JP2004273874A - Method for forming porous film and porous film formed thereby - Google Patents

Method for forming porous film and porous film formed thereby Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming a porous film for using various porous raw materials for forming the vacancy of a porous film regardless of the superiority/inferiority of its compatibility with super-critical fluid being extracted solvate, and increasing the degree of selective freedom of the vacancy size or skeletal structure. <P>SOLUTION: This method for forming a porous film comprises a primary film formation process for forming a primary film where skeletal materials and vacancy raw materials are contained in mixed states, a decomposing process for decomposing porous raw materials configuring the primary film, and an extraction process for extracting the porous raw materials decomposed by the decomposition process by using super-critical fluid. In the decomposition process, the porous raw materials can be decomposed by using the super-critical fluid containing decomposition promoting components for promoting the decomposition of the porous raw materials. The decomposition and extraction of the porous raw materials can be simultaneously carried out by one process(decomposition/extraction process) at the time of using the super-critical fluid. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は焼成プロセスを有しない多孔質膜の形成方法に関する。特に高周波回路の誘電体層や半導体集積回路(LSI)の層間絶縁膜に好適に用いられる多孔質低誘電率膜およびその形成方法として好適である。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子などにおける層間絶縁膜としてスピンオングラス(Spin−on−Glass:SOG)膜と呼ばれるSiO を主成分とする塗布型の絶縁膜が広く利用されている。また半導体素子の高集積化に伴い、有機成分を含有した低誘電率の層間絶縁膜が開発されている。しかしながら、半導体素子などのさらなる高集積化や多層化に伴い比誘電率が2以下の低誘電率の層間絶縁膜材料が求められるようになっている。
【0003】
2以下の比誘電率を実現するためには膜自体の密度を下げることが不可欠であり、そのためには多孔質材料を用いることが必要となる。しかし低誘電率化するために多孔質材料の密度を下げていくと、一般的にその機械的強度が著しく低下してしまう。これは低密度化のために導入された空孔が不均一に分散することに起因している。密度を下げた場合でも極力強度を維持するためには、例えばハニカム構造のような規則性の高い構造を実現することが有効である。
【0004】
規則的な構造を有する多孔質材料の製造方法として、特開平10−194720号公報(特許文献1)には、アルコキシシラン、水および界面活性剤を混合、反応させてシリカ/界面活性剤複合体を形成した後に、熟成、乾燥、焼成する方法が開示されている。
【0005】
また、周期構造を有する多孔質材料において薄膜を得る方法として、特開平9−194298号公報(特許文献2)には、テトラアルコキシシランを酸性下で加水分解し、これに界面活性剤を混合した溶液を塗布、乾燥して得られたシリカ−界面活性剤ナノ複合体を焼成する方法が開示されている。
【0006】
しかしながら、これらの技術においては多孔質構造を実現するためには、多孔質構造の空孔の基になる孔源材料である界面活性剤を高温にて焼成するプロセスが必要であり、かつその温度を500℃以上にする必要がある。このため、半導体素子の層間絶縁膜工程には用いることができない。
【0007】
一方、低温において多孔質化が可能な方法として、特開2001−55508号公報(特許文献3)には、シリケート領域および非シリケート領域よりなる材料から、溶媒交換、流体交換にて非シリケート材料を抽出することにより、多孔質シリケート材とする方法が開示されている。また、抽出手段として超臨界抽出も挙げられている(請求項13)。広く一般的に知られているように、超臨界流体を利用するプロセスでは毛管収縮力が働かないため、溶媒抽出時における対象構造物の変形を非常に少なくすることができる。この文献の実施例においては、イソプロパノール単体の超臨界流体抽出を用いることが述べられている。
【0008】
また、具体的な実施例は開示されていないが、超臨界媒質に抽出すべき対象の成分と相溶性に優れる他の溶剤を添加することが、特開2002−367984号公報(特許文献4)や特開2002−363286号公報(特許文献5)に開示されている。
【0009】
【特許文献1】
特開平10−194720号公報(特許請求の範囲)
【特許文献2】
特開平9−194298号公報(特許請求の範囲)
【特許文献3】
特開2001−55508号公報(特許請求の範囲)
【特許文献4】
特開2002−367984号公報(特許請求の範囲)
【特許文献5】
特開2002−363286号公報(特許請求の範囲)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献3の技術においては、非シリケート領域の全ての材料を取り除くことは困難である。多孔質化する前の状態では非シリケート領域には界面活性剤の他、光開始剤や光硬化した有機物など多くの物質が含まれており、超臨界流体は一般的に良好な溶媒として働くが、これらの全ての材料に対して混和性、相溶性があるわけではないからである。また、前記特許文献4および5の技術においても、抽出すべき対象の成分に対する抽出性能、すなわち相溶性は一般的に分子量に依存するため、分子量がある一定以上に大きくなった場合、他の溶剤を加えても相溶させることができなくなる。
すなわち、多孔質構造の形成において、孔源材料の除去手段として超臨界流体を用いる従来の方法では、使用する孔源材料がもともと超臨界流体と良好な相溶性を有するものでない限り、比誘電率の低い高品質の多孔質膜を形成することは困難である。このため、超臨界流体によって抽出される孔源材料の成分が限定され、最終的に形成される多孔質膜の空孔サイズや骨格構造などが制限されてしまうという問題がある。
【0011】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、多孔質膜の空孔を形成するための孔源材料として、抽出溶媒である超臨界流体との相溶性の優劣にかかわらず、種々のものを使用することができ、引いては空孔サイズや骨格構造の選択自由度の大きい多孔質膜の形成方法、およびその方法によって形成された多孔質膜を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明による多孔質膜の形成方法は、多孔質膜の骨格を形成する骨格材料と多孔質膜の空孔の基となる孔源材料とが混合状態で含まれる一次膜を形成する一次膜形成工程と、前記一次膜を構成する孔源材料を分解する分解工程と、前記分解工程によって分解された孔源材料を超臨界流体を用いて抽出する抽出工程とを有する。
【0013】
この多孔質膜の形成方法によると、骨格材料と孔源材料とが混合状態で含まれる一次膜を形成した後に、一次膜の孔源材料を分解する分解工程を設けるので、超臨界流体による抽出工程においては、分解工程によって低分子に分解され、超臨界流体との相溶性が向上した孔源材料に対して超臨界流体による抽出を行うことができる。このため、一次膜形成工程の段階では、孔源材料の分子量の大きさ、構造に制限はなく、幅広い種類の孔源材料を用いることができ、これに応じて種々の空孔サイズ、骨格構造の多孔質膜を形成することができる。しかも、超臨界流体による抽出工程の段階では、低分子に分解された孔源材料を抽出することができるので、超臨界抽出を効率的に行うことができ、生産性に優れる。もちろん、抽出工程において超臨界流体を用いるので、低温での処理が可能であり、例えば半導体素子の層間絶縁膜の形成に本発明は好適に適用される。
【0014】
前記分解工程において、孔源材料の分解を促進する分解促進成分を含有した超臨界流体を用いて前記孔源材料を分解することができる。かかる超臨界流体を用いる場合、孔源材料の分解と抽出とを一つの工程(分解・抽出工程)にて同時に行うことができる。
【0015】
前記分解促進成分として、孔源材料を酸化分解する酸化分解性物質を主成分とするもの(酸化分解物質のみからなるものを含む。)を用いることができる。前記酸化分解性物質を主成分とする分解促進成分の超臨界流体への含有に際しては、前記分解促進成分と超臨界流体とに相溶性を有する混合促進溶媒とともに前記分解促進成分を超臨界流体に含有させることができる。この混合促進溶媒としては、有機溶媒を用いることができ、混合促進溶媒に対する前記分解促進成分の濃度は20mass%以下とすることが好ましい。また、抽出工程、分解工程あるいは分解・抽出工程において用いる超臨界流体としては、その主成分が二酸化炭素、アルキルアルコールまたはこれら混合物とするものが好ましい。
【0016】
また、前記骨格材料としては、無機物、特にシリカを主成分とする無機物は多孔質膜の骨格として絶縁性、安定性に優れ、より誘電率の低い多孔質膜が得られるので好ましい。また、前記孔源材料としては、有機物を用いることができ、特に界面活性剤は適度の濃度で使用することによってミセルを形成するため、規則的に孔源材料を配置することができ、引いては規則的な骨格を形成することができるので好適である。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の多孔質膜の形成方法は、(1) 多孔質膜の骨格を形成する骨格材料と多孔質膜の空孔の基となる孔源材料とが混合状態で含まれる一次膜を形成する一次膜形成工程、(2) 前記一次膜を構成する孔源材料を分解する分解工程、(3) 前記分解工程によって分解された孔源材料を超臨界流体を用いて抽出する抽出工程の3工程を備える。
【0018】
前記分解工程においては、孔源材料の分解を促進する分解促進成分を含有した超臨界流体を用いて前記孔源材料を分解することが好ましい。分解促進成分を含有した超臨界流体を用いることにより、高密度、高拡散性の流体で分解処理を速やかに行うことができる。このため、微細な空間内の成分に対しても、効率的に分解促進成分を接触させることができるので、良好な分解効率が得られる。前記分解促進成分を含有した超臨界流体を用いる場合、前記分解工程と抽出工程とを同時に行うことができる。このような分解工程と抽出工程とを同時に行う工程を分解・抽出工程と呼ぶ。
【0019】
前記分解促進成分としては、孔源材料を酸化分解する酸化分解性物質を主成分とするもの(酸化分解性物質のみからなるものを含む。)を用いることができ、孔源材料を酸化させて低分子化することが可能になる。例えば、孔源材料として分子量の大きい界面活性剤を用いる場合、界面活性剤の分子量の大きさに応じて大きな空孔を形成することができるが、骨格材料と孔源材料である界面活性剤とが混合状態で含まれる一次膜を形成後、その界面活性剤を超臨界流体で直接抽出することは困難である。かかる分子量の大きな界面活性剤は、非常に長い鎖状に結合した高級アルキル基からなる疎水性基を有している。この疎水性基は酸化分解物質によって容易に分断、分解される。このように疎水性基が分解され、低分子化された界面活性剤は超臨界流体によって容易に抽出される。
【0020】
前記酸化分解性物質としては、超臨界流体に含有させて用いる場合は、超臨界流体と混合可能なものであればよい。具体的には、 O、O、NO、H、HCl、HBr、Cl、BCl、HNOなどのガスを用いることができ、その他、プロトン性溶媒も利用することができる。プロトン性溶媒としては、具体的には塩酸、過塩素酸、硝酸、フッ酸、リン酸、棚酸、シュウ酸などの無機酸、酢酸、蟻酸などの有機酸、三フッ化臭素、五フッ化臭素などのハロゲン間化合物などを用いることができる。これらの物質は、1種あるいは2種以上を同時に使用することも可能である。
【0021】
前記酸化分解性物質は、酸化分解性物質と超臨界流体との両者に相溶性を有する混合促進溶媒とともに超臨界流体に含有させることができる。混合促進溶媒を用いることで、酸化分解性物質単独では超臨界流体と相溶性がない場合や相溶性に劣る場合であっても、超臨界流体と酸化分解性物質との相溶性を向上させることができる。この場合、混合促進溶媒の量は、酸化分解性物質の酸化分解性を損なうことなく、かつ超臨界流体に相溶させることが可能な範囲にて適宜調整すればよい。調整する濃度範囲としては、酸化分解性物質とともに超臨界流体に含有させる混合促進溶媒に対して、酸化分解性物質の量をmass%(wt%)で0.01%以上、20%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上、10%以下である。酸化分解性物質の量が少なすぎると、酸化分解性が劣化し、一方多すぎると超臨界流体に相溶しにくくなるためである。
【0022】
混合促進溶媒としては、有機溶媒を用いることが好ましい。利用可能な有機溶媒としては、例えばアルコール系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒を挙げることができる。
【0023】
具体的にはアルコール系溶媒として、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール、イソペンタノール、2−メチルブタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、3−メトキシブタノール、n−ヘキサノール、2−メチルペンタノール、sec−ヘキサノール、2−エチルブタノールを挙げることができる。
【0024】
また、ケトン系溶媒として、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、ジエチルケトン、メチル−i−ブチルケトン、メチル−n−ペンチルケトン、エチル−n−ブチルケトン、メチル−n−へキシルケトン、ジ−i−ブチルケトンが挙げられる。
【0025】
また、アミド系溶媒としては、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、N,N−ジエチルネルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−エチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチルプロピオンアミド、N−メチルピロリドンが挙げられる。
【0026】
前記分解促進成分および混合促進溶媒を溶け込ませる超臨界流体は、抽出工程で使用する超臨界流体と同様、その主たる成分としては、二酸化炭素またはアルキルアルコール(アルキルアルコールは、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコールなどの一種または二種以上の混合物でもよく、これらを総称してアルキルアルコールと呼ぶ。)または二酸化炭素およびアルキルアルコールの混合物を用いることが工業的には好ましい。これらの超臨界流体はいずれも種々の物質と幅広く相溶させることができるためである。
【0027】
前記多孔質構造の骨格となる骨格材料としては、無機物のものが熱安定性、加工性、機械的強度の面で優れる。例えば、チタン、珪素、アルミニウム、硼素、ゲルマニウム、ランタン、マグネシウム、ニオブ、リン、タンタル、スズ、バナジウム、ジルコニウムなどの酸化物を挙げることができる。特に、これらの金属アルコキシドを原材料として用いることが好ましい。膜形成の工程において、後述する孔源材料との混合性に優れるからである。
【0028】
具体的な金属アルコキシドとしては、
テトラエトキシチタニウム、テトライソプロポキシチタニウム、テトラメトキシチタニウム、テトラノルマルブトキシチタニウム、
テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラノルマルブトキシシラン、トリエトキシフロロシラン、トリエトキシシラン、トリイソプロポキシフロロシラン、トリメトキシフロロシラン、トリメトキシシラン、トリノルマルブトキシフロロシラン、トリノルマルプロポキシフロロシラン、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルジエトキシクロロシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、トリスメトキシエトキシビニルシラン、
トリエトキシアルミニウム、トリイソブトキシアルミニウム、トリイソプロポキシアルミニウム、トリメトキシアルミニウム、トリノルマルブトキシアルミニウム、トリノルマルプロポキシアルミニウム、トリセカンダリーブトキシアルミニウム、トリターシャリーブトキシアルミニウム、
トリエトキシボロン、トリイソブトキシボロン、トリイソプロポキシボロン、トリメトキシボロン、トリノルマルブトキシボロン、トリセカンダリーブトキシボロン、
テトラエトキシゲルマニウム、テトライソプロポキシゲルマニウム、テトラメトキシゲルマニウム、テトラノルマルブトキシゲルマニウム、
トリスメトキシエトキシランタン、
ビスメトキシエトキシマグネシウム、
ペンタエトキシニオビウム、ペンタイソプロポキシニオビウム、ペンタメトキシニオビウム、ペンタノルマルブトキシニオビウム、ペンタノルマルプロポキシニオビウム、
トリエチルフォスフェイト、トリエチルフォスファイト、トリイソプロポキシフォスフェイト、トリイソプロポキシフォスファイト、トリメチルフォスフェイト、トリメチルフォスファイト、トリノルマルブチルフォスフェイト、トリノルマルブチルフォスファイト、トリノルマルプロピルフォスフェイト、トリノルマルプロピルフォスファイト、
ペンタエトキシタンタル、ペンタイソプロポキシタンタル、ペンタメトキシタンタル、
テトラターシャリーブトキシスズ、酢酸スズ、トリイソプロポキシノルマルブチルスズ、
トリエトキシバナジル、トリノルマルプロポキシオキシバナジル、トリスアセチルアセトナトバナジウム、
テトライソプロポキシジルコニウム、テトラノルマルブトキシジルコニウム、テトラターシャリーブトキシジルコニウムなどが挙げられる。
【0029】
上記例示した金属アルコキシドの中でも、テトライソプロポキシチタニウム、テトラノルマルブトキシチタニウム、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラノルマルブトキシシラン、トリイソブトキシアルミニウム、トリイソプロポキシアルミニウムが好ましい。
【0030】
また、上記金属アルコキシドの内でも、シリカを主成分とする無機物、例えばテトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシランなどのシリコンアルコキシドは、より誘電率の低い多孔質膜が得られるため好ましい。
【0031】
前記孔源材料としては、骨格材料中に孔源として容易に分散させることができる有機物を用いることが好ましい。このような有機物としては界面活性剤が好適である。界面活性剤は、適度な濃度で用いることにより、界面活性剤分子がより集まった集合体であるミセルを形成する。さらにこのミセルはその濃度に応じて、円筒状、層状など規則的な構造に配列する。その結果、各ミセルの周りに形成される骨格材料も規則構造を有するようになる。すなわち、骨格中にミセルが形成されるので規則的に孔源を配置させることが可能になる。規則的な空孔構造を導入することで、多孔質構造の機械的強度を向上させることができる。
【0032】
前記界面活性剤としては、ノニオン性界面活性剤やカチオン性界面活性剤などを利用することができる。
【0033】
ノニオン性界面活性剤としては、酸化エチレン誘導体、酸化プロピレン誘導体などが利用可能である。具体的には、ポリオキシエチレンデシルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンオレインエーテル、ポリオキシエチレンヤシアルコールエーテル、ポリオキシエチレン精製ヤシアルコールエーテル、ポリオキシエチレン2−エチルヘキシルエーテル、ポリオキシエチレン合成アルコールエーテル、ポリオキシエチレンセカンダリーアルコールエーテル、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンイソステアリルエーテル、ポリオキシエチレン長鎖アルキルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンドデシルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンジノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンフェニルエーテル、ポリオキシエチレンベンジルエーテル、ポリオキシエチレンβ−ナフチルエーテル、ポリオキシエチレンビスフェノール−A−エーテル、ポリオキシエチレンビスフェノール−F−エーテル、ポリオキシエチレンラウリルアミン、ポリオキシエチレン牛脂アミン、ポリオキシエチレンステアリルアミン、ポリオキシエチレンオレイルアミン、ポリオキシエチレン牛脂プロピレンジアミン、ポリオキシエチレンステアリルプロピレンジアミン、ポリオキシエチレンN−シクロヘキシルアミン、ポリオキシエチレンメタキシレンジアミン、ポリオキシエチレンオレイルアミド、ポリオキシエチレンステアリルアミド、ポリオキシエチレンヒマシ油、ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油、ポリオキシエチレンモノラウレート、ポリオキシエチレンモノステアレート、ポリオキシエチレンモノ牛脂オレエート、ポリオキシエチレンモノトール油脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンジステアレート、ポリオキシエチレンロジンエステル、ポリオキシエチレンウールグリスエーテル、ポリオキシエチレンラノリンエーテル、ポリオキシエチレンラノリンアルコールエーテル、ポリオキシエチレンポリエチレングリコール、ポリオキシエチレングリセロールエーテル、ポリオキシエチレントリメチロールプロパンエーテル、ポリオキシエチレンソルビトールエーテル、ポリオキシエチレンペンタエリスリトールジオレエートエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモステアレートエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエートエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン2−エチルヘキシルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンイソデシルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン合成アルコールエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンラウリルアミン、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン牛脂アミン、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンイソデシルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリセリルエーテル、ポリオキシプロピレン2−エチルヘキシルエーテル、ポリオキシプロピレン合成アルコールエーテル、ポリオキシプロピレンブチルエーテル、ポリオキシプロピレンビスフェノール−A−エーテル、ポリオキシプロピレンスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシプロピレンメタキシレンジアミンなどがあげられる。これらの界面活性剤は、1種あるいは2種以上を同時に使用することも可能である。
【0034】
カチオン性界面活性剤としては、C2n+1(CH、C2n+1(C(Mは陰イオンとなる元素を示す)、C2n+1NH、HN(CHNHで表される炭素数8〜24のアルキル基を有する第4級アルキルアンモニウム塩、具体的には、
ドデカニルトリメチルアンモニウムクロリド、テトラデカニルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド、オクタデカニルトリメチルアンモニウムクロリド、
ドデカニルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデカニルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、オクタデカニルトリメチルアンモニウムブロミド、
ドデカニルトリエチルアンモニウムクロリド、テトラデカニルトリエチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリエチルアンモニウムクロリド、オクタデカニルトリエチルアンモニウムクロリド、
ドデカニルトリエチルアンモニウムブロミド、テトラデカニルトリエチルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルトリエチルアンモニウムブロミド、オクタデカニルトリエチルアンモニウムブロミドなどが挙げられる。
【0035】
またこれらの界面活性材のほか、1分子中に複数の親水性基と複数の疎水性基を有する、いわゆるジェミニ界面活性剤、例えば、C2n+1(CH2m+1のような構造ものものが挙げられる(n、m=5〜20、S=1〜10)。ここで、Mは水素原子または塩形成性の陰イオン(具体的にはCl、Brなど)を示し、Xは水素原子または低級アルキル基(具体的にはCH、Cなど)を示す。具体的には、C1225(CHCl(CHCl(CH1225、C1225(CHBr(CHBr(CH1225、C1633(CHCl(CHCl(CH1633、C1633(CHBr(CHBr(CH1633などが挙げられる。
【0036】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【0037】
【実施例】
実施例1
骨格材料としてテトラエトキシシランSi(CO)を1.9gと、孔源材料としてヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドを1gと、pH=3の水0.45gを混合し、室温にて約2時間撹拌し、透明、均一で粘性を有した一次膜形成溶液を調整した。得られた溶液をスピンコート法により基材上に回転塗布し、続いて大気中100℃にて乾燥させて一次膜を形成した。この一次膜に対して、図1に示す超臨界抽出装置を用いて前記孔源材料の分解処理を行った後、超臨界抽出を施した。
【0038】
前記超臨界抽出装置は、超臨界流体を形成する二酸化炭素ガスを収容した二酸化炭素ボンベ1と、分解促進成分を形成する酸素ガスを収容した酸素ボンベ2と、超臨界流体によって孔源材料を抽出するための高圧容器3とを備える。前記二酸化炭素ボンベ1は、ポンプ4、開閉弁5を介して、また前記酸素ボンベ2はレギューレータ6および逆止弁(図示省略)を介して前記高圧容器3に配管接続される。前記ポンプ4およびレギュレータ6の下流側の管路にはヒータ(図示省略)が付設されている。また、前記高圧容器3の下流側管路には高圧容器3内の圧力を調整するための調圧弁7が設けられている。
【0039】
孔源材料の分解処理および超臨界抽出を以下の要領で行った。基材を高圧容器3内に配した後、高圧容器3にヒータによって80℃に加熱保持した酸素を導入した。レギュレータによって高圧容器3内の酸素分圧を所定の圧力(0.1〜5MPaの範囲で種々変化させた。)に設定し、続いて容器3内に80℃の二酸化炭素を導入し、調圧弁を調整することによって高圧容器3内の圧力を15MPaまで上昇させ超臨界状態とした。この状態にて10分間保持した後、二酸化炭素をガス換算量(調圧弁の出口側から排出されるガス量)として100リットル流通させた。その後、高圧容器3を減圧した後、基材を取り出した。
【0040】
その結果、得られた基材上には2μm 厚の透明な膜が形成されていた。基材上に形成された膜に対してX線回折分析を行った。そのX線回折パターンの結果を図2に示す。図2は、d値が約3.0nmに非常に鋭い回折ピークを示しており、得られた多孔質膜が約3nmの周期構造を有することが分かった。
【0041】
また、FTIR(フーリエ変換赤外分光法)分析を行った結果、超臨界処理時の酸素分圧が1MPa未満のものでは、2850〜2950cm−1付近にCH、CHの伸縮振動に起因するピークがみられており、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドが残存しており、抽出が不十分であることが確認された。一方、1MPa以上のものではこれらのピークはみられず、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドが完全に除去されていることが確認された。
【0042】
また、酸素分圧が1MPa以上の処理により得られた多孔質膜上にAl電極を形成した後、静電容量測定を行い、その比誘電率を求めたところ、1.5が得られた。これより、極めて多孔質な膜が形成されていることが分かった。
【0043】
実施例2
上記実施例1と同様に、一次膜形成溶液を調整し、これを用いて基材上に一次膜を形成し、図3に示す超臨界抽出装置を用いて前記一次膜中の孔源材料の分解処理および超臨界抽出を行った。
【0044】
この実施例で用いた図3に示す超臨界抽出装置は、基本的には実施例1のものと同様であるので、同様の構成部材については同符合を付してその説明を省略すると共に、異なる点を中心に説明する。この装置では、孔源材料の分解促進成分として過酸化水素(H)を用い、またこれを溶解する溶媒としてエタノールを用いる。このため、過酸化水素水容器12とエタノール容器13とを備え、これらの容器はそれぞれポンプ21,23、開閉弁22,24、逆止弁(図示省略)を介して高圧容器3に配管接続されている。また、開閉弁22,24の下流側流路には管路を流れる過酸化水素水およびエタノールを加熱するためのヒータ(図示省略)が付設されている。過酸化水素水の濃度は31mass%(wt%)であり、過酸化水素水およびエタノールの流量はポンプの送液量にて調整される。
【0045】
基材を高圧容器3内に配した後、過酸化水素水、エタノール混合液を温度80℃、圧力150MPaの超臨界二酸化炭素に混合させたものを高圧容器3内に流通させた。ここで過酸化水素水、エタノール、二酸化炭素の各濃度をそれぞれ変化させて高圧容器内の混合状態を目視観察した。これら3種類の物質が均一に混合されると無色透明なものとして観察され、一方、不均一な混合状態では溶液が濁ったものとして観察される。その結果、均一に混合された超臨界流体を得るには、特定の濃度範囲が存在することが分かった。その範囲を図4に示す。すなわち酸化性の過酸化水素水だけでは超臨界二酸化炭素と均一に混合することができず、均一な超臨界流体を形成するためには適度な割合でエタノールと混合させることが必要である。そこで、実施例として、図5に示すように、ポンプの送液速度(体積速度により指定される)を調整して二酸化炭素(液換算):エタノール:過酸化水素水=94.5:5:0.5の比率(体積比率)の、エタノールおよび過酸化水素水を含む超臨界流体を用いて一次膜に対して下記の要領にて孔源材料の分解および超臨界抽出を同時に行った。また、比較例として二酸化炭素(液換算):エタノール=90:10の比率の超臨界流体を用いて超臨界抽出を行った。
【0046】
上記の温度、圧力、比率において二酸化炭素をガス換算量として100リットル流通させた後、二酸化炭素のみからなる超臨界流体を用いて容器内をフラッシング(洗浄)し、高圧容器を減圧した後、基材を取り出した。
【0047】
その結果、得られた基材上には2μm 厚の透明な膜が形成されていた。基材上に形成された膜に対してX線回折分析を行った。そのX線回折パターンは図2と同様なものであり、d値が約3.0nmに非常に鋭い回折ピークを示し、得られた多孔質膜が約3nmの周期構造を有することが分かった。
【0048】
また、FTIR分析を行った結果、実施例ではヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドに起因するピークはみられず、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドが完全に抽出除去されていることが確認された。一方、過酸化水素を導入しなかった比較例では、2850〜2950cm−1付近にCH、CHの伸縮振動に起因するピークが認められ、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドが残存しており、抽出が不十分であることが確認された。
【0049】
ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドが完全に抽出除去されていた実施例の多孔質膜上にAl電極を形成した後、静電容量測定を行い、その比誘電率を求めたところ、1.5が得られた。これより、実施例では極めて多孔質な材料が形成されていることが分かった。
【0050】
【発明の効果】
本発明の多孔質膜の形成方法によれば、孔源材料を分解する分解工程あるいは分解・抽出工程を有するので、孔源材料の抽出を効率よく行うことができ、生産性に優れる。また、孔源材料の適用種類を拡大することができ、種々の空孔サイズ、骨格構造の多孔質膜を容易に形成することができる。勿論、本発明によれば、孔源材料を低温で抽出除去することができるので、半導体素子などの作製工程における層間絶縁膜の形成方法として好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1において使用した超臨界抽出装置の概略構成図である。
【図2】実施例1における多孔質膜のX線回折パターンを示す。
【図3】実施例2において使用した超臨界抽出装置の概略構成図である。
【図4】二酸化炭素、エタノールおよび過酸化水素の混合物が均一な超臨界流体を形成する濃度範囲を示す三元系混合状態説明図である。
【図5】図4の二酸化炭素が100%付近の拡大図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a porous film having no firing process. In particular, it is suitable as a porous low dielectric constant film suitably used as a dielectric layer of a high frequency circuit or an interlayer insulating film of a semiconductor integrated circuit (LSI) and a method of forming the same.
[0002]
[Prior art]
A so-called spin-on-glass (SOG) film is used as an interlayer insulating film in a semiconductor device or the like. 2 A coating-type insulating film containing as a main component is widely used. In addition, with the increase in the degree of integration of semiconductor elements, low dielectric constant interlayer insulating films containing organic components have been developed. However, with higher integration and multilayering of semiconductor devices and the like, a low dielectric constant interlayer insulating film material having a relative dielectric constant of 2 or less has been required.
[0003]
In order to realize a relative dielectric constant of 2 or less, it is essential to lower the density of the film itself, and for that purpose, it is necessary to use a porous material. However, if the density of the porous material is reduced to lower the dielectric constant, generally the mechanical strength of the material is significantly reduced. This is due to the fact that the vacancies introduced for lowering the density are unevenly dispersed. In order to maintain the strength as much as possible even when the density is lowered, it is effective to realize a highly regular structure such as a honeycomb structure.
[0004]
As a method for producing a porous material having a regular structure, JP-A-10-194720 (Patent Document 1) discloses a silica / surfactant composite by mixing and reacting an alkoxysilane, water and a surfactant. And then aging, drying and firing.
[0005]
As a method of obtaining a thin film from a porous material having a periodic structure, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-194298 (Patent Document 2) discloses that tetraalkoxysilane is hydrolyzed under an acidic condition and a surfactant is mixed with the hydrolyzed solution. A method of firing a silica-surfactant nanocomposite obtained by applying and drying a solution is disclosed.
[0006]
However, in these techniques, in order to realize a porous structure, a process of firing a surfactant, which is a pore source material that forms the pores of the porous structure, at a high temperature is required, and the temperature is high. Must be 500 ° C. or higher. Therefore, it cannot be used for the interlayer insulating film process of the semiconductor element.
[0007]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-55508 (Patent Literature 3) discloses a method of forming a porous material at a low temperature by converting a non-silicate material from a material comprising a silicate region and a non-silicate region by solvent exchange and fluid exchange. A method of extracting a porous silicate material by extraction is disclosed. Also, supercritical extraction is mentioned as an extraction means (claim 13). As is generally known, in a process using a supercritical fluid, no capillary contraction force is exerted, so that deformation of a target structure during solvent extraction can be extremely reduced. In the examples of this document, the use of supercritical fluid extraction of isopropanol alone is described.
[0008]
Although no specific example is disclosed, it is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-367984 (Patent Document 4) that it is possible to add another solvent having excellent compatibility with the component to be extracted to the supercritical medium. And Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-363286 (Patent Document 5).
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-10-194720 (Claims)
[Patent Document 2]
JP-A-9-194298 (Claims)
[Patent Document 3]
JP 2001-55508 A (Claims)
[Patent Document 4]
JP-A-2002-367984 (Claims)
[Patent Document 5]
JP-A-2002-363286 (Claims)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is difficult to remove all the materials in the non-silicate region by the technique of Patent Document 3. Before being made porous, the non-silicate region contains many substances such as photoinitiators and photocured organic substances in addition to surfactants, and supercritical fluids generally work as good solvents. This is because not all of these materials have miscibility and compatibility. Also, in the techniques of Patent Documents 4 and 5, since the extraction performance for the target component to be extracted, that is, the compatibility generally depends on the molecular weight, when the molecular weight becomes larger than a certain value, other solvents may be used. Can no longer be compatible.
That is, in the conventional method using a supercritical fluid as a means for removing a pore source material in the formation of a porous structure, the relative dielectric constant is used unless the pore source material used originally has good compatibility with the supercritical fluid. It is difficult to form a high quality porous film having a low quality. For this reason, there is a problem that the components of the pore source material extracted by the supercritical fluid are limited, and the pore size and skeleton structure of the finally formed porous membrane are limited.
[0011]
The present invention has been made in view of such a problem, and uses various materials as a pore source material for forming pores of a porous membrane, regardless of the degree of compatibility with a supercritical fluid as an extraction solvent. It is another object of the present invention to provide a method for forming a porous film having a high degree of freedom in selecting a pore size and a skeleton structure, and a porous film formed by the method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The method for forming a porous film according to the present invention includes forming a primary film in which a skeletal material forming a skeleton of the porous film and a pore source material serving as a base of pores of the porous film are contained in a mixed state. A decomposition step of decomposing the porogen material constituting the primary membrane, and an extraction step of extracting the porogen material decomposed by the decomposition step using a supercritical fluid.
[0013]
According to this method for forming a porous membrane, after forming a primary membrane containing a skeleton material and a pore source material in a mixed state, a decomposition step for decomposing the pore source material of the primary membrane is provided, so that extraction with a supercritical fluid is performed. In the process, the supercritical fluid can be used to extract the pore source material that has been decomposed into low molecules by the decomposition process and has improved compatibility with the supercritical fluid. For this reason, at the stage of the primary film forming step, there is no limitation on the molecular weight and structure of the hole source material, and a wide variety of hole source materials can be used, and accordingly, various pore sizes and skeleton structures can be used. Can be formed. Moreover, in the stage of the extraction step using a supercritical fluid, the pore source material decomposed into low molecules can be extracted, so that the supercritical extraction can be performed efficiently and the productivity is excellent. Of course, since a supercritical fluid is used in the extraction step, processing at a low temperature is possible. For example, the present invention is suitably applied to formation of an interlayer insulating film of a semiconductor device.
[0014]
In the decomposition step, the hole source material can be decomposed using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component for accelerating the decomposition of the hole source material. When such a supercritical fluid is used, the decomposition and extraction of the pore source material can be performed simultaneously in one step (decomposition / extraction step).
[0015]
As the decomposition promoting component, a component mainly composed of an oxidatively decomposable substance that oxidatively decomposes a pore source material (including a substance composed of only an oxidatively decomposable substance) can be used. When the decomposition promoting component containing the oxidatively decomposable substance as a main component is contained in a supercritical fluid, the decomposition promoting component is converted into a supercritical fluid together with a mixing promoting solvent having compatibility with the decomposition promoting component and the supercritical fluid. It can be contained. As the mixing promoting solvent, an organic solvent can be used, and the concentration of the decomposition promoting component with respect to the mixing promoting solvent is preferably 20 mass% or less. The supercritical fluid used in the extraction step, decomposition step or decomposition / extraction step is preferably one whose main component is carbon dioxide, alkyl alcohol or a mixture thereof.
[0016]
Further, as the skeleton material, an inorganic substance, particularly an inorganic substance containing silica as a main component, is preferable because a skeleton of the porous film has excellent insulating properties and stability, and a porous film having a lower dielectric constant can be obtained. Further, as the pore source material, an organic substance can be used. In particular, a surfactant is used at an appropriate concentration to form micelles, so that the pore source material can be regularly arranged, and Is preferred because it can form a regular skeleton.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The method for forming a porous film according to the present invention includes: (1) forming a primary film containing a skeleton material forming a skeleton of the porous film and a pore source material serving as a base of pores of the porous film in a mixed state; A primary film forming step, (2) a decomposition step of decomposing the pore source material constituting the primary film, and (3) an extraction step of extracting the pore source material decomposed in the decomposition step using a supercritical fluid. Is provided.
[0018]
In the decomposition step, it is preferable to decompose the hole source material using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component for accelerating the decomposition of the hole source material. By using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component, the decomposition treatment can be quickly performed with a high-density, high-diffusion fluid. For this reason, the decomposition promoting component can be efficiently brought into contact with the components in the minute space, so that good decomposition efficiency can be obtained. When a supercritical fluid containing the decomposition promoting component is used, the decomposition step and the extraction step can be performed simultaneously. The step of simultaneously performing the decomposition step and the extraction step is called a decomposition / extraction step.
[0019]
As the decomposition accelerating component, a component mainly containing an oxidatively decomposable substance that oxidatively decomposes the pore source material (including one composed of only the oxidatively decomposable substance) can be used. It is possible to reduce the molecular weight. For example, when a surfactant having a high molecular weight is used as a pore source material, large pores can be formed in accordance with the molecular weight of the surfactant. It is difficult to directly extract the surfactant with a supercritical fluid after forming a primary membrane containing the in a mixed state. Such a surfactant having a large molecular weight has a hydrophobic group consisting of a higher alkyl group bonded in a very long chain. This hydrophobic group is easily separated and decomposed by the oxidative decomposition substance. The hydrophobic group is decomposed in this way, and the low molecular weight surfactant is easily extracted by the supercritical fluid.
[0020]
When the oxidatively decomposable substance is used by being contained in a supercritical fluid, any substance that can be mixed with the supercritical fluid may be used. Specifically, O 2 , O 3 , N 2 O, H 2 O 2 , HCl, HBr, Cl 2 , BCl 3 , HNO 3 Such a gas can be used, and a protic solvent can also be used. Specific examples of the protic solvent include inorganic acids such as hydrochloric acid, perchloric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, shelvic acid, and oxalic acid, organic acids such as acetic acid and formic acid, bromine trifluoride, and pentafluoride. Interhalogen compounds such as bromine can be used. These substances can be used alone or in combination of two or more.
[0021]
The oxidatively decomposable substance can be contained in the supercritical fluid together with a mixing promoting solvent having compatibility with both the oxidatively decomposable substance and the supercritical fluid. By using a mixing promoting solvent, it is possible to improve the compatibility between the supercritical fluid and the oxidatively decomposable substance even when the oxidatively decomposable substance alone is not compatible with or inferior to the supercritical fluid. Can be. In this case, the amount of the mixing accelerating solvent may be appropriately adjusted within a range in which the solvent can be compatible with the supercritical fluid without impairing the oxidative decomposability of the oxidative decomposable substance. As the concentration range to be adjusted, the amount of the oxidatively decomposable substance is set to 0.01% or more and 20% or less by mass% (wt%) with respect to the mixing promoting solvent contained in the supercritical fluid together with the oxidatively decomposable substance. Is preferred. More preferably, it is 0.05% or more and 10% or less. If the amount of the oxidatively decomposable substance is too small, the oxidatively decomposable substance is deteriorated, while if it is too large, it is difficult to be compatible with the supercritical fluid.
[0022]
It is preferable to use an organic solvent as the mixing promoting solvent. Examples of usable organic solvents include alcohol solvents, ketone solvents, and amide solvents.
[0023]
Specifically, as an alcohol solvent, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, sec-butanol, t-butanol, n-pentanol, isopentanol, 2-methylbutanol, sec- Pentanol, t-pentanol, 3-methoxybutanol, n-hexanol, 2-methylpentanol, sec-hexanol and 2-ethylbutanol can be mentioned.
[0024]
Further, as a ketone solvent, acetone, methyl ethyl ketone, methyl-n-propyl ketone, methyl-n-butyl ketone, diethyl ketone, methyl-i-butyl ketone, methyl-n-pentyl ketone, ethyl-n-butyl ketone, methyl-n- Hexyl ketone and di-i-butyl ketone are exemplified.
[0025]
Examples of the amide-based solvent include formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N-ethylformamide, N, N-diethylnermamide, acetamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide, and N, N-dimethylacetamide. -Ethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methylpropionamide, N-methylpyrrolidone.
[0026]
The supercritical fluid in which the decomposition promoting component and the mixing promoting solvent are dissolved is a carbon dioxide or an alkyl alcohol (the alkyl alcohol is methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl One or a mixture of two or more of alcohols may be used, and these are collectively referred to as an alkyl alcohol.) Or a mixture of carbon dioxide and an alkyl alcohol is industrially preferable. This is because any of these supercritical fluids can be widely compatible with various substances.
[0027]
As the skeletal material serving as the skeleton of the porous structure, an inorganic material is excellent in terms of thermal stability, workability, and mechanical strength. For example, oxides such as titanium, silicon, aluminum, boron, germanium, lanthanum, magnesium, niobium, phosphorus, tantalum, tin, vanadium, and zirconium can be given. In particular, it is preferable to use these metal alkoxides as raw materials. This is because, in the film forming step, it is excellent in mixing with the hole source material described later.
[0028]
Specific metal alkoxides include:
Tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetramethoxytitanium, tetranormal butoxytitanium,
Tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetramethoxysilane, tetranormalbutoxysilane, triethoxyfluorosilane, triethoxysilane, triisopropoxyfluorosilane, trimethoxyfluorosilane, trimethoxysilane, trinormalbutoxyfluorosilane, trinormal Propoxyfluorosilane, trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, trimethylchlorosilane, phenyltriethoxysilane, phenyldiethoxychlorosilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, Tris Methoxyethoxyvinylsilane,
Triethoxyaluminum, triisobutoxyaluminum, triisopropoxyaluminum, trimethoxyaluminum, trinormal butoxyaluminum, trinormal propoxyaluminum, trisecondary butoxyaluminum, tritertiary butoxyaluminum,
Triethoxy boron, triisobutoxy boron, triisopropoxy boron, trimethoxy boron, trinormal butoxy boron, tri secondary butoxy boron,
Tetraethoxygermanium, tetraisopropoxygermanium, tetramethoxygermanium, tetranormalbutoxygermanium,
Trismethoxyethoxysilanetan,
Bismethoxyethoxymagnesium,
Pentaethoxy niobium, pentaisopropoxy niobium, pentamethoxy niobium, penta normal butoxy niobium, penta normal propoxy niobium,
Triethyl phosphate, triethyl phosphite, triisopropoxy phosphate, triisopropoxy phosphite, trimethyl phosphate, trimethyl phosphite, tri-normal butyl phosphate, tri-normal butyl phosphite, tri-normal propyl phosphate, tri-normal propyl phosphate Fight,
Pentaethoxy tantalum, pentaisopropoxy tantalum, pentamethoxy tantalum,
Tetratertiary butoxy tin, tin acetate, triisopropoxy normal butyl tin,
Triethoxyvanadyl, trinormal propoxyoxyvanadyl, trisacetylacetonatovanadium,
Examples thereof include tetraisopropoxyzirconium, tetranormal butoxyzirconium, and tetratertiary butoxyzirconium.
[0029]
Among the metal alkoxides exemplified above, tetraisopropoxytitanium, tetranormalbutoxytitanium, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetramethoxysilane, tetranormalbutoxysilane, triisobutoxyaluminum, and triisopropoxyaluminum are preferable.
[0030]
In addition, among the above metal alkoxides, inorganic substances containing silica as a main component, for example, silicon alkoxides such as tetraethoxysilane and tetraisopropoxysilane are preferable because a porous film having a lower dielectric constant can be obtained.
[0031]
As the hole source material, it is preferable to use an organic substance that can be easily dispersed as a hole source in a skeleton material. Surfactants are suitable as such organic substances. Surfactants, when used at moderate concentrations, form micelles, which are aggregates of more surfactant molecules. Further, the micelles are arranged in a regular structure such as a cylinder or a layer according to the concentration. As a result, the framework material formed around each micelle also has an ordered structure. That is, since the micelles are formed in the skeleton, it is possible to arrange the pore sources regularly. By introducing a regular pore structure, the mechanical strength of the porous structure can be improved.
[0032]
As the surfactant, a nonionic surfactant, a cationic surfactant, or the like can be used.
[0033]
As the nonionic surfactant, an ethylene oxide derivative, a propylene oxide derivative, or the like can be used. Specifically, polyoxyethylene decyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene cetyl ether, polyoxyethylene olein ether, polyoxyethylene coconut alcohol ether, polyoxyethylene purified coconut alcohol ether, polyoxyethylene 2-ethylhexyl Ether, polyoxyethylene synthetic alcohol ether, polyoxyethylene secondary alcohol ether, polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene isostearyl ether, polyoxyethylene long chain alkyl ether, polyoxyethylene octyl phenyl ether, polyoxyethylene nonyl phenyl Ether, polyoxyethylene dodecyl phenyl ether, polyoxyethylene dinonyl phenyl ether Polyoxyethylene styrenated phenyl ether, polyoxyethylene phenyl ether, polyoxyethylene benzyl ether, polyoxyethylene β-naphthyl ether, polyoxyethylene bisphenol-A-ether, polyoxyethylene bisphenol-F-ether, polyoxy Ethylene laurylamine, polyoxyethylene tallowamine, polyoxyethylene stearylamine, polyoxyethylene oleylamine, polyoxyethylene tallow propylenediamine, polyoxyethylene stearylpropylenediamine, polyoxyethylene N-cyclohexylamine, polyoxyethylene metaxylenediamine, Polyoxyethylene oleylamide, polyoxyethylene stearylamide, polyoxyethylene castor oil, Lioxyethylene hydrogenated castor oil, polyoxyethylene monolaurate, polyoxyethylene monostearate, polyoxyethylene monotallow oleate, polyoxyethylene monotol oil fatty acid ester, polyoxyethylene distearate, polyoxyethylene rosin ester, Polyoxyethylene wool grease ether, polyoxyethylene lanolin ether, polyoxyethylene lanolin alcohol ether, polyoxyethylene polyethylene glycol, polyoxyethylene glycerol ether, polyoxyethylene trimethylol propane ether, polyoxyethylene sorbitol ether, polyoxyethylene penta Erythritol dioleate ether, polyoxyethylene sorbitan mostate etherate, polyoxy Ethylene sorbitan monooleate ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glycol, polyoxyethylene polyoxypropylene 2-ethylhexyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene isodecyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene synthetic alcohol ether, polyoxyethylene poly Oxypropylene tridecyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene nonyl phenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene styrenated phenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene laurylamine, polyoxyethylene polyoxypropylene tallowamine, polyoxyethylene polyoxy Propylene isodecyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene Ridecyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene lauryl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene stearyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glyceryl ether, polyoxypropylene 2-ethylhexyl ether, polyoxypropylene synthetic alcohol ether, polyoxypropylene butyl ether And polyoxypropylene bisphenol-A-ether, polyoxypropylene styrenated phenyl ether, polyoxypropylene meta-xylene diamine, and the like. These surfactants may be used alone or in combination of two or more.
[0034]
Examples of the cationic surfactant include C n H 2n + 1 (CH 3 ) 2 N + M , C n H 2n + 1 (C 2 H 5 ) 2 N + M (M represents an element serving as an anion), C n H 2n + 1 NH 2 , H 2 N (CH 2 ) n NH 2 A quaternary alkyl ammonium salt having an alkyl group having 8 to 24 carbon atoms, specifically,
Dodecanyltrimethylammonium chloride, tetradecanyltrimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, octadecanyltrimethylammonium chloride,
Dodecanyl trimethyl ammonium bromide, tetradecanyl trimethyl ammonium bromide, hexadecyl trimethyl ammonium bromide, octadecanyl trimethyl ammonium bromide,
Dodecanyltriethylammonium chloride, tetradecanyltriethylammonium chloride, hexadecyltriethylammonium chloride, octadecanyltriethylammonium chloride,
Dodecanyltriethylammonium bromide, tetradecanyltriethylammonium bromide, hexadecyltriethylammonium bromide, octadecanyltriethylammonium bromide and the like can be mentioned.
[0035]
In addition to these surfactants, so-called gemini surfactants having a plurality of hydrophilic groups and a plurality of hydrophobic groups in one molecule, for example, C n H 2n + 1 X 2 N + M (CH 2 ) S N + M X 2 C m H 2m + 1 (N, m = 5 to 20, S = 1 to 10). Here, M is a hydrogen atom or a salt-forming anion (specifically, Cl , Br X is a hydrogen atom or a lower alkyl group (specifically, CH 3 , C 2 H 5 Etc.). Specifically, C 12 H 25 (CH 3 ) 2 N + Cl (CH 2 ) 4 N + Cl (CH 3 ) 2 C 12 H 25 , C 12 H 25 (CH 3 ) 2 N + Br (CH 2 ) 4 N + Br (CH 3 ) 2 C 12 H 25 , C 16 H 33 (CH 3 ) 2 N + Cl (CH 2 ) 4 N + Cl (CH 3 ) 2 C 16 H 33 , C 16 H 33 (CH 3 ) 2 N + Br (CH 2 ) 4 N + Br (CH 3 ) 2 C 16 H 33 And the like.
[0036]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not construed as being limited to such Examples.
[0037]
【Example】
Example 1
Tetraethoxysilane Si (C 2 H 5 O) 4 And 1.9 g of hexadecyltrimethylammonium chloride as a pore source material and 0.45 g of water having a pH of 3 were mixed and stirred at room temperature for about 2 hours to obtain a transparent, uniform and viscous primary membrane. The forming solution was prepared. The obtained solution was spin-coated on a substrate by spin coating, and subsequently dried at 100 ° C. in the air to form a primary film. The primary membrane was subjected to a decomposition treatment of the pore source material using a supercritical extraction apparatus shown in FIG. 1 and then subjected to supercritical extraction.
[0038]
The supercritical extraction apparatus extracts a pore source material by a carbon dioxide cylinder 1 containing a carbon dioxide gas forming a supercritical fluid, an oxygen cylinder 2 containing an oxygen gas forming a decomposition promoting component, and a supercritical fluid. And a high-pressure container 3 for performing the operation. The carbon dioxide cylinder 1 is connected to the high-pressure vessel 3 via a pump 4 and an on-off valve 5, and the oxygen cylinder 2 is connected to the high-pressure vessel 3 via a regulator 6 and a check valve (not shown). A heater (not shown) is provided in a pipe downstream of the pump 4 and the regulator 6. Further, a pressure regulating valve 7 for adjusting the pressure in the high-pressure vessel 3 is provided in a downstream pipe line of the high-pressure vessel 3.
[0039]
Decomposition treatment and supercritical extraction of the hole source material were performed in the following manner. After disposing the base material in the high-pressure vessel 3, oxygen heated to 80 ° C. and held by the heater was introduced into the high-pressure vessel 3. The oxygen partial pressure in the high-pressure vessel 3 was set to a predetermined pressure (variably changed in the range of 0.1 to 5 MPa) by a regulator, and subsequently, carbon dioxide at 80 ° C. was introduced into the vessel 3, Was adjusted to raise the pressure in the high-pressure vessel 3 to 15 MPa to bring it into a supercritical state. After maintaining in this state for 10 minutes, 100 liters of carbon dioxide were passed as a gas conversion amount (amount of gas discharged from the outlet side of the pressure regulating valve). Thereafter, the pressure of the high-pressure container 3 was reduced, and then the substrate was taken out.
[0040]
As a result, a transparent film having a thickness of 2 μm was formed on the obtained base material. X-ray diffraction analysis was performed on the film formed on the substrate. FIG. 2 shows the result of the X-ray diffraction pattern. FIG. 2 shows a very sharp diffraction peak at a d value of about 3.0 nm, indicating that the obtained porous film has a periodic structure of about 3 nm.
[0041]
As a result of FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) analysis, when the oxygen partial pressure during supercritical treatment was less than 1 MPa, 2850 to 2950 cm -1 CH near 3 , CH 2 A peak attributable to stretching vibration was observed, and it was confirmed that hexadecyltrimethylammonium chloride remained and extraction was insufficient. On the other hand, those having a pressure of 1 MPa or more did not show these peaks, and it was confirmed that hexadecyltrimethylammonium chloride was completely removed.
[0042]
Further, after forming an Al electrode on the porous film obtained by the treatment at an oxygen partial pressure of 1 MPa or more, the capacitance was measured, and the relative dielectric constant was obtained. As a result, 1.5 was obtained. From this, it was found that an extremely porous film was formed.
[0043]
Example 2
In the same manner as in Example 1 above, a primary film forming solution was prepared, and a primary film was formed on a substrate using the solution. Using a supercritical extraction device shown in FIG. Decomposition and supercritical extraction were performed.
[0044]
The supercritical extraction apparatus shown in FIG. 3 used in this embodiment is basically the same as that of the first embodiment, and therefore, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. The differences will be mainly described. In this apparatus, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) And ethanol as a solvent for dissolving the same. For this purpose, a hydrogen peroxide water container 12 and an ethanol container 13 are provided, and these containers are connected to the high-pressure container 3 via pumps 21, 23, on-off valves 22, 24, and a check valve (not shown), respectively. ing. Further, a heater (not shown) for heating the hydrogen peroxide solution and ethanol flowing through the pipeline is provided in the downstream flow path of the on-off valves 22 and 24. The concentration of the hydrogen peroxide solution is 31 mass% (wt%), and the flow rates of the hydrogen peroxide solution and ethanol are adjusted by the pumping amount of the pump.
[0045]
After disposing the base material in the high-pressure vessel 3, a mixture of a hydrogen peroxide solution and an ethanol mixture in supercritical carbon dioxide at a temperature of 80 ° C. and a pressure of 150 MPa was passed through the high-pressure vessel 3. Here, the mixed state in the high-pressure vessel was visually observed while changing the respective concentrations of the hydrogen peroxide solution, ethanol, and carbon dioxide. When these three kinds of substances are uniformly mixed, they are observed as colorless and transparent, while in an unevenly mixed state, the solution is observed as turbid. As a result, it was found that a specific concentration range exists in order to obtain a uniformly mixed supercritical fluid. The range is shown in FIG. In other words, oxidizing hydrogen peroxide alone cannot be uniformly mixed with supercritical carbon dioxide, but it is necessary to mix with ethanol at an appropriate ratio in order to form a uniform supercritical fluid. Therefore, as an embodiment, as shown in FIG. 5, the pumping speed (specified by the volume speed) of the pump is adjusted so that carbon dioxide (liquid conversion): ethanol: hydrogen peroxide solution = 94.5: 5: Using a supercritical fluid containing ethanol and hydrogen peroxide at a ratio (volume ratio) of 0.5, the primary membrane was simultaneously subjected to decomposition of the pore source material and supercritical extraction in the following manner. As a comparative example, supercritical extraction was performed using a supercritical fluid having a ratio of carbon dioxide (liquid conversion): ethanol = 90: 10.
[0046]
After flowing 100 liters of carbon dioxide as a gas equivalent at the above temperature, pressure and ratio, the inside of the vessel was flushed (washed) with a supercritical fluid consisting of carbon dioxide alone, and the high pressure vessel was depressurized. The material was taken out.
[0047]
As a result, a transparent film having a thickness of 2 μm was formed on the obtained base material. X-ray diffraction analysis was performed on the film formed on the substrate. The X-ray diffraction pattern was similar to that of FIG. 2, and the d value showed a very sharp diffraction peak at about 3.0 nm, indicating that the obtained porous film had a periodic structure of about 3 nm.
[0048]
In addition, as a result of FTIR analysis, no peak due to hexadecyltrimethylammonium chloride was observed in the examples, and it was confirmed that hexadecyltrimethylammonium chloride was completely extracted and removed. On the other hand, in the comparative example in which hydrogen peroxide was not introduced, 2850 to 2950 cm -1 CH near 3 , CH 2 A peak attributable to stretching vibration was observed, and hexadecyltrimethylammonium chloride remained, confirming that extraction was insufficient.
[0049]
After forming an Al electrode on the porous film of the example from which hexadecyltrimethylammonium chloride was completely extracted and removed, the capacitance was measured and the relative dielectric constant was obtained, and 1.5 was obtained. Was. From this, it was found that an extremely porous material was formed in the examples.
[0050]
【The invention's effect】
According to the method for forming a porous membrane of the present invention, since a step of decomposing a pore source material or a step of decomposing and extracting the pore source material is provided, the extraction of the pore source material can be performed efficiently and the productivity is excellent. Further, the type of application of the hole source material can be expanded, and a porous film having various pore sizes and skeleton structures can be easily formed. Of course, according to the present invention, since the hole source material can be extracted and removed at a low temperature, it can be suitably applied as a method for forming an interlayer insulating film in a manufacturing process of a semiconductor element or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a supercritical extraction device used in Example 1.
FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of a porous film in Example 1.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a supercritical fluid extraction device used in Example 2.
FIG. 4 is a diagram illustrating a ternary mixed state showing a concentration range in which a mixture of carbon dioxide, ethanol, and hydrogen peroxide forms a uniform supercritical fluid.
FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of 100% of carbon dioxide in FIG. 4;

Claims (13)

多孔質膜の骨格を形成する骨格材料と多孔質膜の空孔の基となる孔源材料とが混合状態で含まれる一次膜を形成する一次膜形成工程と、前記一次膜を構成する孔源材料を分解する分解工程と、前記分解工程によって分解された孔源材料を超臨界流体を用いて抽出する抽出工程とを有することを特徴とする多孔質膜の形成方法。A primary film forming step of forming a primary film in which a skeleton material forming a skeleton of a porous film and a pore source material serving as a base of pores of the porous film are contained in a mixed state, and a pore source forming the primary film A method for forming a porous membrane, comprising: a decomposition step of decomposing a material; and an extraction step of extracting the pore source material decomposed by the decomposition step using a supercritical fluid. 前記分解工程において、孔源材料の分解を促進する分解促進成分を含む超臨界流体を用いる請求項1に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to claim 1, wherein in the decomposition step, a supercritical fluid containing a decomposition promoting component for promoting the decomposition of the pore source material is used. 多孔質膜の骨格を形成する骨格材料と多孔質膜の空孔の基となる孔源材料とが混合状態で含まれる一次膜を形成する一次膜形成工程と、前記一次膜を構成する孔源材料の分解を促進する分解促進成分を含む超臨界流体を用いて前記孔源材料を分解するとともに抽出する分解・抽出工程とを有することを特徴とする多孔質膜の形成方法。A primary film forming step of forming a primary film in which a skeleton material forming a skeleton of a porous film and a pore source material serving as a base of pores of the porous film are contained in a mixed state, and a pore source forming the primary film A decomposition / extraction step of decomposing and extracting the pore source material using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component for promoting the decomposition of the material. 前記分解促進成分は孔源材料を酸化分解する酸化分解性物質を主成分とする請求項2または3に記載した多孔質膜の形成方法。4. The method for forming a porous film according to claim 2, wherein the decomposition promoting component is mainly composed of an oxidatively decomposable substance that oxidatively decomposes the pore source material. 前記超臨界流体は、前記分解促進成分と超臨界流体とに相溶性を有する混合促進溶媒とともに前記分解促進成分を含む請求項2,3または4に記載した多孔質膜の形成方法。The method of forming a porous membrane according to claim 2, wherein the supercritical fluid contains the decomposition promoting component together with a mixing promoting solvent compatible with the decomposition promoting component and the supercritical fluid. 前記混合促進溶媒は有機溶媒である請求項5に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to claim 5, wherein the mixing promoting solvent is an organic solvent. 前記混合促進溶媒に対する前記分解促進成分の濃度が20mass%以下である請求項6に記載した多孔質膜の形成方法。
The method for forming a porous film according to claim 6, wherein the concentration of the decomposition promoting component with respect to the mixing promoting solvent is 20 mass% or less.
4
前記超臨界流体は、その主成分が二酸化炭素、アルキルアルコールまたはこれら混合物である請求項1から7のいずれか1項に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to any one of claims 1 to 7, wherein a main component of the supercritical fluid is carbon dioxide, an alkyl alcohol, or a mixture thereof. 前記骨格材料が無機物である請求項1から8のいずれか1項に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to any one of claims 1 to 8, wherein the skeleton material is an inorganic substance. 前記無機物がシリカを主成分とする無機物である請求項9に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to claim 9, wherein the inorganic substance is an inorganic substance containing silica as a main component. 前記孔源材料が有機物である請求項1から10のいずれか1項に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to any one of claims 1 to 10, wherein the hole source material is an organic substance. 前記有機物が界面活性剤である請求項11に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to claim 11, wherein the organic substance is a surfactant. 請求項1から12のいずれか1項に記載された方法によって形成された多孔質膜。A porous membrane formed by the method according to claim 1.
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