JP2002528561A - 多孔質焼成ポリイミドの製造方法 - Google Patents
多孔質焼成ポリイミドの製造方法Info
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Abstract
Description
と表面との間にわたって均一に存在する複数の微細孔を有する、多孔質ポリイミ
ドに関する。この様な多孔質構造の導入により、ポリイミドの誘電率や屈折率な
どの物性値を効果的に制御することができる。また、この様なポリイミドからな
る膜は、たとえば、ULSI(超LSI)などの半導体素子の層間絶縁膜として
使用できる。
いる。ポリイミドは、上記層間絶縁膜としての要求特性、すなわち耐熱性、機械
的強度、耐溶剤性等を十分満たすからである。しかしながら、ポリイミド膜を上
記層間絶縁膜として用いる場合、ポリイミドの誘電率を低くすることも必要であ
った。
基を置換基としてポリイミド分子中に導入したり、フッ素樹脂フィラーをポリイ
ミドマトリックス中に分散させて含ませる方法が試みられている。置換基をポリ
イミド分子中に導入する方法は、たとえば、特開平4- 328126号公報に開
示されている。また、フッ素樹脂フィラーを用いる方法は、たとえば、特開平4
- 33394号公報に開示されている。しかしながら、ポリイミド分子中に上記
置換基を導入したり、フッ素樹脂フィラーを含ませる場合、誘電率を効果的に低
下させるには、比較的多量の置換基の導入またはフィラーの含有が必要があった
。多量の置換基の導入やフッ素樹脂フィラーの含有量の増加は、ポリイミドの耐
熱性等を低下させる傾向がある。すなわち、この様な方法では、誘電率を低下さ
せるために、ポリイミド分子の構造やポリイミドマトリックスの組成を大きく変
える必要があり、ポリイミドの本来の性能を低下させるおそれがあった。
アロジェロをポリイミドマトリックス中に分散させて含ませ、焼成前の前駆体中
に予め空孔を導入しておき、多孔質化する方法も検討されてきた。この様な方法
は、たとえば、特開平5−182518号公報に開示されている。この様な方法
は、ポリイミド分子の構造やポリイミドマトリックスの組成を大きく変える必要
がないので、ポリイミドの本来の性能を低下させるおそれはない。
公報には、(a)ポリイミドと、(b)ポリイミドの分解温度よりも低い温度で
熱分解する熱分解性重合体とのブロック共重合体を形成した後、そのブロック共
重合体からなるフィルムを加熱し、上記熱分解性重合体を分解させて形成した発
泡ポリイミドフィルムが開示されている。上記熱分解性重合体としては、ボリプ
ロピレンオキシドやポリメチルメタクリレートが開示され、1,000オングス
トローム(100nm)未満の径の孔を含んでなる。この様な方法でも、ポリイ
ミド分子の構造やポリイミドマトリックスの組成を大きく変える必要がないので
、ポリイミドの本来の性能を低下させるおそれはない。
含む前駆体を形成し、その前駆体を加熱して膨張、発泡させて多孔質ポリイミド
を形成する方法(欧州特許公報EP 0373402号に開示)や、ポリイミド
マトリックスと、そのマトリックス中に分散された有機ポリマーとを含んでなる
前駆体から、その有機ポリマーを分解、除去して多孔質ポリイミドを形成する方
法(米国特許第3,883,452号、米国特許第4,940,733号および
米国特許第5,135,959号明細書並びに特開昭63−278943号に開
示)も知られている。上記有機ポリマーとしては、ホルムアルデヒドホモポリマ
ー、ポリ(プロピレンカーボネート)、ポリウレタン、メラミン、ポリビニルア
ルコール、ポリアセタール、ポリメチルメタクリレート等が使用できる。有機ポ
リマーを分解する後者の方法では、一方(例えば、ポリイミド)を含む溶液中に
、他方(例えば、有機ポリマー)を微細に分散させて分散液を調製し、その分散
液を乾燥させて、他方が一方を含むマトリックス中に分散された状態の分散型の
前駆体を形成する。これらの方法でも、ポリイミド分子の構造やポリイミドマト
リックスの組成を大きく変える必要がないので、ポリイミドの本来の性能を低下
させるおそれはない。
孔が破壊されやすく、また、微細な空孔(たとえば、孔の直径が1〜700nm
の範囲)を形成することは困難であった。また、発泡剤を用いる方法や、分散型
の前駆体を使用する方法でも、やはり、微細な空孔を形成することは困難であっ
た。これらの方法では、比較的に大きな寸法の孔(たとえば、孔の直径が1μm
以上)が形成されやすく、ポリイミドの透明性が低下し、光学材料として用いる
ことができなかった。 一方、ポリイミド−熱分解性重合体とのブロック共重合体を形成する方法では
、比較的微細な空孔の形成が容易であるものの、そのブロック共重合体の合成反
応が比較的困難であり、生産性を高めるには不利であった。
〜700nmの範囲)の微細孔を、内部から表面にわたって均一に含ませ、ポリ
イミド本来の性能(耐熱性等)の低下を効果的に防止しつつ、誘電率や屈折率を
効果的に低下させる(たとえば、誘電率を2.7以下にする)ことが可能で、形
成(製造)が容易で生産性を高めるのに有利であり、かつ、透明性の高い、多孔
質ポリイミドを提供することにある。
散された複数の微細孔を含んでなる多孔質ポリイミドにおいて、 前記微細孔は、ポリイミドを含むマトリックスと、そのマトリックス中に分散
された親水性ポリマーとを含んでなる前駆体から、前記親水性ポリマーを除去す
ることにより形成されることを特徴とする多孔質ポリイミドを提供する。
ックス中に分散された親水性ポリマーとを含んでなる前駆体から、上記親水性ポ
リマーを除去して形成されたものであって、上記親水性ポリマーの除去跡から形
成された複数の微細孔を均一に含む。したがって、非常に微細な寸法の孔(通常
、直径が1〜700nmの範囲)が内部から表面にわたって均一に存在し、効果
的に低く制御された誘電率を有する。本発明によれば、誘電率を通常2.7以下
、好適には2.6以下、特に好適には1.9〜2.5にすることができる。
がマトリックス中に導入されるからである。また、空気はポリイミドに比べて屈
折率も低いので、同様の理由により、屈折率も低下する。また、上記の様な微細
孔が内部から表面にわたって均一に存在する場合、誘電率等の低下とともに、多
孔質ポリイミドの表面粗さが増大する。この場合、表面粗さ(Ra:中心線平均
粗さ、AFM(原子間力顕微鏡)で測定可能)は、通常0.35nm以上である
。
その溶剤中に、焼成前のポリイミドとともに親水性ポリマーを溶解させて原液を
調製し、 (b)その原液を乾燥させて前駆体を形成し、 (c)その前駆体を焼成する工程を含み、 工程(c)の間に前記親水性ポリマーが分解して除去されることにより、 前記微細孔が前記マトリックス中に導入される。
水性ポリマーを微細に分散させる方法として、原液中に親水性ポリマーを溶解さ
せた後、ポリイミドと親水性ポリマーとを相分離させるのが好適である。これに
より、親水性ポリマーの除去跡から形成される孔の寸法を可及的に小さく(たと
えば、孔の直径を1〜700nmの範囲に)し、多孔質ポリイミドの光透過率を
70%以上にすることができる。なお、光学材料として用いる場合、多孔質ポリ
イミドの光透過率は80%以上が好適であり、90%以上が特に好適である。ま
た、多孔質ポリイミドの光透過率を効果的に高めるには、親水性ポリマーとして
は、ポリアルキレングリコールが好適である。これは、ポリイミド溶液中に均一
に溶解した原液が容易に調製でき、その原液の乾燥操作により、容易にポリイミ
ドと親水性ポリマーとを相分離させることができるからである。特に好適には、
ポリエチレングリコールである。ポリエチレングリコールは、ポリイミド前駆体
の焼成段階で、容易に分解してガス化し、ポリエチレングリコールの除去跡から
なり、かつ互いに独立した(すなわち、不連続な)微細孔が内部から表面にわた
って均一に存在する、多孔質ポリイミドを形成することができ、これにより、多
孔質ポリイミドの光透過率を効果的に高めることができる。なお、本明細書にお
いて、「光透過率」は、フィルムの厚さが2.5μmであるフィルム状多孔質ポ
リイミドを用い、波長550nmの光を用いて、分光光度計により測定された光
の透過率であると定義される。
溶した原液を乾燥させた時、前記ポリイミドを含むマトリックスと前記親水性ポ
リマーとが相分離し、ポリイミドを含むマトリックス中に分散された、親水性ポ
リマーを含んでなる微細な分散相の形成が容易だからである。したがって、本発
明の方法により微細かつ均一に分散された親水性ポリマーの除去跡からなる微細
な空孔を含む、均一な多孔質構造を形成することが容易である。しかも、製造工
程中に、比較的困難なポリイミド共重合体の合成反応を含まないので、形成(製
造)が容易で生産性を高めるのに有利である。
マトリックス組成を大きく変える必要がないので、前述の従来技術の場合の様な
ポリイミドマトリックス本来の性能(耐熱性等)を低下させることなく、効果的
に誘電率等を下げることができる。
ドマトリックスを形成する材料である。ポリイミドは、通常、有機溶剤に対する
溶解性が良好であるポリイミドである可溶性ポリイミドを用いる。好適なポリイ
ミドは、たとえば、 [a]有機溶剤と、その有機溶剤に溶解された可溶性ポリイミドとを含んでな
る液体を、乾燥、焼成して形成されるもの、または、 [b]熱硬化型ポリイミド樹脂を含んでなる液体から形成される硬化物、であ
る。 熱硬化型ポリイミド樹脂は、一般に「熱重合型ポリイミド樹脂」と呼ばれるも
のも含む。上記いずれの場合も、ポリイミドの焼成温度は、ポリイミドの種類に
より適宜決定され、通常、入手先が推奨する温度で行なう。たとえば、80〜4
00℃の範囲である。
る可溶性ポリイミド、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物/芳香族ジアミン
系ポリイミド、蒸着重合ポリイミド、芳香族テトラカルボン酸二無水物/芳香族
ジアミン/シリコーンジアミン系ポリイミド、芳香族テトラカルボン酸二無水物
/脂肪族ジアミン系ポリイミド、フッ素含有ポリイミド、長鎖芳香族ジアミン誘
導全芳香族ポリイミド、有機電解質添加系ポリイミド、シリル化ポリイミド、ポ
リアミド酸を含有する前駆体を重合(硬化)して形成したポリイミド等を挙げる
ことができる。また、光ファイバーのクラッド等の光学材料として用いるために
は、透明性を有するものが好ましい。
、γ−ブチロラクトン、メチルエチルケトン、ジメチルアセトアミド等の極性溶
剤が好ましい。たとえば、親水性ポリマーが、ポリエチレングリコールである場
合、1,2−ジクロロエタン等の塩素系溶剤が好適である。また、溶剤は、一種
単独であっても、2種以上の混合溶剤であっても良い。
1〜20重量%である。
水性ポリマーとが原液を乾燥した後は、ポリイミドを含むマトリックスと親水性
ポリマーとの相分離が可能であり、かつ焼成の際に除去可能であれば特に限定さ
れない。たとえば、前述のポリエチレングリコール等のポリアルキレングリコー
ルである。また、本発明の効果を損なわない限り、ポリメチルメタクリレートの
様な、ポリイミドとの相溶性が比較的に低く、かつポリイミドの焼成操作で、容
易に焼失(分解、除去)する有機ポリマーも併用できる。また、この有機ポリマ
ーは、溶媒抽出により除去することもできる。抽出溶媒は、水、アルコールおよ
びポリイミドは溶解しないが有機ポリマーは溶解するものを選択する。また、抽
出操作は、焼成前または/および焼成後に行うことができる。
は7,000〜30,000である。分子量が小さ過ぎると、ポリイミドを含む
マトリックス(乾燥後)に対する溶解性が大きくなり、マトリックスと親水性ポ
リマーとの相分離が困難になり、反対に大き過ぎると、除去が困難になりやすく
、焼成後のポリイミドマトリックス中に残留したり、除去するのに時間を要する
傾向がある。また、一般に、分子量が大きいほど、微細孔のサイズが大きくなる
傾向がある。
1〜10g、好適には0.3〜2gである。含有量が多すぎると、焼成後のポリ
イミドの機械的強度や透明性が低下するおそれがあり、反対に少なすぎると、誘
電率を低くすることが困難になるおそれがある。
れる原液の調製は、通常の混合装置を用いて行なうことができる。たとえば、プ
ロペラミキサー、ハイスピードミキサー、ホモジェナイザー、サンドミル等であ
る。
駆体からなる膜を形成する。コーティングには、通常のコーティング手段、たと
えば、スピンコーティング、ダイコーティング、バーコーティング等が使用でき
る。乾燥温度は、溶剤の沸点や蒸発速度によって適宜決定される。乾燥温度はポ
リイミドの焼成温度未満である。基材は、たとえば、耐熱性ポリマーフィルム、
ガラス、金属、シリコンウエハー等が使用できる。
分解して除去し、本発明の多孔質ポリイミドを得ることができる。この場合の焼
成温度は、通常250〜400℃の範囲である。また、焼成時間は、焼成温度に
もよるが、通常10分〜10時間である。また、焼成操作を、窒素、アルゴン等
の不活性雰囲気下で行なうと、誘電率をいっそう効果的に低下させることができ
る。
しても良い。また、本発明の効果を損なわない範囲において、紫外線吸収剤、吸
湿剤、着色剤、無機充填材、蛍光物質、燐光物質等の添加剤を含有させることも
できる。
溶性ポリイミドを、1,2−ジクロロエタンに溶解し、10重量%の濃度のポリ
イミド溶液を調製した。このポリイミドは、平均分子量=約60,000、Tg
=360℃で、オルト−トルイジン(ビスアニリノ)フルオレン(ortho - tolui
dine (bisanilino) fluorene )と、2,2−ビス−(3,4−ジカルボキシフェ
ニル)−ヘキサフルオロプロパンジアンヒドライド(2,2 - Bis - (3,4-dicarbox
yphenyl) - hexafluoropropane dianhydride ))と、2,5−ジメチル(p−フ
ェニレンジアミン(2,5-Dimethyl(p-phenylenediamine)とを出発原料として重合
して得たフッ素含有ポリイミドであった。 この溶液20gに、分子量=7,500のポリエチレングリコール(和光純薬
工業( 株) 社製)200mgを添加し、充分攪拌して、ポリエチレングルコール
を均一に溶解させ、原液を調製した。次に、この原液を、スピンコーティングに
より、予めアルミニウム電極が成膜してある厚さ0. 7mmのガラス基材上にコ
ーティングし、乾燥し、多孔質ポリイミドの前駆体の膜を形成した、この前駆体
の膜厚は、約2. 5μmであった。 最後に、上記前駆体の膜を、窒素雰囲気中360℃で30分間焼成し、ポリエ
チレングリコールを焼失させ、本例の多孔質ポリイミドからなる膜を得た。多孔
質ポリイミド膜の厚さは2.5μmであった。 得られた多孔質ポリイミド膜の上に、さらにアルミニウム電極を成膜した後、
周波数1MHzでポリイミド膜のキャパシタンスを求め、誘電率を計算したとこ
ろ2.3であった。 また、多孔質ポリイミド膜の表面をAFM(原子間力顕微鏡)で観察したとこ
ろ、粗いナノオーダー(Ra(中心線平均粗さ)=0.40nm)の構造が観察
され、ポリイミド膜中に、複数の微細孔が導入されたことが確認された。 また、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、このポリイミド膜の断面観察を
行ったところ、長軸長さが100〜300nmの大きさの略楕円形の微細孔が多
数観測された。この微細孔は、互いに独立した不連続な孔であった。 さらに、本例の多孔質ポリイミド膜の光透過率を、測定には分光光度計(日立
(株)社製、品番:U−4000)(波長:550nm)を用いて測定したとこ
ろ、91%の透過率であった。
施例1と同様にして本例の多孔質ポリイミドを得た。得られた多孔質ポリイミド
膜の誘電率を、実施例1と同様にして測定したところ、2.3であった。また、
本例の多孔質ポリイミド膜の表面をAFMで観察したところ、粗いナノオーダー
(Ra(中心線平均粗さ)=1.00nm)の構造が観察され、ポリイミド膜中
に、複数の微細孔が導入されたことが確認された。 また、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、このポリイミド膜の断面観察を
行ったところ、100〜500nmの大きさの略楕円形の微細孔が多数観測され
た。 さらに、本例の多孔質ポリイミド膜の光透過率を、測定には分光光度計(日立
(株)社製、品番:U−4000)(波長:550nm)を用いて測定したとこ
ろ、90%の透過率であった。
質ポリイミドを得た。得られたポリイミド膜の誘電率を、実施例1と同様にして
測定したところ、2.8であった。また、本例のポリイミド膜の表面をAFMで
観察したところ、粗いナノオーダーの構造は観察されなかった。(Ra(中心線
平均粗さ)=0.32nm) また、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、このポリイミド膜の断面観察を
行ったところ、孔は全く観測されなかった。 さらに、本例の多孔質ポリイミド膜の光透過率を、測定には分光光度計(日立
(株)社製、品番:U−4000)(波長:550nm)を用いて測定したとこ
ろ、92%の透過率であった。
価した。得られたポリイミド膜(焼成後)を、窒素雰囲気中400℃において加
熱し、室温まで冷却した後、誘電率を測定し、加熱前後の誘電率の変化を調べた
。また、加熱後のポリイミド膜を大気中に1週間放置した後、同様にして誘電率
の変化を調べた。なお、この様なテスト条件では、通常のポリイミド(比較例の
様な非多孔質ポリイミド)では、誘電率がほとんど変化しないことが分かってい
る。 この結果、多孔質化した実施例1および2のポリイミド膜も、比較例のポリイ
ミド膜も、加熱前後、および大気中放置前後ともに、誘電率はほとんど変化しな
かった。すなわち、本発明の方法により、形成された多孔質ポリイミド膜は、ポ
リイミド本来の持つ耐熱性を維持することができることが確認された。
電率や屈折率を効果的に低下させることができ、また、透明性が高い。
Claims (3)
- 【請求項1】 ポリイミドを含むマトリックス中に分散された複数の微細孔
を含んでなる多孔質ポリイミドにおいて、 前記微細孔は、ポリイミドを含むマトリックスと、そのマトリックス中に分散
された親水性ポリマーとを含んでなる前駆体から、前記親水性ポリマーを除去す
ることにより形成され、且つ、光透過率が70%以上であることを特徴とする、
多孔質ポリイミド。 - 【請求項2】 ポリイミドを含むマトリックスと、そのマトリックス中に分
散された親水性ポリマーを含んでなり、焼成後に、ポリイミドを含むマトリック
ス中に分散された複数の微細孔を含んでなる多孔質ポリイミドを与える前駆体に
おいて、 焼成前のポリイミドとともに親水性ポリマーを溶解した原液を乾燥させること
により形成されたことを特徴とする、多孔質ポリイミドの前駆体。 - 【請求項3】 ポリイミドを含むマトリックス中に分散された複数の微細孔
を含んでなる多孔質ポリイミドの製造方法において、 (a)溶剤と、その溶剤中に、焼成前のポリイミドとともに親水性ポリマーを
溶解させて原液を調製し、 (b)その原液を乾燥させて前駆体を形成し、 (c)その前駆体を焼成する工程を含み、 工程(c)の間に前記親水性ポリマーが分解して除去されることにより、 前記微細孔が前記マトリックス中に導入されることを特徴とする、多孔質ポリイ
ミドの製造方法。
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