新型芳基类低介电常数材料合成、表征及其性能的研究

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随着超大规模集成电路的迅速发展,器件的集成度逐步提高,半导体芯片特征尺寸不断减小。高密度、高速度、多功能型集成电路要求大芯片面积和小特征尺寸,当器件特征尺度逐渐减小时,由于多层布线和逻辑互连层数不断增加,导线间电容和层间电容以及导线电阻增加,从而使得导线电阻R和电容C产生的RC延迟会有所上升,这就限制了器件的高速性能,而且增加能耗,成为制约集成电路进一步发展的瓶颈。要降低集成电路的信号传输延迟,只能通过降低导线电阻率ρ和减小线间和层间介质的相对介电常数七来实现。因此,本文的主要工作是合成新型的可作为低介电常数材料的聚合物,并对其性质进行深入研究。此外,还对发展含氟低介电常数材料的单体的合成方法学进行了探索。  一、主链为聚间苯的苯并环丁烯树脂的合成、表征及性能研究。  设计并合成了主链为聚间苯的苯并环丁烯树脂P2,并对性能进行研究。通过热重分析对树脂P2的热稳定性进行研究,在氮气氛中其T5d高达547℃,残碳率高达71%。通过介电分析仪测定树脂P2的介电常数,0.1~30 MHz频率下的介电常数为2.69~2.64。通过纳米压痕测定树脂力学性能,其弹性模量为39.18 GPa,硬度为1.05 GPa。  二、含氟低介电常数材料的合成、表征及性能研究。  该部分工作发展了一种操作简单,原料廉价的在苄基卤化物、脂肪族卤化物、氯硅烷上引入五氟苯基的方法。将苄溴作为模板底物,通过对碱、解聚剂、溶剂等各种条件的筛选,发现用n-BuLi作碱,TMEDA作解聚剂,THF作溶剂,反应温度为-78℃的条件下,可以以高达99%的产率获得目标产物。进一步以各种常见的苄基卤化物、脂肪族卤化物、氯硅烷为底物,对该反应进行研究,发现均有较高的产率。该反应底物适应范围广,产率高,成本低,可作为大量合成含氟化合物单体的有效方法,进而发展成新型的含氟聚合物低介电常数材料。  根据上述工作基础,我们采用该方法合成了肉桂烯基五氟苯,并与双马来酰亚胺进行共聚,得到聚合物P3,并对其性能进行深入研究。实验结果表明,随着聚合物中氟含量的增加,聚合物的介电常数可以从2.93降低到2.59,有很大程度的降低。同时,随着氟含量的增加,聚合物的接触角也从47.9°增加到79.4°,表明材料的疏水性增加。但大量的肉桂烯基五氟苯会影响材料的热稳定性,因此要根据材料的综合性能要求来调节肉桂烯基五氟苯的添加量。
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