随着超大规模集成电路(ULSI)的迅速发展,器件的集成度逐步提高,半导体芯片特征尺寸不断减小。当特征尺寸降低到亚微米时,线间和层间寄生电容引起的RC延迟、串扰、功耗已经成为限制器件性能的主要因素。研究和开发综合性能优异的低介电常数材料,以取代传统的Si02介电材料是解决上述问题的有效方法。根据2005年国际半导体发展规划预测,2013年将进入32 nm线宽的纳电子器件时代,要求介电常数k<2.0的超低介电常数材料作为线间和层间介质。而目前,性能优越的符合ULSI制作要求的超低介电常数材料尚未出现。本文的目的在于研究和探索新型超低介电常数材料的设计和制备方法,具体研究内容如下：(1)详细综述了国内外低介电常数材料的发展现状。针对目前低介电常数材料研究的不足,提出了课题研究内容。(2)设计并合成了一种多功能团的POSS分子(T8H8)及三种不同结构的二烯功能团有机小分子,通过FT-IR,1H-NMR和13C-NMR对其结构进行了表征。并通过DSC和POM等对合成的三种二烯单体进行了热性能及液晶性能的分析,发现其中二种单体具有较高的热稳定性和良好的液晶性质,呈现向列相液晶织构。另一种单体受柔性烷基链的影响使其热稳定性降低并失去液晶性质。该研究为功能型高分子液晶材料的分子设计奠定了基础。(3)选择以笼型多面低聚倍半硅氧烷T8H8为结构构造基元,以具有刚性液晶基元的二烯分子为有机连接链,通过硅氢化加成反应,将所有的POSS笼以共价键的形式连接起来,合成了三种POSS基有机-无机杂化交联聚合物,优化了制备条件。利用FTIR和29Si NMR对合成产物的结构进行了表征,证明成功合成了POSS均匀分散的有机-无机杂化交联聚合物。(4)杂化交联聚合物TGA分析结果表明,三种杂化聚合物均表现出较高的热稳定性,聚合物的热稳定性与有机成分二烯的刚性有关,随着有机碳链刚性增强,Td增大；且聚合物的热性能受分子交联密度的影响,交联密度越大,聚合物的热稳定性越高。(5)AFM和SEM观察结果均显示,三种杂化交联聚合物薄膜均具有较好的均一性和平整度；不同放大倍数的SEM照片显示,在薄膜表面未发现任何裂纹和破损区域,证明合成的杂化交联聚合物具有较好的成膜性。三种杂化交联聚合物的XRD图谱未出现POSS的结晶峰,表明聚合物中的POSS组分未发生物理聚集,而呈现均匀分散状态。(6)采用纳米压痕法对杂化交联聚合物薄膜的力学性能进行表征。结果发现,三种聚合物薄膜具有较高的硬度和弹性模量,硬度在0.13-0.20GPa、弹性模量在5.37-8.08GPa之间。硬度和弹性模量随着连接POSS的有机碳链的刚性增大而增大。(7)通过氧化-裂解工艺制备了POSS基多孔低介电常数薄膜。HRTEM和BET分析结果表明,三种薄膜均具有丰富的多孔性,孔径在23-88 nm之间,比表面积为307-612m2/g,孔体积为0.03-0.37 cm3/g。研究表明,连接POSS的有机碳链的长度和刚性适中,可得到孔径大小分布均匀、比表面积和孔体积大的多孔薄膜材料。(8)接触角测试结果发现：三种杂化交联聚合物薄膜的接触角θ值均大于100°,表现出较强的疏水性。随着连接POSS的碳链刚性增强,它们的吸水性依次减弱。(9)采用椭圆偏振测量技术测定薄膜的介电常数。结果发现,三种多孔薄膜的介电常数在1.69-2.10之间,k值小于2.2,属于超低介电常数材料。薄膜的孔隙率影响材料的介电常数大小,随着多孔薄膜孔隙率的增大,薄膜的介电常数减小。