KR980012540A - Low Volatile Solvent Substrate Method for Forming Thin Film Nanoporous Aerogel on Li-Semiconductor Substrate - Google Patents

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KR980012540A KR1019960054714A KR19960054714A KR980012540A KR 980012540 A KR980012540 A KR 980012540A KR 1019960054714 A KR1019960054714 A KR 1019960054714A KR 19960054714 A KR19960054714 A KR 19960054714A KR 980012540 A KR980012540 A KR 980012540A
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테레사 라모스
더글라스 엠 스미스
그레고리 피. 존스톤
윌리엄 씨. 에커만
싱-푸 젱
부르스 이. 네이드
리차드 에이 시톨쯔
알로그 마스카라
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추후보충
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Abstract

본 발명은 신규의 간단한 박막 나노 다공성 유전체 제조 방법을 가능하게 한다. 일반적으로, 본 발명은 용매로서 글리세롤 또는 다른 저휘발성 화합물을 사용한다. 본 발명의 신규 방법은 건조 전에 임계 건조, 동결 건조 또는 표면 개질 단계 없이 박막 에어로겔/저밀도 크세노겔의 제조를 허용한다. 종래 기술의 에어로겔은 건조 동안에 공극이 실질적으로 붕괴되는 것을 방지하기 위하여 상기 단계들 중 적어도 하나를 필요로 하였다. 그러므로, 본 발명은 개별 표면 개질 단계 없이도 실온 및 대기압에서 나노 다공성 유전체의 제조를 허용한다. 일반적으로, 본 발명의 신규 방법은 대부분의 종래 기술 에어로겔 기술과 양립한다. 본 발명의 신규 방법은 건조 동안에 공극의 실질적인 붕괴 없이 에어로겔의 제조를 허용하지만, 노화 및(또는) 건조 동안에 약간의 영구 수축이 존재할 수 있다. 본 발명은 대기 조절 없이 침착, 겔화, 노화 및 건조된 박막 에어로겔의 다공도 조절을 허용한다. 다른 국면으로, 본 발명은 노화 챔버 부피의 제한과 같은 단지 소극적인 대기 조절에 의하여, 침착, 겔화, 승온에서의 급속 노화 및 건조된 박막 나노 다공성 에어로겔의 다공도의 조절을 허용한다.The present invention enables a novel simple thin film nanoporous dielectric manufacturing method. In general, the present invention uses glycerol or other low volatility compounds as solvents. The novel process of the present invention allows for the preparation of thin film aerogels / low density xenogels without critical drying, freeze drying or surface modification steps prior to drying. Prior art aerogels required at least one of the above steps to prevent the voids from substantially collapse during drying. Therefore, the present invention allows for the fabrication of nanoporous dielectrics at room temperature and atmospheric pressure without separate surface modification steps. In general, the novel method of the present invention is compatible with most prior art airgel techniques. The novel process of the present invention allows the preparation of aerogels without substantial collapse of voids during drying, but there may be some permanent shrinkage during aging and / or drying. The present invention allows for porosity control of thin film aerogels deposited, gelled, aged and dried without atmospheric control. In another aspect, the present invention allows the control of porosity of deposited, gelled, rapid aging at elevated temperatures and dried thin film nanoporous aerogels by only passive atmospheric control, such as limitation of the aging chamber volume.

Description

리반도체 기판 위에 박막 나노 다공성 에어로겔을 형성하기 위한 저휘발성 용매 기재의 방법Low Volatile Solvent Substrate Method for Forming Thin Film Nanoporous Aerogel on Li-Semiconductor Substrate

제1도는 포화비 및 용매 형태에 대한 증발 속도의 변동을 나타내는 그래프.1 is a graph showing variation in evaporation rate with respect to saturation ratio and solvent form.

제2도는 온도 및 대기 포화비의 함수로서 글리세롤에 대한 증발 속도를 나타내는 그래프2 is a graph showing evaporation rates for glycerol as a function of temperature and atmospheric saturation ratio

제3도는 나노 다공성 실리카 유전체에 대한 다공도, 굴절률 및 유전 상수의 이론적 관계를 나타내는 그래프.3 is a graph showing the theoretical relationship between porosity, refractive index and dielectric constant for nanoporous silica dielectric.

제4도는 기재 촉매의 함수로서 벌크 에틸렌 글리콜 기재의 겔에 대한 (용매 증발이 없는) 겔화 시간의 변화를 나타내는 그래프.4 is a graph showing the change in gelation time (without solvent evaporation) for a bulk ethylene glycol based gel as a function of the substrate catalyst.

제5도는 비글리콜 기재의 겔 및 에틸렌 글리콜 기재의 겔에 있어서 밀도에 대한 모듈러스 변동을 나타내는 그래프.5 is a graph showing modulus variation with respect to density in non-glycol based gels and ethylene glycol based gels.

제6도는 본 발명에 따른 벌크 글리세롤 기재의 나노 다공성(nanoporous) 유전체의 공극 크기의 분포를 나타내는 그래프.6 is a graph showing the distribution of pore sizes of the bulk glycerol based nanoporous dielectrics according to the present invention.

제7도는 온도 및 대기 포화비의 함수로서 에틸렌 글리콜에 대한 증발 속도를 나타내는 그래프7 is a graph showing evaporation rates for ethylene glycol as a function of temperature and atmospheric saturation ratio

제8도는 온도에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프.8 is a graph showing the change in vapor pressure with temperature.

제9도는 5 ㎜ 두께의 용기 중에서 건조될 경우의 박막 수축을 나타내는 그래프.9 is a graph showing thin film shrinkage when dried in a 5 mm thick container.

제10도는 1 ㎜ 두께의 용기 중에서 건조될 경우의 박막 수축을 나타내는 그래프10 is a graph showing shrinkage of a thin film when dried in a 1 mm thick container.

제11a도 및 11b는 일부 에틸렌 글리콜/알코올 및 글리세롤/알코올 혼합물에 대한 알코올 부피 분율의 함수로서 점도 변동을 나타내는 그래프.11A and 11B are graphs showing viscosity variation as a function of alcohol volume fraction for some ethylene glycol / alcohol and glycerol / alcohol mixtures.

제12a도 및 12b는 본 발명에 따라 박막을 침착시키는 동안 일부 시점에서의 반도체 기판의 단면도.12A and 12B are cross-sectional views of a semiconductor substrate at some point during the deposition of a thin film in accordance with the present invention.

제13도는 본 발명에 따른 나노 다공성 유전체에 대한 팀탁 과정을 나타내는 플로우 챠트.Figure 13 is a flow chart showing the teaming process for the nanoporous dielectric according to the present invention.

제14도는 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 이론적 몰비 대 본 발명에 따른 나노 다공성 유전체의 다공도를 나타내는 그래프.14 is a graph showing the theoretical molar ratio of glycerol molecules to metal atoms versus the porosity of nanoporous dielectrics according to the present invention.

제15도는 본 발명의 하나의 실시 태양에 대한 시간의 함수로서 상대 막 두께 및 상대 막 다공도를 나타내는 그래프.15 is a graph showing relative film thickness and relative film porosity as a function of time for one embodiment of the present invention.

제16a도 및 16b는 각각 본 발명에 따른 졸-겔 박막 제조 장치의 단면도 및 부분 축소도.16A and 16B are sectional views and partial reduction views of the sol-gel thin film manufacturing apparatus according to the present invention, respectively.

제16c도는 기판과 접촉되어 있는 상기 장치의 단면도.16C is a cross sectional view of the device in contact with a substrate.

제17a도 및 17b는 각각 기판이 없는 본 발명에 따른 디른 장치의 단면노 및 기판이 포함된 장치의 단면도.17A and 17B are cross-sectional views of a device incorporating a substrate and a cross section of a dyne device according to the present invention without a substrate, respectively.

제18a도 릿 18b는 각각 기관이 없는 본 발명에 따른 또다른 장치의 단면도 및 기판이 포함된 장치의 딘면도.Figure 18a 18b shows a cross-sectional view of another device according to the invention, each without an engine, and a sectional view of the device with a substrate.

제 l9a, 19b 도및 19c는 본 발명의 다른 국면들을 예시하는, 추가 장치 배열의 단면도.19a, 19b and 19c illustrate cross-sectional views of additional device arrangements illustrating other aspects of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 반도체 기판 12 : 도체10 semiconductor substrate 12 conductor

13 : 갭 14 : 졸 박막13: gap 14: sol thin film

18 : 막 20 : 본체18: membrane 20: body

22 : 판 24 : 붕합부22 plate 24: condensation unit

26 : 기판 28 :기판 표면26 substrate 28 substrate surface

30 : 챔버 표면 32 : 챔버30: chamber surface 32: chamber

34, 38 : 온도 조절 수단 36 : 홀더34, 38: temperature control means 36: holder

40 : 제1 용매 공급관 42 : 제1 용매층40: first solvent supply pipe 42: first solvent layer

44 : 대기 조절 수단 46 :포트44: atmospheric control means 46: port

[발명의 목적][Purpose of invention]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술][Technical Field to which the Invention belongs and Prior Art in the Field]

본 발명은 일반적으로 나노 다공성 유전체의 에어로겔 박막 제조에 적합한 침착 방법을 포함하여, 반도체 기판 상에 박막 나노 다공성 에어로겔을 형성하기 위한 전구체 및 침착 방법에 관한 것이다.The present invention generally relates to precursors and deposition methods for forming thin film nanoporous airgels on semiconductor substrates, including deposition methods suitable for the production of airgel thin films of nanoporous dielectrics.

에어로겔은 막(예, 반도체 소자 상의 전기 절연체 또는 광학 코팅)으로써 또는 벌크(예, 열 절연체) 형태를 포함하는 각종 목적에 사용될 수 있는 다공성 실리카 재료이다. 토론의 용이성을 위하여, 본 명세서의 실예는 주로 반도체 소자 상의 전기 절연체로서의 용도일 것이다.Aerogels are porous silica materials that can be used for a variety of purposes, including as membranes (eg, electrical insulators or optical coatings on semiconductor devices) or in bulk (eg, thermal insulator) forms. For ease of discussion, examples herein will primarily be for use as electrical insulators on semiconductor devices.

반도체는 컴퓨터 및 텔레비젼과 같은 전자 소자를 위한 집적 회로에 광범위하게 사용된다. 반도체 및 전자공학 뿐만 아니라 최종 사용자는 전력을 적게 소모하면서 더 적은 시간 내에 더 작은 패키지로 달성될 수 있는 집적 회로를 필요로 한다. 그러나, 이러한 요구들 중 많은 것들은 서로 상반된다. 예를 들면, 소정의 회로 상에서 0.5 미크론으로부터 0.25 미크론으로의 최소 배선폭의 단순 수축은 에너지 사용량 및 열 발생율을 30%까지 증가시킬 수 있다. 소형화도 또한 일반적으로는 칩을 통하여 신호를 운반하는 도체 사이에 정전 결합 또는 누화를 증가시킨다. 이들 효과는 모두 달성가능한 속도를 제한하며 적합한 소자 작동을 확보하는데 사용되는 노이즈 마진을 감소시킨다. 에너지 사용량/열 발생율 및 누화 효과를 감소시키기 위한 한 방법은 절연체, 또는 도체를 분리하는 유전체의 유전 상수를 감소시키는 것이다. 미국 특허 제5,470,802호[Gnade 등에게 특허 허여됨]는 이러한 일부 반응식에 대한 배경을 제공한다.Semiconductors are widely used in integrated circuits for electronic devices such as computers and televisions. In addition to semiconductors and electronics, end users require integrated circuits that can be achieved in smaller packages in less time with less power. However, many of these requirements are contrary to each other. For example, a simple shrinkage of the minimum wiring width from 0.5 microns to 0.25 microns on a given circuit can increase energy usage and heat generation rate by 30%. Miniaturization also generally increases electrostatic coupling or crosstalk between conductors carrying signals through the chip. Both of these effects limit the speed attainable and reduce the noise margin used to ensure proper device operation. One way to reduce energy usage / heat generation and crosstalk effects is to reduce the dielectric constant of the insulator, or the dielectric separating the conductor. U.S. Patent 5,470,802, issued to Gnade et al., Provides a background for some of these schemes.

일군의 재료, 나노 다공성 유전체에는 가장 유망한 반도체 제조용 신규 재료 중 일부가 포함된다. 이러한 유전체 재료에는 고체 구조, 예를 들면 전형적으로 직경이 수나노미터 정도의 공극들이 상호 연결된 네트워크에 침투되는 실리카가 포함된다. 이러한 재료는 전형적으로 조밀 실리카의 유전 상수의 반 미만의 유전 상수를 갖는 극도로 높은 다공도로 형성될 수 있다. 그러나, 이들의 다공도가 높음에도 불구하고, 대부분의 존재하는 반도체 제조 공정으로 고강도 및 뛰어난 상용성을 갖는 나노 다공성 유전체를 제조할 수 있음을 발견하였다. 그러므로, 나노 다공성 유전체는 조밀 실리카와 같은 통상의 반도체 유전체 대신에 생존성 저유전 상수를 제공한다.A group of materials, nanoporous dielectrics, includes some of the most promising new materials for semiconductor manufacturing. Such dielectric materials include solid structures, such as silica, which typically penetrates a network of pores, typically several nanometers in diameter. Such materials can be formed with extremely high porosities, which typically have a dielectric constant of less than half the dielectric constant of dense silica. However, despite their high porosity, it has been found that nanoporous dielectrics having high strength and excellent compatibility can be produced by most existing semiconductor manufacturing processes. Therefore, nanoporous dielectrics provide a viable low dielectric constant in place of conventional semiconductor dielectrics such as dense silica.

나노 다광성 유전체를 형성하기 위한 바람직한 방법은 졸-겔 기술을 사용하는 것이다. 졸-겔이라 함은 생성물이 아니라 반응 메카니즘을 설명하는 것으로, 여기서 졸이란 액체 중 고체 입자의 콜로이드성 현탁액으로 고체 입자들의 성장 및 상호 연결로 인하여 겔로 변환된다 하나의 이론으로 졸 내에서의 계속된 반응을 통하여 졸 중의 하나 이상의 분자들이 거시적인 차원에 도달하여 그들이 실질적으로 졸 전체를 통하여 연장되는 고체 네트워크를 형성한다는 것이 있다. 이 때(겔화점이라 불림)의 물질을 겔이라 부른다. 이 정의에 의해, 겔은 연속 액체상을 둘러싸는 연속 고체 골격을 함유하는 물질이다. 골격은 다공성이기 때문에, 본 명세서에 사용된 "겔"이라 함은 공극 유체를 둘러싸는 공극 개방된(open-pored) 고체 구조를 의미한다.A preferred method for forming nano multiphoto dielectrics is to use sol-gel techniques. Sol-gel refers to a reaction mechanism, not a product, where a sol is a colloidal suspension of solid particles in a liquid which is converted into a gel due to the growth and interconnection of the solid particles. The reaction allows one or more molecules of the sol to reach the macroscopic level, forming a solid network that extends substantially throughout the sol. The substance at this time (called the gel point) is called the gel. By this definition, a gel is a substance containing a continuous solid skeleton that surrounds a continuous liquid phase. As the backbone is porous, the term "gel" as used herein means a pore open-pored solid structure surrounding the pore fluid.

졸을 형성하는 하나의 방법은 가수 분해 및 축합 반응을 통한 것으로, 이들은 용액 중 다관능성 단량체를 유발하여 비교적 크고 측쇄가 많은 입자로 중합될 수 있다. 이러한 중합에 적합한 많은 단량체들은 금속 알콕사이드이다. 예를 들면 테트라에톡시실란(TEOS) 단량체는 다음 반응식 1에 의해 물 중에서 부분적으로 가수 분해될 수 있다One method of forming the sol is through hydrolysis and condensation reactions, which can cause polyfunctional monomers in solution to polymerize into relatively large, branched particles. Many monomers suitable for this polymerization are metal alkoxides. For example, tetraethoxysilane (TEOS) monomers can be partially hydrolyzed in water by the following Scheme 1

[반응식 1]Scheme 1

반응 조건은 평균적으로 각 단량체가 목적하는 횟수의 가수 분해 반응을 수행하여 단량체를 부분적으로 또는 완전히 가수 분해하도록 조절할 수 있다. 완전히 가수 분해된 TEOS는 Si(OH)4가 된다. 일단 분자가 적어도 부분적으로 가수 분해되었다면, 다음 반응식 2 또는 3과 같이, 2 개의 분자가 축합 반응으로 함께 결합되어 올리고머를 형성하고 물 또는 에탄올 분자를 방출할 수 있다.The reaction conditions can be adjusted so that, on average, each monomer performs the desired number of hydrolysis reactions to partially or completely hydrolyze the monomers. Fully hydrolyzed TEOS becomes Si (OH) 4 . Once the molecules have been at least partially hydrolyzed, two molecules can be joined together in a condensation reaction to form oligomers and release water or ethanol molecules, as in Schemes 2 or 3 below.

[반응식 2]Scheme 2

[반응식 3]Scheme 3

이러한 반응식에 의해 형성된 올리고머 중 Si-0-Si 배열에는 각 말단에서 추가 가수 분해 및 축합 반응에 이용할 수 있는 3개의 부위가 있다. 그러므로, 이러한 분자에 약간 랜덤한 방식으로 추가 단량체 또는 올리고머를 부가하여 실제로 수천개의 단량체로부터 측쇄가 매우 많은 중합체 분자를 생성할 수 있다. 본 명세서에 정의된 올리고머 금속 알콕사이드는 적어도 2 개의 알콕사이드 단량체로부터 형성된 분자를 포함하지만, 겔을 포함하지는 않는다.The Si-0-Si arrangement of the oligomers formed by this scheme has three sites available at each end for further hydrolysis and condensation reactions. Therefore, additional monomers or oligomers can be added to these molecules in a slightly random manner to actually produce polymer molecules with very high side chains from thousands of monomers. Oligomeric metal alkoxides as defined herein include molecules formed from at least two alkoxide monomers, but do not include gels.

졸-겔 반응은 크세노겔(xerogel) 및 에어로겔(aerogel) 막 침착의 기초를 형성한다. 전형적인 박막 크세노겔 제조 방법에 있어서, 겔화되지 않은 전구체 졸을 기판에 코팅(예, 분무 코팅, 침지 코팅 또는 스핀 코팅)하여 두께가 수미크론 또는 그 이하 정도인 박막을 형성하고, 겔화 및 건조시켜 조밀 막을 형성한다. 전구체 졸은 종종 원료 용액 및 용매를 포함하고, 또한 신속한 겔화를 위하여 전구체 졸의 pH를 변형시키는 겔화 촉매를 포함하는 것도 가능하다. 코팅시키는 동안 및 후에, 졸 박막 중의 휘발성 성분은 통상적으로 신속히 증발된다. 그러므로, 침착, 겔화 및 건조 단계는 막이 조밀 막으로 신속하게 붕괴됨에 따라 (적어도 어느 정도는) 동시에 일어날 수 있다. 반대로, 에어로겔 제조 방법은 습윤 겔을 건조시키는 동안에 공극이 붕괴되는 것을 피함으로써 크세노겔 제조 방법과는 상당히 상이하다. 공극 붕괴를 피하는 일부 방법으로는 축합 억제 변형제(Gnade의 '802호 특허 문헌에 기재됨) 및 초임계 공극 유체 추출로 습윤 겔을 처리하는 것이 있다.Sol-gel reactions form the basis of xerogel and aerogel film deposition. In a typical thin film xenogel manufacturing method, an ungelled precursor sol is coated onto a substrate (e.g. spray coating, dip coating or spin coating) to form a thin film of several microns or less, gelled and dried. To form a dense film. The precursor sol often includes a raw material solution and a solvent, and it is also possible to include a gelling catalyst that modifies the pH of the precursor sol for rapid gelation. During and after coating, the volatile components in the sol thin film typically evaporate rapidly. Therefore, the deposition, gelling, and drying steps can occur simultaneously (at least to some extent) as the film rapidly disintegrates into a dense film. In contrast, the airgel preparation method differs considerably from the xenogel preparation method by avoiding the collapse of voids during drying of the wet gel. Some methods to avoid pore collapse include treating the wet gel with condensation inhibiting modifiers (described in Gnade's' 802 patent document) and supercritical pore fluid extraction.

에어로겔과 크세노겔에 있어서, 에어로겔이 반도체 박막 나노 다공성 유전체 적용을 위하여 2번 건조된 겔 재료로서 바람직하다. 전형적인 박막 크세노겔 방법은 제한된 다공도(60% 이상의 큰 공극 크기이지만, 미크론 이하 반도체 제조에 유용한 공극 크기의 실질적으로 50% 미만)를 갖는 막을 형성한다. 일부 종래 기술의 크세노겔은 50%보다 큰 다공도를 갖지만, 이들 종래 기술의 크세노겔은 실질적으로 큰 공극 크기(전형적으로 100 ㎚ 이상)를 갖는다. 이와 같이 공극 크기가 큰 겔은 상당히 작은 기계적 강도를 갖는다. 추가로, 이러한 큰 공극 크기 때문에 미세 회로 상에 작게(전형적으로 1 ㎜ 미만, 및 잠재적으로는 100 ㎚ 미만) 패턴화된 갭을 충전하는데는 부적합하며, 이들의 광학 막 용도를 단지 긴 파장으로 제한한다. 한편, 나노 다공성 에어로겔 박막은 매우 미세한 공극 크기로 결합되어 거의 모든 목적하는 다공도로 형성할 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 나노 다공성 재료는 평균 공극 크기가 직경 약 25 ㎚ 미만이지만, 바람직하게는 20 ㎚ 미만이고 (보다 바람직하게는 10 ㎚ 미만, 특히 보다 바람직하게는 5 ㎚ 미만이다. ) 이러한 방법을 사용하는 많은 제조 방법에서, 반도체 적용을 위한 전형적인 나노 다공성 재료는 평균 공극 크기가 직경 1 ㎚ 이상일 수 있지만, 종종 3 ㎚ 이상이다. 나노 다공성 무기 유전체에는 나노 다공성 금속 옥사이트, 특히 나노 다공성 실리카가 포함된다.For aerogels and xenogels, aerogels are preferred as gel materials dried twice for semiconductor thin film nanoporous dielectric applications. Typical thin film xenogel methods form films with limited porosity (large pore sizes of at least 60%, but substantially less than 50% of pore sizes useful for submicron semiconductor fabrication). Some prior art xenogels have porosities greater than 50%, while these prior art xenogels have substantially large pore sizes (typically over 100 nm). Such large pore size gels have significantly less mechanical strength. In addition, these large pore sizes make them unsuitable for filling small (typically less than 1 mm, and potentially less than 100 nm) patterned gaps on microcircuits, limiting their optical film applications to only long wavelengths. do. On the other hand, the nanoporous airgel thin film can be combined with a very fine pore size to form almost any desired porosity. In general, as used herein, nanoporous materials have an average pore size of less than about 25 nm in diameter, but are preferably less than 20 nm (more preferably less than 10 nm, particularly more preferably less than 5 nm). In many manufacturing methods using this method, typical nanoporous materials for semiconductor applications are often at least 3 nm, although the average pore size can be at least 1 nm in diameter. Nanoporous inorganic dielectrics include nanoporous metal oxites, in particular nanoporous silica.

광학 막으로써 사용되는 또는 미세 전자 공학에 있어서의 에어로겔 및 크세노겔과 같은 많은 나노 다공성 박막 적용에서, 막 두께 및 에어로겔 밀도를 정확히 조절하는 것이 바람직하다. 막의 일부 중요한 특성은 기계적 강도, 공극 크기 및 유전 상수를 포함하여 에어로겔 밀도와 관련되어 있다. 본 발명자들은 에어로겔 밀도 및 막 두께 모두가 기판에 적용될 때의 졸의 점도와 관련이 있다는 것을 발견하였다. 이는 이제까지 확인되지 않았던 문제를 제공한다. 이 문제는 종래 전구체 졸 및 침착 방법에 비해 에어로겔 밀도 및 막 두게를 독립적으로 및 정확히 조절하기가 극도로 어렵다는 것이다.In many nanoporous thin film applications such as aerogels and xenogels used as optical membranes or in microelectronics, it is desirable to precisely control film thickness and aerogel density. Some important properties of the membrane are related to the airgel density, including mechanical strength, pore size and dielectric constant. We have found that both aerogel density and film thickness are related to the viscosity of the sol when applied to the substrate. This presents a problem that has not been identified so far. The problem is that it is extremely difficult to control the airgel density and film thickness independently and accurately compared to conventional precursor sol and deposition methods.

나노 다공성 유전체 박막은 종종 패턴화된 도체의 수준을 넘어 패턴화된 웨이퍼 상에 침착될 수 있다. 본 발명자들은 졸 침착은 상기 도체 사이의 갭이 적합하게 충전되고 겔 표면이 실질적으로 평면으로 유지되도록 겔화 반응의 개시 전에 종결하여야 한다는 것을 알게 되었다. 이 목적을 위하여, 노화시키는 동안과 같이, 겔화 반응 후 공극 유체의 상당한 증발이 일어나지 않는 것이 바람직하다. 불행하게도, 간단한 프로세싱을 위하여 침착 후 가능한 빨리 겔화점에 도달할 필요도 있고, 박막의 고속 겔화를 위한 한 방법은 증발을 허용하는 것이다. 에어로겔 침착에 적합한 전구체 졸은 막 두께, 에어로겔 밀도, 갭 충전 및 평면도의 조절을 허용하여야만 하고, 침착 전에 비교적 안정하여야만 하고, 또한 침착 후 비교적 즉시 겔화되고 실질적인 증발 없이 노화되어야만 한다는 것을 알게 되었다.Nanoporous dielectric thin films can often be deposited on patterned wafers beyond the level of patterned conductors. The inventors have found that sol deposition should be terminated before the initiation of the gelling reaction so that the gap between the conductors is adequately filled and the gel surface remains substantially flat. For this purpose, it is desirable that no significant evaporation of the pore fluid occurs after the gelling reaction, such as during aging. Unfortunately, it is necessary to reach the gel point as soon as possible after deposition for simple processing, and one method for high speed gelling of thin films is to allow evaporation. It has been found that precursor sol suitable for airgel deposition must allow control of film thickness, airgel density, gap filling and top view, must be relatively stable before deposition, and also gelate relatively immediately after deposition and age without substantial evaporation.

본 발명자들은 다용매 전구체 졸로부터 에어로겔 박막의 조절된 침착을 허용하는 방법을 발견하였다. 이 방법에 있어, 졸 점도 및 막 두께는 비교적 독립적으로 조절할 수 있다 이 방법은 막 두께를 용매 비율 및 스핀 조건에 의해 설정될 수 있는 알려진 제1 값으로부터 알려진 제2 값으로 신속하게 변화시킴으로써 에어로겔 밀도는 매우 독립적으로 막 두께를 유지하며 신속 겔화를 허용한다. 그러나, 동시에, 건조시 막에 존재하는 고체:액체 비율 (및 에어로겔 밀도)는 스핀 조건 및 막 두께와 독립적으로 침착 전 전구체 졸에서 정확하게 측정할 수 있다.We have found a method that allows for controlled deposition of aerogel thin films from a multisolvent precursor sol. In this method, the sol viscosity and the film thickness can be controlled relatively independently. This method allows the aerogel density to be changed quickly by changing the film thickness from a known first value to a known second value which can be set by solvent ratio and spin conditions. Very independently maintains film thickness and allows for rapid gelling. At the same time, however, the solid: liquid ratio (and airgel density) present in the film upon drying can be accurately measured in the precursor sol before deposition, independent of spin conditions and film thickness.

침착 문제를 점도 조절 및 밀도 조절의 하부 문제로 새롭게 분리하였을지라도, 본 발명자들은 크세노겔 및 에어로겔 형성을 위한 박막 졸-겔 기술이 일반적으로 대기 조절, 겔화 후 및 노화 동안과 같은 건조 전 증발 제한과 같은 일부 방법을 요구한다는 것을 안다. 일반적으로, 이러한 증발 속도 조절은 용매 증발 농도를 웨이퍼 이상으로 조절하여 달성할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 용매 증발 속도가 증기 농도 및 온도의 조그만 변화에도 매우 민감함을 나타낸다는 것을 안다. 이러한 방법을 더 잘 이해하고자 하는 노력으로, 본 발명자들은 포화 백분율의 함수로서 웨이퍼로부터 일부 용매의 등온 증발을 모델화하였다. 이리한 용매 중 일부에 대한 주변 온도 증발 속도는 도 1에 나타나 있다 프로세싱 문제가 없는 증발을 위하여, 증발 속도 및 프로세싱 시간(바람직하게는 수분 정도)의 곱은 막 두게보다 상당히 작아야만 한다. 이는 에탄올과 같은 용매에 대하여 웨이퍼보다 큰 대기가 99% 이상의 포화율로 유지되어야 한다는 것을 제안한다. 그러나, 대기가 포화 또는 과포화에 도달하는 것과 관련된 문제가 있을 수 있다. 이러한 문제들 중 일부는 박막 상의 대기 구성 성분의 축합과 관련된다. 겔화된 또는 겔화되지 않는 박막 중Although the deposition problem is newly separated into the lower problem of viscosity control and density control, the inventors have found that thin film sol-gel techniques for xenogel and aerogel formation are generally limited to evaporation prior to drying, such as during air conditioning, after gelling and during aging. I know that it requires some method such as In general, such evaporation rate control can be achieved by adjusting the solvent evaporation concentration beyond the wafer. However, we know that solvent evaporation rate is very sensitive to small changes in vapor concentration and temperature. In an effort to better understand this method, we modeled isothermal evaporation of some solvents from the wafer as a function of percent saturation. The ambient temperature evaporation rate for some of these solvents is shown in FIG. 1 For evaporation without processing problems, the product of the evaporation rate and processing time (preferably in the order of minutes) should be significantly less than the membrane thickness. This suggests that for solvents such as ethanol, an atmosphere larger than the wafer should be maintained at a saturation rate of at least 99%. However, there may be a problem associated with the atmosphere reaching saturation or supersaturation. Some of these problems relate to the condensation of atmospheric components on thin films. In gelled or non-gelled thin films

어느 하나 상에서의 축합은 불충분하게 노화된 막에 결함을 유발한다는 것이 밝혀졌다. 그러므로, 구성 성분이 포화되지 않을 정도로 대기를 조절하는 것이 일반적으로 바람직하다.It has been found that condensation on either one causes defects in insufficiently aged membranes. Therefore, it is generally desirable to adjust the atmosphere to such an extent that the components are not saturated.

본 발명자들은 고휘발성 용매를 사용하고 용매 대기를 정확히 조절하기 보다는 대기 조절을 덜하면서 저휘발성 용매를 사용하는 것이 더 좋은 용액이라는 것을 발견하였다. 이러한 전제를 연구하여, 본 발명자들은 글리세롤이 뛰어난 용매임을 발견하였다.The inventors have found that using a low volatility solvent with less atmospheric control than using a high volatility solvent and precisely controlling the solvent atmosphere is a better solution. By studying this premise, we found that glycerol is an excellent solvent.

글리세롤을 사용하여 침착, 겔화 및(또는) 노화 동안에 목적하는 대기 조절 을 (종래 기술의 용매에 비하여) 느슨하게 한다. 이는 포화를 여전히 피하는 것이 바람직할 때조차, 대기 용매 농도가 과도한 증발 없이 저하될 수 있기 때문이다. 도 2는 글리세롤의 증발 속도가 온도 및 대기 용매 농도에 따라 변화하는 방법을 나타낸다. 본 발명자들은 글리세롤을 사용하여 조절되지 않거나 또는 실질적으로 조절되지 않는 대기 중에서 침착, 겔화 및 노화시킴으로써 허용가능한 겔을 형성할 수 있다는 것을 알게 되었다.Glycerol is used to loosen the desired atmospheric control (relative to prior art solvents) during deposition, gelling and / or aging. This is because even when it is desirable to still avoid saturation, the atmospheric solvent concentration can be lowered without excessive evaporation. 2 shows how the evaporation rate of glycerol varies with temperature and atmospheric solvent concentration. We have found that glycerol can be used to form acceptable gels by depositing, gelling and aging in an uncontrolled or substantially uncontrolled atmosphere.

나노 다공성 유전체의 제조에 있어서, 습윤 겔 박막에 노화로 알려진 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 가수 분해 및 축합 반응은 겔화점에서 중단되지 않으며, 반응을 일부러 중단할 때까지 계속하여 겔을 재구조화 또는 노화시킨다. 노화되는 동안, 고체 구조의 일부가 바람직하게는 해리 및 재침착으로 고강도, 공극 크기의 높은 균일성 및 노화 동안의 공극 붕괴에 대한 높은 내성을 포함하여 유리한 결과를 제공한다고 믿어진다. 불행하게도, 본 발명자들은 벌크 겔에 대해 사용된 종래 노화 기술은 반도체 프로세싱에 있어서 박막을 노화시키는데 부적합하다는 것을 발견하였는데, 이는 부분적으로는 기판의 액침을 요구하기 때문이고, 부분적으로는 종결되는데 수일 또는 수주일조차 걸리기 때문이다. 본 발명의 하나의 국면은 액침 또는 습윤 겔 박막의 조기 건조를 피하는 증기상 노화가 포함되며, 놀랍게도 수분에 박막을 노화시킬 수 있다.In the preparation of nanoporous dielectrics, it is desirable to perform a process known as aging on wet gel thin films. The hydrolysis and condensation reactions do not stop at the gelation point and continue to restructure or age the gel until the reaction is stopped intentionally. During aging, it is believed that some of the solid structures provide advantageous results, including high strength, high uniformity of pore size, and high resistance to pore collapse during aging, preferably by dissociation and redeposition. Unfortunately, the present inventors have found that the conventional aging techniques used for bulk gels are inadequate for aging thin films in semiconductor processing, partly because they require immersion of the substrate, and in part may terminate for several days or It takes a few weeks. One aspect of the present invention involves vapor phase aging, which avoids premature drying of the immersion or wet gel thin films, and can surprisingly age the thin films in moisture.

다시 말하면, 에어로겔은 막으로써 또는 벌크 상태를 포함하는 각종 목적에 사용될 수 있는 나노 다공성 재료이다. 그러나, 막 제조 프로세싱에서 발생하는 문제점들은 벌크 프로세싱 문제와는 상이하고, 실제적인 목적을 위하여 막 프로세싱은 벌크 제조 프로세싱과 유사하지 않다는 것을 알아야만 한다.In other words, aerogels are nanoporous materials that can be used as membranes or for a variety of purposes, including in bulk. However, it should be noted that the problems that arise in film fabrication processing are different from the bulk processing problem, and for practical purposes film processing is not similar to bulk fabrication processing.

일반적으로, 본 발명자들은 포화 대기 중에서의 노화가 액침 노화와 관련된 문제점을 피한다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명의 이러한 국면은 승온에서 습윤 겔을 노화시키는 일부 접근법을 제공한다. 이러한 방법은 습윤 겔이 본질적으로 저비점의 공극 유체를 함유할 때조차 사용될 수 있다. 그러나, 이들은 저휘발성 용매와 더 잘 작용한다. 최종적으로, 본 발명의 이러한 국면은 고속 노화를 위하여 노화 대기에 임의의 증기상 노화 촉매를 첨가하는 방법을 제공한다.In general, the inventors have found that aging in saturated atmosphere avoids the problems associated with immersion aging. In addition, this aspect of the invention provides some approaches to aging the wet gel at elevated temperatures. This method can be used even when the wet gel contains essentially low boiling pore fluid. However, they work better with low volatility solvents. Finally, this aspect of the invention provides a method of adding any vapor phase aging catalyst to the aging atmosphere for rapid aging.

박막 형태로 습윤 겔을 노화시키는 것은 노화를 발생시키기 위하여 극소량의 공극 유체를 소정의 시간 동안 상당히 일정하게 보유하여야 하기 때문에 어렵다. 노화로 인해 네트워크가 강화되기 전에 공극 유체가 막으로 부터 증발한다면, 막은 크세노겔 형식으로 조밀화될 것이다. 한편, 네트워크가 강화되기 전에 과량의 공극 유체가 대기로부터 박막 상으로 축화된다면, 이는 국소적으로 노화 공정을 분열시키고 막 결함을 유발할 수 있다.Aging of the wet gel in the form of a thin film is difficult because very small amounts of pore fluid must be held fairly constant for a predetermined time in order to generate aging. If the void fluid evaporates from the membrane before aging strengthens the network, the membrane will be densified in xenogel form. On the other hand, if excess void fluid is condensed from the atmosphere into the thin film before the network is strengthened, this can locally disrupt the aging process and cause membrane defects.

따라서, 본 발명자들은 노화시키는 동안 공극 유체 증발 속도 조절의 일부 방법이 에어로겔 박막 제조에 유리함을 발견하였다. 일반적으로, 노화 동안의 증발 속도 조절은 공극 유체 증기 농도를 웨이퍼 이상으로 능동적으로 조절하여 달성할 수 있다. 그러나, 예를 들면 150 ㎜ 웨이퍼 상에 침착된 1 ㎜ 두께의 70% 다공도를Accordingly, the inventors have found that some methods of controlling the pore fluid evaporation rate during aging are advantageous for the production of aerogel thin films. In general, evaporation rate control during aging can be achieved by actively controlling the pore fluid vapor concentration beyond the wafer. However, for example, 70% porosity of 1 mm thick deposited on a 150 mm wafer

갖는 습윤 겔에 함유된 공극 유체의 총량은 단지 약 0.012 ml이며, 이 양은 3 ㎜ 직경의 단일 유체 액체에 쉽게 적합할 것이다. 반도체 웨이퍼 상에서 나노 다공성 유전체로 사용되는 전형적인 박막은 약 1000배 얇다. 그러므로, (대기로 용매를 첨가하거나 제거함으로써) 공극 유체 증기 농도를 예를 들어 1% 또는 그 이하로 허용The total amount of void fluid contained in the wet gel with is only about 0.012 ml, which amount will easily fit into a single fluid liquid of 3 mm diameter. Typical thin films used as nanoporous dielectrics on semiconductor wafers are about 1000 times thinner. Therefore, allow void fluid vapor concentrations (eg by 1% or less) (by adding or removing solvent to the atmosphere).

되게 능동적으로 조절하는 것 및 노화 동안의 공극 유체 증발은 어려운 제안을 제공하고, 박막의 표면적은 높고 공극 유체 변동에 대해 허용가능한 내성은 극도로 작다. 특히, 증발 및 축합 반응 조절은 승온에서의 신속한 노화를 위하여 특히 중요하고, 여기서 막 형성 과정은 지금까지는 확실히 실제적으로 가능하지 않았다.To be actively regulated and void fluid evaporation during aging provides a difficult proposal, the surface area of the thin film is high and the allowable resistance to void fluid fluctuations is extremely small. In particular, the control of evaporation and condensation reactions is particularly important for rapid aging at elevated temperatures, where the process of film formation has certainly not been practically possible until now.

본 발명자들은 공극 유체 증기 농도를 웨이퍼 이상으로 능동적으로 조절하려는 시도를 전혀 하지 않음으로써 증발 속도 조절 문제를 극복하였다. 대신에, 웨이퍼는 극도로 작은 부피의 챔버 중에서 프로세싱하여, 습윤 겔 막에 함유된 비교적 소량의 공극 유체의 자연 증발을 통하여, 프로세싱 대기는 실질적으로 공극 유체에 포화되지 않는다. 웨이퍼를 실질적으로 포화된 프로세싱 대기 중의 어느 시점에서 냉각시키지 않는다면, 이 방법은 또한 축합과 관련된 문제점을 자연스럽게 피할 수 있고, 특히 고온 프로세싱 동안에 일반적으로 피할 수 있다.The inventors have overcome the problem of controlling the evaporation rate by making no attempt to actively adjust the pore fluid vapor concentration beyond the wafer. Instead, the wafer is processed in an extremely small volume chamber so that through natural evaporation of the relatively small amount of pore fluid contained in the wet gel membrane, the processing atmosphere is substantially not saturated with the pore fluid. If the wafer is not cooled at any point in the substantially saturated processing atmosphere, this method also naturally avoids the problems associated with condensation, especially during high temperature processing.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제][Technical problem to be achieved]

본 명세서에는 반도체 기판 상에 박막 나노 다공성 유전체를 형성하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 반도체 기판을 제공하는 단계 및 기판 위에 나노 다공성 에어로겔 전구체 졸을 침착시키는 단계를 포함한다. 이 에어로겔 전구체 졸은 금속 기재의 에어로겔 전구체 반응물 및 글리세롤을 포함하는 제1 용매를 포함하고, 여기서 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비는 1:16 이상이다. 이 방법은 또한 침착된 졸로부터 다공성 고체와 공극 유체로 이루어진 겔의 생성을 허용하고, 다공성 고체를 실질적으로 붕괴시키지 않으면서 건조 대기 중에서 공극 유체를 제거함으로써 건조 나노 다공성 유전체를 형성하는 것을 포함한다. 이 방법에서, 형성 단계 동안의 건조 대기의 압력은 공극 유체의 임계 압력 미만, 바람직하게는 대기압 근처이다.Disclosed herein is a method for forming a thin film nanoporous dielectric on a semiconductor substrate. The method includes providing a semiconductor substrate and depositing a nanoporous airgel precursor sol on the substrate. The airgel precursor sol comprises a metal based airgel precursor reactant and a first solvent comprising glycerol, wherein the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is at least 1:16. The method also includes forming a dry nanoporous dielectric by allowing the creation of a gel consisting of a porous solid and a pore fluid from the deposited sol and removing the pore fluid in a dry atmosphere without substantially disrupting the porous solid. In this way, the pressure of the dry atmosphere during the forming step is below the critical pressure of the void fluid, preferably near atmospheric pressure.

바람직하게는, 에어로겔 전구체 반응물은 금속 알콕사이드, 적어도 부분적으펄 가수 분해된 금속 알콕사이드, 미립상 금속 옥사이드, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 에어로겔 전구체 반응물은 규소를 포함한다. 일부 실시 태양에 있어서, 에어로겔 전구체 반응물은 TEOS이다. 전형적으로, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비근 12:1 미만이고, 바람직하게는 반응물 중 금속 원자에 대한 팔리세롤 분자의 몰비는 1:2 내지 12:1이다. 일부 실시 태양에 있어서, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비는 2.5:1 내지 12:1이다. 이 방법에 있어서, 나노 다공성 유전체의 다공도는 60% 초과이고, 평균 공극 직경은 25 nm 미만인 것이 바람직하다. 일부 실시 태양에 있어서, 에어로겔 전구체는 또한 제2 용매를 포함한다. 바람직하게는, 제2 용매의 비점은 글리세롤의 비점보다 낮다. 일부 실시 태양에 있어서, 제2 용매는 에탈올일 수 있다. 일부 실시 태양에 있어서, 제1 용매는 글리콜로 이루어지고, 바람직하게는 에틸렌 글리콜, 1,4-부틸렌 글리콜, 1,5-펜탄디올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일부 실시 태양에서는 노화 이후이지만 건조 전에 노화 유체를 건조 유체로 교체한다. 이는 예를 들어 신속, 저온(예, 실온)의 건조를 허용하여 유체는 더 빨리 증발하고 표면 장력은 적합하게 작다. 건조 유체의 실예로는 헵탄, 에탄올, 아세톤, 2-에틸 부틸 알코올 및 일부 알코올-물 혼합물이 있다.Preferably, the aerogel precursor reactant may be selected from the group consisting of metal alkoxides, at least partially hydrolyzed metal alkoxides, particulate metal oxides, and mixtures thereof. Preferably, the aerogel precursor reactant comprises silicon. In some embodiments, the aerogel precursor reactant is TEOS. Typically, the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is less than 12: 1, and preferably the molar ratio of paracerol molecules to metal atoms in the reactants is from 1: 2 to 12: 1. In some embodiments, the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is 2.5: 1 to 12: 1. In this method, the porosity of the nanoporous dielectric is preferably greater than 60% and the average pore diameter is less than 25 nm. In some embodiments, the airgel precursor also includes a second solvent. Preferably, the boiling point of the second solvent is lower than that of glycerol. In some embodiments, the second solvent can be ethanol. In some embodiments, the first solvent consists of glycol and is preferably selected from the group consisting of ethylene glycol, 1,4-butylene glycol, 1,5-pentanediol and mixtures thereof. In some embodiments, the aging fluid is replaced with a drying fluid after aging but before drying. This allows, for example, drying quickly, low temperatures (eg room temperature) so that the fluid evaporates faster and the surface tension is suitably small. Examples of dry fluids are heptane, ethanol, acetone, 2-ethyl butyl alcohol and some alcohol-water mixtures.

그러므로, 본 발명은 대기 조절 없이 침착, 겔화, 노화 및 건조된 박막 나노 다공성 에어로겔의 다공도의 조절을 허용한다. 다른 국면으로, 본 발명은 노화 챔버의 부피 제한과 같은 소극적인 대기 조절에 의해 침착, 겔화, 승온에서의 신속 노화 및 건조된 박막 나노 다공성 에어로겔의 다공도 조절을 허용한다.Therefore, the present invention allows for control of the porosity of deposited, gelled, aged and dried thin film nanoporous aerogels without atmospheric control. In another aspect, the present invention allows for the control of porosity of deposited, gelled, rapid aging at elevated temperature and dried thin film nanoporous aerogels by passive atmospheric control such as volume limitation of the aging chamber.

[발명의 구성 및 작용][Configuration and Function of Invention]

전형적인 졸-겔 박막 제조 공정은 건조시 붕괴 및 조밀화되는 겔을 제공하여 다공도가 단지 수%인 크세노겔을 형성한다. 크세노겔 막 형성의 조절되지 않은 건조 조건하에서, 전체 공정이 수분 내에 종결될 수 있기 때문에, 박막 형성 동안의 침착, 응집화, 겔화 및 건조 단계를 완전히 분리하는 것은 중요하지 않거나 가능하지 않았다. 그러나, 본 발명자들은 이러한 방법이 일반적으로 조절가능한 저밀도를 갖는 고다공도 박막을 침착시키기에는 부적합한데, 에어로겔 형태의 건조 단계에 있어서 막은 건조 후 실질적으로 조밀화되지 않은 채로 잔류하고, 그의 최종 밀도는 교체로 겔화 시간에서의 막 중 고체:액체 비율에 의해 결정되기 때문이라는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 다음 기준이 특히 박막의 평면화가 요구되는 에어로겔 박막 침착 및(또는) 패턴화된 웨이퍼의 갭 충전에 바람직하다는 것을 발견하였다.Typical sol-gel thin film manufacturing processes provide gels that disintegrate and densify upon drying to form xenogels with only a few percent porosity. Under uncontrolled drying conditions of xenogel film formation, it was not important or possible to completely separate the deposition, flocculation, gelling and drying steps during thin film formation because the whole process could be terminated in minutes. However, we find that this method is generally unsuitable for depositing high porosity thin films with controllable low densities, where in the drying step in the form of aerogels the membrane remains substantially undensified after drying, and its final density is alternately It was found that this is because it is determined by the solid: liquid ratio in the membrane at the gel time. The inventors have found that the following criteria are particularly desirable for aerogel thin film deposition and / or gap filling of patterned wafers where thin film planarization is desired.

1) 스핀 온 도포에 적합한 초기 점도,1) initial viscosity suitable for spin-on application,

2) 침착시의 안정한 점도,2) stable viscosity during deposition,

3) 겔화 시간에서의 안정한 막 두께,3) stable film thickness at gelation time,

4) 겔화 시간에서의 소정의 고체:액체 비율, 및4) a predetermined solid: liquid ratio at the gelling time, and

5) 침착 직후의 겔화.5) Gelation immediately after deposition.

종래 기술의 전구체 졸 및 방법에서는 상기한 조건에 부합되는 것을 발견하지 못하였다. 그러나, 본 발명에 따라서 특정 비율의 적어도 2 개의 용매로 제조한 졸을 사용하여 상기 조건에 부합할 수 있다는 것이 밝혀졌다.Prior art precursor sols and methods have not been found to meet the above conditions. However, it has been found that the above conditions can be met using a sol prepared in a specific proportion of at least two solvents.

상기한 전구체 졸을 침착 및 겔화시키는 방법은 도 15와 관련하에 잘 이해될 것이다.Methods of depositing and gelling the precursor sol described above will be well understood with reference to FIG. 15.

도 15에 도시된 바와 같이, 시간 t=0에서 다용매 전구체 졸은 초기 막 두께 Do 및 초기 점도 ho에서 웨이퍼상으로 스피닝될 수 있다 이는 바람직하게는 웨이퍼로부터 저휘발성 용매의 증발을 크게 저해하는 저휘발성 용매의 부분압을 갖는 조절된 대기 중에서 수행된다. 그러므로, 스핀 온 도포 후, 고휘발성 용매는 증발 시간 주기 T1동안에 웨이퍼로부터 제거하는 것이 바람직한 반면, 저휘발성 용매는 유지시킴으로써 막 두께를 D1으로 감소시킨다. 점도는 또한 상기 시간 동안에 바람직하게는 주로 용매의 제거로 인하여 h1으로 변화한다 T1말기에, 실질적으로 모든 고휘발성 용매가 증발되어야 하고 이 시간에 막 두께는 안정하거나 또는 훨씬 감소된 속도에서 수축하도록 진행함으로써 겔화 시간에서 박막에 대하여 소정의 액체:고체 비율 및 두께를 제공한다.As shown in FIG. 15, at time t = 0, the multisolvent precursor sol can be spun onto the wafer at the initial film thickness Do and the initial viscosity ho, which is preferably low, which greatly inhibits evaporation of the low volatility solvent from the wafer. It is carried out in a controlled atmosphere with a partial pressure of volatile solvents. Therefore, after spin-on application, it is desirable to remove the high volatility solvent from the wafer during the evaporation time period T 1, while maintaining the low volatility solvent to reduce the film thickness to D 1 . The viscosity also changes during this time, preferably mainly due to the removal of the solvent, to h 1. At the end of T 1 , substantially all of the high volatile solvent has to be evaporated and at this time the film thickness shrinks at a stable or even reduced rate. To provide the desired liquid: solid ratio and thickness for the thin film at gelation time.

시간 주기 T2는 주목적이 증발 시간 주기 T1의 종결점과 겔화 시간 주기 T3동안에 발생하는 겔화접 사이의 분리를 제공하기 위함이다. 바람직하게는, 시간 주기 T2는 0보다 크다. 그러나, 일부 전구체, 특히 겔화 반응을 더 빠르게 촉진시키는 글리세롤과 같은 용매와의 전구테는 주기 T1의 말기 쪽의 겔일 것이다. 추가로, 시간 주기 T1또는 T2동안에 암모니아와 같은 증기상 촉매가 조설된 대기로 도입될 수 있다. 이 촉매는 박막으로 확산되어 졸을 보다 활성화하고 신속한 가교 반응을 촉진할 수 있다. 비록 T2동안에 증발이 거의 일어나지 않거나 또는 전혀 일어나지 않는 것이 바람직하지만, 가교 반응이 계속되어 중합성 클러스터를 결합하기 때문에 실직적으로 증가하기 시작해야만 한다.The time period T 2 is primarily intended to provide a separation between the end point of the evaporation time period T 1 and the gelling junction occurring during the gelation time period T 3 . Preferably, time period T 2 is greater than zero. However, the precursors with some precursors, especially solvents such as glycerol to accelerate the gelation reaction, will be gels at the end of cycle T 1 . In addition, a vapor phase catalyst such as ammonia can be introduced into the established atmosphere during the time period T 1 or T 2 . This catalyst can diffuse into the thin film to make the sol more active and to promote a rapid crosslinking reaction. Although it is desirable that little or no evaporation occurs during T 2 , the crosslinking reaction must continue to increase substantially since the crosslinking reaction continues to bond the polymerizable clusters.

겔화점 후의 증발은 패턴화된 웨이퍼에 대해 불량한 갭 충전 및 평면성을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 겔화 시간구기 T3후, 막 두께는 증발을 제한하여 겔화점을 통과할 때가지 거의 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 때때로, 시간 주기 T3동안에, 졸이 겔화점에 다가감에 따라 점도에 놀랄만한 변화가 일어나고, 여기서 거대 중합성 클러스터는 최종적으로 결합하여 박막을 연속적으로 교차하는 스패닝(spanning) 클러스터를 생성한다.Evaporation after the gel point can exhibit poor gap filling and planarity for the patterned wafer. As a result, after the gelling time T 3 , the film thickness is preferably kept substantially constant until it passes through the gel point by limiting evaporation. Occasionally, during the time period T 3 , a surprising change in viscosity occurs as the sol approaches the gel point, where the macropolymerizable clusters finally combine to create spanning clusters that cross the thin film continuously.

이러한 신규 접근법의 일부 장점은 도 15로부터 명백하다. 졸 점도 및 막 두께는 모두 신속히 변화되는 것을 허용하지만, 일반적으로 동시에 되는 것은 아니다. 또한, 막 두께는 용매 비율 및 스핀 조건에 의해 독립적으로 설정될 수 있는 알려진 제1 값으로부터 알려진 제2 값으로 신속하게 변화시킬 수 있다. 이 방법을 사용하여 저점도 막을 코팅하고, 소정의 두께로 신속히 감소시키고 목적하는 밀도로 신속히 겔화시킬 수 있다.Some advantages of this novel approach are apparent from FIG. 15. Both the sol viscosity and the film thickness allow for a rapid change, but generally not at the same time. In addition, the film thickness can be quickly changed from a known first value to a known second value, which can be set independently by solvent ratio and spin conditions. This method can be used to coat low viscosity films, quickly reduce to a desired thickness and gel quickly to the desired density.

상기한 문단들은 건조된 겔 밀도와 독립적으로 전구체 졸 점도를 변화시키는 방법을 교시한다. 그러나, 어느 용매가 가장 적합한 지에 대한 문제는 아직 남아있다. 본 발명자들은 전형적인 에어로겔 용매에 대한 용매 증발 속도가 증기 농도 및 온도에 있어서의 작은 변화에 매우 민감함을 나타낸다는 것을 알게 되었다. 이러한 방법을 더 잘 이해하려는 노력으로, 본 발명자들은 포화 백분율의 함수로서 웨이퍼로부터 일부 용매의 등온 증발을 모델화하였다. 이 모델화는 질량 전이 이론을 기준으로 한다. 문헌 [R.B. Bird, W.E. Stewart 및 E.N. Lightfoot,Trasport Phenomena, 특히 제16 및 17장]는 질량 전이 이론에 대한 좋은 참고 문헌이다. 여기서 계산은 용매의 범위에 대해 수행하였다. 이러한 용매의 일부에 대한 주변 온도 증발 속도는 도 1에 나타나 있다. 프로세싱 문제가 없는 증발을 위하여, 증발 속도 및 프로세싱 시간(바람직하게는 수분 정도)의 곱은 막 두께보다 상당히 작아야만 한다. 이는 에탄올과 같은 용매에 대하여 웨이퍼보다 큰 대기가 약 99% 이상의 포화율로 유지 되어야 한다는 것을 제안한다. 그러나, 대기가 포화 또는 과포화에 도달하는 것과 관련된 문제가 있을 수 있다. 이러한 문제들 중 일부는 박막 상의 대기 구성 성분의 축합과 관련된다. 겔화된 또는 겔화되지 않는 박막 중 어느 하나 상에서의 축합은 불충분하게 노화된 막에 결함을 유발한다는 것이 밝혀졌다. 그러므로, 구성 성분이 포화되지 않을 정도로 대기를 조절하는 것이 일반적으로 바람직하다.The above paragraphs teach how to change the precursor sol viscosity independently of the dried gel density. However, the problem of which solvent is most suitable remains. We have found that solvent evaporation rates for typical airgel solvents are very sensitive to small changes in vapor concentration and temperature. In an effort to better understand this method, we modeled isothermal evaporation of some solvents from the wafer as a function of saturation percentage. This modeling is based on mass transfer theory. RB Bird, WE Stewart and EN Lightfoot, Trasport Phenomena , in particular Chapters 16 and 17, are good references to mass transfer theory. Calculations were performed here for a range of solvents. The ambient temperature evaporation rate for some of these solvents is shown in FIG. 1. For evaporation without processing problems, the product of evaporation rate and processing time (preferably in the order of minutes) must be significantly less than the film thickness. This suggests that for solvents such as ethanol, an atmosphere larger than the wafer should be maintained at a saturation rate of about 99% or more. However, there may be a problem associated with the atmosphere reaching saturation or supersaturation. Some of these problems relate to the condensation of atmospheric components on thin films. It has been found that condensation on either gelled or non-gelled thin films causes defects in poorly aged films. Therefore, it is generally desirable to adjust the atmosphere to such an extent that the components are not saturated.

본 발명자들은 고휘발성 용매를 사용하고, 용매 대기를 정확히 조절하기 보다는 대기 조절을 덜하면서 저휘발성 용매를 사용하는 것이 더 좋은 용액이라는 것을 발견하였다. 이러한 전제를 연구하여 본 발명자들은 글리세롤이 뛰어난 용매임을 발견하였다.The inventors have found that using a high volatility solvent and using a low volatility solvent with less atmospheric control than accurately controlling the solvent atmosphere is a better solution. By studying this premise we found that glycerol is an excellent solvent.

글리세롤을 사용하여 침착, 겔화 및(또는) 노화 동안에 목적하는 대기 조절을 (종래 기술의 용매에 비하여) 느슨하게 한다. 이는 포화를 여전히 피하는 것이 바람직할 때조차, 대기 용매 농도가 과도한 증발 없이 저하될 수 있기 때문이다. 도 2는 글리세롤의 증발 속도가 온도 및 대기 용매 농도에 따라 변화하는 방법을 나타낸다. 본 발명자들은 글리세롤을 사용하여 조절되지 않거나 또는 실질적으로 조절되지 않는 대기 중에서 침착, 겔화 및 노화시킴으로써 허용가능한 겔을 형성할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 가장 바람직한 접근법에 있어서, 대기(실질적으로 조절되지 않은 대기)를 조절한다면, 웨이퍼 및(또는) 전구체 졸의 온도를 독립적으로 조절할 수 있다고 하더라도 침착 및 겔화 반웅 동안에 청정실 온도 및 습도 조절로 제한된다.Glycerol is used to loosen the desired atmospheric control (relative to conventional solvents) during deposition, gelling and / or aging. This is because even when it is desirable to still avoid saturation, the atmospheric solvent concentration can be lowered without excessive evaporation. 2 shows how the evaporation rate of glycerol varies with temperature and atmospheric solvent concentration. We have found that glycerol can be used to form acceptable gels by depositing, gelling and aging in an uncontrolled or substantially uncontrolled atmosphere. In this most preferred approach, controlling the atmosphere (substantially uncontrolled atmosphere) is limited to controlling the clean room temperature and humidity during deposition and gelling reactions, although the temperature of the wafer and / or precursor sol can be controlled independently.

용매로서 글리세롤을 사용할 때의 하나의 매력적인 특징은 주변 온도에서 증발 속도를 충분히 작게하므로 주변 조건에서 수시간은 박막에 대해 해로운 수축을 제공하지 않을 것이다. 본 발명자들은 글리세롤을 사용하여 조절되지 않거나 또는 실질적으로 조절되지 않는 대기 중에서 침착, 겔화 및 노화시킴으로써 허용가능한 겔을 형성할 수 있다는 것을 알게 되었다. 글리세롤을 사용하면, 주변 온도 증발 속도가 충분히 작으므로 주변 온도에서의 수시간은 박막에 유해한 수축을 제공하지 않을 것이다. 또한, 본 발명자들은 에틸렌 글리콜을 사용하여 조절되지 않거나 또는 실질적으로 조절되지 않는 대기 중에서 침착, 겔화시킴으로써 허용가능한 겔을 형성할 수 있다는 것을 알게 되었다. 에틸렌 글리콜을 사용하면, 주변 온도 증발 속도가 글리세롤보다 크지만, 여전히 충분히 작아서 주변 온도에서의 수분은 박막에 유해한 수축을 제공하지 않을 것이다. 그러나, 에틸렌: 글리콜 기재의 졸은 글리세롤 기재의 졸과 비교하여 상당히 낮은 점도를 가지므로, 침착 반응이 간단하다. 또한, 글리세롤 기재의 졸 중의 공극 유체는 에틸렌 글리콜 기재의 졸과 비교하여 상당히 큰 표면 장력을 가지므로 저수축율 건조가 보다 어렵다.One attractive feature when using glycerol as a solvent is that the evaporation rate is sufficiently small at ambient temperature so that at ambient conditions several hours will not provide detrimental shrinkage for the thin film. We have found that glycerol can be used to form acceptable gels by depositing, gelling and aging in an uncontrolled or substantially uncontrolled atmosphere. With glycerol, the ambient temperature evaporation rate is sufficiently small that several hours at ambient temperature will not provide harmful shrinkage to the thin film. In addition, the inventors have found that ethylene glycol can be used to form acceptable gels by depositing and gelling in an uncontrolled or substantially uncontrolled atmosphere. With ethylene glycol, the ambient temperature evaporation rate is greater than glycerol, but still small enough so that moisture at ambient temperature will not provide harmful shrinkage to the thin film. However, ethylene: glycol based sols have a significantly lower viscosity compared to glycerol based sols, so that the deposition reaction is simple. In addition, the pore fluid in the glycerol based sol has a significantly greater surface tension compared to the ethylene glycol based sol and therefore is more difficult to dry in low shrinkage.

낮은 증기압 및 수혼화성 용매로서 작용하는 것 이외에, 에틸렌: 글리콜 및 .글리세롤은 또한 졸-겔 반응에도 관여할 수 있다. 이 방법의 정확한 반응식은 완전히 연구되지는 않았지만, 일글 반응식을 예상할 수 있다. 테트 라에톡시실란 (TEOS)이 전구체로서 사용된다면, 에틸렌 글리세롤은 하기 반응식 4에서와 같이 에톡시기와 교환될 수 있다.In addition to serving as a low vapor pressure and water miscible solvent, ethylene: glycol and .glycerol may also be involved in the sol-gel reaction. The exact scheme of this method has not been fully studied, but one can expect one. If tetraethoxysilane (TEOS) is used as the precursor, ethylene glycerol can be exchanged with ethoxy groups as in Scheme 4 below.

[반응식 4]Scheme 4

유사하게, 글리세롤 용매와 함께 테트라에톡시실란(TEOS)이 전구체로서 사용된다면, 글리세롤은 다음 반응식 5에서와 같이 에톡시기와 교환될 수 있다.Similarly, if tetraethoxysilane (TEOS) is used as a precursor with a glycerol solvent, glycerol can be exchanged with ethoxy groups as in Scheme 5 below.

[반응식 5]Scheme 5

일반적으로, 이와 같은 화학적 기들의 존재 및 농도는 전구체 반응성 (즉, 겔화 시간)을 변화시키고, 겔 미세 구조 (표면적, 공극 크기 분포 등)를 변성시키고, 노화 특성을 변화시키거나, 겔의 유사한 그 이외의 특성을 변화시킬 수 있다.In general, the presence and concentration of such chemical groups change precursor reactivity (ie, gelation time), denature gel microstructures (surface area, pore size distribution, etc.), change aging characteristics, or Other characteristics can be changed.

신규 용매계의 사용은 겔화 시간, 점도, 노화 조건 및 건조 수축을 포함하는 광범위한 프로세싱 파라미터를 변화시킬 수 있다. 겔화 시간과 같은 상기 특성의 다수는 박막에서는 측정하기 곤란하다. 벌크 막 및 박막 특성은 상이할 수 있으나, 이는 벌크 샘플 (예를 들면, 대략 직경 5 ㎜ 및 길이 30 ㎜)에서의 일련의 실험을 수행하는 것은 종종 용매계를 변화시키는 것이 나노 다공성 실리카 공정에 어떻게 영향을 미치는 지에 대한 보다 우수한 이해를 제공하는 데에 종종 유용하다.The use of novel solvent systems can change a wide range of processing parameters including gelation time, viscosity, aging conditions and dry shrinkage. Many of these properties, such as gelation times, are difficult to measure in thin films. Bulk film and thin film properties may be different, but this is because performing a series of experiments on bulk samples (eg, approximately 5 mm in diameter and 30 mm in length) is often a matter of changing the solvent system in nanoporous silica processes. It is often useful to provide a better understanding of the impact.

글리세롤을 TEOS와 반응시켜, 에탄올/TEOS 겔의 특성과 놀랍게 상이한 특성을 갖는 건조 셀을 제조할 수 있다. 글리세롤/TE0S 기재의 겔에서의 예상치 않았던 특성 변화로는 하기의 것들을 들 수 있다 (적어도 대부분의 제제에서):Glycerol can be reacted with TEOS to produce dry cells having properties that are surprisingly different from those of ethanol / TEOS gels. Unexpected property changes in gels based on glycerol / TE0S include the following (at least in most formulations):

·초임계 건조 또는 건조 전 표면 개질 없이 점도의 저하를 수득할 수 있다.Lowering of the viscosity can be obtained without supercritical drying or surface modification before drying.

·크게 간단화된 노화.Greatly simplified aging.

·촉매를 사용하지 않는 경우에도 단축된 겔화 시간.Shorter gelling time even when no catalyst is used.

·대략 통상적인 TEOS 겔을 넘는 크기인 (소정 밀도에서) 벌크 샘플의 강도.The strength of the bulk sample (at a certain density) that is approximately over the size of a conventional TEOS gel.

·매우 큰 표면적 (∼1,000 ㎡/g).Very large surface area (˜1,000 m 2 / g).

·벌크 샘플의 높은 광학적인 선명도 (이는 좁은 공극 크기 분포에 기인한 것이다).High optical clarity of bulk samples (due to narrow pore size distribution).

〈낮은 밀도〉<Low density>

본 발명으로써, 건조 전 표면 개짙 또는 초임계 건조 없이 매우 낮은 밀도에서 건조 겔을 형성시킬 수 있다. 이와 같이 낮은 밀도는 일반적으로 약 0.3 내지 0.2 g/㎤ (비다공성 SiO₂는 밀도 2.2 g/㎤이다)로 저하될 수 있거나, 주의하면 0.1 g/㎤ 미만으로 저하될 수 있다. 다공도의 면에서 (다공도는 중공인 구조의 백분율이다), 이는 다공도 약 86 내지 91% (밀도 0.1 g/㎤에서 약 95% 다공도)를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 이와 같은 다광도는 86% 다공도의 경우에는 유전 상수 약 1.4, 91% 다공도의 경우에는 유전 상수 1.2에 해당한다. 이와 같은 높은 다공도를 가능하게 하는 실제 메카니즘은 완전히 알려지지는 않았다. 그러나, 겔이 높은 기계적 강도를 갖고, 많은 표면에서 OH (히드록실)기, 이들의 조합, 또는 일부 그밖의 요인들을 갖지 않기 때문일 수 있다. 이 방법은 또한 웨이퍼 전체에 걸쳐 월등한 균일성을 수득하는 것으로 보인다.With the present invention, it is possible to form dry gels at very low densities without surface thickening or supercritical drying before drying. Such low densities can generally be lowered to about 0.3 to 0.2 g / cm 3 (nonporous SiO 2 has a density of 2.2 g / cm 3) or, if noted, to less than 0.1 g / cm 3. In terms of porosity (porosity is a percentage of hollow structure), it represents about 86 to 91% porosity (about 95% porosity at density 0.1 g / cm 3). As shown in FIG. 3, the light intensity corresponds to a dielectric constant of about 1.4 for 86% porosity and 1.2 for 91% porosity. The actual mechanisms that enable such high porosity are not fully known. However, it may be because the gel has high mechanical strength and does not have OH (hydroxyl) groups, combinations thereof, or some other factors at many surfaces. This method also appears to yield superior uniformity throughout the wafer.

필요하다면, 이 방법을 조절하여 (TEOS/용매 비율을 변화시킴으로써) 약 90% 내지 약 50%으로의 다공도를 제공할 수 있다. 작은 공극 크기를 갖는 전형적인 선행 기술의 건조 겔에서는 이와 같은 낮은 밀도를 수득하기 위하여 초임계 건조 또는 건조 전의 표면 개질 단계가 요구되었다. 일부 선행 기술의 건조 겔이 50% 초과의 다공도를 갖는 반면; 이들 선행 기술의 건조 겔은 상당히 큰 공극 크기 (전형적으로는 100 nm 이상)를 갖는다. 이와 같은 큰 공극 크기 겔은 기계적 강도가 상당히 낮다. 또한, 이와 같은 큰 크기는 겔이 미세 회로 상의 소형의 (전형적으로는 1 ㎛ 미만) 패턴화된 갭을 충전시키기에 적당하지 않도록 한다. 필요하다면, 이 방법을 조절하여 (TEOS/용매 비율을 변화시킴므로써) 50% 미만의 다공도를 제공할 수 있다. 미성숙 겔화를 방지하기 위하여 주의를 기울이면 20% 미만의 다공도가 가능하다.If desired, this method can be adjusted (by varying the TEOS / solvent ratio) to provide porosity from about 90% to about 50%. Typical prior art dry gels with small pore sizes required a supercritical drying or surface modification step prior to drying to achieve this low density. Some prior art dry gels have more than 50% porosity; These prior art dry gels have a fairly large pore size (typically at least 100 nm). Such large pore size gels have significantly lower mechanical strength. In addition, this large size makes the gel unsuitable for filling small (typically less than 1 μm) patterned gaps on microcircuits. If necessary, this method can be adjusted to provide a porosity of less than 50% (by varying the TEOS / solvent ratio). Less than 20% porosity is possible with care to prevent immature gelling.

따라서, 본 발명은 신규의 간단한 나노 다공성 저밀도 유전체 제조 방법을 가능하게 한다. 이 신규의 글리세롤 기재의 방법은 초임계적 건조 또는 건조 전의 표면 개질 단계 없이 벌크 막 및 박막 에어로겔 둘다를 제조할 수 있도록 한다. 선행 기술의 에어로겔은 건조 중의 실질적인 공극 붕괴를 방지하기 위하여 상기 단계의 1 이상을 필요로 한다.Thus, the present invention enables a novel simple nanoporous low density dielectric manufacturing method. This novel glycerol based method allows the preparation of both bulk membrane and thin film aerogels without supercritical drying or surface modification steps prior to drying. Prior art aerogels require at least one of the above steps to prevent substantial void collapse during drying.

〈밀도 예측〉<Density prediction>

규소 (또는 그 이외의 금속)에 대한 글리세롤의 비를 변화시킴으로써, 건조 후의 밀도는 정확하게 예측할 수 있다. 이와 같은 정확성은 저 휘발성의 글리세롤 용매에 의하여 가능한 잘 억제된 증발에 기인한 것으로 여겨진다. 본 방법이 노화 및 건조 중의 월등한 수축 억제를 나타내므로, 이는 건조 겔의 밀도 (그에 따른 다공도)의 정확한 예측을 가능하게 한다. 밀도 예측은 일반적으로 벌크 겔에 의한 큰 문제점으로 여겨지지는 않았으나, 전형적으로 박막 겔의 최종적인 다공도를 예측하는 것은 곤란했었다. 심지어 저다공도 건조 겔의 경우에도 이와 같은 정확한 밀도 예측은 이와 같은 신규의 방법이 기존의 저다공도 겔을 형성시키기 위한 건조 겔화 방법을 능가하여 바람직한 이유이다.By changing the ratio of glycerol to silicon (or other metals), the density after drying can be accurately predicted. This accuracy is believed to be due to evaporation as well suppressed as possible by low volatility glycerol solvents. Since the method shows superior suppression of shrinkage during aging and drying, this allows an accurate prediction of the density of the dry gel (and thus porosity). Density prediction was generally not considered a major problem with bulk gels, but it was typically difficult to predict the final porosity of a thin film gel. Even for low porosity dry gels, this accurate density prediction is why this new method is preferred over the existing dry gelation methods for forming low porosity gels.

〈간단화된 노화〉<Simplified Aging>

본 발명자들은 나노 다공성 유전체의 제조에서 습윤 겔 박막에 노화로서 알려진 방법을 수행하는 것이 바람직함을 알아내었다. 가수 분해 및 축합 반응은 겔화점에서 중단되지 않고, 반응이 궁극적으로 종료된 때까지 겔을 재구성하거나 노화를 계속한다. 노화 도중 고체 구조의 일부의 우선적인 용해 및 재증착이 유리한 결과를 생성하는 것으로 여겨진다. 상기 유리한 결과들로는 고강도, 공극 크기의 큰 균일성, 및 건조 중의 공극 붕괴를 방지하는 보다 큰 능력을 들 수 있다. 그러나, 노화를 발생시키기 위하여 필요한 시간 동안 거의 일정하게 유지되어야 하는 공극 유체가 막에 극소량 함유되므로, 박막 형태 중에서 습윤 겔을 노화시키는 것은 곤란하다. 노화가 네트워크를 강화시키기 전에 공극 유체가 막으로부터 증발되는 경우, 막은 건조 겔 형태로 조밀화되는 경향이 있다. 한편, 네트워크가 강화되기 전에 과량의 공극 유체가 대기 중으로부터 박막 상으로 축합되는 경우, 이는 국소적으로 노화 공정을 방해하여 막 결함을 야기시킬 수 있다.The inventors have found that it is desirable to carry out a method known as aging on wet gel thin films in the manufacture of nanoporous dielectrics. The hydrolysis and condensation reactions do not stop at the gel point, and the gel is reconstituted or aging continues until the reaction ultimately ends. It is believed that preferential dissolution and redeposition of a portion of the solid structure during aging produces favorable results. Such advantageous results include high strength, large uniformity of pore size, and greater ability to prevent void collapse during drying. However, it is difficult to age the wet gel in a thin film form because very few voids are contained in the membrane, which must be kept almost constant for the time required to cause aging. If the void fluid evaporates from the membrane before aging strengthens the network, the membrane tends to dense in the form of a dry gel. On the other hand, if excess void fluid is condensed from the atmosphere onto the thin film before the network is strengthened, this can locally interfere with the aging process and cause membrane defects.

본 발명의 신규 글리세롤 기재의 방법은 박막 나노 다공성 유전체의 노화를 크게 간단화시켰다. 기타 박막나노 다공성 유전체 노화 공정은 상당한 증발, 유체 축합의 수행에 의하거나, 조절된 노화 대기를 필요로 한다. 증착 및 겔화 중에 이들 글리세롤 기재의 방법은 일정 정도 이상으로 하기한 에틸렌 글리콜 기재의 방법과 유사하게 거동한다. 그러나, 에틸렌 글리콜 기재의 겔은 전형적으로 실온에서 조차도 노화 중에 상당한 증발을 방지하기 위한 대기 조절을 필요로 한다. 대조적으로,글리세롤 기재의 겔은 노화 중에 증발 및 수축율을 극히 저하시킨다. 이는 노화 중의 대기 조절을 느슨하게 하거나 제거시키도록 한다. 본 발명으로 실온 또는 고온 노화중의 소극적인 대기 조절만을 사용하여 고품질의 박막 글리세롤 기재 나노 다공성 유전체를 제조할 수 있다.The novel glycerol based method of the present invention greatly simplifies aging of thin film nanoporous dielectrics. Other thin film nanoporous dielectric aging processes require significant evaporation, fluid condensation, or require a controlled aging atmosphere. During deposition and gelation these glycerol based methods behave similarly to the ethylene glycol based methods described below to some extent. However, ethylene glycol based gels typically require atmospheric control to prevent significant evaporation during aging even at room temperature. In contrast, glycerol based gels dramatically reduce evaporation and shrinkage during aging. This allows to loosen or eliminate atmospheric regulation during aging. The present invention allows the production of high quality thin film glycerol based nanoporous dielectrics using only passive air conditioning during room temperature or high temperature aging.

〈단축된 겔화 시간〉<Shortened gelation time>

글리세롤의 사용은 겔화 시간을 실질적으로 단축시킨다. 다수의 전형적인 에탄올 기재 전구체는 촉매화시키는 경우 (W/O 촉매화 보다 훨씬 길게) 400초 이상의 겔화 시간을 갖는다. 그러나, 본 발명자들은 일부 글리세롤 기재 전구체가 촉매화 없이도 웨이퍼 스핀 온 중에 겔화될 수 있음을 알아내었다. 이와 같은 신속한 겔화는 에탄올 기재의 겔 보다 훨씬 신속할 뿐만 아니라, 에틸렌 글리콜 기재의 겔 보다도 놀랍게 훨씬 신속한 것이다. 도 4는 사용하는 암모니아 촉매의 양의 함수로서 2 개의 상이한 에틸렌 글리콜 기재 조성물에 대한 겔화 시간을 나타낸다. 이와 같은 겔화 시간은 박막의 경우에 가능할 수 있는 에탄올 및(또는) 물의 증발이 없는 벌크 겔에 대한 것이다. 증발은 실리카 함량을 증가시키므로, 겔화 시간은 감소시킨다. 도 4에 나타낸 바와 같은 겔화 시간은 대략 통상적 에탄올 기재 전구체 보다 더 작은 크기이다. 겔화 시간은 일반적으로 암모니아 촉매의 농도에 1 차적 의존성을 나타낸다. 이는 겔화 시간을 용이하게 조절할 수 있음을 의미한다.The use of glycerol substantially shortens the gelling time. Many typical ethanol based precursors have a gelation time of at least 400 seconds when catalyzed (much longer than W / O catalyzed). However, the inventors have found that some glycerol based precursors can be gelled during wafer spin on without catalysis. Such rapid gelation is not only much faster than ethanol based gels, but also surprisingly much faster than ethylene glycol based gels. 4 shows the gelation time for two different ethylene glycol based compositions as a function of the amount of ammonia catalyst used. This gelling time is for bulk gels without evaporation of ethanol and / or water, which may be possible for thin films. Evaporation increases the silica content, thus reducing the gelation time. The gelation time as shown in FIG. 4 is approximately smaller in size than conventional ethanol based precursors. Gelation time generally indicates a primary dependence on the concentration of the ammonia catalyst. This means that the gelation time can be easily controlled.

이와 같은 신규 글리세롤 기재의 겔의 박막의 경우, 수초 내에 겔화 촉매를 사용하지 않고 겔화를 수득하는 것이 일반적이다 본 출원인은 촉매의 첨가 없이 박막 중에서 겔화를 시작하는 데 사용할 수 있는 다수의 메카니즘을 밝혀내었다. 한가지 방법은 휘발성 용매를 증발시킴으로써 전구체 졸의 농축이다. 다른 방법은 전구체 졸 중에서 산을 증발시킴에 의한 pH의 증가이다. 이와 같은 증발성 염기화 방법은 초기 겔화를 보조하기 위한 전구체 졸 pH의 증가에 기인한 것이다. 그러나, 이 염기화 방법은 전형적으로 7 미만으로부터 7 이상으로의 pH 변화를 요하지 않는다. 이 증발성 염기화는 전형적인 염기 촉매 방법과 유사하게 작용하며, 겔화를 크게 촉진한다. 실온 및 압력에서 질산과 같은 일부 산은 애탄올에 필적하는 증발 속도를 갖는다. 고휘발성 용매 유형 및(또는) 농도를 변화시키고(거나) 산을 안정화시키는 것은 겔화 시간 조절을 위한 간단하고, 유연성이 큰 방법을 제공한다.In the case of thin films of such novel glycerol based gels, it is common to obtain gelation without using a gelling catalyst in a few seconds. Applicants have identified a number of mechanisms that can be used to initiate gelation in thin films without the addition of a catalyst. . One method is concentration of the precursor sol by evaporating the volatile solvent. Another method is to increase the pH by evaporating the acid in the precursor sol. This evaporative basicization method is due to an increase in precursor sol pH to aid in initial gelation. However, this basicization method typically does not require a pH change from less than 7 to more than 7. This evaporative basicization works similarly to typical base catalysis methods and greatly promotes gelation. Some acids, such as nitric acid, at room temperature and pressure have an evaporation rate comparable to that of Ethanol. Changing the high volatile solvent type and / or concentration and / or stabilizing acid provides a simple, flexible method for controlling gelation time.

〈고강도〉〈High Strength〉

글리세롤 기재 샘플의 특성은 습윤 및 건조 겔의 정량적인 처리에서의 상이점 및 이들의 낮은 정토의 건조 수축 모두에 의해 증명되는 바와 같이 통상적인 겔과 크게 상이하게 나타난다. 따라서, 물리적인 조사시에, 글리세롤 기재 건조 겔은 통상적인 건조 겔 및 에틸렌 글리콜 기재 건조 겔 둘다에 비하여 개선된 기계적 특성을 갖는 것으로 보인다. 도5는 에틸렌 글리콜 기재의 건조 겔 및 통상적인 에탄올 기재 건조 벌크 겔 (둘다 초기 밀도는 동일하다)을 사용하여 제조한 샘플의 이소스타시 충전 측정 중에 측정된 벌크 탄성을 나타낸다. 구조의 변형에 기여하는 초기 변화 후에, 두 샘플 모두 밀도에 따른 탄성의 동력 법칙을 나타낸다. 이 동력 법칙 의존성은 통상적으로 건조 겔에서 관찰된다. 그러나, 놀라운 것은 에틸렌 글리콜 기재 건조 겔의 강도이다. 소정 밀도 (및 그에 따른, 유전 상수)에서 이와 같은 에틸렌 글리콜 기재 건조 겔 샘플의 탄성은 통상적인 건조 겔 보다 큰 크기 정도이다. 예비 평가는 글리세롤 기재의 겔이 에틸렌 글리콜 기재의 겔 보다 훨씬 강함을 나타낸다. 이들 평가는 건조 중의 수축에 근거한 자료 및 시험의 정량적인 처리를 포함한다. 이와 같은 강도 중가의 이유는 전적으로 명확하지는 않다. 그러나, 예비 실험의 결과는 상기 신속한 겔화 시간 및(또는) 좁은 공극 크기 분포가 고강도의 원인일 수 있음을 교시한다.The properties of glycerol based samples appear significantly different from conventional gels, as evidenced by both differences in the quantitative treatment of wet and dry gels and their low shrinkage dry shrinkage. Thus, upon physical irradiation, glycerol based dry gels appear to have improved mechanical properties compared to both conventional and ethylene glycol based dry gels. FIG. 5 shows the bulk elasticity measured during Isostatash fill measurements of samples made using dry gels based on ethylene glycol and conventional ethanol based dry bulk gels, both having the same initial density. After the initial change, which contributes to the deformation of the structure, both samples show the law of elasticity with respect to density. This power law dependency is typically observed in dry gels. However, what is surprising is the strength of ethylene glycol based dry gels. At certain densities (and hence dielectric constants), the elasticity of such ethylene glycol based dry gel samples is on the order of magnitude greater than conventional dry gels. Preliminary evaluations indicate that glycerol based gels are much stronger than ethylene glycol based gels. These evaluations include the quantitative treatment of data and tests based on shrinkage during drying. The reason for such strength increases is not entirely clear. However, the results of preliminary experiments teach that the rapid gelation time and / or narrow pore size distribution may be responsible for high strength.

〈고표면적 〉〈High surface area〉

본 발명자들은 일부 건조된 벌크 겔의 표면적을 측정하였다. 이들의 표면적은 표면적 600 내지 800 ㎡/g 범위인 전형적인 에탄올 기재의 겔에 비하여 1,000 ㎡/g 정도였다. 이들의 고표면적은 보다 작은 공극 크기 및 개선된 기계적 특성을 부여할 수 있다. 글리세롤 기재 건조 겔을 사용하여 이들의 고표면적이 수득되는 이유는 현재까지 명확하지 않다.We measured the surface area of some dried bulk gels. Their surface area was on the order of 1,000 m 2 / g compared to typical ethanol based gels with a surface area in the range of 600 to 800 m 2 / g. Their high surface area can impart smaller pore sizes and improved mechanical properties. The reason why their high surface area is obtained using glycerol based dry gels is not clear to date.

〈공극 크기 분포〉〈Pore size distribution〉

이와 같은 건조 벌크 겔의 광학적 선명성은 이미 제조된 상기 밀도에서의 임의의 에탄올 기재 건조 겔 보다 컸다. 이와 같은 월등한 광학적 선명성은 매우 좁은 공극 크기 분포에 기인하여 가능할 수 있다. 그러나, 글리세롤이 이 효과를 가지는 이유는 명확하지 않다. 예비 실험은 한가지 가능한 설명이 신속한 겔화 시간이 좁은 공극 크기 분포에 연결될 수 있는 것임을 나타낸다. 도 6은 밀도 약 0.57 g/㎤인 벌크 겔 샘플의 공극 크기 분포 (BJH 질소 탈착 측정법에 의해 측정된 바와 같음)를 나타낸다. 이 샘플의 평균 공극 직경 (탈착법)은 3.76㎚였다. 전형적인 공극이 완전히 원주형은 아니므로, 본 명세서에서 사용된 직경은 실질적으로는 용적비에 대한 전체 겔화 표면적으로써 용적비에 대한 동일한 표면적을 갖는 동일한 원주형의 직경을 의미한다.The optical clarity of this dry bulk gel was greater than any ethanol based dry gel at this density already prepared. Such superior optical clarity may be possible due to the very narrow pore size distribution. However, it is not clear why glycerol has this effect. Preliminary experiments indicate that one possible explanation is that rapid gelling times can be linked to narrow pore size distributions. 6 shows the pore size distribution (as measured by BJH nitrogen desorption measurement) of a bulk gel sample having a density of about 0.57 g / cm 3. The average pore diameter (desorption method) of this sample was 3.76 nm. As typical pores are not completely cylindrical, the diameter used herein means substantially the same cylindrical diameter with the same surface area to volume ratio as the total gelling surface area to volume ratio.

상기한 바와 같이, 글리세롤 기재의 겔의 동일한 특성은 벌크 겔 및 박막 둘다에 적용된다. 그러나, 일부 잇점들은 반도체 웨이퍼 상의 나노 다공성 유전성 막과 같은 박막에 도포시키는 경우에 가장 뚜렷하다. 한가지 중요한 잇점은 이와 같은 신규 방법이 고품질의 나노 다공성 막을 증착 또는 겔화 중에 대기 조절 없이 프로세싱되도록 하는 것이다.As noted above, the same properties of gels based on glycerol apply to both bulk gels and thin films. However, some advantages are most apparent when applied to thin films such as nanoporous dielectric films on semiconductor wafers. One important advantage is that this novel method allows high quality nanoporous membranes to be processed without atmospheric control during deposition or gelling.

대기 조절 없이 나노 다공성 박막을 증착 및 겔화시킬 수 있는 것이 중요하나, 대기 조절 없이 나노 다공성 박막을 노화시키는 것도 요구된다. 이것은 증착을 능가하는 큰 과제로 존재할 수 있음이 밝혀졌다. 주요 이유는 증착 및 실온 겔화가 수분내, 또는 수초 내에 일어날 수 있으나; 실온 노화는 전형적으로 수시간을 요하는 것이다. 따라서, 단축된 공정 중의 허용할 만한 수축을 제공하는 증발 속도는 공정 시간을 크게 연장시키는 경우 허용가능하지 않은 수축을 일으킬 수 있다.It is important to be able to deposit and gel nanoporous thin films without atmospheric control, but it is also necessary to age the nanoporous thin films without atmospheric control. It has been found that this can be a major challenge over deposition. The main reason is that deposition and room temperature gelation can occur in minutes or in seconds; Room temperature aging typically requires several hours. Thus, evaporation rates that provide acceptable shrinkage during the shortened process can lead to unacceptable shrinkage if the process time is significantly extended.

예로서, 본 발명자들은 일부 글리세롤 기재의 겔을 사용하는 경우, 실온에서 만족스러운 노화 시간은 일 단위정도임을 알아내었다. 그러나, 표 1은 보다 고온을 사용하여 수분 정도의 시간으로 박막을 노화시킬 수 있음을 나타낸다. 이와 같은 노화 시간은 다수의 전형적인 에탄올 기재 및 에틸렌 글리콜 기재의 겔의 바람직한 노화 시간에 비할 만하다. 따라서, 이와 같은 시간 및 온도를 도 1, 도 7 및 도 2의 증발 속도와 조합시키는 경우, 이들은 표 2에 나타낸 바와 같은 노화 중의 두께 손실 근사치를 나타낸다. 이와 같이 추정된 두께 손실을, 특히 박막 용도의 경우에 허용가능한 두께 손실과 비교할 필요가 있다. 허용가능한 두께 손실에 대한 확실한 지침이 존재하는 것은 아니나, 나노 다공성 유전체와 같은 일부 미세 회로 용도의 경우, 하나의 가능한 지침은 두께 손실이 막 두께의 2% 미만이어야 하는 것이다. 가정의 작은 막 두께 1 ㎛인 경우 (실제 막 두께는 전형적으로 0.5 ㎛ 또다 상당히 작은 것으로부터 수 ㎛로 변화할 수 있다), 이는 허용가능한 두께 감소 20 ㎚를 나타낸다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 글리세롤 기재의 겔은 실온에서의 대기 조절 없이 이와 같은 예비 목적을 수득할 수 있다. 따라서, 본 발명은 다공도가 억제된 박막 나노 다공성 에어로겔을 대기 조절 없이 증착, 겔화, 노화 및 건조되도록 한다 다른 면에서, 본 발명은 다공도가 억제된 박막 나노 다공성 에어로겔을 승온에서 증착 겔화, 신속하게 노화시키고, 노화 챔버의 부피를 제한하는 것과 같은 소극적인 대기 조절만으로 건조시키는 것을 가능하게 한다.As an example, we have found that when using some glycerol based gels, a satisfactory aging time at room temperature is on the order of one unit. However, Table 1 shows that the higher temperature can be used to age the thin film in a few minutes. Such aging times are comparable to the preferred aging times of many typical ethanol based and ethylene glycol based gels. Thus, when such times and temperatures are combined with the evaporation rates of FIGS. 1, 7 and 2, they represent approximate thickness loss during aging as shown in Table 2. This estimated thickness loss needs to be compared with the allowable thickness loss, especially for thin film applications. While there are no clear guidelines for acceptable thickness loss, for some microcircuit applications, such as nanoporous dielectrics, one possible guideline is that the thickness loss should be less than 2% of the film thickness. If the small film thickness is assumed to be 1 μm (the actual film thickness can typically vary from 0.5 μm and considerably smaller to several μm), this represents an acceptable thickness reduction of 20 nm. As shown in Table 2, glycerol based gels can achieve this preliminary purpose without atmospheric control at room temperature. Thus, the present invention allows deposition, gelation, aging and drying of the porous nanoporous airgel with reduced porosity without atmospheric control. And drying with only passive atmospheric control, such as limiting the volume of the aging chamber.

[표 1]TABLE 1

일부 박막 글리세롤 기재의 겔에 대한 온도의 함수로서 노화 시간의 근사치Approximate aging time as a function of temperature for some thin film glycerol based gels

[표 2]TABLE 2

포화비에 대한 노화 중의 두께 손실 관사치Thickness Loss During Aging to Saturation Ratio

개선된 수율 및 신뢰도의 측정은 0.5% 미만 또는 0.1%와 같은 2% 이하의 두께 손실을 필요로 할 수 있다. 소극적인 대기 조절을 사용함으로써, 본 발명은 이들을 제공할 수 있으며, 심지어는 증발 손실을 감소시킨다. 이와 같은 비활성 조절은 적어도 노화 중에 비교적 소형의 밀폐된 용기내에 겔을 두는 것을 포함한다. 본 발명의 한 측면에서, 웨이퍼로부터의 증발은 밀폐된 용기내에서 대기의 포화비를 상승시키는 작용을 한다. 임의의 소정 온도에서, 이와 같은 증발은 증기의 부분압이 액체의 증기압과 동등하게 되기에 충분히 증가할 때까지 계속한다. 따라서, 낮은 증기압의 용매/온도 조합은 액체 용매를 증기압이 허용하는 만큼 증발시키지 않을 것이다. 도 8은 용매압이 다수의 용매에 대하여 온도에 따라 어떻게 변화하는 지를 나타낸다. 용기 크기를 알고 있는 경우, 증발양을 계산할 수 있다. 도 9는 70% 다공성 겔을 웨이퍼와 동일한 직경의 5 ㎜ 놀이의 원주형 용기에 두는 경우, 잠재적으로 증발시킬 수 있는 용매층의 두께의 근사치를 나타낸다. 도 10은 웨이퍼 위의 1㎜의 공기 공간을 갖는 용기의 경우의 유사한 근사를 나타낸다. 상기 도들은 5 ㎜ 공간을 사용하여, 예비 목적이 20 ㎚인 글리세롤 기재의 겔의 경우, 150℃ 이하, 에틸렌 글리콜 기재의 겔의 경우 단지 80℃ 이하임을 나타낸다. 1 ㎜ 공기 공간을 사용하여, 예비 목적이 20 ㎚인 글리세롤 기재의 겔의 경우, 120℃ 이하까지는 무시할 수 있으나, 에틸렌 글리콜 기재의 겔의 경우, 단지 50℃ 이하이다 보다 저온에서의 가공은 증발을 감소시킬 수 있다. 1 ㎜ 용기를 사용하는 비활성 증발 억제는 글리세롤 기재의 겔의 경우, 100℃에서도 두께 손실을 1㎚ 미만 (1 ㎛ 막의 0.1%)으로 한다.Measures of improved yield and reliability may require thickness losses of less than 2%, such as less than 0.5% or 0.1%. By using passive air conditioning, the present invention can provide them and even reduce evaporation losses. Such inert control involves placing the gel in a relatively small closed container at least during aging. In one aspect of the invention, evaporation from the wafer serves to raise the saturation ratio of the atmosphere in a closed vessel. At any given temperature, this evaporation continues until the partial pressure of steam increases enough to be equal to the vapor pressure of the liquid. Thus, a low vapor pressure solvent / temperature combination will not evaporate the liquid solvent as vapor pressure allows. 8 shows how solvent pressure changes with temperature for many solvents. If the vessel size is known, the amount of evaporation can be calculated. FIG. 9 shows an approximation of the thickness of a solvent layer that can potentially evaporate when a 70% porous gel is placed in a 5 mm play cylindrical container of the same diameter as the wafer. 10 shows a similar approximation for a container with 1 mm air space above the wafer. The figures show that using a 5 mm space, the glycerol-based gel having a preliminary purpose of 20 nm is 150 ° C. or less, and ethylene glycol based gel is only 80 ° C. or less. Using a 1 mm air space, glycerol based gels with a preliminary purpose of 20 nm can be ignored up to 120 ° C. or less, but only 50 ° C. or less for ethylene glycol based gels. Can be reduced. Inert evaporation suppression using a 1 mm container results in a thickness loss of less than 1 nm (0.1% of 1 μm membrane) even at 100 ° C. for glycerol based gels.

이와 같은 비활성 조절법에는 많은 변형이 있다. 한가지 변형은 용기 크기를 증가시키는 것이다. 두께 손실은 용기 부피에 비례하여 증가할 것이다. 그러나, 1000 ㎤ 용기도 전형적으로 80℃에서 단지 5 ㎚의 증발만을 허용한다. 그밖의 변형은 겔 다공도이다. 일반적으로 저다공도 겔이 일반적으로 약간 더 작은 두께 손실을 나타내는 반면, 고다공도 겔은 두께 손실이 크다.There are many variations of this inactivity control. One variation is to increase the container size. The thickness loss will increase in proportion to the vessel volume. However, a 1000 cm 3 container typically only allows evaporation of 5 nm at 80 ° C. Another variant is gel porosity. Low porosity gels generally exhibit slightly smaller thickness losses, while high porosity gels have large thickness losses.

글리세롤의 한가지 단점은 갭 충전 및(또는) 평면화의 문제점을 야기시킬 수 있는 그의 비교적 높은 점도이다. 상기한 바와 같이, 저점도, 고휘발성 용매를 점도를 저하시키는 데 사용할 수 있다. 도 11a는 일부 에탄올/글리세롤 및 메탄올/글리세롤 혼합물의 실온에서의 계산된 점도를 나타낸다. 이 도에 나타낸 바와 같이, 알코올은 이들 혼합물의 점도를 상당히 감소시킬 수 있다. 도 11b는 일부 에탄올/에틸렌 글리콜 및 메탄올/에틸렌 글리콜 혼합물의 실온에서의 계산된 점도를 나타낸다. 이 도에서 나타난 바와 같이, 에틸렌 글리롤은 글리콜 보다 훨씬 덜 점성이고, 소량의 알코올은 이들 혼합물의 점도를 상당히 감소시킨다. 또한, 원료 용액 중의 에탄올을 사용하는 점도는 필요 이상으로 높은 경우, 전구체 용액 중에서 메탄올을 사용함으로써 추가의 개선이 이루어질 수 있다. 도 lla 내지 11b에 개시된 바와 같은 점도는 순수 유체 혼합물에 관한 것이다. 사실상, 막 전구체 용액에 따라, 전구체 용액은 글리세롤, 알코올, 물, 산 및 부분적으로 반응된 금속 알콕사이드를 함유할 수 있다. 물론 축합 반응을 촉매화시킴으로써 증착 전에 점도를 증가시킬 수 있으므로, 도 11a 내지 도 11b에 보고된 수치는 하한을 나타낸다.One disadvantage of glycerol is its relatively high viscosity, which can cause problems with gap filling and / or planarization. As described above, a low viscosity, high volatile solvent can be used to lower the viscosity. 11A shows the calculated viscosity at room temperature of some ethanol / glycerol and methanol / glycerol mixtures. As shown in this figure, alcohols can significantly reduce the viscosity of these mixtures. 11B shows the calculated viscosity at room temperature of some ethanol / ethylene glycol and methanol / ethylene glycol mixtures. As shown in this figure, ethylene glycol is much less viscous than glycol, and small amounts of alcohol significantly reduce the viscosity of these mixtures. In addition, when the viscosity of using ethanol in the raw material solution is higher than necessary, further improvement can be made by using methanol in the precursor solution. The viscosity as disclosed in FIGS. Lla-11b relates to pure fluid mixtures. In fact, depending on the membrane precursor solution, the precursor solution may contain glycerol, alcohols, water, acids and partially reacted metal alkoxides. Of course, since the viscosity can be increased prior to deposition by catalyzing the condensation reaction, the values reported in FIGS. 11A-11B represent a lower limit.

상기 다용매법은 교체적인 방법과 조합되거나 교체될 수 있다. 이와 같은 교체법은 승온으로 사용 중의 졸점도를 감소시킨다. 증착 중에 전구체를 가열 및(또는) 희석시킴으로써 (예를 들면, 웨이퍼 스핀 상태의 이송 라인 및 증착 노즐을 가열시킴으로써) 전구체 졸의 점도를 상당히 저하시킬 수 있다. 이와 같은 예열은 졸 점도를 저하시킬 뿐만 아니라, 겔화 시간을 신속하게 하고 임의의 고휘발성 용매의 증발을 가속화시킨다. 웨이퍼를 예열하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같은 웨이퍼 예열은 공정 조절을 개선시키며, 특히 보다 점성인 전구체의 경우, 갭 충전을 개선시킬 수 있다. 그러나, 다수의 용도의 경우. 웨이퍼 예열은 필요하지 않으므로, 공정 흐름을 간단화시킨다. 이와 같은 웨이퍼 예열법을 사용하지 않고 스핀 온 도포법을 사용하는 경우, 스핀 상태는 온도 조절된 스핀너를 필요로 하지 않을 것이다.The multisolvent method can be combined or replaced with alternative methods. This replacement reduces the sol viscosity in use at elevated temperatures. The viscosity of the precursor sol can be significantly lowered by heating and / or diluting the precursor during deposition (eg, by heating the transfer line and deposition nozzle in the wafer spin state). This preheating not only lowers the sol viscosity, but also speeds up the gelation time and accelerates the evaporation of any high volatile solvent. It may be desirable to preheat the wafer. Such wafer preheating can improve process control, especially for more viscous precursors, which can improve gap filling. However, for many uses. No wafer preheating is required, which simplifies the process flow. If spin-on coating is used without such a wafer preheating method, the spin state will not require a temperature controlled spinner.

이와 같은 간단한 박막 에어로겔 제조 방법으로 제조된 건조 겔은 다수의 용도에서 사용할 수 있다. 이와 같은 용도의 일부는 선행 기술의 방법을 사용하여서는 비용면에서 효율적인 방법이 아닐 수 있다. 이와 같은 용도는 저유전 상수 박막 (특히 반도체 기재상의), 모형화된 화학적 센서, 열적 단리 구조물, 및 열적 단리층 (적외선 검출기에서의 열적 단리 구조물을 포함)을 포함한다. 일반적인 규칙으로써, 다수의 저유전 상수 박막은 다공도 60% 초과인 것이 바람직하고, 임계적인 용도로는 다공도 80 또는 90% 초과인 것이 바람직하므로, 유전 상수에서의 실질적인 감소를 나타낸다. 그러나, 구조적인 강도 및 상태 측정은 실제 다공도를 90% 이하로 제한할 수 있다. 열적 단리 구조물 및 열적 단리 층을 포함하는 일부의 용도는 고강도 및 강성을 위하여 일부 다공도를 손실시키는 것을 필요로 할 수 있다. 이들 보다 높은 강성 요건은 다공도 30 또는 45%로 낮은 유전성을 필요로 할 수 있다. 그 이외의 고강도/인성 용도, 특히 센서와 같은 용도에서, 표면적이 밀도 보다 중요할 수 있는 용도에는 다공도 20 내지 40%의 저다공도 겔을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.Dry gels prepared by such a simple thin film aerogel manufacturing method can be used in many applications. Some of these uses may not be cost effective using the methods of the prior art. Such applications include low dielectric constant thin films (particularly on semiconductor substrates), modeled chemical sensors, thermal isolation structures, and thermal isolation layers (including thermal isolation structures in infrared detectors). As a general rule, many low dielectric constant thin films preferably have a porosity of greater than 60%, and for critical applications preferably a porosity of greater than 80 or 90%, thus exhibiting a substantial reduction in dielectric constant. However, structural strength and condition measurements can limit the actual porosity to 90% or less. Some uses, including thermally isolated structures and thermally isolated layers, may require the loss of some porosity for high strength and stiffness. These higher stiffness requirements may require low dielectric constants with a porosity of 30 or 45%. In other high strength / toughness applications, particularly applications such as sensors, it may be desirable to use low porosity gels with a porosity of 20-40% for applications where surface area may be more important than density.

상기 논의한 박막은 미세 전자 회로의 경우 박막 에어로겔에 중점을 둔 것이었다. 그러나, 에어로겔은 부동화 기판 상의 박막과 같은 그 이외의 용도로 유용하다. 이들 신규의 고강도인 제조하기 용이한 겔은 현재 상기 용도의 다수를 실용적으로 하고 있다. 이 용도를 위해서는 부동화 기판은 미세 전자 회로를 포함하거나 함유하지 않는 기재로서 정의되거나, 적어도 에어로겔 및 전자 부품간의 상호 작용이 없는 것이다. 이들 용도의 다수가 문헌 [Sol-Gel Science, C. J. Brinker 및 G. W. Scherer, 제14장]에 개시되어 있다. 이와 같은 부동화 용도는 광학적 코팅의 일부 유형, 보호성 코팅의 일부 유형 및 다공성 코팅의 일부 유형을 부분적으로 포함할 수 있다.The thin films discussed above were focused on thin film aerogels for microelectronic circuits. Aerogels, however, are useful for other applications, such as thin films on passivation substrates. These new high strength, easy-to-manufacture gels currently serve many of these applications. For this purpose, the passivating substrate is defined as a substrate with or without a microelectronic circuit, or at least no interaction between the aerogel and the electronic component. Many of these uses are disclosed in Sol-Gel Science, C. J. Brinker and G. W. Scherer, Chapter 14. Such passivating applications may partially include some types of optical coatings, some types of protective coatings, and some types of porous coatings.

반사 방지 (AR) 코팅은 광범위한 다공도를 필요로 할 수 있다. 이들인 전형적으로는 20% 다공도 내지 70% 다공도 범위일 수 있으나, 적당한 표면 보호가 존재하는 경우 보다 높은 다공도 (90% 이상)가 유용할 수 있으며, 고성능 코팅 또는 고굴절 지수를 사용한 기판 상의 코팅에서는 보다 낮은 다공도 (10% 미만, 또는 이하)가 유용할 수 있다. 일부 단일 층 AR 코팅의 경우, 다공도 30% 내지 55%인 겔을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 단일층 AR 코팅의 경우, 다공도 30% 내지 55%인 겔을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 고성능, 다층 AR 코팅은 기재에 인접한 층이 보다 고밀도인 것 (예를 들면, 다중도 10% 내지 30%), 공기 계면에 인접한 층이 덜 조밀한 것 (예를 들면, 다공도 45% 내지 90%)이 바람직하다. 고강도/인성 용도의 경우, 특히 고강도 및 표면적이 주요 목적인 경우, 다공도 20% 내지 40%의 저다공도 겔을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그 이외의 박막 코팅은 가장 낮은 밀도를 필요로 할 수 있으므로, 85% 초과, 90% 또는 심지어 95%의 다공도를 필요로 할 수 있다.Anti-reflective (AR) coatings may require a wide range of porosity. These may typically range from 20% porosity to 70% porosity, but higher porosity (90% or more) may be useful if suitable surface protection is present, and is more preferred for high performance coatings or coatings on substrates with high refractive indexes. Low porosity (less than 10%, or less) may be useful. For some single layer AR coatings, it may be desirable to use gels having a porosity of 30% to 55%. For some monolayer AR coatings, it may be desirable to use gels having a porosity of 30% to 55%. High performance, multilayer AR coatings have a higher density of layers adjacent to the substrate (eg, multiplicity of 10% to 30%), less dense layers adjacent to the air interface (eg, 45% to 90% porosity). Is preferred. For high strength / toughness applications, it may be desirable to use low porosity gels with a porosity of 20% to 40%, especially where high strength and surface area are the main objectives. Other thin film coatings may require the lowest density and therefore require porosity of greater than 85%, 90% or even 95%.

또한 이와 같은 신규한 고강도, 제조하기 용이한 에어로겔이 유용할 수 있는 다수의 벌크 겔 용도가 있다. 이들 벌크 겔 용도는 나노 다공성 (예를 들면, 분자)체, 방열재, 촉매 지지체, 흡착제, 방음재 및 광분리 막을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 일반적으로, 다수의 벌크 용도는 다공도 60% 초과인 것이 바람직하고, 임계적인 용도로는 다공도 80% 또는 90% 초과인 것이 바람직하다. 그러나, 구조적 강도 및 상태 측정은 실제 다공도 95% 이하로 제한될 수 있다. 체를 포함하는 일부 용도에는 고강도 및 강성을 위하여 다공도를 약간 손실시키는 것이 필요할 수 있다. 이들 고강성 요건은 다공도가 30 또는 45% 정도로 낮은 유전체를 필요로 할 수 있다. 촉매 지지체 및 센서를 포함하는 고강도/강성 용도의 경우, 표면적은 밀도 이상으로 중요할 수 있으며, 다공도 20% 내지 40%의 저다공도 겔을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.There are also a number of bulk gel applications where such novel high strength, easy to prepare airgels may be useful. These bulk gel applications include, but are not limited to, nanoporous (eg, molecular) bodies, heat sinks, catalyst supports, adsorbents, sound insulation materials, and optical separation membranes. In general, many bulk applications preferably have a porosity greater than 60% and critical applications preferably have a porosity greater than 80% or 90%. However, structural strength and condition measurements can be limited to less than 95% of actual porosity. Some applications involving sieves may require some loss of porosity for high strength and stiffness. These high stiffness requirements may require dielectrics with porosities as low as 30 or 45%. For high strength / rigid applications including catalyst supports and sensors, the surface area may be important beyond density, and it may be desirable to use low porosity gels with a porosity of 20% to 40%.

전형적인 졸-겔 박막 공정은 건조시에 붕괴되고 조밀화되어 제한된 다공도 (큰 공극 크기에는 60% 이하, 관심 대상인 공극 크기에는 일반적으로 50%)을 갖는 건조 겔을 형성시킨다. 건조 겔 막 형성의 조절되지 않은 건조 조건하에, 다수의 내부 공극이 영구적으로 붕괴된다. 그러나, 박막 에어로겔 형성의 경우, 최종 밀도에 영향을 주는 노화 및(또는) 건조 중의 소량의 수축이 있을 수는 있으나, 공극은 실질적으로 붕괴되지 않은 상태로 잔류한다.Typical sol-gel thin film processes collapse and densify on drying to form dry gels with limited porosity (up to 60% for large pore sizes, generally 50% for pore sizes of interest). Under uncontrolled drying conditions of dry gel film formation, many internal voids are permanently collapsed. However, for thin film aerogel formation, there may be a small amount of shrinkage during aging and / or drying affecting the final density, but the voids remain substantially unbroken.

도 12a에는 반도체 기판 (10) (전형적으로는 웨이퍼 형태인)이 나타나 있다. 통상적인 기판은 규소, 게르마늄 및 비소화 갈륨을 포함하며, 기판은 유효 장치, 저수준의 와이어링 및 절연층 및 나타내지는 않았으나 당분야에 공지되어 있는 다수의 기타 통상적인 구조물을 포함할 수 있다. 다수의 패턴화된 도체 (12) (예를 들면, Al-0.5% Cu 조성물)가 기판 (10)에 나타나 있다. 도체 (12)는 전형적으로 적어도 부분적으로는 그의 길이 방향에 평행하게 주행하여, 소정 폭 (전형적으로는 미크론 분획)의 갭 (13)에 의해 분리된다. 도체 및 갭은 모두 나타낸 것 이상의 높이 대 폭 비를 가질 수 있으며, 전,형적으로 보다 큰 비는 보다 소형인 특성 크기를 갖는 장치에서 일반적으로 발견된다.12A shows a semiconductor substrate 10 (typically in the form of a wafer). Typical substrates include silicon, germanium, and gallium arsenide, and the substrate can include effective devices, low level wiring and insulation layers, and many other conventional structures not shown but known in the art. A number of patterned conductors 12 (eg, Al-0.5% Cu compositions) are shown on the substrate 10. The conductor 12 typically travels at least partially parallel to its longitudinal direction, separated by a gap 13 of a predetermined width (typically a micron fraction). Both conductors and gaps may have a height-to-width ratio above that shown, and typically larger ratios are commonly found in devices with smaller characteristic sizes.

본 발명의 제1 실시 태양에 따르면, 61.0 ㎖ 테트라에톡시실란 (TEOS), 61.0 ㎖ 글리세롤, 4.87 ㎖ 물 및 0.2㎖ 1M HNO3를 혼합시키고, ∼60℃에서 1.5시간 동안 환류하여 원료 용액을 형성시킨다. 유사하게, 0.27 ㏖ TEOS, 0.84 ㏖ 글리세롤, 0.27 ㏖ 물 및 2.04E-4 ㏖ HNO3를 혼합시키고, ∼60℃에서 1.5시간 동안 환류한다. 원료 용액을 냉각시킨 후, 용액을 에탄올로 희석시켜 점도를 감소시킬 수 있다. 적당한 원료 용액:용매비의 하나는 1:8이다. 그러나, 이 비는 목적 막 두께, 스핀 속도 및 기판에 따른다. 이를 격렬하게 혼합시키고, ∼7℃의 냉장 장치에서 보존하여 사용시까지 안정성을 유지시킨다. 용액을 전형적으로 막 증착 전에 실온으로 가온한다. 이 전구체 졸 3 내지 5 ㎖를 실온에서 기판 (10)으로 분배시키고, 이어서 l500 내지 5000 rpm (목적 막 두께에 따름)으로 약 5 내지 10 초 동안 스핀하여 졸 박막 (14)를 형성시킬 수 있다. 증착을 용매 포화의 특별한 조절 없이 대기 중에서 수행할 수 있다 (예를 들면, 비발열성 습도 조절을 사용하는 청정실 내에서). 이와 같은 증착 및 스피닝 도중 및 후에, 에탄올, 물 및 질산을 막 (14)로부터 증발시키나, 글리세롤의 저휘발성으로 인하여, 글리세롤의 실질적인 증발은 일어나지 않는다. 이와 같은 증발은 일시적으로 박막을 냉각시키나, 증발 속도를 강하시킨 후 막 온도가 수초 내에 상승한다. 상기 냉각은 겔화를 지연시키나, 방지하지는 않는다. 이 증발은 박막 (14)를 수축시키고, 졸의 실리카 함량을 농축시켜 두께가 감소된 막 (18)을 형성시킨다. 도 12b는 에탄올을 실질적으로 모두 (약 95% 이상) 제거시킨 후 수득된 감소된 두께의 졸 막 (18)을 나타낸다. 이와 같은 막의 농축, 증발성 염기화 및(또는) 재가온은 전형적으로 수초 내에 겔화를 야기시킨다.According to the first embodiment of the present invention, 61.0 ml tetraethoxysilane (TEOS), 61.0 ml glycerol, 4.87 ml water and 0.2 ml 1M HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours to form a raw material solution. Let's do it. Similarly, 0.27 mol TEOS, 0.84 mol glycerol, 0.27 mol water and 2.04E-4 mol HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours. After cooling the raw material solution, the solution may be diluted with ethanol to reduce the viscosity. One suitable raw material solution: solvent ratio is 1: 8. However, this ratio depends on the desired film thickness, spin rate and substrate. It is mixed vigorously, stored in a refrigeration apparatus at ˜7 ° C. to maintain stability until use. The solution is typically warmed to room temperature before film deposition. 3 to 5 ml of this precursor sol can be dispensed to the substrate 10 at room temperature and then spun at l500 to 5000 rpm (depending on the target film thickness) for about 5 to 10 seconds to form the sol thin film 14. Deposition can be carried out in the atmosphere without particular control of solvent saturation (eg in a clean room using non-pyrogenic humidity control). During and after such deposition and spinning, ethanol, water and nitric acid are evaporated from the membrane 14, but due to the low volatility of glycerol, no substantial evaporation of glycerol occurs. This evaporation temporarily cools the thin film, but the film temperature rises within seconds after the evaporation rate is lowered. The cooling delays but does not prevent gelation. This evaporation shrinks the thin film 14 and concentrates the silica content of the sol to form a film 18 having a reduced thickness. 12B shows the reduced thickness sol film 18 obtained after substantially all of the ethanol has been removed (at least about 95%). Concentration, evaporative basicization, and / or reheating of such membranes typically results in gelation in seconds.

막 (18)은 겔화점에서 공극 유체에 대한 규소의 대략 공지된 비를 갖는다. 이 비는 비소 증착된 졸 중에서 글리세롤에 대한 TEOS의 비와 거의 동일하다 (잔류 수분, 계속된 반응 및 부수적인 증발에 기인한 약간의 변화를 수반한다). 이 방법은 겔을 영구 붕괴로부터 방지하므로, 이 비는 졸 박막으로부터 제조될 수 있는 에어로겔 막의 밀도를 결정한다.Membrane 18 has an approximately known ratio of silicon to pore fluid at the gel point. This ratio is about the same as the ratio of TEOS to glycerol in the arsenic deposited sol (accompanied by slight changes due to residual moisture, continued reaction and incidental evaporation). Since this method prevents the gel from permanent collapse, this ratio determines the density of the aerogel membrane that can be prepared from the sol thin film.

겔화 후, 박막 습윤 겔 (18)은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하며, 바람직하게는 예를 들면, 실온에서 약 1일과 같이, 1 이상의 조절된 온도에서 노화시키기 위한 시간이 허용될 수 있다. 공극 유체가 프로세싱 중에 어느 정도 변화되는 지에 주의하여야 한다. 상기 변화들은 계속된 반응, 증발/축합, 또는 박막에 대한 화학적 첨가물에 기인한 것일 수 있다. 노화는 바람직하게는 기판 및 겔을 약 25℃에서 대략 24 시간 동안 정치시킴으로써 또는 밀폐된 용기 중에서 약 1 분 동안 130 내지 150℃로 가열함으로써 수득될 수 있다.After gelation, the thin film wet gel 18 comprises a porous solid and a pore fluid, and preferably time for aging at one or more controlled temperatures, such as, for example, about one day at room temperature, can be tolerated. Note how much void fluid changes during processing. The changes may be due to continued reactions, evaporation / condensation, or chemical additives to the thin film. Aging may preferably be obtained by allowing the substrate and gel to stand at about 25 ° C. for about 24 hours or by heating to 130-150 ° C. for about 1 minute in a closed container.

노화된 막 (18)을 초임계 유체 추출을 포함하는 다수의 방법의 하나에 의하여 실질적인 조밀화 없이 건조시킬 수 있다. 그러나, 이와 같은 신규 글리세롤 기재의 겔을 사용하는 경우, 한 교체예는 용매 교환법을 사용하여 노화 유체를 건조 유체로 교체시킨 후, 이 건조 유체로부터 막 (18)을 공기 건조시키는 것이다. 이 건조 방법은 노화 유체를 상이한 유체로 교체시키기 위하여 용매 교환법을 사용한다. 이 유체가 노화액과 동일하거나 상이하거나 간에, 건조 중에 존재하는 공극 유체는 종종 "건조 유체"로 칭한다. 사용시, 용매 교환법은 글리세롤 및 그에 수반된 고표면 장력이 우세한 노화 유체를 저표면 장력을 갖는 건조 유체로 교체시킨다. 이 용매 교환법은 1 또는 2 단계 공정으로써 수행할 수 있다. 2 단계 공정에서, 제1 단계는 실온 (또는 그 이상)에서 대략 3 내지 8 ㎖의 에탄올을 노화된 박막 (18)로 분취시킨 후, 대략 50 내지 500 rpm으로 약 5 내지 10초 동안 웨이퍼를 스피닝함으로써 노화 유체를 중간체로 교체시킨다. 때때로 대부분의 노화 유체를 교체시키기 위하여 3 내지 6 스핀 온 씨퀀스 (sequence)를 필요로 한다. 제2 단계는 바람직하게는 중간체 유체를 헵탄과 같은 건조 유체로 교체시킨다. 이 단계는 바람직하게는 실온 (또는 그 이상)에서 대략 3 내지 8 ml의 헵탄을 노화 박막 (18)에 분취시킨 후, 대략 50 내지 500 rpm에서 약 5 내지 10초 동안 웨이퍼를 스피닝하는 것을 포함한다. 때때로 대부분의 중간체 유체를 교체시키기 위하여 3 내지 6 스핀 온 씨퀀스를 필요로 한다. 이 용매 교환법은 건조 전에 거의 모든 글리세를 함유 유체를 제거시킬 수 있도록 한다. 건조 유체 (이 경우에는 헵탄)를 최종적으로 습윤 겔 (18)로부터 증발시켜, 건조 나노 다공성 유전체 (건조 겔)를 형성시킨다. 막을 노화 유체에 가용성인 액체로부터 만족스럽게 건조시킬 수 있는 경우, 중간체는 필요하지 않을 것이다. 다수의 경우, 습윤 겔을 에탄올로부터, 또는 그 이외의 적당한 용매로부터 직접 건조시킬 수 있다.The aged membrane 18 can be dried without substantial densification by one of a number of methods including supercritical fluid extraction. However, when using such a novel glycerol based gel, one alternative is to replace the aging fluid with a drying fluid using a solvent exchange method and then air dry the membrane 18 from this drying fluid. This drying method uses a solvent exchange method to replace the aging fluid with a different fluid. Whether this fluid is the same as or different from the aging liquid, the void fluid present during drying is often referred to as a "drying fluid". In use, the solvent exchange method replaces aging fluids with predominantly high surface tension with glycerol and dry fluids with low surface tension. This solvent exchange can be carried out as a one or two step process. In a two step process, the first step aliquots approximately 3 to 8 ml of ethanol into the aged thin film 18 at room temperature (or higher), and then spins the wafer for about 5 to 10 seconds at approximately 50 to 500 rpm. Thereby replacing the aging fluid with an intermediate. Sometimes 3 to 6 spin on sequences are required to replace most aging fluids. The second step preferably replaces the intermediate fluid with a dry fluid such as heptane. This step preferably comprises aliquoting approximately 3-8 ml of heptane into the aging thin film 18 at room temperature (or higher), followed by spinning the wafer at approximately 50-500 rpm for about 5-10 seconds. . Sometimes 3-6 spin on sequences are required to replace most intermediate fluids. This solvent exchange method allows the removal of almost all glycerol containing fluids prior to drying. The dry fluid (in this case heptane) is finally evaporated from the wet gel 18 to form a dry nanoporous dielectric (dry gel). If the membrane can be satisfactorily dried from a liquid soluble in the aging fluid, no intermediate will be needed. In many cases, the wet gel can be dried directly from ethanol or from another suitable solvent.

이 증발은 웨이퍼 표면을 건조 유체로 거의 포화되지 않은 대기에 노출시킴으로써 수행할 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼를 실질적으로 조절되지 않은 대기 중에 존재시킬 수 있거나, 건조 기체를 대기 중에 도입시킬 수 있다. 비등을 방지하기 위하여, 건조는 바람직하게는 실온과 같이,건조 유체의 비점 보다 약간 낮은 온도에서 시작하여야 한다. 글리세롤과 같은 고비점 건조 유체를 사용하는 경우 (예를 들면, 용매 교체 없이 건조), 건조 개시 온도를 노화 온도로 또는 그 부근의 온도로 승온시킬 수 있다. 박막은 현저하게 건조되므로 (전형적으로 수초내), 이어서, 온도를 노화 유체 및 건조 유체 둘다의 비점 이상으로 승온시켜야 한다. 이 방법은 파괴적인 비등을 방지하고, 모든 유체가 제거될 때까지 안전하다. 글리세를 및 그밖의 유체들은 그들이 비등하는 것과 거의 등온에서 분해되거나 비등 대신에 분해된다. 이들 유체를 사용하면, 특히 독성 물질로 분해될 수 있는 글리세롤과 유사한 유체들은 증발된 유체 또는 건조되지 않은 웨이퍼를 과열시키지 않도록 주의하여야 한다. 건조 후, 짧은 시간 동안에 나노 다공성 유전체를 베이킹하여 (예를 들면, l5 내지 60 분 동안 300℃), 유전체 내 또는 그 위에 존재하는 유기물과 같은 임의의 잔류 물질을 제거시키도록 하는 것이 바람직하다. 이 실시 태양의 이론적인 유전 상수(표면 개질 전)은 1.3이다.This evaporation can be accomplished by exposing the wafer surface to an atmosphere that is nearly saturated with a drying fluid. For example, the wafer can be present in a substantially uncontrolled atmosphere or a dry gas can be introduced into the atmosphere. To prevent boiling, drying should preferably begin at a temperature slightly below the boiling point of the drying fluid, such as room temperature. If a high boiling point drying fluid such as glycerol is used (eg drying without solvent replacement), the drying start temperature can be raised to or near the aging temperature. Since the thin film is significantly dry (typically in seconds), the temperature must then be raised above the boiling point of both the aging fluid and the drying fluid. This method prevents destructive boiling and is safe until all fluid is removed. Glycerol and other fluids are decomposed at or near isothermal with or instead of boiling. With these fluids, care must be taken not to overheat evaporated fluids or undried wafers, especially glycerol-like fluids that can decompose into toxic substances. After drying, it is desirable to bake the nanoporous dielectric for a short time (eg, 300 ° C. for l5 to 60 minutes) to remove any residual material such as organics present in or on the dielectric. The theoretical dielectric constant (before surface modification) of this embodiment is 1.3.

유전 상수를 감소시키기 위하여, 건조 겔을 히드록실 제거화(어니일링)하는 것이 바람직하다. 이는 웨이퍼를 건조 대기 중에 헥사메틸디실라잔 (HMDS) 또는 헥사페닐디실라잔 증기와 같은 제제와 함께 두어 수행할 수 있다. HMDS는 메틸기로 건조된 겔 공극 표면에 결합된 대부분의 물 및(또는) 히트록실을 친교시킬 수 있다. 이 교체는 실온에서 또는 그 이상에서 수행할 수 있다. 이 교체는 물 및(또는) 히드록실을 제거시킬 뿐만 아니라 건조 겔을 소수성 (발수성)으로 할 수 있다. 헥사페닐디실라잔도 물 및(또는) 히트록실을 제거시켜, 건조 겔을 소수성으로 할 수 있다. 그러나, 페닐기는 약간 놀은 유전 상수에 기인하여 메틸기를 능가하는 고온 안정성을 갖는다.In order to reduce the dielectric constant, it is desirable to hydroxyl remove (anneal) the dry gel. This can be done by placing the wafer with a formulation such as hexamethyldisilazane (HMDS) or hexaphenyldisilazane vapor in a dry atmosphere. HMDS can associate most water and / or heatoxyls bound to the surface of gel pores dried with methyl groups. This replacement can be carried out at or above room temperature. This replacement can remove water and / or hydroxyl as well as make the dry gel hydrophobic (water repellent). Hexaphenyldisilazane can also remove water and / or heat hydroxyls, making the dry gel hydrophobic. However, the phenyl group has high temperature stability over the methyl group due to the slightly nominal dielectric constant.

도 13은 본 발명의 한 실시 태양에 따른 전구체 졸로부터 에어로겔 박막을 수득하는 일반적인 방법의 흐름도를 포함하고 있다. 표 3은 이 방법에서 사용하는 물질의 일부의 간단한 요약이다.FIG. 13 includes a flow chart of a general method for obtaining an aerogel thin film from a precursor sol according to one embodiment of the present invention. Table 3 is a brief summary of some of the materials used in this method.

[표 3]TABLE 3

물질 요약Substance summary

본 발명의 제2, 고밀도 실시 태양에 따르면, 150.0 ㎖ TEOS, 61.0 ㎖ 글리세를, 150.0 ㎖ 에탄올, 12.1 ㎖ 물 및 0.48 ㎖ 1M HNO3를 혼합시키고, ∼60℃에서 1.5시간 동안 환류하여 원료 용액을 형성시킨다. 유사하게, 0.67 ㏖ TEOS, 0.84 ㏖ 글리세롤, 2.57 ㏖ 에탄올, 0.67 ㏖ 물 및 4.90E-4 ㏖ HNO3를 혼합시키고, ∼ 60℃에서 1.5시간 동안 환류한다. 원료 용액을 냉각시킨 후, 용액을 에탄올로 희석시켜 점도를 감소시킬 수 있다. 적당한 원료 용액:용매비의 하나는 1:8이다. 이를 격렬하게 혼합시키고, 전형적으로는 ∼7℃에서 냉장 장치에서 보존하여 사용시까지 안정성을 유지시킨다. 용액을 막 증착 전에 실온으로 가온한다. 이 전구체 졸 3 내지 5㎖를 실온에서 기판 (10)으로 분취시킬 수 있고, 이어서 l500 내지 5000 rpm (목적 막 두께에 따름)으로 약 5내지 10초 동안 스핀시켜 졸 박막 (14)를 형성시킨다. 증착을 용매 조절 없이 대기 중에서 수행할 수 있다 (예를 들면, 비발열성 습도 조절을 사용하는 청정실내의 표준 배기). 이와 같은 증착 및 스피닝 도중 및 후에, 에탄올 (점도 감소 첨가제 및 TEOS 및 물로부터의 반응 생성물) 및 물을 막 (14)로부터 증발시키나, 글리세롤의 저휘발성으로 인하여 글리세롤의 실질적인 증발은 일어나지 않는다. 이와 같은 증발은 박막 (14)를 수축시키고, 졸의 실리카 함량을 농축시켜 감소된 두께의 막 (18)을 형성시킨다. 도 12b는 물을 실질적으로 전부 (약 95% 이상) 제거시킨 후 수득된 감소된 두께의 졸 막 (18)을 나타낸다. 이와 같은 농축은 전형적으로 수분 내에 겔화를 야기시킨다.According to a second, high density embodiment of the invention, 150.0 ml TEOS, 61.0 ml glycerol, 150.0 ml ethanol, 12.1 ml water and 0.48 ml 1M HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours to prepare the raw material solution. To form. Similarly, 0.67 mol TEOS, 0.84 mol glycerol, 2.57 mol ethanol, 0.67 mol water and 4.90E-4 mol HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours. After cooling the raw material solution, the solution may be diluted with ethanol to reduce the viscosity. One suitable raw material solution: solvent ratio is 1: 8. It is mixed vigorously, typically stored at refrigeration units at -7 ° C to maintain stability until use. The solution is allowed to warm to room temperature before film deposition. 3-5 ml of this precursor sol can be aliquoted to the substrate 10 at room temperature, followed by spin at l500-5000 rpm (depending on the target film thickness) for about 5-10 seconds to form the sol thin film 14. Deposition can be performed in the atmosphere without solvent control (eg, standard exhaust in a clean room using non-pyrogenic humidity control). During and after such deposition and spinning, ethanol (viscosity reducing additive and reaction product from TEOS and water) and water are evaporated from the membrane 14, but due to the low volatility of glycerol no substantial evaporation of glycerol occurs. This evaporation shrinks the thin film 14 and concentrates the silica content of the sol to form a film 18 of reduced thickness. 12B shows the reduced thickness sol film 18 obtained after substantially all (at least about 95%) of water has been removed. Such concentration typically causes gelation in minutes.

그 이후의 공정은 일반적으로 제1 실시 태양에 기재된 방법을 따른다. 겔화 후, 박막 습윤 겔 (18)은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하며, 바람직하게는 1 이상의 조절된 온도에서 노화를 위한 시간을 허용할 수 있다. 노화된 막 (18)은 초임계 유체 추출을 포함하는 다수의 방법 중의 하나를 사용하여 실질적인 조밀화 없이 건조시킬 수 있다. 그러나, 이들 신규 글리세롤 기재의 겔의 낮은 밀도 제제를 사용하면, 상기한 제1 실시 태양에 기재된 바와 같이 용매 교환, 이어서, 건조 유체로부터 막 (18)을 공기 건조시키는 것과 같은 비초임계 건조를 수행할 수 있으므로 바람직하다. 이어서, 제1 실시 태양에 기재된 바와 같이, 나노 다공성 유전체를 후-건조 베이킹 및(또는) 표면 개질시킬 수 있다. 이 실시 태양의 이론적인 유전 상수 (표면 개질 전)는 1.6이다.Subsequent processes generally follow the method described in the first embodiment. After gelling, the thin film wet gel 18 comprises a porous solid and a pore fluid, and may preferably allow time for aging at one or more controlled temperatures. The aged membrane 18 can be dried without substantial densification using one of a number of methods including supercritical fluid extraction. However, using low density formulations of these novel glycerol based gels, it is possible to perform non-critical drying, such as solvent exchange followed by air drying of the membrane 18 from the drying fluid as described in the first embodiment described above. It is preferable because it can. The nanoporous dielectric may then be post-dry baked and / or surface modified as described in the first embodiment. The theoretical dielectric constant (before surface modification) of this embodiment is 1.6.

본 발명의 제3, 고밀도 실시 태양에 따르면, 208.0 ㎖ TEOS, 61.0 ㎖ 글리세롤, 208.0 ㎖ 에탄올, 16.8 ㎖ 물 및 0.67 ㎖ 1M HNO3를 혼합시키고, ∼60℃에서 1.5시간 동안 환류하여 원료 용액을 형성시킨다. 유사하게, 0.93 ㏖ TEOS, 0.84 ㏖ 글리세롤, 3.56 ㏖ 에탄올, 0.93 ㏖ 물 및 6.80E-4 ㏖ HNO3를 혼합시키고, ∼ 60℃에서 1.5시간 동안 환류한다. 원료 용액을 냉각시킨 후, 용액을 에탄올로 희석시켜 점도를 감소시킬 수 있다.According to a third, high density embodiment of the invention, 208.0 ml TEOS, 61.0 ml glycerol, 208.0 ml ethanol, 16.8 ml water and 0.67 ml 1M HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours to form a stock solution Let's do it. Similarly, 0.93 mol TEOS, 0.84 mol glycerol, 3.56 mol ethanol, 0.93 mol water and 6.80E-4 mol HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours. After cooling the raw material solution, the solution may be diluted with ethanol to reduce the viscosity.

적당한 원료 용액:용매비의 하나는 1:8이다. 이를 격렬하게 혼합시키고, 전형적으로는 ∼7℃에서 냉장 장치에서 보존하여 사용시까지 안정성을 유지시킨다. 용액을 막 증착 전에 실온으로 가온한다. 이 전구체 졸 3 내지 5㎖를 실온에서 기판 (10)으로 분취시킬 수 있고, 이어서 l500 내지 5000 rpm (목적 막 두께에 따름)으로 약 5 내지 10초 동안 스핀시켜 졸 박막 (14)를 형성시킨다. 증착을 용매 조절 없이 대기 중에서 수행할 수 있다 (예를 들면, 비발열성 습도 조절을 사용하는 청정실내의 표준 배기). 이와 같은 증착 및 스피닝 도중 및 후에, 에탄올 및 물을 막 (14)로부터 증발시키나, 글리세롤의 저휘발성으로 인하여 글리세롤의 실질적인 증발은 일어나지 않는다. 이와 같은 증발은 박막 (14)를 수축시키고, 졸의 실리카 함량을 농축시켜 감소된 두께의 막 (18)을 형성시킨다. 도 12b는 물을 실질적으로 전부 (약 95% 이상) 제거시킨 후 수득된 감소된 두께의 졸 막 (18)을 나타낸다. 이와 같은 농축은 전형적으로 수분 내에 겔화를 야기시킨다.One suitable raw material solution: solvent ratio is 1: 8. It is mixed vigorously, typically stored at refrigeration units at -7 ° C to maintain stability until use. The solution is allowed to warm to room temperature before film deposition. 3-5 ml of this precursor sol can be aliquoted to the substrate 10 at room temperature and then spun at l500-5000 rpm (depending on the target film thickness) for about 5-10 seconds to form the sol thin film 14. Deposition can be performed in the atmosphere without solvent control (eg, standard exhaust in a clean room using non-pyrogenic humidity control). During and after such deposition and spinning, ethanol and water are evaporated from the membrane 14, but due to the low volatility of glycerol no substantial evaporation of glycerol occurs. This evaporation shrinks the thin film 14 and concentrates the silica content of the sol to form a film 18 of reduced thickness. 12B shows the reduced thickness sol film 18 obtained after substantially all (at least about 95%) of water has been removed. Such concentration typically causes gelation in minutes.

그 이후의 공정은 일반적으로 제1 실시 태양에 기재된 방법을 따른다. 겔화 후, 박막 습윤 겔 (18)은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하며, 바람직하게는 1 이상의 조절된 온도에서 노화 기간이 존재할 수 있다. 노화는 장치를 대략 24 시간 동안 25℃에서 정치시킴으로써 수행할 수 있다. 노화된 막 (l8)은 초임계 유체 추출 또는 공기 건조가 수반되는 용매 교환을 다수의 방법 중의 하나를 사용하여 실질적인 조밀화 없이 건조시킬 수 있다. 그러나, 특히 이들 신규 글리세롤 기재의 겔의 고밀도 제제의 경우, 노화 유체로부터 막 (18)을 공기 건조시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 직접 건조 방법에서, 웨이퍼 표면을 건조 유체로 거의 포화되지 않은 대기에 노출시킨다. 간단한 방법은 저부피 노화 챔버로부터 덮개를 제거하여, 겔 표면을 실질적으로 비조절된 대기에 노출시키는 것이다. 그 이외의 방법에서는 건조 기체를 노화 챔버 또는 대기 중으로 도입시킨다. 이 직접 건조방법을 사용하면, 건조 개시 온도를 노화 온도 또는 그 부근으로 승온시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 고온 건조는 표면 장력 및 수반된 수축을 감소시키며, 건조를 신속하게 하고, 공정을 간단화시킨다. 박막은 현저하게 건조되므로 (전형적으로 고온 건조의 경우, 수초내), 이어서, 온도를 노화 유체 및 건조 유체 둘다의 비점 이상으로 승온시켜야 한다 (이들은 종종 동일한 유체이다). 이 방법은 파괴적인 비등을 방지하여 모든 유체가 제거될 때까지 안전하다. 이 방법의 건조 유체는 독성 물질로 분해될 수 있는 글리세롤을 포함하므로, 증발된 유체 또는 건조되지 않은 웨이퍼를 과열시키지 않도록 주의하여야 한다. 제1 실시 태양에 기재한 바와 같이 나노 다공성 유전체를 후-건조 베이킹 및(또는) 표면 개질시킬 수 있다. 이 실시 태양의 이론적인 유전 상수 (표면 개질 전)는 1.76이다.Subsequent processes generally follow the method described in the first embodiment. After gelation, the thin film wet gel 18 comprises a porous solid and a pore fluid, and preferably there may be an aging period at one or more controlled temperatures. Aging can be performed by allowing the device to stand at 25 ° C. for approximately 24 hours. Aged membrane 18 can be dried without substantial densification using one of a number of methods, solvent exchange involving supercritical fluid extraction or air drying. However, especially for high density formulations of these novel glycerol based gels, it is desirable to air dry the membrane 18 from the aging fluid. In this direct drying method, the wafer surface is exposed to an atmosphere that is almost saturated with a drying fluid. A simple method is to remove the cover from the low volume aging chamber, exposing the gel surface to a substantially uncontrolled atmosphere. In other methods, the drying gas is introduced into the aging chamber or the atmosphere. Using this direct drying method, it may be desirable to raise the drying start temperature to or near the aging temperature. This high temperature drying reduces surface tension and accompanying shrinkage, speeds up drying and simplifies the process. Since the thin film dries significantly (typically in seconds for high temperature drying), the temperature must then be raised above the boiling point of both the aging fluid and the drying fluid (these are often the same fluid). This method prevents destructive boiling and is safe until all fluid is removed. The drying fluid of this method contains glycerol, which can be broken down into toxic substances, so care must be taken not to overheat the evaporated fluid or the undried wafer. Nanoporous dielectrics may be post-dry baked and / or surface modified as described in the first embodiment. The theoretical dielectric constant (before surface modification) of this embodiment is 1.76.

본 발명의 제4 실시 태양에 따르면, 278.0 ㎖ TEOS, 61.0 ㎖ 글리세롤, 278.0 ㎖ 에탄올, 22.5 ㎖ 물 및 0.90㎖ 1M HNO3를 혼합시키고, ∼60℃에서 1.5시간 동안 환류하여 원료 용액을 형성시킨다. 유사하게, 1.23 ㏖ TEOS, 0.84 ㏖ 글리세롤, 4.76 ㏖ 에탄올, 1.25 ㏖ 물 및 9.1E-4 ㏖ HNO3를 혼합시키고, ∼ 60℃에서 1.5시간 동안 환류한다. 원료 용액을 냉각시킨 후, 용액을 에탄올로 희석시켜 점도를 감소시킬 수 있다. 적당한 원료 용액:용매비의 하나는 1:8이다. 이를 격렬하게 혼합시키고, 전형적으로는 ∼7℃에서 냉장 장치에서 보존하여 사용시까지 안정성을 유지시킨다. 용액을 막 증착 전에 실온으로 가온한다. 이 전구체 졸 3 내지 5 ㎖를 실온에서 기판 (10)으로 분취시킬 수 있고, 이어서 l500 내지 5000 rpm (목적 막 두께에 따름)으로 약 5 내지 10초 동안 스핀시켜 졸 박막 (14)를 형성시킨다. 중착을 용매 조절 없이 대기 중에서 수행할 수 있다 (예를 들면, 비발열성 습도 조절을 사용하는 청정실내의 표준 배기). 이와 같은 증착 및 스피닝 도중 및 후에 에탄올 및 물을 막 (14)로부터 증발시키나, 글리세롤의 저휘발성으로 인하여 글리세롤의 실질적인 증발은 일어나지 않는다. 이와 같은 증발은 박막 (14)를 수축시키고, 졸의 실리카 함량을 농축시켜 감소된 두게의 막 (18)을 형성시킨다. 도 12b는 물을 실질적으로 전부 (약 95% 이상) 제거시킨 후 수득된 감소된 두께의 졸 막 (18)을 나타낸다. 이와 같은 농축은 전형적으로 수분 내에 겔화를 야기시킨다.According to the fourth embodiment of the present invention, 278.0 ml TEOS, 61.0 ml glycerol, 278.0 ml ethanol, 22.5 ml water and 0.90 ml 1M HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours to form a stock solution. Similarly, 1.23 mol TEOS, 0.84 mol glycerol, 4.76 mol ethanol, 1.25 mol water and 9.1E-4 mol HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours. After cooling the raw material solution, the solution may be diluted with ethanol to reduce the viscosity. One suitable raw material solution: solvent ratio is 1: 8. It is mixed vigorously, typically stored at refrigeration units at -7 ° C to maintain stability until use. The solution is allowed to warm to room temperature before film deposition. 3 to 5 ml of this precursor sol can be aliquoted to the substrate 10 at room temperature and then spun at l500 to 5000 rpm (depending on the target film thickness) for about 5 to 10 seconds to form the sol thin film 14. Desorption can be carried out in the atmosphere without solvent control (eg standard exhaust in a clean room using non-pyrogenic humidity control). Ethanol and water are evaporated from the membrane 14 during and after such deposition and spinning, but no substantial evaporation of glycerol occurs due to the low volatility of glycerol. This evaporation shrinks the thin film 14 and concentrates the silica content of the sol to form a reduced thick film 18. 12B shows the reduced thickness sol film 18 obtained after substantially all (at least about 95%) of water has been removed. Such concentration typically causes gelation in minutes.

그 이후의 공정은 일반적으로 제3 실시 태양에 기재된 방법을 따른다. 겔화 후, 박막 습윤 겔 (18)은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하며, 바람직하게는 1 이상의 조절된 온도에서 노화 기간이 존재할 수 있다. 노화된 막 (18)은 초임계 유체 추출을 포함한 다수의 방법 중의 하나를 사용하여 실질적인 조밀화 없이 건조시킬 수 있다. 그러나, 제3 실시 태양에 기재된 바와 같이 노화 유체로부터 막 (18)을 공기 건조시키는 것이 바람직할 수 있다. 이어서, 나노 다공성 유전체를 제1 실시 태양에 기재된 바와 같이 후-건조 베이킹 및(또는) 표면 개질시킬 수 있다 이 실시 태양의 이론적인 유전 상수 (표면 개질 전)는 1.96이다.Subsequent processes generally follow the method described in the third embodiment. After gelation, the thin film wet gel 18 comprises a porous solid and a pore fluid, and preferably there may be an aging period at one or more controlled temperatures. The aged membrane 18 can be dried without substantial densification using one of a number of methods including supercritical fluid extraction. However, it may be desirable to air dry the membrane 18 from the aging fluid as described in the third embodiment. The nanoporous dielectric may then be post-dry baked and / or surface modified as described in the first embodiment. The theoretical dielectric constant (prior to surface modification) of this embodiment is 1.96.

본 발명의 제5 실시 태양에 따르면, 609.0 ㎖ TEOS, 6100 ㎖ 글리세롤, 609.0 ㎖ 에탄올, 49.2 ㎖ 물 및 1.97 ㎖ 1M HNO3를 혼합시키고, ∼60℃에서 1.5시간 동안 환류하여 원료 용액을 형성시킨다. 유사하게, 2.73 ㏖ TEOS, 0.84 ㏖ 글리세롤, 10.4 ㏖ 에탄올, 2.73 ㏖ 물 깃 2.70E-3 mot HNO1를 혼합시키고, ∼ 60℃에서 1,5시간 동안 환류한다. 원료 용액을 냉각시킨 후, 용액을 에탄올로 희석시켜 점도를 감소시킬 수 있다. 적당한 원료 용액:용매비의 하나는 1:8이다. 이를 격렬하게 혼합시키고, 전형적으로는 ∼7℃에서 냉장 장치에서 보존하며 사용시까지 안정성을 유지시킨다. 용액을 막 증착 전에 실온으로 가온한다. 이 전구체 졸 3 내지 5 ㎖를 실온에서 기관 (10)으로 분취시킬 수 있고, 이어서 l500 내지 5000 rpm (목적 막 두께에 따름)으로 약 5 내지 10초 동안 스핀시켜 졸 박막 (14)를 형성시킨다. 증착을 용매 조절 없이 대기 중에서 수행할 수 있다 (예를 들면, 비발열성 습도 조절을 사용하는 청정실내의 표준 배기). 이와 같은 증착 및 스피닝 도중 및 후에 에탄올 및 물을 막 (14)로부터 증발시키나, 글리세롤의 저휘발성으로 인하여 글리세롤의 실질적인 증발은 일어나지 않는다. 이와 같은 증발은 박막 (14)를 수축시키고, 졸의 실리카 함량을 농축시켜 감소된 두께의 막 (18)을 형성시킨다. 도 12b는 물을 실질적으로 전부 (약 95% 이상) 제거시킨 후 수득된 감소된 두께의 졸 막 (18)을 나타낸다. 이와 같은 농축은 전형적으로 수분 내에 겔화를 야기시킨다.According to a fifth embodiment of the present invention, 609.0 ml TEOS, 6100 ml glycerol, 609.0 ml ethanol, 49.2 ml water and 1.97 ml 1M HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours to form a stock solution. Similarly, 2.73 mol TEOS, 0.84 mol glycerol, 10.4 mol ethanol, 2.73 mol water feather 2.70E-3 mot HNO1 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1,5 hours. After cooling the raw material solution, the solution may be diluted with ethanol to reduce the viscosity. One suitable raw material solution: solvent ratio is 1: 8. It is mixed vigorously, typically stored at refrigeration apparatus at ˜7 ° C. and maintained stable until use. The solution is allowed to warm to room temperature before film deposition. 3-5 ml of this precursor sol can be aliquoted into the engine 10 at room temperature, followed by spin at l500-5000 rpm (depending on the target film thickness) for about 5-10 seconds to form the sol thin film 14. Deposition can be performed in the atmosphere without solvent control (eg, standard exhaust in a clean room using non-pyrogenic humidity control). Ethanol and water are evaporated from the membrane 14 during and after such deposition and spinning, but no substantial evaporation of glycerol occurs due to the low volatility of glycerol. This evaporation shrinks the thin film 14 and concentrates the silica content of the sol to form a film 18 of reduced thickness. 12B shows the reduced thickness sol film 18 obtained after substantially all (at least about 95%) of water has been removed. Such concentration typically causes gelation in minutes.

그 이후의 공정은 일반적으로 제3 실시 태양에 기재된 방법을 따른다. 겔화 후, 박막 습윤 겔 (18)은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하며, 바람직하게는 1 이상의 조절된 온도에서 노화 기간이 존재할 수 있다. 노화된 막 (18)은 초임계 유체 추출을 포함하는 다수의 방법 중의 하나를 사용하여 실질적인 조밀화 없이 건조시킬 수 있다. 그러나, 제3 실시 태양에 기재된 바와 같이 노화 유체로부터 막 (18)을 공기 건조시키는 것이 바람직할 수 있다. 이어서, 나노 다공성 유전체를 제1 실시 태양에 기재된 바와 같이 후-건조 베이킹 및(또는) 표면 개질 시킬 수 있다. 이 실시 태양의 이론적인 유전 상수 (표면 개질 전)는 2.5이다.Subsequent processes generally follow the method described in the third embodiment. After gelation, the thin film wet gel 18 comprises a porous solid and a pore fluid, and preferably there may be an aging period at one or more controlled temperatures. The aged membrane 18 can be dried without substantial densification using one of a number of methods including supercritical fluid extraction. However, it may be desirable to air dry the membrane 18 from the aging fluid as described in the third embodiment. The nanoporous dielectric may then be post-dry baked and / or surface modified as described in the first embodiment. The theoretical dielectric constant (before surface modification) of this embodiment is 2.5.

그밖의 반응물 비에 대한 용매의 비를 상이한 다공도/유전 상수를 제공하는 데 사용할 수 있다. 도 14는 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비와 증착된 졸로부터 모든 에탄올이 증발되는 경우의 나노 다공성 유전체의 다공도간의 이론적인 관계를 나타낸다. 전형적으로는, 고다공도 글리세롤 기재의 겔 (일반적으로 약 0.51g/㏄ 미만)은 용매 교환법 또는 건조 중의 수축을 감소시키는 그 이외의 방법이 바람직하다. 한편, 저다공도 겔은 조기 겔화를 방지하기 위한 주의를 요한다. 이는 pH 조절, 온도 조절 또는 당분야에 공지된 그 이외의 방법을 포함할 수 있다. 일부 용도에서, 겔화 후 고휘발성 용매 증발도 무방할 수 있다.The ratio of solvent to other reactant ratios can be used to provide different porosity / dielectric constants. FIG. 14 shows the theoretical relationship between the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms and the porosity of the nanoporous dielectric when all ethanol evaporates from the deposited sol. Typically, high porosity glycerol based gels (generally less than about 0.51 g / dl) are preferred by solvent exchange or other methods of reducing shrinkage during drying. On the other hand, low porosity gels require attention to prevent premature gelation. This may include pH control, temperature control or other methods known in the art. In some applications, evaporation of the high volatility solvent may also be acceptable.

상기한 바와 같이, 고밀도 글리세롤 기재의 겔 (일반적으로 약 0.64 g/㏄ 초과)을 노화시키고, 용매 교환법을 사용하지 않고도 거의 수축 없이 건조시킬 수 있다. 노화되지 않은 웨이퍼를 소부피 퍼니스 (furnace), 또는 고온 판에서 수행할 수 있는 작은 용기내에 둘 수 있다. 선택적인 배출 후에, 용기를 실온에서 밀봉한다. 용기를 밀봉한 채로 두고 온도 구배를 이룰 때, 막을 신속하게 노화시키고, 노화/건조 유체 점도를 저하시킨다. 충분한 노화 후 (온도 구배 중), 겔은 건조시키기 용이하다. 글리세롤의 비점 부근의 온도에서, 글리세롤 점도는 퍼니스 분위기 중의 글리세롤을 제거시키고 막을 직접 건조시킬 수 있도록 충분히 낮아야 한다 (미리 측정된 다공도의 노화 막의 다공도에 비하여). 가장 요구되는 낮은 밀도 용도에서 글리세롤의 비점 이상으로 건조 온도를 승온시킴으로써 약간 낮은 표면 장력을 수득할 수 있다. 이 경우, 퍼니스는 압력을 유지시킬 필요가 있다 (대부분의 부 임계 건조 상태는 1 내지 3 MPa의 압력으로 처리할 수 있다). 추가로, 퍼니스 분위기 중의 글리세롤을 특히 처음에는 서서히 제거시키도륵 주의를 기울일 필요가 있다. 퍼니스 분위기 중의 글리세롤을 예를 들면, 압력을 배출시킴으로써, 진공 펌프에 의해, 또는 기체를 사용하여 글리세롤을 배출시킴으로써 제거시킬 수 있다. 퍼니스 온도를 일정하게 유지시키거나, 글리세롤이 제거되는 동안 계속 승온시킬 수 있다 (퍼니스는 글리세롤을 기체로 배출시키면서 베이킹 온도 이하로 구배시킬 수 있다). 일부 글리세롤을 가열 중에 도입시켜 막으로부터의 증발을 최소화시킬 수 있으나, 바람직한 것은 퍼니스 부피가 가열 중의 글리세롤 도입 없이도 증발이 막 두께를 크게 감소시키지 않도록 충분히 낮은 것이다. 막이 일시적인 수축을 제거시키기 위하여 초임계 건조를 요하는 경우, 당 분야에 공지된 CO2용매 교환을 사용하는 것이 바람직하다.As noted above, gels based on high density glycerol (generally greater than about 0.64 g / dl) can be aged and dried almost without shrinkage without the use of solvent exchange. Unaged wafers can be placed in small volume furnaces, or in small containers that can be run on hot plates. After selective draining, the container is sealed at room temperature. When a temperature gradient is achieved with the vessel sealed, the membrane quickly ages and the aging / drying fluid viscosity is lowered. After sufficient aging (during the temperature gradient), the gel is easy to dry. At temperatures near the boiling point of glycerol, the glycerol viscosity should be low enough to remove glycerol in the furnace atmosphere and allow the membrane to dry directly (relative to the porosity of the aging membrane of pre-measured porosity). A slightly lower surface tension can be obtained by raising the drying temperature above the boiling point of glycerol in the most desired low density applications. In this case, the furnace needs to maintain pressure (most subcritical dry conditions can be treated with a pressure of 1 to 3 MPa). In addition, it is necessary to pay attention to the removal of glycerol in the furnace atmosphere, especially at first. Glycerol in the furnace atmosphere can be removed, for example, by evacuating the pressure, by a vacuum pump, or by evacuating the glycerol using a gas. The furnace temperature can be kept constant, or the temperature can be kept elevated while the glycerol is removed (the furnace can be ramped below the baking temperature while glycerol is released as a gas). Some glycerol can be introduced during heating to minimize evaporation from the membrane, but the preferred is that the furnace volume is low enough so that evaporation does not significantly reduce the film thickness without the introduction of glycerol during heating. If the membrane requires supercritical drying to eliminate temporary shrinkage, preference is given to using CO 2 solvent exchange known in the art.

동일한 원료 용액을 박막 에어로겔로서 벌크 에어로겔에 대하여 사용할 수 있으나, 공정은 실질적으로 상이하다. 상이한 원료 용액 혼합물을 사용하는 경우, 하기 실시예는 상이한 다공도를 갖는 벌크 겔을 제공하도록 채택될 수 있다. 본 발명의 벌크 에어로겔에 따르면, 278.0 ㎖ TEOS, 61.0 ㎖ 글리세롤, 208.0 ㎖ 에탄올, 16.8 ㎖ 물 및 0.67 ㎖ 1M HNO3를 혼합시키고, ∼60℃에서 1.5시간 동안 환류하여 원료 용액을 형성시킨다. 유사하게, 0.93 ㏖ TEOS, 0.84 ㏖ 글리세롤, 3.56 ㏖ 에탄올, 0.93 ㏖ 물 및 6.80E-4 ㏖ HNO3를 혼합시키고, ∼ 60℃에서 1.5시간 동안 환류한다. 이를 전형적으로는 ∼7℃에서 냉장 장치에서 보존하여 사용시까지 안정성을 유지시킨다. 원료 용액을 주형으로 붓기 전에 바람직하게는 실온으로 가온한다. 주형으로 부은 후, 에탄올, 물 및 산을 증발시키나, 글리세롤의 저휘발성에 기인하여 글리세롤의 실질적인 증발은 일어나지 않는다. 이와 같은 증발은 원료 용액 전구체 졸의 부피를 감소시키고, 졸의 실리카 함량을 농축시킨다. 적어도 일부의 증발은 주형을 충전시키기 전에 발생할 수 있다. 이 충전 전 증발은 수축할 수 없는 주형 형태 또는 표면적이 적게 된 주형과 같이 주형의 형태가 충전 후 그 자체로서 실질적으로 증발시킬 수 없는 경우 특히 유용하다. 이 증발은 필요하지 않으나, 촉매를 사용하지 않는 신속한 겔화 및 겔화 후의 수축의 감소를 포함한 다수의 잇점이 있다.The same stock solution can be used for bulk aerogels as thin film aerogels, but the process is substantially different. When using different raw material solution mixtures, the following examples can be adapted to provide bulk gels with different porosities. According to the bulk aerogel of the present invention, 278.0 ml TEOS, 61.0 ml glycerol, 208.0 ml ethanol, 16.8 ml water and 0.67 ml 1M HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours to form a stock solution. Similarly, 0.93 mol TEOS, 0.84 mol glycerol, 3.56 mol ethanol, 0.93 mol water and 6.80E-4 mol HNO 3 are mixed and refluxed at ˜60 ° C. for 1.5 hours. It is typically stored in refrigeration units at -7 ° C to maintain stability until use. Before pouring the raw material solution into the mold, it is preferably warmed to room temperature. After pouring into the template, ethanol, water and acid are evaporated, but due to the low volatility of glycerol no substantial evaporation of glycerol occurs. This evaporation reduces the volume of the raw material solution precursor sol and concentrates the silica content of the sol. At least some evaporation may occur prior to filling the mold. This pre-evaporation is particularly useful when the form of the mold cannot be substantially evaporated on its own after filling, such as a mold form that cannot shrink or a mold with less surface area. This evaporation is not necessary, but has many advantages, including rapid gelation without the use of a catalyst and a reduction in shrinkage after gelation.

이같은 증발 후, 졸은 겔화점에서의 공극 유체에 대한 거의 공지된 실리콘 비율을 갖는다. 이같은 비율은 전구체 믹스 중 글리세롤에 대한 TEOS의 비율과 거의 일치한다(잔류수, 계속된 반응 및 부수적인 증발에 의해 작은 변화가 있음). 이같은 방법은 겔이 영구적으로 붕괴되는 것을 막으므로, 이같은 비율은 생성될 에어로겔의 밀도를 결정한다. 증발되는 동안 졸이 겔화되지 않으면, 졸은 실질적으로 모든 물, 에탄올 및 산이 증발된 직후 겔화된다.After this evaporation, the sol has a nearly known silicone ratio to the pore fluid at the gel point. This ratio is almost identical to the ratio of TEOS to glycerol in the precursor mix (small changes due to residual water, continued reactions and incidental evaporation). This method prevents the gel from permanently decaying, so this ratio determines the density of the aerogel to be produced. If the sol does not gel during evaporation, the sol gels immediately after substantially all water, ethanol and acid have evaporated.

다른 방법으로는, 주형을 채우기 전에 5 M 질산 암모늄으로 전구체를 촉매화시킬 수 있다. 이들 혼합물에서, 전형적으로 졸은 수분내에 겔화된다. 습윤 겔을 주형으로부터 제거하고 에탄올 및 물을 증발시킨다. 전형적으로, 겔은 증발되는 동안 수축된다. 그러나, 다른 요소가 완료됨에 따라 증발이 실질적으로 종료될 때 졸은 겔화점에서의 공극 유체에 대한 거의 공지된 실리콘 비를 갖는다. 이같은 비율은 전구체 믹스 중 글리세롤에 대한 TEOS의 비율과 거의 일치한다 (잔류수, 계속된 반응 깃 부수적인 증발에 의해 작은 변화가 있음). 이같은 방법은 겔이 영구적으로 붕괴되는 것을 막으므로, 이들 비는 생성될 에어로겔의 밀도를 결정한다.Alternatively, the precursor can be catalyzed with 5 M ammonium nitrate before filling the template. In these mixtures, typically the sol gels in minutes. The wet gel is removed from the mold and ethanol and water are evaporated. Typically, the gel shrinks while evaporating. However, when the evaporation is substantially terminated as other elements complete, the sol has a nearly known silicon ratio for the pore fluid at the gel point. This ratio is almost identical to the ratio of TEOS to glycerol in the precursor mix (residual water, small changes due to subsequent reaction tail incidental evaporation). Since this method prevents the gel from permanently decaying, these ratios determine the density of the aerogel to be produced.

겔화 후, 습윤 겔은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하고 바람직하게는 하나 이상의 조절된 온도에서 노화될 시간이 허용될 수 있다. 기판 및 겔을 약 25℃에서 약 24시간 동안 정치시키거나 또는 밀폐된 용기에서 5분 동안 130∼150℃로 가열하여 노화시키는 것이 바람직하다. 이같은 고온 노화 파라미터는 5 ㎜ 직경의 벌크 에어로겔에 유효하다. 그러나, 습윤 겔의 낮은 열 전도성으로 인해, 고온은 노화 시간을 가속시키고 온도 조합은 벌크 겔의 형태에 주로 좌우된다.After gelation, the wet gel may comprise porous solids and pore fluids and preferably allow time to age at one or more controlled temperatures. It is preferred to age the substrate and gel by standing at about 25 ° C. for about 24 hours or by heating to 130-150 ° C. for 5 minutes in a closed container. Such high temperature aging parameters are valid for bulk aerogels of 5 mm diameter. However, due to the low thermal conductivity of the wet gel, high temperatures accelerate the aging time and the temperature combination depends largely on the shape of the bulk gel.

초기 노화 후, 주형으로부터 겔을 제거하고 모액으로부터 직접 건조시킨다 (즉, 공극 유체는 노화 또는 건조시 용매 변화가 없는 상태로 노화 말기에 잔류함). 서서히 가온시켜 약 500℃에서 겔을 건조시킨다.After initial aging, the gel is removed from the mold and dried directly from the mother liquor (ie, the void fluid remains at the end of aging with no solvent change upon aging or drying). Warm up slowly to dry the gel at about 500 ° C.

모액으로부터 직접 건조시키는 대신, 특히 더욱 다공성인 겔을 사용하여 용매 교환시키는 것이 바람직하다.Instead of drying directly from the mother liquor, preference is given to solvent exchange, in particular using more porous gels.

이같은 용매 교환은 1 단계 또는 2 단계 공정으로 행해질 수 있다. 제1 단계에서 노화액을 중간 유체로 교환하고, 제2 단계에서는 중간 유체를 헵탄과 같은 낮은 표면 장력을 갖는 건조 유체로 교환한다. 이같은 방법에서, 겔을 주형으로부터 제거하고 에탄올을 포함하는 봉합된 관에 배치시키고 8시간 동안 50℃에서 공극 유체를 교환한다. 8시간 간격의 말기에, 겔을 에탄올로 헹군 후, 50℃ 오븐에서 순수한 에탄올에 저장한다. 상기와 같은 간격으로 3 내지 6회 후, 유사한 방법으로 에탄올을 헥산으로 교환한다. 건조시키기 전 이같은 용매 교환 방법으로 거의 모든 글리세롤 함유 유체를 제거할 수 있다. 최종적으로, 건조 유체 (이 경우 헵탄)를 습윤 겔로 부터 증발시켜 건조 에어로겔을 형성한다. 막이 노화 유체와 함게 용해될 수 있는 액체로부터 만족스럽게 용해될 수 있다면, 중간 유체는 필요하지 않다. 많은 경우, 습윤 겔은 에탄올, 또는 다른 적합한 용매로부터 직접 건조될 수 있다.Such solvent exchange can be done in a one or two step process. In the first step, the aging liquid is exchanged for an intermediate fluid, and in the second step, the intermediate fluid is exchanged for a dry fluid having a low surface tension such as heptane. In this way, the gel is removed from the mold and placed in a sealed tube containing ethanol and the pore fluid exchanged at 50 ° C. for 8 hours. At the end of the 8 hour interval, the gel is rinsed with ethanol and then stored in pure ethanol in a 50 ° C. oven. After 3 to 6 times at the same interval as above, ethanol is exchanged for hexane in a similar manner. Almost all glycerol-containing fluids can be removed by this solvent exchange method before drying. Finally, the dry fluid (in this case heptane) is evaporated from the wet gel to form a dry airgel. If the membrane can be satisfactorily dissolved from a liquid that can be dissolved with the aging fluid, no intermediate fluid is required. In many cases, the wet gel can be dried directly from ethanol, or other suitable solvent.

건조 후 에어로겔 내의 또는 에어로겔 상의 유기물과 같은 임의의 잔류 물질을 용이하게 제거하기 위해 단 시간 동안 (예컨대, 300℃에서 15∼60분 동안) 에어로겔을 베이킹하는 것이 종종 바람직하다. 일부 경우의 적용시, 건조된 겔을 히드록실 제거화(어니일링)하는 것이 바람직하다. 트리메틸클로로실란 (TMCS), 헥사메틸디실라잔 (HMDS), 또는 헥사페닐디실라잔 증기와 같은 표면 개질제로 이루어진 건조 대기에 건조 에어로겔을 배치시켜 이를 행한다. HMDS는 건조된 겔의 공극 표면에 결합된 물 및(또는) 히드록실 다량을 메틸기로 교환시킨다. 이같은 교환은 실온 또는 그 이상의 온도에서 행해질 수 있다. 이같은 교환은 물 및(또는) 히드록실기를 제거시킬 뿐만 아니라, 건조된 겔이 소수성(발수성)이 되도록 한다. 또한, 헥사페닐디실라잔은 물 및(또는) 히드록실을 제거시키고 건조된 겔이 소수성이 되도록 한다. 그러나, 페닐기는 메틸기보다 더 고온 안정성을 갖는다.It is often desirable to bake the airgel for a short time (eg, 15-60 minutes at 300 ° C.) to facilitate the removal of any residual material such as organics in or on the airgel after drying. In some cases, it is desirable to hydroxyl remove (anneal) the dried gel. This is done by placing a dry airgel in a dry atmosphere consisting of surface modifiers such as trimethylchlorosilane (TMCS), hexamethyldisilazane (HMDS), or hexaphenyldisilazane vapor. HMDS exchanges large amounts of water and / or hydroxyl bound to the pore surface of the dried gel with methyl groups. This exchange can be done at room temperature or higher. This exchange not only removes water and / or hydroxyl groups, but also makes the dried gel hydrophobic (water repellent). Hexaphenyldisilazane also removes water and / or hydroxyl and makes the dried gel hydrophobic. However, phenyl groups have higher temperature stability than methyl groups.

본 발명의 에틸렌 글리콜 기재의 실시 태양에 따라, 체트라에톡시실란 (TEOS), 에틸렌 글리콜, 에탄올, 물 및 산 (1M HNO3)을 1:2.4:1.5:1:0.042의 몰비로 혼합하고, 약 60˚c에서 1.5시간 동안 환류시킨다. 혼합물을 냉각시킨후, 용액을 에탄올로 희석하여 원료 용액 70 부피% 및 에탄올 30 부피%의 조성물이 되도록 한다. 이 조성물을 격렬히 혼합하고, 전형적으로는 사용전까지 안정성을 유지하도록 약 70℃의 냉장 장치에서 보존한다. 막 증착 전 용액을 실온으로 가온시킨다. 원료 용액 및 0.25M NH40H 촉매 (부피비 10:1)의 혼합물을 한데 합하여 혼합시킨다. 이같은 전구체 졸 3∼5 ml를 실온에서 기판 (10) 위에 분배시키고, 이어서 약 5∼10 초 동안 l500∼5000 rpm (목적 막 두께에 좌우됨)으로 회전시켜 졸 박막 (14)를 제조한다. 비조절 대기에서 침착시킬 수 있다. 하지만, 표준 습도 조절하의 청정실에서 졸을 침착시키고 겔화시키는 것이 바람직하다. 이같은 침착 및 스피닝 도중 및 그 후, 에탄올/물 혼합물을 막 (14)로부터 증발시키지만, 에틸렌 글리콜의 저휘발성으로 인해 에틸렌 글리콜은 실질적으로 증발되지 않는다. 이같은 증발은 박막 (14)를 수축시키고 두께가 감소된 막 (18)을 형성하는 졸의 실리카를 농축시킨다. 도 12b는 실질적으로 모든 에탄올(약 95% 이상)이 제거된 후 수득되는, 두께가 감소된 졸 막 (18)을 나타낸다. 촉매와 함게 결합된 이같은 농축으로 인해 전형적으로 수분 또는 수초내에 겔화된다.In accordance with an ethylene glycol based embodiment of the present invention, chetraethoxysilane (TEOS), ethylene glycol, ethanol, water and acid (1M HNO 3 ) are mixed in a molar ratio of 1: 2.4: 1.5: 1: 0.042, Reflux at 1.5 ° C. for 1.5 hours. After cooling the mixture, the solution is diluted with ethanol to a composition of 70% by volume raw material solution and 30% by volume ethanol. The composition is mixed vigorously and typically stored in a refrigeration apparatus at about 70 ° C. to maintain stability until use. The solution is allowed to warm to room temperature before film deposition. The mixture of stock solution and 0.25M NH 4 0H catalyst (volume ratio 10: 1) are combined together and mixed. 3-5 ml of such precursor sol is dispensed onto the substrate 10 at room temperature and then spun at l500-5000 rpm (depending on the target film thickness) for about 5-10 seconds to produce the sol thin film 14. Can be deposited in an uncontrolled atmosphere. However, it is desirable to deposit and gel the sol in a clean room under standard humidity control. During and after such deposition and spinning, the ethanol / water mixture is evaporated from the membrane 14, but due to the low volatility of ethylene glycol the ethylene glycol is not substantially evaporated. This evaporation concentrates the silica of the sol, which shrinks the thin film 14 and forms a reduced thickness film 18. 12B shows a reduced thickness sol film 18 obtained after substantially all of the ethanol (at least about 95%) has been removed. This concentration combined with the catalyst typically gels within minutes or seconds.

막 (18)은 겔화점에서의 공극 유체에 대한 거의 공지된 실리콘의 비율을 갖는다. 이같은 비율은 침착된 졸중 에틸렌 글리콜에 대한 TEOS의 비율과 거의 일치한다 (잔류수, 계속된 반응 및 부수적인 증발에 의해 작은 변화가 있음). 겔이 붕괴되는 것을 막는 정도에서, 이들 비는 졸 박막으로부터 제조될 에어로겔 막의 밀도를 결정할 것이다.Membrane 18 has a nearly known ratio of silicon to void fluid at the gel point. This ratio is almost identical to the ratio of TEOS to ethylene glycol in the deposited sols (there are minor changes due to residual water, continued reactions and incidental evaporation). To the extent that the gel is prevented from collapsing, these ratios will determine the density of the aerogel film to be prepared from the sol thin film.

겔화 후, 박막 습윤 겔 (18)은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하고, 바람직하게는 하나 이상의 조절된 온도에서, 예컨대 실온에서 약 하루 동안 노화되는 시간이 허용될 수 있다. 공극 유체가 프로세싱 중 다소 변화하는 것을 인지해야 한다. 이같은 변화는 계속된 반응 및(또는) 증발/농축에 기인한다. 바람직하게는, 약 100℃에서 5분 동안 저부피의 노화 챔버에 소자를 정치시켜 노화시킨다.After gelling, the thin film wet gel 18 comprises a porous solid and a void fluid, and preferably a time of aging for about one day at one or more controlled temperatures, such as room temperature, may be tolerated. It should be noted that the void fluid changes somewhat during processing. This change is due to continued reaction and / or evaporation / concentration. Preferably, the device is allowed to age by standing in a low volume aging chamber at about 100 ° C. for 5 minutes.

노화 막 (18)은 초임계 유체 추출 또는 공기 건조 후의 용매 교환을 포함하는 다수의 방법 중 하나에 의해 실질적으로 조밀화되지 않으면서 건조될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 제3 글리세롤 실시 태양에서 설명된 바와 같이, 노화 유체로부터 막 (18)을 공기 건조시키는 것이 바람직하다. 이어서, 제1 글리세롤 실시 태양에서 설명된 바와 같이 나노 다공성 유전체는 후-건조 베이킹 및(또는) 표면 개질 처리될 수 있다.The aging film 18 may be dried without substantially densification by one of a number of methods including supercritical fluid extraction or solvent exchange after air drying. However, it is preferable to air dry the membrane 18 from the aging fluid, preferably as described in the third glycerol embodiment. The nanoporous dielectric may then be subjected to post-dry baking and / or surface modification as described in the first glycerol embodiment.

본 발명의 다른 에틸렌 글리콜 기재의 실시 태양에 따르면, 테트라에톡시실란 (TEOS), 에틸렌 글리콜, 물 및 산 (1M HNO3)을 1:4:1:0.042의 몰비로 혼합하고, 약 60℃에서 1.5시간 동안 환류시킨다. 전형적으로 사용전까지 안정성을 유지하도록 약 7℃의 냉장 장치에서 보존한다. 바람직하게는, 막 침착 전 용액을 실온으로 가온시킨다. 전구체 졸 3∼5 ㎖를 실온에서 (촉매 없이) 기판 (10) 상에 분배시키고, 이어서 약 5∼10초 동안 1500∼5000 rpm (목적 막 두께에 좌우됨)으로 회전시켜 졸 박막 (14)를 제조한다. 비조절 대기에서 침착시킬 수 있다. 하지만, 표준 습도 조절하의 청정실에서 졸을 침착시키고 겔화시키는 것이 바람직하다. 이같은 침착 및 스피닝 도중 및 그 후, 에탄올과 물을 막 (14)로부터 증발시키지만, 에틸렌 글리콜의 저휘발성으로 인해 에틸렌 글리콜은 실질적으로 증발되지 않는다. 이같은 증발은 박막 (14)를 수축시키고 두께가 감소된 막 (18)을 형성하는 졸의 실리카를 농축시킨다. 도 12b는 실질적으로 모든 물 (약 95% 이상)이 제거된 후 수득되겔화된다.According to another ethylene glycol based embodiment of the invention, tetraethoxysilane (TEOS), ethylene glycol, water and acid (1M HNO 3 ) are mixed in a molar ratio of 1: 4: 1: 0.042 and at about 60 ° C. Reflux for 1.5 hours. Typically stored in a refrigeration apparatus at about 7 ° C. to maintain stability until use. Preferably, the solution is allowed to warm to room temperature before film deposition. 3-5 mL of the precursor sol was dispensed on the substrate 10 (without catalyst) at room temperature and then rotated at 1500-5000 rpm (depending on the target film thickness) for about 5-10 seconds to sol thin film 14 Manufacture. Can be deposited in an uncontrolled atmosphere. However, it is desirable to deposit and gel the sol in a clean room under standard humidity control. During and after such deposition and spinning, ethanol and water are evaporated from the membrane 14, but due to the low volatility of ethylene glycol the ethylene glycol is not substantially evaporated. This evaporation concentrates the silica of the sol, which shrinks the thin film 14 and forms a reduced thickness film 18. 12B is obtained and gelled after substantially all water (at least about 95%) is removed.

겔화 후, 박막 습윤 겔 (18)은 다공성 고체 및 공극 유체를 포함하고, 바람직하게는 하나 이상의 조절된 온도에서, 예컨대 실온에서 약 하루 동안 노화되는 시간이 허용될 수 있다. 공극 유체가 프로세싱 중 다소 변화하는 것을 인지해야 한다. 바람직하게는, 약 100℃에서 5분 동안 저부피의 노화 챔버에 소자를 정치시켜 노화시킨다.After gelling, the thin film wet gel 18 comprises a porous solid and a void fluid, and preferably a time of aging for about one day at one or more controlled temperatures, such as room temperature, may be tolerated. It should be noted that the void fluid changes somewhat during processing. Preferably, the device is allowed to age by standing in a low volume aging chamber at about 100 ° C. for 5 minutes.

노화 막 (18)은 초임계 유체 추출 또는 공기 건조 후의 용매 교환을 포함하는 다수의 방법 중 하나에 의해 실질적으로 조밀화되지 않으면서 건조될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 제3 글리세를 실시 태양에서 설명된 바와 같이, 노화 유체로부터 막 (18)을 공기 건조시키는 것이 바람직하다. 이어서, 제1 글리세롤 실시 태양에서 설명된 바와 같이 나노 다공성 유전체는 후-건조 베이킹 및(또는) 표면 개질 처리될 수 있다.The aging film 18 may be dried without substantially densification by one of a number of methods including supercritical fluid extraction or solvent exchange after air drying. However, it is preferable to air dry the membrane 18 from the aging fluid, as described in the third glycerol embodiment. The nanoporous dielectric may then be subjected to post-dry baking and / or surface modification as described in the first glycerol embodiment.

이에 관한 논의는 밀폐된 용기에서 노화시키는 장점 중 일부를 보여준다. 적합한 노화 챔버가 없으므로, 이같은 방법을 실행하기 위해 발명된 챔버를 설명하고자 한다. 노화 용기의 일 실시 태양은 도 16a, 도 16b 및 도 16c에 설명되어 있다. 이들 실시 태양에서, 프로세싱 장치는 본체 (20), 탄력성 봉합부 (24)가 접착된 실질적으로 평평한 판을 포함한다. 판 (22)는 작동 중 틈새에 박막을 제공하는데 필요한 정도로 평평할 필요가 있고, 스테인레스 강철, 유리 또는 알루미늄과 같은 높은 열전도도를 갖는 물질이 바람직하지만 언더라잉(underlying) 공정(예, 반도체 제조)과 양립할 수 있는 어떠한 물질로도 이루어질 수 있다. 탄력성 봉합부 (24)는 습윤 겔 프로세싱 온도 및 공극 유체를 지탱할 수 있도록 고안되는 것이 바람직하고; 테프론(TEFLON) 및 네오프렌 기재의 물질을 포함하는 많은 적합한 물질이 당 업계의 숙련자에게 공지되어 있다. 장치에서 사용되는 온도 조절의 특성에 따라, 봉합부 (24)는 실질적으로 열절연성 또는 열전도성인 것이 바람직하다.This discussion shows some of the benefits of aging in closed containers. Since there is no suitable aging chamber, we will describe the chamber invented for carrying out this method. One embodiment of an aging vessel is described in FIGS. 16A, 16B and 16C. In these embodiments, the processing apparatus includes a body 20, a substantially flat plate to which the resilient seal 24 is bonded. The plate 22 needs to be flat to the extent necessary to provide a thin film in the gap during operation, and a material with high thermal conductivity such as stainless steel, glass or aluminum is preferred but an underlying process (eg semiconductor manufacturing) It can be made of any material that is compatible with it. The resilient seal 24 is preferably designed to withstand wet gel processing temperatures and void fluids; Many suitable materials are known to those skilled in the art, including materials based on TEFLON and neoprene. Depending on the nature of the temperature control used in the device, the seal 24 is preferably substantially thermally insulating or thermally conductive.

작동시, 본체 (20)은 도 16c에 도시된 바와 같이 단순히 기판 (26) 상에 배치될 수 있다. 이들 기판은 유리 또는 플라스틱과 같은 광학 기판, 또는 Si 웨이퍼와 같은 반도체 기판일 수 있다. 본 실시 태양에서, 봉합부(24)는 대기 봉합부로서 그리고 기판 표면 (28), 챔버 표면 (30) 및 봉합부 (24)에 의해 형성되는 챔버(32)의 부피를 설정하는 스페이서로서 작용한다. 예컨대, 봉합부 (24)는 판 (22)의 중량하에서 약 1 ㎜ 두께로 압착되도록 고안될 수 있으므로, 본체 (20)가 기판 (26) 위에 배치 때 1 ㎜ 두게의 챔버 (32)를 수득할 수 있다. 많은 박막 적용에 있어서, 기판 (26)의 프로세싱 도중 소량의 수증기 누출은 막의 최종 특성에 현저히 영향을 미치지 않으므로 챔버(32)만 실질적으로 봉합될 필요가 있다.In operation, the body 20 may simply be disposed on the substrate 26 as shown in FIG. 16C. These substrates may be optical substrates such as glass or plastic, or semiconductor substrates such as Si wafers. In this embodiment, the seal 24 acts as an atmosphere seal and as a spacer that sets the volume of the chamber 32 formed by the substrate surface 28, the chamber surface 30 and the seal 24. . For example, the seal 24 can be designed to be pressed to a thickness of about 1 mm under the weight of the plate 22, so that when the body 20 is placed on the substrate 26, a chamber 32 of 1 mm thick can be obtained. Can be. In many thin film applications, a small amount of water vapor leakage during processing of the substrate 26 does not significantly affect the final properties of the film, so only the chamber 32 needs to be substantially sealed.

본체 (20)은 에어로겔 박막 제조 공정 중 많은 부분에서 적용된다. 졸 막이 겔화되기 전, 습윤 겔 박막을 위한 노화 챔버로서, 이들 막을 위한 저장 또는 운송 챔버로서, 또는 건조 챔버로서 증발을 제한하는데 사용될 수 있다. 이같은 모든 적용에서, 제한된 부피의 챔버가 막으로부터 실질적인 증발을 막기 위해 필요한 정도로 졸 및 겔 박막이 모두 극소량의 액체를 포함함을 알 수 있다.The body 20 is applied in many parts of the airgel thin film manufacturing process. Before the sol membrane is gelled, it can be used to limit evaporation as an aging chamber for the wet gel thin film, as a storage or transport chamber for these membranes, or as a drying chamber. In all such applications, it can be seen that both the sol and gel thin films contain very small amounts of liquid to the extent that a limited volume of chamber is necessary to prevent substantial evaporation from the membrane.

다른 실시 태양에서, 본체 (20)은 도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이 다른 성분을 더 포함할 수 있다. 본 실시 태양에서, 본체 (20)은 기판 홀더 (36) 및 기판 온도 조절 수단 (34)를 더 포함한다. 본 실시 태양은 박막을 전체 기판 표면 (28) 위에 형성시키는, 기판의 외부에 배치한 봉합부 (24)(경우에 따라, 봉합부 (24)는 생략 될 수 있음)의 부가적 국면을 보여준다. 챔버 (32)가 밀폐될 때, 온도 조절 수단 (34)는 본체 (20), 기판 (26) 및 챔버 (32)의 온도를 동시에 조절하는데 사용되도록 평면 판 (22) 및 웨이퍼 홀 더 (36)이 열적으로 결합될 수 있다.In other embodiments, the body 20 may further include other components as shown in FIGS. 17A and 17B. In this embodiment, the body 20 further comprises a substrate holder 36 and a substrate temperature adjusting means 34. This embodiment shows an additional aspect of the seal 24 placed outside of the substrate (and in some cases, the seal 24 may be omitted), which forms a thin film over the entire substrate surface 28. When the chamber 32 is closed, the temperature regulating means 34 is used to simultaneously adjust the temperature of the body 20, the substrate 26 and the chamber 32, and the flat plate 22 and the wafer holder 36. This can be thermally combined.

도 18a 및 도 18b의 또 다른 실시 태양에서, 봉합부 (24)는 평면 판 (22) 및 웨이퍼 홀더 (36) 사이에 어느 정도의 단열을 제공한다. 이로 인해 온도 조절 수단 (34)가 기판 온도를 조절할 수 있는 반면, 분리된 온도 조절 수단 (38)는 평면 판의 온도를 조절하는데 사용된다. 평면 판 (77)의 온도가 챔버 표면 (30) 위의 축합을 촉진시키기 위해 임의로 낮아질 수 있으므로, 이같은 실시 태양은 습윤 겔 막을 건조시키는 장점을 갖는다.In another embodiment of FIGS. 18A and 18B, suture 24 provides some degree of thermal insulation between flat plate 22 and wafer holder 36. This allows the temperature control means 34 to adjust the substrate temperature, while the separate temperature control means 38 is used to control the temperature of the flat plate. Since the temperature of the planar plate 77 can be arbitrarily lowered to promote condensation on the chamber surface 30, this embodiment has the advantage of drying the wet gel membrane.

도 19a, 도 19b 및 도 19c는 이들 노화 챔버의 부가적 국면을 보여준다. 예컨대, 도 19a에서, 기판 (26)이 역위치로 프로세싱됨을 보여준다. 본 실시 태양에서, 기판 표면 (26) 위에 챔버 표면 (30) 위의 우연한 또는 의도된 축합물을 적하시키지 않으면서 축합물을 수집할 수 있다. 도 19b에서, 기판 (26)은 역으로 프로세싱되지 않을 뿐만 아니라 제1 용매층 (42) (바람직하게는, 하나 이상의 공극 유체와 동일한 조성물의, 층)는 챔버가 밀폐되기 전, 예컨대 제1 용매 공급관 (40)으로부터 탬버 표면 (30)에 분포된다. 본 실시 태양에서, 층 (42)는 프로세싱 대기의 포화를 도와 기판 (26)으로부터 공극 유체의 증발을 감소시키는데 사용될 수 있다.19A, 19B and 19C show additional aspects of these aging chambers. For example, in FIG. 19A, the substrate 26 is processed in reverse position. In this embodiment, the condensate can be collected without dropping accidental or intended condensate on the chamber surface 30 over the substrate surface 26. In FIG. 19B, the substrate 26 is not reverse processed as well as the first solvent layer 42 (preferably a layer of the same composition as the one or more pore fluids) is not before the chamber is closed, for example a first solvent. It is distributed from the feed pipe 40 to the tambour surface 30. In this embodiment, layer 42 can be used to help saturate the processing atmosphere and reduce evaporation of the pore fluid from substrate 26.

도 19c에서, 일부 대기 조절 수단 (44)는 하나 이상의 포트 (밀폐 가능함) (46)을 통해 챔버 (32)에 연결된다. 대기 조절 수단 (44)는 진공을 형성하거나, 또는 챔버 (32)를 적절하게 과압화하거나, 또는 챔버 (32)에서 대기를 교환하거나, 또는 챔버 (32)에 공극 유체 증기를 공급하는데 사용될 수 있다. 본 실시 태양은 예컨대, 챔버(32)를 대기압 이상으로 작동시킴으로써 박막을 공극 유체의 비점 이상에서 노화시키는데 사용될 수 있다. 또한, 본 실시 태양은 노화 후 챔버 (32)로부터 공극 유체 증기의 적어도 일부분을 제거하여 박막을 건조하는데 사용될 수 있다.In FIG. 19C, some atmospheric conditioning means 44 is connected to the chamber 32 via one or more ports (possibly sealed) 46. Atmosphere conditioning means 44 may be used to create a vacuum, or to adequately overpressure chamber 32, to exchange atmosphere in chamber 32, or to supply void fluid vapor to chamber 32. . This embodiment can be used to age the thin film above the boiling point of the pore fluid, for example by operating the chamber 32 above atmospheric pressure. In addition, the present embodiment can be used to dry the thin film by removing at least a portion of the void fluid vapor from the chamber 32 after aging.

본 발명이 일부 실시 태양에서 설명되었지만, 이들 단계의 대부분은 본 발명의 범위 내에서 변형될 수 있고, 전체 공정을 향상시키기 위해 다른 단계가 포함될 수 있다. 예컨대, 초기 박막은 스핀 코팅 대신에 다른 공통의 방법, 예컨대 침지 코팅, 유동 코팅 또는 분무 코팅에 의해 침착될 수 있다. 유사하게, 용매 교환은 스핀 코팅 대신에 침지 코팅, 분무 코팅, 또는 액체상 또는 증기상 용매에의 침지를 사용할 수 있다. 증기상 용매를 사용할 때, 웨이퍼는 대기 보다 저온으로 냉각될 수 있으므로 웨이퍼 위의 축합을 촉진시킨다. 상기 방법에서 물이 다른 용매로 간주되는 반면, 본 출원의 논의를 위해서 물은 용매로 간주되지 않는다.Although the present invention has been described in some embodiments, many of these steps may be modified within the scope of the present invention and other steps may be included to improve the overall process. For example, the initial thin film can be deposited by other common methods, such as dip coating, flow coating, or spray coating, instead of spin coating. Similarly, solvent exchange may use dip coating, spray coating, or dip in a liquid or vapor phase solvent instead of spin coating. When using vapor phase solvents, the wafer can be cooled to a lower temperature than the atmosphere, thus facilitating condensation on the wafer. While water is considered another solvent in the process, for the purposes of the present application water is not considered a solvent.

글리세롤 및 에틸렌 글리콜 각각은 독특한 장점을 가졌지만, 나노 다공성 유전체 제조에 유용할 수 있는 다른 저휘발성 용매가 있다. 예상 증발 속도를 결정하기 위해 용매를 분석하는 것이 바람직하지만, 저휘발성 용매를 선택하는 것이 우선적으로 바람직하다. 실온에서 작은 증발 속도를 갖는 거의 모든 용매는 140℃ 초과의 비점을 가질 것이다. 140℃ 미만의 비점을 갖는 일부 용매가 유용하지만, 전형적으로 더욱 바람직한 증발 속도는 160℃ 초과의, 더욱 바람직하게는 190℃ 초과의 비점을 갖는 용매에서 발견된다. 230℃ 초과의 비점을 갖는 용매는 40∼80℃에서 짧은 시간 동안 거의 대기 조절이 되지 않은 상태로 침착 및(또는) 노화에 적합하도록 충분히 작은 증발 속도를 가질 수 있다 거의 대기 조절이 되지 않은 상태로 100∼150℃에서 프로세싱하기 위해, 270℃ 초과의 비점을 갖는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 이로 인해 바람직한 비점의 더 낮은 한계가 조금 바람직하다. 또한, 바람직한 비점의 더 높은 한계가 조금 바람직하다. 500℃ 초과의 비점을 갖는 대부분의 용매는 점성이므로 프로세싱 중 더 많은 주의가 필요하다. 전형적으로, 더욱 유용한 용매는 350℃ 미만, 바람직하게는 300℃ 미만의 비점을 가진다. 침착시키는 동안 졸을 희석시키거나 가열하는 것이 용이하지 않다면, 비점 250℃ 미만의 저휘발성 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 하나의 용매가 모든 바람직한 특성을 제공하지 않는다면, 2 이상의 용매를 혼합하여 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 저휘발성 용매의 선택에 대한 초기의 예비적인 바람직한 사항은 175∼270℃의 비점 범위 및 (TEOS 기재의 겔에 대해) 물과 에탄올 모두와 혼합될 수 있다는 점이다. 이같은 예비적인 바람직한 사항을 기준으로,글리세롤 및 에틸렌 글리콜 이외에 일부 적합한 저휘발성 용매는 1,4-부틸렌 글리콜 및 1,5-펜탄디올이다.Glycerol and ethylene glycol each have unique advantages, but there are other low volatility solvents that may be useful for making nanoporous dielectrics. It is preferred to analyze the solvent to determine the expected evaporation rate, but preference is given to selecting a low volatility solvent. Almost all solvents with small evaporation rates at room temperature will have boiling points above 140 ° C. Some solvents having a boiling point below 140 ° C. are useful, but typically more preferred evaporation rates are found in solvents having boiling points above 160 ° C., more preferably above 190 ° C. Solvents with boiling points above 230 ° C. may have evaporation rates small enough to be suitable for deposition and / or aging in a short period of time at 40-80 ° C. with little or no atmospheric control. For processing at 100-150 ° C., preference is given to using solvents having boiling points above 270 ° C. For this reason a lower limit of the desired boiling point is slightly preferred. In addition, higher limits of preferred boiling points are slightly preferred. Most solvents with boiling points above 500 ° C. are viscous and require more attention during processing. Typically, more useful solvents have boiling points below 350 ° C., preferably below 300 ° C. If it is not easy to dilute or heat the sol during deposition, it is preferred to use a low volatility solvent below the boiling point of 250 ° C. If one solvent does not provide all the desired properties, two or more solvents may be mixed to improve performance. Thus, an initial preliminary preference for the selection of low volatility solvents is that they can be mixed with both water and ethanol (for TEOS based gels) and a boiling point range of 175-270 ° C. Based on these preliminary preferences, some suitable low volatility solvents other than glycerol and ethylene glycol are 1,4-butylene glycol and 1,5-pentanediol.

실온 이상에서 침착 및 노화가 용이하다면, 이것은 추가 가능성을 개시한다. 한가지 변형은 실온에서 액체가 아니고 고체인 용매를 사용하는 것이다. 이로 인해 더욱 많은 물질을 잠재적으로 사용할 수 있다. 이같은 높은 융점 물질중 많은 물질은 저휘발성의 "실온 액체 용매" (액체 용매)가 높은 침착 및 노화 온도에서 갖는 휘발성 보다 더 저 휘발성을 갖는다. 더 높은 융점이 요구되지 않더라도, 프로세싱의 단순성은 "실온 고체 용매"(고체 용매)가 60℃ 미만의, 바람직하게는 40℃ 미만의 융점을 가져야 함을 나타낸다. 잠재적인 고체 용매에 대한 추가적인 바람직한 특성은 비정질 상으로 쉽게 고체화 된다는 것이다. 이같은 비정질 고체화는 갑작스런 냉각시 겔 손상을 감소시킨다. 추가로, 이것은 용매가 동결 건조에 의해 제거되도록 한다. 고체 용매의 융점 이상으로 전구체 온도를 유지하기 위한 대안은 담체액에 고체 용매를 용해시키는 것이다. 이들 담체액은 박막 에어로겔/크세노겔 공정에서 전형적으로 사용되는 물, 알코올, 또는 다른 액체일 수 있다. 담체액은 담체로서만 도입되는 적절한 액일 수도 있다.If deposition and aging are easy above room temperature, this opens up additional possibilities. One variation is to use a solvent that is a solid, not liquid, at room temperature. This can potentially use more material. Many of these high melting point materials have lower volatility than the volatility of low volatility “room temperature liquid solvents” (liquid solvents) have at high deposition and aging temperatures. Although no higher melting point is required, the simplicity of processing indicates that the “room temperature solid solvent” (solid solvent) should have a melting point of less than 60 ° C., preferably less than 40 ° C. A further desirable property for potential solid solvents is that they easily solidify into the amorphous phase. Such amorphous solidification reduces gel damage upon sudden cooling. In addition, this allows the solvent to be removed by freeze drying. An alternative to maintaining the precursor temperature above the melting point of the solid solvent is to dissolve the solid solvent in the carrier liquid. These carrier liquids may be water, alcohols, or other liquids typically used in thin film aerogel / xenogel processes. The carrier liquid may be a suitable liquid introduced only as a carrier.

글리세롤 및 에틸렌 글리세롤의 매우 우수한 작용은 다를 바람직한 용매에 대한 약간의 단서를 제공한다. 에틸렌 글리콜 또는 글리세롤과 다소 다른 특성을 제공하는 일부 용매가 확인되었으나, 여전히 많은 단점을 갖고 있다. 가장 유망한 추가의 용매는 1,2,4-부탄트리올; 1,2,3-부탄트리올; 2-메틸-프로판트리올; 및 2-(히드록실메틸)-1,3-프로판디올; 1-4, 1-4, 부탄디올, 및 2-메틸-1,3-프로판디올을 포함한다. 다른 잠재적인 용매는 단독의 폴리올 또는 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 또는 다른 용매와 결합된 폴리올을 포함한다.The very good action of glycerol and ethylene glycerol provides some clues for the different solvents that are different. Some solvents have been identified that provide somewhat different properties from ethylene glycol or glycerol, but still have many disadvantages. The most promising additional solvents are 1,2,4-butanetriol; 1,2,3-butanetriol; 2-methyl-propanetriol; And 2- (hydroxylmethyl) -1,3-propanediol; 1-4, 1-4, butanediol, and 2-methyl-1,3-propanediol. Other potential solvents include polyols alone or polyols combined with ethylene glycol, glycerol, or other solvents.

이같은 저휘발성 용매의 사용은 침착, 겔화 및(또는) 노화 중 요구되는 대기의 조절을 완화시킨다. 이것은 바람직하게는 포화를 피해야 하지만, 대기 용매 농도가 초과의 증발 없이 감소될 수 있기 때문이다. 이같은 더 넓은 농도 범위는 침착 챔버에서(특히 웨이퍼 근처 및 증발 냉각 효과 부근에서) 더 넓은 온도 변화를 허용하는데 사용될 수 있다. 초기 목표는 적어도 1℃의 온도 변화를 허용하는 것이다. 즉, 대기 중의 저휘발성 용매의 증기 농도는 용매 증기의 축합 온도 (이슬점과 유사함)가 기판 온도보다 적어도 1℃ 낮아지도록 되어야 한다.The use of such low volatility solvents alleviates the control of the atmosphere required during deposition, gelling and / or aging. This is preferably because saturation should be avoided, but the atmospheric solvent concentration can be reduced without excess evaporation. Such wider concentration ranges can be used to allow wider temperature variations in the deposition chamber (especially near the wafer and near the evaporative cooling effect). The initial goal is to allow a temperature change of at least 1 ° C. That is, the vapor concentration of the low volatility solvent in the atmosphere should be such that the condensation temperature (similar to dew point) of the solvent vapor is at least 1 ° C. below the substrate temperature.

실질적으로, 결정적인 요소는 침착된 졸 및(또는) 겔화된 졸의 표면이다. 하지만, 졸의 박막 특성은 졸과 기판간의 온도차를 작게 유지시킨다. 기판 온도를 측정하는 것이 더욱 쉬우므로, 본 특허에서 이 두 온도는 상호 교환되어 사용될 수 있다. 1℃ 온도 균일성이 약간의 조건하에서 얻어질 수 있지만, 부피 생산은 적어도 3℃, 바람직하게는 10℃ 허용 범위를 요구한다. 그러나, 궁극적인 목표는 비조절되거나 거의 비조절된 대기에서 침착, 겔화 및 노화시키는 것이다. 이같은 가장 바람직한 접근에서 (실질적으로 비조절된 대기), 웨이퍼 및(또는) 전구체 졸이 독립적으로 온도 조절된다 할지라도 침착, 겔화 및 노화 중 대기 조절은 표준 청정실 온도 조절 및 습도 조절을 제한한다. 실질적으로 비조절된 대기가 과도한 증발을 허용한다면, 수동적인 또는 덜 바람직하게는 적극적인 대기 조절이 필요하다. 이같은 적용을 위해, 수동적인 조절은 상대적으로 작은 용기에서 웨이퍼의 위치를 제한한다. 이들 용기는 부분적으로 또는 완전히 봉합되고 용매의 액체 저장실을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 하지만, 이들 용기는 웨이퍼, 용기 대기 및(또는) 저장실을 위한 신종의 환경 조절자를 포함하지 않는다.Indeed, the decisive factor is the surface of the deposited sol and / or gelled sol. However, the thin film properties of the sol keep the temperature difference between the sol and the substrate small. Since it is easier to measure the substrate temperature, these two temperatures can be used interchangeably in the present patent. Although 1 ° C. temperature uniformity can be obtained under some conditions, volume production requires at least 3 ° C., preferably 10 ° C. tolerance. However, the ultimate goal is to deposit, gel and age in an unregulated or nearly unregulated atmosphere. In this most preferred approach (substantially uncontrolled atmosphere), atmospheric control during deposition, gelling and aging limits standard clean room temperature control and humidity control, even though the wafer and / or precursor sol is independently temperature controlled. If substantially uncontrolled atmospheres allow excessive evaporation, passive or less preferably aggressive air conditioning is required. For this application, manual adjustment limits the position of the wafer in a relatively small container. These containers may be partially or fully sealed and may or may not include a liquid reservoir of solvent. However, these containers do not contain new environmental controllers for wafers, container atmospheres and / or storage rooms.

기본적인 방법에 대한 다른 변형예는 건조 전 (그리고, 필수적이진 않으나 일반적으로 노화 후) 박막 습윤 겔 (18)이 표면 개질제로 개질된 공극 표면을 갖는 것이다. 이같은 표면 개질 단계는 공극 벽 위의 상당량의 분자를 다른 종의 분자로 교체시킨다. 표면 개질제가 사용된다면, 일반적으로 표면 개질제가 첨가되기 전 습윤 겔 (l8)로부터 물을 제거하는 것이 바람직하다. 순수한 에탄올에서 웨이퍼를 세척하여, 바람직하게는 제1 실시 태양의 용매 교환에서 설명된 바와 같은 저속 회전 로팅에 의해 물을 제거할 수 있다. 물이 HMUS와 같은 많은 표면 개질제와 반응하므로 이같은 물 제거가 유리하지만 필수적이진 않다. 신규한 글리세롤-기재법에서, 공극 파쇄를 막기 위해 표면이 개질될 필요는 없지만, 건조된 겔에 바람직한 특성을 부여하는데 사용될 수 있다. 잠재적으로 바람직한 특성의 일부 예는 소수성, 감소된 유전 상수, 특정 화학물에 대한 증가된 저항성, 깃 향상된 온도 안정성이다. 바람직한 특성을 부여할 수 있는 일부 잠재적 표면 개질제는 헥사메틸디실라잔(HMDS). 알킬 클로로실란 (트리메틸클로로실란(TMCS), 디메틸디클로로실란 등), 알킬알콕시실란(트리메틸메톡시실란, 디메틸디메톡시실란 등), 페닐 화합물 및 플루오로카본 화합물을 포함한다. 하나의 유용한 페닐 화합물은 헥사 페닐디실라잔이다. 다른 유용한 페닐 화합물은 전형적으로 기본 화학식 PhxAySiB(4-x-y)(Ph는 페놀기, A는 Cl 또는 OCH3와 같은 반응기이며, B는 잔류 리간드이고 2 개이면 동일한 기 또는 다른 기일 수 있음)을 따른다. 이들 페닐 표면 개질제의 예는 하나의 페놀성 기를 갖는 화합물, 예컨대 페닐트리클로로실란, 페닐트리플루오로실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 페닐메틸클로로실란, 페닐에틸디클로로실란, 페닐디메틸에톡시실란, 페닐디메틸클로로실란, 페닐디클로로실란, 페닐(3-클로로프로필)디클로로실란, 페닐메틸비닐클로로실란, 펜에틸디메틸클로로실란, 페닐트리클로로실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리스(트리메틸실록시)실란, 및 페닐알 릴디클로로실란을 포함한다. 이들 페닐 표면 개질제의 다른 예는 2 개의 페놀성 기를 갖는 화합물, 예컨대 디페닐디클로로실란, 디페닐클로로실란, 디페닐플루오로실란, 디페닐메틸클로로실란, 디페닐에틸클로로실란; 디페닐디메톡시실란, 디페닐메톡시실란, 디페닐에톡시실란, 디페닐메틸메톡시실란, 디페닐메틸에톡시실란 및 디페닐디에톡시실란을 포함한다. 또한, 이들 페닐 표면 개질제는 3개의 페닐기를 갖는 화합물, 예컨대 트리페닐클로로실란, 트리페닐플루오로실란, 및 트리페닐에톡시실란을 포함한다. 다른 증요한 페닐 화합물, 1,3-디페닐테트라메틸디실라잔은 본 기본 화학식의 예외이다. 이들 목록은 완전하지는 않지만, 군의 기본적인 특성을 나타낸다. 유용한 플루오로카본 기재의 표면 개질제는 (3,3,3-트리플루오로-프로필)트리메톡시실란), (트리데카플루오로 -1,1,2,2-데트라히드로옥틸)-1-디메틸클로로실란 및 히드록실기와 공유 결합을 형성하는 Cl 또는 0CH₃김굴와 같은 반응기를 갖는 다른 플루오로카본 기를 포함한다.Another variation on the basic method is that the thin film wet gel 18 before drying (and, but not necessarily, but generally after aging) has a void surface modified with a surface modifier. This surface modification step replaces a significant amount of molecules on the pore walls with molecules of another species. If a surface modifier is used, it is generally desirable to remove water from the wet gel (l8) before the surface modifier is added. The wafer may be washed in pure ethanol to remove water, preferably by slow rotational rotation as described in the solvent exchange of the first embodiment. Since water reacts with many surface modifiers such as HMUS, such water removal is advantageous but not essential. In the novel glycerol-based method, the surface does not need to be modified to prevent void breakage, but can be used to impart desirable properties to the dried gel. Some examples of potentially desirable properties are hydrophobicity, reduced dielectric constant, increased resistance to certain chemicals, and feather improved temperature stability. Some potential surface modifiers that can impart desirable properties are hexamethyldisilazane (HMDS). Alkyl chlorosilanes (trimethylchlorosilane (TMCS), dimethyldichlorosilane, etc.), alkylalkoxysilanes (trimethylmethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, etc.), phenyl compounds and fluorocarbon compounds. One useful phenyl compound is hexa phenyldisilazane. Other useful phenyl compounds typically follow the basic formula PhxAySiB (4-xy) (Ph is a phenolic group, A is a reactor such as Cl or OCH 3 and B is a residual ligand and two may be the same or different groups). . Examples of these phenyl surface modifiers include compounds having one phenolic group, such as phenyltrichlorosilane, phenyltrifluorosilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, phenylmethylchlorosilane, phenylethyldichlorosilane, phenyl Dimethylethoxysilane, phenyldimethylchlorosilane, phenyldichlorosilane, phenyl (3-chloropropyl) dichlorosilane, phenylmethylvinylchlorosilane, phenethyldimethylchlorosilane, phenyltrichlorosilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltris ( Trimethylsiloxy) silane, and phenylallyldichlorosilane. Other examples of these phenyl surface modifiers include compounds having two phenolic groups such as diphenyldichlorosilane, diphenylchlorosilane, diphenylfluorosilane, diphenylmethylchlorosilane, diphenylethylchlorosilane; Diphenyldimethoxysilane, diphenylmethoxysilane, diphenylethoxysilane, diphenylmethylmethoxysilane, diphenylmethylethoxysilane and diphenyldiethoxysilane. These phenyl surface modifiers also include compounds having three phenyl groups, such as triphenylchlorosilane, triphenylfluorosilane, and triphenylethoxysilane. Another important phenyl compound, 1,3-diphenyltetramethyldisilazane, is an exception to this basic formula. These lists are not exhaustive, but represent the basic characteristics of the group. Useful fluorocarbon based surface modifiers are (3,3,3-trifluoro-propyl) trimethoxysilane), (tridecafluoro-1,1,2,2-detrahydrooctyl) -1- Dimethylchlorosilane and other fluorocarbon groups having a reactor such as Cl or 0CH3grill to form covalent bonds with hydroxyl groups.

상기 단락은 종래의 많은 적용을 위한 전형적인 유용한 특성 중 일부를 싣고 있다. 그러나, 다른 바람직한 특성을 갖는 나노 다공성 유전체 및 에어로겔을 위해 잠재적으로 달리 적용된다. 일부 다른 잠재적으로 바람직한 특성의 예는 친수성, 증가된 전기 전도성, 증가된 유전체 파괴 전압, 특정 화학물과의 증가되거나 감소된 반응성, 및 증가된 휘발성을 포함한다. 이들 목록은 포괄적이지는 않다. 하지만, 적용법에 따라 많은 다른 형태의 특성이 바람직한 것을 보여준다. 즉, 히드록실기와 공유 결합을 형성하는 다른 많은 물질은 잠재적으로 바람직한 다른 특성을 부여할 수 있는 잠재적인 표면 개질제임은 명백하다.This paragraph contains some of the typical useful properties for many conventional applications. However, potentially different applications apply for nanoporous dielectrics and aerogels with other desirable properties. Examples of some other potentially desirable properties include hydrophilicity, increased electrical conductivity, increased dielectric breakdown voltage, increased or decreased reactivity with certain chemicals, and increased volatility. These lists are not comprehensive. However, many other forms of properties are desirable depending on the application. That is, it is evident that many other materials that form covalent bonds with hydroxyl groups are potential surface modifiers that can impart potentially desirable other properties.

또한, 본 발명은 수산화암모늄과 같은 겔화 촉매의 사용을 포함한다. 또한, 본 발명은 수산화암모늄 대신 다른 겔화 촉매의 사용 및(또는) 침착 후 첨가될 겔화 촉매의 사용을 포함한다. 전형적으로, 이들 대안적 촉매는 졸의 pH를 변화시킨다. 산 촉매가 사용될 수 있지만, pH를 증가시키는 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 산 촉매는 염기 촉매화 공정보다 더 긴 프로세싱 시간 및 더 큰 유전 상수를 부여한다. 다른 바람직한 겔화 촉매의 일부 예는 암모니아, 휘발성 아민 종 (저분자량 아민) 및 휘발성 불소 종을 포함한다. 침착 후 촉매가 첨가될 때, 촉매를 증기, 안개 또는 다른 증기상으로 첨가하는 것이 바람직하다.The present invention also includes the use of gelling catalysts such as ammonium hydroxide. The present invention also includes the use of other gelling catalysts in place of ammonium hydroxide and / or the use of gelling catalysts to be added after deposition. Typically, these alternative catalysts change the pH of the sol. Acid catalysts may be used, but preference is given to using catalysts which increase the pH. Typically, acid catalysts give longer processing times and larger dielectric constants than base catalysis processes. Some examples of other preferred gelling catalysts include ammonia, volatile amine species (low molecular weight amines) and volatile fluorine species. When the catalyst is added after deposition, it is preferred to add the catalyst in the vapor, fog or other vapor phase.

본 발명은 분리된 표면 개질화 단계 없이 실온 및 대기압에서 나노 다공성 유전체를 형성한다. 실질적인 조밀화를 막을 필요가 없더라도, 이같은 신규한 방법은 건조 전 초임계 건조 또는 표면 개질 단계의 사용을 제외하지 않는다. 냉각율이 큰 (예, 50 nm) 결정의 형성을 막기에 충분히 빠른 한도에서, 본 방법은 동결 건조와 양림할 수 있다. 일반적으로, 이같은 신규한 방법은 가장 선행하는 에어로겔 기술과 양립할 수 있다.The present invention forms nanoporous dielectrics at room temperature and atmospheric pressure without separate surface modification steps. Although no need to prevent substantial densification, this novel method does not exclude the use of supercritical drying or surface modification steps prior to drying. In a manner fast enough to prevent the formation of large cooling (eg 50 nm) crystals, the process can be freeze dried and run. In general, this novel method is compatible with the most advanced aerogel technology.

변형의 다른 예는 반응 대기 및(또는) 온도를 포함한다. 또한, 코팅 및 겔화는 동일한 챔버 또는 동일한 대기에서 행해질 필요가 없다. 예컨대, 기판은 겔화를 지연시키기 위해 감온되거나 표면 개질 및(또는) 겔화를 가속시키기 위해 가온될 수 있다. 또한, 총 압력 및(또는) 온도는 증발 속도 및(또는) 겔화 시간을 더 조절하기 위해 변형될 수 있다. 가온 공정은 전형적으로 40℃에서 행해지지만; 50℃가 바람직하며, 70℃가 더욱 바람직하다. 가온에서 행해질 때, 용매 비등을 막기 위해 주의해야 한다(예, 반응- 대기 중의 부분압은 충분히 높아야 함).Other examples of variations include the reaction atmosphere and / or temperature. In addition, coating and gelling need not be performed in the same chamber or in the same atmosphere. For example, the substrate may be warmed to delay gelation or warmed to accelerate surface modification and / or gelation. In addition, the total pressure and / or temperature can be modified to further control the evaporation rate and / or gelation time. The warming process is typically done at 40 ° C; 50 degreeC is preferable and 70 degreeC is more preferable. When done at warming, care must be taken to prevent solvent boiling (eg reaction-partial pressure in the atmosphere must be high enough).

TEOS가 반응물의 대표적 예로서 사용되더라도, 다른 금속 알콕사이드는 단독으로 사용되거나 TEOS와 함께 사용되거나 또는 서로 실리카 망상 조직을 형성하도록 사용될 수 있다. 이들 금속 알콕사이드는 테트라메독시실란 (TMOS), 메틸트리에톡시실란 (MTEOS), 1,2-비스(트리메톡시실릴)에탄 (BTMSE), 이들의 조합 및 당 업계에서 공지된 실리콘-기재의 다른 금속 알콕사이드를 포함한다. 또한, 졸은 알루미늄 및 티탄과 같은 당 업계에서 공지된 다른 금속의 알콕사이드로부터 형성될 수 있다. 당 업계에서 공지된 일부 다른 전구체는 미립 금속 옥사이드 및 유기 전구체를 포함한다. 두개의 대표적인 미립 금속 옥사이드는 발열성(증발된) 실리카 및 콜로이드성 실리카이다. 일부 대표적인 유기 전구체는 멜라민, 페놀 푸르푸랄, 및 레조르시놀이다. 대안적 반응물 이외에, 대안적 용매를 사용할 수도 있다. 에탄올의 바람직한 대안물은 메탄올 및 다른 고급 알코올이다. 다른 산이 질산 대신 전구체 졸 안정화제로서 사용될 수 있다.Although TEOS is used as a representative example of the reactants, other metal alkoxides may be used alone or in combination with TEOS or to form silica network with each other. These metal alkoxides are tetramethedoxysilane (TMOS), methyltriethoxysilane (MTEOS), 1,2-bis (trimethoxysilyl) ethane (BTMSE), combinations thereof and silicone-based known in the art. Other metal alkoxides. The sol can also be formed from alkoxides of other metals known in the art, such as aluminum and titanium. Some other precursors known in the art include particulate metal oxides and organic precursors. Two representative particulate metal oxides are pyrogenic (evaporated) silica and colloidal silica. Some representative organic precursors are melamine, phenol furfural, and resorcinol. In addition to the alternative reactants, alternative solvents may be used. Preferred alternatives to ethanol are methanol and other higher alcohols. Other acids may be used as precursor sol stabilizers instead of nitric acid.

추가의 변형은 전구체 졸에서 적당한 크기(분자당 단량체 l5 내지 150)의 올리고머가 형성되도록 하고 및(또는) 형성을 촉진시킨다. 더 큰 올리고머는 침착된 졸에서 겔화 공정을 가속시킬 수 있다. 큰 올리고머를 포함한 졸은 작은 올리고머를 갖는 졸보다 더 큰 점성을 가질 수 있다. 그러나, 점성이 안정한 경우 더 높은 점성은 용매 비율 및 회전 조건의 조절과 같은 당 업계에서 공지된 방법에 의해 보정될 수 있다. 이같이 요망되는 안정한 점성을 얻도록 돕기위해, 올리고머화는 감속되거나 침착 전 실질적으로 정지될 필요가 있다. 올리고머화를 증진시키는 잠재적인 방법은 전구체 졸의 가열, 용매의 증발, 또는 수산화암모늄과 같은 겔화 촉매 소량의 첨가를 포함할 수 있다. 올리고머화를 지연시키는 잠재적인 방법은 전구체 졸의 냉각, 용매를 사용한 졸의 희석 또는 축합 및 겔화를 최소화시키는 pH로 전구체 졸을 회복시키는 것을 포함할 수 있다 (질산은 상기의 수산화암모늄과 함께 사용될 수 있음).Further modifications result in the formation of oligomers of the appropriate size (monomers l5-150 per molecule) in the precursor sol and / or promote formation. Larger oligomers can accelerate the gelation process in the deposited sol. Sols containing large oligomers may have greater viscosity than sols with small oligomers. However, when the viscosity is stable, higher viscosity can be corrected by methods known in the art, such as control of solvent ratio and rotation conditions. To help achieve this desired stable viscosity, oligomerization needs to be slowed down or substantially stopped before deposition. Potential methods for enhancing oligomerization may include heating the precursor sol, evaporating the solvent, or adding small amounts of gelling catalysts such as ammonium hydroxide. Potential methods for delaying oligomerization may include cooling the precursor sol, diluting or condensing the sol with a solvent, and restoring the precursor sol to a pH that minimizes gelation (nitric acid may be used with the ammonium hydroxide above). ).

[발명의 효과][Effects of the Invention]

본 발명은 대기 조절 없이 침착, 겔화, 노화 및 건조된 박막 에어로겔의 다공도 조절을 허용한다. 다른 국면으로, 본 발명은 노화 챔버 부피의 제한과 같은 단지 소극적인 대기 조절에 의하여, 침착, 겔화, 승온에서의 급속 노화 및 건조된 박막 나노 다공성 에어로겔의 다공도의 조절을 허용한다.The present invention allows for porosity control of thin film aerogels deposited, gelled, aged and dried without atmospheric control. In another aspect, the present invention allows the control of porosity of deposited, gelled, rapid aging at elevated temperatures and dried thin film nanoporous aerogels by only passive atmospheric control, such as limitation of the aging chamber volume.

본 발명을 일부 표본적 실시 태양을 들어 설명하였으나, 다양한 변화 및 변형이 당 업계의 숙련자에게 제안될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구 범위의 영역 내에서 변화 및 수정을 포함하도록 고안되었다.While the present invention has been described with some exemplary embodiments, various changes and modifications may be suggested to those skilled in the art. It is intended that the present invention include changes and modifications within the scope of the appended claims.

Claims (47)

제1 용매 및 제2 용매 중에 분산되어 있는 적어도 부분적으로 가수 분해된 금속 알콕사이드로 이루어진 에어로겔 전구체 졸을 제공하고, 상기 제1 용매가 실질적으로 증발되는 것을 방지하면서 상기 제2 용매를 실질적으로 전부 증발시키고, 건조 단계 때까지 상기 제1 용매가 상기 졸로부터 실질적으로 증발되는 것을 계속 방지하면서 졸로부터 다공성 고체 및 공극 유체로 이루어진 겔을 생성하는 단계; 및 다공성 고체를 실질적으로 붕괴시키지 않으면서 비초임계 건조 대기 중에서 공극 유체를 제거하여 건조 에어로겔을 형성하는 건조 단계로 이루어지고, 여기서 건조 에어로겔의 골격 밀도는 대략적으로 상기 에어로겔 전구체 졸 중 상기 제1 용매에 대한 상기 금속 알콕사이드의 부피비에 의해 측정하는 것인, 나노 다공성 (nanoporous) 에어로겔을 형성하는 비초임계 방법.Providing an aerogel precursor sol consisting of at least partially hydrolyzed metal alkoxide dispersed in a first solvent and a second solvent, substantially evaporating the second solvent while preventing the first solvent from substantially evaporating Producing a gel of the porous solid and the pore fluid from the sol while continuing to prevent the first solvent from substantially evaporating from the sol until the drying step; And a drying step of removing the pore fluid in a non-supercritical drying atmosphere to form a dry aerogel without substantially disrupting the porous solid, wherein the skeletal density of the dry aerogel is approximately in the first solvent of the aerogel precursor sol. Non-critical method for forming a nanoporous airgel, which is measured by the volume ratio of the metal alkoxide to. 제1항에 있어서, 상기 겔이 상기 증발 단계가 종결되기 전에 생성되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the gel is produced before the evaporation step is terminated. 제1항에 있어서, 상기 건조 단계가 용매 교환을 추가로 포한하는 것인 방법.The method of claim 1, wherein said drying step further comprises solvent exchange. 제1항에 있어서, 상기 건조 단계 전에 상기 겔을 노화시키는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.The method of claim 1, further comprising aging the gel before the drying step. 제1 용매 및 제2 용매를 포함하는 에어로겔 전구체 졸의 막을 기판 위에 침착시키는 단계; 바람직하게는 상기 막으로부터 상기 제2 용매를 실질적으로 전부 증발시키는 단계; 및 상기 침착된 졸을 가교시켜 상기 기판위에 공극이 공극 개방된 구조로 정렬된 습윤 겔을 형성하는 단계로 이루어지는, 기판 위에 에어로겔 막을 형성하는 비초임계 방법.Depositing a film of aerogel precursor sol comprising a first solvent and a second solvent on a substrate; Preferably evaporating substantially all of said second solvent from said membrane; And crosslinking the deposited sol to form a wet gel aligned in a pore-opened structure on the substrate, thereby forming an aerogel film on the substrate. 제5항에 있어서, 상기 제2 용매가 상기 가교 단계의 반응 생성물을 포함하는 것인 방법.The method of claim 5, wherein the second solvent comprises the reaction product of the crosslinking step. 제5항에 있어서, 상기 제2 용매의 증기압이 상기 제1 용매의 증기압의 2배 이상인 방법.The method of claim 5, wherein the vapor pressure of the second solvent is at least two times the vapor pressure of the first solvent. 제5항에 있어서, 상기 박막 침착 단계가 상기 기판 위에 상기 에어로겔 전구체 졸을 스핀 코팅시키는 것을 포함하는 것인 방법.The method of claim 5, wherein said thin film deposition step comprises spin coating said airgel precursor sol over said substrate. 제5항에 있어서, 상기 공극 개방된 구조를 실질적으로 조밀화하지 않으면서 비초임계 대기 중에서 상기 습윤 겔을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.6. The method of claim 5, further comprising drying the wet gel in a non-supercritical atmosphere without substantially densifying the void opening structure. 제5항에 있어서, 상기 습윤 겔이 상기 증발 단계가 종결되기 전에 형성되는 것인 방법.The method of claim 5, wherein the wet gel is formed before the evaporation step ends. 제5항에 있어서, 상기 제1 용매를 실질적으로 증발시키지 않으면서 상기 습윤 겔을 노화시키는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.6. The method of claim 5, further comprising aging the wet gel without substantially evaporating the first solvent. a) 미세 전자 회로를 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계; b) 금속 기재의 에어로겔 전구체 반응물, 글리세롤을 포함하는 제1 용매, 및 제2 용매로 이루어지고, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비는 1:16 이상인 에어로겔 전구체 졸을 기판 위에 침착시키는 단계; c) 침착된 졸로부터 다공성 고체 및 공극 유체로 이루어진 겔을 생성하는 단계; 및 d) 비초임계 건조 대기 중에서 공극 유체를 제거함으로써 건조 에어로겔을 형성하는 단계로 이루어지는, 반도체 기판 위에 박막 에어로겔을 형성하기 위한 비초임계 방법.a) providing a semiconductor substrate comprising a microelectronic circuit; b) depositing an aerogel precursor sol comprising a metal based aerogel precursor reactant, a first solvent comprising glycerol, and a second solvent, wherein the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is at least 1:16; c) producing a gel consisting of a porous solid and a pore fluid from the deposited sol; And d) forming a dry airgel by removing the void fluid in the non-supercritical dry atmosphere. 제12항에 있어서, 제1 용매가 또한 폴리올을 포함하는 것인 방법.The method of claim 12, wherein the first solvent also comprises a polyol. 제13항에 있어서, 폴리올이 글리콜인 방법.The method of claim 13, wherein the polyol is glycol. a) 미세 전자 회로를 포함하는 반도체 기판을 제총하는 단계; b) 금속 기재의 에어로겔 전구체 반응물, 글리세롤을 포함하는 제1 용매, 및 제2 용매로 이루어지고, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비는 1:16 이상인 에어로겔 전구체 졸을 기판 위에 침착시키는 단계, c) 침착된 졸로부터 다공성 고체 및 공극 유체로 이루어진 겔을 생성하는 단계, 및 d) 비초임계 건조 대기 중에서 공극 유체를 제거함으로써 건조 나노 다공성 유전체를 형성하는 단계로 이루어지는, 반도체 기판 위에 박막 나노 다공성 유전체를 형성하기 위한 비초임계 방법.a) milling a semiconductor substrate comprising a microelectronic circuit; b) depositing on the substrate an airgel precursor sol consisting of a metal-based aerogel precursor reactant, a first solvent comprising glycerol, and a second solvent, wherein the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is at least 1:16; c) producing a gel of porous solids and pore fluid from the deposited sol, and d) forming a dry nanoporous dielectric by removing the pore fluid in a non-supercritical dry atmosphere. Non-supercritical method for forming a. a) 미세 전자 회로를 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계; b) 금속 알콕사이드, 적어도 부분적으로 가수 분해된 금속 알콕곡사이드,미립상 금속 옥사이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 에어로 겔 전구체 반응물 및 글리세롤을 포함하는 제1 용매로 이루어지고, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비는 1:16 이상인 에어로겔 전구체 졸을 기판 위에 침착시키는 단계; c) 침착된 졸로부터 다공성 고체 및 공극 유체로 이루어진 겔을 생성하는 단계; 및 d) 다공성 고체를 실질적으로 붕괴시키지 않으면서 공극 유체를 제거함으로써 건조 나노 다공성 유전체를 형성하는 단계로 이루어지고, 여기서 형성 단계는 건조 대기 중에서 수행하고, 형성 단계 동안 건조 대기의 압력은 공극 유체의 임계 압력 미만인 것인, 반도체 기판 위에 박막 나노 다공성 유전체를 형성하기 위한 비초임계 방법.a) providing a semiconductor substrate comprising a microelectronic circuit; b) an aerogel precursor reactant selected from the group consisting of metal alkoxides, at least partially hydrolyzed metal alkoxides, particulate metal oxides and mixtures thereof and a first solvent comprising glycerol, the metal atoms in the reactants Depositing an aerogel precursor sol on the substrate, wherein the molar ratio of glycerol molecules to is at least 1:16; c) producing a gel consisting of a porous solid and a pore fluid from the deposited sol; And d) forming a dry nanoporous dielectric by removing the pore fluid without substantially disrupting the porous solid, wherein the forming step is performed in a drying atmosphere, wherein the pressure of the drying atmosphere during A non-supercritical method for forming a thin film nanoporous dielectric over a semiconductor substrate, which is below a critical pressure. 제16항에 있어서, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비가 12:1 이하인 방법.The method of claim 16, wherein the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is 12: 1 or less. 제16항에 있어서, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비가 1:2 내지 12:1인 방법.The method of claim 16, wherein the molar ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is from 1: 2 to 12: 1. 제16항에 있어서, 반응물 중 금속 원자에 대한 글리세롤 분자의 볼비가 1:4 내지 4:1인 방법.The method of claim 16, wherein the ratio of glycerol molecules to metal atoms in the reactants is from 1: 4 to 4: 1. 제16항에 있어서, 반응물 중 감속 원자에 대한 글리세롤 분자의 몰비가 2.5:1 내지 12:1인 방법.The method of claim 16, wherein the molar ratio of glycerol molecules to slowing atoms in the reactants is 2.5: 1 to 12: 1. 제16항에 있어서, 나노 다공성 유전체의 다공도가 60% 초과이고, 평균 공극 직경이 20 ㎚ 미만인 방법.The method of claim 16, wherein the porosity of the nanoporous dielectric is greater than 60% and the average pore diameter is less than 20 nm. 제16항에 있어서, 나노 다공성 유전체의 유전 상수가 2.0 미만인 방법.The method of claim 16, wherein the dielectric constant of the nanoporous dielectric is less than 2.0. 제16항에 있어서, 나노 다공성 유전체의 유전 상수가 1.g 미만인 방법.The method of claim 16, wherein the dielectric constant of the nanoporous dielectric is less than 1. g. 제16항에 있어서, 나노 다공성 유전체의 유전 상수가 1.4 미만인 방법.The method of claim 16, wherein the dielectric constant of the nanoporous dielectric is less than 1.4. 제16항에 있어서, 형성 단계 동안 기판의 온도가 공극 유체의 빙점 이상인 방법.The method of claim 16, wherein the temperature of the substrate during the forming step is above the freezing point of the pore fluid. 제16항에 있어서, 형성 단계 동안 기판의 온도가 공극 유체의 빙점 이상이고, 형성 단계 전에 표면 개질제의 첨가 단계가 포함되지 않는 것인 방법.The method of claim 16, wherein the temperature of the substrate during the forming step is above the freezing point of the pore fluid and no step of adding a surface modifier prior to the forming step. 제16항에 있어서, 형성 단계 동안 기판의 온도가 공극 유체의 빙점 이상이고, 나노 다공성 유전체의 다공도가 60% 초과이고, 평균 공극 직경이 20 ㎚ 미만이며, 형성 단계 전에 표면 개질제의 첨가 단계가 포함되지 않는 것인 방법.The method of claim 16, wherein the temperature of the substrate during the formation step is above the freezing point of the pore fluid, the porosity of the nanoporous dielectric is greater than 60%, the average pore diameter is less than 20 nm, and the step of adding a surface modifier before the formation step comprises: How not. 제16항에 있어서, 겔의 노화 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.The method of claim 16 further comprising the aging step of the gel. 제28항에 있어서, 노화 단계의 적어도 일부가 실질적으로 밀폐된 용기 중에서 수행되는 것인 방법.The method of claim 28, wherein at least a portion of the aging step is performed in a substantially closed container. 제28항에 있어서, 노화시키는 동안 겔의 온도가 30℃ 초과인 방법.29. The method of claim 28, wherein the temperature of the gel during aging is greater than 30 ° C. 제28항에 있어서, 노화시키는 동안 겔의 온도가 80℃ 초과인 방법.29. The method of claim 28, wherein the temperature of the gel during aging is greater than 80 ° C. 제28항에 있어서, 노화시키는 동안 겔의 온도가 130℃ 초과인 방법.The method of claim 28, wherein the temperature of the gel during aging is greater than 130 ° C. 29. 제16항에 있어서, 공극 유체를 제거하는 동안 다공성 고체의 영구 부피 감소율이 2% 미만인 방법.The method of claim 16, wherein the rate of permanent volume reduction of the porous solid during removal of the void fluid is less than 2%. 제16항에 있어서, 다공성 고체가 공극 유체 제거 이후 실질적으로 붕괴되지 않고 잔류하는 것인 방법.The method of claim 16, wherein the porous solid remains substantially uncollapsed after removing the pore fluid. 제16항에 있어서. 공극 유체를 제거하는 동안 다공성 고체의 부피 감소율이 5% 미만인 방법.The method of claim 16. The volume reduction rate of the porous solid is less than 5% during removal of the void fluid. 제16항에 있어서 공극 유체를 제거하는 동안 다공성 고체의 부피 감소율이 1% 미만인 방법.The method of claim 16 wherein the rate of volume reduction of the porous solid during removal of the void fluid is less than 1%. 제16항에 있어서, 겔 생성 단계가 겔화 대기 중에서 수행되고, 여기서 겔화 대기 중 제1 용매의 증기 농도는 능동적으로 조절되지 않는 것인 방법.The method of claim 16, wherein the gel generation step is performed in a gelling atmosphere, wherein the vapor concentration of the first solvent in the gelling atmosphere is not actively controlled. 제16항에 있어서 겔 생성 단계가 겔화 대기 중에서 수행되고, 여기서 겔화 대기 중 제1 용매의 증기 농도는 실질적으로 조절되지 않는 것인 방법.The method of claim 16, wherein the gel production step is performed in a gelation atmosphere, wherein the vapor concentration of the first solvent in the gelation atmosphere is substantially uncontrolled. 제16항에 있어서, 반응물이 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 1,2-비스(트리메톡시실릴)에탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 알콕사이드인 방법.The method of claim 16, wherein the reactant is a metal alkoxide selected from the group consisting of tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, methyltriethoxysilane, 1,2-bis (trimethoxysilyl) ethane, and mixtures thereof. . 제16항에 있어서, 반응물이 테트라에톡시실란인 방법.The method of claim 16, wherein the reactant is tetraethoxysilane. 제16항에 있어서, 건조 다공성 유전체의 다공도가 60% 초과인 방법.The method of claim 16 wherein the porosity of the dry porous dielectric is greater than 60%. 제16항에 있어서, 건조 다공성 유전체의 다공도가 60% 내지 90%인 방법.The method of claim 16, wherein the porosity of the dry porous dielectric is between 60% and 90%. 제16항에 있어서, 건조 다공성 유전체의 다공도가 80% 초과인 방법.The method of claim 16, wherein the porosity of the dry porous dielectric is greater than 80%. 제16항에 있어서, 공극 유체 제거 단계 이전에 공극 유체의 적어도 일부를 액체로 교체하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.The method of claim 16, further comprising replacing at least a portion of the void fluid with a liquid prior to the void fluid removal step. 제44항에 있어서, 액체가 헥산올인 방법.45. The method of claim 44, wherein the liquid is hexanol. 제16항에 있어서, 건조 다공성 유전체의 어니일링 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.The method of claim 16, further comprising annealing the dry porous dielectric. 제16항에 있어서, 형성 단계 동안 건조 대기의 압력이 3 MPa 미만인 방법.The method of claim 16, wherein the pressure of the drying atmosphere during the forming step is less than 3 MPa. ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.※ Note: The disclosure is based on the initial application.
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