KR100555941B1 - Organosilicate inorganic-organic hybrid block copolymers with pore generators for ultra-low dielectric thin film insulator applications and methods for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기실리케이트(organosilicate) 기반의 무기-유기 혼성 블록 공중합체(inorganic-organic hybrid block copolymer)와 그 제조방법 및 이를 이용한 초저유전성 코팅막에 관한 것이다.The present invention relates to an organic silicate-based inorganic-organic hybrid block copolymer, a method for preparing the same, and an ultra low dielectric coating film using the same.

본 발명의 유기실리케이트 기반의 무기-유기 혼성 블록 공중합체는 기공형성제 역할을 하는 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methylmethacrylate), PMMA)를 원자전달라디칼중합 (atom transfer radical polymerization, ATRP) 방법을 이용하여 폴리메틸실세스퀴옥산(poly(methylsilsesquioxane), PMSSQ)에 공유결합시켜 만든 블록공중합체로서, 상기 블록공중합체를 저유전성 매트릭스 고분자와 석어 회전코팅하여 열처리하는 경우, 생성된 코팅막은 저유전 매트릭스 수지내에 나노미터 크기의 균일한 미세다공을 함유하게 되어 유전율 2.3 이하의 초저유전성을 가지게 되기 때문에, 차세대 반도체인 구리배선 칩 제조에 필수적인 절연물질로 사용되어 제품의 성능을 높이는 효과가 있다.The organosilicate-based inorganic-organic hybrid block copolymer of the present invention employs an atomic transfer radical polymerization (ATRP) method of poly (methylmethacrylate) (PMMA), which acts as a pore-forming agent. And a block copolymer made by covalently bonding to poly (methylsilsesquioxane) (PMSSQ). When the block copolymer is heat treated by spin coating with a low dielectric matrix polymer, the resulting coating film is a low dielectric matrix. Since it contains nanometer-sized uniform micropores in the resin and has an ultra-low dielectric constant of 2.3 or less, it is used as an insulating material necessary for manufacturing copper wiring chips, which are next-generation semiconductors, thereby improving product performance.

유기실리케이트, 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, ATRP, 초저유전, 나노기공, 박막Organosilicate, copolymer, polymethyl methacrylate, ATRP, ultra low dielectric, nanopore, thin film

Description

초저유전성 박막제품을 위한 기공형성제를 가진 유기실리케이트 기반의 유기-무기 혼성 블록 공중합체, 그 제조방법 및 용도{Organosilicate inorganic-organic hybrid block copolymers with pore generators for ultra-low dielectric thin film insulator applications and methods for preparing the same}Organic silicate-based organic-inorganic hybrid block copolymers with pore-forming agents for ultra-low dielectric thin film products, manufacturing methods and uses thereof for preparing the same}

도 1은 본 발명의 유기실리케이트 블록공중합체의 핵자기공명(NMR) 결과를 보인 그래프.1 is a graph showing the results of nuclear magnetic resonance (NMR) of the organosilicate block copolymer of the present invention.

도 2는 본 발명의 유기실리케이트 블록공중합체와 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체의 분자량을 겔투과크로마토그래피(GPC)를 이용하여 측정한 결과를 보인 그래프.Figure 2 is a graph showing the results of measuring the molecular weight of the organosilicate block copolymer and polymethylsilsesquioxane homopolymer of the present invention using gel permeation chromatography (GPC).

도 3은 본 발명의 유기실리케이트 블록공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트 단일중합체, 그리고 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체의 유리전이온도 측정을 위한 시차주사열량법(differential scanning calorimetry, DSC)의 실험결과를 보인 그래프. FIG. 3 shows experimental results of differential scanning calorimetry (DSC) for measuring glass transition temperature of the organosilicate block copolymer, polymethylmethacrylate homopolymer, and polymethylsilsesquioxane homopolymer of the present invention. Shows the graph.

도 4는 본 발명의 유기실리케이트 블록공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트 단일중합체, 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체, 그리고 폴리메틸메타크릴레이트 단일중합체와 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체 블렌드의 열중량분석(TGA) 결과를 보인 그래프.4 is a thermogravimetric blend of the organosilicate block copolymers, polymethylmethacrylate homopolymers, polymethylsilsesquioxane homopolymers, and polymethylmethacrylate homopolymers and polymethylsilsesquioxane homopolymer blends of the present invention. Graph showing analysis (TGA) results.

도 5는 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체의 소성 후 박막표면의 광학현미경사진.5 is an optical micrograph of a thin film surface after firing of a polymethylsilsesquioxane homopolymer.

도 6는 폴리메틸메타크릴레이트 단일중합체와 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체의 블렌드의 소성 후 박막표면의 광학현미경사진.6 is an optical micrograph of a thin film surface after firing of a blend of polymethylmethacrylate homopolymer and polymethylsilsesquioxane homopolymer.

도 7는 폴리메틸메타크릴레이트-폴리메틸실세스퀴옥산 블록공중합체와 폴리메틸실세스퀴옥산 블렌드의 소성 후 박막표면의 광학현미경사진.7 is an optical micrograph of the surface of a thin film after firing of a polymethylmethacrylate-polymethylsilsesquioxane block copolymer and a polymethylsilsesquioxane blend.

최근 반도체 산업에서는 반도체 소자의 크기가 점점 작아지고 소자의 집적도가 증가되면서, 저항 x 충전용량(R x C)의 혼합 영향과 금속도선들 사이의 상호간섭 현상으로 인한 신호전달의 지연이 매우 심각한 문제로 대두되어 있다. 미국 반도체 산업계의 예상에 따르면, 집적회로의 금속 도선 간의 거리가 100nm 이하로 작아지게 되면 다층 연결회로에서의 신호지연이 전체 소자의 실제 운영시간을 좌우하게 될 것이라고 한다. In the recent semiconductor industry, as the size of semiconductor devices decreases and the degree of integration increases, the delay of signal transmission due to the mixing effect of resistance x charge capacity (R x C) and mutual interference between metal leads is very serious. Has emerged. According to the US semiconductor industry's prediction, if the distance between the metal conductors of integrated circuits is reduced to less than 100nm, the signal delay in multi-layer interconnects will determine the actual operating time of the entire device.

이러한 상황에서 금속 도선의 저항을 줄이기 위하여 전기전도도가 기존의 알루미늄보다 더 높은 구리로 대체하고 있고, 금속 도선 사이에 충진되는 전기절연막에 대하여 유전율이 매우 낮은 것(k < 2.3)을 개발하려는 노력이 진행 중에 있다. In this situation, to reduce the resistance of metal conductors, efforts have been made to develop copper having higher electrical conductivity than conventional aluminum, and have a very low dielectric constant (k <2.3) for the electrically insulating film filled between the metal conductors. In progress.

이들 저유전 절연막과 관련하여 살펴보면, 종래에는 금속 배선 사이의 절연 막으로서 유전율이 4.2 정도인 실리콘 산화막(SiO2)이 사용되었으나, 앞서 언급한 바와 같이 도선 간의 거리가 계속 감소하는 있는 추세를 감안할 때, 상기 유전율의 절연막은 그 기능상의 한계에 이미 도달하였고, 보다 낮은 유전율을 지닌 절연막의 개발이 시급하다.In relation to these low-k dielectrics, a silicon oxide film (SiO 2 ) having a dielectric constant of about 4.2 was conventionally used as an insulating film between metal wires. However, in view of the trend that the distance between conductors continues to decrease as mentioned above. The dielectric constant of the dielectric film has already reached its functional limit, and it is urgent to develop an insulating film having a lower dielectric constant.

이러한 상황에서, 반도체용 저유전율 물질로서 다양한 개발시도가 이루어졌는데, 예를 들어 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxane), 폴리이미드(polyimide), 비정질 PTFE(amorphous poly(tetrafluoroethylene)) 등이 그러한 예이다. Under these circumstances, various development attempts have been made as low dielectric constant materials for semiconductors, such as polysilsesquioxane, polyimide, amorphous PTFE (amorphous poly (tetrafluoroethylene)), and the like.

(RSiO3/2)n의 실험식을 가지는 폴리실세스퀴옥산(R = 수소 또는 유기작용기)들은 실리콘 고분자가 처음 상용화되던 시기부터 고온에서의 전기절연체로 많이 연구되어 왔다. 특히 유기 작용기가 페닐인 폴리페닐실세스퀴옥산(PPSSQ)이 가장 많이 연구되었고, 이 물질의 합성법에 관한 많은 특허가 이미 등록되어 있다. 최근 들어서는 폴리실세스퀴옥산 고분자가 차세대 반도체 산업의 저유전 물질로 사용될 가능성이 밝혀지면서 다시 한번 많은 주목을 받게 되었다. Polysilsesquioxanes having an empirical formula of (RSiO 3/2 ) n (R = hydrogen or organic functional groups) have been studied as electrical insulators at high temperatures since the initial commercialization of silicon polymers. In particular, polyphenylsilsesquioxane (PPSSQ), in which the organic functional group is phenyl, is the most studied, and many patents have already been registered for the synthesis of this material. In recent years, polysilsesquioxane polymers have received a lot of attention once it is revealed that it can be used as a low dielectric material in the next-generation semiconductor industry.

한편, 이러한 물질들의 개발과 아울러, 유전율이 가장 낮은 공기(k = 1)를 나노미터(nm) 크기로 절연물질 박막 내에 균일하게 생성시켜 더욱 낮은 유전율을 가지도록 하여 궁극적으로 유전율이 2.3 이하인 초저유전체를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다(예 : Morgen, M.; Ryan, E. T.; Zhao, J.-H.; Hu, C.; Cho, T.; Ho, P. S. Annu. Rev. Mater. Sci. 2000, 30, 645. Maier, G. Prog. Polymer Sci 2001, 26, 3. Wang, Z.; Mitra, A.; Wang, H.; Huang, L.; Yan, Y. Adv. Mater. 2001, 13, 1463. 등).On the other hand, along with the development of these materials, ultra-low dielectric constants of 2.3 or lower ultimately result in the lowest dielectric constant of air (k = 1) uniformly generated in the insulating film thin film in nanometer (nm) size. There is an active research in the field of developing a biomolecule (eg, Morgen, M .; Ryan, ET; Zhao, J.-H .; Hu, C .; Cho, T .; Ho, PS Annu. Rev. Mater. Sci. 2000 , 30, 645. Maier, G. Prog. Polymer Sci 2001 , 26, 3. Wang, Z .; Mitra, A .; Wang, H .; Huang, L .; Yan, Y. Adv. Mater. 2001 , 13, 1463. etc.).

기존의 많은 저유전체 관련 연구 결과들 중 무기/유기 고분자 혼성체 시스템을 이용하는 방법이 반도체용 초저유전체 물질개발에 가장 기대되는 결과를 보여주고 있는데, 폴리메틸실세스퀴옥산(polymethylsilsesqiuoxane, PMSSQ)은 그 자체만으로도 k = 2.7 ∼ 2.9인 낮은 유전율을 가지고 있을 뿐 아니라, 수분흡수율이 낮고, 450℃이상의 고온에서도 견디는 높은 열안정성과 비교적 우수한 기계적 성질을 가지고 있기 때문에, 전기절연체 박막물질로 잘 알려져 있다.Among the many research results related to low dielectric materials, the method using inorganic / organic polymer hybrid system shows the most expected result in the development of ultra low dielectric material for semiconductor, and polymethylsilsesqiuoxane (PMSSQ) It is well known as an electrical insulator thin film material because it has not only a low dielectric constant of k = 2.7 to 2.9 but also a low water absorption and high thermal stability and relatively good mechanical properties to withstand high temperatures of 450 ° C or higher.

한편, 유전율을 2.3이하로 낮추기 위해서는 규소와 산소간의 결합을 기본으로 하고 있는 폴리메틸실세스퀴옥산 절연체 고분자와 고온에서 분해되어 기공을 형성할 수 있는 유기고분자(기공형성제: porogen 또는 sacrificial polymer)가 적당한 상호인력에 의해 나노미터 크기의 미세 상분리(microphase separation)를 형성하도록 조절해야 한다. 그러나, 층간절연체의 폭이 100nm 이하이므로 기공의 크기는 최소한 이보다 한 차수 이하의 크기를 (<4 nm) 유지해야 하는데 폴리메틸실세스퀴옥산 절연체 고분자와 기공형성을 위한 유기고분자간의 상용성(miscibility)의 한계로 인해서, 이와 같은 방법을 이용하여서는 기공크기 4 nm 이하로 유지하면서 달성할 수 있는 최대로 가능한 기공형성도(porosity)는 그다지 크지 못한 것이 현실이다.On the other hand, in order to lower the dielectric constant to 2.3 or less, polymethylsilsesquioxane insulator polymer based on the bond between silicon and oxygen and organic polymer that can be decomposed at high temperature to form pores (pore forming agent: porogen or sacrificial polymer) Should be adjusted to form nanometer-sized microphase separation by moderate interpulsion. However, since the width of the interlayer insulator is 100 nm or less, the pore size should be maintained at least one order or less (<4 nm). The compatibility between the polymethylsilsesquioxane insulator polymer and the organic polymer for forming the pore is miscibility. Due to this limitation, the maximum possible porosity that can be achieved while maintaining the pore size of 4 nm or less using this method is not so great.

이러한 폴리메틸실세스퀴옥산 절연체와 기공형성제와의 상용성의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 기공형성제와 폴리메틸실세스퀴옥산을 공유결합으로 연결한 무기-유기 블록공중합체를 만드는 방법이 있다. 이렇게 함으로서 폴리메틸실세스퀴옥산 절연체와 기공형성제간의 상용성 문제를 해결하면서 열처리 후 절연체 수지내에 3나노미터 크기 이하의 균일하고 미세한 기공을 형성할 수 있으며, 이로 인해서 유전율 2.3 이하의 초저유전율을 가진 절연체 물질을 만들 수 있게 되는 것이다. 그러나, 무기-유기 블록 공중합체의 합성이 쉽지 않기 때문에 아직까지 저유전물질을 목적으로 한 무기-유기 블록 공중합체의 합성에 대한 자세한 연구는 없는 실정이다.
In order to overcome the limitations of the compatibility between the polymethylsilsesquioxane insulator and the pore-forming agent, a method of making an inorganic-organic block copolymer in which the pore-forming agent and the polymethylsilsesquioxane are covalently linked have. By doing so, it is possible to form uniform and fine pores of 3 nanometers or less in the insulator resin after heat treatment, while solving the compatibility problem between the polymethylsilsesquioxane insulator and the pore-forming agent, thereby achieving an ultra-low dielectric constant of 2.3 or less. To create an insulator material. However, since the synthesis of the inorganic-organic block copolymer is not easy, there is no detailed study on the synthesis of the inorganic-organic block copolymer for the purpose of low dielectric material.

이에 본 발명은 저유전성 절연체로써의 용도를 갖는 폴리메틸실세스퀴옥산을 기반으로 한 무기-유기 혼성 블록 공중합체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. 즉, 본 발명은 폴리메틸실세스퀴옥산을 기반으로 한 무기-유기 혼성 블록 공중합체, 이를 얻기 위한 합성방법 및 저유전성 절연체로써의 용도에 관한 것이다.Accordingly, the present invention is to provide an inorganic-organic hybrid block copolymer based on polymethylsilsesquioxane having a use as a low dielectric insulator and a method of manufacturing the same. That is, the present invention relates to an inorganic-organic hybrid block copolymer based on polymethylsilsesquioxane, a synthesis method for obtaining the same, and a use as a low dielectric insulator.

기공형성제 역할을 하는 유기물질로는 폴리메틸메타크릴레이트 (poly(methylmethacrylate), PMMA)를 사용하였다. 폴리메틸메타크릴레이트는 광학적 투명도, 좋은 내후성, 그리고 높은 강도를 가지고 있기 때문에, 폴리메틸메타크릴레이트가 들어간 나노복합체(nanocomposites) 역시 광학적 투명도를 유지하면서 개선된 물리적 성질을 가질 수 있다. Poly (methylmethacrylate) (PMMA) was used as an organic material serving as a pore former. Since polymethylmethacrylate has optical transparency, good weather resistance, and high strength, nanocomposites containing polymethylmethacrylate may also have improved physical properties while maintaining optical transparency.

입방 실세스퀴옥산(POSS)에 기반한 무기-유기 고분자에 대해 상세한 연구가 되어져 있다. 이 연구에서는 무기 실세스퀴옥산에 유기 고분자를 도입함으로써 물 질의 성질을 개선시킬 수 있다는 새로운 가능성을 보여 주었다. 그러나, POSS는 반응을 하지 않고 남아있는 Si-OH가 없기 때문에 저유전 박막을 형성하기 위한 폴리메틸실세스퀴옥산과의 블렌딩(blending)에 문제가 있어 기공형성제로는 사용할 수가 없다.Detailed studies have been made on inorganic-organic polymers based on cubic silsesquioxane (POSS). In this work, the introduction of organic polymers into inorganic silsesquioxanes has shown new possibilities for improving the properties of materials. However, since POSS does not react and there is no Si-OH remaining, there is a problem in blending with polymethylsilsesquioxane for forming a low dielectric thin film, and thus it cannot be used as a pore-forming agent.

본 발명은 저분자량을 가진 폴리메틸실세스퀴옥산에 폴리메틸메타크릴레이트 블록을 공유결합시킴으로서 열처리시 폴리메틸메타크릴레이트의 기공형성제로서의 역할을 가능하게 한 것이다. 폴리메틸실세스퀴옥산에 적당한 원자전달라디칼중합(atom transfer radical polymerization, ATRP) 개시제를 도입하고 여기서부터 메틸메타크릴레이트(MMA)의 고분자화가 진행되어 블록 공중합체(PMSSQ-PMMA) 구조를 가지게 만드는 것이다. The present invention covalently bonds a polymethylmethacrylate block to a low molecular weight polymethylsilsesquioxane, thereby making it possible to serve as a pore-forming agent of polymethylmethacrylate during heat treatment. Atom transfer radical polymerization (ATRP) initiator is introduced into polymethylsilsesquioxane, and from this, the polymerization of methyl methacrylate (MMA) proceeds to give a block copolymer (PMSSQ-PMMA) structure. will be.

본 발명에서 사용한 메틸트리알콕시실란[CH3Si(OR)3]은 화학식 1로 표시된다. Methyltrialkoxysilane [CH 3 Si (OR) 3 ] used in the present invention is represented by the formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112004001475364-pat00001
Figure 112004001475364-pat00001

상기식에서 R은 탄소수 1-5의 알킬기이다.R is an alkyl group having 1-5 carbon atoms.

상기 화학식 1을 이용한 폴리메틸실세스퀴옥산은 하기 화학식 2로 표시된다. Polymethylsilsesquioxane using the formula (1) is represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112004001475364-pat00002
Figure 112004001475364-pat00002

상기 화학식 2에서, n은 중합도로서 10 이상의 정수이고, 겔투과크로마토그래피로 측정하여 표준 폴리스티렌고분자의 분자량으로 정규화한 수평균분자량(Mn)이 1,000 이상이고, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양이 5몰%이상이다.In Formula 2, n is an integer of 10 or more as the degree of polymerization, the number average molecular weight (Mn) normalized to the molecular weight of the standard polystyrene polymer measured by gel permeation chromatography is 1,000 or more, and silanol (Si-OH) in the terminal group The amount of is more than 5 mol%.

본 발명에 사용된 2-할로-이소부티르산의 알케닐 에스테르(2-halo-isobutyric acid alkenylate)는 하기 화학식 3으로 표시된다. Alkenyl ester of 2-halo-isobutyric acid (2-halo-isobutyric acid alkenylate) used in the present invention is represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112004001475364-pat00003
Figure 112004001475364-pat00003

상기식에서 p는 1내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다. Wherein p is an integer from 1 to 10 and X is Br or Cl.

상기 화학식 3의 에스테르를 이용한 2-할로-이소부티르산의 5-(클로로디메틸실라닐)알킬 에스테르(2-halo-isobutyric acid 5-(chlorodimethysilanyl)alkyl ester)는 하기 화학식 4로 표시된다.2- (halo-isobutyric acid 5- (chlorodimethysilanyl) alkyl ester) of 2-halo-isobutyric acid using the ester of Chemical Formula 3 is represented by the following Chemical Formula 4.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112004001475364-pat00004
Figure 112004001475364-pat00004

상기 화학식 2와 화학식 4를 이용한 ATRP 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산은 하기 화학식 5와 같다.The polymethylsilsesquioxane introduced with the ATRP initiator using Formulas 2 and 4 is represented by the following Formula 5.

[화학식 5] 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산Polymethylsilsesquioxane which introduce | transduced the initiator

Figure 112004001475364-pat00005
Figure 112004001475364-pat00005

상기 화학식 5의 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산에 기공형성제 역할을 하는 메틸메타크릴레이트(methylmethacrylate, MMA)를 ATRP방법을 이용하여 폴리메틸실세스퀴옥산(PMSSQ)에 공유결합시켜 만든 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체는 하기 화학식 6과 같다.Methyl methacrylate (methylmethacrylate, MMA) which acts as a pore-forming agent in polymethylsilsesquioxane having the initiator of Formula 5 is covalently bonded to polymethylsilsesquioxane (PMSSQ) using the ATRP method. The polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer is represented by the following Chemical Formula 6.

[화학식 6] 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체Polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer

Figure 112004001475364-pat00006
Figure 112004001475364-pat00006

상기 화학식 6에서, n 과 m 은 중합도로 n은 10이상, m은 10이상이고, p는 1 내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다. 수평균분자량(Mn)은 5,000이상이고, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양은 5몰% 이상이다(그러나 NMR 상으로 관찰되지 않는다). In Formula 6, n and m are polymerization degrees, n is 10 or more, m is 10 or more, p is an integer of 1 to 10, and X is Br or Cl. The number average molecular weight (Mn) is at least 5,000, and the amount of silanol (Si-OH) in the terminal group is at least 5 mol% (but not observed on NMR).

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

상기 화학식 2로 표시되는 폴리메틸실세스퀴옥산은 촉매로 사용되는 HCl과 H2O의 몰(mol) 수, 용매로 사용하는 THF의 양, 그리고 반응시간을 조절함으로써 분자량과 말단기의 실란올(Si-OH)양을 조절할 수 있다. The polymethylsilsesquioxane represented by the formula (2) is a silanol having a molecular weight and a terminal group by controlling the number of moles of HCl and H 2 O used as a catalyst, the amount of THF used as a solvent, and the reaction time. The amount of (Si-OH) can be adjusted.

상기 화학식 2로 표시되는 폴리메틸실세스퀴옥산 제조과정을 하기 반응식 1에 나타내었다.The polymethylsilsesquioxane production process represented by Chemical Formula 2 is shown in Scheme 1 below.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112004001475364-pat00007
Figure 112004001475364-pat00007

[화학식 2][Formula 2]

상기 화학식 3으로 표시되는 2-할로-이소부티르산의 알케닐 에스테르는 클로로포름, 알케닐 알콜 및 트리에틸아민 용액에 2-할로-이소부티릴브로마이드를 조금씩 넣음으로써 합성한다. 그리고, 증류수로 씻은 다음, MgSO4로 물을 제거하고 용매는 진공펌프로 제거한다. 순수한 생성물은 진공 증류(vacuum distillation)방식으로 얻는다.The alkenyl ester of 2-halo-isobutyric acid represented by the formula (3) is synthesized by adding 2-halo-isobutyryl bromide little by little in chloroform, alkenyl alcohol and triethylamine solution. After washing with distilled water, water is removed with MgSO 4 and the solvent is removed with a vacuum pump. Pure product is obtained by vacuum distillation.

상기 화학식 3으로 표시되는 2-할로-이소부티르산의 알케닐 에스테르의 제조과정을 하기 반응식 2에 나타내었다.The preparation process of the alkenyl ester of 2-halo-isobutyric acid represented by Chemical Formula 3 is shown in Scheme 2 below.

[반응식 2]Scheme 2

Figure 112004001475364-pat00008
Figure 112004001475364-pat00008

[화학식 3][Formula 3]

상기 화학식 4로 표시되는 2-할로-이소부티르산의 5-(클로로디메틸실라닐)알킬 에스테르는 촉매로 사용하는 플라티늄/탄소(Pt/C)에 물이 제거된 톨루엔과 상기 화학식 3으로 표시되는 2-할로-이소부티르산의 알케닐 에스테르 및 디메틸클로로실란을 주사기를 이용해서 넣고 반응시킨 후, 셀라이트(celite)로 거른 다음 진공 증류방식으로 얻는다.5- (chlorodimethylsilanyl) alkyl ester of 2-halo-isobutyric acid represented by Chemical Formula 4 includes toluene having water removed from platinum / carbon (Pt / C) used as a catalyst and 2 represented by Chemical Formula 3 above. Alkenyl ester of halo-isobutyric acid and dimethylchlorosilane are added using a syringe, reacted, filtered through celite, and obtained by vacuum distillation.

상기 화학식 4로 표시되는 2-할로-이소부티르산의 5-(클로로디메틸실라닐)알킬 에스테르의 제조과정을 하기 반응식 3으로 나타내었다.The preparation process of 5- (chlorodimethylsilanyl) alkyl ester of 2-halo-isobutyric acid represented by Chemical Formula 4 is shown in Scheme 3 below.

[반응식 3]Scheme 3

Figure 112004001475364-pat00009
Figure 112004001475364-pat00009

[화학식 3] [화학식 4] [Formula 3] [Formula 4]

상기 화학식 5로 표시되는 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산은 물이 제거된 테트라히드로퓨란(THF)과 트리에틸아민에서 상기 화학식 2로 표시되는 폴리메틸실세스퀴옥산과 상기 화학식 4로 표시되는 2-할로-이소부티르산의 5-(클로로디메틸실라닐)알킬 에스테르를 반응시킴으로써 얻을 수 있다.The polymethylsilsesquioxane having introduced the initiator represented by the formula (5) is represented by the polymethylsilsesquioxane represented by the formula (2) in the tetrahydrofuran (THF) and triethylamine from which water is removed and represented by the formula (4) It can be obtained by reacting the 5- (chlorodimethylsilanyl) alkyl ester of 2-halo-isobutyric acid.

상기 화학식 5로 표시되는 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산의 제조방법을 하기 반응식 4에 나타내었다. A method of preparing polymethylsilsesquioxane having introduced the initiator represented by Chemical Formula 5 is shown in Scheme 4 below.

[반응식 4]Scheme 4

Figure 112004001475364-pat00010
Figure 112004001475364-pat00010

[화학식 5][Formula 5]

상기 화학식 6으로 나타내는 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체는 메틸메타크릴레이트, CuBr 또는 CuCl, 그리고 2,2'-바이피리딘(2,2’-bipyridine)를 THF에 녹인 다음 질소로 환류(purge)하고, 별도로 상기 화학식 5의 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산을 THF에 녹인 다음 역시 질소로 환류한 후 주사기를 이용하여 상기 메틸메타크릴레이드 용액에 첨가함으로써 ATRP 방법에 의해 얻을 수 있다. 만들어진 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체는 헥산에서 침전시켜서 얻는 다음 재침전과정을 거친 후 진공건조시킴으로써 순수한 생성물을 얻을 수 있다. The polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer represented by Chemical Formula 6 is prepared by dissolving methyl methacrylate, CuBr or CuCl, and 2,2'-bipyridine in THF. ATRP method by purging with nitrogen, and then separately dissolving polymethylsilsesquioxane introduced with the initiator of Formula 5 in THF, and then refluxing with nitrogen and then adding to the methylmethacrylate solution using a syringe. Can be obtained by The resulting polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate block copolymer can be obtained by precipitating in hexane followed by reprecipitation and vacuum drying to obtain pure product.

상기 화학식 6으로 나타내는 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체의 제조방법을 하기 반응식 5로 나타내었다.The method for preparing the polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer represented by Chemical Formula 6 is shown in Scheme 5 below.

[반응식 5]Scheme 5

Figure 112004001475364-pat00011
Figure 112004001475364-pat00011

[화학식 6][Formula 6]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위하여 주어진 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments of the present invention. These examples are given to illustrate the invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the invention is not limited by these examples.

[실시예]EXAMPLE

시약reagent

모든 시약은 시판용을 사용하였으며 대부분의 시약은 추가 정제과정 없이 사용하였다. 메틸메타크릴레이트는 감압증류해서 사용하였다. 테트라히드로퓨란은 질소환경에서 나트륨/벤조페논(sodium/benzophenone)을 첨가한 후 증류해서 사용하였다. 브롬화구리(CuBr)는 아세트산에서 24시간 동안 교반한 후 여과하고 메탄올로 씻은 후 진공건조 시킨 후 사용하였다. All reagents were commercially available and most reagents were used without further purification. Methyl methacrylate was used by distillation under reduced pressure. Tetrahydrofuran was used after distillation after adding sodium / benzophenone in a nitrogen environment. Copper bromide (CuBr) was stirred in acetic acid for 24 hours, filtered, washed with methanol and dried in vacuo.

측정방법How to measure

모든 신규의 화합물은 1H과 13C-NMR을 이용하여 구조를 확인하였다. 1H-NMR과 13C-NMR은 Bruker DPX-300MHz NMR 분광기를 사용하여 기록하였다. 분자량은 THF를 용리액으로 사용한 mixed bead Jordi column과 Waters 2410 differential refractometer를 가진 겔투과크로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC)로 측정하여 표준 폴리스티렌고분자의 분자량으로 정규화하였다. 유리전이온도와 열중량분석은 TA Instruments사의 DSC 2910과 TGA를 각각 이용하여 측정하였다.All new compounds were checked for structure using 1 H and 13 C-NMR. 1 H-NMR and 13 C-NMR were recorded using Bruker DPX-300 MHz NMR spectroscopy. Molecular weights were normalized to the molecular weight of standard polystyrene polymers measured by gel permeation chromatography (GPC) with mixed bead Jordi column and Waters 2410 differential refractometer using THF as eluent. Glass transition temperature and thermogravimetric analysis were measured using DSC 2910 and TGA from TA Instruments, respectively.

폴리메틸실세스퀴옥산 합성Polymethylsilsesquioxane Synthesis

메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, MTMS) 6.81g (0.05몰)을 플라스크에 넣은 후 얼음탕(ice-bath) 위에 올려놓은 상태에서 R1(산촉매와 전체 단량체의 몰비)=0.03인 염산 1mL (2M HCl, 0.002몰)와 R2(물과 전체 단량체의 몰비)=10.0인 증류수 9g (0.5몰)의 혼합용액을 저으면서 한방울씩 떨어뜨린 후 0℃에서 4시간 동안 계속 젓는다. 이 용액을 메틸이소부틸케톤(methyl-isobutylketone, MIBK) 75mL로 희석시킨 후 중성이 될 때까지 증류수로 적어도 3번 이상 씻고 유기층을 분리하여 황산마그네슘(MgSO4)으로 남은 물을 제거하고 여과기로 거른 다음 진공에서 용매를 제거하면서 건조시킨다. 생성물은 무색의 고체로 약 3.05g 이었다. 수평균분자량(Mn, GPC)은 3000이고 다분산성(polydispersity, Mw/Mn)은 3.4이었다.6.81 g (0.05 mole) of methyltrimethoxysilane (MTMS) was placed in a flask and placed on an ice-bath. 1 mL of hydrochloric acid (2M HCl) with R1 (molar ratio of acid catalyst and total monomer) = 0.03 , 0.002 mole) and 9 g (0.5 mole) of distilled water having a ratio of R 2 (molar ratio of water and total monomers) = 10.0, drop by drop while stirring, and keep stirring at 0 ° C. for 4 hours. Dilute this solution with 75 mL of methyl-isobutylketone (MIBK), wash at least 3 times with distilled water until neutral, and separate the organic layer to remove the remaining water with magnesium sulfate (MgSO 4 ) and filter through a filter. It is then dried while removing the solvent in vacuo. The product was about 3.05 g as a colorless solid. The number average molecular weight (Mn, GPC) was 3000 and the polydispersity (Mw / Mn) was 3.4.

1H NMR (d6-acetone) : 6.2-5.4(Si-OH), 3.5(Si-OCH3), 0.13(Si-CH3 ) 1 H NMR (d 6 -acetone): 6.2-5.4 (Si-OH), 3.5 (Si-OCH 3 ), 0.13 (Si-CH 3 )

2-브로모-이소부티르산의 펜트-4-에닐 에스테르 합성Pent-4-enyl Ester Synthesis of 2-Bromo-isobutyric Acid

클로로포름에 4-펜테놀(4-pentenol) 6.89g(0.08몰)을 녹인 후 적당량의 트리에틸아민을 더한다. 이 용액에 50mL 클로로포름에 18.4g (0.08몰)의 2-브로모이소부티릴브로마이드(2-bromoisobutyryl bromide)를 녹인 용액을 0℃에서 한방울씩 넣 은 다음 실온에서 4시간 동안 젓는다. 유기층을 분리하여 증류수로 3번이상 씻고 황산마그네슘(MgSO4)으로 남은 물을 제거하고 여과기로 거른다음 진공에서 용매를 제거하면서 건조시킨다. 생성물은 약 13.6g (수율 72%)이었다.6.89 g (0.08 mol) of 4-pentenol is dissolved in chloroform, and an appropriate amount of triethylamine is added thereto. In this solution, a solution of 18.4 g (0.08 mol) of 2-bromoisobutyryl bromide dissolved in 50 mL chloroform was added dropwise at 0 ° C. and then stirred at room temperature for 4 hours. The organic layer was separated, washed three times with distilled water, the remaining water was removed with magnesium sulfate (MgSO 4 ), filtered, and dried with a solvent removed in vacuo. The product was about 13.6 g (72% yield).

1H NMR (CDCl3) : 5.81(m, 1H, CH=CH2), 5.05(m, 2H, CH=CH2), 4.15(t, 2H, O-CH2-), 2.15(q, 2H, CH2-CH=), 1.90(s, 6H, -CH3), 1.78(p, 2H, CH2 -CH2-CH2). 1 H NMR (CDCl 3 ): 5.81 (m, 1H, CH = CH 2 ), 5.05 (m, 2H, CH = CH 2 ), 4.15 (t, 2H, O-CH 2- ), 2.15 (q, 2H , CH 2 -CH =), 1.90 (s, 6H, -CH 3 ), 1.78 (p, 2H, CH 2 -CH 2 -CH 2 ).

13C NMR: 171.8(C=O), 137.6(CH=CH2), 115.8(CH=CH2), 65.6(O-CH2 ), 56.2(C-Br), 30.2(CH2), 27.8(CH3). 13 C NMR: 171.8 (C = O), 137.6 (CH = CH 2 ), 115.8 (CH = CH 2 ), 65.6 (O-CH 2 ), 56.2 (C-Br), 30.2 (CH 2 ), 27.8 ( CH 3 ).

2-브로모-이소부티르산의 5-(클로로디메틸실라닐)펜틸 에스테르합성5- (chlorodimethylsilanyl) pentyl ester synthesis of 2-bromo-isobutyric acid

글러브박스(glove box) 안에서 촉매로 사용하는 플라티늄/탄소(Pt/C-10wt%) 100mg의 질량을 재서 플라스크에 넣고, 여기에 물이 제거된 톨루엔(toluene) 20mL, 상기 화학식 3으로 표시되는 2-브로모-이소부티르산의 펜트-4-에닐 에스테르 2mL, 그리고 디메틸클로로실란(dimethylchlorosilane) 6mL를 주사기를 이용해서 넣은 다음 65℃에서 24시간 반응시킨 후, 촉매를 제거하기 위해 셀라이트(celite)로 거른 다음 진공 증류방식으로 용매를 제거하고 순수한 생성물을 얻었다. 생성물은 1.9g (0.0058몰)이고 수율은 53%이었다.In a glove box, a mass of 100 mg of platinum / carbon (Pt / C-10 wt%) used as a catalyst is put in a flask, and 20 mL of toluene, from which water is removed, is represented by Chemical Formula 3 above. 2 mL of pent-4-enyl ester of bromo-isobutyric acid and 6 mL of dimethylchlorosilane were added using a syringe and reacted at 65 ° C for 24 hours, followed by celite to remove the catalyst. The solvent was then removed by vacuum distillation to give a pure product. The product was 1.9 g (0.0058 mol) and the yield was 53%.

1H NMR (CDCl3) : 4.14 (t, 2H, O-CH2), 1.89(s, 6H, -CH3), 1.67(m, 2H, O- CH2-CH2), 1.41(m, 4H, CH2), 0.80(t, 2H, CH2-Si), 0.37(s, 6H, Si-CH3). 1 H NMR (CDCl 3 ): 4.14 (t, 2H, O-CH 2 ), 1.89 (s, 6H, -CH 3 ), 1.67 (m, 2H, O-CH 2 -CH 2 ), 1.41 (m, 4H, CH 2 ), 0.80 (t, 2H, CH 2 -Si), 0.37 (s, 6H, Si-CH 3 ).

13C NMR: 171.7(C=O), 66.0(O-CH2), 56.0(C-Br), 30.8(CH2), 29.2(CH2 ), 28.1(CH3), 22.7(CH2), 18.9(Si-CH2), 1.7(Si-CH3). 13 C NMR: 171.7 (C = O), 66.0 (O-CH 2 ), 56.0 (C-Br), 30.8 (CH 2 ), 29.2 (CH 2 ), 28.1 (CH 3 ), 22.7 (CH 2 ), 18.9 (Si-CH 2 ), 1.7 (Si-CH 3 ).

개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산의 합성Synthesis of Polymethylsilsesquioxane with Initiator

상기 화학식 5로 표시되는 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산의 합성은 물이 제거된 THF 10mL에 상기 화학식 2로 표시되는 폴리메틸실세스퀴옥산 500mg을 녹인 후 주사기를 이용하여 트리에틸아민(triethylamine)를 넣는다. 0℃의 얼음탕(ice-bath)에서 식힌 후 상기 화학식 4로 표시되는 2-브로모-이소부티르산의 5-(클로로디메틸실라닐)펜틸 에스테르를 한방울씩 넣는다. 이 용액을 상온에서 3시간 동안 저은 후 40mL의 MIBK로 묽힌 다음 유기층을 분리하여 증류수로 3번 이상 씻고 황산마그네슘(MgSO4)으로 남은 물을 제거하고 여과기로 거른다음 진공에서 용매를 제거하면서 건조시켜서 상기 화학식 5로 표시되는 점성이 매우 큰 액체 생성물을 얻었다. 개시제 역할을 하는 2-브로모이소부티레이트(2-bromoisobutylate) 양에 따른 고분자 내의 -OH 양의 변화를 하기 표 1에 나타내었다. 각각의 양은 NMR의 Si-OH, Si-CH3, Br-C-(CH3) 기(group)의 양을 이용하여 계산하였다. 예상대로 개시제의 양이 증가함에 따라 실란올기(Si-OH)의 양이 감소하였다. 그러나, 개시제의 양의 증가량보다 실란올기의 감소량이 더 큰 것은 반응 동안에 실란올기들 사이의 분자내 축합반응(intramolecular condensation) 때문인 것 같다. 그럼에도 불구하고 폴리실세스퀴옥산과의 후속반응을 위한 충분한 양의 실란올기가 존재함을 나타내고 있다.Synthesis of polymethylsilsesquioxane having introduced the initiator represented by the formula (5) dissolves 500 mg of the polymethylsilsesquioxane represented by the formula (2) in 10 mL of THF from which water is removed, and then triethylamine (using a syringe) triethylamine). After cooling in an ice bath at 0 ° C., 5- (chlorodimethylsilanyl) pentyl ester of 2-bromo-isobutyric acid represented by Chemical Formula 4 is added dropwise. The solution was stirred at room temperature for 3 hours and then diluted with 40 mL of MIBK. The organic layer was separated, washed three times with distilled water, the remaining water was removed with magnesium sulfate (MgSO 4 ), filtered and dried under vacuum to remove the solvent. A liquid product having a very high viscosity represented by Chemical Formula 5 was obtained. The change in the amount of -OH in the polymer according to the amount of 2-bromoisobutylate serving as an initiator is shown in Table 1 below. Each amount was calculated using the amount of Si-OH, Si-CH 3 , Br-C- (CH 3 ) groups of NMR. As expected, the amount of silanol groups (Si-OH) decreased as the amount of initiator increased. However, the larger decrease in silanol groups than the increase in amount of initiator seems to be due to the intermolecular condensation between the silanol groups during the reaction. Nevertheless, it indicates that there is a sufficient amount of silanol groups for subsequent reaction with polysilsesquioxane.

1H NMR (CDCl3) : 6.2-5.4(Si-OH), 3.5(Si-OCH3), 4.14(O-CH2), 1.89(-CH3), 1.67(O-CH2-CH2), 1.41(CH2), 0.80(CH2-Si), 0.37(Si-CH3 ) 0.13(Si-CH3). 1 H NMR (CDCl 3 ): 6.2-5.4 (Si-OH), 3.5 (Si-OCH 3 ), 4.14 (O-CH 2 ), 1.89 (-CH 3 ), 1.67 (O-CH 2 -CH 2 ) , 1.41 (CH 2 ), 0.80 (CH 2 -Si), 0.37 (Si-CH 3 ) 0.13 (Si-CH 3 ).

[표 1] 고분자내의 개시제 양에 따른 -OH 함량의 변화 [Table 1] Change of -OH content according to the amount of initiator in the polymer

고분자Polymer Si-OH (몰%)Si-OH (mol%) 개시제 (몰%)Initiator (mol%) 폴리메틸실세스퀴옥산Polymethylsilsesquioxane 23.423.4 00 고분자 1Polymer 1 15.215.2 1.81.8 고분자 2Polymer 2 19.419.4 2.62.6 고분자 3Polymer 3 18.818.8 3.23.2 고분자 4Polymer 4 17.217.2 4.84.8

폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체 합성Polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate block copolymer synthesis

상기 화학식 6으로 표시하는 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체의 합성은 일반적인 원자전달라디칼중합반응을 이용하였다. 메틸메타크릴레이트, CuBr, 그리고 2,2'-바이피리딘(2,2’-bipyridine)을 물이 제거된 테트라히드로퓨란(THF)에 녹인 다음 5분 동안 질소를 환류시킴으로써 공기를 제거한다. 다른 플라스크에 상기 화학식 5로 표시되는 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산을 역시 테트라히드로퓨란(THF)에 녹인 다음 역시 질소로 5분 동안 환류시켜서 공기를 제거한 후 주사기를 이용하여 상기 메틸메타크릴레이드 용액에 첨가하고 60℃ 에서 30분 동안 젓는다. 생성된 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체는 헥산에서 침전시켜서 얻는 다음 THF에 다시 녹인 후 헥산에서 침전시키는 재침전과정을 거친 후 진공건조시킴으로써 흰색의 순수한 생성물을 얻을 수 있었다. 생성물의 NMR 결과를 도 1에 나타내었다. 0ppm에서 실세스퀴옥산의 메틸기에 의한 피크를 볼수 있고, 3.5ppm, 1.8ppm, 그리고 1ppm에서 폴리메틸메타크릴레이트의 피크를 볼 수 있다.Synthesis of the polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer represented by the formula (6) used a general atomic transfer radical polymerization reaction. Methyl methacrylate, CuBr, and 2,2'-bipyridine are dissolved in tetrahydrofuran (THF) dewatered and then air is removed by refluxing for 5 minutes. In another flask, polymethylsilsesquioxane having the initiator represented by Chemical Formula 5 was dissolved in tetrahydrofuran (THF), and then refluxed with nitrogen for 5 minutes to remove air, and then the methyl methacryl using a syringe. Add to the raid solution and stir at 60 ° C. for 30 minutes. The resulting polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer was obtained by precipitating in hexane and then dissolved in THF and then reprecipitating in hexane, followed by vacuum drying to obtain a pure white product. The NMR results of the product are shown in FIG. 1. At 0 ppm the peaks of the methyl groups of silsesquioxanes can be seen, and the peaks of polymethyl methacrylate can be seen at 3.5 ppm, 1.8 ppm and 1 ppm.

블록공중합체의 특성분석Characterization of Block Copolymers

생성물이 블록공중합체인지 아니면 단지 두 고분자의 블렌딩(blending)인지 알아보기 위하여 겔투과크로마토그래피(GPC)를 이용하여 분자량을 측정하였다. 결과는 도 2에 나타내었다. 도 2에는 반응 전 출발물질인 폴리메틸실세스퀴옥산(PMSSQ)와 반응 후의 블록공중합체의 피크를 나타내었다. 폴리메틸실세스퀴옥산(PMSSQ)은 분자량 3,740에서 최대 피크를 나타낸 반면, 합성된 블록공중합체는 분자량이 늘어난 24,500에서 최대 피크를 나타내었다. 그리고, 피크를 나타내는 봉우리가 한 개인 것은 블록공중합체가 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산(PMSSQ)으로부터만 메틸메타크릴레이트(MMA) 단량체가 개시 반응을 시작하였다는 것을 나타내고 있다. The molecular weight was measured using gel permeation chromatography (GPC) to determine if the product was a block copolymer or only a blend of two polymers. The results are shown in FIG. Figure 2 shows the peak of the block copolymer after the reaction with polymethylsilsesquioxane (PMSSQ) as a starting material before the reaction. Polymethylsilsesquioxane (PMSSQ) showed the highest peak at molecular weight 3,740, whereas the synthesized block copolymer showed the highest peak at 24,500 with increased molecular weight. And one peak showing peak indicates that the methyl methacrylate (MMA) monomer started the initiation reaction only from the polymethylsilsesquioxane (PMSSQ) in which the block copolymer introduced the initiator.

DSC를 이용하여 블록공중합체의 유리전이 온도를 측정한 결과를 도 3에 나타내었다. 예상한 대로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 블록에서 유리전이온도를 측정할 수 있었다. 동일 조건에서 표준으로 사용한 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 단 일 중합체의 유리전이온도는 109℃이었고, 블록공중합체는 이보다는 약간 높은 115℃에서 유리전이온도를 나타내었다.3 shows the results of measuring the glass transition temperature of the block copolymer using DSC. As expected, the glass transition temperature could be measured in the polymethyl methacrylate (PMMA) block. The glass transition temperature of the polymethyl methacrylate (PMMA) homopolymer used as a standard under the same conditions was 109 ° C, and the block copolymer showed a glass transition temperature at 115 ° C which was slightly higher than this.

가장 중요한 분석인 열중량분석(TGA)의 결과를 도 4에 나타내었다. 분석구간은 30℃에서 부터 500℃까지 이었다. 동일 조건에서 합성된 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 단일 중합체는 280℃까지 질량감소가 되지 않다가, 그 이상의 온도에서 분해되기 시작하여 410℃ 근처에서 포함되어 있는 양만큼 정량적으로 분해되었다.The results of thermogravimetric analysis (TGA), the most important analysis, are shown in FIG. 4. The analysis section ranged from 30 ° C to 500 ° C. The polymethyl methacrylate (PMMA) homopolymer synthesized under the same conditions did not lose mass up to 280 ° C., but began to decompose at higher temperatures and quantitatively decomposed by the amount contained near 410 ° C.

본 연구에서 제안된 방법으로 합성된 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체 역시 표준으로 사용한 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 단일 중합체와 비슷한 열분해 곡선을 나타내었다. 역시 표준으로 사용한 폴리메틸실세스퀴옥산 단일 중합체는 단순한 열분해 곡선을 나타내었다. 150℃부터 약간의 질량감소가 나타나는데 이것은 반응하기 않고 남아있는 실란올기들 사이에서 일어나는 2차 축합반응 때문이다. 이 때부터 분자간축합으로 인한 가교화가 시작하여 300℃ 근처에서 완료되었다. 그 이후 온도에서부터 500℃까지는 질량감소가 관찰되지 않았다. The polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate block copolymer synthesized by the method proposed in this study also exhibited a thermal decomposition curve similar to that of the polymethylmethacrylate (PMMA) homopolymer used as a standard. The polymethylsilsesquioxane homopolymer, also used as a standard, showed a simple pyrolysis curve. There is a slight loss of mass from 150 ° C because of the secondary condensation reaction between silanol groups remaining unreacted. From this point, crosslinking due to intermolecular condensation began and was completed near 300 ° C. From then on, no mass loss was observed from 500 ° C.

폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체는 상기한 두 가지 물질의 특성을 모두 나타내었다. 175℃ 근처부터 275℃ 근처 까지는 실란올기 사이의 분자간 가교화로 인한 축합반응으로 약간의 질량감소를 나타내어서 폴리메틸실세스퀴옥산 단일 중합체와 비슷한 양상을 보여주었고, 280℃부터 폴리메틸메타크릴레이트 블록의 분해가 시작하여 410℃에서 끝난 것은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 단일 중합체와 비슷한 양상을 보여주였다. 그 이후 온도에서부터 500℃ 까지는 더 이상의 질량감소는 관찰되지 않았다. 10%정도 질량의 남아있는 물질은 블록공중합체에서 가교화 후에 남아있는 폴리메틸실세스퀴옥산으로 예상범위 내에서 일치한다. Polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate block copolymers exhibited the properties of both materials described above. From 175 ° C to 275 ° C, condensation reaction due to intermolecular crosslinking between silanol groups showed a slight loss of mass, similar to that of polymethylsilsesquioxane homopolymer, and polymethylmethacrylate block from 280 ° C. The decomposition started and ended at 410 ° C., showing a pattern similar to that of the polymethylmethacrylate (PMMA) homopolymer. From then on, no further mass loss was observed from 500 ° C. The remaining material, on the order of 10% by mass, agrees within the expected range with the polymethylsilsesquioxane remaining after crosslinking in the block copolymer.

한편, 순수한 폴리메틸실세스퀴옥산과 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체(16 중량%)의 블렌드(blend)에 대한 열중량 실험결과(도 4)에서는 순수한 폴리메틸실세스퀴옥산의 실란올기와 블록공중합체내의 실란기와의 2차 축합반응이 예상했던대로 150℃에서 275℃ 사이에서 일어났고 블록공중합체내의 폴리메틸메타크릴레이트 블록의 열분해가 그 이후 온도에서 일어나서 처음 블렌드 양의 80 중량%의 잔유물을 남겼다. On the other hand, the thermogravimetric test results for the blend of pure polymethylsilsesquioxane and polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer (16 wt%) showed pure polymethylsilicone in FIG. 4. Secondary condensation of the silanol groups of sesquioxanes with the silane groups in the block copolymers occurred between 150 ° C and 275 ° C, as expected, and pyrolysis of the polymethylmethacrylate blocks in the block copolymers then occurred at temperatures Leave 80% by weight of the residue of the blend amount.

마지막으로, 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체, 폴리메틸실세스퀴옥산과 폴리메틸메타크릴레이트의 블렌드(blend), 그리고 폴리메틸실세스퀴옥산과 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체의 블렌드에 대한 박막제조 후 450℃까지 소성을 한 광학현미경사진을 도 5 내지 7에 나타내었다. 폴리메틸실세스퀴옥산 단일중합체(도 5; 500배, 두께: 5,030nm 굴절율: 1.361)는 소성을 한 후에도 깨끗하고 균일한 표면을 보이는 반면, 폴리메틸메타크릴레이트를 기공형성제로 사용한 폴리메틸실세스퀴옥산과 폴리메틸메타크릴레이트의 블렌드(도 6; PMSSQ + PMMA 10wt% porogen. 100배)를 코팅 후 소성한 경우는 폴리메틸실세스퀴옥산끼리 가교반응을 하면서 폴리메틸메타크릴레이트와 상분리가 되었고 균열도 생겼다. 그러나, 폴리메틸실세스퀴옥산과 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체의 블랜드(도 7; PMSSQ + hybrid polymer 8wt% porogen, 500배, 필름두께: 4,830nm, 굴절율: 1.343)는 폴리메틸메타크릴레이트가 기공형성제 역할을 충분히 하면서도 소성 후 상분리나 균열도 생기지 않은 깨끗한 표면의 박막을 만들 수 있었다.Finally, a polymethylsilsesquioxane homopolymer, a blend of polymethylsilsesquioxane and polymethyl methacrylate, and polymethylsilsesquioxane and polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate 5 to 7 show optical micrographs of the block copolymer prepared by calcination up to 450 ° C. after the thin film was prepared. Polymethylsilsesquioxane homopolymer (FIG. 5; 500 times, thickness: 5,030 nm refractive index: 1.361) shows a clean and uniform surface even after firing, while polymethylsilicone using polymethylmethacrylate as pore-forming agent When the blend of sesquioxane and polymethyl methacrylate (FIG. 6; PMSSQ + PMMA 10wt% porogen. 100 times) is fired after coating, polymethylsilsesquioxane is cross-linked with polymethylmethacrylate and phase-separated. And cracked. However, blends of polymethylsilsesquioxane and polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate block copolymers (FIG. 7; PMSSQ + hybrid polymer 8 wt% porogen, 500 times, film thickness: 4830 nm, refractive index: 1.343) ) Was able to produce a thin film with a clear surface that polymethyl methacrylate was sufficient as a pore-forming agent and did not cause phase separation or cracking after firing.

기공형성제로 사용된 블록공중합체의 저유전 박막에서의 기공크기 분석Pore size analysis of low dielectric thin films of block copolymers used as pore formers

기공을 형성할 기본 매트릭스 수지는 폴리메틸실세스퀴옥산 계열의 삼원 공중합체(terpolymer)로서 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 1,2-비스(트리메톡시실릴)에탄(1,2-bis(trimethoxysilyl)ethane), 디메톡시-디메틸실란 (dimethoxy-dimethylsilane)의 몰비(molar ratio)가 7:2:1인 물질이다.The basic matrix resin to form the pores is a polymethylsilsesquioxane series terpolymer, methyltrimethoxysilane, 1,2-bis (trimethoxysilyl) ethane (1,2-bis (trimethoxysilylethane) and dimethoxy-dimethylsilane have a molar ratio of 7: 2: 1.

아래 표 2에서와 같이 기공형성제로 사용할 블록공중합체의 양을 여섯 가지로 다르게 해서 실험하였다. 기공형성제로 사용된 블록공중합체와 삼원공중합체를 용매에 녹인 후 회전코팅을 하고 진공에 가까운 상태에서 450℃까지 소성한 후 박막에 형성된 기공의 크기를 포지트로니움 소멸 수명 분광기(positronium annihilation lifetime spectroscopy, PALS)를 사용하여 측정하였다. 공극률이 25% 정도에서 기공의 크기가 3나노미터 이하로 측정되었고 예상되는 유전율은 2.2 정도로서 초저유전 절연물질을 만들기 위한 기공형성제로 훌륭한 후보물질임을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2 below, the amount of the block copolymer to be used as the pore-forming agent was tested in six different ways. After dissolving the block copolymer and terpolymer used as a pore-forming agent in a solvent, spin coating, and firing to 450 ° C. near a vacuum, the size of the pores formed in the thin film is measured by a positronium annihilation lifetime spectroscopy. , PALS). At porosity of about 25%, the pore size was measured to be less than 3 nanometers, and the expected dielectric constant was about 2.2, making it an excellent candidate as a pore-forming agent for making ultra-low dielectric insulation materials.

[표 2] 450℃ 소성 후 박막에 형성된 기공의 크기[Table 2] Pore size formed in the thin film after firing at 450 ℃

샘플Sample 첨가량 [부피%]Addition volume [% by volume] 예상공극률 [%]Expected porosity [%] 측정된 공극률 [%]Measured porosity [%] 포지트로니움[Ps] 수명[ns]Postronicium [Ps] Lifespan [ns] 산정된 기공의 직경[nm] Calculated pore diameter [nm] 1One 00 00 00 -- -- 22 1010 8.78.7 9.49.4 22.522.5 1.71.7 33 1515 13.113.1 14.014.0 24.724.7 1.71.7 44 2020 17.417.4 17.117.1 31.131.1 2.02.0 55 2525 21.821.8 22.622.6 37.137.1 2.22.2 66 3030 26.126.1 25.425.4 4141 2.42.4

이상에서와 같이, 본 발명은 ATRP반응을 이용하여 기공형성제 역할을 하는 폴리메틸메타크릴레이트를 폴리메틸실세스퀴옥산 기반물질에 공유결합으로 연결한 블록공중합체를 만듦으로서 폴리메틸실세스퀴옥산 절연체와 기공형성제와의 상용성의 한계를 극복하여 열처리 후 절연체 수지 내에 3 나노미터 이하 크기의 균일하고 미세한 기공을 형성할 수 있으며, 이로 인해서 유전율 2.3 이하의 초저유전율을 가진 절연체 물질을 만들 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention provides a polymethylsilsesqui by making a block copolymer in which a polymethyl methacrylate serving as a pore-forming agent is covalently linked to a polymethylsilsesquioxane-based material by using an ATRP reaction. By overcoming the limitations of compatibility between the oxane insulator and the pore-forming agent, it is possible to form uniform and fine pores of 3 nanometers or less in the insulator resin after heat treatment, thereby making an insulator material having an ultra-low dielectric constant of 2.3 or less. There is an advantage.

Claims (7)

염기 하에서 하기 화학식 2로 표시되는 폴리메틸실세스퀴옥산과 하기 화학식 4로 표시되는 2-할로-이소부티르산의 5-(클로로디메틸실라닐)알킬 에스테르를 반응시킴을 특징으로 하는 하기 화학식 5의 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산의 제조방법. An initiator of formula (5) characterized by reacting a poly (methylsilsesquioxane) represented by formula (2) with a 5- (chlorodimethylsilanyl) alkyl ester of 2-halo-isobutyric acid represented by formula (4) under a base: Method for producing polymethylsilsesquioxane introduced. [화학식 2][Formula 2]
Figure 112004001475364-pat00012
Figure 112004001475364-pat00012
상기 화학식 2에서, n은 중합도로서 10이상이고, 수평균분자량(Mn)은 1,000 이상이고, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양이 5몰%이상이다.In Chemical Formula 2, n is 10 or more as the degree of polymerization, the number average molecular weight (Mn) is 1,000 or more, and the amount of silanol (Si-OH) in the terminal group is 5 mol% or more. [화학식 4][Formula 4]
Figure 112004001475364-pat00013
Figure 112004001475364-pat00013
상기 화학식 4에서, p는 1 내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다.In Formula 4, p is an integer of 1 to 10, X is Br or Cl. [화학식 5][Formula 5]
Figure 112004001475364-pat00014
Figure 112004001475364-pat00014
상기 화학식 5에서, n은 중합도로서 10이상이고, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양이 5몰%이상이다. p는 1 내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다.In Chemical Formula 5, n is 10 or more as the degree of polymerization, and the amount of silanol (Si-OH) in the terminal group is 5 mol% or more. p is an integer from 1 to 10 and X is Br or Cl.
메틸메타크릴레이트(MMA)와 하기 화학식 5로 표시되는 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산을 원자전달라디칼중합(ATRP) 방법을 이용하여 반응시킴으로써 얻음을 특징으로 하는 하기 화학식 6으로 나타내는 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체의 제조방법.Polymethyl represented by the following formula (6) characterized in that it is obtained by reacting a methyl methacrylate (MMA) and a polymethylsilsesquioxane having an initiator represented by the following formula (5) using an atomic transfer radical polymerization (ATRP) method. Method for producing silsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer. [화학식 5][Formula 5]
Figure 112004001475364-pat00015
Figure 112004001475364-pat00015
상기 화학식 5에서, n은 중합도로서 10이상이고, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양이 5몰%이상이다. p는 1 내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다.In Chemical Formula 5, n is 10 or more as the degree of polymerization, and the amount of silanol (Si-OH) in the terminal group is 5 mol% or more. p is an integer from 1 to 10 and X is Br or Cl. [화학식 6] [Formula 6]
Figure 112004001475364-pat00016
Figure 112004001475364-pat00016
상기 화학식 6에서, n 과 m 은 중합도로 n은 10이상, m은 10이상이고, 수평균분자량(Mn)은 5,000이상, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양은 5몰%이상이다. p는 1 내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다.In Formula 6, n and m are polymerization degrees, n is 10 or more, m is 10 or more, the number average molecular weight (Mn) is 5,000 or more, and the amount of silanol (Si-OH) in the terminal group is 5 mol% or more. p is an integer from 1 to 10 and X is Br or Cl.
제1항에 있어서, 반응 용매가 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)이고 염기가 트리에틸아민(triethylamine)임을 특징으로 하는 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산의 제조방법. The method for producing polymethylsilsesquioxane having an initiator according to claim 1, wherein the reaction solvent is tetrahydrofuran (THF) and the base is triethylamine. 제2항에 있어서, 상기 중합이 CuBr 또는 CuCl, 및 2,2'-바이피리딘(2,2’- bipyridine) 존재하에서 이루어짐을 특징으로 하는 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체의 제조방법.3. The polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate block aerial according to claim 2, wherein the polymerization is carried out in the presence of CuBr or CuCl and 2,2'-bipyridine. Process for the preparation of coalescing. 하기 화학식 5의 개시제를 도입한 폴리메틸실세스퀴옥산Polymethylsilsesquioxane having introduced the initiator of formula (5) [화학식 5][Formula 5]
Figure 112004001475364-pat00017
Figure 112004001475364-pat00017
상기 화학식 5에서, n은 중합도로 n은 10이상이고, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양이 5몰%이상이다. p 는 1 내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다.In Chemical Formula 5, n is a polymerization degree n is 10 or more, and the amount of silanol (Si-OH) in the terminal group is 5 mol% or more. p is an integer from 1 to 10 and X is Br or Cl.
하기 화학식 6의 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체Polymethylsilsesquioxane-polymethyl methacrylate block copolymer of the formula [화학식 6] [Formula 6]
Figure 112004001475364-pat00018
Figure 112004001475364-pat00018
상기 화학식 6에서, n과 m은 중합도로 n은 10이상, m은 10이상이고, 수평균분자량(Mn)은 5,000이상, 말단기 중 실란올(Si-OH)의 양은 5몰%이상이다. p는 1 내지 10의 정수이고, X는 Br 또는 Cl이다.In Formula 6, n and m are polymerization degrees, n is 10 or more, m is 10 or more, the number average molecular weight (Mn) is 5,000 or more, and the amount of silanol (Si-OH) in the terminal group is 5 mol% or more. p is an integer from 1 to 10 and X is Br or Cl.
제6항의 화학식 6의 폴리메틸실세스퀴옥산-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체를 이용한 저유전성 절연체Low dielectric insulator using polymethylsilsesquioxane-polymethylmethacrylate block copolymer of formula (6)
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