CN1220915C - 负作用化学放大的光刻胶组合物 - Google Patents

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Abstract

一种化学放大的、负作用的、辐射敏感性光刻胶组合物,该组合物可在碱性介质中显影,该光刻胶包括:a)含有环键合羟基的酚类成膜聚合物粘合剂树脂;b)在曝露于辐射时形成酸的光酸产生剂,数量足以引发成膜粘合剂树脂的交联;c)在曝露于来自步骤b)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的交联剂,和该交联剂包括醚化氨基塑料聚合物或低聚物;d)在曝露于来自步骤b)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的第二交联剂,和该第二交联剂包括:1)羟基取代或2)羟基C1-C4烷基取代的C1-C12烷基酚,其中来自步骤c)和d)的交联剂总量是有效交联量;和e)光刻胶溶剂,和采用这样光刻胶组合物生产微电子器件的方法。

Description

负作用化学放大的光刻胶组合物
发明背景
本发明涉及一种化学放大的、负作用的、辐射敏感性光刻胶组合物和涉及使用这样光刻胶生产微电子器件的方法。本发明的光刻胶包括含有环键合羟基的酚类成膜聚合物粘合剂树脂,至少两种化学上不相似的交联剂的组合物,和在曝露于成像辐射时产生酸的化合物(光酸产生剂)。
光刻胶组合物用于制造小型电子元件的微版印刷工艺,如用于计算机芯片和集成电路的制造。一般情况下,在这些工艺中,首先将光刻胶组合物的薄膜涂敷到基片材料,如用于制备集成电路的硅基片上。然后将涂敷的基片烘烤以蒸发光刻胶组合物中的溶剂和将涂层固定到基片上。然后将基片的烘烤的涂敷表面以成像方式曝露于成像辐射。
此辐射曝露引起涂敷表面曝露区域中的化学转化。可见光,紫外(UV)光,电子束和X射线辐射能是目前通常用于微版印刷工艺的成像辐射类型。在此成像方式曝露之后,将涂敷的基片采用显影剂溶液处理以溶解和除去基片涂敷表面辐射曝露或未曝露的区域。
有两种类型的光刻胶组合物,负作用的和正作用的。当将负作用光刻胶组合物成像方式曝露于辐射下时,曝露于辐射的光刻胶组合物区域变得较不溶于显影剂溶液(如发生交联反应)而光刻胶涂层未曝露的区域仍然相对溶于这样的溶液。因此,采用显影剂处理曝露的负作用光刻胶引起光刻胶涂层未曝露区域的脱除和在涂层中负像的产生,因此露出了在其上沉积光刻胶的基片表面的所需部分。
负作用,酸敏感性光刻胶组合物的使用在本领域是已知的。大多数这样的现有技术光刻胶组合物使用交联剂,交联剂与聚合物粘合剂树脂反应以形成包括更高分子量聚合物的不溶膜。
发明概述
本发明涉及一种化学放大的、负作用的、辐射敏感性光刻胶组合物,该组合物可在碱性介质中显影,光刻胶包括:
a)含有环键合羟基的酚类成膜聚合物粘合剂树脂;
b)在曝露于辐射时形成酸的光酸(photoacid)产生剂,数量足以引发酚类成膜聚合物粘合剂树脂的交联,所述光酸产生剂为肟磺酸酯;
c)在曝露于来自步骤b)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的交联剂,和该交联剂包括六(甲氧基甲基)蜜胺;
d)在曝露于来自步骤b)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的第二交联剂,和该第二交联剂包括:1)羟基取代或2)羟基C1-C4烷基取代的C1-C12烷基酚,其中来自步骤c)和d)的交联剂总量是有效交联量;和
e)光刻胶溶剂。
本发明也涉及一种生产微电子器件,如半导体的方法,包括:
a)提供负作用光刻胶组合物,该组合物包括:
1)含有环键合羟基的酚类成膜聚合物粘合剂树脂;
2)在曝露于辐射时形成酸的光酸产生剂,数量足以引发来自步骤1)酚类成膜聚合物粘合剂树脂的交联,所述光酸产生剂为肟磺酸酯;
3)在曝露于来自步骤2)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的交联剂,和该交联剂包括六(甲氧基甲基)蜜胺;
4)在曝露于来自步骤2)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的第二交联剂,和该第二交联剂包括羟基取代或羟基C1-C4烷基取代的C1-C12烷基酚,其中来自步骤3)和4)的交联剂总量是有效交联量;和
5)光刻胶溶剂。
b)将来自步骤a)的光刻胶组合物涂敷到合适基片的表面上;
c)热处理来自步骤b)的涂敷基片直到从光刻胶组合物除去基本上所有的光刻胶溶剂;
d)以成像方式将来自步骤c)的涂敷光刻胶组合物曝露于成像辐射下;
e)在步骤d)的曝露之后加热基片和
f)采用显影剂除去来自步骤d)的涂敷光刻胶组合物的未曝露区域。
优选实施方案的描述
本发明的组合物包括对成像辐射如电子束、离子束、紫外光或X射线敏感的化学放大的,负作用光刻胶。这些组合物通过使一个光子或高能粒子被酸产生剂吸收而被化学放大,酸产生剂提供可随后催化许多交联反应的一种酸分子。从辐射敏感的光酸产生剂产生酸并不要求加热,且曝露于成像辐射就足够了。
用于本发明的酚类成膜聚合物粘合剂树脂优选是溶于碱性介质如含水碱性显影剂,但不溶于水的羟基芳族聚合物。这些粘合剂树脂能够在交联剂存在下进行交联。选择粘合剂树脂使得在被交联之前,本发明的光刻胶组合物溶于碱性介质,如含水碱性显影剂。然而,这些组合物然后在交联之后变得不溶于这样碱性介质。
优选的粘合剂树脂可包括酚醛清漆,优选衍生自如下取代酚的那些:邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,4-二甲苯酚、2,5-二甲苯酚、3,4-二甲苯酚、3,5-二甲苯酚、百里酚及其混合物,其已经与醛例如甲醛缩合。粘合剂树脂也可包括聚(乙烯基苯酚)如聚(对羟基苯乙烯)、聚(对羟基-α-甲基苯乙烯、对羟基苯乙烯或对羟基-α-甲基苯乙烯和苯乙烯,乙酰氧基苯乙烯或丙烯酸和/或甲基丙烯酸的共聚物、羟苯基烷基甲醇均聚物、或酚醛清漆/聚(乙烯基苯酚)共聚物。
醚化氨基塑料交联剂包括有机低聚物或聚合物,该低聚物或聚合物在通过辐射,优选成像辐射产生的酸存在下提供正碳离子和用于交联成膜粘合剂树脂。这使得粘合剂树脂在曝露的区域不溶于碱性介质。可以从与包含众多羟基、羧基、酰胺或酰亚胺基团的化合物或低分子量聚合物组合的各种氨基塑料制备这样的交联剂。优选的氨基低聚物或聚合物是通过胺,如脲,蜜胺或甘脲与醛如甲醛的反应获得的氨基塑料。这样合适的氨基塑料包括脲-甲醛、蜜胺-甲醛、苯并胍胺-甲醛、和甘脲-甲醛树脂,和任何这些物质的组合物。特别优选的氨基塑料是六(甲氧基甲基)蜜胺低聚物。
羟基取代的烷基酚交联剂包括在通过辐射产生的酸存在下提供正碳离子和也用于交联成膜粘合剂树脂的有机聚合物。这使得粘合剂树脂在曝露区域不溶于碱性介质。这样的交联剂包括单和二羟基取代的酚如二羟烷基(dialkylol)甲酚,如二羟烷基(如二羟甲基)对甲酚。优选的二羟烷基甲酚包括单-或二-羟基C1-C4烷基取代的(单-,二-,三-或四-C1-C12烷基)苯酚,如二羟烷基(四烷基)-苯酚。特别优选的交联剂是2,6-二羟烷基-4-(四烷基)苯酚,如2,6-二羟甲基-4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯酚。
光酸产生剂,在曝露于辐射如UV光时,产生用于催化光刻胶组合物中聚合物粘合剂树脂交联所需量的酸。这提供在基片上光刻胶膜曝露和未曝露区域溶解度的最终差异。优选的光酸产生剂是辐射敏感的肟磺酸酯,如在美国专利4,540,598和5,627,011中公开的那些。当光刻胶组合物曝露于辐射,特别是光化辐射时,肟磺酸酯产生酸,使得在后曝露烘烤工艺期间发生交联,其中光刻胶组合物的曝露区域不溶于通常的碱性介质,如含水碱性显影剂。用于本发明光刻胶组合物的优选肟磺酸酯具有如下通式:
Figure C0181126400081
其中R1和R2可以是C1-C4烷基或卤代烷基、苯基、萘基、或由硝基、氯、溴、羟基、C1-C4烷基、C1-C4氟烷基、或C1-C4烷氧基取代的苯基或萘基。
用于这样光刻胶组合物的合适溶剂可包括丙二醇单烷基醚、丙二醇烷基(如甲基)醚乙酸酯、2-庚酮、3-甲氧基-3-甲基丁醇、乙酸丁酯、苯甲醚、二甲苯、二甘醇二甲醚、乙二醇单乙基醚乙酸酯、乙二醇单甲基醚、乙二醇单乙基醚、二甘醇单乙基醚、乙二醇单乙基醚乙酸酯、乙二醇单甲基乙酸酯、甲乙酮、2-庚酮或单羟基单羧酸酯,如羟乙酸甲酯、羟乙酸乙酯、羟乙酸丁酯、甲氧基乙酸甲酯、甲氧基乙酸乙酯、甲氧基乙酸丁酯、乙氧基乙酸甲酯、乙氧基乙酸乙酯、丙酸乙氧基乙酯、3-羟丙酸甲酯、3-羟丙酸乙酯、3-甲氧基丙酸甲酯、3-甲氧基丙酸乙酯、2-羟丙酸甲酯、2-羟丙酸乙酯(ethyl 2-oxypropionate)、2-羟基丙酸乙酯(乳酸乙酯)、3-羟基丙酸乙酯、2-羟丙酸丙酯、2-乙氧基丙酸甲酯、或2-甲氧基丙酸丙酯、或这些物质一种或多种的混合物。光刻胶溶剂在整个光刻胶组合物中的存在量至多为组合物中固体的95wt%。当然,在光刻胶溶液在基片上的涂敷和随后干燥之后,基本上除去溶剂。
可以通过用于光刻胶领域的任何常规方法,包括浸渍、喷涂、回转和旋转涂敷,将制备的光刻胶溶液涂敷到基片上。例如,当旋转涂敷时,给定采用的旋转涂覆设备类型和旋转工艺允许的时间量,可以调节光刻胶溶液的固体含量百分比,以提供所需厚度的涂层。合适的基片包括硅、铝、聚合物树脂、二氧化硅、掺杂的二氧化硅、氮化硅、钽、铜、多晶硅、陶瓷、铝/铜混合物、砷化镓和其它这样的III/V族化合物。
由所述程序生产的光刻胶涂层特别适用于热生长硅/二氧化硅涂敷晶片,如用于微处理器和其它小型集成电路元件生产的那些。也可以使用铝/氧化铝晶片。基片也可包括各种聚合物树脂,特别是透明聚合物如聚酯。基片可含有合适组合物,如包含六烷基二硅氮烷,优选六甲基二硅氮烷(HMDS)组合物的粘合促进层。
然后将光刻胶组合物溶液涂敷到基片上,和将基片热处理。选择此温度处理以降低光刻胶中残余溶剂的浓度,而不引起光敏感组分的实质热降解。一般情况下,人们希望最小化溶剂浓度和进行此第一温度处理直到基本上已经蒸发所有的溶剂和光刻胶组合物的薄涂层,在一微米厚度等级上,保留在基片上。进行热处理直到溶剂脱除的变化速率相对不显著。温度和时间选择依赖于用户所希望的光刻胶性能,以及使用的设备和商业所需的涂敷时间。然后可以采用以由合适掩模、负片、模版和模板等产生的任何所需的图案,将涂敷的基片曝露于光化辐射。然后在显影之前,将光刻胶进行曝露后第二烘烤或热处理。
正常通过在碱性显影溶液中的浸渍,将已曝露的负作用光刻胶涂敷的基片显影以除去未曝露的区域或由喷雾显影工艺显影。例如,优选通过氮气爆裂搅拌,搅拌溶液。允许基片保留在显影剂中直到已经从未曝露区域溶解所有,或基本所有的光刻胶涂层。显影剂可包括氨或碱金属氢氧化物的水溶液。一种优选的氢氧化物是氢氧化四甲基铵。在涂敷的晶片从显影溶液取出之后,人们可进行非必要的显影后热处理或烘烤以增加涂层粘合力和对刻蚀溶液和其它物质的耐化学品性。显影后热处理可包括在涂料软化点以下的涂层和基片的烘箱烘烤。本发明的光刻胶组合物耐酸基刻蚀溶液和为基片未曝露光刻胶涂敷区域提供有效保护。
本发明的典型光刻胶组合物可包括至多约50wt%,基于光刻胶组合物的总重量。固体可包括1-15wt%光酸产生剂,40-80wt%酚醛树脂粘合剂和5-30wt%交联剂,基于光刻胶组合物的总固体含量。
在本发明特别优选的实施方案中,也可以向光刻胶组合物中加入I-线(I-line)敏感染料。这样的染料可包括Sudan Orange G、MartinsYellow、Dye O-PM酯、2,3’,4,4’-四甲基羟基二苯酮、9-蒽甲醇、苯氧基甲基蒽、9,10-二苯基蒽、取代的菲类(phenanthracenes)和取代的联苯类。一般情况下,可以加入约1-10%的这样染料,基于固体的总重量。
以下具体的实施例会提供生产和利用本发明组合物方法的详细说明。然而,这些实施例并不用于以任何方式限制或约束本发明的范围和不应当解释为提供必须专有地采用以实施本发明的条件,参数或数值。
                          对比例1
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:2.1827gm.VPN1109(18.5909%),0.1267gm.DM-POP(1.0792%),0.0396gm.PAI-101(0.3371%),0.1718gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液(1.4632%),和9.2199gm.PGMEA(78.5296%)。
1)VPN 1109是购自Clariant Corporation的间甲酚/甲醛线性酚醛树脂。
2)DM-POP是购自Honshu Chemical Company的2,6-二羟甲基-4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯酚。
3)PAI-101是购自Midori Kagaku Company的4-甲氧基-α(((4-甲基苯基)磺酰基)氧基)亚氨基苯乙腈。
4)FC 430是购自3M Corp.的氟化表面活性剂。
5)PGMEA是丙二醇甲基醚乙酸酯。
                       对比例2
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:6.0070gm.VPN1109(20.0234%),2.1100gm.Cymel 303(7.0335%),0.02831gm.PAI-101(0.9436%),0.4500gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液(1.5000%),和21.1499gm.PGMEA(70.4996%)。
Cymel 303是购自Cytec Industries的六羟甲基蜜胺六甲基醚。
                      实施例3
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:2.3426gm.VPN1109(19.2016%),0.0755gm.DM-POP(0.6189%),0.3657gm.Cymel303(2.9975%),0.0727gm.PAI-101(0.5959%),0.1804gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液(1.4787%),和9.1631gm.PGMEA(75.1074%)。
                      实施例4
将对比例1,对比例2,和实施例3的光刻胶组合物各涂敷到6英寸硅晶片上以各提供1.17微米(微米)的光刻胶膜厚度。然后在90℃下,将各涂敷的晶片在热板上温和烘烤60秒。然后在如下所列的曝光剂量下,将各晶片在Nikon0.54 NA I-线步进投影曝光机上曝露。然后在110℃下,将每个曝露的晶片在热板上曝露后烘烤60秒。然后在23℃下,将晶片使用AZ300 MIF显影剂(2.38%氢氧化四甲基铵溶液)搅拌显影60秒。由于轮廓壁没有地方是接近垂直的,对比例1和2的光刻胶组合物提供不可接受的图案。实施例3的光刻胶组合物提供具有基本垂直壁的非常可接受的轮廓。对于实施例1,2和3的光刻胶,在I-线步进投影曝光机上上的曝光剂量分别是48mJ/cm2,26mJ/cm2,和30mJ/cm2
                          实施例5
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:19.2016gm.VPN1109,0.6189gm.DM-POP,2.29975gm.Cymel 303,0.5959gm.PAI-101,1.4787gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和75.1074gm.PGMEA。
                          实施例6
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:19.2016gm.VPN1109,0.6189gm.DM-POP,2.29975gm.Cymel 303,0.5959gm.CGI 131肟磺酸酯(购自Ciba),1.4787gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和75.1074gm.PGMEA。
                          实施例7
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:19.2016gm.VPN1109,0.6189gm.DM-POP,2.29975%.Cymel 303,0.5959gm.OP9141E1-磺酰氧基-2-吡啶酮,1.4787gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和75.1074gm.PGMEA。
                          实施例8
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:19.2016gm.VPN1109,0.6189gm.DM-POP,2.29975gm.Cymel 303,0.5959gm.PAI-101,0.19515gm.9-蒽甲醇,1.4787gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和75.1074gm.PGMEA。
                          实施例9
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:24.6033gm.VPN1109,0.7929gm.DM-POP,3.8408gm.Cymel 303,0.7635gm.PAI-101,1.8947gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和68.1048gm.PGMEA。
                          实施例10
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:26.0477gm.聚(羟基苯乙烯)/苯乙烯10013-77-FDP共聚物(购自Triquest),0.8395gm.DM-POP,2.7798gm.Cymel 303,0.3336gm.PAI-101,2.0059gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和67.9936gm.PGMEA。
                          实施例11
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:26.7295gm.聚(羟基苯乙烯)/苯乙烯FK-070共聚物(购自Maruzen),0.4805gm.DM-POP,2.3274gm.Cymel 303,0.4627gm.PAI-101,1.1481gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和68.8519gm.PGMEA。
                          实施例12
通过提供如下物质的混合物制备光刻胶组合物:24.6033gm.聚(羟基苯乙烯)/酚醛清漆10004-153-2B共聚物(购自Triquest),0.4805gm.DM-POP,2.3274gm.Cymel 303,0.4627gm.PAI-101,1.1481gm.的FC430在PGMEA中的2%溶液,和68.8519gm.PGMEA。
                          实施例13
将实施例5-12的光刻胶组合物各涂敷到6英寸硅晶片上以每个提供1.00微米(微米)的光刻胶膜厚度。然后在90℃下,将涂敷的各晶片在热板上温和烘烤60秒。然后在如下所列的曝光剂量下,将各晶片在Nikon0.54 NA I-线步进投影曝光机上曝露。然后在110℃下,将每个曝露的晶片在热板上曝露后烘烤60秒。然后在23℃下,对各晶片使用AZ300 MIF显影剂(2.38%氢氧化四甲基铵溶液)搅拌显影60秒。实施例5-12的光刻胶组合物每个提供具有基本垂直壁的非常可接受的轮廓。对于实施例5到实施例12的光刻胶,曝光剂量分别如下:
实施例No.         曝光剂量(mJ/cm 2 )
5                      30
6                      68
7                      10
8                      22
9                      18
10                     26
11                     32
12                     26
除非另外说明,所有的份数和百分比按重量计;烷基是C1-C4烷基;烷氧基是C1-C4烷氧基;所有的温度是摄氏度,和所有的分子量是重均分子量。

Claims (10)

1.一种化学放大的、负作用的、辐射敏感性光刻胶组合物,该组合物可在碱性介质中显影,该光刻胶组合物包括:
a)含有环键合羟基的酚类成膜聚合物粘合剂树脂;
b)在曝露于辐射时形成酸的光酸产生剂,数量足以引发酚类成膜聚合物粘合剂树脂的交联,所述光酸产生剂为肟磺酸酯;
c)在曝露于来自步骤b)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的交联剂,和该交联剂包括六(甲氧基甲基)蜜胺;
d)在曝露于来自步骤b)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的第二交联剂,和该第二交联剂包括单-或二-羟基C1-C4烷基取代的(单-、二-、三-或四-C1-C12烷基)苯酚,其中来自步骤c)和d)的交联剂总量是有效交联量;和
e)光刻胶溶剂。
2.权利要求1的光刻胶组合物,其中酚类成膜聚合物粘合剂树脂包括衍生自取代酚的酚醛清漆,取代酚选自邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,4-二甲苯酚、2,5-二甲苯酚、3,4-二甲苯酚、3,5-二甲苯酚、百里酚及其混合物,其已经与醛缩合;聚(乙烯基苯酚);或酚醛清漆聚(乙烯基苯酚)共聚物。
3.权利要求2的光刻胶组合物,其中醛是甲醛。
4.权利要求1的光刻胶组合物,其中步骤d)的第二交联剂是2,6-二羟甲基-4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯酚。
5.权利要求1的光刻胶组合物,其中肟磺酸酯具有如下通式:
Figure C018112640002C1
其中R1和R2是C1-C4烷基或卤代C1-C4烷基、苯基、萘基、或由硝基、氯、溴、羟基、C1-C4烷基、C1-C4氟烷基、或C1-C4烷氧基取代的苯基或萘基。
6.一种生产微电子器件的方法,包括:
a)提供负作用光刻胶组合物,该组合物包括:
1)含有环键合羟基的酚类成膜聚合物粘合剂树脂;
2)在曝露于辐射时形成酸的光酸产生剂,数量足以引发步骤1)酚类成膜聚合物粘合剂树脂的交联,所述光酸产生剂为肟磺酸酯;
3)在曝露于来自步骤2)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的交联剂,和该交联剂包括六(甲氧基甲基)蜜胺;
4)在曝露于来自步骤2)通过曝露于辐射而产生的酸时形成正碳离子的第二交联剂,和该第二交联剂包括单-或二-羟基C1-C4烷基取代的(单-、二-、三-、或四-C1-C12烷基)苯酚,其中来自步骤3)和4)的交联剂总量是有效交联量;和
5)光刻胶溶剂;
b)将来自步骤a)的光刻胶组合物涂敷到合适基片的表面上;
c)热处理来自步骤b)的涂敷基片直到从光刻胶组合物除去基本上所有的光刻胶溶剂;
d)以成像方式将来自步骤c)的涂敷光刻胶组合物曝露于成像辐射下;
e)在步骤d)的曝露之后加热基片和
f)采用显影剂除去来自步骤d)涂敷光刻胶组合物的未曝露区域。
7.权利要求6的方法,其中酚类成膜聚合物粘合剂树脂包括衍生自取代酚的酚醛清漆,取代酚选自邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,4-二甲苯酚、2,5-二甲苯酚、3,4-二甲苯酚、百里酚及其混合物,其已经与醛缩合,聚(乙烯基苯酚);或酚醛清漆聚(乙烯基苯酚)共聚物。
8.权利要求7的方法,其中醛是甲醛。
9.权利要求6的方法,其中步骤a)的第二交联剂是2,6-二羟甲基-4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯酚。
10.权利要求6的方法,其中肟磺酸酯具有如下通式:
其中R1和R2是C1-C4烷基或卤代C1-C4烷基、苯基、萘基、或由硝基、氯、溴、羟基、C1-C4烷基、C1-C4氟烷基、或C1-C4烷氧基取代的苯基或萘基。
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