高性能本征型超低介电常数聚酰亚胺的设计合成及机理研究

Based on our previous work, research project of synthesis and mechanism studies of high-performance inherent ultralow-k polyimide was suggested for the development of very large scale integrated circuit (VLSI) in semiconductor industry. Series of novel diamines with steric effect and electronic characters (such as electron donor or accepter) will be designed and synthesized, and used to prepare high performance inherent ultralow-k polyimides with excellent thermal stability, good solubility and mechanical properties. Researches will mainly focus on the relationship between structures and properties: on the one hand, to study the relation of the steric structure of the diamines to the morphology and dielectrical property of the polyimides from a viewpoint of free volume theory; on the other, theoretical analysis will be carried out at molecular level by the means of molecular simulation, to study the relation of the chemical structure of the monomer to the intramolecular charge transfer (CT) effect, molecular polarizability and dielectrical properties. Such polyimides can be used as the interlayer dielectric (ILD) materials in very large integrated circuit (VLSI), and the base of theory and experiment of this project will be very important to the development of new generation high-performance ultralow-k materials.

本项目针对目前半导体工业中超大规模集成电路领域所遇到的发展瓶颈，在本实验室前期研究工作的基础上，提出了高性能本征型超低介电常数聚酰亚胺材料的设计合成及机理研究的课题。拟通过合理的分子结构设计，合成一系列具有一定空间位阻效应和电子特性的新型二胺单体，进而制备具有优异耐热性、可溶性和机械性能的高性能本征型超低介电常数聚酰亚胺材料；系统开展结构与性能关系的基础研究，以期获得结构设计和调控的理论依据：一方面从聚合物自由体积的角度，研究新型单体空间结构对聚合物凝聚态结构及介电性能的影响及规律，另一方面，采用理论化学的方法，从分子水平上研究单体化学结构对聚合物分子内电荷转移效应、分子极化率和介电性能的影响机理及规律。在此基础上，探讨其在超大规模集成电路层间介质材料领域的应用研究。项目具有较强的应用背景，研究成果可为新一代高性能超低介电材料的开发奠定实验基础并提供理

基于聚合物的“自由体积”理论，从聚合物分子主链和侧链空间结构调节入手，将具有刚性非平面/非对称大共轭结构的单元，如三/四苯乙烯、三苯甲烷、芴、咔唑、三苯胺或三苯吡啶等结构，分别引入到聚酰亚胺的分子主链或侧链上，制备了一系列兼具优异耐热性能和可溶解性能的高性能本征型低/超低介电聚酰亚胺薄膜，k值最低可达1.52（10 kHz），且介电损耗维持在10-3，这是迄今文献报道的本征型聚合物介电常数的最低值；在此基础上，系统开展结构与性能关系的基础研究，已较好地完成项目计划研究内容及目标。相关研究成果在Chem Mater、J Mater Chem A/C等材料化学领域著名期刊上发表论文14篇（标注资助），其中SCI或EI收录论文12篇，JCR一区论文8篇；获得授权发明专利12件，申请并公开发明专利9件；参加国内外学术交流会共39人次，其中国际会议邀请报告11次，国内会议邀请报告4次。项目执行期间，项目负责人成功入选2016年度广东省科技创新领军人才计划，5名博士、5名硕士和5名本科生顺利毕业并获得学位。