具有低介电常数的材料及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种通过含碳气体(并非特指丙烯)的等离子体聚合制造高度交联的聚丙烯材料的方法，所述聚丙烯材料显示出较低的相对电容率、较高的热稳定性和增强的机械性质，所述方法和材料适合的应用不限于微芯片制造中的夹层电介质沉积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种高度交联的聚丙烯类材料及制造此类材料的方法。优选的实施方式涉及一种高度交联的聚丙烯材料，所述材料具有可控的介电常数(k值)(可将其调节为例如相比于二氧化硅较低的相对电容率)，并且可显示出与陶瓷相似的机械性质。所述高度交联的聚丙烯材料适合用于微电子制造，以及作为保护性、润滑性和载荷性的涂层等而用于更广泛的应用，并用于多种其他用途。这些用途包括其中可以运用这些可调的介电性质的光电子应用。
技术介绍
材料的介电常数表示在材料之间(across)施加电势时所储存的能量。其相对于真空中储存的能量而定义，并且有时可称为材料的相对静态电容率。介电常数通常用符号 %或k表示，但在微芯片制造领域通常用字母k表示，在本文中采用后一种命名，将介电常数称为“k值”。在微芯片中，介电层设置在导电性部分(如导线和晶体管)之间。随着使器件小型化趋势的持续，介电层更薄且导电性部分更加紧凑。在更高的运行频率下，多个电路元件之间的电容性串扰限制了转换频率，并且还产生了限制热性能的热量。介电层中所储存的电容电荷与形成介电层的材料的介电常数(k值)成正比。因此，具有较低介电常数的材料能够提供更快的转换频率，并降低热损耗和串扰。通常而言，二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)已用来形成硅微芯片中的介电层。这些材料非常适于半导体微芯片所用的制造过程，并提供了低成本且可靠的方案。但是，据认为S^2和Si3N4的本征k值过高，通常必须通过下述方法来降低该本征k值沉积具有多孔结构的SiA和Si3N4或使其掺杂有较低k值的材料以实现较低的有效k值。已进行了多种尝试来开发适合用于半导体微芯片并且具有比SiO2和Si3N4类膜更低的k值的新型介电材料。广义而言，已研究了两类材料产生“硬质”层的材料和产生“软质”层的材料。硬质层材料包括相对刚性的陶瓷材料，例如掺杂的二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化钛和二氧化铪。这些材料的层可以通过化学气相沉积(CVD)、特别是等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)，溅射和其他技术来制造。硬质层材料的优势包括其化学相容性、相对较高的击穿电压和较低的(热)损耗， 即使是在高频率下也如此。用于硬质层材料的制造技术还是高度可重复性的，并且可扩展至如硅等现行的微电子材料。然而，硬质层材料有多种缺陷。例如，由于硬质层材料与其上形成该硬质层材料的衬底之间的界面力会导致脱层，因此难以制造厚度大于一定阈值(通常为约Ιμπι)的此类材料的膜。这些界面力与硬质层材料的厚度成比例，并且为通常使用的PECVD沉积法所固有。特别是，硬质层材料与其上形成该硬质层材料的衬底之间的界面经受由该两层之间的相干应变、表面能差异、位错能应变和硬质层材料与衬底的不同热膨胀率引起的应力。制造过程自身可导致热应力生成或成为主导，并由此可以使得硬质层材料的脱层成为重要问题。该问题可通过使硬质层材料与衬底的热膨胀系数相匹配而得到缓解，但这却严重限制了材料的选择。软质层材料因其固有的挠性而不具有这些缺陷。此类软质层材料的实例包括旋涂 (spin-on)玻璃和旋涂聚合物，如聚酰胺。然而，旋涂聚合物通常具有相对较差的热稳定性。为了改善该特性，通常必需通过施加例如热量或辐射等来固化聚合物。常用的固化过程包括在通常低于500°c的温度下，取决于聚合物类型而焙烧聚合物数秒 数小时的时间。该固化过程往往产生不良副产物，并增加制造过程的处理步骤和延时。旋涂过程使用溶剂来产生聚合物薄膜。溶剂意图在该过程中将蒸发，但即便在固化后，通常仍有一定量的溶剂保留在材料中，导致材料不相容和产生杂质。尽管事实上可以实现相对较低的k值，但是旋涂聚合物中存在的这些杂质限制了其作为介电材料而在微芯片制造中的应用。特别是，已发现该膜中的水和溶剂分子吸收射频能量，导致运行中的功率损耗和膜劣化。在Biomaterials，第 ⑵卷，1986年3月，第155 157页的文章 “Characterisation of plasma polymerised polypropylene coatings，，中，R. Sipehia 禾口 Α. S. Chawla公开了在衬底上形成等离子体聚合的聚丙烯膜的方法，其中丙烯单体在射频等离子体反应器中于较低的压力下聚合。由于等离子体的能量耦合，可预计经由丙烯的聚合形成了聚丙烯。美国专利US463^44号、US4312575号和US5000831号公开了该通用领域中的其他现有技术方法。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种制造高度交联的聚丙烯类材料的方法和包含所述材料的如电子电路和光电子电路等器件。根据本专利技术的一个方面，提供一种制造高度交联的聚丙烯材料的方法，所述方法下述步骤提供反应腔室；从多种含碳气体中选择一种或多种含碳气体；将所述一种或多种选出的含碳气体供应至所述腔室中；在所述腔室中轰击(striking)等离子体，所述等离子体导致所述一种或多种气体解离为包含甲基自由基的相；优选在高UV辐射下使所述经解离的相成核并由此生成高度交联的聚丙烯材料。有利的是，所述聚丙烯材料包含重复结构单元的多个聚合物链，且平均每六个结构单元具有至少一个交联点(cross-link)和/或在相邻的聚合物链之间具有多个交联点。已发现，通过该方法制造的聚丙烯材料与常规聚丙烯相比显示出明显改善的特性，包括极低的介电常数、良好的结构特性和较高的熔点，以及增强的机械稳定性。这使得该材料适于广泛的应用，包括作为介电层或绝缘层而用于集成电路、电子电路或光电子电路。其还适于许多其他应用，如提供保护性、润滑性、载荷性和/或耐热性的涂层。如下述说明，据信通过所述方法制造的材料是聚丙烯类材料。虽然该材料显示出聚丙烯的特性，但是与常规聚丙烯相比，该材料具有较高的三维交联发生率并具有大为改善的特性。因此本文将所述材料称为聚丙烯材料，但应当理解该定义涵盖了通过所教导的方法形成并具有本文所公开的特性的聚合物材料。优选的是，所述一种或多种选出的含碳气体选自以下气体或蒸汽的组，所述气体或蒸汽包括乙炔、丙酮、乙烯、乙醇、甲烷和丙烯。更优选的是，使用乙炔和丙酮的组合。在其他实施方式中，可单独使用乙炔或丙酮，或使用乙炔或丙酮和任何其他气体的混合物。在这点上，已发现不必采用丙烯作为原料就可以制造高度三维交联的聚丙烯材料。可以采用其他含碳气体或蒸汽。换句话说，所述方法可采用不包括丙烯的一种或多种含碳气体的选择。已发现，由于含碳的输入气体通过等离子体的轰击将解离为包含甲基自由基的相，因而可以由多种含碳气体中的任一种产生聚丙烯材料。所述方法提供那些甲基自由基以与CH链分子结合并形成高度交联的聚丙烯材料。在该过程中提供UV辐射可促进并增强三维交联。该特征的有利之处在于使得更多种输入材料能够用于过程中，因此能够根据过程和终产物所需的特性来选择输入材料。输入气体可包括诸如丙酮等蒸汽。因此应当理解，本文所称的气体也包括蒸汽。优选的是，等离子体具有增强在聚丙烯材料中产生交联点的紫外辐射成分。有利的是，该紫外辐射成分具有在聚丙烯材料合成过程中UV固化该聚丙烯材料的作用。在实际实施中，所述方法包括在腔室中提供第一电极和第二电极的步骤，其中成核步骤包括在第一电极和第二电极之间施加电势差。在一个实施方式中，所述方法提供了设置在第一电极和第二电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·R·P·席尔瓦，J·V·A·R·伊斯特法尼亚，
申请(专利权)人：萨里纳米系统有限公司，
类型：发明
国别省市：