JP5442576B2 - 保護ポリマーの脱保護方法 - Google Patents
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Description
本発明は上述のようなアシル基によって保護されたフェノール性水酸基を有する単位構造を含むポリマーの脱保護反応において、より短時間に、他の部分構造を保存したまま脱アシル化を行うことができ、かつポリマーとして取出した際、反応に係わるポリマー以外の物質による汚染を高度に抑制可能な保護ポリマーの脱保護方法を提供することを目的とする。
上記第1級または第2級アミン化合物は、好ましくは下記一般式(1)で示される。
HNR1 2−nR2 n (1)
上式中、R1は水素原子または炭素数1〜6の直鎖、分岐または環状のアルキル基であり、R2は独立して1以上の酸素原子もしくは窒素原子を含む炭素数2〜7の直鎖、分岐または環状のアルキル基であり、2つのR2が互いに結合して酸素原子および/または窒素原子を1以上含有する環状構造を取ってもよく、nは1または2である。
ここでアシル基は、一般にR−CO−で表されるが、モノマーは一般的には重合を行う前に蒸留によって精製されるため、保護に使用される保護基は容易に蒸留可能とするために、通常炭素数が7以下のものが選択され、工業的にはもっぱらアセチル基による保護が行われる。以下の説明においても、多くを、最も広く用いられているアセチル基で保護し
た場合に基づいて説明を行うが、他のアシル基においても本発明の脱保護方法が有効であることは自明である。
ここで、「logP」と「ClogP」について説明する。
「logP」は、化合物の1−オクタノール/水の分配係数の対数値であり、1−オクタノールと水の2液相の溶媒系に化合物が溶質として溶け込んだときの分配平衡において、それぞれの溶媒中での溶質の平衡濃度の比を意味し、底10に対する対数「logP」の形で一般的に示される。すなわち、logPは親油性(疎水性)の指標であり、この値が大きいほど疎水的であり、値が小さいほど親水的である。
「ClogP」は、プログラム“CLOGP” (Daylight CIS)において、Hansch,Leoのフラグメントアプローチにより算出される「計算logP(ClogP)」の値であり、フラグメントアプローチは化合物の化学構造に基づいており、原子の数及び化学結合のタイプを考慮している(A.Leo,Comprehensive Medicinal Chemistry,Vol.4,C.Hansch,P.G.Sammens,J.B.Taylor and C.A.Ramsden,Eds.,p.295, Pergamon Press,1990)。ClogPは、現在最も一般的で信頼できるlogP値の推定値である。本発明においては、logPの測定値、又はプログラム“CLOGP”により計算したClogPのいずれを用いてもよいが、好ましくはClogP値を基準とする。
第2級アミン化合物の場合は、アミノ基の窒素原子に結合する二つの炭素原子がいずれも第3級であるものを除く。例えば、2,2,6,6−テトラメチルー4−ヒドロキシピペリジンは、ClogPとして0.92の値を持ち、好ましい水溶性を示すが、塩基性中心である窒素原子に結合する2つの炭素原子が第3級であることから求核性が低く、本発
明の目的には好ましくない。
ClogPの値が0以下であるものは、特に水溶性が高くなるため、精製後のポリマーより副生物であるアミド体を特に容易に除去することができる。
また、ClogPを1以下とするためには、上記一般式(1)におけるR1とR2に含まれる炭素原子の合計量[C]と、R2に含まれる酸素原子および窒素原子の合計量[ON]との間で [C]<{([ON]+1)×4} の関係を満たすように設計することが一つの一般的目安となり、より水溶性を高めて本発明の効果を強く得るためには[C]≦{([O
N]+1)×3}になるよう設計することが好ましい。
HNR1 2−nR2 n (1)
上式中、R1は、水素原子、または炭素数1〜6の直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基であり、R2は、独立して1以上の酸素原子もしくは窒素原子を含む炭素数2〜7の直鎖、分岐または環状のアルキル基であり、2つのR2が互いに結合して酸素原子および/または窒素原子を1以上含有する環状構造を取ってもよく、nは1または2である。なお、R2はアルキル基であると記載するように、R2に関して、一般式(1)中のNで表わされた窒素原子と直接結合を持つ原子は炭素である。
炭素数1〜6の直鎖、分岐または環状のアルキル基としては、好ましくは、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロビル基、ブチル基、ペンチル基、へキシル基およびその構造異性体である分岐アルキル基、シクロへキシル基等が挙げられる。
このうちR2が、酸素原子を含むものである場合には、好ましくはアルコキシ基置換アルキル基を選ぶことができ、2−メトキシエチル基、2−エトキシエチル基、2−プロポキシエチル基、2−イソプロポキシエチル基、2−メトキシプロピル基、2−エトキシプロピル基、2−プロポキシプロピル基、2−イソプロポキシプロピル基、3−メトキシプロピル基、3−エトキシプロピル基、3−プロポキシプロピル基、3−イソプロポキシプロピル基等を好ましい例として挙げることができ、アルコキシ基は好ましくは炭素数1〜3を有する。アルコキシ基が置換されていない場合、炭素数が7より多い場合には塩基化合物が有する水溶性が低くなり、反応後のポリマー溶液からの除去が容易ではなくなる場合がある。また、アルコキシ基が置換される場合、塩基性中心である窒素原子に対しβあるいはγ−位の炭素に置換されたものが準備しやすい。
また、R2が、酸素原子を含むものである場合には、好ましくは水酸基置換アルキル基
を選ぶことができ、2−ヒドロキシエチル基、2−ヒドロキシプロピル基、2−ヒドロキシブチル基、3−ヒドロキシプロピル基、2−(2’−ヒドロキシエトキシ)エチル基、2−(2’−ヒドロキシエトキシ)プロピル基、3−(2’−ヒドロキシエトキシ)プロピル基、1−メチル−2−ヒドロキシプロピル基、2,3−ジヒドロキシプロピル基等を好ましい例として挙げることができる。
さらに、R2が、窒素原子を含むものである場合には、好ましくはアミノ基、またはアルキルアミノ基を置換基として持つ炭素数3〜7(アルキルアミノ基の炭素数を含む)のアルキル基を選ぶことができ、2−アミノエチル基、2−メチルアミノエチル基、2−ジメチルアミノエチル基、2−アミノプロピル基、2−アミノブチル基、3−アミノプロピル基、2−(2’−アミノエチル)アミノエチル基、4−(3’−アミノプロピル)アミノブチル基等を好ましい例として挙げることができる。
これによって、上述の副生するアミド体の水溶性が優位に得られるだけでなく、脱保護を行いたいアシル基で保護されたフェノール性水酸基を有するポリマーが、塩基性条件で加水分解を起こす恐れがある官能基や求核反応を受けやすい官能基、例えば脂肪族アルコール由来のエステル構造を有しているような場合にも、官能基の変質を生じることなくアシル基の脱保護のみを行う反応条件を選択することができる。脂肪族アルコール由来のエステル構造は微量でも変質を受けるとポリマーの物性を大きく変化させる危険があるが、上記一般式(2)で示されるアミン化合物を用いることにより、変質を起こす危険を有効に下げることができる。事実、n−ブチルアミンのpKaは10.6であるのに対し、側鎖β−位にアミノ基を持つエチレンジアミンの第1pKaは9.9と小さい値を示し、側鎖β−位に水酸基を持つエタノールアミンでは、より好ましい更に小さな値(pKa=9.5)を持ち、脱アシル化以外の副反応を起こす危険性を抑制できる。そして、上記の通り、その効果は特にアミノ化合物が水酸基を有する場合において著しい。ただし、アシル基の脱保護反応においては、実施例にも示した通り、トリエチルアミンに比較して十分に大きな反応速度を与えることができる。
反応に用いる溶剤の選択では、本発明はトリエチルアミンによるソルボリシス反応とはメカニズムが異なると考えられ、水またはアルコール類等のプロトン性溶剤は必須ではないが、アルコール類は本発明のアシル基の脱保護反応においても好ましい溶剤である。また、本発明の方法ではポリマーの溶解を妨げない範囲であれば水を加えても良い。
好ましく用いられる溶剤としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール(いずれも構造異性体を含む)、エチレングリコール、エチ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、プロピレングリコールモノアルキルエーテル等のアルコール類、ジエチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、ジブチルエーテル、
テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジグリム、プロピレングリコールモノメチル
エーテルアセテート等のエーテル類、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、N−メチルピロリドン等の非プロトン極性溶媒類、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類、アセトン、2−ブタノン等のケトン類、アセトニトリル等のニトリル類等を挙げることができる。更に、その他の溶剤としてヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの炭化水素類を用いて、後処理時の溶剤の極性調整をここで行っておいても良い。
これらのうち、特にメタノール、エタノール、イソプロパノール、tert−ブチルメチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、トルエン
等は好ましく用いられるが、メタノール、エタノールは他の溶剤と混合溶剤として使用されることが多く、それ以外の溶剤についても他の溶剤との混合溶剤として使用しても良い。
反応溶剤は、脱保護反応が不十分な状態とならないよう、脱保護を行うポリマーの物性に合わせて、ポリマーが反応前後で分離しないよう調整してやることが好ましく、上記溶剤を用いることで、一般にはポリマー1質量部に対し溶剤1〜5質量部を用いて反応を行うことができる。
脱保護反応は、大気条件下でも構わないが、安全上の面から考えて窒素雰囲気下もしくはアルゴン雰囲気下等の不活性気体雰囲気下で行なうことが好ましい。
脱保護反応は、例えば、40〜100℃で行った場合、0.5〜8時間、多くの場合1〜3時間で99%以上のアシル基が脱保護される。
濃縮し、これに必要であれば良溶剤(例えば酢酸エチル、アセトン、メタノール等)を加えてポリマー濃度が5〜50質量%程度のポリマー溶液を調製し、これに、含有する塩基に対して当モル倍量(若干であれば過剰でも良い)の例えば酢酸のような弱酸を含む、溶質に対して1〜25質量倍量の水を加えて良く混合して静置し、これを分離することで行える。
上述の低分子化合物の除去を行う分液操作は、特開2009−24122号公報を参考に行うことができるが、例えば、ポリマーを含む溶質の質量1に対して有機良溶剤0.5〜5質量倍量、好ましくは0.7〜3質量倍量の溶液を作成し、これに有機貧溶剤を溶質に対し2〜25倍量、好ましくは2〜15質量倍量加えて、良く混合して静置し、これを分離することで行える。
また、塩基成分を除去するための分液操作は、上記と同様、例えば、ポリマーを含む溶質を溶質に対して0.5〜5質量倍量の有機良溶剤に溶解し、これに、含有する塩基に対して当モル倍量(若干であれば過剰でも良い)の弱酸を含む、溶質に対して1〜25倍量の水を加えて良く混合して静置し、これを分離することで行える。
[実施例1]
窒素雰囲気下、300mLの滴下シリンダーにアセトキシスチレン53.9g、アセナ
フチレン9.7g、下記に示すモノマー(3)36,3g、ジメチル−2,2´−アゾビス−(2−メチルプロピオネート)(和光純薬工業社製、商品名V601)を6.8g、溶媒としてトルエンを75g加えた溶液を調整した。さらに窒素雰囲気下とした別の500mL重合用フラスコに、トルエンを25g加え、80℃に加温した状態で、上記で調整した溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後、重合温度を80℃に維持しながら20時間撹拌を続け、次いで室温まで冷却した。得られた重合液を1200gのヘキサンに滴下し、析出した共重合体を濾別した。濾別した共重合体をヘキサン200gで二回洗浄を行ない、次反応に用いた。
得られた共重合体を1H−NMR測定したところ、共重合体であるメタクリルエステル
基のエステル分解及びエタノールアミン由来の不純物は確認できなかった。
実施例1の重合反応において、モノマー(3)の代わりにモノマー(4)を用いる以外は同様の反応を行い、白色重合体78.0gを得た(ポリマー2)。
得られた共重合体を1H−NMR測定したところ、共重合体である安息香酸エステル基
のエステル分解及びエタノールアミン由来の不純物は確認できなかった。
実施例1の重合反応において、モノマー(3)の代わりにモノマー(5)を用いる以外は同様の反応を行い、白色重合体75.0gを得た(ポリマー3)。
得られた共重合体を1H−NMR測定したところ、共重合体であるメタクリルエステル
基のエステル分解及びエタノールアミン由来の不純物は確認できなかった。
窒素雰囲気下、300mLの滴下シリンダーにアセトキシスチレン53.9g、アセナ
フチレン9.7g、上記式(3)のモノマー36,3g、ジメチル−2,2´−アゾビス−(2−メチルプロピオネート)(和光純薬工業社製、商品名V601)を6.8g、溶媒としてトルエンを75g加えた溶液を調整した。さらに窒素雰囲気下とした別の500mL重合用フラスコに、トルエンを25g加え、80℃に加温した状態で、上記で調整した溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後、重合温度を80℃に維持しながら20時間撹拌を続け、次いで室温まで冷却した。得られた重合液を1200gのヘキサンに滴下し、析出した共重合体を濾別した。濾別した共重合体をヘキサン200gで二回洗浄を行ない、次反応に用いた。
上記で得られた共重合体を窒素雰囲気下で、500mLフラスコにTHF180g、メタノール60gに溶解し、エタノールアミン18.7gを加えた溶液を調整し、窒素雰囲気下にて60℃で2時間撹拌した。この反応溶液を濃縮し、得られた濃縮物にメタノール120gとアセトン25gを加え溶液化した。得られた溶液を攪拌しながら、滴下ロートからヘキサンを225g滴下し、30分後に下層(ポリマー層)にテトラヒドロフラン66gを加え、ここに攪拌中ヘキサンを230g滴下し、30分後に下層(ポリマー層)を減圧濃縮した。得られた濃縮物を300gの酢酸エチルに溶解させた溶液を分液ロートに移し、水200g、酢酸9.4gを加え、分液操作を行なった。下層を除去し、得られた有機層に水200g、ピリジン12.5gを加え、分液操作を行なった。下層を除去し、さらに得られた有機層に水200gを用いて水洗分液を行った(水洗分液は計5回)。(各分液工程毎の静置時に、アセトンを30g加えて少し撹拌すると、分離性良く分液ができた。)
分液後の有機層を濃縮後、アセトン120gに溶解し、0.02μmのナイロンフィルターを通したアセトン溶液を水1800gに滴下して得られた晶出沈澱物を濾過、水洗浄、乾燥を行い、白色のヒドロキシスチレン共重合体を70.0gで得た(ポリマー4)。
得られた共重合体を1H−NMR測定したところ、共重合体であるメタクリルエステル
基のエステル分解及びエタノールアミン由来の不純物は確認できなかった。
窒素雰囲気下、300mLの滴下シリンダーにアセトキシスチレン60.5g、インデ
ン6.8g、4−クロロスチレン32,7g、ジメチル−2,2´−アゾビス−(2−メチルプロピオネート)(和光純薬工業社製、商品名V601)を6.5g、溶媒としてトルエンを108g加えた溶液を調整した。さらに窒素雰囲気下とした別の500mL重合用フラスコに、トルエンを43g加え、80℃に加温した状態で、上記で調整した溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後、重合温度を80℃に維持しながら20時間撹拌を続け、次いで室温まで冷却した。得られた重合液を1500gのヘキサンに滴下し、析出した共重合体を濾別した。濾別した共重合体をヘキサン300gで二回洗浄を行ない、次反応に用いた。
上記で得られた共重合体を窒素雰囲気下で、500mLフラスコにTHF180g、メタノール60gに溶解した。この溶液に、エタノールアミン22.3gを加えた溶液を調整し、窒素雰囲気下にて60℃で2.5時間撹拌した。この反応溶液を減圧濃縮し、得ら
れた濃縮物を300gの酢酸エチルに溶解させた溶液を分液ロートに移し、水200g、酢酸11.2gを加え、分液操作を行なった。下層を除去し、得られた有機層に水200g、ピリジン14.9gを加え、分液操作を行なった。下層を除去し、さらに得られた有機層に水200gを用いて水洗分液を行った(水洗分液は計5回)。(各分液工程毎の静置時に、アセトンを30g加えて少し撹拌すると、分離性良く分液ができた。)分液後の有機層を濃縮後、アセトン130gに溶解し、0.02μmのナイロンフィルターを通したアセトン溶液を水1800gに滴下して得られた晶出沈澱物を濾過、水洗浄、乾燥を行い、白色のヒドロキシスチレン共重合体を55.0gで得た(ポリマー5)。特に半導体用途において欠陥を気にしない場合には、ポリマー合成時にナイロンもしくはUPEフィルターを通す必要はない。
得られた共重合体を1H−NMR測定したところ、エタノールアミン由来の不純物は確
認できなかった。
実施例1において、エタノールアミンを用いる代わりに、従来の方法であるトリエチルアミン/メタノールによるメタノリシス法(反応は窒素雰囲気下、40時間、60℃)で脱保護した以外は同様な反応を行い、白色重合体81.0gを得た(比較参考ポリマー1)。
実施例1の重合反応において、アセナフチレンの代わりにインデン、モノマー(3)の代わりに4−クロロスチレンを用いる以外は同様の重合反応を行い、得られたポリマーを、従来の方法であるトリエチルアミン/メタノールによるメタノリシス法(反応は窒素雰囲気下、40時間、60℃)で脱保護した以外は同様な反応を行い、白色重合体60.0gを得た(比較参考ポリマー2)。
実施例1で得られたアセチル基脱保護前のポリマー(X)(Polymer(X))を用いて、脱保護剤をエタノールアミンの場合とn−ブチルアミンの場合で比較検討を行った。なお、Meは、メチル基を表す。
窒素雰囲気下で、ポリマー(X)10gを100mLフラスコにTHF18g、メタノール6gに溶解し、エタノールアミン1.9g加えて60℃で3時間撹拌した。この反応溶液を減圧濃縮し、得られた濃縮物をアセトン40gに溶解し、このアセトン溶液を水1000gに滴下して得られた晶出沈澱物を濾過、乾燥を行い、白色のヒドロキシスチレン共重合体を7.0gで得た(ポリマーZ1)。
「条件1」の脱保護反応において、エタノールアミンの代わりにn−ブチルアミンを用いる以外は同様の操作を行い、白色のヒドロキシスチレン共重合体を6.5gで得た(ポリマーZ2)。
ポリマーZ1、ポリマーZ2共に1H−NMR測定したところ、アセトキシ保護体はな
くなり、フェノール性水酸基が得られていることが確認できた。また、共重合体であるメタクリル酸エステル基のエステル分解は確認できなかった。ただし、ポリマーZ1からは脱保護で得られた不純物であるアミド体(A)が7.6モル%確認できたのに対し、ポリマー(B)から得られたアミド体(B)は10.6モル%確認できた。このことから、アミド体(B)はアミド体(A)に比較して脂溶性が高く、精製が困難であることが確認できた。
ポリマー(X)を用いて、エタノールアミンを用いる代わりに、従来の方法であるトリエチルアミン/メタノールによるメタノリシス法で脱保護反応を行った(反応は窒素雰囲
気下、20時間、60℃)。得られた共重合体を1H−NMR測定したところ、20時間
反応の場合ではアセトキシ保護体が11.2モル%残存していることが確認できた。このことから、トリエチルアミンによる脱保護反応では少なくとも20時間以上の反応時間が必要であることが確認できた。
レジスト材料の調製
上記で合成した高分子化合物(ポリマー1、5、比較参考ポリマー1、2)、下記式で示される酸発生剤(PAG−1)、塩基性化合物(Base−1)、架橋剤を表1に示す組成で有機溶剤中に溶解してレジスト材料を調合し、更に各組成物を0.02μmサイズのナイロンフィルター及びUPEフィルターで濾過することにより、ポジ型及びネガ型レジスト材料の溶液をそれぞれ調製した。
Base−1:トリス(2−(メトキシメトキシ)エチル)アミン N−オキサイド
<架橋剤>
テトラメトキシメチルグリコールウリル(TMGU)
<界面活性剤>
また、各組成物のレジスト調製時には界面活性剤としてPF−636(オムノバ社製)を0.075質量部添加している。
<有機溶剤>
表1中の有機溶剤は、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)、EL(乳酸エチル)、PGME(プロピレングリコールモノメチルエーテル)である。
上記調製したレジスト材料(実施例1、5、比較参考例1、2)をACT−M(東京エレクトロン社製)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90nm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ヶ所で行い、膜厚平均値と膜厚範囲を算出した。
更に、電子線露光装置(ニューフレアテクノロジー社製、EBM−5000plus、加速電圧50keV)を用いて露光し、110℃で600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、ポジ型及びネガ型のパターンを得ることができた。更に得られたレジストパターンを次のように評価した。
とし、200nmのラインアンドスペースを1:1で解像する露光量における最小寸法を限界解像度とし、100nmLSのラインエッジラフネス(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。EB描画における本発明のレジスト材料及び比較用のレジスト材料の評価結果を表2に示す。
Claims (4)
- アシル基により保護されたフェノール性水酸基を有する単位構造を少なくとも含む保護ポリマーと、ClogPの値が1.00以下である第1級または第2級アミン化合物から選ばれる脱保護試薬(但し、第2級アミン化合物はアミノ基の窒素原子に結合する二つの炭素原子がいずれも第3級ではない)とを、有機溶剤に溶解して脱保護するステップを少なくとも含む、保護ポリマーの脱保護方法であって、
上記第1級または第2級アミン化合物が、下記一般式(1)
HNR1 2−nR2 n (1)
(上式中、R 1 は、水素原子、または炭素数1〜6の直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基であり、R 2 は、独立して1以上の酸素原子もしくは窒素原子を含む炭素数2〜7の直鎖、分岐または環状のアルキル基であり、2つのR 2 が互いに結合して酸素原子および/または窒素原子を1以上含有する環状構造を取ってもよく、nは1または2である。)
で示される保護ポリマーの脱保護方法。 - 上記保護ポリマーが、更に脂肪族アルコール由来のエステル構造を有する単位構造を含む請求項1または請求項2に記載の保護ポリマーの脱保護方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の脱保護方法を実施する工程を含む、化学増幅型レジスト用ベースポリマーの製造方法。
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