JP5492079B2 - 化学的相成長による金属含有薄膜の形成方法 - Google Patents
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-
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-
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-
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-
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Description
本発明は化学気相成長法(CVD)または原子層成長法(ALD)のような化学的相成長による金属含有薄膜の形成方法に関する。
Cp(R)nM(CO)2(X) (式II)
式中、MはRu、FeまたはOs、RはC1−C10−アルキル、XはC1−C10−アルキル、nは0、1、2、3、4または5である。
Ru3(CO)12を3(CpRn)Hと反応させて3Ru(CpRn)(CO)2Hと6COを生成すること、
Ru(CpRn)(CO)2HをBuLiと反応させてLi[Ru(CpRn)(CO)2]とBuHを生成すること、
Li[Ru(CpRn)(CO)2]をXBrと反応させてRu(CpRn)(CO)2XとLiBrを生成すること、
を含んでなり、ここで、XはC1−C10−アルキル、RはC1−C10−アルキル、nは0,1,2,3,4または5である。
本明細書で用いられている用語「前駆体」は、成長のために基板へ供給され化学気相成長法または原子層成長法のような化学的成長工程により薄膜を形成する有機金属の分子、錯体および/または化合物をいう。
Cp(R)nM(CO)2(X) (式I)
式中、MはRu、FeまたはOs、RはC1−C10−アルキル、XはC1−C10−アルキル、nは1、2、3、4または5である。
態様の別の1側面では、前駆体は構造が式Iに対応し、式中、MはOs、Xはメチルまたはエチル、Rはメチルまたはエチル、nは1である。
特に、構造が式Iに対応する前駆体は、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
および(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)からなる群から選ばれる。
式中、MはRu、FeまたはOs、RはC1−C10−アルキル、XはC1−C10−アルキル、nは0、1、2、3、4または5である。
特定の態様では、前駆体は構造が式IIに対応し、式中、MはFe、Rはメチル、エチル、プロピルまたはブチル、Xはメチル、エチル、プロピルまたはブチル、nは0、1または2である。
特定の態様では、前駆体は構造が式IIに対応し、式中、MはOs、Rはメチル、エチル、プロピルまたはブチル、Xはメチル、エチル、プロピルまたはブチル、nは0、1または2である。
本発明の特定の態様では、式IIによる前駆体は、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
および(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)からなる群から選ばれる。
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)鉄(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)鉄(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
および(シクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)からなる群から選ばれる。
別の態様では、前駆体は構造が式Iおよび/またはIIに対応し、ブチルはn−ブチル、sec−ブチル、iso−ブチルおよびtert−ブチルからなる群から選ばれる。
ALDおよびCVDのような本発明の化学的相成長工程は、式IIによる有機金属前駆体の少なくとも一つを使用して、基板上に金属または金属酸化物の膜のような種々の金属含有薄膜を形成するために用いることができる。膜は有機金属前駆体によって単独にまたは共反応物(共前駆体と呼んでもよい)と組み合わせて形成することができる。そのような共反応物の例としては、限定的ではないが、水素、水素プラズマ、酸素、空気、水、アンモニア、ヒドラジン、アリルヒドラジン、ボラン、シラン、オゾンまたはこれらの任意の組み合わせが挙げられる。
ある態様では、従来型CVDを用いて、式Iおよび/またはIIによる少なくとも一つの前駆体を使用して金属含有薄膜を形成する。従来型CVDについては、例えばSmith, Donald(1995)「Thin-Film Deposition: Principles and Practice(薄膜成長−原理と実践)」McGraw-Hillを参照されたい。
液体注入CVD成長条件の例としては、限定的ではないが、下記が挙げられる。
(1)基板温度:Si(100)上で200〜600℃
(2)蒸発器温度:約200℃
(3)反応炉圧力:約5ミリバール
(4)溶媒:トルエンまたは上述の任意の溶媒
(5)溶液濃度:約0.05M
(6)注入速度:約30cm3hr−1
(7)アルゴン流速:約200cm3min−1
(8)酸素流速:約100cm3min−1
(9)操作時間:10分
別の態様では、式Iおよび/またはIIによる少なくとも一つの前駆体を使用して金属含有薄膜を形成するために、光CVDが用いられる。
(1)基板温度:Si(100)上で160−300℃
(2)蒸発器温度:約175℃
(3)反応炉圧力:約5ミリバール
(4)溶媒:トルエンまたは上述の任意の溶媒
(5)溶液濃度:約0.05M
(6)注入速度:約2.5μl/パルス(4パルス/サイクル)
(7)不活性ガス流速: 約200cm3min−1
(8)パルス順序(秒)(前駆体/パージ/H2O/パージ):チャンバーの大きさによって変わる。サイクル数:所望の膜厚によって変わる。
式Iおよび/またはIIのルテニウム前駆体は下記の方法、すなわち、Ru3(CO)12を3(CpRn)Hと反応させて3Ru(CpRn)(CO)2Hと6COを生成、2Ru(Cp)Rn(CO)2Hを[O]と反応させてRu2(CpRn)2(CO)4とH2を生成、Ru2(CpRn)2(CO)4と2NaKを反応させて2K[Ru(CpRn)(CO)2]を生成、そして、K[Ru(CpRn)(CO)2]とXBrを反応させてCp(R)nRu(CO)2(X)を生成、して作ることができる、ただし、XはC1−C10−アルキル、RはC1−C10−アルキル、nは0、1、2、3、4または5である。
実施例1
Ru(η5−CpMe)(CO)2Me[本明細書では(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)とも呼ばれる]の合成は下記の2段階工程によって示される。
IR(ヘキサン)2007m,1968m,1960s,1940m,1788s cm−1;(CH2Cl2)1997s,1953s,1767s cm−1.
NMR(C6D6)1Hδ4.75(m,4H,CH),4.54(m,4H,CH),1.70(s,6H,CH3);13C{1H}δ221.7(CO),109.2(C),89.4(CMe),88.5(CMe),12.6(Me).
次に、Ru2(η5−CpMe)2(CO)4(20.4g,43.2mmol)を脱気したTHF(約250ml)に溶かし、溶液を再び脱気してNaK(7ml)を加えた。MeI中にクエンチした試料が反応の完結(2018、1959cm−1)を示すまで、溶液を5〜6時間かき混ぜた。Ru2(η5−Cp)2(CO)4反応とは異なり、クエンチした溶液は淡黄色で、濃縮溶液はかなり濃い。沈殿は観察されなかった。溶液は約700mlになる。溶液をMeI(20ml)(時々振盪する)中へ濾過した。溶媒を回転蒸発器(約70mmHg)で除去して油を得て、それをヘキサン(約150ml)に溶解した。濾過後、溶媒を回転蒸発器で除去し、油を小さなフラスコに移し、残留ヘキサンを0.5mmHgで除去して22gの濃い赤色の油を得た。蒸留を58‐60℃(0.5mmHg)で2度行って、下記に構造を示す(η5−CpMe)Ru(Me)(CO)2の淡黄色の流動性の油(17.1g、79)を得た。
CpRu(Et)(CO)2[本明細書では(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)とも呼ばれ、下記に構造を示す]の合成の手順を下記に示す。
Ru3(CO)12+3CpH → 3Ru(Cp)(CO)2H+6CO
2Ru(Cp)(CO)2H+[O] → Ru2(Cp)2(CO)4+H2
Ru2(Cp)2(CO)4+2NaK → 2K[Ru(Cp)(CO)2]
K[Ru(Cp)(CO)2]+EtBr → Ru(Cp)(CO)2Et+KBr
CpRu(Et)(CO)2を調製するためのさらなる合成の手順と方法を下記に示す。
Ru3(CO)12+3CpH → 3Ru(Cp)(CO)2H+6CO
Ru(Cp)(CO)2H+BuLi → Li[Ru(Cp)(CO)2]+BuH
Li[Ru(Cp)(CO)2]+EtBr → Ru(Cp)(CO)2Et+LiBr
すべての操作は不活性条件下で行った。乾燥・脱気したヘプタン(400ml)および分解シクロペンタジエン(20.5g、310mmol)にRu3(CO)12(10.0g,15.6mmol)を懸濁した液を1時間還流した。溶媒および未反応シクロペンタジエンを窒素流中で蒸留して体積を60mlに減らし冷却した。乾燥・脱気したペンタン(100ml)を加え、次に1.6MのBuLiを含むヘキサン(31ml、50mmol)溶液を滴下して加えた。溶液を1時間かき混ぜ、乾燥・脱気した臭化エチル(10.9g、100mmol)を滴下して加えた。混合物をさらに2時間かき混ぜ、濾過して真空中で溶媒を除去した。生成物は短いビグリューカラムで56℃、0.2mmHgで蒸留した(9.4g、80%)。
1H−NMR(400MHz,CDCl3)ppm5.23(s,5H,Cp),1.77(q,2H,J=7.5Hz,CH2)ppm1.37(t,1H,J=7.5Hz,CH3)
13C{1H}NMR202.4(CO),88.6(Cp),24.2(CH2),10.0(CH3)
ν(CO)(ヘキサン)2020,1960cm−1
実施例4
CpRuMe(CO)2[本明細書では(シクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)とも呼ばれる]、(下記に構造を示す)を使用したALD成長を次の実施例に示す。
CpRuMe(CO)2を使用したALD成長を窒素ではなくアルゴンのパージを行い、ルテニウムのパルス長を1秒、空気のパルス長を1秒とした以外は実施例4と同様に行った。
CpRuEt(CO)2[本明細書では(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)とも呼ばれる](下記に構造を示す)を使用するALD成長を次の実施例で示す。
用語「含んでなる」は排他的ではなく、包含的に解釈する。
Claims (29)
- 少なくとも一つの前駆体を基板へ供給することを含んでなり、該前駆体は構造が式II:
Cp(R)nM(CO)2(X) (式II)
(式中、MはRuまたはOsであり、RはC1−C10−アルキルであり、XはC1−C10−アルキルであり、nは0、1、2、3、4または5である)
に対応する、原子層成長法による金属含有薄膜の形成方法。 - 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがRuであり、Rがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、Xがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、nが0、1または2である、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがRuであり、Rがメチルまたはエチルであり、Xがメチルまたはエチルであり、nが0または1である、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがOsであり、Rがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、Xがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、nが0、1または2である、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがOsであり、Rがメチルまたはエチルであり、Xがメチルまたはエチルであり、nが0または1である、請求項1に記載の方法。
- 構造が式IIに対応する少なくとも一つの前記前駆体が、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、および
(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)からなる群から選ばれる、請求項1に記載の方法。 - 構造が式IIに対応する少なくとも一つの前記前駆体が、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、および
(シクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)からなる群から選ばれる、請求項1に記載の方法。 - 構造が式IIに対応する少なくとも一つの前記前駆体が、(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)である、請求項1に記載の方法。
- 前記原子層成長法は光原子層成長法である、請求項1に記載の方法。
- 前記原子層成長法は液体注入原子層成長法である、請求項1に記載の方法。
- 水素、水素プラズマ、酸素、空気、水、アンモニア、ヒドラジン、アリルヒドラジン、ボラン、シラン、オゾンおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一つの適切な共反応物を基板へ供給することをさらに含んでなる、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体が前記基板にパルス的に供給され酸素源のパルスと交互に入れ替わる、請求項1に記載の方法。
- 前記酸素源がH2O、O2またはオゾンから選ばれる、請求項12に記載の方法。
- 前記金属含有薄膜がメモリーおよび論理用途に使用される、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも一つの前駆体を基板へ供給することを含んでなり、該前駆体は構造が式II:
Cp(R)nM(CO)2(X) (式II)
(式中、MはRuまたはOsであり、RはC1−C10−アルキルであり、XはC1−C10−アルキルであり、nは0、1、2、3、4または5である)に対応する、化学気相成長法による金属含有薄膜の形成方法。 - 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがRuであり、Rがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、Xがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、nが0、1または2である、請求項15に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがRuであり、Rがメチルまたはエチルであり、Xがメチルまたはエチルであり、nが0または1である、請求項15に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがOsであり、Rがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、Xがメチル、エチル、プロピルまたはブチルであり、nが0、1または2である、請求項15に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体の構造が式IIに対応し、MがOsであり、Rがメチルまたはエチルであり、Xがメチルまたはエチルであり、nが0または1である、請求項15に記載の方法。
- 構造が式IIに対応する少なくとも一つの前記前駆体が、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、
(メチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(エチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、
(プロピルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)、および
(ブチルシクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)からなる群から選ばれる、請求項15に記載の方法。 - 構造が式IIに対応する少なくとも一つの前記前駆体が、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(メチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)、
(シクロペンタジエニル)オスミウム(メチル)(ジカルボニル)、および
(シクロペンタジエニル)オスミウム(エチル)(ジカルボニル)からなる群から選ばれる、請求項15に記載の方法。 - 構造が式IIに対応する少なくとも一つの前記前駆体が、(シクロペンタジエニル)ルテニウム(エチル)(ジカルボニル)である、請求項15に記載の方法。
- 前記化学気相成長法は光化学気相成長法である、請求項15に記載の方法。
- 前記化学気相成長法は液体注入化学気相成長法である、請求項15に記載の方法。
- 水素、水素プラズマ、酸素、空気、水、アンモニア、ヒドラジン、アリルヒドラジン、ボラン、シラン、オゾンおよびこれらの任意の組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも一つの適切な共反応物を基板へ供給することをさらに含んでなる、請求項15に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記前駆体が前記基板にパルス的に供給され酸素源のパルスと交互に入れ替わる、請求項15に記載の方法。
- 前記酸素源がH2O、O2またはオゾンから選ばれる、請求項26に記載の方法。
- 前記金属含有薄膜がメモリーおよび論理用途に使用される、請求項15に記載の方法。
- Ru3(CO)12を3(CpRn)Hと反応させて3Ru(CpRn)(CO)2Hと6COを生成すること、Ru(CpRn)(CO)2HをBuLiと反応させてLi[Ru(CpRn)(CO)2]とBuHを生成すること、およびLi[Ru(CpRn)(CO)2]をXBrと反応させてRu(CpRn)(CO)2XとLiBrを生成すること、を含んでなる、式II:
Cp(R)nM(CO)2(X) (式II)
(式中、MはRuであり、RはC1−C10−アルキルであり、XはC1−C10−アルキルであり、nは0、1、2、3、4または5である)
のルテニウム前駆体の調製方法。
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