[发明专利]低介电气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含浸低介电气凝胶至高分子溶液形成的低介电有机/无机气凝胶复合材料的制备方法及其应用。所提的制备方法经下列步骤完成：(1)混合、(2)水解、(3)缩合、(4)老化、(5)干燥、(6)含浸高分子溶液、(7)固化及相分离及(8)干燥及交联。本发明制备出具高强度低介电有机/无机气凝胶复合材料。本低介电气凝胶为多孔性结构，孔隙率高于70％以上，密度约0.12至0.42g/cm³，介电性质随孔洞率增加而下降，其中介电常数为1.28至1.93以及介电损耗为0.0026至0.014，可应用在高频电路中的电介层，半导体装置中的绝缘层、或通讯集成电路中的微波电路等材料。

技术领域

本发明关于一种直接制备无机气凝胶以及将无机气凝胶含浸高分子稀薄溶液形成的低介电有机/无机气凝胶复合材料的制备技术，此低介电有机/无机气凝胶复合材料为一多孔性结构。

背景技术

目前已知材料的介电性质随着材料内部孔隙率的增加而逐渐下降，因此气凝胶材料与其相关复合材料将会成为未来5G产业所需的低介电相关产品。众所皆知，气凝胶是一种具立体网状结构的多孔隙材料，孔隙率高于80％(甚至可高于95％)，使得气凝胶材料成为具有低密度(约0.005至0.2g/cm³)、高比表面积(500至2000m²/g)、低热导率(k＝15至40mW/mk)及低介电性质(Dk＝0.1至2.5)、低介电损耗(Df0.001以下)的科技产品。由于气凝胶为含大量孔隙率与极低密度的材料，故可应用于高隔热、御寒绝缘、隔音或低介电质等应用。在未来5G高频率传输应用上急需具低介电常数(Dk2.5)及低讯号损耗(Df0.005)的介电材料。由于多孔性造成较低的电子电洞传输性质，因此无论无机材料或有机材料结构中孔隙率越高，介电性质越低。因此，在未来5G高频应用需要以多孔性材料为主要基材。日本特许专利公开号第8-228105号揭露一种制造半导体装置的方法。在此方法中，将湿胶薄膜形成于基板上，且含浸湿胶薄膜的溶剂由超临界及次临界干燥程序蒸发以形成气凝胶薄膜。所制备的干燥气凝胶薄膜仍维持湿胶薄膜的网状结构，且为具高孔性及低电介常数的多孔材。据此，气凝胶可作为电介层与绝缘内层的新材料。然而，利用超临界或次临界的干燥程序在晶体管结构制程中会导致程序复杂化与设备投入昂贵等缺点。“超临界干燥”意指水与有机溶剂在高温及高压下呈超临界状态，使有机溶剂与水同时具备气-液混合性质，而在超临界状态下使溶剂直接汽化而干燥。因此在超临界条件下移除网状结构中的剩余溶剂而不致使湿胶收缩。然而，在晶体管结构制备中，低介电薄膜从溶液备制至涂布的时间不一。此外，气凝胶溶液缩合过程中，硅胶分子间会立刻发生聚集凝结，因此气凝胶溶液的黏滞性会随时间增加而增加。当以固定速率实施旋转涂布时，基底上的覆膜厚度亦增加。同理下，晶体管薄膜结构涂布的厚度随制程时间增加下会有不同厚度，因而无法制备出高质量的晶体管薄膜结构。

传统气凝胶的制备方法为溶胶凝胶合成法，主要先由烷氧化硅类(alkoxysilane)、正硅酸甲酯或水玻璃等前驱物与有机溶剂进行混合后，再加入酸触媒以进行水解反应(hydrolysis)。待水解反应一定时间后，再添加碱触媒，以进行缩合反应(condensation)，而缩合反应过程中会逐渐形成溶胶，溶胶内的分子继续进行反应键结，逐渐形成半固态的高分子凝胶。再经过一段时间熟化(aged)，使凝胶形成结构稳定的立体网状结构。最后再利用正丁醇、正己醇、正己烷或环己烷等溶剂进行溶剂置换，随后再以超临界干燥技术将气凝胶体系的溶剂萃取干燥。

疏水性气凝胶的制备方法为溶胶凝胶合成法，主要先由如甲基三甲氧基硅烷(methyltrimethoxysilane，MTMS)或甲基三乙氧基硅烷(methyltriethoxysilane，MTES)等甲基烷氧化硅类前驱物与有机溶剂进行混合后，再加入碱触媒，以进行水解反应。待水解反应一定时间后进行缩合反应，而缩合反应过程中会逐渐形成溶胶，溶胶内的分子继续进行反应键结，逐渐形成半固态的高分子凝胶。再经过一段时间熟化(aged)后，利用异丙醇、丙酮、正己烷或环己烷等溶剂进行溶剂置换二到三天，使疏水性凝胶形成结构稳定立体网状结构。最后再利用常压干燥技术将气凝胶体系的溶剂干燥，而获得多孔性干燥的气凝胶块材。