JP5022594B2 - フォトレジスト用樹脂溶液及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体の微細加工などに用いるフォトレジスト用樹脂組成物を調製する上で有用なフォトレジスト用樹脂溶液とその製造方法、該フォトレジスト用樹脂溶液を含むフォトレジスト用樹脂組成物、及び該フォトレジスト用樹脂組成物を用いる半導体の製造方法に関する。
半導体製造工程で用いられるポジ型フォトレジストは、光照射により照射部がアルカリ可溶性に変化する性質、シリコンウエハーへの密着性、プラズマエッチング耐性、用いる光に対する透明性等の特性を兼ね備えていなくてはならない。該ポジ型フォトレジストは、一般に、主剤であるポリマーと、光酸化剤と、上記特性を調整するための数種の添加剤を含む溶液として用いられる。一方、半導体の製造に用いられるリソグラフィの露光光源は、年々短波長になってきており、次世代の露光光源として、波長193nmのArFエキシマレーザーが有望視されている。このArFエキシマレーザー露光機に用いられるレジスト用ポリマーとして、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位と極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位とを含むポリマーが種々提案されている(例えば、特許文献1,2等)。
これらのポリマーは、通常、モノマー混合物を重合した後、重合溶液を沈殿操作に付すことにより単離されている。しかし、こうして得られるポリマーをレジスト用溶剤に溶解させようとすると大部分は溶解するものの、一部不溶分(濁り)が存在する。この不溶分は半導体の製造工程においてトラブルの原因となるため、濾過により除去する必要があるが、粒子が細かいため濾過に多大の時間と労力を要する。
特開2004−143281号公報には、このような難溶解性物質の生成を抑制するため、2量体以上の重合体不純物が0.1質量%以下であるモノマー混合物を共重合させてレジスト用ポリマーを得ることが提案されている。しかし、このようなポリマーをレジスト用溶剤に溶解させて得られる溶液には0.06〜0.2μm程度の微小パーティクルが依然として多数存在している。0.2μmより大きい粒子は例えば0.1μmのフィルターを使用することにより除去可能であるが、0.06〜0.2μm程度の微小パーティクルは濾過によっては除去困難である。現在では、半導体のパターンの線幅について0.06μm以下であることが要求されるようになり、このような微小パーティクルの混入も許されない状況となっている。また、一方で樹脂の分子量分布もさらに狭いものが要求されている。
特開2000−26446号公報 特開平9−73137号公報 特開2004−143281号公報
本発明の目的は、微小パーティクル含有量が極めて少ないフォトレジスト用樹脂溶液、該フォトレジスト用樹脂溶液の製造法、前記フォトレジスト用樹脂溶液から調製されるフォトレジスト用樹脂組成物、及び該フォトレジスト用樹脂組成物を用いた半導体の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、分子量分布が特定の範囲にあり且つ特定サイズのパーティクルの含有量が特定値以下のフォトレジスト用樹脂溶液を用いてフォトレジスト用樹脂組成物を調製すると、半導体の製造において、極微細なパターンを精度よく形成できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む単量体と、極性基を有する脂環式骨格を含む単量体とを少なくとも含む単量体混合物を孔径0.5μm以下のフィルターを用いて重合直前に濾過した後、重合に付して、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有するフォトレジスト用樹脂を合成し、該フォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解することにより、
酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有するフォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解したフォトレジスト用樹脂溶液であって、サイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量(樹脂濃度20重量%換算)が5000個/ml以下であり、且つ前記フォトレジスト用樹脂の分子量分布が1.5〜2.5であるフォトレジスト用樹脂溶液を製造することを特徴とするフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法を提供する。
この製造方法において、フォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解した後、フィルターで濾過する工程を含んでいてもよい。また、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む単量体と、極性基を有する脂環式骨格を含む単量体とを少なくとも含む単量体混合物を滴下重合法により重合するのが好ましい。
上記製造方法は、重合により得られたフォトレジスト用樹脂を貧溶媒に沈殿させ、沈殿したフォトレジスト用樹脂を湿結晶として分離し、該湿結晶を少なくとも1種の塗膜形成用溶媒を含む溶媒に再溶解させ、得られた再溶解液を蒸留して、前記湿結晶中に含まれる低沸点不純物を留去する工程を含んでいてもよい。また、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メチルエーテル、又はこれらの混合溶媒を塗膜形成用溶媒として用いるのが好ましい。この場合、分離したフォトレジスト用樹脂の湿結晶をプロピレングリコールモノメチルエーテルに再溶解させ、得られた再溶解液を蒸留して、前記フォトレジスト用樹脂の湿結晶中に含まれる低沸点不純物を減圧下に留去するとともに、蒸留時及び/又は蒸留後にプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを加えて、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートとプロピレングリコールモノメチルエーテルとの混合溶媒を塗膜形成用溶媒とするフォトレジスト用樹脂溶液を得てもよい。前記混合溶媒におけるプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートとプロピレングリコールモノメチルエーテルの重量比率は、例えば、前者/後者=40/60〜95/5である。
本発明は、さらに、前記のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法によりフォトレジスト用樹脂溶液を製造し、得られたフォトレジスト用樹脂溶液に光酸発生剤を溶解してフォトレジスト用樹脂組成物を得るフォトレジスト用樹脂組成物の製造方法を提供する。
本発明は、さらにまた、前記の製造方法によりフォトレジスト用樹脂組成物を製造し、該フォトレジスト用樹脂組成物を基板又は基材に塗布してレジスト塗膜を形成する工程を含む半導体の製造方法を提供する。
なお、本明細書では、上記発明のほか、
酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有するフォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解したフォトレジスト用樹脂溶液であって、サイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量(樹脂濃度20重量%換算)が5000個/ml以下であり、且つ前記フォトレジスト用樹脂の分子量分布が1.5〜2.5であるフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法、についても説明する。
さらに、本明細書では、上記発明のほか、
酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有するフォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解したフォトレジスト用樹脂溶液であって、サイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量(樹脂濃度20重量%換算)が5000個/ml以下であり、且つ前記フォトレジスト用樹脂の分子量分布が1.5〜2.5であるフォトレジスト用樹脂溶液、についても説明する。
繰り返し単位Aとして、下記式(Ia)〜(Id)
Figure 0005022594
(式中、環Zは置換基を有していてもよい炭素数6〜20の脂環式炭化水素環を示す。Rは水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R 1 〜R 3 は、同一又は異なって、置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R 4 は環Zに結合している置換基であって、同一又は異なって、オキソ基、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、又は保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。但し、n個のR 4 のうち少なくとも1つは、−COOR a 基を示す。前記R a は置換基を有していてもよい第3級炭化水素基、テトラヒドロフラニル基、テトラヒドロピラニル基、又はオキセパニル基を示す。nは1〜3の整数を示す。R 5 、R 6 は、同一又は異なって、水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R 7 は水素原子又は有機基を示す。R 5 、R 6 、R 7 のうち少なくとも2つが互いに結合して隣接する原子とともに環を形成していてもよい)
から選択された少なくとも1種の繰り返し単位が挙げられる。
繰り返し単位Bとして、下記式(IIa)〜(IIe)
Figure 0005022594
(式中、Rは水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R 8 〜R 10 は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、又は保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示し、V 1 〜V 3 は、同一又は異なって、−CH 2 −、−CO−又は−COO−を示す。但し、(i)V 1 〜V 3 のうち少なくとも1つは−CO−若しくは−COO−であるか、又は(ii)R 8 〜R 10 のうち少なくとも1つは、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、又は保護基で保護されていてもよいカルボキシル基である。R 11 〜R 15 は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。R 16 〜R 24 は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。R 25 〜R 33 は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。pは0又は1、qは1又は2を示す)
から選択された少なくとも1種の繰り返し単位が挙げられる。
本発明のフォトレジスト用樹脂溶液によれば、0.06〜0.2μm程度の微小パーティクルの含有量が極めて少なく、しかも分子量分布が狭いので、濾過操作が容易であるとともに、該フォトレジスト用樹脂溶液から調製されるフォトレジスト用樹脂組成物を用いることにより、半導体の製造工程でのトラブルを低減でき、極めて微細なパターン、例えば線幅が0.06μm程度のパターンを精度よく形成することができる。また、本発明のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法によれば、前記のような優れた特性を有するフォトレジスト用樹脂溶液を簡易に且つ効率よく製造することができる。
本発明におけるフォトレジスト用樹脂は、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有している。
酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aとしては、露光によって光酸発生剤から発生する酸の作用により一部分が脱離してアルカリ現像液に対して可溶性を示すもの(酸脱離性基を有する繰り返し単位)であれば特に限定されず、例えば、炭素数6〜20の脂環式炭化水素基を含有し且つ酸の作用により脱離可能な基を有している(メタ)アクリル酸エステルに対応する繰り返し単位(炭素−炭素二重結合部位で重合した場合の繰り返し単位)などが挙げられる。「炭素数6〜20の脂環式炭化水素基を含有し且つ酸の作用により脱離可能な基を有している(メタ)アクリル酸エステル」には、炭素数6〜20の脂環式炭化水素基を有すると共に、(メタ)アクリル酸エステルのエステル結合を構成する酸素原子との結合部位に第3級炭素原子を有する(メタ)アクリル酸エステルが含まれる。前記脂環式炭化水素基は、(メタ)アクリル酸エステルのエステル結合を構成する酸素原子と直接結合していてもよく、アルキレン基等の連結基を介して結合していてもよい。前記炭素数6〜20の脂環式炭化水素基は単環式炭化水素基であってもよく、多環式(橋かけ環式)炭化水素基であってもよい。このような(メタ)アクリル酸エステルに対応する単位の代表的な例として、前記式(Ia)、(Ib)で表される単位が例示される。
また、「炭素数6〜20の脂環式炭化水素基を含有し且つ酸の作用により脱離可能な基を有している(メタ)アクリル酸エステル」には、炭素数6〜20の脂環式炭化水素基を有すると共に、該脂環式炭化水素基に−COORa基(Raは置換基を有していてもよい第3級炭化水素基、テトラヒドロフラニル基、テトラヒドロピラニル基、又はオキセパニル基を示す)が直接又は連結基を介して結合している(メタ)アクリル酸エステルも含まれる。−COORa基のRaにおける第3級炭化水素基としては、例えば、t−ブチル、t−アミル、2−メチル−2−アダマンチル、(1−メチル−1−アダマンチル)エチル基などが挙げられる。この第3級炭化水素基が有していてもよい置換基として、例えば、ハロゲン原子、アルキル基(例えば、C1-4アルキル基など)、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、オキソ基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基などが挙げられる。また、Raにおけるテトラヒドロフラニル基には2−テトラヒドロフラニル基が、テトラヒドロピラニル基には2−テトラヒドロピラニル基が、オキセパニル基には2−オキセパニル基が含まれる。前記連結基としては、アルキレン基(例えば、炭素数1〜6の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基等)などが挙げられる。前記脂環式炭化水素基は、(メタ)アクリル酸エステルのエステル結合を構成する酸素原子と直接結合していてもよく、アルキレン基等の連結基を介して結合していてもよい。前記炭素数6〜20の脂環式炭化水素基は単環式炭化水素基であってもよく、多環式(橋かけ環式)炭化水素基であってもよい。このような(メタ)アクリル酸エステルに対応する単位の代表的な例として、前記式(Ic)で表される単位が例示される。
また、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aとして、(メタ)アクリル酸ヘミアセタールエステルに対応するモノマー単位が挙げられる。具体的には、前記式(Id)で表される単位が例示される。
また、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aとして、エステル結合を構成する酸素原子がラクトン環のβ位に結合し且つラクトン環のα位に少なくとも1つの水素原子を有する、ラクトン環を含む(メタ)アクリル酸エステルに対応する繰り返し単位(炭素−炭素二重結合部位で重合した場合の繰り返し単位)などを用いることも可能である。前記繰り返し単位Aは1種のみであってもよく、2種以上の組み合わせであってもよい。
繰り返し単位Aとしては、前記式(Ia)〜(Id)から選択された少なくとも1種の繰り返し単位であるのが好ましい。式(Ia)〜(Id)中、環Zにおける炭素数6〜20の脂環式炭化水素環は単環であっても、縮合環や橋かけ環等の多環であってもよい。代表的な脂環式炭化水素環として、例えば、シクロヘキサン環、シクロオクタン環、シクロデカン環、アダマンタン環、ノルボルナン環、ノルボルネン環、ボルナン環、イソボルナン環、パーヒドロインデン環、デカリン環、パーヒドロフルオレン環(トリシクロ[7.4.0.03,8]トリデカン環)、パーヒドロアントラセン環、トリシクロ[5.2.1.02,6]デカン環、トリシクロ[4.2.2.12,5]ウンデカン環、テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカン環などが挙げられる。脂環式炭化水素環には、メチル基等のアルキル基(例えば、C1-4アルキル基など)、塩素原子等のハロゲン原子、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、オキソ基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基などの置換基を有していてもよい。環Zは例えばアダマンタン環等の多環の脂環式炭化水素環(橋かけ環式炭化水素環)であるのが好ましい。
式(Ia)〜(Id)中のR、並びに式(Ia)、(Ib)、(Id)中のR1〜R3、R5、R6における置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、s−ブチル、t−ブチル、ヘキシル基などの直鎖状又は分岐鎖状の炭素1〜6のアルキル基;トリフルオロメチル基等の炭素1〜6のハロアルキル基などが挙げられる。Rとしては、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基が好ましく、特に水素原子又はメチル基が好ましい。式(Ic)中、R4におけるアルキル基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、s−ブチル、t−ブチル、ヘキシル、オクチル、デシル、ドデシル基などの直鎖状又は分岐鎖状の炭素1〜20程度のアルキル基が挙げられる。R4における保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基としては、例えば、ヒドロキシル基、置換オキシ基(例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ基等のC1-4アルコキシ基など)などが挙げられる。保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基としては、前記保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基が炭素数1〜6のアルキレン基を介して結合している基などが挙げられる。保護基で保護されていてもよいカルボキシル基としては、−COORb基などが挙げられる。前記Rbは水素原子又はアルキル基を示し、アルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、s−ブチル、t−ブチル、ヘキシル基などの直鎖状又は分岐鎖状の炭素数1〜6のアルキル基などが挙げられる。R4において、−COORa基のRaは前記と同様である。
7における有機基としては、炭化水素基及び/又は複素環式基を含有する基が挙げられる。炭化水素基には脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、芳香族炭化水素基及びこれらが2以上結合した基が含まれる。脂肪族炭化水素基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、s−ブチル、t−ブチル、ヘキシル、オクチル基等の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基(C1-8アルキル基等);アリル基等の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基(C2-8アルケニル基等);プロピニル基等の直鎖状または分岐鎖状のアルキニル基(C2-8アルキニル基等)などが挙げられる。脂環式炭化水素基としては、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基(3〜8員シクロアルキル基等);シクロペンテニル、シクロヘキセニル基等のシクロアルケニル基(3〜8員シクロアルケニル基等);アダマンチル、ノルボルニル基等の橋架け炭素環式基(C4-20橋架け炭素環式基等)などが挙げられる。芳香族炭化水素基としては、例えば、フェニル、ナフチル基等のC6-14芳香族炭化水素基などが挙げられる。脂肪族炭化水素基と芳香族炭化水素基とが結合した基としては、ベンジル、2−フェニルエチル基などが挙げられる。これらの炭化水素基は、アルキル基(C1-4アルキル基等)、ハロアルキル基(C1-4ハロアルキル基等)、ハロゲン原子、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシメチル基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基、オキソ基などの置換基を有していてもよい。保護基としては有機合成の分野で慣用の保護基を使用できる。
前記複素環式基としては、酸素原子、硫黄原子及び窒素原子から選択された少なくとも1種のヘテロ原子を含む複素環式基が挙げられる。
好ましい有機基として、C1-8アルキル基、環式骨格を含む有機基等が挙げられる。前記環式骨格を構成する「環」には、単環又は多環の非芳香族性又は芳香族性の炭素環又は複素環が含まれる。なかでも、単環又は多環の非芳香族性炭素環、ラクトン環(非芳香族性炭素環が縮合していてもよい)が特に好ましい。単環の非芳香族性炭素環として、例えば、シクロペンタン環、シクロヘキサン環などの3〜15員程度のシクロアルカン環などが挙げられる。
多環の非芳香族性炭素環(橋架け炭素環)として、例えば、アダマンタン環、ノルボルナン環、ノルボルンネン環、ボルナン環、イソボルナン環、アダマンタン環;ノルボルナン環、ノルボルネン環、ボルナン環、イソボルナン環、トリシクロ[5.2.1.02,6]デカン環、テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカン環等のノルボルナン環又はノルボルネン環を含む環;パーヒドロインデン環、デカリン環(パーヒドロナフタレン環)、パーヒドロフルオレン環(トリシクロ[7.4.0.03,8]トリデカン環)、パーヒドロアントラセン環などの多環の芳香族縮合環が水素添加された環(好ましくは完全水素添加された環);トリシクロ[4.2.2.12,5]ウンデカン環などの2環系、3環系、4環系などの橋架け炭素環(例えば、炭素数6〜20程度の橋架け炭素環)などが挙げられる。前記ラクトン環として、例えば、γ−ブチロラクトン環、4−オキサトリシクロ[4.3.1.13,8]ウンデカン−5−オン環、4−オキサトリシクロ[4.2.1.03,7]ノナン−5−オン環、4−オキサトリシクロ[5.2.1.02,6]デカン−5−オン環などが挙げられる。
前記環式骨格を構成する環は、メチル基等のアルキル基(例えば、C1-4アルキル基など)、トリフルオロメチル基などのハロアルキル基(例えば、C1-4ハロアルキル基など)、塩素原子やフッ素原子等のハロゲン原子、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、保護基で保護されていてもよいメルカプト基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基、保護基で保護されていてもよいアミノ基、保護基で保護されていてもよいスルホン酸基などの置換基を有していてもよい。保護基としては有機合成の分野で慣用の保護基を使用できる。
前記環式骨格を構成する環は、式(Id)中に示される酸素原子(R7の隣接位の酸素原子)と直接結合していてもよく、連結基を介して結合していてもよい。連結基としては、メチレン、メチルメチレン、ジメチルメチレン、エチレン、プロピレン、トリメチレン基などの直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基;カルボニル基;酸素原子(エーテル結合;−O−);オキシカルボニル基(エステル結合;−COO−);アミノカルボニル基(アミド結合;−CONH−);及びこれらが複数個結合した基などが挙げられる。
5、R6、R7のうち少なくとも2つは、互いに結合して隣接する原子とともに環を形成していてもよい。該環としては、例えば、シクロプロパン環、シクロペンタン環、シクロヘキサン環などのシクロアルカン環;テトラヒドロフラン環、テトラヒドロピラン環、オキセパン環などの含酸素環;橋架け環などが挙げられる。
前記極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bには、(1)ラクトン環を含有する炭素数6〜20の脂環式炭化水素基[ラクトン環と単環又は多環(橋かけ環)の脂環式炭素環とが縮合した構造を有する基等]がエステル結合を構成する酸素原子に結合している(メタ)アクリル酸エステルに対応するモノマー単位B1(炭素−炭素二重結合部位で重合した場合の繰り返し単位)が含まれる。このような繰り返し単位B1の代表的な例として、前記式(IIa)のうちV1〜V3の少なくとも1つが−COO−である単位、及び(IIb)、(IIc)、(IId)、(IIe)で表される単位が例示される。
また、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bには、(2)ヒドロキシル基、カルボキシル基、オキソ基などの極性基を有する炭素数6〜20の脂環式炭化水素基(特に、橋かけ環式炭化水素基)がエステル結合を構成する酸素原子に結合している(メタ)アクリル酸エステルに対応するモノマー単位B2(炭素−炭素二重結合部位で重合した場合の繰り返し単位)も含まれる。このような繰り返し単位B2の代表的な例として、前記式(IIa)のうちV1〜V3の少なくとも1つが−CO−であるか、又はR8〜R10のうち少なくとも1つが、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、又は保護基で保護されていてもよいカルボキシル基である単位が例示される。
繰り返し単位Bは、極性基によりシリコンウエハーなどの基板に対する密着性を付与すると共に、脂環式骨格によりドライエッチング耐性を付与する。繰り返し単位Bは1種のみであってもよく、2種以上の組み合わせであってもよい。繰り返し単位Bとしては、前記式(IIa)〜(IIe)から選択された少なくとも1種の繰り返し単位であるのが好ましい。また、繰り返し単位Bとして繰り返し単位B1と繰り返し単位B2とを組み合わせると、基板密着性、ドライエッチング耐性、レジスト溶剤に対する溶解性等の特性をバランスよく具備するだけでなく、重合時における均質反応性にも優れる(分子量や分子構造において均一性の高いポリマーが生成する)という大きな利点が得られる。
式(IIa)〜(IIe)中のRは前記(Ia)〜(Id)中のRと同様である。式(IIa)〜(IIe)中、R8〜R33におけるアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、s−ブチル、t−ブチル、ヘキシル、オクチル、デシル、ドデシル基などの直鎖状又は分岐鎖状の炭素数1〜13のアルキル基等が挙げられる。これらの中でも、炭素数1〜4のアルキル基が好ましい。保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基としては、例えば、ヒドロキシル基、置換オキシ基(例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ基等のC1-4アルコキシ基など)などが挙げられる。保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基としては、前記保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基が炭素数1〜6のアルキレン基を介して結合している基などが挙げられる。保護基で保護されていてもよいカルボキシル基としては、−COORb基などが挙げられる。Rbは前記と同様である。
本発明におけるフォトレジスト用樹脂は、アルカリ可溶性(酸脱離性)、基板密着性、ドライエッチング耐性、レジスト溶剤への溶解性などの特性を損なわない範囲で、前記繰り返し単位A及びB以外の繰り返し単位を含んでいてもよい。このような繰り返し単位としては、繰り返し単位Aに対応する単量体及び繰り返し単位Bに対応する単量体と共重合可能な単量体に対応する単位であって、且つレジスト特性を損なわないようなものであれば特に限定されない。例えば、(メタ)アクリル酸又はその誘導体、マレイン酸又はその誘導体、フマル酸又はその誘導体、環状オレフィン類などに対応する単位が挙げられる。前記(メタ)アクリル酸又はその誘導体としては、例えば、α−(メタ)アクリロイルオキシ−γ−ブチロラクトン、α−(メタ)アクリロイルオキシ−α−メチル−γ−ブチロラクトン、α−(メタ)アクリロイルオキシ−γ,γ−ジメチル−γ−ブチロラクトン等の、ラクトン環(γ−ブチロラクトン環、δ−バレロラクトン環など)を有する(メタ)アクリル酸エステルなどが挙げられる。このラクトン環を有する(メタ)アクリル酸エステルは、ポリマーに基板密着性を付与しうる。
フォトレジスト用樹脂における前記繰り返し単位Aの含有量は、例えば5〜90モル%、好ましくは10〜80モル%、さらに好ましくは20〜70モル%である。繰り返し単位Aの含有量が5モル%未満の場合には、アルカリ現像の際のレジスト膜の溶解性が不十分となり、解像度が低下し、微細なパターンを精度よく形成することが困難となる。また、繰り返し単位Aの含有量が90モル%を超える場合には、基板密着性やドライエッチング耐性が低下し、現像によりパターンが剥がれて残らないという問題が起こりやすい。
フォトレジスト用樹脂における前記繰り返し単位Bの含有量は、例えば10〜95モル%、好ましくは20〜90モル%、さらに好ましくは30〜80モル%である。繰り返し単位Bの含有量が10モル%未満の場合には基板密着性やドライエッチング耐性が低下しやすくなり、95モル%を超えるとアルカリ可溶性単位の導入量が少なくなることから、アルカリ現像の際のレジスト膜の溶解性が不十分になりやすい。繰り返し単位Bとして繰り返し単位B1と繰り返し単位B2とを組み合わせる場合、両者の割合は特に限定されないが、一般には前者/後者(モル比)=5/95〜95/5、好ましくは10/90〜90/10、さらに好ましくは30/70〜70/30程度である。
フォトレジスト用樹脂の重量平均分子量(Mw)は、例えば3000〜15000の範囲であり、好ましくは4000〜14000であり、さらに好ましくは5000〜13000程度である。フォトレジスト用樹脂の分子量分布(Mw/Mn)は1.5〜2.5であり、好ましくは1.5〜2.2程度である。本発明においては、樹脂の分子量分布が極めて狭いので、フォトレジスト樹脂組成物を塗布して得られる塗膜の膜厚が均一となり、半導体の製造において、微細なパターンを高い精度で形成できるという利点を有する。なお、前記Mnは数平均分子量を示し、Mn、Mwともにポリスチレン換算の値である。樹脂の重量平均分子量、分子量分布はGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)により測定できる。樹脂の分子量分布は、重合方法、重合条件、重合後の精製条件(沈殿、リパルプ、リンス等における条件)を選択することにより調整できる。
本発明のフォトレジスト用樹脂溶液は、前記フォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒(レジスト用溶剤)に溶解した溶液であって、サイズ0.06μm以上(例えばサイズ0.06〜0.2μm)のパーティクルの含有量(樹脂濃度20重量%換算)が5000個/ml以下(例えば100〜5000個/ml程度)である。前記サイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量は、好ましくは、3000個/ml以下(例えば200〜3000個/ml程度)、さらに好ましくは2000個/ml以下(例えば300〜2000個/ml程度)である。前記サイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量が5000個/mlを超えると、例えば線幅0.06μmのパターンを精度よく形成することが困難となる。また、濾過する際フィルターが詰まったり、半導体の製造工程において、粒子の沈降等のトラブルが生じる。サイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量はパーティクルカウンター(パーティクルセンサー)(例えば、リオン株式会社製;商品名「パーティクルセンサーKS−17A」、液中用0.06μm)によって測定できる。また、例えばサイズ0.06〜0.2μmのパーティクル含有量は、孔径0.1μmのフィルターで濾過した後、0.06μmのカウンターでカウントすることにより測定できる。なお、樹脂濃度x重量%の樹脂溶液を用いてサイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量を測定したときの値がn(個/ml)の場合、樹脂濃度20重量%換算での値は、n×20/x(個/ml)となる。フォトレジスト用樹脂溶液中の樹脂濃度は、通常5〜50重量%、好ましくは10〜30重量%である。
塗膜形成用溶媒としては、樹脂を溶解し露光に使用される光に対して透明性が高いものが好ましく、例えば、後述の重合溶媒として例示するグリコール系溶媒(プロピレングリコール系溶媒、エチレングリコール系溶媒など)、エステル系溶媒(乳酸エステル系溶媒など)、ケトン系溶媒(メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトンなど)、及びこれらの混合溶媒などを使用できる。また、好ましい塗膜形成用溶媒として、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アセテート、プロピレングリコールモノブ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オネート、プロピレングリコールモノエチルエーテルプロピオネート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルプロピオネート、プロピレングリコールモノブチルエーテルプロピオネート等のプロピレングリコールモノアルキルエーテルカルボキシレート;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等のプロピレングリコールモノアルキルエーテル;これらの混合物などが挙げられる。
上記の溶媒の中でも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)は塗膜形成時の蒸発速度等において、溶媒としての機能に優れ、しかも低毒性であるという利点がある。しかし、PGMEAは溶解特性に劣る傾向があり、極性の高い樹脂(基板密着性を高めるためには、極性基を樹脂に導入することは必須である)を溶解させることに問題を残している。これについては、PGMEAにプロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)を添加することにより溶解力を大幅に改良することができる。したがって、PGMEAとPGMEの混合溶媒が特に好ましい塗膜形成用溶媒(レジスト用溶剤)であると言える。
PGMEAとPGMEの混合溶媒を塗膜形成用溶媒として用いる場合、全溶媒中に占めるPGMEA及びPGMEの合計割合は、通常70重量%以上、好ましくは90重量%以上、さらに好ましくは95重量%以上であり、特に実質的にPGMEAとPGMEのみからなる混合溶媒が好ましい。また、PGMEAとPGMEの混合溶媒を塗膜形成用溶媒として用いる場合のPGMEA/PGMEの混合比率は、通常、重量比で40/60〜95/5の範囲が使用される。好ましくは、50/50〜90/10、特に好ましくは、60/40〜85/15程度である。PGMEAの割合が40重量%を下回ると、塗膜形成時の蒸発速度に問題があるためか、均一な塗膜が形成されにくくなる。また、PGMEの割合が5重量%を下回ると、樹脂の溶解性が悪くなりやすい。
本発明のフォトレジスト用樹脂溶液は、例えば、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む単量体と、極性基を有する脂環式骨格を含む単量体とを少なくとも含む単量体混合物を重合直前に濾過した後、重合に付して、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有するフォトレジスト用樹脂を合成し、該フォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解することにより製造できる。
単量体混合物を重合直前に濾過しておくことで、重合後に調製されるフォトレジスト用樹脂溶液中の微小パーティクルの含有量を顕著に低減できる。これは、モノマーを溶解したときの不溶物が重合やその他の処理の段階で微粒子化したり、不溶の粒子から制御できない重合が起こるためと推測される。一方、重合直前に単量体混合物を濾過しない場合には、0.1μmの濾材では濾過できない微粒子が重合中に発生する。0.05μmの濾材も存在するが、微粒子の数が多いと濾過作業が煩雑となる。最終工程で煩雑な濾過を行うことはできる限り避けることが望ましい。濾材を再三交換することは外部の異物混入の原因ともなる。しかも、0.05μmの濾材では0.06μm付近の微粒子はほとんど濾別できない。これまでは0.06μm付近の微粒子は、半導体のパターンの線幅が0.1μm以上であったため、問題とはならなかったが、現在では0.06μm程度まで微細化が要求されるようになり、より小さい微粒子についてもできるだけ存在しないことが望まれるようになってきている。上記のように、単量体混合物を重合直前に濾過することにより、このような極めて小さい微粒子の重合時等での生成を顕著に抑制できる。重合直前とは、例えば重合前1時間以内である。重合缶へのモノマー仕込みラインで単量体混合物を濾過することも好ましい。濾過は、例えば孔径0.5μm以下(例えば0.5μm)のフィルター(濾材)を用いて行うことができ、好ましくは0.2μm以下(例えば0.2μm)、特に好ましくは0.1μm以下(例えば0.1μm)のフィルターを用いて行う。
フォトレジスト用樹脂は通常用いられる重合法により合成できるが、重合温度に加熱制御された溶媒中に時間をかけて単量体及び開始剤の溶液を添加して重合させる滴下重合法を用いて合成するのが好ましい。滴下重合法によりポリマーを合成すると、組成が均一で分子量分布の狭いポリマーを得ることができる。滴下重合は、例えば、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む単量体a(繰り返し単位Aに対応する単量体)と極性基を有する脂環式骨格を含む単量体b(繰り返し単位Bに対応する単量体)とを少なくとも含む単量体混合物と、重合開始剤とを含有する混合溶液を反応容器内に滴下しながら、60〜130℃の温度で重合させることにより製造することができる。また、単量体混合物を含有する単量体溶液と重合開始剤を含有する重合開始剤溶液とを、別々の容器から並行して反応容器内に滴下することも可能である。重合温度はできる限り振れ幅を少なくして一定の温度で制御することが好ましい。
重合溶媒としては、例えば、グリコール系溶媒、エステル系溶媒、ケトン系溶媒、エーテル系溶媒、アミド系溶媒、スルホキシド系溶媒、1価アルコール系溶媒、炭化水素系溶媒、これらの混合溶媒などが挙げられる。グリコール系溶媒には、例えば、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モノメチルエーテルアセテートなどのプロピレングリコール系溶媒;エチ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アセテート、エチ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アセテート、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテートなどのエチレングリコール系溶媒などが含まれる。エステル系溶媒には、乳酸エチルなどの乳酸エステル系溶媒;3−メトキシプロピオン酸メチルなどのプロピオン酸エステル系溶媒;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチルなどの酢酸エステル系溶媒などが挙げられる。ケトン系溶媒には、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロヘキサノンなどが含まれる。エーテル系溶媒には、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどが含まれる。アミド系溶媒には、N,N−ジメチルホルムアミドなどが含まれる。スルホキシド系溶媒には、ジメチルスルホキシドなどが含まれる。1価アルコール系溶媒には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどが含まれる。炭化水素系溶媒には、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサンなどが含まれる。
好ましい重合溶媒には、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モノメチルエーテルアセテートなどのグリコール系溶媒、乳酸エチルなどのエステル系溶媒、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトンなどのケトン系溶媒及びこれらの混合溶媒が含まれる。特に、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート単独溶媒、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートとプロピレングリコールモノメチルエーテルとの混合溶媒、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートと乳酸エチルとの混合溶媒などの、少なくともプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを含む溶媒が好ましい。
重合開始剤としては公知の重合開始剤を使用できる。
滴下重合において、予め仕込まれる溶媒の量と滴下する溶液(単量体溶液、重合開始剤溶液)の総量との比率は、生産性や経済性、作業性、操作性等を考慮しつつ、樹脂の品質を損なわない範囲で適宜設定できるが、一般には、前者/後者(重量比)=5/95〜90/10、好ましくは10/90〜70/30、さらに好ましくは20/80〜60/40の範囲である。使用する重合溶媒の総量(予め仕込まれる溶媒又は溶液中の溶媒の量+滴下する溶液中の溶媒の量)は、作業性、操作性、反応効率、生成するポリマーの溶解性等を考慮して適宜選択できるが、単量体の総量100重量部に対して、一般には100〜2000重量部、好ましくは200〜1000重量部、さらに好ましくは300〜700重量部程度である。
単量体溶液及び重合開始剤溶液の全滴下時間は、重合温度及び単量体の種類等によって異なるが、一般には1〜10時間、好ましくは3〜8時間程度である。なお、滴下終了後、適宜な時間(例えば0.1〜10時間、好ましくは1〜6時間程度)、適宜な温度(例えば60〜130℃)下で熟成して重合を完結させてもよい。
前記式(Ia)〜(Id)、(IIa)〜(IIe)で表される各繰り返し単位を含む樹脂は、それぞれ対応する(メタ)アクリル酸エステルをコモノマーとして重合に付すことにより製造できる。
[式(Ia)〜(Id)で表される繰り返し単位]
前記式(Ia)〜(Id)で表される繰り返し単位に対応するモノマーは、それぞれ下記式(1a)〜(1d)で表される。式(1a)〜(1d)で表される化合物には、それぞれ立体異性体が存在しうるが、それらは単独で又は2種以上の混合物として使用できる。
Figure 0005022594
(式中、環Zは置換基を有していてもよい炭素数6〜20の脂環式炭化水素環を示す。Rは水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R1〜R3は、同一又は異なって、置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R4は環Zに結合している置換基であって、同一又は異なって、オキソ基、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、又は保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。但し、n個のR4のうち少なくとも1つは、−COORa基を示す。前記Raは置換基を有していてもよい第3級炭化水素基、テトラヒドロフラニル基、テトラヒドロピラニル基、又はオキセパニル基を示す。nは1〜3の整数を示す。R5、R6は、同一又は異なって、水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R7は水素原子又は有機基を示す。R5、R6、R7のうち少なくとも2つが互いに結合して隣接する原子とともに環を形成していてもよい)
式(1a)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[1-1]2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH3、Z=アダマンタン環)
[1-2]1−ヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH3、Z=1位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-3]5−ヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH3、Z=5位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-4]1,3−ジヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH3、Z=1位と3位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-5]1,5−ジヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH3、Z=1位と5位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-6]1,3−ジヒドロキシ−6−(メタ)アクリロイルオキシ−6−メチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH3、Z=1位と3位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-7]2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−エチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH2CH3、Z=アダマンタン環)
[1-8]1−ヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−エチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH2CH3、Z=1位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-9]5−ヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−エチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH2CH3、Z=5位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-10]1,3−ジヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−エチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH2CH3、Z=1位と3位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-11]1,5−ジヒドロキシ−2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−エチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH2CH3、Z=1位と5位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-12]1,3−ジヒドロキシ−6−(メタ)アクリロイルオキシ−6−エチルアダマンタン(R=H又はCH3、R1=CH2CH3、Z=1位と3位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
上記式(1a)で表される化合物は、例えば、対応する環式アルコールと(メタ)アクリル酸又はその反応性誘導体とを、酸触媒やエステル交換触媒を用いた慣用のエステル化法に従って反応させることにより得ることができる。
式(1b)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[1-13]1−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチルエチル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=R3=CH3、Z=アダマンタン環)
[1-14]1−ヒドロキシ−3−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチルエチル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=R3=CH3、Z=1位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-15]1−(1−エチル−1−(メタ)アクリロイルオキシプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=R3=CH2CH3、Z=アダマンタン環)
[1-16]1−ヒドロキシ−3−(1−エチル−1−(メタ)アクリロイルオキシプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=R3=CH2CH3、Z=1位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-17]1−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチルプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=CH3、R3=CH2CH3、Z=アダマンタン環)
[1-18]1−ヒドロキシ−3−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチルプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=CH3、R3=CH2CH3、Z=1位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-19]1−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1,2−ジメチルプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=CH3、R3=CH(CH32、Z=アダマンタン環)
[1-20]1−ヒドロキシ−3−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1,2−ジメチルプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=CH3、R3=CH(CH32、Z=1位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-21]1,3−ジヒドロキシ−5−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチルエチル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=R3=CH3、Z=1位と3位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-22]1−(1−エチル−1−(メタ)アクリロイルオキシプロピル)−3,5−ジヒドロキシアダマンタン(R=H又はCH3、R2=R3=CH2CH3、Z=3位と5位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-23]1,3−ジヒドロキシ−5−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチルプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=CH3、R3=CH2CH3、Z=1位と3位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
[1-24]1,3−ジヒドロキシ−5−(1−(メタ)アクリロイルオキシ−1,2−ジメチルプロピル)アダマンタン(R=H又はCH3、R2=CH3、R3=CH(CH32、Z=1位と3位にヒドロキシル基を有するアダマンタン環)
上記式(1b)で表される化合物は、例えば、対応する1位に脂環式基を有するメタノール誘導体と(メタ)アクリル酸又はその反応性誘導体とを、酸触媒やエステル交換触媒を用いた慣用のエステル化法に従って反応させることにより得ることができる。
式(1c)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[1-25]1−t−ブトキシカルボニル−3−(メタ)アクリロイルオキシアダマンタン(R=H又はCH3、R4=t−ブトキシカルボニル基、n=1、Z=アダマンタン環)
[1-26]1,3−ビス(t−ブトキシカルボニル)−5−(メタ)アクリロイルオキシアダマンタン[R=H又はCH3、R4=t−ブトキシカルボニル基、n=2、Z=アダマンタン環]
[1-27]1−t−ブトキシカルボニル−3−ヒドロキシ−5−(メタ)アクリロイルオキシアダマンタン(R=H又はCH3、R4=OH,t−ブトキシカルボニル基、n=2、Z=アダマンタン環)
[1-28]1−(2−テトラヒドロピラニルオキシカルボニル)−3−(メタ)アクリロイルオキシアダマンタン(R=H又はCH3、R4=2−テトラヒドロピラニルオキシカルボニル基、n=1、Z=アダマンタン環)
[1-29]1,3−ビス(2−テトラヒドロピラニルオキシカルボニル)−5−(メタ)アクリロイルオキシアダマンタン(R=H又はCH3、R4=2−テトラヒドロピラニルオキシカルボニル基、n=2、Z=アダマンタン環)
[1-30]1−ヒドロキシ−3−(2−テトラヒドロピラニルオキシカルボニル)−5−(メタ)アクリロイルオキシアダマンタン(R=H又はCH3、R4=OH,2−テトラヒドロピラニルオキシカルボニル基、n=2、Z=アダマンタン環)
上記式(1c)で表される化合物は、例えば、対応する環式アルコールと(メタ)アクリル酸又はその反応性誘導体とを、酸触媒やエステル交換触媒を用いた慣用のエステル化法に従って反応させることにより得ることができる。
式(1d)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[1-31]1−アダマンチルオキシ−1−エチル(メタ)アクリレート(R=H又はCH3、R5=CH3、R6=H、R7=1−アダマンチル基)
[1-32]1−アダマンチルメチルオキシ−1−エチル(メタ)アクリレート(R=H又はCH3、R5=CH3、R6=H、R7=1−アダマンチルメチル基)
[1-33]2−(1−アダマンチルエチル)オキシ−1−エチル(メタ)アクリレート(R=H又はCH3、R5=CH3、R6=H、R7=1−アダマンチルエチル基)
[1-34]1−ボルニルオキシ−1−エチル(メタ)アクリレート(R=H又はCH3、R5=CH3、R6=H、R7=1−ボルニル基)
[1-35]2−ノルボルニルオキシ−1−エチル(メタ)アクリレート(R=H又はCH3、R5=CH3、R6=H、R7=2−ノルボルニル基)
[1-36]2−テトラヒドロピラニル(メタ)アクリレート(R=H又はCH3、R5とR7が結合して式中の炭素原子及び酸素原子とともに6員環を形成、R6=H)
[1-37]2−テトラヒドロフラニル(メタ)アクリレート(R=H又はCH3、R5とR7が結合して式中の炭素原子及び酸素原子とともに5員環を形成、R6=H)
上記式(1d)で表される化合物は、例えば、対応するビニルエーテル化合物と(メタ)アクリル酸とを酸触媒を用いた慣用の方法で反応させることにより得ることができる。例えば、1−アダマンチルオキシ−1−エチル(メタ)アクリレートは、1−アダマンチル−ビニル−エーテルと(メタ)アクリル酸とを酸触媒の存在下で反応させることにより製造できる。
[式(IIa)〜(IIe)で表される繰り返し単位]
前記式(IIa)〜(IIe)で表される繰り返し単位に対応するモノマーは、それぞれ下記式(2a)〜(2e)で表される。式(2a)〜(2e)で表される化合物には、それぞれ立体異性体が存在しうるが、それらは単独で又は2種以上の混合物として使用できる。
Figure 0005022594
(式中、Rは水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基を示す。R8〜R10は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、又は保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示し、V1〜V3は、同一又は異なって、−CH2−、−CO−又は−COO−を示す。但し、(i)V1〜V3のうち少なくとも1つは−CO−若しくは−COO−であるか、又は(ii)R8〜R10のうち少なくとも1つは、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、又は保護基で保護されていてもよいカルボキシル基である。R11〜R15は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。R16〜R24は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。R25〜R33は、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシル基、保護基で保護されていてもよいヒドロキシアルキル基、保護基で保護されていてもよいカルボキシル基を示す。pは0又は1、qは1又は2を示す)
式(2a)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[2-1]1−(メタ)アクリロイルオキシ−4−オキサトリシクロ[4.3.1.13,8]ウンデカン−5−オン(R=H又はCH3、R8=R9=R10=H、V2=−CO−O−(左側がR9の結合している炭素原子側)、V1=V3=−CH2−)
[2-2]1−(メタ)アクリロイルオキシ−4,7−ジオキサトリシクロ[4.4.1.13,9]ドデカン−5,8−ジオン(R=H又はCH3、R8=R9=R10=H、V1=−CO−O−(左側がR8の結合している炭素原子側)、V2=−CO−O−(左側がR9の結合している炭素原子側)、V3=−CH2−)
[2-3]1−(メタ)アクリロイルオキシ−4,8−ジオキサトリシクロ[4.4.1.13,9]ドデカン−5,7−ジオン(R=H又はCH3、R8=R9=R10=H、V1=−O−CO−(左側がR8の結合している炭素原子側)、V2=−CO−O−(左側がR9の結合している炭素原子側)、V3=−CH2−)
[2-4]1−(メタ)アクリロイルオキシ−5,7−ジオキサトリシクロ[4.4.1.13,9]ドデカン−4,8−ジオン(R=H又はCH3、R8=R9=R10=H、V1=−CO−O−(左側がR8の結合している炭素原子側)、V2=−O−CO−(左側がR9の結合している炭素原子側)、V3=−CH2−)
[2-5]1−(メタ)アクリロイルオキシ−3−ヒドロキシアダマンタン(R=H又はCH3、R8=OH、R9=R10=H、V1=V2=V3=−CH2−)
[2-6]1−(メタ)アクリロイルオキシ−3,5−ジヒドロキシアダマンタン(R=H又はCH3、R8=R9=OH、R10=H、V1=V2=V3=−CH2−)
[2-7]1−(メタ)アクリロイルオキシ−3,5,7−トリヒドロキシアダマンタン(R=H又はCH3、R8=R9=R10=OH、V1=V2=V3=−CH2−)
[2-8]1−(メタ)アクリロイルオキシ−3−ヒドロキシ−5,7−ジメチルアダマンタン(R=H又はCH3、R8=OH、R9=R10=CH3、V1=V2=V3=−CH2−)
[2-9]1−(メタ)アクリロイルオキシ−3−カルボキシアダマンタン(R=H又はCH3、R8=COOH、R9=R10=H、V1=V2=V3=−CH2−)
上記式(2a)で表される化合物は、対応する環式アルコール誘導体と(メタ)アクリル酸又はその反応性誘導体とを、酸触媒やエステル交換触媒、塩基等を用いた慣用のエステル化法に従って反応させることにより得ることができる。
式(2b)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[2-10]5−(メタ)アクリロイルオキシ−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(=5−(メタ)アクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン)(R=H又はCH3、R11=R12=R13=R14=R15=H)
[2-11]5−(メタ)アクリロイルオキシ−5−メチル−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(R=H又はCH3、R11=CH3、R12=R13=R14=R15=H)
[2-12]5−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチル−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(R=H又はCH3、R12=CH3、R11=R13=R14=R15=H)
[2-13]5−(メタ)アクリロイルオキシ−9−メチル−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(R=H又はCH3、R13=CH3、R11=R12=R14=R15=H)
[2-14]5−(メタ)アクリロイルオキシ−9−カルボキシ−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(R=H又はCH3、R11=R12=R14=R15=H、R13=COOH)
[2-15]5−(メタ)アクリロイルオキシ−9−メトキシカルボニル−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(R=H又はCH3、R11=R12=R14=R15=H、R13=メトキシカルボニル基)
[2-16]5−(メタ)アクリロイルオキシ−9−エトキシカルボニル−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(R=H又はCH3、R11=R12=R14=R15=H、R13=エトキシカルボニル基)
[2-17]5−(メタ)アクリロイルオキシ−9−t−ブトキシカルボニル−3−オキサトリシクロ[4.2.1.04,8]ノナン−2−オン(R=H又はCH3、R11=R12=R14=R15=H、R13=t−ブトキシカルボニル基)
上記式(2b)で表される化合物は、対応する環式アルコール誘導体と(メタ)アクリル酸又はその反応性誘導体とを、酸触媒やエステル交換触媒、塩基等を用いた慣用のエステル化法に従って、反応させることにより得ることができる。なお、その際に原料として用いる環式アルコール誘導体は、例えば、対応する5−ノルボルネン−2−カルボン酸誘導体又はそのエステルを過酸(過酢酸、m−クロロ過安息香酸など)又は過酸化物(過酸化水素、過酸化水素+酸化タングステンやタングステン酸などの金属化合物)と反応(エポキシ化及び環化反応)させることにより得ることができる。
式(2c)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[2-18]8−(メタ)アクリロイルオキシ−4−オキサトリシクロ[5.2.1.02,6]デカン−5−オン(R=H又はCH3
[2-19]9−(メタ)アクリロイルオキシ−4−オキサトリシクロ[5.2.1.02,6]デカン−5−オン(R=H又はCH3
上記式(2c)で表される化合物は、対応する環式アルコール誘導体と(メタ)アクリル酸又はその反応性誘導体とを、酸触媒やエステル交換触媒、塩基等を用いた慣用のエステル化法に従って反応させることにより得ることができる。
式(2d)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[2-20]4−(メタ)アクリロイルオキシ−6−オキサビシクロ[3.2.1]オクタン−7−オン(R=H又はCH3、R16=R17=R18=R19=R20=R21=R22=R23=R24=H)
[2-21]4−(メタ)アクリロイルオキシ−4−メチル−6−オキサビシクロ[3.2.1]オクタン−7−オン(R=H又はCH3、R17=R18=R19=R20=R21=R22=R23=R24=H、R16=CH3
[2-22]4−(メタ)アクリロイルオキシ−5−メチル−6−オキサビシクロ[3.2.1]オクタン−7−オン(R=H又はCH3、R16=R18=R19=R20=R21=R22=R23=R24=H、R17=CH3
[2-23]4−(メタ)アクリロイルオキシ−4,5−ジメチル−6−オキサビシクロ[3.2.1]オクタン−7−オン(R=H又はCH3、R18=R19=R20=R21=R22=R23=R24=H、R16=R17=CH3
式(2e)で表される化合物の代表的な例として下記化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
[2-24]6−(メタ)アクリロイルオキシ−2−オキサビシクロ[2.2.2]オクタン−3−オン(R=H又はCH3、R25=R26=R27=R28=R29=R30=R31=R32=R33=H)
[2-25]6−(メタ)アクリロイルオキシ−6−メチル−2−オキサビシクロ[2.2.2]オクタン−3−オン(R=H又はCH3、R25=R27=R28=R29=R30=R31=R32=R33=H、R26=CH3
[2-26]6−(メタ)アクリロイルオキシ−1−メチル−2−オキサビシクロ[2.2.2]オクタン−3−オン(R=H又はCH3、R26=R27=R28=R29=R30=R31=R32=R33=H、R25=CH3
[2-27]6−(メタ)アクリロイルオキシ−1,6−ジメチル−2−オキサビシクロ[2.2.2]オクタン−3−オン(R=H又はCH3、R27=R28=R29=R30=R31=R32=R33=H、R25=R26=CH3
上記式(2d)及び(2e)で表される化合物は、対応する環式アルコール誘導体と(メタ)アクリル酸又はその反応性誘導体とを、酸触媒やエステル交換触媒、塩基等を用いた慣用のエステル化法に従って反応させることにより得ることができる。
重合により生成したポリマーは沈殿(再沈殿を含む)により単離できる。例えば、重合溶液(ポリマードープ)を溶媒(沈殿溶媒)中に添加してポリマーを沈殿させるか、又は該ポリマーを再度適当な溶媒に溶解させ、この溶液を溶媒(再沈殿溶媒)中に添加して再沈殿させることにより目的のポリマーを得ることができる。沈殿又は再沈殿溶媒は有機溶媒及び水の何れであってもよく、また混合溶媒であってもよい。沈殿又は再沈殿溶媒として用いる有機溶媒として、例えば、炭化水素(ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの脂肪族炭化水素;シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンなどの脂環式炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素)、ハロゲン化炭化水素(塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素などのハロゲン化脂肪族炭化水素;クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化芳香族炭化水素など)、ニトロ化合物(ニトロメタン、ニトロエタンなど)、ニトリル(アセトニトリル、ベンゾニトリルなど)、エーテル(ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジメトキシエタンなどの鎖状エーテル;テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル)、ケトン(アセトン、メチルエチルケトン、ジイソブチルケトンなど)、エステル(酢酸エチル、酢酸ブチルなど)、カーボネート(ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなど)、アルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノールなど)、カルボン酸(酢酸など)、これらの溶媒を含む混合溶媒等が挙げられる。
中でも、前記沈殿又は再沈殿溶媒として用いる有機溶媒として、少なくとも炭化水素(特に、ヘキサンやヘプタンなどの脂肪族炭化水素)を含む溶媒が好ましい。このような少なくとも炭化水素を含む溶媒において、炭化水素(例えば、ヘキサンやヘプタンなどの脂肪族炭化水素)と他の溶媒(例えば、酢酸エチルなどのエステル類等)との比率は、例えば前者/後者(体積比;25℃)=10/90〜99/1、好ましくは前者/後者(体積比;25℃)=30/70〜98/2、さらに好ましくは前者/後者(体積比;25℃)=50/50〜97/3程度である。
沈殿(再沈殿を含む)で得られたポリマーは、必要に応じて、リパルプ処理やリンス処理に付される。リパルプ処理後にリンス処理を施してもよい。重合により生成したポリマーを溶媒でリパルプしたり、リンスすることにより、ポリマーに付着している残存モノマーや低分子量オリゴマーなどを効率よく除くことができる。
リパルプ処理に用いる溶媒(リパルプ用溶媒)やリンス処理に用いる溶媒(リンス用溶媒)としては、沈殿(再沈殿を含む)に用いるポリマーの貧溶媒が好ましい。なかでも炭化水素溶媒が特に好ましい。炭化水素溶媒としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの脂肪族炭化水素、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンなどの脂環式炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素が挙げられる。これらは2種以上混合して使用してもよい。これらのなかでも、脂肪族炭化水素、特にヘキサン若しくはヘプタン、又はヘキサン若しくはヘプタンを含む混合溶媒が好適である。
リパルプ用溶媒の使用量は、ポリマーに対して、例えば1〜200重量倍、好ましくは5〜100重量倍程度である。一方、リンス溶媒の使用量は、ポリマーに対して、例えば1〜100重量倍、好ましくは2〜20重量倍程度である。リパルプ処理やリンス処理を施す際の温度は、用いる溶媒の種類等によっても異なるが、一般には0〜100℃、好ましくは10〜60℃程度である。リパルプ処理、リンス処理は適当な容器中で行われる。リパルプ処理、リンス処理はそれぞれ複数回行ってもよい。処理済みの液(リパルプ液、リンス液)は、デカンテーション、濾過等により除去される。
重合工程終了後、上記のように重合溶液を貧溶媒中に滴下して樹脂を沈殿させ、必要に応じてリパルプなどの操作を実施した後、沈殿した樹脂は遠心分離機などで固液分離される。分離した樹脂(湿結晶)は沈殿操作で使用した溶媒等の低沸点不純物を含んでいる。このような低沸点不純物がレジスト膜中に存在するとレジスト性能が低下するため、これを除去する必要がある。低沸点不純物の除去方法として、例えば、前記湿結晶を乾燥する方法、前記湿結晶を塗膜形成用溶媒(レジスト用溶剤)に再溶解させたのち、蒸留で低沸点不純物を留去する方法などが挙げられる。しかし、低沸点不純物を除去するため湿結晶を乾燥する方法では、樹脂を一旦乾燥すると、乾燥により粒子同士の密着性が強くなるためか、塗膜形成用溶媒(レジスト用溶媒)に溶解する際、非常に溶解しにくくなる。また、乾燥の際に加える熱によりフォトレジスト用樹脂中の酸脱離性基の一部が分解してしまうという問題がある。従って、溶解性の良い樹脂を得るには、前記湿結晶を少なくとも1種の塗膜形成用溶媒を含む溶媒に再溶解させ、得られた再溶解液を蒸留して、前記湿結晶中に含まれる低沸点不純物を留去するのが好ましい。この方法によれば、樹脂の分解も抑制できる。塗膜形成用溶媒としては前記の溶媒を使用できる。
上記方法において、フォトレジスト用樹脂の湿結晶を再溶解するのに用いる溶媒は、少なくとも1種の塗膜形成用溶媒を含んでいればよい。すなわち、例えば2種の溶媒の混合溶媒を塗膜形成用溶媒として用いる場合、1種の溶媒を用いて湿結晶を再溶解してもよく、2種の溶媒の混合溶媒を用いて湿結晶を再溶解してもよい。また、塗膜形成用溶媒とその他の溶媒(塗膜形成用溶媒よりも沸点の低い溶媒)とを用いて湿結晶を再溶解してもよい。塗膜形成用溶媒以外の溶媒を再溶解用溶媒として用いる場合、塗膜形成用溶媒以外の溶媒の量は、樹脂の溶解性等に応じて適宜選択できるが、蒸留時のエネルギーコストの点から、再溶解用溶媒全体の20重量%以下が好ましく、さらに好ましくは10重量%以下、特に好ましくは5重量%以下である。なお、2種以上の混合溶媒を塗膜形成用溶媒として用いる場合において、前記湿結晶の再溶解に用いなかった溶媒は、蒸留中又は蒸留後に添加することができる。
こうして得られた再溶解液の蒸留は、蒸留缶の加熱用ジャケット及び/又はチューブ(コイル状チューブなど)に140℃以下の熱媒又は蒸気を流通させて行うのが好ましい。蒸留塔としては、単蒸留塔、棚段塔、充填塔等の慣用の蒸留塔を使用できる。熱媒又は蒸気の温度(熱媒と蒸気の両方を用いる場合には、好ましくは両方の温度)を140℃以下に設定することでフォトレジスト用樹脂の分解(酸脱離性基における分解)を顕著に抑制できる。熱媒又は蒸気の温度は、好ましくは130℃以下、さらに好ましくは120℃以下、特に好ましくは110℃以下である。該温度の下限は、例えば40℃、好ましくは50℃程度である。140℃を超える温度の熱媒又は蒸気を加熱用ジャケットやチューブに流通させると、例え蒸留缶内の液温を低くしても、加熱用ジャケットやチューブの壁面で樹脂が分解する。加熱用に用いる熱媒又は蒸気の温度が40℃より低いと、減圧度をかなり低くする必要があり、蒸留される溶媒を冷却し凝縮させる冷却水の温度が低くなりすぎてコスト面で不利になりやすい。
蒸留の際には蒸留缶内を撹拌機で撹拌しながら蒸留するのが好ましい。撹拌をしながら蒸留することは、特に溶液の粘度が上昇したとき、つまり溶解している樹脂の濃度が上昇したときには効果が大きい。その理由としては、撹拌によりジャケットやコイルの表面での溶液の更新が順調に行われ、液の過熱が防止できるためと考えられる。撹拌の強度は特に限定はされないが、内部の溶液が撹拌混合できる程度であればよい。
蒸留の際の圧力は、再溶解溶媒の種類等に異なるが、一般には500〜1torr(66.5〜0.133kPa)、好ましくは400〜2torr(53.2〜0.266kPa)である。圧力が高いと蒸留温度が高くなり、樹脂の熱分解が懸念され、圧力が低すぎると、蒸発した溶媒の凝縮に要する冷媒の温度を低くする必要があり、経済的ではない。蒸留缶内の液温(缶液温度)は、好ましくは100℃以下、さらに好ましくは80℃以下である。
蒸留においては、低沸点不純物を完全に除去するため、低沸点不純物とともに塗膜形成用溶媒の一部(塗膜形成用溶媒以外の溶媒をも使用する場合は、該溶媒及び塗膜形成用溶媒の一部)を留去する。蒸留における留出率[(留出量/仕込量)×100(重量%)]は、フォトレジスト用樹脂の湿結晶中の低沸点不純物の含有量、再溶解用溶媒の種類及び組成等に応じて適宜選択できるが、一般には30〜90重量%、好ましくは50〜87重量%程度である。
蒸留において最終的に濃縮された樹脂溶液の樹脂濃度は、例えば10〜70重量%、好ましくは20〜60重量%、特に好ましくは30〜50重量%程度である。
蒸留により低沸点不純物を除去した後、必要に応じて残液に塗膜形成用溶媒を足して、所望の濃度のフォトレジスト用樹脂溶液を調製する。最終的なフォトレジスト用樹脂溶液中の樹脂濃度は、例えば5〜50重量%、好ましくは10〜30重量%である。フォトレジスト用樹脂溶液は、例えば0.1〜0.2μm程度のフィルターで濾過するのが好ましい。
本発明の好ましい態様では、分離したフォトレジスト用樹脂の湿結晶をプロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)に再溶解させ、得られた再溶解液を、好ましくは蒸留缶の加熱用ジャケット及び/又はチューブに140℃以下の熱媒又は蒸気を流通させつつ蒸留して、前記フォトレジスト用樹脂の湿結晶中に含まれる低沸点不純物を減圧下に留去するとともに、蒸留時及び/又は蒸留後に、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)を加えて、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートとプロピレングリコールモノメチルエーテルとの混合溶媒を塗膜形成用溶媒とするフォトレジスト用樹脂溶液を得る。この態様では、樹脂の再溶解時の溶媒として、樹脂溶解性に優れしかも沸点の比較的低いPGMEを用いるため、湿結晶を短時間で確実に溶解できるとともに、蒸留温度を低くできる。このため、樹脂の分解や変質等をより一層抑制でき、不溶分の無い透明性の極めて高い溶液が得られる。したがって、煩雑な濾過作業を省略又は簡略化でき、異物の混入を防止できる。なお、PGME単独溶媒を用いると、最終的なレジスト用溶媒におけるPGMEAとPGMEとの混合比率を正確に達成することが極めて容易となる。これらの点から、湿結晶の溶解に用いるPGMEとしては実質的に100重量%のものが好ましいが、樹脂の分解の抑制効果を損なわない範囲で他の溶剤が少量含まれたものを使用してもよい。このような他の溶剤の含有量は、好ましくは20重量%以下、さらに好ましくは10重量%以下、特に好ましくは5重量%以下である。なお、湿結晶を、PGMEA単独、又はPGMEAを多く含むPGMEとの混合溶媒に溶解してから蒸留操作に付すと、湿結晶の溶解に時間がかかるとともに、蒸留温度が高くなるので、この工程中に溶媒不溶成分が生成しやすくなる。上記好ましい態様においては、蒸留により低沸点不純物を除去した後、残液に、PGMEA、及び必要に応じてPGMEを加え、所望の濃度のフォトレジスト用樹脂溶液を調製する。
前記本発明のフォトレジスト用樹脂溶液に光酸発生剤を溶解させることによりフォトレジスト用樹脂組成物を得ることができる。
光酸発生剤としては、露光により効率よく酸を生成する慣用乃至公知の化合物、例えば、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩(例えば、ジフェニルヨードヘキサフルオロホスフェートなど)、スルホニウム塩(例えば、トリフェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート、トリフェニルスルホニウムヘキサフルオロホスフェート、トリフェニルスルホニウムメタンスルホネートなど)、スルホン酸エステル[例えば、1−フェニル−1−(4−メチルフェニル)スルホニルオキシ−1−ベンゾイルメタン、1,2,3−トリスルホニルオキシメチルベンゼン、1,3−ジニトロ−2−(4−フェニルスルホニルオキシメチル)ベンゼン、1−フェニル−1−(4−メチルフェニルスルホニルオキシメチル)−1−ヒドロキシ−1−ベンゾイルメタンなど]、オキサチアゾール誘導体、s−トリアジン誘導体、ジスルホン誘導体(ジフェニルジスルホンなど)、イミド化合物、オキシムスルホネート、ジアゾナフトキノン、ベンゾイントシレートなどを使用できる。これらの光酸発生剤は単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。
光酸発生剤の使用量は、光照射により生成する酸の強度やポリマー(フォトレジスト用樹脂)における各繰り返し単位の比率などに応じて適宜選択でき、例えば、ポリマー100重量部に対して0.1〜30重量部、好ましくは1〜25重量部、さらに好ましくは2〜20重量部程度の範囲から選択できる。
フォトレジスト用樹脂組成物は、アルカリ可溶性樹脂(例えば、ノボラック樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂、カルボキシル基含有樹脂など)などのアルカリ可溶成分、着色剤(例えば、染料など)などを含んでいてもよい。
こうして得られるフォトレジスト用樹脂組成物を基材又は基板上に塗布し、乾燥した後、所定のマスクを介して、塗膜(レジスト膜)に光線を露光して(又は、さらに露光後ベークを行い)潜像パターンを形成し、次いで現像することにより、微細なパターンを高い精度で形成できる。フォトレジスト用樹脂組成物は使用前に例えば0.1〜0.2μm程度のフィルターで濾過してもよい。
基材又は基板としては、シリコンウエハ、金属、プラスチック、ガラス、セラミックなどが挙げられる。フォトレジスト用樹脂組成物の塗布は、スピンコータ、ディップコータ、ローラコータなどの慣用の塗布手段を用いて行うことができる。塗膜の厚みは、例えば0.1〜20μm、好ましくは0.1〜2μm程度である。
露光には、種々の波長の光線、例えば、紫外線、X線などが利用でき、半導体レジスト用では、通常、g線、i線、エキシマレーザー(例えば、XeCl、KrF、KrCl、ArF、ArClなど)などが使用される。露光エネルギーは、例えば1〜1000mJ/cm2、好ましくは10〜500mJ/cm2程度である。
光照射により光酸発生剤から酸が生成し、この酸により、例えばフォトレジスト用樹脂の酸の作用によりアルカリ可溶となる繰り返し単位(酸脱離性基を有する繰り返し単位)のカルボキシル基等の保護基(脱離性基)が速やかに脱離して、可溶化に寄与するカルボキシル基等が生成する。そのため、水又はアルカリ現像液による現像により、所定のパターンを精度よく形成できる。
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。なお、樹脂濃度は、樹脂溶液1gを蒸発皿に採取して、100℃で減圧乾燥し、その重量減少分より求めた。
実施例1
下記構造の樹脂を含むフォトレジスト用樹脂溶液の製造
Figure 0005022594
撹拌機、温度計、還流冷却管、仕込み容器、仕込みポンプ及び窒素導入管を備えた重合容器に、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)を33kg導入し、80℃に昇温した。一方、1−メタクリロイルオキシ−3−ヒドロキシアダマンタン(HMA)(ダイセル化学工業株式会社製)6kg(25.4モル)、5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルニルカルボラクトン(MNBL)(ダイセル化学工業株式会社製)3kg(13.5モル)及び2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(2MMA)(出光興産株式会社製)6kg(25.6モル)を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)41kgに溶解して単量体溶液を調製し、仕込み容器に移した。また、ジメチル−2,2´−アゾビス(2−メチルプロピオネート)(開始剤;和光純薬工業製、商品名「V−601」)0.93kgを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)5kgに溶解して開始剤溶液を調製し、別の仕込み容器に移した。単量体溶液と開始剤溶液を6時間かけて重合容器内に添加した。その際、単量体溶液は、孔径0.1μmのPTFEフィルター(アドバンテック東洋株式会社製カプセルカートリッジフィルター;商品名「CCF−010」)で濾過しながら重合容器へ添加した。その間、重合容器内の温度を80℃にコントロールした。添加終了後、同温度で2時間熟成した。得られた反応溶液(ポリマードープ)を冷却後、900kgのへプタン/酢酸エチル混合液(重量比75/25)に撹拌しながら添加し、添加終了後、さらに30分撹拌した。析出した沈殿を遠心分離機により遠心分離した。得られた湿結晶を300kgのプロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)に添加し、撹拌して溶解した。得られた溶液を、熱媒用ジャケット及び撹拌機付き単蒸留装置の蒸留缶に仕込み、撹拌しながら熱媒用ジャケットに100℃(ジャケット入り口温度)のオイルを流通しつつ、減圧下で濃縮を行った。蒸留缶内の液温を約75℃に制御した。液量がおよそ30Lになった時点で蒸留を停止した。濃縮された樹脂濃度を測定したところ40重量%であった。PGMEA及びPGMEを添加して、樹脂濃度20重量%のPGMEA/PGME(重量比6/4)溶液を調製し、孔径0.1μmのPTFEフィルター(アドバンテック東洋株式会社製カプセルカートリッジフィルター;商品名「CCF−010」)で濾過した。この溶液はフォトレジスト用樹脂溶液として使用されるが、パーティクルカウンター(リオン株式会社製;商品名「パーティクルセンサーKS−17A」、液中用0.06μm)で異物を計測したところ、1ml当たり1000〜1500個であった。また、濾過後の樹脂溶液をサンプリングし、GPC分析したところ、ポリマーの重量平均分子量(Mw)は8000、分子量分布(Mw/Mn)は2.0であった。
比較例1
単量体溶液を濾過することなく重合容器へ添加したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。樹脂濃度20重量%のPGMEA/PGME(6/4)溶液を孔径0.1μmのPTFEフィルターで濾過し、濾過後の樹脂溶液につき、パーティクルカウンター(リオン株式会社製;商品名「パーティクルセンサーKS−17A」、液中用0.06μm)で異物を計測したところ、1ml当たり10000個以上であった。孔径0.1μmでの樹脂溶液の濾過は、後半濾過速度が遅くなり、フィルターの交換が必要であった。
比較例2
単量体溶液の濾過を実施しなかったことと、実施例1の1/1000のスケールにして一括重合した以外は、実施例1と同様の操作を行った。20重量%に濃度調整した樹脂溶液をサンプリングし、GPC分析したところ、ポリマーの重量平均分子量(Mw)は12000、分子量分布(Mw/Mn)は3.0であった。
実施例2
下記構造の樹脂を含むフォトレジスト用樹脂溶液の製造
Figure 0005022594
モノマーとして、1−アクリロイルオキシ−3−ヒドロキシアダマンタン(HAA)(ダイセル化学工業株式会社製)6kg(27.0モル)、5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルニルカルボラクトン(MNBL)(ダイセル化学工業株式会社製)3kg(13.5モル)及び2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(2MMA)(出光興産株式会社製)6kg(25.6モル)を用いた点以外は、実施例1と同様の操作を行った。得られた樹脂濃度20重量%のフォトレジスト用樹脂溶液につき、パーティクルカウンター(リオン株式会社製;商品名「パーティクルセンサーKS−17A」、液中用0.06μm)で異物を計測したところ、1ml当たり1000〜1500個であった。また、濾過後の樹脂溶液をサンプリングし、GPC分析したところ、ポリマーの重量平均分子量(Mw)は8500、分子量分布(Mw/Mn)は1.7であった。
実施例3
下記構造の樹脂を含むフォトレジスト用樹脂溶液の製造
Figure 0005022594
モノマーとして、1−アクリロイルオキシ−3−ヒドロキシアダマンタン(HAA)(ダイセル化学工業株式会社製)6kg(27.0モル)、5−アクリロイルオキシ−2,6−ノルボルニルカルボラクトン(ANBL)(ダイセル化学工業株式会社製)3kg(14.4モル)及び2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン(2MMA)(出光興産株式会社製)6kg(25.6モル)を用いた点以外は、実施例1と同様の操作を行った。得られた樹脂濃度20重量%のフォトレジスト用樹脂溶液につき、パーティクルカウンター(リオン株式会社製;商品名「パーティクルセンサーKS−17A」、液中用0.06μm)で異物を計測したところ、1ml当たり1000〜1500個であった。また、濾過後の樹脂溶液をサンプリングし、GPC分析したところ、ポリマーの重量平均分子量(Mw)は8700、分子量分布(Mw/Mn)は1.9であった。
評価試験
実施例1〜3で得られたフォトレジスト用樹脂溶液に、ポリマー100重量部に対して10重量部のトリフェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモネートを加え、さらに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)を加えてポリマー濃度15重量%に調整することによりフォトレジスト用樹脂組成物を調製した。このフォトレジスト用樹脂組成物をシリコンウエハーにスピンコーティング法により塗布し、厚み0.15μmの感光層を形成した。ホットプレート上で温度100℃で150秒間プリベークした後、波長193nmのArFエキシマレーザーを用い、マスクを介して、照射量30mJ/cm2で露光した後、100℃の温度で60秒間ポストベークした。次いで、2.38重量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液により60秒間現像し、超純水でリンスした。その結果、0.06μmの鮮明なライン・アンド・スペースパターンが精度よく得られた。

Claims (9)

  1. 酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む単量体と、極性基を有する脂環式骨格を含む単量体とを少なくとも含む単量体混合物を孔径0.5μm以下のフィルターを用いて重合直前に濾過した後、重合に付して、酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有するフォトレジスト用樹脂を合成し、該フォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解することにより、
    酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む繰り返し単位Aと、極性基を有する脂環式骨格を含む繰り返し単位Bとを少なくとも含有するフォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解したフォトレジスト用樹脂溶液であって、サイズ0.06μm以上のパーティクルの含有量(樹脂濃度20重量%換算)が5000個/ml以下であり、且つ前記フォトレジスト用樹脂の分子量分布が1.5〜2.5であるフォトレジスト用樹脂溶液を製造することを特徴とするフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法。
  2. フォトレジスト用樹脂を塗膜形成用溶媒に溶解した後、フィルターで濾過する工程を含む請求項1記載のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法。
  3. 酸によりその一部が脱離してアルカリ可溶性となる基を含む単量体と、極性基を有する脂環式骨格を含む単量体とを少なくとも含む単量体混合物を滴下重合法により重合する請求項1記載のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法。
  4. 重合により得られたフォトレジスト用樹脂を貧溶媒に沈殿させ、沈殿したフォトレジスト用樹脂を湿結晶として分離し、該湿結晶を少なくとも1種の塗膜形成用溶媒を含む溶媒に再溶解させ、得られた再溶解液を蒸留して、前記湿結晶中に含まれる低沸点不純物を留去する工程を含む請求項1〜3の何れかの項に記載のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法。
  5. 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メチルエーテル、又はこれらの混合溶媒を塗膜形成用溶媒として用いる請求項1〜4の何れかの項に記載のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法。
  6. 分離したフォトレジスト用樹脂の湿結晶をプロピレングリコールモノメチルエーテルに再溶解させ、得られた再溶解液を蒸留して、前記フォトレジスト用樹脂の湿結晶中に含まれる低沸点不純物を減圧下に留去するとともに、蒸留時及び/又は蒸留後にプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを加えて、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートとプロピレングリコールモノメチルエーテルとの混合溶媒を塗膜形成用溶媒とするフォトレジスト用樹脂溶液を得る請求項5記載のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法。
  7. 混合溶媒におけるプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートとプロピレングリコールモノメチルエーテルの重量比率が、前者/後者=40/60〜95/5である請求項5又は6記載のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法。
  8. 請求項1〜7の何れかの項に記載のフォトレジスト用樹脂溶液の製造方法によりフォトレジスト用樹脂溶液を製造し、得られたフォトレジスト用樹脂溶液に光酸発生剤を溶解してフォトレジスト用樹脂組成物を得るフォトレジスト用樹脂組成物の製造方法。
  9. 請求項8記載の製造方法によりフォトレジスト用樹脂組成物を製造し、該フォトレジスト用樹脂組成物を基板又は基材に塗布してレジスト塗膜を形成する工程を含む半導体の製造方法。
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