JP7019869B2 - ブロックコポリマーを含んでなるシリカ質膜形成組成物、およびそれを用いたシリカ質膜の製造方法 - Google Patents
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Description
(a)ケイ素を5以上含んでなるポリシラン骨格を有する、直鎖および/または環状の、ブロックAと、ケイ素を20以上含んでなるポリシラザン骨格を有するブロックBとを含んでなり、ブロックAの少なくとも一つのケイ素とブロックBの少なくとも一つのケイ素とを単結合および/またはケイ素を含んでなる架橋基によって連結されている、ブロックコポリマー、および
(b)溶媒
を含んでなり、
ブロックコポリマーの窒素の含有量が、ブロックコポリマーの総質量を基準として、8~25質量%であるものである。
前記したシリカ質膜形成組成物を基材に塗布して塗膜を形成させること、および
前記塗膜を酸化雰囲気中で加熱することを含んでなるものである。
本明細書において、脂肪族炭化水素は、直鎖状、分岐鎖状または環状の脂肪族炭化水素を意味し、脂肪族炭化水素基は、1価または2価以上の、脂肪族炭化水素を意味する。芳香族炭化水素は、必要に応じて脂肪族炭化水素基を置換基として有することも、脂環と縮合していていることもできる、芳香環を含む炭化水素を意味する。芳香族炭化水素基は、1価または2価以上の、芳香族炭化水素を意味する。これらの脂肪族炭化水素基、および芳香族炭化水素基は必要に応じて、フッ素、オキシ、ヒドロキシ、アミノ、カルボニル、またはシリル等を含む。また、芳香環とは、共役不飽和環構造を有する炭化水素を意味し、脂環とは、環構造を有するが共役不飽和環構造を含まない炭化水素を意味する。
本明細書において、%は質量%、比は質量比を表す。
本発明によるシリカ質膜形成組成物(以下、組成物ということがある)は、(a)特定のブロックコポリマー、および(b)溶媒を含んでなり、ブロックコポリマーの窒素の含有量が、ブロックコポリマーの総質量を基準として、8~25質量%であるものである。
本発明に用いられるブロックコポリマー(以下、ブロックコポリマーということがある)は、
ケイ素を5以上含んでなるポリシラン骨格を有する、直鎖および/または環状の、ブロックAと、
ケイ素を20以上含んでなるポリシラザン骨格を有するブロックBと
を含んでなり
ブロックAの少なくとも一つのケイ素とブロックBの少なくとも一つのケイ素とを単結合および/またはケイ素を含んでなる架橋基によって連結されている。
また、1分子中において、ブロックAとブロックB、ブロックAと別のブロックA、ブロックBと別のブロックBが、架橋により結合されていてもよい。
本発明において、ポリシラザン骨格とは、Si-N結合の繰り返し単位からなる主鎖を有する骨格をいう。
からなる群から選択される繰り返し単位を5つ以上含んでなるものであり、
前記ブロックBは、以下の式(II-1)~(II-6):
からなる群から選択される繰り返し単位を20以上含んでなるものである。
繰り返し単位の(I-1)(I-2)(I-3)の組み合わせは特に制限されないが、(I-2)または(I-3)が少なくとも1つ含まれていることが好ましい。
1分子中の、ブロックAの数は、好ましくは1~95であり、より好ましくは3~90である。
pは5以上の整数である)
で示されるものであることが好ましい。
好ましくは、pは、5または6である。
好ましくは、上記単結合は、別のブロックAまたはブロックBのケイ素に直接結合している。
好ましくは、RIdおよびRIeのうち、1つが単結合であり、その他が全て水素である。
繰り返し単位の(II-1)~(II-6)の組み合わせは特に制限されないが、(II-3)~(II-6)が少なくとも1つ含まれていることが好ましい。
1つのブロックB中の繰り返し単位の数は、20以上であるが、好ましくは20~330であり、より好ましくは20~130である。このとき、各繰り返し単位が(II-1)~(II-6)以外の繰り返し単位を介さず、直接結合していることが好ましい。
1分子中の、ブロックBの数は、好ましくは1~24であり、より好ましくは1~6である。
ケイ素を含んでなる架橋基としては、例えば、-Si2R4-(式中、Rは、それぞれ独立に水素、ハロゲン、アルキルまたはアルコキシであり、好ましくは水素またはClである)が挙げられる。
繰り返し単位比率の測定方法は、例えば、インバースゲートデカップリング法に基づく定量的29Si-NMR(本発明において、簡単に「29Si-NMR」ということがある)により得られるスペクトルにおいて、-25ppm~-55ppmに検出されるピークの面積に対する、-95ppm~-115ppmに検出されるピークの面積に対する比率により測定することができる。
本発明においては29Si-NMRの測定は具体的に以下のようにして行うことができる。
まず、合成して得られた本発明によるブロックコポリマーをエバポレーターで溶媒を除去し、得られたブロックコポリマー0.4gを重溶媒、たとえば重クロロホルム(関東化学株式会社製)1.6gに溶解させ試料溶液を得る。試料溶液をJNM-ECS400型核磁気共鳴装置(商品名、日本電子株式会社製)を用いて、1,000回測定しての29Si-NMRスペクトルを得る。NMRスペクトルには、ポリシラザン骨格に含まれるSiに帰属されるピーク(δ=-25~-55ppm付近)、ポリシラン骨格に含まれるSiに帰属されるピーク(δ=-95~-115ppm付近)が認められる。
ポリマー分子中に含まれる、窒素の含有量は、例えば、ポリマーを用いて形成させた膜をラザフォード後方散乱分光法によって元素分析を行い、得られた元素比から算出することができる。具体的には、以下のようにして測定することができる。本発明によるブロックコポリマー溶液と溶媒を含んでなるブロックコポリマー溶液を窒素雰囲気下でスピンコーター(ミカサ株式会社製スピンコーター1HDX2(商品名))を用いて、4インチウェハに回転数1,000rpmでスピン塗布する。得られた塗布膜を窒素雰囲気下、240℃で10分間ベークする。ベークされた膜をPelletron 3SDH(商品名、National Electrostatics Corporation製)を用いて、ラザフォード後方散乱分光法にて元素分析を行うことで原子含有量を測定する。
(B)光照射されたケイ素を5以上含んでなる環状ポリシランと、ケイ素を20以上含んでなるポリシラザンとを含んでなる混合物を調製する工程、
(C)前記混合物に光照射する工程、
を含んでなる方法で、製造される。
以下、製造方法の一例を、工程ごとに説明する。
本発明による製造方法に用いられるケイ素を5以上含んでなる環状ポリシラン(以下、単に環状ポリシランということがある)は、本発明の効果を損なわない限り任意に選択することができる。これらは無機化合物あるいは有機化合物のいずれでもあってもよく、また直鎖状、分岐鎖状、または一部に環状構造を有するものであってもよい。
で示される。
好ましくは、qは、5~8であり、より好ましくは5または6である。
好ましい環状ポリシランの例としては、シリルシクロペンタシラン、シリルシクロヘキサシラン、ジシリルシクロヘキサシラン、シクロペンタシランおよびシクロヘキサシランが挙げられ、好ましくは、シクロペンタシランまたはシクロヘキサシランである。
シクロペンタシランまたはシクロヘキサシランは、室温で液体であるので、その液体状態の環状ポリシランに撹拌しながら光照射することができる。なお、シクロシランが固体である場合には適当な溶媒に溶解させて、撹拌しながら光照射することができる。
この工程の光照射によって、環状ポリシランの一部または全てが開環すると考えられる。
この工程では、(A)工程で光照射された環状ポリシランと、ケイ素を20以上含んでなるポリシラザン(以下、単にポリシラザンということがある)を含んでなる混合物を調製するが、このとき、さらにケイ素を含んでなる架橋剤を含むことが好ましい。
本発明による製造方法に用いられるポリシラザンは、好ましくは、以下の式(II-1)~(II-6):
からなる群から選択される繰り返し単位を20以上含んでなる。
この架橋剤は、ポリシランとポリシラザン、ポリシランどうし、またはポリシラザンどうしを架橋する。このように架橋されたブロックコポリマーは、ブロックAとブロックBの相分離を抑制するため、硬化膜にした場合に、均一な膜を形成しやすくなると考えられる。
この工程の光照射によって、ブロックAとブロックBの縮重合の反応が起こると考えられる。
このときの露光波長は、少なくとも172~405nmの波長を含んでなることが好ましく、より好ましくは、282~405nmである。照射強度は、好ましくは10~250mW/cm2であり、より好ましくは50~150mW/cm2であり、照射時間は、好ましくは5~100分間であり、より好ましくは5~60分間である。照射エネルギーは、好ましくは3~1,500Jであり、より好ましくは25~500Jである。
上記(A)~(C)工程は、不活性ガス雰囲気下で行われることが好ましい。
本発明による組成物は、溶媒を含んでなる。この溶媒は、組成物に含まれる各成分を均一に溶解または分散させるものから選択される。具体的には溶媒としては、例えば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、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルなどのエチレングリコールモノアルキルエーテル類、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテルなどのジエチレングリコールジアルキルエーテル類、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテートなどのエチレングリコールアルキルエーテルアセテート類、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のプロピレングリコールモノアルキルエーテル類、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルアセテートなどのプロピレングリコールアルキルエーテルアセテート類、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、メシチレンなどの芳香族炭化水素類、メチルエチルケトン、アセトン、メチルアミルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、イソプロパノール、プロパンジオールなどのアルコール類、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、ヘプタン、イソヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、デカンなどの脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、デカリンなどの脂環式炭化水素類などが挙げられる。好ましくは、シクロオクタン、トルエン、デカリン、メシチレンである。
これらの溶媒は、それぞれ単独で、または2種以上を組み合わせて用いられる。
また、本発明による組成物は必要に応じて任意成分を含んでいてもよい。そのような任意成分としては、例えば、界面活性剤などが挙げられる。
本発明によるシリカ質膜の製造方法は、上記シリカ質膜形成組成物を基材に塗布して、塗膜を形成させ、そして、この塗膜を酸化雰囲気中で加熱することを含んでなるものである。
本明細書において、「シリカ質膜」とは、ケイ素原子数に対する酸素原子数の比率(O/Si)が1.20~2.50、好ましくは1.40~2.50、より好ましくは1.60~2.45のものを意味するものとする。
また、「酸化雰囲気」とは、全圧が101.3kPaの時、酸素分圧が20~101.3kPaの範囲内にある雰囲気をいい、好ましくは40~101.3kPa、より好ましくは1.5~80kPaの範囲の水蒸気分圧を有する。
さらに加熱する際に水蒸気を含む雰囲気において加熱することが好ましい。水蒸気を含む雰囲気とは、水蒸気分圧が0.5~101kPaの範囲内にある雰囲気をいい、好ましくは1~90kPa、より好ましくは1.5~80kPaの範囲の水蒸気分圧を有する。
加熱は200~1200℃の温度範囲で行うことができる。
なお、以下において、「部」は、特に断りのない限り質量基準である。
6mLのスクリュー管にスターラーチップを入れ、ここにシクロヘキサシランを0.35g(2.03mmol)を加えスターラーを使って攪拌を行なった。ここに、水銀キセノンランプを光源とする波長365nmの紫外線を照射強度82mW/cm2で光ファイバーを通して105秒間照射を行なった。紫外線照射後、トルエンにて濃度50質量%に調整した質量平均分子量2,400のポリペルヒドロシラザン溶液1.12g(12.41mmol)と、架橋剤としてトリクロロシラン0.15g(1.11mmol)とを加えた。攪拌を続けながら、水銀キセノンランプを光源とする波長365nmの紫外線を照射強度82mW/cm2で光ファイバーを通して45分間照射を行ない、ブロックコポリマーを形成させた。反応後、ブロックコポリマーの濃度が25質量%になるようにトルエンを加えて3分間攪拌した後、5.0μmPTFEフィルターおよび0.2μmPTFEフィルターを用いて濾過を行い、副生成物を除去し、シリカ質膜形成組成物Aを得た。なお、合成されたブロックコポリマーの質量平均分子量5,160であった。
シリカ質膜形成組成物AをSi基板に、窒素雰囲気中で、スピンコーター(ミカサ株式会社製スピンコーター1HDX2(商品名))を用いて、塗布して、塗膜を形成させた。その後、波長405nmの光を18J/cm2照射した。得られた塗膜を窒素中、ホットプレート上150℃で1分間ベークした。得られたベーク膜を酸素雰囲気下(101kPa)250℃で30分間焼成後、水蒸気中(40kPa)350℃で120分間処理した。引き続き、窒素中900℃で30分間熱処理することでシリカ質膜を得た。FT-IRにより1085cm-1、756cm-1、460cm-1にSi-Oに基づく吸収が認められ、シリカ質膜であることが確認された。二次イオン質量分析装置(SIMS)の測定からO/Siは2.31であった。
20mLのスクリュー管にスターラーチップを入れ、ここにシクロヘキサシランを0.40g(2.20mmol)を加えスターラーを使って攪拌を行なった。ここに、低圧水銀ランプを光源とする波長254nmの紫外線を照射強度12mW/cm2で光ファイバーを通して180秒間照射を行なった。紫外線照射後、シクロオクタンにて濃度50質量%に調整した質量平均分子量5,500のポリペルヒドロシラザン溶液5.45g(60.51mmol)と架橋剤としてトリクロロシラン0.24g(1.77mmol)とを加えた。攪拌を続けながら、低圧水銀ランプを光源とする波長254nmの紫外線を照射強度12mW/cm2で光ファイバーを通して60分間照射を行ない、ブロックコポリマーを形成させた。反応後、ブロックコポリマーの濃度が25質量%になるようにシクロオクタンを加えて3分間攪拌した後、5.0μmPTFEフィルターおよび0.2μmPTFEフィルターを用いて濾過を行い、副生成物を除去し、シリカ質膜形成組成物Bを得た。なお、形成されたブロックコポリマーの質量平均分子量は6,180であった。
シリカ質膜形成組成物Bを用いて、実施例1と同様の方法により、シリカ質膜を得た。O/Siは2.25であった。
10mLのスクリュー管にスターラーチップを入れ、ここにシクロヘキサシランを0.73g(4.2mmol)を加えスターラーを使って攪拌を行なった。ここに、低圧水銀ランプを光源とする波長254nmの紫外線を照射強度12mW/cm2で光ファイバーを通して180秒間照射を行なった。紫外線照射後、トルエンにて濃度50質量%に調整した質量平均分子量2,400のポリペルヒドロシラザン溶液0.97g(10.8mmol)と架橋剤としてトリクロロシラン0.31g(2.3mmol)とを加えた。攪拌を続けながら、低圧水銀ランプを光源とする波長254nmの紫外線を照射強度12mW/cm2で光ファイバーを通して60分間照射を行ない、ブロックコポリマーを形成させた。反応後、ブロックコポリマーの濃度が25質量%になるようにトルエンを加えて3分間攪拌した後、5.0μmPTFEフィルターおよび0.2μmPTFEフィルターを用いて濾過を行い、副生成物を除去し、シリカ質膜形成組成物Cを得た。なお、形成されたブロックコポリマーの質量平均分子量は5,200であった。
シリカ質膜形成組成物Cを用いて、実施例1と同様の方法により、シリカ質膜を得た。O/Siは2.42であった。
シリカ質膜形成組成物Aを用いて、実施例1と同様にして、シリカ質膜を形成させた。そのシリカ質膜の上に、シリカ質膜形成組成物Aを用いて、実施例1と同様にして、さらにシリカ質膜を形成させ、厚膜のシリカ質膜を得た。O/Siは2.32であった。
50mLのスクリュー管にスターラーチップを入れ、ここにシクロヘキサシランを0.35g(2.01mmol)を加えスターラーを使って攪拌を行なった。ここに、超高圧水銀ランプを光源とする波長405nmの紫外線を照射強度60mW/cm2で光ファイバーを通して120秒間照射を行なった。紫外線照射後、シクロオクタンにて濃度50質量%に調整した質量平均分子量1,300のポリペルヒドロシラザン溶液10.8g(120.2mmol)と架橋剤としてトリクロロシラン0.24g(1.77mmol)とを加えた。攪拌を続けながら、超高圧水銀ランプを光源とする波長405nmの紫外線を照射強度60mW/cm2で光ファイバーを通して60分間照射を行ない、ブロックコポリマーを形成させた。反応後、ブロックコポリマーの濃度が25質量%になるようにシクロオクタンを加えて3分間攪拌した後、5.0μmPTFEフィルターおよび0.2μmPTFEフィルターを用いて濾過を行い、副生成物を除去し、比較組成物Aを得た。なお、得られたブロックコポリマーの質量平均分子量は4,420であった。
比較組成物Aを用いて、実施例1と同様の方法により、シリカ質膜を得た。
6mLのスクリュー管にスターラーチップを入れ、ここにシクロヘキサシランを0.22g(1.24mmol)を加えスターラーを使って攪拌を行なった。ここに、水銀キセノンランプを光源とする波長365nmの紫外線を照射強度82mW/cm2で光ファイバーを通して105秒間照射を行なった。照射後、シクロオクタンを0.76g加えて希釈した後、水銀キセノンランプを光源とする波長365nmの紫外線を照射強度82mW/cm2で光ファイバーを通して45分間照射を行なった。反応後、5.0μmPTFEフィルターおよび0.2μmPTFEフィルターを用いて濾過を行い、質量平均分子量750のポリシラン溶液を得た。
ポリシラン溶液をSi基板に、窒素雰囲気中で、スピンコーターを用いて、塗布して、塗膜の形成を試みたが、ポリシラン溶液は基板に塗着せず、膜形成には至らなかった。
特開平1-138108記載の方法により質量平均分子量2,520のポリペルヒドロシラザン溶液を得た。
ポリペルヒドロポリシラザン溶液を用いて、実施例1と同様の方法により、シリカ質膜を得た。
表面に幅10nm、深さ1000nmの溝構造を有するシリコン基板を準備した。上記のシリカ質膜形成組成物をそのシリコン基板上にスピンコートにより塗布し、上記と同様の熱処理を行い、シリカ質膜付シリコン基板を作製した。溝方向に対して垂直にシリカ質膜付シリコン基板を切断し、断面を走査型電子顕微鏡で溝内の空孔(ボイド)の有無を観察した。
実施例1~4のシリカ質膜には空孔は認められず、良好に埋め込まれていた。
窒素雰囲気下でスピンコーターを用いて、シリコン基板上に塗布し、得られた塗布膜を窒素雰囲気下、240℃で10分間ベークする。ベークされた膜をPelletron 3SDH(商品名、National Electrostatics Corporation製)を用いて、ラザフォード後方散乱分光法にて元素分析を行うことで窒素含有量を測定した。
上記で得られたシリカ質膜の膜厚の測定は、膜厚が2μm以下の場合は反射分光膜厚計(大塚電子社製 FE-3000)により行い、2μmを超える場合はシリカ質膜の一部をフッ化水素酸水溶液で除去し表面粗さ計(東京精密社製 Surfcom Touch 550)により行った。光学顕微鏡により膜表面を観察したところ、上記条件ではクラックは確認されなかった。
得られた結果は表1のとおりであった。
得られたシリカ質膜の波長633nmの光をあてたときの屈折率は、分光エリプソメーター(JA ウーラム社製 M-44型)を用いて測定し、結果は表1のとおりであった。
Claims (15)
- (a)ケイ素を5以上含んでなるポリシラン骨格を有する、直鎖および/または環状の、ブロックAと、ケイ素を20以上含んでなるポリシラザン骨格を有するブロックBとを含んでなり、ブロックAの少なくとも一つのケイ素とブロックBの少なくとも一つのケイ素とを単結合および/またはケイ素を含んでなる架橋基によって連結されている、ブロックコポリマー、および
(b)溶媒
を含んでなる、シリカ質膜形成組成物であって、
前記ブロックコポリマーの窒素の含有量が、ブロックコポリマーの総質量を基準として、8~25質量%である、シリカ質膜形成組成物。 - 前記ブロックコポリマーの質量平均分子量が1,100~25,000である、請求項1または2に記載の組成物。
- 前記ブロックコポリマーの分子中に含まれる、式(II-1)~(II-6)の繰り返し単位の総数に対する、式(I-1)~(I-3)の繰り返し単位の総数の比率が、20~200%である、請求項2に記載の組成物。
- 前記ブロックA中の、RIa、RIbおよびRIcの少なくとも一つが単結合であり、残りの全てが水素である、請求項2または4に記載の組成物。
- 前記ブロックB中の、RIIa~RIIiの少なくとも一つが単結合であり、残りの全てが水素である、請求項2、4、または5に記載の組成物。
- 前記ブロックコポリマーが、前記ブロックBを含んでなる主鎖と、前記ブロックAを含んでなる側鎖とで構成される、請求項1~6のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記ブロックコポリマーにおいて、ブロックAと別のブロックAとの間、ブロックBと別のブロックBとの間、および/またはブロックAとブロックBとの間が、ケイ素を含んでなる架橋基によって連結されている、請求項1~8のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記溶媒の比誘電率が3.0以下である、請求項1~9のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項1~10のいずれか一項に記載の組成物を基材に塗布して、塗膜を形成させること、および
前記塗膜を酸化雰囲気中で加熱すること
を含んでなる、シリカ質膜の製造方法。 - 前記酸化雰囲気が、酸素20~101kPaまたは水蒸気0.5~101kPaを含む、請求項11に記載の方法。
- 塗膜を形成後、加熱前に、波長248~436nmの光を照射する、請求項11または12に記載の方法。
- 加熱が、200~1,200℃で行われる、請求項11~13のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項11~14のいずれか一項に記載の方法で製造されたシリカ質膜を含んでなる、電子素子の製造方法。
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