JP2005232383A - ポリアミド酸誘導体 - Google Patents

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Abstract

【課題】硬化後のポリイミド樹脂からなる塗膜としてきわめて低い残留応力と高いガラス転移温度とを同時に与えうるポリアミド酸誘導体を提供する。
【解決手段】下記一般式(1)で表される単位ユニット1および単位ユニット2を含有する、数平均分子量が3,000〜100,000であって、加熱硬化後のポリイミド樹脂が−150℃から0℃の領域と150℃から380℃の領域とのそれぞれにガラス転移点を有することを特徴とするポリアミド酸誘導体。
【化1】
Figure 2005232383

【選択図】 選択図なし

Description

本発明は、半導体装置、多層配線基板などの電気・電子材料の製造に有用なポリイミド樹脂に関するものである。さらに詳しく言えば、本発明は低い残留応力と高い耐熱性を有するポリイミド樹脂と、その前駆体となるポリアミド酸誘導体に関するものである。
ポリイミド樹脂は、その高い熱的及び化学的安定性、低い誘電率、並びに優れた平坦化能のために、マイクロエレクトロニクス関係の材料として注目されており、半導体の表面保護膜、層間絶縁膜、あるいはマルチチップモジュールなどの材料として広く使用されている。
ポリイミド樹脂前駆体には感光性のものと非感光性のものがあるが、非感光性のポリイミド樹脂前駆体を用いて半導体装置を製造する場合には、ポリイミド樹脂前駆体を基板上に塗布して塗膜を形成し、加熱してポリイミド樹脂に変換した後に、リソグラフィー技術を利用して所望のパターンを形成する方法が用いられてきた。具体的には、ポリイミド樹脂膜の上に、フォトレジストとパターンを有するフォトマスクを用いてフォトレジストのレリーフパターンを形成し、その後にエッチングによって該ポリイミド樹脂膜のパターン化を行うという形成方法が用いられてきた。
しかしながら、上記のポリイミド樹脂前駆体をシリコンウエハー上に製膜して加熱によってポリイミド樹脂に変換した際に、硬化時の残留応力により、シリコンウエハー全体が反るという問題を引き起こすことがある。しかもこの傾向は、近年使用され始めた、径の大きなシリコンウエハーの場合にはより顕著であるため、問題となりつつある。また、MPUなどの発熱量の多いLSIに使われる窒化ケイ素等からなるパッシベーション膜の上にポリイミド樹脂膜をバッファーコート膜として形成した場合に、当該ポリイミド樹脂膜の残留応力が大きいと、経時変化や熱履歴の印加によって下層のパッシベーション膜にクラックが生じる可能性も考えられるため、ポリイミド樹脂膜における残留応力の低減が求められている。
一般に、薄膜が有する残留応力は、該薄膜のヤングモジュラス(以下、Eともいう。)と熱膨張係数(以下、CTEともいう。)との積をガラス転移温度(以下、Tgともいう。)から室温までの範囲にわたって積分した値に比例することが知られており、EまたはCTEの値を小さくすることが提案されている。
例えば、ジアミン成分としてシリコーン系ジアミンを5〜50重量%共重合させたポリアミド酸と分子量が500以下の多官能アクリレートと増感剤とを必須成分とする感光性樹脂組成物が提案されており(特許文献1参照)、該組成物を硬化させてなるポリイミド樹脂膜は弾性率(Eは弾性率の一種)が低いとの記載がある。しかしながら、この手法で得られたポリイミド樹脂膜は、シリコーン系ジアミンの共重合量の増加に伴ってEは低下するが、同時にTgも低下してしまう。すなわち該ポリイミド樹脂の耐熱性も低下してしまうという別の問題が発生する。
また、硬化後にCTEが2×10−5/K以下のポリイミド樹脂になる前駆体aと、硬化後にCTEが2×10−4/K以下かつTgが350℃未満のポリイミド樹脂になる前駆体bとを含有する感光性樹脂組成物、及び該前駆体aと該前駆体bとをブロック共重合させた感光性樹脂組成物が提案されており(特許文献2参照)、該組成物を硬化させてなるポリイミド樹脂膜は低残留応力であるとの記載がある。しかしながら、この手法で得られたポリイミド塗膜は、CTEは低い一方でEとTgは高いために残留応力の低下という面からは不十分な点があった。また、ポリイミド分子同士の高度なパッキングを起こさせることによってCTEを低下させているために、局所的な応力の集中が不可避的に起こり、その結果、上記のパッシベーション膜のクラック問題が回避できない場合があった。
さらに、全芳香族テトラカルボン酸のうち15〜70モル%がピロメリット酸ニ無水物に由来し15〜50モル%がオキシジフタル酸ニ無水物に由来するものである、硬化後のポリイミド薄膜の残留応力が33MPa以下のポリアミド酸エステルが提案されており(特許文献3参照)、220〜280℃の領域と320〜380℃の領域にTgを有する旨の記載がある。特許文献3記載の発明は、ブロック共重合により高Tgと低残留応力のいいとこどりを達成したものであるが、さらなる残留応力の低下が必要とされている。
特公平5−49215号公報 特開2002−40658号公報 国際公開第00/43439号パンフレット
本発明は、硬化後のポリイミド樹脂として低い残留応力と高い耐熱性とを同時に有するポリアミド酸誘導体、及び該誘導体を硬化させてなるポリイミド樹脂を提供することを目的とする。
本発明者は、上述した従来技術の問題点を検討した結果、TgとEとが連動して動くことが低残留応力と高耐熱性を両立させることを困難にしていることに気がついた。すなわち、EとTgの高いポリイミドAを与える単位ユニットAと、EとTgの低いポリイミドBを与える単位ユニットBとをランダムに共重合させたポリアミド酸エステルを硬化させたポリイミドではEもTgもポリイミドAとポリイミドBの中間のものしか得ることができない。
本発明者は、単位ユニットAと単位ユニットBとをブロック共重合させたポリアミド酸エステルを硬化させたポリイミド樹脂によって、EはポリイミドAとポリイミドBの中間であり、かつ高温側のTgはポリイミドAと同等のものを得ることができ、半導体装置の製造工程に耐えうる十分な耐熱性を発現させることが可能になるのではないかとの着想を抱いた。そして、Tgを0℃以下にしたポリイミドBを使用することによって、Eを大幅に減少させ、さらにポリイミドAのTgを150℃以上にすることによって、上記着想を実現できることを見出し本発明に至った。
すなわち、本発明は以下の1)のポリアミド酸誘導体、および2)のポリイミド樹脂である。
1)(a)少なくとも下記一般式(1)で表される単位ユニット1および単位ユニット2を含有する、数平均分子量が3,000〜100,000のポリアミド酸誘導体であって、加熱硬化させて得られるポリイミド樹脂が−150℃〜0℃の領域と150℃〜380℃の領域とのそれぞれに少なくとも1つずつのガラス転移温度を有し、0℃より大きく150℃より小さい領域においてガラス転移温度を有しないことを特徴とするポリアミド酸誘導体。
Figure 2005232383
(式中、XとX’はそれぞれ独立して炭素数6〜32の4価の芳香族基であり、Yは炭素数4〜30の2価の有機基であり、Y’は炭素数4〜30の2価の有機基およびケイ素数2〜50の2価のケイ素含有基からなる群から選ばれる基であり、RおよびR’はそれぞれ独立して水素原子、又は有機基である。)
2)上記1)記載のポリアミド酸誘導体を硬化させてなる、−150℃〜0℃の領域と150℃〜380℃の領域とのそれぞれに少なくとも1つずつのガラス転移温度を有し、0℃より大きく150℃より小さい領域においてガラス転移温度を有しないことを特徴とするポリイミド樹脂。
本発明のポリアミド酸誘導体は、硬化後のポリイミド樹脂として低い残留応力と高い耐熱性とを同時に有する。
本発明について、以下具体的に説明する。
本発明のポリアミド酸誘導体は、主鎖が下式(1)の単位ユニット1を主とするブロック1、及び下式(1)の単位ユニット2を主とするブロック2からなるものであり、両ブロックより分子量が小さい他のユニット(以下、単位ユニット3という。)をさらに含んでいてもよい。なお、本発明においては、ポリアミド酸誘導体とは、ポリアミド酸そのものも含むものとする。
Figure 2005232383
(式中、XとX’はそれぞれ独立して炭素数6〜32の4価の芳香族基であり、Yは炭素数4〜30の2価の有機基であり、Y’は炭素数4〜30の2価の有機基およびケイ素数2〜50の2価のケイ素含有基からなる群から選ばれる基であり、RおよびR’はそれぞれ独立して水素原子、又は有機基である。)
上述のブロック1と該ブロック2とは、直接結合していても良く、単位ユニット3を介して結合していてもよい。また、主鎖の両末端にも単位ユニット3がついていてもよい。
上述のブロック1は、ポリアミド酸誘導体を加熱硬化させてなるポリイミド樹脂膜において、150〜380℃の範囲にTgを発現させるための部分である。従って、上述の単位ユニット1の繰り返しのみからなるブロックであることが好ましいが、目的とするTgを発現させることができる範囲において、該単位ユニット1以外のユニットを少量含むことを排除しない。
同様に、上述のブロック2は、ポリアミド酸誘導体を加熱硬化させて得られるポリイミド樹脂膜において、Eを低下させ、かつ−150〜0℃の範囲にTgを発現させるための部分である。従って、上述の単位ユニット2の繰り返しのみからなるブロックであることが好ましいが、目的とするTgを発現させることができる範囲において、該単位ユニット2以外のユニットを少量含むことを排除しない。
また、上述の単位ユニット3は、ポリアミド酸誘導体を加熱硬化させて得られるポリイミド樹脂膜において、Tg、又はEを発現させるための積極的な役割は負っていない。従って、該ポリイミド樹脂膜として、0〜150℃の範囲にTgを発現させない量であれば、いかなる単位ユニットでも使用可能である。
本発明のポリアミド酸誘導体において、単位ユニット1中のX基、および単位ユニット2中のX’基は、原料として用いるテトラカルボン酸二無水物に由来する。
本発明のポリアミド酸誘導体の主原料として好適に用いることができるテトラカルボン酸二無水物は、XおよびX’基が炭素数6〜32の4価の芳香族基であるテトラカルボン酸二無水物(以下、単に芳香族テトラカルボン酸ニ無水物という。)であり、例えば、ピロメリット酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルフィド二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン二無水物、1,3−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゼン二無水物、1,4−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゼン二無水物、4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ビフェニル二無水物、2,2−ビス[(3,4−ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、および1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物である。これらの芳香族テトラカルボン酸ニ無水物は、単独でも二種以上を同時に用いることも可能である。
上述の主原料として用いられる芳香族テトラカルボン酸二無水物に加えて、脂肪族テトラカルボン酸二無水物も使用することができる。具体的な例としては、例えば、ブタン−1,2,3,4−テトラカルボン酸二無水物、ペンタン−1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、シクロペンタン−1,2,3,4−テトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサン−1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサ−1−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、3−エチルシクロヘキサ−1−エン−3−(1,2),5,6−テトラカルボン酸二無水物、1−メチル−3−エチルシクロヘキサン−3−(1,2),5,6−テトラカルボン酸二無水物、1−メチル−3−エチルシクロヘキサ−1−エン−3−(1,2),5,6−テトラカルボン酸二無水物、1−エチルシクロヘキサン−1−(1,2),3,4−テトラカルボン酸二無水物、1−プロピルシクロヘキサン−1−(2,3),3,4−テトラカルボン酸二無水物、1,3−ジプロピルシクロヘキサン−1−(2,3),3−(2,3)−テトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシル−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]オクタン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]オクト−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物等である。これらの脂肪族テトラカルボン酸二無水物は、単独でも二種以上を同時に用いることも可能である。
本発明のポリアミド酸誘導体においては、脂肪族テトラカルボン酸ニ無水物に由来するX基の量は、ブロック1における全テトラカルボン酸二無水物に由来するX基の量に対して0〜30モル%の範囲内であることが好ましく、0〜10モル%の範囲内であることがより好ましく、0モル%であることが最も好ましい。脂肪族テトラカルボン酸ニ無水物に由来するX基の量が30モル%より多い場合は、硬化後のポリイミド樹脂の耐熱性が低下することがある。
本発明のポリアミド酸誘導体において、単位ユニット1中のR基、及び単位ユニット2中のR’基は、水素原子、又は有機基である。テトラカルボン酸ニ無水物を後述のジアミン類と反応させた場合は、R基及びR’基は通常は水素原子となる(この場合、ポリアミド酸誘導体はポリアミド酸そのものとなる。)。しかしながら、該R基及びR’基は、該ポリアミド酸エステルが加熱によってポリイミド樹脂に変換されるときに脱離する基であるので、脱離可能な基であればよい(この場合、ポリアミド酸誘導体はポリアミド酸エステル等になる。)。特に、該R基及びR’基を有機基にすることによって有機溶媒への溶解性を向上させることができるので好ましい。また、該R基及びR’基が光重合性の二重結合を有する有機基の場合は、本発明のポリアミド酸誘導体を光開始剤と組合せることで感光性樹脂組成物として使用することが可能となる。
次に単位ユニット1中のY基について説明する。該Y基は炭素数4〜30の2価の有機基であって、原料として用いるジアミン類に由来する。該ジアミン類としては芳香族ジアミン類を主として用いることが好ましく、ブロック1において、上述のテトラカルボン酸二無水物とともにジアミン類にも芳香族基を導入することにより、硬化後のポリイミド樹脂の耐熱性を高めることができる。
芳香族ジアミン類の具体的な例としては、パラフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルスルフォン、3,3’−ジアミノジフェニルスルフォン、4,4’−ジアミノジフェニルスルフォキシド、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ジメトキシ−4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ジクロロ−4,4’−ジアミノビフェニル、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフォン、ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフォン、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4’−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エーテル、1,4−ビス(4−アミノフェニル)ベンゼン、9,10−ビス(4−アミノフェニル)アントラセン、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−ビス(4−アミノフェニル)プロパン、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、1、1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)プロパン、1,4−ビス(3−アミノプロピルジメチルシリル)ベンゼン、あるいはこれらの芳香族ジアミン類の芳香族環と直接結合した水素原子の一部がメチル基、エチル基、及びハロゲン基から選択される基で置換されたものをあげることができる。
これらの中でより好ましい芳香族ジアミン類として、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、又は3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニルのように縮合していない2個のベンゼン環を有する芳香族ジアミン類があげられる。このような芳香族ジアミン類を用いたポリアミド酸誘導体は、経時安定性が向上するので好適である。上記の芳香族ジアミン類はいずれも単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。
単位ユニット2中のY’基も、Y基の場合と同様に、原料として用いるジアミン類に由来する。該ジアミン類としては、炭素数4〜30の2価の有機基およびケイ素数2〜50の2価のケイ素含有基からなる群から選ばれる基を有するジアミン類が好ましい。該炭素数4〜30の2価の有機基としては非環状構造を有する脂肪族ジアミン類(以下、単に脂肪族ジアミン類という。)、または脂環式構造を有するジアミン類(以下、単に脂環式ジアミン類という。)を好適に用いることができる。
脂肪族ジアミン類の具体例として、エチレングリコールジアミン類である、ビス(アミノメチル)エーテル、ビス(2−アミノエチル)エーテル、ビス(3−アミノプロピル)エーテル、ビス(2−アミノメトキシ)エチル]エーテル、ビス[2−(2−アミノエトキシ)エチル]エーテル、ビス[2−(3−アミノプロトキシ)エチル]エーテル、1,2−ビス(アミノメトキシ)エタン、1,2−ビス(2−アミノエトキシ)エタン、1,2−ビス[2−(アミノメトキシ)エトキシ]エタン、1,2−ビス[2−(2−アミノエトキシ)エトキシ]エタン、エチレングリコールビス(3−アミノプロピル)エーテル、ジエチレングリコールビス(3−アミノプロピル)エーテル、トリエチレングリコールビス(3−アミノプロピル)エーテル、メチレンジアミン類である、エチレンジアミン、1,3−ジアミノプロパン、1,4−ジアミノブタン、1,5−ジアミノペンタン、1,6−ジアミノヘキサン、1,7−ジアミノヘプタン、1,8−ジアミノオクタン、1,9−ジアミノノナン、1,10−ジアミノデカン、1,11−ジアミノウンデカン、1,12−ジアミノドデカン等が挙げられる。これらの脂肪族ジアミン類は、1種でも、あるいは2種以上を混合して用いても良い。
脂環式ジアミン類の具体例としては、例えば、イソホロンジアミン、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、1,8−ジアミノ−p−メンタン、1,4−シクロヘキサンビス(メチルアミン)、1,3−シクロヘキサンビス(メチルアミン)、2,5−ジアミノメチル−ビシクロ[2,2,2]オクタン、2,5−ジアミノメチル−7,7−ジメチルビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノメチル−7,7−ジフルオロビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノメチル−7,7,8,8−テトラフルオロビシクロ[2,2,2]オクタン、2,5−ジアミノメチル−7,7−ビス(ヘキサフルオロメチル)ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノメチル−7−オキサビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノメチル−7−チアビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノメチル−7−オキソビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノメチル−7−アザビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノメチル−ビシクロ[2,2,2]オクタン、2,6−ジアミノメチル−7,7−ジメチルビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノメチル−7,7−ジフルオロビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノメチル−7,7,8,8−テトラフルオロビシクロ[2,2,2]オクタン、2,6−ジアミノメチル−7,7−ビス(ヘキサフルオロメチル)ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノメチル−7−オキシビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノメチル−7−チオビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノメチル−7−オキソビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノメチル−7−イミノビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−ビシクロ[2,2,2]オクタン、2,5−ジアミノ−7,7−ジメチルビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−7,7−ジフルオロビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−7,7,8,8−テトラフルオロビシクロ[2,2,2]オクタン、2,5−ジアミノ−7,7−ビス(ヘキサフルオロメチル)ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−7−オキサビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−7−チアビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−7−オキソビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,5−ジアミノ−7−アザビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−ビシクロ[2,2,2]オクタン、2,6−ジアミノ−7,7−ジメチルビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−7,7−ジフルオロビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−7,7,8,8−テトラフルオロビシクロ[2,2,2]オクタン、2,6−ジアミノ−7,7−ビス(ヘキサフルオロメチル)ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−7−オキシビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−7−チオビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−7−オキソビシクロ[2,2,1]ヘプタン、2,6−ジアミノ−7−イミノビシクロ[2,2,1]ヘプタン、1,2−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,2−ジ(2−アミノエチル)シクロヘキサン、1,3−ジ(2−アミノエチル)シクロヘキサン、1,4−ジ(2−アミノエチル)シクロヘキサン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン、及び下記式で表されるものが挙げられる。これらの脂環式ジアミン類は、1種でも、あるいは2種以上を混合して用いても良い。
Figure 2005232383
前述したケイ素数2〜50の2価のケイ素含有基を有するジアミン類(以下、単にケイ素含有ジアミン類という。)としては、例えば下記式で示されるジアミノ(ポリ)シロキサンを好適に用いることができる。
Figure 2005232383
(式中、RおよびRは二価の炭化水素基を示し、それぞれ同一でも異なっていてもよく、RおよびRは一価の炭化水素基を示し、それぞれ同一でも異なっていてもよく、pは1以上の整数を表す。)
上式のケイ素含有ジアミン類において、RおよびRの好ましい構造としてメチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基およびフェニレン基などを挙げる事ができる。またRおよびRについての好適な例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびフェニル基などを挙げる事ができる。
ブロック2においては、ジアミン類として上述の脂肪族ジアミン類、脂環式ジアミン類、またはケイ素含有ジアミン類のいずれかのジアミン類を導入することにより、硬化後のポリイミド樹脂のEを低減させることができる。また、これらのジアミン類については、いずれも単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。これらのジアミン類においては、基材との密着性の観点から、少なくともケイ素含有ジアミン類を含有させることがより好ましい。
本発明のポリアミド酸誘導体において、ブロック1における単位ユニット1の繰り返し数は、1分子あたりの平均で、2〜500が好ましく、5〜300がより好ましく、10〜200が最も好ましい。また、ブロック2における単位ユニット2の繰り返し数は、1分子あたりの平均で、1.1〜300が好ましく、1.1〜200がより好ましく、1.2〜100が最も好ましい。ブロック1における単位ユニット1の繰り返し数が500を超えた場合、またはブロック2における単位ユニット2の繰り返し数が300を超えた場合は、該ポリアミド酸誘導体の溶媒に対する溶解性が悪化するために好ましくない。
ブロック1における単位ユニット1の繰り返し数をブロック2における単位ユニット2の繰り返し数で割った値で定義される比(以下、ユニット比という。)は、使用する原料の種類や分子量にもよるが、0.5〜50が好ましく、1〜20がより好ましく、3〜10が最も好ましい。
本発明のポリイミド樹脂は、ブロック1に由来するTgを150℃から380℃の領域Aに有し、ブロック2に由来するTgを−150℃から0℃の領域Bに有し、該領域Aと該領域Bの間の領域CにはTgを有さないという特徴を有するが、上述のユニット比の値が0.5よりも小さいとTgの低いブロック2の割合が多すぎて硬化後のポリイミド樹脂の耐熱性が低くなりすぎるし、逆に50を超えるとEの高いブロック1の割合が多すぎて残留応力を低くすることができない。なお、耐熱性の観点から、ブロック1に由来するTgを200〜380℃の領域A’に有することがより好ましく、240〜380℃の領域A’’に有することがさらに好ましい。
本発明のポリアミド酸誘導体の数平均分子量は、3000〜100000であることが好ましく、より好ましくは3000〜50000である。該分子量が3000未満であると耐熱性や強度が低下するので好ましくなく、100000より大きい場合は溶媒への溶解性が低下するので好ましくない。
以上、本発明のポリアミド酸誘導体を構成する各ブロックの構成ユニット、及びその繰り返し数、並びに該ポリアミド酸誘導体全体の分子量を制御することによって、本発明のポリイミド樹脂は、領域AにおけるTgを高く維持したままで、Eを著しく低減できるという、従来公知のポリイミド樹脂では達成できなかった物性を達成することができる。
すなわち本発明のポリイミド樹脂によって、実際の半導体装置の製造工程に耐えうる耐熱性として高温側のTgが150℃〜380℃を有し、かつEが2GPa以下のポリイミド樹脂が得ることができる。また、より好適な態様においては、Tgが240〜380℃でEが2GPaより低いポリイミド樹脂を得ることができる。本発明のポリイミド樹脂においては、−150〜0℃に有する低温側のTgは室温以下であるために、実際の半導体装置の製造工程で必要とされる耐熱性には影響を与えない。
このように本発明のポリイミド樹脂が、領域Aにおける高いTgを維持したままで、低いEを発現する理由については明確ではないが、ポリイミド樹脂中でブロック1に由来する部分とブロック2に由来する部分とがミクロ相分離し、各ブロックの機能分離が高度に達成されているためと推定される。このことは該樹脂が2つのブロック構造で構成されており、各ブロックの単独構造に由来して、領域Aと領域Bのそれぞれに後述する測定法によって規定されるTgが観察されることから示唆される。
すなわち、−150〜0℃にTgを有するブロック2由来の部分では、室温以上でゴム状態に転移し流動し始めようとするが、Tgが150〜380℃であるブロック1との化学結合のためにポリマー流動は起こらず、さらにブロック間でナノオーダーレベルのミクロ相分離構造を形成しているために、高Tg側のブロック部分が微小なゴムの架橋点として働くことによって、ポリイミド樹脂全体としてはあたかもゴム弾性体のような挙動が引き起こされる。このゴム弾性は加熱温度がこの架橋点のTg温度(150〜380℃)までは維持されるが、それ以上の温度になると、この架橋点の流動が始まり、次第にゴム弾性は消失していくものと考えられる。
次に本発明のポリアミド酸誘導体の合成方法に関して説明する。ポリアミド酸誘導体が2つのブロックから構成されている場合、各ブロックに対応するポリアミド酸誘導体を別々に調製しておき、その後で両者を混合し、縮合反応に付すことにより、本発明のポリアミド酸誘導体を得ることができる。ここで両ブロックを縮合反応に付すことができるように、片方のブロックのポリアミド酸誘導体の末端基をカルボン酸にした場合には、他方のブロックのポリアミド酸誘導体の末端基はアミノ基になるように、それぞれ原料のテトラカルボン酸二無水物およびジアミン類のモル比を調節する必要がある。この方法では、より好ましい完全なブロック性を有するポリアミド酸誘導体を合成することができる。ここで完全なブロック性を有するとは、未反応物に由来する少量の不純物を除いて、ブロック1が単位ユニット1のみからなり、かつブロック2が単位ユニット2のみからなることをいう。
一方、構成原料であるテトラカルボン酸二無水物がブロック1とブロック2との間で共通であり、ブロック1の原料として芳香族ジアミン類を使い、ブロック2の原料として反応性が高い脂肪族ジアミン類を用いる場合には、両ジアミン類の反応性差を利用した合成法が可能になる場合もある。たとえば、あらかじめ調整したテトラカルボン酸ニ無水物に、芳香族ジアミン類と脂肪族ジアミン類とを同時に加え、縮合反応に付すことによりある程度のブロック性を有するポリアミド酸誘導体を製造することができる。この方法では、完全なブロック性を有するブロック性ポリアミド酸誘導体を合成することはできないが、ブロック性を有するポリアミド酸誘導体を合成することができる。ここでブロック性を有するとは、加熱硬化後のポリイミド樹脂が前述した領域Aと領域Bのそれぞれにブロック1とブロック2に由来するTgを示す範囲において、ブロック1が主として単位ユニット1からなり、かつブロック2が主として単位ユニット2からなることをいう。
上述のように、本発明のポリアミド酸誘導体は、加熱硬化させてなるポリイミド樹脂として、高温側の領域Aと低温側の領域BにそれぞれTgが認められる程度のブロック性を有していればよく、完全なブロック性を有することを必須条件とするものではない。また、該領域Aと該領域Bとの間の領域CにTgが認められなければ、ブロック1およびブロック2以外のユニットを含有していても差し支えない。
本発明のポリアミド酸誘導体においては、以下に記載するような溶媒を添加することによって粘度を調整した組成物(以下、ワニスという。)とすることが、シリコンウエハー上への塗膜形成を容易にするので好ましい。該溶媒としては、ポリアミド酸エステル誘導体のブロック1及びブロック2のいずれか、又は両方の溶解性が良好な有機溶剤(以下、良溶媒という。)を用いることがより好ましい。
ブロック1に対する良溶媒(以下、溶媒1という。)の好ましい例としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン(以下、NMPともいう。)、N−エチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジエチレングリコールジメチルエーテル、シクロペンタノン、γ−ブチロラクトン、α−アセチル−γ−ブチロラクトン、テトラメチル尿素、1,3−ジメチル−2−イミダゾリノン、N−シクロヘキシル−2−ピロリドンなどが挙げられ、これらは単独または二種以上の組合せで用いることができる。
ブロック2に対する良溶媒(以下、溶媒2という。)は、その沸点が150〜300℃の範囲にある有機溶媒であることが好ましい。沸点がこの範囲にあると、後述するような方法によって本発明のポリアミド酸誘導体を加熱によりポリイミド樹脂に変換する際に、該溶媒が適度に薄膜中に残存し、ブロック2部分の相分離による樹脂の失透で表面平滑性が損なわれる、といったようなことが起こらないので好ましい。
溶媒2の好ましい例として、乳酸エチル、乳酸ブチルなどの乳酸エステル類、プロピレングリコール−モノアルキルエーテル類、2−ヒドロキシイソ酪酸エステル類、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、安息香酸ブチル、安息香酸ベンジル、ジエチルベンゼン、ジアミルベンゼン、トリアミルベンゼン、アミルトルエン、p−シメン等の炭化水素、n−ヘプタノール、n−オクタノール、n−デカノール、ベンジルアルコール等のアルコール類、エチルフェニルエーテル、n−ブチルフェニルエーテル等のエーテル類、メチル−n−ヘキシルケトン、ジイソブチルケトン等のケトン類等が挙げられる。
以上、溶媒2は、溶媒1を含む溶媒の全質量に対して10〜100質量%であることが好ましい。溶媒2の含有量が10質量%未満であると、樹脂が失透し、表面平滑性が損なわれる場合があるので好ましくない。
また非イオン性のアルコール系界面活性剤を溶媒の添加剤として使用することができる。この場合の具体的な例として、脂肪族高級アルコールにアルキレンオキサイドを付加重合させた界面活性剤が挙げられ、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシプロピレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシプロピレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシプロピレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシプロピレンステアリルエーテルなどが含まれる。
さらに、ブロックコポリマー型の界面活性剤も好適である。具体的には、ポリエチレングリコールポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールポリブチレングリコールのような2元ブロックコポリマー、さらにポリエチレングリコールポリプロピレングリコールポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールポリエチレングリコールポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールポリブチレングリコールポリエチレングリコールなどの直鎖状の3元ブロックコポリマーのようなポリエーテルブロックコポリマーが挙げられる。
さらに、分岐状のブロックコポリマーとして、グリセロール、エリスリトール、ペンタエリスリトール、ペンチトール、ペントース、ヘキシトール、ヘキソース、ヘプトースなどに代表される糖鎖に含まれるヒドロキシル基のうちの少なくとも3つとポリマー鎖が結合した構造、及び/又はヒドロキシル酸に含まれるヒドロキシル基とカルボキシル基のうち少なくとも3つがブロックコポリマー鎖と結合した構造が挙げられる。具体的にはグリセロールの3つの水酸基にポリエチレングリコールポリプロピレングリコールブロックコポリマーが結合した化合物、エリスリトールの3つないしは4つの水酸基にポリエチレングリコールポリプロピレングリコールポリエチレングリコールールポリプロピレングリコールブロックコポリマーが結合した化合物などが含まれる。
上記の分岐状のブロックコポリマーを得るために用いられる糖鎖の具体的な例としては、ソルビトール、マンニトール、キシリトール、スレイトール、マルチトール、アラビトール、ラクチトール、アドニトール、セロビトール、グルコース、フルクトース、スクロース、ラクトース、マンノース、ガラクトース、エリスロース、キシルロース、アルロース、リボース、ソルボース、キシロース、アラビノース、イソマルトース、デキストロース、グルコヘプトースなどが挙げられる。
また、ヒドロキシル酸の具体的な例としては、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸、グルコン酸、グルクロン酸、グルコヘプトン酸、グルコオクタン酸、スレオニン酸、サッカリン酸、ガラクトン酸、ガラクタル酸、ガラクツロン酸、グリセリン酸、ヒドロキシコハク酸などが挙げられる。
これらの溶媒(上述の溶媒の添加剤を含む。)は、塗布膜厚、粘度に応じて、ワニスに適宜加えることができるが、ポリアミド酸誘導体100質量部に対し、30〜600質量部の範囲で用いることが好ましい。
さらにワニスの経時的な保存安定性を向上させるために、溶媒1、溶媒2に加えて、以下に示すようなアルコール類を使用することができる。
これらのアルコール類としては、分子内にアルコール性水酸基を持つものであれば特に制限はないが、具体的な例としては、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、t−ブチルアルコール、乳酸エチル、プロピレングリコール−1−メチルエーテル、プロピレングリコール−2−メチルエーテル、プロピレングリコール−1−エチルエーテル、プロピレングリコール−2−エチルエーテル、プロピレングリコール−1−(n−プロピル)エーテル、プロピレングリコール−2−(n−プロピル)エーテル、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールエチルエーテル、エチレングリコール−n−プロピルエーテル等のモノアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール等のジアルコール類を挙げることができる。これらの中でも特に乳酸エチル、乳酸ブチル、プロピレングリコール−1−メチルエーテル、プロピレングリコール−1−エチルエーテル、プロピレングリコール−1−(n−プロピル)エーテルがより好ましい。なお、これらのアルコール類のうちで沸点が150〜300℃の範囲にあるものは先述した溶媒2としての作用も奏する。
溶媒中に占めるアルコール類の含量は、0.1〜80質量%であることが好ましく、更に好ましくは10〜70質量%である。アルコール性溶剤の含量が0.1質量%未満の場合、ワニスの保存安定性が悪くなり、例えば、常温で2週間放置したワニスを塗膜にした場合、塗膜中に析出物が観察されることがある。また80質量%を超えると、ポリアミド酸誘導体の溶解性が悪くなる。
また、ワニスには、基材との接着性向上のため接着助剤を添加することもできる。接着助剤としては、γ−アミノプロピルジメトキシシラン、N−(β−アミノエチル)−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルジメトキシメチルシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ジメトキシメチル−3−ピペリジノプロピルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、N−(3−ジエトキシメチルシリルプロピル)スクシンイミド、N−〔3−(トリエトキシシリル)プロピル〕フタルイミド酸、ベンゾフェノン−3,3’−ビス(N−〔3−トリエトキシシリル〕プロピルアミド)−4,4’−ジカルボン酸、ベンゼン−1,4−ビス(N−〔3−トリエトキシシリル〕プロピルアミド)−2,5−ジカルボン酸等のシランカップリング剤、及びアルミニウムトリス(エチルアセトアセテート)、アルミニウムトリス(アセチルアセトネート)、エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート等のアルミニウム系接着助剤が挙げられる。これらの内では接着力の点からシランカップリング剤を用いることがより好ましい。接着助剤の添加量は、ポリアミド酸誘導体100質量部に対し、0.5〜50質量部の範囲が好ましい。
また、本発明のワニスには、保存時の組成物溶液の粘度を向上させるために、熱重合禁止剤を添加することができる。熱重合禁止剤としては、ヒドロキノン、N−ニトロソジフェニルアミン、p−tert−ブチルカテコール、フェノチアジン、N−フェニルナフチルアミン、エチレンジアミン四酢酸、1,2−シクロヘキサンジアミン四酢酸、グリコールエーテルジアミン四酢酸、2,6−ジ−tert−ブチル−p−メチルフェノール、5−ニトロソ−8−ヒドロキシキノリン、1−ニトロソ−2−ナフトール、2−ニトロソ−1−ナフトール、2−ニトロソ−5−(N−エチル−N−スルフォプロピルアミノ)フェノール、N−ニトロソ−N−フェニルヒドロキシルアミンアンモニウム塩、N−ニトロソ−N(1−ナフチル)ヒドロキシルアミンアンモニウム塩等が用いられる。熱重合禁止剤の量としては、ポリアミド酸誘導体100質量部に対し、0.005〜30質量部の範囲が好ましい。
ワニスは、上述した各成分を任意の順序で混合して得ることができる。また、ポリアミド酸誘導体以外の成分をあらかじめ溶媒に溶解しておいて、その後に該ポリアミド酸誘導体を溶解させてもよい。
本発明のポリアミド酸誘導体を用いて、ポリイミド樹脂からなる薄膜を基材上を形成する方法の1つの態様として、以下の工程が好ましい。
(i)上記のワニスを基材に塗布し、乾燥することにより該基材上に形成された塗膜を得;
(ii)該塗膜を加熱することにより、ポリアミド酸をイミド化し、これにより該基材上に形成されたポリイミド樹脂からなる薄膜が得られる。
本発明のポリイミド樹脂からなる薄膜を製膜できる基材としては、シリコンウエハー、金属、ガラス、半導体、金属酸化絶縁膜、窒化ケイ素などが挙げられるが、好ましくはシリコンウエハーが用いられる。基材の厚みとしては、200μm〜800μmが好ましいがこれに限定されない。
ワニスを基材上に塗布する方法としては、従来から塗布に用いられていた方法、例えば、スピンコーター、バーコーター、ブレードコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷機等で塗布する方法、スプレーコーターで噴霧塗布する方法等を用いることができる。
塗膜の乾燥方法としては、風乾、オーブンまたはホットプレートによる加熱乾燥、真空乾燥等の方法が用いられる。また、塗膜の乾燥は、ワニス中のポリアミド酸誘導体のイミド化が起こらないような条件で行うことが望ましい。具体的には、風乾、あるいは加熱乾燥を行う場合、20℃〜140℃で1分〜1時間の条件で行うことが好ましい。
次にポリアミド酸誘導体を加熱して、イミド化することで、ポリイミド樹脂に変換する。加熱変換させる方法としては、ホットプレートによる方法、オーブンを用いる方法、温度プログラムを設定できる昇温式オーブンを用いる方法等、種々の方法を選ぶことができる。加熱は、280℃〜450℃で30分〜5時間の条件で行うことができる。加熱変換させる際の雰囲気気体としては空気を用いても良く、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いることもできる。
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
ポリアミド酸誘導体、または塗膜の特性は、以下の方法に従って、測定及び評価した。
(1)ポリアミド酸誘導体の数平均分子量(Mn)
ポリアミド酸誘導体の数平均分子量(Mn)をゲルパーミエーションクロマトグラフィー法(標準ポリスチレン換算)で測定した。
(2)ポリイミド樹脂からなる薄膜のガラス転移温度(Tg)の測定
基板となる厚み625μm±25μmの5インチシリコンウエハー(日本国、フジミ電子工業株式会社製)上に、硬化後の膜厚が約10μmとなるようにワニスを回転塗布した後、窒素雰囲気下、350℃で2時間加熱して熱硬化したポリイミド樹脂からなる塗膜を得た。得られたポリイミド樹脂塗膜をフッ化水素酸を用いてシリコンウエハーから剥がしてポリイミドテープとした。
領域AにおけるTgの測定に関しては、該ポリイミドテープを熱機械分析装置(島津製作所製TMA−50型)を用いて、室温から10℃/分の速度で昇温しながら1.96MPaの荷重をかけて窒素雰囲気下で熱機械物性を測定し、その変曲点としてTgを求めた。
領域BにおけるTgの測定に関しては上記の方法では不可能であるため、得られたポリイミドテープを−150℃〜400℃の範囲で動的粘弾性測定装置(ORIENTEC社製、RHEOVIBRON MODEL RHEO―1021)によりTanδを測定し、そのピークが現れた温度として求めた。
(3)ポリイミド樹脂からなる薄膜のヤングモジュラス(E)の測定
上記(2)と同様にして得たポリイミドテープのEをASTM−D−882−88に従って測定した。
(4)ポリイミド樹脂塗膜の残留応力
基板となる厚み625μm±25μmの5インチシリコンウエハー(日本国、フジミ電子工業株式会社製)上に、硬化後の膜厚が約10μmとなるようにワニスを回転塗布した後、窒素雰囲気下、350℃で2時間加熱して熱硬化したポリイミド樹脂からなる塗膜を得た。得られたポリイミド樹脂塗膜を25℃で、応力測定装置(テンコール社製、モデルFLX−2320)により測定した。
<実施例>
4,4’−オキシジフタル酸二無水物(ODPA)40.14gとN−メチルピロリドン(NMP)350gおよび安息香酸ブチル130gとを5リットル容量のセパラブルフラスコに入れて、攪拌下、数平均分子量1000のα、ω−アミノプロピルポリジメチルシロキサン(チッソ(株)製、サイラプレーン、FM3311)78.1gを室温下にて30分かけてゆっくりと滴下した後で2時間反応させた(反応液1)。
次に4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(DADPE)112.6gとN−メチルピロリドン(NMP)900gとを2リットル容量のセパラブルフラスコに入れて、攪拌下、4,4’−オキシジフタル酸二無水物(ODPA)159.9gを室温下で30分かけてゆっくりと滴下した後で2時間反応させた(反応液2)。
この反応液2の全量を先に調製しておいた反応液1の中に、室温下にて30分かけてゆっくりと滴下した後で更に2時間反応させて、本発明のポリアミド酸含有のワニスとした。
該ポリアミド酸の数平均分子量をゲルパーミェーションクロマトグラフィー(標準ポリスチレン換算)で測定したところ、数平均分子量(Mn)は20000だった。
得られたワニスを5インチシリコンウエハー上に回転塗布し、95℃で300秒間かけて乾燥して塗膜を形成した。この塗膜を昇温プログラム式キュア炉(VF−2000型、日本国、光洋リンドバーグ社製)を用いて、窒素雰囲気下、200℃で1時間、続いて350℃で2時間熱処理することにより、5μm厚のポリイミド樹脂からなる薄膜をシリコンウエハー上に得た。
得られた該薄膜のEは1.8GPaと十分に低く、残留応力は10.3MPaであり、Tgは−145℃と248℃であった。
<比較例1>
4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(DADPE)50.0gとN-メチルピロリドン(NMP)350gおよび安息香酸ブチル130gとを1リットル容量のセパラブルフラスコに加え、攪拌下4,4’−オキシジフタル酸二無水物(ODPA)77.46gを攪拌下、室温にて30分かけてゆっくりと加えた後で、室温で2時間反応させ、ポリアミド酸を得た。
該ポリアミド酸の分子量をゲルパーミェーションクロマトグラフィー(標準ポリスチレン換算)で測定したところ、数平均分子量(Mn)は20000だった。
実施例1と同様にしてワニスを作成し、5μm厚のポリイミド樹脂からなる薄膜をシリコンウエハー上に得た。得られた該薄膜のEは3.1GPaで、残留応力は32MPaであり、Tgは250℃であった。
本発明のポリアミド酸誘導体を加熱硬化させて得たポリイミド樹脂は、半導体の表面保護膜、層間絶縁膜、あるいはマルチチップモジュールなどの材料の分野で好適に利用できる。

Claims (2)

  1. (a)少なくとも下記一般式(1)で表される単位ユニット1および単位ユニット2を含有する、数平均分子量が3,000〜100,000のポリアミド酸誘導体であって、加熱硬化させて得られるポリイミド樹脂が−150℃〜0℃の領域と150℃〜380℃の領域とのそれぞれに少なくとも1つずつのガラス転移温度を有し、0℃より大きく150℃より小さい領域においてガラス転移温度を有しないことを特徴とするポリアミド酸誘導体。
    Figure 2005232383
    (式中、XとX’はそれぞれ独立して炭素数6〜32の4価の有機基であり、Yは炭素数4〜30の2価の有機基であり、Y’は炭素数4〜30の2価の有機基およびケイ素数2〜50の2価のケイ素含有基からなる群から選ばれる基であり、RおよびR’はそれぞれ独立して水素原子、又は有機基である。)
  2. 請求項1記載のポリアミド酸誘導体を硬化させてなる、−150℃〜0℃の領域と150℃〜380℃の領域とのそれぞれに少なくとも1つずつのガラス転移温度を有し、0℃より大きく150℃より小さい領域においてガラス転移温度を有しないことを特徴とするポリイミド樹脂。
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