DE2431143C2

DE2431143C2 - Verfahren zur Herstellung dielektrischer Filme

Info

Publication number: DE2431143C2
Application number: DE2431143A
Authority: DE
Inventors: Edward Charles Poughkeepsie N.Y. Spaulding
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1974-06-28
Publication date: 1982-04-15
Also published as: GB1441726A; JPS5022300A; DE2431143A1; AU6959474A; JPS5128840B2; FR2234934B1; CA1024403A; US3900600A; IT1010162B; FR2234934A1

Description

H₂NiCHJ₀-Si-X₀-H

in der R" eine Alkylgruppe mit bis zu 4 C-Atomen, eine Aryl- oder Aralkylgruppe und X eine Alkoxygruppe darstellen, und a zumindest 3 und b eine Zahl von 0 bis 2 darstellen; oder Mischungen derselben, oder ein eine Epoxidgruppe enthaltendes Silan verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Silylamine

y-Aminopropyl-triäthoxy-silan,
y-Aminopropyl-phenyl-diäthoxysilan,
(5-Aminobutyl-triäthoxysilan oder Mischungen derselben

verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus einem Di-p-xylylen mit zwei Chlorsubstituenten und aus ^-(3,4-Epoxy-cyclohexyl)-äthyl-trimethoxy-silan und y-Aminopropyl-trimethoxysilan hergestellt und anschließend aus der Dampfphase abgeschieden wird.

700° C während einer Zeit, die ausreicht, um im wesentlichen das ganze Di-p-xylylen in dampfförmige p-Xylylen-DJradikale zu spalten und bei einem Partialdruck der dampfförmigen p-Xylylen-Diradikale vorzugsweise unter 0,75 mm Hg und Abkühlen der dampfförmigen Diradikale auf eine Temperatur unter 200" C und unter die obere Grenze der Kondensationstemperatur auch nur eines der entstandenen p-Xylylen-DiradikaJe. Die Kondensation der so hergestellten

ίο Diradikale ergibt zähe, lineare, nichtfluoreszierende Homopolymere. In dieser Patentschrift ist das Mischen substituierter p-Xylylendimerer mit bifunktionellen Silanen nicht beschrieben.

Ein der US-Patentschrift 33 42 754 vergleichbarer Stand der Technik geht aus der US-Patentschrift 36 00 216 hervor. In dem dort beschriebenen Verfahren wird vor dem Abscheiden eines Poly-p-xylylenüberzugs auf einer Unterlage diese zur Haftverbesserung des nachfolgend aufgebrachten Oberzugs mit einem Siloxan behandelt, welches eine äthylenisch ungesättigte Gruppe über eine Kohlenstoff-Silicium-Bindung und eine hydrolysierbare oder kondensierbare Gruppe direkt an das Silicium des Silans gebunden enthält. Bei den in dieser Patentschrift als Haftvermittler beschriebenen Silanen handelt es sich um andere Verbindungstypen als in der vorliegenden Erfindung. Außerdem ist dieser Patentschrift das Mischen eines Silans mit p-Xylylendimeren und deren gemeinsame Abscheidung auf einer Unterlage nicht zu entnehmen.

Organosiliciumverbindungen, und vorzugsweise Verbindungen, die die Aminoalkylsilylgruppe enthalten, welche durch die Formel

N H₂-(CH₂),-Si =

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dielektrischer Fiime aus halogensubstituierten p-Xylylendimeren und bifunktionellen Silanen auf elektronischen Bauteilen.

Aus der US-Patentschrift 33 42 754 ist die Herstellung von Chlorderivaten des cyclischen Dimeren, Di-p-xylylen bekannt. Diese und ähnliche Verbindungen können zu Polymeren polymerisiert werden, die als dielektrische Materialien, insbesondere in Form isolierender Überzüge auf elektronischen Bauteilen verwendbar sind. Nach dieser Patentschrift können lineare Homopolymere von p-Xylylenen hergestellt werden durch Erhitzen eines cyclisierten, gegebenenfalls substituierten Di-p-xylylens auf Temperaturen zwischen 450 und

charakterisiert ist, in der a eine Zahl von zumindest 3, vorzugsweise aber 3 oder 4 ist, werden nach bekannten Methoden hergestellt zur Verwendung als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Siloxanderivaten.

Die Siloxanderivate werden verwendet, um copolymeres Material, beispielsweise Aminoalkylpolysiloxane herzustellen als Ausgangsverbindungen für die Herstellung elastomerer Organopolysiloxane. Obgleich Derivate des cyclischen Dimeren Di-p-xylylen bekannt sind und verwendet werden zu der Herstellung von Polymeren zur Verwendung als dielektrische Materialien, und Silylamine, beispielsweise o-Aminobutyl-triäthoxysilan als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Siloxanderivaten des Di-p-xylylens verwendet werden, war die gemeinsame Abscheidung einer Mischung des Chlorderivats des p-Xylylens und eines bifunktionellen Silans, wie ö-Aminobutyl-triäthoxysilan bisher nicht bekannt.

Um eine Vielzahl verschiedene»· logischer Schaltkreise, Oszillatoren u. dgl., die in einem Datenverarbeitungssystem erforderlich sind, in geeigneter Weise zusammensetzen zu können, werden die einzelnen Schaltungen in Form von Moduln gepackt und eine Vielzahl solcher Moduln wird auf Schaltkarten od. dgl. montiert.

Da die Komponenten integrierter Schaltkreise extrem klein sind, in der Größenordnung von einigen μΐη und die elektrischen Zuführungen zu ihnen noch kleiner sind, ist sehr viel Sorgfalt bei ihrer Handhabung und Packung erforderlich. So können beispielsweise Standardepoxidharzüberzüge nicht angewendet werden bei der Packung solcher Elemente, da der Epoxidauftrag beim Härten die spezielle Komponente von ihrer Verbindung mit den Leiterzügen auf dem Modul abhebt.

Wegen der Zerbrechlichkeit der Kontakte zwischen den einzelnen Komponenten, sowohl integrierter wie auch anderer, müssen die betreffenden Schaltkreise selbst gegen physikalische Beschädigung geschützt werden, die bei der Handhabung der Komponenten, entweder bei deren Ersatz oder bei deren Herstellungsprozeß, unvermeidlich ist Darüber hinaus sollte das Einkapselungssystem so beschaffen sein, daß es flexibel ist in der Anpassung an Schaltkreise von verschiedener Größe und Komplexität ohne daß größere Änderungen in dem Produktionsprozeß vorgenommen werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung dielektrischer Filme zur Einkapselung elektronische Bauteile anzugeben, das einfach in seiner Anwendung ist und mit dem dünne, fehlerfreie, sich nicht abhebende Filme mit sehr guten dielektrischen Eigenschaften und hoher Resistenz gegen Chemikalien hergestellt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die halogensubstituierten p-Xylyien- und Silanausgangsverbindungen separat erhitzt, dann gemischt und gemeinsam erhitzt und anschließend unter vermindertem Druck aus der Dampfphase auf elektronischen Bauteilen abgeschieden werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird anhand der speziellen Beschreibung und der Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Bestandteile der Mischung werden in separaten Kammern verdampft und in einer Pyrolyserröhre gemischt, von dort aus der evakuierten Abscheidungskammer zugeführt, in der Vorrichtungen zur Befestigung der Substratmaterialien vorgesehen sind, und schließlich wird die Mischung aus der Dampfphase auf dem Modul, dem Chip oder der Substratoberfläche abgeschieden.

Die halogensubstituierten Dimeren des p-Xylylens werden dargestellt durch die folgende Strukturformel

CH,

CH₂

CH

Wenn mehr als ein Halogensubstituent vorhanden ist, befinden sich zumindest zwei Halogensubstituenten an den Ringen. Zu diesen mono- oder mehrfachsubstituierten p-Xylylendimeren werden ein bifunktionelles Silan oder Silane beigemischt, und die Mischung wird auf einem Substratmaterial abgeschieden. Eine spezifische Klasse von Silanen, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden, sind die Silylamine. Die bifunktionellen Silane, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden, werden durch folgende Strukturformel dargestellt:

H₂N(CH₂),- Si — X(3_₄₎
in der R" eine Alkylgruppe wie Methyl-, Äthyl-, Propyl-, Butyl- od. dgl., oder e ne Arylgruppe, wie Phenyl-, Naphthyl oder Tolyl- od. dgl., oder eine Aralkylgruppe wie die Benzylgruppe od. dgl. darstellt. X stellt eine Alkoxygruppe, beispielsweise Methoxy-, Äthoxy-, Propoxy- od. dgl. dar, a ist eine Zahl mit einem Wert von zumindest 3 und vorzugsweise von 3 bis 4 und b ist eine Zahl mit einem Wert von 0 bis 2 und vorzugsweise von 0 bis 1. Als Verbindungen dieser allgemeinen Strukturformel kommen in Frage: y-Aminopropyl-triäthoxysilan,

ίο y-Aminopropylphenyl-diäthoxysilan, o-Aminobutyltriäthoxysilan u. dgl. Eine einzige Verbindung oder Mischungen dieser Silane werden mit den halogensubstituierten p-Xylylendimeren gemischt und der Dampf wird auf einem Substratmaterial zu einem Oberzug von gewünschter Schichtdicke abgeschieden.

Jede geeignete Vorrichtung zur Dampfabscheidung ist geeignet zur Durchführung der Erfindung, wobei im allgemeinen separate Kammern für die Xylylen- und Silanausgangsverbindungen vorgesehen sind, in denen die Verbindungen vorerhitzt werden und dann in eine Pyrolyseröhre geleitet werden, wo sie vollständig gemischt und erhitzt werden und von der aus die Mischung direkt mittels einer geeigneten Verteilervorrichtung od. dgl. in eine evakuierte Abscheidungskammer geleitet wird, in der der Dampf auf einem oder mehreren Substratmaterialien zu der gewünschten Schichtdicke abgeschieden wird, welche von den Prozeßbedinfungen und der zugeführten Menge im Falle eines diskontinuierlichen Verfahrens, oder der

3b Durchflußmenge in einem kontinuierlichen Verfahren abhängig ist.

Die Menge der einzelnen Bestandteile der Mischung hängt von der Natur des gewünschten Filmes und den Prozeßbedingungen, unter denen die Abscheidung

stattfindet, ab. Ein Verhältnis von einem Gewichtsteil p-Xylylendimer zu einem Gewichtsteil Silan oder Silane konnte abgeschieden werden. In ähnlicher Weise stellte sich heraus, daß die Dampfabscheidung im Vakuum sich am besten bei einer Temperatur nicht über 45° C durchführen ließ.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele angegeben, wobei Filme mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Materialtransport unter Einfluß des elektrischen Feldes und hervorragender thermischer Beständigkeit erhalten werden.

Der Materialtransport unter Einfluß des elektrischen Feldes wurde bestimmt, indem ein Überzug auf ein Substratmaterial aufgetragen wurde, auf dem sich ein leitender Metallüberzug aus Kupfer oder Silber befand

so und in dem ein Spalt von 2,54- 10-³cm bis 1,0- 10-- cm vorgesehen war und an das eine Gleichspannung von 20-300 V angelegt und die Zeit für die elektrische Überbrückung des Spalts beobachtet wurde. Im Fall elektronischer Moduls und Vorrichtungen wird diese Beobachtung im allgemeinen unter dem Mikroskop durchgeführt.

Die thermischen Abbautests wurden nach Standardverfahren und mit bekannten Apparaturen durchgeführt, die in der Literatur als Thermogravimetrie (TGA)

und Differentialthermoanalyse (DTA) beschrieben sind.

Beispiel I

Eine Mischung von 10 g monochlorsubstituiertem Di-p-xylylen und 2,5 g j3-(3,4-Epoxycyclohexyl)-äthyl-trimethoxysilan und 2,5 g y-Aminopropyl-triäthoxysilan wurde bei einer Temperatur zwischen 185 und 205° C verdampft und auf einer elektronischen Schaltung zu

einer Schichtdicke von 5 · ΙΟ-⁴ cm unter Vakuum bei einem Druck von etwa 42 bis 62 · 10"³mm Quecksilbersäule und einer Temperatur von 40° C abgeschieden. Der so hergestellte Film zeigte bei der Differentialthermoanalyse eine thermische Zersetzung bei 296° C und bei dem Test zur Bestimmung des Materialtransports unter Einfluß des elektrischen FelJes, durchgeführt an nassem Material und bei einer Spaltbreite der Silberpalladiumschicht von 3,8 bis 5-10-³cm eine negative Wanderung nach 19 Stunden bei JOOV Gleichspannung.

Beispiel Il

Eine Mischung von 10 g monochlorsubstituiertem Di-p-xylylen und 4 g ß-(3,4-EpolxycycIohexyl)-äthyl-trimethoxysilan wurde bei einer Temperatur zwischen 190 und 210° C verdampft und der Dampf, wie in Beispiel 1 angegeben, abgeschieden. Die thermische Zersetzung fand bei 288° C statt und ein Materialtransport unter Einfluß des elektrischen Feldes setzte nach 21/2 Stunden ein.

Beispie! III

Eine Mischung von 10 g dichloi substituiertem Di-pxylylen und 2 g >'-Aminopropyl-triäthoxysilan und 2 g ^-(S^-EpolxycyclohexylJ-äthyl-trimethoxysilan wurde bei einer Temperatur zwischen 190 und 210°C verdampft und der Dampf auf einem Substratmaterial, wie in Beispiel I angegeben, abgeschieden zu einer Filmdicke von 5 - ΙΟ"⁴ m. Die thermische Zersetzung fand bei 299°C statt Ein Materiakransport unter Einfluß des elektrischen Feldes bei nasser Probe fand adch nach mehr als 1000 Stunden nicht statt

Beispiel IV

Eine Mischung von 13 g dichlorsubstituiertem Di-pxylylen und 4 g jJ-Aminoäthyl-y-aminopropyl-trimethoxysilan wurde bei einer Temperatur zwischen 190 und 210°C verdampft und der Dampf, wie in Beispiel I angegeben, abgeschieden. Eine thermische Zersetzung fand bei 348° C statt und ein Materialtransport unter Einfluß des elektrischen Feldes begann nach etwa 70 Stunden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung dielektrischer Filme aus halogensubstituierten p-Xylylendimeren und bifunktionellen Silanen auf elektronischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die halogensubstituierten p-Xylylen- und Silanausgangsverbindungen separat erhitzt, dann gemischt und gemeinsam erhitzt und anschließend unter vermindertem Druck aus der Dampfphase auf elektronischen Bauteilen abgeschieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als halogensubstituiertes p-Xylylendimer ein Di-p-xylylen mit einem Chlorsubstituenten verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als halogensubstituiertes p-Xylylendimer ein Di-p-xylylen mit zwei Chlorsubstituenten verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als bifunktionelles Silan ein Silylamin der allgemeinen Formel