JP2010538155A - 光酸発生剤を含むレジスト用共重合体及びその製造方法 - Google Patents

光酸発生剤を含むレジスト用共重合体及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

光酸発生剤を含むレジスト用共重合体及びその製造方法を提供する。AFMリソグラフィー用レジストまたは電子線リソグラフィー用レジストとして使うことができる共重合体及びその製造方法であって、有機溶媒に対する溶解性と塗布性とに優れ、リソグラフィー工程でさらに向上したパターン形成が可能なフルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤を含む共重合体及びその製造方法である。

Description

本発明は、AFMリソグラフィーレジストまたは電子線リソグラフィー用レジストとして使うことができる共重合体及びその製造方法に係り、より詳細には、有機溶媒に対する溶解性と塗布性とに優れ、リソグラフィー工程で感光性(sensitivity)及び解像度(resolution)がさらに向上したフルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤を含む共重合体及びその製造方法に関する。
AFM(Atomic Force Microscope;以下、AFM)は、走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope、SPM)の一種であって、尖った探針(probe)と試料表面との間の引力または斥力などの相互作用に必要な力を用いて原子レベルの分解能を有して試料表面を分析することができる精密な測定装備である。最近、AFMは、極微細パターン形成に有用な方法として脚光を浴びているが、一般的に試料の損傷なしに試料の表面を形状化するのに使われる。
しかし、試料の表面が損傷される程度の力を加えれば、試料表面の原子や分子配列を操作することができ、このような技術をナノリソグラフィー(Nanolithography)と言う。ナノリソグラフィーを用いて人為的なナノ構造物を製作することによって、電子密度やエネルギー準位が同じである物理的な量をナノメーター次元で制御することができる。
現在、AFMを利用したナノリソグラフィー研究分野でレジスト物質を用いて超微細パターンを形成させる方法、水素passivated Si−waferまたは、poly−Siなどの表面上にAFMチップの電界による酸化膜形成パターンを得る方法など多様な方法が進められており、EFM(Electrostatic Force Microscopy)、SCM(Scanning Capacitance Microscopy)と結合されて次世代データ蓄積分野に応用できるという長所がある。
AFMを利用した酸化パターンの形成技術のメカニズムを簡単に説明すれば、次の通りである。シリコン基板上に所定厚さの有機薄膜を塗布してAFMのチップを通じて局部的に数ボルトの電圧を加えて酸化パターンを形成する。この時、電圧が加えられた部分のレジスト層が架橋化されながら、次の反応メカニズム(J.Vac.Sci.Technol.A14(3)、1996、1223)によってSiが空気中の水分と反応してSiOxが形成されてレジスト薄膜上に飛び出す。
Figure 2010538155
この時、形成された酸化シリコンの構造物は、その構造が非常に粗末でエッチング時に他の部分よりエッチング速度が非常に早くなる。また、電圧が加えられていない部分は現像液が溶出され、電圧が加えられた部分は現像液が溶けず、パターンを作ることができる。
AFMリソグラフィーで重要に作用する要素は、印加される電圧と流れる電流、スキャン(scan)速度、湿度などである。したがって、最適条件ではない状態でリソグラフィーを進行すれば、線幅が一定でなく線が切られるパターンが形成されるということが分かる。より優秀なパターン形成のためには、高性能レジスト、印加される電圧とscan速度と湿度などをよく調節しなければならない。また、薄くて均一な薄膜を形成することも非常に重要である。
本発明者は、スピン塗布法で容易に大面積の基板上に適用することができる高感度・高解像度のレジストを開発し、これを用いて0.1μm以下の線幅を有するパターン工程を可能とした。本発明によるレジスト物質を用いて最適工程条件を改善すれば、数nmレベルの極微細パターン形成が可能となり、これと関連した技術は、テラビット級半導体記憶素子と超薄膜パターン形成技術を応用するディスプレイ及びナノバイオ素子分野の重要な源泉要素技術になり得る。
一方、本発明は、AFMリソグラフィー用レジストだけではなく、電子線用レジストとしても使うことができるという特徴がある。感光性レジスト(感光性高分子)は、各種の精密電子/情報産業製品の生産工程に必要な有機感光材料であって、一般的に光及び放射線のエネルギーを受けて物理的・化学的変化が起きる高分子組成物系を指称する。極微細形状加工に利用されるレジストは、現在の高度に発展した印刷と半導体及び電子・情報産業の重要な素材であり、また、光硬化、表面コーティング及びパターン製造用の感光性材料として広く使われる。
AFMを利用したリソグラフィー技術とこれに使われるレジストは、今まで多くの文献(Small,2006,2,481−484,S.Jegadesan;S.Valiyaveettill,Easy Writing of Nanopatterns on a Polymer Film Using Electrostatic NanolithographyとLangmuir 2006,22,3807−3811,Subbiah Jegadesan;Prasad Taranekar;Swaminathan Sindhu;Rigoberto C.Adrincula;Suresh Valiyaveettil,Electrochemically Nanopatterned Conducting Coronas of a Conjugated Polymer Precursor;SPM Parameters andPolymer Composition Journal of Nanoscience and Nanotechnology,2007,7 ,2172−2175,S.Jegadesan;S.Sindhu;S.Valiyaveettil,Fabrication of Nanostructure on a Polymer Film Using Atomic Force Microscope)を通じて多く知られている。
一方、本発明者は、特許文献1を通じてシリコンを含んだ単量体(1,3−ビス(トリメチルシリル)イソプロピルメタクリレート;BPMA)を公開したことがあり、多くの文献(J.Photopolymer.Science and Technology,No.4,Vol.10,1997,Kang,Y.J.,Lee,H.外、Chamically Amplified Silicon Containing Resistfor ArF Excimer Laser Lithography,p585とMol.Cryst.Liq.Cryst.,1999,327,Kim,Y.D.,Lee,H.外、New Bilayer Positive Photoresists for 193 nm Photolithography,p.279)及び特許文献2を通じて前記単量体を利用したレジストに関する研究を報告したことがある。
また、本発明者は、フルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤が置換された化合物とこれを重合した共重合体(韓国登録特許第0637450号及びPCT/KR2006/000535)及びフルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤が側鎖に導入されたホモポリマー製造用の化合物の製造方法とこれを利用したホモポリマー(韓国登録特許第0823471号)を公開したことがあるが、前記共重合体より高感度のさらに優れた解像度を表わすことができるレジスト用共重合体を開発するための研究を続いた結果、本発明を完成した。
アメリカ特許出願第08/942,249号(1999.9) 韓国特許登録公告第10−1999−230417号(1999.11.15)
本発明が解決しようとする第1の課題は、低電圧でも容易に架橋化されて高解像度を有し、これにより、早い速度で極微細パターン形成が可能なAFMリソグラフィー及び電子線リソグラフィー用レジストとして使うことができる光酸発生剤を含む共重合体を提供することである。
また、本発明が解決しようとする第2の課題は、前記共重合体の製造方法を提供することである。
本発明は、前記第1の課題を解決するために、下記化学式1または化学式2で表示される光酸発生剤を含むレジスト用共重合体を提供する:
Figure 2010538155
前記式で、RとRは、それぞれC〜Cのアルキルカルボニル基、アルデヒド基、シアノ基、ニトロ基及びフェニル基のうちから選択され、Rは、C〜C20の直鎖状、側鎖状または環状アルキル基であり、Rは、水素原子、メチル基、シクロペンチル基、T−BOCスチレン基、メトキシ基、メトキシエタン基、メトキシプロパン基、プロピレンオキシド基のうちから選択され、R、R、Rは、それぞれ水素原子またはC〜C20の直鎖状、側鎖状または環状アルキル基であり、nは0〜20の定数であり、x+y+z=1であり、p+q=1である。
本発明の一実施例によれば、前記光酸発生剤を含むレジスト用共重合体は、下記化学式3または化学式4で表示されるグリシジルメタクリレートを単量体を含むレジスト用共重合体であり得る:
Figure 2010538155
前記式で、x+y+z=1であり、p+q=1である。
本発明の他の一実施例によれば、前記レジストは、AFMリソグラフィーまたは電子線リソグラフィー用レジストのうち一つであることが望ましい。
本発明は、第2の課題を解決するために、下記反応式1または反応式2によって化学式1または化学式2で表示される光酸発生剤を含むレジスト用共重合体を製造する方法を提供する:
Figure 2010538155
前記式で、RないしR、n、x、y及びzは、前記化学式1の定義と同一である。
Figure 2010538155
前記式で、RないしR、n、p及びqは、前記化学式2の定義と同一である。
本発明の一実施例によれば、下記反応式3によって化学式3で表示されるグリシジルメタクリレート単量体を含むレジスト用3元共重合体を製造する方法が提供される:
Figure 2010538155
前記式で、x+y+z=1である。
本発明の他の一実施例によれば、下記反応式4によって化学式4で表示されるグリシジルメタクリレート単量体を含むレジスト用共重合体を製造する方法が提供される:
Figure 2010538155
前記式で、p+q=1である。
本発明による光酸発生剤を含む共重合体は、AFMリソグラフィー用レジストまたは電子線リソグラフィー用レジストとして使うことができ、解像度が良い電子ビームレジストにも適用することができて、非常に有用であると言える。特に、本発明による共重合体をレジストとして使えば、半導体集積回路装置、TFT−LCDなど半導体関連製造工程でのリソグラフィー技術に適用するのに非常に有用である。具体的に、素子の高集積化のためには、露光工程での微細線幅を要求するが、本発明は、このような要求による高解像度の極微細線幅を具現することができる。
本発明によって実施例2で合成した共重合体のH−NMR分析結果を示す図面である。 本発明によって実施例2で合成した共重合体のTGA分析結果を示す図面である。 本発明によって実施例3で合成した3元共重合体のH−NMR分析結果を示す図面である。 本発明によって実施例3で合成した3元共重合体のTGA分析結果を示す図面である。 本発明によって実施例3で合成した3元共重合体の架橋化傾向を示すグラフである。 本発明の比較例で合成したグリシジルメタクリレート単量体を含まない共重合体の架橋化傾向を示すグラフである。
以下、本発明を具体的に説明すれば、次の通りである。
本発明は、下記化学式1または2で表示される光酸発生剤を含むレジスト用共重合体に関するものである:
Figure 2010538155
前記式で、RとRは、それぞれC〜Cのアルキルカルボニル基、アルデヒド基、シアノ基、ニトロ基及びフェニル基のうちから選択され、Rは、C〜C20の直鎖状、側鎖状または環状アルキル基であり、R4は、水素原子、メチル基、シクロペンチル基、T−BOCスチレン基、メトキシ基、メトキシエタン基、メトキシプロパン基のうちから選択され、R、R、Rは、それぞれ水素原子またはC〜C20の直鎖状、側鎖状または環状アルキル基であり、nは0〜20の定数であり、x+y+z=1であり、p+q=1である。
また、本発明は、下記反応式1または反応式2によって化学式1または化学式2のレジスト用共重合体を製造する方法を提供する:
Figure 2010538155
前記式で、RないしR、n、x、y及びzは、前記化学式1の定義と同一である。
Figure 2010538155
前記式で、RないしR、n、p及びqは、化学式2の定義と同一である。
一般的に、スルホ二ウム塩は、ポリマー重合において、光酸開始剤またはラジカル光開始剤として使われるか、有機化合物の脱保護化反応を進行するのに酸触媒発生剤として使われる。特定領域の紫外線光に感応して陽イオン光酸開始剤を発生させるスルホ二ウム塩は、従来のラジカル硬化で得られないさまざまな種類の用途が開発されて来た。
フルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤が、置換された化合物とこれを重合した共重合体のフルオロアルキルスルホ二ウム塩が置換された光酸発生剤が側鎖に導入された共重合体は、有機溶媒に対する溶解性に優れ、スルホ二ウム塩の優れた光重合能を有する。
本発明は、まず、フルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤が側鎖に導入された単量体を製造し、この単量体と異なるアルキレート系共重合体を1種以上反応させて共重合体を製造する。この時、下記化学式5で表示されるフルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤が側鎖に導入された単量体は、4−ビフェニルスルホ二ウムトリプレートベンジルメタクリレートであり、他の単量体は、グリシジルメタクリレートとメチルメタクリレートとであり得る。本発明によるレジスト用共重合体は、各単量体をテトラヒドロフランに溶解させた後、一定温度下で撹拌すれば生成される。
以下、本発明を次の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明が実施例によって限定されるものではない。
本発明による化学式1または化学式2の共重合体を合成するためには、まず、下記化学式5で表示されるフルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤が置換された単量体化合物が先に準備されなければならない:
Figure 2010538155
前記化学式5で表示される化合物は、二つの方法で合成することができる。まず、本発明者によって韓国特許登録第10−637450号で開示された3段階合成方法を挙げることができるが、具体的に、ジフェニルスルホキシドからアルキルスルホニウムトリプレート合成する1段階と、ハロゲンが置換されたアルキルスルホニウムトリプレート合成する2段階と、アルキルアクリロキシアルキルスルホニウムトリプレート合成する3段階と、の過程を経て合成がなされる。しかし、前記合成方法は、3段階の複雑な工程を経り、反応時間が長く、精製過程で単量体が完璧に分離されない問題点があって、本発明者は、これをさらに改善して単一工程でフルオロアルキルスルホ二ウム塩の光酸発生剤が置換された単量体化合物を合成し、これと関連した内容は、韓国特許登録第10−823471号に開示されている。
本発明では、例示的に、前記2種の合成方法のうちさらに改善した方法である単一工程方法のみを記述するが、前記化学式5の構造を有する化合物であれば、合成された方法に制限されず、本発明のレジスト用共重合体の合成のための単量体化合物として使われうる。
〔実施例1:光酸発生剤が置換された単量体化合物の合成〕
本発明によるレジスト用共重合体を合成するための光酸発生剤が置換された単量体化合物であって、4−ビフェニルスルホ二ウムトリプレートベンジルメタクリレートを合成する方法は、次の通りである。
ジフェニルスルホキシド10g(49.4mmol)とメタアクリロイルフェニル8.7g(49.4mmol)をジクロロメタン500mLに溶解させた後、アセトン−ドライアイス浴を用いて反応器温度を−78℃程度に合わせた後、トリフルオロメタンスルホン酸無水物16.72g(59.28mmol)を徐々に滴加した。添加が終了した後、1時間同じ温度で撹拌した後で室温まで徐々に温度を高めながら30分間撹拌した後、反応溶液を炭酸水素ナトリウム飽和溶液と蒸溜水とで順に洗った後、無水硫酸マグネシウム上で乾燥させた後、回転蒸発器で溶媒を除去してカラムクロマトグラフィー法で分離精製して、60%の収率で4−ビフェニルスルホ二ウムトリプレートベンジルメタクリレートを得た。
前記で得られた4−ビフェニルスルホ二ウムトリプレートベンジルメタクリレートの構造を確認するために、H−NMRを測定し、その結果を次に表わした。
H−NMR(CDCl3、ppm):1.97(s、1H、C−CH3)、5.28(2H、O−CH3)、5.64(1H、CH2=)、6.66(1H、CH2=)、7.70(14H、phenyl)。
〔実施例2:光酸発生剤を含む共重合体の合成〕
本発明による光酸発生剤を含む共重合体の合成方法は、次の通りである:
Figure 2010538155
グリシジルメタアクリレート1.137g(8mol)と4−ビフェニルスルホ二ウムトリプレートベンジルメタクリレート1.00g(1mol)とをテトラヒドロフラン300mlに溶解させた後、AIBN開始剤(10mol)を滴加する。サーキュレーターで反応器温度を50℃〜70℃程度に24時間保持しながら撹拌する。撹拌が終了すれば、テトラヒドロフランを蒸発させた後、メチレンクロライドを適量添加する。イソプロパンアルコールとヘキサン(体積比7:3〜5:5)とで再沈殿する。
前記実験で得られた本発明の3元共重合体化合物をH−NMRとTGA(Thermal Gravimetric Analysis)とに分析した結果を次の図1と図2とに表わした。
〔実施例3:光酸発生剤を含む3元共重合体の合成〕
本発明によるグリシジルメタクリレート単量体を含む3元共重合体の合成方法は、次の通りである:
Figure 2010538155
グリシジルメタアクリレート0.1g(0.7mmol)及びメチルメタアクリレート0.8g(8.0mmol)と4−ビフェニルスルホ二ウムトリプレートベンジルメタクリレート0.1g(0.2mmol)とをテトラヒドロフラン350mlに溶解させた後、AIBN開始剤(10mol)を滴加する。サーキュレーターで反応器温度を50℃〜70℃程度に24時間保持しながら撹拌する。撹拌が終了すれば、テトラヒドロフランを蒸発させた後、メチレンクロライドを適量添加する。イソプロパンアルコールとヘキサン(体積比7:3〜5:5)とで再沈殿する。
前記実験で得られた本発明の3元共重合体化合物をH−NMRとTGA(Thermal Gravimetric Analysis)とに分析した結果を次の図3と図4とに表わした。
〔比較例1:グルシジルメタクリレート単量体を含まない共重合体の合成〕
本発明との比較のために、下記反応式によってグルシジルメタクリレート単量体を含まない共重合体を製造する。具体的に、本実験では、ポリ(メチルメタクリレート−co−4−ジフェニルスルホニウムトリプレートベンジルメタクリレート)を合成した。
Figure 2010538155
メチルメタクリレート1.35g(13.5mmol)と前記実施例2で合成された化合物3.45g(6.75mmol)を精製されたアセトナイトリル300mLに溶解させた後、アゾビスイソブチロニトリル22mg(0.27mmol)を入れた後、加熱還流しながら19時間撹拌した。この反応溶液をイソプロピル溶液に徐々に注いで沈澱させ、沈殿物を濾過して真空乾燥させてポリ(メチルメタクリレート−co−4−ジフェニルスルホニウムトリプレートベンジルメタクリレート)を87%の収率で得た。
〔実験例1〕
前記実施例3で合成された本発明によるレジスト用3元共重合体と前記比較例で合成された共重合体との仮橋性テストを行い、その結果を図5と図6とに表わした。テスト条件は、次の通りである。
Thickness:10nm
Lithography speed:600μm/sec
PEB:120℃/90sec
development:IPA:HO=7:3
二つの図面から確認できるように、本発明によるグリシジルメタクリレート単量体を重合させた共重合体が、さらに低電圧でも容易に架橋化(crosslinking)され、ピークの線幅がさらに鮮かで狭く表われるという事実から本発明の共重合体をレジストとして使う場合、従来の共重合体をレジストとして使う場合よりさらに優れた解像度を有する微細線幅の具現が可能であるということを確認することができた。

Claims (8)

  1. 下記化学式1または化学式2で表示される光酸発生剤を含むことを特徴とするレジスト用共重合体:
    Figure 2010538155
    前記式で、
    とRは、それぞれC〜Cのアルキルカルボニル基、アルデヒド基、シアノ基、ニトロ基及びフェニル基のうちから選択され、
    は、C〜C20の直鎖状、側鎖状または環状アルキル基であり、
    は、水素原子、メチル基、シクロペンチル基、T−BOCスチレン基、メトキシ基、メトキシエタン基、メトキシプロパン基、プロピレンオキシド基のうちから選択され、
    、R、Rは、それぞれ水素原子またはC〜C20の直鎖状、側鎖状または環状アルキル基であり、
    nは0〜20の定数であり、x+y+z=1であり、p+q=1である。
  2. 下記化学式3で表示されることを特徴とする請求項1に記載のレジスト用共重合体:
    Figure 2010538155
    前記式で、x+y+z=1である。
  3. 下記化学式4で表示されることを特徴とする請求項1に記載のレジスト用共重合体:
    Figure 2010538155
    前記式で、p+q=1である。
  4. 前記レジストは、
    AFMリソグラフィー用レジストまたは電子線リソグラフィー用レジストのうち一つであることを特徴とする請求項1に記載の共重合体。
  5. 下記反応式1によって化学式1のレジスト用共重合体を製造することを特徴とする方法:
    Figure 2010538155
    前記式で、
    ないしR、n、x、y及びzは、請求項1の定義と同一である。
  6. 下記反応式3によって化学式3のレジスト用共重合体を製造することを特徴とする請求項5に記載の方法:
    Figure 2010538155
    前記式で、x+y+z=1である。
  7. 下記反応式2によって化学式2のレジスト用共重合体を製造することを特徴とする方法:
    Figure 2010538155
    前記式で、
    ないしR、n、p及びqは、請求項1の定義と同一である。
  8. 下記反応式4によって化学式4のレジスト用共重合体を製造することを特徴とする請求項7に記載の方法:
    Figure 2010538155
    前記式で、p+q=1である。
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