JP5270189B2 - 新規なアルコールおよびその誘導体 - Google Patents

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Description

本発明は、新規なアルコールおよびその誘導体に関する。本発明で得られるアクリル酸エステル誘導体は、該アクリル酸エステル誘導体を原料の一つとして重合することにより得られる高分子化合物、および当該高分子化合物を成分とするフォトレジスト組成物の原料として有用である。更に、本発明で得られるアルコールは、該アクリル酸エステル誘導体の原料として有用である。
近年、集積回路素子製造に代表される電子デバイス製造分野においては、デバイスの高集積化に対する要求が高まっており、そのため、微細パターン形成のためのフォトリソグラフィー技術が必要とされている。このため、ArFエキシマレーザー(波長193nm)、Fエキシマレーザー(波長157nm)等の波長200nm以下の放射線を露光光としたフォトリソグラフィーに対応するフォトレジスト組成物の開発が活発に行われており、酸解離性官能基を有する高分子化合物と、放射線の照射(以下、「露光」という)により酸を発生する化合物(以下、「光酸発生剤」という)とからなる化学増幅型フォトレジスト組成物が数多く提案されている。この酸解離性官能基を有する高分子化合物は、アルカリ可溶性高分子化合物のアルカリ易溶性部位の一部を適当な酸解離性官能基で保護した構造が基本となっており、かかる酸解離性官能基の選択は、フォトレジスト組成物としての機能を調整する上で非常に重要となっている。
既存の酸解離性官能基としては、1)アダマンタン構造を有するもの(非特許文献1、特許文献1参照)、2)テトラヒドロピラニル基を有するものなどが知られている(特許文献2参照)。酸解離性官能基は、酸に対する高反応性、および、ベーキング工程に分解しない安定性を両立することが要求され、熱安定性は130℃以上であることが求められている(非特許文献3参照)。しかし、2)のテトラヒドロピラニル基は、酸解離性としての反応性が高い利点をもつものの、熱安定性に欠けており、レジストとしての基本性能において満足するものではなかった。
近年のリソグラフィー技術の大きな課題の1つにラインウィドゥスラフネス(以下「LWR」という)と呼ばれる、形成されたパターンの線幅変動があり、その許容値は線幅の8%未満であることが求められている(非特許文献3参照)。LWRを改善するためには、膨潤によるパターン変形を抑制すること、すなわちフォトレジスト組成物成分である高分子化合物が膨潤しにくいものであることが必要となる。
酸解離性官能基として1)のアダマンタン構造を含むものを導入した高分子化合物は、酸に対する高反応性および熱安定性を有する。しかし、当該高分子化合物の疎水性が高く、現像液との親和性が十分とならず、現像時において露光部に溶解に至らない部分を生じてしまい、それが膨潤を引き起こし、結果としてLWRが大きくなってしまう問題が生じる。このため、より膨潤し難いフォトレジスト組成物用高分子化合物の開発が依然として切望されており、それを達成するための酸解離性官能基を有する化合物の開発が強く切望されているのが現状である。
Journal of Photopolymer Science and Technology(ジャーナル オブ フォトポリマー サイエンス アンド テクノロジー)、Vol.9、No.3、475−487(1996) 特開平9−73173号公報 特開平5−88367号公報 ITRS2006年UP DATE版 リソグラフィーの部 8頁 ITRS2006年UP DATE版 リソグラフィーの部 7頁
また、今後は更に微細なレジストパターン形成(例えば、線幅が90nm程度の微細なレジストパターン)が要求される。そして、90nmより微細な線幅のレジストパターン形成を達成させるためには、露光装置の光源波長の短波長化や、レンズの開口数(NA)を増大させることが考えられる。しかしながら、光源波長の短波長化には新たな高額の露光装置が必要となる。また、レンズの高NA化では、解像度と焦点深度がトレードオフの関係にあるため、解像度を上げても焦点深度が低下するという問題がある。
最近、このような問題を解決可能とするリソグラフィー技術として、液浸露光(リキッドイマージョンリソグラフィー)法という方法が報告されている。この方法は、露光時に、レンズと基板上のフォトレジスト膜との間の少なくともフォトレジスト膜上に所定の厚さの純水又はフッ素系不活性液体等の液状屈折率媒体(液浸液)を介在させる方法である。この方法では、従来は空気や窒素等の不活性ガスであった露光光路空間を屈折率(n)のより大きい液体、例えば、純水等で置換することにより、同じ露光波長の光源を用いても、より短波長の光源を用いた場合や高NAレンズを用いた場合と同様に、高解像性が達成される(高い解像度を有する)と同時に焦点深度の低下もない。このような液浸露光を用いれば、現存の装置に実装されているレンズを用いて、低コストで、より高解像性に優れ、かつ、焦点深度にも優れるレジストパターンの形成を実現できるため、大変注目されている。
ところが、液浸露光プロセスにおいては、液状屈折率媒体(液浸液)の屈折率が、例えば、フォトレジスト膜の屈折率よりも高いと、スネルの法則により光が液浸液からフォトレジスト膜へ入射しづらくなる。そのため、感度等の基本性能が劣化してしまう可能性があった。更に屈折率が高い液浸液であると、液浸液とフォトレジスト膜との屈折率の差が大きくなり、光は液浸液とフォトレジスト膜との界面で全反射してしまう。従って、光が全くフォトレジスト膜へ入射しなくなってしまうため、十分な感度が得られなくなり、レジストプロセスのスループットを著しく低下させるという問題点が予想される。
そこで、特に、波長193nmにおける屈折率が1.70以上の液浸液(屈折率が高い液浸液)を使用する場合には、例えば、この液浸液よりも高い屈折率を有するフォトレジスト膜を用いることが提案されている(非特許文献4、非特許文献5参照)。
SPIE2006 61530H SPIE2006 61531L
しかしながら、非特許文献4及び非特許文献5の材料(フォトレジスト組成物)により形成されるフォトレジスト膜は、波長193nmにおける屈折率は高いが、レジストパターン形成ができず、フォトレジスト膜としての機能を有するものではない。そのため、波長193nmにおける屈折率が高く(例えば、屈折率1.70以上)、フォトレジスト膜としてパターンニング可能なフォトレジスト組成物が切望されている。
本発明は、上記した問題点を解決するために、酸解離性官能基を有する化合物の酸解離性官能基に着目し、鋭意検討してなされた。本発明の第一の目的は、1)酸に対する反応性および熱安定性に優れ、かつ、現像時の膨潤が小さいフォトレジスト組成物用高分子化合物、2)その原料となる化合物を提供すること、および、3)該高分子化合物を含有してなるLWRが改善されたフォトレジスト組成物を提供することにある。
また、本発明の第二の目的は波長193nmにおける屈折率が1.72以上であり、かつ、パターンニング可能なフォトレジスト膜を形成するためのフォトレジスト組成物の原料となる化合物を提供することにある。
即ち、本発明は、
1.下記一般式(1)
Figure 0005270189
(式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。 、R 、R 、R 、R 、R 、R 、R 、およびR 10 は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す;nは0を表す。
で示されるアクリル酸エステル誘導体(以下、アクリル酸エステル誘導体(1)と称する);
.R が水素原子であるアクリル酸エステル誘導体(1);
.R 、R、R、R、R、R、R、RおよびR10が水素原子であるアクリル酸エステル誘導体(1);
4.下記一般式(2)
Figure 0005270189
(式中、n、R、R、R、R、R、およびR10は前記定義の通り。)
で示されるジチオール(以下、ジチオール(2)と称する。)を塩基と反応させ、次いで下記一般式(4)
Figure 0005270189
(式中、R、RおよびRは、前記定義の通り。R11は炭素数1〜3の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。R13は、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。)
で示されるハロゲン化物(以下、ハロゲン化物(4)と称する。)と反応させて下記一般式(5)
Figure 0005270189
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10およびnは、前記定義の通り。)で示されるアルコール(以下、アルコール(5)と称する。)を得、次いでアルコール(5)をアクリル酸エステル誘導体(1)へと変換することを特徴とするアクリル酸エステル誘導体(1)の製造方法。
5.塩基が水素化ナトリウムであることを特徴とする4.の製造方法。
6.ジチオール(2)を塩基と反応させ、次いでハロゲン化物(4)と反応させて下記一般式(6)
Figure 0005270189
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10、R13およびnは、前記定義の通り。)
で示されるエステル(以下、エステル(6)と称する。)を得、エステル(6)を加水分解してアルコール(5)を得、次いでアルコール(5)をアクリル酸エステル誘導体(1)へと変換することを特徴とするアクリル酸エステル誘導体(1)の製造方法。
提供することにより達成される。
本発明によれば、1)露光後に現像液に対して高い溶解速度を持ち、現像時の膨潤が小さいフォトレジスト組成物用高分子化合物、2)その原料となる酸に対して反応性の高い化合物、3)該高分子化合物を含有してなるLWRが改善され、且つ熱安定性に優れたフォトレジスト組成物を提供することができる。
また、波長193nmにおける屈折率が1.72以上であり、かつ、パターンニング可能なフォトレジスト膜を形成するためのフォトレジスト組成物の原料となる化合物を提供することができる。
[アクリル酸エステル誘導体(1)]
アクリル酸エステル誘導体(1)のRは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。
アクリル酸エステル誘導体(1)のR、RおよびRが表す炭素数1〜6の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基などが挙げられる。
アクリル酸エステル誘導体(1)のR、R、R、R、RおよびR10が表す炭素数1〜6の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基などが挙げられる。
アクリル酸エステル誘導体(1)のnは0である。
アクリル酸エステル誘導体(1)の具体例として、下記式(1−a)〜(1−x)
Figure 0005270189
(式中、nは0を表す。pは1または2を表す。)
などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
アクリル酸エステル誘導体(1)は、例えば、下記工程で製造することができるが、これに限定されるものではない。
Figure 0005270189
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R、R10、R11、R13およびnは、前記定義の通り。R12は炭素数1〜3の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。)。
第1工程は、アセタール交換反応によりハロゲン化物(4)を合成する。ハロゲン化物(4)に対応するアセタール(以下、アセタール(3)と称する。)と酸無水物を酸触媒存在下で反応することで容易にハロゲン化物(4)を合成することができる(非特許文献6参照)。
Tetrahedron、Vol.50、No.26、pp.7897−7902(1994)
第1工程で使用するアセタール(3)に制限はなく、工業的に入手可能なもの、或いは対応するα−ハロケトン化合物またはα−ハロアルデヒドを通常のアセタール化反応することにより製造されたものが使用可能である。
具体的には、クロロアセトアルデヒド=ジメチル=アセタール、クロロアセトアルデヒド=ジエチル=アセタール、ブロモアセトアルデヒド=ジメチル=アセタール、ブロモアセトアルデヒド=ジエチル=アセタール、1−ブロモ−2,2−ジメトキしプロパン、1−ヨード−2,2−ジエトキシプロパン、2−ブロモ−3,3−ジエトキシブタン、1−クロロ−2,2−ジメトキシヘキサン、1−クロロ−2,2−ジメトキシヘプタン、1−クロロ−2,2−ジメトキシシクロペンタン、1−クロロ−2,2−ジメトキシシクロヘキサン、1−ブロモ−2,2−ジメトキシシクロヘプタンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。
第1工程で使用する酸無水物としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水ブタン酸などが使用されるが、経済性および後処理の観点から無水酢酸が好ましい。酸無水物の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点からアセタール(3)に対して0.5倍モル〜3倍モルの範囲であることが好ましく、0.8倍モル〜1.5倍モルの範囲であることがさらに好ましい。
第1工程は、無溶媒で実施することも、溶媒を添加して実施することも可能である。使用される溶媒としては、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンなどの脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン、およびシメンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレンおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;テトラヒドロフランおよびジイソプロピルエーテルなどのエーテル等が好適に使用される。また、酸無水物を溶媒兼反応剤として使用することも可能である。溶媒を使用する場合の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、アセタール(3)に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5重量倍の範囲であることがさらに好ましい。
第1工程では、酸触媒が使用される。使用される酸触媒としては、酢酸、プロピオン酸、安息香酸などのカルボン酸;p−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸などのスルホン酸;硫酸、塩酸、リン酸などの鉱酸が挙げられる。酸触媒の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、アセタール(3)に対して0.0001倍モル〜0.1倍モルの範囲であることが好ましく、0.0001倍モル〜0.05倍モルの範囲であることがさらに好ましい。
第1工程の反応温度は、使用するアセタール(3)および酸触媒の種類によって異なるが、概ね、0℃〜100℃の範囲であることが好ましい。
第1工程の圧力は、使用するアセタール(3)、酸触媒、酸無水物および溶媒の種類によって異なるが、常圧でも減圧下でも実施可能である。
第1工程の反応は、酸触媒を中和することによって停止することができる。使用される中和剤として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、トリエチルアミン、トリブチルアミン、ピリジンなどが挙げられる。中和剤の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、酸触媒に対して1.0等量〜3.0等量の範囲であることが好ましい。
また、第1工程の反応は、酸触媒を反応系から除去することによっても反応を停止することができる。例えば、反応中の反応液を適当な反応溶媒で希釈し、水で洗浄する或いはアルカリ水で洗浄することにより反応を停止することができる。使用される溶媒としては、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンなどの脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン、およびシメンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレンおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;テトラヒドロフランおよびジイソプロピルエーテルなどのエーテルなどが好適に使用される。溶媒の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、反応液全質量に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5重量倍の範囲であることがさらに好ましい。また、使用されるアルカリ水中の塩基性物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウムなどの無機塩基などが挙げられる。塩基性物質の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、酸触媒に対して0.1等量〜3.0等量の範囲であることが好ましい。
第1工程の生成物は、溶媒抽出、蒸留、カラムクロマトグラフィー、再結晶などの通常の有機化学的操作により単離・精製が可能である。
第2工程は、ジチオール(2)を塩基と反応させる工程(以下、第2工程−1と称す。)、第2工程−1の反応液にハロゲン化物(4)を添加してアルコール(5)を得る工程(以下、第2工程−2と称す。)、第2工程−2で副生するエステル(6)を加水分解する工程(以下、第2工程−3)、および後処理工程より行う。
第2工程で得られるアルコール(5)の具体例として、下記式
Figure 0005270189
Figure 0005270189
などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
第2工程は非特許文献7に記載の方法を参考にすることができる。非特許文献7には、塩基として水素化リチウムが最も良い結果を与えると記載されているが、それ以外の塩基の例は記載されていない。水素化リチウムは実験室の少量スケールでは何ら問題ないが、工業的スケールにおいては入手性とそのハンドリングに問題があることから、一般に使用できる水素化ナトリウムを用いて検討した。その結果、水素化ナトリウムを用いると、水素化リチウムを用いたときよりも目的のアルコール(5)の選択率が低く、その原因が、水素化リチウムを使用した場合に比べてエステル(6)の生成量が多いことを突き止めた。そこで、該エステル(6)を加水分解して目的のアルコール(5)へ変換できれば、この方法は有用な方法になると考えて鋭意検討し、アルカリ性水溶液で加水分解反応することにより容易に目的のアルコール(5)へ変換できることを見出し、本発明を完成させた。
Gazzetta Chimica Italiana,Vol.127,No.1,11−17(1997)
第2工程−1は、ジチオール(2)と塩基とを反応し、ジチオール(2)の塩を製造する工程である。
第2工程−1で使用するジチオール(2)としては、1,2−エタンジチオール、1,3−プロパンジチオール、1,4−ブタンジチオール、2,3−ブタンジチオール、2,3−ジメチル−2,3−ブタンジチオール、1,2−プロパンジチオール、2−メチル−1,2−プロパンジチオール、2−メチル−2,3−ブタンジチオール、3,4−ヘキサンジチオール、2,5−ジメチル−3,4−ヘキサンジチオール、1,2−ブタンジチオール、1,2−ペンタンジチオール、3,4−オクタンジチオール、3,3−ジメチル−1,2−ブタンジチオール、1,2−シクロペンタンジチオール、1,2−シクロヘキサンジチオール、1,3−ブタンジチオール、2−メチル1,3−ブタンジチオール、2,4−ペンタンジチオール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジチオール、3−メチル−1,3−ブタンジチオール、2−メチル−2,4−ペンタンジチオール、2−エチル−1,3−プロパンジチオール、2,4−ジメチル−2,4−ペンタンジオール、2,2−ジエチル−1,3−プロパンジオール、2,4−ヘキサンジチオールなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
第2工程−1で使用する溶媒は、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテル、t−ブチルメチルエーテル、シクロプロピルメチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、N,N−ジメチルホルムアミドなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは1種または2種以上を混合してもよい。反応の選択率の観点から、エーテル系溶媒が好ましく、1,2−ジメトキシエタンが更に好ましい。溶媒の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、ジチオール(2)に対して1.0質量倍〜15質量倍の範囲であることが好ましく、3質量倍〜10重量倍の範囲であることがさらに好ましい。
第2工程−1で使用する塩基としては、例えば水素化ナトリウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどの無機塩基;ナトリウムメトキシド、トリエチルアミン、4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン、N、N−ジメチルアニリン、ピリジン、トリブチルアミン、ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンなどの有機塩基などが挙げられるが、入手性、取り扱い、反応収率および経済性の観点から、水素化ナトリウムが好ましい。これらは1つを単独で使用してもよいし、2つ以上を混合して使用してもよい。塩基の使用量は、経済性および後処理の観点から、ジチオール(2)1モルに対して0.8〜4モルの範囲であるのが好ましく、1.5〜2.5モルの範囲であるのがより好ましい。塩基は、少なすぎても多すぎても、第2工程−2におけるアルコール(5)の収率が低下する。
第2工程−1の手順としては、特に制限はないが、例えば塩基として水素化ナトリウムを使用する場合は、水素化ナトリウムを適当な溶媒で懸濁させた溶液に、ジチオール(2)を滴下する方法が好ましい。
第2工程−1の反応温度は、ジチオール(2)および塩基の種類によって異なるが、概ね、0℃〜100℃の範囲であるのが好ましく、10〜50℃の範囲であるのがより好ましい。
第2工程−1の圧力は、使用するジチオール(2)、塩基および溶媒の種類によって異なるが、任意の圧力下で実施可能であり、常圧下が好ましい。
第2工程−1の反応時間は、ジチオール(2)を添加終了後、0.1〜5.0時間の範囲が好ましく、0.1〜2時間の範囲であるのがより好ましい。塩基として水素化ナトリウムを使用した場合は、ジチオール(2)を添加終了後、0.1〜3.0時間の範囲が好ましく、0.1〜1.5時間の範囲であるのがより好ましい。塩基として水素化ナトリウムを使用した場合は、反応の進行に伴い、水素が発生するが、0.1〜3.0時間の範囲であれば、水素の発生は停止している。
第2工程−2は、第2工程−1で得たジチオール(2)の塩を含む液と、第1工程で得たハロゲン化物(4)とを反応させることにより行う。
第2工程−2の手順としては、特に制限はないが、例えば第2工程−1で得たジチオール(2)の塩を含む液に、第1工程で得たハロゲン化物(4)を滴下する方法で行うことができる。
第2工程−2の反応温度は、第2工程−1で使用したジチオール(2)、塩基、溶媒および第1工程で得たハロゲン化物(4)の種類によって異なるが、概ね、0℃〜100℃の範囲であるのが好ましく、10〜80℃の範囲であるのがより好ましい。
第2工程−2の圧力は、第2工程−1で使用したジチオール(2)、塩基、溶媒および第1工程で得たハロゲン化物(4)の種類によって異なるが、任意の圧力下で実施可能であり、常圧下が好ましい。
第2工程−2の反応時間は、第1工程で得たハロゲン化物(4)の添加終了後、0.1〜10時間の範囲が好ましく、0.5〜5時間の範囲であるのがより好ましい。塩基として水素化ナトリウムを使用した場合は、第1工程で得たハロゲン化物(4)の添加終了後、0.1〜8時間の範囲が好ましく、0.5〜4時間の範囲であるのがより好ましい。この範囲であれば、第1工程で得たハロゲン化物(4)の添加率は98%以上である。
第2工程−2では目的のアルコール(5)とともに、エステル(6)が副生する。エステル(6)は、ガスクロマトグラフィーで分析した場合、概ね、アルコール(5):エステル(6)=10:90〜70:30(面積比)の範囲で副生する。
第2工程−3は、第2工程−2の反応終了後に、副生するエステル(6)を加水分解して目的のアルコール(5)の収率を向上させる工程である。第2工程−3は、第2工程−2の反応液に水またはアルカリ水を添加し、攪拌することによって行う。
第2工程−3で水を使用した場合、第2工程−1で使用する塩基のモル数が第2工程−2で使用するハロゲン化物のモル数を超えているために、水が添加された液は、pHが概ね10〜14(アルカリ性)の範囲であり、より多くは11〜13の範囲を示す。使用する水の量は、副生するエステル(6)を加水分解するのに必要な理論量だけでなく、その後処理工程を考慮して、第2工程−2の全液の質量に対して0.1質量倍〜5質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜1.0質量倍の範囲であることがより好ましい。
第2工程−3で水またはアルカリ水を添加するときの温度は、0℃〜100℃の範囲であるのが好ましく、10〜80℃の範囲であるのがより好ましい。また、水またはアルカリ水を添加した後の混合際中における温度は、特に制限はないが、20〜100℃の範囲が好ましく、反応時間を短縮できる観点から50〜100℃がより好ましい。
第2工程−3で使用するアルカリ水中の塩基性物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウムなどの無機塩基などが挙げられる。塩基性物質の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、エステル(6)1モルに対して0.1〜5.0モルの範囲であることが好ましく、0.5〜3.0モルの範囲であることがより好ましい。また、アルカリ水の濃度に特に制限はなく、通常、0.01〜20wt%の範囲のものが使用できる。
第2工程−3で水を添加した後、必要に応じて、アルカリ水または単に塩基性物質を追加することも可能である。
第2工程−3の反応時間に特に制限はないが、アルコール(5)とエステル(6)の経時変化を追跡し、アルコール(5)の収率が上がらなくなった時点で混合をやめることが望ましい。この時点を越えて混合を継続すると、アルコール(5)の収率が徐々に低下する。このアルコール(5)の収率が最高点となるとき、ガスクロマトグラフィーで分析すると、アルコール(5)とエステル(6)と比は、概ね、アルコール(5):エステル(6)=70:30〜99:1(面積比)の範囲である。
第2工程−3の圧力は、第2工程−1で使用したジチオール(2)、塩基、溶媒および第1工程で得たハロゲン化物(4)の種類などによって異なるが、任意の圧力下で実施可能であり、常圧下が好ましい。
第2工程−3の加水分解反応は、過剰な塩基を中和することによって停止することができる。使用される中和剤としては、硫酸、塩酸、リン酸などの鉱酸が挙げられる。これらの酸は、水により適度な濃度に希釈したものを使用してもよい。また、中和するときのpHは7〜8の範囲が好ましい。
第2工程−3の加水分解反応終了した液中の目的とするアルコール(5)は、溶媒抽出、蒸留、カラムクロマトグラフィー、再結晶などの通常の有機化学的操作により単離・精製が可能である。
第3工程は、第2工程で得られたアルコール(5)へ重合性基を導入する工程である。
アルコール(5)へ重合性基を導入する製造方法に特に制限はないが、アルコール(5)と一般式CH=CRCOX(式中Rは前記の通りであり、Xは塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子を表す。)、一般式(CH=CRCO)O(式中Rは前記の通りである。)、一般式CH=CRCOOC(=O)R14(式中Rは前記の通りであり、R14はt−ブチル基、または2,4,6−トリクロロフェニル基を表す)、または一般式CH=CRCOOSO15(式中Rは前記の通りであり、R15はメチル基またはp−トリル基を表す。)で示される化合物(以下、これらの化合物を重合性基導入剤と称する。)を塩基性物質の存在下に反応させることにより行なう。
第3工程で使用する、一般式CH=CRCOXで示される重合性基導入剤の具体例としては、アクリル酸クロリド、メタクリル酸クロリド、2−トリフルオロメチルアクリル酸クロリドなどが挙げられる。一般式(CH=CRCO)Oで示される重合性基導入剤の具体例としては、無水アクリル酸、無水メタクリル酸、無水2−トリフルオロメチルアクリル酸などが挙げられる。一般式CH=CRCOOC(=O)R14で示される重合性基導入剤の具体例としては、アクリル酸ピバリン酸無水物、アクリル酸2,4,6−トリクロロ安息香酸無水物、メタクリル酸ピバリン酸無水物、メタクリル酸2,4,6−トリクロロ安息香酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸ピバリン酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸2,4,6−トリクロロ安息香酸無水物などが挙げられる。一般式CH=CRCOOSO15で示される重合性基導入剤の具体例としては、アクリル酸メタンスルホン酸無水物、アクリル酸p−トルエンスルホン酸無水物、メタクリル酸メタンスルホン酸無水物、メタクリル酸p−トルエンスルホン酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸メタンスルホン酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸p−トルエンスルホン酸無水物などが挙げられる。
重合性基導入剤の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、アルコール(5)1モルに対して0.8〜5モルの範囲であることが好ましく、0.8〜3モルの範囲であることがより好ましい。
第3工程で使用する塩基性物質としては、例えば水素化ナトリウム、水素化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどの無機塩基;トリエチルアミン、4−(N、N−ジメチルアミノ)ピリジン、N、N−ジメチルアニリン、ピリジン、トリブチルアミン、ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンなどの有機塩基などが挙げられる。これらは1つを単独で使用してもよいし、2つ以上を混合して使用してもよい。塩基性物質の使用量は、経済性および後処理の観点から、アルコール(5)1モルに対して0.8〜5モルの範囲であるのが好ましく、0.8〜3モルの範囲であるのがより好ましい。
第3工程は、溶媒の存在下または非存在下で実施することができる。溶媒としては、反応に悪影響を与えない限り特に制限はなく、例えばジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル;ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの脂肪族炭化水素;塩化メチレン、1,2−ジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;トルエン、キシレン、シメンなどの芳香族炭化水素;N,N−ジメチルホルムアミド;ジメチルスルホキシドなどが挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。溶媒を使用する場合、その使用量に特に制限はないが、アルコール(5)1質量部に対して、通常、0.1〜20質量部の範囲であるのが好ましく、0.1〜10質量部の範囲であるのがより好ましい。
第3工程は、−80〜100℃の範囲で実施するのが好ましく、−50〜80℃の範囲で実施するのがより好ましい。また、反応時間は、アルコール(5)や重合性基導入剤の種類および使用量、塩基性物質の種類および使用量、溶媒の種類および使用量、反応温度などによって異なるが、通常、10分〜10時間の範囲である。
第3工程は、水および/またはアルコールを添加することにより、停止することができる。かかるアルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノールなどが挙げられる。水および/またはアルコールの使用量は、重合性基導入剤のアルコール(5)に対する過剰量1モルに対して1モル以上用いればよい。使用量が少ないと、未反応の重合性基導入剤を完全に分解できず、副生成物を生じる場合がある。
このような第3工程を経て得られたアクリル酸エステル誘導体(1)は、必要に応じて常法により分離精製するのが好ましい。例えば、反応混合物を水洗した後、濃縮し、蒸留、カラムクロマトグラフィーまたは再結晶などの通常の有機化合物の分離精製に用いられる方法により精製することができる。また、必要に応じて、ニトリロ三酢酸、エチレンジアミン四酢酸などでのキレート剤処理、またはゼータプラス(商品名:キュノ株式会社製)やプロテゴ(製品名:日本マイクロリス株式会社製)などでの金属除去フィルター処理により、得られたアクリル酸エステル誘導体(1)中の金属含有量を減少させることも可能である。
[高分子化合物(8)]
アクリル酸エステル誘導体(1)は重合して高分子化合物とすることにより、フォトレジスト樹脂の成分として使用することができる。アクリル酸エステル誘導体(1)を重合してなる高分子化合物(以下、高分子化合物(8)と称する。)は、アクリル酸エステル誘導体(1)を単独で重合してなる重合体またはアクリル酸エステル誘導体(1)と他の重合性化合物とを共重合してなる共重合体であり、アクリル酸エステル誘導体(1)に基づく構成単位を有していればよい。通常、高分子化合物(8)中におけるアクリル酸エステル誘導体(1)に基づく構成単位の含有割合としては、10〜90モル%の範囲であるのが好ましく、20〜80モル%の範囲であるのがより好ましい。アクリル酸エステル誘導体(1)に基づく構成単位の具体例としては、下記式(1’−a)〜(1’−X)で示されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Figure 0005270189
アクリル酸エステル誘導体(1)と共重合させることができる他の重合性化合物(以下、共重合単量体(7)と称す。)の具体例としては、例えば下記の化学式で示される化合物(I)〜(IX)
Figure 0005270189
(式中、R16は水素原子または炭素数1〜3のアルキル基を表し、R17は重合性基を表す。R18は水素原子またはCOOR19を表し、R19は炭素数1〜3のアルキル基を表す。また、R20はアルキル基を表す。)
などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
共重合単量体(7)において、R16およびR19がそれぞれ独立して表す炭素数1〜3のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基などが挙げられる。R20が表すアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基などが挙げられる。また、R17が表す重合性基としては、例えばアクリロイル基、メタアクリロイル基、2−トリフルオロメチルアクリロイル基、ビニル基、クロトノイル基などが挙げられる。
高分子化合物(8)は、常法に従って、ラジカル重合により製造することができる。特に、分子量分布が小さい高分子化合物を合成する方法としては、リビングラジカル重合などを挙げることができる。一般的なラジカル重合方法は、必要に応じて1種類以上のアクリル酸エステル誘導体(1)および必要に応じて1種類以上の上記共重合単量体(7)を、ラジカル重合開始剤および溶媒、並びに必要に応じて連鎖移動剤の存在下に重合させる。以下、かかるラジカル重合方法について説明する。
本ラジカル重合の実施方法には特に制限はなく、溶液重合法、乳化重合法、懸濁重合法、塊状重合法など、例えばアクリル系の高分子化合物を製造する際に用いる慣用の方法を使用できる。
ラジカル重合開始剤としては、例えばt−ブチルヒドロペルオキシド、クメンヒドロペルオキシドなどのヒドロペルオキシド化合物;ジ−t−ブチルペルオキシド、t−ブチル−α−クミルペルオキシド、ジ−α−クミルペルオキシドなどのジアルキルペルオキシド化合物;ベンゾイルペルオキシド、ジイソブチリルペルオキシドなどのジアシルペルオキシド化合物;2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、ジメチル2,2’−アゾビスイソブチレートなどのアゾ化合物などが挙げられる。
ラジカル重合開始剤の使用量は、重合反応に用いるアクリル酸エステル誘導体(1)、共重合単量体(7)、連鎖移動剤、溶媒の種類および使用量;重合温度などの重合条件に応じて適宜選択できるが、全重合性化合物[アクリル酸エステル誘導体(1)と共重合単量体(7)の合計量]1モルに対して、通常、0.005〜0.2モルの範囲であり、0.01〜0.15モルの範囲であるのが好ましい。
連鎖移動剤としては、例えばドデカンチオール、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸などのチオール化合物が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種類以上を併用してもよい。連鎖移動剤を使用する場合、その使用量は、全重合性化合物[アクリル酸エステル誘導体(1)と共重合単量体(7)の合計量]1モルに対して、通常、0.005〜0.2モルの範囲であり、0.01〜0.15モルの範囲であるのが好ましい。
本ラジカル重合は、通常、溶媒の存在下に実施する。溶媒としては、重合反応を阻害しなければ特に制限はなく、例えば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、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メチルエーテルプロピオネート、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、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどのグリコールエーテル;乳酸エチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピルなどのエステル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノンなどのケトン;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、1,4−ジオキサンなどのエーテルなどが挙げられる。溶媒は、単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
溶媒の使用量は、全重合性化合物[アクリル酸エステル誘導体(1)と共重合単量体(7)の合計量]1質量部に対して、通常、0.5〜20質量部の範囲であり、経済性の観点からは、1〜10質量部の範囲であるのが好ましい。
本ラジカル重合の反応温度は、通常、40〜150℃であり、生成する高分子化合物の安定性の観点から60〜120℃の範囲であるのが好ましい。
本ラジカル重合の反応時間は、アクリル酸エステル誘導体(1)、共重合単量体(7)、重合開始剤、溶媒の種類および使用量;重合反応の温度などの重合条件により異なるが、通常、30分〜48時間の範囲であり、1時間〜24時間の範囲であるのがより好ましい。
こうして得られる高分子化合物(8)は、再沈殿などの通常の操作により単離可能である。単離した高分子化合物は真空乾燥などで乾燥することもできる。
上記再沈殿の操作で用いる溶媒としては、例えばペンタン、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素;シクロヘキサンなどの脂環式炭化水素;ベンゼン、キシレンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレン、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素;ニトロメタンなどのニトロ化炭化水素;アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル;ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル;アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン;酢酸などのカルボン酸;酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル;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などのカーボネート;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、ブタノールなどのアルコール;水が挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用してもよいし、2種類以上を併用してもよい。
溶媒の使用量は、高分子化合物(8)の種類、溶媒の種類により異なるが、通常、高分子化合物(8)1質量部に対して0.5〜100質量部の範囲であるのが好ましく、経済性の観点からは、1〜50質量部の範囲であるのがより好ましい。
上記方法により得られる高分子化合物(8)の具体例としては、例えば下記式(8−1)から(8−96)に示す化学構造式で示される高分子化合物(式中、R21からR35は、それぞれ独立して水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を示す。また、a、b、c、d、およびeは、それぞれの繰り返し単位のモル比を表し、a+b=1、およびc+d+e=1である。)などが挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0005270189
Figure 0005270189
Figure 0005270189
Figure 0005270189
Figure 0005270189
Figure 0005270189
Figure 0005270189
上記方法により得られる高分子化合物(8)の重量平均分子量(Mw)は特に制限は無いが、500〜50000の範囲、好ましくは1000〜30000の範囲であると、後述するフォトレジスト組成物の成分として有用である。本発明ではかかるMwおよび数平均分子量(Mn)の測定は、ゲル浸透クロマトグラフィー法(GPC法)により、TSK−gel SUPER HZM−H(商品名、東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)2本およびTSK−gel SUPER HZ2000(東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)1本を直列につないだものを使用し、テトラヒドロフランを溶媒とし、カラム温度40℃、示差屈折率計温度40℃、溶離液の流速0.35ml/分、の条件で測定し、標準ポリスチレンで作成した検量線を元にして算出できる。また、重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除することにより分散度(Mw/Mn)を求める。
上記の方法により得られる高分子化合物(8)と、後述の溶剤および光酸発生剤、並びに必要に応じて塩基性化合物および添加物を配合することにより、フォトレジスト組成物を調製することができる。以下、高分子化合物(8)を配合したフォトレジスト組成物(以下、フォトレジスト組成物(9)と称する。)について説明する。
フォトレジスト組成物(9)に配合する溶剤としては、例えば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、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メチルエーテルプロピオネート、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、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどのグリコールエーテル;乳酸エチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピルなどのエステル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノンなどのケトン;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、1, 4−ジオキサンなどのエーテルなどが挙げられる。溶剤は、単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
溶剤の配合量は、高分子化合物(8)1質量部に対して、通常、1〜50質量部の範囲であり、2〜25質量部の範囲であるのが好ましい。
光酸発生剤としては、従来、化学増幅型レジストに通常用いられる光酸発生剤を用いることができ、例えばp−トルエンスルホン酸2−ニトロベンジル、p−トルエンスルホン酸2,6−ジニトロベンジル、p−トルエンスルホン酸2,4−ジニトロベンジルなどのニトロベンジル誘導体;1,2,3−トリス(メタンスルホニルオキシ)ベンゼン、1,2,3−トリス(トリフルオロメタンスルホニルオキシ)ベンゼン、1,2,3−トリス(p−トルエンスルホニルオキシ)ベンゼンなどのスルホン酸エステル;ビス(ベンゼンスルホニル)ジアゾメタン、ビス(p−トルエンスルホニル)ジアゾメタン、ビス(2,4−ジメチルフェニルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(1,1−ジメチルエチルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(シクロヘキシルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(n−ブチルスルホニル)ジアゾメタンなどのジアゾメタン誘導体;トリフルオロメタンスルホン酸トリフェニルスルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸(p−tert−ブトキシフェニル)ジフェニルスルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸トリス(p−tert−ブトキシフェニル)スルホニウム、p−トルエンスルホン酸トリフェニルスルホニウム、p−トルエンスルホン酸(p−tert−ブトキシフェニル)ジフェニルスルホニウム、p−トルエンスルホン酸トリス(p−tert−ブトキシフェニル)スルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸トリナフチルスルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸シクロヘキシルメチル(2−オキソシクロヘキシル)スルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸(2−ノルボルニル)メチル(2−オキソシクロヘキシル)スルホニウム、1,2’−ナフチルカルボニルメチルテトラヒドロチオフェニウムトリフレートなどのオニウム塩;ビス−O−(p−トルエンスルホニル)−α−ジメチルグリオキシム、ビス−O−(n−ブタンスルホニル)−α−ジメチルグリオキシムなどのグリオキシム誘導体;N−ヒドロキシスクシンイミドメタンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシスクシンイミドトリフルオロメタンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシスクシンイミド1−プロパンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシイミドp−トルエンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシナフタルイミドメタンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシナフタルイミドベンゼンスルホン酸エステルなどのN−ヒドロキシイミド化合物のスルホン酸エステル誘導体;2−(4−メトキシフェニル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジン、2−(4−メトキシナフチル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジン、2−[2−(2−フリル)エテニル]−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジン、2−[2−(5−メチル−2−フリル)エテニル]−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジン、2−[2−(3,5−ジメトキシフェニル)エテニル]−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジンなどのハロゲン含有トリアジン化合物などが挙げられる。これらの光酸発生剤は単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
光酸発生剤の使用量は、フォトレジスト組成物(9)の感度および現像性を確保する観点から、前記高分子化合物(8)100質量部に対して、通常、0.1〜30質量部の範囲であるのが好ましく、0.5〜10質量部の範囲であるのがより好ましい。
フォトレジスト組成物(9)には、フォトレジスト膜中における酸の拡散速度を抑制して解像度を向上するために、必要に応じて塩基性化合物をフォトレジスト組成物(9)の特性が阻害されない範囲の量で配合することができる。かかる塩基性化合物としては、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−(1−アダマンチル)アセトアミド、ベンズアミド、N−アセチルエタノールアミン、1−アセチル−3−メチルピペリジン、ピロリドン、N−メチルピロリドン、ε−カプロラクタム、δ−バレロラクタム、2−ピロリジノン、アクリルアミド、メタクリルアミド、t−ブチルアクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、メチレンビスメタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、N−メトキシアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミドなどのアミド;ピリジン、2−メチルピリジン、4−メチルピリジン、ニコチン、キノリン、アクリジン、イミダゾール、4−メチルイミダゾール、ベンズイミダゾール、ピラジン、ピラゾール、ピロリジン、ピペリジン、テトラゾール、モルホリン、4−メチルモルホリン、ピペラジン、1, 4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、トリエタノールアミン等のアミンを挙げることができる。これらは単独で使用することも、2種類以上を混合して使用することも可能である。塩基性化合物を使用する場合、その使用量は使用する塩基性化合物の種類により異なるが、光酸発生剤1モルに対して、通常、0.01〜10モルの範囲で使用し、0.05〜1モルの範囲で使用することがより好ましい。
フォトレジスト組成物(9)には、塗布性を向上させるため、所望により、さらに界面活性剤をフォトレジスト組成物(9)の特性が阻害されない範囲の量で配合することができる。
かかる界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンn−オクチルフェニルエーテルなどが挙げられる。
界面活性剤は、単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
界面活性剤を使用する場合、その使用量は、高分子化合物(8)100質量部に対して、通常、2質量部以下である。
さらに、フォトレジスト組成物(9)には、その他の添加剤として、増感剤、ハレーション防止剤、形状改良剤、保存安定剤、消泡剤などを、フォトレジスト組成物(9)の特性が阻害されない範囲の量で配合することができる。
フォトレジスト組成物(9)は、基板に塗布し、通常、70〜160℃で1〜10分間プリベークし、所定のマスクを介して放射線を照射(露光)後、70〜160℃で1〜5分間ポストエクスポージャーベークして潜像パターンを形成し、次いで現像液を用いて現像することにより、所定のレジストパターンを形成することができる。
現像液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア水などの無機塩基;エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミンなどのアルキルアミン;ジメチルエタノールアミン、トリエタノールアミンなどのアルコールアミン;テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドなどの第四級アンモニウム塩などを溶解したアルカリ性水溶液などが挙げられる。これらの中でも、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドなどの第四級アンモニウム塩を溶解したアルカリ性水溶液を使用するのが好ましい。現像液の濃度は、通常、0.1〜20質量%の範囲であり、0.1〜10質量%の範囲であるのがより好ましい。
露光には、種々の波長の放射線、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、XeCl、KrF、KrCl、ArF、ArClなどのエキシマレーザーが使用されるが、中でも微細加工の観点から、ArFエキシマレーザーを使用するのが好ましい。露光量は、0.1〜1000mJ/cmの範囲であるのが好ましく、1〜500mJ/cmの範囲であるのがより好ましい。
また、フォトレジスト組成物(9)は、液浸露光法への適用が可能である。フォトレジスト組成物(9)液浸露光法に適用する場合、液浸露光用液体として、純水または波長193nmにおける屈折率が水の屈折率以上である液浸露光用液体を使用することができる。
液浸露光工程に用いる波長193nmの屈折率が水の屈折率以上である液浸露光用液体は、波長193nmにおける屈折率が、水の屈折率(1.44)以上の屈折率を有するものである限り特に制限はなく、種々の液体を用いることができる。
また、フォトレジスト組成物(9)によりフォトレジスト膜を形成した場合、形成されるフォトレジスト膜は、波長193nmにおける屈折率が、1.72以上となる。このようなフォトレジスト組成物により、液浸露光工程において、波長193nmにおける屈折率が1.70以上の液浸液(屈折率が高い液浸液)を使用する場合であっても、フォトレジスト膜と液浸液との界面で露光光が全反射してしまう等の問題が生じ難く、露光光の全反射等に起因する基本性能の劣化(例えば、感度の低下)を防止することができる。
なお、上記フォトレジスト膜の屈折率は、分光エリプソメーター(例えば、「VUV−VASE」、J.A.Woollam社製)を用い、膜厚30〜300nmのフォトレジスト膜に波長193nmの光を照射して測定した値である。
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はかかる実施例により何ら限定されない。
なお、重量平均分子量(Mw)および分散度(Mw/Mn)は、検出器として示差屈折率計を用い、溶離液としてテトラヒドロフラン(THF)を用いたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、標準ポリスチレンで作成した検量線による換算値として求めた。
GPC測定:カラムとして、TSK−gel SUPER HZM−H(商品名:東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)2本およびTSK−gel SUPER HZ2000(商品名:東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)1本を直列につないだものを使用し、カラム温度40℃、示差屈折率計温度40℃、溶離液の流速0.35mL/分の条件で測定した。
<実施例1>1, 4−ジチアン−2−オールの合成において、塩基として水素化リチウムと水素化ナトリウムとを使用した場合の反応結果の比較
温度計、滴下漏斗、メカニカルスターラーを備えた内容積50mLの三口フラスコに、1, 2−ジメトキシエタンを10.4g入れ、フラスコ内を窒素置換した。水浴でフラスコを冷却下、水素化リチウム108mg(12.9mmol)を入れて、15分攪拌した。1,2−エタンジチオール 1.13g(12.0mmol)を温度が25〜30℃の範囲になるようにゆっくり滴下した。この際、気体発生が見られた。滴下終了から約30分攪拌後、滴下漏斗から2−クロロ−1−メトキシエチル=アセタート 974mg(6.00mmol)を温度が25〜30℃の範囲になるようにゆっくり滴下した。滴下終了後、25〜35℃で1時間攪拌を続け、反応液をガスクロマトグラフィーで分析した。
上記操作において、水素化リチウム108mg(12.9mmol)の代わりに水素化ナトリウム(60%)516mg(12.9mmol)を用いた以外は同じ操作でおこなった。結果を表1に示した。
Figure 0005270189
表1より、水素化ナトリウムを用いた場合、反応の進行度は水素化リチウムと同等であるが、目的の1,4−ジチアン−2−オールの選択率が低く、その原因が1、4−ジチアン−2−イル=アセタートの生成量が多いことであることが分かった。
<実施例2>1,4−ジチアン−2−イル=アセタートの加水分解試験
実施例1において水素化ナトリウムを使用した反応液に、水浴でフラスコを冷却下、水6.8gを温度が25〜40℃の範囲でゆっくり滴下した。滴下直後のpH試験紙による確認では、pHが12であった。滴下終了後、内温を60℃として攪拌を継続した。ガスクロマトグラフィーにより、1,4−ジチアン−2−オールと1,4−ジチアン−2−イル=アセタートの変化を追跡した。結果を表2に示した。
Figure 0005270189
表2より、塩基として水素化ナトリウムを用いた場合に大量に副生する1,4−ジチアン−2−イル=アセタートは、反応液に水を加えたアルカリ性条件下で加熱、攪拌するだけで、目的の1,4−ジチアン−2−オールへ効率良く変換できることがわかった。この方法によれば、水素化リチウムの使用を回避でき、工業的製造が可能である。
<合成例1>2−クロロ−1−メトキシエチル=アセタート
Figure 0005270189
温度計、滴下漏斗、メカニカルスターラーを備えた内容積500mLの四口フラスコに、クロロアセトアルデヒド=ジメチル=アセタール169.3g(154.7mmol)、無水酢酸139.3g(129.0mmol)を入れた。フラスコを水浴で冷却し、攪拌下に濃硫酸0.27gをゆっくり滴下した。内温が20〜30℃の範囲で50時間攪拌し、その後、50℃まで加温したまま3時間攪拌した。反応液の内温を室温まで下げた後、1Lの分液漏斗にうつし、ジイソプロピルエーテル147.8gを入れ、7%炭酸水素ナトリウム水溶液59.0gで2回洗浄し、減圧下溶媒を留去し、蒸留原液221.8gを得た。蒸留はSHIBATA分子蒸留装置(MS−300)を用いた。圧力1330Pa、温度30℃にて該蒸留原液を流し、高沸点留分188.5gを得た。該高沸点留分を圧力1330Pa、温度40〜50℃にて流し、低沸点留分に2−クロロ−1−メトキシエチル=アセタート163.47(100.7mmol)を無色透明の液体として得た(純度94.0%、収率74%)。
<実施例3> 1、4−ジチアン−2−オールの合成
Figure 0005270189
温度計、滴下漏斗、メカニカルスターラーを備えた内容積3Lの四口フラスコに、1、2−ジメトキシエタンを1390g入れ、フラスコ内を窒素置換した。水浴でフラスコを冷却下、水素化ナトリウム(60%) 79.0g(1.96mol)を入れて、30分攪拌した。還流管を付した後、滴下漏斗から1、2−エタンジチオール 181.2g(1.92mol)を温度が25〜30℃の範囲になるようにゆっくり滴下した。この際、気体発生が見られた。滴下終了から約30分攪拌後、滴下漏斗から2−クロロ−1−メトキシエチル=アセタート 154.3g(0.96mol)を温度が25〜30℃の範囲になるようにゆっくり滴下した。滴下終了後、25〜35℃で3時間攪拌を続けた。このときガスクロマトグラフィーで分析すると、2−クロロ−1−メトキシエチル=アセタートの変換率は99.2%であった。滴下漏斗から水906.5gを温度が25〜60℃の範囲でゆっくり滴下し、滴下後に水浴を加熱して温度を60℃にしたまま12時間を続けた。このときガスクロマトグラフィーで分析すると、1,4−ジチアン−2−オールと1,4−ジチアン−2−イル=アセタートの比は、1,4−ジチアン−2−オール:1,4−ジチアン−2−イル=アセタート=85:15(面積比)であった。滴下漏斗から10%塩酸水溶液を温度が10〜15℃の範囲で滴下し、pHを8.1とした(滴下量112.6g)。得られた液を内容量5Lの分液漏斗に移し、ジイソプロピルエーテル1670gで2回抽出した。得られた抽出液2回分を内容量5Lの分液漏斗に入れ、水801g、飽和食塩水504gで順次洗浄し、減圧下に溶媒を留去して濃縮物の重量を285.9gとした。得られた濃縮物にジイソプロピルーエテル47.5g、n−ヘキサン85.2g、結晶種少量を入れ、0℃までゆっくりと冷却した。析出物をろ別し、300mLのナスフラスコに移し、n−ヘキサン320gを加えて25℃で1時間攪拌した。再度、該析出物をろ別し、減圧下、室温で乾燥し、以下の物性を示す1,4−ジチアン−2−オール73.8g(0.52mol)を白色の固体として得た(純度94.1%、収率53%)。
H−NMR(300MHz、CDCl、TMS、ppm)δ:2.52−2.62(3H、m)、2.85(1H、dd、J=2.1、13.4Hz)、3.52−3.64(1H、br)、3.86(1H、ddd、J=5.0、5.2、12.1Hz)、4.28(1H、ddd、J=4.8、4.9、12.1Hz)、5.03(1H、ddd、J=1.9、5.8、7.7Hz)
<実施例4>
1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラートの合成
Figure 0005270189
温度計、滴下漏斗、メカニカルスターラーを備えた内容積1Lの四口フラスコに、1,4−ジチアン−2−オール34.5g(238mmol)、THF349.3g、フェノチアジン0.47gを入れ、フラスコ内を窒素置換した。フラスコを氷浴で冷却した状態で、滴下漏斗からトリエチルアミン48.2g(476mmol)を温度が5〜8℃の範囲になるように滴下した。次に、メタクリル酸クロリド30.4g(287.9g)を温度が5〜10℃の範囲になるように滴下した。滴下終了後、3〜6℃で2.5時間攪拌を続けた。このときガスクロマトグラフィーで分析すると、1、4−ジチアン−2−オールの変換率は99.6%であった。滴下漏斗から、水233gを温度が20℃未満になるようにゆっくり滴下し、滴下後に氷浴を外して内温を24℃とした。4−ジメチルアミノピリジン1.46gを入れ、24〜26℃で2時間攪拌した。このときガスクロマトグラフィーで分析すると、メタクリル酸無水物と1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラートの比は、メタクリル酸無水物:1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート=0.1:99.9(面積比)であった。得られた液を内容量2Lの分液漏斗に移し、酢酸エチル240gで3回抽出した。得られた抽出液3回分を内容量2Lの分液漏斗に入れ、1%塩酸水溶液230gで3回、水116g、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液118g、水118gで2回、飽和食塩水100gで順次洗浄した。p−メトキシフェノール0.010g、フェノチアジン0.020gを入れて、減圧下、溶媒を留去し、蒸留原液55.0gを得た。蒸留はSHIBATA分子蒸留装置(MS−300)を用いた。圧力13.3〜20.0Pa、温度40〜45℃にて該蒸留原液を流し、高沸点留分47.4gを得た。該高沸点留分を圧力10.7〜13.3Pa、温度55〜60℃にて流し、低沸点留分に以下の物性を示す1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート37.8g(182mmol)を無色透明の液体として得た(純度98.4%、収率76%)。なお、オクタノール/水分配係数のlog値であるlogPと溶解度パラメーターであるSPは、計算ソフトCAChe(商品名;富士通株式会社)のハミルトニアンPM5を用いて計算した。
H−NMR(300MHz、CDCl、TMS、ppm)δ:2.00(3H、s)、2.68−2.82(2H、m)、2.94(1H、dd、J=5.2、14.1Hz)、3.10(1H、ddd、J=2.2、13.2Hz)、3.30−3.41(2H、m)、5.67(1H、s)、5.87−5.92(1H、m)、6.28(1H、s)
logP1.77
SP17.6(J/mol)0.5
<実施例5> メタクリ酸エステルの酸に対する反応性の評価
NMRチューブに、1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート2.73×10−4mol、1,1,2,2−テトラクロロエタン−d0.69mL、メタンスルホン酸1.47×10−6molを入れ、キャップをして良く振り混ぜた。該NMRチューブを120℃のオイルバスに数秒〜数分間漬けた後、NMRチューブを取り出して氷浴につけ反応液を冷却後、直ちにH−NMRをNMR Gemini−300(商品名;バリアン社製)で測定した。反応させたメタクリ酸エステルのNMRチャートには、未反応のメタクリ酸エステルと反応で生成したアクリル酸が観測され、それぞれのビニルプロトンから解離反応の変換率を求めた。この後、同NMRチューブを120℃のオイルバスに数秒〜数分間漬け、氷浴にて冷却し、H−NMRを測定する操作を数回繰り返し、反応時間に対する変換率を数点求めた。ここで求めた時間に対する変換率を下記の一次反応速度式(式1)
Figure 0005270189
(式中、kは速度定数(s−1)、t(s)は時間、Xは変換率を表す。)に従い、X軸に時間(s)、Y軸にln(1−X)をプロットし、直線の傾きからメタクリル酸エステルの120℃における脱保護反応の速度定数を求めた。比較としては一般に使用される2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンを選択し、1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラートと同じ方法にて120℃における速度定数を求めた。1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラートの脱保護反応の速度定数を2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンのそれで除することにより、1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラートの2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンに対する相対活性を求めた。以上の操作および解析を140℃でも行った。結果を表3に示した。
Figure 0005270189
<実施例6> メタクリ酸エステルの脱保護反応の活性化エネルギー
実施例5の解析で求めた1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラートおよび2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンの120℃および140℃における脱保護反応の速度定数を下記式(式2)に代入し、各メタクリル酸エステルの脱保護反応の活性化エネルギー(E)を求めた。結果を表4に示した。
Figure 0005270189
(式中、kは120℃における脱保護反応の速度定数(s−1)、kは140℃における脱保護反応の速度定数(s−1)、 Eは脱保護反応の活性化エネルギー(kcal/mol) Rは気体定数(1.987cal・K−1・mol−1、Tは120℃の絶対温度(K) Tは140℃の絶対温度(K)を表す。)
Figure 0005270189
<実施例7>
高分子化合物aの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積50mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート1.00g(4.89mmol)、1,4−ジオキサン4.00gおよび2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)99.7mg(0.401mmol)を仕込み、60℃にて3時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取し、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物a0.56gを得た。得られた高分子化合物aのMwは23800、分散度は2.90であった。
Figure 0005270189
<実施例8>
高分子化合物bの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積200mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート8.16g(39.1mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート9.25g(39.1mmol)、1,4−ジオキサン168.0gおよび2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)1.95g(7.86mmol)を仕込み、60〜65℃にて4時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF150.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物b10.3gを得た。得られた高分子化合物bのMwは13600、分散度は1.50であった。
Figure 0005270189
<実施例9>
高分子化合物cの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積200mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート8.00g(38.4mmol)、5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン8.53g(38.4mmol)、1,4−ジオキサン130.0gおよび2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)3.89g(15.7mmol)を仕込み、60〜65℃にて3時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1、4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物c12.1gを得た。得られた高分子化合物cのMwは10600、分散度は1.83であった。
Figure 0005270189
<実施例10>
高分子化合物dの合成
実施例9において5−メタクリロイルオキシ−2、6−ノルボルナンカルボラクトン8.53g(38.4mmol)の代わりにα―メタクリロイルオキシ−γ―ブチロラクトン6.53g(38.4mmol)を用い、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)の使用量を3.89g(15.7mmol)から1.95g(7.83mmol)に代えた以外は実施例9と同様の仕込み量および条件で重合反応を行った。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1、4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物d9.4gを得た。得られた高分子化合物dのMwは8600、分散度は1.67であった。
Figure 0005270189
<実施例11>
高分子化合物eの合成
実施例10においてα―メタクリロイルオキシ−γ―ブチロラクトンの使用量を6.53g(38.4mmol)から4.36g(25.6mmol)に、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)の使用量を1.95g(7.83mmol)から 1.64(6.62mmol)に代えた以外は実施例10と同様の仕込み量および条件で重合反応を行った。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1、4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物e10.2gを得た。得られた高分子化合物eのMwは9900、分散度は1.75であった。
Figure 0005270189
<実施例12>
高分子化合物fの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積100mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート3.88g(18.7mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート2.95g(12.5mmol)、5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン4.16g(18.7mmol)、1,4−ジオキサン100.0gおよび2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)2.48g(10.0mmol)を仕込み、60〜65℃にて4時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1、4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物f6.5gを得た。得られた高分子化合物fのMwは12800、分散度は1.82であった。
Figure 0005270189
<実施例13>
高分子化合物gの合成
実施例12において5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン4.16g(18.7mmol)の代わりにα―メタクリロイルオキシ−γ―ブチロラクトン3.18g(18.7mmol)を用いた以外は実施例12と同様の仕込み量および条件で重合反応を行った。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1,4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物g5.61gを得た。得られた高分子化合物gのMwは11900、分散度は1.65であった。
Figure 0005270189
<合成例2>
高分子化合物hの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積200mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、2−メチル−2−アダマンチル=メタクリラート10.0g(42.3mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート10.0g(42.7mmol)、プロピレングリコールモノメチルエーテル80.0gおよび2,2’−アゾビスイソブチロニトリル1.40g(8.53mmol)を仕込み、81〜87℃にて2時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF100.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物h13.2gを得た。得られた高分子化合物hのMwは16100、分散度は1.68であった。
Figure 0005270189
<合成例3>
高分子化合物iの合成
合成例2において、2−メチル−2−アダマンチル=メタクリラート10.0g(42.3mmol)の代わりにテトラヒドロピラン−2−イル=メタクリラート7.39g(42.7mmol)を用いた以外は合成例2と同様の仕込み量および条件で重合反応を行った。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF100.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物i9.96gを得た。得られた高分子化合物iのMwは13200、分散度は1.71であった。
Figure 0005270189
<合成例4>
高分子化合物jの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積200mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1−メチル−1−シクロヘキシル=メタクリラート9.14g(50.2mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート11.82g(50.0mmol)、1,4−ジオキサン101.4gおよび2,2’−アゾビスイソブチロニトリル1.24g(7.55mmol)を仕込み、80〜82℃にて5時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量の水―メタノール混合溶液(重量比 水:メタノール=1:3)中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF140.0gに溶解した液を上記と同質量の水―メタノール混合溶液(重量比 水:メタノール=1:3)中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量の水―メタノール混合溶液(重量比 水:メタノール=1:3)で洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物j11.8gを得た。得られた高分子化合物jのMwは12600、分散度は1.83であった。
Figure 0005270189
<合成例5>
高分子化合物kの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積100mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン4.39g(18.7mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート2.95g(12.5mmol)、α―メタクリロイルオキシ−γ―ブチロラクトン3.18g(18.7mmol)、メチルエチルケトン35.4gおよび2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.66g(4.0mmol)を仕込み、80℃にて4時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下することにより、白色沈殿物を得た。該沈殿物をろ取し、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物k6.06gを得た。得られた高分子化合物kのMwは10000、分散度は1.50であった。
Figure 0005270189
<合成例6>
高分子化合物lの合成
合成例5において、2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン4.39g(18.7mmol)の代わりにテトラヒドロピラン−2−イル=メタクリラート3.18g(18.7mmol)を用いた以外は合成例5と同様の仕込み量および条件で重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下することにより、白色沈殿物を得た。該沈殿物をろ取し、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物l5.82gを得た。得られた高分子化合物lのMwは6500、分散度は1.60であった。
Figure 0005270189
<合成例7>
高分子化合物mの合成
合成例5において2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン4.39g(18.7mmol)の代わりに1−メチル−1−シクロヘキシル=メタクリラート3.41g(18.7mmol)を用いた以外は合成例5と同様の仕込み量および条件で重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下することにより、白色沈殿物を得た。該沈殿物をろ取し、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物m5.69gを得た。得られた高分子化合物mのMwは6900、分散度は1.58であった。
Figure 0005270189
<実施例14〜19および比較例1〜6>
QCM法による現像液中の溶解特性評価
実施例8〜13および合成例2〜7で得られた高分子化合物b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、lおよびmを100質量部と、光酸発生剤としてTPS−109(製品名、みどり化学株式会社製)を3質量部と、溶媒として、高分子化合物のb、c、d、e、h、iおよびjの場合は乳酸エチル、それら以外の高分子化合物の場合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/乳酸エチル=1/1の混合溶媒を用いて、それぞれを混合し、高分子化合物の濃度が12質量%のフォトレジスト組成物12種類を調製した。これらのフォトレジスト組成物を、フィルター[四フッ化エチレン樹脂(PTFE)製、孔径0.2μm]を用いてろ過した後、表面に金電極を真空蒸着した1インチサイズの石英基板上にそれぞれスピンコーティング法により塗布し、厚み約300nmの感光層を形成させた。これらの感光層を形成させた石英基板をホットプレート上にて、110℃で90秒間プリベークした後、ArFエキシマレーザー(波長193nm)を用い、露光量100mJ/cmで露光し、続いて110℃で90秒間ポストエクスポージャーベークした。水晶振動子マイクロバランス装置「RQCM」(商品名;Maxtek社製)に上記石英基板をセットし、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液にて120秒間現像処理した。現像処理中の石英基板の振動数変化を経時的にモニターした後、得られた振動数変化を膜厚の変化に換算し、膜厚の増加変化から最大膨潤量、膜厚の減少変化から溶解速度を算出した。結果を表5に示した。
Figure 0005270189
<実施例20〜25および比較例7〜12>
二光束干渉法露光評価
実施例8〜13および合成例2〜7で得られた高分子化合物b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、lおよびmを100質量部と、光酸発生剤としてTPS−109(製品名、みどり化学株式会社製)を3質量部と、溶媒として、高分子化合物のb、c、d、e、h、iおよびjの場合は乳酸エチル、それら以外の高分子化合物の場合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/乳酸エチル=1/1の混合溶媒を用いて、それぞれを混合し、高分子化合物の濃度が12質量%のフォトレジスト組成物12種類を調製した。これらのフォトレジスト組成物を、フィルター[四フッ化エチレン樹脂(PTFE)製、孔径0.2μm]を用いてろ過した。クレゾールノボラック樹脂(群栄化学製PS−6937)6質量%濃度のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液をスピンコーティング法により塗布して、ホットプレート上で200℃で90秒間焼成することにより、膜厚約100nmの反射防止膜(下地膜)を形成させた直径10cmのシリコンウエハー上に、該ろ液をそれぞれスピンコーティング法により塗布し、ホットプレート上で130℃、90秒間プリベークして膜厚約300nmのレジスト膜を形成させた。このレジスト膜に、波長193nmのArFエキシマレーザーを用いて二光束干渉法露光した。引き続き、130℃で90秒間ポストエクスポージャーベークした後、2.38質量%−テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液にて60秒間現像処理することにより、1:1のラインアンドスペースパターンを形成させた。現像済みウエハーを割断したものを走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、線幅100nmのラインアンドスペースを1:1で解像した露光量におけるパターンの形状観察と線幅の変動(以下、LWRと称する。)測定を行った。LWRは、測定モニタ内において、線幅を複数の位置で検出し、その検出位置のバラツキの分散(3σ)を指標とした。結果を表6に示した。
Figure 0005270189
<実施例26〜29および比較例13〜15>
熱安定性
実施例8〜11および合成例2〜4で得られた高分子化合物b、c、d、e、h、iおよびjの熱に対する安定性をミクロ熱重量測定装置TGA−50(商品名;島津製作所社製)により確認した。サンプル量は高分子化合物約5.0mgとし、窒素ガス50mL/min、昇温10℃/minの設定下、20℃〜600℃の範囲で測定した。得られたグラフから、重量減少の開始温度と元の重量に対して5%分が減少したときの温度を読み取った。なお、ここでの重量減少は、熱によって高分子化合物が分解していることを示すものであり、一般的に、重量減少を示した時の温度が高いものほど熱に対して安定であると解釈できる。結果を表7に示した。
Figure 0005270189
<実施例30>
フォトレジスト組成物(i)の調製
高分子化合物d100質量部、光酸発生剤としてトリフェニルスルホニウムノナフルオロ−n−ブタンスルホネート3.0質量部、N−t−ブトキシカルボニルピロリジン0.27質量部、溶剤としてシクロヘキサノン1962質量部を混合して各成分が均一な溶液を得た。その後、得られた上記溶液を孔径0.2μmのメンブランフィルターを用いてろ過して、フォトレジスト組成物(i)を調製した(総固形分濃度約5質量%)。
<実施例31>
高分子化合物dに替えて高分子化合物bを用いた以外は、実施例30と同様にしてフォトレジスト組成物(ii)を調製した。なお、フォトレジスト組成物(ii)の総固形分濃度は約5質量%とした。
[屈折率測定]:
調製した上記フォトレジスト組成物(i)及び(ii)を、それぞれ、東京エレクトロン社製の「CLEAN TRACK ACT8」を用いてシリコン基板上に、スピンコートし、100℃で60秒間プリベークを行った。このようにして、膜厚120nmのレジスト被膜を形成した。このレジスト被膜の、波長193nmにおける屈折率を分光エリプソメーター(「VUV−VASE」、J.A.Woollam社製)を用いて測定した。
上記フォトレジスト組成物(i)及び(ii)により形成したレジスト被膜の波長193nmにおける屈折率の測定値は、それぞれ、1.77及び1.77であった。
なお、現在、一般的に使用されているレジスト膜は、その屈折率が1.69〜1.71程度であるため、液浸液として水(波長193nmにおける屈折率が1.44)を使用する場合には露光光がレジスト被膜に入射し難くなる等の問題はない。しかし、今後、水の屈折率以上の屈折率を有する液浸液(屈折率が1.71以上の液浸液)を使用する場合、上記一般的に使用されているレジスト膜では、露光光が十分にレジスト被膜に入射し難く、所望のレジストパターンが得られなくなるという点が問題視されている。
[特性曲線測定]:
8インチシリコンウエハを基板として、この基板上に「CLEAN TRACK ACT8」(東京エレクトロン社製)を用いて膜厚77nmの下層反射防止膜(「ARC29A」、ブルワー・サイエンス社製)を形成した。形成した下層反射防止膜上に、上記フォトレジスト組成物(i)及び(ii)を「CLEAN TRACK ACT8」(東京エレクトロン社製)にて、スピンコートし、100℃で60秒間プリベークを行い、膜厚120nmのレジスト被膜を形成した。このレジスト被膜をArFエキシマレーザー露光装置(「NSR S306C」、Nikon社製、照明条件;NA0.78シグマ0.90/0.52)により露光した。この露光は、パターンのついていないクオーツを通して行った。その後、130℃で60秒間ポストエクスポージャーベークを行い、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、23℃で60秒間現像した。現像後、水洗し、乾燥して得られたものを特性曲線測定用のウエハとした。次いで、各露光量でのレジスト被膜の膜厚を自動膜厚測定装置(「VM−2010」、大日本スクリーン社製)にて測定し、露光量(mJ/cm)と膜厚(オングストローム)の相関関係を確認した。その結果を図1に示す。
以上の結果より、本発明のアクリル酸エステル誘導体(1)は、一般に使用されるメタクリル酸エステルと比較した場合、酸に対して高い反応性を有していること(実施例5参照)、および活性化エネルギーが低いこと(実施例6参照)から、化学増幅型レジストの原料として有用である。
また、本発明のアクリル酸エステル誘導体(1)を構成単位に含む高分子化合物の場合(高分子化合物b〜g)、含まない高分子化合物の場合(高分子化合物h〜m)に比べ、フォトレジストにパターンを形成する際の現像工程にて使用するアルカリ現像液への溶解速度が非常に高く、現像時の最大膨潤量が非常に小さく(実施例14〜19および比較例1〜6参照)、LWRが改善されていることがわかる(実施例20〜25および比較例7〜12参照)。また、熱安定性も優れている(実施例26〜29および比較例13〜15参照)ことから、半導体デバイス製造用の化学増幅型レジストとして有用であることがわかる。
また、図1の特性曲線測定から明らかなように、本発明のフォトレジスト組成物により形成したフォトレジスト膜は、露光余裕が良好であり、露光量を増加させることにより残膜量が減少し、所定の露光量で全てのフォトレジスト膜が現像液に可溶となることが確認できた(実施例30および31参照)。従って、本発明のフォトレジスト組成物により形成した被膜は、フォトレジスト膜としてのパターンニングが十分に可能であり、コントラストも十分に得られることが期待される。ここで、「露光余裕」とは、露光量の変化に対する線幅の変動を意味する。
更に、フォトレジスト組成物(9)により形成されたフォトレジスト膜は、波長193nmにおける屈折率が1.77であった(実施例30および31参照)。
本発明のアクリル酸エステル誘導体(1)を構成単位に含む高分子化合物(8)を含有するフォトレジスト組成物(9)によれば、水(波長193nmにおける屈折率が1.44)に代わる次世代の液浸液(屈折率が1.71以上の液浸液)を用いた液浸露光工程においても、露光光が液浸液とフォトレジスト膜の界面で反射することはなく、十分にフォトレジスト膜に入射することが可能である。このように本発明の高分子化合物(8)を含有するフォトレジスト組成物(9)は、高い感度を有するフォトレジスト膜を形成することが可能であり、本発明の高分子化合物(8)は、半導体デバイス製造用の化学増幅型レジストとして有用である。
本発明で得られるアクリル酸エステル誘導体(1)は、該アクリル酸エステル誘導体(1)を原料の一つとして重合することにより得られる高分子化合物(8)、および当該高分子化合物を成分とするフォトレジスト組成物(9)の原料として有用である。また、本発明で得られるアルコール(5)は、該アクリル酸エステル誘導体(1)の原料として有用である。
実施例30及び31の感放射線性樹脂組成物により形成したフォトレジスト膜に照射した光の露光量と上記フォトレジスト膜の膜厚の相関関係を示す図である。

Claims (6)

  1. 下記一般式(1)
    Figure 0005270189
    (式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。 、R 、R 、R 、R 、R 、R 、R 、およびR 10 は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す;nは0を表す。
    で示されるアクリル酸エステル誘導体。
  2. が水素原子である請求項1記載のアクリル酸エステル誘導体。
  3. 、R、R、R、R、R、R、RおよびR10が水素原子である請求項1記載のアクリル酸エステル誘導体。
  4. 下記一般式(2)
    Figure 0005270189
    (式中、nは0を表す。R 、R 、R 、R 、R 、およびR 10 は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。
    で示されるジチオールを塩基と反応させ、次いで下記一般式(4)
    Figure 0005270189
    (式中、R、R、およびR は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。11は炭素数1〜3の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。Xは、塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子を表す。R13は、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。)で示されるハロゲン化物と反応させて下記一般式(5)
    Figure 0005270189
    (式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10およびnは、前記定義の通り。)で示されるアルコールを得、次いで該アルコールを下記一般式(1)
    Figure 0005270189
    (式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。R、R、R、R、R、R、R、R、R10およびnは、前記定義の通り。)
    で示されるアクリル酸エステル誘導体へと変換することを特徴とする該アクリル酸エステル誘導体の製造方法。
  5. 塩基が水素化ナトリウムであることを特徴とする請求項4記載の製造方法。
  6. 下記一般式(2)
    Figure 0005270189
    (式中、nは0を表す。 、R 、R 、R 、R 、およびR 10 は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。
    で示されるジチオールをエーテル溶媒下、塩基と反応させ、次いで下記一般式(4)
    Figure 0005270189
    (式中、R 、R、およびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。11は炭素数1〜3の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。Xは、塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子を表す。R13は、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。)で示されるハロゲン化物と反応させて下記一般式(6)
    Figure 0005270189
    (式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10、R13およびnは、前記定義の通り。)
    で示されるエステルを得、該エステル化合物を加水分解して下記一般式(5)
    Figure 0005270189
    (式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10およびnは、前記定義の通り。)で示されるアルコールを得、次いで該アルコールを下記一般式(1)
    Figure 0005270189
    (式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。R、R、R、R、R、R、R、R、R10およびnは、前記定義の通り。)
    で示されるアクリル酸エステル誘導体へと変換することを特徴とする該アクリル酸エステル誘導体の製造方法。
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