JP5907726B2 - 星型ポリマー及び原子移動ラジカル重合開始剤 - Google Patents

星型ポリマー及び原子移動ラジカル重合開始剤 Download PDF

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Description

本発明は新規な星型ポリマー、詳細には、酸の作用により解裂され得る結合基を有する有機基をコア部とし、該コア部から原子移動ラジカル重合法によって得られるポリマー鎖からなるアーム部を伸張させた構造を有する星型ポリマーに関する。
本発明の星型ポリマーは、エキシマレーザーおよび電子線用レジスト材料としての利用が期待される化合物である。
また本発明は、新規な星型ポリマーの合成に用いる原子移動ラジカル重合用開始剤に関する。
近年レジスト材料においては、年々微細となるレジストパターンの形成性に優れる点が重要な特性として求められている。このような要求を満たす材料の一つとして星型ポリマーが提案されている。このうち代表的なものであるアルケニルフェノール系星型ポリマーとしては、例えば、特許文献1にはジビニルベンゼン重合体をコア部とし、p−ヒドロキシスチレン−スチレン共重合体、又は、p−ヒドロキシスチレン−ブタジエン共重合体などをアーム部とする星型ポリマーが開示されている。
また、特許文献2には、ジビニルベンゼン重合体以外のコア部を有するアルケニルフェノール系星型ポリマーとして、ジ(メタ)アクリレートから誘導される繰り返し単位を含むポリマー鎖をコア部とし、アルケニルフェノールから誘導される繰り返し単位および脂環式炭化水素基のアクリル酸エステル誘導体から誘導される繰り返し単位とを含む(さらにアルケニルフェニルから誘導される繰り返し単位を含んでいてもよい)ポリマー鎖をアーム部とする(メタ)アクリル酸系星型ポリマーが提案されている。
さらに、特許文献3には、ヒドロキシスチレン系重合体、アクリル酸・メタクリル酸系重合体、ノルボルネン系重合体、テトラシクロデセン系重合体、マレイミド系重合体からなる群から選ばれた少なくとも1種類の繰り返し単位をアームに持つ星型ポリマーを製造する方法が開示されている。
しかしながら、これまでに提案された星型ポリマーを用いたレジストパターンの形成技術では、感度及び解像度等の点で改善の余地を大いに残すものであった。
特開2002−226513号公報 特開2006−225605号公報 特開2006−45550号公報
本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、新規なポリマーの提供を目的とし、詳細には、高感度・高解像性に優れるレジスト材料としての利用が期待される新規な星型ポリマー及び該ポリマーの合成に用いられる新規な原子移動ラジカル重合開始剤の提供を課題とする。
本発明者らは、上記の課題を解決するべく鋭意研究を行った結果、星型ポリマーのアーム部だけでなくコア部も酸分解性とし、且つ、アーム部の伸長反応に原子移動ラジカル重合法を採用することにより酸分解させたときに分子量分布が単分散となるようにすることによって、そのポリマーを化学増幅型レジスト材料として用いた場合、光酸発生剤(PAG)由来の酸によって分子量を著しく変化させることができ、高感度・高解像レジスト材料として有用なポリマーが提供されることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、式(1)
Figure 0005907726
(式中、Rはa価の有機基を表し、aは2乃至20を表し、Aは酸の作用により解裂され得る下記式(2)乃至(5)
Figure 0005907726
(上記式中、R、R、R及びRはそれぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていてもよい炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキル基若しくはアルコキシ基、又はアリール基、又はヒドロキシ基を表す。Rは直接結合又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていてもよい炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキレン基、又はアリーレン基を表す。)
で表される結合基を表し、Aは炭素原子数1乃至12のアルキレン基又はアリーレン基を表し、Aは下記式(6)乃至(8)
Figure 0005907726
(上記式中、R、R、R、R、R10、R11及びR12はそれぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていても良い炭素原子数1乃至12の直鎖状、分岐状又は環状アルキル基若しくはアルコキシ基、又はアリール基、又はヒドロキシ基を表し、nは0乃至4の整数を表し、Xはハロゲン原子を表す。)
を含む有機基を表す。)
で表される原子移動ラジカル重合開始剤に由来するコア部から、原子移動ラジカル重合法によって得られるポリマー鎖からなるアーム部を伸張させた構造を有する星型ポリマーに関する。
さらに本発明は、前記式(1)で表される原子移動ラジカル重合開始剤に関する。
本発明の星型ポリマーは、コア部において酸分解性であり且つアーム部の分子量分布が狭いことから、酸分解後にも分子量分布が単分散となる。
また本発明の新規な原子移動ラジカル重合開始剤は、アーム部となるポリマー鎖との反応も良好であり、本発明の星型ポリマーを容易に得ることができる。
そして、本発明の星型ポリマーを化学増幅型レジスト材料(ベース樹脂)として用いた場合、露光工程後、レジスト中に配合された光酸発生剤(PAG)から発生した酸によって、本発明の星型ポリマーのコア部に存在する上記式(2)乃至(5)で表される基が解裂することとなる。この解裂に伴い、ポリマー(ベース樹脂)の分子量が大きく変化することとなり、それによって現像液への溶解性も大きく変化することとなる。このため、本発明の星型ポリマーは、高感度、高解像度を実現する優れたレジスト材料となることが期待される。
本発明は上記式(1)で表される原子移動ラジカル重合開始剤から誘導されるコア部から、原子移動ラジカル重合法によって得られるポリマー鎖からなるアーム部を伸張させた構造を有する星型ポリマーである。
また、本発明は上記原子移動ラジカル重合開始剤にも関する。
以下、本発明の星型ポリマーにおけるコア部(原子移動ラジカル重合開始剤)及びアーム部について夫々説明する。
本発明の星型ポリマーにおける原子移動ラジカル重合開始剤は、下記式(1)表されるものである。
Figure 0005907726
式中、Rはa価の有機基を表し、aは2乃至20を表し、Aは酸の作用により解裂され得る下記式(2)乃至(5)
Figure 0005907726
(上記式中、R、R、R及びRはそれぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていてもよい炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキル基若しくはアルコキシ基、又はアリール基、又はヒドロキシ基を表す。Rは直接結合又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていてもよい炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキレン基、又はアリーレン基を表す。)
で表される結合基を表し、Aは炭素原子数1乃至12のアルキレン基又はアリーレン基を表し、Aは下記式(6)乃至(8)
Figure 0005907726
(上記式中、R、R、R、R、R10、R11及びR12はそれぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていても良い炭素原子数1乃至12の直鎖状、分岐状又は環状アルキル基若しくはアルコキシ基、又はアリール基、又はヒドロキシ基を表し、nは0乃至4の整数を表し、Xはハロゲン原子を表す。)
を含む有機基を表す。)
上記式(1)において、Rで表される有機基としては炭素原子数は1乃至20の有機基が好ましく、2乃至15の有機基がより好ましく、3乃至12の有機基が特に好ましい。
該有機基としては、たとえば脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基が挙げられ、また有機基中にケイ素原子を含んでいてもよい。
脂肪族炭化水素基としては、鎖状、環状又はこれらの組合せであってもよく、また、飽和又は不飽和のいずれであってもよい。
芳香族炭化水素基としては、芳香族炭化水素環を有する炭化水素基が挙げられ、たとえば芳香族炭化水素環からなるもの、又は芳香族炭化水素環と脂肪族炭化水素基との組合せからなるもの等であってよい。
該有機基は、その基中に、エーテル基、ポリエーテル基、エステル基[−C(=O)−O−]、カルボニル基[−C(=O)−];−NH−、−N=、−NH−C(=O)−、−NR(Rはアルキル基)−等の連結基を有していてもよい。
Rのアルキル基としては、炭素原子数1乃至5の低級アルキル基が挙げられる。
また、該有機基は、その水素原子の一部又は全部がアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基等で置換されていてもよい。
該有機基の水素原子が置換されていてもよいアルキル基としては、炭素原子数1乃至5のアルキル基が好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、n−ブチル基、tert−ブチル基であることが好ましい。
該有機基の水素原子が置換されていてもよいアルコキシ基としては、炭素原子数1乃至5のアルコキシ基が好ましく、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、iso−プロポキシ基、n−ブトキシ基、tert−ブトキシ基であることがより好ましく、メトキシ基、エトキシ基が特に好ましい。
該有機基の水素原子が置換されていてもよいハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられ、フッ素原子であることが好ましい。
Rの有機基として具体的には、たとえば、下記式に示す構造の基を例示することができる。
Figure 0005907726
Figure 0005907726
Figure 0005907726
Figure 0005907726
上記式(1)で表される原子移動ラジカル重合開始剤において、酸の作用により解裂され得る結合基を表すAは、下記式(2)乃至(5)で表される基である。
なお、下記式で表される解裂され得る結合基のうち、好ましくは式(2)及び(4)で表される結合基であり、最も好ましくは式(2)で表される結合基である。
Figure 0005907726
上記式中、R、R、R及びRはそれぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子又はエポキシ基で置換されていてもよい炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキル基、アルコキシ基、又はアリール基、ヒドロキシ基を表す。Rは直接結合又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていてもよい炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキレン基、又はアリーレン基を表す。
上記R乃至Rにおけるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられ、特にフッ素原子が好ましい。
炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキル基としては、直鎖状又は分枝状のアルキル基であることが好ましく、特にエチル基又はメチル基がより好ましい。炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルコキシ基としては、直鎖状又は分枝状のアルコキシ基であることが好ましく、特にエトキシ基又はメトキシ基がより好ましい。また炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキレン基としては、直鎖状又は分枝状のアルキレン基であることが好ましく、特にエチレン基又はメチレン基がより好ましい。さらにアリール基としては、炭素原子数6乃至20のアリール基が好ましく、たとえばフェニル基又はナフチル基等が挙げられる。またアリーレン基としては炭素原子数6乃至20のアリーレン基が好ましく、たとえばフェニレン基又はナフチレン基等が挙げられる。
なかでも、R、R、R及びRは、水素原子であることが好ましい。
前記一般式(1)中、Aは炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキレン基又はアリーレン基を表す。
ここで、Aで表されるアルキレン基は、直鎖状又は分枝状であることが好ましい。
また該アルキレン基の炭素原子数は1乃至12であり、1乃至10が好ましく、1乃至5がより好ましく、1又は2(メチレン基又はエチレン基)が特に好ましく、a個のAがいずれもメチレン基又はエチレン基であることが最も好ましい。
該アルキレン基は、当該アルキレン基における水素原子の一部又は全部が置換基(水素原子以外の基又は原子)で置換されていてもよい。当該アルキレン基の水素原子が置換されていてもよい置換基としては、炭素原子数1乃至4のアルキル基、炭素数原子数1乃至4のアルコキシ基、ヒドロキシ基等が挙げられる。
前記一般式(1)中、Aは下記式(6)乃至(8)
Figure 0005907726
(上記式中、R、R、R、R、R10、R11及びR12はそれぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていても良い炭素原子数1乃至12の直鎖状、分岐状又は環状アルキル基若しくはアルコキシ基、又はアリール基、又はヒドロキシ基を表し、nは0乃至4の整数を表し、Xはハロゲン原子を表す。)
を含む有機基を表す。
また前記式(6)乃至(8)中、Xで表されるハロゲン原子とは、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子をさす。ここで、Xは2級又は3級の炭素原子に結合するハロゲン原子であることが後述の原子移動ラジカル重合法による、アーム部を構成するモノマーとの反応性の点で好ましい。
上記式(1)で表される原子移動ラジカル重合開始剤としては、具体的には例えば以下の化学式で表される化合物を挙げることができる。
Figure 0005907726
Figure 0005907726
Figure 0005907726
上記式(1)で表される原子移動ラジカル重合開始剤の製造方法としては特に限定はされないが、酸の作用により解裂され得る結合基を有する多価アルコール化合物と原子移動ラジカル重合反応に活性な炭素−ハロゲン結合を有する酸ハロゲン化合物との反応によって製造することができる。上記式(1)で表される原子移動ラジカル重合開始剤は、遷移金属錯体によって活性化可能な共有結合を有するハロゲン化化合物である。
本発明の星型ポリマーのアーム部は、前述の式(1)で表される原子移動ラジカル重合用開始剤から、原子移動ラジカル重合法によって伸長したポリマー鎖からなるものである。
原子移動ラジカル重合法とは、有機ハロゲン化物を開始剤とし、周期律表第7族、8族、9族、10族または11族元素を中心金属とする遷移金属錯体を触媒とする重合法である(たとえば、マティジャスツェウスキー(Matyjaszewski)ら、ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ(J.Am.Chem.Soc.)、1995年、第117巻、5614頁、マクロモレキュールズ(Macromolecules)、1995年、第28巻、7901頁、サイエンス(Science)、1996年、第272巻、866頁、または、澤本(Sawamoto)ら、マクロモレキュールズ(Macromolecules)、1995年、第28巻、1721頁参照)。
原子移動ラジカル重合法に用いられる遷移金属触媒の好ましい例は、周期律表第7〜11族元素を中心金属とする金属錯体である。さらに好ましい触媒は、0価の銅、1価の銅、2価のルテニウム、2価の鉄または2価のニッケル錯体である。なかでも、銅の錯体が好ましい。1価の銅化合物の例は、塩化第一銅、臭化第一銅、ヨウ化第一銅、シアン化第一銅などである。上記金属錯体は、具体的には2,2‘−ビピリジルもしくはその誘導体(2,2’−ビピリジン、4,4‘−ジ−n−ヘプチル−2,2’−ビピリジンなど)、1,10−フェナントロリンもしくはその誘導体、ピリジルメタンイミン(N−(n−プロピル)−2−ピリジルメタンイミンなど)、ポリアミン(テトラメチルエチレンジアミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、ヘキサメチルトリス(2−アミノエチル)アミンなど)が配位子として添加される。
前記アーム部を構成する繰り返し単位としては、例えば下記式(9)で表される(メタ)アクリル酸エステルに由来する繰り返し単位が挙げられる。
Figure 0005907726
(式中、Riは水素原子又はメチル基であり、Rjは炭素原子数1乃至12のアルキル基、置換基を有してもよい炭素原子数3以上の脂環式骨格を有する炭化水素基(但し、炭素数に置換基の炭素は含まない。)、該脂環式骨格を有する炭化水素基を有するアルキル基又はヘテロ基を表す。)。
上記式(I)中、Riは好ましくは水素原子又はメチル基である。
また式中、Rjで表される基は、具体的にはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基、メトキシメチル基、2−メトキシエトキシメチル基、ビス(2−クロロエトキシ)メチル基、テトラヒドロピラニル基、4−メトキシテトラヒドロピラニル基、テトラヒドロフラニル機、トリフェニルメチル基、トリメチルシリル基、2−(トリメチルシリル)エトキシメチル基、t−ブチルジメチルシリル基、トリメチルシリルメチル基などが挙げられる。
また、上記脂環式骨格としては、下記に示す骨格を具体的に例示することができる。
Figure 0005907726
Rjとしては、特に、下記式で表される2−置換アダマンチル基を最も好ましい
例として挙げることができる。
Figure 0005907726
(式中、Rnは水素原子又は置換基を有していてもよいアルキル基を表し、Ro乃至Rqは
夫々独立してヒドロキシ基、ハロゲン原子、カルボキシル基、炭素原子数1乃至6のアルキル基、炭素原子数3乃至8のシクロアルキル基、炭素原子数2乃至7のアルケニル基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、およびアシル基から選択される基を表す。p、q、rはそれぞれ独立して0及び1乃至3の整数から選択され、p、q又はrが2以上の場合、Ro同士、Rp同士及びRq同士は夫々同一又は異なっていてもよい。)
本発明の星型ポリマーのアーム部には、上述の式(9)で表される(メタ)アクリル酸エステルから誘導される繰り返し単位以外にも、必要に応じてその他の(メタ)アクリル酸エステルから誘導される繰り返し単位を含んでいてもよい。その他のアクリレート類の中でも、特にt−ブチルアクリレート、t−ブチルメタクリレート、1,1−ジメチルプロピルアクリレート、1,1−ジメチルメタクリレート等のエステル酸素α位に3級炭素を有するアルキル基であるアクリレート、又はメタクリレートを好ましいものとして例示することができる。
前記アーム部を構成する繰り返し単位としてはまた、下記式(10)で表されるヒドロキシスチレン誘導体に由来する繰り返し単位が挙げられる。
Figure 0005907726
(式中、Raは水素原子又は炭素原子数1乃至4のアルキル基を表し、Rbは水素原子、ハロゲン原子又は炭素原子数1乃至12の炭化水素基を表し、Rcは水素原子又は保護基を
表す。mは0乃至4の整数であり、mが2以上の時は、Rbは同一又は異なっていても良
く、m+o=1乃至5の整数であり、またその置換位置は特に制限されない。)
上記式(10)において、Rcは水素原子又は保護基を表す。
ここで保護基とは、当技術分野において、フェノール性ヒドロキシ基の保護基として使用されることが周知である基であれば特に限定されない。
例えば、メトキシメチル基、2−メトキシエトキシメチル基、ビス(2−クロロエトキシ)メチル基、テトラヒドロピラニル基、4−メトキシテトラヒドロピラニル基、テトラヒドロフラニル基、トリフェニルメチル基、トリメチルシリル基、2−(トリメチルシリル)エトキシメチル基、t−ブチルジメチルシリル基、トリメチルシリルメチル基、t−
ブチル基、t−ブトキシカルボニル基、t−ブトキシカルボニルメチル基、2−メチル−2−t−ブトキシカルボニルメチル基等が挙げられ、さらに、下記に示す置換基を挙げることができる。
Figure 0005907726
(式中、kは0又は1を表す。)。さらに、次式
Figure 0005907726
(式中、Rkは炭素原子数1乃至20の無置換又はアルコキシ置換のアルキル基、炭素原
子数5乃至10のシクロアルキル基、又は炭素原子数6乃至20の無置換又はアルコキシ置換のアリール基を表し、Rlは、水素又は炭素原子数1乃至3のアルキル基を表し、Rmは水素、炭素原子数1乃至6のアルキル基、又は炭素原子数1乃至6のアルコキシ基をあらわす。)で表される基を例示することができる。
このような置換基として、具体的には1−メトキシエチル基、1−エトキシエチル基、1−メトキシプロピル基、1−メチル−1−メトキシエチル基、1−(イソプロポキシ)エチル基等を例示することができる。
上記式(10)で表されるヒドロキシスチレン誘導体の具体例としては、下記に示すヒドロキシスチレン誘導体を挙げることができる。
Figure 0005907726
また、前記アーム部は、下記式(11)で表されるスチレン誘導体に由来する繰り返し単位、下記式(12)で表されるビニル安息香酸誘導体に由来する繰り返し単位を含んでいてもよい。
Figure 0005907726
(式中、Rdは水素原子又は炭素原子数1乃至4のアルキル基を表し、Reはハロゲン原子
又は水素原子又は炭素原子数1乃至6のアルキル基を表し、xは0乃至5の整数を表し、xが2以上の場合、Reは同一又は異なっていてもよく、その置換位置は特に制限されな
い。)
Figure 0005907726
(式中、Rfは水素原子又は炭素原子数1乃至4のアルキル基を表し、Rgはハロゲン原子又は炭素原子数1乃至12の炭化水素基を表し、Rhは水素原子又は保護基を表す。yは
0乃至4の整数であり、yが2以上の時は、Rgは同一又は異なっていても良く、y+z
=1乃至5の整数であり、またそれらの置換位置は特に制限されない。)
上記式中、Rhで表される保護基とは、当技術分野において、カルボキシル基の保護基
として使用されることが周知である基であれば特に限定されない。
例えば、メトキシメチル基、2−メトキシエトキシメチル基、ビス(2−クロロエトキシ)メチル基、テトラヒドロピラニル基、4−メトキシテトラヒドロピラニル基、テトラヒドロフラニル基、トリフェニルメチル基、トリメチルシリル基、2−(トリメチルシリル)エトキシメチル基、t−ブチルジメチルシリル基、トリメチルシリルメチル基、t−ブチル基、t−ブトキシカルボニル基、t−ブトキシカルボニルメチル基、2−メチル−2−t−ブトキシカルボニルメチル基等が挙げられ、さらに、下記に示す置換基を挙げることができる。
Figure 0005907726
(式中、kは0又は1を表す。)さらに、次式
Figure 0005907726
(式中、Rkは炭素原子数1乃至20の無置換又はアルコキシ置換のアルキル基、炭素原
子数5乃至10のシクロアルキル基、又は炭素原子数6乃至20の無置換又はアルコキシ
置換のアリール基を表し、Rlは、水素又は炭素原子数1乃至3のアルキル基を表し、Rmは水素、炭素原子数1乃至6のアルキル基、又は炭素原子数1乃至6のアルコキシ基をあらわす。)で表される基を例示することができる。
このような置換基として、具体的には1−メトキシエチル基、1−エトキシエチル基、1−メトキシプロピル基、1−メチル−1−メトキシエチル基、1−(イソプロポキシ)エチル基等を例示することができる。
本発明の星型ポリマーのアーム部中、各繰り返し単位の比率は、反応に用いる各単量体の使用割合によって任意に選択することができる。
例えば、式(9)で表される(メタ)アクリル酸エステルに由来する繰り返し単位の含有量は、アーム部全繰り返し単位中1乃至100モル%であり、好ましくは10乃至100モル、さらに好ましくは30乃至100モル%である。
また、式(10)で表されるヒドロキシスチレン誘導体から誘導される繰り返し単位の含有量式(11)で表されるスチレン誘導体から誘導される繰り返し単位の含有量、又は式(I12)で表されるビニル安息香酸誘導体から誘導される繰り返し単位の含有量は、アーム部全繰り返し単位中0乃至99モル%であり、好ましくは0乃至90モル%、更に好ましくは0乃至70モル%である。
原子移動ラジカル重合法によるアーム部の伸長反応は、モノマーの種類および溶剤の種類に応じて、減圧、常圧または加圧下で行う事が出来る。遷移金属錯体及び精製ラジカルは、酸素と接触すると失活する恐れがある。そのような場合には重合速度が低下したり、良好なリビング重合体が得られなかったりするため、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で重合を行う事が肝要である。この反応では、あらかじめ、減圧下で重合系内の溶存酸素を除去する必要がある。そして、溶存酸素の除去工程の後、そのまま減圧下において重合工程へ移行する事も可能である。原子移動ラジカル重合には慣用の方法を採用する事ができ、重合方法によって特に制限されない。例えば、塊状重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法、または塊状−懸濁重合法などを採用することができる。そして重合温度は0〜200℃の範囲であり、好ましい重合温度は、室温〜150℃の範囲である。
アーム部の伸長反応に用いられる有機溶媒としては、n−ヘキサン、n−ヘプタン等の脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、シクロペンタン等の脂環族炭化水素類、ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、ジオキサン、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等のエーテル類の他、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド系溶剤類、アニソール、ヘキサメチルホスホルアミド、水等などである。これらは一種単独溶媒又は二種以上の混合溶媒として使用することができる。これらのうち、N,N−ジメチルホルムアミド、THF、トリエチレングリコールジメチルエーテルを好ましい溶媒として例示することができる。なお用いることができる溶媒はこれらの例に限定されない。
アーム部のポリマーが共重合体である場合、ランダム共重合体、部分ブロック共重合体、完全ブロック共重合体のいずれの重合形態も可能である。これらは、重合に用いるモノマーの添加方法を選択することにより、適宜合成することができる。
上述の方法にて生成する星型ポリマーの重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)が1.01乃至3.00の範囲にあることが好ましく、1.01乃至2.00、さらには1.01乃至1.50の範囲が好ましい。生成する星型ポリマーの数平均分子量は1,000乃至1,000,000であるのが好ましく、より好ましくは1,500乃至500,000、更に好ましくは1,500乃至50,000、特に好ましくは2,000乃至20,000の範囲である。
また、本発明の星型ポリマーのアーム部に式(9)で表されるアクリル酸エステルから誘導される繰り返し単位が含まれる場合、当該繰り返し単位のエステル基を加水分解することによりカルボキシル基に誘導することができる。加水分解は、当該技術分野において知られた方法で行うことができ、例えば、上述の保護基を除去するための条件と同様の条件による酸加水分解により行うことができる。好ましくは、当該エステル基の加水分解は、フェノール性ヒドロキシ基の除去と同時に行われる。このようにして得られるアクリル酸系の繰り返し単位を分子内に有する星型ポリマーは、高いアルカリ溶解性を有するためレジスト材料として特に好ましい。
以上の製造方法により得られる本発明の星型ポリマーは、特に精製することなく利用することもできるが、必要であれば精製してもよい。当該精製は、当該技術分野において通常用いられる方法により行うことができるが、例えば、分別再沈法により行うことができる。分別再沈法においては、ポリマー溶解性の高い溶媒と低い溶媒の混合溶媒を用いて再沈を行うのが好ましく、例えば、混合溶媒中で本発明の星型ポリマーを加熱溶解し冷却する方法や、ポリマー溶解性の高い溶媒に本発明の星型ポリマーを溶解した後にポリマー溶解性の低い溶媒を添加して該星型ポリマーを析出させることにより、生成物の精製を行うことができる。
以下、本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記実施例によりなんら制限を受けるものではない。
(合成例1)原子移動ラジカル重合開始剤の合成
[ペンタエリスリトール−テトラ(2−ブロモイソ酪酸エチル2−オキシメチル)エーテルの合成]
窒素雰囲気下にて、ペンタエリスリトール13.0gにアセトン247.0gとジイソプロピルエチルアミン80.2gと2−クロロエチルクロロメチルエーテル80.1gを加え、攪拌下30℃にて4時間保持した。その後、反応混合物に酢酸エチルを加え、有機層をシュウ酸水溶液とイオン交換水で4回洗浄を行なった。得られた有機層を減圧下、濃縮をおこなうことでペンタエリスリトール−テトラ(2−クロロエトキシメチル)エーテルを47.4g(収率98%)を得た。窒素雰囲気下、得られたペンタエリスリトール−テトラ(2−クロロエトキシメチル)エーテル47.4gとギ酸ナトリウム25.46g、ジエチレングリコールジメチルエーテル426.6g、および臭化テトラブチルアンモニウム1.50gを混合し、100℃にて5時間撹拌を継続した。その後、混合反応液を室温まで冷却し、50%水酸化ナトリウム水溶液8.25gを15分かけてゆっくりと滴下する。反応混合液に酢酸エチルを加え、有機層をシュウ酸水溶液とイオン交換水で4回洗浄を行った。得られた有機層を減圧下、濃縮を行なうことで、ペンタエリスリトール−テトラ(2−ヒドロキシエトキシメチル)エーテルを39.1g(収率93%)得た。得られたペンタエリスリトール−テトラ(2−ヒドロキシエトキシメチル)エーテル39.1gに、トリエチルアミン11.0gとエチレングリコールジメチルエーテル351.9gを加え40℃にて30分撹拌を継続した。2−ブロモイソブチリルブロミド166.3gを30分かけて滴下し、40℃にて撹拌を継続した。5時間後、反応混合液に酢酸エチルを加え、有機層を3%シュウ酸水溶液で4回、イオン交換水で4回洗浄を行った。得られた有機層を減圧下、濃縮を行う事で、ペンタエリスリトール−テトラ(2−ブロモイソ酪酸エチル−2−オキシメチル)エーテルを77.2g(収率83%)得た。
(実施例1)星型ポリマーの合成
窒素雰囲気下にてN,N−ジメチルホルムアミド(以下DMFと称する)2gに臭化第一銅40.0mgとN,N,N’,N”,N”−ペンタジエチレントリアミン116.0mgを加え、減圧脱気したのち窒素ガスでよく置換し、30℃で1時間撹拌した。この後、反応混合液全量を、別容器でジエチレングリコールジメチルエーテル12.0gにγ−ブチロラクトンメタクリレート2.12gと2−メチル−2−アダマンチルメタクリレート2.93g、3−ヒドロキシ−1−アダマンチルメタクリレート2.95gおよび、ペンタエリスリトール−テトラ(2−ブロモイソ酪酸エチル−2−オキシメチル)エーテル2.4gを加え、減圧脱気したのち窒素ガスで置換し、よく撹拌した混合溶液に加え、30℃で72時間加熱撹拌した。混合物に酢酸エチルを加え希釈後、精製した不溶固体を濾過した後、濾液を3%シュウ酸水溶液で4回、イオン交換水で4回洗浄した。得られた有機層の揮発分を減圧下留去し、星型ポリマー8.2g(収率91.0%)を得た。生成した重合体の数平均分子量はGPC測定(ポリスチレン換算)により5500、分子量分布は1.5であった。
(実施例2)星型ポリマーの合成
窒素雰囲気下にてDMF3gに塩化第一銅60.0mgとN,N,N’,N”,N”−ペンタジエチレントリアミン174.0mgを加え、減圧脱気したのち窒素ガスでよく置換し、30℃で1時間撹拌した。この後、反応混合液全量を、別容器でジエチレンジメチルグリコール18.0gにγ−ブチロラクトンメタクリレート5.48g、メチルメタクリレート2.93g、3−ヒドロキシ−1−アダマンタンメタクリレート3.59gおよび、ペンタエリスリトール−テトラ(2−ブロモイソ酪酸エチル−2−オキシメチル)エーテル1.4gを加え、減圧脱気したのち窒素ガスで置換し、撹拌した混合溶液に加え、30℃で96時間加熱撹拌した。反応混合物に酢酸エチルを加え希釈後、精製した不溶固体を濾過した後、濾液を3%シュウ酸水溶液で4回、イオン交換水で4回洗浄した。得られた有機層の揮発分を減圧下留去し、星型ポリマー11.6g(収率89%)を得た。生成した重合体の数平均分子量はGPC測定(ポリスチレン換算)により12500、分子量分布は1.6であった。
<酸分解性試験>
上記実施例で得られた星型ポリマーの酸分解性を以下の手順に従って試験した。実施例1、2の星型ポリマーの5.0質量%THF溶液を調整した後、ポリマーに対して(±)−カンファースルホン酸(以下CSと称する)2部量を含む試料を調製し、130℃、5分間加熱した。
加熱前後の各試料をGPCを用いて分析した。
上記実施例の星型ポリマーは、CSの存在により、加熱5分後には、良好にアームポリマーへ分解される事が確認された。分解後のポリマーについてGPC測定を行ったところ、実施例1の星型ポリマーはポリスチレン換算でMn=1300、Mw/Mn=1.36、実施例2の星型ポリマーはポリスチレン換算でMn=3200、Mw/Mn=1.25であった。

Claims (5)

  1. 式(1)
    Figure 0005907726
    (式中、Rはa価の有機基を表し、aは2乃至20を表し、Aは酸の作用により解裂され得る下記式(2)乃至(4)
    Figure 0005907726
    (上記式中、R 及びR それぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていてもよい炭素原子数1乃至12の直鎖状、分枝状又は環状アルキル基若しくはアルコキシ基、又はアリール基、又はヒドロキシ基を表す。)
    のいずれかで表される結合基を表し、Aは炭素原子数1乃至12のアルキレン基又はアリーレン基を表し、Aは下記式(6)乃至(8)
    Figure 0005907726
    (上記式中、R、R、R、R、R10、R11及びR12はそれぞれ独立して水素原子、又はアルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子若しくはエポキシ基で置換されていても良い炭素原子数1乃至12の直鎖状、分岐状又は環状アルキル基若しくはアルコキシ基、又はアリール基、又はヒドロキシ基を表し、nは0乃至4の整数を表し、Xはハロゲン原子を表す。)
    のいずれかを含む有機基を表す。)
    で表される原子移動ラジカル重合開始剤に由来するコア部から、原子移動ラジカル重合法によってポリマー鎖からなるアーム部を伸張させることを特徴とする星型ポリマーの製造方法
  2. 前記式(1)中、Xが2級又は3級の炭素原子に結合するハロゲン原子であることを特徴とする、請求項1記載の星型ポリマーの製造方法
  3. 記ポリマー鎖からなるアーム部が、(メタ)アクリル酸エステルに由来する繰り返し単位を含むことを特徴とする、請求項1又は2記載の星型ポリマーの製造方法
  4. 前記(メタ)アクリル酸エステルが、下記式(9)で表されるものである、請求項3に記載の星型ポリマーの製造方法
    Figure 0005907726
    (式中、Riは水素原子又はメチル基であり、Rjは炭素原子数1乃至12のアルキル基、置換基を有してもよい炭素原子数3以上の脂環式骨格を有する炭化水素基(但し、炭素数に置換基の炭素は含まない。)、該脂環式骨格を有する炭化水素基を有するアルキル基又はヘテロ基を表す。)
  5. 請求項1記載の前記式(1)で表される原子移動ラジカル重合開始剤。

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