低介电常数ZIF8材料薄膜及其制备方法、用途.pdf

本发明公开低介电常数ZIF-8材料薄膜及其制备方法、用途，所述的制备方法包括以下步骤：（1）将衬底清洗，烘干；（2）将衬底进行亲水处理；（3）分别配制六水合硝酸锌水溶液和2-甲基咪唑的甲醇溶液；（4）取六水合硝酸锌水溶液及2-甲基咪唑的甲醇溶液反应，取出衬底，将表面反应液冲洗掉，吹干，即在衬底上制备得到ZIF-8薄膜；（5）重复步骤（4）至硅衬底表面ZIF-8薄膜的厚度为900-1100nm。制备得到的ZIF-8材料薄膜薄膜致密，缺陷少，具有很好的连续性；可在多种基底上制备，尤其是能够在单晶硅、多晶硅上制备获得，和现有的硅基集成电路有高度的兼容性。

权利要求书1.  低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤： （1）将衬底切割好之后分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，烘干； （2）将清洗后的衬底进行亲水处理，在玻璃表面皿中放入体积比为1:1:5的氨水、过氧化氢及去离子水的混合溶液，将衬底浸入混合溶液中，在温度为50-80℃下加热1-3小时，冷却至室温后，用去离子水冲洗三次，然后用氮气吹干； （3）分别配制浓度为15-25mM的六水合硝酸锌水溶液和30-50mM的2-甲基咪唑的甲醇溶液各1000mL； （4）取步骤（3）的15-25mM六水合硝酸锌水溶液及30-50mM 2-甲基咪唑的甲醇溶液均为5-10mL，加入玻璃瓶中，快速震荡，混合均匀后，将处理过的衬底放入玻璃瓶中，室温下反应15-30min，取出衬底，用无水甲醇将表面反应液冲洗掉，再用氮气吹干，即在衬底上制备得到ZIF-8薄膜； （5）重复步骤（4）至衬底表面ZIF-8薄膜的厚度为900-1100nm。 2.  根据权利要求1所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述的制备方法中六水合硝酸锌水溶液的浓度为25mM。 3.  根据权利要求1所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述的制备方法中2-甲基咪唑的甲醇溶液的浓度为50mM。 4.  根据权利要求1所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述的制备方法中步骤（4）中室温下反应30min。 5.  根据权利要求1所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述的制备方法中所述的衬底为单晶硅衬底、多晶硅衬底或ITO导电玻璃。 6.  根据权利要求1至5任一所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法制备得到的低介电常数ZIF-8材料薄膜。 7.  根据权利要求6所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜在制备集成电路中的用途，其特征在于，所述的ZIF-8材料薄膜在集成电路中介电常数值为2.04。

说明书低介电常数ZIF-8材料薄膜及其制备方法、用途
技术领域
本发明属于半导体材料领域，涉及一种低介电常数材料薄膜及其制备方法、用途。
背景技术
在大规模集成电路中，为了减少信号传输延迟、干扰噪声及功率耗散，需要使用低介电常数材料来作为内部连接层。传统的内部连接层为SiO2 (k≈3.9)，但是随着集成电路集成度的增加，SiO2远远不能满足实际要求，所以多年来人们一直都在努力寻找各种合适的低介电常数材料。到目前为止，各种低介电常数材料薄膜包括有机聚合物材料、氟化的二氧化硅、非晶碳氮薄膜等无机材料、MSQ多孔低k材料以及纳米低k材料等被研制出来，但是真正能实现产业化应用的屈指可数。
在一些新型的材料中，一类具有有机金属骨架结构的（MOFs）材料引起了科学界的广泛关注。MOFs是三维结构，是通过有机（金属离子）和无机部分通过强烈的配位键结合成的开式结构。这种构架使得内部孔状网络能够有选择地吸附分子，为此此种材料在气体存储，药物传输，催化，传感器等领域得到了广泛研究。但是他们的电学特性尤其是在微电子领域的应用仍然处于初步研究中。在所报道的MOFs材料中，ZIFs是一类新的分支，这类材料具有良好的热化学稳定性，在微电子领域可能具有十分潜在的应用价值。其中研究最多的ZIF结构是ZIF-8，锌离子聚集态通过甲基咪唑配位键连接起来，表现出方钠石拓扑结构。关于ZIF-8的制备方法很多，但是存在的缺点是表面形貌差、膜厚不好控制，而且很耗时等。
发明内容
要解决的技术问题：目前常见的用于产业化集成电路的内部连接层材料介电常数高、薄膜形貌差、薄膜厚度难以控制，薄膜连续性较差，并且其制备工艺过于繁杂等。
技术方案：
本发明的目的是提出一种溶液法生长厚度可控的多孔低介电常数ZIF-8薄膜。
低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
（1）将衬底切割好之后分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，烘干；
（2）将清洗后的衬底进行亲水处理，在玻璃表面皿中放入体积比为1:1:5的氨水、过氧化氢及去离子水的混合溶液，将衬底浸入混合溶液中，在温度为50-80℃下加热1-3小时，冷却至室温后，用去离子水冲洗三次，然后用氮气吹干；
（3）分别配制浓度为15-25mM的六水合硝酸锌水溶液和30-50mM的2-甲基咪唑的甲醇溶液各1000mL；
（4）取步骤（3）的15-25mM六水合硝酸锌水溶液及30-50mM 2-甲基咪唑的甲醇溶液均为5-10mL，加入玻璃瓶中，快速震荡，混合均匀后，将处理过的衬底放入玻璃瓶中，室温下反应15-30min，取出衬底，用无水甲醇将表面反应液冲洗掉，再用氮气吹干，即在衬底上制备得到ZIF-8薄膜；
（5）重复步骤（4）至硅衬底表面ZIF-8薄膜的厚度为900-1100nm。
优选的，所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，制备方法中六水合硝酸锌水溶液的浓度为25mM。
优选的，所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，制备方法中2-甲基咪唑的甲醇溶液的浓度为50mM。
优选的，所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，制备方法中步骤（4）中室温下反应30min。
优选的，所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法，所述的制备方法中所述的衬底为单晶硅衬底、多晶硅衬底或ITO导电玻璃。
以上任一所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜的制备方法制备得到的低介电常数ZIF-8材料薄膜。
所述的低介电常数ZIF-8材料薄膜在制备集成电路中的用途，所述的ZIF-8材料薄膜在集成电路中介电常数值为2.04。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
（1）此种材料是一种孔道尺寸在4 ?-11.6 ?的微孔材料，薄膜致密，缺陷少，具有很好的连续性，并且热稳定性高达550℃，是一种比较理想的低介电常数材料薄膜；
（2）此种材料可在多种基底上制备，尤其是能够在单晶硅、多晶硅上制备获得，和现有的硅基集成电路有高度的兼容性。
（3）本发明提出的低介电常数材料薄膜，是采用室温溶液原位生长的方法，以六水合硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]和2-甲基咪唑为原材料，以甲醇为溶剂来制备厚度可控的低介电常数ZIF-8薄膜。所得到的ZIF-8薄膜致密、缺陷少、具有很好的连续性和热化学稳定性，介电常数可低至2.04。
附图说明
图1为本发明中在硅衬底上制备的ZIF-8材料薄膜的SEM表面形貌；
图2为本发明中制备在硅衬底上ZIF-8材料薄膜的理论模拟及实验的XRD 图谱；
图3为本发明中用精密阻抗谱测得的ZIF-8材料薄膜的电容-频率曲线及其测试结构。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
采用本发明所提供的低介电常数材料薄膜及其制备方法可以通过溶液法原位生长厚度可控的低介电常数ZIF-8薄膜。
实施例1
（1）提供一个（100）取向的n型硅衬底（低阻单晶硅衬底），切割好之后分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，每次15min，然后放入干燥箱烘干；
（2）将清洗后的n型硅衬底进行亲水处理，在玻璃表面皿中放入体积比为1:1:5的氨水、过氧化氢及去离子水的混合溶液，将n型硅衬底浸入混合溶液中，在温度为70℃下加热2小时，冷却至室温后，用去离子水冲洗三次，然后用氮气吹干；
（3）分别配制浓度为25mM的六水合硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]水溶液和50mM的2-甲基咪唑的甲醇溶液各1000mL；
（4）取步骤（3）的25mM Zn(NO3)2·6H2O水溶液及50mM 2-甲基咪唑的甲醇溶液均为10mL，加入玻璃瓶中，快速震荡，混合均匀后，将处理过的n型硅衬底放入玻璃瓶中，室温下反应30min，取出n型硅衬底，用无水甲醇将表面反应液冲洗掉，再用氮气吹干，即在n型硅衬底上制备得到ZIF-8薄膜。
（5）将步骤（4）再重复10次，即得到厚度为1000nm的ZIF-8材料薄膜。
从图1可以看出实施例1制备得到的ZIF-8薄膜致密，缺陷少，具有很好的连续性；
从图2可以看出实验所得到的薄膜的XRD图谱和模拟图谱基本一样；
从图3可以得到在1MHz下ZIF-8材料薄膜的电容值为170pF，通过椭偏仪测得膜厚为984.51nm，薄膜的有效面积为9mm2，经计算得出介电常数值为2.04。
实施例2
（1）提供一个p型硅衬底，切割好之后分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，每次15min，然后放入干燥箱烘干；
（2）将清洗后的p型硅衬底进行亲水处理，在玻璃表面皿中放入体积比为1:1:5的氨水、过氧化氢及去离子水的混合溶液，将p型硅衬底浸入混合溶液中，在温度为50℃下加热3小时，冷却至室温后，用去离子水冲洗三次，然后用氮气吹干；
（3）分别配制浓度为15mM的六水合硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]水溶液和30mM的2-甲基咪唑的甲醇溶液各1000mL；
（4）取步骤（3）的15mM Zn(NO3)2·6H2O水溶液及30mM 2-甲基咪唑的甲醇溶液均为5mL，加入玻璃瓶中，快速震荡，混合均匀后，将处理过的p型硅衬底放入玻璃瓶中，室温下反应15min，取出p型硅衬底，用无水甲醇将表面反应液冲洗掉，再用氮气吹干，即在p型硅衬底上制备得到ZIF-8薄膜。
（5）将步骤（4）再重复9次，即得到厚度为900nm的ZIF-8材料薄膜。
实施例3
（1）提供一个多晶硅衬底，切割好之后分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，每次15min，然后放入干燥箱烘干；
（2）将清洗后的多晶硅衬底进行亲水处理，在玻璃表面皿中放入体积比为1:1:5的氨水、过氧化氢及去离子水的混合溶液，将多晶硅衬底浸入混合溶液中，在温度为80℃下加热1小时，冷却至室温后，用去离子水冲洗三次，然后用氮气吹干；
（3）分别配制浓度为25mM的六水合硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]水溶液和50mM的2-甲基咪唑的甲醇溶液各1000mL；
（4）取步骤（3）的25mM Zn(NO3)2·6H2O水溶液及50mM 2-甲基咪唑的甲醇溶液均为10mL，加入玻璃瓶中，快速震荡，混合均匀后，将处理过的多晶硅衬底放入玻璃瓶中，室温下反应30min，取出多晶硅衬底，用无水甲醇将表面反应液冲洗掉，再用氮气吹干，即在多晶硅衬底上制备得到ZIF-8薄膜。
（5）将步骤（4）再重复11次，即得到厚度为1100nm的ZIF-8材料薄膜。
本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
实施例4
（1）提供一个图案化的ITO导电玻璃衬底，分别用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，每次15min，然后放入干燥箱烘干；
（2）将清洗后的ITO导电玻璃衬底进行亲水处理，在玻璃表面皿中放入体积比为1:1:5的氨水、过氧化氢及去离子水的混合溶液，将ITO导电玻璃衬底浸入混合溶液中，在温度为60℃下加热1小时，冷却至室温后，用去离子水冲洗三次，然后用氮气吹干；
（3）分别配制浓度为20mM的六水合硝酸锌[Zn(NO3)2·6H2O]水溶液和40mM的2-甲基咪唑的甲醇溶液各1000mL；
（4）取步骤（3）的20mM Zn(NO3)2·6H2O水溶液及40mM 2-甲基咪唑的甲醇溶液均为10mL，加入玻璃瓶中，快速震荡，混合均匀后，将处理过的ITO导电玻璃衬底放入玻璃瓶中，室温下反应30min，取出ITO导电玻璃衬底，用无水甲醇将表面反应液冲洗掉，再用氮气吹干，即在ITO导电玻璃衬底上制备得到ZIF-8薄膜。
（5）将步骤（4）再重复9次，即得到厚度为900nm的ZIF-8材料薄膜。
本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。