JP6862648B2 - 多機能性光酸発生剤およびこれを含む厚膜用フォトレジスト組成物 - Google Patents

多機能性光酸発生剤およびこれを含む厚膜用フォトレジスト組成物 Download PDF

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Description

関連出願との相互参照
本出願は、2017年9月4日付の韓国特許出願第10−2017−0112690号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、多機能性光酸発生剤およびこれを含む厚膜用フォトレジスト組成物に関する。
FAB工程の微細化技術の適用拡大に伴い、パッケージング(Packaging)技術においても高性能、薄型短小パッケージ(Package)製造のための工程技術に変化が起きている。特に、半導体入出力端子の増加でフリップチップ(Flip Chip)の用途拡大およびFOWLP技術が導入され、信号遅延の最小化を目的としてチップ間の直接連結が可能なTSV工程が拡大するにつれ、Bump需要が増加し、これを形成するBump PRの技術開発が非常に重要である。
Bump PRの場合、10μm〜100μmまでの厚膜における感度と解像度が非常に優れていなければならず、メッキ工程により金属Bumpを形成しなければならないので、直進性、残渣、footing、notching特性などのパターン性能が良くなければならず、メッキ液に対する耐性に優れていなければならない。
したがって、厚膜における感度と解像度を増加させるために化学増幅型フォトレジストを使用するが、この組成物は酸によって解離してアルカリ現像液に対する溶解性が増大する樹脂と感光性酸発生物(光酸発生剤)、酸拡散制御剤、腐食防止剤および特定の溶解抑制剤を含むことが知られている。
この時、従来技術によれば、ナフタルイミドタイプの光酸発生剤を使用するが、この場合、溶解度が良くなく、感度を高めるために含有量を高めるようになるが、これは限界があり、現像後の露光部にスカムとして残るという欠点がある。したがって、このような欠点を改善できる光酸発生剤に関する研究が必要である。
本発明は、光酸発生剤としての効果以外に、溶解度および感度に優れており、優れた腐食防止効果まで発現させることができる光酸発生剤を提供しようとする。
また、本発明は、前記光酸発生剤を含む厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物を提供する。
本発明の一実施例によれば、下記の化学式1で表される光酸発生剤が提供できる。
[化学式1]
Figure 0006862648
前記化学式1において、
、RおよびRは、それぞれ互いに独立して、水素、ハロゲン、チオール(SH)、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のフルオルアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜10のアルキルチオ基、または炭素数1〜20のアルキレンジチオール基が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基であり、
前記R、RおよびRのうちの少なくとも1つは、炭素数1〜20のアルキレンジチオール基が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基であり、
は、前記窒素原子に連結されたカルボニル(carbonyl)を含むかまたは含まない炭素数1〜4の置換もしくは非置換アルキレン基またはカルボニルであり、
は、カルボニルまたはメチレンであり、
は、水素、炭素数1〜20の脂肪族官能基またはLと共に炭素数6〜20の芳香族環または炭素数5〜20の脂肪族環をなし、
は、炭素数1〜10のアルキルフルオル基、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜10のアルキルチオ基である。
また、本発明の一実施例によれば、前記光酸発生剤を含む厚膜型フォトレジスト組成物が提供できる。
以下、発明の具体的な実施例による光酸発生剤、前記光酸発生剤を含む厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物およびこれから製造されたフォトレジストパターンに関してより詳細に説明する。
一方、本発明の請求項および明細書で言及されている用語の「炭素数1〜20のアルキレンジチオール基」は、2個のチオールの間に直鎖の炭素数1〜20のアルキレン基が位置した官能基を意味すると理解されなければならず、他の官能基またはグループと結合する地点は、前記2個のチオール基のうちのいずれか1つの硫黄である。
また、本明細書において、
Figure 0006862648
は、他の置換基に連結される結合を意味すると理解されなければならない。
光酸発生剤
本発明者らは、厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物において、従来のナフタルイミドタイプの光酸発生剤にアルキレンジチオール基(alkylene dithiol)が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基を含む場合、溶解度に優れて感度を高めることができ、現像後の露光部にスカム(scum)が発生せず、別途の腐食防止剤を用いなくても優れた腐食防止効果を発現させることができる点を確認して、本発明を完成するに至った。
具体的には、本発明の一実施例による光酸発生剤は、下記の化学式1で表されるものであってもよい:
[化学式1]
Figure 0006862648
前記化学式1において、
、RおよびRは、それぞれ互いに独立して、水素、ハロゲン、チオール(SH)、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のフルオルアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜10のアルキルチオ基、または炭素数1〜20のアルキレンジチオール基が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基であり、
前記R、RおよびRのうちの少なくとも1つは、炭素数1〜20のアルキレンジチオール基が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基であり、
は、前記窒素原子に連結されたカルボニル(carbonyl)を含むかまたは含まない炭素数1〜4の置換もしくは非置換アルキレン基またはカルボニルであり、
は、カルボニルまたはメチレンであり、
は、水素、炭素数1〜20の脂肪族官能基またはLと共に炭素数6〜20の芳香族環または炭素数5〜20の脂肪族環をなし、
は、炭素数1〜10のアルキルフルオル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜10のアルキルチオ基である。
本発明の一実施例による光酸発生剤は、前記化学式1で表される構造を有し、前記R、RおよびRのうちの少なくとも1つは、炭素数1〜20のアルキレンジチオール基(dithiol)が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基であってもよい。
一方、本発明の一実施例によれば、前記炭素数1〜10のアルキル基は、直鎖状であり、2種以上の互いに同一または異なるアルキレンジチオール基が前記直鎖の互いに異なる位置あるいは同一の位置に置換される形態を有することができる。
本発明の一実施例による光酸発生剤は、このような新規な構造によって、光酸発生剤としての効果以外に、溶解度に優れて感度を高めることができ、優れた腐食防止効果まで発現させることができて、従来技術によるナフタルイミドタイプの光酸発生剤に比べて活用性が高い。特に、前記光酸発生剤の腐食防止剤代替効果は、直鎖のアルキル基に置換されたアルキレンジチオール基によって発現するものであってもよい。
また、本発明の一実施例による光酸発生剤は、前記化学式1で表される構造を有し、前記Rは、水素、炭素数1〜20の脂肪族官能基またはLと共に炭素数6〜20の芳香族環または炭素数5〜20の脂肪族環をなすことができる。例えば、前記光酸発生剤は、前記化学式1で表される構造を有するが、RとLが共に5員環(5−membered ring)または6員環(6−membered ring)を形成することができる。
具体的には、本発明の一実施例による光酸発生剤は、前記化学式1において、前記RがLと連結されて炭素数6〜20の芳香族環を形成し、前記Rは、少なくとも1つの二重結合を含む炭素数6〜20のアルケニレン基(alkenylene)であってもよい。例えば、前記形成される芳香族環は、ベンゼンまたはナフタレンであってもよい。
また、本発明の他の実施例による光酸発生剤は、前記化学式1において、前記RがLと連結されて炭素数5〜20の脂肪族環を形成し、前記Rは、炭素数5〜20のアルキレン基(alkylene)であってもよい。例えば、前記形成される脂肪族環は、シクロヘキサンであってもよい。
一方、本発明の一実施例による光酸発生剤は、前記化学式1において、Lは、下記の化学式2であり、
[化学式2]
Figure 0006862648
は、前記窒素原子に連結されたカルボニルを含むかまたは含まない炭素数1〜3のアルキレン基またはカルボニルであり、Rは、水素、炭素数1〜20の脂肪族官能基またはRと共にベンゼン(benzene)、ナフタレン(naphthalene)およびシクロヘキサン(cyclohexane)からなる群より選択される1つ以上の環をなすものであってもよい。
先に説明した光酸発生剤の具体例として、下記の化学式3〜8で表される化合物が挙げられるが、本発明がこれらに限定されるものではない。
[化学式3]
Figure 0006862648
[化学式4]
Figure 0006862648
[化学式5]
Figure 0006862648
[化学式6]
Figure 0006862648
[化学式7]
Figure 0006862648
[化学式8]
Figure 0006862648
前記化学式3〜8において、n1およびn2は、それぞれ独立した整数であり、1≦n1≦20、1≦n2≦20である。
前記化学式1の光酸発生剤の合成方法は、従来のPG−1((Trifluoromethylsulfonyloxy)−1,8−naphthalimide)のような光酸発生剤に1つ以上の二重結合または三重結合を有する置換もしくは非置換のアルキル基を導入し、前記二重結合または三重結合にアルキレンジチオール基(alkylene dithiol)を1つ以上導入して行われるものであってもよい。
厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物
本発明の他の実施例による厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物は、前記光酸発生剤を含む。
一般に、厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物は、光酸発生剤のほか、酸によって解離してアルカリ現像液に対する溶解性が増大する樹脂(アルカリ現像性樹脂)および光開始剤を含むことができる。
前記酸によって解離してアルカリ現像液に対する溶解性が増大する樹脂は、保護基によって保護された酸基を有する高分子樹脂であれば特に制限されず、前記酸基は、例えば、カルボキシ基、フェノール性水酸基などであってもよい。一方、前記樹脂は、当業界にて通常知られた高分子樹脂を使用することができ、例えば、ノボラック樹脂、ヒドロキシスチレン樹脂、またはアクリル樹脂などであってもよいが、これらに限定されない。
光開始剤は、当該技術分野にて一般に用いられるものを使用することができ、特に制限されるわけではない。光開始剤は、例えば、ベンゾフェノン、芳香族α−ヒドロキシケトン、ベンジルケタール、芳香族α−アミノケトン、フェニルグリオキサル酸エステル、モノ−アシルホスフィンオキシド、ビス−アシルホスフィンオキシド、トリス−アシルホスフィンオキシド、芳香族ケトン由来のオキシムエステルおよび/またはカルバゾール類型のオキシムエステルから選択される。
また、前記厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物は、前記成分に追加して、酸拡散抑制剤、界面活性剤、腐食防止剤、溶解抑制剤および溶媒などをさらに含んでもよい。
前記酸拡散制御剤は、レジストパターン形状、露光後の安定性などの向上のために含まれるものであり、例えば、トリエチルアミン(triethylamine)、トリプロピルアミン(tripropyl amine)、トリベンジルアミン(tribenzyl amine)、トリヒドロキシエチルアミン(trihydroxyethyl amine)、およびエチレンジアミン(ethylene diamine)からなるグループより選択される1種以上であってもよい。
前記腐食防止剤は、フォトレジスト剥離用組成物が前記金属パターンを腐食させる程度を最小化させるようにする役割を果たすものであって、当該技術分野にて一般に用いられるものを使用することができ、特に制限されるわけではない。
一方、腐食防止剤は、例えば、トリアゾール系化合物、没食子酸(gallic acid、GA)またはこれらの混合物であってもよい。前記腐食防止剤は、前記金属パターンを構成する金属と物理的、化学的に吸着して前記金属パターンの腐食を防止することができる。例えば、前記トリアゾール系化合物は、ベンゾトリアゾール(benzotriazol、BTA)化合物、トリトリアゾール(tolytriazol、TTA)を含む。ただし、本発明の一実施例による光酸発生剤を用いる場合、前記化学式1のような構造によって腐食防止剤を代替する効果を発現するので、前記腐食防止剤が必須として使用されなくてもよい。
一方、溶解抑制剤は、当業界にて通常知られた溶解抑制剤を使用することができ、特に制限されるわけではない。
前記溶媒は、各種成分を均一に溶解し、混合し、フォトレジスト組成物の粘度を制御するために含まれるものであり、前記溶媒は、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチルイソアミルケトン、2−ヘプタノンなどのケトン類;エチレングリコール、エチレングリコールモノアセテート、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールモノアセテート、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノアセテート、ジプロピレングリコール、ジプロピレングリコールモノアセテートのモノメチルエーテル、モノエチルエーテル、モノプロピルエーテル、モノブチルエーテル、モノフェニルエーテルなどの多価アルコール類およびその誘導体;ジオキサンなどの環状エーテル類;ギ酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ピルビン酸メチル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、ピルビン酸エチル、エトキシ酢酸エチル、メトキシプロピオン酸メチル、エトキシプロピオン酸エチル、2−ヒドロキシプロピオン酸メチル、2−ヒドロキシプロピオン酸エチル、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオン酸エチル、2−ヒドロキシ−3−メチルブタン酸メチル、3−メトキシブチルアセテート、3−メチル−3−メトキシブチルアセテートなどのエステル類;トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類;であってもよい。これらは、単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。
一方、前記厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物中において、酸によって解離してアルカリ現像液に対する溶解性が増大する樹脂100重量部を基準として、前記光酸発生剤は0.5重量部〜10重量部、溶媒は1重量部〜10重量部、界面活性剤は0.01重量部〜1重量部含まれる。一方、酸拡散抑制剤は、光酸発生剤100重量部対比、0.001重量部〜0.1重量部含まれる。フォトレジスト組成物内に前記成分が当該範囲に含まれる場合、アルキレンジチオール基によって溶解度および感度が増加し、腐食防止剤の代替の役割を同時に果たして、現像後のスカム(scum)および/またはフッティング(footing)が減少する効果がある。
本発明による 光酸発生剤は、光酸発生剤としての効果以外に、溶解度および感度に優れており、優れた腐食防止効果も存在する。
したがって、前記光酸発生剤を含む厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物は、現像後の露光部にスカム(scum)および/またはフッティング(footing)が減少する効果がある。
本発明は、多様な変更が加えられて様々な形態を有し得ることから、特定の実施例を例示して下記に詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物または代替物を含むことが理解されなければならない。
以下、本発明の具体的な実施例を通じて、発明の作用および効果をより詳述する。ただし、このような実施例は発明の例として提示されたものに過ぎず、これによって発明の権利範囲が定められるものではない。
<光酸発生剤の製造例>
製造例1
Figure 0006862648
Figure 0006862648
このような合成過程を経て、NIT−2SHを製造した。具体的な合成過程は以下の通りである。
化合物2の合成
前記化合物1(1.0equiv.)、1−pentyne(1.5equiv.)、palladium acetate(3mol%)、1,3,5−Triaza−7−phosphaadamantane(9mol%)、cesium carbonate(1.5equiv.)を入れたフラスコに、acetonitrileを入れて、80℃で24時間撹拌させた。反応が終わり、水を入れた後、dichloromethaneで3回抽出した。抽出後に得られた有機層はマグネシウムスルフェートで乾燥した後、フィルタ後に溶媒を除去した。カラムクロマトグラフィー精製をして、化合物2を85%の収率で23g得ることができた。
化合物3の合成
前記化合物2(1.0equiv.)、HO−NHCl(hydroxylamine hydrochloride、1.5equiv.)、NaHCO(1.5equiv.)を入れたフラスコに、ethanolを入れて、1時間還流させた後、溶媒を除去した。水とHCl(1N)を入れて、生成された無色の固体をろ過後、ジエチルエーテルで洗って、化合物3を73%の収率で16g得ることができた。
化合物4の合成
前記化合物3(1.0equiv.)をクロロホルムに溶かした後、pyridine(1.5equiv.)を入れて、0℃に冷やした。TfO(Trifluoromethanesulfonic anhydride、1.3equiv.)をゆっくり入れて、常温で3時間撹拌させた。反応が終わってから、水を入れた後、分離された有機層をNaOH水溶液(0.2N)、HCl(1N)、水で洗った後、マグネシウムスルフェートで乾燥した後、フィルタ後に溶媒を除去した。カラムクロマトグラフィー精製をして、化合物4を43%の収率で8.3g得ることができた。
NIT−2SHの合成
前記化合物4(1.0equiv.)、V−65(1.2equiv.)、1,2−Ethanedithiol(10equiv.)を入れたフラスコに、PGMEAを65℃で3時間チオール−エンクリック反応させて、NIT−2SHの構造の化合物を製造した。反応が終わってから、水を入れた後、分離された有機層を水で洗った後、マグネシウムスルフェートで乾燥した後、フィルタ後に溶媒を除去した。カラムクロマトグラフィー精製をして、NIT−2SHを24%の収率で3.1g得ることができた。
比較製造例1
Figure 0006862648
市販品(Commercially available)。
実施例
下記表1に記載の成分および含有量で実施例1〜4および比較例1〜4のポジティブ型フォトレジスト組成物を製造した。この時、アクリル樹脂は下記の化学式9、10で表される化合物であり、PHS樹脂は下記の化学式11で表される化合物であり、NIT−2SH、NITは感光性酸発生化合物PAGであり、Quencherは酸拡散抑制剤である。
[アクリル樹脂1]
[化学式9]
Figure 0006862648
[アクリル樹脂2]
[化学式10]
Figure 0006862648
[化学式11]
Figure 0006862648
前記フォトレジスト組成物の成分および組成を下記表1に示した。
Figure 0006862648
(単位:重量部)
一方、前記表1に記載の成分の含有量は固形分基準であり、アクリル樹脂およびPHS樹脂の総和は100重量部であり、NIT−2SH、NITおよびQuencherは、前記アクリル樹脂およびPHS樹脂の総和100重量部を基準としてそれぞれ3重量部および0.01重量部である。
性能評価
(1)溶解度
実施例1〜4および比較例1〜4で製造されたフォトレジスト組成物を製造後、完全に溶解するまでにかかる時間を下記の基準により評価した。その結果を表2に示した。
◎:製造後30分以内に溶解
○:製造後2時間以内に溶解
△:製造後8時間以内に溶解
X:製造後24時間以内に溶解
(2)感度
Si基板上に、実施例1〜4および比較例1〜4で製造されたフォトレジスト組成物をスピンコーティングして、120℃で2分間ホットプレートで乾燥した後、ステップマスクを用いて露光し、100℃で2分間ホットプレートで追加的に乾燥した後に、TMAH(tetramethylammonium hydroxide)水溶液で現像した。スカム(scum)を残さず底まで現像される露光量を感度として評価した。その結果を表2に示した。
(3)腐食防止効果=現像後の露光部のフッティング(footing)差比較
Si基板上に、実施例1〜4および比較例1〜4で製造されたフォトレジスト組成物をスピンコーティングして、120℃で2分間ホットプレートで乾燥した後、ステップマスクを用いて露光し、100℃で2分間ホットプレートで追加的に乾燥した後に、TMAH(tetramethylammonium hydroxide)水溶液で現像した。厚膜レジストパターンの頂上部のホール径から底部のホール径を減じた値をフッティング長として測定し、現像性の指標とした。現像性を下記の基準に基づいて測定して、その結果を表2に示した。
◎:フッティング長0nm超過500nm以内
○:フッティング長500nm超過1μm以内
△:フッティング長1μm超過2μm以内
X:フッティング長2μm超過
Figure 0006862648
前記表2によれば、本発明の実施例1〜4によるフォトレジスト組成物の場合、比較例1〜4によるフォトレジスト組成物に比べて、溶解度、感度および現像性(腐食防止効果)の側面からすべて優れた効果を示すことを確認することができた。

Claims (6)

  1. 下記の化学式1で表される光酸発生剤:
    [化学式1]
    Figure 0006862648
    前記化学式1において、
    、RおよびRは、それぞれ互いに独立して、水素、ハロゲン、チオール(SH)、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のフルオルアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜10のアルキルチオ基、または炭素数1〜20のアルキレンジチオール基が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基であり、
    前記R、RおよびRのうちの少なくとも1つは、炭素数1〜20のアルキレンジチオール基が1つ以上置換された炭素数1〜10のアルキル基であり、
    は、前記窒素原子に連結されたカルボニル(carbonyl)を含む炭素数1〜4の置換もしくは非置換アルキレン基またはカルボニルであり、
    は、カルボニルであり、
    は、水素、炭素数1〜20の脂肪族官能基またはLと共に炭素数6〜20の芳香族環または炭素数5〜20の脂肪族環をなし、
    は、炭素数1〜10のアルキルフルオル基、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜10のアルキルチオ基である。
  2. 前記RがLと連結されて炭素数6〜20の芳香族環を形成し、前記Rは、少なくとも1つの二重結合を含む炭素数6〜20のアルケニレン基(alkenylene)である、請求項1に記載の光酸発生剤。
  3. 前記RがLと連結されて炭素数5〜20の脂肪族環を形成し、前記Rは、炭素数5〜20のアルキレン基(alkylene)である、請求項1に記載の光酸発生剤。
  4. 化学式1のLは、下記の化学式2であり、
    [化学式2]
    Figure 0006862648
    は、前記窒素原子に連結されたカルボニルを含む炭素数1〜3のアルキレン基またはカルボニルであり、
    は、水素、炭素数1〜20の脂肪族官能基またはRと共にベンゼン(benzene)、ナフタレン(naphthalene)およびシクロヘキサン(cyclohexane)からなる群より選択される1つ以上の環をなす、請求項1から3のいずれか一項に記載の光酸発生剤。
  5. 光酸発生剤は、下記の化学式3〜化学式8で表される化合物の中から選択される1つ以上である、請求項1に記載の光酸発生剤:
    [化学式3]
    Figure 0006862648
    [化学式4]
    Figure 0006862648
    [化学式5]
    Figure 0006862648
    [化学式6]
    Figure 0006862648
    [化学式7]
    Figure 0006862648
    [化学式8]
    Figure 0006862648
    前記化学式3〜8において、
    n1およびn2は、それぞれ独立した整数であり、1≦n1≦20、1≦n2≦20である。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光酸発生剤を含む厚膜用化学増幅型フォトレジスト組成物。
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