CN104157630A

CN104157630A - 一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜及其制备方法

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Publication number: CN104157630A
Application number: CN201410454474.3A
Authority: CN
Inventors: 马素德; 闵忠华; 王岩; 张勤勇
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: CN104157630B

Abstract

本发明旨在提供一种具有超低介电常数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法，本发明目的是通过在聚酰亚胺薄膜中构建纳孔结构的手段来实现的。所含纳孔结构中含有空气，空气体积占到全部薄膜体积的10%~40%，从而可大幅度降低本体聚酰亚胺薄膜的介电常数。其次，该种纳孔结构尺寸均一，在电场中可使外加场强均匀化分布，不容易出现电压集中于某点的现象，从而可有效避免因为构建纳孔结构引起的薄膜击穿电压性能的劣化，大大增加了该类材料的使用范围。

Description

一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于超大规模集成电路制造技术领域，特别是涉及一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜及其制备方法。

背景技术

目前，集成电路电子工业中所用的电介质材料以硅基材料为主，其具有材料易得、价廉、加工处理工艺成熟等优点。但硅基材料介电常数较高， RC（阻容）延迟较大，在一定程度上影响了超大规模集成电路（ULSI）元器件的进一步缩小和运算速度的进一步提高。

空气的介电常数约为1，如果将本体材料（此处指不含气孔的材料，下同）转换成含有大量空气的多孔材料，那么根据介电常数的加和效应，必然会大大降低该种材料的介电常数。因此为了获得超低的介电常数值，多孔电介质材料逐步受到人们的重视。

由于硅基材料脆性大，在柔性电子材料中无法应用，有机高分子材料的推广应用潜力更大。目前研究较多的多孔高分子介质材料主要有：多孔聚酰亚胺、多孔SiCOH材料（由Si、C、O等元素组成的一类材料的总称）和多孔含氟聚合物等。其中聚酰亚胺（PI）具有优异的耐热性、良好的机械性能、稳定的化学性能、优良的介电性能、无毒、耐辐照等性能，而且制备工艺相对简单，综合性能优良，正受到越来越多的重视。

制备低介电常数聚酰亚胺薄膜的方法有多种，包括：

一、引入含氟基团或以氟取代氢合成低介电常数聚酰亚胺：即利用含氟二酐和二胺反应生成预聚物（聚酰胺酸或聚酰胺酯），再通过化学亚胺化或热处理得到含氟聚酰亚胺。目前研究最多的是部分氟代聚酰亚胺，因为全氟代聚酰亚胺单体种类较少，毒性较大，且很难合成，成本很高。

二、含芴基团的低介电常数聚酰亚胺：由于芴基具有庞大的自由体积及稠环结构，使得含芴基的聚酰亚胺具有较好的溶解性能、热氧化稳定性能、机械性能、低介电常数与介电损耗等。广泛应用在微电子、分离膜及先进显示屏等高新技术产业。

三、聚酰亚胺／二氧化硅复合材料：将SiO₂前驱体与水的混合溶液加入到聚酰胺酸溶液中搅拌，得到SiO₂和聚酰胺酸的混合溶液，再通过适当的方法制膜。最后，经过亚胺化热处理制得聚酰亚胺和纳米SiO₂复合材料。

四、纳孔化低介电常数聚酰亚胺：如上文所述，利用空气的低介电常数（接近1），在聚酰亚胺薄膜材料中引入纳米级的孔洞，可以有效的降低材料的介电常数。

显然，在制备低介电常数聚酰亚胺薄膜的四种方法中，以第四种即纳孔化最为简单易行，适用范围最广。借鉴其他领域纳孔材料的制备方法，可通过二次沉积法、溶胶凝胶法、热分解法、超临界发泡法等手段在聚酰亚胺薄膜中构建纳孔结构。但所得纳孔孔径往往分布较宽（均匀性差），使得材料的应用性能变差。如在微电子领域，含有大量孔径不均匀纳孔结构的聚酰亚胺薄膜往往耐电击穿性能很差，而此性能显然是电介质材料的重要性能之一。有鉴于此，需要提供新方法在聚酰亚胺薄膜中构建均匀的纳孔结构，并进而制备出具有超低介电常数的聚酰亚胺薄膜。

申请人在先的专利申请，申请号为201310176864.4公开了一种自带模板剂的单分散型纳米致孔剂的制备方法，在单体中加入一定比例的表面活性剂、无机盐及助表面活性剂，再一起加入到一定量的蒸馏水中，搅拌、乳化、静止得到水包油型微乳液，在该微乳液中加入一定浓度的水溶性引发剂单体，通N₂保护、机械搅拌、升温，进行聚合反应一定时间后，在体系中滴加碱液，调节pH值为8~10，得到具有一定亲水亲油平衡值的、粒径分布为单分散的、尺寸范围在20~500nm的纳孔材料制备专用致孔剂。所得致孔剂粒径大小均一，呈单分散性分布，可赋予以该致孔剂制备所得纳孔材料均一的孔洞/孔穴。

发明内容

本发明旨在提供一种具有超低介电常数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法，本发明目的是通过在聚酰亚胺薄膜中构建纳孔结构的手段来实现的。所含纳孔结构中含有空气，空气体积占到全部薄膜体积的10%~40%，从而可大幅度降低本体聚酰亚胺薄膜的介电常数。其次，该种纳孔结构尺寸均一，在电场中可使外加场强均匀化分布，不容易出现电压集中于某点的现象，从而可有效消除纳孔结构对薄膜材料击穿电压的劣化，大大增加了该类材料的使用范围。

为实现本发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜，其特征在于：在聚酰亚胺薄膜的基体中含有若干纳米级孔径均一的、含有空气的孔洞，孔径为40~60nm；随化学成份不同，以水作为参考密度，相对密度为0.89~1.22；空气中的长期使用温度为250~320℃；介电常数为1.92~3.36，与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比，介电常数下降了16%~36%。

所述超低介电常数聚酰亚胺薄膜物理性能指标：耐热性：随化学成份的不同玻璃化温度为266~500℃，与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比，玻璃化温度下降了4.5%~5.5%；击穿电压：随化学成份的不同击穿电压为100~190kV/mm，与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比，击穿电压下降了4%~5%。

本发明还提供了一种上述超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，该薄膜以二酐类和二氨类物质为前驱体，反应得到中间体聚酰胺酸，加入有机胺类物质，将聚酰胺酸转化为聚酰胺盐，加入致孔剂搅拌均匀，制膜，升温除去致孔剂，制备获得超低介电常数聚酰亚胺薄膜，该薄膜含大量空气孔，孔径约为40~60nm，介电常数相较同成份的无孔聚酰亚胺薄膜下降了16%~36%。

本发明超低介电常数聚酰亚胺薄膜制备方法的具体步骤为：

（1）选择适当的前驱体原料（二酐类和二氨类物质）及相应溶剂，按一定比例投入反应器中混合、搅匀，控制温度反应一定时间得到中间体聚酰胺酸；

（2）在中间体聚酰胺酸中加入有机胺类物质，将聚酰胺酸转化成亲水性更好的聚酰胺盐，并用丙酮提取该盐，真空干燥，之后将该盐溶解在水中制成溶液；

（3）在该聚酰胺盐的溶液中加入纯化后的单分散的自带模板剂的致孔剂的水分散体，搅拌均匀；

（4）将含有致孔剂的溶液用旋涂法或流延法等方法在基体上制膜，通过真空干燥的方法除去水分，并可在已有薄膜的基体上继续旋涂或流延法制膜，之后真空干燥，两个步骤（制膜、干燥）反复进行，可制备具有不同厚度的薄膜；

（5）将适当厚度的含有致孔剂的聚酰胺盐薄膜置于烘箱中，以一定速率升温，并在一定温度下保温一定时间，使致孔剂分解脱除，同时完成聚酰胺的亚胺化，得到含有一定纳孔结构的聚酰亚胺薄膜，其具有超低的介电常数和较好的电击穿性能。

进一步地，所述二酐类物质为均苯四甲酸二酐、联苯四甲酸二酐、单醚四酸二酐、三苯双醚四甲酸二酐、联苯醚二酐、苝-3,4,9,10-四羧酸二酐、乙二胺四乙酸二酐、双[4-（3,4-二羧基苯氧基）苯基]丙烷二酐、二甲酮四甲酸二酐其中一种；所述二氨类物质为4,4-二氨基二苯醚、2,2-双[4-（4-氨基苯氧基）苯基]丙烷、3,3’,5,5’-四甲基-4,4’-二氨基二苯甲烷，2,5-二（4-氨基苯）嘧啶其中一种；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺；所述有机胺类物质为三乙胺、二乙胺、异丙胺、叔丁胺、β-苯乙胺其中一种。

优选地，所述前驱体原料中二酐类物质与二氨类物质的摩尔量比为1:0.9~1.1；所述有机胺类物质与二酐类物质的摩尔量比为1:1.8~3.2。

优选地，所述前驱体在相应溶剂中的反应温度为10~40℃，反应时间为5h~24h。

优选地，所述基体材料材质为玻璃或者金属。

优选地，所述真空干燥时温度为40℃，真空度为-0.03~-0.05MPa；所述亚胺化时升温速率为5~30℃/min，保温温度为300~350℃，保温时间为10min~60min。

进一步地，自带模板剂的致孔剂由苯乙烯和油酸的混合溶液的微乳液聚合制备，粒径50nm，呈单分散分布，使用前用透析法纯化，所用透析袋截留分子量为8000-14000；透析时用蒸馏水作为外相透析液体，蒸馏水体积为内相的15倍，每12h更换一次外相；每次更换外相前测量其电导率，当电导率趋于稳定时停止透析，内相用作致孔剂。

所述自带模板剂的致孔剂制备详细参见申请人在先的另一项专利申请，申请号为201310176864.4公开了一种自带模板剂的单分散型纳米致孔剂的制备方法。

本发明通过制备薄膜时加入致孔剂，可大大降低聚酰亚胺薄膜的介电常数，且其电击穿性能下降不明显。与本体型聚酰亚胺薄膜（无孔洞）相比，通过不同比例致孔剂的加入，薄膜的介电常数可降低16%~36%，而其击穿电压可达本体型PI薄膜的95%以上；本发明薄膜的耐热性好，5%热失重率对应的温度为512℃，与此相较而本体型PI薄膜该温度为556℃，多孔结构的构建使得薄膜耐热性仅下降小于8%；同样，与本体型PI薄膜相比，本发明薄膜的玻璃化温度Tg仅下降小于5.5%；本发明薄膜耐击穿性能好，与本体型PI薄膜相比，耐电击穿性能仅下降小于5%。因此，本发明能够广泛运用于电路电子工业制造技术领域。

附图说明

图1为本体型聚酰亚胺薄膜（不含空气孔洞）断面的SEM照片。

图2为含大量空气孔的聚酰亚胺薄膜断面的SEM照片，孔径约为50nm，介电常数较无孔薄膜下降了36%。

具体实施方式

实施例1

在500mL的烧杯中加入100g的N,N-二甲基甲酰胺，15g的 4,4-二氨基二苯醚和16.5g 均苯四甲酸二酐搅拌、溶解；在20 ℃搅拌下反应12h；加入3.8g三乙胺，继续搅拌30min。在反应物料体系中加入200g丙酮，在溶液下部析出白色沉淀，过滤该沉淀，然后在40℃，真空度为-0.03~-0.05MPa的条件下干燥得到白色粉末。取该白色粉末10g，溶解在30g 蒸馏水中，加入1 g经纯化后的、自带模板剂的致孔剂，搅拌均匀，得到水分散体。用滴管吸取该分散体于玻璃片上，旋涂制膜，在40℃，真空度为-0.03~-0.05MPa的条件下真空干燥、除去水分；并在已干燥的玻璃片上再滴加分散体，继续旋涂、真空干燥，重复这两个步骤（制膜、干燥）15次。将具有一定厚度的含有致孔剂的聚酰胺盐薄膜置于烘箱中，以10℃/min的速率升温到310℃并在该温度下保持30min，使致孔剂分解脱除，同时完成聚酰胺的亚胺化，得到含有一定纳孔结构的聚酰亚胺薄膜，其介电常数从无孔薄膜的3.0降低到了1.92，相对降低了36%。其在空气中的长期使用温度可达270℃。其5%热失重率对应的温度从556℃变化为512℃，玻璃化温度由380℃降低到370℃，击穿电压由165kV/mm降低到157kV/mm。可见由于空气孔的引入，薄膜的介电常数有了显著的下降，而空气孔对其耐热性和击穿电压的影响均不大。

自带模板剂的致孔剂由苯乙烯和油酸的混合溶液的微乳液聚合制备，粒径70nm，呈单分散分布（参见申请号为201310176864.4的公开发明）。使用前用透析法纯化。所用透析袋截留分子量为8000-14000。透析时用蒸馏水作为外相透析液体，蒸馏水体积为内相的15倍，每12h更换一次外相。每次更换外相前测量其电导率，当电导率趋于稳定时停止透析，内相烘干后的白色粉末用作致孔剂。

实施例2

在500mL的烧杯中加入150g N,N-二甲基乙酰胺，15g 2,5-二（4-氨基苯）嘧啶和44 g 联苯醚二酐搅拌、溶解；在30 ℃下反应10 h；加入5.2 g 二乙胺，继续搅拌30min。在反应物料体系中加入300g丙酮，在溶液下部析出白色沉淀，过滤该沉淀，然后在40℃，真空度为-0.03~-0.05MPa的条件下干燥得到白色粉末。取该白色粉末10g，溶解在30g 蒸馏水中，加入0.3 g经纯化后的、自带模板剂的致孔剂，搅拌均匀，得到水分散体。用滴管吸取该分散体于玻璃片上，旋涂制膜，在40℃，真空度为-0.03~-0.05MPa的条件下真空干燥、除去水分；并在已干燥的玻璃片上再滴加分散体，继续旋涂、真空干燥，重复这两个步骤（制膜、干燥）15次。将具有一定厚度的含有致孔剂的聚酰胺盐薄膜置于烘箱中，以15℃/min的速率升温到330℃并在该温度下保持30min，使致孔剂分解脱除，同时完成聚酰胺的亚胺化，得到含有一定纳孔结构的聚酰亚胺薄膜，其介电常数从无孔薄膜的3.75降低到了3.15，相对降低了16%。其在空气中的长期使用温度可达300℃。其5%热失重率对应的温度从656℃变化为622℃，玻璃化温度由440℃降低到425℃，击穿电压由172kV/mm降低到164kV/mm。可见由于空气孔的引入，薄膜的介电常数有了显著的下降，而空气孔对其耐热性和击穿电压的影响均不大。

Claims

1.本发明提供了一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜，其特征在于：在聚酰亚胺薄膜的基体中含有若干纳米级孔径均一的、含有空气的孔洞，孔径为40~60nm；随化学成份不同，以水作为参考密度，相对密度为0.89~1.22；空气中的长期使用温度为250~320℃；介电常数为1.92~3.36，与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比，介电常数下降了16%~36%。

2.根据权利要求1所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜，其特征在于：所述超低介电常数聚酰亚胺薄膜物理性能指标：耐热性：随化学成份的不同玻璃化温度为266~500℃，与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比，玻璃化温度下降了5%~6%；击穿电压：随化学成份的不同击穿电压为100~190kV/mm，与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比，击穿电压下降了4.5%~5.5%。

3.本发明还提供了一种上述超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，该薄膜以二酐类和二氨类物质为前驱体，反应得到中间体聚酰胺酸，加入有机胺类物质，将聚酰胺酸转化为聚酰胺盐，加入致孔剂搅拌均匀，制膜，升温除去致孔剂，制备获得超低介电常数聚酰亚胺薄膜，该薄膜含大量空气孔，孔径约为40~60nm，介电常数相较同成份的无孔聚酰亚胺薄膜下降了16%~36%。

4.根据权利要求3所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体步骤为：

5.根据权利要求4所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：所述二酐类物质为均苯四甲酸二酐、联苯四甲酸二酐、单醚四酸二酐、三苯双醚四甲酸二酐、联苯醚二酐、苝-3,4,9,10-四羧酸二酐、乙二胺四乙酸二酐、双[4-（3,4-二羧基苯氧基）苯基]丙烷二酐、二甲酮四甲酸二酐其中一种；所述二氨类物质为4,4-二氨基二苯醚、2,2-双[4-（4-氨基苯氧基）苯基]丙烷、3,3’,5,5’-四甲基-4,4’-二氨基二苯甲烷，2,5-二（4-氨基苯）嘧啶其中一种；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺；所述有机胺类物质为三乙胺、二乙胺、异丙胺、叔丁胺、β-苯乙胺其中一种。

6.根据权利要求3或4所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：所述前驱体原料中二酐类物质与二氨类物质的摩尔量比为1:0.9~1.1；所述有机胺类物质与二酐类物质的摩尔量比为1:1.8~3.2。

7.根据权利要求4所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：所述前驱体在相应溶剂中的反应温度为10~40℃，反应时间为5~24h。

8.根据权利要求4所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：所述基体材料材质为玻璃或者金属。

9.根据权利要求4所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：优选地，所述真空干燥时温度为40℃，真空度为-0.03~-0.05MPa；所述亚胺化时升温速率为5~30℃/min，保温温度为300~350℃，保温时间为10~60min。

10.根据权利要求4所述的一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：所述自带模板剂的致孔剂由苯乙烯和油酸的混合溶液的微乳液聚合制备，粒径50nm，呈单分散分布，使用前用透析法纯化，所用透析袋截留分子量为8000-14000；透析时用蒸馏水作为外相透析液体，蒸馏水体积为内相的15倍，每12h更换一次外相；每次更换外相前测量其电导率，当电导率趋于稳定时停止透析，内相用作致孔剂。