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作成： 2005/10/1 早味 宏
データ番号 ：010280
イオンビームを利用したナノファブリケーション技術（異方性導電膜の開発）
目的 ：イオンビーム用いたポリマーフィルムのナノファブリケーション技術と異方性導電膜への応用
放射線の種別 ：重イオン
放射線源 ：イオンビーム加速器（3.5MeV/nの129Xe23+）
フルエンス（率）：flux 3.0×105および3.0×107ions/cm2
利用施設名 ：日本原子力研究所高崎研究所TIARA(Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application)
照射条件 ：真空中
応用分野 ：異方性導電膜、ナノワイヤー
概要 ：
高分子膜に重イオンを照射すると、厚み方向にイオントラックが形成され、イオントラック部をエッチング処理すれば、イオン穿孔膜が得られる。この穿孔部に電気めっきで銅めっき層を形成すれば、次世代の電子デバイスの接続部材として適用可能な微細ピッチの異方性導電膜が得られると期待される。PET（ポリエチレンテレフタレート）フィルムに加速電圧3.5MeV/nの129Xe23+イオンビームを照射する方法で作製したイオン穿孔膜の穿孔部に銅めっき層を形成する方法を検討した結果、PET穿孔膜と0.2および1.9μm径の銅ワイヤーを複合した膜を形成でき、異方性導電膜として機能することを立証した。
詳細説明 ：
イオンビームや電子ビームはビーム径をナノメートルに集束でき、かつ高速で走査できることから、次世代電子デバイスの微細加工のための有望なツールとして期待されている。その中でもイオンビームはリソグラフィーに比べて解像度が波長で制約されることがないため、高アスペクト比の微細加工ができる点でも優れている。
高分子膜に重イオンを照射すると、重イオン粒子は厚み方向に直径10nm以下の微細なイオントラックを形成する。このイオントラック部を適当なエッチング液で処理すれば、ナノサイズの貫通孔を有するイオン穿孔膜が得られる。このイオン穿孔膜の貫通孔部に図1のように電気めっきで銅めっき層を形成することができれば、平面方向は絶縁性で厚み方向にのみ導電性を有する異方性導電膜とすることができ、高密度、大容量の次世代電子デバイスの接続部材として適用可能な微細ピッチの異方性導電膜が得られるものと期待される。
図1 Schematic illustration for the preparation of an ion track membranes and electroplating of copper wires within the pores of ion track membranes. (a) Ion beam irradiation and etching. (b)Thin gold layer deposition and successive electroplating of copper electrode. (c) Electroplating of copper wires within the pores of the ion track membranes.イオン照射によるPET膜内部へのトラック形成とその内部への銅メッキの模式図 (a)イオンビーム照射とエッチング、 (b)金薄膜の蒸着と銅メッキ、(c)イオントラック膜孔部への銅メッキ（原論文の図1）. This article was published in Polymer, 45, Yasunari Maekawa, Hiroshi Koshikawa, Masaru Yoshida, Anisotropically conducting films consisting of sub-micron copper wires in the ion track membranes of poly(ethylene terephthalate), 2291-2295, Copyright Elsevier (2004).（原論文1より引用）
そこで、日本原子力研究所高崎研究所のTIARA(Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application)を用いて、厚み12, 38μmのPETフィルムに、加速電圧3.5MeV/nの129Xe23+イオンビームをflux3.0×105および3.0×107ions/cm2の条件で照射し、60℃、0.2および1.0M(mol/l）の水酸化ナトリウム水溶液でエッチングする方法でイオン穿孔膜を得た。
このイオン穿孔膜の片面にイオンコーターを用いて金めっきを施した後、図２のpH1.0の1.3M硫酸銅溶液の電気めっき槽に装着して穿孔部に銅めっき層を成長させる方法でイオン穿孔膜と銅ナノワイヤーを複合した膜を得た。
図2 電気化学メッキセルの模式図 Schematic illustration for an electrochemical deposition cell.This article was published in Polymer, 45, Yasunari Maekawa, Hiroshi Koshikawa, Masaru Yoshida, Anisotropically conducting films consisting of sub-micron copper wires in the ion track membranes of poly(ethylene terephthalate), 2291-2295, Copyright Elsevier (2004).（原論文の図2）（原論文1より引用）
38μm厚のPETフィルムに129Xe23+イオンビームを3.0×105ions/cm2照射し、10時間エッチングした試料は1.9μm径の貫通孔の形成が確認され（図3(a)）、この貫通孔部に銅めっき層を形成した試料が図3(b)である。この試料のPET層を10M 水酸化カリウム/エタノール=3/7溶液で溶解除去した試料が図3(c)であり、直径1.9μmの銅ワイヤーを高さ36μmで形成できていることが確認できた。
図3 (a)直径1.9μmの貫通孔をもつPETイオントラック膜の表面、(b)PETフィルムと円筒状銅線からなるハイブリッド膜の頂部表面、(c)PETフィルムを除去後銅電極上に残る高さ36μm 、直径1.9μmの銅線の走査型電子顕微鏡写真 SEM photographs of (a) the surface of the PET ion track membrane possessing through-holes with 1.9μm in diameter. (b) The top surface of the hybrid membranes consisting of PET film with cylindrical copper wires. (c) The corresponding copper wires with 36μm in height and 1.9μm in diameter on copper electrode after removing the PET film. This article was published in Polymer, 45, Yasunari Maekawa, Hiroshi Koshikawa, Masaru Yoshida, Anisotropically conducting films consisting of sub-micron copper wires in the ion track membranes of poly(ethylene terephthalate), 2291-2295, Copyright Elsevier (2004).（原論文の図3）（原論文1より引用）
また、図4は貫通孔部の断面をSEM観察した結果であり、銅ワイヤーの表面の凹凸は貫通孔内壁の凹凸を反映していることがわかる。
図4 液体窒素で冷やして機械的に作製したPETイオントラック膜切片の走査型電子顕微鏡写真 The SEM imager of the cross-section of the PET ion track membrane, which were obtained by congelation in liquid nitrogen followed by mechanical cutting.This article was published in Polymer, 45, Yasunari Maekawa, Hiroshi Koshikawa, Masaru Yoshida, Anisotropically conducting films consisting of sub-micron copper wires in the ion track membranes of poly(ethylene terephthalate),2291-2295, Copyright Elsevier (2004).（原論文の図4）（原論文1より引用）
一方、12μm厚のPETフィルムについては129Xe23+イオンビームを3.0×107ions/cm2で照射し、60℃の0.2M水酸化ナトリウム水溶液で10.5時間エッチングを行った結果、図5(a)のように直径200nmの貫通孔が形成されることがわかった。貫通孔部に銅めっき層を形成した試料、PET層を溶解除去した試料がそれぞれ図5(a)、(b)である。
図5 走査型電子顕微鏡写真 (a)直径200nmの貫通孔をもつPETイオントラック膜の表面、(b)PETフィルムを除去後銅電極上に残る高さ12μm 、直径200 nmの銅線 SEM photographs of (a) the surface of the PET ion track membrane possessing through-holes with 200 nm in diameter. (b)Copper wires with 12μm in height and 200 nm in diameter on copper electrode after removing the PET film.This article was published in Polymer, 45, Yasunari Maekawa, Hiroshi Koshikawa, Masaru Yoshida, Anisotropically conducting films consisting of sub-micron copper wires in the ion track membranes of poly(ethylene terephthalate), 2291-2295, Copyright Elsevier (2004).（原論文の図5）（原論文1より引用）
銅ワイヤーは直径約200nm、高さ12μmで、アスペクト比は約50であり、38μm厚のPETフィルムに形成した直径1.9μmの銅ワイヤーに比べて表面が平滑である。これはエッチング液の濃度が0.2Mとマイルドであり、貫通孔内壁のPETのダメージが少ないためと考えられる。
次に、PET/ナノ銅ワイヤー複合膜の厚み方向の導電性を調べた結果、36μm厚の試料は平均値で6.3±3.9×10-7Ω/cm2であった。この値はイオントラックの個数（3.0×105ions/cm2）と銅の導電率から理論的に導かれる表面抵抗（Rt, Ω/cm2）の7.1×10-7Ω/cm2とよく一致している。
これに対し、12μm厚の試料は6.9±3.7×10-7Ω/cm2で、これは理論値の2.1×10-7Ω/cm2の約３倍の値で、銅めっき層の欠陥、PETとの界面の影響、測定プローブとのコンタクト不良の影響が推定される。
以上のように、イオントラックをエッチングして形成した貫通孔部に銅めっき層を形成する方法で、イオン穿孔膜とサブミクロンサイズの直径の銅ワイヤーを複合化した膜が形成でき、異方性導電膜として機能することが立証できた。
コメント ：
高分子膜に重イオンを照射することによってイオントラックが形成することは古くから知られているが、このイオントラックの直径がナノメートルサイズであることに着目し、めっき技術を用いてナノワイヤーを複合化した膜を形成し、異方性導電膜として機能することを見いだした点が興味深い。
原論文１ Data source 1：
Anisotropically conducting films consisting of sub-micron copper wires in the ion track membranes of poly(ethylene terephthalate)
Yasunari Maekawa, Hiroshi Koshikawa, Masaru Yoshida
Department of Material Development, Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute
Polymer 45, 2291-2295 (2004)
キーワード：イオンビーム、イオン穿孔膜、ナノファブリケーション、エッチング、めっき、複合膜、異方性導電膜、ポリエチレンテレフタレート
Ion beam, Ion track membrane, Nano-fabrication, Etching, Electroplating, Hybrid membrane, Anisotropically conducting films, Poly(ethylene terephthalate)
分類コード：010101, 010102, 010107, 010205
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