JP4133468B2 - Method for forming porous film and porous film formed by the method - Google Patents

Method for forming porous film and porous film formed by the method Download PDF

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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SiO2 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】
本発明においては、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。前記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有機溶媒からなる混合促進溶媒を、当該混合促進溶媒に対する前記分解促進成分の濃度を20 mass %以下として前記分解促進成分とともに超臨界流体に含有させる。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。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。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、 O2、O3、N2O、H22、HCl、HBr、Cl2、BCl3、HNO3 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有機溶媒からなる混合促進溶媒とともに超臨界流体に含有させる。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】
前記混合促進溶媒として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、CnH2n+1(CH3)2N+M-、CnH2n+1(C2H5)2N+M-(Mは陰イオンとなる元素を示す)、CnH2n+1NH2、H2N(CH2)nNH2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、CnH2n+1X2N+M-(CH2)SN+M-X2CmH2m+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CH3、C2H5など)を示す。具体的には、C12H25(CH3)2N+Cl-(CH2)4N+Cl-(CH3)2C12H25、C12H25(CH3)2N+Br-(CH2)4N+Br-(CH3)2C12H25、C16H33(CH3)2N+Cl-(CH2)4N+Cl-(CH3)2C16H33、C16H33(CH3)2N+Br-(CH2)4N+Br-(CH3)2C16H33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】
まず、分解促進成分として酸素を含む超臨界流体を用いて孔源材料の分解、抽出を行った参考例について説明する。
骨格材料としてテトラエトキシシランSi(C2H5O)4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CH3、CH2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】
次に本発明の実施例について説明する。
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(H2O2)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CH3、CH2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、所定の混合促進溶媒および分解促進成分を含む超臨界流体を用いて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 to which the invention belongs]
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 for a dielectric layer of a high frequency circuit and an interlayer insulating film of a semiconductor integrated circuit (LSI) and a method for forming the same.
[0002]
[Prior art]
SiO called spin-on-glass (SOG) film as an interlayer insulating film in semiconductor elements2  A coating-type insulating film containing as a main component is widely used. Along with higher integration of semiconductor elements, interlayer dielectric films having a low dielectric constant containing organic components have been developed. However, with higher integration and multilayering of semiconductor elements and the like, a low dielectric constant interlayer insulating film material having a relative dielectric constant of 2 or less has been demanded.
[0003]
In order to realize a relative dielectric constant of 2 or less, it is indispensable to lower the density of the film itself. For this purpose, it is necessary to use a porous material. However, when the density of the porous material is lowered in order to reduce the dielectric constant, the mechanical strength generally decreases significantly. This is due to non-uniform dispersion of vacancies introduced for density reduction. 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, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-194720 (Patent Document 1) discloses that a silica / surfactant composite is prepared by mixing and reacting alkoxysilane, water and a surfactant. A method of aging, drying, and firing after forming the film is disclosed.
[0005]
Moreover, as a method for obtaining a thin film in a porous material having a periodic structure, Japanese Patent Laid-Open No. 9-194298 (Patent Document 2) includes hydrolyzing tetraalkoxysilane under an acidic condition and mixing a surfactant with this. A method for firing a silica-surfactant nanocomposite obtained by applying and drying a solution is disclosed.
[0006]
However, in these technologies, in order to realize a porous structure, a process of firing a surfactant, which is a pore source material that is a basis of pores of the porous structure, at a high temperature is required, and the temperature Needs to be 500 ° C. or higher. For this reason, it cannot be used for the interlayer insulation film process of a semiconductor element.
[0007]
On the other hand, as a method that can be made porous at a low temperature, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-55508 (Patent Document 3) discloses a non-silicate material by solvent exchange and fluid exchange from a material composed of a silicate region and a non-silicate region. A method for producing a porous silicate material by extraction is disclosed. Further, supercritical extraction is also cited as an extraction means (claim 13). As is generally known, since the capillary contraction force does not work in the process using the supercritical fluid, the deformation of the target structure at the time of solvent extraction can be greatly reduced. In the examples of this document, it is stated to use supercritical fluid extraction of isopropanol alone.
[0008]
Although specific examples are not disclosed, it is possible to add another solvent having excellent compatibility with the target component to be extracted to the supercritical medium (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-367984 (Patent Document 4)). And JP-A-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 2002-367984 A (Claims)
[Patent Document 5]
JP 2002-363286 A (Claims)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique of Patent Document 3, it is difficult to remove all the material in the non-silicate region. In the state before the formation of the porous structure, the non-silicate region contains many substances such as a surfactant, a photoinitiator and a photocured organic substance, and the supercritical fluid generally works as a good solvent. This is because they are not miscible or compatible with all these materials. Also, in the techniques of Patent Documents 4 and 5, the extraction performance for the component to be extracted, that is, the compatibility generally depends on the molecular weight, so that when the molecular weight becomes larger than a certain level, other solvents Even if it adds, it becomes impossible to make it compatible.
That is, in the formation of a porous structure, in the conventional method using a supercritical fluid as a means for removing the pore source material, the relative dielectric constant is used unless the pore source material originally has good compatibility with the supercritical fluid. It is difficult to form a low-quality and high-quality porous film. For this reason, the component of the hole source material extracted by the supercritical fluid is limited, and there is a problem that the pore size, the skeleton structure, and the like of the porous film to be finally formed are limited.
[0011]
The present invention has been made in view of such a problem, and various materials are used as the hole source material for forming the pores of the porous film regardless of the compatibility with the supercritical fluid as the extraction solvent. In other words, it is an object of the present invention to provide a method for forming a porous film having a large 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 is a method for forming a primary film in which a skeleton material that forms a skeleton of a porous film and a hole source material that is a base of pores of the porous film are included in a mixed state. A step, a decomposition step of decomposing the hole source material constituting the primary membrane, and an extraction step of extracting the hole source material decomposed by the decomposition step using a supercritical fluid.
[0013]
According to this method for forming a porous membrane, a primary membrane containing a skeleton material and a pore source material in a mixed state is formed, and then a decomposition process for decomposing the pore source material of the primary membrane is provided. In the process, extraction with a supercritical fluid can be performed on the pore source material that has been decomposed into low molecules by the decomposition process and improved in compatibility with the supercritical fluid. Therefore, at the stage of the primary film formation process, there is no restriction on the molecular weight and structure of the hole source material, and a wide variety of hole source materials can be used, and various pore sizes and skeletal structures can be used accordingly. The porous film can be formed. In addition, since the pore source material decomposed into low molecules can be extracted at the stage of the extraction process using the supercritical fluid, the supercritical extraction can be performed efficiently and the productivity is excellent. Of course, since a supercritical fluid is used in the extraction process, 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 element.
[0014]
  In the present invention,In the decomposition step, the hole source material is formed using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component that promotes decomposition of the hole source material.Decompose. When the decomposition promoting component is contained in the supercritical fluid, a mixing promoting solvent composed of an organic solvent compatible with the decomposition promoting component and the supercritical fluid is used, and the concentration of the decomposition promoting component with respect to the mixing promoting solvent is set to 20. mass % Or less in the supercritical fluid together with the decomposition promoting component.When such a supercritical fluid is used, the hole source material can be decomposed and extracted simultaneously in one process (decomposition / extraction process).
[0015]
  As the decomposition accelerating component, a component containing an oxidatively decomposable substance that oxidizes and decomposes the pore source material as a main component (including an oxidatively decomposed substance only) is used.it can. AlsoAs the supercritical fluid used in the extraction step, the decomposition step, or the decomposition / extraction step, those whose main component is carbon dioxide, alkyl alcohol or a mixture thereof are preferable.
[0016]
As the skeleton material, an inorganic material, particularly an inorganic material mainly composed of silica, is preferable because it is excellent in insulation and stability as a skeleton of the porous film, and a porous film having a lower dielectric constant can be obtained. Further, as the hole source material, an organic substance can be used, and in particular, the surfactant is used in an appropriate concentration to form micelles. Therefore, the hole source material can be regularly arranged and pulled. Is preferable because it can form a regular skeleton.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method for forming a porous film of the present invention includes: (1) forming a primary film containing a skeleton material forming a skeleton of a porous film and a pore source material that is a base of pores of the porous film in a mixed state. Three steps of a primary film forming step, (2) a decomposition step of decomposing the hole source material constituting the primary membrane, and (3) an extraction step of extracting the hole source material decomposed by the decomposition step using a supercritical fluid Is provided.
[0018]
  In the decomposition step, the hole source material is formed using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component that promotes decomposition of the hole source material.Decompose. DisassemblyBy using a supercritical fluid containing an accelerating component, the decomposition treatment can be performed quickly with a high-density, highly diffusible fluid. For this reason, since the decomposition promoting component can be efficiently brought into contact with a component in a fine space, good decomposition efficiency can be obtained. When the supercritical fluid containing the decomposition promoting component is used, the decomposition step and the extraction step can be performed simultaneously. A process in which such a decomposition process and an extraction process are performed simultaneously is called a decomposition / extraction process.
[0019]
As the decomposition accelerating component, a component mainly composed of an oxidatively decomposable substance that oxidizes and decomposes the pore source material (including those composed only of an oxidatively decomposable substance) can be used. It becomes possible to reduce the molecular weight. For example, when a surfactant having a large molecular weight is used as the pore source material, large pores can be formed according to the molecular weight of the surfactant. It is difficult to directly extract the surfactant with a supercritical fluid after forming a primary film containing in a mixed state. Such a surfactant having a large molecular weight has a hydrophobic group composed of a higher alkyl group bonded in a very long chain. This hydrophobic group is easily fragmented and decomposed by an oxidative degradation substance. In this way, the hydrophobic group is decomposed and the low molecular weight surfactant is easily extracted by the supercritical fluid.
[0020]
The oxidatively decomposable substance may be any substance that can be mixed with the supercritical fluid when used in a supercritical fluid. Specifically, O2, OThree, N2O, H2O2, HCl, HBr, Cl2, BClThree, HNOThreeIn addition, a protic solvent can also be used. Specific examples of protic solvents include hydrochloric acid, perchloric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, shelf acid, organic acid such as oxalic acid, organic acid such as acetic acid and formic acid, bromine trifluoride, pentafluoride, etc. 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 is compatible with both the oxidatively degradable substance and the supercritical fluid.Composed of organic solventContained in supercritical fluids with mixing-promoting solventsLet Mixing promotion solventBy using this, the compatibility between the supercritical fluid and the oxidatively decomposable substance can be improved even if the oxidatively decomposable substance alone is not compatible with the supercritical fluid or is inferior in compatibility. In this case, the amount of the mixing accelerating solvent may be appropriately adjusted as long as it is compatible with the supercritical fluid without impairing the oxidative decomposability of the oxidatively decomposable substance. As a concentration range to be adjusted, the amount of the oxidative decomposable substance is 0.01% or more and 20% or less in mass% (wt%) with respect to the mixing promoting solvent to be contained in the supercritical fluid together with the oxidative decomposable substance. It is preferable. More preferably, it is 0.05% or more and 10% or less. This is because if the amount of the oxidatively decomposable substance is too small, the oxidatively degradable property is deteriorated, while if it is too large, it is difficult to be compatible with the supercritical fluid.
[0022]
  As the mixing promoting solventExamples of the organic solvent that can be used include alcohol solvents, ketone solvents, and amide solvents.
[0023]
Specifically, as alcohol solvents, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, sec-butanol, t-butanol, n-pentanol, isopentanol, 2-methylbutanol, sec- Mention may be made of pentanol, t-pentanol, 3-methoxybutanol, n-hexanol, 2-methylpentanol, sec-hexanol, 2-ethylbutanol.
[0024]
Also, as ketone solvents, 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- Examples include hexyl ketone and di-i-butyl ketone.
[0025]
Examples of amide solvents include formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N-ethylformamide, N, N-diethylnermamide, acetamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide, N -Ethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methylpropionamide, N-methylpyrrolidone.
[0026]
The supercritical fluid in which the decomposition accelerating component and the mixing accelerating solvent are dissolved is carbon dioxide or alkyl alcohol (alkyl alcohol is methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl, etc.) as in the supercritical fluid used in the extraction process. One or a mixture of two or more alcohols may be used, and these are collectively called alkyl alcohols.) It is industrially preferable to use a mixture of carbon dioxide and alkyl alcohol. This is because any of these supercritical fluids can be widely compatible with various substances.
[0027]
As the skeletal material that becomes 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, these metal alkoxides are preferably used as raw materials. This is because the film forming process is excellent in mixing with the hole source material described later.
[0028]
As a specific metal alkoxide,
Tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetramethoxytitanium, tetranormalbutoxytitanium,
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, trinormalbutoxyaluminum, trinormalpropoxyaluminum, trisecondary butoxyaluminum, tritertiary butoxyaluminum,
Triethoxyboron, triisobutoxyboron, triisopropoxyboron, trimethoxyboron, trinormal butoxyboron, trisecondary butoxyboron,
Tetraethoxygermanium, tetraisopropoxygermanium, tetramethoxygermanium, tetranormalbutoxygermanium,
Trismethoxyethoxy lanthanum,
Bismethoxyethoxymagnesium,
Pentaethoxyniobium, pentaisopropoxyniobium, pentamethoxyniobium, pentanormalbutoxyniobium, pentanormalpropoxyniobium,
Triethyl phosphite, triethyl phosphite, triisopropoxy phosphite, triisopropoxy phosphite, trimethyl phosphite, trimethyl phosphite, trinormal butyl phosphate, trinormal butyl phosphite, trinormal propyl phosphate, trinormal propyl phosphite Fight,
Pentaethoxytantalum, pentaisopropoxytantalum, pentamethoxytantalum,
Tetra tertiary butoxy tin, tin acetate, triisopropoxy normal butyl tin,
Triethoxyvanadyl, trinormalpropoxyoxyvanadyl, 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]
Among the metal alkoxides, inorganic substances mainly composed of silica, 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 the skeleton material. As such an organic substance, a surfactant is suitable. When the surfactant is used at an appropriate concentration, it forms micelles that are aggregates of surfactant molecules. Further, the micelles are arranged in a regular structure such as a cylindrical shape or a layered shape according to the concentration. As a result, the skeleton material formed around each micelle also has an ordered structure. That is, since micelles are formed in the skeleton, the hole sources can be regularly arranged. 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 refined 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 octylphenyl ether, polyoxyethylene nonylphenyl 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, polyoxyethylene Laurylamine, polyoxyethylene beef tallow amine, polyoxyethylene stearylamine, polyoxyethylene oleylamine, polyoxyethylene beef tallow propylene diamine, polyoxyethylene stearyl propylene diamine, polyoxyethylene N-cyclohexylamine, polyoxyethylene metaxylene diamine, poly Oxyethylene oleylamide, polyoxyethylene stearylamide, polyoxyethylene castor oil, polyoxyethylene Hydrogenated castor oil, polyoxyethylene monolaurate, polyoxyethylene monostearate, polyoxyethylene mono tallow 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 trimethylolpropane ether, polyoxyethylene sorbitol ether, polyoxyethylene pentaerythritol diol Ate ether, polyoxyethylene sorbitan mostate ether, polyoxyethylene sol Tan monooleate ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glycol, polyoxyethylene polyoxypropylene 2-ethylhexyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene isodecyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene synthetic alcohol ether, polyoxyethylene polyoxy Propylene tridecyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene nonylphenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene styrenated phenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene laurylamine, polyoxyethylene polyoxypropylene tallow amine, polyoxyethylene polyoxypropylene Isodecyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene tridecyl ether Polyoxyethylene polyoxypropylene lauryl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene stearyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glyceryl ether, polyoxypropylene 2-ethylhexyl ether, polyoxypropylene synthetic alcohol ether, polyoxypropylene butyl ether, polyoxypropylene Examples thereof include bisphenol-A-ether, polyoxypropylene styrenated phenyl ether, and polyoxypropylene metaxylenediamine. These surfactants can be used alone or in combination of two or more.
[0034]
Cationic surfactants include CnH2n + 1(CHThree)2N+M-, CnH2n + 1(C2HFive)2N+M-(M represents an anion element), CnH2n + 1NH2, H2N (CH2)nNH2A quaternary alkylammonium salt having an alkyl group having 8 to 24 carbon atoms represented by:
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,
Examples include dodecanyl triethyl ammonium bromide, tetradecanyl triethyl ammonium bromide, hexadecyl triethyl ammonium bromide, octadecanyl triethyl ammonium bromide and the like.
[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, such as CnH2n + 1X2N+M-(CH2)SN+M-X2CmH2m + 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 represents a hydrogen atom or a lower alkyl group (specifically, CHThree, C2HFiveEtc.) Specifically, C12Htwenty five(CHThree)2N+Cl-(CH2)FourN+Cl-(CHThree)2C12Htwenty five, C12Htwenty five(CHThree)2N+Br-(CH2)FourN+Br-(CHThree)2C12Htwenty five, C16H33(CHThree)2N+Cl-(CH2)FourN+Cl-(CHThree)2C16H33, C16H33(CHThree)2N+Br-(CH2)FourN+Br-(CHThree)2C16H33Etc.
[0036]
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limitedly interpreted by this Example.
[0037]
【Example】
  First, a reference example in which a pore source material is decomposed and extracted using a supercritical fluid containing oxygen as a decomposition promoting component will be described.
  Tetraethoxysilane Si (C2HFiveO)Four1.9 g, 1 g of hexadecyltrimethylammonium chloride as a pore source material, and 0.45 g of water of pH = 3 are mixed, stirred at room temperature for about 2 hours, and transparent, uniform and viscous primary membrane The forming solution was adjusted. The obtained solution was spin-coated on a substrate by a spin coating method, followed by drying at 100 ° C. in the atmosphere to form a primary film. The primary membrane was subjected to a supercritical extraction after the pore source material was decomposed using the supercritical extraction apparatus shown in FIG.
[0038]
The supercritical extraction device extracts a hole source material by a carbon dioxide cylinder 1 containing carbon dioxide gas forming a supercritical fluid, an oxygen cylinder 2 containing oxygen gas forming a decomposition promoting component, and a supercritical fluid. A high-pressure vessel 3. 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 attached to the downstream side of the pump 4 and the regulator 6. In addition, a pressure regulating valve 7 for adjusting the pressure in the high pressure vessel 3 is provided in the downstream pipe line of the high pressure vessel 3.
[0039]
The hole source material was decomposed and supercritical extraction was performed as follows. After the substrate was placed in the high-pressure vessel 3, oxygen heated and held at 80 ° C. by a heater was introduced into the high-pressure vessel 3. The oxygen partial pressure in the high-pressure vessel 3 is set to a predetermined pressure (variably changed in the range of 0.1 to 5 MPa) by a regulator, and then 80 ° C. carbon dioxide is introduced into the vessel 3 to adjust the pressure regulating valve. By adjusting the pressure, the pressure in the high-pressure vessel 3 was increased to 15 MPa to obtain a supercritical state. After holding in this state for 10 minutes, 100 liters of carbon dioxide was circulated as a gas conversion amount (amount of gas discharged from the outlet side of the pressure regulating valve). Then, after decompressing the high-pressure vessel 3, 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. The result of the X-ray diffraction pattern is shown in FIG. FIG. 2 shows a very sharp diffraction peak at a d value of about 3.0 nm, and it was found 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 processing is less than 1 MPa, 2850-2950 cm.-1CH nearbyThree, CH2It was confirmed that the peak due to stretching vibration was observed, hexadecyltrimethylammonium chloride remained, and extraction was insufficient. On the other hand, when the pressure was 1 MPa or more, these peaks were not observed, 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 with an oxygen partial pressure of 1 MPa or more, the capacitance was measured and the relative dielectric constant was obtained, and 1.5 was obtained. From this, it was found that a very porous film was formed.
[0043]
  Next, examples of the present invention will be described.
  In the same manner as in Example 1 above, a primary film forming solution was prepared, and a primary film was formed on the substrate using this solution, and the pore source material in the primary film was formed using the supercritical extraction apparatus 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. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described. In this device, hydrogen peroxide (H2O2) And ethanol as a solvent for dissolving the same. Therefore, a hydrogen peroxide solution container 12 and an ethanol container 13 are provided, and these containers are connected to the high-pressure container 3 through pumps 21 and 23, on-off valves 22 and 24, and check valves (not shown), respectively. ing. In addition, heaters (not shown) for heating the hydrogen peroxide solution and ethanol flowing through the pipes are attached to the downstream flow paths 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.
[0045]
After the substrate was placed in the high-pressure vessel 3, a mixture of hydrogen peroxide solution and ethanol mixed with supercritical carbon dioxide at a temperature of 80 ° C. and a pressure of 150 MPa was circulated in the high-pressure vessel 3. Here, each concentration of hydrogen peroxide solution, ethanol, and carbon dioxide was changed, and the mixed state in the high-pressure vessel was visually observed. When these three kinds of substances are uniformly mixed, they are observed as colorless and transparent, while in a non-uniform mixed state, the solution is observed as cloudy. As a result, it was found that there is a specific concentration range to obtain a uniformly mixed supercritical fluid. The range is shown in FIG. That is, the oxidizing hydrogen peroxide solution alone cannot be mixed with the supercritical carbon dioxide uniformly, and it is necessary to mix it with ethanol at an appropriate ratio in order to form a uniform supercritical fluid. Therefore, as an example, as shown in FIG. 5, the liquid feeding speed (specified by the volume speed) of the pump is adjusted, and carbon dioxide (liquid conversion): ethanol: hydrogen peroxide solution = 94.5: 5: Using a supercritical fluid containing ethanol and hydrogen peroxide water at a ratio (volume ratio) of 0.5, the pore source material was simultaneously decomposed and supercritical extracted in the following manner with respect to the primary membrane. As a comparative example, supercritical extraction was performed using a supercritical fluid in a ratio of carbon dioxide (liquid conversion): ethanol = 90: 10.
[0046]
After flowing 100 liters of carbon dioxide as a gas conversion amount at the above temperature, pressure, and ratio, the inside of the container was flushed (washed) using a supercritical fluid consisting of only carbon dioxide, the pressure of the high pressure container was reduced, The material was removed.
[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 is the same as that shown in FIG. 2, and the d value shows a very sharp diffraction peak at about 3.0 nm. The obtained porous film has 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, 2850-2950 cm.-1CH nearbyThree, CH2A peak due to stretching vibration was observed, hexadecyltrimethylammonium chloride remained, and it was confirmed 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, capacitance measurement was performed and the relative dielectric constant was obtained. As a result, 1.5 was obtained. It 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,Using a supercritical fluid containing a predetermined mixing-promoting solvent and decomposition-promoting componentSince there is a decomposition step or decomposition / extraction step for decomposing the hole source material, the hole source material can be extracted efficiently and the productivity is excellent. In addition, the application types of the hole source material can be expanded, and porous films 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 apparatus 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 extraction apparatus used in Example 2. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of 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 carbon dioxide in FIG. 4 near 100%.

Claims (9)

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し、
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て前記孔源材料を分解し、
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有機溶媒からなる混合促進溶媒を前記分解促進成分とともに含み、前記混合促進溶媒に対する前記分解促進成分の濃度が20 mass %以下であることを特徴とする多孔質膜の形成方法。
A primary film forming step for forming a primary film including a skeleton material for forming a skeleton of the porous film and a hole source material which is a base of pores of the porous film in a mixed state; and a hole source constituting the primary film A decomposition step of decomposing the material, and an extraction step of extracting the pore source material decomposed by the decomposition step using a supercritical fluid ,
In the decomposition step, the hole source material is decomposed using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component that promotes decomposition of the hole source material;
The supercritical fluid includes a mixing promoting solvent composed of an organic solvent compatible with the decomposition promoting component and the supercritical fluid together with the decomposition promoting component, and the concentration of the decomposition promoting component with respect to the mixing promoting solvent is 20 mass %. A method for forming a porous film, which is as follows .
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・抽出工程とを有し、
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有機溶媒からなる混合促進溶媒を前記分解促進成分とともに含み、前記混合促進溶媒に対する前記分解促進成分の濃度が20 mass %以下であることを特徴とする多孔質膜の形成方法。
A primary film forming step for forming a primary film including a skeleton material for forming a skeleton of the porous film and a hole source material which is a base of pores of the porous film in a mixed state; and a hole source constituting the primary film A decomposition / extraction step of decomposing and extracting the pore source material using a supercritical fluid containing a decomposition promoting component that promotes decomposition of the material ,
The supercritical fluid includes a mixing promoting solvent composed of an organic solvent compatible with the decomposition promoting component and the supercritical fluid together with the decomposition promoting component, and the concentration of the decomposition promoting component with respect to the mixing promoting solvent is 20 mass %. A method for forming a porous film, which is as follows .
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1または2に記載した多孔質膜の形成方法。Porous film forming method of according to claim 1 or 2, wherein the decomposition accelerating component is mainly composed of pores source material oxidative decomposing oxidative degradation substances. 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3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 3 , wherein the main component of the supercritical fluid is carbon dioxide, 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4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 claim 1, 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 inorganic substance is an inorganic substance mainly composed of silica. 前記孔源材料が有機物である請求項1から6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 claim 1, wherein the pore source material is an organic substance. 前記有機物が界面活性剤である請求項に記載した多孔質膜の形成方法。The method for forming a porous film according to claim 7 , wherein the organic substance is a surfactant. 請求項1から8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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