苯并环丁烯官能化的有机硅低介电材料

With the development of ultra-large-scale integrated circuits (ULSI), the feature sizes of integrated circuits have decreased to below 30 nm or even smaller. Consequently, reduction in the electrical resistance induced by interaction between interconnect lines, time delay caused by wire capacitance, crosstalk and power dissipation have become bottleneck problems limiting the progress of high-speed, low power cost and multi-functional integrated circuits. The development of alternative materials with a lower dielectric constant (k) as the dielectric between layers and lines has become an urgent task. Benzocyclobutene (BCB) based resins have been considered as the most promising alternative for the manufacturing of ULSI for their superior thermal, mechanical and electrical properties. In this research, a series of novel multi-BCB functionalized organic silicone monomers will be designed and synthesized. Then the related bulk materials and organic low k films will be prepared. The influence of the different structure of the monomers on the free-volume hole size and the dielectric properties of the films will be studied by positron annihilation life time spectrum, dynamic mechanic analysis, thermal mechanic analysis, dielectric measurement etc. the polymeric films with porous and highly crosslinked structure are expected to have good performance such as high mechanical strength, high temperature, low coefficient of thermal expansion and low dielectric constant, etc. The results will provide a new route and method for preparing low dielectric materials used in ULSI.

随着超大规模集成电路(ULSI)的集成度越来越高，芯片特征尺寸越来越小，线间和层间寄生电容引起的RC 延迟、串扰以及功耗增加严重限制了器件性能。研究性能优异的低介电绝缘层材料是解决此问题的关键所在。苯并环丁烯树脂通常具有高的交联密度而具备优异的热、机械和介电性能，已成为高性能低介电材料的选择之一。本课题拟设计并合成一系列含苯并环丁烯官能团的有机硅单体，并通过本体聚合制备块材，利用溶液预聚旋涂后固化的方法制备聚合物薄膜。利用正电子湮没寿命谱、动态机械分析、热机械分析、介电性能表征等手段研究不同结构单体相应的聚合物材料的自由体积孔洞尺寸以及交联密度对材料模量、介电性能的影响。这类材料以多苯并环丁烯为桥连活性官能团，可具有高自由体积、高交联密度的结构和高机械强度、耐高温、低热膨胀系数和低介电常数等优点。本项目将为ULSI 领域低介电材料的制备和开发提供新的思路和方法。

低膨胀系数、耐高温的低介电聚合物材料在集成电路、芯片封装等电子行业有着重要应用。它可以降低信号传输损耗、提高芯片器件的可靠性。本项目通过分子设计和优化，进一步利用有机合成的方法制备了一系列不同拓扑结构的苯并环丁烯合成不同拓扑结构的苯并环丁烯单体，同时制备相应的聚合物。.通过本项目的研究，我们开发了一系列低介电常数和低介电损耗的热固性聚合物，这些聚合物表现出高玻璃化转变温度、低的热膨胀系数。其中SiB4的玻璃化转变温度高达400oC以上，其线膨胀系数（CTE）仅为24ppm/oC，介电常数为2.70。我们还利用水解缩合法制备了一系列BCB有机硅聚合物材料，其中所报道的DBDVS对应的热固性聚合物表现出优异的力学性能，跟陶氏化学开发的DVS-BCB相比，DBDVS在室温到400oC均表现出很高的储能模量（1GPa）以上，且热膨胀系数更稳定，室温到275oC平均CTE为47.8 ppm /oC。而陶氏的DVS-BCB则在250oC就下降到1GPa以下,在室温到275oC这个区间CTE为60.6 ppm /oC。此外，我们还利用Heck反应以及水解缩合法制备了线性可交联的有机硅聚合物材料。这种材料表现出优异的热稳定性，较低的CTE（在室温到400oC CTE为32.8ppm/ oC），远远小于传统的热固性聚合物材料，还表现出优异的光刻性能。我们所报道的含有联苯撑型的BCB有机硅聚合物介电常数为此外，我们还报道了苯撑和联苯撑型BCB有机硅聚合物材料，其中联苯撑BCB有机硅介电常数为2.69。并拓展开发了联苯型含硅的环氧树脂材料（Tg=182oC）。.通过动态机械分析、热机械分析以及介电常数的测试，研究不同单体对应材料的结构对材料力学性能、电学性能等的影响。. 本项目的研究和成果为低CTE和低介电热固性聚合物材料的开发提供了新的思路和方法，尤其是我们报道的常规的水解-缩合法制备可交联有机硅聚合物材料，为高性能低介电有机高分子材料领域提供了新的工作思路和方法。