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一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜及其制备方法技术

技术编号:10668560 阅读:232 留言:0更新日期:2014-11-20 13:47
本发明专利技术旨在提供一种具有超低介电常数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法,本发明专利技术目的是通过在聚酰亚胺薄膜中构建纳孔结构的手段来实现的。所含纳孔结构中含有空气,空气体积占到全部薄膜体积的10%~40%,从而可大幅度降低本体聚酰亚胺薄膜的介电常数。其次,该种纳孔结构尺寸均一,在电场中可使外加场强均匀化分布,不容易出现电压集中于某点的现象,从而可有效避免因为构建纳孔结构引起的薄膜击穿电压性能的劣化,大大增加了该类材料的使用范围。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术旨在提供一种具有超低介电常数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法,本专利技术目的是通过在聚酰亚胺薄膜中构建纳孔结构的手段来实现的。所含纳孔结构中含有空气,空气体积占到全部薄膜体积的10%~40%,从而可大幅度降低本体聚酰亚胺薄膜的介电常数。其次,该种纳孔结构尺寸均一,在电场中可使外加场强均匀化分布,不容易出现电压集中于某点的现象,从而可有效避免因为构建纳孔结构引起的薄膜击穿电压性能的劣化,大大增加了该类材料的使用范围。【专利说明】
本专利技术属于超大规模集成电路制造
,特别是涉及一种超低介电常数聚酰 亚胺薄膜及其制备方法。
技术介绍
目前,集成电路电子工业中所用的电介质材料以硅基材料为主,其具有材料易得、 价廉、加工处理工艺成熟等优点。但硅基材料介电常数较高,RC (阻容)延迟较大,在一定 程度上影响了超大规模集成电路(ULSI)元器件的进一步缩小和运算速度的进一步提高。 空气的介电常数约为1,如果将本体材料(此处指不含气孔的材料,下同)转换成含 有大量空气的多孔材料,那么根据介电常数的加和效应,必然会大大降低该种材料的介电 常数。因此为了获得超低的介电常数值,多孔电介质材料逐步受到人们的重视。 由于硅基材料脆性大,在柔性电子材料中无法应用,有机高分子材料的推广应用 潜力更大。目前研究较多的多孔高分子介质材料主要有:多孔聚酰亚胺、多孔SiCOH材料 (由Si、C、0等元素组成的一类材料的总称)和多孔含氟聚合物等。其中聚酰亚胺(PI)具有 优异的耐热性、良好的机械性能、稳定的化学性能、优良的介电性能、无毒、耐辐照等性能, 而且制备工艺相对简单,综合性能优良,正受到越来越多的重视。 制备低介电常数聚酰亚胺薄膜的方法有多种,包括: 一、引入含氟基团或以氟取代氢合成低介电常数聚酰亚胺:即利用含氟二酐和二胺反 应生成预聚物(聚酰胺酸或聚酰胺酯),再通过化学亚胺化或热处理得到含氟聚酰亚胺。目 前研究最多的是部分氟代聚酰亚胺,因为全氟代聚酰亚胺单体种类较少,毒性较大,且很难 合成,成本很高。 二、含芴基团的低介电常数聚酰亚胺:由于芴基具有庞大的自由体积及稠环结构, 使得含芴基的聚酰亚胺具有较好的溶解性能、热氧化稳定性能、机械性能、低介电常数与介 电损耗等。广泛应用在微电子、分离膜及先进显示屏等高新技术产业。 三、聚酰亚胺/二氧化硅复合材料:将Si02前驱体与水的混合溶液加入到聚酰胺 酸溶液中搅拌,得到Si0 2和聚酰胺酸的混合溶液,再通过适当的方法制膜。最后,经过亚胺 化热处理制得聚酰亚胺和纳米Si02复合材料。 四、纳孔化低介电常数聚酰亚胺:如上文所述,利用空气的低介电常数(接近1), 在聚酰亚胺薄膜材料中引入纳米级的孔洞,可以有效的降低材料的介电常数。 显然,在制备低介电常数聚酰亚胺薄膜的四种方法中,以第四种即纳孔化最为简 单易行,适用范围最广。借鉴其他领域纳孔材料的制备方法,可通过二次沉积法、溶胶凝胶 法、热分解法、超临界发泡法等手段在聚酰亚胺薄膜中构建纳孔结构。但所得纳孔孔径往往 分布较宽(均匀性差),使得材料的应用性能变差。如在微电子领域,含有大量孔径不均匀纳 孔结构的聚酰亚胺薄膜往往耐电击穿性能很差,而此性能显然是电介质材料的重要性能之 一。有鉴于此,需要提供新方法在聚酰亚胺薄膜中构建均匀的纳孔结构,并进而制备出具有 超低介电常数的聚酰亚胺薄膜。 申请人:在先的专利申请,申请号为201310176864. 4公开了一种自带模板剂的单 分散型纳米致孔剂的制备方法,在单体中加入一定比例的表面活性剂、无机盐及助表面活 性剂,再一起加入到一定量的蒸馏水中,搅拌、乳化、静止得到水包油型微乳液,在该微乳液 中加入一定浓度的水溶性引发剂单体,通N 2保护、机械搅拌、升温,进行聚合反应一定时间 后,在体系中滴加碱液,调节pH值为8~10,得到具有一定亲水亲油平衡值的、粒径分布为单 分散的、尺寸范围在2(T500nm的纳孔材料制备专用致孔剂。所得致孔剂粒径大小均一,呈 单分散性分布,可赋予以该致孔剂制备所得纳孔材料均一的孔洞/孔穴。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种具有超低介电常数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法,本专利技术目 的是通过在聚酰亚胺薄膜中构建纳孔结构的手段来实现的。所含纳孔结构中含有空气,空 气体积占到全部薄膜体积的1〇%~40%,从而可大幅度降低本体聚酰亚胺薄膜的介电常数。其 次,该种纳孔结构尺寸均一,在电场中可使外加场强均匀化分布,不容易出现电压集中于某 点的现象,从而可有效消除纳孔结构对薄膜材料击穿电压的劣化,大大增加了该类材料的 使用范围。 为实现本专利技术目的,本专利技术采用的技术方案如下: 本专利技术提供了一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜,其特征在于:在聚酰亚胺薄膜的基体 中含有若干纳米级孔径均一的、含有空气的孔洞,孔径为4(T60nm ;随化学成份不同,以水 作为参考密度,相对密度为〇. 89~1. 22 ;空气中的长期使用温度为25(T320°C ;介电常数为 1. 92~3. 36,与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比,介电常数下降了 169Γ36%。 所述超低介电常数聚酰亚胺薄膜物理性能指标:耐热性:随化学成份的不同玻 璃化温度为266飞00°C,与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比,玻璃化温度下降了 4. 59Γ5. 5% ;击穿电压:随化学成份的不同击穿电压为10(Tl90kV/mm,与同种成份不含空气 孔的聚酰亚胺薄膜相比,击穿电压下降了 49Γ5%。 本专利技术还提供了一种上述超低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于, 该薄膜以二酐类和二氨类物质为前驱体,反应得到中间体聚酰胺酸,加入有机胺类物质,将 聚酰胺酸转化为聚酰胺盐,加入致孔剂搅拌均匀,制膜,升温除去致孔剂,制备获得超低介 电常数聚酰亚胺薄膜,该薄膜含大量空气孔,孔径约为4(T60nm,介电常数相较同成份的无 孔聚酰亚胺薄膜下降了 169Γ36%。 本专利技术超低介电常数聚酰亚胺薄膜制备方法的具体步骤为: (1) 选择适当的前驱体原料(二酐类和二氨类物质)及相应溶剂,按一定比例投入反应 器中混合、搅匀,控制温度反应一定时间得到中间体聚酰胺酸; (2) 在中间体聚酰胺酸中加入有机胺类物质,将聚酰胺酸转化成亲水性更好的聚酰胺 盐,并用丙酮提取该盐,真空干燥,之后将该盐溶解在水中制成溶液; (3) 在该聚酰胺盐的溶液中加入纯化后的单分散的自带模板剂的致孔剂的水分散体, 搅拌均匀; (4) 将含有致孔剂的溶液用旋涂法或流延法等方法在基体上制膜,通过真空干燥的方 法除去水分,并可在已有薄膜的基体上继续旋涂或流延法制膜,之后真空干燥,两个步骤 (制膜、干燥)反复进行,可制备具有不同厚度的薄膜; (5)将适当厚度的含有致孔剂的聚酰胺盐薄膜置于烘箱中,以一定速率升温,并在一定 温度下保温一定时间,使致孔剂分解脱除,同时完成聚酰胺的亚胺化,得到含有一定纳孔结 构的聚酰亚胺薄膜,其具有超低的介电常数和较好的电击穿性能。 进一步地,所述二酐类物质为均苯四甲酸二酐、联苯四甲酸二酐、单醚四酸二 酐、三苯双醚四甲酸二酐、联苯醚二酐、茈-3, 4,9, 10-本文档来自技高网
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一种<a href="http://www.xjishu.com/zhuanli/59/201410454474.html" title="一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜及其制备方法原文来自X技术">超低介电常数聚酰亚胺薄膜及其制备方法</a>

【技术保护点】
本专利技术提供了一种超低介电常数聚酰亚胺薄膜,其特征在于:在聚酰亚胺薄膜的基体中含有若干纳米级孔径均一的、含有空气的孔洞,孔径为40~60nm;随化学成份不同,以水作为参考密度,相对密度为0.89~1.22;空气中的长期使用温度为250~320℃;介电常数为1.92~3.36,与同种成份不含空气孔的聚酰亚胺薄膜相比,介电常数下降了16%~36%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:马素德闵忠华王岩张勤勇
申请(专利权)人:西华大学
类型:发明
国别省市:四川;51

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