JP2014141585A - 熱架橋促進剤、これを含有するポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物、及びこれを用いたパターン形成方法 - Google Patents

熱架橋促進剤、これを含有するポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物、及びこれを用いたパターン形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、上層レジストとのエッチング選択性を改善し、従来のケイ素含有レジスト下層膜を使用した場合よりもより微細なパターンにおいてもエッチング後のパターン形状を改善する熱架橋促進剤を提供する。
【解決手段】ポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤であって、下記一般式(A−1)で示されるものであることを特徴とするポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤。
Figure 2014141585

(R11、R12、R13、R14はそれぞれ、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基等、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基等を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基等で置換されてもよい。a、b、c、dは0〜5の整数。a、b、c、dが2以上の場合は、R11、R12、R13、R14が環状構造を形成してもよい。Lはリチウム等である。)
【選択図】なし

Description

本発明は、熱架橋促進剤、これを含有するポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物、及びこれを用いたパターン形成方法に関する。
レジストパターン形成の際に使用する露光光として、1980年代には水銀灯のg線(436nm)もしくはi線(365nm)を光源とする光露光が広く用いられた。更なる微細化のための手段として、露光波長を短波長化する方法が有効とされ、1990年代の64Mビット(加工寸法が0.25μm以下)DRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー)以降の量産プロセスには、露光光源としてi線(365nm)に代わって短波長のKrFエキシマレーザー(248nm)が利用された。しかし、更に微細な加工技術(加工寸法が0.2μm以下)を必要とする集積度256M及び1G以上のDRAMの製造には、より短波長の光源が必要とされ、10年ほど前からArFエキシマレーザー(193nm)を用いたフォトリソグラフィーが本格的に検討されてきた。
当初ArFリソグラフィーは180nmノードのデバイス作製から適用されるはずであったが、KrFエキシマリソグラフィーは130nmノードデバイス量産まで延命され、ArFリソグラフィーの本格適用は90nmノードからである。更に、NAを0.9にまで高めたレンズと組み合わせて65nmノードデバイスの量産が行われている。次の45nmノードデバイスには露光波長の短波長化が推し進められ、波長157nmのFリソグラフィーが候補に挙がった。
しかしながら、投影レンズに高価なCaF単結晶を大量に用いることによるスキャナーのコストアップ、ソフトペリクルの耐久性が極めて低いためのハードペリクル導入に伴う光学系の変更、レジスト膜のエッチング耐性低下等の種々問題により、Fリソグラフィーの開発が中止され、ArF液浸リソグラフィーが導入された。
ArF液浸リソグラフィーにおいては、投影レンズとウエハーの間に屈折率1.44の水がパーシャルフィル方式によって挿入され、これによって高速スキャンが可能となり、NA1.3級のレンズによって45nmノードデバイスの量産が行われている。
32nmノードのリソグラフィー技術としては、波長13.5nmの真空紫外光(EUV)リソグラフィーが候補に挙げられている。EUVリソグラフィーの問題点としてはレーザーの高出力化、レジスト膜の高感度化、高解像度化、低ラインエッジラフネス(LER)化、無欠陥MoSi積層マスク、反射ミラーの低収差化等が挙げられ、克服すべき問題が山積している。
32nmノードのもう一つの候補の高屈折率液浸リソグラフィーは、高屈折率レンズ候補であるLUAGの透過率が低いことと、液体の屈折率が目標の1.8に届かなかったことによって開発が中止された。
以上のように、汎用技術として用いられている光露光では、光源の波長に由来する本質的な解像度の限界に近づきつつある。そこで、近年、従来のアルカリ現像によるポジティブトーンによるパターン形成では達成できない非常に微細なホールパターンを、有機溶剤現像によるネガティブトーンによってパターン形成する有機溶剤現像が再び脚光を浴びている。これは、解像性の高いポジ型レジスト組成物を用いて有機溶剤現像によりネガパターンを形成するプロセスである。更に、アルカリ現像と有機溶剤現像の2回の現像を組み合わせることにより、2倍の解像力を得る検討も進められている(特許文献1〜3)。
このようなリソグラフィーパターンを基板に転写する方法の一つとして、多層レジスト法がある。この方法は、フォトレジスト膜、即ちレジスト上層膜とエッチング選択性が異なる中間膜、例えばケイ素含有レジスト下層膜をレジスト上層膜と被加工基板の間に介在させ、レジスト上層膜にパターンを得た後、上層レジストパターンをドライエッチングマスクとして、ドライエッチングによりレジスト下層膜にパターンを転写し、更にレジスト下層膜をドライエッチングマスクとして、ドライエッチングにより被加工基板にパターンを転写する方法である。
この様な多層レジスト法で使用されるものとして、ケイ素含有膜形成用組成物がよく知られている。例えば、CVDによるケイ素含有無機膜、例えばSiO膜(例えば、特許文献4等)やSiON膜(例えば、特許文献5等)、回転塗布により膜を得られるものとしては、SOG(スピンオンガラス)膜(例えば、特許文献6等)や架橋性シルセスキオキサン膜(例えば、特許文献7等)等がある。
特開2008−281974号公報 特開2008−281980号公報 特開2009−53657号公報 特開平7−183194号公報 特開平7−181688号公報 特開2007−302873号公報 特表2005−520354号公報
本発明者らは、これまでケイ素含有レジスト下層膜形成用組成物のリソグラフィー特性や安定性について鋭意検討し、特許公報4716037号に示されているような熱架橋促進剤を含有するケイ素含有レジスト下層膜形成用組成物を提供することで、エッチング選択性と保存安定性が良好なケイ素含有レジスト下層膜を提供することが出来た。
しかしながら、半導体装置の微細化が更に進行し、上層レジストパターンの倒れを防止するため、上層レジストは薄膜化している。そのため、レジスト下層膜に要求される性能として、従来より膜厚の薄い上層レジストパターンにおいても、エッチング選択性の改善が求められるようになった。
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、更に上層レジストとのエッチング選択性を改善し、従来のケイ素含有レジスト下層膜を使用した場合よりもより微細なパターンにおいてもエッチング後のパターン形状を改善する熱架橋促進剤を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
ポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤であって、
下記一般式(A−1)で示されるものであることを特徴とするポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤を提供する。
Figure 2014141585
(R11、R12、R13、R14はそれぞれ、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、ハロゲン原子、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。a、b、c、dは0〜5の整数である。また、a、b、c、dが2以上の場合は、R11、R12、R13、R14が環状構造を形成してもよい。Lはリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビシウム、セシウムまたは下記一般式(A−2)、(A−3)、(A−4)または(A−5)で表される対向イオンである。)
Figure 2014141585
(式中、R21、R22、R23、R24はそれぞれ炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。また、R21とR22、R21とR22とR23とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R21とR22及びR21とR22とR23は炭素数3〜10のアルキレン基を示す。R31、R32、R33は、R21、R22、R23、R24と同様であるか、水素原子であってもよい。R32とR33とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R32、R33はそれぞれ炭素数1〜6のアルキレン基を示す。)
このような熱架橋促進剤を、例えばポリシロキサン含有レジスト下層膜に用いることで、その上に形成されたフォトレジストパターンに対しては良好な密着性を示し、また上部に形成されたレジストパターンと下部に形成された、例えば有機膜の両方に対しては高いエッチング選択性を示すので、形成されたフォトレジストパターンをポリシロキサン含有レジスト下層膜、有機下層膜の順にドライエッチングプロセスを用いて転写する際に、良好なパターン形状でパターンを転写することができる。これにより、最終的には、上層レジストで形成されたパターンを基板に高い精度で転写することができる。
また、本発明の熱架橋促進剤およびポリシロキサンを含有することを特徴とするポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物を提供する。
このようなポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物であれば、ポリシロキサン含有レジスト下層膜上に形成されたレジストパターンとの密着性が良好であり、ポリシロキサン含有レジスト下層膜の上層であるフォトレジスト膜と下層である、例えば有機膜との間で良好なドライエッチング選択性を有するものとなる。
このとき、前記ポリシロキサンが下記一般式(B−1)で示される化合物、これの加水分解物、これの縮合物、これの加水分解縮合物、のうち1つ以上を含有することを特徴とするポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物であることが好ましい。
1B B12B B23B B3Si(OR0B(4−B1−B2−B3) (B−1)
(式中、R0Bは炭素数1〜6の炭化水素基であり、R1B、R2B、R3Bは水素原子または1価の有機基である。また、B1、B2、B3は0又は1であり、0≦B1+B2+B3≦3である。)
このようなポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物であれば、前記密着性及び前記ドライエッチング選択性が更に優れたものになるため好ましい。
また、被加工体上に塗布型有機下層膜材料を用いて有機下層膜を形成し、該有機下層膜の上に本発明のポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物を用いてポリシロキサン含有レジスト下層膜を形成し、該ポリシロキサン含有レジスト下層膜上にレジストパターンを形成し、該パターンが形成されたレジスト膜をマスクにして前記レジスト下層膜にドライエッチングでパターン転写し、該パターンが転写されたレジスト下層膜をマスクにして前記有機下層膜をドライエッチングでパターン転写し、さらに該パターンが転写された有機下層膜をマスクにして前記被加工体にドライエッチングでパターンを転写することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
さらに、被加工体上に炭素を主成分とする有機ハードマスクをCVD法で形成し、該有機ハードマスクの上に本発明のポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物を用いてポリシロキサン含有レジスト下層膜を形成し、該ポリシロキサン含有レジスト下層膜上にレジストパターンを形成し、該パターンが形成されたレジスト膜をマスクにして前記レジスト下層膜にドライエッチングでパターン転写し、該パターンが転写されたレジスト下層膜をマスクにして前記有機ハードマスクをドライエッチングでパターン転写し、さらに該パターンが転写された有機ハードマスクをマスクにして前記被加工体にドライエッチングでパターンを転写することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
このように本発明の組成物を用いた3層レジスト法によるパターン形成方法であれば、基板に微細なパターンを高精度で形成することができる。
またこのとき、前記被加工体が、半導体装置基板、金属膜、金属炭化膜、金属酸化膜、金属窒化膜、金属酸化炭化膜または金属酸化窒化膜であることが好ましい。
またこのとき、前記被加工体を構成する金属がケイ素、チタン、タングステン、ハフニウム、ジルコニウム、クロム、ゲルマニウム、銅、アルミニウム、インジウム、ガリウム、ヒ素、パラジウム、鉄、タンタル、イリジウム、モリブデンまたはこれらの合金であることが好ましい。
またこのとき、誘導自己組織化法(DSA法)またはナノインプリンティングリソグラフィー法でレジストパターンを形成することが好ましい。
これらを用いたパターン形成方法であれば、さらに基板に微細なパターンを高精度で形成することができる。
またこのとき、前記レジストパターンの形成は、化学増幅型レジスト組成物を用いてフォトレジスト膜を形成し、加熱処理後に高エネルギー線で前記フォトレジスト膜を露光し、アルカリ現像液を用いて前記フォトレジスト膜の露光部を溶解させてポジ型パターンを形成してもよい。
またこのとき、前記レジストパターンの形成は、化学増幅型レジスト組成物を用いてフォトレジスト膜を形成し、加熱処理後に高エネルギー線で前記フォトレジスト膜を露光し、有機溶剤の現像液を用いて前記フォトレジスト膜の未露光部を溶解させることによりネガ型パターンを形成してもよい。
このようにすれば、微細なポジ型パターン、ネガ型パターンを高精度で形成することができる。
またこのとき、前記高エネルギー線を用いるリソグラフィー法が300nm以下の光を用いたリソグラフィー法、EUV光を用いたリソグラフィー法または電子線直接描画法であることが好ましい。
このように本発明は、波長が300nm以下の光を用いるリソグラフィーにより微細なパターンを高精度で形成するのに最適である。
本発明のポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤であれば、例えばポリシロキサン含有レジスト下層膜に用いることで、その上に形成されたフォトレジストパターンに対しては良好な密着性を示し、また上部に形成されたレジストパターンと下部に形成された、例えば有機膜との両方に対して高いエッチング選択性を示すので、形成されたフォトレジストパターンをポリシロキサン含有レジスト下層膜、有機下層膜の順にドライエッチングプロセスを用いて転写する際に、良好なパターン形状でパターンを転写することができる。これにより、最終的には、上層レジストで形成されたパターンを基板に高い精度で転写することができる。
以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の熱架橋促進剤として使用される下記一般式(A−1)で示される化合物のアニオン部分は、下記構造(A−1a)で表される。
Figure 2014141585
Figure 2014141585
(R11、R12、R13、R14はそれぞれ、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、ハロゲン原子、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。a、b、c、dは0〜5の整数である。また、a、b、c、dが2以上の場合は、R11、R12、R13、R14が環状構造を形成してもよい。)
具体的には、以下のものを例示できる。
Figure 2014141585
前記一般式(A−1)で示される化合物のカチオン部分は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビシウム、セシウムまたは下記一般式(A−2)、(A−3)、(A−4)または(A−5)で表される対向イオンである。
(A−2)として、以下のものを使用する。
Figure 2014141585
(式中、R21、R22、R23、R24はそれぞれ炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。また、R21とR22、R21とR22とR23とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R21とR22及びR21とR22とR23は炭素数3〜10のアルキレン基を示す。)
具体的には、以下の構造を例示できる。
Figure 2014141585
Figure 2014141585
(A−3)として、以下のものを使用する。
Figure 2014141585
(R21〜R24については、前記(A−2)と同様である。)
具体的には、以下のものを例示できる。
Figure 2014141585
(A−4)として、以下のものを使用する。
Figure 2014141585
(R31〜R33は、前記(A−2)に記載のR21〜R24と同様であるか、水素原子であってもよい。R32とR33とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R32、R33はそれぞれ炭素数1〜6のアルキレン基を示す。)
具体的には、以下のものを例示できる。
Figure 2014141585
(A−5)として、以下のものを使用する。
Figure 2014141585
(R31、R32は、前記(A−4)の記載のR31、R32と同様である。)
具体的には、以下のものを例示できる。
Figure 2014141585
尚、本発明の熱架橋促進剤は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることが出来る。熱架橋促進剤の添加量は、ベースポリマー(後述する方法で得られたポリシロキサン)100質量部に対して、好ましくは0.01〜50質量部、より好ましくは0.1〜40質量部である。
このような熱架橋促進剤を例えば、ポリシロキサン含有レジスト下層膜に用いることで、その上に形成されたフォトレジストパターンに対しては良好な密着性を示し、また上部に形成されたレジストパターンと下部に形成された、例えば有機膜との両方に対して高いエッチング選択性を示すので、形成されたフォトレジストパターンをポリシロキサン含有レジスト下層膜、有機下層膜の順にドライエッチングプロセスを用いてパターンを転写する際に、良好なパターン形状でパターンを転写することができる。これにより、最終的には、上層レジストで形成されたパターンを基板に高い精度で転写することができる。
本発明のレジスト下層膜形成用組成物に含有されるポリシロキサンは下記一般式(B−1)で示される化合物、これの加水分解物、これの縮合物、これの加水分解縮合物、のうち1つ以上を含有する。
1B B12B B23B B3Si(OR0B(4−B1−B2−B3) (B−1)
(式中、R0Bは炭素数1〜6の炭化水素基であり、R1B、R2B、R3Bは水素原子または1価の有機基である。また、B1、B2、B3は0又は1であり、0≦B1+B2+B3≦3である。)
前記ポリシロキサンの原料(出発物質)として使用される加水分解性ケイ素化合物(B−1)として以下のものを例示出来る。
トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、トリイソプロポキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリプロポキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリプロポキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリプロポキシシラン、プロピルトリイソプロポキシシラン、イソプロピルトリメトキシシラン、イソプロピルトリエトキシシラン、イソプロピルトリプロポキシシラン、イソプロピルトリイソプロポキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ブチルトリプロポキシシラン、ブチルトリイソプロポキシシラン、sec−ブチルトリメトキシシラン、sec−ブチルトリエトキシシラン、sec−ブチルトリプロポキシシラン、sec−ブチルトリイソプロポキシシラン、t−ブチルトリメトキシシラン、t−ブチルトリエトキシシラン、t−ブチルトリプロポキシシラン、t−ブチルトリイソプロポキシシラン、シクロプロピルトリメトキシシラン、シクロプロピルトリエトキシシラン、シクロプロピルトリプロポキシシラン、シクロプロピルトリイソプロポキシシラン、シクロブチルトリメトキシシラン、シクロブチルトリエトキシシラン、シクロブチルトリプロポキシシラン、シクロブチルトリイソプロポキシシラン、シクロペンチルトリメトキシシラン、シクロペンチルトリエトキシシラン、シクロペンチルトリプロポキシシラン、シクロペンチルトリイソプロポキシシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロヘキシルトリエトキシシラン、シクロヘキシルトリプロポキシシラン、シクロヘキシルトリイソプロポキシシラン、シクロヘキセニルトリメトキシシラン、シクロヘキセニルトリエトキシシラン、シクロヘキセニルトリプロポキシシラン、シクロヘキセニルトリイソプロポキシシラン、シクロヘキセニルエチルトリメトキシシラン、シクロヘキセニルエチルトリエトキシシラン、シクロヘキセニルエチルトリプロポキシシラン、シクロヘキセニルエチルトリイソプロポキシシラン、シクロオクチルトリメトキシシラン、シクロオクチルトリエトキシシラン、シクロオクチルトリプロポキシシラン、シクロオクチルトリイソプロポキシシラン、シクロペンタジエニルプロピルトリメトキシシラン、シクロペンタジエニルプロピルトリエトキシシラン、シクロペンタジエニルプロピルトリプロポキシシラン、シクロペンタジエニルプロピルトリイソプロポキシシラン、ビシクロヘプテニルトリメトキシシラン、ビシクロヘプテニルトリエトキシシラン、ビシクロヘプテニルトリプロポキシシラン、ビシクロヘプテニルトリイソプロポキシシラン、ビシクロヘプチルトリメトキシシラン、ビシクロヘプチルトリエトキシシラン、ビシクロヘプチルトリプロポキシシラン、ビシクロヘプチルトリイソプロポキシシラン、アダマンチルトリメトキシシラン、アダマンチルトリエトキシシラン、アダマンチルトリプロポキシシラン、アダマンチルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリプロポキシシラン、フェニルトリイソプロポキシシラン、ベンジルトリメトキシシラン、ベンジルトリエトキシシラン、ベンジルトリプロポキシシラン、ベンジルトリイソプロポキシシラン、トリルトリメトキシシラン、トリルトリエトキシシラン、トリルトリプロポキシシラン、トリルトリイソプロポキシシラン、アニシルトリメトキシシラン、アニシルトリエトキシシラン、アニシルトリプロポキシシラン、アニシルトリイソプロポキシシラン、フェネチルトリメトキシシラン、フェネチルトリエトキシシラン、フェネチルトリプロポキシシラン、フェネチルトリイソプロポキシシラン、ナフチルトリメトキシシラン、ナフチルトリエトキシシラン、ナフチルトリプロポキシシラン、ナフチルトリイソプロポキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルエチルジメトキシシラン、メチルエチルジエトキシシラン、ジメチルジプロポキシシラン、ジメチルジイソプロポキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジエチルジプロポキシシラン、ジエチルジイソプロポキシシラン、ジプロピルジメトキシシラン、ジプロピルジエトキシシラン、ジプロピルジプロポキシシラン、ジプロピルジイソプロポキシシラン、ジイソプロピルジメトキシシラン、ジイソプロピルジエトキシシラン、ジイソプロピルジプロポキシシラン、ジイソプロピルジイソプロポキシシラン、ジブチルジメトキシシラン、ジブチルジエトキシシラン、ジブチルジプロポキシシラン、ジブチルジイソプロポキシシラン、ジsec−ブチルジメトキシシラン、ジsec−ブチルジエトキシシラン、ジsec−ブチルジプロポキシシラン、ジsec−ブチルジイソプロポキシシラン、ジt−ブチルジメトキシシラン、ジt−ブチルジエトキシシラン、ジt−ブチルジプロポキシシラン、ジt−ブチルジイソプロポキシシラン、ジシクロプロピルジメトキシシラン、ジシクロプロピルジエトキシシラン、ジシクロプロピルジプロポキシシラン、ジシクロプロピルジイソプロポキシシラン、ジシクロブチルジメトキシシラン、ジシクロブチルジエトキシシラン、ジシクロブチルジプロポキシシラン、ジシクロブチルジイソプロポキシシラン、ジシクロペンチルジメトキシシラン、ジシクロペンチルジエトキシシラン、ジシクロペンチルジプロポキシシラン、ジシクロペンチルジイソプロポキシシラン、ジシクロヘキシルジメトキシシラン、ジシクロヘキシルジエトキシシラン、ジシクロヘキシルジプロポキシシラン、ジシクロヘキシルジイソプロポキシシラン、ジシクロヘキセニルジメトキシシラン、ジシクロヘキセニルジエトキシシラン、ジシクロヘキセニルジプロポキシシラン、ジシクロヘキセニルジイソプロポキシシラン、ジシクロヘキセニルエチルジメトキシシラン、ジシクロヘキセニルエチルジエトキシシラン、ジシクロヘキセニルエチルジプロポキシシラン、ジシクロヘキセニルエチルジイソプロポキシシラン、ジシクロオクチルジメトキシシラン、ジシクロオクチルジエトキシシラン、ジシクロオクチルジプロポキシシラン、ジシクロオクチルジイソプロポキシシラン、ジシクロペンタジエニルプロピルジメトキシシラン、ジシクロペンタジエニルプロピルジエトキシシラン、ジシクロペンタジエニルプロピルジプロポキシシラン、ジシクロペンタジエニルプロピルジイソプロポキシシラン、ビス(ビシクロヘプテニル)ジメトキシシラン、ビス(ビシクロヘプテニル)ジエトキシシラン、ビス(ビシクロヘプテニル)ジプロポキシシラン、ビス(ビシクロヘプテニル)ジイソプロポキシシラン、ビス(ビシクロヘプチル)ジメトキシシラン、ビス(ビシクロヘプチル)ジエトキシシラン、ビス(ビシクロヘプチル)ジプロポキシシラン、ビス(ビシクロヘプチル)ジイソプロポキシシラン、ジアダマンチルジメトキシシラン、ジアダマンチルジエトキシシラン、ジアダマンチルジプロポキシシラン、ジアダマンチルジイソプロポキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシラン、メチルフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジプロポキシシラン、ジフェニルジイソプロポキシシラン、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルエチルメトキシシラン、ジメチルエチルエトキシシラン、ジメチルフェニルメトキシシラン、ジメチルフェニルエトキシシラン、ジメチルベンジルメトキシシラン、ジメチルベンジルエトキシシラン、ジメチルフェネチルメトキシシラン、ジメチルフェネチルエトキシシラン等を例示出来る。
その他に一般式(B−1)で示される化合物は、下記構造で表されたケイ素上に加水分解性基:OR0Bとして、2個または3個のメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペントキシ基、シクロペントキシ基、ヘキシロキシ基、シクロヘキシロキシ基、フェノキシ基を含んでいるものを使用出来る。
Figure 2014141585
Figure 2014141585
Figure 2014141585
Figure 2014141585
本発明で用いられるポリシロキサンの原料として、前記一般式(B−1)の他に加水分解性金属化合物(B−2)を例示できる。
L’(OR4BB4(OR5BB5(O)B6 (B−2)
(式中、R4B、R5Bは炭素数1〜30の有機基であり、B4+B5+B6はLの種類により決まる価数であり、B4、B5、B6は0以上の整数、L’は周期律表のIII族、IV族、又はV族の元素で炭素を除くものである。)
(B−2)として、以下のものを例示出来る。L’がホウ素の場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、ボロンメトキシド、ボロンエトキシド、ボロンプロポキシド、ボロンブトキシド、ボロンアミロキシド、ボロンヘキシロキシド、ボロンシクロペントキシド、ボロンシクロヘキシロキシド、ボロンアリロキシド、ボロンフェノキシド、ボロンメトキシエトキシド、ホウ酸、酸化ホウ素などをモノマーとして例示出来る。
L’がアルミニウムの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、アルミニウムメトキシド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムプロポキシド、アルミニウムブトキシド、アルミニウムアミロキシド、アルミニウムヘキシロキシド、アルミニウムシクロペントキシド、アルミニウムシクロヘキシロキシド、アルミニウムアリロキシド、アルミニウムフェノキシド、アルミニウムメトキシエトキシド、アルミニウムエトキシエトキシド、アルミニウムジプロポキシエチルアセトアセテート、アルミニウムジブトキシエチルアセトアセテート、アルミニウムプロポキシビスエチルアセトアセテート、アルミニウムブトキシビスエチルアセトアセテート、アルミニウム2,4−ペンタンジオネート、アルミニウム2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオネートなどをモノマーとして例示出来る。
L’がガリウムの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、ガリウムメトキシド、ガリウムエトキシド、ガリウムプロポキシド、ガリウムブトキシド、ガリウムアミロキシド、ガリウムヘキシロキシド、ガリウムシクロペントキシド、ガリウムシクロヘキシロキシド、ガリウムアリロキシド、ガリウムフェノキシド、ガリウムメトキシエトキシド、ガリウムエトキシエトキシド、ガリウムジプロポキシエチルアセトアセテート、ガリウムジブトキシエチルアセトアセテート、ガリウムプロポキシビスエチルアセトアセテート、ガリウムブトキシビスエチルアセトアセテート、ガリウム2,4−ペンタンジオネート、ガリウム2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオネートなどをモノマーとして例示出来る。
L’がイットリウムの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、イットリウムメトキシド、イットリウムエトキシド、イットリウムプロポキシド、イットリウムブトキシド、イットリウムアミロキシド、イットリウムヘキシロキシド、イットリウムシクロペントキシド、イットリウムシクロヘキシロキシド、イットリウムアリロキシド、イットリウムフェノキシド、イットリウムメトキシエトキシド、イットリウムエトキシエトキシド、イットリウムジプロポキシエチルアセトアセテート、イットリウムジブトキシエチルアセトアセテート、イットリウムプロポキシビスエチルアセトアセテート、イットリウムブトキシビスエチルアセトアセテート、イットリウム2,4−ペンタンジオネート、イットリウム2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオネートなどをモノマーとして例示出来る。
L’がゲルマニウムの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、ゲルマニウムメトキシド、ゲルマニウムエトキシド、ゲルマニウムプロポキシド、ゲルマニウムブトキシド、ゲルマニウムアミロキシド、ゲルマニウムヘキシロキシド、ゲルマニウムシクロペントキシド、ゲルマニウムシクロヘキシロキシド、ゲルマニウムアリロキシド、ゲルマニウムフェノキシド、ゲルマニウムメトキシエトキシド、ゲルマニウムエトキシエトキシドなどをモノマーとして例示出来る。
L’がチタンの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、チタンメトキシド、チタンエトキシド、チタンプロポキシド、チタンブトキシド、チタンアミロキシド、チタンヘキシロキシド、チタンシクロペントキシド、チタンシクロヘキシロキシド、チタンアリロキシド、チタンフェノキシド、チタンメトキシエトキシド、チタンエトキシエトキシド、チタンジプロポキシビスエチルアセトアセテート、チタンジブトキシビスエチルアセトアセテート、チタンジプロポキシビス2,4−ペンタンジオネート、チタンジブトキシビス2,4−ペンタンジオネートなどをモノマーとして例示出来る。
L’がハフニウムの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、ハフニウムメトキシド、ハフニウムエトキシド、ハフニウムプロポキシド、ハフニウムブトキシド、ハフニウムアミロキシド、ハフニウムヘキシロキシド、ハフニウムシクロペントキシド、ハフニウムシクロヘキシロキシド、ハフニウムアリロキシド、ハフニウムフェノキシド、ハフニウムメトキシエトキシド、ハフニウムエトキシエトキシド、ハフニウムジプロポキシビスエチルアセトアセテート、ハフニウムジブトキシビスエチルアセトアセテート、ハフニウムジプロポキシビス2,4−ペンタンジオネート、ハフニウムジブトキシビス2,4−ペンタンジオネートなどをモノマーとして例示出来る。
L’がスズの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシスズ、エトキシスズ、プロポキシスズ、ブトキシスズ、フェノキシスズ、メトキシエトキシスズ、エトキシエトキシスズ、スズ2,4−ペンタンジオネート、スズ2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオネートなどをモノマーとして例示出来る。
L’がヒ素の場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシヒ素、エトキシヒ素、プロポキシヒ素、ブトキシヒ素、フェノキシヒ素などをモノマーとして例示出来る。
L’がアンチモンの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシアンチモン、エトキシアンチモン、プロポキシアンチモン、ブトキシアンチモン、フェノキシアンチモン、酢酸アンチモン、プロピオン酸アンチモンなどをモノマーとして例示出来る。
L’がニオブの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシニオブ、エトキシニオブ、プロポキシニオブ、ブトキシニオブ、フェノキシニオブなどをモノマーとして例示出来る。
L’がタンタルの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシタンタル、エトキシタンタル、プロポキシタンタル、ブトキシタンタル、フェノキシタンタルなどをモノマーとして例示出来る。
L’がビスマスの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシビスマス、エトキシビスマス、プロポキシビスマス、ブトキシビスマス、フェノキシビスマスなどをモノマーとして例示出来る。
L’がリンの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、トリメチルフォスファイト、トリエチルフォスファイト、トリプロピルフォスファイト、トリメチルフォスフェイト、トリエチルフォスフェイト、トリプロピルフォスフェイト、五酸化ニリンなどをモノマーとして例示出来る。
L’がバナジウムの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、バナジウムオキシドビス(2、4−ペンタンジオネート)、バナジウム2、4−ペンタンジオネート、バナジウムトリブトキシドオキシド、バナジウムトリプロポキシドオキシドなどをモノマーとして例示出来る。
L’がジルコニウムの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシジルコニウム、エトキシジルコニウム、プロポキシジルコニウム、ブトキシジルコニウム、フェノキシジルコニウム、ジルコニウムジブトキシドビス(2、4−ペンタンジオネート)、ジルコニウムジプロポキシドビス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオネート)などをモノマーとして例示出来る。
L’がタンタルの場合、前記一般式(B−2)で示される化合物として、メトキシタンタル、エトキシタンタル、プロポキシタンタル、ブトキシタンタル、フェノキシタンタルなどをモノマーとして例示出来る。
このように示されるモノマーを1種以上選択して、反応前又は反応中に混合してポリシロキサンを形成するための反応原料とすることが出来る。
本発明で用いられるポリシロキサンは、例えば前記一般式(B−1)で表わされる化合物及び必要により前記一般式(B−2)で表わされる化合物を無機酸、脂肪族スルホン酸及び芳香族スルホン酸から選ばれる一種以上の化合物を酸触媒として用いて、加水分解縮合を行うことで製造することが出来る。
このとき使用される酸触媒は、フッ酸、塩酸、臭化水素酸、硫酸、硝酸、過塩素酸、リン酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸等を挙げることが出来る。触媒の使用量は、モノマー1モルに対して10−6〜10モル、好ましくは10−5〜5モル、より好ましくは10−4〜1モルである。
これらのモノマーから加水分解縮合によりポリシロキサンを得るときの水の量は、モノマーに結合している加水分解性置換基1モル当たり0.01〜100モル、より好ましくは0.05〜50モル、更に好ましくは0.1〜30モルを添加することが好ましい。100モルを超える添加は、反応に使用する装置が過大になるだけで不経済である。
操作方法として、触媒水溶液にモノマーを添加して加水分解縮合反応を開始させる。このとき、触媒水溶液に有機溶剤を加えてもよいし、モノマーを有機溶剤で希釈しておいてもよいし、両方行ってもよい。反応温度は0〜100℃、好ましくは5〜80℃である。モノマーの滴下時に5〜80℃に温度を保ち、その後20〜80℃で熟成させる方法が好ましい。
触媒水溶液に加えることの出来る、又はモノマーを希釈することの出来る有機溶剤としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、アセトン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、トルエン、ヘキサン、酢酸エチル、シクロヘキサノン、メチルアミルケトン、ブタンジオールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ブタンジオールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ピルビン酸エチル、酢酸ブチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、酢酸tert−ブチル、プロピオン酸t−ブチル、プロピレングリコールモノt−ブチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン及びこれらの混合物等が好ましい。
これらの溶剤の中で好ましいものは水溶性のものである。例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等のアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール等の多価アルコール、ブタンジオールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ブタンジオールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ブタンジオールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル等の多価アルコール縮合物誘導体、アセトン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン等を挙げることが出来る。この中で特に好ましいのは、沸点が100℃以下のものである。
尚、有機溶剤の使用量は、モノマー1モルに対して0〜1,000ml、特に0〜500mlが好ましい。有機溶剤の使用量が多いと反応容器が過大となり不経済である。
その後、必要であれば触媒の中和反応を行い、加水分解縮合反応で生成したアルコールを減圧除去し、反応混合物水溶液を得る。このとき、中和に使用することの出来るアルカリ性物質の量は、触媒で使用された酸に対して0.1〜2当量が好ましい。このアルカリ性物質は水中でアルカリ性を示すものであれば、任意の物質でよい。
続いて、反応混合物から加水分解縮合反応で生成したアルコールなどの副生物を取り除くことが好ましい。このとき反応混合物を加熱する温度は、添加した有機溶剤と反応で発生したアルコールなどの種類によるが、好ましくは0〜100℃、より好ましくは10〜90℃、更に好ましくは15〜80℃である。またこのときの減圧度は、除去すべき有機溶剤及びアルコールなどの種類、排気装置、凝縮装置及び加熱温度により異なるが、好ましくは大気圧以下、より好ましくは絶対圧で80kPa以下、更に好ましくは絶対圧で50kPa以下である。この際除去されるアルコール量を正確に知ることは難しいが、生成したアルコールなどのおよそ80質量%以上が除かれることが望ましい。
次に、反応混合物から加水分解縮合に使用した酸触媒を除去してもよい。酸触媒を除去する方法として、水とポリシロキサンを混合し、ポリシロキサンを有機溶剤で抽出する。このとき使用する有機溶剤としては、ポリシロキサンを溶解でき、水と混合させると2層分離するものが好ましい。例えばメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、トルエン、ヘキサン、酢酸エチル、シクロヘキサノン、メチルアミルケトン、ブタンジオールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ブタンジオールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ブタンジオールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ピルビン酸エチル、酢酸ブチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、酢酸t−ブチル、プロピオン酸t−ブチル、プロピレングリコールモノt−ブチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンチルメチルエーテル等及びこれらの混合物を挙げることが出来る。
更に、水溶性有機溶剤と水難溶性有機溶剤の混合物を使用することも可能である。例えばメタノール+酢酸エチル、エタノール+酢酸エチル、1−プロパノール+酢酸エチル、2−プロパノール+酢酸エチル、ブタンジオールモノメチルエーテル+酢酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテル+酢酸エチル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ブタンジオールモノエチルエーテル+酢酸エチル、プロピレングリコールモノエチルエーテル+酢酸エチル、エチレングリコールモノエチルエーテル+酢酸エチル、ブタンジオールモノプロピルエーテル+酢酸エチル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+酢酸エチル、エチレングリコールモノプロピルエーテル+酢酸エチル、メタノール+メチルイソブチルケトン、エタノール+メチルイソブチルケトン、1−プロパノール+メチルイソブチルケトン、2−プロパノール+メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル+メチルイソブチルケトン、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル+メチルイソブチルケトン、エチレングリコールモノエチルエーテル+メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+メチルイソブチルケトン、エチレングリコールモノプロピルエーテル+メチルイソブチルケトン、メタノール+シクロペンチルメチルエーテル、エタノール+シクロペンチルメチルエーテル、1−プロパノール+シクロペンチルメチルエーテル、2−プロパノール+シクロペンチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、メタノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エタノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1−プロパノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、2−プロパノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノプロピルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート等組み合わせが好ましいが、組み合わせはこれらに限定されることはない。
尚、水溶性有機溶剤と水難溶性有機溶剤との混合割合は、適宜選定されるが、水難溶性有機溶剤100質量部に対して、水溶性有機溶剤0.1〜1,000質量部、好ましくは1〜500質量部、更に好ましくは2〜100質量部である。
続いて、中性水で洗浄してもよい。この水は、通常脱イオン水や超純水と呼ばれているものを使用すればよい。この水の量は、ポリシロキサン溶液1Lに対して、0.01〜100L、好ましくは0.05〜50L、より好ましくは0.1〜5Lである。この洗浄の方法は、両方を同一の容器にいれ掻き混ぜた後、静置して水層を分離すればよい。洗浄回数は、1回以上あればよいが、10回以上洗浄しても洗浄しただけの効果は得られないため、好ましくは1〜5回程度である。
その他に酸触媒を除去する方法として、イオン交換樹脂による方法や、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド等のエポキシ化合物で中和したのち除去する方法を挙げることが出来る。これらの方法は、反応に使用された酸触媒に合わせて適宜選択することが出来る。
このときの水洗操作により、ポリシロキサンの一部が水層に逃げ、実質的に分画操作と同等の効果が得られている場合があるため、水洗回数や洗浄水の量は触媒除去効果と分画効果を鑑みて適宜選択すればよい。
酸触媒が残留しているポリシロキサン及び酸触媒が除去されたポリシロキサン溶液、いずれの場合においても、最終的な溶剤を加え、減圧で溶剤交換することでポリシロキサン溶液を得る。このときの溶剤交換の温度は、除去すべき反応溶剤や抽出溶剤の種類によるが、好ましくは0〜100℃、より好ましくは10〜90℃、更に好ましくは15〜80℃である。またこのときの減圧度は、除去すべき抽出溶剤の種類、排気装置、凝縮装置及び加熱温度により異なるが、好ましくは大気圧以下、より好ましくは絶対圧で80kPa以下、更に好ましくは絶対圧で50kPa以下である。
このとき、溶剤が変わることによりポリシロキサンが不安定になる場合がある。これは最終的な溶剤とポリシロキサンとの相性により発生するが、これを防止するため、安定剤として後述する成分を加えてもよい。加える量としては溶剤交換前の溶液中のポリシロキサン100質量部に対して0〜25質量部、好ましくは0〜15質量部、より好ましくは0〜5質量部であるが、添加する場合は0.5質量部以上が好ましい。溶剤交換前の溶液に必要であれば、後述する安定剤の成分を添加して溶剤交換操作を行えばよい。
ポリシロキサンは、ある濃度以上に濃縮すると縮合反応が進行し、有機溶剤に対して再溶解不可能な状態に変化してしまう。そのため、適度な濃度の溶液状態にしておくことが好ましい。また、あまり薄すぎると、溶剤の量が過大となるため不経済である。このときの濃度としては、0.1〜20質量%が好ましい。
ポリシロキサン溶液に加える最終的な溶剤として好ましいものはアルコール系溶剤であり、特に好ましいものはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ブタンジオールなどのモノアルキルエーテル誘導体である。具体的には、ブタンジオールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ブタンジオールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ブタンジオールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル等が好ましい。
これらの溶剤が主成分であれば、補助溶剤として、非アルコール系溶剤を添加する事も可能である。この補助溶剤としては、アセトン、テトラヒドロフラン、トルエン、ヘキサン、酢酸エチル、シクロヘキサノン、メチルアミルケトン、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ピルビン酸エチル、酢酸ブチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、酢酸t−ブチル、プロピオン酸t−ブチル、プロピレングリコールモノt−ブチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンチルメチルエーテルなどを例示出来る。
また、別の反応操作としては、モノマー又はモノマーの有機溶液に、水又は含水有機溶剤を添加し、加水分解反応を開始させる。このとき触媒はモノマー又はモノマーの有機溶液に添加してもよいし、水又は含水有機溶剤に添加しておいてもよい。反応温度は0〜100℃、好ましくは10〜80℃である。水の滴下時に10〜50℃に加熱し、その後20〜80℃に昇温させて熟成させる方法が好ましい。
有機溶剤を使用する場合は、水溶性のものが好ましく、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、ブタンジオールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ブタンジオールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ブタンジオールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテル等の多価アルコール縮合物誘導体及びこれらの混合物等を挙げることが出来る。
有機溶剤の使用量は、前記の量と同様でよい。得られた反応混合物の後処理は、前記の方法と同様で後処理し、ポリシロキサンを得る。
本発明で用いられるポリシロキサンは、モノマーを塩基性触媒の存在下、加水分解縮合を行うことで製造することが出来る。このとき使用される塩基触媒は、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、エチルメチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジメチルモノエタノールアミン、モノメチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ジアザビシクロオクタン、ジアザビシクロシクロノネン、ジアザビシクロウンデセン、ヘキサメチレンテトラミン、アニリン、N,N−ジメチルアニリン、ピリジン、N,N−ジメチルアミノピリジン、ピロール、ピペラジン、ピロリジン、ピペリジン、ピコリン、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、コリンハイドロオキサイド、テトラプロピルアンモニウムハイドロオキサイド、テトラブチルアンモニウムハイドロオキサイド、アンモニア、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化バリウム、水酸化カルシウム等を挙げることが出来る。触媒の使用量は、ケイ素モノマー1モルに対して10−6モル〜10モル、好ましくは10−5モル〜5モル、より好ましくは10−4モル〜1モルである。
これらのモノマーから加水分解縮合によりポリシロキサンを得るときの水の量は、モノマーに結合している加水分解性置換基1モル当たり0.1〜50モルを添加することが好ましい。50モルを超える添加は、反応に使用する装置が過大になるだけで不経済である。
操作方法として、触媒水溶液にモノマーを添加して加水分解縮合反応を開始させる。このとき、触媒水溶液に有機溶媒を加えてもよいし、モノマーを有機溶媒で希釈しておいてもよいし、両方行っても良い。反応温度は0〜100℃、好ましくは5〜80℃である。モノマーの滴下時に5〜80℃に温度を保ち、その後20〜80℃で熟成させる方法が好ましい。
塩基触媒水溶液に加えることの出来る、又はモノマーを希釈することの出来る有機溶媒としては、酸触媒水溶液に加えることの出来るものとして例示した有機溶剤と同様のものが好ましく用いられる。尚、有機溶媒の使用量は、経済的に反応を行えるため、モノマー1モルに対して0〜1,000mlが好ましい。
その後、必要であれば触媒の中和反応を行い、加水分解縮合反応で生成したアルコールを減圧除去し、反応混合物水溶液を得る。このとき、中和に使用することの出来る酸性物質の量は、触媒で使用された塩基性物質に対して0.1〜2当量が好ましい。この酸性物質は水中で酸性を示すものであれば、任意の物質でよい。
続いて、反応混合物から加水分解縮合反応で生成したアルコールなどの副生物を取り除くことが好ましい。このとき反応混合物を加熱する温度は、添加した有機溶媒と反応で発生したアルコールの種類に依るが、好ましくは0〜100℃、より好ましくは10〜90℃、更に好ましくは15〜80℃である。またこのときの減圧度は、除去すべき有機溶剤およびアルコールの種類、排気装置、凝縮装置及び加熱温度により異なるが、好ましくは大気圧以下、より好ましくは絶対圧で80kPa以下、更に好ましくは絶対圧で50kPa以下である。この際除去されるアルコール量を正確に知ることは難しいが、生成したアルコールのおよそ80質量%以上が除かれることが望ましい。
次に加水分解縮合に使用した触媒を除去するため、ポリシロキサンを有機溶剤で抽出する。このとき使用する有機溶剤としては、ポリシロキサンを溶解でき、水と混合させると2層分離するものが好ましい。例えばメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、トルエン、ヘキサン、酢酸エチル、シクロヘキサノン、メチルアミルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ピルビン酸エチル、酢酸ブチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、酢酸t−ブチル、プロピオン酸t−ブチル、プロピレングリコールモノt−ブチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンチルメチルエーテルな及びこれらの混合物を挙げることが出来る。
次に加水分解縮合に使用した塩基触媒を除去するため、ポリシロキサンを有機溶剤で抽出する。このとき使用する有機溶剤としては、ケイ素含有化合物を溶解でき、水と混合させると2層分離するものが好ましい。
更に、水溶性有機溶剤と水難溶性有機溶剤の混合物を使用することも可能である。
塩基触媒を除去する際に用いられる有機溶剤の具体例は、酸触媒を除去する際に用いられるものとして具体的に例示した上述の有機溶剤や、水溶性有機溶剤と水難性有機溶剤の混合物と同様のものを用いることが出来る。
尚、水溶性有機溶剤と水難溶性有機溶剤との混合割合は、適宜選定されるが、難溶性有機溶剤100質量部に対して、水溶性有機溶剤0.1〜1,000質量部、好ましくは1〜500質量部、更に好ましくは2〜100質量部である。
続いて、中性水で洗浄する。この水は、通常脱イオン水や超純水と呼ばれているものを使用すればよい。この水の量は、ケイ素含有化合物溶液1Lに対して、0.01〜100L、好ましくは0.05〜50L、より好ましくは0.1〜5Lである。この洗浄の方法は、両方を同一の容器にいれ掻き混ぜた後、静置して水層を分離すればよい。洗浄回数は、1回以上あればよいが、10回以上洗浄しても洗浄しただけの効果は得られないため、好ましくは1〜5回程度である。
洗浄済みのポリシロキサン溶液に最終的な溶媒を加え、減圧で溶媒交換することでケイ素含有化合物溶液を得る。このときの溶媒交換の温度は、除去すべき抽出溶剤の種類に依るが、好ましくは0〜100℃、より好ましくは10〜90℃、更に好ましくは15〜80℃である。またこのときの減圧度は、除去すべき抽出溶剤の種類、排気装置、凝縮装置及び加熱温度により異なるが、好ましくは大気圧以下、より好ましくは絶対圧で80kPa以下、更に好ましくは絶対圧で50kPa以下である。
ポリシロキサン溶液に加える最終的な溶媒として好ましいものはアルコール系溶媒であり、特に好ましいものはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのモノアルキルエーテル、プロピレングリコール、ジプロピレングリコールなどのモノアルキルエーテルである。具体的には、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテルなどが好ましい。
また、別の反応操作としては、モノマーまたはモノマーの有機溶液に、水または含水有機溶媒を添加し、加水分解反応を開始させる。このとき触媒はモノマーまたはモノマーの有機溶液に添加しても良いし、水または含水有機溶媒に添加しておいてもよい。反応温度は0〜100℃、好ましくは10〜80℃である。水の滴下時に10〜50℃に加熱し、その後20〜80℃に昇温させて熟成させる方法が好ましい。
有機溶媒を使用する場合は、水溶性のものが好ましく、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルなどの多価アルコール縮合物誘導体及びこれらの混合物などを挙げることが出来る。
得られるポリシロキサンの分子量は、モノマーの選択だけでなく、重合時の反応条件制御により調整することが出来るが、重量平均分子量が100,000を超えるものを用いると、ケースによっては異物の発生や塗布斑が生じることがあり、100,000以下、より好ましくは200〜50,000、更には300〜30,000のものを用いることが好ましい。尚、上記重量平均分子量に関するデータは、検出器としてRI、溶離溶剤としてテトラヒドロフランを用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、標準物質としてポリスチレンを用いて、ポリスチレン換算で分子量を表したものである。
本発明のポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物の安定性を向上させるため、炭素数が1〜30の1価又は2価以上の有機酸を添加することが好ましい。このとき添加する酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、オレイン酸、ステアリン酸、リノール酸、リノレン酸、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、トリフルオロ酢酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、シュウ酸、マロン酸、メチルマロン酸、エチルマロン酸、プロピルマロン酸、ブチルマロン酸、ジメチルマロン酸、ジエチルマロン酸、コハク酸、メチルコハク酸、グルタル酸、アジピン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸、クエン酸等を例示することが出来る。特にシュウ酸、マレイン酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸等が好ましい。また、安定性を保つため、2種以上の酸を混合して使用してもよい。添加量は組成物に含まれるケイ素100質量部に対して0.001〜25質量部、好ましくは0.01〜15質量部、より好ましくは0.1〜5質量部である。
あるいは、上記有機酸を組成物のpHに換算して、好ましくは0≦pH≦7、より好ましくは0.3≦pH≦6.5、更に好ましくは0.5≦pH≦6となるように配合することがよい。
本発明では前記組成物に水を添加してもよい。水を添加すると、ポリシロキサンが水和されるため、リソグラフィー性能が向上する。組成物の溶剤成分における水の含有率は0質量%を超え50質量%未満であり、特に好ましくは0.3〜30質量%、更に好ましくは0.5〜20質量%である。それぞれの成分は、添加量が多すぎると、塗布膜の均一性が悪くなり、最悪の場合はじきが発生してしまう。一方、添加量が少ないとリソグラフィー性能が低下するため好ましくない。
水を含む全溶剤の使用量は、前記ベースポリマー100質量部に対して100〜100,000質量部、特に200〜50,000質量部が好適である。
本発明では前記組成物に光酸発生剤を使用してもよい。本発明で使用される光酸発生剤として、具体的には、特開2009−126940の(0118)段落から(0119)段落に記載されている材料を添加することが出来る。
更に、安定剤として環状エーテルを置換基として有する1価又は2価以上のアルコール、特に以下の構造で示されるエーテル化合物を添加するとケイ素含有膜形成用組成物の安定性を向上させることが出来る。このようなものとして、具体的には、特開2009−126940の(0121)段落から(0122)段落に記載されている材料を添加することが出来る。
更に、本発明では必要に応じて界面活性剤を配合することが可能である。このようなものとして、具体的には、特開2009−126940の(0124)段落に記載されている材料を添加することが出来る。
本発明のパターンの形成方法に使用されるポリシロキサン含有レジスト下層膜は、ポリシロキサン含有膜形成用組成物からフォトレジスト膜と同様にスピンコート法等で被加工体上に作製することが可能である。スピンコート後、溶剤を蒸発させ、上層レジスト膜とのミキシング防止のため、架橋反応を促進させるためにベークをすることが望ましい。ベーク温度は50〜500℃の範囲内で、10〜300秒の範囲内が好ましく用いられる。特に好ましい温度範囲は、製造されるデバイスの構造にもよるが、デバイスへの熱ダメージを少なくするため、400℃以下が好ましい。
このようなポリシロキサン含有レジスト下層膜を用いることで、ポリシロキサン含有レジスト下層膜上に形成されたレジストパターンとの密着性が良好であり、ポリシロキサン含有レジスト下層膜の上層であるフォトレジスト膜と下層である有機膜との間でより良好なドライエッチング選択性を有する。
ここで、被加工体は、半導体装置基板又は半導体基板に、被加工層(被加工部分)として、金属膜、金属炭化膜、金属酸化膜、金属窒化膜、及び金属酸化窒化膜のいずれかが成膜されたもの等を用いることが出来る。
半導体基板としては、シリコン基板が一般的に用いられるが、特に限定されるものではなく、Si、アモルファスシリコン(α−Si)、p−Si、SiO、SiN、SiON、W、TiN、Al等で被加工層と異なる材質のものが用いられてもよい。
被加工体を構成する金属としては、ケイ素、チタン、タングステン、ハフニウム、ジルコニウム、クロム、ゲルマニウム、銅、アルミニウム、インジウム、ガリウム、ヒ素、パラジウム、鉄、タンタル、イリジウム、モリブデンまたはこれらの合金であるものを用いることができ、このような金属を含む被加工層としては、例えば、Si、SiO、SiN、SiON、SiOC、p−Si、α−Si、TiN、WSi、BPSG、SOG、Cr、CrO、CrON、MoSi、W、W−Si、Al、Cu、Al−Si等及び種々の低誘電膜及びそのエッチングストッパー膜が用いられ、通常50〜10,000nm、特に100〜5,000nmの厚さに形成し得る。
レジストパターンを形成する方法としては、誘導自己組織化法(DSA法)またはナノインプリンティングリソグラフィー法を用いることができる。
前記レジストパターンの形成は、化学増幅型レジスト組成物を用いてフォトレジスト膜を形成し、加熱処理後に高エネルギー線で前記フォトレジスト膜を露光し、アルカリ現像液を用いて前記フォトレジスト膜の露光部を溶解させてポジ型パターンを形成させてもよく、化学増幅型レジスト組成物を用いてフォトレジスト膜を形成し、加熱処理後に高エネルギー線で前記フォトレジスト膜を露光し、有機溶剤の現像液を用いて前記フォトレジスト膜の未露光部を溶解させることによりネガ型パターンを形成させてもよい。
本発明のパターン形成方法において、上層のフォトレジスト膜は、化学増幅型であり、有機溶剤の現像液を用いた現像によりネガ型のパターン、又はポジ型のパターンを形成出来るものであれば、特に限定されない。
前記高エネルギー線を用いるリソグラフィー法として300nm以下の光を用いたリソグラフィー法、EUV光を用いたリソグラフィー法または電子線直接描画法を用いてもよい。
また、本発明における露光工程を、ArFエキシマレーザー光による露光プロセスとしてもよく、この場合上層のフォトレジスト膜としては、通常のArFエキシマレーザー光用レジスト組成物はいずれも使用可能である。
このようなArFエキシマレーザー光用レジスト組成物は多数の候補がすでに公知であり、すでに公知の樹脂を大別すると、ポリ(メタ)アクリル系、COMA(CycloOlefinMaleicAnhydride)系、COMA−(メタ)アクリルハイブリッド系、ROMP(RingOpeningMethathesisPolymerization)系、ポリノルボルネン系等があるが、このうち、ポリ(メタ)アクリル系樹脂を使用したレジスト組成物は、側鎖に脂環式骨格を導入することでエッチング耐性を確保しているため、解像性能は、他の樹脂系に比較して優れる。
本発明のパターン形成方法を用いることで、基板に微細なパターンを高精度で形成することができる。
以下、実施例および比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの記載によって限定されるものではない。なお、下記例で%は質量%を示し、分子量測定はGPCによった。
熱架橋促進剤の合成例
トリフェニルスルホニウムテトラフェニルボーレート(促進剤1)
Figure 2014141585
ナトリウムテトラフェニルボーレート10.0gおよびトリフェニルスルホニウムクロライド9.2gをジクロロメタン200gおよび脱イオン水250gの混合物に加え、室温で24時間撹拌し、イオン交換反応した。反応終了後、水層を分離除去し、更に脱イオン水を250g加えて撹拌、静置、分液した。得られた有機層をロータリーエバポレーターで濃縮し、得られた結晶をジプロピルエーテルで再結晶で精製し、14.6gの白色結晶が得られた(収率86%)。
以下のテトラフェニルボーレート化合物は、市販のものを使用した。
Figure 2014141585
ポリシロキサンの合成
[合成例1]
エタノール400g、メタンスルホン酸0.2g及び脱イオン水120gの混合物にフェニルトリメトキシシラン9.9gおよびテトラエトキシシラン197.9gの混合物を添加し、12時間、40℃に保持し、加水分解縮合させた。反応終了後、プロピレングリコールエチルエーテル(PGEE)800gを加え、副生アルコールおよび過剰の水分を減圧で留去し、ポリシロキサン1のPGEE溶液750g(化合物濃度11.5%)を得た。このもののポリスチレン換算分子量を測定したところMw=2,550であった。
[合成例2]
エタノール400g、メタンスルホン酸0.2g及び脱イオン水120gの混合物にフェニルトリメトキシシラン11.9gおよびテトラエトキシシラン195.8gの混合物を添加し、12時間、40℃に保持し、加水分解縮合させた。反応終了後、プロピレングリコールエチルエーテル(PGEE)800gを加え、副生アルコールおよび過剰の水分を減圧で留去し、ポリシロキサン2のPGEE溶液750g(化合物濃度11.7%)を得た。このもののポリスチレン換算分子量を測定したところMw=2,500であった。
[合成例3]
エタノール400g、メタンスルホン酸0.2g及び脱イオン水120gの混合物にフェニルトリメトキシシラン13.9gおよびテトラエトキシシラン193.7gの混合物を添加し、12時間、40℃に保持し、加水分解縮合させた。反応終了後、プロピレングリコールエチルエーテル(PGEE)800gを加え、副生アルコールおよび過剰の水分を減圧で留去し、ポリシロキサン3のPGEE溶液750g(化合物濃度11.5%)を得た。このもののポリスチレン換算分子量を測定したところMw=2,500であった。
[実施例、比較例]
上記合成例で得られたポリシロキサンと溶剤、架橋促進剤を表1に示す割合で混合し、0.1μmのフッ素樹脂製のフィルターで濾過することによって、ポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物溶液をそれぞれ調製し、それぞれSol.1〜9とした。
Figure 2014141585
TPSM:マレイン酸モノ(トリフェニルスルホニウム)
Sol.1〜9を回転塗布し、200℃で1分間加熱成膜して、膜厚40nmのポリシロキサン含有膜(Film1〜9とする)を形成し、J.A.ウーラム社の入射角度可変の分光エリプソメーター(VUV−VASE)で波長193nmにおけるFilm1〜9の光学定数(屈折率n,消衰係数k)を求めた結果を表2に示す。
Figure 2014141585
屈折率/消衰率が1.62/0.18のポリシロキサン含有膜を形成する場合、合成例1のポリシロキサンと新規架橋促進剤の組合せ(Film1〜5)、合成例2のポリシロキサンと従来の知られている架橋促進剤(Film6)の組合せおよび合成例3のポリシロキサン(架橋促進剤なし)(Film9)で達成可能である。
エッチング試験
上記の試験で作成した塗布膜を下記条件(1)または下記条件(2)でドライエッチングし、エッチング速度を求めた。
(1)CHF/CF系ガスでのエッチング条件
装置:東京エレクトロン(株)製ドライエッチング装置Telius SP
エッチング条件(1):
チャンバー圧力 10Pa
Upper/Lower RFパワー 500W/300W
CHFガス流量 50ml/min
CFガス流量 150ml/min
Arガス流量 100ml/min
処理時間 40sec
(2)O/N系ガスでのエッチング条件
装置:東京エレクトロン(株)製ドライエッチング装置Telius SP
エッチング条件(2):
チャンバー圧力 2Pa
Upper/Lower RFパワー 1000W/300W
ガス流量 300ml/min
ガス流量 100ml/min
Arガス流量 100ml/min
処理時間 30sec
Figure 2014141585
比較例2、比較例3および比較例4を比べると、k値の高いポリマーの方がCFエッチング速度が遅いことが分かった。この理由として、193nmのUV光を吸収するため導入されているベンゼン環の量が比較例3、比較例4で使用されたポリシロキサンの方が多いためと考えられる。
次に、k値の異なる2種類のポリシロキサンを用いて同じk値をもつケイ素含有膜を得るため、架橋促進剤の添加量を調整し、Film1〜6を得た。その結果、従来の架橋促進剤とk値の高いポリシロキサンの組合せより、本発明の架橋促進剤とk値の低いポリシロキサンの組合せの方が、CFエッチング速度が速かった。この理由として、ポリシロキサンに直結している有機基はCFエッチング速度に対して影響が大きいのに比べ、ポリシロキサンとは直接結合しておらず添加物として加えられている有機基はCFエッチング速度にあまり影響を与えていないと考えられる。
パターニング試験
シリコンウエハー上に、信越化学工業(株)製スピンオンカーボン膜ODL−50(カーボン含有量80質量%)を膜厚200nmで形成した。その上にポリシロキサン含有中間層材料溶液Sol.1〜5および9を塗布して240℃で60秒間加熱して、膜厚35nmのポリシロキサン含有膜Film1〜5および9を作製した。
続いて、ポリシロキサン含有膜上に表4記載のポジ現像用ArFレジスト溶液(PR−1)を塗布し、110℃で60秒間ベークして膜厚100nmのフォトレジスト層を形成した。更にフォトレジスト膜上に表5に記載の液浸保護膜(TC−1)を塗布し90℃で60秒間ベークし膜厚50nmの保護膜を形成した。
次いで、これらをArF液浸露光装置((株)ニコン製;NSR−S610C,NA1.30、σ0.98/0.65、35度ダイポール偏光照明、6%ハーフトーン位相シフトマスク)で露光し、100℃で60秒間ベーク(PEB)し、2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)水溶液で30秒間現像し、43nm1:1のポジ型のラインアンドスペースパターンを得た。
このパターニングにより、43nm1:1のネガ型のラインアンドスペースパターンを得た。この寸法を(株)日立ハイテクノロジーズ製電子顕微鏡(CG4000)でパターン倒れを、断面形状を(株)日立製作所製電子顕微鏡(S−9380)で測定した(表6参照)。
Figure 2014141585
ArFレジストポリマー1:
分子量(Mw)=7,800
分散度(Mw/Mn)=1.78
Figure 2014141585
酸発生剤:PAG1
Figure 2014141585
塩基:Quencher
Figure 2014141585
保護膜ポリマー
分子量(Mw)=8,800
分散度(Mw/Mn)=1.69
Figure 2014141585
Figure 2014141585
エッチング試験
上記、パターニング試験で作成したレジストパターンをマスクにして加工を下記条件(1)でドライエッチングし、次いで下記条件(2)でドライエッチングしスピンオンカーボン膜にパターンを転写した。得られたパターンの断面形状を(株)日立製作所製電子顕微鏡(S−9380)で、パターンラフネスを(株)日立ハイテクノロジーズ製電子顕微鏡(CG4000)でそれぞれ形状を比較し表にまとめた。
(1)CHF/CF系ガスでのエッチング条件
装置:東京エレクトロン(株)製ドライエッチング装置Telius SP
エッチング条件(1):
チャンバー圧力 10Pa
Upper/Lower RFパワー 500W/300W
CHFガス流量 50ml/min
CFガス流量 150ml/min
Arガス流量 100ml/min
処理時間 40sec
(2)O/N系ガスでのエッチング条件
装置:東京エレクトロン(株)製ドライエッチング装置Telius SP
エッチング条件(2):
チャンバー圧力 2Pa
Upper/Lower RFパワー 1000W/300W
ガス流量 300ml/min
ガス流量 100ml/min
Arガス流量 100ml/min
処理時間 30sec
Figure 2014141585
露光後のレジストパターン形状は、光学定数が同じであれば、ほぼ類似の性能を示した。一方、ポリマー中に光吸収のための有機基(ベンゼン環)を多く含むポリマーからなるポリシロキサン含有膜と、有機基が少なく添加物で光学定数を調整している本発明のポリシロキサン含有膜を比較すると、本発明の添加物を使用して形成されたポリシロキサン含有膜を用いた方がドライエッチング後の形状が良好であった。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
ポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤であって、
下記一般式(A−1)で示されるものであることを特徴とするポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤を提供する。
Figure 2014141585
(R11、R12、R13、R14はそれぞれ、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、ハロゲン原子、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。a、b、c、dは0〜5の整数である。また、a、b、c、dが2以上の場合は、R11、R12、R13、R14が環状構造を形成してもよい。Lはリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビウム、セシウムまたは下記一般式(A−2)、(A−3)、(A−4)または(A−5)で表される対向イオンである。)
Figure 2014141585
(式中、R21、R22、R23、R24はそれぞれ炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。また、R21とR22、R21とR22とR23とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R21とR22及びR21とR22とR23は炭素数3〜10のアルキレン基を示す。R31、R32、R33は、R21、R22、R23、R24と同様であるか、水素原子であってもよい。R32とR33とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R32、R33はそれぞれ炭素数1〜6のアルキレン基を示す。)
前記一般式(A−1)で示される化合物のカチオン部分は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビウム、セシウムまたは下記一般式(A−2)、(A−3)、(A−4)または(A−5)で表される対向イオンである。
本発明で用いられるポリシロキサンの原料として、前記一般式(B−1)の他に加水分解性金属化合物(B−2)を例示できる。
L’(OR4BB4(OR5BB5(O)B6 (B−2)
(式中、R4B、R5Bは炭素数1〜30の有機基であり、B4+B5+B6はL’の種類により決まる価数であり、B4、B5、B6は0以上の整数、L’は周期律表のIII族、IV族、又はV族の元素で炭素を除くものである。)
更に、水溶性有機溶剤と水難溶性有機溶剤の混合物を使用することも可能である。例えばメタノール+酢酸エチル、エタノール+酢酸エチル、1−プロパノール+酢酸エチル、2−プロパノール+酢酸エチル、ブタンジオールモノメチルエーテル+酢酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテル+酢酸エチル、エチレングリコールモノメチルエーテル+酢酸エチル、ブタンジオールモノエチルエーテル+酢酸エチル、プロピレングリコールモノエチルエーテル+酢酸エチル、エチレングリコールモノエチルエーテル+酢酸エチル、ブタンジオールモノプロピルエーテル+酢酸エチル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+酢酸エチル、エチレングリコールモノプロピルエーテル+酢酸エチル、メタノール+メチルイソブチルケトン、エタノール+メチルイソブチルケトン、1−プロパノール+メチルイソブチルケトン、2−プロパノール+メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル+メチルイソブチルケトン、エチレングリコールモノメチルエーテル+メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノエチルエーテル+メチルイソブチルケトン、エチレングリコールモノエチルエーテル+メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+メチルイソブチルケトン、エチレングリコールモノプロピルエーテル+メチルイソブチルケトン、メタノール+シクロペンチルメチルエーテル、エタノール+シクロペンチルメチルエーテル、1−プロパノール+シクロペンチルメチルエーテル、2−プロパノール+シクロペンチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル+シクロペンチルメチルエーテル、メタノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エタノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1−プロパノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、2−プロパノール+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノプロピルエーテル+プロピレングリコールメチルエーテルアセテート等組み合わせが好ましいが、組み合わせはこれらに限定されることはない。
次に加水分解縮合に使用した塩基触媒を除去するため、ポリシロキサンを有機溶剤で抽出する。このとき使用する有機溶剤としては、ポリシロキサンを溶解でき、水と混合させると2層分離するものが好ましい。
更に、水溶性有機溶剤と水難溶性有機溶剤の混合物を使用することも可能である。
続いて、中性水で洗浄する。この水は、通常脱イオン水や超純水と呼ばれているものを使用すればよい。この水の量は、ポリシロキサン溶液1Lに対して、0.01〜100L、好ましくは0.05〜50L、より好ましくは0.1〜5Lである。この洗浄の方法は、両方を同一の容器にいれ掻き混ぜた後、静置して水層を分離すればよい。洗浄回数は、1回以上あればよいが、10回以上洗浄しても洗浄しただけの効果は得られないため、好ましくは1〜5回程度である。
洗浄済みのポリシロキサン溶液に最終的な溶媒を加え、減圧で溶媒交換することでポリシロキサン溶液を得る。このときの溶媒交換の温度は、除去すべき抽出溶剤の種類に依るが、好ましくは0〜100℃、より好ましくは10〜90℃、更に好ましくは15〜80℃である。またこのときの減圧度は、除去すべき抽出溶剤の種類、排気装置、凝縮装置及び加熱温度により異なるが、好ましくは大気圧以下、より好ましくは絶対圧で80kPa以下、更に好ましくは絶対圧で50kPa以下である。
本発明のポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物の安定性を向上させるため、炭素数が1〜30の1価又は2価以上の有機酸を添加することが好ましい。このとき添加する酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、オレイン酸、ステアリン酸、リノール酸、リノレン酸、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、トリフルオロ酢酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、シュウ酸、マロン酸、メチルマロン酸、エチルマロン酸、プロピルマロン酸、ブチルマロン酸、ジメチルマロン酸、ジエチルマロン酸、コハク酸、メチルコハク酸、グルタル酸、アジピン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸、クエン酸等を例示することが出来る。特にシュウ酸、マレイン酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸等が好ましい。また、安定性を保つため、2種以上の酸を混合して使用してもよい。添加量は組成物に含まれるポリシロキサン100質量部に対して0.001〜25質量部、好ましくは0.01〜15質量部、より好ましくは0.1〜5質量部である。
あるいは、上記有機酸を組成物のpHに換算して、好ましくは0≦pH≦7、より好ましくは0.3≦pH≦6.5、更に好ましくは0.5≦pH≦6となるように配合することがよい。
更に、安定剤として環状エーテルを置換基として有する1価又は2価以上のアルコールを添加するとポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物の安定性を向上させることが出来る。このようなものとして、具体的には、特開2009−126940の(0121)段落から(0122)段落に記載されている材料を添加することが出来る。
Figure 2014141585
TPSM:マレイン酸モノ(トリフェニルスルホニウム)
パターニング試験
シリコンウエハー上に、信越化学工業(株)製スピンオンカーボン膜ODL−50(カーボン含有量80質量%)を膜厚200nmで形成した。その上にポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物溶液Sol.1〜5および9を塗布して240℃で60秒間加熱して、膜厚35nmのポリシロキサン含有膜Film1〜5および9を作製した。

Claims (11)

  1. ポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤であって、
    下記一般式(A−1)で示されるものであることを特徴とするポリシロキサン化合物の熱架橋促進剤。
    Figure 2014141585
    (R11、R12、R13、R14はそれぞれ、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、ハロゲン原子、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。a、b、c、dは0〜5の整数である。また、a、b、c、dが2以上の場合は、R11、R12、R13、R14が環状構造を形成してもよい。Lはリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビシウム、セシウムまたは下記一般式(A−2)、(A−3)、(A−4)または(A−5)で表される対向イオンである。)
    Figure 2014141585
    (式中、R21、R22、R23、R24はそれぞれ炭素数1〜20の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20の置換あるいは非置換のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、トリメチルシリル基によって置換されていてもよい。また、R21とR22、R21とR22とR23とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R21とR22及びR21とR22とR23は炭素数3〜10のアルキレン基を示す。R31、R32、R33は、R21、R22、R23、R24と同様であるか、水素原子であってもよい。R32とR33とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R32、R33はそれぞれ炭素数1〜6のアルキレン基を示す。)
  2. 請求項1に記載の熱架橋促進剤およびポリシロキサンを含有することを特徴とするポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物。
  3. 前記ポリシロキサンが下記一般式(B−1)で示される化合物、これの加水分解物、これの縮合物、これの加水分解縮合物、のうち1つ以上を含有することを特徴とする請求項2に記載のポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物。
    1B B12B B23B B3Si(OR0B(4−B1−B2−B3) (B−1)
    (式中、R0Bは炭素数1〜6の炭化水素基であり、R1B、R2B、R3Bは水素原子または1価の有機基である。また、B1、B2、B3は0又は1であり、0≦B1+B2+B3≦3である。)
  4. 被加工体上に塗布型有機下層膜材料を用いて有機下層膜を形成し、該有機下層膜の上に請求項2又は3に記載のポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物を用いてポリシロキサン含有レジスト下層膜を形成し、該ポリシロキサン含有レジスト下層膜上にレジストパターンを形成し、該パターンが形成されたレジスト膜をマスクにして前記レジスト下層膜にドライエッチングでパターン転写し、該パターンが転写されたレジスト下層膜をマスクにして前記有機下層膜をドライエッチングでパターン転写し、さらに該パターンが転写された有機下層膜をマスクにして前記被加工体にドライエッチングでパターンを転写することを特徴とするパターン形成方法。
  5. 被加工体上に炭素を主成分とする有機ハードマスクをCVD法で形成し、該有機ハードマスクの上に請求項2又は3に記載のポリシロキサン含有レジスト下層膜形成用組成物を用いてポリシロキサン含有レジスト下層膜を形成し、該ポリシロキサン含有レジスト下層膜上にレジストパターンを形成し、該パターンが形成されたレジスト膜をマスクにして前記レジスト下層膜にドライエッチングでパターン転写し、該パターンが転写されたレジスト下層膜をマスクにして前記有機ハードマスクをドライエッチングでパターン転写し、さらに該パターンが転写された有機ハードマスクをマスクにして前記被加工体にドライエッチングでパターンを転写することを特徴とするパターン形成方法。
  6. 前記被加工体が、半導体装置基板、金属膜、金属炭化膜、金属酸化膜、金属窒化膜、金属酸化炭化膜または金属酸化窒化膜であることを特徴とする請求項4又は5に記載のパターン形成方法。
  7. 前記被加工体を構成する金属がケイ素、チタン、タングステン、ハフニウム、ジルコニウム、クロム、ゲルマニウム、銅、アルミニウム、インジウム、ガリウム、ヒ素、パラジウム、鉄、タンタル、イリジウム、モリブデンまたはこれらの合金であることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  8. 誘導自己組織化法(DSA法)またはナノインプリンティングリソグラフィー法でレジストパターンを形成することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  9. 前記レジストパターンの形成は、化学増幅型レジスト組成物を用いてフォトレジスト膜を形成し、加熱処理後に高エネルギー線で前記フォトレジスト膜を露光し、アルカリ現像液を用いて前記フォトレジスト膜の露光部を溶解させてポジ型パターンを形成することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  10. 前記レジストパターンの形成は、化学増幅型レジスト組成物を用いてフォトレジスト膜を形成し、加熱処理後に高エネルギー線で前記フォトレジスト膜を露光し、有機溶剤の現像液を用いて前記フォトレジスト膜の未露光部を溶解させることによりネガ型パターンを形成することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  11. 前記高エネルギー線を用いるリソグラフィー法が300nm以下の光を用いたリソグラフィー法、EUV光を用いたリソグラフィー法または電子線直接描画法であることを特徴とする請求項9又は10に記載のパターン形成方法。
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