TWI384027B - 形成奈米多孔性介電膜之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種形成奈米多孔性有機介電膜之方法,其可使用在積體電路製造上。
當積體電路構形變小而使導線間之距離變小時,已在尋找改良的介電材料。已熟知將孔洞或空隙加入至一材料可降低該材料的介電常數。因此,已提出多種可獲得孔洞的方法。
一般方法為使用一具有熱固性聚合物與不耐熱組分之組合的組成物。可參見例如美國6,093,636;美國6,630,520;美國6,156,812;美國6,172,128;美國6,313,185;及美國6,420,441。亦可參見WO 03/068825及美國2003/0006477。
初始公告提出廣泛多種可能的熱固性聚合物及不耐熱組分。例如美國6,630,520揭示出使用線性或交聯或微粒的聚合物形態作為多孔質(porogens)之可能性。此專利報導在聚亞芳基基質中使用以線性聚苯乙烯為基礎的多孔質實際上可獲得級數30至300奈米之孔洞尺寸。此改良集中在接近多孔質之模板上,其使用經交聯聚合且較佳具有一反應性基團的奈米粒子(參見例如WO 03/068825),其已報導出其平均孔洞尺寸級數約10至30奈米。
工業上仍然對更小的孔洞尺寸且不會發生大的“致命孔洞”(此在使用該多孔膜進行整合時將產生明顯困難)有所需求。已發現以有機熱固性聚合物基質來獲得這些非常小且無“致命孔洞”的孔洞尺寸,比使用無機以矽倍半四氫吡喃為基礎的基質更困難。
申請人已發現一種在聚亞芳基基質材料中獲得非常小的孔洞尺寸之方法。此方法特別包括:形成一包含一基質前驅物材料、一多孔質材料及一溶劑的塗佈溶液,此可藉由選擇一聚亞芳基基質前驅物材料,該前驅物可交聯而形成一具有至少0.003莫耳/毫升之經計算的交聯部分密度之基質;及讓該聚亞芳基基質前驅物材料與一多孔質反應而進行,其中該多孔質為一從包含烯基或炔基官能基的單體所形成之線性寡聚物或其聚合物,其具有一反應性末端基團且重量平均分子量範圍少於約5000,其中該多孔質的存在量範圍(以該多孔質與基質前驅物材料之總重量為準)約10至少於50重量百分比;將該塗佈溶液塗佈至一基材及移除該溶劑,以形成一薄膜;對該薄膜施加能量以交聯該基質前驅物材料,及移除該多孔質以形成一平均孔洞尺寸少於4奈米的孔洞。
基質及其前驅物可使用於本發明之基質前驅物材料會硬化而形成一高度交聯的聚亞芳基。如於本文所使用的“聚亞芳基”意謂著一聚合物,其骨架主要包含芳基(最佳為苯基),但是其可在骨架上進一步包含某些其它有機基團或連結基團。這些其它基團可諸如為氧(例如在聚亞芳基醚的實例中,下列將提出較佳的聚亞芳基)、硫、碸、羰基、亞甲基類(諸如亞甲基、二甲基亞甲基、雙(三氟甲基)亞甲基等等)及其類似物。
本發明家已發現在該基質材料中必需有一最小經計算的交聯部分密度(XLMD),以支撐利用此方法所獲得之非常小的孔洞。特別是,該經計算的交聯部分密度(XLMD)應該為至少0.003莫耳/毫升,較佳為至少0.0035莫耳/毫升。該交聯部分密度(XLMD)可以下列所顯示的方程式來計算。
其中XLMD為經計算的交聯部分密度。D為該基質的密度(克/立方公分);i為索引,其標明出該聚合物所包含的不同單體(即,製得該聚合物的單體);N為該聚合物所包含的不同單體物種之總數;WFi
為在該聚合物所包含的全部單體當中,第i種單體物種的重量分量;Mi
為在第i種單體上的反應性部分之數量。例如式I單體之Mi
值為6(4個乙炔部分+2個環戊二烯酮部分=6個總部分);Mwi
為第i種單體物種之分子量。(Mi
-2)項使用來表示出在一官能基反應上進行單體間反應的雙官能基單體之積聚將不會完全到達凝膠點(甚至在全部反應性部分經100%轉換下)之構想。
該交聯部分密度(XLMD)為一經計算的量,其表示出若該交聯反應進行至100百分比轉換而沒有鏈內環化反應時,一聚合物可交聯的程度。其可獨自從單體單元的結構及包含該基質材料的單體混合物之密度獲得。就其本身而論,其可使用來迅速評估多種單體結構及該結構的混合物之可能的交聯程度。
第1圖顯示出顆粒間距離(D)與經計算的交聯密度(XLMD)間之關係。使用該顆粒間距離作為獲得小孔洞尺寸的指示劑。顆粒間距離(D)可由下式提供,其包括該薄膜的典型孔洞尺寸(d)及多孔洞性(P)。該式來自於藉由將相同的球形孔洞(具有直徑d)放置在一立方晶格中所建構之模型,以便該整體多孔洞性為P。D為在此晶格上二個毗連的球形間之最小距離。
第1圖顯示出低分子量線性接枝的多孔質與以式I之單體為主的基質聚合物結合,可提供一明顯比使用先前所教導在相同基質中所獲得的球形交聯微粒多孔質還小之顆粒間距離(0.75奈米(多孔洞性~0.20,孔洞直徑~2奈米))。此明顯的優點為一非常驚人的結果,且其不適用於具有較低經計算的交聯部分密度(XLMD)值之基質材料。在具有相當低XLMD值之基質單體實例中,使用低分子量線性接枝的多孔質會造成多孔洞性完全喪失。
在顆粒間距離方程式(上述)中所使用的多孔洞性值則可從多孔膜的折射率實驗來估計。下列方程式可提供一完成此估計之方法。在該方程式中,RIf i l m
為該薄膜的折射率,P為多孔洞性,RIa i r
為空氣的折射率(1.00)及RIm a t r i x
為固體基質之折射率(1.63)。
RI film
=P
*RI air
+(1-P
)*RI matrix
使用於顆粒間距離方程式的孔洞尺寸直徑(d)可從SAXS資料,使用孔洞形狀的球形模型實驗獲得。SAXS資料及分析可提供一孔洞尺寸分佈,及採用該使用於顆粒間距離方程式的孔洞直徑作為與該孔洞之體積分佈對孔洞直徑的微分形式波峰相符合之直徑。
已經驗地發現所提供的應用其所需之基質的交聯部分密度(XLMD)將依所需的多孔洞性(P)、所需的孔洞直徑(d)(參見上述曲線圖及顆粒間距離方程式)及該多孔質與該基質在基質硬化及多孔質裂解期間之交互作用而定。
在某些例子中,想要的特徵為該交聯(或網狀形式)程度由實驗方法獲得而非依賴經計算的交聯部分密度。因此,根據本發明的另一個具體實施例,除了需要該基質材料之經計算的交聯部分密度為至少0.003莫耳/立方公分外,該基質材料尚需要其它特徵,如該基質材料在多孔質開始發生燃燒掉之溫度範圍內硬化後,其膨脹指數少於約1.3,而膨脹指數在130℃下硬化後少於約1.3較佳。用來計算膨脹指數的較佳方法為將0.5至1.0微米之薄膜塗佈在一IR透明的基板(IR等級的矽晶圓可良好操作)上。在一封閉槽中,將該薄膜曝露至對聚合物好的溶劑蒸氣(例如,對聚亞芳基來說為溴仿)中,且必需等待直到在該試驗樣品/蒸氣中產生平衡。從該經溶劑膨潤的薄膜之IR光譜中減去未經膨潤的薄膜(即,在曝露至溶劑前)之IR光譜。亦必需減去該蒸氣相溶劑在空的封閉槽中之光譜。所產生的光譜為該溶劑在該薄膜中之光譜。整合該溶劑在該薄膜中的光譜波峰之一。在溴仿膨潤劑之實例中,我們使用位於接近1144公分- 1
處的紅外線吸收波峰。所產生的波峰面積(A)可藉由乘以一常數(K)而轉換成膨潤溶劑在該薄膜中的有效厚度(Ts
),而膨脹指數值(SI)可從此有效厚度及原始薄膜厚度(T0
),如下列所提出般計算。K值可藉由對一已熟知厚度的封閉液體薄膜其有興趣的波峰積分,以便獲得一波峰面積,且將該液體薄膜厚度除以波峰面積而獲得。
因此,如第2圖所顯示,其特徵為基質交聯程度為硬化條件之函數。重要的是,該基質之硬化曲線合適地與該多孔質重量損失曲線相符。使用具有低熱穩定性之多孔質,會使該多孔質在該基質完全硬化前已良好裂解成氣體產物,此將產生一非多孔膜。第2圖顯示出二種不同基質材料之膨脹指數曲線如為最高硬化溫度的函數,而僅有較低的曲線代表在本發明之範圍內的基質。
較佳的聚亞芳基基質前驅物為一具有親雙烯及二烯官能基之單體或其寡聚物。芳香族乙炔及環戊二烯酮官能基較佳。在此些當中,可有用作為基質前驅物或可有用地製造寡聚性基質前驅物之合適的單體有:
亦可使用其它不藉由迪耳斯-阿德(Diels-Alder)化學反應但可提供想要之經計算的交聯密度或膨脹指數之單體。例如,經取代或未經取代的三乙炔官能基單體有用。
最佳的基質前驅物為一藉由將該式I之單體b-分級(b-staging)(即部分聚合)成重量平均分子量約4000克/莫耳(較佳為7000克/莫耳,更佳為10,000克/莫耳,當利用尺寸排除層析法測量且以聚苯乙烯校正時)所製得之組成物。該b-分級可在溫度約160℃至約200℃間進行時間約4至60小時。較佳的是,在溶劑中進行該b-分級,諸如例如、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、二苄基醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、二甘醇醚、二甘醇甲基醚、雙丙二醇甲基醚、雙丙二醇二甲基醚、丙二醇甲基醚、醋酸雙丙二醇單甲基醚酯、碳酸丙二酯、二苯基醚、環己酮、丁內酯及其混合物。較佳的溶劑為、γ-丁內酯、環己酮、二苯基醚、乙氧基丙酸乙酯及二或更多種此溶劑之混合物。
上述單體可利用在WO 03/068825中所提出或例示於本文之方法製得。
多孔質如於本文所使用,“多孔質”意謂著一不穩定的組分,當對該基質薄膜施加能量時,其可從該薄膜中移除而遺留下小空隙或孔洞。該能量較佳藉由加熱提供且該多孔質具熱不穩定性較佳,但是該能量可再者以e-束或UV輻射的形式提供。該多孔質之特徵為直到已在該基質材料中發生足夠的硬化時,它們才會被移除掉,如此並不會發生孔洞塌陷。對較佳的熱硬化系統來說,特別想要的是該多孔質移除(即燒掉)溫度稍微高於使用來硬化該基質聚合物的溫度。因為對較佳的基質材料來說,硬化反應速率明顯開始之開始範圍為200至350℃,多孔質燃燒掉的溫度範圍較佳約325,更佳為340至約400℃。
在本發明中有用的多孔質為低分子量實質上線性的聚合或寡聚性物種,其具有一反應性末端基團且該聚合物鏈實質上由一烯基官能基及/或炔基官能基單體組成。該單體可為脂肪族及/或芳香族,但是芳香族更佳。實質上線性意謂著該聚合物或寡聚物物種包含些微或較佳無分支且無交聯。
這些材料的重量平均分子量低於或等於4000,而低於3500較佳,低於3000更佳,2000或較少最佳;且至少500較佳,至少1000更佳。該多分散性非常低較佳,少於1.5較佳,少於1.2更佳,少於約1.1仍然更佳。
可使用來製造該多孔質之烯基或炔基單體可選自於苯乙烯;經烷基取代的苯乙烯,諸如乙烯基甲苯、4-甲基苯乙烯、二甲基苯乙烯、三甲基苯乙烯、三級丁基苯乙烯、乙基乙烯基苯、乙烯基二甲苯及其類似物;經芳基取代的苯乙烯,諸如苯基苯乙烯、4-苄醯基苯乙烯及其類似物;經烷基芳基取代的苯乙烯;經芳基炔基烷基取代的苯乙烯,4-苯基乙炔基苯乙烯;經苯氧基、烷氧基、羧基、羥基或烷醯基及芳醯基取代的苯乙烯;較複雜的芳香族,諸如乙烯基萘、乙烯基蒽;芪;β-經取代的乙烯基芳香族單體,諸如β-甲基苯乙烯、β-羧基甲基苯乙烯及其類似物;及其經取代的形式。苯乙烯及經烷基取代的苯乙烯,特別是α-甲基苯乙烯較佳。該單體可簡單地為苯乙烯;或根據較佳的具體實施例,為了調節及調整孔洞形成溫度(即燃燒掉溫度),可使用苯乙烯與α-甲基苯乙烯之組合。根據此較佳的具體實施例,該聚合物鏈(除了該反應性官能基末端基團外)包含20至100莫耳百分比的苯乙烯及0至80莫耳百分比的α-甲基苯乙烯。更佳的是,為了獲得約350℃的燃燒掉溫度,可使用20-40百分比的苯乙烯單體與60-80百分比的α-甲基苯乙烯。若使用多於80百分比的α-甲基苯乙烯,則多孔質會太快移除而使薄膜因孔洞塌陷變緻密。
合適的脂肪族單體包括諸如甲基丙烯酸甲酯單體,以形成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);丙烯酸甲酯,以形成聚丙烯酸甲酯(PMA);丙烯酸三級丁酯,以形成聚(丙烯酸三級丁酯);丙烯酸正丁酯,以形成聚(丙烯酸正丁酯);丙烯酸乙酯,以形成聚(丙烯酸乙酯);甲基丙烯酸三級丁酯,以形成聚(甲基丙烯酸三級丁酯);甲基丙烯酸正丁酯,以形成聚(甲基丙烯酸正丁酯);甲基丙烯酸乙酯,以形成聚(甲基丙烯酸乙酯);環氧乙烷,以形成聚環氧乙烷(PEO);環氧丙烷,以形成聚環氧丙烷(PPO);交酯,以形成聚交酯(PLA);己內酯,以形成聚己內酯;四氫呋喃,以形成聚四氫呋喃;及由彼之共聚物。
該反應性基團為一終端(即末端)基團,其可讓該多孔質與該基質前驅物材料反應。反應性基團之存在為關鍵,其可避免該多孔質有太大的團聚(此已發現會發生及造成大孔洞)。雖然想要(但其非絕對需要),每個多孔質寡聚物鏈包括該反應性官能基團。較佳為該鏈的至少30百分比包括該反應性基團,更佳為該鏈的至少60百分比包括該反應性基團,仍然更佳為該鏈的至少90百分比包括該反應性基團,仍然更佳為該鏈的至少95百分比包括該反應性基團,最佳為該鏈的至少99百分比包括該反應性基團。該反應性基團較佳為一可在該聚亞芳基基質前驅物材料之b-分級或硬化期間參與狄爾斯-阿德耳反應的基團。合適的終端反應性基團實例包括丙烯酸酯類及甲基丙烯酸酯類、苯乙烯類、烯丙基類、乙炔類、苯基乙炔類、烯基類、氰基、吡喃酮等等,特別佳的是苯乙烯、丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯。
這些多孔質物種可利用任何已熟知的方法製得,諸如陰離子聚合反應、自由基聚合反應、經控制的自由基聚合反應(硝基氧主導或原子轉移自由基聚合反應),且可商業購得,例如可從紐約安大略(Ontario)的科學聚合物產物(Scientific Polymer Products)(SP2)公司購得。
形成該塗佈溶液該塗佈溶液可藉由在一合適的溶劑系統中結合該多孔質及基質前驅物而形成。較佳的是,將該多孔質加入至該基質前驅物單體,然後經由如上述所討論的b-分級(即部分聚合),以形成如上述所討論的寡聚或聚合基質前驅物。於多孔質存在下進行b-分級可讓在該多孔質上的反應性終端基團與該基質前驅物反應,而變成鍵結至該基質前驅物。此可幫助避免該基質前驅物團聚。此外,可將該多孔質加入至已經b-分級的基質前驅物中,其限制條件為在該製程期間的某一時間處(但是在塗佈前),需進行一讓該多孔質與該基質前驅物反應的步驟。
該多孔質的量較佳為至少20重量百分比(以該多孔質與基質前驅物的重量為準),更佳為至少30百分比。該多孔質的效率(即,多孔質轉換成孔洞)會在稍微少於50百分比的負載下到達穩定水準。該多孔質的量不大於45百分比較佳,不大於40百分比更佳。
合適的溶劑包括、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、二苄基醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、二甘醇醚、二甘醇甲基醚、雙丙二醇甲基醚、雙丙二醇二甲基醚、丙二醇甲基醚、醋酸雙丙二醇單甲基醚酯、碳酸丙二酯、二苯基醚、環己酮、丁內酯及其混合物。較佳的溶劑有、γ-丁內酯、環己酮、二苯基醚、乙氧基丙酸乙酯及二或更多種此溶劑之混合物。
該塗佈溶液較佳包含75-95重量百分比的溶劑及5-25百分比的“固體”。“固體”意謂著該基質前驅物、多孔質及任何在溶劑移除後意欲變成該塗佈薄膜的一部分之其它添加劑。所使用的精確濃度將根據最後薄膜想要的塗佈厚度而變化。
將該溶液塗佈至一想要形成該多孔聚合薄膜之基材上。根據想要的低厚度(較佳範圍為少於約300奈米,更佳為約50至300奈米),使用旋轉塗佈技術較佳。但是,亦可使用其它溶劑塗佈方法,諸如噴墨印刷及其類似方法。該溶劑可藉由乾燥移除。該溶劑可選擇性在稍微高溫(範圍低於200較佳,低於150℃更佳)下移除,以移除溶劑而沒有明顯促進硬化。此加熱步驟典型在加熱板或類似的加熱裝置上進行。
此外,加熱至較高的溫度將會移除溶劑及發展該樹脂硬化二者。若必要時,可在加熱板上使用多步驟硬化,特別是若將會塗佈其它溶劑塗佈層及該層需要硬化以抵抗下一層之溶劑,但是又不想要完全硬化及燃燒掉多孔質時。目前所主張的系統其重要的優點為更耐用及對加熱板的加熱程序較不敏感。不像先前的系統需要多重加熱步驟以避免孔洞尺寸增加,本系統可在加熱板上加熱至400℃而沒有對在薄膜中的孔洞尺寸有明顯的衝擊。
可藉由將能量提供至該塗佈薄膜來引發硬化及移除多孔質。雖然藉由加熱來方便地進行此較佳,但可考量其它能量來源,諸如亦可使用e-束硬化或UV輻射。可在加熱板上、在烘箱或爐中或這些步驟之組合進行該加熱硬化。硬化溫度範圍較佳約250至約450℃,此硬化較佳在惰性環境中進行,以便避免該基質材料不想要的氧化反應。較高的溫度(大於約325℃,較佳約340至約400℃)亦可有效燃燒掉(即熱移除)該多孔質材料。此燃燒掉較佳在烘箱或爐內,於惰性環境中,在溫度約325至約450(較佳地325至400℃)下,進行時間約10分鐘至2小時。但是,加入氧可加速移除該多孔質及縮短燒掉時間。
當旋轉塗佈本發明之塗佈溶液(特別是當該基質前驅物的重量平均分子量範圍從5000至約20000時,當利用尺寸排除層析法測量且以聚苯乙烯校正時)時,其顯示出優良的間隙填充性質。特別是,分子量約5000至高於30,000之基質前驅物可填充寬0.1微米及縱深比率2:1(深度:寬度)的間隙,同時分子量約5000至約20,000的基質前驅物可完全填充寬0.25微米及縱深比率7:1之間隙。
利用此方法所形成之薄膜其平均孔洞尺寸約0.5至4微米,其具有窄的孔洞尺寸分佈且實質上不具有尺寸大於5奈米的孔洞。孔洞尺寸可有利地如下利用小角度x-射線散射來測量:可使用標準先進光子源(APS)x-射線來源來進行小角度x-射線散射(SAXS)實驗。讓一單色束通過一安裝有一系列(3組)隙縫之真空艙,以定出一熟知尺寸的矩形束輪廓。然後,該束會穿出該真空艙及通過空氣,接著之路徑為,在進入該樣品前先進入一氦氣填充艙,再次在一真空樣品艙中。在樣品位置前額外加入一大約10公分的針孔。使用此準直儀來阻擋任何由繞著該光學組件的外部限制之漏光所造成的寄生性背景射線,以進一步加強該束線。
在塗佈~0.1-1微米厚的樣品之雙拋光矽晶圓(~100-700微米厚)上進行該SAXS實驗。使用垂直束穿透幾何模式。x-射線能量設定在15-18千電子伏特之間。資料收集時間設定為10分鐘。使用電荷耦合元件(CCD)偵測器收集散射自樣品的x-射線。收集個別的背景記錄且從全部的樣品資料組中減去。藉由徑向積分二維資料組將經校正的資料還原成一維資料組(強度對散射向量(q),其中q=4πsinθ/λ;θ=散射角度(2θ的一半;λ=輻射波長)。使用該經還原的資料組來測量孔洞尺寸分佈及平均孔洞直徑。
使用二種不同方法從該經校正的散射資料來產生該平均孔洞尺寸及孔洞尺寸分佈:間接傅立葉(Fourier)轉換方法,由葛雷特(Glatter)等人所發展之濃縮系統(concentrated systems)(參見布朗拿(Brunner)-波佩拉(Popela),J.及葛雷特,O.,J.Applied Cryst.,(1997)30,431-442;或威瑞趣(Weyerich),B.,布朗拿-波佩拉,J.,葛雷特,O.,J.Applied Cryst.,(1999),32,197-209);及局部單分散近似值,由沛得森(Pederson)發展(參見沛得森,J.S.J.Appl.Cryst.27,595,(1994))。
此外,可使用正子湮沒生命週期光譜(PALS)來測量孔洞尺寸。由於所形成的孔洞非常小,使用穿透式顯微鏡稍微困難,但是其可使用來偵測超過2奈米的孔洞尺寸。
雜項利用上述方法製得之多孔膜具有數種有益的特徵。值得注意的是,所主張之方法可獲得實質上封閉的單元(未連接的單元)孔洞形態,雖然孔洞尺寸非常小。此外,該非常小的孔洞尺寸可提供低表面粗糙度,Rq級數少於1奈米(如可利用輕扣模式AFM(原子力顯微鏡)測量)。再者,此小孔洞尺寸可在蝕刻後於溝槽及通道中產生低的側壁粗糙度,此依次能形成一特徵為可防止金屬漂移進入介電膜之阻障層。較早的多孔膜(甚至具有10奈米孔洞)已証明更難以整合,由於其側壁粗糙度所造成之阻障層完整性不足。
該較高度交聯的聚亞芳基材料(包括較佳的具體實施例)之另一個有益的特徵為它們可產生一薄膜(多孔或非多孔),其在相關的溫度範圍50至約450(較佳約420,更佳約400℃)內具有低的熱膨脹係數變化。利用所主張的方法所製得之較佳薄膜,其在100至400℃之範圍內的熱膨脹係數範圍為30至60 ppm/℃,更佳為40至50 ppm/℃。
第1圖為在顆粒間距離(孔洞尺寸之指示劑)與經計算的交聯部分密度間之關係圖。
第2圖為二種具有不同經計算的交聯部分密度之基質其膨潤對硬化溫度的關係圖。
A.4-溴苯基醋酸乙酯之合成
將在500毫升之絕對乙醇中63克(0.29莫耳)的4-溴苯基醋酸與50毫升的濃硫酸之溶液迴流8小時,然後保持其過夜。在將其傾倒於600克之冰上後,以醚/己烷類萃取混合物。以水及碳酸氫鈉溶液完全清洗該醚萃取物,然後在無水硫酸鈉上乾燥。利用旋轉蒸發移除溶劑,可產生57克(0.24莫耳,80百分比的分離產率)的油,其在冷卻後會結晶。過濾及以己烷洗滌,可獲得純的產物。
B.1,3-雙(4-溴苯基)-2-丙酮之合成
在30-32℃下,在氫化鈉(9.17克,0.23莫耳)於50毫升甲苯中之料漿中,逐滴加入4-溴苯基醋酸乙酯(50克,0.21莫耳)在甲苯(50毫升)中之溶液。在完全加入後,將該反應混合物慢慢升溫至50℃,於此該反應會開始快速放熱且放出氫氣。可將該反應混合物進一步加熱至78℃ 2小時,冷卻至室溫,然後慢慢逐滴加入在水(22.5克)中的氫氯酸(45克),以中和該溶液。分離層且以二乙基醚萃取水相。乾燥該結合的有機萃取物及移除溶劑,以遺留下一黃色油。在冰醋酸(60毫升)與濃HCl(30毫升)之混合物中迴流此油24小時。在冷卻後,分離層及固化該有機層,以提供一黃色固體。從正庚烷再結晶此粗產物,以提供一純產物,如為白色固體(31.2克,82百分比的分離產率)。
C.1,3-雙(4-苯基乙炔基苯基)-2-丙酮之合成
在250毫升的燒瓶中放置18.4克(0.05莫耳)的1,3-雙-(4-溴苯基苯基)-2-丙酮、24克(0.24莫耳)的三乙基胺、12克(0.12莫耳)的苯基乙炔及60毫升的N,N-二甲基甲醯胺。以氮清洗該反應混合物15分鐘,然後加入0.60克(0.0023莫耳)的三苯膦及0.08克(0.00036莫耳)的醋酸鈀。在氮大氣氛中,於80℃下加熱該反應混合物20小時後,將該燒瓶冷卻至室溫,然後加入水(200毫升)及甲苯(200毫升)。以10百分比的HCl水溶液、水及飽和的NaCl水溶液來清洗所產生的有機層,然後在無水Na2
SO4
上乾燥。在移除甲苯後,可獲得純產物(14.5克)及從甲苯/己烷類再結晶,71百分比的分離產率。
D.式I單體之合成
將4,4’-雙(苯基乙二醯基)苯基醚(3.24克,0.0075莫耳)及6.78克(0.0165莫耳)來自上述1C之1,3-雙(4-苯基乙炔基苯基)-2-丙酮,加入至一包含45毫升的無水甲苯及45毫升的無水2-丙醇之反應器中。開始攪拌及加熱,一旦懸浮液到達溫度80℃時,逐滴加入以24毫升的2-丙醇稀釋之氫氧化四丁基銨溶液(1M在MeOH中,0.75毫升)30分鐘,此會立即引發深紅紫色。在80℃下維持1小時後,HPLC分析指出已經獲得4,4’-雙(苯基乙二醯基)苯基醚反應物之完全轉換。此時,將油浴移出該反應器,讓該反應混合物冷卻至室溫。藉由過濾過玻璃質媒質的玻璃漏斗並以大量2-丙醇清洗來回收產物。可產生7.8克(85百分比),純度為91面積百分比。
2.式I單體之再結晶在熱水浴(約80-90℃)中,將10克式I單體的粗產物(具有84面積百分比)溶解在100毫升的甲苯中。然後加入100-120毫升的抗溶劑1-丙醇,然後設定在室溫下約2小時,然將其放到冷凍器另外1或2小時。過濾及利用1-丙醇清洗,直到過濾溶液變成無色,以提供非常細的式I之單體粉末,其在乾燥後具有93面積百分比及8.2克。於此以非常相同程序進行第二次再結晶,以將產物純度從91面積百分比改良至98面積百分比。
從此單體所製得之聚合物其經計算的交聯部分密度為0.0035莫耳/毫升。
A.4-溴苯基乙醯基氯之合成
在乾氮大氣氛中,將4-溴苯基醋酸(99.5克,0.46莫耳)及N,N-二甲基甲醯胺(2毫升)加入至經預乾燥的一升單頸玻璃圓底施冷克(Schlenk)反應器(其包含經預乾燥的磁性攪拌棒)中。在乾氮氣中密封後,於稍微正氮氣壓下將該反應器放置在施冷克管線上。在乾氮大氣氛中,將氯化亞硫醯(300毫升)加入至配備著施冷克轉接器之經預乾燥的玻璃添加漏斗,然後在乾氮氣下密封及放置在施冷克管線上。在全部的氯化亞硫醯已加入該攪拌反應器後,於動態氮氣流下結合該反應器及添加漏斗。維持該進入施冷克反應器的氮氣流,同時經由在添加漏斗上的施冷克轉接器將來自反應的氣體排出及讓其進入清潔系統。使用經恆溫控制的加熱罩,將該反應器內容物溫和加熱至60℃及保持在其中2.5小時。在此後反應完成後,藉由施加真空,從施冷克歧管從產物汽提出過量的氯化亞硫醯,直到達成60℃及159微米。將所產生的4-溴苯基乙醯基氯產物(105.95克,98.1百分比的分離產率)維持在乾氮氣中直到使用。
B.4,4’-雙[(4-溴苯基)乙醯基]苯基醚之合成
在乾氮大氣氛中,將二苯基醚(38.61克,0.227莫耳)、氯化鋁(60.53克,0.454莫耳)及無水二氯甲烷(250毫升)加入至經預乾燥的一升單頸玻璃圓底施冷克反應器(其包含經預乾燥的磁性攪拌棒)中。在乾氮氣中密封後,於稍微正氮氣壓下將該反應器放置在施冷克管線上。然後,在該反應器下放置冰浴。在乾氮大氣氛下,將已溶解在二氯甲烷(100毫升)中來自上述A之4-溴苯基乙醯基氯(105.95克,0.454莫耳)加入至配備有施冷克轉接器之經預乾燥的玻璃添加漏斗,然後在乾氮氣下密封及放置在施冷克管線上。在動態氮氣流中結合該反應器及添加漏斗,然後將4-溴苯基乙醯基氯溶液逐滴加入至該攪拌反應器超過3小時。在後反應2小時後,將該反應器從施冷克管線移出,且將內容物傾倒在燒杯中之碎冰上。在冰完全熔化後,使用分液漏斗移除水層,並將析出的產物溶解至二氯甲烷(14升)中。以去離子水(2升)清洗該二氯甲烷溶液,然後在無水硫酸鈉上乾燥。將所產生的料漿過濾過玻璃質媒質的玻璃漏斗,然後讓該乾濾出液通過矽凝膠管柱,如需要的話可使用其它二氯甲烷(2升)。將該二氯甲烷溶液旋轉蒸發至乾燥,可提供119.1克的白色粉末。高壓液體層析(HPLC)分析顯露出存在有94面積百分比之想要的產物,伴隨著存在有6面積百分比的單一共產物。進行從沸騰的乙腈(14升)中再結晶(讓其冷卻至室溫及保持在其中16小時),以提供96.0克(75.0百分比的分離產率)之4,4’-雙[(4-溴苯基)乙醯基]苯基醚,如為發微光的白色板狀結晶,以HPLC分析顯露出已完全移除共產物(100面積百分比的產物)。1
H核磁共振(NMR)分析証實該產物的結構。
C.4,4’-雙[(4-溴苯基)乙二醯基]苯基醚之合成
將來自上述B的4,4’-雙[4-溴苯基)乙醯基]苯基醚(95.5克,0.169莫耳)及二甲基亞碸(1.8升)加入至二升的三頸玻璃圓底反應器(其配備有玻璃機械攪拌棒與鐵弗龍槳)。該反應器額外配備有一冷凝(2℃)凝結器及一溫度計,且具有經恆溫控制的加熱罩。將48百分比的氫溴酸水溶液(199.7克)如水流般加入至在該反應器中的攪拌料漿超過3分鐘,此會引發放熱至45℃。然後開始加熱至100℃,一旦到達92℃時可注意到一透明的亮橙色溶液形成。在100℃之反應溫度下2小時後,將該熱產物溶液稀釋進入8.2升的甲苯,接著以1.6升的去離子水部分洗滌該甲苯溶液五次。旋轉蒸發該經清洗的甲苯溶液至乾燥,可提供99.2克(99.1百分比的分離產率)之亮黃色粉末。高壓液體層析(HPLC)分析顯露出存在有100面積百分比之想要的產物。1
H核磁共振(NMR)分析証實該產物的結構。
D.4,4’-雙[(4-苯基乙炔基)乙二醯基]苯基醚之合成
在乾氮大氣氛中,將來自上述C的4,4’-雙[(4-溴苯基)乙二醯基]苯基醚(99.2克,0.1675莫耳)、苯乙炔(41.37克,0.405莫耳)、三乙胺(92.5克,0.914莫耳)、三苯膦(2.22克,0.00847莫耳)、醋酸鈀(II)(0.31克,0.00137莫耳)及N,N-二甲基甲醯胺(1063毫升)(其已噴以乾氮氣),加入至經預乾燥的二升三頸玻璃圓底反應器(其包含經預乾燥的磁性攪拌棒)。該反應器額外配備有一風扇冷卻螺旋濃縮器及一溫度計與一經恆溫控制的加熱罩。開始攪拌及加熱,且在13分鐘後,當溫度到達45℃時,會形成一透明的亮黃色溶液。在漸增的1.2小時後,溫度到達80℃及維持另外14.7小時。此時,HPLC分析指出4,4’-雙[(4-溴苯基)乙二醯基]苯基醚反應物已經達成完全轉換。將該反應器內容物傾倒在一對4升燒杯中之碎冰上。在冰完全熔化後,經由過濾過玻璃質媒質的玻璃漏斗回收該析出產物。以二份500毫升的去離子水清洗在該漏斗上的濾餅,然後從沸騰的乙脂(22.5升)直接再結晶,如為潮溼產物。讓該再結晶溶液冷卻至室溫及保持在其中16小時,以提供92.2克(86.7百分比的分離產率)之4,4’-雙[(4-苯基乙炔基)乙二醯基]苯基醚,如為亮黃色晶狀產物。HPLC分析顯露出存在有100面積百分比之想要的產物。1
H核磁共振(NMR)分析及電子離子化質量光譜分析(EIMS)二者皆証實該產物的結構。
E.式XVI單體之合成
將1.59克(0.0025莫耳)來自3D的4,4’-雙[(4-苯基乙炔基)乙二醯基]苯基醚及2.26克(0.0055莫耳)來自1C的1,3-雙(4-苯基乙炔基苯基)-2-丙酮,加入至一包含15毫升的無水甲苯及15毫升的無水2-丙醇之反應器。開始攪拌及加熱,一旦懸浮液到達溫度80℃時,逐滴加入經8.0毫升的2-丙醇稀釋之氫氧化四丁基銨溶液(1M在MeOH中,0.25毫升)30分鐘,此會立即引發深綠色。在維持於80℃下1小時後,HPLC分析指出該有限的反應物已經達成完全轉換。此時,將油浴移出該反應器,及讓該反應混合物冷卻至室溫。經由過濾過玻璃質媒質的玻璃漏斗回收產物(如為綠色粉末),及以大量2-丙醇清洗。可產生3.0克(87百分比),其純度為91面積百分比。
從此單體所製得的聚合物之經計算的交聯部分密度為0.00452莫耳/毫升。
在25毫升的圓底燒瓶中,加入3.0克的式I單體、1.50克單甲基丙烯酸酯終端的線性聚苯乙烯(Mn=1,900克/莫耳,Mw/Mn=1.10,來自科學聚合物產物公司)及9.0克的γ-丁內酯(GBL)。在氮氣中清洗所得的混合物15分鐘,然後在氮氣下以油浴加熱至180℃ 4.0小時。然後,將該混合物冷卻至145℃及以8.0克的環己酮稀釋。將該混合物進一步冷卻至室溫,以提供一在GBL/環己酮中的聚合物混合物(21重量百分比)。GPC顯示出該配方之分子量為43,000克/莫耳(Mw),多分散性為4.7。
將該混合物塗佈至矽晶圓及利用旋轉塗佈法鑄塑,以形成~0.9微米厚的薄膜。在MTI加熱板上,於150℃下烘烤該薄膜2分鐘,且將該經塗佈的晶圓傳送至真空烘箱。在氮氣中,以7℃/分鐘將烘箱溫度跳躍至400℃,然後保持120分鐘,以讓該聚苯乙烯多孔質在冷卻前分解。根據該薄膜的小角度x-射線散射(SAXS)測量,估計平均的球形孔洞尺寸直徑約2.0奈米。所產生的薄膜之折射率為1.53,介電常數為2.2。
在25毫升的圓底燒瓶中,加入2.0克的式I單體、1.0克單苯乙烯終端的線性PMMA(Mn=4,700克/莫耳,Mw/Mn=1.06,來自聚合物來源有限公司(Polymer Sources,Inc.))及6.0克的γ-丁內酯(GBL)。在氮氣下清洗所得的混合物15分鐘,然後在氮氣中以油浴加熱至180℃ 4.0小時。然後,將該混合物冷卻至145℃及以5.0克的乙基-3-乙氧基丙酸酯(EEP)稀釋。將該混合物進一步冷卻至室溫,以提供一在GBL/EEP中的聚合物混合物(21重量百分比)。
將該混合物塗佈至矽晶圓及利用旋轉塗佈法鑄塑,以形成~0.85微米厚的薄膜。在MTI加熱板上,於150℃下烘烤該薄膜2分鐘,且將該經塗佈的晶圓傳送至真空烘箱。在氮氣中,以7℃/分鐘將烘箱溫度跳躍至400℃,然後保持120分鐘,以讓PMMA多孔質在冷卻前分解。根據該薄膜之TEM測量,估計平均的球形孔洞尺寸直徑約3.3奈米。所產生的薄膜之折射率為1.54。
在25毫升的圓底燒瓶中,加入3.0克的式I單體、1.5克單苯基乙炔基終端的線性聚苯乙烯(Mn=10,600克/莫耳,Mw/Mn=1.06)及9.0克的γ-丁內酯(GBL)。在氮氣下清洗所得的混合物15分鐘,然後在氮氣中以油浴加熱至180℃ 4.0小時。然後,將該混合物冷卻至145℃及以8.0克的環己酮(CHO)稀釋。將混合物進一步冷卻至室溫,以提供一在GBL/CHO中的聚合物混合物(21重量百分比)。
將該混合物塗佈至矽晶圓及利用旋轉塗佈法鑄塑,以形成~0.92微米厚的薄膜。在MTI加熱板上,於150℃下烘烤該薄膜2分鐘,且將該經塗佈的晶圓傳送至真空烘箱。在氮氣下,以7℃/分鐘將烘箱溫度跳躍至400℃,然後保持120分鐘,以讓聚苯乙烯多孔質在冷卻前分解。TEM測量顯示出在所產生的薄膜中之孔洞高度互相連接,孔洞尺寸範圍從40至200奈米。所產生的薄膜之折射率為1.45。
申請人相信於此實例中之孔洞尺寸大且互相連接是因為該多孔質的較高分子量。
在25毫升的圓底燒瓶中,加入2.0克的式XVI單體、1.0克單甲基丙烯酸酯終端的線性聚苯乙烯(Mn=1,900克/莫耳,Mw/Mn=1.10,來自科學聚合物產物公司)及5.3克的。在氮氣下清洗所得的混合物15分鐘,然後在氮氣中以油浴加熱至175℃ 4.0小時。然後,將該混合物冷卻至145℃及以5.0克的乙基-3-乙氧基丙酸酯(EEP)稀釋。將該混合物進一步冷卻至室溫,以提供一在/EEP中的聚合物混合物(23重量百分比)。
將該混合物塗佈至矽晶圓及利用旋轉塗佈法鑄塑,以形成~0.7微米厚的薄膜。在MTI加熱板上,於150℃下烘烤該薄膜2分鐘,且將該經塗佈的晶圓傳送至真空烘箱。在氮氣下,以7℃/分鐘將烘箱溫度跳躍至400℃,然後保持120分鐘,以讓聚苯乙烯多孔質在冷卻前分解。根據該薄膜之TEM測量,估計平均的球形孔洞尺寸直徑約3.6奈米。所產生的薄膜之折射率為1.52。
在25毫升的圓底燒瓶中,加入3.0克下式的單體、1.5克單甲基丙烯酸酯終端的線性聚苯乙烯(Mn=1,900克/莫耳,Mw/Mn=1.10,來自科學聚合物產物公司)及9.0克的γ-丁內酯(GBL)。在氮氣下清洗所得的混合物15分鐘,然後在氮氣中以油浴加熱至200℃ 7.0小時。然後,將該混合物冷卻至145℃及以7.0克的乙基-3-乙氧基丙酸酯(EEP)稀釋。將該混合物進一步冷卻至室溫,以提供一在GBL/EEP中的聚合物混合物(22重量百分比)。
將該混合物塗佈至矽晶圓及利用旋轉塗佈法鑄塑,以形成~0.7微米厚的薄膜。在MTI加熱板上,於150℃下烘烤該薄膜2分鐘,且將該經塗佈的晶圓傳送至真空烘箱。在氮氣中,以7℃/分鐘將烘箱溫度跳躍至400℃,然後保持120分鐘,以讓聚苯乙烯多孔質在冷卻前分解。所產生的薄膜之折射率為1.6225,此指示出已形成一並無孔洞或非常低多孔洞性的薄膜(來自此單體的純基質薄膜之折射率約1.63)。
此單體(低XLMD單體1)之經計算的交聯部分密度為0.00216莫耳/毫升。
在25毫升的圓底燒瓶中,加入3.0克的式I單體、2.7克單甲基丙烯酸酯終端的線性聚苯乙烯(47百分比的多孔質負載,Mn=1,900克/莫耳,Mw/Mn=1.10,來自科學聚合物產物公司)及9.0克的γ-丁內酯(GBL)。在氮氣下清洗所得的混合物15分鐘,然後在氮氣中以油浴加熱至180℃ 4.0小時。然後,將該混合物冷卻至145℃及以13.6克的環己酮(CHO)稀釋。將該混合物進一步冷卻至室溫,以提供一在GBL/CHO中的聚合物混合物(17重量百分比),其Mw為8,800克/莫耳及Mw/Mn=2.0。
將該混合物塗佈至矽晶圓及利用旋轉塗佈法鑄塑,以形成~0.77微米厚的薄膜。在MTI加熱板上,於150℃下烘烤該薄膜2分鐘,且將該經塗佈的晶圓傳送至真空烘箱。在氮氣中,以7℃/分鐘將烘箱溫度跳躍至400℃,然後保持120分鐘,以讓聚苯乙烯多孔質在冷卻前分解。根據該薄膜之TEM測量,估計平均的球形孔洞尺寸直徑約2.0奈米。所產生的薄膜之折射率為1.529,此顯示出僅些微或並無進一步超過33百分比(RI=1.534)及40百分比(RI=1.530)之多孔質負載的利益。
下表闡明增加α-甲基苯乙烯在多孔質組成物中的比率以達成在降低的硬化溫度及時間(對400℃的標準條件2小時)下提高燃燒掉之效應。該些薄膜從經b-分級的溶液製備,該溶液來自式I之單體及多種以具有甲基丙烯酸酯終端基團之線性聚苯乙烯/α-甲基苯乙烯為主的多孔質組成物,其中該α-甲基苯乙烯的含量從0莫耳百分比變化至100莫耳百分比。全部的多孔質之分子量額定為2000克/莫耳。數值資料代表在350℃下硬化1小時後,多孔質的剩餘濃度(以該薄膜之紅外線測量為準),表示為原始值的重量百分比。
在硬化薄膜中剩餘的多孔質濃度(原始值的重量百分比)*
從這些資料可看見,該多孔質組成物需要至少70百分比的α-甲基苯乙烯,以在350℃ 1小時下從該薄膜移除大部分的多孔質;且在該多孔質組成物中,甚至較高程度的α-甲基苯乙烯亦似乎不對提高多孔質燃燒掉提供任何利益。
下表闡明硬化薄膜折射率(淨多孔洞性之測量)及平均孔洞尺寸,此可使用不同重量百分比的分子量2700之70/30α-甲基苯乙烯/苯乙烯(AMS/苯乙烯)共聚物多孔質負載而獲得,其可與33百分比之分子量1900聚苯乙烯同聚物多孔質(與來自式I之單體的b-分級溶液相關連)負載比較。所報導的資料為折射率結合平均孔洞尺寸。可看見的是,純聚苯乙烯多孔質並未完全燃燒掉,如可由在350℃/1小時之硬化條件下較高的折射率明瞭;同時70/30的AMS/S多孔質可在較低溫度(如400℃)下完全燃燒掉,如可由較低的折射率明瞭。同樣地,40百分比的70/30 AMS/苯乙烯多孔質負載可獲得與33百分比之聚苯乙烯多孔質(在33-45重量百分比的總範圍內)相等的折射率及孔洞尺寸。
薄膜折射率(孔洞尺寸*
)對多孔質負載
下列資料闡明多孔質分子量在硬化的薄膜折射率上之效應。一系列不同分子量的70/30AMS/苯乙烯多孔質與式I之單體進行b-分級、硬化及試驗,所產生的薄膜性質提供在下列表中,相對於33重量百分比之分子量1900聚苯乙烯同聚物多孔質的對照負載。
薄膜折射率(孔洞尺寸*
)對多孔質分子量
可觀察到需要分子量2700克/莫耳的70/30 AMS/苯乙烯多孔質,以獲得可與包含33百分比之分子量1900克/莫耳的聚苯乙烯多孔質對照樣品比較之折射率及孔洞尺寸。
第1圖為在顆粒間距離(孔洞尺寸之指示劑)與經計算的交聯部分密度間之關係圖。
第2圖為二種具有不同經計算的交聯部分密度之基質其膨潤對硬化溫度的關係圖。
Claims (13)
- 一種形成奈米多孔性薄膜之方法,其包括:形成一包含一基質前驅物材料、一多孔質材料及一溶劑的塗佈溶液,此可藉由選擇一聚亞芳基基質前驅物材料,其會交聯而形成一具有至少0.003莫耳/毫升之經計算的交聯部分密度(XLMD)之基質;及讓該聚亞芳基基質前驅物材料與一多孔質反應而進行,該多孔質為一從包含烯基或炔基官能基的單體形成之線性寡聚物,其具有反應性末端基團,且當利用尺寸排除層析法測量且經聚苯乙烯校正時,其重量平均分子量範圍不高於5000,其中該多孔質係以範圍約10至低於約50重量百分比的量存在,以該多孔質與該基質前驅物材料之總重量為準;將該塗佈溶液塗佈至一基材及移除該溶劑,以形成一薄膜;對該薄膜施加能量,以交聯該基質前驅物材料及移除該多孔質,以形成一平均孔洞尺寸少於4奈米之孔洞。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該施加能量包括在300至約425℃的溫度範圍內加熱該薄膜,以交聯該基質前驅物材料及移除該多孔質,以形成平均孔洞尺寸少於4奈米的孔洞。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該經計算的交聯部分密度大於0.0035莫耳/毫升。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該線性多孔質之重 量平均分子量少於4000克/莫耳。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該線性多孔質的重量平均分子量少於2000克/莫耳。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該線性多孔質的重量平均分子量至少500克/莫耳。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該多孔質的量為該多孔質與基質之30至45重量百分比。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該基質前驅物選自於下列單體或從下列單體製得的寡聚物:
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該多孔質為一線性聚苯乙烯,或一含有最高80莫耳百分比的α-甲基苯乙烯之線性聚苯乙烯/α-甲基苯乙烯共聚物。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該多孔質主要從下列一或多種單體形成:苯乙烯、經烷基取代的苯乙烯、經芳基取代的苯乙烯、經芳基炔基烷基取代的苯乙烯; 4-苯基乙炔基苯乙烯、經苯氧基、烷氧基、羧基、羥基或烷醯基及芳醯基取代的苯乙烯;乙烯基萘、乙烯基蒽;芪;丙烯酸酯類及甲基丙烯酸酯類、環氧烷類。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該基質前驅物為一從式I之單體形成的寡聚物:
- 如申請專利範圍第11項之方法,其中該多孔質為線性聚苯乙烯。
- 如申請專利範圍第11項之方法,其中該多孔質為聚苯乙烯/α-甲基苯乙烯的線性共聚物,其中該α-甲基苯乙烯的含量最高為80莫耳百分比。
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