JPS60147441A - ポリアミック酸共重合体の作製方法 - Google Patents

ポリアミック酸共重合体の作製方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は硬化によってポリイミドを生じる、半導体装置
の製造に特に適したポリアミン酸(以下”p、a、と略
す)共重合体系に係る。
[従来技術] □以下に於いて用いる略語を定義する。
Tgニガラス遷移温度 PMDA:無水ピロメリト酸(ピロメリト酸ジ無水物) ODPA:無水オキシシフタル酸(オキシシフタル酸ジ
無水物) Of)Aニオキシジアニリン p、a、となる様にPMDA及びODAを反応させ、こ
の反応物を所望のポリイミドを生じる様に硬化させる事
によってポリイミドを形成し、これを例えばSAMOS
デバイ□スに於けるパッシベーション用誘電体として用
いうる事は公知である。
これについては例えばI B M Journal o
fResearch and Development
 24.268−282 (1980)を参照されたい
。本発明の共重合体系は半導体デバイスに於いて並びに
公知のメタライズド・セラミック基板と組合せて用いる
事ができる。
上記のタイプのポリイミドは良好な誘電特性、熱的安定
性及び加熱の際の改善された強度等によって特徴付けら
れる。
[発明が解決しよう゛とする問題点] 上記従来のポリイミドはポリイミド同志の付着力及び金
属化した表面に対する付着力が脆弱であつた。また、そ
の様なポリイミドはポリアミン酸(p、a、)溶液の形
態にある場合の粘度特性が不安定であって、ウェハの表
面の様な所望の電子デバイスの表面への塗布が複雑にな
った。さらに熱で硬化させたPMDA−0,1)A重合
体は明確な’rgを呈さない。
従って、本発明の目的は成分比を変える事によってTg
を制御可能な状態で容易に変動させうるポリイミドを形
成するp、a、共重合体を提供する事にある。
本発明の他の目的は改善された処理性、信頼度及び付着
力と共に秀れた電気的、熱的安定性を呈する改良された
ポリイミド・パッシベーション誘電体を提供する事にあ
る。
本発明の更に他の目的は、他のポリイミド層との界面に
於ける改良された貫入特性( interpenetration )を呈する熱的に
安定なポリイミドを提供し、これによって界面境界(i
nterfacial boundaries)を最小
にし、界面の応力及び欠陥を無くす事にある。
本発明の他の目的は粘度の安定性が改善されたp、a、
共重合体溶液を提供する事である。
[問題点を解決するための手段] 本発明はモル%で約5%ないし45%のピロメリト酸ジ
無水物、約5%ないし45%のオキシシフタル酸ジ無水
物及び約50%のオキシジアニリンよりなる、約375
℃ないし270℃のガラス遷移温度を呈するポリイミド
を形成するポリアミン酸の共重合体を提供する。
本発明の共重合体は10ないし90%の以下に示す式A
の反復ユニツ1−及び90ないし10%の弐Bの反復ユ
ニットを含む。
0 () B O。
0 [実施例] 本発明は特定の半導体応用分野に用いられる様調整しう
るp、a、共重合体/ポリイミド共重合体を提供する。
このp、a、共重合体/ポリイミド共重合体は、明確な
Tgを有しないものに明確なポリイミドTgを与える前
駆物質p、a、形成無水物の共重合によって生じる明確
且つ再現可能な状態で調整できる]gによって特徴付け
られる。例えば、熱的に硬化されたPMDA−ODA共
重合体は明確なTgを有しないが、0DPA−ODAポ
リイミド共重合体は約270℃のTgを有する。45:
5=50ないし25:25:50のI) M D A 
−0DPA−ODAのモル・パーセント比を有する共重
合体p、a、は約?75℃ないし300℃の範囲を越す
Tgを有するポリイミドを生じる。
OPAの量は約50%にセットされる。この様にセット
する理由はPMDA及びOD I) Aを相関させ、化
学量論的なp、a、の形成のための基準を提供するため
である。
本発明に用いるp、a、共重合体の独特な特性の1つは
、P M D A −01) A 41合体に少11(
のCN)PA(例えば約5モル・パーセント)しか加え
なくてもP M D A = OI) A溶液に見られ
た粘度の不安定性をなくす事ができる事である。
理論的には本発明の共重合体としてはブロック共重合体
もしくは共重合体混合体を用いる事ができるが、特に半
導体の製造に整合された均質且つ安定な重合体系を提供
する様に含まれる材料の最も望ましい物理的特性を得る
のにランダム共重合体が最適である事が見出された。し
かしながら、この事はデバイスの製造にブロック共重合
体もしくは共重合体混合物を用いる事を排除するもので
はない。
本発明のp、a、共重合体は溶剤に於いて所望のモル当
量のODAを含む溶液に対して均一な総モル比の混合し
たP M、D A −OD P Aを添加する事によっ
て調製される。溶剤は狭い範囲に限定されない。Nメチ
ル・ピロリドン(NMI))、ジメチル・アゼドアミド
(DMAC) 、ジメチル・ポルムアミド(DMF)、
ジメチル・スルホキシド(DM S O)あるいは種々
の通常の炭化水素溶剤を伴うそれらの溶剤の混合体の様
な多数の溶剤または溶剤の混合物を用いる事ができる。
p、a、共重合体は典型例として通常の周囲圧力に於い
て約12ないし24時間にわたって室温の下で形成され
る。これらの条件は制限的ではなく、自由に変える事が
できる。そして大気圧より低いか、あるいは高い圧力も
また有用であると考えられる。
この様にして得られるp、a、共重合体溶液の固体成分
比はそれ程重要ではないが、塗布を容易にするためには
、溶液重量に対して約2.3重量%ないし30重合%の
固体である事が好ましい。
次に得られたp、a、共重合体溶液を熱処理、触媒処理
などによって硬化させる。
最終的な共ポリイミドはp、a、以外の中間物例えばポ
リアミド・エステル、ポリアミド・アミド等を処理する
ことによって形成する事も可能である。加熱硬化は例え
ば約10ないし30分間約120ないし160’Cに加
熱し、続いて約10ないし60分間約200ないし35
0 ℃に加熱する事によって行うことが出来る。典型的
な触媒硬の例として無水酢酸−ピリジン系に於ける脱水
がある。
こはく色の粘性の材料であるp、+1.共重合体溶液は
この様にして硬化されて上記の特性を呈する所望のポリ
イミドとなる。
本発明のp、a、共重合体溶液の最終的な硬化によって
デバイスの積層体が溶融し、安定化して界面境界(in
terfacial bound;1ries)が最も
少ない固い構造体となる。応力が緩和され、最終生成物
の品質及び信頼度が改善される。
本発明の共重合体を形成するための原料及び比較材料は
市販されているものを用いてもあるいは通常の方法で合
成されてもよい。
ピロメトリ酸ジ無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン
酸ジ無水物及び4.4′−オキシジアニリンを使用前に
2度昇華させた。
オキシシフタル ジ価水物の調製 スデスju 3.3′、4.4′−テ1〜ラメチルジフ
ェニル・エーテルの調製 加熱手段、磁気攪拌手段、温度計 及び還流凝縮器を備えたIQ入りの 三首フラスコに122g (1,00 モル)の3.4−ジメチルフェノー ル及び57g (1,01モ/L/)(7)KOHを入
れた。混合体を15分間約 140℃に加熱し、フェノールを解 かし、カリウム塩の溶液を作った。
混合体を100℃に冷却し、185 g (1,C)モル’、135mfl ) (7)4ブ
ロム−0−キシレン(Aldrich社、25%の3ブ
ロム−O−キシレンを 含量)及び0.5gの銅の微粉を添 加した。混合体を1.5時間還流さ せた。還流凝縮器を蒸留頭部を有す る40craのVigreaux columnに置き
換えた。水及びブロムキシレンの澗 合体を、ポット温度が220℃に達 するまで蒸留した。反応混合体を冷 却し、800mQのIM、KOH水 溶液にそそぎ込み、濾過し、2部の 50011IQのC112CQ 、を用いて抽出を行っ
た。CH□CQ2をフラッシュ蒸発によって除去し、生
成体を2段階 で蒸留した。80−11.0℃712 側からの沸とう分はほとんどブロム キシレンであった。エーテル沸とう 分は120−16Q℃/ 1. 、511111から生
じ、蒸留の際に結晶化し155 g (68,5%)のテトラメチルジ フェニル・エーテルを生じた。
ステップ2)3.3′、4.4′−オキシシフタル酸の
調製 3つの水凝縮器、大型の磁気攪拌 手段、加熱手段を備えた2Qの反応 容器に72g (0,318モル)の テトラメチルジフェニル・ニー−rJLiを入れた。a
oomAのピリジンと 200IIIQの水を加えた。混合物を還流させた。2
00g (1,27モ ル)のK M n O4を少量の水と共に凝縮器に沿っ
て流下させた。
過マンガン酸変色(discoloration)後、
溶液を冷却し、MnO2を真空濾 過した。溶剤をフラッシュ蒸発させ、 再循環させた。溶液の全体積を25 0+lとした。残留物をIQの5% N a OHに於いて溶解し、還流させるべく加熱し、
200gのK M n O4を用いて酸化した。添加が
完すした 時点で溶液を30分間還流させ、数 IIIQのエタノールで変色させ、冷却しそして再濾過
した。濾過物を濃H CQでp H1まで酸性化し、冷却し、沈殿した酸を濾
過によって収集し、 2冷水で洗った。この沈殿物(約
70 g)をIQの湯に於いて懸濁させ、 1時間90℃に於いて然成させ、冷 却し、再濾過し、デシケータに於い て真空の下で乾燥させる事によって 67g (0,19モル、60%)の 酸を得た。
ステップ3)オキシシフタル酸ジ無水物の調製133g
の乾燥した酸を250m12 の無水酢酸に於いて懸濁させ、混合 体を4時間還流した。この時点に於 いて、約200InQの液体が蒸留さ れ、残留固体を回転蒸発器に於いて 乾燥させた。乾燥した固体をアセト ンに溶解し、活性炭で処理し、濾過 し、アセトンをフラッシュ蒸発させ た。残留する無水物を226℃に於 いて溶融した。
重合体及び共重合体の調製 NMPもしくは体積比80:20のM N I) −3
olvesso 100 (Cm E、 Bradle
y Labs、の製品)のいずれかに重量比16ないし
20 ’X、の固体の溶液として重合体及び共重合体を
調製した。これらの溶液は磁気攪拌手段もしくはロール
・ミルを用いて溶剤に適量の昇華4.4′−オキシジア
ニリンを溶解し、モル当量の適当な無水物混合体を固体
として添加する事によって調製された。無水物の溶解が
完了するまでその溶液を混合した(約16時間)。
この様にして、例えば共重合体Eが28711IQのM
NPに27.’7137g (0,13840モル)の
オキシジアニリンを溶解する事によって形成された。溶
解が完了した時に、18.1155g (0,0830
4モル)のピロメリト酸ジ無水物及び17.1707g
 (0,055360モル)のオキシシフタル酸ジ無水
物を添加し、その懸濁液を室温に於いて一昼夜混合した
。この溶液の粘度は25℃に於いて21日間47ストー
クス±2であった。他の重合体及び共重合体も同様の方
法で調整した。
倒− 複数のp、a、重合体及びランダム共重合体(以下単に
重合体と云う事がある)を、広い範囲の混合した無水物
の比によって調製した。
均質な全モル比の混合したI) M +)Δ−01−)
 I) A無水物をNMPに於けるモル当量のODAを
含む溶液に添加する事によって共重合体を調製した。
本発明の共重合体を作る場合、1:Iに近い無水物−ア
ミン化学量論比を維持する事が望ましい。
さもないと、粘度の差異が生じる事がある。
混合した無水物は10%ないし90%の01) PAの
10%モル増分に於いて形成した。共−1【合体及び重
合体は20%固体の溶液として調1112 L/た。
各形成工程に於いて、所望のポリイミドを生じる様に後
述の条件でもって加熱硬化させたこはく色の粘性の材料
を生じた。次の表に於いて一連の共重合体の概要を示す
。全てのモル%値は全無水物に関する値であって、よっ
て10%OD IJ A値は5モル%0DPA、45モ
ル%I) M D A並びに50モル%ODAを含む共
重合体に対応する事を理解されたい。
表 1 重合体 モル%PMDA モル%○DPA Tg(20
0℃まで硬化後)A 100 0 390℃ 8、 90 10 375 0 80 m20 355 D 70 m30 340 E 60 m40 320 F 50 m50 302 G 40 60 302(192β) H3070294(192β) I 20 80 267 (192β)J 10 90
 272(200β) K O100270(196β) *好ましい値 j。
退ニー4 A 9.9 1.0 0.3 0.E;B 9.9 0
.8 0.3 1.0 G 12.5 0.5 0.2 0.8D 9.2 0
.5 0.2 1.5 E 9.8 1.0 1.8 0.2 1.6F 9.
2 0.4 1.3 0.2 1.9K 10.4 0
.5 0.8 E;、:3表3 (重合体フィルムの引張力特性) A 28K 60 G 25 K 55 0 22K 57 F、 25 K 80 F 14K 20 (薄膜) K 20K 65 個−ユ失 A〜90℃秀 D〜100℃秀 E〜115℃秀 F〜125℃秀 上記の表に於いて共重合体B −、Jが本発明の範囲内
の共重合体であって、重合体A及びKはその範囲外のも
のである。
上記材料の各々を2時間ガラスウール(ガラス綿)の上
で200℃で硬化させた後に゛1゛1ζ温度について評
価した。この方法はTg値の分析が容易な実験室的な技
法である。この]゛g分析はダイナミック・メカニカル
分析法(DMA)を用いて25℃ないし500℃の温度
範囲で行った。
その結果を上の表及び図面のグラフに示す。更に上の表
には重合体A及びKに関するデータと共に、本発明の共
重合体の熱重量 (thermogravametric)安定度値、本
発明のいくつかの共重合体フィルムの引張力特性並びに
ギャップ充填に関する共重合体の評価及び本発明のいく
つかの共重合体に関する分極温度が示されている。
生成されたポリイミド重合体及び共重合体のサンプルは
Tgの安定度をモニタする際に25℃ないし400℃の
範囲で温度を@環させた。これらの分析結果を以下に於
いて説明する。
重合体Aについては、200℃まで硬化させると、この
ポリイミドは390℃に於いてTgを呈した。しかしな
がら、重合体Aのサンプルを25℃まで冷却し、再び4
00℃まで加熱した場合、Tgは消失した。この現象は
重合体の交差結合に!Lrb゛6° 。
10ないし50%の0DPAを含む共重合体は単一のT
gを呈するが、Tgは添加された0DPAの量に比例す
る事、Tgは390℃ないし302℃の範囲にわたって
変動しうる事並びにこの範囲に於いてはTg対組成%の
グラフが線形である事等が見出された。
25℃ないし400℃の温度サイクルに於いて、この一
群の重合体及び共重合体の温度安定度もまた注目に値す
る。何故ならば、その重合体及び共重合体を次の3つの
サブグループに分ヲxjする111ができるからである
(1)PMDAのみもしくは10%のOD i) Aを
含む重合体:とれらの材料は上記の様な加熱サイクルに
於いて変化し、最初に示したTg (375℃ないし3
90℃)が消失する。このシフトは高温に於いて生じる
(2)20ないし30モル%のOD I) Aを含む重
合体:上述の様な加熱サイクルが用いられる場合も、こ
れら重合体が最初に呈した′1゛gを保持する。
(3)40ないし50モル%のOD 1+ Aを含む重
合体:この重合体は上述の様な加熱サイクルに於いてT
gの上昇シフ1〜を呈する。25℃ないし400℃を5
サイクル行なう事によって、初期のTgよりも+30℃
Tg値がシフトする。
50%0DPAレベルより」二では0DPAのパーセン
1−とTgの間の線形性が変化する。60ないし70%
の0DPAを含有する重合体の場合、2つの遷移がある
。1つは約190℃に於けるもの(β遷移)であり、他
は302℃及び294℃の間のものである。前述の加熱
サイクルを行なう場合、両者の遷移は消え、これは重合
体の網状構造(network)に劇的な再配列が生じ
た事を示唆する。
80ないし100%のOD ’P Aを含む重合体も2
つの遷移を示す。1つは約200℃に於けるもの、他は
270℃に於けるものであって、再加熱されると、下方
の遷移が消え、270℃のTgは増強される。
以上のデータは成る範囲のTg安定度が存在する事並び
にこの範囲が半導体プロセスに有用な範囲である事を明
確にした。
Tgが約300℃ないし350℃の範囲の20ないし5
0%の0DPAを含む重合体CないしFは、’rgが混
和性及び接着親和性を改善する事からして、本発明に於
いて最も好ましい重合体である。
BTDA−PMDA−ODA共重合体もまた無水物の組
成パーセントに対するTgの線形変動を呈した。図示し
たグラフ2の勾配はOI) P A共重合体を用いる場
合のグラフ1よりも当らかに小さい。0DPA共重合体
はより高いOD P A濃度領域に於いては非線形にな
り、B T D A Jl、il’(合体はより低いB
TDA濃度に於いて′rgに於ける逸脱状態を呈した。
−p、a、重合体及び共重合体の溶液の粘度の安定性に
ついて調整した。その結果、重合体へと0DPAを含有
する重合体との間に劇的な差が見出された。重合体Aの
溶液の場合、成る期間にわたって最小値まで粘度が低下
したのち上昇した。こ゛の事は明らかに製造上の問題を
生じる。何故ならば、この粘度の降下によって、均一な
数置を制御するための塗布パラメータが変化するからで
ある。
重合体A、C,D、E及びFから溶液を作り、これらの
溶液をCannon Fen5ke Vjscosit
y法を用いて104日間モニタした。重合体Aは25℃
に於いて2週間で50%以上の粘度低下を呈した。
−右型合体C,D、E及びFは急速な粘度の低下に続い
て、より長い期間(2−4週間)粘度の安定を示した。
粘度安定期間の長さは粘度それ自体によって変動した。
即ちより低粘度の溶液がより長期間の安定度を呈した。
この相違点は系に於ける優先的イミド化(prefer
ential 1m1dization)の結果ではな
い。
熱重量分析(thermogravametric a
nalysis ” TGA)於いて重合体BないしF
は重合体Aに類似した熱的特性を呈した。すなわち半導
体デバイスの製造に不可欠である重合体Aの秀れた熱的
安定性を呈した。
本発明の共重合体は秀れた半導体用の誘電体で 1あり
、良好な熱的安定性を有する。TGAを種々の共重合体
について実施した。そのデータを表2に示す。p、a、
溶液の複数のサンプルを200℃まで硬化処理した。窒
素雰囲気に於いてサンプルを所定の時間増分について種
々の温度に維持した。分解を質量損失(%)として示し
、重合体へに類似した市販の重合体と比較した。データ
によると、0DPAが50%まで含まれる共重合体は4
50℃までは重合体Aに対応する市販の重合体との差は
小さい。500℃に於いては、より多量の0DPA (
60−90%)を含有する重合体に於いて、分解の僅少
な増加(1−2%)が児らJi。
た。重合体K c−i−1時間後指当量の分子Wを示し
た。
600℃に於いては全ての系に於いて相当Ji1、の分
解が生じた。データによると、450℃以下では熱的効
果は見られなかった。よって、本発明の共重合体は従来
技術に於いて通常用いられる様な処理温度に於いて高度
に安定である事が分った。
本発明の共重合体のいくつかについてブランケット被覆
品質テスト及び電気的分極テストを行った。その結果を
表4に示す。
テストした3つの共重合体は重合体へに対応する市販の
重合体と同等もしくはより秀れたブランケット被覆性を
一呈した。
テストした全ての共重合体の電気的分極温度は共重合体
Aに相当する市販の重合体よりも相当良好(より高い)
ものであった。表4に示す分極温度は±5ボルトの平衝
工/■ループの相当な歪曲が生じたおよその温度を示す
。その温度が高ければ高い程、その材料が相対的分極に
関してより良好な材料である事を示す。
本発明の共重合体のいくつかを通常の方法で引張力及び
破壊時の伸びについてテストした。そのデータを表3に
示す。このデータによると、本発明の共重合体は重合体
Aに相極する市販の重合体と極めて類似した特性を示す
事が分った。
[発明の効果コ 本発明によって付着力の大きい秀れた電気的、熱的安定
性を呈する改良された、特に半導体デバイスの製造に用
いるパッシベーション層に適した材料が提供される。
【図面の簡単な説明】
図はPMDA共重合体−無水物混合体に於ける0DPA
 (もしくはBTDA)のモル%刻共重合体のガラス遷
移温度Tgに関するグラフである。 1・・・・l) M l) A −01) 1.)Δ−
01〕Δ系のグラフ、2・・・・PMDA−BTDA−
ODA系のグラフ。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人 弁理士 岡 III 次 生 (外1名)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. モル・パーセントで5%ないし45%の無水ピロメリト
    酸と、5%ないし45%の無水オキシジブタル酸と、5
    0%のオキシジアニリンとを含有するポリアミン酸共重
    合体。
JP59243549A 1983-12-30 1984-11-20 ポリアミック酸共重合体の作製方法 Granted JPS60147441A (ja)

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US06/566,933 US4590258A (en) 1983-12-30 1983-12-30 Polyamic acid copolymer system for improved semiconductor manufacturing
US566933 1990-08-13

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JPH0130853B2 JPH0130853B2 (ja) 1989-06-22

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