JP2001122611A - Porous silica thin film - Google Patents

Porous silica thin film

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JP2001122611A
JP2001122611A JP30071999A JP30071999A JP2001122611A JP 2001122611 A JP2001122611 A JP 2001122611A JP 30071999 A JP30071999 A JP 30071999A JP 30071999 A JP30071999 A JP 30071999A JP 2001122611 A JP2001122611 A JP 2001122611A
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thin film
porous silica
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silica
silica thin
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JP30071999A
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Japanese (ja)
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Hiroyuki Hanabatake
博之 花畑
Takaaki Ioka
崇明 井岡
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Asahi Kasei Corp
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Asahi Kasei Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a porous silica thin film low in hygroscopicity and excellent in mechanical strength. SOLUTION: There is provided a porous silica thin film having high porosity of porous silica, a nanometer sized pore diameter, a specific quantity of Si-CH3 bond in the structure and properly suppressed in the movability of CH3 group.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁薄膜用の多孔
性シリカ薄膜に関するものであって、さらに詳しくは、
比誘電率が低くて、密着性および機械的強度に著しく優
れて、かつ低吸湿性で膜厚の厚い絶縁薄膜用の多孔性シ
リカ薄膜およびその用途に関する。
The present invention relates to a porous silica thin film for an insulating thin film, and more particularly, to a porous silica thin film for an insulating thin film.
The present invention relates to a porous silica thin film having a low relative dielectric constant, being extremely excellent in adhesion and mechanical strength, and having a low hygroscopicity and a large thickness for an insulating thin film, and its use.

【0002】[0002]

【従来の技術】多孔性のシリカは軽量、耐熱性などの優
れた特性を有するために、構造材料、触媒担体、光学材
料などに幅広く用いられている。例えば近年、多孔性の
シリカは誘電率を低くできる、という点から期待を集め
ている。LSIをはじめとする半導体素子の多層配線構
造体用の絶縁薄膜素材としては、従来緻密なシリカ膜が
一般的に用いられてきた。しかし近年、LSIの配線密
度は微細化の一途をたどっており、これに伴って基板上
の隣接する配線間の距離が狭まっている。この場合、絶
縁体の誘電率が高いと配線間の静電容量が増大し、その
結果配線を通じて伝達される電気信号の遅延が顕著とな
るため、問題となっている。このような問題を解決する
ため、多層配線構造体用の絶縁膜の素材としては、誘電
率のより低い物質が強く求められている。ここで、多孔
性のシリカは比誘電率が1である空気との複合体である
ため、比誘電率をシリカ自身の4.0〜4.5よりも大
幅に低下させることができ、しかも緻密なシリカ膜と同
等の加工性、耐熱性をもつために理想的な絶縁膜材料と
して注目されている。
2. Description of the Related Art Porous silica is widely used for structural materials, catalyst carriers, optical materials, etc. because of its excellent properties such as light weight and heat resistance. For example, in recent years, porous silica has been expected to be capable of lowering the dielectric constant. Conventionally, a dense silica film has been generally used as an insulating thin film material for a multilayer wiring structure of a semiconductor element such as an LSI. However, in recent years, the wiring density of LSIs has been steadily miniaturized, and accordingly, the distance between adjacent wirings on a substrate has been reduced. In this case, when the dielectric constant of the insulator is high, the capacitance between the wirings increases, and as a result, the delay of an electric signal transmitted through the wiring becomes significant, which is a problem. In order to solve such a problem, a material having a lower dielectric constant is strongly required as a material of the insulating film for the multilayer wiring structure. Here, since porous silica is a composite with air having a relative dielectric constant of 1, the relative dielectric constant can be significantly reduced from 4.0 to 4.5 of silica itself, and the density is high. It has attracted attention as an ideal insulating film material because it has the same processability and heat resistance as a simple silica film.

【0003】多孔性のシリカとして代表的なものにシリ
カキセロゲルやシリカエアロゲルなどが挙げられる。こ
れらの素材は、ゾル−ゲル反応により製造される。ここ
で、ゾル−ゲル反応とは、ゾルと呼ばれる粒子が液体に
分散したコロイド状のものを中間体として固体状のゲル
に変化させる反応である。シリカの場合は、例えばアル
コキシシラン化合物を原料とすると、その加水分解およ
び縮合反応により得られる架橋構造体の粒子が溶媒に分
散したものがゾルであり、さらに粒子が加水分解及び縮
合反応をおこない溶媒を含んだ固体ネットワークを形成
した状態がゲルである。そして、ゲルから溶媒を取り去
ると固体ネットワークのみが残ったキセロゲル構造を示
すシリカキセロゲルが製造できる。
[0003] Typical examples of porous silica include silica xerogel and silica aerogel. These materials are produced by a sol-gel reaction. Here, the sol-gel reaction is a reaction in which a colloidal substance in which particles called a sol are dispersed in a liquid is changed into a solid gel as an intermediate. In the case of silica, for example, when an alkoxysilane compound is used as a raw material, a sol is obtained by dispersing particles of a crosslinked structure obtained by hydrolysis and condensation reaction in a solvent, and further, the particles undergo hydrolysis and condensation reactions. The state in which a solid network containing is formed is a gel. When the solvent is removed from the gel, a silica xerogel having a xerogel structure in which only a solid network remains can be produced.

【0004】シリカキセロゲルの薄膜形成の例としては
特開平7−257918号公報に開示されているよう
に、ゾルであるシリカ前駆体の塗布液を一旦調製し、引
き続きスプレーコーティング、浸漬コーティングまたは
スピンコーティングにより基板上に塗布し、厚さが数ミ
クロン以下の薄膜を形成する。そして、この薄膜をゲル
化してシリカとした後、乾燥するとシリカキセロゲルが
得られる。一方、シリカエアロゲルの場合には、シリカ
中の溶媒を超臨界状態にして除去する点がシリカキセロ
ゲルと異なるが、ゾルであるシリカ前駆体の塗布液を調
製する点はシリカキセロゲルと同様である。
As an example of the formation of a thin film of silica xerogel, as disclosed in JP-A-7-257918, a coating solution of a silica precursor, which is a sol, is once prepared, followed by spray coating, dip coating or spin coating. To form a thin film having a thickness of several microns or less. Then, the thin film is gelled into silica, and dried to obtain a silica xerogel. On the other hand, silica aerogel is different from silica xerogel in that the solvent in silica is removed in a supercritical state, but is similar to silica xerogel in that a coating solution of a silica precursor as a sol is prepared.

【0005】さらにシリカキセロゲル薄膜の形成例とし
て、米国特許第5807607号明細書および米国特許
第5900879号明細書には、ゾルであるシリカ前駆
体を塗布液とする場合に、調製時の溶液中にグリセロー
ルなどの特定の溶媒を含有させることによって、その後
のゲル化や溶媒除去を経て得られるシリカキセロゲルの
孔径および孔径分布を制御し、多孔体の機械的強度を向
上させようとする方法が開示されている。しかし、この
例では、溶媒に低沸点溶媒を用いているために、孔が形
成される時の溶媒の除去が急激に起こり、そこに発生し
た毛細管力に対して、孔を取り巻く壁部分が追随でき
ず、その結果孔の収縮が起こってしまう。そのため、孔
がつぶれたり、孔のまわりにミクロクラックが発生し、
ここに外的応力がかかると、ここが応力の集中点として
働くため、結局、シリカキセロゲルは十分な機械的強度
が発現されない、といった問題が生じている。溶媒の除
去速度を極端に遅くすることは可能であるが、この場合
にはシリカキセロゲルを得るのに多大の時間を必要とす
るので生産性に問題がある。
Further, as examples of the formation of a silica xerogel thin film, US Pat. No. 5,807,607 and US Pat. No. 5,900,879 disclose that when a silica precursor as a sol is used as a coating solution, A method is disclosed in which a specific solvent such as glycerol is contained to control the pore size and pore size distribution of the silica xerogel obtained through subsequent gelation and solvent removal, and to improve the mechanical strength of the porous body. ing. However, in this example, since a low-boiling solvent is used as the solvent, the solvent is rapidly removed when the hole is formed, and the wall portion surrounding the hole follows the capillary force generated there. No, as a result, the pores shrink. As a result, holes are crushed, micro cracks are generated around the holes,
If an external stress is applied here, this acts as a stress concentration point, and as a result, there is a problem that the silica xerogel does not exhibit sufficient mechanical strength. It is possible to make the removal rate of the solvent extremely slow, but in this case, there is a problem in productivity because it takes a lot of time to obtain silica xerogel.

【0006】上述したような低沸点溶媒における問題点
を改善する手段として、例えば低沸点溶媒の代わりに有
機ポリマーを用いる試みがある。有機ポリマーを用いる
と溶媒揮発速度や雰囲気を厳密にコントロールする必要
がない、などの利点もある。例えば、特開平4−285
081号公報には、アルコキシシランのゾル−ゲル反応
を特定の有機ポリマーを共存させておこない、一旦シリ
カ/有機ポリマー複合体を製造し、その後で有機ポリマ
ーを除去して、均一な孔径を有する多孔性シリカを得る
方法が開示されている。特開平5−85762号公報や
WO99/03926号公開パンフレットにも、アルコ
キシシランと有機ポリマーの混合系から、誘電率が極め
て低く、均一細孔および細孔分布を持った多孔性シリカ
を得ようとする方法が開示されている。さらに、特開平
10−25359号公報、および特公平7−88239
号公報には、アルコキシシランを含む金属アルコキシド
のオリゴマー中に有機ポリマー微粒子を分散させて、ゲ
ルを生成し、引き続き有機ポリマー微粒子を焼成除去し
て、細孔系を制御した多孔性シリカを得る方法も報告さ
れている。
As a means for improving the above-mentioned problems in the low boiling point solvent, for example, there is an attempt to use an organic polymer instead of the low boiling point solvent. Use of an organic polymer also has the advantage that it is not necessary to strictly control the solvent evaporation rate and atmosphere. For example, JP-A-4-285
No. 081 discloses that a sol-gel reaction of alkoxysilane is carried out in the presence of a specific organic polymer, a silica / organic polymer composite is once produced, and then the organic polymer is removed to obtain a porous material having a uniform pore size. A method for obtaining functional silica is disclosed. JP-A-5-85762 and WO 99/03926 also disclose a method of obtaining porous silica having a very low dielectric constant, uniform pores and pore distribution from a mixed system of an alkoxysilane and an organic polymer. A method for doing so is disclosed. Further, JP-A-10-25359 and JP-B-7-88239
Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-15064 discloses a method in which organic polymer fine particles are dispersed in an oligomer of a metal alkoxide containing an alkoxysilane to form a gel, and the organic polymer fine particles are subsequently calcined and removed to obtain porous silica having a controlled pore system. Have also been reported.

【0007】上述したような低沸点溶媒における問題点
を改善する手段として、例えば低沸点溶媒の代わりに有
機ポリマーを用いて、孔の周りにある流体の除去をでき
るだけ遅くして毛細管力を軽減しようとする試みがあ
る。有機ポリマーを使うと、溶媒揮発速度や雰囲気を厳
密にコントロールする必要がない、などの利点もある。
例えば、特開平4−285081号公報には、アルコキ
シシランのゾル−ゲル反応を特定の有機ポリマーを共存
させておこない、一旦シリカ/有機ポリマー複合体を製
造し、その後で有機ポリマーを除去して、均一な孔径を
有する多孔性シリカを得る方法が開示されている。特開
平5−85762号公報やWO99/03936号公開
パンフレットにも、アルコキシシラン/有機ポリマー混
合系から、誘電率が極めて低く、均一細孔および良好な
孔径分布を持った多孔体を得ようとする方法が開示され
ている。また、特開平9−315812号公報には、シ
リカ微粒子と特定のアルコキシシランおよびその加水分
解物からなる塗布液を用いて、絶縁薄膜の密着性や機械
的強度等の特性の改善を試みた例が開示されている。さ
らに、特開平10−25359号公報、および特公平7
−88239号公報には、アルコキシシランを含む金属
アルコキシドのオリゴマー中に有機高分子微粒子を分散
させて、ゲルを生成した後、有機高分子微粒子を焼成除
去して、細孔系を制御した多孔体を得る方法も報告され
ている。
As a means of remedying the above-mentioned problems in low-boiling solvents, for example, an organic polymer may be used instead of the low-boiling solvent to reduce the capillary force by delaying the removal of the fluid around the pores as much as possible. There is an attempt. Use of an organic polymer also has the advantage that there is no need to strictly control the solvent volatilization rate and atmosphere.
For example, JP-A-4-285081 discloses that a sol-gel reaction of an alkoxysilane is carried out in the presence of a specific organic polymer, a silica / organic polymer composite is once produced, and then the organic polymer is removed. A method for obtaining a porous silica having a uniform pore size is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-85762 and WO99 / 03936 also disclose from an alkoxysilane / organic polymer mixed system that a porous material having a very low dielectric constant, uniform pores and a good pore size distribution is obtained. A method is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-315812 discloses an example in which a coating solution comprising silica fine particles and a specific alkoxysilane and a hydrolyzate thereof is used to improve properties such as adhesion and mechanical strength of an insulating thin film. Is disclosed. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-25359 and
Japanese Patent Application Laid-Open No. 88239/88 discloses a porous body in which fine particles of an organic polymer are dispersed in an oligomer of a metal alkoxide containing an alkoxysilane to form a gel, and the fine particles of the organic polymer are calcined and removed to control the pore system. It has also been reported how to obtain

【0008】しかしながら、これらの方法でも実用上満
足できるような密着力や機械的強度は発現されていない
状況にある。さらに、特開平9−169845号公報に
は、有機トリアルコキシシランを原料とし、ゾル化反応
における水分量と反応温度との制御により、バルク状の
シリカ膜の硬度、密着性を改善しようとする試みがあ
る。しかし、この製造法では、高密度な、すなわち高誘
電率なシリカ体しか得られず、さらに孔径や孔径分布の
制御という概念が全くないので、多孔体の密着性や機械
的強度を向上させることは極めて困難である。特公平8
−29952号公報には、均一系で有機高分子を添加す
る方法が開示されているが、ゲル化の時点で系内が相分
離するので、この場合にはサブミクロンオーダーの孔し
か得られず、やはりこの場合にも十分な機械的強度の発
現は困難である。
However, even in these methods, the adhesion and mechanical strength that are practically satisfactory have not yet been developed. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-169845 discloses an attempt to improve the hardness and adhesion of a bulk silica film by controlling the amount of water and the reaction temperature in a sol-forming reaction using an organic trialkoxysilane as a raw material. There is. However, in this production method, only a high-density, that is, a silica body having a high dielectric constant can be obtained, and furthermore, there is no concept of controlling the pore size and pore size distribution. Is extremely difficult. Tokuhei 8
Japanese Patent No. 29952 discloses a method in which an organic polymer is added in a homogeneous system. However, since phase separation occurs in the system at the time of gelation, only submicron-order holes can be obtained in this case. Again, in this case, it is difficult to develop sufficient mechanical strength.

【0009】シリカ以外の金属酸化物を添加して、多孔
体の機械的強度などを改善しようとする試みがある。特
開平7−185306号公報には、アルコキシシランと
珪素以外の金属アルコキシド、ハロゲン化物の加水分解
によりアルコゲルを得、次いで生成アルコゲルを超臨界
乾燥してエアロゲルを得る製法によって、その耐湿性や
機械的強度を改善する方法が開示されている。しかし、
このようなシリカ以外の金属アルコキシド、ハロゲン化
物を用いた場合、これらの原料または/および加水分解
・縮合物がゾル−ゲル反応中における溶解性に乏しいた
めに、系内が大粒径の粒子からなるスラリーになった
り、沈殿物が生成したりする場合もあり、いずれにして
も不均質ゲルしか得られない。その結果、前述の有機ポ
リマー微粒子を添加した場合と同じような理由で、絶縁
膜用として適さない。以上の記述より明らかなように、
誘電率が低く、密着力および機械的強度が高くて、かつ
低吸湿性の、半導体素子として使われる多層配線構造体
用の絶縁薄膜は得られていなかった。さらに、上述の既
報文献では、実用特性として極めて重要な薄膜の厚膜化
に関する概念や具体的な方法についての記載はいっさい
なかった。
Attempts have been made to improve the mechanical strength and the like of a porous body by adding a metal oxide other than silica. JP-A-7-185306 discloses a method of obtaining an alcogel by hydrolyzing an alkoxysilane, a metal alkoxide other than silicon, and a halide, and then supercritically drying the formed alcogel to obtain an aerogel. Methods for improving strength are disclosed. But,
When such metal alkoxides and halides other than silica are used, the raw materials or / and the hydrolysis / condensates are poorly soluble during the sol-gel reaction, so that the inside of the system may have large particles. In some cases, a slurry may be formed or a precipitate may be formed. In any case, only a heterogeneous gel is obtained. As a result, it is not suitable for use as an insulating film for the same reason as when the organic polymer fine particles are added. As is clear from the above description,
An insulating thin film for a multilayer wiring structure used as a semiconductor element, which has a low dielectric constant, a high adhesion and a high mechanical strength, and a low hygroscopicity, has not been obtained. Furthermore, in the above-mentioned published documents, there is no description about a concept or a specific method regarding thickening of a thin film which is extremely important as a practical characteristic.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
解決するものであって、多孔性シリカ薄膜の比誘電率が
低くて密着性および機械的強度に著しく優れ、かつ低吸
湿性で膜厚の厚い絶縁薄膜用の多孔性シリカ薄膜および
その用途を提供するものである。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and has a low relative dielectric constant of a porous silica thin film, remarkably excellent adhesion and mechanical strength, and a film having low hygroscopicity. It is intended to provide a porous silica thin film for a thick insulating thin film and its use.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決すべ
く、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、多孔性シリカ
薄膜の空孔率が高くて、空孔サイズがナノメーターサイ
ズであり、さらに構造中に特定量のSi−CH3 結合を
もち、かつCH3 基の運動性が適度に抑制されているこ
とで、低誘電率で低吸湿、かつ密着力や機械的強度に著
しく優れた多孔性の絶縁膜材料が得られること、さらに
薄膜製造用の塗布液組成を調節することにより厚膜化で
きることを見出し、本発明を完成するに至った。したが
って、本発明の目的は、比誘電率が低く、密着力や機械
的強度に優れ、低吸湿で、膜厚が実用上十分である絶縁
膜材料およびその用途を提供することにある。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present inventors have made intensive studies and as a result, the porosity of the porous silica thin film is high, and the porosity of the porous silica thin film is nanometer size. There further structure has Si-CH 3 bonds of a specific amount in and by movement of the CH 3 group is moderately suppressed, low moisture absorption in a low dielectric constant, and significantly adhesion and mechanical strength The present inventors have found that an excellent porous insulating film material can be obtained, and that the film thickness can be increased by adjusting the composition of a coating solution for producing a thin film. Thus, the present invention has been completed. Accordingly, an object of the present invention is to provide an insulating film material having a low relative dielectric constant, excellent adhesion and mechanical strength, low moisture absorption, and a practically sufficient film thickness, and its use.

【0012】本発明の上記およびその他の諸目的、諸特
性ならびに諸利益は、以下に述べる詳細な説明から明ら
かになる。本発明の理解を容易にするために、本発明の
基本的諸特徴および好ましい態様を列挙する。 1.シリカ構造中に空孔を有する多孔性シリカ薄膜であ
って、空孔率が30〜80%、最大孔径が10nm以下
であり、構造中に緩和時間が0.5秒〜10秒であるS
i原子と結合したCH3 基を2重量%以上含み、膜厚が
0.5μm〜10μmであることを特徴とする多孔性シ
リカ薄膜。 2.多孔性シリカ薄膜の空孔率が40〜70%であるこ
とを特徴とする上記1.に記載の多孔性シリカ薄膜。 3.CH3 基の炭素の緩和時間が0.7〜3秒であるこ
とを特徴とする前記1.又は2.の多孔性シリカ薄膜。 4.膜厚が0.5μm〜5μmであることを特徴とする
前記1.〜3.のいずれかの多孔性シリカ薄膜。 5.複数の絶縁層およびその上に形成された配線を包含
し、該絶縁層の少なくとも1層が前記1.〜4.の多孔
性シリカ薄膜より構成されてなることを特徴とする多層
配線構造体。 6.前記5.の多層配線構造体を包含してなる半導体素
子。
The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description. To facilitate understanding of the present invention, basic features and preferred embodiments of the present invention are listed. 1. A porous silica thin film having pores in a silica structure, having a porosity of 30 to 80%, a maximum pore diameter of 10 nm or less, and a relaxation time of 0.5 to 10 seconds in the structure.
A porous silica thin film containing at least 2% by weight of a CH 3 group bonded to an i atom and having a thickness of 0.5 μm to 10 μm. 2. (1) The porosity of the porous silica thin film is 40 to 70%. 3. The porous silica thin film according to 1. 3. (1) The relaxation time of carbon in the CH 3 group is 0.7 to 3 seconds. Or 2. Porous silica thin film. 4. (1) The film thickness is 0.5 μm to 5 μm. ~ 3. The porous silica thin film of any one of the above. 5. Including a plurality of insulating layers and wiring formed thereon, at least one of the insulating layers has the above-mentioned 1. ~ 4. A multilayer wiring structure characterized by comprising a porous silica thin film of the above. 6. 5. Semiconductor device including the multilayer wiring structure of the above.

【0013】以下、本発明を詳細に説明する。尚、本明
細書中で用いられるシリカとは珪素酸化物(SiO2
のほかに珪素上に炭化水素や水素原子を有する次の構造
式で表されるものを含む。 R1 x y SiO(2-(x+y)/2) ( 式中、R1 は炭素数1から8の直鎖状、分岐状および
環状アルキル基、または芳香族基を表し、0≦x≦2、
yは0または1である。) 本発明で得られる多孔性シリカ薄膜の特徴は、まず30
〜80%の空孔率を有することである。本発明の効果が
より顕著に発現される空孔率は40〜70%である。シ
リカの化学構造にも依存するが、空孔率が30%以下で
あると比誘電率が高くなりすぎて、絶縁薄膜として適さ
ない。逆に空孔率が80%を超えると、密着力や機械的
強度が実用レベルに達しない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The silica used in the present specification is silicon oxide (SiO 2 ).
And those having a hydrocarbon or hydrogen atom on silicon and represented by the following structural formula. R 1 x H y SiO (2- (x + y) / 2) (wherein, R 1 represents a linear, branched or cyclic alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, or an aromatic group, and 0 ≦ x ≦ 2,
y is 0 or 1. The characteristics of the porous silica thin film obtained by the present invention are as follows.
80% porosity. The porosity at which the effect of the present invention is more remarkably exhibited is 40 to 70%. Although it depends on the chemical structure of silica, if the porosity is 30% or less, the relative dielectric constant becomes too high, and it is not suitable as an insulating thin film. Conversely, if the porosity exceeds 80%, the adhesion and mechanical strength will not reach practical levels.

【0014】多孔性シリカの機械強度や密着力を上げる
ためには、多孔体に特有の孔の大きさおよび孔径分布を
制御することが重要である。一般に多孔体中に大きな孔
が存在すると、その部分が応力の集中するような欠損点
となり、高機械的強度は発現されない。場合によって
は、ミクロクラックの発生から構造自体の破壊へとつな
がり、好ましくない。このような大孔径の空孔ができる
原因はいろいろ考えられるが、文献「Sol−Gel
Science(C.J.Brinker &G.W.
Scherer著、Academic Press、1
990年発行)」によれば、シリカの構成単位である粒
子状のシリカゾルの粒径が大きい場合、粒子間の隙間に
大空孔ができやすいとある。これに対して本発明の多孔
性シリカゲル薄膜の場合には、最大孔径が10nm以下
の細孔しか存在しないが、これはゾル粒子径が小さくか
つ均一なため、ゾル同士の最密充填が可能となったため
と考えられる。この場合であると、応力が集中する個所
がないので、高機械的強度は損なわれない。
In order to increase the mechanical strength and adhesion of the porous silica, it is important to control the pore size and pore size distribution peculiar to the porous body. Generally, when a large hole is present in a porous body, the portion becomes a defect point where stress concentrates, and high mechanical strength is not exhibited. In some cases, the generation of microcracks leads to the destruction of the structure itself, which is not preferable. There are various possible causes for the formation of such large pores, but the literature "Sol-Gel"
Science (CJ Brinker & GW.
Academic Press, 1 by Scherer
990), that, when the particle size of the particulate silica sol, which is a constituent unit of silica, is large, large pores are likely to be formed in gaps between the particles. On the other hand, in the case of the porous silica gel thin film of the present invention, only pores having a maximum pore diameter of 10 nm or less are present. However, since the sol particle diameter is small and uniform, close packing between sols is possible. It is thought that it became. In this case, since there is no place where stress concentrates, high mechanical strength is not impaired.

【0015】機械的強度を上げる上で、孔径の制御と同
様に重要なものとして、多孔体ゲル骨格の構造強化があ
る。本発明の多孔性シリカ薄膜には、後述するように吸
湿性を改善する目的で構造中にSi−CH3 結合が導入
されているが、13C−NMRから求めたこのメチル基炭
素の緩和時間は0.5秒から10秒である。より好まし
くは0.7〜3秒である。CH3 基の緩和時間がこのよ
うな範囲になると、本発明の多孔性シリカの運動性が適
度に抑制されている、言い換えるとシリカ骨格構造が緻
密になっていることを示している。このために、高機械
的強度が発現される。緩和時間が0.5秒以下である
と、外部応力に対する骨格強度が十分でなく、高機械的
強度は発現されない。逆に緩和時間が10秒以上である
と、多孔性薄膜の空孔率が、本発明の下限である30%
よりも小さくなってしまう。本発明の他の特徴として、
シリカゲル薄膜中にSi−CH3 結合に由来するCH3
基が少なくとも2重量%含まれることである。これによ
り薄膜の吸湿性は格段に改善される。メチル基含有量と
して2重量%以下であると、吸湿性が極端に悪化するの
で好ましくない。
In order to increase the mechanical strength, as important as the control of the pore size, there is a structural reinforcement of the porous gel skeleton. In the porous silica thin film of the present invention, a Si-CH 3 bond is introduced into the structure for the purpose of improving the hygroscopicity as described later, but the relaxation time of the methyl-based carbon determined from 13 C-NMR is determined. Is 0.5 to 10 seconds. More preferably, it is 0.7 to 3 seconds. When the relaxation time of the CH 3 group falls within such a range, it indicates that the mobility of the porous silica of the present invention is appropriately suppressed, in other words, the silica skeleton structure is dense. For this reason, high mechanical strength is exhibited. If the relaxation time is 0.5 seconds or less, the skeletal strength against external stress is not sufficient, and high mechanical strength is not exhibited. On the other hand, when the relaxation time is 10 seconds or more, the porosity of the porous thin film is reduced to 30% which is the lower limit of the present invention.
Will be smaller than As another feature of the present invention,
CH 3 derived from Si-CH 3 bond in silica gel thin film
At least 2% by weight of the group. This significantly improves the hygroscopicity of the thin film. When the content of the methyl group is 2% by weight or less, the hygroscopicity is extremely deteriorated, which is not preferable.

【0016】次に本発明である多孔性シリカゲル薄膜の
製造法について説明する。本発明において用いることが
できるアルコキシシランの具体的な例としては、まずS
i原子上にCH3 を有する、例えば、メチルトリメトキ
シシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロ
ポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、ジメチルジ
メトキシシラン、ジメチルジエトキシシランやメチルエ
チルジメトキシシラン、メチルエチルジエトキシシラン
などが挙げられる。更に、トリメチルメトキシシラン、
トリメチルエトキシシランなどでもよい。これらのアル
コキシシランは最終製品である多孔性シリカゲル中に、
Si−CH3 のCH3 基の重量として、少なくとも2重
量%以上含まれていなければならない。2重量%より少
ないと、吸湿性が著しく悪化する。CH3 基量が22重
量%を越えると機械的強度が損なわれる場合があるので
好ましくない。
Next, a method for producing a porous silica gel thin film according to the present invention will be described. Specific examples of alkoxysilanes that can be used in the present invention include:
having CH 3 on the i atom, for example, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltripropoxysilane, methyltributoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, methylethyldimethoxysilane, methylethyldiethoxysilane And the like. Further, trimethylmethoxysilane,
Trimethylethoxysilane may be used. These alkoxysilanes are contained in the final product, porous silica gel,
It must be contained at least 2% by weight or more as the weight of the CH 3 group of Si—CH 3 . If the amount is less than 2% by weight, the hygroscopicity is significantly deteriorated. If the amount of CH 3 groups exceeds 22% by weight, the mechanical strength may be impaired, which is not preferable.

【0017】本発明中で、メチル基以外の基を有するア
ルコキシシランで好適なものに、テトラメトキシシラ
ン、テトラエトキシシラン、テトラ(n−プロポキシ)
シラン、テトラ(i−プロポキシ)シラン、テトラ(n
−ブトキシ)シラン、テトラ(t−ブトキシ)シラン、
トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、フェニルト
リメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフ
ェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラ
ン、ビス(トリメトキシシリル)メタン、ビス(トリエ
トキシシリル)メタン、1,2−ビス(トリメトキシシ
リル)エタン、1,2−ビス(トリエトキシシリル)エ
タン、1,4−ビス(トリメトキシシリル)ベンゼン、
1,4−ビス(トリエトキシシリル)ベンゼンなどが挙
げられる。この中でも特に好ましいのがテトラメトキシ
シラン、テトラエトキシシラン、トリメトキシシラン、
トリエトキシシランである。アルコキシシラン類の部分
加水分解物を原料としてもよい。
In the present invention, preferred alkoxysilanes having a group other than a methyl group include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetra (n-propoxy)
Silane, tetra (i-propoxy) silane, tetra (n
-Butoxy) silane, tetra (t-butoxy) silane,
Trimethoxysilane, triethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, bis (trimethoxysilyl) methane, bis (triethoxysilyl) methane, 1,2-bis (tri Methoxysilyl) ethane, 1,2-bis (triethoxysilyl) ethane, 1,4-bis (trimethoxysilyl) benzene,
1,4-bis (triethoxysilyl) benzene and the like. Among these, particularly preferred are tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, trimethoxysilane,
Triethoxysilane. A partially hydrolyzed product of alkoxysilanes may be used as a raw material.

【0018】さらに、得られる多孔性シリカ薄膜を改質
するために、ケイ素原子上に2〜3個の水素、アルキル
基又はアリール基をもつアルコキシシランを上記のアル
コキシシラン類に混合することも可能である。例えば、
トリエチルメトキシシラン、トリエチルエトキシシラ
ン、トリプロピルメトキシシラン、トリフェニルメトキ
シシラン、トリフェニルエトキシシラン、フェニルジメ
チルメトキシシラン、フェニルジメチルエトキシシラ
ン、ジフェニルメチルメトキシシラン、ジフェニルメチ
ルエトキシシランなどが挙げれる。混合する量は、原料
のアルコキシシラン類の全モル数のうち80モル%以下
となるようにする。80モル%を超えるとゲル化しない
場合がある。
Further, in order to modify the obtained porous silica thin film, it is also possible to mix an alkoxysilane having two or three hydrogens, alkyl groups or aryl groups on silicon atoms with the above-mentioned alkoxysilanes. It is. For example,
Examples include triethylmethoxysilane, triethylethoxysilane, tripropylmethoxysilane, triphenylmethoxysilane, triphenylethoxysilane, phenyldimethylmethoxysilane, phenyldimethylethoxysilane, diphenylmethylmethoxysilane, diphenylmethylethoxysilane, and the like. The amount to be mixed is adjusted to be 80 mol% or less of the total number of moles of the raw material alkoxysilanes. If it exceeds 80 mol%, gelation may not occur.

【0019】本発明において、好適に用いられる有機ポ
リマーとしては、分子内に少なくとも一つの重合可能な
官能基を有する有機ポリマーである。有機ポリマーとし
ては分子鎖中に少なくとも1つの重合性官能基を有する
ものであれば、特別限定されることなく、具体例として
は、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、
ポリアンハイドライド、ポリアミド、ポリウレタン、ポ
リウレア、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、
ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル、ポリア
クリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリアクリロニ
トリル、ポリメタクリロニトリル、ポリオレフィン、ポ
リジエン、ポリビニルエーテル、ポリビニルケトン、ポ
リビニルアミド、ポリビニルアミン、ポリビニルエステ
ル、ポリビニルアルコール、ポリハロゲン化ビニル、ポ
リハロゲン化ビニリデン、ポリスチレン、ポリシロキサ
ン、ポリスルフィド、ポリスルホン、ポリイミン、ポリ
イミド、セルロース、およびこれらの誘導体を主たる構
成成分とするポリマーが挙げられる。これらのポリマー
の構成単位であるモノマーどうしの共重合体や、その他
の任意のモノマーとの共重合体を用いてもよい。また有
機ポリマーは1種類でも2種類以上を併用してもよい。
In the present invention, an organic polymer suitably used is an organic polymer having at least one polymerizable functional group in a molecule. The organic polymer is not particularly limited as long as it has at least one polymerizable functional group in a molecular chain. Specific examples thereof include polyether, polyester, polycarbonate, and the like.
Polyanhydride, polyamide, polyurethane, polyurea, polyacrylic acid, polyacrylate,
Polymethacrylic acid, polymethacrylic acid ester, polyacrylamide, polymethacrylamide, polyacrylonitrile, polymethacrylonitrile, polyolefin, polydiene, polyvinyl ether, polyvinyl ketone, polyvinyl amide, polyvinyl amine, polyvinyl ester, polyvinyl alcohol, polyvinyl halide , A polyhalide, a polystyrene, a polysiloxane, a polysulfide, a polysulfone, a polyimine, a polyimide, a cellulose, and a polymer having a derivative thereof as a main component. Copolymers of monomers that are constituent units of these polymers or copolymers with any other monomer may be used. One or more organic polymers may be used in combination.

【0020】上記のポリマーの中でも好適に用いられる
ものは、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネー
ト、ポリアンハイドライド、ポリアミド、ポリウレタ
ン、ポリウレア、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エス
テル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル、
ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリビニ
ルアミド、ポリビニルアミン、ポリビニルエステル、ポ
リビニルアルコール、ポリイミン、ポリイミドを主たる
構成成分とするものである。更に、後述するように加熱
焼成によって多孔性シリカに変換する場合には、熱分解
温度の低い脂肪族ポリエーテル、脂肪族ポリエステル、
脂肪族ポリカーボネート、脂肪族ポリアンハイドライド
を主たる構成成分とするものを用いるのが特に好まし
い。
Among the above-mentioned polymers, those preferably used are polyether, polyester, polycarbonate, polyanhydride, polyamide, polyurethane, polyurea, polyacrylic acid, polyacrylate, polymethacrylic acid, polymethacrylic ester,
Polyacrylamide, polymethacrylamide, polyvinylamide, polyvinylamine, polyvinylester, polyvinylalcohol, polyimine, and polyimide are main components. Further, when converted to porous silica by heating and calcination as described below, aliphatic polyether having a low thermal decomposition temperature, aliphatic polyester,
It is particularly preferable to use one containing aliphatic polycarbonate and aliphatic polyanhydride as main components.

【0021】重合可能な官能基としては、ビニル基、ビ
ニリデン基、ビニレン基、グリシジル基、アリル基、ア
クリレート基、メタクリレート基、アクリルアミド基、
メタクリルアミド基、カルボキシル基、ヒドロキシル
基、イソシアネート基、アミノ基、イミノ基、ハロゲン
基などが挙げられる。これらの官能基はポリマーの主鎖
中にあっても末端にあっても側鎖にあってもよく、また
ポリマー鎖に直接結合していてもよいし、アルキレン基
やエーテル基などのスペーサーを介して結合していても
よい。同一のポリマー分子が1種類の官能基を有してい
ても、2種類以上の官能基を有していてもよい。上に挙
げた官能基の中でも、ビニル基、ビニリデン基、ビニレ
ン基、グリシジル基、アリル基、アクリレート基、メタ
クリレート基、アクリルアミド基、メタクリルアミド基
が好適に用いられる。
Examples of the polymerizable functional group include a vinyl group, a vinylidene group, a vinylene group, a glycidyl group, an allyl group, an acrylate group, a methacrylate group, an acrylamide group,
Examples include a methacrylamide group, a carboxyl group, a hydroxyl group, an isocyanate group, an amino group, an imino group, and a halogen group. These functional groups may be in the main chain, at the terminal, or in the side chain of the polymer, may be directly bonded to the polymer chain, or may be bonded to the polymer chain via a spacer such as an alkylene group or an ether group. May be combined. The same polymer molecule may have one type of functional group, or may have two or more types of functional groups. Among the functional groups listed above, vinyl, vinylidene, vinylene, glycidyl, allyl, acrylate, methacrylate, acrylamide, and methacrylamide groups are preferably used.

【0022】本発明で好適に用いることができる有機ポ
リマーの基本骨格の具体的な例を以下に挙げる。なお、
以下でアルキレンとはメチレン、エチレン、プロピレ
ン、トリメチレン、テトラメチレン、ペンタメチレン、
ヘキサメチレン、イソプロピリデン、1,2−ジメチル
エチレン、2,2−ジメチルトリメチレンを指し、アル
キルとは炭素数1〜8のアルキル基およびフェニル基、
トリル基、アニシル基などのアリール基を指し、(メ
タ)アクリレートとはアクリレートとメタクリレートの
両方を指し、ジカルボン酸とは蓚酸、マロン酸、コハク
酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン
酸、アゼライン酸、セバシン酸などの有機酸を指す。
Specific examples of the basic skeleton of the organic polymer that can be suitably used in the present invention are shown below. In addition,
In the following, alkylene is methylene, ethylene, propylene, trimethylene, tetramethylene, pentamethylene,
Hexamethylene, isopropylidene, 1,2-dimethylethylene, 2,2-dimethyltrimethylene, alkyl refers to an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms and a phenyl group,
Tolyl group, aryl group such as anisyl group, (meth) acrylate refers to both acrylate and methacrylate, dicarboxylic acid is oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, Refers to organic acids such as azelaic acid and sebacic acid.

【0023】 ポリアルキレングリコール(メタ)ア
クリレート、ポリアルキレングリコールジ(メタ)アク
リレート、ポリアルキレングリコールアルキルエーテル
(メタ)アクリレート、ポリアルキレングリコールビニ
ルエーテル、ポリアルキレングリコールジビニルエーテ
ル、ポリアルキレングリコールアルキルエーテルビニル
エーテル、ポリアルキレングリコールグリシジルエーテ
ル、ポリアルキレングリコールジグリシジルエーテル、
ポリアルキレングリコールアルキルエーテルグリシジル
エーテルなどに代表される、末端にアクリレート基、メ
タクリレート基、ビニル基、グリシジル基などの重合可
能な官能基をもつ脂肪族ポリエーテル。
Polyalkylene glycol (meth) acrylate, polyalkylene glycol di (meth) acrylate, polyalkylene glycol alkyl ether (meth) acrylate, polyalkylene glycol vinyl ether, polyalkylene glycol divinyl ether, polyalkylene glycol alkyl ether vinyl ether, polyalkylene Glycol glycidyl ether, polyalkylene glycol diglycidyl ether,
An aliphatic polyether having a polymerizable functional group such as an acrylate group, a methacrylate group, a vinyl group, or a glycidyl group at a terminal, such as a polyalkylene glycol alkyl ether glycidyl ether.

【0024】 ポリカプロラクトン(メタ)アクリレ
ート、ポリカプロラクトンビニルエーテル、ポリカプロ
ラクトングリシジルエーテル、ポリカプロラクトンビニ
ルエステル、ポリカプロラクトングリシジルエステル、
ポリカプロラクトンビニルエステル(メタ)アクリレー
ト、ポリカプロラクトングリシジルエステル(メタ)ア
クリレート、ポリカプロラクトンビニルエステルビニル
エーテル、ポリカプロラクトングリシジルエステルビニ
ルエーテル、ポリカプロラクトンビニルエステルグリシ
ジルエーテル、ポリカプロラクトングリシジルエステル
グリシジルエーテル、などに代表される、片末端あるい
は両末端にアクリレート基、メタクリレート基、ビニル
基、グリシジル基等の重合可能な官能基をもつポリカプ
ロラクトン。
Polycaprolactone (meth) acrylate, polycaprolactone vinyl ether, polycaprolactone glycidyl ether, polycaprolactone vinyl ester, polycaprolactone glycidyl ester,
Represented by polycaprolactone vinyl ester (meth) acrylate, polycaprolactone glycidyl ester (meth) acrylate, polycaprolactone vinyl ester vinyl ether, polycaprolactone glycidyl ester vinyl ether, polycaprolactone vinyl ester glycidyl ether, polycaprolactone glycidyl ester glycidyl ether, and the like. Polycaprolactone having a polymerizable functional group such as an acrylate group, a methacrylate group, a vinyl group, and a glycidyl group at one or both terminals.

【0025】 ポリカプロラクトントリオールの(メ
タ)アクリレート、ジ(メタ)アクリレート、トリ(メ
タ)アクリレート、ビニルエーテル、ジビニルエーテ
ル、トリビニルエーテル、グリシジルエーテル、ジグリ
シジルエーテル、トリグリシジルエーテル。 ジカルボン酸とアルキレングリコールとの重合体で
あり、片末端あるいは両末端にアクリレート基、メタク
リレート基、ビニル基、グリシジル基などの重合可能な
官能基をもつ脂肪族ポリエステル。 片末端あるいは両末端にアクリレート基、メタクリ
レート基、ビニル基、グリシジル基等の重合可能な官能
基をもつ脂肪族ポリアルキレンカーボネート。
(Meth) acrylate, di (meth) acrylate, tri (meth) acrylate, vinyl ether, divinyl ether, trivinyl ether, glycidyl ether, diglycidyl ether, triglycidyl ether of polycaprolactone triol. An aliphatic polyester which is a polymer of a dicarboxylic acid and an alkylene glycol and has a polymerizable functional group such as an acrylate group, a methacrylate group, a vinyl group, or a glycidyl group at one or both terminals. An aliphatic polyalkylene carbonate having a polymerizable functional group such as an acrylate group, a methacrylate group, a vinyl group, or a glycidyl group at one or both terminals.

【0026】 ジカルボン酸無水物の重合体であり、
末端にアクリレート基、メタクリレート基、ビニル基、
グリシジル基等の重合可能な官能基をもつ脂肪族ポリア
ンハイドライド。 ポリグリシジル(メタ)アクリレート、ポリアリル
(メタ)アクリレート、ポリビニル(メタ)アクリレー
ト等、側鎖にビニル基、グリシジル基、アリル基等の官
能基を有するポリアクリル酸エステルやポリメタクリル
酸エステル。 ポリケイ皮酸ビニル、ポリビニルアジドベンザル、エ
ポキシ樹脂等。 これらの中でも、後述するような加熱焼成による多孔質
ケイ素酸化物への変換が容易である、上記〜に示し
た脂肪族ポリエーテル、脂肪族ポリエステル、脂肪族ポ
リカーボネート、脂肪族ポリアンハイドライドなどが特
に好適に用いられる。
A polymer of a dicarboxylic anhydride,
Acrylate group, methacrylate group, vinyl group,
Aliphatic polyanhydride having a polymerizable functional group such as glycidyl group. Polyacrylic esters and polymethacrylic esters having a functional group such as a vinyl group, a glycidyl group, or an allyl group in a side chain, such as polyglycidyl (meth) acrylate, polyallyl (meth) acrylate, and polyvinyl (meth) acrylate; Polyvinyl cinnamate, polyvinyl azidobenzal, epoxy resin, etc. Among these, the aliphatic polyethers, aliphatic polyesters, aliphatic polycarbonates, aliphatic polycarbonates, and the like, which are easily converted to porous silicon oxide by heating and firing as described below, are particularly preferable. Used for

【0027】有機ポリマーの分子量は数平均で100〜
100万であることが好ましい。ここで注目すべきこと
は、多孔性シリカ薄膜の空孔の大きさは、有機ポリマー
の分子量にあまり依存せずに、きわめて小さくかつ均一
なことである。これは高機械強度を発現するためにきわ
めて重要である。本発明における有機ポリマーの添加量
は、アルコキシシラン類1重量部に対して10-2〜10
0重量部、好ましくは10-1〜10重量部、さらに好ま
しくは10-1〜5重量部である。有機ポリマーの添加量
が10-2重量部より少なくても、100重量部より多く
ても、多孔体の特性が現れず実用性に乏しい。
The molecular weight of the organic polymer is from 100 to 100
Preferably, it is one million. It should be noted here that the pore size of the porous silica thin film is extremely small and uniform without depending much on the molecular weight of the organic polymer. This is extremely important for achieving high mechanical strength. The amount of the organic polymer added in the present invention is 10 −2 to 10 based on 1 part by weight of the alkoxysilane.
0 parts by weight, preferably 10 -1 to 10 parts by weight, more preferably 10 -1 to 5 parts by weight. If the amount of the organic polymer is less than 10 -2 parts by weight or more than 100 parts by weight, the properties of the porous body do not appear and the practicability is poor.

【0028】本発明において、アルコキシシラン類の加
水分解には水が必要である。アルコキシシランに対する
水の添加は液体のまま、あるいはアルコールや水溶液と
して加えるのが一般的であるが、水蒸気の形で加えても
かまわない。水の添加を急激におこなうと、アルコキシ
シランの種類によっては加水分解と縮合が速すぎて沈殿
を生じる場合があるため、水の添加に充分な時間をかけ
る、均一化させるためにアルコールなどの溶媒を共存さ
せる、低温で添加する、などの手法が単独または組み合
わせて用いられる。本発明においてアルコキシシランの
加水分解、脱水縮合反応を促進するための触媒として機
能する物質を添加してもよい。触媒として機能しうる物
質の具体例としては、塩酸、硝酸、硫酸、蟻酸、酢酸、
蓚酸、マレイン酸などの酸類が好ましい。
In the present invention, water is required for the hydrolysis of alkoxysilanes. Water is generally added to the alkoxysilane in a liquid state or as an alcohol or an aqueous solution, but may be added in the form of water vapor. If water is added rapidly, hydrolysis and condensation may be too fast depending on the type of alkoxysilane to cause precipitation, so take sufficient time for adding water and use a solvent such as alcohol for homogenization. Are used alone or in combination. In the present invention, a substance that functions as a catalyst for accelerating the hydrolysis and dehydration condensation reaction of alkoxysilane may be added. Specific examples of the substance that can function as a catalyst include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, formic acid, acetic acid,
Acids such as oxalic acid and maleic acid are preferred.

【0029】これらの触媒の添加量はアルコキシシラン
1モルに対して1モル以下、好ましくは10-1モル以下
が適当である。1モルより多いと沈殿物が生成し、均一
な多孔質体が得られない場合がある。本発明において、
薄膜の形成は基板上に、上記の方法によって得られた混
合物を塗布することによって行う。膜形成方法としては
流延、浸漬、スピンコートなどの周知の方法で行うこと
ができるが、半導体素子の多層配線構造体用の絶縁層の
製造に用いるにはスピンコートが好適である。薄膜の厚
さは組成物の粘度や回転速度を変えることによって、
0.1μm〜10μmの範囲で制御できる。10μmよ
り厚いととクラックが発生する場合がある。半導体素子
の多層配線構造体用の絶縁層としては、通常0.5μm
〜5μmの範囲で用いられる。
The addition amount of these catalysts is 1 mol or less, preferably 10 -1 mol or less, per 1 mol of alkoxysilane. If it is more than 1 mol, a precipitate may be formed, and a uniform porous body may not be obtained. In the present invention,
The thin film is formed by applying the mixture obtained by the above method on a substrate. The film can be formed by a well-known method such as casting, immersion, or spin coating, but spin coating is suitable for use in manufacturing an insulating layer for a multilayer wiring structure of a semiconductor element. The thickness of the thin film can be adjusted by changing the viscosity and rotation speed of the composition.
It can be controlled in the range of 0.1 μm to 10 μm. If the thickness is more than 10 μm, cracks may occur. As an insulating layer for a multilayer wiring structure of a semiconductor element, usually 0.5 μm
It is used in the range of 55 μm.

【0030】本発明の多孔性シリカ薄膜の製造におい
て、溶媒の存在は必ずしも必須ではないが、アルコキシ
シラン類と有機ポリマーの両方を溶解するものであれ
ば、本発明の膜厚の厚い多孔体という特徴が溶媒の添加
によって溶液全体が希釈されることによって損なわれな
い程度に用いることができる。用いられる溶媒の例とし
ては、炭素数1〜4の一価アルコール、炭素数1〜4の
二価アルコール、アセトン、メチルエチルケトンなどの
ケトン類、グリセリンなどおよびそれらのエーテルまた
はエステル化物、例えばジエチレングリコール、エチレ
ングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコール
ジメチルエーテル、2−エトキシエタノール、プロピレ
ングリコール、モノメチルエーテル、プロピレングリコ
ールメチルエーテルアセテートあるいはホルムアミド、
N−メチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、
N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホル
ムアミド、N−メチルアセトアミド、N−エチルアセト
アミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエ
チルアセトアミド、N−メチルピロリドン、N−ホルミ
ルモルホリン、N−アセチルモルホリン、N−ホルミル
ピペリジン、N−アセチルピペリジン、N−ホルミルピ
ロリジン、N−アセチルピロリジン、N,N’−ジホル
ミルピペラジン、N,N’−ジアセチルピペラジンなど
のアミド類、γ−ブチロラクトンのようなラクトン類、
テトラメチルウレア、N,N’−ジメチルイミダゾリジ
ノンなどのウレア類などが挙げられる。これらの単独、
または混合物として用いても良い。この中で、スピンコ
ート直後に揮散するので厚膜化の点で好ましい溶媒とし
て、アセトン、メチルエチルケトン、炭素数1〜4の一
価アルコールなどが挙げられる。その他、所望により、
例えば感光性付与のための光触媒発生剤、基板との密着
性を高めるための密着性向上剤、長期保存のための安定
剤など任意の添加物を、本発明の趣旨を損なわない範囲
で本発明の組成物に添加することができる。
In the production of the porous silica thin film of the present invention, the presence of a solvent is not indispensable. However, as long as it dissolves both the alkoxysilanes and the organic polymer, it is referred to as the thick porous body of the present invention. It can be used to the extent that the characteristics are not impaired by dilution of the entire solution by the addition of solvent. Examples of the solvent used include monohydric alcohols having 1 to 4 carbon atoms, dihydric alcohols having 1 to 4 carbon atoms, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, glycerin and the like, and ethers or esters thereof, for example, diethylene glycol, ethylene. Glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, 2-ethoxyethanol, propylene glycol, monomethyl ether, propylene glycol methyl ether acetate or formamide,
N-methylformamide, N-ethylformamide,
N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N-methylacetamide, N-ethylacetamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methylpyrrolidone, N-formylmorpholine, N- Amides such as acetylmorpholine, N-formylpiperidine, N-acetylpiperidine, N-formylpyrrolidine, N-acetylpyrrolidine, N, N'-diformylpiperazine, N, N'-diacetylpiperazine, and γ-butyrolactone Lactones,
Ureas such as tetramethylurea and N, N'-dimethylimidazolidinone. These alone,
Alternatively, they may be used as a mixture. Among them, acetone, methyl ethyl ketone, a monohydric alcohol having 1 to 4 carbon atoms, and the like are preferable as a solvent which evaporates immediately after spin coating and is preferable in terms of increasing the film thickness. Other, if desired
For example, a photocatalyst generator for imparting photosensitivity, an adhesion improver for increasing the adhesion to the substrate, and an optional additive such as a stabilizer for long-term storage, the present invention may be used within a range not to impair the purpose of the present invention. Can be added to the composition.

【0031】基板としてはシリコン、ゲルマニウム等の
半導体基板、ガリウム−ヒ素、インジウム−アンチモン
等の化合物半導体基板等を用いこともできるし、これら
の表面に他の物質の薄膜を形成したうえで用いることも
可能である。この場合、薄膜としては、アルミニウム、
チタン、クロム、ニッケル、銅、銀、タンタル、タング
ステン、オスミウム、白金、金などの金属の他に、二酸
化ケイ素、フッ素化ガラス、リンガラス、ホウ素−リン
ガラス、ホウケイ酸ガラス、多結晶シリコン、アルミ
ナ、チタニア、ジルコニア、窒化シリコン、窒化チタ
ン、窒化タンタル、窒化ホウ素、水素化シルセスキオキ
サン等の無機化合物、メチルシルセスキオキサン、アモ
ルファスカーボン、フッ素化アモルファスカーボン、ポ
リイミド、その他任意の有機ポリマーからなる薄膜を用
いることができる。
As the substrate, a semiconductor substrate of silicon, germanium or the like, a compound semiconductor substrate of gallium-arsenic, indium-antimony, or the like can be used, or a thin film of another substance can be formed on these surfaces before use. Is also possible. In this case, as the thin film, aluminum,
In addition to metals such as titanium, chromium, nickel, copper, silver, tantalum, tungsten, osmium, platinum, and gold, silicon dioxide, fluorinated glass, phosphorus glass, boron-phosphorus glass, borosilicate glass, polycrystalline silicon, and alumina , Titania, zirconia, silicon nitride, titanium nitride, tantalum nitride, boron nitride, inorganic compounds such as silsesquioxane hydride, methyl silsesquioxane, amorphous carbon, fluorinated amorphous carbon, polyimide, and any other organic polymer A thin film can be used.

【0032】以上のようにして得られる塗布液を薄膜状
に形成させ、得られた薄膜中のシリカゾルを50〜30
0℃でゲル化させることによって、シリカ/有機ポリマ
ー複合体( ハイブリッド体) 薄膜を得ることができる。
より好ましいゲル化温度範囲は60〜200℃である。
この温度範囲でゲル化を行うことによって、ゲル化が十
分に進行する。50℃以下であると、ゲル化が十分に進
まないので、収縮が起こるし、構造体の強度が不充分
で、機械的強度が出ない。また有機ポリマーの沁み出し
が起こる場合もある。また300℃以上であると、ハイ
ブリッド体に不要なボイドが生成する場合があり、好ま
しくない。
The coating solution obtained as described above is formed into a thin film, and the silica sol in the obtained thin film is reduced to 50 to 30.
By gelling at 0 ° C., a silica / organic polymer composite (hybrid) thin film can be obtained.
A more preferred gelling temperature range is 60 to 200 ° C.
By performing gelation in this temperature range, gelation proceeds sufficiently. If the temperature is lower than 50 ° C., gelation does not proceed sufficiently, so that shrinkage occurs, the strength of the structure is insufficient, and no mechanical strength is obtained. In addition, seepage of the organic polymer may occur. If the temperature is higher than 300 ° C., unnecessary voids may be generated in the hybrid body, which is not preferable.

【0033】本発明で得られるハイブリッド体の形成に
おける有機ポリマーの役割は重要である。というのは、
有機ポリマーは50〜300℃でゾルからゲルへ移行す
る場合でも実質的に反応系内に残存しているので、ゾル
粒子は膨潤状態のままその大きさや形態を維持しつつゲ
ル体となることができ、その後の工程で有機ポリマーが
ハイブリッド体から抜き去られて多孔体が形成される場
合にその空孔率を十分に高めることができる。さらに、
該ポリマーは分子内に少なくとも一つ以上の重合可能な
官能基を有するので、ゾル内でポリマーがグラフト化ま
たはIPN(3次元網目構造)化し、その結果ゾル/ポ
リマー間で適度な絡まりあいを生じる。この絡まりあい
はハイブリッド体の構造が緻密化し、この状態はゲル体
でも維持されるので、有機ポリマーが除去された後のシ
リカ骨格が緻密化される。
The role of the organic polymer in forming the hybrid obtained in the present invention is important. I mean,
Even when the organic polymer transitions from a sol to a gel at 50 to 300 ° C., it substantially remains in the reaction system, so that the sol particles may become a gel while maintaining their size and shape in a swollen state. When the organic polymer is removed from the hybrid body in a subsequent step to form a porous body, the porosity of the porous body can be sufficiently increased. further,
Since the polymer has at least one or more polymerizable functional groups in the molecule, the polymer is grafted or IPN (three-dimensional network structure) in the sol, resulting in a moderate entanglement between the sol and the polymer. . This entanglement densifies the structure of the hybrid, and this state is maintained in the gel, so that the silica skeleton after the organic polymer is removed is densified.

【0034】本発明における多孔性シリカ薄膜はハイブ
リッド体薄膜に300〜500℃の熱をかけて、有機ス
ペーサーのみを加熱除去することによって得られる。有
機ポリマーの種類によっては、単に蒸散除去されるもの
からポリマー分解を伴って焼成除去されるものがあり、
除去温度は異なるが、より好適な温度は300〜450
℃である。300℃よりも低いと有機スペーサーの除去
が不充分で、有機物の不純物が残るため、誘電率の低い
多孔性シリカ薄膜が得られない危険がある。逆に500
℃よりも高い温度で処理することは強度発現上好ましい
が、この温度をLSIの製造工程で用いるのは不可能で
ある。加熱時間は1分〜24時間の範囲で行うことが好
ましい。1分より少ないとポリマーの蒸散や分解が十分
進行しないので、得られる多孔質シリカ薄膜に不純物と
して有機物が残存し、特性が悪化する。また通常熱分解
や蒸散は24時間以内に終了するので、これ以上長時間
の焼成はあまり意味をなさない。
The porous silica thin film in the present invention can be obtained by applying heat of 300 to 500 ° C. to the hybrid thin film to remove only the organic spacer by heating. Depending on the type of organic polymer, there are those that are simply removed by evaporation and those that are calcined and removed with polymer decomposition,
Although the removal temperature varies, a more preferred temperature is 300-450.
° C. If the temperature is lower than 300 ° C., the removal of the organic spacer is insufficient, and the impurities of the organic substance remain, so that there is a risk that a porous silica thin film having a low dielectric constant cannot be obtained. Conversely 500
Although it is preferable to perform the treatment at a temperature higher than ° C. from the viewpoint of strength development, it is impossible to use this temperature in the LSI manufacturing process. The heating time is preferably in the range of 1 minute to 24 hours. If the time is less than 1 minute, the evaporation and decomposition of the polymer do not proceed sufficiently, so that an organic substance remains as an impurity in the obtained porous silica thin film, and the characteristics are deteriorated. Further, since pyrolysis and transpiration are usually completed within 24 hours, firing for a longer time does not make much sense.

【0035】有機ポリマーの除去は窒素、アルゴン、ヘ
リウムなどの不活性雰囲気下で行ってもよいし、空気中
または酸素ガスを混入させたりといった酸化性雰囲気下
で行うことも可能である。一般的に、酸化性雰囲気を用
いることによって除去温度や時間が低減する傾向にあ
る。また雰囲気中にアンモニア、水素などが存在してい
ると、同時にシリカ中に残存しているシラノール基が反
応して水素化あるいは窒化され、多孔質シリカ薄膜の吸
湿性を低減させ、誘電率の上昇を抑制することもでき
る。
The removal of the organic polymer may be carried out in an inert atmosphere such as nitrogen, argon or helium, or in an oxidizing atmosphere such as in air or by mixing oxygen gas. Generally, the use of an oxidizing atmosphere tends to reduce the removal temperature and time. Also, if ammonia, hydrogen, etc. are present in the atmosphere, the silanol groups remaining in the silica will simultaneously react and be hydrogenated or nitrided, reducing the hygroscopicity of the porous silica thin film and increasing the dielectric constant. Can also be suppressed.

【0036】得られた多孔性シリカ薄膜をシリル化剤で
処理すると、吸水性が抑えられ、さらに誘電率の安定化
が可能になるし、また他の物質との接着性を向上させた
りできる。用いることのできるシリル化剤の例として
は、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシ
ラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシ
シラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキ
シシラン、ジメチルエトキシシラン、メチルジエトキシ
シラン、ジメチルビニルメトキシシラン、ジメチルビニ
ルエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフ
ェニルジエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラ
ン、フェニルトリエトキシシランなどのアルコキシシラ
ン類、トリメチルクロロシラン、ジメチルジクロロシラ
ン、メチルトリクロロシラン、メチルジクロロシラン、
ジメチルクロロシラン、ジメチルビニルクロロシラン、
メチルビニルジクロロシラン、メチルクロロジシラン、
トリフェニルクロロシラン、メチルジフェニルクロロシ
ラン、ジフェニルジクロロシランなどのクロロシラン
類、ヘキサメチルジシラザン、N,N’−ビス(トリメ
チルシリル)ウレア、N−トリメチルシリルアセトアミ
ド、ジメチルトリメチルシリルアミン、ジエチルトリエ
チルシリルアミン、トリメチルシリルイミダゾールなど
のシラザン類などが挙げられる。シリル化の方法は塗
布、浸漬、蒸気暴露などの方法で行う。
When the obtained porous silica thin film is treated with a silylating agent, the water absorption is suppressed, the dielectric constant can be stabilized, and the adhesion to other substances can be improved. Examples of silylating agents that can be used include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, dimethylethoxysilane, methyldiethoxysilane, dimethylvinyl Alkoxysilanes such as methoxysilane, dimethylvinylethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, diphenyldiethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, trimethylchlorosilane, dimethyldichlorosilane, methyltrichlorosilane, methyldichlorosilane,
Dimethylchlorosilane, dimethylvinylchlorosilane,
Methylvinyldichlorosilane, methylchlorodisilane,
Chlorosilanes such as triphenylchlorosilane, methyldiphenylchlorosilane and diphenyldichlorosilane, hexamethyldisilazane, N, N'-bis (trimethylsilyl) urea, N-trimethylsilylacetamide, dimethyltrimethylsilylamine, diethyltriethylsilylamine, and trimethylsilylimidazole; Silazane and the like. The silylation method is performed by a method such as coating, dipping, and steam exposure.

【0037】以上の方法により得られた多孔性シリカ薄
膜は、まずその構造が空孔率が大きく、孔径は小さくか
つ均一で、かつシリカ骨格が強固であるため、密着性お
よび機械的強度は極めて高く、さらに低吸湿を示し、さ
らに厚膜化も可能であるのでLSI多層配線用基板や半
導体素子の絶縁膜用として最適である。一例として、膜
厚が1.0μm、空孔率が51%で誘電率が2.0、平
均孔径が2.4nmで、10nm以上の孔が実質上存在
せず、引っ張り強度は40MPa(密着力は40MPa
以上)であり、実用上極めて優れた多孔性シリカ絶縁薄
膜が得られた。相対湿度100%の雰囲気中に24時間
さらした後の比誘電率は2.05であり、ほとんど変化
しなかった。本発明により得られる多孔性シリカ薄膜
は、薄膜以外のバルク状の多孔性シリカ体、たとえば光
学的膜や触媒担体はじめ断熱材、吸収剤、カラム充填
材、ケーキング防止剤、増粘剤、顔料、不透明化剤、セ
ラミック、防煙剤、研磨剤、歯磨剤などとして使用する
ことも可能である。
The porous silica thin film obtained by the above method has a large porosity, a small and uniform pore size, and a strong silica skeleton. Therefore, the adhesion and the mechanical strength are extremely low. Since it is high, exhibits low moisture absorption, and can be made thicker, it is most suitable for an LSI multilayer wiring substrate or an insulating film of a semiconductor element. As an example, the film thickness is 1.0 μm, the porosity is 51%, the dielectric constant is 2.0, the average pore size is 2.4 nm, there is substantially no pore of 10 nm or more, and the tensile strength is 40 MPa (adhesion force). Is 40MPa
As described above, a practically excellent porous silica insulating thin film was obtained. The relative dielectric constant after exposure to an atmosphere having a relative humidity of 100% for 24 hours was 2.05, and hardly changed. The porous silica thin film obtained by the present invention is a bulk porous silica body other than a thin film, such as an optical film or a catalyst carrier as well as a heat insulating material, an absorbent, a column filler, a caking inhibitor, a thickener, a pigment, It can also be used as an opacifier, ceramic, smoke suppressant, abrasive, dentifrice and the like.

【0038】[0038]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を示すが、
本発明の範囲はこれらにより何ら限定されるものではな
い。多孔質シリカ薄膜の評価は下記の装置を用いて行っ
た。 (1)空孔率、平均孔径、孔径分布:シリコンウェハー
上の薄膜を削り取って、窒素吸着式ポロシメーター(ク
アンタクローム社製オートソーブ1)を用いて測定し
た。空孔率は、あらかじめ用意したバルク体の密度との
比較から求めた。最大孔径はV/r値で10-3以下にな
った孔径を採用した。 (2)比誘電率:TiNを表面に形成したシリコンウェ
ハー上に多孔質膜を形成後、この薄膜の上部にSUS
(ステンレス鋼)製のマスクを通してアルミニウムを蒸
着し、直径1.7mmの電極を作製し、インピーダンス
アナライザを用いて1MHzにおける比誘電率(k)を
求めた。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below.
The scope of the present invention is not limited by these. The evaluation of the porous silica thin film was performed using the following apparatus. (1) Porosity, average pore size, pore size distribution: A thin film on a silicon wafer was scraped off and measured using a nitrogen adsorption porosimeter (Autosorb 1 manufactured by Quantachrome). The porosity was determined by comparison with the density of a previously prepared bulk body. The maximum pore diameter used was a pore diameter having a V / r value of 10 -3 or less. (2) Relative permittivity: After forming a porous film on a silicon wafer having TiN formed on its surface, a SUS
Aluminum was vapor-deposited through a (stainless steel) mask to form an electrode having a diameter of 1.7 mm, and the relative dielectric constant (k) at 1 MHz was determined using an impedance analyzer.

【0039】(3)CH3 の含有率:CH3 の含有量の
算出はシリコンウェハーから削り取った既知量の粉末
と、これに対して一定重量比で加えたNaHCO3を混合し、
その混合物を固体 1H−NMR測定を行い、それぞれの
シグナル面積から求めた。 1H−NMRの測定はマジッ
ク角回転(10000Hz )、パルス幅5 (μsec)、遅延時間
10(sec) 、積算回数100回で行った。 (4)CH3 基炭素の緩和時間(T1ρC):T1ρC
の算出はシリコンウェハーから削りとった粉末を核磁気
共鳴分析(MSL400, Bruker社製)で求めた。T1ρCの
測定は 1H−13C交差分極(CP)、マジック角回転(5000H
z)、 1H照射デカップリング法を併用した。遅延時間4
s、接触時間1ms で行い、スピンロック時間を様々に変
化させ、それぞれ積算回数200 回で行い、得られたシグ
ナル強度からT1ρCを求めた。
[0039] (3) CH 3 content rate: Calculation of the content of CH 3 were mixed with a known amount of powder scraped from the silicon wafer, a NaHCO 3 was added at a constant weight ratio to this,
The mixture was subjected to solid-state 1 H-NMR measurement and determined from each signal area. 1 H-NMR measurements were performed with magic angle rotation (10000 Hz), pulse width of 5 (μsec), delay time of 10 (sec), and 100 integrations. (4) Relaxation time (T1ρC) of CH 3 group carbon: T1ρC
Was calculated by nuclear magnetic resonance analysis (MSL400, manufactured by Bruker) of a powder scraped from a silicon wafer. Measurements of T1ρC is 1 H- 13 C cross polarization (CP), magic-angle spinning (5000H
z), 1 H irradiation decoupling method was used in combination. Delay time 4
s, the contact time was 1 ms, the spin lock time was variously changed, and each was performed 200 times, and T1ρC was determined from the obtained signal intensity.

【0040】(5)機械的強度(密着性、引っ張り強
度):膜の密着性および引っ張り強度はシリコンウェハ
ー上の膜に10nmの膜厚でチタンをスパッタし、チタ
ン膜の上にエポキシ樹脂で鋲を接着して5つの資料を作
成して、引っ張り試験機で5つの資料の平均値として評
価した。測定温度は25℃である。 (6)吸湿性:相対湿度100%の雰囲気中に24時間
さらした前後の比誘電率の差から判断した。
(5) Mechanical strength (adhesiveness, tensile strength): The adhesiveness and tensile strength of the film were measured by sputtering titanium on a film on a silicon wafer to a thickness of 10 nm, and tacking the titanium film with an epoxy resin. Were adhered to prepare five materials, and evaluated as an average value of the five materials by a tensile tester. The measurement temperature is 25 ° C. (6) Hygroscopicity: Judgment was made based on the difference in relative dielectric constant before and after exposure to an atmosphere having a relative humidity of 100% for 24 hours.

【0041】[0041]

【実施例1】テトラエトキシシラン1.2g(5.8m
mol)、メチルトリメトキシシラン6.3g(46.
2mmol)とポリエチレングリコールモノメタクリレ
ート(分子量400)5.2gを、メタノール8.0
g、γ−ブチロラクトン3.0g、プロピレングリコー
ルメチルエーテルアセテート2.0gの混合溶媒に溶解
後、この溶液に水2.5gと0.1N硫酸1.5gを加
え、室温で2時間攪拌した。この溶液3gにジクミルパ
ーオキサイドを0.01g添加した後で、窒化ケイ素薄
膜を化学気相成長法で予め成膜しておいた6インチシリ
コンウェハー上に、1300rpmで10秒間スピンコ
ートで塗布した。次にホットプレート上、大気中120
℃で3分間加熱後、窒素雰囲気下200℃にて1時間、
次いで450℃で1時間、キュア炉にて加熱処理し、厚
さ1μmの多孔性シリカ薄膜を得た。
Example 1 1.2 g of tetraethoxysilane (5.8 m
mol), 6.3 g of methyltrimethoxysilane (46.
2 mmol) and 5.2 g of polyethylene glycol monomethacrylate (molecular weight 400) were added to 8.0 parts of methanol.
g, 3.0 g of γ-butyrolactone and 2.0 g of propylene glycol methyl ether acetate were dissolved in the mixed solvent, and 2.5 g of water and 1.5 g of 0.1 N sulfuric acid were added to the solution, followed by stirring at room temperature for 2 hours. After adding 0.01 g of dicumyl peroxide to 3 g of this solution, a silicon nitride thin film was spin-coated at 1300 rpm for 10 seconds on a 6-inch silicon wafer previously formed by a chemical vapor deposition method. . Next, on a hot plate, in the atmosphere 120
After heating for 3 minutes at 200 ° C for 1 hour at 200 ° C under a nitrogen atmosphere,
Then, heat treatment was performed in a curing furnace at 450 ° C. for 1 hour to obtain a porous silica thin film having a thickness of 1 μm.

【0042】得られた多孔性シリカ薄膜の窒素吸着によ
って求められた空隙率は51%であり、平均孔径2.4
nm、10nm以上の孔は事実上存在しないことがわか
った。また、同様にしてTiN膜上に形成した多孔質膜
の1MHzにおける比誘電率は2.0であり、SiO2
の誘電率である4.5を大きく下回っていた。相対湿度
100%の雰囲気中に24時間さらした後の比誘電率は
2.05であり、ほとんど変化しなかった。シリカ薄膜
中のCH3 基濃度は19.7重量%で、CH3 炭素の緩
和時間は1.5秒であり、シリカ骨格が十分に強固なも
のであることが分かる。さらに得られた薄膜の密着性お
よび引っ張り強度は40MPaであり(破断が材料の凝
集破壊なので、密着力は40MPa 以上と判断でき
る)、この多孔性シリカ薄膜は半導体層間絶縁膜材料と
して好ましい膜厚、誘電率、細孔径、細孔分布および高
機械的強度と低吸湿性を有するものである。
The porosity of the obtained porous silica thin film determined by nitrogen adsorption was 51%, and the average pore diameter was 2.4.
It was found that pores with a diameter of 10 nm or more were practically absent. The dielectric constant at 1MHz of the porous film formed on the TiN film in the same manner is 2.0, SiO 2
Was significantly lower than the dielectric constant of 4.5. The relative dielectric constant after exposure to an atmosphere having a relative humidity of 100% for 24 hours was 2.05, and hardly changed. The CH 3 group concentration in the silica thin film was 19.7% by weight, the relaxation time of CH 3 carbon was 1.5 seconds, and it was found that the silica skeleton was sufficiently strong. Further, the adhesiveness and tensile strength of the obtained thin film are 40 MPa (since the fracture is a cohesive failure of the material, the adhesive force can be determined to be 40 MPa or more). This porous silica thin film has a preferable thickness as a semiconductor interlayer insulating film material, It has dielectric constant, pore size, pore distribution, high mechanical strength and low hygroscopicity.

【0043】[0043]

【実施例2】実施例1において、テトラエトキシラン
4.8g(23.0mmol)、メチルトリメトキシシ
ラン4.2g(30.8mmol)とする以外は同様の
手法で塗布液を調整し、厚み1.1μmの多孔性シリカ
薄膜を得た。TiN膜上に形成した多孔質膜の比誘電率
は2.2であり、相対湿度100%の雰囲気中に24時
間さらした後の比誘電率は2.25であった。シリコン
ウェハー上に塗布し得られた薄膜の平均孔径は3.1n
mで10nm以上の孔は存在しなかった。薄膜中のCH
3 含有率は11.5重量%で、CH3 炭素の緩和時間は
2.5秒であり、シリカ骨格が十分に強固なものであ
る。さらに引っ張り強度は45MPa (密着力は45M
Pa 以上)であった。従って得られた多孔性シリカ薄膜
は半導体層間絶縁膜材料として好ましい特性を有するも
のである。
Example 2 A coating solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that 4.8 g (23.0 mmol) of tetraethoxysilane and 4.2 g (30.8 mmol) of methyltrimethoxysilane were used. A 1 μm porous silica thin film was obtained. The relative dielectric constant of the porous film formed on the TiN film was 2.2, and the relative dielectric constant after exposure to an atmosphere having a relative humidity of 100% for 24 hours was 2.25. The average pore size of the thin film obtained by coating on a silicon wafer is 3.1 n.
There were no pores larger than 10 nm in m. CH in thin film
3 The content is 11.5% by weight, the relaxation time of CH 3 carbon is 2.5 seconds, and the silica skeleton is sufficiently strong. Furthermore, the tensile strength is 45MPa (adhesion strength is 45M
Pa or more). Therefore, the obtained porous silica thin film has preferable characteristics as a semiconductor interlayer insulating film material.

【0044】[0044]

【実施例3】実施例1において、有機ポリマーをポリエ
チレングリコールジメタクリレート(分子量400)
5.2gとする以外は同様の手法で、厚み0.95μm
のシリカ薄膜を得た。TiN膜上に形成した多孔質膜の
比誘電率は1.9であり、相対湿度100%の雰囲気中
に24時間さらした後の比誘電率は1.95であった。
シリコンウェハー上に塗布して得られた薄膜の平均孔径
は2.5nmで10nm以上の孔は存在しなかった。ま
た薄膜中のCH3 含有率は20.3重量%で、CH3
素の緩和時間は1.1秒であり、シリカの骨格強度は、
高機械的強度を発現する上で満足できるものである。さ
らに引っ張り強度は41MPa (密着力は41MPa 以
上)であった。従って得られた多孔性シリカ薄膜は半導
体層間絶縁膜材料として好ましい膜厚、誘電率、細孔
径、細孔径分布および優れた機械的強度を有するもので
ある。
Example 3 In Example 1, the organic polymer was changed to polyethylene glycol dimethacrylate (molecular weight: 400).
With the same method except that the weight is 5.2 g, the thickness is 0.95 μm.
Was obtained. The relative dielectric constant of the porous film formed on the TiN film was 1.9, and the relative dielectric constant after exposure to an atmosphere having a relative humidity of 100% for 24 hours was 1.95.
The thin film obtained by coating on a silicon wafer had an average pore diameter of 2.5 nm and no pores of 10 nm or more were present. The content of CH 3 in the thin film was 20.3% by weight, the relaxation time of CH 3 carbon was 1.1 seconds, and the skeleton strength of silica was:
It is satisfactory in exhibiting high mechanical strength. Further, the tensile strength was 41 MPa (adhesion force was 41 MPa or more). Therefore, the obtained porous silica thin film has a preferable film thickness, dielectric constant, pore size, pore size distribution, and excellent mechanical strength as a semiconductor interlayer insulating film material.

【0045】[0045]

【比較例1】実施例1においてアルコキシシランをテト
ラエトキシラン12.0g(57.6mmol)および
ポリエチレングリコールモノメタクリレート(分子量4
00)10.4gとした以外は実施例1と同様の操作
で、厚み1.1μmのシリカ薄膜を得た。得られたシリ
カ薄膜は誘電率が2.0で引っ張り強度が43MPa
(密着力は43MPa 以上)であったが、24時間経時
後の比誘電率が3.5であり、半導体層間絶縁膜材料と
して不適当なものである。
Comparative Example 1 In Example 1, 12.0 g (57.6 mmol) of alkoxysilane was added to tetraethoxysilane and polyethylene glycol monomethacrylate (molecular weight: 4).
00) A 1.1 μm-thick silica thin film was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount was changed to 10.4 g. The obtained silica thin film has a dielectric constant of 2.0 and a tensile strength of 43 MPa.
(The adhesion was 43 MPa or more), but the relative dielectric constant after a lapse of 24 hours was 3.5, which is inappropriate for a semiconductor interlayer insulating film material.

【0046】[0046]

【比較例2】実施例1において有機ポリマーをポリプロ
ピレングリコールジメチルエーテル(分子量500)
5.2gとした以外は、実施例1と同様の操作で、厚み
0.98μmのシリカ薄膜を得た。CH3 の含有率は2
2.1重量%で、緩和時間は0.41秒であった。密着
力が15MPa であり(引っ張り強度は15MPa 以
上)、半導体層間絶縁膜材料として満足できるものでは
ない。
Comparative Example 2 The organic polymer in Example 1 was changed to polypropylene glycol dimethyl ether (molecular weight: 500).
A silica thin film having a thickness of 0.98 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount was changed to 5.2 g. CH 3 content is 2
At 2.1% by weight, the relaxation time was 0.41 seconds. The adhesion is 15 MPa (the tensile strength is 15 MPa or more), which is not satisfactory as a semiconductor interlayer insulating film material.

【0047】[0047]

【比較例3】テトラエトキシシラン12.0g(58m
mol)、ポリエチレングリコールモノメタクリレート
(平均分子量360)6.8g、ポリエチレングリコー
ルジメタクリレート(平均分子量540)3.4gをN
−メチルピロリドン20.0g、プロピレングリコール
メチルエーテルアセテート10.0gの混合溶媒に溶解
し、この溶液に水7.5gと0.1N硝酸1.5gを加
え、室温で2時間撹拌した。この溶液にジクミルパーオ
キサイド0.5gを添加し、シリコンウェハー上に毎分
1500回転の速度で回転塗布し、120℃にて1時
間、180℃にて1時間加熱して、厚さ0.41μmの
複合体の薄膜を得た。この試料を窒素雰囲気下450℃
にて1時間焼成し、有機ポリマー分を焼失させ、多孔シ
リカ薄膜を得た。この場合には膜厚が0.23μmと非
常に薄い膜しか得られなかった。さらに24時間経時前
後の比誘電率は2.3から4.2と大きく変化した。
Comparative Example 3 12.0 g of tetraethoxysilane (58 m
mol), 6.8 g of polyethylene glycol monomethacrylate (average molecular weight 360) and 3.4 g of polyethylene glycol dimethacrylate (average molecular weight 540).
-Methylpyrrolidone was dissolved in a mixed solvent of 20.0 g and propylene glycol methyl ether acetate 10.0 g, and 7.5 g of water and 1.5 g of 0.1 N nitric acid were added to this solution, followed by stirring at room temperature for 2 hours. To this solution was added 0.5 g of dicumyl peroxide, spin-coated on a silicon wafer at a speed of 1500 revolutions per minute, and heated at 120 ° C. for 1 hour and at 180 ° C. for 1 hour to obtain a thickness of 0.1 μm. A 41 μm composite thin film was obtained. This sample was placed at 450 ° C under a nitrogen atmosphere.
For 1 hour to burn off the organic polymer and obtain a porous silica thin film. In this case, only a very thin film having a thickness of 0.23 μm was obtained. Further, the relative dielectric constant before and after the elapse of 24 hours greatly changed from 2.3 to 4.2.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明により得られた多孔性シリカ薄膜
は、まずその構造が空孔率が大きく、孔径は小さくかつ
均一で、かつシリカ骨格が強固であるため、密着性およ
び機械的強度は極めて高く、さらに低吸湿で厚膜化も可
能なので、LSI多層配線用基板や半導体素子の絶縁膜
用として最適である。
The porous silica thin film obtained by the present invention has a large porosity, a small and uniform pore size, and a strong silica skeleton. Since it is extremely high and can be made thicker with low moisture absorption, it is most suitable for an LSI multilayer wiring substrate or an insulating film of a semiconductor element.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G072 AA28 BB09 BB15 CC13 FF09 GG01 HH30 JJ11 KK01 LL06 LL07 LL11 LL15 MM01 NN21 PP17 RR05 TT30 UU01 4J038 AA011 HA441 JC32 NA07 NA11 NA12 NA14 NA21 PA19 PB09 5F033 GG00 GG02 RR23 SS22 WW00 WW01 WW02 XX00 XX12  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4G072 AA28 BB09 BB15 CC13 FF09 GG01 HH30 JJ11 KK01 LL06 LL07 LL11 LL15 MM01 NN21 PP17 RR05 TT30 UU01 4J038 AA011 HA441 JC32 NA07 NA11 NA12 NA14 GG01 WW02P WW02 XX00 XX12

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリカ構造中に空孔を有する多孔性シリ
カ薄膜であって、空孔率が30〜80%、最大孔径が1
0nm以下であり、構造中に緩和時間が0.5秒〜10
秒であるSi原子と結合したCH3 基を2重量%以上含
有し、膜厚が0.1μmから10μmであることを特徴
とする多孔性シリカ薄膜。
1. A porous silica thin film having pores in a silica structure, having a porosity of 30 to 80% and a maximum pore diameter of 1
0 nm or less, and the relaxation time in the structure is 0.5 seconds to 10 seconds.
A porous silica thin film containing at least 2% by weight of a CH 3 group bonded to a Si atom, and having a thickness of 0.1 μm to 10 μm.
【請求項2】 多孔性シリカ薄膜の空孔率が40〜70
%であることを特徴とする請求項1に記載の多孔性シリ
カ薄膜。
2. The porosity of the porous silica thin film is 40 to 70.
% Of the porous silica thin film according to claim 1.
【請求項3】 CH3 基の炭素の緩和時間が0.7〜3
秒であることを特徴とする請求項1又は2に記載の多孔
性シリカ薄膜。
3. The carbon of the CH 3 group has a relaxation time of 0.7 to 3 times.
3. The porous silica thin film according to claim 1, wherein the time is seconds.
【請求項4】 膜厚が0.5μmから5μmであること
を特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の多孔性シ
リカ薄膜。
4. The porous silica thin film according to claim 1, wherein the thickness of the porous silica thin film is 0.5 μm to 5 μm.
【請求項5】 複数の絶縁層およびその上に形成された
配線を包含し、該絶縁層の少なくとも1層が請求項1〜
4のいずれかに記載の多孔性シリカ薄膜より構成されて
なることを特徴とする多層配線構造体。
5. The method according to claim 1, further comprising a plurality of insulating layers and a wiring formed thereon, wherein at least one of the insulating layers is formed.
5. A multilayer wiring structure comprising the porous silica thin film according to any one of 4.
【請求項6】 請求項5記載の多層配線構造体を包含し
てなる半導体素子。
6. A semiconductor device comprising the multilayer wiring structure according to claim 5.
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