KR20030022291A - 고분자 망상구조를 지닌 저유전율 물질 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 성분 및 제 2 성분으로부터 형성되는, 고분자 망상구조를 지닌 저유전율 물질에 관한 것이다. 제 1 성분은 고분자 스트란드를 포함하고, 제 2 성분은 3개 이상의 아암 (arm)이 뻗어나가는 중심부를 지닌 분자를 포함하며, 각각의 아암은 반응성 그룹을 지닌 주쇄를 포함한다. 제 1 성분 및 제 2 성분은, 열활성화되는 경우, 반응성 그룹 중의 하나 이상을 포함하는 반응에서 고분자 망상구조를 형성한다. 고려되는 저유전율 물질은 전자 장치의 제조에 유리하게 사용되며, 특히 고려되는 장치로는 집적회로가 있다.
Description
집적 회로의 설계 제한사항이 감소함에 따라, 유전율 (k값)이 감소된 절연 물질이 계속 필요해졌고, 절연 물질의 유전율을 1.0의 이론적 한계값 (즉, 공기의 k값)에 근접하게 감소시키기 위해 다양한 방법이 개발되었다.
한 가지 방법은, 열안정성 중합체를 열불안정성 (열분해성) 중합체와 배합시키는 것이다. 그 후, 배합된 혼합물을 가교시키고, 열불안정성 부분을 열분해시켜서 나노 크기의 공극을 생성시킨다. 이러한 예는 헤드릭 (Hedrick) 등의 미국 특허 제 5,776,990호에 기재되어 있다. 또한, 열불안정성 블록 및 열안정성 블록을 하나의 블록 공중합체에 교대로 존재하게 한 후, 블록 공중합체를 가열하여 열불안정성 블록을 열분해시킨다. 또 다른 변형예에 있어서, 열안정성 블록 및 열불안정성 부분을 함유하는 열안정성 블록을 혼합하고, 이를 중합시켜서 공중합체를 생성시킨다. 그 후, 이 공중합체를 가열하여 열불안정성 블록을 열분해시킨다. 열적 파괴에 의해 나노 크기의 공극을 생성시키는 방법은 비교적 간단하지만, 열불안정성 부분을 중합체 배합물 또는 공중합체내로 포함시키는 것은 종종 상당한 제약을받는다. 예를 들어, 중합체의 배합물이 사용되는 경우, 열불안정성 부분을 중합체 배합물내로 분포시키는 것은 비교적 제어하기 어렵다. 또한, 나노 크기의 공극의 크기는 불균일한 경향이 있다. 또한, 열불안정성 부분이 이미 내장된 공중합체 또는 블록 중합체는 전형적으로 구멍 크기 및 분포에 관해 보다 나은 제어를 가능하게 해주지만, 이러한 공중합체 및 블록 공중합체를 합성하는 것은 종종 더욱 까다롭다. 더욱이, 이러한 공중합체 또는 블록 공중합체가 일단 합성되면, 나노 크기의 구멍의 크기 및 양을 변화시키는 것이 더욱 어려워진다.
또 다른 방법은, 미세 공극 운반물질로서 작용하는 작은 중공 유리 구체를 유전 물질과 배합시킨 후, 유전 물질을 공극 운반물질의 존재하에서 경화시키는 것이다. 작은 유리 구체를 포함시키는 것에 관한 예는 카메자키 (Kamezaki)의 미국 특허 제 5,458,709호 및 요코우치 (Yokouchi)의 미국 특허 제 5,593,526호에 기재되어 있다. 작은 유리 구체를 포함시키는 것이 전형적으로 기계적 안정성을 감소시키는 것은 아니지만, 유리 구체를 균일하게 분포시키는 것이 종종 문제가 된다. 더욱이, 카메자키 및 요코우치의 방법은 일반적으로 비교적 커다란 유리 구체로 제한된다. 유리 구체 보다 현저하게 작은 공극을 포함시키기 위해, 로스토커 (Rostoker) 및 파쉬 (Pasch)는 미국 특허 제 5,744,399호에서 공극 운반물질로서 풀러렌을 사용하여 이를 고분자 매트릭스 물질과 배합한 후 가교시키고 경화시키는 것을 기술하고 있다. 임의의 추가 단계에서, 매트릭스 물질은 용해시키지 않는 용매 중에서 풀러렌을 용해시킴으로써 풀러렌을 제거할 수 있다. 로스토커 및 파쉬의 방법은 유리하게는 유리 구체 보다 현저하게 작은 공극 운반물질을 포함시킬 수있지만, 잔여 용매가 다운스트림 공정에서 잠재적인 문제점을 나타내는데, 특히 다중층의 저유전율 물질이 필요한 경우 문제가 된다. 또한, 나노 크기 공극의 크기 변화량은 풀러렌의 제한된 크기 변화량으로 인해 제한을 받는다.
공극을 도입시키는 데에 사용되는 방법과 무관하게, 나노다공성 물질을 제조하는 데에 있어서 자주 구조적인 문제에 부딪힌다. 특히, 다공도를 임계 한도 (일반적으로 공지된 나노다공성 물질의 경우 약 30%) 이상으로 증가시키는 것은 많은 다공성 물질을 붕괴시키는 경향이 있다. 붕괴는 열안정성 부분을 다른 열안정성 부분과 커플링시켜주는 가교 첨가제를 첨가하여 더욱 강성인 망상구조를 생성시킴으로써 어느 정도 방지될 수 있으며, 일반적으로 나노다공성 물질에서 열안정성 부분을 가교시키는 것과 관련하여 두 가지 상이한 기술이 당 분야에 공지되어 있다.
한 가지 기술은, 특정한 가교 작용기가 중합체내로 이미 혼입되어 있는 것이다. 이들 작용기는, 나노다공성을 생성키기기 위한 열안정성 부분의 열분해 또는 그 밖의 물질의 제거 전에, 함께 반응하여 고분자 스트란드 (strand)를 가교시킨다. 예를 들어, 오만 (Auman)의 미국 특허 제 5,177,176호의 경우, 고분자 스트란드는 고분자 스트란드의 말단에 위치한 다양한 가교 작용기를 사용하여 가교된다. 나머지 기술은, 외인성 가교 분자를 가교에 사용하는 것이다. 그 후, 가교된 중합체를 가열하여 열불안정성 부분을 열분해시킨다. 예를 들어, 스트렉클 쥬니어 (Streckle, Jr.)의 미국 특허 제 5,710,187호의 경우, 방향족 단량체는 외인적으로 첨가된 다작용기성 아실 할라이드 또는 벤질산 할라이드를 사용하여 가교된다.
내재하거나 외인적으로 첨가된 가교제를 사용한 가교가 종종 나노다공성 물질의 구조적 특성을 적어도 어느 정도까지는 개선시키지만, 내재성 가교제 및 외인적으로 첨가된 가교제를 사용하는 것으로부터 새로운 문제점이 자주 발생한다. 예를 들어, 내재성 가교제를 포함하는 열안정성 부분 및 열불안정성 부분을 지닌 공중합체 또는 블록 공중합체는 합성하기가 일반적으로 어렵다. 더욱이, 적합한 내재성 가교제를 선택하는 것은 열안정성 부분에 있는 반응성 그룹의 반응도 및 이용률에 의해 추가로 제한을 받는 경향이 있다. 다른 한편, 가교제가 외인적으로 첨가되는 경우, 외인성 가교제의 용해도, 화학적 적합성 및 선택적 반응도가 종종 제한적 역할을 한다.
따라서, 고분자 물질의 유전율을 감소시키는 것과 관련하여 다수의 방법이 공지되어 있지만, 이들 방법 전부 또는 거의 전부가 한 가지 이상의 단점을 지니고 있다. 따라서, 저유전율 물질을 수득하기 위한 개선된 방법 및 조성물을 제공할 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은 저유전율 물질에 관한 것이다.
도 1a 내지 1b는 중심부로서 바구니 화합물을 지닌 전형적인 제 2 성분의 구조식을 도시한다.
도 2는 중심부로서 방향족 고리를 지닌 전형적인 제 2 성분의 구조식을 도시한다.
도 3a 내지 3b는 중심부로서 규소 원자를 지닌 전형적인 제 2 성분의 구조식을 도시한다.
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따라 형성된 전형적인 고분자 망상구조의 개략적 구조를 도시한다.
상세한 설명
본 발명에 따른 저유전율 물질은 적어도 제 1 성분 및 제 2 성분으로부터 형성된 고분자 망상구조를 지니며, 제 1 성분은 고분자 스트란드를 포함하고, 제 2 성분은 적어도 3개의 아암이 뻗어나가는 중심부를 지닌 분자를 포함하며, 각각의 아암은 주쇄를 포함하고 각각의 아암은 주쇄내에 반응성 그룹을 지닌다. 고분자 망상구조는 제 1 성분 및 제 2 성분이 열활성화되는 경우 반응성 그룹 중의 하나 이상의 반응을 포함하여 제 1 성분 및 제 2 성분에 의해 형성된다.
본 발명의 한 가지 바람직한 양상에 있어서, 제 1 성분은 하기 구조식 1로 표현된 일반식을 지니는 폴리(아릴렌 에테르)이다:
상기 식에서, n은 약 20 내지 200 이다. 제 2 성분은 하기 구조식 2로 표현된 테트라키스(톨라닐)실란이다:
상기 식에서, 규소 원자가 중심부이고, 각각의 톨라닐 그룹은 아암을 나타낸다. 톨라닐 그룹내의 삼중 결합이 반응성 그룹이다. 제 1 성분 및 제 2 성분을 거의 등몰비 (예를 들어, 50mM)로 용매 (예를 들어, 아니솔)에 용해시키고, 용액을 표준 스핀-코팅 절차에 의해 적합한 기판 (예를 들어, 실리콘 웨이퍼)상에 도포시키고, 기판에 도포된 용액을 약 2시간 동안 약 180℃로 가열함으로써 제 1 성분 및 제 2 성분을 열활성화시킨다. 반상호침투성 망상구조가 폴리(아릴렌 에테르) 및 다수의 테트라키스(톨라닐)실란 분자에 의해 형성되며, 상기 분자는 톨라닐 그룹내의 삼중 결합을 이용하는 사이클로-첨가 반응에서 중합되고 가교된다.
본 발명의 대안적인 양상에 있어서, 제 1 성분내의 고분자 스트란드는 반드시 폴리(아릴렌 에테르)로 한정될 필요는 없지만, 일반적으로 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리이미드-아미드 등을 포함하는 다양한 대안적인 유기 고분자 스트란드를 포함할 수 있다. 비교적 높은 유리 전이 온도 (즉, Tg>300℃)가 특히 바람직한 경우, 특히 바람직한 유기 고분자 스트란드로는 폴리(아릴렌), 예를 들어 폴리(아릴렌 에테르), 폴리(아릴렌 에테르-에테르-케톤), 폴리(아릴렌 에테르-퀴녹살린), 폴리(아릴렌 에테르-벤질) 및 폴리(아릴렌 에테르-퀴놀린)이 있다. 또한, 유기금속성 고분자 스트란드 및 무기 고분자 스트란드가 본 명세서에 제시된 교시내용과 관련하여 또한 적합한 고분자 스트란드일 수 있다. 예를 들어, 개선된 부착성 또는 구조적 인성 (toughness)이 요망되는 경우, 유리하게는 폴리실란이 고분자 스트란드에 첨가될 수 있다. 또 다른 예에 있어서, 500℃가 넘는 온도 내성이 요망되는 경우, 특히 실리카 또는 알루미나가 고려된다.
본 명세서에 사용된 용어 "고분자 스트란드"는 하나 이상의 다른 단량체에 반복적으로 및 공유적으로 결합되어 있는 단량체들의 임의의 조성물을 의미한다. 예를 들어, 고분자 스트란드는 각각의 단량체가 두 개의 다른 단량체에 공유결합되어 선형 단량체 사슬 (즉, 선형 고분자 스트란드)을 형성하는 다수의 단량체를 지닐 수 있다. 또 다른 예에 있어서, 고분자 스트란드는 각각의 단량체가 두 개 또는 세 개 이상의 단량체에 공유결합되어 비선형 단량체 사슬 (즉, 분지형 고분자 스트란드 또는 선형 또는 분지형 고분자 스트란드의 3차원 망상구조)를 형성하는 다수의 단량체를 지닐 수 있다.
적합한 고분자 스트란드는 다양한 분자량을 지닐 수 있는 것으로 또한 이해되어야 한다. 고분자 스트란드가 약 5000Da 내지 100000Da의 평균 분자량을 지니는 것이 일반적으로 바람직하지만, 그 밖의 다양한 분자량이 또한 고려된다. 예를 들어, 단량체의 분자량이 200 미만이고 고분자 스트란드의 길이가 약 25개 반복 단량체 미만인 것이 바람직한 경우, 5000Da 내지 1000Da 또는 이 보다 작은 분자량이고려된다. 유사하게는, 고분자 스트란드가 비교적 분자량이 큰 (예를 들어, >1000Da) 단량체를 지니는 경우, 또는 고분자 스트란드가 비교적 다수의 단량체를 지녀야 하는 경우, 100000Da 내지 1000000Da 및 이 보다 큰 분자량이 고려된다.
바람직한 고분자 스트란드는 일반적으로 선형 고분자 스트란드이지만, 분지형 고분자 스트란드 및 가교형 고분자 스트란드를 포함하는 비선형 고분자 스트란드가 고려된다. 예를 들어, 구조적 강성의 증가가 요망되는 경우, 적합한 고분자 스트란드는 다양한 정도로 가교될 수 있다. 가교도는 본 명세서에 제시된 발명의 개념과 관련하여 중요하지 않은 것으로 일반적으로 고려되지만, 적합한 고분자 스트란드는 100개 단량체 당 1개의 가교 내지 10000개 단량체 당 1개의 가교를 지닐 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 비교적 높은 가교도가 바람직한 경우, 100개 단량체 당 1개를 초과하는 가교가 고려된다. 또한, 구조적 강성이 고분자 스트란드내에 이미 갖추어진 경우 (예를 들어, 강성 막대 중합체), 10000개 단량체 당 1개 미만의 가교가 또한 고려된다. 추가의 적합한 고분자 스트란드는 고분자 스트란드의 분지가 개선된 구조적 또는 물리화학적 특성에 기여할 수 있는 분지형 고분자 스트란드를 포함한다. 예를 들어, 일부 고분자 스트란드는 가교성 작용기를 함유하는 분지를 포함할 수 있지만, 그 밖의 고분자 스트란드는 이러한 고분자 스트란드를 포함하는 물질의 총괄적 밀도를 효율적으로 감소시키는 입체 요구성 분지를 포함하여 물질의 유전율을 감소시킬 수 있다.
제 1 성분은, 고분자 스트란드 이외에, 용매, 처리 촉진용 분자 또는 조성물, 가교제 및 기타 유사한 것들 중 하나 이상을 포함하는 다양한 분자를 추가로포함할 수 있는 것으로 또한 이해되어야 한다. 예를 들어, 고려되는 용매로는 에테르, 아니솔, 및 메틸렌 클로라이드가 있다. 고려되는 처리 촉진용 분자 또는 조성물로는 부착 향상제, 소포제 및 안정제가 있다.
분자의 중심부와 관련하여, 규소 원자 이외에 다수의 원자 및/또는 잔기가 또한 적합한 것으로 고려된다. 본 명세서에 사용된 용어 "중심부 (central portion)"는 3개 이상의 아암이 모두 실질적으로 상이한 공간적 방향으로 뻗어나가도록 공유결합되어 있는 원자 또는 잔기를 의미한다. 예를 들어, 테트라키스(톨라닐)실란 또는 테트라키스(톨라닐)아다만탄 중의 규소 원자 또는 아다만탄 그룹은 상기 정의에 비추어 중심부로서 간주되는데, 이는 모든 4개의 톨라닐 그룹이 규소 원자 또는 아다만탄 그룹에 공유결합되어 있고 모든 4개의 톨라닐 그룹이 실질적으로 상이한 공간적 방향으로 배향되어 있기 때문이다. 특히 바람직한 대안적인 중심부는 바구니 (cage) 화합물 (즉, 공유결합된 원자에 의해 형성된 다수의 고리가 용적을 형성하여, 용적내에 위치한 포인트 (point)가 고리를 통과하지 않고서는 용적을 이탈할 수 없게 되어 있는 분자)을 포함하며, 특히 고려되는 바구니 화합물은 아다만탄, 디아다만탄 및 풀러렌이다. 또한, 중심부가 하나의 원자인 경우, 고려되는 대안적인 원자로는 인 및 게르마늄이 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 중심부에 공유결합되어 있는 아암은 3개의 동일한 톨라닐 그룹으로 한정될 필요가 없지만, 이와 현저하게 달라질 수 있다. 따라서, 적합한 아암은 1개 이상의 방향족 고리를 지닌 아암을 포함할 수 있으며, 아암이 방향족 고리를 포함하는 경우 추가의 에티닐 그룹이 또한 아암에 위치하는것이 바람직하다. 특히 바람직한 대안적인 아암은 삼중 결합 및 방향족 고리를 포함하는 화학 작용그룹을 포함하며, 더욱더 바람직한 대안적인 아암은 4-에티닐페닐, 4-페닐에티닐비페닐 및 비스톨라닐이다. 모든 아암이 동일한 것이 일반적으로 바람직하지만, 1개 이상의 아암이 동일한 분자내의 나머지 아암 중 하나 이상과 상이한 화학적 조성 및/또는 길이를 지닐 수 있는 것이 또한 고려된다. 예를 들어, 제 2 성분을 사용하여 고분자 스트란드를 형성하는 경우, 제 1의 아암 세트 중의 제 1의 반응성 그룹 세트는 중합에 사용될 수 있는 반면, 제 2의 아암 세트 중의 제 2의 상이한 반응성 그룹 세트는 가교에 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 중심부가 4개의 아암에 커플링되고 모든 4개의 아암이 중합 및/또는 가교를 위한 반응성 그룹을 지니는 경우, 길이가 동일하지 않은 아암을 사용하여 구조가 불균일한 가교된 중합체를 생성시킬 수 있다. 또한, 중심부의 화학적 성질에 따라, 아암의 갯수는 4개의 아암으로 한정될 필요가 없는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 중심부가 페닐 고리 (예를 들어, 플로로글루시놀)를 포함하는 경우, 3개의 아암이 고려된다. 또한, 3개 또는 4개가 넘는 아암이 분자에 사용될 수 있는데, 이 경우, 중심부는 섹시페닐렌 고리계를 포함한다. 그러나, 고려되는 분자내의 아암의 갯수는 3개 미만은 아닌 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 두 개 또는 단지 한 개의 아암을 지닌 분자는 본 명세서에 제시된 교시내용과 관련하여 고려되지 않는다.
아암의 화학적 성질에 따라, 반응성 그룹이 주쇄에 위치하기만 하면 반응성 그룹은 현저하게 달라질 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어 "주쇄"는 공유결합되어 있는 원자 또는 잔기의 연속적 사슬을 의미하는 것으로서, 원자 또는 잔기 중 어느 하나의 제거는 사슬의 중단을 일으킨다. 특히 바람직한 아암의 경우, 반응성 그룹은 삼중 결합이다. 또한, 반응성 그룹은 디엔 및 친디엔제, 친핵성 그룹 및 친전자성 그룹을 포함할 수 있다. 결과적으로, 반응성 그룹의 화학적 성질에 따라 반응이 현저하게 달라질 수 있지만, 반응이 사이클로-첨가 반응을 포함하는 것이 바람직하다.
다른 양상에 있어서, 적합한 반응은 다양한 치환 반응 (예를 들어, 친핵성, 방향족), 제거 반응, 및 첨가 반응을 포함할 수 있다. 중심부를 지니고 아암이 뻗어나가는 바람직한 분자는 제 1 성분의 존재하에서 중합되고 가교되는 것으로 (즉, 열경화성 단량체로서 기능하는 것으로) 특히 이해되어야 한다. 중심부로서 바구니 화합물을 지닌 전형적인 제 2 성분의 구조식은 도 1a 및 1b에 도시되어 있으며, 중심부로서 방향족 고리를 지닌 전형적인 제 2 성분의 구조식은 도 1a에 도시되어 있다. 도 3a 내지 3c는 중심부로서 규소 원자를 지닌 전형적인 제 2 성분의 구조식을 도시한다. 추가의 전형적인 분자 및 이들의 합성은 본 명세서에 전체 내용이 참조로 포함되어 있는 공동계류중인 라우 등의 미국 특허 출원 (발명의 명칭: "Compositions And Methods For Thermosetting Molecules In Organic Compositions")에 기재되어 있다.
열활성화에 관해, 반응성 그룹의 화학적 성질에 따라 활성화는 제 1 성분 및 제 2 성분을 200℃ 이상의 온도로 가열하는 것에 제한될 필요가 없지만 이와 현저하게 달라질 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 활성화된 반응성 그룹이 사용되는 경우, 가열은 200℃ 미만의 온도를 필요로 할 수 있고, 150℃ 내지 200℃의 온도 또는 이 보다 낮은 온도를 포함할 수 있다. 그 밖의 경우, 가열은 200℃를 초과하는 온도를 필요로 할 수 있고, 200℃ 내지 350℃ 또는 이 보다 높은 온도를 포함할 수 있다. 또한, 망상구조의 형성은 열활성화 이외의 메카니즘을 또한 포함할 수 있으며, 고려되는 대안적인 메카니즘은 라디칼 중합, 광중합, 마이크로파 유도된 중합 등을 포함한다. 망상구조는 제 2 성분을 제 1 성분과 가교시키거나, 제 2 성분을 또 다른 제 2 성분과 가교시키거나, 제 2 성분을 제 1 성분 및 또 다른 제 2 성분과 가교시키는 외인적으로 첨가된 가교제을 첨가함으로써 또한 형성될 수 있는 것으로 추가로 이해되어야 한다.
제 2 성분이 용매, 중합 반응을 개시시키는 활성제, 처리 촉진용 분자 또는 조성물, 가교제 및 기타 유사한 것들 중 하나 이상을 포함하는 추가의 분자를 포함할 수 있는 것으로 추가로 이해되어야 한다. 예를 들어, 고려되는 용매로는 다양한 에테르, 아니솔 및 메틸렌 클로라이드가 있다. 고려되는 처리 촉진용 분자 또는 조성물로는 부착 향상제, 소포제 및 안정제가 있고, 고려되는 중합 활성제로는 라디칼 개시제 및 광활성제가 있다.
고분자 망상구조가 반상호침투성 망상구조인 것이 바람직하지만, 다수의 대안적인 망상구조가 또한 고려된다. 예를 들어, 제 2 성분이 선형 고분자 스트란드의 존재하에서 중합되고 가교되며 추가의 가교가 제 2 성분 및 선형 고분자 스트란드 사이에 형성되는 경우, 변형된 반상호침투성 망상구조가 형성될 것이다. 유사하게는, 제 2 성분이 가교된 고분자 스트란드의 존재하에서 중합되고 가교되는 경우, 상호침투성 망상구조가 형성될 것이다. 또한, 제 2 성분이 가교된 고분자 스트란드의 존재하에서 중합되고 가교되며 추가의 가교가 제 2 성분 및 가교된 고분자 스트란드 사이에 형성되는 경우, 변형된 상호침투성 망상구조가 형성될 것이다. 변형된 반상호침투성 망상구조, 변형된 상호침투성 망상구조, 또는 상호침투성 망상구조의 형성은 구조적 안정성을 유리하게 증가시켜줄 수 있는 것으로 고려된다. 본 명세서에 사용된 용어 "고분자 망상구조"는 두 개 이상의 고분자 스트란드가 섞여서 하나 이상의 고분자 스트란드가 가교되어 있는 복잡한 구조를 형성한 물질을 의미한다.
고분자 망상구조는 다수의 공지된 방법에 의해 생성될 수 있으며, 이러한 모든 고분자 망상구조는 본 명세서에 제시된 교시내용과 관련하여 사용하기 위해 고려된다. 전형적으로 고려되는 대안적인 고분자 망상구조는 도 4a 내지 4d에 도시되어 있다. 도 4a의 경우, 반상호침투성 망상구조 (1)는 다수의 고분자 스트란드 (10), 중심부 (24)와 3개의 아암 (22)을 지닌 다수의 별모양의 분자 (20)를 지닌다. 상기 분자는 공유결합 (26)을 통해 중합/가교된다. 도 4b의 경우, 상호침투성 망상구조 (101)는 가교 (112)를 통해 가교되는 다수의 고분자 스트란드 (110)를 지닌다. 별모양의 분자 (120)는 중심부 (124) 및 3개의 아암 (122)을 지닌다. 상기 분자는 공유결합 (126)을 통해 중합/가교된다. 도 4c의 경우, 변형된 반상호침투성 망상구조 (201)는 다수의 고분자 스트란드 (210)을 지닌다. 별모양의 분자 (220)는 중심부 (224) 및 3개의 아암 (222)을 지닌다. 상기 분자는 공유결합 (226)을 통해 중합/가교되며, 공유결합 (230)을 통해 고분자 스트란드에 추가로 공유결합된다. 도 4d의 경우, 변형된 상호침투성 망상구조 (301)는 가교 (312)를 통해 가교되는 다수의 고분자 스트란드 (310)를 지닌다. 별모양의 분자 (320)는 중심부 (324) 및 3개의 아암 (322)을 지닌다. 상기 분자는 공유결합 (326)을 통해 중합/가교되며, 공유결합 (330)을 통해 고분자 스트란드에 추가로 공유결합된다. 도 4a 내지 4d의 경우, 고분자 사슬이 연속적임은 점선으로 표시되어 있고, 중단된 선은 두 개의 고분자 스트란드가 겹쳐지는 위치를 나타낸다.
본 발명의 특히 바람직한 양상에 있어서, 저유전율 물질은 전자 기판 (바람직하게는, 실리콘 웨이퍼)의 표면에 도포된다. 저유전율 물질이 3.0 미만, 더욱 바람직하게는 2.7 미만, 더욱더 바람직하게는 2.4 미만의 유전율을 나타내는 것이 또한 고려된다. 고려되는 저유전율 물질의 유리 전이 온도 (Tg)에 관해, 저유전율 물질이 일반적으로 350℃ 보다 높은 Tg, 더욱 바람직하게는 400℃ 보다 높은 Tg, 가장 바람직하게는 450℃ 보다 높은 Tg를 지니는 것이 고려된다.
발명의 개요
본 발명은 두 가지 성분으로부터 제조되는, 고분자 망상구조를 포함하는 저유전율 물질에 관한 것이다. 제 1 성분은 고분자 스트란드를 포함하고, 제 2 성분은 3개 이상의 아암 (arm)이 뻗어나가는 중심부 (central portion)를 지닌 별모양의 분자를 포함한다. 각각의 아암은 반응성 그룹을 지닌 주쇄를 포함한다. 고분자 망상구조는 제 1 성분 및 제 2 성분의 열활성화시에 반응성 그룹 중의 하나 이상을 포함하는 반응에서 형성된다.
본 발명의 한 가지 양상에 있어서, 제 1 성분은 고분자 스트란드, 바람직하게는 폴리(아릴렌), 더욱 바람직하게는 폴리(아릴렌 에테르), 폴리(아릴렌 에테르-에테르-케톤), 폴리(아릴렌 에테르-퀴녹살린), 폴리(아릴렌 에테르-벤질), 및 폴리(아릴렌 에테르-퀴놀린)을 포함한다. 추가로 고려되는 고분자 스트란드는 폴리이미드, 폴리아미드 및 폴리이미드-아미드를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 제 2 화합물은 별모양의 분자를 포함하며, 이러한 분자의 중심부는 바람직하게는 아다만탄, 디아만탄 또는 풀러렌을 포함한다. 그 밖의 바람직한 중심부는 규소 원자 및 하나 이상의 방향족 고리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 별모양의 분자의 아암 중 하나 이상은 방향족 고리를 포함하고, 바람직하게는 에티닐 그룹을 추가로 포함하며, 특히 바람직한 아암은 4-에틸페닐, 톨라닐, 4-페닐에티닐비페닐, 및 비스톨라닐을 포함한다. 고려되는 아암 중의 반응성 그룹이 삼중 결합인 것이 일반적으로 바람직하고, 망상구조 (바람직하게는, 반상호침투성 (semi-interpenetrating) 망상구조)의 형성과정이 사이클로-첨가 반응을 포함하는 것이 추가로 고려된다.
본 발명의 다양한 목적, 특징, 양상 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 하기 본 발명의 바람직한 구체예의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
하기 실시예는 제 1 성분 및 제 2 성분의 전형적인 합성방법 및 본 발명에 따른 개선된 저유전율 물질의 전형적인 제조방법을 예시한다.
실시예 1
전형적인 폴리(아릴렌 에테르)고분자 스트란드의 합성
폴리(아릴렌 에테르) 고분자 스트란드를 제조하기 위한 일반적인 합성 도식은 하기 도식 1에 도시되어 있다. AR 및 AR'는 방향족 부분 또는 접합된 방향족부분이 우위에 있는 임의의 적합한 열안정성 구조를 독립적으로 포함할 수 있으며, 도식 1의 예의 경우, HO-C6H4-AR-C6H4-OH는 플루오렌 비스페놀이고, F-C6H4-AR'-C6H4-F는 하나 이상의 톨란 잔기를 함유하는 디플루오로방향족 화합물이다.
플루오렌 비스페놀 및 4-플루오로-3'-(4-플루오로벤조일)톨란 사이의 반응에 의해 예시되는 폴리(아릴렌 에테르)에 관한 일반적인 합성 절차는 다음과 같다: 자기 교반자, 열전쌍, 딘-스타크 (Dean-Stark) 트랩, 환류 응축기 및 N2유입-유출 연결부를 갖춘 1ℓ들이 3구 RB 플라스크를 수 시간 동안 N2에 의해 퍼지시키고, 0.2ℓ의 따뜻한 설폴란을 공급하였다. 70 내지 80℃에서, 플루오렌 비스페놀 (FBP) 35.042g (0.1몰), 4-플루오로-3'-(4-플루오로벤조일)-톨란 (FBZT) 31.8320g (0.1몰) 및 탄산칼륨 27.64g (0.2몰)을 첨가하고, 따뜻한 설폴란 165㎖ 및 톨루엔 165㎖에 의해 세정하였다. 반응물을 140℃로 가열하고, 이 온도에서 1시간 내지 2시간 동안 아제오트로프 (azeotrope)처리한 후, 톨루엔을 제거함으로써 온도를 점차적으로 175℃로 상승시키고, 175℃에서 15시간 내지 20시간 동안 반응을 지속시키면서 아제오트로프처리하였다. 온도를 165℃로 낮추고, 4-플루오로벤조페논을 첨가하고, 말단 캡핑 (capping)을 5시간 동안 지속하였다. 반응물을 NMP 165㎖로 희석하고, 하룻밤 방치시켰다. 그 후, 차가운 반응물을 종이 필터에 여과시키고, 5 x MeOH (0.03% HNO3)에서 석출하고, NMP에 재용해시키고, 5 x MeOH (0.01% HNO3)에서 재석출하였다. 석출물을 종이 필터를 사용하여 여과시키고, 각각 MeOH 1ℓ로 필터상에서 3회 세척하고, 진공 오븐에서 60℃ 내지 70℃에서 하룻밤 건조시켰다.
실시예 2
테트라브로모아다만탄 (TBA)의 합성
아다만탄을 솔롯, 지.피. (Sollot, G.P.) 및 길버트, 이.이. (Gilbert, E.E.)의 문헌 [J. Org. Chem.45, 5405-5408 (1980)]에 공지된 절차에 따라 브롬화시켜서 TBA를 생성시킨다.
테트라키스(3/4-브로모페닐)아다만탄 (TBPA)의 합성
라이체르트, 브이.알. (Reichert, V.R.) 및 마티아스 엘.제이. (Mathias L.J.)의 문헌 [Macromolecules, 27, 7015-7022 (1990)]에 기술된 바와 같이, TBA를 브로모벤젠과 반응시켜서 테트라키스(3/4-브로모페닐)아다만탄 (TBPA)을 생성시켰다. 의외로, 반응 결과 다양한 부산물이 생성되었고, 요망되는 TBPA의 수율은 약 50% 였다. 그러나, 생성물 혼합물을 새로운 시약 및 촉매에 적용시킨 경우 (브로모벤젠 및 AlCl3, 20℃에서 1분), TBPA는 약 90%의 수율로 수득되었다.
테트라키스(톨라닐)아다만탄 (TTA)의 합성
방향족 치환 반응을 위한 일반적 반응 프로토콜에 따라 TBPA를 페닐아세틸렌 (시판됨)과 반응시켜서 최종 생성물인 테트라키스(톨라닐)아다만탄을 수득하였다 (참조: Engineering Plastics - A Handbook of Polyarylethers by R. J. Cotter, Gordon and Breach Publishers, ISBN 2-88449-112-0).
실시예 3
고분자 망상구조의 제조
실시예 1에 따른 폴리(아릴렌 에테르)를 사이클로헥사논에 약 5 내지 15% (중량 기준)로 용해시킴으로써 제 1 용액을 제조하였다. 제 1 용액을 사이클로헥사논 중에 5 내지 20% (중량 기준) 테트라키스(톨라닐)아다만탄 (실시예 2 참조)를 함유하는 제 2 용액과 배합시키고, 생성된 배합물을 웨이퍼상에서 스핀 캐스팅 (spin cast)시켰다. 그 후, 웨이퍼를 250℃에서 약 2분간 베이킹하여 용매를 제거하고, 산소의 배제하에서 제어되는 노 (furnace)에서 400℃에서 약 1시간 동안 경화시켜서 고분자 망상구조를 형성시킨다. 에티닐 그룹의 소실은 2200 cm-1의 파장에서 FTIR에 의해 모니터링할 수 있다.
이와 같이, 고분자 망상구조를 지닌 저유전율 물질의 특정 구체예 및 적용예를 기술하였다. 그러나, 상기 기술된 예 이외에 다수의 더 많은 변형예가 본 발명의 개념을 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위의 사상에서를 제외하고는 한정되지 않아야 한다. 더욱이, 명세서 및 청구의 범위 둘 모두를 해석함에 있어서, 모든 용어는 문맥과 일치하게 가능한 최광의로 해석되어야 한다. 특히, "포함한다" 및 "포함하는"이라는 용어는 통상적인 방식으로 요소, 성분 또는 단계에 관한 것으로 해석되어야 하는데, 이는 언급된 요소, 성분 또는 단계가 존재할 수 있거나, 이용될 수 있거나, 명시되어 있지 않은 그 밖의 요소, 성분 또는 단계와 합쳐질 수 있음을 나타낸다.
Claims (24)
- 적어도 제 1 성분 및 제 2 성분으로부터 형성되는 고분자 망상구조를 포함하는 저유전율 물질로서, 제 1 성분은 고분자 스트란드를 포함하고, 제 2 성분은 반응성 그룹을 지닌 주쇄를 각각 포함하는 3개 이상의 아암 (arm)이 뻗어나가는 중심부를 지니는 분자를 포함하며, 제 1 성분 및 제 2 성분이, 열활성화되는 경우, 반응성 그룹 중의 하나 이상을 포함하는 반응에서 고분자 망상구조를 형성하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 고분자 스트란드가 폴리(아릴렌)을 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 2항에 있어서, 폴리(아릴렌)이 폴리(아릴렌 에테르), 폴리(아릴렌 에테르-에테르-케톤), 폴리(아릴렌 에테르-퀴녹살린), 폴리(아릴렌 에테르-벤질), 및 폴리(아릴렌 에테르-퀴놀린)으로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 고분자 스트란드가 폴리이미드, 폴리아미드 및 폴리이미드-아미드로 구성된 군으로부터 선택된 중합체를 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 분자의 중심부가 바구니 (cage) 화합물을 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 5항에 있어서, 바구니 화합물이 아다만탄, 디아만탄 및 풀러렌으로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 분자의 중심부가 규소 원자를 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 분자의 3개의 아암 중 하나 이상이 방향족 고리를 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 8항에 있어서, 3개의 아암 중 하나 이상이 에티닐 그룹을 추가로 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 9항에 있어서, 3개의 아암 중의 하나 이상이 4-에티닐페닐, 톨라닐, 4-페닐에티닐비페닐 및 비스톨라닐로 구성된 군으로부터 선택된 화학 작용그룹을 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 분자가 하기 구조식으로부터 선택된 구조식을 지님을 특징으로 하는 저유전율 물질:
- 제 1항에 있어서, 분자가 하기 구조식을 지님을 특징으로 하는 저유전율 물질:
- 제 1항에 있어서, 분자가 하기 구조식으로 구성된 군으로부터 선택된 구조식을 지님을 특징으로 하는 저유전율 물질:
- 제 1항에 있어서, 반응성 그룹이 삼중 결합임을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 고분자 망상구조가 반상호침투성 (semi-interpenetrating)망상구조임을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 반응이 사이클로-첨가 반응을 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 반응이 추가의 가교 분자없이 일어남을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 열활성화가 제 1 성분 및 제 2 성분을 200℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 포함함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 저유전율 물질의 유전율이 2.4 미만임을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 저유전율 물질의 유전율이 2.7 미만임을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 저유전율 물질의 유리 전이 온도가 400℃를 초과함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 제 1항에 있어서, 저유전율 물질의 유리 전이 온도가 450℃를 초과함을 특징으로 하는 저유전율 물질.
- 고분자 스트란드를 포함하는 제 1 성분을 제공하는 단계;반응성 그룹을 지닌 주쇄를 각각 포함하는 3개 이상의 아암이 뻗어나가는 중심부를 지니는 분자를 포함하는 제 2 성분을 제공하는 단계; 및적어도 제 1 성분 및 제 2 성분으로부터 고분자 망상구조를 형성하는 단계로서, 제 1 성분 및 제 2 성분이, 열활성화되는 경우, 반응성 그룹 중 하나 이상을 포함하는 반응에서 고분자 망상구조를 형성하는 단계를 포함하여, 저유전율 물질을 생성시키는 방법.
- 제 23항에 있어서, 고분자 스트란드가 폴리(아릴렌)을 포함하며, 중심부는 아다만탄, 디아만탄, 풀러렌 및 규소 원자로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0105 | International application |
Patent event date: 20030117 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |