JP6370093B2 - ビニル基含有化合物を含有する感光性組成物 - Google Patents
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Description
本発明に係る感光性組成物は、上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物、上記一般式(10)で表されるモノビニル基及びモノ(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物、及び/又は上記一般式(19)で表される(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物と、水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物と、光酸発生剤とを少なくとも含有するものである。以下、本発明に係る組成物に含有される各成分について詳細に説明する。
本発明に係る組成物に含有されるビニル基含有化合物は、下記一般式(1)で表されるものである。
ジビニルエーテル化合物は、2個のビニロキシ基を有し、これらのビニロキシ基が別々の分子と反応しうるため、架橋剤として用いられている。例えば、特開2012−103723号公報、特許4313611号公報、及び特許3206989号公報には、ジビニルエーテル化合物と、水酸基及び/又はカルボキシル基を有する重合体と、光酸発生剤とを含有する感光性組成物が記載されており、この感光性組成物においてジビニルエーテル化合物は架橋剤として用いられている。しかし、本発明者らが検討したところ、従来のジビニルエーテル化合物を含有する感光性組成物は、保存安定性及びパターニング特性に劣るという問題がある。
これに対し、上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物を含有する感光性組成物は、保存安定性及びパターニング特性に優れる。
上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物の中でも、下記一般式(1a)で表されるものは、例えば、下記の製造方法1〜3により製造することができる。
上記一般式(1a)で表されるビニル基含有化合物は、例えば、特開2008−266169号公報に記載の製造方法に従い、遷移元素化合物触媒及び無機塩基の存在下、下記一般式(13)で表されるビニルエステル化合物と、下記一般式(3)で表される水酸基含有化合物とを反応させることにより、合成することが可能である。上記無機塩基は、粒子径150μm未満の粒子を10重量%以上含有する固体の無機塩基であることが好ましい。具体的には、上記一般式(1a)で表されるビニル基含有化合物は、後述する合成例1のようにして合成することが可能である。
R6−CO−O−CH=CH2 (13)
(式中、R6は、水素原子又は有機基を示す。)
上記一般式(1a)で表される化合物は、例えば、上記一般式(3)で表される水酸基含有化合物から、下記一般式(5)で表される脱離基含有化合物を経由して、上記一般式(1a)で表されるビニル基含有化合物を得ることを含む製造方法により、合成することも可能である。
上記一般式(1a)で表される化合物は、例えば、下記一般式(7)で表されるヒドロキシアルキルオキシ基含有化合物から、上記一般式(5)で表される脱離基含有化合物を経由して、上記一般式(1a)で表されるビニル基含有化合物を得ることを含む製造方法により、合成することも可能である。
上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物は、合成後に精製してもよい。精製方法としては、特に限定されず、例えば、シリカゲルカラムクロマトグラフィー等の公知の方法が挙げられる。精製により、上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物の純度が向上するとともに、金属成分の含有量が低減する。精製されたビニル基含有化合物は、反応性が向上しやすくなり、また、反応時の着色が効果的に抑制される。
上記一般式(5)で表される脱離基含有化合物は、上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物を製造するための中間体として有用である。上記一般式(5)で表される脱離基含有化合物は、例えば、上記製造方法2又は3中で説明した方法により合成することができる。
下記一般式(9)で表されるモノビニル基含有化合物は、上記一般式(1a)で表されるビニル基含有化合物を製造するための中間体として有用である。
本発明に係る組成物に含有されるモノビニル基及びモノ(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物は、下記一般式(10)で表されるものである。上記モノビニル基及びモノ(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物は、単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。この化合物は、優れた光学的特性及び熱的特性を保持しつつ、ビニロキシ基及び(メタ)アクリロイルオキシ基を有するため、高い反応性を有する。特に、環Y1及び環Y2がベンゼン環であり、Rが単結合である場合、下記一般式(10)で表される化合物は、フルオレン骨格を有し、光学的特性及び熱的特性に更に優れる。下記一般式(10)で表される化合物は、上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物と同様に、重合することができるため、重合性モノマーとして機能し、また、架橋剤として好適に用いることができる。更に、下記一般式(10)で表される化合物は、高い硬度を有する硬化物を与え、組成物中の基材成分として好ましい。加えて、下記一般式(10)で表される化合物をネガ型感光性樹脂組成物に含有させた際には、良好な微小パターニング特性を得ることが可能である。下記一般式(10)で表される化合物は、種々の用途、例えば、上記一般式(1)で表される化合物について具体的に例示した用途に用いることができる。
本発明に係る組成物に含有される(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物は、下記一般式(19)で表されるものである。上記(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物は、単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。この化合物は、優れた光学的特性及び熱的特性を保持しつつ、(メタ)アクリロイルオキシ基を有するため、高い反応性を有する。特に、環Y1及び環Y2がベンゼン環であり、Rが単結合である場合、下記一般式(19)で表される化合物は、フルオレン骨格を有し、光学的特性及び熱的特性に更に優れる。下記一般式(19)で表される化合物は、上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物と同様に、重合することができるため、重合性モノマーとして機能し、また、架橋剤として好適に用いることができる。更に、下記一般式(19)で表される化合物は、高い硬度を有する硬化物を与え、組成物中の基材成分として好ましい。加えて、下記一般式(19)で表される化合物をネガ型感光性樹脂組成物に含有させた際には、良好な微小パターニング特性を得ることが可能である。下記一般式(19)で表される化合物は、種々の用途、例えば、上記一般式(1)で表される化合物について具体的に例示した用途に用いることができる。
上記一般式(19)で表される化合物は、例えば、上記一般式(3)で表される水酸基含有化合物から上記一般式(19)で表される(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物を得ることを含む製造方法により、合成することが可能である。
本発明に係る感光性組成物における水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物としては、加熱により、上記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物、上記一般式(10)で表されるモノビニル基及びモノ(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物、及び/又は上記一般式(19)で表される(メタ)アクリロイルオキシ基含有化合物との間で架橋を形成しうるものであれば、特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物としては、水酸基及びカルボキシル基以外に、炭素原子、水素原子、酸素原子、ホウ素原子、窒素原子、アルミニウム原子、リン原子、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、チタン原子、又はこれらの2種以上の組み合わせを含む化合物が挙げられる。水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物に含まれる水酸基及びカルボキシル基の数は特に限定されないが、感光性組成物の硬化物中で密に架橋が形成されるためには、合計で2個以上であることが好ましい。水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物は、単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。
以下、水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物の具体例について説明する。
V1−Ra1−V2 (a−1)
(式中、Ra1は有機基であり、V1及びV2は独立に水酸基又はカルボキシル基である。)
アルコール性水酸基を有する樹脂としては、例えば、アクリル系重合体、ビニル系重合体、アルキレングリコール系重合体、セルロース系重合体、尿素系重合体、エポキシ系重合体、アミド系重合体、メラミン系重合体、ポリエチレン系重合体、アルキッド系重合体、スルホンアミド樹脂等の樹脂であって、その構造中にアルコール性水酸基を有するものを用いることができる。より具体的には、アクリル酸、メタクリル酸、N−ビニルピロリドン、ビニルアルコール、N−ビニルイミダゾリジノン、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノエチルメタクリレート、N,N−ジエチルアミノエチルメタクリレート、N,N−ジメチルアミノエチルアクリレート、N−アクリロイルモルホリン、及び3−ヒドロキシ−1−アダマンチルメタクリレートからなる群より選択される少なくとも1種のモノマーの単独重合体及び/又は共重合体であって、その構造中にアルコール性水酸基を有するものを用いることができる。
フェノール性水酸基を有するアルカリ可溶性樹脂としては、例えば、ポリヒドロキシスチレン系樹脂を用いることができる。
ポリヒドロキシスチレン系樹脂は、ヒドロキシスチレンに由来する構成単位を少なくとも有する。
ここで「ヒドロキシスチレン」とは、ヒドロキシスチレン、及びヒドロキシスチレンのα位に結合する水素原子がハロゲン原子、アルキル基、ハロゲン化アルキル基等の他の置換基に置換されたもの、並びにそれらの誘導体のヒドロキシスチレン誘導体(モノマー)を含む概念とする。
「ヒドロキシスチレン誘導体」は、少なくともベンゼン環とこれに結合する水酸基とが維持されており、例えば、ヒドロキシスチレンのα位に結合する水素原子が、ハロゲン原子、炭素数1〜5のアルキル基、ハロゲン化アルキル基等の他の置換基に置換されたもの、並びにヒドロキシスチレンの水酸基が結合したベンゼン環に、更に炭素数1〜5のアルキル基が結合したものや、この水酸基が結合したベンゼン環に、更に1〜2個の水酸基が結合したもの(このとき、水酸基の数の合計は2〜3である。)等を包含するものとする。
ハロゲン原子としては、塩素原子、フッ素原子、臭素原子等が挙げられ、フッ素原子が好ましい。
なお、「ヒドロキシスチレンのα位」とは、特に断りがない限り、ベンゼン環が結合している炭素原子のことをいう。
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、フッ素原子が好ましい。
ハロゲン化アルキル基としては、上述した炭素数1〜5のアルキル基の水素原子の一部又は全部がハロゲン原子で置換されたものである。この中でも、水素原子の全部がフッ素原子で置換されたものが好ましい。また、直鎖状又は分岐鎖状のフッ素化アルキル基が好ましく、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基等がより好ましく、トリフルオロメチル基(−CF3)が最も好ましい。
Ra2としては、水素原子又はメチル基が好ましく、水素原子がより好ましい。
qは0〜2の整数である。これらの中でも0又は1であることが好ましく、工業上は特に0であることが好ましい。
Ra3の置換位置は、qが1である場合にはオルト位、メタ位、パラ位のいずれでもよく、更に、qが2の場合には任意の置換位置を組み合わせることができる。
pは1〜3の整数であり、好ましくは1である。
水酸基の置換位置は、pが1である場合にはオルト位、メタ位、パラ位のいずれでもよいが、容易に入手可能で低価格であることからパラ位が好ましい。更に、pが2又は3の場合には任意の置換位置を組み合わせることができる。
ここで「スチレンに由来する構成単位」とは、スチレン及びスチレン誘導体(但し、ヒドロキシスチレンは含まない。)のエチレン性二重結合が開裂してなる構成単位を包含するものとする。
「スチレン誘導体」は、スチレンのα位に結合する水素原子が、ハロゲン原子、アルキル基、ハロゲン化アルキル基等の他の置換基に置換されたもの、並びにスチレンのフェニル基の水素原子が、炭素数1〜5のアルキル基等の置換基に置換されているもの等を包含するものとする。
ハロゲン原子としては、塩素原子、フッ素原子、臭素原子等が挙げられ、フッ素原子が好ましい。
なお、「スチレンのα位」とは、特に断りがない限り、ベンゼン環が結合している炭素原子のことをいう。
qは0〜2の整数である。これらの中でも0又は1であることが好ましく、工業上は特に0であることが好ましい。
Ra3の置換位置は、qが1である場合にはオルト位、メタ位、パラ位のいずれでもよく、更に、qが2の場合には任意の置換位置を組み合わせることができる。
これらのフェノール類の中でも、m−クレゾール、p−クレゾールが好ましく、m−クレゾールとp−クレゾールとを併用することがより好ましい。この場合、両者の配合割合を調整することにより、得られる感光性組成物の感度等の諸特性を調整することができる。
上記カルボキシル基を有する重合性化合物としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸等のモノカルボン酸類;マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等のジカルボン酸類;2−メタクリロイルオキシエチルコハク酸、2−メタクリロイルオキシエチルマレイン酸、2−メタクリロイルオキシエチルフタル酸、2−メタクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタル酸等のカルボキシル基及びエステル結合を有する化合物;等を例示することができる。上記カルボキシル基を有する重合性化合物は、好ましくは、アクリル酸、メタクリル酸である。これらの重合性化合物は、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
カルボキシル基を有する樹脂の質量平均分子量は、特に限定されないが、50000〜800000であることが好ましい。
本発明に係る感光性組成物における光酸発生剤としては、特に限定されず、従来公知の光酸発生剤を用いることができる。光酸発生剤は、単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。
また、上記以外にも、下記式(t−3)で表される化合物が挙げられる。
Rt5としては芳香族性化合物基であることが特に好ましく、このような芳香族性化合物基としては、フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基や、フリル基、チエニル基等の複素環基等が挙げられる。これらは環上に適当な置換基、例えばハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、ニトロ基等を1個以上有していてもよい。また、Rt6としては炭素数1〜6のアルキル基が特に好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基が挙げられる。また、hは1〜3の整数が好ましく、1又は2がより好ましい。
本発明に係る感光性組成物は、所望により、光重合開始剤、光重合性モノマー、酸架橋性物質、光塩基発生剤、着色剤、分散剤、増感剤、密着増強剤、その他の各種の添加剤や溶媒等を含有していてもよい。
本発明に係るパターン形成方法は、本発明に係る感光性組成物からなる塗膜を形成する塗膜形成工程と、上記塗膜を選択的に露光する露光工程と、露光後の上記塗膜を現像する現像工程とを含むものである。以下、各工程について説明する。
塗膜形成工程では、感光性組成物を被塗布体の表面に塗布して、感光性組成物からなる塗膜を形成する。塗布方法としては、例えば、ディッピング法、スプレー法、バーコート法、ロールコート法、スピンコート法、カーテンコート法等が挙げられる。塗膜の厚さは、特に限定されない。典型的には、塗膜の厚さは、2〜100μmが好ましく、3〜50μmがより好ましい。塗膜の厚さは、塗布方法や感光性組成物の固形分濃度や粘度を調節することにより、適宜制御することができる。
露光工程では、塗膜形成工程で得られる塗膜を、所定のパターンに選択的に露光する。選択的露光は、通常、所定のパターンのマスクを用いて行われる。露光に用いられる放射線としては、例えば、低圧水銀灯、高圧水銀灯、メタルハライドランプ、g線ステッパー、i線ステッパー等から放射される紫外線、電子線、レーザー光線等が挙げられる。露光量は、使用する光源や塗膜の膜厚等によっても異なるが、通常、1〜1000mJ/cm2、好ましくは10〜500mJ/cm2である。
現像工程では、露光工程において所定のパターンに選択的に露光された塗膜から露光部又は未露光部を除去して、上記塗膜を現像する。露光部又は未露光部は、通常、アルカリ現像液に溶解させて除去される。現像方法としては、例えば、シャワー現像法、スプレー現像法、浸漬現像法、パドル現像法等が挙げられる。アルカリ現像液としては、無機アルカリ化合物及び有機アルカリ化合物から選択される1種以上のアルカリ化合物を含有する水溶液を用いることができる。現像液中のアルカリ化合物の濃度は、露光後の塗膜を良好に現像できる限り特に限定されない。典型的には、現像液中のアルカリ化合物の濃度は、1〜10質量%が好ましい。
塗膜形成工程での塗膜の形成後、露光工程に移行する前に上記塗膜を処理する温度によって、ポジ型パターニングを行うことも、ネガ型パターニングも行うことも可能となる。
実施例及び比較例で用いた材料は下記の通りである。
<ビニルエーテル化合物(一般式(1)で表される化合物及び比較化合物)>
上記一般式(1)で表される化合物としては、下記式で表される化合物1を準備した。また、比較のため、下記式で表される比較化合物1〜3を準備した。
(1)軽灰炭酸ナトリウム
粒子径分布:250μm以上;3重量%
150μm以上250μm未満;15重量%
75μm以上150μm未満;50重量%
75μm未満;32重量%
なお、上記の粒子径分布は、60メッシュ(250μm)、100メッシュ(150μm)、200メッシュ(75μm)のふるいを用いて仕分けた後、最終的に得られた篩上成分及び篩下成分各々の重量を測定することにより算出した。
(1)ジ−μ−クロロビス(1,5−シクロオクタジエン)二イリジウム(I):[Ir(cod)Cl]2
(1)9,9’−ビス(6−ヒドロキシ−2−ナフチル)フルオレン
(2)9,9’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン
(1)プロピオン酸ビニル
冷却管、及び、凝縮液を分液させて有機層を反応容器に戻し水層を系外に排出するためのデカンターを取り付けた1000ml反応容器に、ジ−μ−クロロビス(1,5−シクロオクタジエン)二イリジウム(I)[Ir(cod)Cl]2(839mg、1.25mmol)、軽灰炭酸ナトリウム(12.7g、0.12mol)、9,9’−ビス(6−ヒドロキシ−2−ナフチル)フルオレン(225g、0.5mol)、プロピオン酸ビニル(125g、1.25mol)、及びトルエン(300ml)を仕込んだ後、表面積が10cm2の撹拌羽根を用い回転数を250rpmに設定し、撹拌しながら徐々に温度を上げて還流させた。還流下、副生する水をデカンターで除去しながら、5時間反応させた。反応液をガスクロマトグラフィーにより分析したところ、9,9’−ビス(6−ヒドロキシ−2−ナフチル)フルオレンの転化率は100%であり、9,9’−ビス(6−ヒドロキシ−2−ナフチル)フルオレンを基準として9,9’−ビス(6−ビニロキシ−2−ナフチル)フルオレン(化合物1)が81%、ビス6−ナフトールフルオレンモノビニルエーテルが4%の収率で生成していた。
1H−NMR(CDCl3):4.47(dd、2H、J=1.5Hz、5.0Hz)、4.81(dd、2H、J=3.5Hz、12.0Hz)、6.71(dd、2H、J=6.0Hz)、7.12−7.82(m、20H)
水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物としては、下記の化合物2〜8を用いた。
<光酸発生剤>
表1に記載のビニルエーテル化合物5gと、表1に記載の水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物2g(化合物6の場合)又は5g(それ以外の場合)と、光酸発生剤1 0.5gと、密着増強剤1 0.015gとを混合し、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート58gに溶解させて溶液を得た。得られた溶液を、ポアサイズ0.10μmのポリエチレン製フィルターとポアサイズ0.05μmポリエチレン製フィルターとを用いて濾過し、感光性組成物を調製した。
<保存安定性>
得られた感光性組成物を20℃又は30℃で2週間放置し、目視で沈殿物の有無を確認した。20℃及び30℃いずれにおける放置でも沈殿物が確認された場合、保存安定性が不良(×)と判定し、30℃における放置でのみ沈殿物が確認された場合、保存安定性がやや不良(△)と判定し、20℃及び30℃いずれにおける放置でも沈殿物が確認されなかった場合、保存安定性が良好(◎)と判定した。結果を表1に示す。
得られた感光性組成物を25℃で3日間放置し、放置後の感光性組成物をコーターにて、ガラス基板上に塗布した。ホットプレート上で100℃にて2分間加熱(プリベーク)を行い、硬化膜を得た。この硬化膜をブロードバンド光で露光した。ホットプレート上で100℃にて2分間加熱(PEB)を行った後、2.38質量%TMAH水溶液で現像を行い、ポジ型パターニングを行った。
また、同様にして感光性組成物を基板上に塗布し、ホットプレート上で70℃にて2分間加熱(プリベーク)を行った。加熱後の塗膜をブロードバンド光で露光した。ホットプレート上で70℃にて2分間加熱(PEB)を行った後、2.38質量%TMAH水溶液で現像を行い、ネガ型パターニングを行った。
パターンが形成されているか否かを顕微鏡で確認した。ポジ型及びネガ型パターニングのいずれでもパターンが形成されていた場合、パターニング特性が良好(◎)と判定し、ポジ型パターニングでのみパターンが形成されていた場合、パターニング特性がやや不良(△)と判定し、ポジ型及びネガ型パターニングのいずれでもパターンが形成されていなかった場合、パターニング特性が不良(×)と判定した。結果を表1に示す。
得られた感光性組成物を25℃で3日間放置し、放置後の感光性組成物をコーターにて、ガラス基板上に塗布した。ホットプレート上で80℃にて2分間加熱(プリベーク)を行った。加熱後の塗膜をブロードバンド光で露光した。ホットプレート上で70℃にて2分間加熱(PEB)を行った後、2.38質量%TMAH水溶液で現像を行い、ネガ型パターニングを行った。
パターンが形成されているか否かを顕微鏡で確認した。パターンが形成されていた場合、パターニング特性が良好(○)と判定し、パターンが形成されていなかった場合、パターニング特性が不良(×)と判定した。結果を表1に示す。
Claims (4)
- 下記一般式(1)で表されるビニル基含有化合物と、水酸基及び/又はカルボキシル基を有する化合物と、光酸発生剤(ただし、ハロゲン含有トリアジン化合物を除く。)とを含有する感光性組成物。
- 前記環Zがベンゼン環又はナフタレン環である請求項1記載の感光性組成物。
- 前記R1が単結合である請求項1又は2記載の感光性組成物。
- 請求項1から3のいずれか1項記載の感光性組成物からなる塗膜を形成する塗膜形成工程と、
前記塗膜を選択的に露光する露光工程と、
露光後の前記塗膜を現像する現像工程とを含むパターン形成方法。
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