新型苯并环丁烯(BCB)单体的合成及其树脂性能研究

摘要

随着超大规模集成电路(ULSI)的迅速发展，芯片特征尺寸不断减小，器件的集成度越来越高。当特征尺寸降低到亚微米级时，由线间和层间寄生电容引起的RC延迟、串扰、功耗已经成为限制器件性能的主要因素。研究和开发出性能优异的低介电常数材料，以取代传统的SiO2介电材料是解决上述问题的有效方法。苯并环丁烯(BCB)树脂由于其优异的热、机械和介电性能，已成为高性能低介电材料的选择之一。
　　 本论文从分子结构设计出发，合成出了一系列新型苯并环丁烯(BCB)单体，并对合成单体的溶解性、固化动力学以及固化后树脂的热、机械、介电性能等进行了系统研究。具体内容包括以下几部分：
　　 1.设计并合成了三种含硅氧烷结构的BCB单体/共聚物。室温下，三者均为液态，显示出良好的加工性能。固化后，三种BCB树脂具有高热稳定性(Td5>450℃)、高玻璃化转变温度、高储能模量、低介电常数、低吸水率和良好的表面平整性。其中，含环状硅氧烷结构的BCB树脂由于其内部高度的交联结构表现出特别优异的热机械性能：室温下模量达到3.9GPa，热膨胀系数为32ppm/℃。
　　 2.经酰亚胺和Heck反应两步法合成出了三种BCB封端的酰亚胺单体。室温下，三种BCB封端的酰亚胺单体可溶于绝大部分有机溶剂。经热固化后三种BCB树脂显示出良好的热稳定性(Td5>435℃)和热氧化稳定性、高玻璃化转变温度(>300℃)及高储能模量(>2GPa)。但由于酰亚胺结构的高极性，固化后树脂具有较高的介电常数和吸水率。此外，BCB单体与光敏剂混合后，可直接应用于光刻加工工艺，获得清晰图形。
　　 3.以两种不同分子量氢封端的硅氧烷为前体，经硅氢化和酰亚胺化两步反应合成出了含硅氧烷及酰亚胺结构的BCB单体。两种BCB单体具有良好的溶解性能。固化后，两种BCB树脂显示出良好的热稳定性，5％失重时的温度分别为462℃和468℃。由于非极性的单体结构，树脂的介电常数和吸水率均较低。此外，旋涂膜表现出优异的表面平整性及透光性。含有较短硅氧烷链结构的BCB树脂具有更高的玻璃化转变温度和储能模量，以及更低的热膨胀系数，表明可以通过改变硅氧烷前体结构来调节树脂模量、玻璃化转变温度等热、机械性能。