JP2012516375A - ポリイミドおよびこれを含む感光性樹脂組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、半導体のバッファコーティング(Buffer coating)に適用されるものであり、ポリイミドおよびこれを含む感光性樹脂組成物に関する。
【解決手段】上記ポリイミドは、下記一般式(1)で表されるポリイミド重合体である。なお、本発明は、1) BDA系の70%以上のi-線透過度を有する可溶性ポリイミドと、2) 伸び率が40%以上のポリアミド酸と、3) ノボラック樹脂と、4) ジアゾナフトキノン系感光性物質とを含み、半導体のバッファコーティングの要求特性の高解像度、高感度、優れたフィルム特性および機械的物性を有する感光性樹脂組成物を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、特定構造の酸無水物から由来した有機基を繰り返し単位中に含むポリイミドおよびこれをバインダー樹脂として含むポジ型感光性樹脂組成物に関する。
特に、本発明は、ポリイミド(PI)、ポリアミド酸(polyamic acid、PAA)およびノボラック樹脂を含むアルカリ溶解性感光性樹脂組成物であって、組成物の各成分および組成比を調節することにより、望ましい物性を有する感光性樹脂組成物を提供しようとする。
近年、半導体および液晶表示素子を中心にする半導体素子分野においては、電子素子の高集積化、高密度化、高信頼化、および高速化などの動きが急激に広がることに伴い、加工性と高純度化などが容易な有機材料の利点を利用しようとする研究が活発に進められている。
ポリイミド化合物は、熱安定性に優れ、機械的、電気的、および化学的特性にも優れるので、近年、これを含む感光性樹脂をはじめとする感光性絶縁膜の用途が、半導体のみでなく、ディスプレイ分野にまで拡大している。
ポリイミド重合体は、ジアミン成分と二無水物成分とをN-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)およびジメチルホルムアミド(DMF)のような極性有機溶媒で2段階縮重合させてポリイミド前駆体(polyimide precursor)溶液を得、これをシリコンウェハやガラスなどにコーティングした後、熱処理によって硬化させる方法で製造されることが一般的である。市販の電子材料用ポリイミド製品は、ポリイミド前駆体溶液あるいはポリイミドフィルム状態で供給され、半導体素子分野においては主にポリイミド前駆体溶液状態で供給される。
ポリイミド樹脂は、半導体素子のバッファコーティングフィルムに適用される。
このようなポリイミド樹脂およびこれを含む感光性樹脂組成物についての特許文献は次の通りである。
特許文献1には、脂肪族テトラカルボキシル二無水物から製造されるポリイミド樹脂及びポリアミド酸含有組成物について開示されている。
特許文献2には、ブタンテトラカルボン酸二無水物から製造されるポリイミドについて開示されている。
特許文献3には、片方又は両方の末端に反応性封鎖基を含む可溶性ポリイミドについて開示されている。
特許文献4には、感光性ポリアミド酸オリゴマー構造について開示されている。
上記感光性樹脂組成物に使用できるようにポリイミド樹脂に感光性を付与する方法としては、通常、架橋可能な官能基をポリイミド前駆体に化学的に結合させるか、或いは架橋可能な単量体を混合させる方法が用いられてきた。
例えば、ポリアミド酸や側鎖に酸性基を有するポリアミド酸エステル又はポリイミドにキノンジアジド化合物を添加したもの等がある。しかしながら、上記ポリアミド酸は、アルカリ現像液に対する溶解度が非常に良いため、現像時に膜減少が大きいという問題があり、アミンなどを添加しなければならない。また、側鎖に酸性基を有するポリイミド又はポリアミド酸エステルは、解像性などの面には優れるが、硬化後にも高分子中に酸性基が残っており、最終の硬化膜の吸収率が高まるか、あるいは耐アルカリ性が低下するという問題があった。上記特許文献らは、ポリイミド樹脂又はポリアミド酸について開示されているだけで、本発明が目的とする半導体バッファコーティング用感光性樹脂組成物への使用に適した高感度、高解像度、優れたフィルム特性および機械的物性を有する組成物については言及されていない。
米国特許第6,685,997号明細書 欧州特許第1,736,476号明細書 韓国特許第532,590号公報 韓国公開特許第2005-038109号公報
本発明は、特定構造の酸無水物から製造されるポリイミド系化合物およびこれをバインダー樹脂として含むポジ型感光性樹脂組成物を提供する。特に、上記組成物の各成分を調節することにより、高解像度、高感度および優れたフィルム特性、機械的物性を有する感光性樹脂組成物を提供することを目的とする。
本発明は、70%以上のi-線透過度を示し、重量平均分子量が1,000〜100,000であり、ガラス転移温度が200〜400℃の下記一般式(1)で表されるポリイミドを提供する。
Figure 2012516375
式中、Zは、ブタン-1,2,3,4-テトラカルボン酸二無水物を1〜100モル%含むカルボン酸二無水物およびその誘導体から由来する4価の有機基であり、
繰り返し単位aは1〜150、bは1〜400であり、
およびYは、各々ジアミンから由来する2価の有機基であって、
は、フェノール性水酸基、カルボキシル基又は水酸基を含む2価の有機基であり、
は、2価の脂肪族又は芳香族有機基である。
望ましくは、上記一般式(1)のYは、例えば、
Figure 2012516375
および3,5-ジアミノ安息香酸から由来する2価の有機基からなる群より選ばれる1種以上である。
また、本発明は、上記ポリイミドを含むことを特徴とする感光性樹脂組成物を提供する。
望ましくは、上記組成物は、例えば組成物の固形分(溶媒を除外した部分)100重量部に対し上記ポリイミドを1〜99重量部、ポリアミド酸を0〜60重量部、ノボラック樹脂を0〜50重量部および光活性化合物を1〜50重量部含むものである。
望ましくは、上記ポリアミド酸は、例えば伸び率が40%以上であり、下記一般式(2)で表されるものである。
Figure 2012516375
式中、Zは、酸無水物およびその誘導体から由来する4価の有機基であり、
Figure 2012516375
からなる群より選ばれる1種以上を1〜100モル%含み、
は、ジアミンから由来する2価の有機基であり、
繰り返し単位cは5〜200である。
望ましくは、上記ノボラック樹脂は、例えば4-t-ブチルフェノール、4-t-オクチルフェノール、2-エチルフェノール、3-エチルフェノール、4-エチルフェノール、o-クレゾール、m-クレゾール、p-クレゾール、2,5-キシレノール、3,4-キシレノール、3,5-キシレノール、2,3,5-トリメチルフェノール、3-メチル-6-t-ブチルフェノール、2-ナフトール、1,3-ジヒドロキシナフタレンおよびビスフェノール-Aからなる群より選ばれる1種以上のフェノール化合物と、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒドおよびフェニルアルデヒドからなる群より選ばれる1種以上のアルデヒド化合物とを縮合反応させたものである。
望ましくは、上記光活性化合物(Photoactive compound、PAC)は、例えば、下記一般式(3)で表される化合物から選ばれるものである。
Figure 2012516375
望ましくは、上記組成物は、例えば、組成物100重量部に対し上記固形分を3〜50重量部含むものである。
望ましくは、上記組成物は、例えば、溶解速度、調節剤、増感剤、接着力増強剤および界面活性剤中の1種以上をさらに含むものである。
望ましくは、上記組成物は、例えば組成物100重量部に対し、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、m-クレゾール、γ-ブチロラクトン、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、乳酸エチル、乳酸ブチル、シクロヘキサノン、およびシクロペンタノンからなる群より選ばれる1種以上の溶媒を50〜97重量部含むものである。
なお、本発明は、上記感光性樹脂組成物で製造されたポリイミドフィルムを含むOLED絶縁膜および半導体絶縁膜を提供する。
本発明の感光性樹脂組成物は、半導体バッファコーティング(buffer coating)の要求特性の高解像度、高感度、優れたフィルム特性および機械的物性を有する効果がある。
実施例1の組成物から製造されたパターンの電子顕微鏡写真である。 実施例2の組成物から製造されたパターンの電子顕微鏡写真である。 比較実施例1の組成物から製造されたパターンの電子顕微鏡写真である。
本発明は、ポリイミドおよびこれをバインダー樹脂として含むことを特徴とするポジ型感光性樹脂組成物に関するものである。
上記ポリイミドは、70%以上のi-線透過度を示し、重量平均分子量が1,000〜100,000であり、ガラス転移温度が200〜400℃であるもので、下記一般式(1)で表される。具体的に、上記ポリイミドは、例えばBDA又はその誘導体とジアミンから製造されるものである。
Figure 2012516375
式中、Zは、ブタン-1,2,3,4-テトラカルボン酸二無水物(Butane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydryde、以下'BDA'とする。)を1〜100モル%含むカルボン酸二無水物およびその誘導体から由来する4価の有機基であり、
繰り返し単位aは1〜150、bは1〜400であり、
およびYは各々ジアミンから由来する2価の有機基であって、
は、
Figure 2012516375
および3,5-ジアミノ安息香酸から由来する2価の有機基などフェノール性水酸基、カルボキシル基又は水酸基を含む2価の有機基であり、
は2価の脂肪族又は芳香族有機基である。
一方、上記YおよびYは、側鎖基を含まないことが高解像度およびフィルムの物性向上の面で望ましい。具体的に、側鎖基(side chain)を導入する場合、これにより他の付随的な機能が発揮されることもあるものの、高分子自体の熱安定性、ガラス転移温度(Tg)および機械的物性は低下する恐れがある。高い熱安定性と機械的物性は、電子素材としてのポリイミドに基本的に要求される特性であるため、このような物性の低下を防止するために、上記YおよびYは側鎖基を含まないことが望ましい。
また、本発明は、1) 上記のようなポリイミドと、2) ポリアミド酸と、3) ノボラック(Novolak)樹脂と、4) 光活性化合物とを含む感光性樹脂組成物を提供する。
以下、上記組成物の各成分を詳細に説明する。
1)ポリイミド
前述したように、本発明の感光性樹脂組成物の第1成分のポリイミドは下記一般式(1)で表される。
Figure 2012516375
式中、ZはBDAを1〜100モル%含むカルボン酸二無水物およびその誘導体から由来する4価の有機基であり、
繰り返し単位aは1〜150、bは1〜400であり
およびYは各々ジアミンから由来する2価の有機基であって、
は、
Figure 2012516375
および3,5-ジアミノ安息香酸から由来する2価の有機基などフェノール性水酸基、カルボキシル基又は水酸基を含む2価の有機基であり、
は2価の脂肪族又は芳香族有機基である。
具体的に、上記一般式(1)で表されるポリイミドは、BDA又はその誘導体を含むカルボン酸二無水物(以下、'酸無水物'とする)を2価の有機基Y又はYを含む有機ジアミンと反応させることによって製造できる。
BDAは、ポリイミドに高い透過特性を付与して感光性樹脂組成物が高い解像度と感度を達成できるようにする。そのために、本発明ではBDAを1〜100モル%含む酸無水物からポリイミドを製造し、これを感光性樹脂組成物の1成分として使用する。
一方、上記一般式(1)において置換基Zが由来する酸無水物又はその誘導体としては、BDA以外に、無水ピロメリト酸、3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、2,2-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロイソプロピリデン二無水物、3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4'-ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸無水物、3,3',4,4'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-テトラメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、3,4-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸二無水物、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフリル)-3-メチル-3-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸二無水物、2,3,5-トリカルボキシ-2-シクロペンタン酢酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]オクト-7-エン-2,3,5,6-テトラカルボン酸二無水物、2,3,4,5-テトラヒドロフランテトラカルボン酸二無水物および3,5,6-トリカルボキシ-2-ノルボルナン酢酸二無水物からなる群より選ばれる1種以上の酸無水物およびその誘導体が挙げられる。しかしながら、これに限定されるのではない。
次に、上記一般式(1)において置換基Yは、フェノール性水酸基、カルボキシル基又は水酸基を含む2価の有機基であることを特徴とする。本発明のポリイミドは、感光性樹脂組成物中でバインダー樹脂として使用するために、アルカリ現像液に対する適切な溶解度を有さなければならない。このために、ポリイミド重合においてフェノール性水酸基、カルボキシル基又は水酸基を含むジアミンを使用し、それから由来する2価の有機基として置換基Yを定義する。具体的な例として置換基Yは、例えば
Figure 2012516375
および3,5-ジアミノ安息香酸から由来する2価の有機基からなる群より選ばれる1種以上である。しかしながら、これに限定されず、フェノール性水酸基、カルボキシル基又は水酸基を含む2価の有機基を提供できるジアミンであれば制限なく用いることができる。
次に、上記一般式(1)において置換基Yは、通常のポリイミド重合体の製造に用いられるジアミンから由来するものであり、このようなジアミンとしては、例えば、p-フェニレンジアミン、m-フェニレンジアミン、2,4,6-トリメチル-1,3-フェニレンジアミン、2,3,5,6-テトラメチル-1,4-フェニレンジアミン、4,4'-ジアミノジフェニルエーテル、3,4'-ジアミノジフェニルエーテル、3,3'-ジアミノジフェニルエーテル、4,4'-ジアミノジフェニルスルフィド、4,4'-ジアミノジフェニルメタン、3,4'-ジアミノジフェニルメタン、3,3'-ジアミノジフェニルメタン、4,4'-メチレン-ビス(2-メチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2,6-ジメチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2,6-ジエチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2,6-ジイソプロピルアニリン)、4,4'-ジアミノジフェニルスルホン、3,3'-ジアミノジフェニルスルホン、ベンジジン、o-トリジン、m-トリジン、3,3',5,5'-テトラメチルベンジジン、2,2'-ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3-ビス(3-アミノフェノキシ)ベンゼン、ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、および2,2-ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]プロパンからなる群より選ばれる1種以上の芳香族ジアミンと、1,6-ヘキサンジアミン、1,4-シクロヘキサンジアミン、1,3-シクロヘキサンジアミン、1,4-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、4,4'-ジアミノジシクロヘキシルメタン、および4,4'-ジアミノ-3,3'-ジメチルジシクロヘキシルメタンからなる群より選ばれる1種以上の脂肪族ジアミンとが挙げられ、上記芳香族および脂肪族ジアミンを混合して使用することができる。しかしながら、これに限定されるのではない。
本発明のポリイミドは、酸無水物とジアミンとを反応及び重合させてポリイミド前駆体を作製した後、これに脱水及び閉環させることで得る。上記酸無水物とジアミンとの反応温度は80〜240℃、 望ましくは130〜200℃の範囲内で選択できる。
なお、上記ジアミンと酸無水物との反応時に使用される極性溶媒としては、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、m-クレゾール、γ-ブチロラクトン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)等を単独で若しくは混合して用いる。
このように得られたポリイミドの前駆体のポリアミド酸をメタノール、エタノールなどの溶媒中で沈殿及び分離させて回収して用いる。
上記一般式(1)で表されるポリイミドの重量平均分子量は1,000〜100,000であることが望ましい。また、ガラス転移温度は200〜400℃であることが望ましい。重量平均分子量が1,000未満で非常に低いと、十分な機械的、熱的安定性を発揮できない恐れがあり、100,000を超えて非常に高いと、薄膜コーティングおよび高解像度、高感度を実現し難い。また、ガラス転移温度が200℃未満で非常に低いと、熱的安定性が低下して後続の高熱高圧処理工程での信頼性の確保が難しくなり、400℃を超えて非常に高いと、現像性が低下する恐れがある。なお、上記一般式(1)で表されるポリイミドは、i-線波長での透過率が70%以上であるもので、高感度および高解像度であることを特徴とする。
上記ポリイミドは、本発明の感光性樹脂組成物の固形分成分(溶媒を除外した部分)100重量部に対し1〜99重量部含まれることが望ましい。
2)ポリアミド酸
本発明の感光性樹脂組成物の第2成分のポリアミド酸は、下記一般式(2)で表することができる。
Figure 2012516375
式中、Zは、酸無水物およびその誘導体から由来する4価の有機基であり、
Figure 2012516375
からなる群より選ばれる1種以上を1〜100モル%含み、
はジアミンから由来する2価の有機基であり、
繰り返し単位cは5〜200である。
上記置換基Zは、酸無水物およびその誘導体から由来するものであり、上述したもの以外に、無水ピロメリト酸、3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、2,2-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロイソプロピリデン二無水物、3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、4,4'-ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸無水物、3,3',4,4'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-テトラメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、3,4-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸二無水物、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフリル)-3-メチル-3-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸二無水物、2,3,5-トリカルボキシ-2-シクロペンタン酢酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]オクト-7-エン-2,3,5,6-テトラカルボン酸二無水物、2,3,4,5-テトラヒドロフランテトラカルボン酸二無水物、3,5,6-トリカルボキシ-2-ノルボルナン酢酸二無水物、および1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸二無水物のような脂肪族テトラカルボン酸二無水物からなる群より選ばれる1種以上の酸無水物又はその誘導体から誘導されるものである。
上記置換基Yが由来するジアミンの具体的な例を挙げると、p-フェニレンジアミン、m-フェニレンジアミン、2,4,6-トリメチル-1,3-フェニレンジアミン、2,3,5,6-テトラメチル-1,4-フェニレンジアミン、4,4'-ジアミノジフェニルエーテル、3,4'-ジアミノジフェニルエーテル、3,3'-ジアミノジフェニルエーテル、4,4'-ジアミノジフェニルスルフィド、4,4'-ジアミノジフェニルメタン、3,4'-ジアミノジフェニルメタン、3,3'-ジアミノジフェニルメタン、4,4'-メチレン-ビス(2-メチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2,6-ジメチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2,6-ジエチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)、4,4'-メチレン-ビス(2,6-ジイソプロピルアニリン)、4,4'-ジアミノジフェニルスルホン、3,3'-ジアミノジフェニルスルホン、ベンジジン、o-トリジン、m-トリジン、3,3',5,5'-テトラメチルベンジジン、2,2'-ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3-ビス(3-アミノフェノキシ)ベンゼン、ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、および2,2-ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]プロパンからなる群より選ばれる1種以上の芳香族ジアミンと、
1,6-ヘキサンジアミン、1,4-シクロヘキサンジアミン、1,3-シクロヘキサンジアミン、1,4-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、4,4'-ジアミノジシクロヘキシルメタン、および4,4'-ジアミノ-3,3'-ジメチルジシクロヘキシルメタンからなる群より選ばれる1種以上の脂肪族ジアミンとが挙げられ、上記芳香族および脂肪族ジアミンを混合して用いることができる。
上記一般式(2)で表されるポリアミド酸は、置換基Zが由来する酸無水物と置換基Yが由来するジアミンとを反応させて得ることができる。
上記酸無水物とジアミンとからポリアミド酸を得る方法は、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、m-クレゾール、γ-ブチルラクトンなどを単独で若しくは混合して用いた極性溶媒の中で反応温度−20〜150℃、 望ましくは−5〜100℃で反応させる。
上記一般式(2)で表されるポリアミド酸の繰り返し単位cは5〜200であることが望ましい。
上記一般式(2)で表されるポリアミド酸は、伸び率が40%以上であることが望ましいが、これは、半導体の製造時に加えられる熱的又は機械的ストレス(stress)による半導体素子の変形および破損を減少させ、半導体素子の信頼性を向上させるためである。
上記ポリアミド酸は、本発明の感光性樹脂組成物の固形分成分(溶媒を除外した部分)100重量部に対し0〜60重量部含まれることが望ましい。
一方、上記ポリイミド又はポリアミド酸は、片方又は両方の末端に反応性封鎖基を種類に関係なく含むことができる。上記反応性封鎖基は、ポリイミド又はポリアミド酸の製造過程で、反応性官能基を有した単量体、例えば、炭素-炭素二重結合を有するモノアミン化合物又はモノ無水物化合物を投入することによって導入される。上記反応性官能基を有した単量体を投入する場合、ポリイミド又はポリアミド酸の分子量を所望の範囲に調節でき、最終の樹脂組成物の粘度を低くすることができ、パターン工程後硬化段階では、末端封鎖基間に架橋が形成されて、収得されるフィルム分子量が急激に増加してフィルムの物性を大きく向上させることができる。本発明では、上記反応性官能基を有した単量体は、全体酸無水物又はジアミンの1〜50モル%の範囲で使用できる。
3)ノボラック樹脂
本発明の感光性樹脂組成物の第3成分のノボラック樹脂は、感光性樹脂組成物の解像度および感度を調節するためのものである。
本発明のノボラック樹脂は、アルカリ可溶性基を有したものであって、フェノールとアルデヒドとの縮合反応により得られる。上記フェノール類としては、フェノール、4-t-ブチルフェノール、4-t-オクチルフェノール、2-エチルフェノール、3-エチルフェノール、4-エチルフェノール、o-クレゾール、m-クレゾール、p-クレゾール、2,5-キシレノール、3,4-キシレノール、3,5-キシレノール、2,3,5-トリメチルフェノール、3-メチル-6-t-ブチルフェノール、2-ナフトール、1,3-ジヒドロキシナフタレン又はビスフェノール-Aなどを使用し、アルデヒド類としては、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド又はフェニルアルデヒドなどを使用するが、これらのフェノール類とアルデヒド類とは、各々単独で若しくは2種以上を混合して用いることができる。これらの縮合反応に用いる触媒は、シュウ酸、p-トルエンスルホン酸又はトリクロロ酢酸などの有機酸又は硫酸、塩酸、燐酸などの無機酸又は塩化亜鉛、塩化アルミニウム、酢酸マグネシウム又は酢酸亜鉛などの金属塩を用いることができる。本発明の感光性樹脂組成物として用いられるノボラック樹脂の分子量は、ポリスチレン換算基準に重量平均分子量2,500〜15,000範囲の製品を使用することが望ましい。分子量が2,500未満であると過現像となる恐れがあり、分子量が15,000を超えるとコーティング性が保障できなく、また、未現像となる恐れがあるためである。
上記ノボラック樹脂は、感光性樹脂組成物の固形分成分(溶媒を除外した部分)100重量部に対し0〜50重量部を添加することが望ましい。
4)光活性化合物
本発明の感光性樹脂組成物の第4成分の光活性化合物は、光を受けると酸を発生させることができる化合物であって、光反応によって酸を発生させて光照射部のアルカリ現像液に対する溶解性を高める機能をするものであれば特に限定されない。これらは1種又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。
具体的な例を挙げると、o-キノンジアジド化合物、アリルジアゾニウム塩、ジアリルヨードニウム塩、トリアリルスルホニウム塩、o-ニトロベンジルエステル、p-ニトロベンジルエステル、トリハロメチル基置換s-トリアジン誘導体、イミドスルホネート誘導体などを用いることができる。
その中でも感度や解像度の面でo-キノンジアジド化合物が望ましい。
通常,o-キノンジアジド化合物は、o-キノンジアジドスルホニルクロリドと水酸基とを有する化合物又はアミノ基を有する化合物を塩基性触媒の存在下で縮合反応することによって得られるo-キノンジアジドスルホン酸エステル又はo-キノンジアジドスルホンアミドとして用いられる。
特に下記一般式(3)で表される化合物から選択して用いることが望ましい。
Figure 2012516375
上記光活性化合物は、本発明の感光性樹脂組成物の固形分成分(溶媒を除外した部分) 100重量部に対し1〜50重量部含まれることが望ましい。
本発明の感光性樹脂組成物に含まれる固形分成分は組成物100重量部に対して3〜50重量部であることが望ましい。上記固形分成分が3重量部未満であると基板との密着性が低下し、均一なコーティング性および所望の膜厚を得難しいという問題点があり、50重量部を超えると必要以上に高粘度となり、コーティング時に滑らかな表面を得ることができなく、所望の厚さへの実現に問題が生じて液製造時に均一な混合を形成し難くなるので、微細パターンを形成するための物性の実現が難しい可能性がある。
一方、本発明の感光性樹脂組成物に使用される溶媒は、上記ポリイミド、ポリアミド酸、ノボラック樹脂などの高分子化合物を溶解させることができるものあれば特に限定されない。具体的な例を挙げると、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、m-クレゾール、γ-ブチロラクトン、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、乳酸エチル、乳酸ブチル、シクロヘキサノン、およびシクロペンタノンからなる群より選ばれる1種以上である。
本発明の感光性樹脂組成物は、以上で言及した成分の他にも溶解速度調節剤、増感剤、接着力増強剤、界面活性剤などのその他添加剤をさらに含むことができる。
上記のような具体的な組成を有する本発明のポジ型感光性樹脂組成物は、ガラス基板などの基材上にスピンコーティング、スリットスピンコーティング、ロールコーティング、ダイコーティング、カーテンコーティングなどの通常の方法により塗布し、露光および現像工程を経て形成させる。露光および現像工程も通常の感光性樹脂組成物を利用した感光層の形成時に用いられる方法が採用され、特に限定されない。
上記露光工程において、上記光照射手段から照射される光としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、電磁波、紫外線から可視光、電子線、X線、レーザ光などが挙げられる。
上記光照射手段による光照射方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択でき、例えば、高圧水銀灯、キセノン灯、カーボンアーク灯、ハロゲンランプ、コピー機用冷陰極管、LED、半導体レーザなどの公知の光源による照射方法が挙げられる。
上記現像工程は、露光工程によって露光された領域を現像液で除去することにより、パターンを形成する工程である。上記現像液としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物あるいは炭酸塩、炭酸水素塩、アンモニア水、4級アンモニウム塩の水溶液などが望ましい。これらの中でも、TMAH(Tetramethylammonium hydroxide)水溶液が特に望ましい。
上記現像液は、界面活性剤、消泡剤、有機塩基(例えば、ベンジルアミン、エチレンジアミン、エタノールアミン、水酸化テトラメチルアンモニウム、ジエチレントリアミン、トリエチレンペンタミン、モルホリン、トリエタノールアミンなど)や、現像を促進させるために有機溶剤(例えば、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、アミド類、ラクトン類など)等と併用しても良い。また、前記現像液は、水またはアルカリ水溶液と有機溶剤を混合した水系現像液であっても良く、有機溶剤の単独であっても良い。
全体的な工程は、本発明の感光性樹脂組成物をガラスにスピンコーティング(spin coating)し、約100℃で2分間前熱処理(prebake)を行ってフィルムを形成させる。上記フィルムをフォトマスク(photomask)を用いて高圧水銀ランプ(high-pressure mercury lamp)下で100〜200mJ/cmのエネルギーで露光させた後、パターンをTMAH水溶液を用いて現像し、脱イオン水で洗浄する。その後、200〜350℃で約30〜60分間後熱処理(postbake)を行ってパターンを得る。
このように得られた感光性フィルムの厚さは、目的により変わり、1〜20μmが望ましいが、これに限定されない。
本発明の感光性樹脂組成物は、高感度、高解像度のポジ型感光特性を有し、また、アルカリ水溶液によるエッチングが容易であり、所定のパターンを有するマスクを使用して露光することから、微細形状、且つ寸法精度が高いリリーフパターンを有する感光性フィルムを容易に得ることができる。
本発明のポジ型感光性樹脂組成物は、半導体素子の層間絶縁膜、パッシベーション膜、バッファコート膜、多層プリント基板用絶縁膜、OLEDの絶縁膜のみでなく、液晶表示素子の薄膜トランジスタの保護膜、有機EL素子の電極保護膜、半導体保護膜などに用いるのに望ましい。
以下、本発明を実施例に基づいてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
[合成例1:一般式(1)で表されるポリイミドの製造]
100mLの丸底フラスコに、2,2-ビス(3-アミノ-4-ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン11.0gとγ-ブチロラクトン40gとを順次投入し、ゆっくり撹はんして完全に溶解させた後、上記フラスコを水浴(water bath)で室温に維持しながら、ブタン-1,2,3,4-テトラカルボン酸二無水物5.9gをゆっくり添加した。上記混合溶液を16時間室温で撹はんした後、7gのトルエンを入れてディーン-スターク蒸留装置(dean-stark distillation)により水を除去できるように設けた後140℃で3時間還流させた。この溶液を室温に冷却させ、メタノール:水=1:4の混合液にゆっくり入れて固形化させた後、40℃の真空乾燥オーブンで一日乾燥させて14gのポリイミド樹脂を得た。
IRにてポリイミドの生成ピークを確認し、GPCにより測定された上記ポリイミド樹脂の重量平均分子量は40,000であり、多分散指数(poly disperse index、PDI)は1.5であることが確認された。
[合成例2:一般式(2)で表されるポリアミド酸の製造]
1Lの丸底ジャケット反応器に、4,4'-オキシジアニリン73.3g、およびγ-ブチロラクトン300gを順次投入し、ゆっくり撹はんして完全に溶解させた後、反応器のジャケット温度を20℃に維持しながら、3,3',4,4'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物55.8gをゆっくり添加して撹はんさせた。上記混合溶液を2時間撹はんして十分に反応させた後、16時間室温でさらに撹はんさせてポリアミド酸を製造した。
IRにてポリアミド酸生成ピークを確認し、GPCにより測定された上記ポリイミド樹脂の重量平均分子量は50,000であり、多分散指数は1.6であることが確認された。
[実施例1:感光性樹脂組成物の製造例(ポリイミド組成物)]
上記合成例1で合成した溶解性ポリイミド1.6gに、光活性化合物としてジアゾナフトキノンエステル化合物(TPPA 320:OD/(OD+OH)=2/3の割合によってOHおよびODのうち選択的に与えられる。)0.5g、溶媒γ-ブチロラクトン(GBL)4gを加えて室温で1時間撹はんさせた後、これを細孔の大きさ1μmのフィルタで濾過して感光性樹脂組成物を製造した。
[実施例2:感光性樹脂組成物の製造例(ポリイミド/ポリアミド酸の混合)]
上記合成例1で合成した溶解性ポリイミド8.2gと合成例2で合成したポリアミド酸27.5gとを混合して混合物溶液を製造した。その後、上記混合物溶液に光活性化合物としてジアゾナフトキノンエステル化合物(TPPA 320:OD/(OD+OH)=2/3の割合によってOHおよびODのうち選択的に与えられる。)4.7g、溶媒γ-ブチロラクトン(GBL)18gを加えて室温で1時間撹はんさせた後、これを細孔の大きさ1μmのフィルタで濾過して感光性樹脂組成物を製造した。
[実施例3:感光性樹脂組成物の製造例(ポリイミド/ノボラックの混合)]
上記合成例1で合成した溶解性ポリイミド2gとm-Cresol:p-Cresol=6:4であり、分子量6,000のNovolak0.5gとを混合し、ここに光活性化合物としてジアゾナフトキノンエステル化合物(TPPA 320:OD/(OD+OH)=2/3の割合によってOHおよびODのうち選択的に与えられる。)0.5g、溶媒γ-ブチロラクトン(GBL)5.5gを加えて室温で1時間撹はんさせた後、これを細孔の大きさ1μmのフィルタで濾過して感光性樹脂組成物を製造した。
[実施例4:感光性樹脂組成物の製造例(ポリイミド/ポリアミド酸/ノボラックの混合)]
上記合成例1で合成した溶解性ポリイミド4gと合成例2で合成したポリアミド酸4.3gとを混合して混合物溶液を製造した。その後、上記混合物溶液にm-Cresol:p-Cresol=6:4であり、分子量6,000のNovolak1.4gを混合し、ここに光活性化合物としてジアゾナフトキノンエステル化合物(TPPA 320:OD/(OD+OH)=2/3の割合によってOHおよびODのうち選択的に与えられる。)0.7g、溶媒γ-ブチロラクトン(GBL)13.7gを加えて室温で1時間撹はんさせた後、これを細孔の大きさ1μmのフィルタで濾過して感光性樹脂組成物を製造した。
[比較合成例1]
100mLの丸底フラスコに、2,2-ビス(3-アミノ-4-ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン11.0gとγ-ブチロラクトン40gとを順次投入し、ゆっくり撹はんして完全に溶解させた後、上記フラスコを水浴で室温に維持しながら、3,4',4,4'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物9.7gをゆっくり添加した。上記混合溶液を16時間室温で撹はんした後、7gのトルエンを入れてディーン-スターク蒸留装置により水を除去できるように設け、140℃で3時間還流させた。この溶液を室温に冷却させ、メタノール:水=1:4の混合液にゆっくり入れて固形化させた後、40℃の真空乾燥オーブンで一日間乾燥させて16gの溶解性ポリイミド樹脂を得た。
IRにてポリイミドの生成ピークを確認し、GPCにより測定された上記ポリイミド樹脂の重量平均分子量は40,000であり、多分散指数は1.5と確認された。
[比較合成例2]
100mLの丸底フラスコに、1,1-ビス[4-(4-アミノフェニル)メチルフェニル]-4-N-ブチルシクロヘキサン6g、1,1-ビス(4-アミノフェノキシ)フェニル-4-(4-ペンチルシクロヘキシル)シクロヘキサン5gとγ-ブチロラクトン40gとを順次投入し、ゆっくり撹はんして完全に溶解させた後、上記フラスコを水浴で室温に維持しながら、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物9.7gをゆっくり添加した。上記混合溶液を16時間室温で撹はんした後、7gのトルエンを入れてディーン-スターク蒸留装置により水を除去できるように設けた後、140℃で3時間還流させた。この溶液を室温に冷却させ、メタノール:水=1:4の混合液にゆっくり入れて固形化させた後、40℃の真空乾燥オーブンで一日間乾燥させて16gの側鎖基を含んだ溶解性ポリイミド樹脂を得た。
IRにてポリイミドの生成ピークを確認し、GPCにより測定された上記ポリイミド樹脂の重量平均分子量は40,000であり、多分散指数は1.5であることが確認された。
[比較例1:感光性樹脂組成物の製造例(ポリイミド組成物)]
上記比較合成例1で合成した溶解性ポリイミド1.6gに、光活性化合物としてジアゾナフトキノンエステル化合物(TPPA 320:OD/(OD+OH)=2/3の割合によってOHおよびODのうち選択的に与えられる。)0.5g、溶媒γ-ブチロラクトン(GBL)4gとを加えて室温で1時間撹はんさせた後、これを細孔の大きさ1μmのフィルタで濾過して感光性樹脂組成物を製造した。
[比較例2:感光性樹脂組成物の製造例(ポリイミド組成物)]
上記比較合成例2で合成した溶解性ポリイミド1.6gに、光活性化合物としてジアゾナフトキノンエステル化合物(TPPA 320:OD/(OD+OH)=2/3の割合によってOHおよびODのうち選択的に与えられる。)0.5g、溶媒γ-ブチロラクトン(GBL)4gとを加えて室温で1時間撹はんさせた後、これを細孔の大きさ1μmのフィルタで濾過して感光性樹脂組成物を製造した。
[実験例]
1.解像力の評価
4インチのシリコンウェハに上記実施例および比較例で製造された感光性樹脂組成物をスピンコーティングし、ホットプレート上で120℃で2分間加熱して、15μm厚さの感光性フィルムを形成させた。フォトマスクに上記前熱処理を完了したシリコンウェハを真空密着させた後、G-lineステッパーNikon NSR1505 G4で20mJ/cmから5mJ/cmの間隔で600mJ/cmまで順次露光を行った。2.38wt%の水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液に23℃で80秒間現像した後、超純水で60秒間洗浄および乾燥して非露光部が鮮明に残っているパターンを得た。このように、パターン化されたシリコンウェハを窒素気流下、ホットプレート上で室温から始まって180℃になるまで約30分間徐々に加熱し、次いで180℃で60分間維持した後、300℃になるまで30分間徐々に加熱した後、300℃で60分間維持して熱処理を行った。
実施例1および2の組成物から完成されたフィルムは、厚さが10μmであり、パターンの最小線間幅が3μmと優れた解像度を示した。その反面、比較例1の組成物から完成されたフィルムは、最小線間幅が20μmであって、本発明の組成物と比較すると、解像度が低下し、比較例2の場合にも同様に実施例より解像度が低下したことを確認することができた。
図1は、実施例1の感光性樹脂組成物から製造されたパターンの電子顕微鏡写真であり、3μmの孔パターンが実現されたことを確認できる。
図2は、実施例2の感光性樹脂組成物から製造されたパターンの電子顕微鏡写真であり、ポリアミド酸の混合時にも3μmの孔パターンが実現されたことを確認できる。
図3は、比較例1の感光性樹脂組成物から製造されたパターンの電子顕微鏡写真であり、孔パターンが完全に開けられず、20μmのラインパターンが実現されたことを確認できる。
2.フィルムの物性評価
上記実施例および比較例で製造された感光性樹脂組成物をガラス板上にスピンコーティングし、窒素気流下、ホットプレート上で180℃で60分、300℃で60分間順次熱処理して厚さ10μmのフィルムを形成した後、オートクレーブで125℃、2.3atmの条件下で30分間加圧蒸気処理(pressure cooking treatment:PCT)工程を行って、上記フィルムをガラス板から剥離させた。剥離されたフィルムを幅1cm、長さ8cmの試験片の大きさで切断して引張特性を測定し、その結果を次の表1に示す。
Figure 2012516375
上記表1から明らかなように、本発明によるポリイミドを感光性樹脂組成物中のバインダー樹脂として使用した実施例1の場合、比較例に比べて引張強度をはじめとする機械的物性にも優れたことを確認できる。また、ポリアミド酸又はポリアミド酸とノボラック樹脂とをポリイミドと共に混合してバインダー樹脂として使用した実施例2、4の場合、機械的物性のさらに向上したパターンの形成が可能であることを確認できた。

Claims (12)

  1. 70%以上のi-線透過度を示し、重量平均分子量が1,000〜100,000であり、ガラス転移温度が200〜400℃の下記一般式(1)で表されるポリイミド。
    Figure 2012516375
    式中、Zは、ブタン-1,2,3,4-テトラカルボン酸二無水物を1〜100モル%含むカルボン酸二無水物およびその誘導体から由来する4価の有機基であり、
    繰り返し単位aは1〜150、bは1〜400であり、
    およびYは各々ジアミンから由来する2価の有機基であって、
    は、フェノール性水酸基、カルボキシル基又は水酸基を含む2価の有機基であり、
    は2価の脂肪族又は芳香族有機基である。
  2. 上記一般式(1)のYは、
    Figure 2012516375
    および3,5-ジアミノ安息香酸から由来する2価の有機基からなる群より選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1に記載のポリイミド。
  3. 請求項1に記載のポリイミドを含むことを特徴とする感光性樹脂組成物。
  4. 上記組成物の固形分(溶媒を除外した部分)100重量部に対し上記ポリイミドを1〜99重量部、ポリアミド酸を0〜60重量部、ノボラック樹脂を0〜50重量部および光活性化合物を1〜50重量部含むことを特徴とする請求項3に記載の感光性樹脂組成物。
  5. 上記ポリアミド酸は、伸び率が40%以上であり、下記一般式(2)で表されることを特徴とする請求項4に記載の感光性樹脂組成物。
    Figure 2012516375
    式中、Zは、酸無水物およびその誘導体から由来する4価の有機基であり、
    Figure 2012516375
    からなる群より選ばれる1種以上を1〜100モル%含み、
    はジアミンから由来する2価の有機基であり、
    繰り返し単位cは5〜200である。
  6. 上記ノボラック樹脂は、4-t-ブチルフェノール、4-t-オクチルフェノール、2-エチルフェノール、3-エチルフェノール、4-エチルフェノール、o-クレゾール、m-クレゾール、p-クレゾール、2,5-キシレノール、3,4-キシレノール、3,5-キシレノール、2,3,5-トリメチルフェノール、3-メチル-6-t-ブチルフェノール、2-ナフトール、1,3-ジヒドロキシナフタレンおよびビスフェノール-Aからなる群より選ばれる1種以上のフェノール化合物と、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒドおよびフェニルアルデヒドからなる群より選ばれる1種以上のアルデヒド化合物とを縮合反応させることを特徴とする請求項4に記載の感光性樹脂組成物。
  7. 上記光活性化合物は下記一般式(3)で表される化合物から選択されることを特徴とする請求項4に記載の感光性樹脂組成物。
    Figure 2012516375
  8. 上記組成物100重量部に対し上記固形分を3〜50重量部含むことを特徴とする請求項4に記載の感光性樹脂組成物。
  9. 溶解速度調節剤、増感剤、接着力増強剤よび界面活性剤中の1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の感光性樹脂組成物。
  10. 上記組成物100重量部に対しN,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、m-クレゾール、γ-ブチロラクトン、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、乳酸エチル、乳酸ブチル、シクロヘキサノン、およびシクロペンタノンからなる群より選ばれる1種以上の溶媒を50〜97重量部含むことを特徴とする請求項1〜9のうちいずれか1項に記載の感光性樹脂組成物。
  11. 請求項10に記載の感光性樹脂組成物で製造されたポリイミドフィルムを含むOLED絶縁膜。
  12. 請求項10に記載の感光性樹脂組成物で製造されたポリイミドフィルムを含む半導体絶縁膜。
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