新型POSS/PI杂化材料的制备及性能研究

【摘要】近年来，随着集成电路尺寸的不断减小，互联延迟，串扰噪声和功耗对半导体材料性能的影响日益凸显[1-3]。在大规模集成电路（LSI）的应用中，减少信号互联延迟、降低噪声和功耗等要求对其金属间介电层的性能提出了新的挑战[4-6]。因此，研发具有低介电常数的高性能材料变得越发重要。聚酰亚胺以其优异的拉伸强度和模量，良好的热稳定性和低介电性能，在微电子工业中发挥着重要的作用。通用聚酰亚胺的介电常数为3.4，远远满足不了新一代大规模集成电路的需求[7-10]。POSS的核心由笼型硅氧骨架构成，在硅氧骨架的外围是有机功能性基团，主要含Si，O，C和H等元素。POSS具有很低的分子极性和分子极化率；其尺寸约为0.53nm，是一种具有空心结构的纳米粒子。因此POSS拥有低介电常数材料所要求的低密度、结构对称、低分子极化率等特点，并且还具有较高的机械性能和热稳定性。一般来说，降低材料的介电常数有两种方法：第一是减小材料的分子极化率；第二是提高材料的孔隙率。为了获得可用于下一代LSI的低介电材料，本文采用聚酰亚胺作为基体，引入低介电特性的POSS，并通过支化反应提高了材料的分子孔隙率，从而获得具有低介电性能的POSS/PI杂化材料。并且在分子链中引入了磷元素，以减少POSS/PI有机无机杂化材料和金属材料间热膨胀系数的差值。本论文的研究内容：首先合成一系列新型POSS/PI杂化材料，并研究磷含量和聚酰胺酸链段长度对POSS/PI杂化材料性能的影响。本论文主要分为两大部分：第一部分为新型POSS/PI杂化材料的合成，第二部分为磷含量和聚酰胺酸链段长度对POSS/PI杂化材料的介电性能、热膨胀性能以及热性能的影响。第一部分通过将购买的三苯基膦进行氧化，获得的产物先硝化再还原，得到含有三苯基膦结构的二胺单体（DAPPO）；将八苯基POSS进行硝化、还原获得八苯氨基POSS。并对两种所得到的单体进行红外、核磁和质谱测试，确定其结构。然后将其与ODA、BPDA和DAPPO进行共聚，获得磷含量不同链长度相同以及磷含量相同链长度不同的两类齐聚物，并对其分子量进行测试。最后，将所得到的齐聚物分别与POSS进行共聚，获得磷含量不同链长度相同以及磷含量相同链长度不同的新型POSS/PI杂化材料。第二部分是通过对新型POSS/PI杂化材料的介电性能、热膨胀性能和热性能的测试，分别研究含磷量和链段长度对材料介电性能、热膨胀性能及热性能的影响，总结磷含量和链段长度对材料性能影响的规律，从而得到满足新一代大规模集成电路所需低介电材料的最优配比。通过对比本文所合成的8种聚合物，我们发现含磷量的增加会降低材料的介电常数、降低材料的热膨胀系数、提高材料的热稳定性；与此同时链段长度的增加会降低材料的介电常数、热膨胀系数。当有机磷含量为20%并且链段长度为40时，材料具有最优良的介电性能和热膨胀性能。
【作者】史磊磊；
【导师】牟建新；
【作者基本信息】吉林大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】聚酰亚胺；有机磷；POSS；介电常数；热膨胀系数；

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