CN109718869B - 离子交换树脂、纯化方法和制备离子树脂的方法 - Google Patents

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Abstract

离子交换树脂包含交联树脂和与所述树脂的碳共价键合的盐，其中所述盐包含第一非金属阳离子和第一抗衡阴离子，其中所述第一抗衡阴离子包含第二非金属阳离子和硫代硫酸根抗衡阴离子，且其中所述离子交换树脂基本上不含金属。所述离子交换树脂特别适用于从可用于制造半导体装置的溶液中除去杂质。

Description

离子交换树脂、纯化方法和制备离子树脂的方法
背景技术
本发明一般涉及用离子树脂纯化化学品。更具体地，本发明涉及离子交换树脂、其制备方法、由这种离子交换树脂形成的纯化介质、以及使用这种离子交换树脂的纯化方法。本发明特别适用于电子工业中使用的材料的纯化。
在半导体制造工业中，装置制造中使用的工艺材料和其相关的原材料可能含有过氧化物杂质，例如过氧化氢或有机过氧化物。这些过氧化物杂质可以作为化学制造过程的结果存在，或者可以在材料储存期间产生。有机溶剂(如醚和酯)在大气氧存在下特别容易形成有机过氧化物。在敏感溶剂中包括乳酸乙酯、PGME和PGMEA，它们通常用于平版印刷材料中。
从安全角度来看，半导体工艺化学品中存在过氧化物可能是有问题的。特别地，过氧化物会造成严重的火灾和爆炸危险，而且还可能具有毒性和腐蚀性。除了它们带来这种安全隐患之外，工艺材料中过氧化物的存在会对所得到的半导体装置具有有害影响。
致力于将溶剂中过氧化物的形成降至最低，已知向溶剂中加入过氧化物抑制剂。还已知使用过氧化物清除剂从有机溶剂中除去过氧化物。(参见例如美国专利第3,221,030号)。然而，向溶剂、原料和组合物中添加添加剂抑制剂或清除剂会在材料中产生未反应的添加剂和氧化副产物。这些添加剂的存在会对工艺材料的性能产生不利影响，并且可能需要原始的无添加剂材料，特别是在先进的半导体装置制造的情况下，其中工艺化学品中杂质的减少变得越来越重要。
半导体制造中的另一个问题涉及工艺化学品中金属污染物的存在。虽然金属材料在制造过程中占有一席之地，例如在互连结构的形成中，许多工艺中的金属污染可能对所形成的装置造成严重问题，例如关于由电特性改变造成的低装置良率和不佳性能。因此，将希望允许工艺化学品中的金属污染物水平降低。
因此，本领域中需要改进的离子树脂、纯化介质和纯化方法，其解决了与现有技术水平相关的一个或多个问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种离子交换树脂。离子交换树脂包含交联树脂和与树脂的碳共价键合的盐，其中盐包含第一非金属阳离子和第一抗衡阴离子，其中第一抗衡阴离子包含第二非金属阳离子和硫代硫酸根抗衡阴离子，且其中离子交换树脂基本上不含金属。
根据本发明的另一方面，提供了一种离子交换介质。离子交换介质包含如本文所述的离子交换树脂，并且可以采用例如珠粒、膜、过滤器、离子交换柱或其组合的形式。
根据本发明的另一方面，提供纯化方法。纯化方法包含使包含溶剂和杂质的组合物与如本文所述的离子交换树脂接触，从而降低组合物中杂质的含量。
根据本发明的另一方面，提供了制备离子交换树脂的方法。所述方法包含：(a)提供离子树脂，其包含交联树脂和与交联树脂的碳共价键合的盐，其中盐包含第一阳离子和第一抗衡阴离子；和(b)使离子树脂与包含第二阳离子和包含硫代硫酸根基团的第二抗衡阴离子的盐接触，从而交换第一抗衡阴离子和第二抗衡阴离子。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且无意限制本发明。除非上下文另有指示，否则单数形式“一(a/an)”以及“所述”意图包括单数和复数形式。
附图说明
将参照以下附图描述本发明，其中相同的元件符号表示相同的特征，且其中：
图1说明了用根据本发明的离子交换树脂处理之前和之后的三丙二醇甲醚(TPM)的GC-MS谱；且
图2说明了用根据本发明的离子交换树脂处理之前和之后的乳酸乙酯的GC-MS谱。
具体实施方式
为了解决与现有技术水平相关的一个或多个问题，已经开发了新的离子交换树脂，其能够通过降低组合物中包含的杂质的含量来纯化组合物。离子交换树脂包含交联树脂和与树脂的碳共价键合的盐。盐包含第一非金属阳离子和第一抗衡阴离子。第一抗衡阴离子包含第二非金属阳离子和硫代硫酸根抗衡阴离子。
交联树脂通常是交联的聚(苯乙烯)或其它交联的乙烯基芳族聚合物，例如聚(乙烯基呋喃)、聚(乙烯基吡啶)、聚(乙烯基吡咯)或聚(乙烯基噻吩)。树脂通常包括由一种或多种多乙烯基(即含有两个或更多个乙烯基)单体形成的单元，所述单体选自例如多乙烯基苯、多乙烯基呋喃、多乙烯基吡啶、多乙烯基吡咯或多乙烯基噻吩单体，以提供交联功能。离子交换树脂可以是例如大孔或凝胶型，并且优选是大孔的，具有1纳米至100微米、优选1微米至10微米的典型孔径。
本发明的离子交换树脂通常是前体阴离子交联树脂的衍生物，其能够对于含硫代硫酸根的第一抗衡阴离子通过交换前体树脂的抗衡阴离子(通常为Cl-或OH-)来进行阴离子交换。可以衍生本发明的离子树脂的前体阴离子交联树脂通常包括与交联树脂的碳共价键合的第一非金属阳离子。此第一非金属阳离子通常作为衍生树脂的一部分保留。与第一非金属阳离子键合的树脂碳不受特别限制，但在苯乙烯类聚合物的情况下，通常相对于树脂主链位于芳环上的对位。
合适的第一非金属阳离子包括例如一种或多种选自以下的阳离子：鎓阳离子，例如铵、锍、錪、鏻和鉮阳离子，以及亚胺阳离子。在这些阳离子中，铵阳离子是优选的。适用于第一非金属阳离子的此类阳离子包括以下通式的阳离子：
Figure BDA0001831988330000041
其中：R1独立地选自氢、经取代或未经取代的直链或支链C1-C20烷基、经取代或未经取代的单环或多环C3-C20烷基、或经取代或未经取代的单环或多环C5-C20芳基，其中一个或多个芳环碳任选地经例如N、O或S的杂原子置换，一个或多个R1基团任选地通过单键与相邻的R1基团连接，并且两个或更多个R1基团一起任选地形成环；R2独立地选自经取代或未经取代的直链或支链C1-C20烷基、经取代或未经取代的单环或多环C3-C20烷基，或经取代或未经取代的单环或多环C5-C20芳基，其中一个或多个芳环碳任选地经例如N、O或S的杂原子置换，并且一个或多个R2基团任选地通过单键或通过键联基团，如经取代或未经取代的C1-C4亚烷基键联基团与相邻的R2基团连接，其中键联基团的一个或多个碳原子任选地经例如NR、O或S的杂原子置换，其中R是氢或经取代或未经取代的C1-C5烷基；且R3选自经取代或未经取代的直链或支链C1-C20烷基、经取代或未经取代的单环或多环C3-C20烷基、或经取代或未经取代的单环或多环C5-C20芳基，其中一个或多个芳基环碳任选地经例如N、O或S的杂原子置换。如本文所用，术语“经取代的”意指一个或多个氢原子被非氢取代基取代，例如羟基、卤素(例如氟、氯、碘或溴)、C1-C10烷基、C5-C12芳基、C6-C14芳烷基、C1-C10烷氧基、C6-C12烷氧基或烷基氨基。
用作第一非金属阳离子的示例性阳离子包括以下：
Figure BDA0001831988330000051
其中波状键表示与树脂的碳的共价键。
可以衍生本发明的离子树脂的合适的前体阴离子交联树脂是可商购的或可通过已知技术来制备。合适的商业树脂包括例如DowexTMMarathonTMMSAChloride Form、DowexTMMarathonTM11和DowexTMMarathonTMA(陶氏化学公司(The Dow Chemical Company))、AmberliteTMIRA-400(Cl)、AmberliteTMIRA-402(Cl)、AmberliteTMIRA-410(Cl)、AmberliteTMIRA-900(Cl)和AmberliteTMIRA-4200(Cl)(罗门哈斯公司(Rohm and HaasCompany))。制备合适的前体阴离子交联树脂的方法也在文献中已知，例如如美国专利第6756462B2号中所述。
第一抗衡阴离子包括第二非金属阳离子和硫代硫酸根抗衡阴离子。第一和第二非金属阳离子类型可以彼此独立地选择。合适的第二非金属阳离子包括例如一种或多种选自以下的阳离子：鎓阳离子，例如铵、锍、錪、鏻和鉮阳离子，以及亚胺阳离子。在这些阳离子中，铵阳离子是优选的。适用于第二非金属阳离子的此类阳离子包括以下通式的阳离子：
Figure BDA0001831988330000061
其中：R4独立地选自氢、经取代或未经取代的直链或支链C1-C20烷基、经取代或未经取代的单环或多环C3-C20烷基、或经取代或未经取代的单环或多环C5-C20芳基，其中一个或多个芳环碳任选地经例如N、O或S的杂原子置换，一个或多个R4基团任选地通过单键或通过键联基团，如经取代或未经取代的C1-C4亚烷基键联基团与相邻的R4基团连接，其中键联基团的一个或多个碳原子任选地经例如NR、O或S的杂原子置换，其中R是氢或经取代或未经取代的C1-C5烷基，并且两个或更多个R4基团一起任选地形成环；R5独立地选自经取代或未经取代的直链或支链C1-C20烷基、经取代或未经取代的单环或多环C3-C20烷基，或经取代或未经取代的单环或多环C5-C20芳基，其中一个或多个芳环碳任选地经例如N、O或S的杂原子置换，并且一个或多个R5基团任选地通过单键或通过键联基团，如经取代或未经取代的C1-C4亚烷基键联基团与相邻的R5基团连接，其中键联基团的一个或多个碳原子任选地经例如NR、O或S的杂原子置换，其中R是氢或经取代或未经取代的C1-C5烷基；且R6选自氢、经取代或未经取代的直链或支链C1-C20烷基、经取代或未经取代的单环或多环C3-C20烷基、或经取代或未经取代的单环或多环C5-C20芳基。如本文所用，术语“经取代的”意指一个或多个氢原子被非氢取代基取代，例如羟基、卤素(例如氟、氯、碘或溴)、C1-C10烷基、C5-C12芳基、C6-C14芳烷基、C1-C10烷氧基、C6-C12烷氧基或烷基氨基。
用作第二非金属阳离子的示例性阳离子包括以下：
Figure BDA0001831988330000071
电子装置制造中，特别是先进的半导体装置制造中的金属杂质可能对制造工艺和所得装置产生不利影响。由于离子交换树脂中金属的存在可能污染被纯化的组合物，因此离子交换树脂基本上不含金属。如本文所用，术语“基本上不含金属”意指按离子交换树脂的总质量计，离子交换树脂的总金属含量小于500ppm、优选小于400ppm、更优选小于300ppm且最优选小于200ppm或小于100ppm。这种金属分析可以通过电感耦合等离子体质谱ICP-MS来进行。优选地，离子树脂完全不含可能由树脂制造期间的污染或环境污染产生的非预期痕量金属以外的金属。
下文描述制备根据本发明的阴离子交换树脂的示例性方法。本发明的离子交换树脂可以通过首先提供如上所述的前体阴离子交联树脂来制备。前体阴离子交换树脂可以如下地改性：通过用包含水性溶剂、包含非金属阳离子和硫代硫酸根抗衡阴离子的硫代硫酸盐(第一抗衡阴离子)和一种或多种任选的额外组分的水性盐溶液处理，以用硫代硫酸盐置换前体阴离子交换树脂上的阴离子。硫代硫酸盐如关于第一抗衡阴离子在上文所述。合适的硫代硫酸盐为可商购的或可由本领域技术人员容易地制得。用于制备根据本发明的优选离子交换树脂的示例性反应流程如下所示：
Figure BDA0001831988330000081
水性溶剂可以是水(100体积％)或可以主要是水，例如大于50体积％、大于80体积％或大于90体积％的水。当使用除水之外的一种或多种溶剂时，此类溶剂优选地选自例如水溶性有机溶剂，例如醇类，例如甲醇、乙醇或异丙醇；丙酮；四氢呋喃；1,4-二噁烷；PGME；二醇醚，如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、二丙二醇和三丙二醇；单甲醚，如二丙二醇单甲醚和三丙二醇单甲醚；酯，如乳酸乙酯；以及其组合。按总硫代硫酸盐组合物计，硫代硫酸盐在溶液中的浓度通常为10至30重量％，优选20至25重量％。
作为盐水溶液的任选组分，可能需要使用表面活性剂。合适的表面活性剂包括非离子性表面活性剂，例如辛基苯酚和壬基苯酚乙氧基化物，如
Figure BDA0001831988330000082
X-114、X-100、X-45、X-15，以及分支链仲醇乙氧基化物，如TERGITOLTMTMN-6(美国密歇根州米德兰的陶氏化学公司(The Dow Chemical Company,Midland,Michigan USA))。其它示例性非离子表面活性剂包括醇(伯醇和仲醇)乙氧基化物、胺乙氧基化物、葡糖苷、还原葡糖胺、聚乙二醇、聚(乙二醇-共-丙二醇)，或由新泽西州格伦洛克(Glen Rock,N.J.)的制造商康费纳出版公司(Manufacturers Confectioners Publishing Co.)于2000年出版的北美版《麦卡琴乳化剂和清洁剂(McCutcheon's Emulsifiers and Detergents)》中所公开的其它非离子表面活性剂。炔系二醇衍生物类非离子性表面活性剂也是合适的。此类表面活性剂可从宾夕法尼亚州艾伦镇(Allentown,PA)的空气产品和化学品公司(Air Products and Chemicals,Inc.)购得并且以商品名
Figure BDA0001831988330000091
和
Figure BDA0001831988330000092
出售。其它合适的表面活性剂包括其它聚合化合物，如三嵌段EO-PO-EO共聚物
Figure BDA0001831988330000093
25R2、L121、L123、L31、L81、L101和P123(巴斯夫公司(BASF,Inc.))。如果使用的话，此类表面活性剂和其它任选的添加剂通常以少量存在于组合物中，例如按总硫代硫酸盐组合物计的0.01至5重量％。
硫代硫酸盐可以通过将溶剂、硫代硫酸盐和额外的任选组分混合在一起以将盐和任选的固态组分溶解在溶剂中来制备。
离子交换树脂可以通过将前体交联树脂与硫代硫酸盐水溶液浆化一段时间来制备，所述时间有效地使硫代硫酸盐与前体树脂的阴离子交换。前体树脂的处理通常在空气中或惰性气体气氛，例如氮气或氩气中进行。处理时间通常为2至30小时，更通常为4至10小时。此后，通常用水洗涤树脂以除去未结合的硫代硫酸盐组合物和反应产物。水洗通常在搅拌下进行多次，优选10至50次。水与树脂的比率通常为200:1至400:1。处理的树脂优选地通过用水可混溶的有机溶剂洗涤树脂而脱水，所述有机溶剂选自例如醇类，如甲醇、乙醇或异丙醇；丙酮；四氢呋喃；1,4-二噁烷；PGME；二醇醚，如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、二丙二醇和三丙二醇；单甲醚，如二丙二醇单甲醚和三丙二醇单甲醚；酯，如乳酸乙酯；以及其组合。洗涤和/或脱水可在室温或高温，例如25至90℃的温度下进行。或者或另外，树脂可以经受真空干燥过程，通常在25至90℃的温度和10-9至10-3托的压力下。
本发明的离子交换树脂可用作离子交换介质，用于从溶剂中除去杂质。合适的离子交换介质包括例如珠粒，例如通常由前体树脂聚合方法、膜、过滤器离子交换柱或其组合产生的珠粒。离子交换介质和纯化方法通常是本领域已知的，并描述于例如US6756462B2、US3207708B1和WO1999009091A1中。
本发明的离子交换树脂可用于化学品的纯化，并且特别适用于电子工业中使用的材料的纯化。纯化方法包括使包含溶剂和杂质的组合物与如本文所述的离子交换树脂接触，从而降低组合物中杂质的含量。离子交换树脂可用于从含有溶剂的化学组合物中除去杂质，例如过氧化物，例如有机过氧化物或过氧化氢，或金属。
溶剂可以是例如水或有机溶剂，如二异丙基苯、三异丙基苯、甲醇、异丙醇、甲基异丁基甲醇、丙二醇、三丙二醇、甲基叔丁基醚、异戊基醚、丙二醇单甲醚、二丙二醇单甲醚、二丙二醇二甲醚、三丙二醇单甲醚、四氢呋喃、丙酮、甲基异丁基酮、环戊酮、环己酮、3-乙氧基丙酸乙酯、丙二醇单甲醚乙酸酯、γ-丁内酯、乳酸乙酯、丁基溶纤剂以及其组合。
通过使组合物与树脂浆化、通过使溶液通过离子交换树脂柱或通过另外使组合物与纯化介质(如包含本发明的离子交换树脂的膜或过滤器)接触而使待处理的组合物与本文所述的离子交换树脂接触。纯化的工艺条件将取决于介质的类型，并且在本领域的技术水平内。例如，在含有树脂的离子交换柱的情况下，组合物通过柱的速率通常为每小时约2和20床体积，并且可以在环境条件下进行。
待处理的组合物优选是非酸性材料(即基本上不含游离酸的材料)，并且优选不是高极性水基制剂。合适的电子材料包括例如有机溶剂、光致抗蚀剂组合物、面漆组合物、有机溶剂显影剂和非酸性的旋涂碳(SOC)组合物。待处理的组合物可包括树脂或可不含树脂。此类树脂可含有酸不稳定基团，例如叔烷基酯，如在光致抗蚀剂组合物和某些面漆组合物的情况下所典型的。根据本发明，可以通过使组合物或组分与离子交换树脂接触来处理组合物或组合物的一种或多种单独组分以除去污染物，如过氧化物和/或金属。
以下非限制性实例说明本发明。
实例
硫代硫酸盐树脂合成
实例1
将10.712g DowexTMMarathonTMMSA离子交换树脂(陶氏化学公司)和19.7g硫代硫酸铵(在70ml去离子水中)在100ml玻璃瓶中组合且摇动约2天。倾析所得混合物，且用100ml去离子水洗涤树脂10次。用100ml去离子水将树脂摇动12-24小时，且重复所述过程三次。倾析后，对树脂进行高真空处理(20-100毫托)12-24小时。
实例2
将78.196g DowexTMMarathonTMMSA离子交换树脂(陶氏化学公司)和122.606g硫代硫酸铵(在500ml去离子水中)在1L玻璃瓶中组合且摇动约24小时。倾析所得上清液，且用500ml去离子水洗涤树脂40次。用丙酮冲洗一部分树脂以除去水，且接着在空气中干燥12-24小时。
从溶剂中除去过氧化物
实例3
将1.863g实例1的树脂与79.8g DOWANOLTMTPM二醇醚(三丙二醇甲醚)(陶氏化学公司)在100ml玻璃瓶中混合，并将混合物摇动约一天。通过移液管从瓶中取出树脂处理的TPM样品，并通过氧化还原电位滴定分析总过氧化物含量。类似地分析未处理的TPM样品的总过氧化物含量。结果显示在表1中。
实例4
将1.0g实例1的树脂与77.7g乳酸乙酯在100ml玻璃瓶中混合，并将混合物摇动约一天。通过移液管从瓶中取出树脂处理的乳酸乙酯样品，并通过氧化还原电位滴定分析总过氧化物含量。类似地分析未处理的乳酸乙酯样品的总过氧化物含量。结果显示在表1中。
实例5
将1.033g实例2的干燥树脂与100g DOWANOLTMTPM二醇醚(三丙二醇甲醚)(陶氏化学公司)在100ml玻璃瓶中混合，并将混合物摇动约一天。通过移液管从瓶中取出树脂处理的TPM样品，并通过氧化还原电位滴定分析总过氧化物含量。类似地分析未处理的TPM样品的总过氧化物含量。结果显示在表1中。
实例6
将3.677g实例2的干燥树脂与100g乳酸乙酯在100ml玻璃瓶中混合，并将混合物摇动约一天。通过移液管从瓶中除去乳酸乙酯样品并分析过氧化物含量。结果显示在表1中。
表1
Figure BDA0001831988330000121
平均过氧化物含量和σ(标准差)适用于两个样品；n/a＝两个样品的过氧化物含量没有差异。
实例7
通过气相色谱-质谱(GC-MS)分析如实例3和5中所述的未经树脂处理和树脂处理后的TPM样品，用于在用树脂处理之前和之后对TPM进行指纹分析。所得光谱显示在图1中。光谱基本相同，表明用树脂处理不会显著影响TPM的化学组成。
实例8
通过气相色谱-质谱(GC-MS)分析如实例4和6中所述的未经树脂处理和树脂处理后的乳酸乙酯样品，用于在用树脂处理之前和之后对乳酸乙酯进行指纹分析。所得光谱显示在图2中。光谱基本相同，表明用树脂处理不会显著影响乳酸乙酯的化学组成。

Claims (10)

1.一种离子交换树脂，其包含交联树脂和与所述树脂的碳共价键合的盐，其中所述盐包含第一非金属阳离子和第一抗衡阴离子，其中所述第一抗衡阴离子包含第二非金属阳离子和硫代硫酸根抗衡阴离子，且其中按离子交换树脂的总质量计，所述离子交换树脂的总金属含量小于500ppm。
2.根据权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述第二非金属阳离子为任选经取代的铵阳离子。
3.一种离子交换介质，其包含根据权利要求1或2所述的离子交换树脂。
4.根据权利要求3所述的离子交换介质，其中所述介质是珠粒、膜、过滤器、离子交换柱或其组合。
5.一种纯化方法，其包含使包含溶剂和杂质的组合物与根据权利要求1或2所述的离子交换树脂接触，从而降低所述组合物中所述杂质的含量。
6.根据权利要求5所述的纯化方法，其中所述杂质是过氧化氢或有机过氧化物。
7.根据权利要求5所述的纯化方法，其中所述杂质是金属。
8.根据权利要求5到7中任一项所述的纯化方法，其中所述溶剂是有机溶剂。
9.根据权利要求8所述的纯化方法，其中所述有机溶剂选自二异丙基苯、三异丙基苯、甲醇、异丙醇、甲基异丁基甲醇、丙二醇、三丙二醇、甲基叔丁基醚、异戊基醚、丙二醇单甲醚、二丙二醇单甲醚、二丙二醇二甲醚、三丙二醇单甲醚、四氢呋喃、丙酮、甲基异丁基酮、环戊酮、环己酮、3-乙氧基丙酸乙酯、丙二醇单甲醚乙酸酯、γ-丁内酯、乳酸乙酯、丁基溶纤剂以及其组合。
10.一种制备离子交换树脂的方法，其包含：
（a）提供离子树脂，其包含交联树脂和与所述交联树脂的碳共价键合的盐，其中所述盐包含第一非金属阳离子和抗衡阴离子；和
（b）使所述离子树脂与包含第二非金属阳离子和包含硫代硫酸根基团的第一抗衡阴离子的盐接触，从而交换所述抗衡阴离子和所述第一抗衡阴离子。
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