１２）に接合されたものとなる。
【００５８】
なお、上述の第１実施形態のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は露出している。このため、被覆層３によって覆われた一方の端面及び露出した他方の端面のうち一方は半導体チップ１０に接合層１２を介して接合され、他方はヒートスプレッダ１１に接合層１３を介して接合される。この場合、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面は、一方で被覆層３を間に挟んで接合層１２（又は１３）に接合され、他方で直接接合層１３（又は１２）に接合されたものとなる。
【００５９】
また、上述の第１実施形態のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面（図５中、上側の端面）とヒートスプレッダ１１とが、樹脂層を用いずに接合層１３によって接合されている。つまり、カーボンナノチューブシート２のヒートスプレッダ１１側の表面は、ヒートスプレッダ１１の表面に接合層１３を介して熱的に接続されている。
【００６０】
ここで、これらの接合層１２、１３は、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料からなる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、これらの接合層１２、１３は、はんだ、銀、インジウム、スズなどの金属又は合金からなる層である。特に、半導体チップ１０の耐熱温度が低い場合には、接合層１２、１３は、例えばビスマス（Ｂｉ）・スズ（Ｓｎ）系合金はんだ等のはんだ、インジウム、スズなどの低融点金属からなる層とするのが好ましい。
【００６１】
このように、本電子機器１４は、樹脂層を備えないカーボンナノチューブシート２を、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間に挟み込み、接合層１２、１３によって半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合した構造を備える。つまり、本電子機器１４は、半導体チップ１０と、ヒートスプレッダ１１と、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２と、接合層１２、１３とを備える。
【００６２】
このような構造では、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面と半導体チップ１０との間には、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる被覆層３（又は被膜４）及び接合層１２、１３が存在するだけである。つまり、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブの各端面と半導体チップ１０との間、即ち、カーボンナノチューブ１の各端面と半導体チップ１０との界面には樹脂は存在しない。
【００６３】
同様に、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面とヒートスプレッダ１１との間には、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる被覆層３（又は被膜４）及び接合層１２、１３が存在するだけである。つまり、カーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１の各端面とヒートスプレッダ１１との間、即ち、カーボンナノチューブ１の各端面とヒートスプレッダ１１との界面には樹脂は存在しない。
【００６４】
このため、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０との間の接触熱抵抗、及び、カーボンナノチューブ１とヒートスプレッダ１１との間の接触熱抵抗を低減することができ、即ち、界面ロスを低減することができ、放熱性能（放熱効率）を向上させることができる。つまり、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２は、複数のカーボンナノチューブ１がシート膜厚方向に配向しているため、面直方向の熱伝導度が極めて高い。これに加え、上述のように構成することで接触熱抵抗を低減することができる。これにより、全体の熱抵抗を低減することができ、全体の放熱性能を向上させることができる。このように、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合層１２、１３を介して接合することで、半導体チップ１０が発した熱を効率良くヒートスプレッダ１１に伝えることができ、放熱効率を向上させることができる。これにより、電子機器１４の信頼性を向上させることができる。また、カーボンナノチューブ１には被覆層３が設けられており、カーボンナノチューブ１の機械的強度が高められているため、カーボンナノチューブ１が潰れないようにすることができる。これにより、カーボンナノチューブ１の柔軟性によって半導体チップ１０の動作時に生じる熱膨張差を吸収することが可能となる。
【００６５】
また、従来技術のように、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０又はヒートスプレッダ１１との間に樹脂が存在すると、この部分が樹脂のみの熱伝導パスとなり、接触熱抵抗が、樹脂自体の熱抵抗、即ち、樹脂の材料や厚さに依存する熱抵抗に大きく左右されることになる。これに対し、上述のように、本実施形態では、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０又はヒートスプレッダ１１との間に樹脂が存在しないため、接触熱抵抗が樹脂自体の熱抵抗に左右されることがなく、性能のばらつきを低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００６６】
次に、本実施形態にかかる電子機器の製造方法について説明する。
まず、回路基板１６上に、はんだバンプ１８を介して半導体チップ１０を実装する（図４参照）。
次に、回路基板１６上に実装した半導体チップ１０の表面上に、半導体チップ１０と上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２とを接合しうる接合層１２を形成する（図５参照）。ここで、接合層１２は、アセンブリ条件に適用可能な樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料からなる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、接合層１２は、はんだ、銀、インジウム、スズなどの金属又は合金からなる層である。特に、半導体チップ１０の耐熱温度が低い場合には、接合層１２は、例えばビスマス（Ｂｉ）・スズ（Ｓｎ）系合金はんだ等のはんだ、インジウム、スズなどの低融点金属からなる層とするのが好ましい。また、接合層１２は、例えばはんだシート（導電性シート；熱伝導性シート）などのシート状の金属又は合金であっても良いし、例えば銀ペーストやはんだペースト（導電性ペースト；熱伝導性ペースト）などのペースト状の金属又は合金であっても良い。つまり、接合層１２は、シート状の金属又は合金を半導体チップ１０の表面上に配置することによって形成しても良いし、ペースト状の金属又は合金を半導体チップ１０の表面上に配置することによって形成しても良い。なお、ペースト状の金属又は合金は、例えばディスペンス法、スクリーン印刷法などの印刷法などによって、半導体チップ１０の表面上に塗布又は印刷することで、半導体チップ１０の表面上に形成することができる。
【００６７】
次に、半導体チップ１０の表面上に形成された接合層１２の上に、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を載置する（図５参照）。
ここで、上述の第１実施形態のカーボンナノチューブシート２では、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３で覆われており、他方の端面は露出している（図１参照）。また、上述の第１実施形態の変形例のカーボンナノチューブシート２では、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３で覆われており、他方の端面は被膜４で覆われている（図３参照）。本実施形態では、被覆層３や被膜４は、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面は、接触熱抵抗を低減するのに適した端面構造になっている。また、本実施形態では、被覆層３や被膜４は、接合層１２、１３を形成する材料、即ち、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面と半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１とを接合するのに用いる金属又は合金に対して、ぬれ性の良い金属を含む材料からなるものとしている。
【００６８】
次に、ヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に、ヒートスプレッダ１１と上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２とを接合しうる接合層１３を形成する。ここで、接合層１３は、はんだバンプ（図４参照）が溶けない温度で接合できるというアセンブリ条件を満たし、樹脂の熱伝導率（約０．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率が高い材料からなる。例えば、約１Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、接合層１３は、はんだ、銀、インジウム、スズなどの金属又は合金からなる層である。特に、半導体チップ１０の耐熱温度が低い場合には、接合層１３は、例えばビスマス（Ｂｉ）・スズ（Ｓｎ）系合金はんだ等のはんだ、インジウム、スズなどの低融点金属からなる層とするのが好ましい。また、接合層１３は、例えばはんだシートなどのシート状の金属又は合金であっても良いし、例えば銀ペーストやはんだペーストなどのペースト状の金属又は合金であっても良い。つまり、接合層１３は、シート状の金属又は合金をヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に配置することによって形成しても良いし、ペースト状の金属又は合金をヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に配置することによって形成しても良い。なお、ペースト状の金属又は合金は、例えばディスペンス法、スクリーン印刷法などの印刷法などによって、ヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に塗布又は印刷することで、ヒートスプレッダ１１の裏面１１Ａ上に形成することができる。なお、半導体チップ１０に設ける接合層１２と、ヒートスプレッダ１１に設ける接合層１３とは、同じ材料からなるものであっても良いし、異なる材料からなるものであっても良い。
【００６９】
次に、回路基板１６上に、ヒートスプレッダ１１を固定するための有機シーラントを塗布した後、回路基板１６、及び、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２の上に、裏面１１Ａ上に接合層１３が形成されたヒートスプレッダ１１を載置する（図４、図５参照）。
次に、このようにして、半導体チップ１０とヒートスプレッダ１１との間に、接合層１２、１３を介して上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟み込み、この状態で加熱し冷却することで、これらを接合する（図５参照）。つまり、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２と半導体チップ１０とを接合層１２によって接合するとともに、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２とヒートスプレッダ１１とを接合層１３によって接合する。
【００７０】
ここでは、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面を、金属又は合金からなる接合層１２によって半導体チップ１０に接合する。これと同時に、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面を、金属又は合金からなる接合層１３によってヒートスプレッダ１１に接合する。
【００７１】
なお、ここでは、カーボンナノチューブシート２と半導体チップ１０との接合と、カーボンナノチューブシート２とヒートスプレッダ１１との接合とを、同時に行なうようにしているが、これに限られるものではなく、それぞれ別の工程で行なうようにしても良い。
上述のように、本実施形態では、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの端面と半導体チップ１０とが、樹脂層を用いずに接合層１２によって接合される。また、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２に備えられる複数のカーボンナノチューブのそれぞれの端面とヒートスプレッダ１１とが、樹脂層を用いずに接合層１３によって接合される。
【００７２】
実際には、上述の第１実施形態の変形例のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は被膜４によって覆われている。このため、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面を覆っている被覆層３及び他方の端面を覆っている被膜４のうち一方が接合層１２（又は１３）を介して半導体チップ１０に接合され、他方が接合層１３（又は１２）を介してヒートスプレッダ１１に接合される。
【００７３】
なお、上述の第１実施形態のものでは、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面は被覆層３によって覆われており、他方の端面は露出している。このため、複数のカーボンナノチューブ１のそれぞれの一方の端面を覆っている被覆層３及び露出している他方の端面のうちの一方が接合層１２（又は１３）を介して半導体チップ１０に接合され、他方が接合層１３（又は１２）を介してヒートスプレッダ１１に接合される。
【００７４】
上述のように、本実施形態では、樹脂層を備えないカーボンナノチューブシート２を半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に接合層１２、１３によって接合している。つまり、カーボンナノチューブシート２は複数のカーボンナノチューブ１の間に樹脂が充填されておらず、カーボンナノチューブシート２を半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１に樹脂によって接着していない。このため、例えば従来技術のように界面から樹脂が排除されるように荷重を調整することが不要であるなどアセンブリ方法における許容範囲が広がり、性能のばらつきを低減することができ、放熱効率などの特性を向上させることができ、歩留まりを向上させることができる。また、従来技術のように、樹脂層をリフローさせ、荷重をかけて接着する際などにカーボンナノチューブが押し潰されてしまうことがないため、カーボンナノチューブ１の柔軟性によって半導体チップ１０の動作時に生じる熱膨張差を吸収することが可能となる。これに対し、従来技術のように、複数のカーボンナノチューブの間に樹脂を充填してシート構造としたものを熱伝導性シートとして用いる場合、例えば熱圧着のようなアセンブリ方法を用いて、樹脂によって接着する際に各カーボンナノチューブの端面を露出させることで、接触熱抵抗を低減することが考えられる。しかしながら、このようなアセンブリ方法を用いたとしても、カーボンナノチューブと半導体チップ又はヒートスプレッダとの間に樹脂が存在しないようにするのは難しく、上述の利点を得ることは難しい。
【００７５】
その後、このようにして、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１を、これらの間に上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟んで搭載した回路基板１６を、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５上に実装する（図４参照）。なお、回路基板１６を、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５上に搭載した後に、回路基板１６上に、半導体チップ１０、ヒートスプレッダ１１及び上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を搭載しても良い。
【００７６】
このようにして、上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を用いた電子機器１４が完成する。
したがって、本実施形態にかかる電子機器及びその製造方法によれば、カーボンナノチューブ１と半導体チップ１０との間の接触熱抵抗、及び、カーボンナノチューブ１とヒートスプレッダ１１との間の接触熱抵抗を低減し、放熱性能を向上させた電子機器及びその製造方法を実現することができるという利点がある。
【００７７】
なお、上述の実施形態では、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１を、これらの間に上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟んで搭載した回路基板１６を、はんだバンプ１７を介してプリント配線基板１５上に実装したものとして電子機器１４を構成しているが、これに限られるものではない。例えば、半導体チップ１０及びヒートスプレッダ１１を、これらの間に上述の第１実施形態及び変形例のカーボンナノチューブシート２を挟んで回路基板上に搭載したものとして電子機器を構成しても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【００７８】
例えば、上述の各実施形態では、炭素元素によって形成された複数の線状構造体を備えるシート状構造体としてカーボンナノチューブシート２を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、炭素元素によって形成された線状構造体としては、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これらの線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これらの線状構造体を備えるシート状構造体にも本発明を適用することができる。
【００７９】
また、上述の各実施形態において記載した構成材料や製造条件は、記載した内容に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
また、カーボンナノチューブシートなどの炭素元素によって形成された複数の線状構造体を備えるシート状構造体の使用目的も、上述の各実施形態において記載したものに限られるものではない。上述の各実施形態にかかるシート状構造体は、熱伝導性シートとしては、例えば、ＣＰＵの放熱シート、無線通信基地局用高出力増幅器、無線通信端末用高出力増幅器、電気自動車用高出力スイッチ、サーバ、パーソナルコンピュータなどへの適用が考えられる。また、カーボンナノチューブなどの線状構造体の高い許容電流密度特性を利用して、縦型配線シートやこれを用いた種々のアプリケーションにも適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ カーボンナノチューブ（線状構造体）
２ カーボンナノチューブシート（シート状構造体）
３ 被覆層
４ 被膜
５ 基板
１０ 半導体チップ（発熱体）
１１ ヒートスプレッダ（放熱体）
１２ 接合層（第１接合層）
１３ 接合層（第２接合層）
１４ 電子機器
１５ プリント配線基板
１６ 回路基板
１７、１８ はんだバンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、
前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、
前記複数の線状構造体は、前記被覆層を介して互いに部分的に結合されていることを特徴とするシート状構造体。
【請求項２】
前記被覆層は、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項３】
発熱体と、
放熱体と、
前記発熱体と前記放熱体との間に設けられ、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、前記複数の線状構造体が前記被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体と、
樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、前記発熱体と前記シート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第１接合層と、
樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、前記放熱体と前記シート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第２接合層とを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項４】
基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、
前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層を形成する工程と、
前記被覆層を介して互いに部分的に結合されている前記複数の線状構造体を、前記基板から剥離する工程とを含むことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
【請求項５】
前記被覆層形成工程において、アトミックレイヤーデポジション法によって原子層を形成することを特徴とする、請求項４に記載のシート状構造体の製造方法。
【請求項６】
炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、前記複数の線状構造体が前記被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第１接合層を介して発熱体に接合する工程と、
前記シート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第２接合層を介して放熱体に接合する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項１】
炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、
前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、
前記複数の線状構造体は、前記被覆層を介して互いに部分的に結合されていることを特徴とするシート状構造体。
【請求項２】
前記被覆層は、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項３】
発熱体と、
放熱体と、
前記発熱体と前記放熱体との間に設けられ、炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、前記複数の線状構造体が前記被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体と、
樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、前記発熱体と前記シート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第１接合層と、
樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなり、前記放熱体と前記シート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面とを接合する第２接合層とを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項４】
基板上に、炭素元素からなる複数の線状構造体を形成する工程と、
前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層を形成する工程と、
前記被覆層を介して互いに部分的に結合されている前記複数の線状構造体を、前記基板から剥離する工程とを含むことを特徴とするシート状構造体の製造方法。
【請求項５】
前記被覆層形成工程において、アトミックレイヤーデポジション法によって原子層を形成することを特徴とする、請求項４に記載のシート状構造体の製造方法。
【請求項６】
炭素元素によって形成された複数の線状構造体と、前記複数の線状構造体のそれぞれの長手方向に沿う側面を覆う被覆層とを備え、前記複数の線状構造体が前記被覆層を介して互いに部分的に結合されているシート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第１接合層を介して発熱体に接合する工程と、
前記シート状構造体の前記複数の線状構造体のそれぞれの端面を、樹脂の熱伝導率よりも熱伝導率が高い材料からなる第２接合層を介して放熱体に接合する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２３６７３９（Ｐ２０１２−２３６７３９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６５１２（Ｐ２０１１−１０６５１２）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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