新手法でグラフェンナノリボンを合成 3D集積への応用に期待：高いSiプロセス触媒性能を発現

京都大学は、新たに開発した炭素細線製造法を用い、「酸素ドープ型グラフェンナノリボン（GNR）」を合成することに成功した。開発した新材料は、シリコン加工にこれまで用いられてきた貴金属触媒を超えるシリコンプロセス触媒性能が得られるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

従来に比べ、極めて高いシリコンプロセス触媒性能を発現

　京都大学エエネルギー理工学研究所の坂口浩司教授らによる研究チームは2024年7月、新たに開発した炭素細線製造法を用い、「酸素ドープ型グラフェンナノリボン（GNR）」を合成することに成功したと発表した。開発した新材料は、シリコン加工にこれまで用いられてきた貴金属触媒を超えるシリコンプロセス触媒性能が得られるという。

　シリコンダイを積層する3次元集積化技術（3D-LSI）において、要素技術の1つとなるのがシリコン貫通電極の作製である。この方法として、湿式プロセスの金属アシスト化学エッチング法（MACE）が注目されている。

　ただ、金や銀、白金などの貴金属をシリコンプロセス触媒として用いた場合、加工後に貴金属微粒子が残留するなど、課題もあった。グラフェンやカーボンナノチューブ（CNT）といった炭素材料触媒も検討されているが、これらはシリコンプロセス触媒性能が低く、新たな炭素材料触媒の開発が求められていた。

　そこで研究チームは、シリコンプロセス触媒に「細線の端を化学修飾したGNR」を用いることにした。特に今回、過酸化水素還元能を上げるため、強力な電子供与性置換基（含酸素置換基）をGNR細線端に化学修飾している。ただ、従来の超高真空製造法だと、高温になって酸素含有置換基が分解し、合成が極めて難しかった。

　このため研究チームは、室温環境で行える新しいGNR製造法を開発することとした。開発した「電気化学GNR製造法」とは、原料を含む電解溶液に浸した金属基板にパルス電圧を加え、酸化還元反応により室温で酸素ドープGNR薄膜を製造する方法である。電圧印加パルスの時間幅や数を調整することで、膜厚を制御した高品質なGNR薄膜を形成できるという。

　この方法で開発した酸素ドープ型GNRは、湿式（および気相）シリコンエッチングの時、酸化剤である過酸化水素を還元する性能が高い。このため、シリコンを効果的に酸化させることができる。貴金属触媒などに比べ、強い触媒活性を持つことが分かった。エッチング速度も既存触媒に比べ速いという。

電気化学GNR製造法とSiエッチングプロセス［クリックで拡大］ 出所：京都大学

　今回の研究成果は、京都大学エエネルギー理工学研究所の坂口浩司教授と小島崇寛助教、Cheng Yingbo博士後期課程学生、信末俊平助教、工学研究科の深見一弘准教授らによるものである。