1. 背景

カーボンナノチューブ（CNT）は高いキャリア移動度と優れた静電的制御性を有することから，シリコンを凌駕する次世代半導体チャネル材料として期待されている．特に，半導体純度の高い CNT 配向アレイは，短チャネル効果を抑制しつつ高い駆動能力を発揮できるため，Beyond 2 nm 世代の集積回路実現に不可欠である．しかし，従来の化学気相成長法では，高密度と高純度を同時に満たす配向膜の作製が困難であり，素子間のばらつきやオンオフ比の低下が課題とされてきた．これに対し，溶液プロセスによる精製 CNT を基板上に配列させる方法は，大面積基板への展開性や純度の確保に優れるが，均一な配向や適切なチューブ間隔を制御する点で限界があった．近年，Liu らは多段階分散・精製と dimension-limited selfalignment（DLSA）を組み合わせ，半導体純度 99.9999%以上，密度 100–200 CNT/μm の高配向 CNT アレイを 4-inch のシリコンウェハ全面に成膜することに成功した [L. Liu, et al., Science 368, 850 (2020)]．この成果は，ディップコーターを用いた精密な引き上げプロセスによって CNT を自己配列させる手法の有効性を示しており，今後の CNT 集積デバイス開発に大きな指針を与えている．本研究では，ディップコーター（MD-0408-N1）を用いて CNT 配向膜の形成を試み，膜の均一性と配向性を評価した．

2. 実験

2.1　CNT の分散

単層 CNT(EC1.5P，名城ナノカーボン)と分散剤 PCz（poly[9-(1-octylonoyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]）をそれぞれ 20 mg ずつをトルエン 10 mL に分散した．この分散液を密閉セル内で超音波処理（40％出力，30 分間）することで，均一な CNT 分散液を得た．

2.2　半導体 CNT の抽出

CNT 分散液を遠心分離（31,000 rpm，50,000 g，2 時間）にかけた．処理後，上澄み 3.0 mL を 6 本分回収し，合計 18 mL の半導体型 CNT を抽出した．

2.3　不純物の除去

半導体 CNT 分散液を PTFE メンブレンフィルタ（Millipore, 200 nm）により減圧ろ過し，遊離ポリマーと短尺 CNT を除去した．フィルタ上に保持された CNT を超音波処理（40 W、6 分間）で THF(100 mL)へ再分散し，遠心分離（20,000rpm, 20,000 g, 20 分間）を実施し，上澄み液を抽出した．

2.4　DLSA による配向膜形成(図 1)

抽出液を 1,1,2-トリクロロエタン 20 mL に再分散し，石英製容器（5 cm × 1 cm × 4.5 cm）に充填した．この溶液中に Si 基板（2 cm × 2.5 cm）を垂直に浸漬し，基板近傍に 2-butene-1,4-diol を 20 µL 滴下した．溶液表面で形成された界面層を利用し，ディップコーター（MD-0408-N1）を用いて基板を一定速度（1 µm/s）で引き上げることにより，CNT を基板上に自己配列させた．

図 1 DLSA セットアップ

3. 結果

図 2 に作製した CNT 配向膜の AFM 像を示す．左図は広域像（スキャンサイズ：20 µm），右図は拡大像（スキャンサイズ：5µm）である．広域像では，基板表面全体に CNT が分布しているものの，局所的に CNT 密度の低い領域も存在し，膜の均一性に課題があることが明らかとなった．一方，拡大像では，CNT が一定方向に配向している様子が確認されたが，一部は蛇行状の配向を示した．また，CNT 配向膜上の粒は，ポリマー等のプロセス残渣に由来するゴミであると考えられる．これらの結果は，DLSA 法による配向形成の有効性を示す一方で，均一性や清浄度の改善が今後の重要な課題であることを示唆している．

図 2 DLSA 成膜 CNT の AFM 像

4. まとめ

本研究では，ディップコーターを用いた DLSA 法により CNT 配向膜の形成を試みた．AFM 観察の結果，基板上に CNT 配向構造が得られることを確認したが，膜の均一性の不足や蛇行状の配向，不純物の残存といった課題も明らかとなった．今後は，CNT 分散液の濃度や基板引き上げ速度の最適化，さらに洗浄・精製プロセスの高度化に取り組み，均一かつ高配向度の清浄 CNT 配向膜の実現を目指す．