JP2020147630A - 導電性高分子組成物、被覆品、及びパターン形成方法 - Google Patents

導電性高分子組成物、被覆品、及びパターン形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】濾過性ならびに電子線レジスト上への平坦膜の成膜性が良好で、低体積抵抗率(Ω・cm)により電子線描画工程での良好な帯電防止能を示し、当該膜より拡散する酸のリソグラフィーへの影響を低減し、さらに描画後のH2O又はアルカリ性現像液による剥離性にも優れた電子線レジスト描画用帯電防止膜に好適に用いることができる導電性高分子組成物を提供する。【解決手段】(A)下記一般式(1)で表される繰り返し単位を少なくとも1種類以上有するポリアニリン系導電性高分子、及び(B)下記一般式(2)で表されるカルボン酸塩を含む導電性高分子組成物。【選択図】なし

Description

本発明は、ポリアニリン系導電性高分子を含む導電性高分子組成物、これを用いた被覆品、及びパターン形成方法に関する。
ICやLSI等半導体素子の製造プロセスにおいては、従来、フォトレジストを用いたリソグラフィー法による微細加工が行われている。これは、光照射により薄膜の架橋あるいは分解反応を誘起させることにより、その薄膜の溶解性を著しく変化させ、溶剤等による現像処理の結果得られるレジストパターンをマスクとして、基板をエッチングする方法である。近年、半導体素子の高集積化に伴い、短波長の光線を用いた高精度の微細加工が要求されるようになった。電子線によるリソグラフィーはその短い波長特性から次世代の技術として開発が進められている。
電子線によるリソグラフィー特有の問題点として、露光時の帯電現象(チャージアップ)が挙げられる。これは電子線露光を行う基板が絶縁性のレジスト膜で被覆された場合、レジスト膜上、又は膜中に電荷が蓄積して帯電する現象である。この帯電により、入射した電子線の軌道が曲げられるため、描写精度を著しく低下させることになる。そのため電子線レジストの上に塗布する剥離性帯電防止膜が検討されている。
前述の電子線によるリソグラフィーは<10nm世代への微細化に伴い、電子線レジストへの電子線描画の位置精度が一層重要になっている。その描画技術については、従来技術の高電流化やMBMW(マルチビームマスクライティング)等が進展しつつあり、レジスト上の帯電状態が一層大きくなると予想されることから、今後の描画技術の発展に対応する帯電防止膜の帯電防止能向上策として、より抵抗率が低く電荷発散能力の高い導電性高分子が望まれる。
特許文献1では、レジスト上の帯電現象による描写精度の低下を軽減するため、構造内に酸性置換基を導入したπ−共役系導電性高分子をレジスト上に塗布し、形成された導電性高分子膜が電子線描画の際の帯電防止効果を示すことを開示しており、帯電現象による様々な不具合、例えば電子線照射の際のリソグラフィー位置精度への静電的悪影響やレジストパターンの歪等を解消している。また、当該導電性高分子膜は高い照射量での電子線描画後も水溶性を保つため水洗による除去が可能であることを明示している。
特許文献2には、ポリアニリン系導電性高分子及びポリアシッド、HOからなる組成物が開示されており、ポリアニリン系導電性高分子及びポリアシッドからなる複合体が5〜10質量%で良好なスピンコート成膜が可能であり、かつ150nm膜厚で帯電防止効果が認められ、HOによる剥離・洗浄が可能である帯電防止膜が形成されることが明示されている。
特許文献3では、ポリチオフェン系導電性高分子の電子線リソグラフィー向け帯電防止膜用途技術が開示されており、ジェミニ型界面活性剤の添加等の効果によるポリチオフェン系導電性高分子とポリアニオンの複合体の帯電防止膜機能が示されている。
特許文献4では、ポリアニリン系導電性高分子の繰り返し単位であるアニリンのベンゼン環骨格のH原子のうち、少なくとも一つを酸性基に置換し、ポリアニリン分子内で自己ドープする化合物が新たに提案されている。前述の特許文献2〜3のポリアニリン系導電性高分子がキャリア移動を司るπ−共役系ポリマーであるアニリンオリゴマーと、通常ドーパントと呼ばれるスルホン酸末端をもつモノマーまたはポリマーとの複合体であり、HO中では粒子性挙動を示して分散しているため、材料の均質化を行うにおいては高出力ホモジナイザーや高圧の分散機での処理が必要であり、さらには電子線レジスト上に塗布後にもパターン描画の欠陥になる粒子凝集体の除去の工程が複雑になる。それに対し 特許文献4に記載の化合物はHOに対し溶媒和して分子性挙動を示すため、簡潔なろ過のみにより前述の欠陥要因を劇的に低減させることができる。
特許文献5では、段落0045〜0048において、ポリアニリン分子内で自己ドープする化合物を含む組成物に対し、電子線レジスト上に成膜した際に当該膜中に存在する酸が層間拡散によりレジストパターンに悪影響を及ぼすことを回避するため、酸を中和する目的で組成物に塩基性化合物を添加することを提案している。塩基性化合物として水酸化テトラプロピルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラペンチルアンモニウム、水酸化テトラヘキシルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム等に水酸化物のアンモニウム塩、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]−5−ノネン(DBN)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0] −7−ウンデセン(DBU)とそれらの誘導体を挙げている。しかし、水酸化物は強力な塩基性をもつためポリアニリンに由来する酸を中和するが、同時に強い求核性をもつため副反応が生じることがある。例えば、EBレジスト中に含まれる酸発生剤などは構造内にリンカーとしてしばしばエステル結合を含むが、このエステル結合が水酸化物イオンによって求核攻撃を受け、拡散制御や溶解特性などの機能を付与された部位が脱離する。そのため、小分子となったスルホン酸イオンは電子線照射後に拡散が助長され、結果としてリソグラフィーにおいて感度変動やパターン不良が生じる。一方、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]−5−ノネン(DBN)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(DBU)は強塩基ではあるものの求核性が弱いため、エステル結合への求核攻撃は生じにくいと考えられるが、小分子であるためEBレジストの上に導電性組成物を成膜した際、界面からレジスト層への拡散が生じ、電子線描画後に酸発生剤から発生する酸をクエンチしてしまい、結果としてリソグラフィーにおいて感度変動やパターン不良が生じるなどの問題がある。
特許公報第2902727号 米国特許5,370,825号明細書 特開2014−009342号公報 特許公報第3631910号 特開2017−39927号公報
特許文献1、4、5において示されるポリアニリン化合物は、π−共役系導電性高分子モノマー単位構造内に酸性置換基を導入したものを用いており、該酸性置換基がπ−共役系導電性高分子鎖に自己ドープする形態をとっている。しかし、重合後のπ−共役系導電性高分子内に存在するすべての酸性置換基がπ−共役系にドープしているのではなく、酸またはその塩としてポリマー内に存在する。酸の状態の場合、当該ポリアニリンを電子線レジスト上に電子線照射時の帯電防止膜として成膜すると、酸がレジスト層へ拡散しリソグラフィーに悪影響を及ぼす。また、その酸の拡散を制御する目的で、中和剤として水酸化物などの強塩基を添加すると、中和そのものが困難な上、膜内の未反応の強塩基はレジスト層に浸透し、レジスト組成物中のエステル結合などの求核攻撃を受ける部分と副反応を生じ結果的に感度やリソグラフィーに悪影響を及ぼす。また、塩の状態とは、重合前にモノマー単位に含まれる酸性基を重合前にあらかじめアミン類などの強塩基によって中和しておき、そのモノマーを重合し、生成物をカチオン交換樹脂などで処理していない状態で存在するが、その際ポリマー上の一部のスルホン酸塩は重合試薬に用いられるペルオキソ二硫酸塩の副生物である硫酸によって酸の状態となっていると考えられ、限外ろ過などによる精製による単分子不純物除去後も、当該ポリアニリン鎖由来の酸が形成膜から拡散する。そのため、当該導電性ポリマーを電子線レジストの帯電防止膜として用いるには、ポリアニリン中の酸末端から発生する酸の拡散を強塩基以外の添加剤により制御しなければならない。
強塩基のレジストへの影響は、PCD(Post Coating Delay)と呼ばれる、レジスト上に帯電防止膜を成膜したものの電子線未照射の状態での保存安定性の試験において顕著に現れる。即ち、未照射状態での保管中に帯電防止膜内に存在する強塩基物質が徐々にレジスト膜中に浸透・拡散し、レジストポリマーや酸発生剤に随時求核攻撃をし、レジストのリンカー接合部を切断し、電子線酸発生剤の酸末端を切り離す。その後の電子線描画においては、描画領域外のレジストの反応が進んでいることや、小分子の酸が発生し本来の酸発生剤よりも拡散速度が速い状態でレジストポリマーと反応するなどして、リソグラフィーにおいて著しい感度変化や膜減り、パターン劣化を引き起こす。
一般的に無置換のアニリンを原料に用いたポリアニリン複合体は高い導電率を示す一方で、親水性が低くHOへの分散性に乏しいため基板上への成膜性が極めて悪い。これに対し特許文献2に記載の組成物では、ベースポリマーとなるポリアニリン系導電性高分子及びポリアシッドからなる複合体において、アニリン骨格上に様々な置換基を導入することでポリアニリン複合体のHOへの分散性と基板上への成膜性を向上させ、前述の電子線によるリソグラフィー帯電防止膜用途においても、HOによる剥離・洗浄工程で速やかな応答を示す。しかし、アニリン骨格への水素原子以外の置換基を導入することは、高い導電性を付与することを困難とする。即ち、帯電防止能を示す物性指標としての抵抗率低減の改善を困難なものとし、前述したレジスト層の帯電状態を強く発生すると予想される将来の描画プロセスにおいては、帯電する電荷の十分な発散に対応できない。
π−共役系導電性高分子で電子線リソグラフィーの描画工程における帯電防止膜用途に使用されるものは、前述のポリアニリン系導電性高分子以外に、ポリチオフェン系導電性高分子がある。ポリチオフェン系導電性高分子は、一般的にポリアニリン系導電性高分子と比べて高い導電率を示すが、HOへの親和性はポリアニリン系導電性高分子に比べて低く、HO分散材料であっても一旦成膜された後はHOによる剥離・洗浄工程において、剥離が困難であったり、剥離されたとしてもHOに完全に溶解または再分散されずにフレーク状などの固形状態で流動するため、リソグラフィー上では重大なパターン欠陥を引き起こす可能性がある。
特許文献3では、ポリチオフェン系導電性高分子の電子線リソグラフィー向け帯電防止膜用途技術が開示されており、ジェミニ型界面活性剤の添加等の効果によるポリチオフェン系導電性高分子とポリアニオンの複合体の帯電防止膜機能及びHOに対する良好な剥離性が示されている。また、特許文献3に記載の組成物はポリチオフェン系導電性高分子及びポリアシッドからなる複合体をベースポリマーとしているため、特許文献2に記載のポリアニリン系導電性高分子及びポリアシッドからなる複合体同様、ポリアシッド由来の酸がレジスト膜に影響を及ぼす可能性があるのに対し、アミン類等の中和剤を用いる事により酸性度を緩和することで前述のリソグラフィーへの影響を最小限にとどめている。しかし、良好な塗布性と剥離性の機能を付帯させるためにジェミニ型界面活性剤を添加し、かつ、酸性度の緩和のためのアミン類を添加した結果では、アミンによるレジスト膜への副反応が生じてリソグラフィーに影響を及ぼすほか、帯電防止能の指標となる膜の表面抵抗率(Ω/□)は、十分な帯電防止能を発生できない大きな値を示し、結論としてポリチオフェン系導電性高分子が本来もつ低抵抗率性が機能として表れていない。そのため、将来、高い帯電防止能が要求される描画プロセスにおいては電荷の十分な発散に対応できない懸念がある。
上述のことから、濾過性が良好かつ電子線レジスト上への平坦膜の成膜性が良好で、低抵抗率の性質により電子線描画工程においても優良な帯電防止能を示し、かつ、当該膜より拡散する酸の影響を最小限にするためにリソグラフィーに悪影響を及ぼす強塩基類による中和を用いず、添加剤としてカルボン酸の塩を添加することによる酸の塩交換により酸の拡散速度を制御し、さらに描画後のHO又はアルカリ性現像液による剥離性が良好な電子線レジスト描画用帯電防止膜の開発が求められていた。
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、濾過性ならびに電子線レジスト上への平坦膜の成膜性が良好で、低体積抵抗率(Ω・cm)の性質により電子線描画工程においても優良な帯電防止能を示し、かつ、当該膜より拡散する酸の影響を最小限としてリソグラフィーへの影響を低減し、さらに描画後のHO又はアルカリ性現像液による剥離性にも優れた電子線レジスト描画用帯電防止膜に好適に用いることができる導電性高分子組成物を提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、本発明では、
(A)下記一般式(1)で表される繰り返し単位を少なくとも1種類以上有するポリアニリン系導電性高分子、及び(B)下記一般式(2)で表されるカルボン酸塩、を含むものである導電性高分子組成物を提供する。
Figure 2020147630
(式中、R1〜R4は、各々独立に、水素原子、酸性基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、炭素数1〜24の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、ヘテロ原子を含む炭素数1〜24の直鎖状、分岐状、環状の炭化水素基、又はハロゲン原子で部分置換された炭素数1〜24の直鎖状、分岐状、環状の炭化水素基を示す。)
Figure 2020147630
(式中、Xはリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は下記一般式(3)で示される窒素化合物を示す。Lは単結合又はヘテロ原子が介在してもよい炭素数1〜8の直鎖状、分岐状、環状の飽和又は不飽和の炭化水素鎖を示し、Lが単結合の場合にはn=0であり、Lが単結合でない場合はn=1である。R5とR6はそれぞれ独立に水素原子、ヘテロ原子、−COO基、ヒドロキシル基、ヘテロ原子が介在してもよい炭素数1〜20の直鎖状、分岐状、又は環状の1価炭化水素基、又は末端に−COO基をもつ炭素数1〜8の直鎖状、分岐状、又は環状の飽和又は不飽和炭化水素基を示す。R7は水素原子、ヒドロキシル基、又は−COO基を示す。)
Figure 2020147630
(式中、R101、R102、R103、R104は、それぞれ水素原子、炭素数1〜12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アルコキシ基によって置換されていてもよい。R101とR102、R101とR102とR104とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R101とR102及びR101とR102とR104は炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
(B)成分として一般式(2)で示されるカルボン酸塩を含むものであれば、一般式(1)で表される繰り返し単位を少なくとも1種類以上有するポリアニリン系導電性高分子(A)の酸性度を緩和することが可能であり隣接する層へ酸の拡散を制御できる。
また、前記酸性基がスルホ基であることが好ましい。
このような(A)成分であれば、本発明の効果をより十分に得ることができる。
また、前記(B)成分の含有量が、前記(A)成分100質量部に対して、1質量部から70質量部であることが好ましい。
(B)成分の含有量をこのようなものとすれば、導電性高分子組成物によって形成された導電膜から接触する隣接層への酸拡散をより低減することができる。
また、前記導電性高分子組成物が、更に(C)ノニオン系界面活性剤を含有するものであることが好ましい。
このようなものであれば、導電性高分子組成物の基材等の被加工体への濡れ性を上げることができる。
また、前記(C)成分の含有量が、前記(A)成分100質量部に対して、0.1質量部から10質量部であることが好ましい。
このようなものであれば、被加工体表面への濡れ性もより良好となり、導電膜の導電性も十分なものとなる。
また、前記導電性高分子組成物が、更に(D)水溶性高分子を含有するものであることが好ましい。
このようなものであれば、導電性高分子組成物を基材等の被加工体へ成膜した際の膜の均質性を向上することができる。
また、前記(D)成分の含有量が、前記(A)成分100質量部に対して、30質量部から150質量部であることが好ましい。
このような(D)成分の含有量であれば、膜の均質性を向上させつつ、十分な帯電防止機能を確実に得ることができる。
また、本発明では、被加工体上に上記の導電性高分子組成物が成膜されたものである被覆品を提供する。
本発明の導電性高分子組成物から形成される導電膜は、帯電防止能に優れていることから、このような帯電防止膜を様々な被加工体上に被覆することにより、質の高い被覆品を得ることができる。
また、前記被加工体は、化学増幅型レジスト膜を備える基板であることが好ましい。
また、前記被加工体は、電子線をパターン照射してレジストパターンを得るための基板であることが好ましい。
また、前記被加工体は、20μC/cm以上の感度をもつ化学増幅型電子線レジスト膜を備える基板であることが好ましい。
本発明の導電性高分子組成物であれば、特に電子線等を用いたリソグラフィーに好適に用いることができるため、高感度、高解像性を有し、パターン形状も良好なレジストパターンを得ることができる。
また、本発明では、化学増幅型レジスト膜を備える基板の該レジスト膜上に、上記の導電性高分子組成物を用いて帯電防止膜を形成する工程、電子線をパターン照射する工程、及びHO又はアルカリ性現像液を用いて現像してレジストパターンを得る工程を含むパターン形成方法を提供する。
このようなパターン形成方法によれば、電子線描画時のレジスト表面の帯電に由来する電子線歪曲現象を防ぐことができ、高感度で高解像性を有し、パターン形状も良好なレジストパターンを得ることができる。
このような導電性高分子組成物であれば、電子線レジスト描画時の帯電状態において、高効率の電荷発散を示す帯電防止膜へ好適に適用することができ、電子線描画の位置精度を改善することができる。
また、一般式(1)で表される繰り返し単位を含む(A)成分と一般式(2)で表される(B)成分を含む組成物は、基板上に成膜後、高い導電率を示すと同時にHOに対する高い親和性をもち、濾過性が良好でかつ電子線レジスト上への平坦膜の成膜性が良好であり、また成膜後の剥離プロセスにおいてもHO又はアルカリ性水溶液による剥離が容易になる。このような(A)成分と(B)成分を含有する組成物であれば、良好な成膜性およびHO又はアルカリ性水溶液による剥離性をもち、かつ高い導電率即ち低表面抵抗率性(Ω/□)を示す導電膜を形成して、レジストへの電子線描画において高い位置精度、良好なレジストパターン形状、レジスト現像後にレジストパターン上に剥離片や不溶性残膜のない帯電防止膜を与え、電子線リソグラフィーに好適に用いることができる。
また(B)成分によって、組成物により形成される膜からの隣接層への酸拡散の影響を制御することができ、高導電性で、電荷発散能力の高い帯電防止能を発現し、膜質が良好な導電膜を形成することが可能となる。
本発明の(A)成分および(B)成分を含有する組成物は、成膜後のHO又はアルカリ性水溶液による良好な剥離性を示す。電子線レジストへの電子線描画およびパターニングプロセスにおいて、当該組成物から成る形成膜は描画後の加熱処理前においてHOによって剥離可能であり、また、描画後の加熱処理後のレジストパターン現像工程においてアルカリ性水溶液(アルカリ性現像液)によってもレジストパターンの溶離部と同じように剥離可能である。このように、HO又はアルカリ性水溶液による膜剥離が容易であることにより、電子線描画後の剥離工程において、膜形成材料残渣に由来する微細の欠陥低減にも効果を示す。
また、(C)ノニオン系界面活性剤および(D)水溶性高分子は、本発明の(A)成分および(B)成分を含有する組成物において、成膜後のHO又はアルカリ性水溶液による剥離性を阻害しない。(C)ノニオン系界面活性剤および(D)水溶性高分子を含む組成物による形成膜はHO又はアルカリ性水溶液による膜剥離が容易であり、電子線描画後の加熱処理前においてHOによって剥離可能であり、また、電子線描画後の加熱処理後にリソグラフィーにおけるレジストパターン現像工程において、アルカリ性水溶液(アルカリ性現像液)によってもレジストパターンの溶離部と同じように剥離可能である。このように、HO又はアルカリ性水溶液による膜剥離が容易であることにより、電子線描画後の剥離工程において、膜形成残渣に由来する極微細の欠陥低減にも効果を示す。
また、本発明の導電性高分子組成物を用いて形成された帯電防止膜を様々な被加工体に被覆することにより、質の高い被覆品を得ることができる。
上述のように、基板への塗布性・成膜性が良好で膜質の良好な導電膜を形成し、HO又はアルカリ性水溶液による剥離性に優れ、電荷発散能力の高い帯電防止能を発現し、当該膜から発生する酸の隣接層への拡散制御に強塩基を用いず、電子線等を用いたレジストリソグラフィーにおいて高導電性の帯電防止膜に好適に用いることができる導電性高分子組成物が求められていた。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(A)成分のみを原料に用いた高い導電率を示すポリアニリン化合物はドープに消費されないスルホ基が存在するため、その溶液ないし分散液は酸性を示す。(A)成分のみを原料に用いた液材料を電子線レジスト上に電子線照射時の帯電防止膜として成膜すると、酸がレジスト層へ拡散しリソグラフィーに悪影響を及ぼす。また、その酸の拡散を制御する目的で、中和剤として水酸化物などの強塩基を添加すると、中和そのものが困難な上、さらに当該組成物を電子線レジスト上に電子線照射時の帯電防止膜として成膜した場合、膜内に過剰な強塩基が存在した場合レジスト層に浸透し、レジストベースポリマーや酸発生剤中のエステル結合などの被求核攻撃を部位と副反応を生じたり、描画後にレジスト中の酸発生剤から発生する酸と反応するなどして、描画感度や現像後のリソグラフィーに悪影響を及ぼす。
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、一般式(1)で表される繰り返し単位を含む(A)成分のポリアニリン系導電性高分子と、一般式(2)で表される(B)成分のカルボン酸塩を含む組成物を電子線レジストへの電子線照射時のレジスト上に塗布することにより、成膜性、膜質および膜平坦性が良好で、低い表面抵抗率(Ω/□)即ち高導電率を示し、HO又はアルカリ性水溶液による剥離性が良好で、かつ(A)成分から発生する酸のレジストへの拡散が制御された膜帯電防止膜を形成することを見出した。
また、上記導電性高分子分散液に(C)ノニオン系界面活性剤および(D)水溶性高分子あるいはいずれか一方を添加することで、一般式(1)で表される繰り返し単位を含む(A)成分のポリアニリン系導電性高分子と、一般式(2)で表される(B)成分のカルボン酸塩を含む組成物の被加工体表面への濡れ性がさらに良好となって成膜性が向上し、膜均質性も向上することを見出した。
また、本発明の前述の用途に好適に用いられる導電性高分子組成物は、例えば、(A)成分のポリアニリン系高分子と(B)成分のカルボン酸塩及び溶剤、さらに場合により(C)成分の界面活性剤、(D)成分の水溶性高分子を混合し、フィルター等でろ過することにより得ることができる。また、本発明の導電性高分子組成物を用いて形成される薄膜を備えた被覆品、及び基板は、例えば、本発明の導電性高分子組成物を基板上に塗布、加熱処理、IR、UV照射等を行うことで得ることができる。
以下、本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<導電性高分子組成物>
本発明は、(A)下記一般式(1)で表される繰り返し単位を少なくとも1種類以上有するポリアニリン系導電性高分子、及び(B)下記一般式(2)で表されるカルボン酸塩、を含むものである導電性高分子組成物である。
[(A)ポリアニリン系導電性高分子]
本発明の導電性高分子組成物に含まれる(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を少なくとも1種類以上有するポリアニリン系導電性高分子である。
Figure 2020147630
(式中、R1〜R4は、各々独立に、水素原子、酸性基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、炭素数1〜24の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、ヘテロ原子を含む炭素数1〜24の直鎖状、分岐状、環状の炭化水素基、又はハロゲン原子で部分置換された炭素数1〜24の直鎖状、分岐状、環状の炭化水素基を示す。)
ポリアニリン系導電性高分子はπ−共役系高分子であり、主鎖がアニリン、またはアニリンのpara−置換体以外の誘導体で構成されている有機高分子である。本発明において、(A)成分は、R1〜R4のうち少なくとも一つがスルホ基である一般式(1)で表される繰り返し単位(アニリンモノマー)を含む重合体であることが好ましい。尚、スルホ基は酸性基に含まれる。また、(A)成分としては、重合体の構造内にスルホ基をもたず、分子外の酸やハロゲンイオンなどのドーパントのドープによって導電機能を発現するものであってもよい。しかし、HOへの高い親和性、高効率の濾過性、成膜後のHOまたはアルカリ現像液に対する剥離性、リソグラフィーにおける低欠陥性、重合の容易さ、保存時の低再凝集性、空気中での安定性の点から、(A)成分としては、一般式(1)で表される繰り返し単位を少なくとも1種類以上有する自己ドープ型即ち分子内ドープ型ポリアニリン系導電性高分子が特に有効である。
上記分子内ドープ型ポリアニリン系導電性高分子は、一般式(1)で表される繰り返し単位のR1〜R4の少なくとも一つがスルホ基で置換されたアニリンのみで形成された場合に最も高い導電性を発現する。また、このようなポリアニリン系導電性高分子にさらにHO親和性を増強するために、R1〜R4中のスルホ基以外に、親水性置換基を導入することもできる。親水性置換基としては、アルコキシ基、カルボキシル基、ヒドロキシ基等の官能基を導入できる。
スルホン酸置換アニリンの代表的なものとしては、アミノベンゼンスルホン酸誘導体が挙げられる。アミノベンゼンスルホン酸誘導体としてはo−、m−アミノベンゼンスルホン酸、アニリン2−6−ジスルホン酸、アニリン3−5−ジスルホン酸が好ましい。
アミノベンゼンスルホン酸以外のスルホ基をもつアニリンとしては、メチルアミノベンゼンスルホン酸、エチルアミノベンゼンスルホン酸、n−プロピルアミノベンゼンスルホン酸、iso−プロピルアミノベンゼンスルホン酸、n−ブチルアミノベンゼンスルホン酸、sec−ブチルアミノベンゼンスルホン酸、t−ブチルアミノベンゼンスルホン酸などのアルキル基置換ベンゼンスルホン酸類、メトキシアミノベンゼンスルホン酸、エトキシアミノベンゼンスルホン酸、プロポキシアミノベンゼンスルホン酸等のアルコキシアミノベンゼンスルホン酸類、ヒドロキシ置換アミノベンゼンスルホン酸類、ニトロ基置換アミノベンゼンスルホン酸類、フルオロアミノベンゼンスルホン酸、クロロベンゼンスルホン酸、ブロモベンゼンスルホン酸などのハロゲン基置換アミノベンゼンスルホン酸類等を挙げることができる。この中では、アルコキシアミノベンゼンスルホン酸類、ヒドロキシ置換アミノベンゼンスルホン酸類が上記分子内ドープ型ポリアニリン系導電性高分子のHO親和性、導電率、反応性、生成物熱的安定性の点から好適に用いられる。また、これらアミノベンゼンスルホン酸類は一種類を単独で用いてもよく、2種以上を任意の割合で混合して用いてもよい。
また、(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は、般式(1)で表される繰り返し単位のR1〜R4の少なくとも一つがスルホ基で置換されたアニリンと、スルホ基を一つも持たないアニリンを共重合することによって形成することもできる。その場合、生成する高分子内のスルホ基の存在率が低下によってHOへの親和性が低下することがあるが、それを補うためにスルホ基を持たないアニリンにはHOへの強い親和性をもった置換基を導入することが望ましい。強親水性置換基には、アルコキシ基、カルボキシル基、ヒドロキシ基等の官能基が望ましい。
スルホ基を持たないアニリンを繰り返し単位として共重合する際に望ましい、HOへの高い親和性をもつアニリンモノマーの具体例としては、2−メトキシアニリン、2−イソプロポキシアニリン、3−メトキシアニリン、2−エトキシアニリン、3−エトキシアニリン、3−イソプロポキシアニリン、3−ヒドロキシアニリン、2,5−ジメトキシアニリン、2,6−ジメトキシアニリン、3,5−ジメトキシアニリン、2,5−ジエトキシアニリン、2−メトキシ−5−メチルアニリン、5−tertブチル−2−メトキシアニリン、2−ヒドロキシアニリン、3−ヒドロキシアニリン等が挙げられる。
中でも、2−メトキシアニリン、3−メトキシアニリン、2−エトキシアニリン、3−エトキシアニリン、2−イソプロポキシアニリン、3−イソプロポキシアニリン、3−ヒドロキシアニリンは、一般式(1)中のR1〜R4のうち少なくとも一つがスルホ基であるアニリンモノマーと共重合した際もHO親和性、導電率、反応性、生成物熱的安定性の点から好適に用いられる。
[(B)カルボン酸塩]
本発明の導電性高分子組成物に含まれる(B)成分は、下記一般式(2)で示されるカルボン酸の塩で、脂肪族、芳香族、環状脂肪族等にカルボキシ基を一つ又は二つ以上を含むものを使用できる。尚、下記一般式(2)において、Xはカルボン酸イオンと塩を形成している。
Figure 2020147630
(式中、Xはリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は下記一般式(3)で示される窒素化合物を示す。Lは単結合又はヘテロ原子が介在してもよい炭素数1〜8の直鎖状、分岐状、環状の飽和又は不飽和の炭化水素鎖を示し、Lが単結合の場合にはn=0であり、Lが単結合でない場合はn=1である。R5とR6はそれぞれ独立に水素原子、ヘテロ原子、−COO基、ヒドロキシル基、ヘテロ原子が介在してもよい炭素数1〜20の直鎖状、分岐状、又は環状の1価炭化水素基、又は末端に−COO基をもつ炭素数1〜8の直鎖状、分岐状、又は環状の飽和又は不飽和炭化水素基を示す。R7は水素原子、ヒドロキシル基、又は−COO基を示す。)
Figure 2020147630
(式中、R101、R102、R103、R104は、それぞれ水素原子、炭素数1〜12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アルコキシ基によって置換されていてもよい。R101とR102、R101とR102とR104とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R101とR102及びR101とR102とR104は炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
(B)成分は水溶性が高いものの方が取り扱い上好ましい。また、(A)成分のポリアニリン系導電性高分子と組成物とした際の導電率、組成物中および成膜後の膜内における分散性の観点から、カルボン酸としての分子量が250以下のものが好ましい。
一般式(2)で示されるXと塩を形成するカルボン酸で代表的なものとしては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、ピバル酸、ヒドロアンゲリカ酸、イソ吉草酸、カプロン酸、2−メチルペンタン酸、3−メチルペンタン酸、4−メチルペンタン酸、2,2−ジメチルブタン酸、2,3−ジメチルブタン酸、3,3−ジメチルブタン酸、2−エチルブタン酸、エナント酸、カプリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸、安息香酸、シュウ酸、マロン酸、フマル酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、乳酸、ピルビン酸、酒石酸、クエン酸、イソクエン酸、アスパラギン酸、グルタミン酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、ニトロ酢酸、トリフェニル酢酸などが例示される。
[その他の成分]
(界面活性剤)
本発明では、基板等の被加工体への濡れ性を上げるため、界面活性剤を添加してもよい。このような界面活性剤としては、ノニオン系、カチオン系、アニオン系の各種界面活性剤が挙げられるが、導電性高分子の安定性から(C)ノニオン系界面活性剤が特に好ましい。具体的には、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンカルボン酸エステル、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレンソルビタンエステル等のノニオン系界面活性剤が好適で、アルキルトリメチルアンモニウムクロライド、アルキルベンジルアンモニウムクロライド等のカチオン系界面活性剤、アルキル又はアルキルアリル硫酸塩、アルキル又はアルキルアリルスルホン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩等のアニオン系界面活性剤、アミノ酸型、ベタイン型等の両性イオン型界面活性剤等を挙げることができる。
このようなものであれば、導電性高分子組成物の基材等の被加工体への濡れ性を上げることができる。
(水溶性高分子)
また、本発明では、基板等の被加工体へ成膜した際の膜の均質性を向上するために、更に(D)水溶性高分子を添加してもよい。このような水溶性高分子としては、親水性繰り返し単位のホモポリマーまたはコポリマーが望ましい。また、このような親水性繰り返し単位は重合性官能基にビニル基をもったものが好ましく、さらには(A)の成分から発生する酸の拡散を制御する意味でも分子内に窒素原子を含む化合物であることが好ましい。このとき、分子内窒素原子が求核性を持たなければ、前述の様にレジスト組成物中のレジストポリマーや酸発生剤に含まれるエステル基などの被求核攻撃官能基への副反応が生じるおそれがないのでより好ましい。そのため、上記繰り返し単位としては、アクリルアミド類などの様に末端に窒素原子をもつものよりも含窒素複素環状化合物が望ましい。また、その時、窒素原子は環状構造の主鎖を形成するビニル基に結合しているものがより好ましい。このような繰り返し単位としては、N−ビニル−2−ピロリドン、N−ビニルカプロラクタム等が挙げられる。
このようなものであれば、導電性高分子組成物を基材等の被加工体へ成膜した際の膜の均質性を向上することができる。
<ポリアニリン系導電性高分子の製造方法>
特許文献4(特許公報第3631910号)ではドープ剤やポリマードーパントとの複合体を形成させることなく導電性を発現する自己ドープ型スルホン化ポリアニリンとその合成法が提案されている。それ以前のポリアニリン材料の多くはドーパントを添加したものであったが、ほとんどすべての有機溶剤に不溶であり、精製したポリマーは溶剤がHOであっても基本的に溶解性が低く,ポリマードーパントを使用してHOへ分散させることが可能であっても粒子性を帯びるため、電子デバイス光透過膜としての実装や半導体関連における薄膜形成などの用途においては欠陥の要因となり得る粒子の凝集体を除去することが困難であり、また、通常高分子の精製に用いられるろ過精製においては、凝集体がろ過フィルターに濾しとられるなどして固形分の変動をきたし、またろ過フィルターの孔径縮小にも限界があるなど、安定な製造に問題があった。
本発明において取り扱っている(A)成分を自己ドープ型ポリアニリンとした場合、例えば上記一般式(1)で表される繰り返し単位(即ち、(A)成分)は水溶液又は水・有機溶媒混合溶液中に酸化剤を添加し、酸化重合を行うことで得ることができる。(A)成分の重合処方は公知の方法を適用することができ、特に限定されない。具体的には、一般式(1)で示される繰り返し単位を得るためのモノマーを、化学酸化法、電解酸化法などの各種合成法により重合することができる。このような方法としては、例えば特許公報3154460号、特許公報2959968号に記される処方を適用することができる。
このように、上記重合法によって生成した(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は、その分子性性質から、HOおよび有機溶剤の双方に溶解するためろ過精製が容易になり、また、欠陥の要因となる凝集体の発生が低減し、ろ過による除去の効率も改善する。
(A)成分の重合に用いる重合開始剤としては、ペルオキソ二硫酸アンモニウム(過硫酸アンモニウム)、ペルオキソ二硫酸ナトリウム(過硫酸ナトリウム)、ペルオキソ二硫酸カリウム(過硫酸カリウム)等のペルオキソ二硫酸塩(過硫酸塩)、過酸化水素、オゾン等の過酸化物、過酸化ベンゾイル等の有機過酸化物、酸素等が使用できる。
酸化重合を行う際に用いる反応溶媒としては、水又は水と溶媒との混合溶媒を用いることができる。ここで用いられる溶媒は、水と混和可能であり、(A)成分及び(B)成分を溶解又は分散しうる溶媒が好ましい。例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタ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、1,3−プロパンジオール、ジプロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、1,4−ブチレングリコール、D−グルコース、D−グルシトール、イソプレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,2−ペンタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,9−ノナンジオール、ネオペンチルグリコール等の多価脂肪族アルコール類、ジアルキルエーテル、エチレングリコールモノアルキルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等の鎖状エーテル類、ジオキサン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル化合物、シクロヘキサノン、メチルアミルケトン、酢酸エチル、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、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、N−メチル−2−ピロリドン、N,N’−ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチレンホスホルトリアミド等の極性溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、3−メチル−2−オキサゾリジノン等の複素環化合物、アセトニトリル、グルタロニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル化合物を挙げることができる。これらの溶媒は、単独で用いてもよいし、2種類以上の混合物としてもよい。これら水と混和可能な溶媒の配合量は、反応溶媒全体の50質量%以下が好ましい。
(A)成分のポリアニリン系導電性高分子の重合は、上記一般式(1)で表される繰り返し単位を得るためのモノマーを溶剤に溶解させ、重合開始剤を滴下することにより行うことができるが、モノマーの溶解性が低い場合、均一系の反応系を形成させるために初期濃度が低くなることがある。この初期濃度の低下は重合反応の低下を引き起こし、生成するポリマーが十分な導電性や成膜性をもつための分子量を有することができないことがある。そのため、重合の際のモノマーの初期濃度を十分高めるためにモノマーに塩基を添加してモノマー中のスルホ基と塩を形成させ溶解性を増大させて重合を行うことが望ましい。
重合における一般式(1)の繰り返し単位を得るためのモノマーの初期濃度は1.0〜2.0mol/Lが好ましく、さらには1.5〜1.8mol/Lがより好ましい。
上記一般式(1)で表される繰り返し単位は塩基存在下において酸化剤により酸化重合することがより好ましい。重合における一般式(1)の繰り返し単位を得るためのモノマー中のスルホ基は上記塩基によって塩を形成する。その際の溶液の酸性度はpH<7.0であることが好ましい。
また、上記重合をする際、水溶液又は水・有機溶媒混合溶液中において、共存させる塩基として下記一般式(4)で示される有機カチオンまたはアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属のイオンが一般式(1)の繰り返し単位中の酸性基と塩を形成する。
下記一般式(4)で示される有機カチオンは、アンモニア、脂式アミン類、環式飽和アミ類、環式不飽和アミン類で酸との接触から生成するものが好ましい。
Figure 2020147630
(式中、R201、R202、R203、R204は、それぞれ水素原子、炭素数1〜12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アルコキシ基によって置換されていてもよい。R201とR202、R201とR202とR204とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R201とR202及びR201とR202とR204は炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
このようにして重合された(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は反応液中において沈降物として濾別単離される。ろ過方法としては、減圧濾過、加圧ろ過、遠心分離、遠心ろ過等が用いられるが、手法の簡易性、大合成スケールへの適応性から減圧濾過による濾別が好適であり、濾別された沈降物は漏斗上において貧溶媒による洗浄をすることができる。
また、このようにして得られた(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は、乾燥後に再度HOに溶解させ、限外濾過等の手法により不純物を除去することができる。
限外ろ過の方式としては、加圧方式、クロスフロー方式等が挙げられるが、生産性、精製材料のスケールの観点からクロスフロー方式を用いることが好ましい。また、クロスフロー方式であっても、処方によっては連続循環式(時間により精製を管理し、精製過程において原液が濃縮により高粘度化対応して適宜溶剤を加えて希釈する。)と逐次処理式(現液を精製するにおいて、2倍の濃度まで濃縮された時点で、もとの濃度まで希釈する工程を1工程とし、この工程を目的の精製度まで繰り返す。)があるがいずれの処方でも処理することができる。
また、限外ろ過に使用する膜の構造としては、平膜型、中空糸膜型、チューブラー膜型、スパイラル膜型等があり、分離膜の材質としてはセルロース、セルロースアセテート、ポリスルホン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン等があり、本工程においてはいずれの組み合わせであっても制限がないが、精製材料の溶剤がHO、酸性溶液の場合はポリエーテルスルホン製の分離膜が望ましく、膜の構造は、処理液のスケール、処理効率の観点から中空糸膜型を使用することが好ましい。
限外ろ過工程における除去対象物質が未反応物や重合副生物の小分子であることを鑑みると、膜の分画分子量は1000〜150000の範囲が好ましく、さらに好ましくは5000〜30000の範囲である。
またこの時、精製原液が2倍の濃度まで濃縮されること、ろ過膜による透析の効率を鑑み、原液濃度は0.5〜1.5重量%であることが好ましい。
限外ろ過の方式において、クロスフロー逐次処理式で精製を行った場合、各段階においてろ過液をイオンクロマトグラフィーで不純物イオンを定量することができる。ここで分析において定量することができるイオンにはSO 2−、NH 、Na等があるが、その他のイオンについても適宜定量対象とすることができる。限外ろ過精製の完了時点でのSO 2−、NH 、Naの濃度は10ppm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1ppm以下である。
限外ろ過により精製された(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は、精製が終了した時点ではHOの溶液であるが、アセトン等の水溶性貧溶媒により再度沈降精製することができる。沈降した(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は減圧濾過によって濾別された沈降物は再度貧溶媒によって洗浄をすることができる。
<導電性高分子組成物の製造方法>
本発明の前述の用途に好適に用いられる導電性高分子組成物は、例えば、(A)成分のポリアニリン系高分子と(B)成分のカルボン酸塩及び溶剤、さらに場合により(C)成分のノニオン系界面活性剤、(D)成分の水溶性高分子を混合し、フィルター等でろ過することにより得ることができる。
このとき、本発明における(A)成分のポリアニリン系導電性高分子と(B)成分のカルボン酸塩及、さらに場合により(C)成分のノニオン系界面活性剤、(D)成分の水溶性高分子のいずれをも溶解し、さらに成膜する基板上の電子線レジストの剥離やミキシングによるレジストリソグラフィーへの影響を鑑み、HOを主溶剤とすることが好ましい。
組成物における(A)成分の固形分量は、電子線レジスト帯電防止膜として要求される電荷発散性、膜厚にもよるが、電子線描画直後の剥離または現像時の高効率の剥離性を鑑み、0.05〜1.0wt%が好ましく、さらには0.1〜0.3wt%がより好ましい。
またこのとき、(B)成分の含有量が、(A)成分100質量部に対して1質量部から70質量部であることが好ましい。さらには、(B)成分の含有量が、(A)成分100質量部に対して3質量部から40質量部であることが好ましく、さらには5質量部から30質量部であることが好ましい。また(B)成分の含有量は、(A)成分100質量部に対して10質量部から70質量部であってもよく、10質量部から50質量部であってもよい。
(A)成分および(B)成分の含有量をこのようなものとすれば、導電性高分子組成物によって形成された導電膜から接触する隣接層への酸拡散をより低減することができる。このような導電膜が形成される被加工体が化学増幅型レジスト膜を備える基板であって、電子線描画時における帯電防止効果を目的とした場合、導電膜が帯電防止効果を発現し描画位置を高精度にすることに加え、レジストへの導電膜からの酸拡散の影響が低減され、高解像性レジストパターンを得ることができる。
また、(C)ノニオン系界面活性剤を添加する場合その含有量は、(A)の成分100質量部に対して、0.1質量部から10質量部であることが好ましく、さらには0.5質量部から5質量部であることがより好ましい。
またさらに、(D)水溶性高分子を添加する場合その含有量は、(A)成分100質量部に対して、30質量部から150質量部であることが好ましく、さらには90質量部から120質量部であることがより好ましい。
以上説明したような、導電性高分子組成物であれば、濾過性及び塗布性が良好であり、電子線リソグラフィーにおける好適な帯電防止膜を形成することができる。
こうして得られた導電性高分子組成物は、電子線レジストないし基材等の被加工体に様々な方法によって塗布することにより帯電防止膜を形成できる。具体的には、スピンコーター等による塗布、バーコーター、浸漬、コンマコート、スプレーコート、ロールコート、スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷等が挙げられる。塗布後、熱風循環炉、ホットプレート等による加熱処理、IR、UV照射等を行って導電膜を形成することができる。
更に、本発明の導電性高分子組成物は、リソグラフィー関連の帯電防止膜関連に留まらず、有機薄膜デバイスにおけるデバイス構成要素としての積層膜形成用材料として好適に用いることができる。さらには、優れた導電性と成膜性、及び透明性から有機ELディスプレイや有機EL照明、太陽電池等の透明電極用途のような電極膜形成用材料として、あるいはπ−共役系ネットワークに由来する高効率のキャリアの移動を示す性状から同じく有機ELディスプレイや有機EL照明、太陽電池等のキャリア注入層、キャリア移動層用途のようなキャリア移動膜形成用材料としても好適に用いることができる。
本発明の導電性高分子組成物中に(B)成分を用いた場合、有機薄膜デバイスの構成において、多層構造中の形成層として使用された際も、積層構造中の隣接層に酸による悪影響を与えることがないため、デバイス構築後も隣接層の構成材料の界面での変質や酸による副反応、劣化を回避することが可能である。
<被覆品>
また、本発明は、被加工体上に本発明の導電性高分子組成物が成膜されたものである被覆品を提供する。本発明の導電性高分子組成物から形成される導電膜は、帯電防止能に優れていることから、このような帯電防止膜を様々な被加工体上に被覆することにより、質の高い被覆品を得ることができる。
被加工体としては、ガラス基板、石英基板、フォトマスクブランク基板、樹脂基板、シリコンウエハー、ガリウム砒素ウエハー、インジウムリンウエハー等の化合物半導体ウエハー等、及び樹脂フィルム、超薄膜ガラス、金属箔等のフレキシブル基板が挙げられ、さらにこれら基板表層が、平坦化や絶縁性化、気体や水分の透過防止を目的として有機・無機薄膜層でコーティングされたものでもよい。
本発明の導電性高分子組成物を用いて得られる導電膜が被覆された被覆品としては、例えば、帯電防止膜用途として本発明の導電性高分子組成物が塗布されたガラス基板、樹脂フィルム、フォトレジスト基板等が挙げられる。
また、本発明の導電性高分子組成物は、電子線レジスト描画プロセス中における独立な帯電防止膜剥離工程、又は現像工程に含まれる帯電防止膜剥離工程に適応するため、被加工体が化学増幅型レジスト膜を備える基板であっても好適に使用することが可能であり、さらにそれが電子線をパターン照射してレジストパターンを得るための基板である場合、より好適な結果を得ることができる。また、被加工体は、20μC/cm以上の感度をもつ化学増幅型電子線レジスト膜を備える基板であってもよい。
<パターン形成方法>
更に、本発明は、化学増幅型レジスト膜を備える基板の該レジスト膜上に、本発明の導電性高分子組成物を用いて帯電防止膜を形成する工程、電子線をパターン照射する工程、及びHO又はアルカリ性現像液を用いて現像してレジストパターンを得る工程を含むパターン形成方法を提供する。
上記パターン形成方法は、本発明の導電性高分子組成物を用いる以外は、常法に従って行うことができ、導電性高分子組成物によって形成された帯電防止膜は、電子線描画後、加熱処理前にHOによって剥離してもよいし、加熱処理後にレジストパターン現像工程おいて現像液により剥離してもよい。レジストパターン現像後はエッチング工程やその他の各種の工程が行われてももちろんよい。
このようなパターン形成方法によれば、露光時の帯電現象を防ぐことができ、高感度で高解像性を有し、パターン形状も良好なパターンを得ることができる。
以下、製造例、実施例、及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[自己ドープ型ポリアニリン系導電性高分子の合成]
本発明に用いる(A)成分のポリアニリン系導電性高分子体において、上述した繰り返し単位の中でも、溶解性、導電性、原料コストの観点からメトキシアミノベンゼンスルホン酸類、さらにその中でも3−アミノ4−メトキシベンゼンスルホン酸の単独での重合が特に好ましい。さらに重合時の共存塩基は、取り扱いやコスト、塩基性、レジスト構成要素への無害性の観点からピリジンが好ましい。重合、生成の後も残存イオンとしてポリマー中に含まれ、その組成物が電子線レジトスト上に塗布された際も、リソグラフィーへの影響を最低限とすることができる。
(製造例)ポリアニリン系導電性高分子の合成
ペルオキソ二硫酸アンモニウム114.1gをアセトニトリル/HO混合液(アセトニトリル/HO=1/1)400mlに溶解させ0℃に冷却した状態に、101.6gの3−アミノ4−メトキシベンゼンスルホン酸を2mol/Lのピリジンのアセトニトリル/HO混合液(アセトニトリル/HO=1/1)300mlに完全溶解させ0℃に冷却したものを1.5ml/min.の滴下速度で滴下した。全量滴下終了後、反応系を25℃に昇温し12時間攪拌をした。攪拌後、沈降物を桐山ロートでろ取し、メタノールで洗浄後乾燥し、45gの粉末状導電性高分子を得た。このようにして得られた導電性高分子をHOに1.0wt%の濃度となるよう再溶解させ、限外ろ過(中空糸式、MWCO=1000)により透析液中のNH 、SO 2−イオン濃度が<1.0ppmになるまで精製を行った。限外濾過条件は下記の通りとした。
限外濾過膜の分画分子量:10K
クロスフロー式
供給液流量:3,000mL/分
膜分圧:0.12Pa
精製液を濃縮後、アセトン4,000mLに滴下し粉末を得た。この粉末を再度2,000mLの超純水に分散させ、アセトン4,000mLに滴下して粉末を再晶出させ、粉末を乾燥することで褐色の導電性高分子を得た。
限外濾過は、クロスフロー方式において連続循環式(時間により精製を管理し、精製過程において原液が濃縮により高粘度化対応して適宜溶剤を加えて希釈する。)と逐次処理式(現液を精製するにおいて、2倍の濃度まで濃縮された時点で、もとの濃度まで希釈する工程を1工程とし、この工程を目的の精製度まで繰り返す。)のいずれの処方によっても処理できるが、精製工程の不純物イオン除去の推移を観察するために、逐次処理式を用いることができる。逐次処理式による精製において、排出される透析液中に含まれる不純物イオンの濃度をイオンクロマトグラフィーで定量分析を行った結果を表1に示す。
Figure 2020147630
[ポリアニリン系導電性高分子を含む導電性高分子組成物の調製]
(実施例1)
酢酸アンモニウム0.051gを溶解させた超純水に、製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ、当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製し室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして実施例1とした。
(実施例2)
実施例1の酢酸アンモニウムを酢酸テトラメチルアンモニウム0.088gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例3)
実施例1の酢酸アンモニウムを酢酸テトラノルマルブチルアンモニウム0.200gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例4)
実施例1の酢酸アンモニウムをメタクリル酸ナトリウム0.072gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例5)
実施例1の酢酸アンモニウムを安息香酸ナトリウム0.096gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例6)
実施例1の酢酸アンモニウムを安息香酸アンモニウム0.092gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例7)
実施例1の酢酸アンモニウムを安息香酸テトラノルマルブチルアンモニウム0.24gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例8)
実施例1の酢酸アンモニウムをシュウ酸ナトリウム0.045gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例9)
実施例1の酢酸アンモニウムをシュウ酸アンモニウム0.047gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例10)
実施例1の酢酸アンモニウムをコハク酸ナトリウム0.054gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例11)
実施例1の酢酸アンモニウムをフタル酸ジカリウム0.080gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例12)
実施例1の酢酸アンモニウムをクエン酸トリナトリウム0.065gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例13)
実施例1の酢酸アンモニウムをクエン酸トリアンモニウム0.054gに変えた以外は、実施例1と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例14)
酢酸アンモニウム0.051gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして実施例14とした。
(実施例15)
実施例14の酢酸アンモニウムを酢酸テトラメチルアンモニウム0.088gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例16)
実施例14の酢酸アンモニウムを酢酸テトラノルマルブチルアンモニウム0.200gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例17)
実施例14の酢酸アンモニウムをメタクリル酸ナトリウム0.072gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例18)
実施例14の酢酸アンモニウムを安息香酸ナトリウム0.096gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例19)
実施例14の酢酸アンモニウムを安息香酸アンモニウム0.092gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例20)
実施例14の酢酸アンモニウムを安息香酸テトラノルマルブチルアンモニウム0.24gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例21)
実施例14の酢酸アンモニウムをシュウ酸ナトリウム0.045gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例22)
実施例14の酢酸アンモニウムをシュウ酸アンモニウム0.047gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例23)
実施例14の酢酸アンモニウムをコハク酸ナトリウム0.054gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例24)
実施例14の酢酸アンモニウムをフタル酸ジカリウム0.080gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例25)
実施例14の酢酸アンモニウムをクエン酸トリナトリウム0.065gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例26)
実施例14の酢酸アンモニウムをクエン酸トリアンモニウム0.054gに変えた以外は、実施例14と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例27)
酢酸アンモニウム0.051gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gおよび水溶性高分子化合物としてポリビニルピロリドン(ナカライテスク社製)0.90gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.200wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして実施例27とした。
(実施例28)
実施例27の酢酸アンモニウムを酢酸テトラメチルアンモニウム0.088gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例29)
実施例27の酢酸アンモニウムを酢酸テトラノルマルブチルアンモニウム0.20gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例30)
実施例27の酢酸アンモニウムをメタクリル酸ナトリウム0.072gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例31)
実施例27の酢酸アンモニウムを安息香酸ナトリウム0.096gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例32)
実施例27の酢酸アンモニウムを安息香酸アンモニウム0.092gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例33)
実施例27の酢酸アンモニウムを安息香酸テトラノルマルブチルアンモニウム0.24gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例34)
実施例27の酢酸アンモニウムをシュウ酸ナトリウム0.045gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例35)
実施例27の酢酸アンモニウムをシュウ酸アンモニウム0.047gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例36)
実施例27の酢酸アンモニウムをコハク酸ナトリウム0.054gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例37)
実施例27の酢酸アンモニウムをフタル酸ジカリウム0.080gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例38)
実施例27の酢酸アンモニウムをクエン酸トリナトリウム0.065gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(実施例39)
実施例27の酢酸アンモニウムをクエン酸トリアンモニウム0.054gに変えた以外は、実施例27と同様に調製を行い、導電性高分子組成物を得た。
(比較例1)
トリエチルアミン0.067gを溶解させた超純水に、製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ、当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製し室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例1とした。
(比較例2)
テトラノルマルブチルアンモニウムヒドロキシド0.17gを溶解させた超純水に、製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ、当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製し室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例2とした。
(比較例3)
ジアザビシクロウンデセン(DBU)0.10gを溶解させた超純水に、製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ、当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製し室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例3とした。
(比較例4)
トリエチルアミン0.067gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例4とした。
(比較例5)
テトラノルマルブチルアンモニウムヒドロキシド0.17gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例5とした。
(比較例6)
ジアザビシクロウンデセン(DBU)0.10gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.20wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例6とした。
(比較例7)
トリエチルアミン0.067gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gおよび水溶性高分子化合物としてポリビニルピロリドン(ナカライテスク社製)0.90gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.200wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例7とした。
(比較例8)
テトラノルマルブチルアンモニウムヒドロキシド0.17gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gおよび水溶性高分子化合物としてポリビニルピロリドン(ナカライテスク社製)0.90gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.200wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例8とした。
(比較例9)
ジアザビシクロウンデセン(DBU)0.10gを溶解させた超純水に、ノニオン系界面活性剤としてアセチレングリコール系界面活性剤サーフィノール465(日信化学工業製)0.03gおよび水溶性高分子化合物としてポリビニルピロリドン(ナカライテスク社製)0.90gを溶かし、さらに製造例で得たポリアニリン系導電性高分子の褐色粉末1.00gを溶解させ当該高分子の固形分濃度を0.200wt%になる様に調製した。室温で2時間攪拌した後、親水処理したポリエチレンフィルターでろ過をして比較例9とした。
(評価用レジスト)
電子線によるリソグラフィー用(電子線レジスト向け)帯電防止膜としての評価において、併用したポジ型化学増幅型レジストとしては、信越化学工業社製ポジ型化学増幅電子線レジスト(RP−1)を用いた。また、ネガ型化学増幅型電子線レジストには信越化学工業社製(RP−2)を用いた。
[ポジ型レジスト組成物(R−1)]
ポリマー(RP−1)(100質量部)、酸発生剤P―1(8質量部)、酸拡散制御剤としてQ−1(4質量部)、及び界面活性剤を有機溶剤中に溶解し、得られた各溶液を0.02μmサイズのUPEフィルターで濾過することにより、ポジ型レジスト組成物を調整した。
[ネガ型レジスト組成物(R−2)]
ポリマー(RP−2)(100質量部)、酸発生剤P―1(5質量部)、フッ素含有ポリマーD1(3質量部)、拡散制御剤としてQ−1(7質量部)、及び界面活性剤を有機溶剤中に溶解し、得られた各溶液を0.02μmサイズのUPEフィルターで濾過することにより、ネガ型レジスト組成物を調整した。
また、各レジスト組成物には界面活性剤としてPF−636(OMNOVA SOLUTIONS社製)を添加し、有機溶剤としては、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)1,204質量部、乳酸エチル(EL)1,204質量部及びプロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)1,606質量部の混合溶剤を使用した。
Figure 2020147630
Figure 2020147630
Figure 2020147630
Figure 2020147630
Figure 2020147630
(電子線レジストおよび導電性高分子組成物 シリコンウェハー上成膜)
(R−1)及び(R−2)はコーターデベロッパークリーントラック MARK VIII(東京エレクトロン(株)製)を用いて直径6インチ(150mm)シリコンウエハー上へスピンコーティングし、精密恒温器にて110℃、240秒間ベークを行い、溶媒を除去することにより成膜した。その上層に実施例1〜39及び比較例1〜9のそれぞれ2.0mLを滴下後、スピンナーを用いてレジスト膜上全体に回転塗布した。回転塗布条件は、膜厚が80±5nmとなるよう調節した。精密恒温器にて90度、5分間ベークを行い、溶媒を除去することにより帯電防止膜を得た。レジスト膜厚及び帯電防止膜厚は、入射角度可変の分光エリプソメーターVASE(J.A.ウーラム社製)で決定した。
(導電性組成物成膜性)
上記電子線レジストおよび導電性高分子組成物の成膜工程において、導電性高分子組成物が電子線レジスト上に均一膜を形成できたものを○、屈折率の測定はできたが膜にパーティクル由来の欠陥や部分的にストリエーションが発生したものを×とする基準で評価を行った。その評価結果を表2に示す。
(水洗剥離性)
形成された導電性高分子膜を洗浄ビンに入ったイオン交換水で洗い流した。10秒以内に帯電防止膜が均一に剥がれたものを◎、10秒以上20秒以内に帯電防止膜が均一に剥がれたものを○とする基準で評価を行った。その結果を表2に示す。
(pH測定)
実施例1〜39及び比較例1〜9の導電性高分子組成物のpHは、pHメーターD−52(堀場製作所製)を用いて測定した。その結果を表2に示す。
(体積抵抗率)
上記成膜法により得られた実施例1〜39及び比較例1〜9による導電性高分子膜の体積抵抗率(Ω・cm)を、Loresta−GP MCP−T610又はHiresta−UP MCP−HT450(いずれも三菱化学社製)を用いて測定した。その結果を表2に示す。
Figure 2020147630
(膜減り変化率評価)
導電性高分子膜からレジスト膜への酸の拡散、あるいは添加剤のレジスト膜への拡散の影響はポジ型レジスト適用時にその現像後の膜に現れる。以下、ポジ型レジスト(R−1)上に実施例1〜39、比較例1〜9をそれぞれ成膜し、電子線描画後にこれら成膜された導電性高分子組成物のPEB前剥離工程あるいはPEB後剥離工程を経由して、現像、レジストパターンを得たときのレジスト膜の膜減り変化率を測定した。
PEB前剥離プロセス評価
ポジ型化学増幅型レジストである(R−1)をMARK VIII(東京エレクトロン(株)製、コーターデベロッパークリーントラック)を用いて6インチシリコンウエハー上へスピンコーティングし、ホットプレート上で、110℃で240秒間プリベークして80nmのレジスト膜を調製した<膜厚(T1)>。得られたレジスト膜付きウエハー上に導電性高分子組成物を上記同様、MARK VIIIを用いてスピンコーティングし、ホットプレート上で90℃で90秒間ベークして20nmの導電性高分子膜を調製した。さらに、電子線露光装置((株)日立ハイテクノロジーズ製、HL−800D 加速電圧50keV)を用いて露光し、その後、15秒間純水をかけ流して導電性高分子膜を剥離して、90℃で240秒間ベーク(PEB:post exposure bake)を施し、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液で現像を行うと、ポジ型のパターンを得ることができた<未露光部の膜厚(T3)>。
PEB後剥離プロセス評価
ポジ型化学増幅型レジストである(R−1)をMARK VIII(東京エレクトロン(株)製、コーターデベロッパークリーントラック)を用いて6インチシリコンウエハー上へスピンコーティングし、ホットプレート上で、110℃で240秒間プリベークして80nmのレジスト膜を調製した<膜厚(T1)>。得られたレジスト膜付きウエハー上に、導電性高分子組成物を上記同様、MARK VIIIを用いてスピンコーティングし、ホットプレート上で90℃で90秒間ベークして20nmの導電性高分子膜を調製した。さらに、電子線露光装置((株)日立ハイテクノロジーズ製、HL−800D 加速電圧50keV)を用いて露光した後、90℃で240秒間ベーク(PEB:post exposure bake)を施し、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液で現像を行うと、ポジ型のパターンを得ることができた<未露光部の膜厚(T3)>。
導電性高分子膜を設けないレジスト膜に対してもPEB後剥離プロセスと同様の操作を行い、露光、現像後の最適露光量、未露光部におけるレジスト膜厚(T2)を求め、下記式により、導電性高分子膜のPEB前剥離プロセス及びPEB後剥離プロセスそれぞれにおいて、膜減り変化率(膜厚変化率)を求めた。
膜減り変化率(%)={(T1−T3)−(T1−T2)/(T1−T2)}x100
結果を表3に示す。
Figure 2020147630
(電子ビーム描画解像性評価)
マスクブランク上に成膜されたレジスト膜および導電性膜により以下プロセスで得られたレジストパターンを評価した。
PEB前剥離プロセス評価
上記調製したレジスト組成物をACT−M(東京エレクトロン(株)製)を用いて152mm角の最表面が酸化窒化クロム膜であるマスクブランク上にスピンコーティングし、ホットプレート上で、110℃で600秒間プリベークして80nmのレジスト膜を作製した。得られたレジスト膜の膜厚測定は光学式測定器ナノスペック(ナノメトリックス社製)を用いて行った。測定はブランク外周から10mm内側までの外縁部分を除くブランク基板の面内81箇所で行い、膜厚平均値と膜厚範囲を算出した。このようにして得られたレジスト膜付きマスクブランク上に実施例1〜39および比較例1〜9の導電性高分子組成物をそれぞれスピンコーティングし、ホットプレート上で、90℃で90秒間ベークして20nmの導電性高分子膜を調製した。続けて、電子線露光装置((株)ニューフレアテクノロジー製EBM−5000plus、加速電圧50kV)を用いて露光し、20秒間の超純水による水洗剥離の後、110℃で600秒間PEBを施し、2.38質量%TMAH水溶液で現像を行い、ポジ型レジスト(R−1)及びネガ型レジスト(R−2)のパターンを得た。
得られたレジストパターンを次のように評価した。作製したパターン付きマスクブランクを上空SEM(走査型電子顕微鏡)で観察し、200nmの1:1のラインアンドスペース(LS)を1:1で解像する露光量を最適露光量(感度)(μC/cm)とし、200nmのLSを1:1で解像する露光量における最小寸法を解像度(限界解像性)とし、200nmLSのエッジラフネス(LER)をSEMで測定した。パターン形状については、矩形か否かを目視にて判定した。ポジ型レジスト(R−1)による結果を表4、ネガ型レジストによる結果を表5に示す。
Figure 2020147630
Figure 2020147630
PEB後剥離プロセス評価
上記調製したレジスト組成物をACT−M(東京エレクトロン(株)製)を用いて152mm角の最表面が酸化窒化クロム膜であるマスクブランク上にスピンコーティングし、ホットプレート上で、110℃で600秒間プリベークして80nmのレジスト膜を作製した。得られたレジスト膜の膜厚測定は光学式測定器ナノスペック(ナノメトリックス社製)を用いて行った。測定はブランク外周から10mm内側までの外縁部分を除くブランク基板の面内81箇所で行い、膜厚平均値と膜厚範囲を算出した。このようにして得られたレジスト膜付きウエハー上に実施例1〜39および比較例1〜9の導電性高分子組成物をそれぞれスピンコーティングし、ホットプレート上で、90℃で90秒間ベークして20nmの導電性高分子膜を調製した。続けて、電子線露光装置((株)ニューフレアテクノロジー製EBM−5000plus、加速電圧50kV)を用いて露光し、110℃で600秒間PEBを施し、2.38質量%TMAH水溶液で現像を行い、ポジ型レジスト(R−1)及びネガ型レジスト(R−2)のパターンを得た。
得られたレジストパターンを次のように評価した。作製したパターン付きマスクブランクを上空SEM(走査型電子顕微鏡)で観察し、200nmの1:1のラインアンドスペース(LS)を1:1で解像する露光量を最適露光量(感度)(μC/cm)とし、200nmのLSを1:1で解像する露光量における最小寸法を解像度(限界解像性)とし、200nmLSのエッジラフネス(LER)をSEMで測定した。パターン形状については、矩形か否かを目視にて判定した。ポジ型レジスト(R−1)による結果を表6、ネガ型レジストによる結果を表7に示す。
Figure 2020147630
Figure 2020147630
表2中、実施例1〜39、比較例1〜9のいずれも電子線レジスト上へのスピンコート成膜性は良好で均一膜を形成した。一方、水洗剥離性については、(D)水溶性高分子であるポリビニルピロリドン(ナカライテスク製)を添加している実施例27〜39および比較例7〜9の剥離効率がもっとも高い結果となった。実施例と比較例の明確な差は現れなかったが、水洗剥離性については(D)水溶性高分子添加の有効性が確認された。
実施例1〜39では、導電性高分子組成物として(A)成分のポリアニリン系高分子化合物に対し(B)成分としてカルボン酸塩を添加しているため、(B)の成分が(A)成分のスルホン酸末端に対しイオン交換作用を生じpHは4.5〜5.3の弱酸性領域となる。それに対し、比較例1〜9では(B)の成分は強い塩基性を示す物質であるため、(A)成分のスルホン酸末端に対して中和作用を生じ、pHはより高い領域となり中性付近となる。この結果は成膜前の液性の評価であるため比較例に対する実施例の有効性は明確ではない。しかし、電子線レジスト上にこれら導電性高分子組成物が塗布・成膜され、電子線描画、PEB工程を経ることによりリソグラフィーに明確な差が生じる。
また実施例1〜39では、導電性高分子膜の体積抵抗率(Ω・cm)は帯電防止機能を十分に発揮できる程の低い値を示した。しかし比較例1〜9では、(B)成分のカルボン酸塩の代わりに強い塩基性を示す物質を添加したために、レジスト膜への副反応が生じて導電性高分子膜の体積抵抗率(Ω・cm)は大きな値を示し、十分な帯電防止機能を発揮できないものであった。
表3では実施例1〜39および比較例1〜9を、ポジ型電子線レジスト(R−1)上に成膜し、PEB前剥離工程、PEBを経てレジストパターン現像またはPEB前剥離工程を経ずに、PEB後に一括レジストパターン現像によってリソグラフィー結果を基に膜減り率を比較しているが、実施例1〜39は上記のいずれのレジスト種、いずれのレジストパターニング工程を経ても膜減り率は低く15〜25%であるのに対し、比較例1〜9では30〜50%と非常に大きくなっている。実施例1〜39の(B)の成分は電子線レジストの各構成要素に対する化学反応による影響が少ないのに対し、比較例1〜9の強い塩基性を示す物質は酸を中和するに留まらず、電子線レジストの各構成要素に対し求核攻撃を引き起こすなどし、電子線レジストの機能に変性をもたらし、現像後の膜減り率が大きくなっている。
表4〜7でも、実施例1〜39および比較例1〜9を、ポジ型電子線レジスト(R−1)、ネガ型電子線レジスト(R−2)上に成膜し、PEB前剥離工程、PEBを経てレジストパターン現像、またはPEB前剥離工程を経ずに、PEB後に一括レジストパターン現像によるリソグラフィー結果を基に最適露光量(μC/cm)、解像度(限界解像性)、エッジラフネス(LER)、及びパターン形状を比較しているが、実施例1〜39は上記のいずれのレジスト種、いずれのレジストパターニング工程を経ても感度変化が少なく、限界解像性、ラフネス(LER)とも、導電性高分子組成物を塗布していないレジストのみのリソグラフィーと同等であり、現像後のパターン形状もレジスト性能を損なうことなくrectangular形状(矩形)を保持している。一方、比較例1〜9では前述の様に電子線レジストの各構成要素に対する化学反応による影響が大きく、強い塩基性を示す物質は導電性高分子組成物内の酸を中和するに留まらず、成膜後に電子線レジストの各構成要素に対し求核攻撃を引き起こすなどし、電子線レジストの感度やリソグラフィー性能に影響を及ぼし、解像度、ラフネス(LER)、パターン形状が劣化している。
(電子線リソグラフィー評価及びPCD(Post Coating Delay)評価)
次に、電子線照射前のレジスト膜の導電性高分子膜からの影響による経時変化を測定した。以下記載の方法で塗設されたレジスト膜及び導電性高分子膜の二層膜を電子線描画装置内で成膜直後から7日間、14日間、30日間放置した後、下記のような導電性高分子膜のPEB前剥離プロセス又はPEB後剥離プロセスによりレジストパターンを得た。レジスト及び導電性高分子膜を成膜後直ちに描画した際の感度に対し、同感度におけるパターン線幅の変動を求めた。
PEB前剥離プロセス評価
ポジ型化学増幅系レジスト(R−1)をMARK VIII(東京エレクトロン(株)製、コーターデベロッパークリーントラック)を用いて6インチシリコンウエハー上へスピンコーティングし、ホットプレート上で、110℃で240秒間プリベークして膜厚80nmのレジスト膜を調製した。得られたレジスト膜付きウエハー上に導電性高分子組成物を上記同様、MARK VIIIを用いてスピンコーティングし、ホットプレート上で、90℃で90秒間ベークして導電性高分子膜を調製した。レジスト膜及び導電性高分子膜の二層膜が塗設されたウエハーについて、塗設直後、7日後、14日後、30日後にそれぞれ以下方法にてレジストパターンを得た。まず、塗設直後のウエハーについて電子線露光装置((株)日立ハイテクノロジーズ製、HL−800D 加速電圧50keV)を用いて露光し、その後、20秒間純水をかけ流して導電性高分子膜を剥離して、110℃で240秒間ベーク(PEB:post exposure bake)を施し、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液で現像を行った。作製したパターン付きウエハーを上空SEM(走査型電子顕微鏡)で観察し、400nmのラインアンドスペースを1:1で解像する露光量を最適露光量(感度)(μC/cm)とした。該最適露光量における、最小寸法を解像度とした。また、塗設後に7日、14日、30日経過したウエハーについても同様にレジストパターンを得て、塗設直後のウエハーにおいて200nmのラインアンドスペースを1:1で解像する露光量(最適露光量(感度)(μC/cm))におけるパターン線幅の変動を測定した。結果を表8に示す。
PEB後剥離プロセス評価
PEB前剥離プロセスと同様にレジスト膜及び導電性高分子膜の二層膜が塗設されたウエハーを作製し、塗設後に7日、14日、30日経過したウエハーそれぞれについて、電子線露光後に20秒間純水をかけ流して導電性高分子膜を剥離する工程を経ずに、110℃で240秒間ベーク(PEB:post exposure bake)を施し、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液で現像を行うことでレジストパターンを得た。塗設直後のウエハーにおいて200nmのラインアンドスペースを1:1で解像する露光量(最適露光量(感度)(μC/cm))におけるパターン線幅の変動を測定した。結果を表9に示す。
ネガ型レジスト(R−2)についても、PEB前剥離プロセス及びPEB後剥離プロセスについて、上記ポジ型レジスト(R−1)と同様の評価を行った。その結果を表10及び表11に示す。
Figure 2020147630
Figure 2020147630
Figure 2020147630
Figure 2020147630
表8〜11に示すように、PCD(Post Coating Delay)評価においては、導電性高分子膜から電子線レジスト層への酸の影響を抑制する効果を有する実施例1〜39の組成物では、レジスト上層に導電膜として成膜後も、レジスト膜の保存安定性を良好に保つことができた。即ち、電子線描画前のレジスト膜及び、その上層への導電性高分子膜(帯電防止膜)の被覆物において、導電性高分子膜からの酸の拡散が抑制されることによって、描画及び導電性高分子膜(帯電防止膜)剥離、パターン現像のプロセスにおいて、良好なリソグラフィー結果を得ることができることを示唆している。一方、比較例1〜9の組成物は、組成物へ強塩基性物質を添加することで、組成物の酸性度の緩和(中和)効率は高く中性寄りの液性を示すが、成膜後はこれら強塩基性物質が電子線レジストの構成要素への求核攻撃や描画後の発生酸の増幅効率低減などの副反応を引き起こし、レジスト膜内の過剰な酸の拡散や局所的な酸クエンチャー過多が生じリソグラフィーに悪影響を及ぼす。この影響はレジスト層の上層に成膜されている時間が長いほど大きく、PEB前剥離工程であっても影響は大きい。
以上のように、本発明の導電性高分子組成物であれば、電子線レジストへの描画時に帯電防止能に優れ、かつレジストへの酸の影響を最小限に止めた帯電防止膜を形成することができる。このような導電性を有しながらも酸の影響を防止できる組成物は有機薄膜デバイスの構成膜としても有効であり、隣接する層への酸の影響を抑え、積層構造内で導電性あるいはキャリア移動媒体などの機能を果たすのであればデバイス構築材料としても好適に用いることができる。
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。
特許文献5では、段落0045〜0048において、ポリアニリン分子内で自己ドープする化合物を含む組成物に対し、電子線レジスト上に成膜した際に当該膜中に存在する酸が層間拡散によりレジストパターンに悪影響を及ぼすことを回避するため、酸を中和する目的で組成物に塩基性化合物を添加することを提案している。塩基性化合物として水酸化テトラプロピルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラペンチルアンモニウム、水酸化テトラヘキシルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム等水酸化物のアンモニウム塩、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]−5−ノネン(DBN)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0] −7−ウンデセン(DBU)とそれらの誘導体を挙げている。しかし、水酸化物は強力な塩基性をもつためポリアニリンに由来する酸を中和するが、同時に強い求核性をもつため副反応が生じることがある。例えば、EBレジスト中に含まれる酸発生剤などは構造内にリンカーとしてしばしばエステル結合を含むが、このエステル結合が水酸化物イオンによって求核攻撃を受け、拡散制御や溶解特性などの機能を付与された部位が脱離する。そのため、小分子となったスルホン酸イオンは電子線照射後に拡散が助長され、結果としてリソグラフィーにおいて感度変動やパターン不良が生じる。一方、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]−5−ノネン(DBN)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(DBU)は強塩基ではあるものの求核性が弱いため、エステル結合への求核攻撃は生じにくいと考えられるが、小分子であるためEBレジストの上に導電性組成物を成膜した際、界面からレジスト層への拡散が生じ、電子線描画後に酸発生剤から発生する酸をクエンチしてしまい、結果としてリソグラフィーにおいて感度変動やパターン不良が生じるなどの問題がある。
(A)成分のみを原料に用いた高い導電率を示すポリアニリン化合物はドープに消費されないスルホ基が存在するため、その溶液ないし分散液は酸性を示す。(A)成分のみを原料に用いた液材料を電子線レジスト上に電子線照射時の帯電防止膜として成膜すると、酸がレジスト層へ拡散しリソグラフィーに悪影響を及ぼす。また、その酸の拡散を制御する目的で、中和剤として水酸化物などの強塩基を添加すると、中和そのものが困難な上、さらに当該組成物を電子線レジスト上に電子線照射時の帯電防止膜として成膜した場合、膜内に過剰な強塩基が存在した場合レジスト層に浸透し、レジストベースポリマーや酸発生剤中のエステル結合などの被求核攻撃部位と副反応を生じたり、描画後にレジスト中の酸発生剤から発生する酸と反応するなどして、描画感度や現像後のリソグラフィーに悪影響を及ぼす。
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、一般式(1)で表される繰り返し単位を含む(A)成分のポリアニリン系導電性高分子と、一般式(2)で表される(B)成分のカルボン酸塩を含む組成物を電子線レジストへの電子線照射時のレジスト上に塗布することにより、成膜性、膜質および膜平坦性が良好で、低い表面抵抗率(Ω/□)即ち高導電率を示し、HO又はアルカリ性水溶液による剥離性が良好で、かつ(A)成分から発生する酸のレジストへの拡散が制御された帯電防止膜を形成することを見出した。
また、(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は、般式(1)で表される繰り返し単位のR1〜R4の少なくとも一つがスルホ基で置換されたアニリンと、スルホ基を一つも持たないアニリンを共重合することによって形成することもできる。その場合、生成する高分子内のスルホ基の存在率が低下によってHOへの親和性が低下することがあるが、それを補うためにスルホ基を持たないアニリンにはHOへの強い親和性をもった置換基を導入することが望ましい。強親水性置換基には、アルコキシ基、カルボキシル基、ヒドロキシ基等の官能基が望ましい。
下記一般式(4)で示される有機カチオンは、アンモニア、脂式アミン類、環式飽和アミ類、環式不飽和アミン類で酸との接触から生成するものが好ましい。
Figure 2020147630
(式中、R201、R202、R203、R204は、それぞれ水素原子、炭素数1〜12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アルコキシ基によって置換されていてもよい。R201とR202、R201とR202とR204とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R201とR202及びR201とR202とR204は炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
限外ろ過の方式としては、加圧方式、クロスフロー方式等が挙げられるが、生産性、精製材料のスケールの観点からクロスフロー方式を用いることが好ましい。また、クロスフロー方式であっても、処方によっては連続循環式(時間により精製を管理し、精製過程において原液が濃縮により高粘度化対応して適宜溶剤を加えて希釈する。)と逐次処理式(原液を精製するにおいて、2倍の濃度まで濃縮された時点で、もとの濃度まで希釈する工程を1工程とし、この工程を目的の精製度まで繰り返す。)があるがいずれの処方でも処理することができる。
限外ろ過により精製された(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は、精製が終了した時点ではHOの溶液であるが、アセトン等の水溶性貧溶媒により再度沈降精製することができる。沈降した(A)成分のポリアニリン系導電性高分子は減圧濾過され、濾別された沈降物は再度貧溶媒によって洗浄をすることができる。
[自己ドープ型ポリアニリン系導電性高分子の合成]
本発明に用いる(A)成分のポリアニリン系導電性高分子体において、上述した繰り返し単位の中でも、溶解性、導電性、原料コストの観点からメトキシアミノベンゼンスルホン酸類、さらにその中でも3−アミノ4−メトキシベンゼンスルホン酸の単独での重合が特に好ましい。さらに重合時の共存塩基は、取り扱いやコスト、塩基性、レジスト構成要素への無害性の観点からピリジンが好ましい。重合、生成の後も残存イオンとしてポリマー中に含まれ、その組成物が電子線レジスト上に塗布された際も、リソグラフィーへの影響を最低限とすることができる。
限外濾過は、クロスフロー方式において連続循環式(時間により精製を管理し、精製過程において原液が濃縮により高粘度化対応して適宜溶剤を加えて希釈する。)と逐次処理式(原液を精製するにおいて、2倍の濃度まで濃縮された時点で、もとの濃度まで希釈する工程を1工程とし、この工程を目的の精製度まで繰り返す。)のいずれの処方によっても処理できるが、精製工程の不純物イオン除去の推移を観察するために、逐次処理式を用いることができる。逐次処理式による精製において、排出される透析液中に含まれる不純物イオンの濃度をイオンクロマトグラフィーで定量分析を行った結果を表1に示す。
Figure 2020147630
[ポジ型レジスト組成物(R−1)]
ポリマー(RP−1)(100質量部)、酸発生剤P―1(8質量部)、酸拡散制御剤としてQ−1(4質量部)、及び界面活性剤を有機溶剤中に溶解し、得られた各溶液を0.02μmサイズのUPEフィルターで濾過することにより、ポジ型レジスト組成物を調製した。
[ネガ型レジスト組成物(R−2)]
ポリマー(RP−2)(100質量部)、酸発生剤P―1(5質量部)、フッ素含有ポリマーD1(3質量部)、拡散制御剤としてQ−1(7質量部)、及び界面活性剤を有機溶剤中に溶解し、得られた各溶液を0.02μmサイズのUPEフィルターで濾過することにより、ネガ型レジスト組成物を調製した。

Claims (12)

  1. (A)下記一般式(1)で表される繰り返し単位を少なくとも1種類以上有するポリアニリン系導電性高分子、及び(B)下記一般式(2)で表されるカルボン酸塩、を含むものであることを特徴とする導電性高分子組成物。
    Figure 2020147630
    (式中、R1〜R4は、各々独立に、水素原子、酸性基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、炭素数1〜24の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、ヘテロ原子を含む炭素数1〜24の直鎖状、分岐状、環状の炭化水素基、又はハロゲン原子で部分置換された炭素数1〜24の直鎖状、分岐状、環状の炭化水素基を示す。)
    Figure 2020147630
    (式中、Xはリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、又は下記一般式(3)で示される窒素化合物を示す。Lは単結合又はヘテロ原子が介在してもよい炭素数1〜8の直鎖状、分岐状、環状の飽和又は不飽和の炭化水素鎖を示し、Lが単結合の場合にはn=0であり、Lが単結合でない場合はn=1である。R5とR6はそれぞれ独立に水素原子、ヘテロ原子、−COO基、ヒドロキシル基、ヘテロ原子が介在してもよい炭素数1〜20の直鎖状、分岐状、又は環状の1価炭化水素基、又は末端に−COO基をもつ炭素数1〜8の直鎖状、分岐状、又は環状の飽和又は不飽和炭化水素基を示す。R7は水素原子、ヒドロキシル基、又は−COO基を示す。)
    Figure 2020147630
    (式中、R101、R102、R103、R104は、それぞれ水素原子、炭素数1〜12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アルコキシ基によって置換されていてもよい。R101とR102、R101とR102とR104とは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R101とR102及びR101とR102とR104は炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
  2. 前記酸性基がスルホ基であることを特徴とする請求項1に記載の導電性高分子組成物。
  3. 前記(B)成分の含有量が、前記(A)成分100質量部に対して、1質量部から70質量部であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の導電性高分子組成物。
  4. 前記導電性高分子組成物が、更に(C)ノニオン系界面活性剤を含有するものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の導電性高分子組成物。
  5. 前記(C)成分の含有量が、前記(A)成分100質量部に対して、0.1質量部から10質量部であることを特徴とする請求項4に記載の導電性高分子組成物。
  6. 前記導電性高分子組成物が、更に(D)水溶性高分子を含有するものであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の導電性高分子組成物。
  7. 前記(D)成分の含有量が、前記(A)成分100質量部に対して、30質量部から150質量部であることを特徴とする請求項6に記載の導電性高分子組成物。
  8. 被加工体上に請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の導電性高分子組成物が成膜されたものであることを特徴とする被覆品。
  9. 前記被加工体は、化学増幅型レジスト膜を備える基板であることを特徴とする請求項8に記載の被覆品。
  10. 前記被加工体は、電子線をパターン照射してレジストパターンを得るための基板であることを特徴とする請求項9に記載の被覆品。
  11. 前記被加工体は、20μC/cm以上の感度をもつ化学増幅型電子線レジスト膜を備える基板であることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の被覆品。
  12. 化学増幅型レジスト膜を備える基板の該レジスト膜上に、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の導電性高分子組成物を用いて帯電防止膜を形成する工程、電子線をパターン照射する工程、及びHO又はアルカリ性現像液を用いて現像してレジストパターンを得る工程を含むことを特徴とするパターン形成方法。
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