(57)【要約】多孔性セラミックおよびハイブリッドセラミック薄膜は、半導体の相互接続において低誘電率の中間層として有用である（ハイブリッドセラミック薄膜は、構造体中に有機性およびセラミック性分子成分を含む薄膜として、例えば、有機ケイ酸塩として定義される）。本発明は、薄膜の多孔率や誘電率に好ましくない影響をほとんど与えることなく、また薄膜の品質にも悪影響を与えることなく多孔性の誘電性薄膜の機械的一体性を向上させる点における湿潤処理の有用性を説明する（例示する実施例として特定の温度／湿度処理を用いる）。このような処理の有用性を、例として界面活性剤でテンプレートされたメソポーラスケイ酸塩薄膜を用いて説明する。また、本発明は、そのような誘電性薄膜用の高純度のアルカリ金属フリーのセラミックおよびハイブリッド前駆体とともに用いられる特定の群の添加剤について説明する。その添加剤は、要求される機械的一体性とともに、薄膜の多孔率、品質および低誘電率のよりよい制御を可能とする。そのような添加剤の有用性を、標準的な例として界面活性剤を鋳型としたメソポーラスケイ酸塩薄膜を用いて説明する。本発明は、あらゆる架橋したセラミックまたはハイブリッドセラミック薄膜（ケイ酸塩および有機ケイ酸塩薄膜、および低誘電率用途の特に高度に多孔質な形態の薄膜を含む）に広く適用可能である。本発明は、ナノメートルスケールの細孔を有する界面活性剤でテンプレートされたケイ酸塩薄膜に特に有効であることが分かった。どちらの実施形態でも、本発明は、蒸着により形成された繊維や粉末のような架橋した他の形態のものにも適用される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性セラミックまたは有機セラミック材料の形成方法であって、
a)セラミック前駆体溶液と細孔形成剤とを組み合わせて混合物とする工程と、
b)蒸発により前記混合物から材料を形成する工程と、
c)前記材料を加熱することにより前記細孔形成剤を実質上取り除く工程と、
d)湿潤環境へ晒すことにより前記多孔性材料を処理する工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記湿潤環境へ晒すことは、水蒸気へ晒すことである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記多孔性材料の湿潤環境へ晒すことは、約２０℃〜約４５０℃の間の規定された温度における、約２，０００ｐｐｍ（parts per million）〜３５，０００ｐｐｍの間の水濃度へ晒すことを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記多孔性材料は、さらに化学的脱ヒドロキシル化剤へ晒されることにより処理される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記セラミック前駆体溶液は、セラミック前駆体と溶媒系とを含み、前記細孔形成剤は界面活性剤であり、前記多孔性材料は基板上の薄膜である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記多孔性材料は、繊維または粉末である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
多孔性セラミックまたは有機セラミック材料の形成方法であって、
a)セラミック前駆体溶液と細孔形成剤とを組み合わせて窒素系カチオンを含む混合物とする工程と、
b)蒸発により前記混合物から材料を形成する工程と、
c)前記材料を加熱することにより、前記細孔形成剤を実質上取り除く工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項８】
前記混合物は、約５０ｐｐｂ(parts per billion)未満のアルカリおよびアルカリ土類不純物を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記加熱工程による除去は、大気中での焼成を伴う請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記窒素系カチオンは、テトラアルキルアンモニウムカチオンを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記窒素系カチオンは、ピリジニウム、グアニジウム、およびイミダゾリウムからなる群から選択される請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記形成された材料は薄膜であって、さらに、該薄膜を化学的脱ヒドロキシル化剤に晒すことにより処理する工程を有する請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記セラミック前駆体溶液は、セラミック前駆体と溶媒系とを含み、前記細孔形成剤は界面活性剤であり、前記多孔性材料は基板上の薄膜である請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
前記多孔性材料は、繊維または粉末である請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
多孔性セラミックまたは有機セラミック材料の形成方法であって、
a)セラミック前駆体溶液と細孔形成剤とを組み合わせて混合物とする工程であって、該混合物は、硫黄含有、リン含有または砒素含有カチオン種を単独でまたは組み合わせて含む工程と、
b)蒸発により前記混合物から材料を形成する工程と、
c)前記材料を加熱することにより、前記細孔形成剤を実質上取り除く工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記混合物は、約５０ｐｐｂ（parts per billion）未満のアルカリおよびアルカリ土類不純物を含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記加熱による除去は、大気中での焼成を伴う請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
メソポーラスケイ酸塩材料の形成方法であって、
a)溶媒を伴うケイ酸塩前駆体と、酸と、界面活性体とを組み合わせて前駆体溶液とする工程であって、該前駆体溶液は、少なくとも５０ｐｐｂ（parts per billion）の１つ以上の窒素系カチオンを含む工程と、
b)前記前駆体溶液を予備的成形品に成形する工程と、
c)前記予備的成形品を加熱してメソポーラス材料を得る工程と、
d)前記加熱したメソポーラス材料を脱ヒドロキシル化する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記加熱は、大気中での焼成を伴う請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記窒素系カチオンは、テトラアルキルアンモニウムカチオンを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記窒素系カチオンは、テトラアルキルアンモニウム、ピリジニウム、グアニジウム、およびイミダゾリウムからなる群から選択される請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
メソポーラスケイ酸塩材料の形成方法であって、
a)溶媒を伴うケイ酸塩前駆体と、酸と、界面活性体とを組み合わせて前駆体溶液とする工程と、
b)前記前駆体溶液を予備的成形品に成形する工程と、
c)前記予備的成形品を加熱してメソポーラス材料を得る工程と、
d)湿潤環境において前記メソポーラス材料を処理し架橋を促進する工程と、
e)前記処理したメソポーラス材料を脱ヒドロキシル化する工程と、を有し、
前記処理中に、乾燥されたメソポーラス材料を、規定された温度および水濃度で、規定された湿度に晒すことにより、少なくとも約２．５ギガパスカルの弾性係数と約２．２０未満の誘電率を示すメソポーラス材料を製造することを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記乾燥されたメソポーラス材料の規定された湿度へ晒すことは、約２，０００ｐｐｍ（parts per million）〜３５，０００ｐｐｍの間の水濃度で、約２０℃〜約４５０℃の間の規定された温度で行われる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
さらに、前記処理の前に、前記メソポーラス材料を乾燥して残りの溶媒を実質上すべて取り除き、前記メソポーラス構造体の固化を促進する工程を有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記メソポーラス材料は、オリゴマー状の実質上ヒドロキシル化されたシリカ単位を特徴とし、前記加熱は該オリゴマー状のシリカ単位間の架橋を促進することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記成形は、セラミックの基板に前駆体溶液を析出させて薄いメソ構造の膜を形成することを伴う請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記薄膜は、さらに化学的脱ヒドロキシル化剤へ晒すことにより処理される請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度で低誘電率（ｋ）のシリカ、有機ケイ酸塩、または他の多孔性セラミックまたはハイブリッドセラミック材料の製造方法を含む。
【背景技術】
【０００２】
多孔性セラミック薄膜（フィルム）は、半導体品質の基板の被膜を製造する様々な方法により形成することができる。例えば、多孔性セラミック薄膜を形成する界面活性剤でテンプレートされた方法において、シリコンウエハ上に蒸着(evaporative-coating)により薄いメソポーラスシリカフィルムをコーティングするためにシリカ前駆体溶液が用いられる。このシリカ前駆体溶液は、典型的には、例えばＴＥＯＳ（tetraethyl orthosilicate）のようなシリカ／ケイ酸塩前駆体と、界面活性剤と、アルコール、グリセロールまたは他の好適な極性溶媒のような極性有機溶媒に溶解された水と、から構成される（米国特許第５，９２２，２９９参照）。この溶液は、特定の範囲のサイズのオリゴマー状のヒドロキシル化されたシリカ単位の形成を可能とすべく、所定の温度で所定の時間寝かされる。少量の酸または塩基を添加することで加水分解反応が触媒され、最終的な多孔性を作り出すために、析出溶液混合物（deposition solution mixture）において界面活性剤（非イオン性またはイオン性）が細孔形成剤(pore former)として使用される。シリコンウエハへの蒸着によるコーティングの後、ウエハは「未焼成」の薄膜(green film)（大部分が固相である微量の揮発成分を有するオリゴマー状の高度にヒドロキシル化されたシリカ単位）を本質的に有する。
【０００３】
前記未焼成の薄膜を乾燥することにより、残りの溶媒および触媒をすべて取り除き、構造体の固化を促進する。その後、薄膜を焼成（加熱）し、オリゴマー状のシリカ単位間の架橋を完全なものにするか、またはさらなる架橋を行わせる。乾燥工程は、典型的には低温（約１００〜２００℃）で行われ、一方、焼成はより高い温度（約２５０〜４５０℃）で行われる。焼成の後、多孔性セラミック薄膜を化学的に処理することにより該薄膜を脱ヒドロキシル化および疎水化し、高い機械的一体性（mechanical integrity）を有する低誘電性の薄膜を製造する。このナノポーラスケイ酸塩薄膜の作製の手法には多数のバリエーションがある。このバリエーションとしては、溶媒系、シリカ前駆体または細孔形成剤の種類におけるバリエーションが挙げられるが、必ずしもそれらに限定されるものではない。しかしながら、上記方法は好適な例と考えられる。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、多孔性セラミックまたは有機セラミック材料の形成方法を含む。一実施形態によれば、前記方法は、(a)セラミック前駆体溶液と細孔形成剤とを組み合わせて混合物とする工程と、(b)蒸発により前記混合物から材料を形成する工程と、(c)前記材料を加熱することにより前記細孔形成剤を実質上取り除く工程と、(d)湿潤環境へ晒すことにより前記多孔性材料を処理する工程と、を有する。また、他の実施形態によれば、前記方法は、(a)セラミック前駆体溶液と細孔形成剤とを組み合わせて窒素系カチオンを含む混合物とする工程と、(b)蒸発により前記混合物から材料を形成する工程と、(c)前記材料を加熱することにより前記細孔形成剤を実質上取り除く工程と、を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
第１実施形態
本発明の第１実施形態に従って、米国特許第５，９２２，２９９および特許協力条約（ＰＣＴ）国際公開公報ＷＯ０３０２８Ａ１に記載の手順により、界面活性剤でテンプレートされた薄膜（surfactant-templated films）を作製した（なお、これらの公報の番号を記載することにより、それらの内容は本件出願に組み入れられたものとされる）。前記溶液は、アルカリおよびアルカリ土類金属が約５０ｐｐｂ（parts per billion）未満の高純度のものであった。細孔形成剤として、ポリオキシエチレンエーテル界面活性剤を使用した。下記の表Ｉに示した特定の温度および環境条件で、焼成および細孔形成剤除去を行った。
【０００６】
【表１】
2005503312.tif 000002
【０００７】
この後、さらに様々な湿度環境の下で加熱処理を行った。表Ｉは、同様に処理され、焼成の後に周囲温度で様々な量の水蒸気に晒された複数の薄膜の複数の組の多孔率（屈折率ｎ）、膜厚、弾性係数（ギガパスカル（ＧＰａ））および誘電率すなわちｋの変化を示す。表Ｉのデータは、１Ａ−４Ａ、１Ｂ−２Ｂ、１Ｃ−３Ｃ、および１Ｄ−３Ｄの４つの独立した組のデータとみなす。水蒸気処理に先立ち、複数の薄膜の各組は全く同様に処理され、ほぼ同等の多孔率を示した（ｎ＝１．１４−１．１５）。水蒸気処理の後、屈折率に基づいて多孔率を測定した。その後、これらの薄膜を化学的に処理し（脱ヒドロキシル化／疎水化）、それらの弾性係数および誘電率を測定した。これらサンプルの各組について、水蒸気へより多く晒すことにより弾性係数の著しい増加（０．５ＧＰａ以上）が得られた。これらの薄膜の厚さおよび多孔率は、弾性係数の増加に伴い減少し、それに対応して誘電率の増加が確認された。晒す時間を短縮するため、例えば２０，０００ｐｐｍを超えるより高い水蒸気濃度を用いた。これにより、亀裂が入った薄膜が製造された。このデータは、周囲温度での３〜４０時間の約２，０００〜約１０，０００ないし１５，０００ｐｐｍの水蒸気による焼成後処理（post-calcination treatments）により、４．０を超える弾性係数と２．２以下の誘電率ｋを有する多孔性セラミック薄膜が製造されることを示している。
【０００８】
焼成後の多孔性セラミックの機械的一体性(mechanical integrity)に対する水蒸気の効果は、薄膜が高温で水蒸気に晒された場合に増強されうる。湿潤処理の間、多孔性セラミック薄膜を最低約５０℃〜約４５０℃に加熱することにより、薄膜に悪影響を与えることなく、薄膜を３５，０００ｐｐｍまでのおよびそれを超える水蒸気濃度に晒すことが可能である。上記上限温度は、これら薄膜の目的とするマイクロエレクトロニクス用途のため、４５０℃に保持された。しかしながら、原則としては、それよりもかなり高い温度を用いることができる。例えば、多孔性セラミック薄膜は、何らかのガス吸着または触媒に、または膜（membranes）として使用することが可能である。これらは、典型的には約１，０００〜１，２００℃の高温で使用される可能性があり、したがって工程温度は、マイクロエレクトロニクス用途に対するここに記載された温度よりもかなり高い可能性がある。温度および水蒸気濃度を高くすることにより、高弾性係数の薄膜を製造するのに必要な水蒸気に晒す時間を大幅に減らすことができる。下記の表ＩＩは、４２５℃の処理温度での、水蒸気濃度の増加に伴う弾性係数の増加を示している。繰り返すが、データは、１Ｅ−３Ｅ、１Ｆ−３Ｆ、および１Ｇ−３Ｇの複数のサンプルの独立した複数の組とみなす。複数のサンプルの各組は、焼成により全く同様に処理された。
【０００９】
【表２】
2005503312.tif 000003
【００１０】
このデータは、湿潤処理された薄膜について、膜厚の減少および弾性係数の増加を示している。しかしながら、誘電率の著しい変化はなかった。
【００１１】
下記の表ＩＩＩは、同じ水蒸気濃度で異なる時間晒すことにより処理された複数の薄膜の一組のデータを示す。これらのデータは、わずか１５分晒しただけで弾性係数が増加したことを示している。他のサンプルは、１０分という少ない晒した時間で著しい弾性係数の増加（＞４．０ＧＰａ）を示す。わずか数分という短い時間であっても、弾性係数の著しい改善には十分であると考えられる。
【００１２】
【表３】
2005503312.tif 000004
【００１３】
周囲温度〜４５０℃の範囲の温度および数分〜数日の範囲の晒す時間で、３５，０００ｐｐｍまでの濃度の水蒸気を用いて多孔性セラミック薄膜を処理することにより、材料の誘電率を著しく変化させることなく、該薄膜の機械的一体性を大幅に向上させることができる。このような湿潤処理の有益な効果として、高い多孔率（すなわち、２．０またはそれに近い誘電率）を依然として維持しつつかなり強い薄膜（すなわち、約０．５ＧＰａを超える弾性係数の増加および３．５ＧＰａを超える総弾性係数）を提供することができるができる。
【００１４】
多孔性シリカまたはハイブリッドケイ酸塩薄膜を、スピンコーティングされた水溶液の前駆体を焼成することにより合成すると、壁構造体内の架橋が不十分になる可能性があると考えられる。また、この不十分な架橋により、オングストロームスケール（ナノメートル以下）の細孔になったり、壁内部にいくつかの−ＯＨ末端が残ったりする可能性があると考えられる。この壁密度の低下は、弾性係数の低下をもたらす可能性がある。ここに開示されている新規の湿潤処理は、セラミックネットワーク内のより完全な架橋と多孔性薄膜の応力緩和を促進すると考えられる。
【００１５】
したがって、本発明は湿潤処理（すなわち、例えば水のような液相成分を含む湿潤環境での処理）を含み、多孔性セラミック（例えば、多孔性シリカ）およびハイブリッドセラミックまたは有機セラミック（例えば、有機ケイ酸塩）薄膜の弾性係数を向上させる。これは、多孔率および誘電率に実質的な好ましくない変化を与えることなく達成される。この発明された方法は、多孔性を作り出す際に使用される細孔形成剤の種類に関係なく、あらゆる多孔性ケイ酸塩または有機ケイ酸塩薄膜に対して適用可能であると考えられる。本発明は、特有のナノメートルスケールの細孔を有する界面活性剤でテンプレートされたケイ酸塩薄膜に特に有効であることが分かった。開示された実験における薄膜およびサンプルは不規則な細孔を含んでいたが、該方法は規則的な細孔を有する薄膜にもほぼ同様に有効である。
【００１６】
さらに、未焼成の薄膜の乾燥および焼成工程の間の温度、晒し時間および水蒸気濃度の変化は、セラミック薄膜の機械的一体性および誘電性に有益な効果が得られるように決定することができる。所望の有益な効果を得るためには、水蒸気は、純粋な形態のもの、または、例えば窒素、酸素およびアルゴンのような他のガスと混合されたもののどちらを用いてもよい。
【００１７】
第２実施形態
本発明の第２実施形態に従い、ある化学的な添加物が、高純度で低誘電率のセラミックおよびセラミックハイブリッド薄膜をもたらすことが見出された。以下にその方法を述べる。
【００１８】
ｋが低い薄膜を作製する代表的な手法は、細孔形成剤として界面活性剤を使用する。界面活性剤でテンプレートした多孔性セラミック薄膜の形成の典型的な手法において、シリコンウエハ上に薄いメソポーラスシリカ膜を蒸着によってコーティングするために使用されるシリカ前駆体溶液は、典型的には、ＴＥＯＳ（tetraethyl orthosilicate）、界面活性剤およびアルコール、グリセロール、またその他の好適な極性溶媒のような極性有機溶媒に溶解された水から構成される（米国特許第５，９２２，２９９参照）。その溶液は、特定の範囲のサイズのオリゴマー状のヒドロキシル化されたシリカ単位の形成を考慮して、所定の温度で所定の時間寝かされる。少量の酸または塩基の添加で加水分解反応が触媒され、最終的な多孔性を作り出すために、析出溶液混合物において界面活性剤（非イオン性またはイオン性）が細孔形成剤として使用される。シリコンウエハへの蒸着によるコーティングの後、該ウエハは実質的にウエハ上に析出した「未焼成」薄膜（大部分は固相であるがまだ一部が残りの溶媒および水に溶解しているオリゴマー状の高度にヒドロキシル化されたシリカ単位）を有する。
【００１９】
前記未焼成の薄膜を乾燥することにより、残りの溶媒を取り除いて構造体の固化を促進し、さらに焼成（加熱）して、オリゴマー状のシリカ単位間の架橋を完全なものにするかさらなる架橋を行う。乾燥工程は、低温（１００〜２００℃）で行なわれ、一方、焼成はより高い温度（２５０〜４５０℃）で行なわれる。焼成工程は、オリゴマー状のシリカ単位を架橋させることに加えて、シリカのフレームワーク（支柱または壁構造体）から界面活性剤を取り除き、ナノメートルスケールの細孔をつくる役割も果たす。
【００２０】
この焼成工程は、大気中、不活性ガス環境（例えば、窒素、アルゴン等）、または所定量の酸素または大気を含む不活性ガス環境で行われる。焼成を大気中で行うと界面活性剤を取り除くのにより効率的である。また、大気中での焼成は、シリカネットワーク内の架橋の程度に大きな影響を及ぼす。大気中で焼成された薄膜は、窒素中で焼成された薄膜より、より完全に架橋される。具体的には、ほぼ同じ屈折率、すなわちｎ（例えば、多孔性のシリカ薄膜において１．１６）を有する薄膜について、大気中で焼成された薄膜は、窒素中で焼成された薄膜よりも高い機械的一体性（弾性係数は少なくとも０．５ＧＰａだけ高い）を有する。焼成に続いて、メソポーラスシリカ薄膜を化学的に処理することによりさらに該薄膜を脱ヒドロキシル化および疎水化してもよく、これにより誘電率ｋが低い薄膜が製造される。このナノポーラスケイ酸塩薄膜の作製手法にはバリエーションが存在し得る。このバリエーションとしては、溶媒系、シリカ前駆体または細孔形成剤の種類のバリエーションが挙げられるが、必ずしもそれらに限定されるものではない。さらに、前記化学的脱ヒドロキシル化工程は用いてもよいし、用いなくてもよい。しかしながら、上記方法は好適な例と考えられ、記載された発明を例証するために使用した。以下に述べる発明は、ナノメートルスケールの細孔を有する界面活性剤でテンプレートされたケイ酸塩薄膜に特に効果的であることが分かったが、多孔性セラミックおよびハイブリッドセラミック薄膜や、粉末および繊維等のほかの構造体にも同様に適用される。
【００２１】
微量（１００ｐｐｂ（parts per billion）〜１，０００ｐｐｍ（parts per million））のアルカリ金属（例えば、ナトリウムおよび／またはカリウム）の存在は、架橋したケイ酸塩薄膜の特性に有益な効果を有する。金属の不純物は、大気中で焼成を行った場合、特定の多孔率（特定の屈折率で表される）を有するより安定で均一（厚さに関する）な薄膜をもたらす。微量のアルカリ金属の混入がないと、同じまたはほぼ同等の作製条件（すなわち、大気中での焼成）で得られた薄膜は均一性（厚さに関する）が劣り、より不均一な表面と著しく低い多孔率（より高い屈折率）を有する。
【００２２】
最終的な焼成された多孔性シリカ薄膜の屈折率（多孔率に反比例）に対する、析出溶液へ添加されたアルカリ金属（例えば、カリウム含量）の効果を下記の表ＩＶに示す。この析出溶液は、テトラエチルオルトケイ酸塩（ＴＥＯＳ）と、水と、エタノールと、硝酸と、界面活性剤として１０ラウリルエーテルと、を１：５：５：０．０５：０．１７のモル比で含んでいた。この溶液は、２，０００ｒｐｍの速度でスピンコートされた。
【００２３】
【表４】
2005503312.tif 000005
【００２４】
上で示したような大気中での焼成を伴う特有の処理を用いると、約２００ｐｐｂ〜５０ｐｐｍの範囲の微量のアルカリ金属イオンの存在により、４．０ＧＰａ付近の弾性係数値および２．０に近い誘電率と共に、１．１７未満の屈折率を有する平滑で均一な薄膜となる。同様に処理されたアルカリ金属の混入のない薄膜は、多孔性が劣り、１．２０を超える屈折率およびより高い弾性係数（０．５ＧＰａ高い）、不均一（粗い）でムラのある表面、不均一な厚さ、および望ましくない高い誘電率（ｋ＞２．５）を有する。
【００２５】
薄膜の均一性および表面の平滑性は、焼成を窒素雰囲気で行えば向上させることができる。しかしながら、これにより薄膜は著しく脆くなり（弾性係数が約０．５ＧＰａ以上低い）、界面活性剤からのより高い濃度の残留物を含むものとなる。半導体デバイスにおける多くの主な薄膜の用途に対しては、アルカリ金属不純物の潜在的な電気に関する問題のため、アルカリ金属の混入を排除する必要がある。アルカリ金属の存在なしでは、大気中または多少の濃度の酸素を含む不活性ガス環境で焼成を行った場合、平滑で、常に均一で高性能な薄膜を容易かつ確実に得ることができない。
【００２６】
５０ｐｐｂを上回る微量のアルカリ金属は、一般的に半導体製造用途では受け入れられないが、薄膜の性質を作り出す際のそれらの役割を理解することにより、それらの効果を擬態する好適な代替品の特定が可能となる。まず、シリカ架橋可能前駆体を含む析出溶液における、微量のアルカリ金属の存在によるシリカ構造体制御のメカニズムを述べる。
【００２７】
アルカリイオンは高度の「可動イオンの役割(mobile, ionic role)」を果たし、表面のヒドロキシル基と相互作用することにより、それらをより求核性のＳｉＯ−アニオンとして存在させると考えられる。これらの短命のアニオンは、一連の付加／脱離反応を受ける可能性があり、母材中をひずみにより動かされるシリカフレームワークを介して移動する。
Ｓｉ−Ｏ−  ＋  Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ  →  Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ  ＋  Ｓｉ−Ｏ−
【００２８】
高い移動性を有するアルカリカチオンは、この移動している電荷が界面活性剤の集合体の周囲のシリカの壁を進む際、それに追従するだけである。この理論上のメカニズムは、シリカ母材中の欠陥の加熱を考慮した低温応力緩和アニーリング工程として説明することができる。安定化アルカリカチオンが無い状態では、この工程は求核性が下回るＳｉ−ＯＨ基を多く含むので、工程が非常に遅く、最終的によりひずみの大きい不良の薄膜となる。この低温アニーリング工程は、溶液のエージング(aging)中ずっと起こる連続的なものである。本発明の一実施形態によれば、室温でのエージング時間は２０〜２４時間であった。しかしながら、溶液によっては、非常に単純に、その混合溶液を数秒間から何日間もの間の任意の好適な時間、０〜１００℃の間に維持するだけでよいと考えられる。同様の低温アニーリング工程は、スピニングおよび乾燥段階中続き、焼成段階も続く。しかしながら、焼成終了後にアルカリイオンが薄膜に残り、それらの存在はそのような薄膜を含む半導体デバイスの電気的性能にとって有害である。したがって、アルカリ金属の代替となるが無機残留物を残さない有機添加物が非常に望ましい。
【００２９】
クレームされた発明に関する実験を通して、新規の有機添加物は、析出する薄膜におけるシリカの分子構造の制御という点において、アルカリ金属の役割を擬態可能であることが確かめられた。析出溶液はほとんどアルカリ金属を含まない（該溶液は０〜４０ｐｐｂの金属しか含まない）こと以外は表ＩＶに記載されたように作製された薄膜用析出溶液へ、微量のアルキル化されたアンモニウム塩を添加することにより、薄膜は著しく低い屈折率を有するのものとなった。このアルキル化された硝酸アンモニウム添加物の有益な効果を下記の表Ｖに示す。ｐｐｍ（parts per million）レベルの塩化テトラメチルアンモニウムを含む析出溶液を用いることにより（硝酸テトラメチルアンモニウムの場合、表Ｖを参照）、焼成後の屈折率、すなわちｎが１．１７未満で、シリル化後（シランを用いて表面のヒドロキシル基をできるだけなくし、安定で加測な誘電率を得るための処理）の弾性係数が４．０ＧＰａ付近で誘電率ｋが２．０付近の平滑で均一な薄膜を得た。
【００３０】
焼成中、これらの塩は昇華および熱分解により薄膜から除去される。したがって、所望の薄膜が無機金属の混入なしに製造され、微量のアルキル化されたアンモニウム塩は除去される。エージング、スピニング、乾燥および焼成段階中のアルキル化されたアンモニウムイオンの役割は、アルカリ金属カチオンの役割とほぼ同じであることが仮定される。高純度の析出溶液中においてテトラメチルアンモニウム塩添加物を用いて、多数の薄膜サンプルを合成した。大気中での焼成を行うことにより、高弾性係数および低誘電率を有する平滑で均一な薄膜を得た。実際、下記の表Ｖから、少なくとも一つの場合における大気中の焼成処理は、他の焼成処理を行った場合よりも低い屈折率をもたらしたことが確認される。
【００３１】
【表５】
2005503312.tif 000006
【００３２】
使用した可動カチオン種が、セチル（セチル＝Ｃ１６Ｈ３３）トリメチルアンモニウムイオンである２つ目の組の実験を行った。テトラメチルアンモニウムイオンよりもかなり大きいセチルトリメチルアンモニウムイオンは、おそらく安定化可動カチオン種と同時に界面活性剤として機能するのではないかと仮定された。表ＩＶに記載した前記非イオン性１０ラウリルエーテル界面活性剤を含む析出溶液を、アルカリ金属を用いず、様々なレベル（３００〜３０，０００ｐｐｍ）のＣＴＡＣ（塩化セチルトリメチルアンモニウム）を用いて作製した。薄膜は上記のように大気中で焼成された。薄膜の品質は、ＣＴＡＣ添加物を用いないで作製された薄膜よりも、大幅に向上した。該薄膜は前記添加剤を用いない薄膜よりもより均一で極めて多孔質であった。しかしながら、それでも薄膜の品質は、所望のものよりも低かった。表面の平滑性に乏しく（かなり溝があった）、多孔率は所望のものよりも低かった。
【００３３】
これは、メチル（ＣＨ３）置換されたイオンに対して、かなり大きいセチル置換されたアンモニウムイオンの移動性の違いによるものであろう。しかしながら、安定化カチオン種を含まない溶液を対照にして、前記セチルアンモニウムイオンを使用した時の薄膜の品質の向上に注目することは重要である。この所見は、ドデシル（Ｃ１２Ｈ２５）またはオクチル（Ｃ８Ｈ１７）置換されたトリメチルアンモニウムイオンのような少し小さいカチオン界面活性剤は、細孔形成剤としてだけではなく、細孔壁のシリカ構造体を精製し、高い機械的一体性を提供するための触媒として機能する可能性があることを示している。
【００３４】
スピニングしたままの薄膜(the as-spun film)中にテトラアルキルアンモニウムカチオンが存在することにより、ケイ酸構造単位の架橋を強化するメカニズムが提供され、薄膜の厚さ均一性を助長し、薄膜の形態ひずみを気にすることなく大気中で薄膜を焼成することを可能にする。テトラアルキルアンモニウムカチオンの含有は、結果として薄膜を高い多孔率（すなわち、より低いｋ値）を有するより強い薄膜とし（すなわち、より高い弾性係数）、アルカリ金属カチオンの添加や他の無機種に起因する汚染をなくす。これらの目的は、前記テトラアルキルアンモニウムカチオンにより促進されたメソポーラスセラミック薄膜の低温応力緩和により達成される。
【００３５】
ピリジニウム、グアニジニウム(guanidium)、イミダゾリウム等の他の種類の窒素系カチオン（すなわち、テトラアルキルアンモニウム以外）も同様に、この種の作用を促進するのに効果的であるはずである。この作用は、硫黄含有（例えば、チウロニウム）、リン含有（例えば、ホスホニウム）、または砒素含有（例えば、アルソニウム）カチオン種を使用することによっても達成される可能性がある。しかしながら、これらの材料は、焼成後に多孔性セラミックおよび多孔性ハイブリッド薄膜に新たな無機残留物を残すことが予想され、このような残留物が性能を制限しない場合のみ使用することができる。
【００３６】
２つの異なる実施形態で我々の発明の原理を例証し説明してきたが、結果としてそのような原理を逸脱しないで本発明の構成および詳細の変更が可能であることは当業者には容易に明らかである。我々は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内のすべての変形を権利として要求する。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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