JP4250182B2 - 染色されたフォトレジストとその方法及びそれからなる工業製品 - Google Patents
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Description
R1は、各々独立して、ハロゲン(特にF、Cl、Br、I)、好ましくは、炭素数1〜約12の置換もしくは非置換のアルキル基、好ましくは1ないし約12個の炭素原子を有する置換もしくは非置換のアルコキシ基、好ましくは2ないし約12個の炭素原子を有する置換もしくは非置換のアルケニル基、好ましくは2ないし約12個の炭素原子を有する置換もしくは非置換のアルキニル基、好ましくは1ないし約12個の炭素原子を有する置換もしくは非置換のアルキルチオ基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、ヒドロキシル基などであり、
mは、0(アントラセニル環の全部が水素置換されたとき)から9の整数であり、好ましくはmは0か1または2であり、
xは、ポリマー中のアルキルアクリレート単位のモル分率又はモルパーセントであり、好ましくは約10から約80パーセントであり、
yは、ポリマーの中のアントラセン単位を有する部分のモル分率又はモルパーセントであり、好ましくは約5から90%であり、そして、それぞれのZはポリマー単位の間の橋架け基(bridge group)であり、例えば、好ましくは1ないし約10個の炭素原子、より典型的には約1ないし約6個の炭素原子、更に好ましくは1ないし約3個の炭素原子を有し、そして必要に応じて1ないし約3個の炭素原子を有するアルキル基によって置換されてもよい置換もしくは非置換のアルキレン基であるか、或いは、Zは好ましくは2ないし約10個の炭素原子を有し、そして必要に応じて1ないし約3個の炭素原子を有するアルキル基によって置換されてもよい置換もしくは非置換のアルケニル基又はアルキニル基である。この例示したポリマーも必要ならば他の単位を含んでもよい。しかし、ポリマーは少なくとも約10モル%のアントラセン単位を含むことが望ましい。ヒドロキシアルキル基は特に好ましいR基である。特に、R基が2−ヒトロキシエチル(−CH2CH2OH)のような第一級の水酸基を持つアルキル基である場合が好ましい。好ましい樹脂バインダーは、9−(メチレン)アントラセンエステル単位(すなわち、Wがメチレン基であり、そのメチレン基がアントラセンの9−位に置換したもの。)を有するものである。特に好ましい染料樹脂は以下に述べる実施例1に示した式(III)で示されるものである。
mは、0(環の全部が水素原子で置換されたとき。)から7の整数であり、そして好ましくはmは0.1又は2であり、
x’は、ポリマー中のアルキルアクリレート単位のモル分率又はモルパーセントであり、好ましくは10から約80パーセントである。
y’は、ポリマー中のキノリニル又はヒドロキシキノリニル単位のモル分率又はモルパーセントであり、好ましくは約5から約90パーセントであり、そして、
各Zはポリマー単位の間の橋架け基(bridge group)であり、例えば、好ましくは1ないし約10個の炭素原子、より典型的には約1ないし約6個の炭素原子、更に好ましくは1ないし約3個の炭素原子を有し、そして必要に応じて1ないし約3個の炭素原子を有するアルキル基によって置換されてもよい置換もしくは非置換のアルキレン基であるか、或いは、Zは好ましくは2ないし約10個の炭素を有し、そして必要に応じて1ないし約3個の炭素原子を有するアルキル基によって置換されてもよい置換もしくは非置換のアルケニル基又はアルキニル基である。このポリマーはもし必要ならば、他の単位を含んでもよい、しかし好ましくはポリマーはキノリニル及び/又はヒドロキシキノリニル単位の少なくとも約10モルパーセント含む。ヒドロキシアルキル基は、R2基として特に好まれる。特に、R2が2−ヒドロキシエチルのように第一級の水酸基を有するアルキル基が好ましい。
1.発色団を用いたモノマーの調製
A.クロロキシンメタクリレートの調製
マグネティックスターラーと窒素導入部を装備した500mlの丸底フラスコに、5.0g(0.0234mol)の5,7−ジクロロ−8−ヒドロキシキノリン(クロロキシン)、2.01g(0.0234mol)のメタクリル酸、500mlの塩化メチレン、1.43g(0.5eq.)の4−ジメチルアミノ−ピリジン(DMAP)、及び、6.72gの1−(3−ジメチルアミノプロピル)−3−エチルカーボジイミド(EDCI)を満たした。反応混合物は、12時間25℃で、窒素雰囲気下にて撹拌された。生成物はカラムクロマトグラフィー(塩化メチレン)で精製され、黄白色の固体(収量67%)を得た。
B.メチルアントラセンメタクリレートの調製
メチルアントラセンメタクリレート(CH3C(=CH2)CO2CH2−9−アントラセン)は、「マクロモレキュールズ」誌(”Macromolecules”17(2):235(1984))に開示されている方法で調製した。
メチルアントラセンメタクリレート(ANTMA)/ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)のコポリマー、すなわち下記式(III)のコポリマーを以下により調製した。
300mlの3つ口フラスコにマグネティックスターラー、コンデンサー、窒素導入部及び真空ポンプ接続部を取り付け、16.0g(0.1229mol)のHEMA(蒸留精製済みのもの)、8.49g(0.0307mol)のメチルアントラセンメタクリレート、0.2449g(1重量%)のAIBN、及び、180mlのTHFで満たした。反応フラスコは液体窒素中で冷却され、その間フラスコ内を窒素でパージした。該反応フラスコの内容物が冷凍されたとき、該フラスコ内は真空にされ、その後窒素で3回パージした。反応混合物は、18時間還流下で撹拌された。黄白色のポリマーを300mlのエーテル中に沈殿させ、濾過し、それから真空下50℃で乾燥した。ANTMA/HEMAコポリマーが得られた(収率86%)が、これは81モル%の−CH2C(CH3)(CO2CH2CH2OH)−単位と19モル%の−CH2C(CH3)(CO2CH2−9−アントラセン)−単位を有し、Mnが2295、Mwが19150、及びTgが110℃であった。このANTMA/HEMA染料樹脂は下記式(III)に示される構造を有し、式中、xは約81%であり、yは約19%であった。
ANTMA/HEMA染料溶液(式(III)に示されるANTMA/HEMA樹脂の5重量%乳酸エチル溶液)の10.664g、ポリヒドロキシスチレン−t−ブチルアクリレートコポリマーの固体2.664g、シルウエットL−7604界面活性剤(商品名)溶液(乳酸エチル中に固体で10%)の0.126g、及び、乳酸エチルをさらに6.525gからなる溶液を調製した。該溶液は0.2μmのPTFEメンブランスフィルターにより、濾過された。
ANTMA/HEMAコポリマーと同じ濃度の染料が用いられて、染料溶液がさらに生成された。これらの染料を表1に示した。染料物を含まない試料もさらに評価した。
水晶(クウォーツ)及びシリコンウェハーに染色されたポリマー溶液を塗布して、光学特性を試験した。ウェハーを、真空ホットプレートと、GCAミクロトラックコーティング及びベーキング装置上で、100℃で60秒間ソフトベーキングした。シリコンウェハーはコーティング膜厚とコーシー係数(cauchy coefficient)を検査した。吸光スペクトルは、キャリー(Cary)13UV−VISスペクトロフォトメーターにより、200nm〜500nmが用いられた。248nmにおける吸光度 (ABS)を表1に示した。クウォーツウェハーも続いて、60秒間、125℃及び150℃でベーキングされた(スペクトル曲線はそれぞれのベーキングの後に実行された)。
ポリヒドロキスチレン−t−ブチルアクリレートコポリマーの固体6.083g、ジ−tert−ブチルフェニルヨードニウム ショウノウスルホン酸の光酸発生剤溶液(photoacid generator)(10w%の固形分を含む乳酸エチル溶液)の2.432g、テトラブチルアンモニウムヒドロオキサイドラクテート溶液(10w%の固形分を含む乳酸エチル溶液)の0.136g、ANTMA/HEMA染料溶液(37.5vol%アニソール:62.5vol%プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート中に固体として34wt%)の0.181g、シルウエットL−7604界面活性剤(商品名)溶液(乳酸エチル中に固体で10%)の0.322g、及び、乳酸エチルをさらに30.850gからなるフォトレジスト組成物(レジスト1)を調製した。
さらに2つのフォトレジスト(レジスト2とレジスト3)を、ANTMA/HEMA染料溶液の量がフォトレジストフィルムの光学的濃度を調節しながら変えられたことを除いて、前記のレジスト1と同様の方法で生成した。ANTMA/HEMA染料溶液の量は、レジスト2が0.524g、レジスト3が0.864gであった。このようにレジスト1〜3は、染料固体(wt)/ポリマー固体(wt)の比が、それぞれ1、3及び5%であった。
ソフトベーキングされ、フォトレジストコーティングされたウェハーを、ブランク クォーツ レティクル(blank quartz reticle)を用いて、0.2〜20.0mJ/cm2の間で、0.2mJ/cm2ずつ増加させて照射した。照射にあたり必要となるエネルギー量が調べられ(表3を参照のこと)、焦点距離での照射の配置(focus-exposure arrays)が濃い線/空間の組と孤立した線条を有するレティクルを用いて行われた。
2種類のフォトレジストを調製した。ひとつは、実施例1のANTMA/HEMA染料樹脂を含有し、他方は染料組成物を含有しないものとした。染色されたフォトレジストは、ポリヒドロキシスチレン−t−ブチルアクリレートコポリマーの固体5.860g、ジ−tert−ブチルフェニルヨードニウムショウノウスルホン酸の光酸発生剤溶液(photoacid generator)(10w%の固形分を含む乳酸エチル溶液)の2.345g、テトラブチルアンモニウムヒドロオキサイド乳酸エステル溶液(10w%の固形分を含む乳酸エチル溶液)の0.131g、ANTMA/HEMA染料溶液(37.5vol%アニソール:62.5vol%プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート中に固体として34wt%)の0.864g、シルウエットL−7604界面活性剤(商品名)溶液(乳酸エチル中に固体で10wt%含まれる)の0.322g、及び、乳酸エチルをさらに30.491gを含有してなった。
染色されていないフォトレジストは、ポリヒドロキシスチレン−t−ブチルアクリレートコポリマーの固体13.249g、ジ−tert−ブチルフェニルヨードニウムショウノウスルホン酸の光酸発生剤溶液(photoacid generator)(10w%の固形分を含む乳酸エチル溶液)の5.374g、テトラブチルアンモニウムヒドロオキサイド乳酸エステル溶液(10w%の固形分を含むの固形分を含む乳酸エチル溶液)の0.333g、及び、乳酸エチルをさらに80.164gを含有してなった。
照射にあたり必要となるフォトレジストへの透過エネルギー量(E0 mJ/cm2)が、膜厚に対して、調べられた。ANTMA/HEMA染料樹脂を含有するレジストは、照射の光線量を50%まで減少した。特に、染料を含有しないフォトレジストはおよそ44%まで、ANTMA/HEMA染料樹脂を含有スルフォトレジストはおよそ21%まで、減少した。
4種類のレジストを調製した。そのうち、3種には下記のように種々の染料添加のための物質により(フォトレジストフィルムの光学濃度を変えるため)ANTMA/HEMA染料樹脂を含有させ、1種には染料組成物を含有させなかった。フォトレジストの組成は下記の表4のとおりとした。
コポリマー
PAG:ジ−tert−ブチルフェニルヨードニウムショウノウスルホン酸
光酸発生剤
染料樹脂:ANTMA/HEMA
界面活性剤:シルウェットL−7604
スタビライザー:TBAH 乳酸塩
染色されたローディング(dyed loading)が増加するにつれ、定常波が著しく減少した。これは、現像されたフォトレジストのレリーフ画像の電子スキャンマイクログラフ(scanning electron micrograph:SEM)分析によっても示された。
SEMの示すところでは、中程度に染色したフォトレジストの解像度及び線形マスキング(masking linearity)の能力については、染色されていないフォトレジストに比べよい結果を得た。
さらに、焦点の深さ(depth-of-focus)と寛容度(latitude)の双方についても、染色されていないフォトレジストに比べ、改良されていた。
染料樹脂ANTMA/HEMAの特性を維持したまま工業製品として製造の再現性があるかどうかを、染料樹脂ANTMA/HEMAの3つの異なる製造ロットをもちいて試験した。これらの3つのロットは、以下に示す「バッチ1」、「バッチ2」、「バッチ3」である。
レジスト1は、「バッチ1」の染料樹脂を0.142g含有している。
レジスト2は、「バッチ2」の染料樹脂を0.142g含有している。
レジスト3は、「バッチ3」の染料樹脂を0.142g含有している。
各々のレジスト1〜3は、ポリヒドロキシスチレン−t−ブチルアクリレート共重合体溶液(20%の固形分を含有する乳酸エチル溶液)37.700g、ジ−t−ブチルフェニルヨードニウム ショウノウスルホン酸からなる光酸発生剤(10%の固形分を含有する乳酸エチル溶液)3.016g、安定化剤溶液(10%の固形分を含有する乳酸エチル溶液)0.167g、及び、乳酸エチル8.575gをさらに含有するものである。
コーティングされたウエハーは、ブランククオーツ(blank quartz)、線が密集した部分及び独立した線を有する回路パターン焼き付け用原板(レティクル)を用いて、エキサイマーレーザー(GCA XLS 7800)が照射された。照射されたウエハーは、140℃で90秒間、照射後の加熱処理がされ、次いで、20秒/25秒の二重スプレーパドルにより現像された。現像は、シップレー社のマイクロポジット CD−26 0.26N テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド現像液を用いて、GCAマイクロトラックシステムにより行われた。
(1) 上記のPAGの1、即ち、(ビス−(4−t−ブチルフェニル)ヨードニウム(+/−)−10−樟脳スルホン酸エステルを以下に示す方法で製造した。
2Lの3つ口丸底フラスコにヨウ素酸カリウム(214.00g、1.00モル)、t−ブチルベンゼン(268.44g、2.00モル)及び無水酢酸(408.36g、4.00モル)を入れた。このフラスコには、効率の良い上蓋式櫂形撹はん機、温度計及びN2バブラー付きの均圧式滴下ロートが具備されていた。この反応混合物を氷水浴中で10℃まで冷却し、前記の滴下ロートから濃硫酸(215.78g、2.20モル)を滴下しながら加えた。反応温度が約25℃を維持するような速度でこの滴下を行ったので、2時間を要した。添加が進むにつれて、初めの白色懸濁物が橙黄色になった。この添加が終わると、この反応混合物を室温(20℃)で更に22時間撹はんした。この反応混合物を5〜10℃まで冷却した後、30℃より低い温度を維持しつつ、水(600ml)を30分間かけて滴下しながら加えた(最初の75mlは、初期発熱を制御するように特に遅い速度で添加しなければならないが、それを過ぎると、残りの水はそれまでよりも速く添加してもよいことに留意されたい)。この不透明な混合物を、未反応のt−ブチルベンゼン及び副生成物の少量の4−t−ブチルヨードベンゼンを除くために、2Lの分液ロートで、ヘキサン(3×100ml)で洗浄した後、この硫酸水素ジアリールヨードニウム水溶液を3Lの反応容器に入れた。この溶液を5〜10℃まで冷却し、(+/−)−10−ショウノウスルホン酸(232.30g、1.00モル)を撹はんしながら徐々に加えた後、この時に生成した溶液を水酸化アンモニウム(620ml、9.20モル)で中和した。使用した塩基の量は反応容器中の全酸性種を中和するのに必要な理論量であったので、反応は定量的に行われたと考えられた。25℃よりも低い温度を維持するようにこの塩基の添加を行うと、約1時間を要する。この添加が終りに近くなり、そして反応混合物のpHが7に近づくにつれて、粗製ジアリールヨードニウムショウノウスルホネートが黄褐色の固体として沈澱した。この懸濁物を室温で3時間撹はんを続けた後、次のように物質を単離した。この黄褐色固体を吸引濾過によって集め、未乾燥のままでジクロロメタン(1L)で処理し、洗浄物がpH7〜8(1×200ml)の範囲になるまで希水酸化アンモニウム(2.5重量%、5ml 14.8N NH4OH+195ml H2O )で洗浄した後、そのpHを水(2×200ml)で約7に戻した。乾燥(MgSO4)後、前記のジクロロメタンを減圧下で除去し、更に残留物を真空中で50℃で16時間乾燥すると、黄褐色固体の粗生成物を得た(390.56g)。次に、こうして生成した黄褐色固体を次の方法で再結晶化により精製した。2Lの丸底フラスコの中でこの黄褐色固体を還流用の最少量のイソプロパノール(375gのPAGに対して1150mlのIPA)に溶かすと、暗赤色の均一な溶液となった。還流時の加熱溶液を2Lのコニカルフラスコに移した後、放置して冷却した。この溶液が未だ温かいうちにヘキサン(500ml)を加えると、直ちに結晶が晶出した。この結晶を含む混合物を放置して室温まで冷却した後、4時間静置した。この結晶を含む溶液を、氷−水浴中で1.5時間、5℃まで冷却した後、この固体を吸引濾過によって集めて、非常に冷したイソプロパノール−ヘキサン(アルコール:ヘキサン比1:3、2×200ml、使用前にドライアイス−アセトン浴でこの溶媒混合物を冷却して調製した)で白色になるまで洗浄した。PAG(ジ−(4−t−ブチルフェニル)ヨードニウム(+/−)−10−ショウノウスルホナート)がさらさらとした白い粉末として単離されるまで、この白色固体を1時間アスピレーターで吸引して乾燥した。この段階で約285gのPAGが得られる。同様な方法で2回目の再結晶化を行うことができる。
テトラ−n−ブチルアンモニウム ブロマイド(16.12g、50.0ミリモル)の水(50ml)溶液に、乳酸銀(9.85g、50.0ミリモル)の水(100ml)からなる灰色の懸濁液を加えた。反応液は灰白色になったので、臭化銀が生成し、これの沈殿物を含む反応液になったものと考えられる。この反応懸濁液を、室温で15時間撹拌した。固形物を濾別し、水(3×50ml)で洗浄した。濾液と洗浄液とを合わせ、減圧下で濃縮し、得られた油状物を減圧下50℃で24時間乾燥した。標題の化合物を無色油状物として得た(16.62g、99%)。室温で放置すると、この油状物はワックス状の半個体になる。
Claims (9)
- 樹脂バインダー、光活性成分、及びアントラセン基である多環式発色団を含有する少なくとも5,000の重量平均分子量を有するポリマーである染料化合物を含む、フォトレジスト組成物。
- 染料化合物が少なくとも8,000の重量平均分子量を有する、請求項1に記載のフォトレジスト組成物。
- 光活性成分が光酸発生化合物である、請求項1又は2に記載のフォトレジスト組成物。
- 光活性成分がオニウム塩を含む、請求項1〜3のいずれかに記載のフォトレジスト組成物。
- フォトレジストがポジ型フォトレジストである、請求項1〜4のいずれかに記載のフォトレジスト組成物。
- 樹脂バインダーが酸不安定基を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のフォトレジスト組成物。
- 樹脂バインダーがフェノール酸基を有する、請求項1〜6のいずれかに記載のフォトレジスト組成物。
- フォトレジストがネガ型フォトレジストである、請求項1〜4のいずれかに記載のフォトレジスト組成物。
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