DE19608904A1 - Siliconleiterpolymer und ein Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Siliconleiterpolymer und ein Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft hochgereinigte Siliconleiterpolymere mit
hohem Molekulargewicht, die Wasserstoffatome in der Seitenkette
haben, ein Silicohleiterpräpolymer und ein Verfahren zu deren
Herstellung. Die Siliconleiterpolymere nach der Erfindung kön
nen vorteilhafterweise als Material zur Herstellung von Schutz
filmen, Zwischenschichtisolationsfilmen, z. B. in Halbleitern
und anderen elektronischen Geräten, verwendet werden.
Durch die einheitliche Molekülstruktur zeichnet sich ein Sili
conleiterpolymer durch Hitzebeständigkeit, elektrische Isola
tionseigenschaften und chemische Beständigkeit aus. Normaler
weise werden sie z. B. als Material zur Herstellung von Schutz
filmen und Zwischenschichtisolationsfilmen in elektrischen
Teilen oder Halbleitergeräten eingesetzt.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung solcher konventionellen
Siliconleiterpolymeren ist z. B. beschrieben in JP (Kokai) Nr.
124943/85. Bei diesem Verfahren werden Triethoxysilane in einem
organischen Lösungsmittel hydrolisiert und unter reduziertem
Druck polymerisiert. Das Ende davon ist mit Dimethylchlorsilan
modifiziert. Das Endprodukt wird dann mit einem organischen
Lösungsmittel gereinigt, um ein Siliconleiterpolymer zu erhal
ten.
Dieses bekannte Verfahren zur Herstellung der Siliconleiterpo
lymere hat den Nachteil, daß die erhaltenen Siliconleiterpoly
mere einen großen Anteil an Verunreinigungen oder Nebenproduk
ten enthalten. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Reini
gung nach der Modifizierung des Endes nicht ausreichend ist und
die Reaktion nach der Hydrolyse unter Bedingungen durchgeführt
wird, bei denen Verunreinigungen oder Nebenprodukte nur schwer
entfernt werden können, z. B. bei einer hohen Temperatur von
35°C. Ein weiteres Problem ist, daß die Bildung von dicken
Filmen schwierig ist, da das Molekulargewicht der erhaltenen
Siliconleiterpolymere niedrig ist wie 100000 oder weniger.
Ein Ziel der Erfindung ist es, hochgereinigte Siliconleiterpo
lymere mit einem hohen Molekulargewicht zur Verfügung zu stel
len. Ein weiteres Ziel ist es, hochgereinigte Siliconleiter
präpolymere zur Verwendung bei der Herstellung der Siliconlei
terpolymere zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Ziel ist es,
ein Verfahren zur Herstellung von hochgereinigten Siliconlei
terpräpolymeren zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Ziel ist
es, ein Verfahren zur Herstellung von hochgereinigten Silicon
leiterpolymeren mit hohem Molekulargewicht zur Verfügung zu
stellen.
Ein Siliconleiterpolymer nach einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß es 1 ppm oder
weniger an Natrium, Kalium, Eisen, Kupfer, Blei, Magnesium,
Mangan und Chlor enthält und 1 ppb oder weniger an Uran und
Thorium und durch die allgemeine Formel (1) repräsentiert ist,
worin R₁ ein Wasserstoffatom, eine niedere Alkylgruppe, eine
Alkenylgruppe, welche substituiert sein kann oder eine Aryl
gruppe bedeutet; R₂, R₃ und R₄ ein Wasserstoffatom oder eine
niedere Alkylgruppe bedeutet und n₁ eine natürliche Zahl von
600 bis 10000 ist.
Ein Siliconleiterpräpolymer in einer bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß es 1 ppm
oder weniger an Natrium, Kalium, Eisen, Kupfer, Blei, Magnesi
um, Mangan und Chlor enthält und 1 ppb oder weniger an Uran und
Thorium und durch die allgemeine Formel (2) repräsentiert ist,
worin R₁ ein Wasserstoffatom, eine niedere Alkylgruppe, eine
Alkenylgruppe, welche substituiert sein kann oder eine Aryl
gruppe bedeutet; R₂, R₃, R₄ und R₅ ein Wasserstoffatom oder eine
niedere Alkylgruppe bedeutet; und n₂ eine natürliche Zahl von
5 bis 600 ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung
des Siliconleiterpräpolymers ist gekennzeichnet durch:
Lösen einer Trialkoxysilanverbindung der Formel (3)
Lösen einer Trialkoxysilanverbindung der Formel (3)
HSiOR₆OR₇OR₈
worin R₆, R₇, R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeuten oder diese
Verbindung und eine Trialkoxysilanverbindung der Formel (4)
R₉SiOr₆OR₇OR₈
worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine Alkenylgruppe, welche
substituiert sein kann, oder eine Arylgruppe bedeuten und R₆, R₇
und R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeuten, in einem organischen
Lösungsmittel, um eine Lösung herzustellen;
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser, enthaltend Chlorwasserstoff unter Kühlung, um ein Hydrolysat herzustellen; und
Waschen des Hydrolysats mit ultrareinem Wasser.
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser, enthaltend Chlorwasserstoff unter Kühlung, um ein Hydrolysat herzustellen; und
Waschen des Hydrolysats mit ultrareinem Wasser.
Ein Verfahren zur Herstellung des Siliconleiterpräpolymers ist
charakterisiert durch:
Lösen einer Trichlorsilanverbindung der Formel (5)
Lösen einer Trichlorsilanverbindung der Formel (5)
HSiCl₃
oder diese Verbindung und eine Trichlorsilanverbindung der
Formel (6)
R₉SiOCl₃
worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine Alkenylgruppe, welche
substituiert sein kann oder eine Arylgruppe bedeuten, in einem
organischen Lösungsmittel zur Herstellung einer Lösung;
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser unter Kühlung zur Herstellung eines Hydrolysates; und
Waschen des Hydrolysates mit ultrareinem Wasser.
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser unter Kühlung zur Herstellung eines Hydrolysates; und
Waschen des Hydrolysates mit ultrareinem Wasser.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliconleiterpräpolymers
nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist cha
rakterisiert dadurch, daß die Trialkoxysilanverbindung der
Formel (3), oder die Trialkoxysilanverbindung der Formel (3)
und die Trialkoxysilanverbindung der Formel (4) in ein Lösungs
mittel in einer Weise gelöst werden, daß eine Konzentration des
Siliconleiterpräpolymers in der Lösung von 0,01 bis 0,3 g/ml
erhalten werden kann.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliconleiterpräpolymers
nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist cha
rakterisiert dadurch, daß Trichlorsilanverbindungen der Formel
(5), oder Trichlorsilanverbindungen der Formel (5) und die
Trichlorsilanverbindung der Formel (6) in ein Lösungsmittel in
einer Weise gelöst werden, daß eine Konzentration des Silicon
leiterpräpolymers in der Lösung von 0,01 bis 0,3 g/ml erhalten
werden kann.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliconleiterpräpolymers
nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist da
durch charakterisiert, daß eine Reaktionstemperatur bei der
Hydrolyse im Bereich von -30°C bis +30°C eingehalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung des Siliconleiterpräpolymers nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist charakteri
siert durch:
Hinzufügen eines nukleophilen Reagenzes zu einer organischen Lösung der Siliconleiterpräpolymerlösung, um eine dehydratitive Kondensation zu initiieren, um ein Produkt von hohem Moleku largewicht zu erhalten, und Reinigung des Produktes durch eine Lösungs/Ausfällungsmethode.
Hinzufügen eines nukleophilen Reagenzes zu einer organischen Lösung der Siliconleiterpräpolymerlösung, um eine dehydratitive Kondensation zu initiieren, um ein Produkt von hohem Moleku largewicht zu erhalten, und Reinigung des Produktes durch eine Lösungs/Ausfällungsmethode.
Zuerst sollen die Ausgangsverbindungen erklärt werden.
Im ersten Verfahren zur Herstellung eines Siliconleiterpräpoly
mers wird eine Trialkoxysilanverbindung der Formel (3), HSiOR₆-
OR₇OR₈, worin R₆, R₇ und R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeutet;
und eine Trialkoxysilanverbindung der Formel (4), R₉SiOR₆OR₇OR₈,
worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine Alkenylgruppe, welche
substituiert sein kann oder eine Arylgruppe bedeutet, und R₆, R₇
und R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeuten, als Ausgangsverbin
dungen eingesetzt. Es ist wünschenswert, Trialkoxysilanverbin
dungen einzusetzen, welche bereits-durch Destillation in einem
Stickstoffstrom unter reduziertem Druck gereinigt sind. Diese
Start-Trialkoxysilanverbindungen haben eine niedere Reaktivität
mit Feuchtigkeit und verändern sich wahrscheinlich beim Stehen
in der Atmosphäre nicht. Sie sind auch dadurch charakterisiert,
daß sie eine geringe Wahrscheinlichkeit für Hydrolyse und Poly
kondensation zeigen.
Beispiele für Trialkoxysilanverbindung der Formel (3),
HSiO₆OR₇OR₈, worin R₆, R₇ und R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeu
ten, jedoch hierauf nicht beschränkt, sind Trimethoxysilane,
Triethoxysilane und Tripropoxysilane.
Beispiele für Triaikylsilanverbindung der Formel (4),
HSiO₆OR₇OR₈, worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine Alkenyl
gruppe, welche substituiert sein kann oder eine Arylgruppe
bedeutet, und R₆, R₇ und R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeuten,
jedoch hierauf nicht beschränkt, sind Phenyltrimethoxysilane,
2-Phenylvinyltrimethoxysilane, 2-Phenylvinyltriethoxysilane,
2-Phenylvinyltripropoxysilane, 3-Phenylallyltrimethoxysilane,
3-Phenylallyltriethoxysilane, 3-Phenylallyltripropoxysilane,
Vinyltrimethoxysilane, Vinyltriethoxysilane, Vinyltripropox
ysilane, Allyltrimethoxysilane, Allyltriethoxysilane, Allyl
tripropoxysilane, Methyltrimethoxysilane, Methyltriethoxysila
ne, Methyltripropoxysilane, Ethyltrimethoxysilane, Ethyltri
propoxysilane, n-Propyltrimethoxysilane, n-Propyltriethoxysila
ne und n-Propyltripropoxysilane.
Im zweiten Verfahren zur Herstellung eines Siliconleiterpräpo
lymers werden als Ausgangsverbindungen Trichlorsilanverbindun
gen der Formel (5), HSiCl₃, und Trichlorsilanverbindungen der
Formel (6), R₉SiCl₃, worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine
Alkenylgruppe, welche substituiert sein kann oder eine Aryl
gruppe bedeutet, verwendet. Es ist wünschenswert, Trichlorsi
lanverbindungen zu verwenden, welche in einem Stickstoffstrom
unter reduziertem Druck gereinigt sind. Die gereinigten Tri
chlorsilanverbindungen hydrolisieren sofort in Gegenwart von
Luftfeuchtigkeit. Dadurch bildet sich Chlorwasserstoff, um
Silicium zu bilden. Folglich ist es erforderlich, die Trichlor
silanverbindungen mit Vorsicht zu handhaben und einen Kontakt
mit Feuchtigkeit enthaltender Luft zu vermeiden.
Nachfolgend sollen die Reaktionsbedingungen erläutert werden.
Beim ersten Schritt wird eine Trialkoxysilanverbindung der
Formel (3), eine Trialkoxysilanverbindung der Formel (3) und
eine Trialkoxysilanverbindung der Formel (4); eine Trichlorsi
lanverbindung der Formel (5); oder eine Trichlorsilanverbindung
der Formel (5) und eine Trichlorsilanverbindung der Formel (6)
in einem organischen Lösungsmittel gelöst, um eine Lösung zu
bilden. Die Konzentration davon in der Lösung wird bevorzugt in
einer solchen Weise geregelt, daß die Konzentration des in der
organischen Lösung erhaltenen Siliconleiterpräpolymers in einem
Bereich von 0,01 bis 0,3 g/ml liegt. Wenn die Konzentration des
Siliconleiterpräpolymers kleiner als 0,01 g/ml ist, ist die
Rate der Polymerisationsreaktion sehr langsam und das Moleku
largewicht der erhaltenen Präpolymere ist niedrig. Folglich
enthält die organische Lösung nach Abschrecken der Reaktion ein
Hydrolysat, das nicht sofort in eine organische Schicht und
eine wäßrige Schicht separiert. Wenn die Konzentration des
Präpolymers 0,3 g/ml überschreitet, wird die während der Hydro
lyse gebildete Wärme nicht vollständig abgeführt. Folglich
tritt eine partielle Änderung der Polymerisationsrate ein,
wobei irreguläre Strukturen in das Präpolymer eingeführt werden
können.
Als organische Lösungsmittel, in welche die Trialkoxysilanver
bindungen oder Trichlorsilanverbindungen gelöst sind, werden
nichtwäßrige organische Lösungsmittel benutzt, welche fähig
sind, Hydrolysate zu lösen. Spezielle Beispiele von solchen
organischen Lösungsmitteln fließen Ketone, wie Methylisobutyl
keton und Methylethylketon, Ether, wie Diethylether und Iso
propylether, und aromatische Hydrocarbone, wie Xylol, Toluol
und Benzol, ein. Unter diesen Lösungsmitteln sind electronic
grade (EL grade) Chemikalien von hoher Reinheit bevorzugt, die
einzeln oder in Mischung benutzt werden können.
In der ersten Verfahrensstufe wird ultrareines Wasser, enthal
tend Chlorwasserstoffe zur organischen Lösung, in welcher die
Trialkoxysilanverbindungen der Formeln (3) und (4) gelöst sind,
unter Kühlung tropfenweise zugegeben. Als ultrareines Wasser
wird reines Wasser benutzt, welches von Verunreinigungen so gut
wie möglich befreit ist und welches eine spezifische Leitfähig
keit von 16 MΩxcm oder mehr hat. Das ultrareine Wasser, welches
Chlorwasserstoffe enthält, ist ein ultrareines Wassers, welches
0,02 bis 0,23 Mol Chlorwasserstoff (EL grade) pro Mol einer
Mischung der Ausgangsverbindungen, repräsentiert durch die For
meln (3) und (4), enthält. Wenn die Konzentration der Chlorwas
serstoffe kleiner als 0,02 Mol ist, können die Chlorwasserstof
fe nicht in befriedigender Weise als Katalysator dienen, so daß
die Reaktion zu langsam ist. Wenn die Konzentration über 0,23
Mol steigt, ist es für den Katalysator nicht nur unmöglich,
einen vom Betrag gleichgroßen beabsichtigten Effekt zu errei
chen, sondern es besteht die Tendenz, den Fortgang der Reaktion
zu erschweren.
Im zweiten Verfahren wird ultrareines Wasser zu einer organi
schen Lösung, in welcher Trichlorsilanverbindungen der Formeln
(5) und (6) gelöst sind, unter Kühlung tropfenweise zugefügt.
Das ultrareine Wasser kann, muß aber nicht, Chlorwasserstoff
enthalten. Das ultrareine Wasser wird bevorzugt zugegeben mit
einer Menge von 0,5 bis 2 Mol pro Mol der Ausgangsverbindungen.
Beim ersten und zweiten Verfahren wird die Temperatur der Lö
sung bevorzugt im Bereich von -30°C bis +30°C, besonders bevor
zugt zwischen -20°C und 25°C, gehalten, wenn die organische
Lösung gekühlt wird. Wenn die Temperatur niedriger als -30°C
ist, verfestigt das zugefügte ultrareine Wasser und verhindert
den selektiven Fortschritt der Hydrolyse. Wenn die Temperatur
höher als 30°C ist, ist die Verdampfung der zugeführten Chlor
wasserstoffe beschleunigt, und die Hydrolyse geht nicht schnell
genug weiter. Wenn die tropfenweise Zugabe des ultrareinen
Wassers beendet ist, wird bevorzugt zusätzlich 2 bis 5 Stunden
weiter gerührt, um die hydrolytische Reaktion zu Ende zu brin
gen.
Nach dem Ende der Reaktion ist die Reaktionslösung in zwei
Schichten separiert, einer organischen Lösungsmittelschicht und
einer wäßrigen Schicht.
Als nächstes wird die untere wäßrige Schicht durch geeignete
Vorrichtungen wie z. B. einem Scheidetrichter abgetrennt und die
organische Lösungsmittelschicht, die das Siliconleiterpräpoly
mer enthält, zurückgewonnen. Die zurückgewonnene organische
Lösungsmittelschicht wird dann mit ultrareinem Wasser gewa
schen. Die Waschung mit ultrareinem Wasser bei der Erfindung
kann durch verschiedene bekannte Methoden ausgeführt werden.
Beispielsweise kann so vorgegangen werden, daß die organische
Lösungsmittelschicht mit einem gleichen Volumen des vorstehend
beschriebenen ultrareinem Wassers gemischt wird, daß dann diese
Mischung gerührt und geschüttelt wird und danach die organische
Schicht zurückgewonnen wird. Wenn diese Prozedur drei- oder
mehrmals wiederholt wird, können nicht nur Natrium- und Kaliu
mionen, sondern auch Chloridionen, welche in großen Mengen
vorkommen, schnell aus dem Siliconleiterpräpolymer entfernt
werden. Es scheint so, daß diese Verunreinigungen entfernt
werden können, solange das Präpolymer eine Leiterstruktur hat,
welche als substantielle Barriere gegen eingeschlossene Ver
unreinigungen im Molekül dienen. Weiterhin ist das Molekularge
wicht von diesem Präpolymer niedrig, und es kann deshalb nicht
durch gewöhnliche Fällungsmethoden mit einem geeigneten Lö
sungsmittel zurückgewonnen werden. Deshalb wird das Präpolymer
bevorzugt durch Destillation des Lösungsmittels bis zu einer
befriedigenden Trockenheit als Puder wiedergewonnen.
Wenn in der vorstehend beschriebenen Weise vorgegangen wird,
wird ein Siliconleiterpräpolymer der allgemeinen Formel (2)
erhalten, welches 1 ppm oder weniger an Natrium, Kalium, Eisen,
Kupfer, Blei, Magnesium, Mangan und Chlor enthält und 1 ppb
oder weniger an Uran und Thorium und dessen Polymerisationsgrad
(n) 5 bis 600 ist.
Die organische Lösung, enthaltend das Siliconleiterpräpolymer
oder in dem Fall, wenn das Siliconleiterpräpolymer als Puder
gewonnen wurde, die durch Lösen erhaltene Lösung des Silicon
leiterpräpolymers in einem organischen Lösungsmittel, wird
überführt z. B. in einen Quarzglaskolben, ausgestattet mit einem
Teflon-Rührstab, einem Rückflußkühler und einer Dean-Stark-
Kühlfalle. Als nächstes wird ein nukleophiles Reagenz in den
Kolben zugegeben, und die Mischung wird erhitzt, um die dehy
dratitive Kondensation zu initiieren. Das erhaltene Produkt mit
einem erhöhten Molekulargewicht wird gereinigt durch eine Lö
sungs-/Fällungsmethode, um ein hochgereinigtes Siliconleiter
polymer mit einem Polymerisationsgrad (n) von 600 bis 10000,
repräsentiert durch die Formel (1), zu erhalten.
Als organische Lösungsmittel werden nichtwäßrige organische
Lösungsmittel mit der Fähigkeit zur Lösung des gepuderten Prä
polymers benutzt. Spezielle Beispiele für solche organische
Lösungsmittel sind: Ketone wie Methylisobutylketon und Methy
lethylketon, Ether wie Diethylether und Isopropylether, und
aromatische Kohlenwasserstoffe wie Xylol, Toluol und Benzol.
Unter diesen Lösungsmitteln sind electronic grade Chemikalien
(EL grade) von hoher Reinheit bevorzugt, und es ist weiterhin
bevorzugt, diese einzeln oder in Mischung zu verwenden.
Beispiele für nukleophile Reagenzien sind Hydroxide von Elemen
ten, wie Kalium, Natrium und Cäsium. Bevorzugt werden beispiel
haft EL grade Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid verwendet. Das
nukleophile Reagenz wird bevorzugt in einer Menge von 0,01 bis
5 Gew.%, besonders bevorzugt von 0,05 bis 3 Gew.%, zum Silicon
leiterpräpolymer zugesetzt. Wenn weniger als 0,01 Gew.% des
nukleophilen Reagenzes verwendet werden, wird die katalytische
Aktivität reduziert, was zu einer verminderten Reaktionsrate
einschließlich des Siliconleiterpräpolymers führt. Wenn mehr
als 5 Gew.% des nukleophilen Reagenzes eingesetzt werden,
schreitet die Dissoziation der Siloxanbindung, die vorzugsweise
durch die Anwesenheit des nukleophilen Reagenzes ausgelöst
wird, fort, so daß eine Reduktion der Polymerisation eintritt.
Dann wird das Siliconleiterpräpolymer einer dehydratitiven
Kondensation unter Erhitzung in dem organischen Lösungsmittel,
zu welcher das nukleophile Reagenz zugetropft wurde, unterwor
fen. Die Erhitzungszeit beträgt bevorzugt mindestens eine Stun
de. Wenn die Erhitzungszeit kleiner als eine Stunde ist,
schreitet die Reaktion nicht fort.
Als ein Ergebnis der dehydratitiven Kondensation kann ein Sili
conleiterpolymer mit einem Polymerisationsgrad (n) von 600 bis
10000, repräsentiert-durch die Formel (1), erhalten werden. Der
Polymerisationsgrad in diesem Polymer kann durch die Auswahl
der Art und der Menge des Lösungsmittels und des Katalysators
und der Zeit für die Kondensationsreaktion reguliert werden.
Wenn das so hergestellte Siliconleiterpolymer einen geringen
Anteil von nukleophilen Reagenzien als eine Verunreinigung
enthält, kann das Polymer nachträglich durch eine Lösungs/Fäl
lungsmethode gereinigt werden. Die Bezeichnung
"Lösungs/Fällungsmethode", wie sie hier benutzt wird, bedeutet
eine Methode zur Reinigung, bei welcher eine Verunreinigung
enthaltende Substanz in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst
wird und die erhaltene Lösung nach und nach in Tropfen zu einem
Fällungslösungsmittel zugetropft wird, um eine Wiederausfällung
zu erreichen. Bei der Erfindung kann vorteilhafterweise ein
Etherbase-Lösungsmittel als geeignetes Lösungsmittel eingesetzt
werden. Ein typisches Beispiel für ein solches Lösungsmittel
ist Tetrahydrofuran. Es ist bevorzugt, ein Lösungsmittel zu
benutzen, das schon destilliert wurde, gefolgt von einer Fil
tration durch einen Filter mit einer Porengröße von 0,5 µm. Bei
der Erfindung können vorteilhafterweise als Fällungslösungs
mittel alkoholische Lösungsmittel verwendet werden. Ein typi
sches Beispiel für ein Fällungslösungsmittel ist Methylalkohol.
Es ist wünschenswert, hochgereinigte Fällungslösungsmittel von
EL-grade zu verwenden.
Das geeignete Lösungsmittel wird der Reaktionslösung, enthal
tend die Siliconleiterpolymere, in einem Betrag zugegeben, daß
die Konzentration des Polymers in einem Bereich von 2 bis 15
Gew.% ist. Wenn die Konzentration des Polymers kleiner als 2
Gew.% ist, kann das,Polymer nicht sofort wieder ausgefällt
werden, und eine Reinigung wird schwierig. Oberhalb 15 Gew.%
ist die Konzentration des Polymers so hoch, daß die Chance des
nukleophilen Reagenzes, zwischen den Molekülen des Polymers
aufgefangen zu werden, steigen, wodurch eine Reinigung des
Polymers durch Wiederausfällung erschwert wird.
Die Reaktionslösung, enthaltend das Siliconleiterpolymer, zu
welcher das geeignete Lösungsmittel zugefügt wird, wird in
Tropfen zum Fällungslösungsmittel zugegeben. Zu dieser Zeit ist
das Volumen des Fällungslösungsmittel bevorzugt das 5- bis
20fache des Volumens der Reaktionslösung. Wenn das Volumen des
Fällungslösungsmittels weniger als 5× dem Volumen der Reak
tionslösung ist, ist es schwierig, verunreinigte Ionen zu ent
fernen. Wenn das Volumen des Lösungsmittels das 20fache des
Volumens der Reaktionslösung überschreitet, ist das Lösungs
mittel einfach ausgezehrt. Das geeignete Lösungsmittel wird
nach und nach in Tropfen zugefügt, um eine effiziente Entfer
nung der verunreinigten Ionen zu erreichen.
Das Siliconleiterpolymer, das auf diese Weise durch Zugabe des
Fällungslösungsmittels als Fällungsprodukt wiedergewonnen wird,
wird weiter gelöst in den geeigneten Lösungsmitteln und dann
tropfenweise dem Fällungslösungsmittel, wie oben erwähnt, zuge
tropft. Als Ergebnis hiervon wird das Polymer wieder als Nie
derschlag zurückgewonnen. Wenn diese Vorgehensweise der Reini
gung 3 bis 5mal wiederholt wird, ist der Gehalt an nukleophilem
Reagenz auf 1 ppm oder weniger reduziert.
Wenn dann so erhaltene Siliconleiterpolymere analysiert werden
durch Infrarotspektroskopie, werden Absorptionspeaks bei 1135
cm-1 und 1045 cm-1 beobachtet. Diese Peaks können der asymmetri
schen Dehnungsschwingung der Si-O-Si-Bindung zugeordnet werden,
welche zeigt, daß das Polymer eine Leiterstruktur hat. Es ist
eshalb nachgewiesen, daß dieses Polymer ein Siliconleiterpoly
mer ist.
Das durchschnittliche Molekulargewicht dieses Siliconleiterpo
lymers ist 100000 und mehr.
Demgemäß kann ein hochgereinigtes Siliconleiterpolymer von
hohem Molekulargewicht hergestellt werden, welches ein 1 ppm
oder weniger an Kaliumnatrium, Eisen, Kupfer, Blei, Magnesium,
Mangan und Chlor enthält, und 1 ppb oder weniger von Uran und
Thorium, wobei der Polymerisationsgrad (n) 600 bis 10000 ist
und welches durch die Formel (1) repräsentiert ist.
Das Siliconleiterpolymer ist geeignet für Oberflächenschutz
filme, Inter-Levelisolierfilme und dergleichen in Halbleitern,
wodurch die Zuverlässigkeit von Halbleiterelementen gesteigert
wird.
Verschiedene Trialkoxysilanverbindungen des Typs (a) (Formel
(3)) und Trialkoxysilanverbindungen des Typs (b) (Formel (4)),
wie in Tabelle 1 angeführt, werden unter reduziertem Druck in
einem Stickstoffstrom destilliert. Sie werden in einer geeigne
ten Menge eines organischen Lösungsmittels von EL grade, wie in
Tabelle 1 angeführt, gelöst, um eine Lösung herzustellen. Jede
der Lösungen wird in einen 2L-Vierhalskolben ausgestattet mit
einem Tropftrichter, einem Thermometer und einem Rührstab über
führt. Die Lösung wird dann gekühlt auf eine Temperatur (Hy
drolysetemperatur), wie in Tabelle 1 angeführt. Unter Kühlen
und Rühren wird eine geeignete Menge von ultrareinem Wasser,
enthaltend Chlorwasserstoff, wie in Tabelle 1 angeführt, nach
und nach tropfenweise zugegeben. Zu dieser Zeit ist die Hitze
bildung noch nicht kräftig, und die Hinzufügung wird für 1 bis
2 Stunden fortgesetzt. Nach der Zugabe wird die Reaktionsmi
schung für weitere 3 Stunden gerührt, bis die Hydrolysereaktion
beendet ist, wodurch sie ein Siliconleiterpräpolymer bildet.
Diese Präpolymerlösung wird zur Separation in einem Scheidet
richter zur Separation in zwei Phasen überführt. Die untere
wäßrige Schicht wird entfernt, und die organische Schicht,
enthaltend das Siliconleiterpräpolymer, wird zurückgewonnen.
Ultrareines Wasser, dessen Volumen gleich dem der organischen
Schicht ist, wird der organischen Schicht zur Waschung unter
Schütteln hinzugefügt. Dieser Vorgang wird 5mal wiederholt. Das
gewaschene Siliconleiterpräpolymer wird zur Analyse der ver
schiedenen enthaltenen Verunreinigungen durch einen Ionenchro
matographieanalysator (IC-500 von Yokogawa-Hoskushin Electric
Co., Ltd.) analysiert. In jedem der Beispiele 1 bis 7 ist der
Gehalt an Chloridionen im Siliconleiterpräpolymer 1 ppm nach
dem ersten Waschen, und 1 ppm oder weniger nach dem dritten
Waschen. Die Konzentration von Kaliumionen sinkt ebenfalls mit
der Anzahl der steigenden Waschungen. Er war 1 ppm oder weniger
nach der dritten Waschung. Die Gehalte von verschiedenen Ver
unreinigungen im Siliconleiterpräpolymer nach der dritten Wa
schung sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie in Tabelle 2 gezeigt,
enthalten die Siliconleiterpräpolymere als Verunreinigungen
1 ppm oder weniger an Natrium, Kalium, Eisen, Kupfer, Blei,
Magnesium, Mangan und Chlor, und 1 ppb oder weniger an Uran und
Thorium.
Jede Konzentration der Natriumionen, Kaliumionen, Eisenionen,
Kupferionen, Bleiionen, Magnesiumionen und Manganionen wurde
mit einem Atomabsorptionsanalysator (IC-500 von Shimazu Corp.)
analysiert. Die Konzentration der Chlorionen wurde durch einen
Ionenchromatographieanalysator (IC-500 von Yokogawa-Hokushin
Electric Co., Ltd.) analysiert. Jede Konzentration der radio
aktiven Elemente Uran und Thorium wurde mit einem Fluoreszenz
spektrometer (MPF-4 von Hitachi, Ltd.) analysiert. Das durch
schnittliche Molekulargewicht der Siliconleiterpräpolymere nach
den Beispielen 1 bis 7 wurde durch eine Gelpermeationschromato
graphieapparatur (TRI-ROTAR-IV von Hitachi Bunko K.K.) gemes
sen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Weiterhin wurde die Struktur der Siliconleiterpräpolymere, be
schrieben in den Beispielen 1 bis 7, mit einem Infrarotspektro
meter (FT/IR-11 von Hitachi Bunko K.K.) analysiert. Als Ergeb
nis davon wurde ein Doppelpeak, der eine Siloxanbindung in der
Nähe von 1100 cm-1 zeigt, gefunden (Journal of Polymer Science,
1963, Vol. C-1, S. 83). Deshalb ist gezeigt, daß diese Silicon
leiterpolymere eine Struktur haben, wie sie in der folgenden
Formel 2 dargestellt ist.
worin R₁ ein Wasserstoffatom, eine niedere Alkylgruppe, eine
Alkenylgruppe, welche substituiert sein kann, oder eine Aryl
gruppe bedeutet; R₂, R₃ und R₅ ein Wasserstoffatom oder eine
niedere Alkylgruppe bedeuten, und n₂ eine natürliche Zahl von
5 bis 600 repräsentiert.
Wie in den Beispielen 1 bis 7 unter den Reaktionsbedingungen,
wie sie in Tabelle 3 aufgeführt sind, wurden Trialkoxysilanver
bindungen des Types (a) und (b) hydrolisiert. In den Ver
gleichsbeispielen 1 und 3 wurde das ultrareine Wasser bei der
tropfenweise Zugabe bei einer Hydrolysetemperatur von weniger
als -50°C fest. Deshalb konnte die Hydrolyse nicht zufrieden
stellend fortschreiten. Das Molekulargewicht der erhaltenen
Polymere war extrem niedrig. Bei den Vergleichsbeispielen 2 und
4 - bei einer Hydrolysetemperatur größer als 40°C - verdampfte
das Hcl sehr schnell, wenn es zusammen mit dem ultrareinen
Wasser tropfenweise zugefügt wird. Deshalb schreitet die Hydro
lyse nicht zufriedenstellend fort. Im Ergebnis kann die Reak
tionslösung nicht durch Waschen mit Wasser gereinigt werden.
Bei den Beispielen 1 bis 7, unter den Reaktionsbedingungen, wie
sie in Tabelle 4 angeführt sind, wurden bestimmte Mengen von
Trialkoxysilanverbindungen des Types (a) und (b) hydrolisiert,
um hochgereinigte Siliconleiterpräpolymere herzustellen.
Danach wird eine Lösung, enthaltend das Siliconleiterpräpoly
mer, in einem 2L-Vierhalsglaskolben, ausgestattet mit einem
Teflon-Rührstab, einer Dean-Stark-Kühlfalle und einem Thermome
ter überführt. Weiter wird dann eine bestimmte Menge der in
Tabelle 4 angeführten Lösung, welche erhalten wird, durch Lösen
von KOH in einem EL grade Methanol mit einer Konzentration von
0,1 mg/ml in den Kolben als nukleophiles Reagenz gegeben. Die
dehydratitive Kondensationsreaktion wird unter Erhitzung bei
einer Temperatur angeführt in Tabelle 4 und einer Zeitdauer
ebenfalls angeführt in Tabelle 4 ausgeführt. Nach der dehydra
titiven Kondensation wird die erhaltene Lösung gekühlt. Dann
wird das gereinigte Tetrahydrofuran in einer solchen Menge
zugegeben, daß der Gehalt des Präpolymers eine Konzentration
aufweist, wie sie in Tabelle 5 angeführt ist, und gründlich
gerührt, um eine Lösung zu erhalten. Später wird die Lösung
tropfenweise in einer 10fachen Menge zum Methylalkohol (EL
grade) zugegeben. Der erhaltene Niederschlag wird als ein Sili
conleiterpolymer mit einem hohen Molekulargewicht zurückgewon
nen. Später wird der zurückgewonnene Niederschlag getrocknet,
und das Tetrahydrofuran wird erneut zugegeben, um eine Lösung
derselben Konzentration, wie vorstehend benutzt, zu erhalten.
Durch ähnliche Ausfällung wird ein Siliconleiterpolymer zurück
gewonnen. Diese Prozedur wird 4mal wiederholt.
Der Molekulargewichtsbereich und jede Konzentration der Natri
umionen, Kaliumionen, Eisenionen, Kupferionen, Bleiionen, Ma
gnesiumionen, Manganionen, Chlorionen, Uran und Thorium wird
für die in den Beispielen 1 bis 7 angeführten Siliconleiterpo
lymere mit hohem Molekulargewicht, wie vorstehend syntheti
siert, vermessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angeführt.
Wie sich aus Tabelle 5 zeigt, werden hochgereinigte Silicon
leiterpolymere erhalten. Die Konzentration der Verunreinigungen
sinkt mit der ansteigenden Anzahl der Wiederausfällungen.
Wie bei den Beispielen 1 bis 7, unter den Reaktionsbedingungen,
wie sie in Tabelle 6 angeführt, werden geeignete Mengen von
Trichlorsilanverbindungen des Types (c) (Formel (5)) und (d)
(Formel (6)) hydrolisiert, um hochgereinigte Siliconleiterprä
polymere zu erhalten.
Danach wird eine Lösung, enthaltend das Siliconleiterpräpoly
mer, in einem 2L-Vierhalsquarzglaskolben, ausgestattet mit
einem Teflon-Rührstab, einer Dean-Stark-Kühlfalle und einem
Thermometer überführt. Weiter wird eine bestimmte Menge der in
Tabelle 4 angeführten Lösung, welche erhalten wird durch Lösen
von KOH in einem EL grade Methanol zu einer Konzentration von
0,1 mg/ml in den Kolben als nukleophiles Reagenz gegeben. Die
dehydratitive Kondensationsreaktion wird unter Erhitzung bei
einer Temperatur, wie in Tabelle 6 angeführt, für eine Zeit
dauer, ebenfalls wie in Tabelle 6 angeführt, durchgeführt.
Nach der dehydratitiven Kondensation wird die erhaltene Lösung
gekühlt. Dann wird das gereinigte Tetrahydrofuran in einer
solchen Menge zugegeben, daß der Gehalt der Polymerkomponente
eine Konzentration aufweist, wie sie in Tabelle 7 angeführt,
und kräftig gerührt, um eine Lösung zu erhalten. Später wird
die Lösung tropfenweise zum Methylalkohol (EL grade) in einer
10fachen Menge zugegeben. Der erhaltene Niederschlag wird als
Siliconleiterpolymer mit einem hohen Molekulargewicht zurückge
wonnen. Weiter wird der zurückgewonnene Niederschlag getrock
net, und das Tetrahydrofuran wird wieder zugefügt, um eine
Lösung derselben Konzentration, wie vorstehend verwendet, zu
erhalten. Durch ähnliche Ausfällung wird ein Siliconleiterpoly
mer zurückgewonnen. Diese Prozedur wird 4mal wiederholt.
Der Molekulargewichtsbereich und jede Konzentration der Natri
umionen, Kaliumionen, Eisenionen, Kupferionen, Bleiionen, Ma
gnesiumionen, Manganionen, Chlorionen, Uran und Thorium für die
Siliconleiterpolymere mit hohem Molekulargewicht, wie vorste
hend synthetisiert, wird für die Beispiele 1 bis 7 vermessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 gezeigt. Wie aus Tabelle 7
hervorgeht, wird ein hochgereinigtes Siliconleiterpolymer er
halten. Die Konzentration der verunreinigten sinkt mit der
steigenden Anzahl der Ausfällungen.
Wie in den Beispielen 1 bis 7 unter den Reaktionsbedingungen
wie in Tabelle 8 angeführt, werden Trichlorsilanverbindungen
des Types ( c) und (d) hydrolisiert. Jedoch in den Vergleichs
beispielen 5 und 6 wurde ein Hydrolysat erhalten, welches ein
niederes Molekulargewicht hatte, da der Betrag an organischen
Lösungsmitteln relativ zu groß zu den Trichlorosilanverbindun
gen war. Im Vergleichsbeispiel 7 wurde ein Hydrolysat erhalten,
was nur ein niederes Molekulargewicht hatte, da die Hydrolyse
temperatur zu niedrig war. Diese Hydrolysate konnten nicht
durch Waschen mit Wasser gereinigt werden. Deshalb wurde KOH zu
dem Hydrolysat zugefügt, das als ungereinigter Katalysator in
einer Menge, wie in Tabelle 8 angeführt, verbleibt. Die dehy
dratitive Kondensationsreaktion wird dann unter Erhitzen für
eine spezifische Zeitspanne durchgeführt. Da die Hydrolysate
ein wenig polymerisieren, wurden sie durch Waschen mit Wasser
gereinigt. Jedoch war der Gehalt an Verunreinigungen hoch, wie
in Tabelle 9 gezeigt.
Wie die Ergebnisse der Tabellen 1 bis 9 zeigen, wurde gefunden,
daß verglichen mit den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 nach den
Beispielen 1 bis 21 hochgereinigte Siliconleiterpräpolymere und
hochgereinigte Siliconleiterpolymere mit hohem Molekulargewicht
erhalten werden können, wobei die Präpolymere und Polymere
geringe Mengen an Verunreinigungen wie Natrium, Kalium, Eisen,
Kupfer, Blei, Magnesium, Mangan, Chlor, Uran und Thorium ent
halten.
Auf den Offenbarungsgehalt der japanischen Prioritätsanmeldung
Nr. JP 051202/95 vom 10.03.1995 wird ausdrücklich Bezug genom
men.
Claims (8)
1. Siliconleiterpolymer, enthaltend 1 ppm oder weniger an Na
trium, Kalium, Eisen, Kupfer, Blei, Magnesium, Mangan und
Chlor, und 1 ppb oder weniger an Uran und Thorium,
das charakterisiert ist durch die allgemeine Formel (1)
worin R₁ ein Wasserstoffatom, eine niedere Alkylgruppe, eine
Alkenylgruppe, welche substituiert sein kann, oder eine
Arylgruppe bedeutet, R₂, R₃, R₄ und R₅ ein Wasserstoffatom
oder eine niedere Alkylgruppe bedeuten, und n₁ eine natür
liche Zahl zwischen 600 und 10000 repräsentiert.
2. Siliconleiterpräpolymer, enthaltend 1 ppm oder weniger an
Natrium, Kalium, Eisen, Kupfer, Blei, Magnesium, Mangan und
Chlor, und 1 ppb oder weniger an Uran und Thorium,
das charakterisiert ist durch die allgemeine Formel (2)
worin R₁ ein Wasserstoffatom, eine niedere Alkylgruppe,
eine Alkenylgruppe, welche substituiert sein kann, oder
eine Arylgruppe bedeutet, R₂, R₃, R₄ und R₅ein Wasserstoff
atom oder eine niedere Alkylgruppe bedeuten, und n₂ eine na
türliche Zahl von 5 bis 600 repräsentiert.
3. Verfahren zur Herstellung des Siliconleiterpräpolymers nach
Anspruch 2 durch
Lösen einer Trialkoxysilanverbindung der allgemeinen Formel
(3)
HSiO₆OR₇OR₈worin R₆, R₇ und R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeuten,
oder Trialkoxysilanverbindungen der Formel (3) und eine
Trialkoxysilanverbindung der allgemeinen Formel (4)R₉SiOR₆OR₇OR₈worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine Alkenylgruppe, die
substituiert sein kann, oder eine Arylgruppe bedeutet, und
R₆, R₇ und R₈ eine niedere Alkylgruppe bedeuten,
in einem organischen Lösungsmittel zur Herstellung einer
Lösung,
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser, enthal tend Chlorwasserstoff unter Kühlung zur Herstellung des Hydrolysates und Waschen des Hydrolysates mit ultrareinem Wasser.
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser, enthal tend Chlorwasserstoff unter Kühlung zur Herstellung des Hydrolysates und Waschen des Hydrolysates mit ultrareinem Wasser.
4. Verfahren zur Herstellung des Siliconleiterpräpolymer nach
Anspruch 2 durch
Lösen einer Trichlorsilanverbindung der allgemeinen Formel
(5)
HSiCl₃oder der Trichlorsilanverbindung der Formel (5) und einer
Trichlorsilanverbindung der allgemeinen Formel (6)
R₉SiOCl₃
worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine Alkenylgruppe, wel che substituiert sein kann, oder eine Arylgruppe bedeutet, in einem organischen Lösungsmittel zur Herstellung einer Lösung,
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser unter Küh lung zur Herstellung des Hydrolysates und Waschen des Hy drolysates mit ultrareinem Wasser.
R₉SiOCl₃
worin R₉ eine niedere Alkylgruppe, eine Alkenylgruppe, wel che substituiert sein kann, oder eine Arylgruppe bedeutet, in einem organischen Lösungsmittel zur Herstellung einer Lösung,
Hydrolisierung der Lösung mit ultrareinem Wasser unter Küh lung zur Herstellung des Hydrolysates und Waschen des Hy drolysates mit ultrareinem Wasser.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Trialkoxysilanverbin
dung der allgemeinen Formel (3), oder die Trialkoxysilan
verbindung der allgemeinen Formel (3) und die Trialkoxysi
lanverbindung der allgemeinen Formel (4) in einer Lösung in
so einer Weise gelöst werden, daß eine Konzentration des
Siliconleiterpräpolymers in der Lösung erhalten wird, die
zwischen 0,01 und 0,3 g/ml liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Trichlorsilanverbin
dung der allgemeinen Formel (5) oder die Trichlorsilanver
bindung der allgemeinen Formel (5) und die Trichlorsilan
verbindung der allgemeinen Formel (6) in der Lösung in so
einer Weise gelöst werden, daß eine Konzentration des Sili
conleiterpräpolymers in der Lösung erhalten wird, die zwi
schen 0,01 und 0,3 g/ml liegt.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, wo
bei die Reaktionstemperatur für die Hydrolyse im Bereich
von bis +30°C liegt.
8. Verfahren zur Herstellung des Siliconleiterpolymers nach
Anspruch 1 durch
Hinzufügen eines nukleophilen Reagenzes zu einer organi
schen Lösung des Siliconleiterpräpolymers nach Anspruch 2,
um die dehydratitive Kondensation zu initiieren, so daß ein
Produkt von hohem Molekulargewicht erhalten wird, und Rei
nigung des Produktes durch eine Lösungs/Ausfällungsmethode.
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