CN1300187C - 光刻胶成膜树脂制备中的聚合物选择水解方法 - Google Patents
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Abstract
一种光刻胶成膜树脂制备中的聚合物选择水解方法，采用聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物为原料，以醇、醚、烃类溶剂为介质，在20～150℃温度范围内，在催化剂帮助下进行选择水解反应，来制备聚对羟基苯乙烯及其共聚物，其特征在于：催化剂为高分子催化剂或高分子载体催化剂；所述高分子催化剂为聚苯乙烯磺酸型强酸性离子交换树脂或季胺碱型强碱性离子交换树脂；所述高分子载体催化剂为高分子载体路易斯酸(Lewis酸)催化剂。本发明采用合适有效的催化剂通过选择性水解或醇解反应，来制备光刻胶成膜树脂——聚对羟基苯乙烯及其共聚物，其特点是工艺简单、转化率可达98%以上、选择性，从而达到更好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及光刻胶中成膜树脂聚合物的工艺制备方法，具体涉及以聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物为原料，采用高分子催化剂或高分子载体催化剂进行高分子的选择性水解或醇解反应，制备聚对羟基苯乙烯及其共聚物的方法。
背景技术
光刻胶是大规模集成电路工业中进行光刻的重要材料，其中，成膜树脂(亦称成膜剂)又是光刻胶的重要组成之一，其品质和性能直接影响光刻胶在大规模集成电路工业中的使用效果。
聚对羟基苯乙烯及其共聚物是目前广泛应用的深紫外(DUV)光刻胶成膜树脂的基本组成，因此如何制备高品质的聚对羟基苯乙烯及其共聚物，对提高成膜树脂质量尤为重要。现有技术中，制备对羟基苯乙烯聚合物以及它与苯乙烯类、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯等共聚物时，一般都是先以对乙酰氧基苯乙烯为原料，与苯乙烯类、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯等其它共聚单体一起，通过共聚反应制成聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物，然后进行高分子的选择性水解或醇解反应，制成聚对羟基苯乙烯及其共聚物。而聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物的选择水解反应是这类成膜树脂制备过程中的关键工艺之一。其中，水解或醇解反应可由酸或碱作为水解催化剂。
早在1964年，Packham在JOCS(J.of the chemical saciety)2617-2614(1964)中报道了用碱性水溶液在二氧六环中的水解方法。其后，Arshady等在J.of Polyner Science 2017-2025(1974)报道用羟氨水合物进行催化水解的方法。此后，不少专利中介绍了许多水解方法，如U.S Patent 2,276,138、4,775,730、4,822,862、4,912,173、4,962,147、5,264,528，4,857,601。所用酸包括常见的离子型强酸，如硫酸，盐酸，磷酸，甲磺酸，对甲苯酸，三氯乙酸，氢碘酸等。以及某些路易斯酸(Lewis酸)，如三氟硼等。所用碱包括碱金属氢氧化物，甲醇钠，氢氧化胺及四级胺氢氧化物等。
然而，在上述光刻胶成膜树脂制备工艺中采用现有的酸或碱作为水解催化剂进行选择水解反应存在以下缺点：
1、工艺复杂，而且会引入一些杂质。由于以往在选择水解反应中采用酸性或碱性催化剂，因此在水解反应结束后，还要经过中和过程来除去催化剂。而这种做法有时会给制备工艺带来麻烦，尤其是对反应物的洁净度要求较高时，可能会留下残留物或一些金属离子，从而给产物引入一些杂质。从理论上讲，对于一个化学反应来说，多加入一种化学物质就增加了一次引入杂质的机会。
2、某些酸性或碱性催化剂的水解选择性不理想，导致共聚物中除对酰氧基苯乙烯组分外，其它一些比较活泼的组分也被水解。
发明内容
本发明提供一种光刻胶成膜树脂制备中的聚合物选择水解方法，其目的是在聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物的选择水解反应中，采用合适有效的高分子催化剂或高分子载体催化剂进行高分子的选择性水解或醇解反应，来制备聚对羟基苯乙烯及其共聚物，从而达到更好的效果。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光刻胶成膜树脂制备中的聚合物选择水解方法，采用聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物为原料，以醇、醚、烃类溶剂之一或其两者及两者以上的混合物为介质，在20～150℃温度范围内，在催化剂作用下进行选择水解反应，来制备聚对羟基苯乙烯及其共聚物；所述选择水解反应的催化剂为高分子催化剂或高分子载体催化剂；
所述高分子催化剂为聚苯乙烯磺酸型强酸性离子交换树脂或季胺碱型强碱性离子交换树脂；
所述高分子载体催化剂为高分子载体路易斯酸(Lewis酸)催化剂，其中：
载体选择下列六种之一：
(1)、聚苯乙烯与二乙烯苯的交联共聚物，其交联程度在1％-10％之间，颗粒大小在20-400目之间；
(2)、弱酸或弱碱性离子交换干树脂；
(3)、聚三苯基磷；
(4)、聚乙烯基咔唑；
(5)、聚乙烯基三苯甲基；
(6)、聚乙烯基吡咯烷酮；
所载路易斯酸(Lewis酸)选择下列之一：
(1)、四氯化钛(TiCl4)；
(2)、三氯化铝(AlCl3)；
(3)、四氯化锡(SnCl4)；
(4)、五氯化锑(SbCl5)；
(5)、三氟化硼(BF3)；
(6)、三氯化镓(GaCl3)；
(7)、三氯化铁(FeCl3)；
(8)、四氯化钛与三乙基铝的二元复合物(TiCl4/AlEt3)；
路易斯酸(Lewis酸)的含量(络合量)相对于载体在0.5％～15％重量范围内。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物包括：
(1)、对乙酰氧基苯乙烯的均聚物；
(2)、对乙酰氧基苯乙烯与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的二元共聚物，其中，丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯组成比例占5％-60％(mol％)，其余为对乙酰氧基苯乙烯；
(3)、对乙酰氧基苯乙烯与苯乙烯的二元共聚物，其中，苯乙烯组成比例占5％-40％(mol％)，其余为对乙酰氧基苯乙烯；
(4)、对乙酰氧基苯乙烯与苯乙烯、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的三元共聚物，其中，丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯组成比例占5％-60％(mol％)，苯乙烯组成比例占5％-40％(mol％)，其余为对乙酰氧基苯乙烯。
2、上述方案中，所述聚苯乙烯磺酸型强酸性离子交换树脂，例如：Rohmand Haas公司生产的Amberlyst系列A-15，A-16，A-31，A-35，A-36，A-131；Amberlite系列IR-118，IR-120；以及Amberiet-1200。这种树脂包括球状树脂，纤维状树脂和薄膜型树脂。
3、上述方案中，所述季胺碱型强碱性离子交换树脂，例如：Rohm and Haas公司生产的Amberlyst系列A-26，A-27；Amberlite系列IRA-900，IRA-904，IRA-400，IRA-410；以及Amberjet 4200。
这种树脂即四级胺氢氧化物型强碱性离子交换树脂，其形状可以是球状，也可以为纤维状或薄膜状树脂。
4、上述方案中，所述载体中第(3)至第(6)项为特种聚合物载体，市场上没有现成产品，一般需要自己制备获得。
5、上述方案中，所述介质溶剂的醇类，如甲醇、乙醇、异丙醇等；所述介质溶剂的醚类，如四氢呋喃、叔丁基甲醚等。
6、上述方案中，有关高分子载体路易斯酸(Lewis酸)催化剂的制备方法如下(载体以聚苯乙烯与二乙烯苯的交联共聚物为例)：
(1)、将聚苯乙烯与二乙烯苯的交联共聚物白球经溶剂(如氯仿)在室温下溶胀；
(2)、把路易斯酸(Lewis酸)加入溶剂中形成溶液；
(3)、把路易斯酸(Lewis酸)溶液加入经溶胀的白球中反应约三天(72小时)；
(4)、过滤除去溶剂以及未反应的路易斯酸(Lewis酸)，并用氯仿洗涤未反应的路易斯酸(Lewis酸)；
(5)、干燥备用。
7、选择水解反应的跟踪
为了能定量表征水解反应的进行程度，可以用在富利叶红外吸收光谱(FTIR)中乙酰氧基苯乙烯中的羰基＞C＝O吸收峰1765cm-1峰的峰高或面积与一参照峰701cm-1(此峰在反应前后基本保持不变，而且峰形比较独立容易识别)的峰高或面积进行对比，用二者的比值来定量跟踪水解及反应进度。见下表1：
红外跟踪醇解反应过程
| 反应时间 | 0 | 1小时 | 2小时 | 3小时 | 4小时 | 5小时 | 6小时 | 7小时 |
| 峰高比1765/701cm-1 | 0.879 | 0.244 | 0.231 | 0.127 | 0.062 | 0.029 | 0.018 | 0.000 |
| 峰面积比1765/701cm-1 | 1.290 | 0.248 | 0.221 | 0.119 | 0.044 | 0.023 | 0.013 | 0.000 |
这一水解过程中用FTIR方法进行跟踪。反应中乙酰氧基苯乙烯中的羰基＞C＝O吸收峰在1765cm-1，而丙烯酸酯的＞C＝O在1724cm-1附近，当乙酰氧基水解时，其在1765cm-1的吸收峰逐渐减弱直至消失，随着水解反应的进行，对羟基苯乙烯组分的增加，其分子间的氢键也会逐渐增强，而致使丙烯酸酯羰基吸收＞C＝O由1724cm-1移动到1696cm-1附近。由此可以跟踪这一选择性水解反应。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、以聚合物选择水解反应来制备光刻胶成膜树脂——聚对羟基苯乙烯及其共聚物，其中，选择水解反应选择何种催化剂十分关键。本发明以聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物为原料，采用高分子催化剂或高分子载体催化剂进行选择性水解或醇解反应，来制备聚对羟基苯乙烯及其共聚物，其工艺简单，而且转化率可达98％以上，效果非常明显。另外，采用高分子催化剂或高分子载体催化剂与现有技术相比也不会带来杂质。
2、本发明主要涉及对乙酰氧基苯乙烯与苯乙烯或和丙烯酸酯类体的共聚物的选择性水解反应。在共聚物的水解反应中，其对乙酰氧基苯乙烯组分将被完全水解成聚对羟基苯乙烯，而聚丙烯酸酯组分将完好保留，即使是十分活泼的三级醇酯，如(甲基)丙烯酸叔丁酯、(甲基)丙烯酸甲基环戊酯、(甲基)丙烯酸甲基金刚烷酯等，也将不会被水解，因此选择性十分理想。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：以对乙酰氧基苯乙烯、苯乙烯、丙烯酸叔丁酯三元单体聚合成三元共聚物。
在一个装有冷却器，N2入口，温度计，加热器及电动搅拌器的500ml三口瓶中加入170g对乙酰氧基苯乙烯，36g苯乙烯， 42g丙烯酸叔丁酯，200g甲醇，和4g偶氮二异丁晴(AIBN)，在搅拌下加热到60-70℃保持回流反应15小时，然后冷却至室温。聚合物从甲醇中分离出来。
在真空干燥后得240g白色固体聚合物，分子量Mw13200，PD＝2.1。
实施例二：以聚苯乙烯磺酸型强酸性离子交换树脂为催化剂进行选择水解反应，来制备聚对羟基苯乙烯与苯乙烯、丙烯酸叔丁酯的共聚物，作为光刻胶成膜树脂。
在一个装有冷却器，N2入口，分水器，温度计，加热器及电动搅拌器的250ml三口瓶中，加入20g实施例一中制备的固体共聚物，100ml甲醇，5g强酸型的大孔Amberlyst 15(商品牌号，生产厂家为Rohm and Haas)干树脂。反应混合物是一多相体系。在搅拌下加热到回流(60～80℃)，并在分水器中收集蒸出物。每收集10ml蒸出物，补加相同体积的甲醇(10ml)至反应混合物中，继续回流反应，2小时后开始从反应混合物中取液体样品。样品经成膜干燥后进行FTIR分析。反应进行8小时后，样品分析表明水解反应转化率达99％，反应结束。反应冷却后，过滤除去催化剂树脂，反应混合物是一均相溶液。将此溶液滴加到10倍体积的水中，生成白色聚合物沉淀，过滤并用水多次冲洗后，回收聚合物16g，收率80％，聚合物样品经碳13核磁共振方法(C13 NMR)分析表明丙烯酸叔丁酯聚合物组成与原始共聚物中组成一致。说明水解过程中丙烯酸叔丁酯组分未被水解，该水解反应选择性很高。
实施例三：以高分子载体催化剂PS-TiCl4为催化剂，进行选择水解反应。
(1)、催化剂的制备
干燥的聚苯乙烯及二乙烯基苯共聚物(2％DVB)(40-60目)白球(20g)加入一个100ml锥形瓶中，加入60ml氯仿后，放置30分钟。白球在氯仿中溶胀。然后在通风柜中小心加入10g TiCl4液体到经溶胀后的白球和氯仿混合物中，立刻用经聚四氟乙烯膜保护的橡皮塞密封三角瓶，并置于通风柜中放置72小时。白球变为深红色。在通风柜中，迅速用布氏漏斗在减压下过滤并用氯仿洗涤五次，待红色小球在空气中不再产生烟雾(TiCl4与空气中水分水解反应生成HCl气所致)。将红色小球放入保干器中真空干燥除去氯仿。然后将催化剂存放在干燥三角瓶中待用，元素分析表明催化剂小球中含4.6％的络合Ti(TiCl4)。
(2)、水解反应
在一个装有冷却器，N2入口，分水器，温度计，加热器及电动搅拌器的250ml三口瓶中，加入20g实施例一中合成的共聚物，70ml四氢呋喃(THF)，30ml甲醇，5g自制聚苯乙烯载体-四氢化钛(PS-TiCl4)催化剂小样，在搅拌下加加热混合物到60-80℃开始回流，反应共聚物逐渐溶解。反应进行1小时后开始每小时从反应混合中取样进行FTIR红外分析，跟踪1765cm-1/1692cm-1峰的变化，确定水解反应进行程度，分析结果表明，反应进行1小时后，水解反应已达75％，4小时后达99％，反应结束。然后冷却反应混合物到室温，过滤除去催化剂小球。将此反应混合物滴加在10倍的水中，生成白色沉淀，过滤，真空干燥，得15.8g白色共聚物粉末。经C13 NMR分析表明共聚物组成(对羟基苯乙烯/苯乙烯/丙烯酸叔丁酯的组成比)与水解前组成一致，并且丙烯酸叔丁酯未被水解，说明由PS-TiCl4催化剂水解反应速度快，选择性很高。
实施例四：根据与实例三相似的方法制备以下多种载体Lewis酸催化剂，并应用于相同的水解反应中，结果如下表：
| 催化剂 | 水解方法* | 时间(hr) | 转化率 | |
| 聚苯乙烯磺酸(A-15) | PS-SO3H(A-15) | A | 5 | 99％ |
| 载体四氯化钛 | PS-TiCl4(5％TiCl4) | B | 4 | 99％ |
| 载体三氯化铝 | PS-AlCl3(3％AlCl3) | B | 5 | 99％ |
| 载体三氟化硼 | PS-BF3(1.5％BF3) | B | 8 | 98％ |
| 载体四氯化锡 | PS-SnCl4(5％SnCl4) | B | 4 | 99％ |
| 载体三氯化铁 | PS-FeCl3(3％FeCl3) | B | 12 | 98％ |
| 载体GN催化剂 | PS-TiCl4/AlEt3 | B | 3 | 99％ |
*水解方法：A如例二所述；B如例三(2)所述。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1、一种光刻胶成膜树脂制备中的聚合物选择水解方法，采用聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物为原料，以醇、醚、烃类溶剂之一或其两者及两者以上的混合物为介质，在20～150℃温度范围内，在催化剂帮助下进行选择水解反应，来制备聚对羟基苯乙烯及其共聚物，其特征在于：所述选择水解反应的催化剂为高分子催化剂或高分子载体催化剂；
所述高分子催化剂为聚苯乙烯磺酸型强酸性离子交换树脂或季胺碱型强碱性离子交换树脂；
所述高分子载体催化剂为高分子载体路易斯酸催化剂，其中：
载体选自下列六种之一：
(1)、聚苯乙烯与二乙烯苯的交联共聚物，其交联程度在1％-10％之间，颗粒大小在20-400目之间；
(2)、弱酸或弱碱性离子交换干树脂；
(3)、聚三苯基膦；
(4)、聚乙烯基咔唑；
(5)、聚乙烯基三苯甲基；
(6)、聚乙烯基吡咯烷酮；
所载路易斯酸选自下列之一：
(1)、四氯化钛；
(2)、三氯化铝；
(3)、四氯化锡；
(4)、五氯化锑；
(5)、三氟化硼；
(6)、三氯化镓；
(7)、三氯化铁；
(8)、四氯化钛与三乙基铝的二元复合物；
路易斯酸的含量相对于载体在0.5％～15％重量范围内。
2、根据权利要求1所述的光刻胶成膜树脂制备中的聚合物选择水解方法，其特征在于：所述聚对乙酰氧基苯乙烯及其共聚物包括：
(1)、对乙酰氧基苯乙烯的均聚物；
(2)、对乙酰氧基苯乙烯与丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的二元共聚物；
(3)、对乙酰氧基苯乙烯与苯乙烯的二元共聚物；
(4)、对乙酰氧基苯乙烯与苯乙烯、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的三元共聚物。
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