JPH0832855B2 - セラミック塗料及びその塗膜形成方法 - Google Patents

セラミック塗料及びその塗膜形成方法

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JPH0832855B2
JPH0832855B2 JP4800008A JP80000892A JPH0832855B2 JP H0832855 B2 JPH0832855 B2 JP H0832855B2 JP 4800008 A JP4800008 A JP 4800008A JP 80000892 A JP80000892 A JP 80000892A JP H0832855 B2 JPH0832855 B2 JP H0832855B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は基板にセラミック塗膜を
施す方法に関するものである。該方法は、水素シルセス
キオキサン樹脂(hydrogen silsesquioxane)、揮発性S
iH化合物を形成しているSi-Si結合を含有する材料及び
触媒から成るプレセラミック塗料を塗布し、その後で、
不活性雰囲気中でプレセラミック塗料を熱分解すること
から成る。本発明の方法によって形成される新規のセラ
ミック塗膜は、特に電子デバイスに有用である。
【0002】
【従来の技術】電子デバイスを含む種々の基板にセラミ
ック塗膜を適用することは当業界では周知である。例え
ば、ハルスカ(Haluska)等は、米国特許第4,756,977号
明細書で、水素シルセスキオキサン樹脂の溶液を基板に
塗布した後200-1000℃の温度に加熱してセラミック化す
ることによって形成されるセラミック塗膜を開示してい
る。該説明書は、生成セラミック塗膜が電子デバイスの
保護及び絶縁層として多くの望ましい特性を有すること
を教示している。
【0003】ハルスカは、1991年5月15日発行の欧州特
許公報(EP Patent Publication)第0 427 395号におい
て、基板に水素シルセスキオキサン樹脂のプレセラミッ
ク塗料を塗布し、次いでそれを温度500-1000℃の不活性
雰囲気中で熱分解することから成る基板へのセラミック
塗膜形成方法をも述べている。その中では、この方法
は、酸化し易い基板へのセラミック塗膜形成に関して有
用であると記述してある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題及び課題を解決するため
の手段】本願発明者等は、揮発性SiH化合物を形成するS
i-Si結合と白金又は銅の触媒とを含有する材料が水素シ
ルセスキオキサンの新規のセラミック塗膜への転化を助
長することをこのたび図らずも発見した。
【0005】本発明は基板にセラミック塗膜を形成し、
それによって塗膜された基板を形成するための方法に関
するものである。該方法は水素シルセスキオキサン樹
脂、揮発性SiH化合物を形成しているSi-Si結合を含有す
る材料及びPt又はCu触媒から成るプレセラミック塗料を
基板上に塗布する工程を含む。次いで、不活性雰囲気中
で約200℃乃至約1000℃の範囲の温度で熱分解する。
【0006】本発明は、溶剤、水素シルセスキオキサン
樹脂、揮発性SiH化合物を形成しているSi-Si結合を含有
する材料及びPt又はCu触媒から成る組成物にも関連す
る。
【0007】本発明は、水素シルセスキオキサン樹脂
(H−樹脂)、揮発性SiH化合物を形成しているSi-Si結
合を含有する材料及び白金又は銅の触媒(触媒)の混合
物が種々の基板上に新規のセラミック塗膜を形成するた
めに使用できるという発見に基づく。ここでは揮発性Si
H化合物を形成しているSi-Si結合を含有する材料及び触
媒が、SiHの開裂に対して触媒作用を及ぼすことによっ
てH−樹脂のセラミック化を予期以上に助長する。しか
も、得られた塗膜は特に独特であり、かつ該塗膜がSi−
O及びSi-Siの両方の結合を含有し、それによって塗膜
に可撓性を付加する点において有利である。
【0008】本明細書で教示する塗膜は、保護及び絶縁
のような多くの用途に有用である。例えば、これらの塗
膜は耐食性及び耐摩耗性材料のための慣用の用途に使用
してよい。しかし、これらの塗膜は電子デバイスに用い
たとき更に理想的に好適な特性を有する。例えば、これ
らの塗膜の平坦化及び絶縁性に係る特性により、多層デ
バイスの中間絶縁として理想的に適切である。また、こ
れらの塗膜の高密度及び低欠陥率によって、湿度及びイ
オン性不純物のような周囲環境からデバイスを保護する
ために使用しても有用である。
【0009】上述のような特定の用途があるが、ここに
教示する塗膜はこのような塗膜を必要とする任意の基板
に使用できると予期される。更に、このような基板及び
デバイスの選定は、本発明において用いる温度及び雰囲
気における基板の熱的及び化学的な安定性に関する要件
によってのみ限定される。
【0010】本発明において使用する場合は、用語「セ
ラミック」とはSi−O及びSi-Si結合を含む熱分解され
た材料であって、残留炭素及び/又は水素は皆無であっ
ても或いはそうでなくてもよいが、その他においては特
性上セラミックである材料を指し、用語「平坦化塗膜」
とは塗膜塗布前の表面よりも不規則性の少ない表面障壁
層を付与する塗膜を指し、また、用語「電子デバイス」
又は「電子回路」とは、シリコンベースのデバイス、ひ
化ガリウムベースのデバイス、焦点面アレイ、光電デバ
イス、光電池及び光学デバイスを包含するがそれらに限
定するものではない。このようなデバイスの特定の例と
しては、トランジスタ類似のデバイス、コンデンサー及
びコンデンサー類似のデバイス、多層デバイス、3Dデバ
イス、シリコンオン絶縁体デバイス、超格子デバイスそ
の他同類のデバイス類がある。
【0011】本明細書で教示するセラミック塗膜は、H
−樹脂、揮発性SiH化合物を形成しているSi-Si結合を含
有する材料及び触媒から成るプレセラミック塗料を塗布
する工程と、その後で前記プレセラミック塗料を不活性
雰囲気中で約200乃至1000℃の間の範囲の温度に加熱す
る工程とから成る方法によって生成される。本発明の好
ましい実施例では、溶剤、H−樹脂、揮発性SiH化合物
を形成しているSi-Si結合を含有する材料及び触媒から
成る溶液を基板に塗布する工程と、その後で溶剤を蒸発
させる工程とから成る方法によってプレセラミック塗料
が塗布される。
【0012】本明細書では種々なヒドリドシラン樹脂類
(ケイ素原子に結合した水素原子を有する樹脂類)を表
すために水素シルセスキオキサン樹脂を用いる。この種
の樹脂は化学式HSiX3(ただし、Xは加水分解可能な
基)を有するシランの加水分解及び縮合によって一般に
生成される。これらの樹脂は完全に縮合された(HSiO
3/2nであってもよいし、或いは加水分解が部分的な水
解物及び/又は部分的な縮合物が形成される中間点で中
断されたものでもよい。従って、後者の樹脂は残留SiOR
及び/又はSiOH部分をしばしば含有する。この構造には
当たらないが、これらの樹脂はその形成又は処理に関連
する様々な要因によって化学量論的数に満たないSi−H
結合を含んでもよい。
【0013】殆ど完全に縮合されたH−樹脂は、米国特
許第3,615,272号明細書に教示されるコリンズ(Collin
s)等の方法によって形成できる。この材料は化学式(H
SiO3/2nの単位を有す、ただし、前記化学式において
nは一般に8−1000である。前記樹脂は約800-2900の数
平均分子量及び約8000-28,000の重量平均分子量を有す
る。コリンズ等の特許明細書は、ベンゼンスルホン酸水
和物加水分解媒質中でトリクロロシランを加水分解した
後、生成樹脂を水又は硫酸水溶液で洗浄することから成
る方法によって、このような樹脂が形成できることを教
示する。前記参照文献がこの材料を完全に縮合されるも
のとして記述していることは注目される。しかし、最近
の分析では100-300ppmのシラノールが存在することを確
認されている。
【0014】完全に縮合されていないH−樹脂[化学式
HSi(OH)aO(3-a)/2の単位を含有する重合体、ただし、
a=0−2]は、米国特許第5,010,159号明細書に記述
されるバンク(Bank)等の方法又は米国特許第4,999,39
7号明細書に記述されるフライェ(Frye)等の方法によ
って生成できる。バンク等が開示した方法は、アリール
スルホン酸水和物加水分解媒質中でヒドリドシランを加
水分解して樹脂を形成し、次いで該樹脂を中和剤に接触
させることから成る。最近の実験によると、この方法に
おいて酸/シラン比を約2.67:1、好ましくは6/1、より
も大きくすると、実質的にクラックの無い塗膜を形成す
る特に好ましいH−樹脂を調製できることが分かった。
【0015】フライェ等の出願明細書に記述された方法
は非硫黄含有極性有機溶媒中のトリクロロシランを、水
又はHCl及び金属酸化物を添加することによって、加水
分解することから成る。この場合、金属酸化物はHCl捕
集剤として作用すると共に水の連続的供給源としても役
立つ。
【0016】完全に加水分解又は縮合されていないH−
樹脂[化学式HSi(OH) x(OR)yOz/2の単位を含有す
る重合体、ただし、各Rは独立した有機基であって、酸
素原子を介してシランと結合する際に加水分解可能な置
換基を形成し、x=0−2、y=0−2、z=1−3、
x+y+z=3であり、かつ、重合体の単位の全てに亙
るyの平均値は平均値は0よりも大きい]は、1991年8
月28発行の欧州特許公報第0 443 760号記載のバニイ(B
aney)等の方法によって作ることができる。該方法は酸
性化した酸素含有極性有機溶媒中においてハイドロカー
ボノキシヒドリドシランを水で加水分解することから成
る。
【0017】Si-Si結合を含有する材料は揮発性SiH化合
物を形成している任意のものでよい。詳しくは、該材料
はH−樹脂と反応し、ケイ素から水素を奪い、系から揮
発するものでなければならない。これらの材料は当業界
では既知であり、例えば、ドデカメチル、シクロヘキサ
シラン、メチルトリス(トリメチルシリル)シラン、デ
カメチルシクロペンタシラン及びトリス(トリメチルシ
リル)フェニルシランを含めることができる。本発明の
好ましい実施例では、該材料はドデカメチルシクロヘキ
サシラン((CH32Si)6から成る。この反応剤は、シ
ンセシス,コミュニケーション(Synthesis,Communicat
ion)(1985年発行)684−6ページでウエスト(West)
等が教示したジメチルジクロロシランとリチウムとの反
応のような任意の慣用技術によって作ることができる。
【0018】本発明に用いる揮発性SiH化合物を形成す
るSi-Si結合含有材料の量は厳密なものではなく、広い
範囲に亙って変化できる。しかし、一般には、H−樹脂
のセラミック化を助長できるように十分に用いなければ
ならない。ドデカメチルシクロヘキサシランを使用する
場合は、化学量論的な量はSi−H単位12モルにつきシク
ロヘキサシラン約1モルである。化学量論的には過剰で
あることが好ましいことがしばしばあるが、亜化学量論
的な量(substoichiometric amounts)(例えば、Si−
H単位25モルにつきシクロヘキサシラン約1モル)はSi
−H基の部分的除去を助長する。
【0019】SiH除去の速度及び範囲を増大するため
に、プレセラミック塗料中には白金又は銅の触媒を含
む。通常は、プレセラミック混合物中に均質に分布でき
る任意の白金又は銅の化合物又は錯体が目的に合致す
る。例えば、アセチルアセトン酸白金のような有機白金
又はナフテン酸第二銅のような銅化合物は本発明の特許
請求の範囲内に含まれる。このような触媒は当業界では
周知であり、商業的に入手できる。本発明では、これら
の触媒をH−樹脂の重量を基準として約10乃至約1000pp
mの間の白金又は銅の量で通常使用する。
【0020】次に、上述のH−樹脂、揮発性SiH化合物
を形成しているSi-Si結合含有材料及び触媒を基板表面
に塗布する。これは任意の方法で行ってよいが、好まし
い方法は材料を溶剤に溶解して基板表面に塗布する溶剤
を形成することを含む。溶解を助けるために、撹拌及び
/又は加熱のような種々の促進手段を用いてよい。使用
できる溶剤は、材料を溶解して均一な溶液を形成し、セ
ラミック塗料には影響を与えない任意の反応剤又は反応
剤の混合物でよい。これらの溶剤は、上述の材料を低固
相に溶解するに十分な量の、例えば、ベンゼン又はトル
エンのような芳香族炭化水素、n−ヘプタン又はドデカ
ンのようなアルカン、ケトン、エステル、グリコールエ
ーテル又は環状ジメチルポリシロキサンを含んでよい。
一般には、十分な量の上記溶剤を使用して、0.1乃至50
重量%の溶液を形成する。
【0021】前記溶液法を用いる場合は、H−樹脂、溶
剤、揮発性SiH化合物を形成しているSi-Si結合含有材料
及び触媒から成る溶液を基板に塗布する。塗布方法には
スピン塗、浸し塗、吹付け塗又は流し塗があるが、これ
らに限定するわけではない。しかし、その他の同等な手
段も本発明の特許請求の範囲内に含まれると考えられ
る。
【0022】その後で、溶液法に用いた溶剤を蒸発させ
ると、プレセラミック塗料の堆積が得られる。任意の適
当な揮発手段が使用できる。この場合、周囲環境への露
出による簡単な自然乾燥又は真空又は緩やかな加熱の使
用のような方法が便利である。スピン塗を用いる場合
は、スピンによって溶剤を飛散させることがしばしばあ
るから、余分な乾燥期間が必要でなくなることがある点
に注目すべきである。
【0023】プレセラミック塗料を一旦塗布すると、次
に、不活性雰囲気中において十分な高温にさらして塗料
をセラミック化する。一般に、この場合に有用な温度は
約300℃乃至約1000℃の範囲内である。しかし、これよ
りも高いか又は低いこともある。例えば、約200℃の低
温でもプレセラミック塗料を硬化できる。しかし、この
ようなセラミックの密度は所要の保護又は絶縁効果を与
えるには低すぎることがしばしばである。同様に、この
工程に高温を用いるもともできるが、約1000℃を超える
高温がプレセラミック塗料に付け加える利点は殆どな
い。
【0024】本発明の好ましい実施例では、セラミック
化に必要な熱分解温度を下げるために、熱分解環境に紫
外線(UV)光を照射する。このような条件下では、約15
0℃を超える範囲の温度が便利である。
【0025】一般に、塗料を塗布した基板をセラミック
化に十分な時間の亙って所望の温度の不活性雰囲気に曝
す。時間は温度に依存するが、極く薄い薄膜(例えば約
0.1ミクロン未満)に関する場合の二三分から、比較的
厚い薄膜に関する場合の数時間までの範囲が一般に有用
である。約3時間に亙って約400℃の温度で塗料を塗布
した基板を加熱することが特に好ましい。
【0026】上述のセラミック化工程においては、アル
ゴン、又はヘリウムのような任意の不活性ガスを使用し
てよい。しかし、酸素の存在下で塗膜を加熱すると塗膜
がシリカ(SiO2)へ転化するから、本発明の新規の塗膜
を生成するためには酸素の排除が一般に必要である。
【0027】その際には、慣用の炉或いは放射又は高周
波エネルギーの使用のような任意の加熱方法が一般に便
利である。同様に、加熱速度は一般に厳格な要素ではな
いが、基板を可能な限り急速に加熱するのが最も実用的
であり、かつ好ましい。
【0028】典型的なセラミック化手順においては、塗
料を塗布した基板を慣用の炉内に配置し、その中に不活
性ガスの連続流を導入する。次いで炉内の温度を所望の
レベル(例えば、約400℃)に上げて所望の時間(例え
ば、約3時間)に亙って保持する。
【0029】発明者等は理論によって限定されることは
好まないが、揮発性SiH化合物を形成しているSi-Si結合
含有材料及び触媒がSiH結合の開裂及び塗料のセラミッ
ク化を助長する反応環境を作るものと提言する。ドデカ
メチルシクロヘキサシランを使用する場合は、この開裂
によってジメチルシラン((CH32SiH2が開放され、ア
モルファスシリコン亜酸化物から成る生成塗膜を得るも
のと提言する。
【0030】上述の方法によって、基板上に薄い(2ミ
クロン未満)セラミック平坦化塗膜が基板上に生成す
る。該塗膜は種々の基板が有する不規則な表面を滑らか
にすると共に、優れた接着特性を有する。該塗膜を付加
的なSiO2層、ケイ素含有皮膜、ケイ素炭素含有皮膜、ケ
イ素窒素含有皮膜、ケイ素酸素窒素含有皮膜及び/又は
ケイ素窒素炭素含有皮膜のような他の皮膜で更に被覆し
てもよい。このような多層皮膜は当業界では周知であ
り、米国特許第4,756,977号明細書には多数教示してあ
る。
【0031】
【実施例】次の非限定例は、当業界の技術者が本発明を
更に容易に理解できるように説明するものである。 次の例において塗膜されたシリコンウェーハ(IR透過
性)について赤外線分析を行った。セラミック材料への
転化は、2245cm-1のIRピークの消失によって立証される
SiHの除去によって確認する。加水分解後の残留SiHの比
率は、加水分解前後のSiHピークの面積を比較して計算
した。表1で規定する波長での屈折率(RI)を測定し
た。ルドルフ(Rudolph)楕円偏光計によって厚さを測
定した。
【0032】 例1 室温でフラスコ内のトルエンに、バンク等の方法によっ
て生成した水素シルセスキオキサン樹脂、ドデカメチル
シクロヘキサシラン及び触媒(表1で規定する量)を、
攪拌しながら溶解し、透明な非ゲル化溶液を作った。
【0033】この溶液を1インチ四方のシリコンウェー
ハに塗布し、次いで3000rpmで35秒間スピンした。前記
デバイスを、表1に示す温度及び時間で、窒素雰囲気の
2インチリンドバーグ炉(Lindberg Furnace)内で加熱
した。UV光を使用する場合は、UV反応器で450ワットの
キャンラッド−ハノーヴィア媒質圧力光化学ランプ(Ca
nrad-Hanovia medium pressure photochemical lamp)
を用いてUV光を発生した。熱分解の前後にフーリエ交換
赤外線分光法(FTIR)によるスペクトルをとり、それら
を比較して反応したSiHの量を決定した。
【0034】例1−6は、溶液中の触媒の量を変えたと
きの影響を示す。触媒の量を増加するとSiHの転化量が
増加することに注目されたい。例7及び8は、シクロヘ
キサシラン及び触媒の量の増加がSiHの転化を増すこと
を示す。例9−11は、対照例であって、シクロヘキサシ
ラン(9)及びシクロヘキサシランと触媒(11)の除去
によってSiHの転化が減ることを示す。例12-13は、触媒
の除去によってSiHの転化が減ることを示す。例14-17
は、温度を下げるとSiHの転化が減ることを示す。例18-
21は、熱分解環境にUV光を照射するとSiHの転化が増加
することを示す。
【0035】
【表1】

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミック塗膜を基板上に形成する方法で
    あって、 水素シルセスキオキサン樹脂、揮発性SiH化合物を形成
    するSi-Si結合を含有する材料及び白金触媒及び銅触媒
    から成る群から選ばれる触媒を含むプレセラミック塗料
    を塗布する工程;及び 前記プレセラミック塗料を不活性雰囲気中においてセラ
    ミック化に十分な温度で熱分解する工程から成ることを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項2】前記塗料を紫外線光の照射下で約200℃乃
    至約1000℃の範囲の温度に加熱することによってセラミ
    ック化する請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】溶剤、水素シルセスキオキサン樹脂、揮発
    性SiH化合物を形成するSi-Si結合を含有する材料及び白
    金触媒及び銅触媒から成る群から選ばれる触媒を含むプ
    レセラミック塗料。
JP4800008A 1991-04-22 1992-04-22 セラミック塗料及びその塗膜形成方法 Expired - Lifetime JPH0832855B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/688,233 US5445894A (en) 1991-04-22 1991-04-22 Ceramic coatings
US688233 1991-04-22
US07/688233 1991-04-22

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JPH06322318A JPH06322318A (ja) 1994-11-22
JPH0832855B2 true JPH0832855B2 (ja) 1996-03-29

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JP4800008A Expired - Lifetime JPH0832855B2 (ja) 1991-04-22 1992-04-22 セラミック塗料及びその塗膜形成方法

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