JPH0593072A - ポリシラン及びその合成方法 - Google Patents

ポリシラン及びその合成方法

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JPH0593072A
JPH0593072A JP25346491A JP25346491A JPH0593072A JP H0593072 A JPH0593072 A JP H0593072A JP 25346491 A JP25346491 A JP 25346491A JP 25346491 A JP25346491 A JP 25346491A JP H0593072 A JPH0593072 A JP H0593072A
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JP
Japan
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polysilane
perfluoroalkyl
plasma polymerization
group
molecular weight
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JP25346491A
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English (en)
Inventor
Hisashi Sugiyama
寿 杉山
Yoichi Takahara
洋一 高原
Kazunari Takemoto
一成 竹元
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】機能性高分子材料として極めて有用な新規な1
次元可溶性ポリシランを簡便なプラズマ重合を用いて合
成、成膜する。 【構成】置換基がフルオロ基、パーフルオロアルキル
基、フェニル基、パーフルオロフェニル基、パーフルオ
ロアルキル置換フェニル基から選ばれた同一または異な
る2つであるポリシランを対応するジヒドロシランのプ
ラズマ重合で合成、成膜する。 【効果】機能性高分子材料として極めて有用な新規な1
次元可溶性ポリシランを簡便なプラズマ重合を用いて合
成、成膜することができ、さらに、この膜は溶液中で合
成したポリマを溶剤に溶解させスピンコートして成膜し
た膜と同様の膜になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は感光性材料、非線形光学
材料、光電変換材料、導電性材料、焦電材料、圧電材料
などの機能性高分子材料として有用な新規なポリシラン
及びその合成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】1981年、ウエストらにより可溶性高
分子量ポリシラン(フェニルメチルジクロロシランとジ
メチルジクロロシランのNaによる重合物)が合成され
て以来(R. West t al., J. Am. Chem. Soc., 103, 735
2(1981))、ポリシランが光電子機能性材料として優れた
物性を有することが示されている。例えば、P. T.Trefo
nas III et al., J. Polym. Sci. Polym. Chem., 25, 8
23(1987)には感光性材料としての機能が、F. Kajzar et
al., J. Appl.Phys., 60, 3040(1986)には非線形光学
材料としての機能が、また、M. Stolka et al., J. Pol
ym.Sci., Polym. Chem., 25, 823(1987)には光電変換材
料としての機能が示されている。これらポリシランは1
次元ポリマであり置換基を非対称性にするか置換基にフ
レキシブルなものを導入することにより溶剤に可溶にな
るようにしている。その合成法は、近年、触媒反応(C.
T. Aitken et al., J. Am. Chem. Soc.,108,4059(198
6))、リビング重合(K. Sakamoto et al., J. Am. Che
m. Soc., 111, 7641(1989))などの方法が検討されてい
るが、一般的にはナトリウムとジクロロシランの反応を
用いて合成しており、危険なナトリウムを使用すること
からポリシランの工業化のあい路となっている。
【0003】一方、シランあるいはジシランはCVDな
どの気層反応によりシリコン半導体膜や光電変換膜など
を形成するための原料ガスとして広く使用されている
が、これらガスの気層反応で生成する膜は一般的には3
次元構造をしており溶剤に不溶である。1次元ポリシラ
ンが生成したという例は、古川、松本、応用物理、55
1080(1986)に示されているように、シランのCVDで基
板を低温にすると繰返し単位が12位までの1次元ポリ
シランができるという報告と、I. Haller, J. Electroc
hem. Soc., 129, 180(1982)に示されているようにフェ
ニルシランのプラズマ重合で一部架橋を含むが主に1次
元ポリシランが生成するという報告の2例が知られてい
るのみである。ただし、これらのポリシランが溶剤に可
溶であるという記述はない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、上記したような機能性高分子材料として極めて有用
な新規な1次元可溶性ポリシランを与えることであり、
本発明の第2の目的は、これらのポリマを簡便なプラズ
マ重合を用いて合成、成膜することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は機能性ポリシ
ランを、溶液中で合成するのではなく、直接基板に合成
・成膜することを目的に、プラズマ重合で1次元可溶性
ポリシランを合成できるケイ素モノマーを種々探索し
た。
【0006】その結果、ジヒドロシランの2つの置換
基、R1,R2が、フルオロ基、パーフルオロアルキル
基、フェニル基、パーフルオロフェニル基、パーフルオ
ロアルキル置換フェニル基から選ばれた異なる基である
場合には、プラズマ重合で化3で表される新規なポリシ
ランが合成でき、
【0007】
【化3】
【0008】但し、R1とR2はフルオロ基、パーフルオ
ロアルキル基、フェニル基、パーフルオロフェニル基、
パーフルオロアルキル置換フェニル基から選ばれた異な
る基であり、nは重合度を表す。
【0009】その構造が1次元で、テトラヒドロフラン
等の有機溶剤に可溶であることを見出した。
【0010】さらに、ジヒドロシランの2つの置換基が
同一のR3でパーフルオロアルキル基またはパーフルオ
ロアルキル置換フェニル基である場合には、プラズマ重
合で化4で表される新規なポリシランが合成でき、
【0011】
【化4】
【0012】但し、R3はパーフルオロアルキル基また
はパーフルオロアルキル置換フェニル基であり、mは重
合度を表す。
【0013】その構造が1次元で、テトラヒドロフラン
等の有機溶剤に可溶であることを見出した。
【0014】ここで、パーフルオロアルキル基として
は、例えば、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチ
ル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル
基、パーフルオロヘキシル基等があり、パーフルオロア
ルキル置換フェニル基としては、上記パーフルオロアル
キル基が置換したフェニル基等が挙げられる。
【0015】本発明の1次元可溶性ポリシランポリマの
合成に用いるプラズマ重合法に関しては、Techniques a
nd Applications of Plasma Chemistry edited by J.
R.Hollahan and A. T. Bell, John Wiley & Sons 1974
に記載があるような一般的な条件で行うことができる。
すなわち、2つの電極(通常は平行平板)を備えた真空
チャンバーを排気し、モノマーガスをチャンバー内に導
入する。ついで、電極間に高周波を印加して放電を起こ
させ、モノマーガスのプラズマを発生させる。重合物は
アース側電極の上に設置した基板上に堆積する。ただ
し、架橋をできるかぎり抑えるためには、基板温度を低
温にし、また、モノマーガス流量を小さくしてチャンバ
ー圧を高めに設定した方が良い。
【0016】基板上に生成したポリシランは約3ミクロ
ン位までクラックがなく、また、ピンホールもない。こ
の基板をテトラヒドロフラン中に入れるとポリシランが
溶解し、ゲルパーミッションクロマトグラフで分子量を
測定するとポリスチレン換算で約1000から5000
00のポリマーであった。
【0017】一方、本発明のポリマーは溶液中でも合成
することができる。すなわち、対応するジクロロシラン
とナトリウムをトルエンかあるいはキシレン中に入れ、
溶剤の沸点温度まで加熱した後、高速撹拌することによ
り、分子量が1000から1000000の1次元可溶
性ポリシランが生成する。
【0018】したがって、溶液中で合成したポリマを溶
剤に溶解させ、スピンコートしたポリマ膜と同様の膜が
プラズマ重合で直接合成・成膜することができる。
【0019】
【作用】通常、プラズマ重合で生成する重合物は3次元
に架橋したものであり、一般的には溶剤に不溶である。
本発明でほとんど架橋のない1次元可溶性ポリシランが
合成できた要因を考えるために、代表的なモデル化合物
を使ってab−initio計算を行った。
【0020】
【化5】
【0021】
【化6】
【0022】
【化7】
【0023】化5で表されるシランのSi−H結合解離
エネルギーは84.3kcal/molと計算された。
シランのプラズマ重合で1次元ポリシランが生成した原
因はSi−H間の結合解離エネルギーに差がないことか
ら、プラズマ重合の条件に起因すると考えられる。しか
し、3次元に架橋する結合手はまだ2つ残っており1次
元に高度に構造を規制することはできない。
【0024】一方、化6で表されるフェニルシランのS
i−H結合解離エネルギーは85.5kcal/mo
l、Si−φ結合解離エネルギーは124.7kcal
/molと計算された。Si−HとSi−φの結合解離
エネルギーの差は39.2kcal/molあり、充分
にプラズマ重合反応をSi−Hの解離に規制することが
できる。しかし、同じSi−Hの結合解離エネルギーで
3次元に架橋する可能性のある結合手はまだ1つ残って
おり、重合物を1次元に高度に構造を規制することはで
きない。
【0025】本発明の作用を化7で表されるモデル化合
物、フェニルフルオロシラン、を使って説明する。フェ
ニルフルオロシランのSi−H結合解離エネルギーは1
07.6kcal/mol、Si−φ結合解離エネルギ
ーは131.6kcal/mol、Si−F結合解離エ
ネルギーは153.7kcal/molと計算された。
フェニルシランの3つのSi−H結合のうちの1つを結
合解離エネルギーの大きいSi−F結合に変えることに
より、最も結合解離エネルギーの小さい結合を2つのS
i−H結合にすることができた。ところが、Fの導入に
より、次に小さい結合解離エネルギーを持つSi−φ結
合との結合解離エネルギー差は24.0kcal/mo
lと小さくなってしまった。しかし、依然、プラズマ重
合反応をSi−Hの解離に規制するのに充分なエネルギ
ー差を持っているために、重合物の構造を1次元に高度
に規制することができたものと考えられる。また、プラ
ズマ重合に際して、基板温度を低くし、また、モノマー
ガス流量を小さくしてチャンバー圧を高めに設定するな
ど穏和な条件で行うことは、エネルギー差が小さくなっ
た分架橋をできるかぎり抑えるために有効であったと考
えられる。
【0026】本発明の作用を代表的なモデル化合物で説
明したが、他の化合物についても同様と考えられる。
【0027】
【実施例】本発明を実施例にて具体的に説明するが、本
発明はこれらに限定されるものではない。
【0028】実施例1 ステンレス製真空槽内部に半径10cmの一対の円板状
平行平板電極を有し、その一方は高周波電源とマッチン
グボックスを介して電気的に接続され、他方は真空槽と
共に接地された電極構造を有するプラズマCVD装置の
接地側電極上に、基板として直径3インチのシリコンウ
ェハを設置し、基板を0℃に冷却した。ついで、真空槽
内を1×10~4Paの真空度まで排気した後、フェニル
フルオロシランを大気圧換算で毎分1ml供給し、排気
速度を調整して真空槽内の圧力を2.6Paに保った。
次に、基板の高周波印加側電極に周波数13.56MH
z、電力80Wの高周波電力を印加してプラズマを発生
させ、この状態で30分保持した後、高周波電力の印加
を止め、基板を取り出したところ、膜厚0.2μmのフ
ェニルフルオロポリシランが形成された。
【0029】上記基板をテトラヒドロフラン中に浸漬し
たところ、フェニルフルオロポリシランは溶解し、これ
をゲルパーミッションクロマトグラフにかけたところ、
ポリスチレン換算で、約1000から100000の分
子量であった。
【0030】実施例2 基板温度を50℃に設定し実施例1と同様にフェニルフ
ルオロシランのプラズマ重合を行ったところ、膜厚が
0.3μmで分子量が約1000から150000のフ
ェニルフルオロポリシランが得られた。
【0031】実施例3 基板温度を80℃に設定し実施例1と同様にフェニルフ
ルオロシランのプラズマ重合を行ったところ、膜厚が
0.4μmで分子量が約1000から200000のフ
ェニルフルオロポリシランが得られた。
【0032】実施例4 基板温度を50℃、モノマーガスの供給速度を毎分3m
lに設定し実施例1と同様にフェニルフルオロシランの
プラズマ重合を行ったところ、膜厚が0.5μmで分子
量約1000から200000のフェニルフルオロポリ
シランが得られた。
【0033】実施例5 基板温度を50℃、モノマーガスの供給速度を毎分5m
lに設定し実施例1と同様にフェニルフルオロシランの
プラズマ重合を行ったところ、膜厚が0.8μmで分子
量約1000から300000のフェニルフルオロポリ
シランが得られた。
【0034】実施例6 基板温度を50℃、モノマーガスの供給速度を毎分3m
l、真空槽内の圧力を6Paに設定し実施例1と同様に
フェニルフルオロシランのプラズマ重合を行ったとこ
ろ、膜厚が0.7μmで分子量約1000から2700
00のフェニルフルオロポリシランが得られた。
【0035】実施例7 基板温度を50℃、モノマーガスの供給速度を毎分3m
l、真空槽内の圧力を10Paに設定し実施例1と同様
にフェニルフルオロシランのプラズマ重合を行ったとこ
ろ、膜厚が1.1μmで分子量約1000から3400
00のフェニルフルオロポリシランが得られた。
【0036】実施例8 基板温度を50℃、モノマーガスの供給速度を毎分3m
l、真空槽内の圧力を6Pa、高周波電力を100Wに
設定し実施例1と同様にフェニルフルオロシランのプラ
ズマ重合を行ったところ、膜厚が1.2μmで分子量約
1000から310000のフェニルフルオロポリシラ
ンが得られた。
【0037】実施例9 基板温度を50℃、モノマーガスの供給速度を毎分3m
l、真空槽内の圧力を6Pa、高周波電力を150Wに
設定し実施例1と同様にフェニルフルオロシランのプラ
ズマ重合を行ったところ、膜厚が1.5μmで分子量約
1000から400000のフェニルフルオロポリシラ
ンが得られた。
【0038】実施例10 実施例7と同様にしてフェニルフルオロシランのプラズ
マ重合を90分行ったところ、膜厚が3.0μmで分子
量が約1000から500000のフェニルフルオロポ
リシランが得られた。
【0039】実施例11 実施例7と同様にしてフェニルトリフルオロメチルシラ
ンのプラズマ重合を行ったところ、膜厚が1.2μmで
分子量が約1000から3700000のフェニルトリ
フルオロメチルポリシランが得られた。
【0040】実施例12 実施例7と同様にしてフェニルペンタフルオロエチルシ
ランのプラズマ重合を行ったところ、膜厚が1.0μm
で分子量が約1000から3500000のフェニルペ
ンタフルオロエチルポリシランが得られた。
【0041】実施例13 実施例7と同様にしてトリフルオロメチルヘプタフルオ
ロプロピルシランのプラズマ重合を行ったところ、膜厚
が1.0μmで分子量が約1000から3500000
のトリフルオロメチルヘプタフルオロプロピルポリシラ
ンが得られた。
【0042】実施例14 実施例7と同様にしてペンタフルオロフェニルフルオロ
シランのプラズマ重合を行ったところ、膜厚が1.1μ
mで分子量が約1000から3400000のペンタフ
ルオロフェニルフルオロポリシランが得られた。
【0043】実施例15 実施例7と同様にしてトリフルオロメチルヘプタフルオ
ロプロピルフェニルシランのプラズマ重合を行ったとこ
ろ、膜厚が1.3μmで分子量が約1000から380
0000のトリフルオロメチルヘプタフルオロプロピル
フェニルポリシランが得られた。
【0044】実施例16 実施例7と同様にしてジトリデカフルオロヘキシルシラ
ンのプラズマ重合を行ったところ、膜厚が0.9μmで
分子量が約1000から3000000のジトリデカフ
ルオロヘキシルポリシランが得られた。
【0045】実施例17 実施例7と同様にしてジトリデカフルオロヘキシルフェ
ニルシランのプラズマ重合を行ったところ、膜厚が1.
2μmで分子量が約1000から4200000のジト
リデカフルオロヘキシルフェニルポリシランが得られ
た。
【0046】
【発明の効果】本発明によれば、感光性材料、非線形光
学材料、光電変換材料、導電性材料、焦電材料、圧電材
料などの機能性高分子材料として極めて有用な新規な1
次元可溶性ポリシランを簡便なプラズマ重合を用いて合
成、成膜することができ、さらに、この膜は溶液中で合
成したポリマを溶剤に溶解させスピンコートして成膜し
た膜と同様の膜になる。したがって、本発明の新規なポ
リシラン及びそのプラズマ重合による合成、成膜法は効
用大なるものである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化1で表されることを特徴とするポリシラ
    ン 【化1】 但し、R1とR2はフルオロ基、パーフルオロアルキル
    基、フェニル基、パーフルオロフェニル基、パーフルオ
    ロアルキル置換フェニル基から選ばれた異なる基であ
    り、nは重合度を表す。
  2. 【請求項2】化2で表されることを特徴とするポリシラ
    ン 【化2】 但し、R3はパーフルオロアルキル基またはパーフルオ
    ロアルキル置換フェニル基であり、mは重合度を表す。
  3. 【請求項3】請求項1記載の化1又は請求項2記載の化
    2で表されるポリシランをプラズマ重合で合成すること
    を特徴とするポリシランの合成方法。
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