JP4055459B2 - シリカ系被膜及びその形成方法、並びに、シリカ系被膜を形成するための塗布液及びその製造方法 - Google Patents

シリカ系被膜及びその形成方法、並びに、シリカ系被膜を形成するための塗布液及びその製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚膜形成が可能なシリカ系塗膜の形成方法に関するものである。
【0002】
さらに詳しくいえば、本発明は、厚膜形成が可能なシリカ系コーティング材料を用いて、平坦化膜、層間絶縁膜、保護膜、パッシベーッション膜などの電子材料用途に適した厚膜の形成方法に関するものである。そして、そのシリカ系コーティング材料と製造方法に関するものである。
【0003】
【従来の技術】
従来より、シリカ系コーティング材料は様々な分野で用いられている。例えば半導体装置では、半導体基板とアルミニウム配線層などの金属配線層との間や、あるいは金属配線間に絶縁膜として用いられている。さらに半導体基板上に設けられているPN結合半導体、及びコンデンサー素子、抵抗素子などの各種素子の保護膜としても利用されている。
【0004】
また、半導体基板上に金属配線層などを設けると、金属配線層などによって半導体基板上に凹凸が生じる。この凹凸面上にさらに金属配線層などを形成しようとしても、凹凸段差で断線を生じることがある。このため上記のようにシリカ系絶縁膜を金属配線層及び各種素子によって生じた凹凸面に形成することで平坦化する役割も果たしている。
【0005】
上記のような分野で用いられているシリカ系被膜は、一般にCVD法、スパッタリング法などの気相成長法又はシリカ系被膜形成用コーティング組成物を用いてシリカ系被膜を形成する塗布法によってシリカ系被膜を形成することが広く行われている。
【0006】
このようなシリカ系被膜を形成するための塗布液としてはシロキサンポリマーが用いられている。このシロキサンポリマーの前駆体のひとつであるポリアルキルシルセスキオキサン前駆体としては、例えば特開昭63―241076号公報、特開平3―126612号公報に示されている。しかし、これまでに示されている方法は、アルキルアルコキシシランを加水分解してアルキルシロキサンポリマーを形成させる方法であり、この方法では加水分解や重縮合の反応の制御が容易ではない。さらにこの溶液を、1回の塗布で厚膜を形成できるまで高濃度化すると、保存安定性が悪くなってしまうため、厚膜を形成させるためには、数回の塗布で重ね塗りすることによって回避してきた。
【0007】
また、ポリシラザンを熱処理し、シリコンオキシナイトライド膜として使用する方法(特開昭62―88327号公報)、ポリシラザンを水蒸気雰囲気下で熱処理してシリコン酸化膜に変えて使用する方法が示されている。これらのポリシラザンを用いる方法では、1回の塗布により厚膜を形成することが可能であるが、熱処理の際にアンモニアやアミンが発生し、配線材料等を汚染してしまうという問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、様々な基板上に、0.5〜5μmの膜厚を有するシリカ系被膜を簡便に、かつ効率よく形成させる方法と、その被膜と、このようなシリカ系被膜のために供される工業製品として安定な塗布液と、その効率的製造方法とを提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明では、式(1)
【0010】
【化13】
Figure 0004055459
【0011】
(但し、Rは1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。)で示される珪素化合物(A)及び/又は式(2)
【0012】
【化14】
Figure 0004055459
【0013】
(但し、Rメチル基、エチル基、ビニル基又はフェニル基を表し、R は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。そしてnは1〜3の整数を表す。)で示される珪素化合物(B)と、式(3)
【0014】
【化15】
Figure 0004055459
【0015】
(但し、R は、水素原子又は1〜12個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。)で示されるアルコール(C)、蓚酸(D)とを、珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対してアルコール(C)0.5〜100モルの比率に、そして珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対して蓚酸(D)0.2〜2モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、その中の珪素原子から換算された0.5〜11重量%のSiO 濃度にアルコール(C)を用いて維持すると共に、当該反応混合物中珪素化合物(A)と珪素化合物(B)の全残存量が5モル%以下となるまで、50〜180℃で加熱して、高速液体クロマトグラフィーにてGPC法により2800〜6200のポリスチレン換算数平均分子量を有することを確認することから得られた、ポリシロキサン溶液を含有する塗布液を基材表面に塗布し、そしてこの塗布により得られた塗膜を80〜400℃で熱硬化させることにより、0.5〜5μmのシリカ系被膜を当該基材表面上に形成できる。
【0016】
本発明では珪素化合物として、珪素化合物(A)及び/又は珪素化合物(B)を用いる。ここで、珪素化合物(A)及び/又は珪素化合物(B)とは、以下の三の態様が挙げられる。1)珪素化合物(A)、2)珪素化合物(B)、3)珪素化合物(A)及び珪素化合物(B)である。
【0017】
本発明のポリシロキサンの溶液は透明であって、ゲル状のポリシロキサンは含有していない。多量のアルコール(C)と比較的多量の蓚酸(D)とは共存するが、水を添加しない反応混合物中で珪素化合物(A)及び/又は珪素化合物(B)は加熱されるから、このポリシロキサンは、珪素化合物(A)及び/又は珪素化合物(B)の加水分解物の縮合によって生成したものではない。アルコール溶媒中加水分解の方法でアルコキシシランからポリシロキサンを生成させるときには、加水分解の進行につれて液に濁りが生じたり、不均一なポリシロキサンが生成しやすいが、本発明による反応混合物ではそのようなことは起こらない。
【0018】
本発明により得られるポリシロキサンは、その化学構造は複雑であって特定しがたいが、おそらく珪素化合物(A)及び/又は珪素化合物(B)と、蓚酸(D)との反応により生成した中間体にアルコール(C)が作用して重合するために、分岐構造は有していても、溶液を形成する程度の重合度を有するポリシロキサンが生成するものと考えられる。
【0019】
本発明により得られるポリシロキサンは、ポリスチレン換算数平均分子量が2000〜15000、好ましくは2000〜8000であり、分子量が2000より小さい場合、成膜時に膜の収縮が大きくなり、膜厚を0.5μm以上の厚膜とするとクラックが入りやすい。また、分子量が15000より大きい場合、得られたポリシロキサンの高分子量化のためにポリシロキサンの溶液の高粘度化、ゲル化等の問題が起きやすくなり貯蔵安定性が悪くなる。
【0020】
当該基材上に塗布された上記ポリシロキサンの溶液を含有する塗膜の加熱により、当該塗膜から揮発成分の除去と当該塗膜中でポリシロキサンの硬化反応が進行することによって、当該基材表面に密着し、厚膜で、クラック限界が高く、透明性に優れた不溶性の被膜が生成する。
【0021】
【発明の実施の形態】
式(1)及び式(2)に含まれるアルキル基R及びR の例としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルなどが挙げられ、好ましい珪素化合物(A)の例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランなどが挙げられる。これらの中でもテトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが特に好ましい。
【0022】
式(2)のRとしては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、フェニル、ビニルなどが挙げられる。好ましい珪素化合物(B)の例としては、式(2)においてnが1の整数の場合、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ビニ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、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ビニルトリエトキシシランなどが挙げられる。式(2)においてnが2の整数の場合、ジメチルジメトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジプロピルジエトキシシラン、ジブチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジビニルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジプロピルジエトキシシラン、ジブチルジエトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジビニルジエトキシシランなどが挙げられる。式(2)においてnが3の整数の場合、トリメチルメトキシシラン、トリエチルメトキシシラン、トリプロピルメトキシシラン、トリブチルメトキシシラン、トリフェニルメトキシシラン、トリビニルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリエチルエトキシシラン、トリプロピルエトキシシラン、トリブチルエトキシシラン、トリフェニルエトキシシラン、トリビニルエトキシシランなどが挙げられる。
【0023】
これらの中でも、珪素化合物(B)を珪素化合物(A)と併用せず、単独で使用する場合は、式(2)においてnが1の整数の場合に例示したメチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ビニ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、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ビニルトリエトキシシランなどがより好ましい。これらのなかでも、特にメチルトリエトキシシランが好ましい。
【0024】
また、珪素化合物(B)を珪素化合物(A)と併用する場合、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、γ―メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ジビニルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシランなどが特に好ましい。これら珪素化合物(B)は、単独又は二種以上の組み合わせで用いることができる。
【0025】
式(3)に含まれる非置換のアルキル基Rの例としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチルなどが挙げられ、そして置換基を有するアルキル基R の例としては、ヒドロキシメチル、メトキシメチル、エトキシメチル、ヒドロキシエチル、メトキシエチル、エトキシエチルなどが挙げられる。好ましいアルコール(C)の例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、n―ブタノール、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モノエチルエーテルなどが挙げられ、これらは単独又は二種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも特にエタノールが好ましい。
【0026】
珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコシキ基の1モル当たり、0.2モルより少ない量の蓚酸(D)を使用すると、得られたポリシロキサンの分子量が低くなり、得られた膜の硬度が低い。反対に、珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モル当たり、2モルより多い量の蓚酸(D)を使用すると、得られたポリシロキサン含有液中には、相対的に多量の蓚酸(D)が含有し、かかる液からは目的とする性能の膜が得られない。珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対して、蓚酸(D)を0.25〜1モル使用するのが特に好ましい。
【0027】
ポリシロキサン溶液の調製には、珪素化合物(A)、珪素化合物(B)、アルコール(C)及び蓚酸(D)の他に、所望に応じて、前記珪素化合物(A)と珪素化合物(B)では使用しなかったアルコキシシランを変性剤として併用してもよい。好ましい変性剤の例としては、γ―アミノプロピトリメトキシシラン、γ―アミノプロピトリエトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ―メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ―メタクリロキシプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。これらの変性剤は、基板上の塗膜を硬化させるための温度を低下させることができ、そして膜の基板に対する密着性を向上させる。
【0028】
珪素化合物(A)及び/又は珪素化合物(B)と、アルコール(C)と、蓚酸(D)とを含有する反応混合物は、これらを混合することにより、あるいはこれらに更に前記変性剤を加えることにより形成させることができる。この反応混合物には水は加えられない。そしてこの反応混合物は、好ましくは溶液状の反応混合物として加熱するのが好ましく、例えば、あらかじめアルコール(C)に蓚酸(D)を加えて溶解して溶液とした後、当該珪素化合物(A)、珪素化合物(B)、前記変性剤などを混合することにより得られる溶液状の反応混合物として加熱するか、あるいは当該珪素化合物(A)、珪素化合物(B)、前記変性剤の混合物中に、あらかじめアルコール(C)に蓚酸(D)を加えて溶解した溶液を混合することにより得られる溶液状の反応混合物として加熱するのが好ましい。通常、珪素化合物(A)、珪素化合物(B)、アルコール(C)、蓚酸(D)の前記比率の反応混合物は、これに含まれるケイ素原子をSiO に換算して0.5〜11重量%の濃度に含有する。前記変性剤を含有する場合にも、これに含まれる珪素原子をSiO に換算して0.5〜11重量%の濃度を有するように前記変性剤は含有される。そしてこれら反応混合物の加熱の間、これら反応混合物は前記SiO 濃度に維持されると共に、水の不存在が維持される。この加熱は、通常の反応器中液温50〜180℃で行うことができ、好ましくは、反応器から液の蒸発、揮散などが起こらないように、例えば、密閉容器内又は還流下で行われる。
【0029】
ポリシロキサンを生成させるための加熱を50℃より低い温度で行うと、濁りを有したり、不溶解物を含有する液が生成しやすいので、この加熱は50℃より高い温度で行われ、高温ほど短時間で終了させることができる。けれども、180℃より高い温度での加熱は付加的利益をもたらさず非効率的である。加熱時間には特に制限はなく、例えば50℃では8時間程度、78℃の還流下では3時間程度で十分である。通常、珪素化合物(A)と珪素化合物(B)の全仕込量に対してこれら珪素化合物が5モル%よりも多く残存するポリシロキサン含有液は、これを基板表面に塗布し、次いでその塗膜を80〜600℃で熱硬化させたとき、得られた膜にピンホールが生じたり、あるいは十分な硬度を有する膜が得られない。
【0030】
上記加熱により得られたポリシロキサン溶液は、そのまま次の塗布工程に塗布液として使用することができるが、所望に応じ、濃縮又は希釈することにより得られる液を塗布液として、他の溶媒に置換することにより得られる液を塗布液として、あるいは所望の添加物と混合することにより得られる液を塗布液として使用することができる。この添加物の例としては、コロイド状微粒子など固体の無機微粒子、その他金属塩、金属化合物などが挙げられ、これらは膜の硬度、基板への密着性、屈折率などを調節するのに好都合である。塗布工程に使用されるこの塗布液としては、その中に前記ポリシロキサンの透明溶液に由来する珪素原子をSiO に換算して0.5〜18重量%含有する液が好ましく、このSiO 濃度が0.5重量%より小さいと、一回の塗布で形成される膜の厚さが薄くなりやすく、そしてこの濃度が18重量%より高いと、この溶液の貯蔵安定性が不足しやすい。この塗布液のSiO 濃度としては2〜15重量%が特に好ましい。
【0031】
上記ポリシロキサンの溶液は、通常の方法、例えばディップ法、スピンコート法、刷毛塗り法、ロールコート法、フレキソ印刷法などで基板上に塗布することができる。一回の塗布により、充分な厚膜が形成できることが特徴であるが、必要により複数回塗布することもできる。
【0032】
基板上に形成された塗膜は、そのまま熱硬化させても良いが、これに先立ち室温から80℃、好ましくは50〜80℃で乾燥させた後、80〜600℃、好ましくは80〜400℃で加熱される。この加熱の時間としては5〜60分程度で十分である。この加熱が80℃より低いと、得られた被膜の硬度、耐薬品性などが不足しやすい。600℃より高温では、有機基の脱離が起こり、被膜にクラックが入ったり、被膜が剥離する恐れがあり、好ましくない。これらの加熱は、通常の方法、例えばホットプレート、オーブン、ベルト炉などを使用することにより行うことができる。
【0033】
硬化後の膜の厚みは通常0.01〜3.0μmに調整される。本発明により得られるシリカ系被膜は下地段差を平坦化する目的にとって有効な0.5〜5μmの比較的厚膜で使用可能である。
【0034】
【実施例】
以下に本発明を実施例及び比較例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【0035】
ここで、実施例中のポリシロキサンに溶液の分子量については、高速液体クロマトグラフィーにてGPC法によりポリスチレン換算数平均分子量を求めた。測定条件を下記に示す。
【0036】
〔GPC法測定条件〕
溶離液:THF
カラム:shodex社製KF−804L
流速:1mL/min
標準物質:ポリスチレン(210000、70600、28600、9860、2960、580)
検出器:RI
サンプル濃度:1重量%
実施例1
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール61.2gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸18.0gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン20.8gを滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、6重量%の固形分濃度を有するポリシロキサンの溶液(L―1)を調製した。
【0037】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で2800であった。
【0038】
実施例2
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール64.9gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸15.8gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン10.4gとメチルトリエトキシシラン8.9gの混合物を滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、6重量%の固形分濃度を有するポリシロキサンの溶液(L―2)を調製した。
【0039】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で5600であった。
【0040】
実施例3
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール50.7gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸21.6gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン6.3gとメチルトリエトキシシラン21.4gの混合物を滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、9重量%の固形分濃度を有するポリシロキサンの溶液(L―3)を調製した。
【0041】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で6000であった。
【0042】
実施例4
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール53.0gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸20.3gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にメチルトリエトキシシラン26.8gを滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、9重量%の固形分濃度を有するポリシロキサンの溶液(L―4)を調製した。
【0043】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で6200であった。
【0044】
実施例5
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール64.3gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸15.8gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン10.4gとビニルトリエトキシシラン9.5gの混合物を滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、9重量%の固形分濃度を有するポリシロキサンの溶液(L―5)を調製した。
【0045】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で4300であった。
【0046】
実施例6
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール61.8gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸15.8gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン10.4gとフェニルトリエトキシシラン12.0gの混合物を滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、6重量%の固形分濃度を有するポリシロキサンの溶液(L―6)を調製した。
【0047】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で4700であった。
【0048】
実施例7
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール62.3gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸17.3gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン19.8gとトリメチルエトキシシラン0.6gを滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、6重量%の固形分濃度を有するポリシロキサン溶液(L−21)を調製した。
【0049】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で3100であった。
【0050】
実施例8
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール62.7gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸17.1gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン18.7gとジメチルジエトキシシラン1.5gを滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、6重量%の固形分濃度を有するポリシロキサン溶液(L−22)を調製した。
【0051】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で3800であった。
【0052】
比較例1
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール71.9gとテトラエトキシシラン20.8gを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水7.2gと触媒として濃硝酸(60重量%硝酸)0.1gを加え、30分間攪拌混合を続け、6重量%の固形分を有するポリシロキサン溶液(L―7)を調製した。
【0053】
比較例2
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール74.3gとテトラエトキシシラン10.4gとメチルトリエトキシシラン8.9gを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水6.3gと触媒として濃硝酸(60重量%硝酸)0.1gを加え、30分間攪拌混合を続け、6重量%の固形分を有するポリシロキサン溶液(L―8)を調製した。
【0054】
比較例3
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール66.4gとテトラエトキシシラン6.3gとメチルトリエトキシシラン21.4gを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水5.8gと触媒として濃硝酸(60重量%硝酸)0.1gを加え、30分間攪拌混合を続け、9重量%の固形分を有するポリシロキサン溶液(L―9)を調製した。
【0055】
比較例4
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール67.7gとメチルトリエトキシシラン26.8gを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水5.4gと触媒として濃硝酸(60重量%硝酸)0.1gを加え、30分間攪拌混合を続け、9重量%の固形分を有するポリシロキサン溶液(L―10)を調製した。
【0056】
比較例5
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール73.7gとテトラエトキシシラン10.4gとビニルトリエトキシシラン9.5gを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水6.3gと触媒として濃硝酸(60重量%硝酸)0.1gを加え、30分間攪拌混合を続け、6重量%の固形分を有するポリシロキサン溶液(L―11)を調製した。
【0057】
比較例6
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール71.2gとテトラエトキシシラン10.4gとフェニルトリエトキシシラン12.0gを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水6.3gと触媒として濃硝酸(60重量%硝酸)0.1gを加え、30分間攪拌混合を続け、6重量%の固形分を有するポリシロキサン溶液(L―12)を調製した。
【0058】
比較例7
還流管を備え付けた4つ口反応フラスコにエタノール57.9gを投入し、攪拌下、このエタノールに蓚酸18.0gを少量ずつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液中にテトラエトキシシラン4.2gとヘキシルトリエトキシシラン19.9gの混合物を滴下した。滴下終了後、この溶液をその還流温度まで加熱し、還流下に加熱を5時間続けた後冷却し、6重量%の固形分濃度を有するポリシロキサンの溶液(L―13)を調製した。
【0059】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。また、この溶液の分子量は、ポリスチレン換算数平均分子量で1800であった。
【0060】
評価例1
前記(L―1)から(L−13)及び(L−21)から(L―22)のポリシロキサン溶液を、ガラス製容器中密閉下、23℃で3ヶ月にわたって放置した。その間容器に発生する濁り、沈殿などの有無を観察し、第1表に記載の結果を得た。同表中、○印は前記放置の3ヶ月時点で変化が全く認められなかったことを、△印は前記放置1ヶ月時点で白濁を生じたことを、そして×印は前記放置2週間以内に白濁が生じたことをそれぞれ示す。同表中の(L―1)から(L―7)、(L−13)及び(L−21)から(L―22)は良好な安定性を示したのに対し、(L―9)は10日後にゲル化を、(L―10)は溶液の調製時に白濁を生じた。また、(L―11)は10日後に白濁を、(L―12)は5日後に白色沈殿を生じた。
【0061】
このように、第1表に記載の結果は、実施例のポリシロキサン溶液が加水分解法で調製したポリシロキサン溶液にくらべて良好な安定性を有していることを示している。
【0062】
評価例2
シリコン基板上に、前記(L―1)から(L―8)、(L−13)及び(L−21)から(L―22)のポリシロキサン溶液をスピンコーターで塗布し、次いで80℃で乾燥することにより、シリコン基板上に塗膜を形成させ、塗膜表面を観察してこれら溶液の成膜性をテストした。その結果は第1表に記載されている。同表中、○印は均一な塗膜であることを、△印は塗膜に部分的にピンホールが発生したことを、そして×印は塗膜にはじきが発生したことをそれぞれ示す。
【0063】
第1表の結果は、(L―1)から(L―8)、(L−13)及び(L−21)から(L−22)のポリシロキサン溶液は良好な成膜性を示しているのに対し、(L―9)から(L―12)のポリシロキサン溶液は、成膜性が十分でないことを示している。
【0064】
【表1】
Figure 0004055459
【0065】
評価例3
評価例1で良好な成膜性を示した(L―1)から(L―8)、(L−13)及び(L−21)から(L−22)のポリシロキサン溶液を、それぞれ基板上にスピンコートして塗膜を形成させた後、この塗膜をホットプレート上80℃で5分乾燥し、次いで焼成炉中300℃で加熱することにより、基板表面上に被膜を形成させた。次いで得られた被膜について、下記の方法により、鉛筆硬度、1回の塗布で得られる被膜の最大膜厚、透過率を測定した。
【0066】
鉛筆硬度:JIS K 5400 に規定の方法による。
【0067】
最大膜厚:前記ポリシロキサン溶液をロータリーエバポレーターにより、10から15重量%の固形分濃度となるように濃縮して塗布液として使用した。基板上でクラックを生じない最大の膜厚を測定した。膜厚は、乾燥後の塗膜にカッターで傷を付けた後熱硬化させ、得られた被膜について、ランクテイラーホブソン社製のタリステップを使用して、段差を測定することにより測定した。
【0068】
透過率 :石英基板上に前記ポリシロキサン溶液を用いて膜厚0.3μmの被膜を形成し、(株)島津製作所製の分光高度計UV3100PCを使用して、波長800から200nmの領域の透過率を測定した。
【0069】
これら測定結果を第2表に示す。
【0070】
比較例1の加水分解法で得られた塗布液(L―7)の最大膜厚が0.3μmなのに対し、実施例1で得られた塗布液(L―1)の最大膜厚は0.8μmであった。実施例7及び8で得られた塗布液(L―21)及び(L−22)の最大膜厚はそれぞれ1.2及び1.6μmであった。また、実施例2から実施例6で得られた塗布液(L―2)から(L―6)では、膜厚を2μm以上としてもクラックが全くない、透明性が高く、高硬度で、良好な平坦性を有する被膜が得られらた。また、比較例7から得られた数平均分子量1800の塗布液(L−13)は、透明性や平坦性は良好なものの、最大膜厚は0.4μmであった。
【0071】
実施例1から6並びに実施例7及び8で得られたポリシロキサン溶液の透過率はすべて90%以上であり、得られた被膜は、良好な透明性を有していることがわかった。
【0072】
【表2】
Figure 0004055459
【0073】
【発明の効果】
本発明によれば、原料を混合して、一度の加熱処理を行うのみで、効率よく塗布液を調製することができ、そしてこの塗布液は常温で3ヶ月以上、好ましいものでは6ヶ月以上の保存に耐える安定性を有することから、工業製品としても提供することができる。
【0074】
本発明によると、1回の塗布で厚膜を形成でき、クラック限界が高く、透明性に優れ、また十分な硬度を有したシリカ系被膜を提供することができ、平坦化膜、半導体素子、液晶表示素子などにおける層間絶縁膜、保護膜などとして、好適に用いられる。

Claims (4)

  1. 式(1)
    Figure 0004055459
    (但し、Rは1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。)で示される珪素化合物(A)及び/又は式(2)
    Figure 0004055459
    (但し、R はメチル基、エチル基、ビニル基又はフェニル基を表し、R は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。そしてnは1〜3の整数を表す。)で示される珪素化合物(B)と、式(3)
    Figure 0004055459
    (但し、R は、水素原子又は1〜12個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。)で示されるアルコール(C)と、蓚酸(D)とを、珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対してアルコール(C)0.5〜100モルの比率に、そして珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対して蓚酸(D)0.2〜2モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、その中の珪素原子から換算された0.5〜11重量%のSiO 濃度にアルコール(C)を用いて維持すると共に、当該反応混合物中珪素化合物(A)と珪素化合物(B)の全残存量が5モル%以下となるまで、50〜180℃で加熱して、高速液体クロマトグラフィーにてGPC法により2800〜6200のポリスチレン換算数平均分子量を有するポリシロキサンの溶液の生成を確認し、次いで当該ポリシロキサンの溶液を含有する塗布液を基材表面に塗布し、そしてこの塗布により得られた塗膜を80〜400℃で熱硬化させることを特徴とする、0.5〜5μmの膜厚を有するシリカ系被膜を当該基材表面上に形成させる方法。
  2. 式(1)
    Figure 0004055459
    (但し、Rは1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。)で示される珪素化合物(A)及び/又は式(2)
    Figure 0004055459
    (但し、R はメチル基、エチル基、ビニル基又はフェニル基を表し、R は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。そしてnは1〜3の整数を表す。)で示される珪素化合物(B)と、式(3)
    Figure 0004055459
    (但し、R は、水素原子又は1〜12個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。)で示されるアルコール(C)と、蓚酸(D)とを、珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対してアルコール(C)0.5〜100モルの比率に、そして珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対して蓚酸(D)0.2〜2モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、その中の珪素原子から換算された0.5〜11重量%のSiO 濃度にアルコール(C)を用いて維持すると共に、当該反応混合物中珪素化合物(A)と珪素化合物(B)の全残存量が5モル%以下となるまで、50〜180℃で加熱して、高速液体クロマトグラフィーにてGPC法により2800〜6200のポリスチレン換算数平均分子量を有するポリシロキサンの溶液の生成を確認し、次いで当該ポリシロキサンの溶液を含有する塗布液を基材表面に塗布し、そしてこの塗布により得られた塗膜を80〜400℃で熱硬化させて得られる、当該基材表面上に形成した0.5〜5μmの膜厚を有するシリカ系被膜。
  3. 式(1)
    Figure 0004055459
    (但し、Rは1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。)で示される珪素化合物(A)及び/又は式(2)
    Figure 0004055459
    (但し、R はメチル基、エチル基、ビニル基又はフェニル基を表し、R は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。そしてnは1〜3の整数を表す。)で示される珪素化合物(B)と、式(3)
    Figure 0004055459
    (但し、R は、水素原子又は1〜12個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。)で示されるアルコール(C)と、蓚酸(D)とを、珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対してアルコール(C)0.5〜100モルの比率に、そして珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対して蓚酸(D)0.2〜2モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、その中の珪素原子から換算された0.5〜11重量%のSiO 濃度にアルコール(C)を用いて維持すると共に、当該反応混合物中珪素化合物(A)と珪素化合物(B)の全残存量が5モル%以下となるまで、50〜180℃で加熱して、高速液体クロマトグラフィーにてGPC法により2800〜6200のポリスチレン換算数平均分子量を有することを確認することから得られた、ポリシロキサンの溶液を含有する、0.5〜5μmの膜厚を有するシリカ系被膜を形成するための塗布液。
  4. 式(1)
    Figure 0004055459
    (但し、Rは1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。)で示される珪素化合物(A)及び/又は式(2)
    Figure 0004055459
    (但し、R はメチル基、エチル基、ビニル基又はフェニル基を表し、R は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基を表す。そしてnは1〜3の整数を表す。)で示される珪素化合物(B)と、式(3)
    Figure 0004055459
    (但し、R は、水素原子又は1〜12個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。)で示されるアルコール(C)と、蓚酸(D)とを、珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対してアルコール(C)0.5〜100モルの比率に、そして珪素化合物(A)と珪素化合物(B)に含まれる全アルコキシ基1モルに対して蓚酸(D)0.2〜2モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、その中の珪素原子から換算された0.5〜11重量%のSiO 濃度にアルコール(C)を用いて維持すると共に、当該反応混合物中珪素化合物(A)と珪素化合物(B)の全残存量が5モル%以下となるまで、50〜180℃で加熱して、高速液体クロマトグラフィーにてGPC法により2800〜6200のポリスチレン換算数平均分子量を有することを確認することから得られた、ポリシロキサンの溶液を含有する、0.5〜5μmの膜厚を有するシリカ系被膜を形成するための塗布液の製造方法。
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