JPH0259621B2 - - Google Patents
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- JPH0259621B2 JPH0259621B2 JP58229291A JP22929183A JPH0259621B2 JP H0259621 B2 JPH0259621 B2 JP H0259621B2 JP 58229291 A JP58229291 A JP 58229291A JP 22929183 A JP22929183 A JP 22929183A JP H0259621 B2 JPH0259621 B2 JP H0259621B2
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- Japan
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- silicon
- polyimide
- polyimide precursor
- dianhydride
- adhesion
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
- H10P14/60—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
- H10P14/68—Organic materials, e.g. photoresists
- H10P14/683—Organic materials, e.g. photoresists carbon-based polymeric organic materials, e.g. polyimides, poly cyclobutene or PVC
Landscapes
- Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Polymers With Sulfur, Phosphorus Or Metals In The Main Chain (AREA)
- Macromolecular Compounds Obtained By Forming Nitrogen-Containing Linkages In General (AREA)
- Silicon Polymers (AREA)
Description
この発明は珪素含有材からなる素地表面に密着
性良好なポリイミド層を形成する方法に関する。
従来、半導体素子用などとして耐熱性、電気絶
縁性、機械的強度など多くのすぐれた利点を有す
るポリイミド、ポリアミドイミド、ポリヒダント
インなどの耐熱性高分子の使用が検討されてき
た。しかるに、これらの耐熱性高分子からなる層
は、シリコンウエハ、ガラスなどの素地表面との
密着性に劣る問題があつた。
このことから、上記耐熱性高分子層の密着性を
改善するための提案が種々なされており、そのひ
とつに、ポリイミドに関し、芳香族テトラカルボ
ン酸二無水物とジアミノ化合物との重合反応によ
りポリイミド前駆体を合成する際に、上記のジア
ミノ化合物としてジアミノシロキサンを使用する
方法がある。この方法は、分子骨格中にジアミノ
シロキサンから誘導されるSi−O−Si結合を導入
して、この結合部分によりシリコンウエハ、ガラ
スなどの珪素含有材の珪素原子との間に化学的結
合の手を持たせ、これを珪素含有材への接着現象
の活性点として密着性の向上を図らんとするもの
である。
ところが、上記の提案法では、ジアミノシロキ
サンをジアミノ化合物中かなりの割合であるいは
ジアミノ化合物のすべてとして使用しているた
め、密着性の向上を図ることができたとしてもポ
リイミド層の耐湿特性を大きく損なう欠点があつ
た。しかも、ジアミノシロキサンの過剰使用はポ
リイミド本来の耐熱性、電気絶縁性、機械的強度
などの面でも必ずしも好ましいものとはいえなか
つた。また、同様に、前記提案法のなかには、ジ
アミノシロキサンを過剰量使用して合成されたポ
リイミド前駆体とジアミノシロキサンを全く用い
ないつまり分子内に珪素原子を含まないジアミン
を用いて合成されたポリイミド前駆体との混合物
とする方法もあるが、この場合でも混合物中に占
める珪素含有量が大であるため前述と同様の問題
が生じるばかりか、混合物であるが故に密着性な
いし耐湿特性さらにその他の一般特性がロツト間
でばらつきやすく、安定した性能が得られなかつ
た。
この発明は、上記の如き観点から、珪素含有材
からなる素地表面に対して密着性にすぐれしかも
耐湿特性良好なポリイミド層を形成でき、またこ
のポリイミド層が本来の耐熱性、電気絶縁性、機
械的強度などを具備しうるようなシロキサン変性
ポリイミド前駆体を得るために、鋭意検討を重ね
た結果、見い出されたものである。
すなわち、この発明は、珪素含有材からなる素
地表面に、次の一般式
(R1は二価の有機基、R′は一価の有機基であり、
nは1〜1000の整数である)
で表されるジアミノシロキサンと分子内に珪素原
子を含まないジアミンとを同時に芳香族テトラカ
ルボン酸二無水物と重合反応させるに当たつて、
上記のジアミノシロキサンの使用割合を、ジアミ
ノ化合物全体量の1〜4モル%の範囲でかつ最終
反応物中に含まれてくる珪素含有量が0.5重量%
以下となるようにして得たシロキサン変性ポリイ
ミド前駆体を塗布し、ついで高温加熱処理してポ
リイミド層を形成することを特徴とする珪素含有
材からなる素地表面に密着性良好なポリイミド層
を形成する方法に係るものである。
このように、この発明においては、ポリイミド
層の密着性を改善するためにもちいられるジアミ
ノシロキサンは、前記特定範囲が必要かつ充分な
ものであり、かかる使用割合にすると、ポリイミ
ド前駆体中に占める湿熱分解や酸ないしアルカリ
により切断されやすいシロキサン結合部分がごく
僅かなものとなるために、ポリイミド層の耐湿特
性を低下させることがなく、またポリイミド本来
の耐熱性、電気絶縁性、機械的強度を損なう心配
もないことを見い出したものである。
この発明において一般式(1)で示されるジアミノ
シロキサンは、式中の2個のR1および各R′がそ
れぞれ同一もしくは異なるものであつてもよく、
従来公知のものが広く包含される。その代表的な
ものを例示すると以下の如くである。
この発明において用いられる分子内に珪素原子
を含まないジアミン(以下、単に珪素不含ジアミ
ンと称する)は、次の一般式(2);
H2N−R2−NH2 ………(2)
(R2は珪素原子を含まない二価の有機基である)
で表される芳香族ジアミン、脂肪族ジアミンおよ
び脂環族ジアミンが含まれ、式中のR2は前記一
般式(1)中のR1と同一であつても異なるものであ
つてもよい。とくに好適なものは、芳香族ジアミ
ンであるが、その代表例を示すと、たとえばメタ
フエニレンジアミン、パラフエニレンジアミン、
4・4′−ジアミノジフエニルメタン、4・4′−ジ
アミノジフエニルエーテル、2・2′−ビス(4−
アミノフエニル)プロパン、3・3′−ジアミノジ
フエニルスルホン、4・4′−ジアミノジフエニル
スルホン、4・4′−ジアミノジフエニルスルフイ
ド、ベンジジン、ベンジジン−3・3′−ジカルボ
ン酸、ベンジジン−3・3′−ジスルホン酸、ベン
ジジン−3−モノカルボン酸、ベンジジン−3−
モノスルホン酸、3・3′−ジメトキシ−ベンジジ
ン、パラ−ビス(4−アミノフエノキシ)ベンゼ
ン、メタ−ビス(4−アミノフエノキシ)ベンゼ
ン、メタキシリレンジアミン、パラキシリレンジ
アミンなどが挙げられる。
この発明において上記のジアミノシロキサンと
珪素不含ジアミンとからなるジアミノ化合物と重
合反応させる芳香族テトラカルボン酸二無水物
は、次の一般式(3);
(Arは四価の有機基である)
で表されるものであり、その代表的なものを例示
すると以下の如くである。すなわち、ピロメリツ
ト酸二無水物、3・3′・4・4′−ベンゾフエノン
テトラカルボン酸二無水物、3・3′・4・4′−ビ
フエニルテトラカルボン酸二無水物、2・3・
3′・4′−ビフエニルテトラカルボン酸二無水物、
2・3・6・7−ナフタレンテトラカルボン酸二
無水物、1・2・5・6−ナフタレンテトラカル
ボン酸二無水物、1・4・5・8−ナフタレンテ
トラカルボン酸二無水物、2・2′−ビス(3・4
−ジカルボキシフエニル)プロパン二無水物、ビ
ス(3・4−ジカルボキシフエニル)スルホン二
無水物、3・4・9・10−ペリレンテトラカルボ
ン酸二無水物、ビス(3・4−ジカルボキシフエ
ニル)エーテル二無水物、2・2′−ビス(2・3
−ジカルボキシフエニル)プロパン二無水物、
1・1′−ビス(2・3−ジカルボキシフエニル)
エタン二無水物、ベンゼン−1・2・3・4−テ
トラカルボン酸二無水物、2・3・6・7−アン
トラセンテトラカルボン酸二無水物、1・2・
7・8−フエナントレンテトラカルボン酸二無水
物などがある。
この発明はとくに好適な芳香族テトラカルボン
酸二無水物は、3・3′・4・4′−ビフエニルテト
ラカルボン酸二無水物である。この二無水物を使
用すると、高温高湿雰囲気下、たとえば121℃、
2気圧のプレツシヤークツカーテスト(以下、単
にPCTと略す)による電気特性がもつともすぐ
れた、つまり耐湿特性の極めて良好なポリイミド
層が得られる。もちろん、他の二無水物を使用す
る場合でも耐湿特性の向上を図りうる。
この発明においては、上記のジアミノシロキサ
ンと珪素不含ジアミンとを同時に芳香族テトラカ
ルボン酸二無水物と重合反応させることが必要
で、たとえば両ジアミノ化合物を別々に重合反応
させてのち混合する方式では、密着性および耐湿
特性のばらつきを生じ、品質の安定化を図りえな
い。
また、このとき用いられるジアミノシロキサン
は、すでに述べたように、ジアミノ化合物全体量
の1〜4モル%、好適には3〜3.5モル%で、最
終反応物であるポリイミド前駆体中に含まれてく
る珪素原子含有量が0.5重量%以下となるように
しなければならない。これらの量的関係をいずれ
も満足しなければ、密着性と耐湿特性との両立が
難しくなる。このジアミノシロキサンと珪素不含
ジアミンとからなるジアミノ化合物の芳香族テト
ラカルボン酸二無水物に対する使用割合は、通常
等モルとされるが、必要に応じて一方を多少多く
しても差し支えない。
重合反応は、従来公知の方法に準じて行えばよ
く、一般に有機溶媒の存在下、窒素ガス気流中下
に重合発熱を勘案して通常60℃以下、とくに好適
には30℃以下に制限しながら高い重合度が得られ
るまで反応させればよい。この重合度は反応物の
固有粘度〔η〕を調べることによつて簡単に検知
できるものである。
有機溶媒としては、たとえばN−メチル−2−
ピロリドン、N・N′−ジメチルアセトアミド、
N・N′−ジメチルホルムアミド、N・N′−ジメ
チルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルアミド
などの高極性塩基性溶媒が用いられる。この種の
溶媒はいずれも吸湿性が大きく、吸湿された水は
重合時の分子量の低下、貯蔵安定性の低下の原因
となるので使用に先だつて脱水剤で充分に脱水し
ておくのがよい。またこれらの溶媒とともにトル
エン、キシレン、ベンゾニトリル、ベンゼン、フ
エノールの如き汎用溶媒を併用することもでき
る。しかしその使用量は生成ポリイミド前駆体の
溶解度を低下させない範囲にすべきである。
このようにしてこの発明によつて得られるポリ
イミド前駆体は、つぎの一般式(4)にて示されるよ
うに、珪素不含ジアミンとジアミノシロキサンと
がアミド結合を介して芳香族テトラカルボン酸二
無水物へ付加した結合単位が、ランダムであるポ
リマー構造であり、ポリイミド前駆体の分子鎖に
ごく僅かのシロキサン結合が組み込まれた構造を
有することを特徴としている。
(R1、R2、R′、nおよびArは前記のとおり、l
およびmはともに正の整数で、m/l+m=0.01
〜0.04である)
(R1、R2、R′、Ar、n、lおよびmは前記のと
おりである)
この発明においては、かかるポリイミド前駆体
を珪素含有材からなる素地表面に塗布したのち、
高温加熱処理して脱水、環化することにより、シ
リコンウエハ、ガラスに対してすぐれた密着性を
示す前記の一般式(5)で示される如きポリイミドか
らなる層を形成することができる。このポリイミ
ド層は耐湿特性にすぐれているとともに、その本
来の良好な耐熱性、耐薬品性、機械的特性および
卓越した電気絶縁性などを具備しており、これら
特性が要求される従来公知の各種用途に有効に応
用できる利点がある。
なお、半導体素子にポリイミド層を形成する用
途などにあつては、ポリイミド形成材料として
は、イオン性不純物に汚染されることをさけなけ
ればならない。Na+、K+、Ca2+、などのカチオ
ン性不純物、Cl-などのアニオン性不純物などか
らの汚染を受けないように注意しなければなら
ず、特にNa+イオンは半導体の電気特性に悪影響
を及ぼす。そのため重合に際しては原料モノマ
ー、溶媒ともに周知の方法により充分精製したの
ち、使用すべきである。例えば、Na+イオンで
5PPM以下、好適には1PPM以下であることが望
ましい。
以下にこの発明の実施例を記載する。以下にお
いてポリイミド前駆体の重合度(分子量)を示す
パラメーターとして固有粘度〔η〕を用いるが、
この固有粘度は溶媒としてN−メチル−2−ピロ
リドンを使用し、測定温度30±0.01℃(恒温槽)
で次式にしたがつて求めたものである。
〔η〕=ln(t/to)/c
t;ウベローデ粘度計で測定されるポリマー溶液
の落下時間
to;上記同様に測定される溶媒の落下時間
c;ポリイミド前駆体(ポリマー)濃度(0.5重
量%とした)
実施例 1
撹拌装置、冷却管、温度計および窒素置換装置
を付した500mlのフラスコを水浴上に固定した。
五酸化リンで一昼夜乾燥しさらに減圧蒸留した精
製N−メチル−2−ピロリドン280.90gを上記フ
ラスコ中に加え、窒素を流し込んだ。
次いで、1mlのマイクロシリンジにより前記式
イで示されるビス(3−アミノプロピル)テトラ
メチレンジシロキサン0.87g(0.0035モル)、つ
いで4・4′−ジアミノジフエニルエーテル19.3g
(0.0965モル)を仕込み、溶解するまで撹拌した。
つぎに3・3′・4・4′−ビフエニルテトラカルボ
ン酸二無水物29.4g(0.1モル)を徐々に添加し
た。反応系を30℃以下となるように保持しながら
透明粘稠溶液となるまで撹拌した。
このようにして得られたポリイミド前駆体は、
この固有粘度が1.67で、珪素含有量が0.397重量
%であつた。この前駆体を含む溶液をシリコンウ
エハ上にスピンコートして熱風乾燥機中150℃で
1時間、200℃で1時間、250℃で6時間加熱して
ポリイミド層を形成した。このようにして形成さ
れたポリイミド層の赤外吸収スペクトルは、1780
cm-1および1720cm-1にイミド基形成にもとづく>
C=Oの吸収が認められた。形成されたポリイミ
ド層は強靭であり、常態でのシリコンウエハへの
密着性は良好であつた。またPCT処理後でも剥
離せず密着性が高度に改善されていることが判つ
た。
実施例 2
溶媒として精製N・N′−ジメチルアセトアミ
ドを281.46g、ジアミノシロキサンとして前記ロ
で示されるビス(4−アミノブチル)テトラメチ
ルジシロキサンを0.97g(0.0035モル)使用した
以外は実施例1と同様にしてポリイミド前駆体の
15重量%溶液をつくつた。
このときのポリイミド前駆体の固有粘度は1.81
であり、また珪素含有量は0.396重量%であつた。
上記のポリイミド前駆体溶液を用いて実施例1
と同様の条件でシリコンウエハ上にポリイミド層
を形成したところ、層の強靭性および密着性は実
施例1の場合と同様であつた。
実施例 3
精製N−メチル−2−ピロリドンの使用量を
237.83gとし、芳香族テトラカルボン酸二無水物
としてピロメリツト酸二無水物を21.8g(0.1モ
ル)使用した以外は、実施例1と同様にしてポリ
イミド前駆体の15重量%溶液をつくつた。
このようにして得られたポリイミド前駆体の固
有粘度は1.65で珪素含有量は0.469重量%であつ
た。この前駆体を含む溶液を実施例1と同様にス
ピンコートして、熱風乾燥機中で150℃で1時間、
200℃で1時間、300℃で1時間加熱してポリイミ
ド層を形成した。形成されたポリイミド層は強靭
であり、常態およびPCTによる密着性はいずれ
も良好でシリコンウエハからの剥離は認められな
かつた。
実施例 4
精製N−メチル−2−ピロリドンの使用量を
295.67gとし、芳香族テトラカルボン酸二無水物
として3・3′・4・4′−ベンゾフエノンテトラカ
ルボン酸二無水物32.2g(0.1モル)を、また珪
素不含ジアミンとして4・4′−ジアミノジフエニ
ルメタン19.107g(0.0965モル)を使用した以外
は、実施例1と同様にして固有粘度1.38で、珪素
含有量が0.377重量%のポリイミド前駆体の15重
量%溶液をつくつた。
上記のポリイミド前駆体溶液を用いて実施例1
と同様の条件でシリコンウエハ上にポリイミド層
を形成したところ、層の密着性は実施例1の場合
と同様であつたが、6ケ月経時後の引張抗張力が
初期値の40%に低下していたことが認められた。
このように皮膜の強靭性は経時劣化することがわ
かつたが、充分に使用できる程度の強靭性であつ
た。
実施例 5
精製N−メチル−2−ピロリドンの使用量を
259.36gとし、芳香族テトラカルボン酸二無水物
として3・3′・4・4′−ビフエニルテトラカルボ
ン酸二無水物14.7g(0.05モル)とピロメリツト
酸二無水物10.9g(0.05モル)とを使用した以外
は実施例1と同様の操作でポリイミド前駆体の15
重量%溶液をつくつた。
得られたポリイミド前駆体の固有粘度は1.52
で、また珪素含有量は0.430重量%であつた。
上記のポリイミド前駆体溶液を用いて実施例3
と同様にしてシリコンウエハ上にポリイミド層を
形成したところ、層の強靭性および密着性は実施
例1の場合と同様であつた。
比較例 1
精製N−メチル−2−ピロリドンの使用量を
280.07g、4・4′−ジアミノジフエニルエーテル
の使用量を19.9g(0.0995モル)、ビス(3−ア
ミノプロピル)テトラメチルジシロキサンの使用
量を0.1243g(0.0005モル)とした以外は、実施
例1と同様にして固有粘度が2.37で、珪素含有量
が0.057重量%のポリイミド前駆体の15重量%溶
液をつくつた。
この溶液を用いて実施例1と同じ条件でシリコ
ンウエハ上にポリイミド層を形成したところ、常
態ではシリコンウエハより剥離していなかつた
が、PCTでは容易に剥離した。
比較例 2
精製N−メチル−2−ピロリドンの使用量を
281.86g、4・4′−ジアミノジフエニルエーテル
の使用量を18.6g(0.093モル)、ビス(3−アミ
ノプロピル)テトラメチルジシロキサンの使用量
を1.7395g(0.007モル)とした以外は、実施例
1と同様にしてポリイミド前駆体の15重量%溶液
をつくつた。
このようにして得られたポリイミド前駆体の固
有粘度は0.80で、実施例1で得られたポリイミド
前駆体よりも低分子量であつた。また、この前駆
体の珪素含有量は0.791重量%であつた。
このようにして得られたポリイミド前駆体を用
いて実施例1と同様の条件でシリコンウエハ上に
ポリイミド層を形成したところ、層の強靭性およ
び密着性は実施例1の場合と同等であつた。
比較例 3
ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシ
ロキサンと4・4′−ジアミノジフエニルエーテル
とを実施例3と同じ割合で別々にピロメリツト酸
二無水物と重合反応させたのち、両者を混合して
ポリイミド前駆体混合物の15重量%溶液を得た。
ジアミノシロキサンから得たポリイミド前駆体の
固有粘度は0.63、珪素不含ジアミンから得たポリ
イミド前駆体の固有粘度は2.00であつた。またポ
リイミド前駆体混合物中の珪素含有量は0.469重
量%であつた。
この溶液を用いて実施例3と同様の条件でシリ
コンウエハ上にポリイミド層を形成したところ、
シリコンウエハとの密着性は実施例3に較べて劣
つており、特性がばらつきやすくPCTで容易に
剥離する場合があつた。
比較例 4
精製N−メチル−2−ピロリドンの使用量を
187.52gとし、芳香族テトラカルボン酸二無水物
としてピロメリツト酸二無水物を21.8g(0.1モ
ル)、珪素不含ジアミンとしてパラ−フエニレン
ジアミンを10.42g(0.0965モル)、ジアミノシロ
キサンとしてビス(3−アミノプロピル)テトラ
メチルジシロキサンを0.87g(0.0035モル)使用
した以外は、実施例1と同様にしてポリイミド前
駆体の15重量%溶液をつくつた。
このポリイミド前駆体の固有粘度は1.58で、そ
の珪素含有量は0.594重量%であつた。このよう
にして得られたポリイミド前駆体溶液を用いて実
施例1と同様の操作でシリコンウエハ上にポリイ
ミド層を形成したところ、層の密着性は実施例1
と同様であつた。
つぎに、上記実施例1〜5および比較例1〜4
で得られた各ポリイミド層につき、同一環境条件
下で密着性および電気絶縁性に関する試験を行つ
た。結果は、次の表に示されるとおりであつた。
なお、各ポリイミド層の厚みは、すべて50±5μ
に調整したものである。
The present invention relates to a method for forming a polyimide layer with good adhesion on the surface of a substrate made of a silicon-containing material. BACKGROUND ART Conventionally, the use of heat-resistant polymers such as polyimide, polyamide-imide, and polyhydantoin, which have many excellent advantages such as heat resistance, electrical insulation, and mechanical strength, has been considered for semiconductor devices and the like. However, these layers made of heat-resistant polymers have a problem of poor adhesion to substrate surfaces such as silicon wafers and glass. For this reason, various proposals have been made to improve the adhesion of the heat-resistant polymer layer, one of which is to create a polyimide precursor using a polymerization reaction between an aromatic tetracarboxylic dianhydride and a diamino compound. There is a method of using diaminosiloxane as the diamino compound mentioned above when synthesizing the body. This method introduces Si-O-Si bonds derived from diaminosiloxane into the molecular skeleton, and these bonding parts form chemical bonds with silicon atoms in silicon-containing materials such as silicon wafers and glass. The purpose is to improve adhesion by using these as active sites for adhesion to silicon-containing materials. However, in the above proposed method, diaminosiloxane is used in a considerable proportion of the diamino compound or as all of the diamino compound, so even if the adhesion can be improved, the moisture resistance properties of the polyimide layer will be significantly impaired. There were flaws. Furthermore, excessive use of diaminosiloxane is not necessarily preferable in terms of heat resistance, electrical insulation, mechanical strength, etc. inherent to polyimide. Similarly, in the proposed method, there are polyimide precursors synthesized using an excessive amount of diaminosiloxane and polyimide precursors synthesized without using diaminosiloxane at all, that is, using diamines that do not contain silicon atoms in the molecule. There is also a method of making a mixture with the body, but even in this case, the same problem as mentioned above occurs because the silicon content is large in the mixture, and since it is a mixture, it has poor adhesion, moisture resistance, and other general problems. Characteristics tended to vary between lots, making it difficult to obtain stable performance. From the above points of view, the present invention makes it possible to form a polyimide layer that has excellent adhesion and moisture resistance on the surface of a substrate made of a silicon-containing material, and that this polyimide layer has inherent heat resistance, electrical insulation, and mechanical properties. This discovery was made as a result of extensive research in order to obtain a siloxane-modified polyimide precursor that has high physical strength. That is, this invention provides the following general formula on the surface of a substrate made of a silicon-containing material. (R 1 is a divalent organic group, R′ is a monovalent organic group,
n is an integer from 1 to 1000) and a diamine that does not contain a silicon atom in the molecule are polymerized simultaneously with an aromatic tetracarboxylic dianhydride,
The use ratio of the above diamino siloxane is in the range of 1 to 4 mol% of the total amount of the diamino compound, and the silicon content contained in the final reaction product is 0.5% by weight.
A polyimide layer with good adhesion is formed on the surface of a substrate made of a silicon-containing material, characterized by applying a siloxane-modified polyimide precursor obtained in the following manner and then subjecting it to high-temperature heat treatment to form a polyimide layer. It is related to the method. As described above, in this invention, the diaminosiloxane used to improve the adhesion of the polyimide layer is necessary and sufficient within the above specified range, and when used in such a proportion, the amount of moist heat in the polyimide precursor increases. Since the siloxane bonds that are easily broken by decomposition or acid or alkali are extremely small, the moisture resistance of the polyimide layer is not degraded, and polyimide's inherent heat resistance, electrical insulation, and mechanical strength are not impaired. I have found that there is nothing to worry about. In the diaminosiloxane represented by the general formula (1) in this invention, two R 1 and each R' in the formula may be the same or different,
A wide variety of conventionally known methods are included. Typical examples are as follows. The diamine that does not contain a silicon atom in its molecule (hereinafter simply referred to as silicon-free diamine) used in this invention has the following general formula (2); H 2 N−R 2 −NH 2 ………(2) (R 2 is a divalent organic group not containing a silicon atom ) These include aromatic diamines, aliphatic diamines, and alicyclic diamines represented by It may be the same as or different from R 1 of . Particularly preferred are aromatic diamines, representative examples of which include metaphenylenediamine, paraphenylenediamine,
4,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenyl ether, 2,2'-bis(4-
(aminophenyl) propane, 3,3'-diaminodiphenylsulfone, 4,4'-diaminodiphenylsulfone, 4,4'-diaminodiphenylsulfide, benzidine, benzidine-3,3'-dicarboxylic acid, benzidine- 3,3'-disulfonic acid, benzidine-3-monocarboxylic acid, benzidine-3-
Examples include monosulfonic acid, 3,3'-dimethoxy-benzidine, para-bis(4-aminophenoxy)benzene, meta-bis(4-aminophenoxy)benzene, metaxylylenediamine, paraxylylenediamine, and the like. In this invention, the aromatic tetracarboxylic dianhydride to be polymerized and reacted with the diamino compound consisting of the above diaminosiloxane and silicon-free diamine has the following general formula (3); (Ar is a tetravalent organic group) Typical examples are as follows. Namely, pyromellitic dianhydride, 3,3',4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 2,3・
3′・4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride,
2.3.6.7-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 1.2.5.6-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 1.4.5.8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2. 2′-screw (3・4
-dicarboxyphenyl)propane dianhydride, bis(3,4-dicarboxyphenyl)sulfone dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, bis(3,4-dicarboxyphenyl)propane dianhydride, carboxyphenyl) ether dianhydride, 2,2'-bis(2,3
-dicarboxyphenyl)propane dianhydride,
1,1'-bis(2,3-dicarboxyphenyl)
Ethane dianhydride, benzene-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, 2,3,6,7-anthracenetetracarboxylic dianhydride, 1,2,
Examples include 7,8-phenanthrenetetracarboxylic dianhydride. A particularly preferred aromatic tetracarboxylic dianhydride in this invention is 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride. When this dianhydride is used, under a high temperature and high humidity atmosphere, for example, 121℃,
A polyimide layer with excellent electrical properties as measured by the 2-atm pressure pressure test (hereinafter simply referred to as PCT), that is, extremely good moisture resistance properties, can be obtained. Of course, the moisture resistance can be improved even when other dianhydrides are used. In this invention, it is necessary to simultaneously polymerize the diaminosiloxane and the silicon-free diamine with the aromatic tetracarboxylic dianhydride. For example, it is not possible to polymerize both diamino compounds separately and then mix them together. , resulting in variations in adhesion and moisture resistance, making it impossible to stabilize quality. Further, as mentioned above, the diaminosiloxane used at this time is 1 to 4 mol%, preferably 3 to 3.5 mol%, of the total amount of the diamino compound, and is contained in the polyimide precursor that is the final reactant. The silicon atom content must be 0.5% by weight or less. If none of these quantitative relationships are satisfied, it becomes difficult to achieve both adhesion and moisture resistance. The ratio of the diamino compound consisting of diaminosiloxane and silicon-free diamine to the aromatic tetracarboxylic dianhydride is usually equimolar, but one may be slightly increased if necessary. The polymerization reaction may be carried out according to a conventionally known method, and is generally carried out in the presence of an organic solvent in a nitrogen gas stream while limiting the temperature to usually 60°C or less, preferably 30°C or less, taking into account the polymerization heat generated. The reaction may be carried out until a high degree of polymerization is obtained. This degree of polymerization can be easily detected by examining the intrinsic viscosity [η] of the reactant. Examples of organic solvents include N-methyl-2-
Pyrrolidone, N・N'-dimethylacetamide,
Highly polar basic solvents such as N.N'-dimethylformamide, N.N'-dimethylsulfoxide, and hexamethylphosphoramide are used. All of these types of solvents are highly hygroscopic, and absorbed water causes a decrease in molecular weight during polymerization and storage stability, so it is recommended to thoroughly dehydrate with a dehydrating agent before use. . Moreover, general-purpose solvents such as toluene, xylene, benzonitrile, benzene, and phenol can also be used together with these solvents. However, the amount used should be within a range that does not reduce the solubility of the polyimide precursor produced. As shown in the following general formula (4), the polyimide precursor obtained by the present invention has a silicon-free diamine and a diaminosiloxane bonded to each other via an amide bond. The bonding units added to the anhydride have a random polymer structure, and are characterized by having a structure in which very few siloxane bonds are incorporated into the molecular chain of the polyimide precursor. (R 1 , R 2 , R', n and Ar are as described above, l
and m are both positive integers, m/l+m=0.01
~0.04) (R 1 , R 2 , R', Ar, n, l, and m are as described above) In the present invention, after applying the polyimide precursor to the surface of the base material made of a silicon-containing material,
By performing dehydration and cyclization through high-temperature heat treatment, it is possible to form a layer made of polyimide as represented by the general formula (5), which exhibits excellent adhesion to silicon wafers and glass. This polyimide layer has excellent moisture resistance, as well as good heat resistance, chemical resistance, mechanical properties, and excellent electrical insulation properties. It has the advantage that it can be effectively applied to various purposes. Note that in applications such as forming a polyimide layer on a semiconductor element, the polyimide forming material must be protected from being contaminated by ionic impurities. Care must be taken to avoid contamination from cationic impurities such as Na + , K + , Ca 2+ , and anionic impurities such as Cl -; Na + ions in particular have a negative impact on the electrical properties of semiconductors. effect. Therefore, during polymerization, both the raw material monomer and the solvent should be sufficiently purified by well-known methods before use. For example, with Na + ions
It is desirable that the amount is 5 PPM or less, preferably 1 PPM or less. Examples of this invention will be described below. In the following, the intrinsic viscosity [η] will be used as a parameter indicating the degree of polymerization (molecular weight) of the polyimide precursor.
This intrinsic viscosity was measured using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent at a temperature of 30±0.01℃ (in a constant temperature bath).
It was calculated according to the following formula. [η] = ln (t/to)/c t; Falling time to of the polymer solution measured with an Ubbelohde viscometer; Falling time c of the solvent measured in the same manner as above; Polyimide precursor (polymer) concentration (0.5 wt. %) Example 1 A 500 ml flask equipped with a stirrer, condenser, thermometer and nitrogen purging device was fixed on a water bath.
280.90 g of purified N-methyl-2-pyrrolidone, which had been dried over phosphorus pentoxide for one day and then distilled under reduced pressure, was added to the flask, and nitrogen was flushed into the flask. Next, using a 1 ml microsyringe, 0.87 g (0.0035 mol) of bis(3-aminopropyl)tetramethylenedisiloxane represented by the above formula A was added, followed by 19.3 g of 4,4'-diaminodiphenyl ether.
(0.0965 mol) and stirred until dissolved.
Next, 29.4 g (0.1 mol) of 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride was gradually added. The reaction system was stirred while maintaining the temperature below 30°C until a clear viscous solution was obtained. The polyimide precursor obtained in this way is
The intrinsic viscosity was 1.67, and the silicon content was 0.397% by weight. A solution containing this precursor was spin-coated onto a silicon wafer and heated in a hot air dryer at 150°C for 1 hour, 200°C for 1 hour, and 250°C for 6 hours to form a polyimide layer. The infrared absorption spectrum of the polyimide layer formed in this way is 1780
Based on imide group formation at cm -1 and 1720 cm -1 >
Absorption of C=O was observed. The formed polyimide layer was strong and had good adhesion to the silicon wafer under normal conditions. It was also found that the adhesion was highly improved without peeling even after PCT treatment. Example 2 Example 1 except that 281.46 g of purified N-N'-dimethylacetamide was used as the solvent and 0.97 g (0.0035 mol) of bis(4-aminobutyl)tetramethyldisiloxane shown in (b) above was used as the diaminosiloxane. of polyimide precursor in the same way as
A 15% by weight solution was prepared. The intrinsic viscosity of the polyimide precursor at this time is 1.81
and the silicon content was 0.396% by weight. Example 1 using the above polyimide precursor solution
When a polyimide layer was formed on a silicon wafer under the same conditions as in Example 1, the toughness and adhesion of the layer were the same as in Example 1. Example 3 The amount of purified N-methyl-2-pyrrolidone used
A 15% by weight solution of the polyimide precursor was prepared in the same manner as in Example 1, except that 21.8 g (0.1 mol) of pyromellitic dianhydride was used as the aromatic tetracarboxylic dianhydride. The polyimide precursor thus obtained had an intrinsic viscosity of 1.65 and a silicon content of 0.469% by weight. A solution containing this precursor was spin coated in the same manner as in Example 1, and then dried in a hot air dryer at 150°C for 1 hour.
A polyimide layer was formed by heating at 200°C for 1 hour and at 300°C for 1 hour. The formed polyimide layer was strong, had good adhesion both under normal conditions and by PCT, and no peeling from the silicon wafer was observed. Example 4 The amount of purified N-methyl-2-pyrrolidone used
295.67 g, 32.2 g (0.1 mol) of 3,3',4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride as aromatic tetracarboxylic dianhydride, and 4,4' as silicon-free diamine. A 15% by weight solution of a polyimide precursor having an intrinsic viscosity of 1.38 and a silicon content of 0.377% by weight was prepared in the same manner as in Example 1, except that 19.107 g (0.0965 mol) of -diaminodiphenylmethane was used. Example 1 using the above polyimide precursor solution
When a polyimide layer was formed on a silicon wafer under the same conditions as in Example 1, the adhesion of the layer was the same as in Example 1, but the tensile strength after 6 months had decreased to 40% of the initial value. It was recognized that
Although it was found that the toughness of the film deteriorated over time, it was still strong enough to be used. Example 5 The amount of purified N-methyl-2-pyrrolidone used
259.36 g, 14.7 g (0.05 mol) of 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride and 10.9 g (0.05 mol) of pyromellitic dianhydride as aromatic tetracarboxylic dianhydride. Polyimide precursor 15 was prepared in the same manner as in Example 1 except that
A wt% solution was made. The intrinsic viscosity of the obtained polyimide precursor is 1.52
And the silicon content was 0.430% by weight. Example 3 using the above polyimide precursor solution
When a polyimide layer was formed on a silicon wafer in the same manner as in Example 1, the toughness and adhesion of the layer were the same as in Example 1. Comparative Example 1 The amount of purified N-methyl-2-pyrrolidone used was
280.07 g, the amount of 4,4'-diaminodiphenyl ether used was 19.9 g (0.0995 mol), and the amount of bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane used was 0.1243 g (0.0005 mol). A 15% by weight solution of a polyimide precursor having an intrinsic viscosity of 2.37 and a silicon content of 0.057% by weight was prepared in the same manner as in Example 1. When a polyimide layer was formed on a silicon wafer using this solution under the same conditions as in Example 1, it did not peel off from the silicon wafer under normal conditions, but it peeled off easily with PCT. Comparative Example 2 The amount of purified N-methyl-2-pyrrolidone used was
281.86 g, the amount of 4,4'-diaminodiphenyl ether used was 18.6 g (0.093 mol), and the amount of bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane used was 1.7395 g (0.007 mol). A 15% by weight solution of the polyimide precursor was prepared in the same manner as in Example 1. The polyimide precursor thus obtained had an intrinsic viscosity of 0.80, and had a lower molecular weight than the polyimide precursor obtained in Example 1. Moreover, the silicon content of this precursor was 0.791% by weight. When a polyimide layer was formed on a silicon wafer using the polyimide precursor thus obtained under the same conditions as in Example 1, the toughness and adhesion of the layer were the same as in Example 1. . Comparative Example 3 Bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane and 4,4'-diaminodiphenyl ether were polymerized separately with pyromellitic dianhydride in the same proportions as in Example 3, and then both were mixed. A 15% by weight solution of the polyimide precursor mixture was obtained.
The intrinsic viscosity of the polyimide precursor obtained from diaminosiloxane was 0.63, and the intrinsic viscosity of the polyimide precursor obtained from silicon-free diamine was 2.00. The silicon content in the polyimide precursor mixture was 0.469% by weight. When a polyimide layer was formed on a silicon wafer using this solution under the same conditions as in Example 3,
The adhesion to the silicon wafer was inferior to that of Example 3, and the properties tended to vary and there were cases where PCT easily peeled off. Comparative example 4 The amount of purified N-methyl-2-pyrrolidone used
187.52 g, 21.8 g (0.1 mol) of pyromellitic dianhydride as the aromatic tetracarboxylic dianhydride, 10.42 g (0.0965 mol) of para-phenylene diamine as the silicon-free diamine, and bis(3 A 15% by weight solution of the polyimide precursor was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.87 g (0.0035 mol) of (aminopropyl)tetramethyldisiloxane was used. The intrinsic viscosity of this polyimide precursor was 1.58, and its silicon content was 0.594% by weight. When a polyimide layer was formed on a silicon wafer using the polyimide precursor solution obtained in this manner in the same manner as in Example 1, the adhesion of the layer was as follows.
It was the same. Next, the above Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4
Each polyimide layer obtained in the above was tested for adhesion and electrical insulation under the same environmental conditions. The results were as shown in the following table.
The thickness of each polyimide layer is 50±5μ.
It has been adjusted to
【表】【table】
【表】
上記の表から明らかなように、この発明の実施
例1〜5に係るポリイミド層は高温高湿時の電気
特性にすぐれかつ密着性にもすぐれていることが
判る。また、とくに芳香族テトラカルボン酸二無
水物として3・3′・4・4′−ビフエニルテトラカ
ルボン酸二無水物を用いた実施例1および2は、
他の二無水物を用いた実施例3〜5に較べて上記
両特性とくに高温高湿時の電気特性に格段にすぐ
れていることも判る。
一方、比較例1から形成されたポリイミド層は
電気特性に劣ることは無いがシリコンウエハに対
する密着性に劣つていた。また、比較例2、4か
ら形成されたポリイミド層は密着性にそれほど問
題は無いものの高温高湿度下での電気特性に劣
り、たとえば比較例2のものは実施例1から形成
されたポリイミド層と比較して体積抵抗率で約1/
100の測定結果であつた。また、比較例3は珪素
不含ポリイミド前駆体と珪素含有ポリイミド前駆
体の混合溶液から形成されたポリイミド層である
が、この場合、全体の珪素含有量がこの発明の範
囲に入つていても、密着性、高温高湿下の電気特
性にそれほど好結果が得られていないことが判
る。[Table] As is clear from the above table, it can be seen that the polyimide layers according to Examples 1 to 5 of the present invention have excellent electrical properties and adhesion at high temperature and high humidity. In addition, in particular, Examples 1 and 2 in which 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride was used as the aromatic tetracarboxylic dianhydride,
It can also be seen that, compared to Examples 3 to 5 in which other dianhydrides were used, both of the above properties, especially the electrical properties at high temperature and high humidity, were much better. On the other hand, the polyimide layer formed in Comparative Example 1 was not inferior in electrical properties, but was inferior in adhesiveness to the silicon wafer. Furthermore, although the polyimide layers formed from Comparative Examples 2 and 4 do not have much of a problem with adhesion, they are inferior in electrical properties under high temperature and high humidity; for example, the polyimide layers formed from Comparative Example 2 are inferior to the polyimide layers formed from Example 1. In comparison, the volume resistivity is approximately 1/
The measurement result was 100. Comparative Example 3 is a polyimide layer formed from a mixed solution of a silicon-free polyimide precursor and a silicon-containing polyimide precursor, but in this case, even if the total silicon content is within the range of the present invention. It can be seen that good results were not obtained in terms of adhesion and electrical properties under high temperature and high humidity.
Claims (1)
nは1〜1000の整数である) で表されるジアミノシロキサンと分子内に珪素原
子を含まないジアミンとを同時に芳香族テトラカ
ルボン酸二無水物と重合反応させるに当たつて、
上記のジアミノシロキサンの使用割合を、ジアミ
ノ化合物全体量の1〜4モル%の範囲でかつ最終
反応物中に含まれてくる珪素含有量が0.5重量%
以下となるようにして得たシロキサン変性ポリイ
ミド前駆体を塗布し、ついで高温加熱処理してポ
リイミド層を形成することを特徴とする珪素含有
材からなる素地表面に密着性良好なポリイミド層
を形成する方法。[Claims] 1. The following general formula is applied to the surface of a substrate made of a silicon-containing material. (R 1 is a divalent organic group, R′ is a monovalent organic group,
n is an integer from 1 to 1000) and a diamine that does not contain a silicon atom in the molecule are polymerized simultaneously with an aromatic tetracarboxylic dianhydride,
The use ratio of the above diamino siloxane is in the range of 1 to 4 mol% of the total amount of the diamino compound, and the silicon content contained in the final reaction product is 0.5% by weight.
A polyimide layer with good adhesion is formed on the surface of a substrate made of a silicon-containing material, characterized by applying a siloxane-modified polyimide precursor obtained in the following manner and then subjecting it to high-temperature heat treatment to form a polyimide layer. Method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP58229291A JPS59107522A (en) | 1983-12-05 | 1983-12-05 | Method for formation of polyimide layer having excellent adhesive property on surface of element consisting of silicon containing material |
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|---|---|---|---|
| JP58229291A JPS59107522A (en) | 1983-12-05 | 1983-12-05 | Method for formation of polyimide layer having excellent adhesive property on surface of element consisting of silicon containing material |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56029240A Division JPS5813087B2 (en) | 1981-02-27 | 1981-02-27 | Method for producing siloxane-modified polyimide precursor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59107522A JPS59107522A (en) | 1984-06-21 |
| JPH0259621B2 true JPH0259621B2 (en) | 1990-12-13 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59107522A (en) |
-
1983
- 1983-12-05 JP JP58229291A patent/JPS59107522A/en active Granted
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| JPS59107522A (en) | 1984-06-21 |
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