JPWO2017002833A1 - 光硬化性組成物、パターン形成方法およびデバイスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

エッチング後のパターンの変形(ライン幅ラフネスの変化(ΔLWR))およびエッチング後のパターンの断線の両者の抑制が可能な光硬化性組成物、パターン形成方法およびデバイスの製造方法を提供する。下記一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートと、光重合開始剤とを含有する、光硬化性組成物;式中、R1は、水素原子またはメチル基を表し、R2は、フッ素原子で置換されていてもよいアルキル基を表し、R3は、水素原子、フッ素原子で置換されていてもよい直鎖のアルキル基、または、フッ素原子で置換されていてもよい分岐のアルキル基を表し、R4〜R8は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;R2とR3に含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である; R2とR3、または、R2とR4は、互いに結合して環を形成していても良い。

Description

本発明は、光硬化性組成物に関する。また、光硬化性組成物を用いた、パターン形成方法およびデバイスの製造方法に関する。
インプリント法は、光ディスクの作製で知られているエンボス技術を発展させたもので、凹凸のパターンを形成した金型原器(一般的にモールド、スタンパ、テンプレートと呼ばれる)の微細パターンを精密に転写する技術である。モールドを一度作製すれば、ナノ構造等の微細構造が簡単に繰り返し成型できるために経済的であり、近年、さまざまな分野への応用が期待されている。
インプリント法として、熱可塑性樹脂を用いる熱インプリント法(例えば、非特許文献1参照)と、光硬化性組成物を用いる光インプリント法(例えば、非特許文献2、非特許文献3参照)が提案されている。熱インプリント法は、ガラス転移温度以上に加熱した熱可塑性樹脂にモールドを高圧でプレスした後、ガラス転移温度以下に冷却してからモールドを剥離することで微細構造を樹脂に転写するものである。
一方、光インプリント法は、光硬化性組成物を基板とモールドで挟持した状態で、光透過性モールドまたは光透過性基板を通して紫外線(UV)露光して光硬化性組成物を硬化させた後、モールドを剥離することで微細パターンを硬化物に転写するものである。この方法は、室温でのインプリントが可能になるため、半導体集積回路の作製などの超微細パターンの精密加工分野に応用することができる。
インプリントパターンをエッチングマスクに用いて基板を微細加工する方法は、ナノインプリントリソグラフィー(NIL)と呼ばれ、開発が進められている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
一方、非特許文献4には、レジスト材料のエッチングレートは、大西パラメータ(大西P)と相関関係があることが記載されている。
特開2010−159369号公報 特開2010−186979号公報
S. Chou et al., Appl. Phys. Lett. 67, 3114 (1995) J. Haisma et al., J. Vac. Sci. Technol. B 14(6), 4124 (1996) M. Colbun et al., Proc. SPIE 3676, 379 (1999) J. Electrochem. Soc. 130, 143 (1983)
ここで、近年、半導体用途など、ドライエッチング加工する用途に用いられるインプリント用光硬化性組成物は、エッチング後のパターンの変形(ライン幅ラフネスの変化(ΔLWR))およびエッチング後のパターンの断線の両者の抑制が求められる傾向にある。しかしながら、従来の光硬化性組成物は、この点が必ずしも十分とは言えなかった。
本発明はかかる課題を解決することを目的としたものであって、エッチング後のパターンの変形(ΔLWR)およびエッチング後のパターンの断線の両者の抑制が可能な光硬化性組成物を提供することを目的とする。
かかる状況のもと本発明者らが鋭意検討を行った結果、後述する特定の単官能の(メタ)アクリレートを用いることで上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。具体的には、下記手段<1>により、好ましくは<2>〜<14>により、上記課題は解決された。
<1>下記一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートと、光重合開始剤とを含有する、光硬化性組成物;
Figure 2017002833
式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、
は、フッ素原子で置換されていてもよいアルキル基を表し、
は、水素原子、フッ素原子で置換されていてもよい直鎖のアルキル基、または、フッ素原子で置換されていてもよい分岐のアルキル基を表し、
〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;
とRに含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である;
とR、または、RとRは、互いに結合して環を形成していても良い。
<2>上記一般式(I)において、Rが炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基である、<1>に記載の光硬化性組成物。
<3>上記一般式(I)において、Rが水素原子である、<1>または<2>に記載の光硬化性組成物。
<4>上記一般式(I)において、RおよびRが、それぞれ独立に、フッ素原子で置換されていてもよいメチル基である、<1>または<2>に記載の光硬化性組成物。
<5>上記単官能(メタ)アクリレートが、下記一般式(II)で表される、<1>または<2>に記載の光硬化性組成物。
Figure 2017002833
式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、
Lは、直鎖のアルキレン基または分岐のアルキレン基を表し、
32は、水素原子、直鎖のアルキル基または分岐のアルキル基を表し、
〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;
LとR32に含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である。
<6>上記単官能(メタ)アクリレートを、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して20〜80質量%含有する、<1>〜<5>のいずれかに記載の光硬化性組成物。
<7>さらに多官能(メタ)アクリレートを、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して20〜79質量%含有する、<1>〜<6>のいずれかに記載の光硬化性組成物。
<8>上記多官能(メタ)アクリレートが、芳香族基を有する、<7>に記載の光硬化性組成物。
<9>上記光硬化性組成物の大西パラメータが3.6以下であり、上記光硬化性組成物の硬化膜のガラス転移温度が85℃以上である、<1>〜<8>のいずれかに記載の光硬化性組成物;但し、硬化膜のガラス転移温度は、以下の方法で測定した値である;
光硬化性組成物を石英板に挟み、光源として高圧水銀ランプを用い、波長300〜400nm、照度10mW/cm、露光時間100秒の条件で紫外線硬化して、膜厚150μm、幅5mmの短冊サンプルである硬化膜を作製し、短冊サンプルを、動的粘弾性測定装置を用いて、チャック間距離20mm、温度範囲20℃〜220℃、昇温速度5℃/分、周波数1Hzの条件で、引っ張り正弦波モードにて動的粘弾性を測定し、得られた損失正接曲線の極大値の温度を、ガラス転移温度とする;
大西パラメータは、以下の数式(1)で表される値である;
大西パラメータ=全原子数/(炭素原子数−酸素原子数)・・・(1)。
<10>上記光硬化性組成物の23℃における粘度が5.5〜15.0mPa・sである、<1>〜<9>のいずれかに記載の光硬化性組成物。
<11>インプリント用である、<1>〜<10>のいずれかに記載の光硬化性組成物。
<12><1>〜<11>のいずれかに記載の光硬化性組成物を、基材上またはパターンを有するモールド上に適用する工程と、
上記光硬化性組成物を上記モールドと上記基材とで挟持する工程と、
上記光硬化性組成物を上記モールドと上記基材とで挟持した状態で光照射して、上記光硬化性組成物を硬化させる工程と、
上記モールドを剥離する工程とを含む、パターン形成方法。
<13>上記光硬化性組成物を、インクジェット法により、上記基材上または上記パターンを有するモールド上に適用する、<12>に記載のパターン形成方法。
<14><12>または<13>に記載のパターン形成方法で作製したパターンをマスクとして、上記基材をエッチングする工程を含む、デバイスの製造方法。
本発明によれば、エッチング後のパターンの変形(ライン幅ラフネスの変化(ΔLWR))およびエッチング後のパターンの断線の両者の抑制が可能な光硬化性組成物、パターン形成方法およびデバイスの製造方法を提供することが可能になった。
以下において、本発明の内容について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
本明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、アクリレートおよびメタクリレートを表し、「(メタ)アクリル」は、アクリルおよびメタクリルを表し、「(メタ)アクリロイル」は、アクリロイルおよびメタクリロイルを表す。
本明細書において「インプリント」は、好ましくは、1nm〜100μmのサイズのパターン転写をいい、より好ましくは、10nm〜1μmのサイズ(ナノインプリント)のパターン転写をいう。
本明細書中の基(原子団)の表記において、後述する一般式(I)および(II)で表される単官能(メタ)アクリレートを除き、置換および無置換を記していない表記は、置換基を有さない基と共に置換基を有する基をも包含するものである。例えば、「アルキル基」とは、置換基を有さないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を有するアルキル基(置換アルキル基)をも包含するものである。
本明細書において、「光」には、紫外、近紫外、遠紫外、可視、赤外等の領域の波長の光や、電磁波だけでなく、放射線も含まれる。放射線には、例えばマイクロ波、電子線、極端紫外線(EUV)、X線が含まれる。また248nmエキシマレーザー、193nmエキシマレーザー、172nmエキシマレーザーなどのレーザー光も用いることができる。これらの光は、光学フィルタを通したモノクロ光(単一波長光)でもよいし、複数の波長の異なる光(複合光)でもよい。
本明細書において、数平均分子量(Mn)は、特に述べない限り、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定でのポリスチレン換算値として定義される。本明細書において、数平均分子量(Mn)は、例えば、HLC−8220(東ソー(株)製)を用い、カラムとしてガードカラムHZ−L、TSKgel Super HZM−M、TSKgel Super HZ4000、TSKgel Super HZ3000、またはTSKgel Super HZ2000(全て、東ソー(株)製)を用いることによって求めることができる。溶離液は特に述べない限り、THF(テトラヒドロフラン)を用いて測定したものとする。また、検出は特に述べない限り、紫外線(UV)254nm検出器を使用したものとする。
光硬化性組成物
本発明の光硬化性組成物は、下記一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレート(以下、「特定単官能(メタ)アクリレート」ということがある)と、光重合開始剤とを含有することを特徴とする。
Figure 2017002833
式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、
は、フッ素原子で置換されていてもよいアルキル基を表し、
は、水素原子、フッ素原子で置換されていてもよい直鎖のアルキル基、または、フッ素原子で置換されていてもよい分岐のアルキル基を表し、
〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;
とRに含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である;
とR、または、RとRは、互いに結合して環を形成していても良い。
このような構成とすることにより、エッチング後のパターンの変形(ΔLWR)およびエッチング後のパターンの断線の両者の抑制が可能な光硬化性組成物が得られる。
インプリントに用いる光硬化性組成物には、一般的には、基板上への適用性(例えば、インクジェット吐出性)やインプリント適性(例えば、充填性、離型性)などが求められる。さらに、上述のとおり、半導体用途など、ドライエッチング加工する用途については、エッチング耐性も要求される。エッチング耐性としては、エッチング加工条件において、エッチングレートが低いこと、および、エッチング後のパターンの変形が生じないことが必要である。レジストパターンのエッチングレートが高いと、被加工基板とのエッチング選択比を十分に確保できず、エッチング後のパターンに断線が生じる。
ここで、従来の光硬化性組成物は、低エッチングレートとエッチング後のパターンの変形(ΔLWR)の抑制とを両立することについて必ずしも十分ではなかった。
かかる状況のもと、本発明では、単官能(メタ)アクリレートである、一般式(I)のRおよびRの部分に所定の構造を採用することによって、低大西Pと得られる硬化膜の高ガラス転移温度(Tg)とを両立し、エッチング後のパターンの断線および変形の両者の抑制に成功したものである。
以下、本発明の光硬化性組成物の各成分について説明する。
<一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレート>
本発明の光硬化性組成物は、一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートを含有する。
Figure 2017002833
式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、
は、フッ素原子で置換されていてもよいアルキル基を表し、
は、水素原子、フッ素原子で置換されていてもよい直鎖のアルキル基、または、フッ素原子で置換されていてもよい分岐のアルキル基を表し、
〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;
とRに含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である;
とR、または、RとRは、互いに結合して環を形成していても良い。
一般式(I)において、Rは、水素原子またはメチル基を表す。反応性の観点から、Rは、水素原子が好ましい。
一般式(I)において、Rは、フッ素原子で置換されていてもよいアルキル基を表す。
アルキル基は、直鎖、分岐、環状のいずれであってもよい。
直鎖のアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましい。分岐のアルキル基の炭素数は、3〜6が好ましい。直鎖または分岐のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられる。環状のアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基が挙げられ、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基がより好ましい。
また、これらのアルキル基は、フッ素原子で置換されていない方が好ましいが、フッ素原子で置換されていてもよい。すなわち、アルキル基が有する水素原子の一部または全部がフッ素原子で置換されていてもよい。アルキル基がフッ素原子で置換されている場合、アルキル基は、直鎖、分岐、環状のいずれのアルキル基であっても良いが、直鎖または分岐のアルキル基が好ましく、直鎖のアルキル基がより好ましい。また、アルキル基がフッ素原子で置換されている場合、アルキル基が有する全ての水素原子がフッ素原子で置換された、パーフルオロアルキル基であることが好ましい。パーフルオロアルキル基としては、トリフルオロメチル基が挙げられる。
は、これらの中でも、メチル基、トリフルオロメチル基が好ましく、メチル基が特に好ましい。
一般式(I)において、Rは、水素原子、フッ素原子で置換されていてもよい直鎖のアルキル基、または、フッ素原子で置換されていてもよい分岐のアルキル基を表す。
直鎖のアルキル基の炭素数は、1〜5が好ましい。分岐のアルキル基の炭素数は、3〜5が好ましい。
直鎖または分岐のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基等が挙げられる。直鎖または分岐のアルキル基は、フッ素原子で置換されていない方が好ましいが、フッ素原子で置換されていてもよい。アルキル基がフッ素原子で置換されている場合、アルキル基は、直鎖、分岐のいずれのアルキル基であっても良いが、直鎖のアルキル基が好ましい。また、アルキル基がフッ素原子で置換されている場合、パーフルオロアルキル基であることが好ましい。パーフルオロアルキル基としては、トリフルオロメチル基が好ましい。
は、これらの中でも、水素原子、メチル基、トリフルオロメチル基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
一般式(I)において、RとRに含まれる炭素原子数の合計は、1〜6であり、1〜5であることが好ましく、1〜4であることがより好ましい。このような範囲とすることにより、粘度をより低くすることができ、エッチング後のパターンの断線をより効果的に抑制することが可能になる。
一般式(I)において、R〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す。
ハロゲン原子としては、塩素原子またはフッ素原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。
上記直鎖または分岐のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、tert−ブチル基が挙げられる。これらの中でも、水素原子またはメチル基が好ましい。
一般式(I)において、RとR、または、RとRは、互いに結合して環を形成していても良い。
とRが互いに結合して形成される環としては、炭素数3〜6の環が好ましく、炭素数4〜6の環がより好ましい。RとRが互いに結合して形成される環の具体例としては、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基が挙げられる。
とRが互いに結合して環を形成する場合、一般式(I)で表わされる単官能(メタ)アクリレートが、後述する一般式(II)で表されることが好ましい。
本発明における一般式(I)で表わされる単官能(メタ)アクリレートの好ましい実施形態の一例として、RおよびRが、それぞれ独立に、フッ素原子で置換されていても良いメチル基である態様が例示される。本態様において、R〜Rが、水素原子であることが好ましい。
本発明における一般式(I)で表わされる単官能(メタ)アクリレートの好ましい実施形態の他の一例として、Rは炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基であり(より好ましくは、Rはメチル基であり)、R〜Rは水素原子であり、Rは水素原子またはメチル基である態様が例示される。
本発明における一般式(I)で表わされる単官能(メタ)アクリレートの好ましい実施形態の他の一例として、R〜Rが、水素原子である態様が例示される。
一般式(I)で表わされる単官能(メタ)アクリレートの好ましい実施形態の他の一例として、一般式(II)で表される単官能(メタ)アクリレートが挙げられる。
Figure 2017002833
式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、
Lは、直鎖のアルキレン基または分岐のアルキレン基を表し、
32は、水素原子、直鎖のアルキル基または分岐のアルキル基を表し、
〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;
LとR32に含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である。
一般式(II)において、Rの好ましい範囲は、一般式(I)におけるRと同様である。
一般式(II)において、R32は、水素原子、直鎖のアルキル基または分岐のアルキル基を表し、水素原子が好ましい。直鎖のアルキル基の炭素数は、1〜5が好ましい。分岐のアルキル基の炭素数は、3〜5が好ましい。直鎖または分岐のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基等が挙げられる。
また、一般式(II)において、R〜Rの好ましい範囲は、それぞれ独立に、一般式(I)におけるR〜Rと同様である。
一般式(II)において、Lは、直鎖または分岐のアルキレン基を表す。アルキレン基の炭素数は、1〜6であり、1〜4が好ましい。アルキレン基は直鎖のアルキレン基であることが好ましい。
アルキレン基の具体例としては、メチレン基、エチレン基、1,3−プロピレン基、1,4−ブチレン基、1,1−ジメチルエチレン基等が挙げられる。これらの中でも、エチレン基がより好ましい。
一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートの分子量は、175〜500が好ましく、190〜250がより好ましい。
また、一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートの25℃における粘度は、3〜50mPa・sであることが好ましく、4〜20mPa・sであることがより好ましく、7〜10mPa・sであることがさらに好ましい。このような範囲とすることにより、インクジェット吐出精度をより向上させることができる。粘度の測定方法は、後述する実施例に記載の方法に従う。実施例で用いられる測定機器等が廃版等の場合、他の同等の性能を有する機器を使用することができる。以下、他の測定方法についても同様である。
一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートの大西Pは、3.2以下が好ましく、3.0以下がより好ましく、2.9以下がさらに好ましく、2.8以下が一層好ましい。
一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートのホモポリマーのTgは、25℃以上であることが好ましく、45℃以上であることがより好ましく、65℃以上であることがさらに好ましい。本発明では、一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートの大西Pを低く保ちつつ、得られるホモポリマーのTgを比較的高くできるので、光硬化性組成物の低大西Pと得られる硬化膜の高Tgを両立でき、エッチング耐性に優れた光硬化性組成物が得られる。
ホモポリマーのTgの測定方法は、後述する実施例で規定する方法に従う。
一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートの具体例としては、以下の(メタ)アクリレートを挙げることができる。本発明がこれらに限定されるものではないことは言うまでもない。
Figure 2017002833
本発明の光硬化性組成物における、一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートの含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して20〜80質量%であることが好ましい。下限は、25質量%以上がより好ましく、30質量%以上がさらに好ましく、40質量%が特に好ましい。上限は、75質量%以下がより好ましく、70質量%以下がさらに好ましく、60質量%以下が特に好ましい。
一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートは、1種のみ含んでいても良いし、2種以上含んでいても良い。2種以上含む場合は、合計量が上記範囲となることが好ましい。
<脂肪族単官能(メタ)アクリレート>
本発明の光硬化性組成物は、脂肪族単官能(メタ)アクリレートを含有していても良い。ここでいう脂肪族単官能(メタ)アクリレートは、後述する含フッ素単官能(メタ)アクリレートに該当するものは除く趣旨である。
脂肪族単官能(メタ)アクリレートは、炭素数9〜16の直鎖または分岐の脂肪族アルコールと、(メタ)アクリル酸とのエステルであることが好ましい。
脂肪族単官能(メタ)アクリレートの分子量は、195〜315が好ましく、210〜285がより好ましく、225〜270がさらに好ましい。
脂肪族単官能(メタ)アクリレートの具体例としては、n−ノニル(メタ)アクリレート、i−ノニル(メタ)アクリレート、n−デシル(メタ)アクリレート、i−デシル(メタ)アクリレート、2−プロピルヘプチル(メタ)アクリレート、n−ウンデシル(メタ)アクリレート、n−ドデシル(メタ)アクリレート、2−ブチルオクチル(メタ)アクリレート、n−トリデシル(メタ)アクリレート、n−テトラデシル(メタ)アクリレート、n−ヘキサデシル(メタ)アクリレートが挙げられる。これらの中でも、n−デシルアクリレート、2−プロピルヘプチルアクリレート、n−ウンデシルアクリレート、n−ドデシルアクリレート、2−ブチルオクチルアクリレート、n−トリデシルアクリレート、n−テトラデシルアクリレートが好ましく、n−ウンデシルアクリレート、n−ドデシルアクリレート、2−ブチルオクチルアクリレート、n−トリデシルアクリレート、n−テトラデシルアクリレートがより好ましく、n−ドデシルアクリレート、n−トリデシルアクリレート、またはn−テトラデシルアクリレートが特に好ましい。
本発明の光硬化性組成物が脂肪族単官能(メタ)アクリレートを含む場合、その含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して5〜30質量%であることが好ましく、10〜25質量%がより好ましく、15〜20質量%がさらに好ましい。
本発明の光硬化性組成物は、また、脂肪族単官能(メタ)アクリレートを実質的に含まない構成とすることもできる。実質的に含まないとは、例えば、本発明の光硬化性組成物に含まれる全重合性化合物の5質量%以下、さらには3質量%以下、特には、1質量%以下であることをいう。
脂肪族単官能(メタ)アクリレートは、1種のみ含んでいても良いし、2種以上含んでいても良い。2種以上含む場合は、合計量が上記範囲となることが好ましい。
<含フッ素単官能(メタ)アクリレート>
本発明の光硬化性組成物は、フッ素原子を含む単官能(メタ)アクリレートをさらに含有しても良い。ただしここで説明するフッ素原子を含む単官能(メタ)アクリレートには、一般式(I)で表される化合物は含まないものとする。
含フッ素単官能(メタ)アクリレートの分子量は、300〜600が好ましく、350〜550がより好ましく、400〜500がさらに好ましい。
含フッ素単官能(メタ)アクリレートは、下記一般式(IV)で表される含フッ素(メタ)アクリレートであることが好ましい。
Figure 2017002833
式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、Rfは、アルキル基の水素原子の少なくとも一つがフッ素原子で置換された、炭素数1〜9の含フッ素アルキル基を表し、Lは、単結合、−O−、−OC(=O)−、または、−C(=O)O−を表し、nは、0〜8の整数を表す。
一般式(IV)において、Rは、水素原子またはメチル基を表す。反応性の観点から、Rは、水素原子が好ましい。
一般式(IV)において、Rfは、アルキル基の水素原子の少なくとも一つがフッ素原子で置換された、炭素数1〜9の含フッ素アルキル基を表す。Rfは、直鎖状、分岐状および環状のいずれであってもよいが、直鎖状または分岐状が好ましく、直鎖状がより好ましい。 なお、本明細書において、「アルキル基の水素原子の少なくとも一つがフッ素原子で置換された、炭素数1〜9の含フッ素アルキル基」とは、フッ素原子を置換基として含む炭素数1〜9のアルキル基を意味し、アルキル基の水素原子をフッ素原子で置換して合成した基のみに限定されるものではない。
Rfの炭素数は、2〜9が好ましく、4〜9がより好ましく、5〜8がさらに好ましく、6〜8が特に好ましい。
Rfのフッ素原子の置換率は、40〜100%であることが好ましく、50〜90%であることがより好ましく、65〜85%であることがさらに好ましい。この態様によれば、モールド離型性を向上できる。フッ素原子の置換率とは、炭素数1〜9のアルキル基が有する全水素原子の数のうち、フッ素原子に置換されている数の比率(%)をいう。
Rfは、炭素数4〜6のパーフルオロアルキル基と炭素数1〜3のアルキレン基からなる含フッ素アルキル基、または、炭素数4〜6のω−H−パーフルオロアルキル基と炭素数1〜3のアルキレン基からなる含フッ素アルキル基が好ましく、炭素数4〜6のパーフルオロアルキル基と炭素数1〜3のアルキレン基からなる含フッ素アルキル基がより好ましい。
Rfの具体例としては、CFCH−、CFCFCH−、CF(CFCH−、CF(CFCHCH−、CF(CFCHCHCH−、CF(CFCH−、CF(CFCHCH−、CF(CFCHCHCH−、(CFCH−、(CFC(CH)CH−、(CFCF(CFCHCH−、(CFCF(CFCHCH−、H(CFCH−、H(CFCH−、H(CFCH−、H(CFCH−等が挙げられる。これらの中でも、CF(CFCH−、CF(CFCH−、CF(CFCHCH−、CF(CFCHCHCH−、H(CFCH−が好ましく、CF(CFCHCH−またはCF(CFCHCHCH−がより好ましく、CF(CFCHCH−が特に好ましい。
一般式(IV)において、Lは、単結合、−O−、−OC(=O)−、または、−C(=O)O−を表し、単結合または−O−が好ましい。
Lが、−O−、−OC(=O)−、または、−C(=O)O−の場合、nは、1〜5が好ましく、1〜3がより好ましい。
Lが、単結合の場合、nは、0〜6が好ましく、0〜4がより好ましく、0がさらに好ましい。
含フッ素単官能(メタ)アクリレートの好ましい具体例として、以下の化合物が挙げられるが、これらの化合物に限定されるものではない。Rは水素原子またはメチル基であり、水素原子が好ましい。
Figure 2017002833
市販品としては、ユニマテック(株)製商品名FAAC−6を用いることもできる。
本発明の光硬化性組成物が、含フッ素単官能(メタ)アクリレートを含む場合、その含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して、1〜5質量%であることが好ましく、1〜3質量%がより好ましい。含フッ素単官能(メタ)アクリレートの含有量を1質量%以上にすると、離型性がより向上する。また、含フッ素単官能(メタ)アクリレートの含有量を5質量%以下にすると、パターンラフネスに優れる。含フッ素単官能(メタ)アクリレートは、1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。2種以上を用いる場合は、その合計量が上記範囲となることが好ましい。
<その他の単官能(メタ)アクリレート>
本発明の光硬化性組成物は、上述した一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレート、脂肪族単官能(メタ)アクリレート、および含フッ素単官能(メタ)アクリレート以外の単官能(メタ)アクリレート(その他の単官能(メタ)アクリレートという)を含んでもよい。
その他の単官能(メタ)アクリレートとしては、一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレート以外の芳香族基を有する単官能(メタ)アクリレート、脂環式炭化水素基を有する単官能(メタ)アクリレート、水酸基またはエーテル基を有する単官能(メタ)アクリレート等を挙げることができる。
その他の単官能(メタ)アクリレートの具体例として、例えば、ベンジル(メタ)アクリレート、フェネチル(メタ)アクリレート、2−フェノキシエチル(メタ)アクリレート、芳香環上に置換基を有するベンジル(メタ)アクリレート(好ましい置換基としては炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、シアノ基)、1−または2−ナフチル(メタ)アクリレート、1−または2−ナフチルメチル(メタ)アクリレート、1−または2−ナフチルエチル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート、1−アダマンチル(メタ)アクリレート、2−アダマンチル(メタ)アクリレート、2−メチル−2−アダマンチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、メトキシエチル(メタ)アクリレート、エトキシエトキシエチル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、(2−メチル−2−エチル−1,3−ジオキソラン−4−イル)メチル(メタ)アクリレート、(3−エチルオキセタン−3−イル)メチル(メタ)アクリレートが例示される。
本発明の光硬化性組成物が、その他の単官能(メタ)アクリレートを含む場合、その含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して、5〜40質量%が好ましく、10〜30質量%がより好ましい。
その他の単官能(メタ)アクリレートは、1種のみ含んでいても良いし、2種以上含んでいても良い。2種以上含む場合は、合計量が上記範囲となることが好ましい。
本発明の光硬化性組成物は、また、その他の単官能(メタ)アクリレートを実質的に含まない構成とすることもできる。実質的に含まないとは、例えば、本発明の光硬化性組成物に含まれる全重合性化合物の5質量%以下、さらには3質量%以下、特には、1質量%以下であることをいう。
<多官能(メタ)アクリレート>
本発明の光硬化性組成物は、2官能以上の多官能(メタ)アクリレートを含有することが好ましい。
多官能(メタ)アクリレートは、芳香族多価アルコールまたは脂肪族多価アルコールと、(メタ)アクリル酸とのエステルであることが好ましい。
多官能(メタ)アクリレートは、(メタ)アクリレート基を2〜6個有することが好ましく、2個または3個有することがより好ましく、2個有することが特に好ましい。
多官能(メタ)アクリレートの分子量は、170〜600が好ましく、190〜300がより好ましく、210〜270がさらに好ましい。分子量が上記範囲であれば、揮発性の抑制と、低粘度とを両立することができる。
多官能(メタ)アクリレートは、芳香族基を有する多官能(メタ)アクリレート、脂環式炭化水素基を有する多官能(メタ)アクリレート、または芳香族基および脂環式炭化水素基を有さない鎖状脂肪族の多官能(メタ)アクリレートであることが好ましく、芳香族基を有する多官能(メタ)アクリレートまたは脂環式炭化水素基を有する多官能(メタ)アクリレートであることがより好ましく、芳香族基を有する多官能(メタ)アクリレートであることがさらに好ましい。
本発明で用いることができる多官能(メタ)アクリレートは、より具体的には、
P−O−L−R−L−O−P
で表されることが好ましい。ここで、Pは(メタ)アクリロイル基であり、Lは単結合または連結基であり、Rは芳香族基、脂環式炭化水素基、直鎖または分岐の炭化水素基である。Lは、単結合またはアルキレン基が好ましく、単結合、メチレン基またはエチレン基がより好ましく、メチレン基がさらに好ましい。Rは、フェニレン基、シクロヘキサン基、直鎖または分岐の炭素数2〜6の炭化水素基が好ましい。
芳香族基を有する多官能(メタ)アクリレートの具体例としては、o−、m−、p−フェニレンジ(メタ)アクリレート、o−、m−、p−キシリレンジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、エチレンオキシ(EO)変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、プロピレンオキシ(PO)変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、EO変性ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)フェニル]フルオレンが例示される。これらの中でも、m−キシリレンジアクリレートが、本発明に特に好適に用いられる。
脂環式炭化水素基を有する多官能(メタ)アクリレートの具体例としては、trans−1,2−シクロヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、cis−1,2−シクロヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,3−シクロヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4−シクロヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,2−シクロヘキサンジメタノールジ(メタ)アクリレート、1,3−シクロヘキサンジメタノールジ(メタ)アクリレート、1,4−シクロヘキサンジメタノールジ(メタ)アクリレート、ノルボルナンジメタノールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、1,3−アダマンタンジオールジ(メタ)アクリレートが例示される。これらの中でも、1,2−シクロヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4−シクロヘキサンジメタノールジアクリレート、トリシクロデカンジメタノールジアクリレートが、本発明に好適に用いられる。
芳香族基および脂環式炭化水素基を有さない鎖状脂肪族の多官能(メタ)アクリレートの具体例としては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,3−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、cis−2−ブテン−1,4−ジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、3−メチル−1,5−ペンタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9−ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオールジ(メタ)アクリレート、1,10−デカンジオールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリテトラメチレングリコールジ(メタ)アクリレート、EO変性ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、PO変性ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、2,2−ジメチル−3−((メタ)アクリロイルオキシ)プロピオン酸2,2−ジメチル−3−((メタ)アクリロイルオキシ)プロピル、2−ヒドロキシ−3−アクリロイルオキシプロピルメタクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリス(2−(メタ)アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレートが例示される。
これらの中でも、1,3−ブタンジオールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、cis−2−ブテン−1,4−ジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、3−メチル−1,5−ペンタンジオールジアクリレートが、本発明に特に好適に用いられる。
市販品としては、共栄社化学(株)製商品名ライトアクリレートNP−A、大阪有機化学工業(株)製ビスコート#195、ビスコート#230なども例示される。
多官能(メタ)アクリレートは、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して20〜79質量%含有することが好ましい。下限は、25質量%以上がより好ましく、30質量%以上がさらに好ましく、40質量%が特に好ましい。上限は、75質量%以下がより好ましく、70質量%以下がさらに好ましく、60質量%以下が特に好ましい。多官能(メタ)アクリレートの含有量が上記範囲であれば、膜強度に優れたパターンが得られる。
多官能(メタ)アクリレートは、1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。2種以上を用いる場合は、その合計量が上記範囲となることが好ましい。
特に、芳香族基を有する多官能(メタ)アクリレートおよび脂環式炭化水素基を有する多官能(メタ)アクリレートの合計で、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して20〜80質量%含有することが好ましい。
単官能(メタ)アクリレートと多官能(メタ)アクリレートとの質量比は、20:80〜80:20が好ましく、30:70〜70:30がより好ましく、40:60〜60:40がさらに好ましい。このような範囲とすることで、インクジェット吐出精度、モールド充填性、硬化性、離型性、硬化膜の強度、エッチング耐性を向上することができる。
<光重合開始剤>
本発明の光硬化性組成物は、光重合開始剤を含有する。光重合開始剤は、光照射により重合性化合物を重合する活性種を発生させる化合物であれば、いずれのものでも用いることができる。光重合開始剤としては、光ラジカル重合開始剤、光カチオン重合開始剤が好ましく、光ラジカル重合開始剤がより好ましい。
光ラジカル重合開始剤としては、例えば、市販されている開始剤を用いることができる。これらの例としては、例えば、特開2008−105414号公報の段落番号0091に記載のものを好ましく採用することができる。この中でもアセトフェノン系化合物、アシルホスフィンオキサイド系化合物、オキシムエステル系化合物が、硬化感度、吸収特性の観点から好ましい。市販品としては、イルガキュア(登録商標)1173、イルガキュア184、イルガキュア2959、イルガキュア127、イルガキュア907、イルガキュア369、イルガキュア379、ルシリン(登録商標)TPO、イルガキュア819、イルガキュアOXE−01、イルガキュアOXE−02、イルガキュア651、イルガキュア754等(以上、BASF社製)が挙げられる。
光重合開始剤は、1種単独で用いてもよいが、2種以上を併用して用いることも好ましい。2種以上を併用する場合、光ラジカル重合開始剤を2種以上併用することがより好ましい。具体的には、イルガキュア1173とイルガキュア907、イルガキュア1173とルシリンTPO、イルガキュア1173とイルガキュア819、イルガキュア1173とイルガキュアOXE01、イルガキュア907とルシリンTPO、イルガキュア907とイルガキュア819との組み合わせが例示される。このような組み合わせとすることにより、露光マージンを拡げることができる。
光重合開始剤を2種併用する場合の 比率(質量比)は、9:1〜1:9であることが好ましく、8:2〜2:8がより好ましく、7:3〜3:7がさらに好ましい。
光重合開始剤の含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して、0.1〜15質量%が好ましく、より好ましくは0.5〜10質量%であり、さらに好ましくは1〜5質量%である。光硬化性組成物は、光重合開始剤を1種のみ含んでいてもよく、2種以上含んでいてもよい。2種以上含む場合は、その合計量が上記範囲となることが好ましい。光重合開始剤の含有量を0.1質量%以上にすると、感度(速硬化性)、解像性、ラインエッジラフネス性、膜強度がより向上する傾向にあり好ましい。また、光重合開始剤の含有量を15質量%以下にすると、光透過性、着色性、取り扱い性などが向上する傾向にあり、好ましい。
<ポリオキシアルキレン構造を有する非重合性化合物>
本発明の光硬化性組成物は、離型性をより良好にするため、ポリオキシアルキレン構造を有する非重合性化合物を含有しても良い。ここで、非重合性化合物とは、重合性基を持たない化合物をいう。
ポリオキシアルキレン構造としては、ポリオキシエチレン構造、ポリオキシプロピレン構造、ポリオキシブチレン構造、またはこれらの混合構造が好ましく、ポリオキシエチレン構造またはポリオキシプロピレン構造がより好ましく、ポリオキシプロピレン構造が特に好ましい。また、グリセリンやペンタエリスリトールなどの多価アルコールをコアとして、分岐した構造であることも好ましい。
ポリオキシアルキレン構造としてはポリオキシアルキレン構成単位を3〜30個有していることが好ましく、5〜20個有していることがより好ましく、7〜15個有していることがさらに好ましく、9〜13個有していることが特に好ましい。
ポリオキシアルキレン構造の末端の水酸基は、置換されていなくても良く、少なくとも一つが有機基で置換されていても良く、全てが有機基で置換されていても良い。有機基は、炭素数1〜20の有機基が好ましく、酸素原子、フッ素原子、またはケイ素原子を有していても良いが、フッ素原子またはケイ素原子を有さないことが好ましい。有機基は、エーテル結合、エステル結合、または2価の連結基でポリオキシアルキレン構造と連結されることが好ましい。有機基の具体例としては、メチル基、エチル基、ブチル基、オクチル基、ベンジル基、フェニル基等の炭化水素基、含フッ素アルキル基、含フッ素アルキルエーテル基、ポリシロキサン基である。
非重合性化合物の数平均分子量は、300〜3000が好ましく、400〜2000がより好ましく、500〜1500がさらに好ましい。
非重合性化合物の具体例としては、ポリオキシエチレン(ポリエチレングリコールともいう)、ポリオキシプロピレン(ポリプロピレングリコールともいう)、ポリオキシブチレン、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレン(ブロックおよびランダム)、ポリオキシエチレン(以下PEGと略す)グリセリルエーテル、ポリオキシプロピレン(以下PPGと略す)グリセリルエーテル、PEG・PPGグリセリルエーテル、PEGビスフェノールAエーテル、PEGトリメチロールプロパンエーテル、PEGペンタエリスリトールエーテル、PEGネオペンチルグリコールエーテル、PEGトリメチロールプロパンエーテル、PEGメチルエーテル、PEGブチルエーテル、PEG2−エチルヘキシルエーテル、PEGラウリルエーテル、PEGオレイルエーテル、PPGメチルエーテル、PPGブチルエーテル、PPGラウリルエーテル、PPGオレイルエーテル、PEGフェニルエーテル、PEGオクチルフェニルエーテル、PEGノニルフェニルエーテル、PEGナフチルエーテル、PEGスチレン化フェニルエーテル、PPGフェニルエーテル、PPGオクチルフェニルエーテル、PPGノニルフェニルエーテル、PEGジメチルエーテル、PEGジベンジルエーテル、PPGジメチルエーテル、PPGジベンジルエーテル、PEG・PPGジメチルエーテル、PEGグリセリルエーテルトリメチルエーテル、PPGグリセリルエーテルトリメチルエーテル、PEGモノアセテート、PEGモノラウレート、PEGモノオレート、PPGモノアセテート、PPGモノラウレート、PPGモノオレート、PEGジアセテート、PEGジラウレート、PEGジオレート、PPGジアセテート、PPGジラウレート、PPGジオレート、PEGグリセリン脂肪酸エステル、PEGソルビタン脂肪酸エステル、PEGソルビトール脂肪酸エステル、2,4,7,9−テトラメチル−5−デシン−4,7−ジオール等のエチレンオキサイド付加物(例えば、日信化学工業社製オルフィンE1004、E1010、E1020等、エアープロダクツアンドケミカルズ社製サーフィノール420、440、465,485、2502、2505等)が挙げられる。
非重合性化合物については、特開2013−036027号公報の段落0105〜0106の記載を参酌することができ、この内容は本明細書に組み込まれる。
本発明の光硬化性組成物が、非重合性化合物を含む場合、その含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して、1〜10質量%が好ましい。下限は、2質量%以上がより好ましい。上限は、8質量%以下がより好ましく、6質量%以下がさらに好ましく、4質量%以下が特に好ましい。光硬化性組成物は、非重合性化合物を1種のみ含んでいてもよく、2種以上含んでいてもよい。2種以上含む場合は、その合計量が上記範囲となることが好ましい。
<重合禁止剤>
本発明の光硬化性組成物には、重合禁止剤を含有することが好ましい。重合禁止剤を含む場合、その含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して、0.001〜0.1質量%が好ましく、より好ましくは0.005〜0.08質量%であり、さらに好ましくは0.01〜0.05質量%である。光硬化性組成物は、重合禁止剤を1種のみ含んでいてもよく、2種以上含んでいてもよい。2種以上含む場合は、その合計量が上記範囲となることが好ましい。重合禁止剤を適切な量配合することで高い硬化感度を維持しつつ経時での粘度変化が抑制できる。重合禁止剤は全重合性化合物の混合時に添加してもよいし、本発明の光硬化性組成物に後から添加してもよい。重合禁止剤の具体例としては、4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルフリーラジカルが挙げられる。また、その他の重合禁止剤の具体例としては、特開2012−169462号公報の段落番号0121に記載のものが挙げられ、この内容は本明細書に組み込まれる。
<界面活性剤>
本発明の光硬化性組成物は、必要に応じて、界面活性剤を含有することができる。一般的に、界面活性剤とは、分子内に疎水部と親水部とを有し、少量の添加で界面の性質を著しく変化させる物質である。本発明における界面活性剤は、分子内に疎水部と親水部とを有し、少量の添加で光硬化性組成物の表面張力を著しく低下させる物質であり、例えば、光硬化性組成物に対して1質量%以下の添加量で、光硬化性組成物の表面張力を40mN/m〜30mN/m以下に低下させる物質である。本発明の光硬化性組成物に界面活性剤を含有させると、塗布の均一性を向上させる効果や離型性を向上させる効果が期待できる。
界面活性剤としては、非イオン性界面活性剤が好ましく、フッ素系界面活性剤、Si系界面活性剤およびフッ素・Si系界面活性剤の少なくとも一種を含むことが好ましく、フッ素系非イオン性界面活性剤が特に好ましい。ここで、「フッ素・Si系界面活性剤」とは、フッ素系界面活性剤およびSi系界面活性剤の両方の要件を併せ持つものをいう。
フッ素系非イオン性界面活性剤の市販品としては、住友スリーエム(株)製フロラードFC−4430、FC−4431、旭硝子(株)製サーフロンS−241、S−242、S−243、三菱マテリアル電子化成(株)製エフトップEF−PN31M−03、EF−PN31M−04、EF−PN31M−05、EF−PN31M−06、MF−100、OMNOVA社製Polyfox PF−636、PF−6320、PF−656、PF−6520、(株)ネオス製フタージェント250、251、222F、212M DFX−18、ダイキン工業(株)製ユニダインDS−401、DS−403、DS−406、DS−451、DSN−403N、DIC(株)製メガファックF−430、F−444、F−477、F−553、F−556、F−557、F−559、F−562、F−565、F−567、F−569、R−40、DuPont社製Capstone FS−3100、Zonyl FSO−100が挙げられる。
本発明の光硬化性組成物が、界面活性剤を含む場合、その含有量は、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して、例えば、0.01〜5質量%が好ましく、0.1〜4質量%がより好ましく、1〜3質量%がさらに好ましい。界面活性剤は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。2種以上の界面活性剤を用いる場合は、その合計量が上記範囲となる。
本発明では、界面活性剤を実質的に含まない態様としても、低い離型力を達成することができる。実質的に含まないとは、例えば、本発明の光硬化性組成物の総質量に対して0.001質量%以下が好ましく、0.0001質量%以下がさらに好ましい。
<その他の成分>
本発明の光硬化性組成物は、上述した成分の他に、必要に応じて、光増感剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、老化防止剤、可塑剤、密着促進剤、熱重合開始剤、光塩基発生剤、着色剤、無機粒子、エラストマー粒子、塩基性化合物、光酸発生剤、光酸増殖剤、連鎖移動剤、帯電防止剤、流動調整剤、消泡剤、分散剤等を含んでいてもよい。このような成分の具体例としては、特開2008−105414号公報の段落番号0092〜0093、および段落番号0113〜0137に記載のものが挙げられ、これらの内容は本明細書に組み込まれる。また、WO2011/126101号パンフレット、WO2013/051735号パンフレット、特開2012−041521号公報および特開2013−093552号公報の対応する記載を参酌でき、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
また、本発明では、ポリマー(好ましくは、重量平均分子量が1000を超える、より好ましくは重量平均分子量が2000を超える、さらに好ましくは重量平均分子量が10,000以上の非重合性ポリマー)を実質的に含有しない態様とすることもできる。ポリマーを実質的に含有しないとは、例えば、ポリマーの含有量が本発明の光硬化性組成物の溶剤を除く全成分に対し、5質量%以下であり、3質量%以下とすることもでき、1質量%以下とすることもできる。
<溶剤>
本発明の光硬化性組成物は、溶剤を含有していてもよい。本発明の光硬化性組成物中の溶剤の含有量は、5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましく、実質的に溶剤を含有しないことが特に好ましい。ここで、実質的に溶剤を含有しないとは、例えば、本発明の光硬化性組成物の総質量に対して1質量%以下であることをいう。本発明の光硬化性組成物をインクジェット法で基板上に塗布する場合、溶剤の配合量が少ないと、溶剤の揮発に伴う組成物の粘度変化を抑制できるため、好ましい。光硬化性組成物は、溶剤を1種のみ含んでいてもよく、2種以上含んでいてもよい。2種以上含む場合は、その合計量が上記範囲となることが好ましい。
本発明の光硬化性組成物は、必ずしも、溶剤を含むものではないが、組成物の粘度を微調整する際などに、任意に添加してもよい。本発明の光硬化性組成物に好ましく使用できる溶剤の種類は、インプリント用光硬化性組成物やフォトレジストで一般的に用いられている溶剤であり、本発明で用いる化合物を溶解および均一分散することができるものであればよく、かつ、これらの成分と反応しないものであれば特に限定されない。本発明で用いることができる溶剤の例としては、特開2008−105414号公報の段落番号0088に記載のものが挙げられ、この内容は本明細書に組み込まれる。
<光硬化性組成物の特性>
本発明の光硬化性組成物は、大西Pが、3.6以下であることが好ましく、3.3以下がより好ましい。この態様によれば、エッチング後も断線などが生じにくい硬化膜を形成しやすい。大西Pの下限値については、特に定めるものではないが、例えば、2.5以上、さらには、2.8以上としても十分実用レベルである。
本発明の光硬化性組成物の硬化膜のガラス転移温度(Tg)は85℃以上であることが好ましく、105℃以上であることがより好ましい。この態様によれば、エッチング後のライン幅ラフネスの変形が生じにくい硬化膜を形成しやすい。Tgの上限値については、特に定めるものではないが、例えば、170℃以下、さらには、160℃以下とすることができる。
本発明における硬化膜のガラス転移温度は、以下の方法で測定した値である。
光硬化性組成物を石英板に挟み、光源として高圧水銀ランプを用い、波長300〜400nm、照度10mW/cm、露光時間100秒の条件で紫外線硬化して、膜厚150μm、幅5mmの短冊サンプルである硬化膜を作製し、短冊サンプルを、動的粘弾性測定装置を用いて、チャック間距離20mm、温度範囲20℃〜220℃、昇温速度5℃/分、周波数1Hzの条件で、引っ張り正弦波モードにて動的粘弾性を測定し、得られた損失正接曲線の極大値の温度を、ガラス転移温度とする。
本発明の光硬化性組成物は、23℃において、粘度が5.5〜15.0mPa・sであることが好ましい。下限は、例えば、6.0mPa・s以上がより好ましく、6.5mPa・s以上がさらに好ましく、7.0mPa・s以上が一層好ましい。上限は、例えば、12.5mPa・s以下がより好ましく、11.8mPa・s以下がさらに好ましく、10.5mPa・s以下が一層好ましく、9.0mPa・s以下がより一層好ましく、8.5mPa・s以下がさらに一層好ましい。このような範囲とすることにより、インクジェット吐出精度やモールドの凹凸パターンへの充填性を向上させることができる。なお、本発明における粘度の値は、後述する実施例に記載の方法で測定した値である。
本発明の光硬化性組成物は、23℃において、表面張力が27〜33mN/mであることが好ましい。下限は、例えば、28mN/m以上がより好ましく、29mN/m以上がさらに好ましい。上限は、例えば、32mN/m以下がより好ましく、31mN/m以下がさらに好ましい。このような範囲とすることにより、インクジェット吐出精度やモールド離型性を向上させることができる。なお、本発明における表面張力の値は、後述する実施例に記載の方法で測定した値である。
<光硬化性組成物の調製方法>
本発明の光硬化性組成物は、上述の各成分を混合して調製することができる。各成分の混合は、通常、0℃〜100℃の範囲で行われる。また、各成分を混合した後、例えば、フィルタでろ過することが好ましい。ろ過は、多段階で行ってもよいし、多数回繰り返してもよい。また、ろ過した液を再ろ過することもできる。
フィルタとしては、従来からろ過用途等に用いられているものであれば特に限定されることなく用いることができる。例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のフッ素樹脂、ナイロン−6、ナイロン−6,6等のポリアミド系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン樹脂(高密度、超高分子量のポリオレフィン樹脂を含む)等の素材を用いたフィルタが挙げられる。これら素材の中でもポリプロピレン(高密度ポリプロピレンを含む)およびナイロンが好ましい。
フィルタの孔径は、例えば、0.003〜5.0μm程度が適している。この範囲とすることにより、ろ過詰まりを抑えつつ、組成物に含まれる不純物や凝集物など、微細な異物を確実に除去することが可能となる。
フィルタを使用する際、異なるフィルタを組み合わせても良い。その際、第1のフィルタでのフィルタリングは、1回のみでもよいし、2回以上行ってもよい。異なるフィルタを組み合わせて2回以上フィルタリングを行う場合は、1回目のフィルタリングの孔径より2回目以降の孔径が同じ、もしくは小さい方が好ましい。また、上述した範囲内で異なる孔径の第1のフィルタを組み合わせてもよい。ここでの孔径は、フィルタメーカーの公称値を参照することができる。市販のフィルタとしては、例えば、日本ポール株式会社、アドバンテック東洋株式会社、日本インテグリス株式会社(旧日本マイクロリス株式会社)または株式会社キッツマイクロフィルタ等が提供する各種フィルタの中から選択することができる。
<用途>
本発明の光硬化性組成物は、UVインク、UV接着剤として用いることができる。また、光ディスク等の記録媒体や、反射防止膜、カラーフィルタ、回折格子、レリーフホログラム、マイクロレンズアレイ、光導波路等の光学部品を作製するための材料として用いることができる。さらに、半導体集積回路、マイクロ電気機械システム(MEMS)、センサ素子、インプリント用モールド、ビットパターンドメディア(BPM)等を作製するためのレジスト材料として用いることができる。本発明の光硬化性組成物は、エッチング耐性が優れるため、特に、インプリントリソグラフィー用のレジスト材料として好適である。また、本発明の光硬化性組成物は、インクジェット吐出精度に優れているため、UV(紫外線)インクジェットインクやインクジェット塗布用のインプリント用光硬化性組成物として特に好適である。
<パターン形成方法>
次に、本発明のパターン形成方法を説明する。本発明のパターン形成方法は、本発明の光硬化性組成物を用いて、光インプリント法によりパターンを形成する。
より具体的には、本発明のパターン形成方法は、本発明の光硬化性組成物を、基材上またはパターンを有するモールド上に適用する工程と、上記光硬化性組成物を上記モールドと上記基材とで挟持する工程と、上記光硬化性組成物を上記モールドと上記基材とで挟持した状態で光照射して、上記光硬化性組成物を硬化させる工程と、上記モールドを剥離する工程と、を含む。
さらに、本発明では、光硬化性組成物を、インクジェット法により、上記基材上または上記パターンを有するモールド上に塗布することが好ましい。
本発明の光硬化性組成物を基材またはパターンを有するモールド上に塗布する方法として、一般によく知られた方法、例えば、ディップコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法、エクストルージョンコート法、スピンコート方法、スリットスキャン法、あるいはインクジェット法などを用いることで、基材上に塗膜あるいは液滴等を配置することができる。特に、本発明の光硬化性組成物は、インクジェット吐出精度に優れるので、インクジェット法に好適である
本発明の光硬化性組成物をモールドと基材とで挟む際には、ヘリウムガスをモールドと基材との間に導入してもよい。このような方法を用いることにより、気体の石英モールドの透過を促進して、残留気泡の消失を促進させることができる。また、光硬化性組成物中の溶存酸素を低減することで、露光におけるラジカル重合阻害を抑制することができる。また、ヘリウムの替わりに、凝縮性ガスをモールドと基材との間に導入してもよい。このような方法を用いることにより、導入された凝縮性ガスが凝縮して体積が減少することを利用し、残留気泡の消滅をさらに促進させることができる。凝縮性ガスとは、温度や圧力により凝縮するガスのことをいい、例えば、トリクロロフルオロメタン、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン等を用いることができる。凝縮性ガスについては、例えば、特開2004−103817号公報の段落0023、特開2013−254783号公報の段落0003の記載を参酌することができ、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
露光に際しては、露光照度を1〜200mW/cmの範囲にすることが望ましい。露光照度を1mW/cm以上とすることにより、露光時間を短縮することができるため生産性が向上する。露光照度を200mW/cm以下とすることにより、副反応を抑制でき、硬化膜の特性の劣化を抑止できる傾向にある。露光量は5〜1000mJ/cmの範囲にすることが望ましい。
露光に際しては、酸素によるラジカル重合阻害を抑制するため、窒素、ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素などの不活性ガスを流して、大気中の酸素濃度を10kPa以下に制御することが好ましい。より好ましくは、大気中の酸素濃度は3kPa以下、さらに好ましくは、1kPa以下である。
本発明のパターン形成方法は、光照射により本発明の光硬化性組成物を硬化させた後、必要に応じて硬化させたパターンに熱を加えてさらに硬化させる工程を含んでいてもよい。光照射後に本発明の光硬化性組成物を加熱硬化させる場合、加熱温度は、150〜280℃が好ましく、200〜250℃がより好ましい。また、加熱時間は、5〜60分間が好ましく、15〜45分間がより好ましい。
パターン形成方法の具体例としては、特開2012−169462号公報の段落番号0125〜0136に記載のものが挙げられ、この内容は本明細書に組み込まれる。
本発明のパターン形成方法は、パターン反転法に応用することができる。具体的には、炭素膜(SOC(Spin On Carbon))を備えた被加工基板上に、本発明のパターン形成方法でレジストパターンを形成する。次に、上記レジストパターンをSi含有膜(SOG(Spin on Glass))で被覆した後、上記Si含有膜の上部をエッチングバックしてレジストパターンを露出させ、露出した上記レジストパターンを酸素プラズマ等により除去することで、Si含有膜の反転パターンを形成する。さらにSi含有膜の反転パターンをエッチングマスクとして、その下層にある炭素膜をエッチングすることで、炭素膜に上記反転パターンが転写される。最後に、上記反転パターンが転写された炭素膜をエッチングマスクとして、基材をエッチング加工する方法である。このような方法の例としては、特開平5−267253号公報、特開2002−110510号公報、特表2006−521702号公報の段落0016〜0030、特表2010−541193号公報を参酌することができ、この内容は本明細書に組み込まれる。
本発明のパターン形成方法は、基材上に下層膜組成物を塗布して下層膜を形成する工程、下層膜表面に本発明の光硬化性組成物を塗布する工程、本発明の光硬化性組成物と下層膜を、基材とパターンを有するモールドの間に挟んだ状態で光照射し、本発明の光硬化性組成物を硬化する工程、およびモールドを剥離する工程を含んでいてもよい。さらに、基材上に下層膜組成物を塗布した後、熱または光照射によって、下層膜組成物の一部を硬化した後、本発明の光硬化性組成物を塗布するようにしてもよい。
下層膜組成物は、例えば、硬化性主剤を含む組成物が挙げられる。硬化性主剤は、熱硬化性であっても光硬化性であってもよく、熱硬化性が好ましい。硬化性主剤の分子量は400以上であることが好ましい。硬化性主剤は、低分子化合物でもポリマーでもよいが、ポリマーが好ましい。硬化性主剤の分子量は、好ましくは500以上であり、より好ましくは1000以上であり、さらに好ましくは3000以上である。分子量の上限としては、好ましくは200000以下であり、より好ましくは100000以下であり、さらに好ましくは50000以下である。分子量を400以上とすることで、成分の揮発をより効果的に抑制できる。硬化性主剤としては、例えば、下記一般式で表される構成単位を主成分とするポリマーを用いることができる。
Figure 2017002833
一般式において、Rはアルキル基であり、LおよびLは、それぞれ、2価の連結基であり、Pは重合性基である。nは0〜3の整数である。
Rは炭素数1〜5のアルキル基であることが好ましく、メチル基であることがより好ましい。
は、アルキレン基であることが好ましく、炭素数1〜3のアルキレン基であることがより好ましく、−CH−であることがさらに好ましい。
は、−CH−、−O−、−CHR(Rは置換基)−、およびこれらの2以上の組み合わせからなる2価の連結基であることが好ましい。RはOH基が好ましい。
Pは、(メタ)アクリロイル基が好ましく、アクリロイル基がより好ましい。
nは0〜2の整数であることが好ましく、0または1であることがより好ましい。
市販品としては、NKオリゴ EA−7140/PGMAc(新中村化学工業社製)などが挙げられる。また、例えば、特表2009−503139号公報の段落番号0040〜0056に記載のものが挙げられ、この内容は本明細書に組み込まれる。
硬化性主剤の含有量は、下層膜組成物の溶剤を除く全成分中、30質量%以上が好ましく、50質量%以上がより好ましく、70質量%以上がさらに好ましい。上限値については、特に定めるものではないが、100質量%であってもよい。硬化性主剤は2種以上であってもよく、この場合は、合計量が上記範囲となることが好ましい。
下層膜組成物は、溶剤を含有していることが好ましい。好ましい溶剤としては、常圧における沸点が80〜200℃の溶剤である。溶剤の種類としては下層膜組成物を溶解可能な溶剤であればいずれも用いることができるが、好ましくはエステル構造、ケトン構造、水酸基、エーテル構造のいずれか1つ以上を有する溶剤である。具体的に、好ましい溶剤としては、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、シクロヘキサノン、2−ヘプタノン、ガンマブチロラクトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、乳酸エチルから選ばれる単独あるいは混合溶剤であり、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを含有する溶剤が塗布均一性の観点で特に好ましい。
下層膜組成物中における上記溶剤の含有量は、溶剤を除く成分の粘度、塗布性、目的とする膜厚によって最適に調整されるが、塗布性改善の観点から、下層膜組成物中70質量%以上の範囲で添加することができ、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは99質量%以上である。上限値については、特に定めるものではないが、例えば、99.9質量%以下とすることができる。
下層膜組成物は、他の成分として、界面活性剤、熱重合開始剤、重合禁止剤および触媒の少なくとも1種を含有していても良い。これらの配合量としては、溶剤を除く全成分に対し、50質量%以下が好ましい。
下層膜組成物は、例えば、特開2014−192178号公報の段落番号0017〜0054や、特開2014−024322号公報の段落番号0017〜0068に記載された組成物を用いることもができ、この内容は本明細書に組み込まれる。
下層膜組成物は、上述の各成分を混合して調製することができる。また、上述の各成分を混合した後、例えば、孔径0.003μm〜5.0μmのフィルタでろ過することが好ましい。ろ過は、多段階で行ってもよいし、多数回繰り返してもよい。また、ろ過した液を再ろ過することもできる。フィルタは、上述した光硬化性組成物の調製で説明したものが挙げられる。
下層膜組成物の塗布方法としては、例えば、ディップコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法、エクストルージョンコート法、スピンコート方法、スリットスキャン法、インクジェット法などが挙げられる。下層膜組成物を基材上に塗布した後、乾燥することが好ましい。好ましい乾燥温度は70℃〜130℃である。好ましくはさらに活性エネルギー(好ましくは熱および/または光)によって硬化を行う。好ましくは150℃〜250℃の温度で加熱硬化を行う。溶剤を乾燥する工程と硬化する工程を同時に行っても良い。このように、下層膜組成物を塗布した後、熱または光照射によって、下層膜組成物の一部を硬化した後、本発明の光硬化性組成物を塗布することが好ましい。このような手段を採用すると、本発明の光硬化性組成物の光硬化時に、下層膜組成物も完全に硬化し、密着性がより向上する傾向にある。
下層膜の膜厚は、使用する用途によって異なるが、0.1nm〜100nm程度であり、好ましくは1〜20nmであり、より好ましくは2〜10nmである。また、下層膜組成物を、多重塗布により適用してもよい。得られた下層膜はできる限り平坦であることが好ましい。
基材(基板または支持体)は、種々の用途によって選択可能であり、例えば、石英、ガラス、光学フィルム、セラミック材料、蒸着膜、磁性膜、反射膜、Ni、Cu、Cr、Feなどの金属基材、紙、ポリエステルフイルム、ポリカーボネートフィルム、ポリイミドフィルム等のポリマー基材、薄膜トランジスタ(TFT)アレイ基材、プラズマディスプレイ(PDP)の電極板、ITO(Indium Tin Oxide)や金属などの導電性基材、ガラスやプラスチック等の絶縁性基材、シリコン、窒化シリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、アモルファスシリコン、SOG(Spin On Glass)、SOC(Spin On Carbon)などの半導体作製基材など特に制約されない。
<パターン>
上述のように本発明のパターン形成方法によって形成されたパターンは、液晶ディスプレイ(LCD)などに用いられる永久膜や、半導体加工用のエッチングレジストとして使用することができる。
例えば、半導体集積回路、マイクロ電気機械システム(MEMS)、光ディスク、磁気ディスク等の記録媒体、固体撮像素子等の受光素子、発光ダイオード(LED)や有機エレクトロルミネセンス(EL)等の発光素子等の光デバイス、回折格子、レリーフホログラム、光導波路、光学フィルタ、マイクロレンズアレイ等の光学部品、薄膜トランジスタ、有機トランジスタ、カラーフィルタ、反射防止膜、偏光素子、光学フィルム、柱材等のフラットパネルディスプレイ用部材、ナノバイオデバイス、免疫分析チップ、デオキシリボ核酸(DNA)分離チップ、マイクロリアクター、フォトニック液晶、ブロックコポリマーの自己組織化を用いた微細パターン形成(directed self−assembly、DSA)のためのガイドパターン等の作製に好ましく用いることができる。
また、本発明の光硬化性組成物を用いて得られるパターンは、耐溶剤性も良好である。パターンは溶剤に対する耐性が高いことが好ましいが、一般的な基板製造工程時に用いられる溶剤、例えば、25℃のN−メチルピロリドン溶媒に10分間浸漬した場合に膜厚変動を起こさないことが特に好ましい。
本発明のパターン形成方法によって形成されたパターンは、エッチングレジストとして特に有用である。本発明の光硬化性組成物をエッチングレジストとして利用する場合には、基材上に本発明のパターン形成方法によってナノオーダーの微細なパターンを形成する。その後、ウェットエッチングの場合にはフッ化水素等、ドライエッチングの場合にはCF等のエッチングガスを用いてエッチングすることにより、基材上に所望のパターンを形成することができる。本発明の光硬化性組成物は、フッ化炭素等を用いるドライエッチングに対するエッチング耐性が良好である。
<デバイスの製造方法>
本発明のデバイスの製造方法は、上述したパターン形成方法を含む。すなわち、本発明は、上記パターン形成方法で作製したパターンをマスクとして、上記基材をエッチングする工程を含む、デバイスの製造方法を開示する。
上記パターンは、永久膜としてデバイスに含まれていてもよい。また、上記パターンをエッチングマスクとして用い、基材に対してエッチング処理を施すこともできる。例えば、パターンをエッチングマスクとしてドライエッチングを施し、基材の上層部分を選択的に除去する。基材に対してこのような処理を繰り返すことにより、デバイスを製造することもできる。デバイスとしては、LSI(large-scale integrated circuit:大規模集積回路)などの半導体デバイスが挙げられる。
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。
(合成例1)単官能アクリレート(A1−1)の合成
Figure 2017002833
1−フェニル−1−プロパノール27.2g(0.2モル)、N−エチルジイソプロピルアミン28.4g(DIPEA、0.22モル)、およびアセトニトリル(Acetonitrile)200mLの混合溶液に対して、水浴下で内温を30℃以下に保ちながら、アクリロイルクロリド19.9g(0.22モル)を滴下した。滴下終了後、25℃にて1時間攪拌した後、水200mL、および酢酸エチル400mLを加えて分液抽出を行った。有機層を水200mLで2回洗浄した後、減圧濃縮して粗生成物を得た。得られた粗生成物をシリカゲルクロマトグラフィー(ヘキサン:酢酸エチル=9/1(質量比))にて精製することにより、芳香族基を有する単官能アクリレート(A1−1)を得た。(収量23.2g、収率61%)。
<単官能(メタ)アクリレートの粘度>
東機産業(株)製のRE−80L型回転粘度計を用い、25±0.1℃で、単官能(メタ)アクリレートの粘度を測定した。測定時の回転速度は、粘度に応じて以下の通りとした。
Figure 2017002833
<大西パラメータ(大西P)の算出>
単官能アクリレートの大西パラメータ(大西P)を、下記数式(1)により算出した。
大西P=全原子数/(炭素原子数−酸素原子数) ・・・(1)
<ホモポリマーガラス転移温度(Tg)の測定>
合成例1で得た単官能アクリレート(A1−1)5.0gおよび2−ブタノン15mLの溶液に、熱重合開始剤V−65(和光純薬工業)25mgを加え、窒素雰囲気下80℃で3時間加熱攪拌して重合した。得られた溶液を、メタノール300mLに滴下してホモポリマーを析出させ、取り出した。取り出したホモポリマーを、減圧下60℃で4時間乾燥して、Tg測定用サンプルとした。
Tg測定には、示差走査熱量計(ティー・エイ・インスツルメント製DSC Q1000)を用いた。Tg測定用サンプル約2mgをアルミパンに詰め、示差走査熱量計にて昇温速度10℃/分で測定し、得られたDSC(Differential Scanning Calorimetry)曲線の変曲点を、Tgとした。
合成例1と同様にして、(A1−2)〜(A1−11)を合成し、粘度、大西パラメータ(大西P)、ホモポリマーTgを評価した。
比較として、市販のモノマー(R−1)〜(R−7)を評価した。
R−1:大阪有機化学工業(株)製ビスコート#160
R−2:大阪有機化学工業(株)製ビスコート#192
R−3:東亞合成(株)製アロニックスM−106
R−4:大阪有機化学工業(株)製ビスコート#155
R−5:大阪有機化学工業(株)製IBXA
R−6:大阪有機化学工業(株)製MADA
R−7:大阪有機化学工業(株)製NOAA
Figure 2017002833
表2から明らかのように、一般式(I)で表される単官能アクリレートである、(A1−1)〜(A1−11)は、大西Pが2.8以下、かつホモポリマーのTgが25℃以上であった。
<光硬化性組成物の調製>
下記表に示す重合性化合物、光重合開始剤を混合し、さらに重合禁止剤として4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルフリーラジカル(東京化成社製)を重合性化合物に対して200ppm(0.02質量%)となるように加えて調製した。これを孔径0.1μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製フィルターでろ過し、光硬化性組成物を調製した。なお、表は、質量比で示した。
実施例および比較例で用いた、含フッ素単官能(メタ)アクリレート、2官能以上の多官能アクリレート、光重合開始剤の詳細は、下記のとおりである。
<含フッ素単官能(メタ)アクリレート>
A3−1:ユニマテック(株)製、FAAC−6
A3−2:下記(合成例2)の方法で合成
Figure 2017002833
(合成例2)含フッ素単官能アクリレート(A3−2)の合成
Figure 2017002833
tert−ブトキシドカリウム100g(0.89モル)をtert−ブタノール700mLに溶解させた溶液に対して、水浴下で内温を30℃以下に保ちながら、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデカフルオロ−1−オクタノール316.9g(0.87モル)を滴下して、アルコキシド溶液を調製した。
ブロモ酢酸tert−ブチル171.7g(0.88モル)とtert−ブタノール300mLの混合液に対して、水浴下で内温を30℃以下に保ちながら、先に調製したアルコキシド溶液を滴下した。滴下終了後、25℃にて1時間攪拌した後、ノルマルヘキサン500mL、および0.1mol/L塩酸水500mLを加えて分液抽出を行った。有機層を水500mLで2回洗浄した後、減圧濃縮して、中間体(A3−2−a)を得た(収量406.1g、収率97.6%)。
中間体(A3−2−a)382.6g(0.80モル)とメタノール800mLを混合した溶液に対して、28質量%ナトリウムメトキシド溶液154.3gを加えた後、テトラヒドロホウ酸ナトリウム23.9g(0.63モル)を加え、40℃で4時間反応させた。反応終了後、反応液を2mol/L塩酸水1Lにゆっくりと加え、過剰のテトラヒドロホウ酸ナトリウムを分解させた後、酢酸エチル300mLとn−ヘキサン800mLを加えて分液抽出を行った。有機層を水1000mLで洗浄した後、減圧濃縮した。得られた濃縮物を減圧蒸留して、中間体(A3−2−b)を得た(沸点:80〜84℃/0.40kPa、収量326.2g、収率99.9%)。
中間体(A3−2−b)326.2g(0.799モル)とトルエン800mLを混合した溶液に、トリエチルアミン100.3g(0.96モル)を加えた後、氷浴下で内温を15℃以下に保ちならが、アクリロイルクロリド83.2g(0.92モル)を滴下した。滴下終了後、2時間攪拌した後、2質量%重曹水800mLを加えて分液抽出を行った。有機層を1mol/L塩酸水800mLで2回、次いで水800mLで洗浄した後、4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルフリーラジカル(4−HO−TEMPO)38mgを加えて減圧濃縮した。得られた濃縮物に、安息香酸4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルフリーラジカル(4−BzO−TEMPO)380mgを加えて減圧蒸留して、目的の含フッ素単官能アクリレート(A3−2)を得た(沸点:107℃/0.67kPa、収量230.0g、収率62.3%)。
<2官能(メタ)アクリレート>
B1−1:m−キシリレンジアクリレート(α,α'−ジクロロ−m−キシレンとアクリル酸から合成)
B1−2:o−キシリレンジアクリレート(1,2−ベンゼンジメタノールとアクリロイルクロリドから合成)
B1−3:trans−1,2−シクロヘキサンジオールジアクリレート(trans−1,2−シクロヘキサンジオールと、アクリロイルクロリドから合成)
B2−1:共栄社化学(株)製、ライトアクリレートNP−A
B2−2:cis−2−ブテン−1,4−ジオールジアクリレート(cis−2−ブテン−1,4−ジオールとアクリロイルクロリドから合成)
Figure 2017002833
<光重合開始剤>
C−1:BASF社製、イルガキュア819
C−2:BASF社製、イルガキュア907
<光硬化性組成物の粘度>
本発明の光硬化性組成物および比較用光硬化性組成物の23℃における粘度を、東機産業(株)製のRE−80L型回転粘度計を用い、23±0.1℃で測定した。測定時の回転速度は、粘度に応じて以下の通りとした。結果は表4、5の「粘度(mPa・s)」の欄に示した。
Figure 2017002833
<光硬化性組成物の大西パラメータの算出>
下記数式(1)により、の大西パラメータ(大西P)を算出した。
大西P=全原子数/(炭素原子数−酸素原子数) ・・・(1)
結果は表4、5の「大西P」の欄に示した。
<光硬化性組成物の硬化膜のガラス転移温度(硬化膜Tg)>
光硬化性組成物を石英板に挟み、紫外線(UV)硬化(光源:高圧水銀ランプ、波長:300〜400nm、照度:10mW/cm、露光時間:100s)して硬化膜(膜厚150μm)を作製した。
硬化膜の短冊サンプル(幅5mm)を、動的粘弾性測定装置DMS−6100(セイコーインスツル株式会社製)を用いて、引っ張り正弦波モードにて動的粘弾性を測定した(チャック間距離:20mm、温度範囲:20℃〜220℃、昇温速度:5℃/分、周波数:1Hz)。得られた損失正接(tanδ)曲線の極大値の温度を、ガラス転移温度(Tg)とした。
結果は表4、5の「硬化膜Tg(℃)」の欄に示した。
<エッチング後のパターンの断線(エッチング後の断線)>
上記にて得られたエッチング後のサンプルのSEM画像から、パターンの断線の状態を評価した。結果は表4、5の「エッチング後の断線」の欄に示した。
A:全面に渡って、ラインの細りおよび断線は見られなかった。
B:一部領域にてラインの細りが見られたが、ラインの断線は見られなかった。
C:一部領域にてラインの断線が見られた。
D:全面に渡りラインの断線が見られた。
<ライン幅ラフネスの変化(ΔLWR)>
線幅30nm、深さ60nmのライン(Line)/スペース(Space)を有する石英モールドを使用した。インクジェット装置(FUJIFILM Dimatix社製インクジェットプリンター DMP−2831)を用いて、光硬化性組成物をシリコンウエハ上に塗布し、ヘリウム雰囲気下にて、上記モールドで挟んだ。石英モールド面から高圧水銀ランプを用いて、100mJ/cmの条件で露光して硬化させた後、石英モールドを離型して硬化膜のパターンを得た。
得られた硬化膜のパターンを用い、エッチング装置にて反応性イオンエッチング雰囲気に暴露した。エッチングガスはCHF/CF/Ar混合ガスを選択し、エッチング中はサンプルを20℃に冷却した。
エッチング前およびエッチング後のパターンの上面を、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察(倍率:100,000倍)して、得られた画像からライン幅ラフネス(LWR)を測定した。エッチング前後のLWRの差(ΔLWR)を算出した。単位は、nmである。結果は表4、5の「ΔLWR」の欄に示した。
ΔLWR=(エッチング後のLWR)−(エッチング前のLWR)
A:ΔLWR≦1.0
B:1.0<ΔLWR≦2.5
C:2.5<ΔLWR≦3.0
D:3.0<ΔLWR
<インクジェット(IJ)吐出精度>
シリコンウエハ上に、23℃に温度調整した光硬化性組成物を、インクジェットプリンターDMP−2831(富士フイルムダイマティックス製)を用いて、ノズルあたり1plの液滴量で吐出して、シリコンウエハ上に液滴が100μm間隔の正方配列となるように塗布した。
塗布された基板の5mm角の2500ドットを観察し、正方配列からのずれを測定し、標準偏差σを算出した。インクジェット吐出精度は、以下の通りA〜Eで評価した。結果は表4、5の「IJ吐出精度」の欄に示した。
A:σ<3μm
B:3μm≦σ<5μm
C:5μm≦σ<10μm
D:10μm≦σ
E:吐出できないノズルが生じた。
Figure 2017002833
Figure 2017002833
上記結果から明らかな通り、実施例(X−1)〜(X19)の光硬化性組成物は、エッチング後のパターンの断線と、エッチング後のライン幅ラフネスの変形(ΔLWR)との両者を抑制することができた。
これに対し、比較例(Y−2)、(Y−4)、(Y−5)、(Y−6)、および(Y−7)の光硬化性組成物は、エッチング後のパターンの断線を抑制できなかった。
また、比較例(Y−1)、(Y−2)、(Y−3)、(Y−4)、および(Y−7)の光硬化性組成物は、ΔLWRが大きく、エッチング後のライン幅ラフネスの変形を抑制できなかった。
上記実施例X−1〜X−19において、光重合開始剤をイルガキュア907に変更した以外は同様にして評価したところ、実施例X−1〜X−19と同様の効果が得られた。

Claims (14)

  1. 下記一般式(I)で表される単官能(メタ)アクリレートと、光重合開始剤とを含有する、光硬化性組成物;
    Figure 2017002833
    式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、
    は、フッ素原子で置換されていてもよいアルキル基を表し、
    は、水素原子、フッ素原子で置換されていてもよい直鎖のアルキル基、または、フッ素原子で置換されていてもよい分岐のアルキル基を表し、
    〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;
    とRに含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である;
    とR、または、RとRは、互いに結合して環を形成していても良い。
  2. 前記一般式(I)において、Rが炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基である、請求項1に記載の光硬化性組成物。
  3. 前記一般式(I)において、Rが水素原子である、請求項1または2に記載の光硬化性組成物。
  4. 前記一般式(I)において、RおよびRが、それぞれ独立に、フッ素原子で置換されていてもよいメチル基である、請求項1または2に記載の光硬化性組成物。
  5. 前記単官能(メタ)アクリレートが、下記一般式(II)で表される、請求項1または2に記載の光硬化性組成物;
    Figure 2017002833
    式中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、
    Lは、直鎖のアルキレン基または分岐のアルキレン基を表し、
    32は、水素原子、直鎖のアルキル基または分岐のアルキル基を表し、
    〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜4の直鎖のアルキル基、または、炭素数3または4の分岐のアルキル基を表す;
    LとR32に含まれる炭素原子数の合計は、1〜6である。
  6. 前記単官能(メタ)アクリレートを、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して20〜80質量%含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光硬化性組成物。
  7. さらに多官能(メタ)アクリレートを、光硬化性組成物中の溶剤を除く全成分に対して20〜79質量%含有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の光硬化性組成物。
  8. 前記多官能(メタ)アクリレートが、芳香族基を有する、請求項7に記載の光硬化性組成物。
  9. 前記光硬化性組成物の大西パラメータが3.6以下であり、前記光硬化性組成物の硬化膜のガラス転移温度が85℃以上である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の光硬化性組成物;但し、硬化膜のガラス転移温度は、以下の方法で測定した値である;
    光硬化性組成物を石英板に挟み、光源として高圧水銀ランプを用い、波長300〜400nm、照度10mW/cm、露光時間100秒の条件で紫外線硬化して、膜厚150μm、幅5mmの短冊サンプルである硬化膜を作製し、短冊サンプルを、動的粘弾性測定装置を用いて、チャック間距離20mm、温度範囲20℃〜220℃、昇温速度5℃/分、周波数1Hzの条件で、引っ張り正弦波モードにて動的粘弾性を測定し、得られた損失正接曲線の極大値の温度を、ガラス転移温度とする;
    大西パラメータは、以下の数式(1)で表される値である;
    大西パラメータ=全原子数/(炭素原子数−酸素原子数)・・・(1)。
  10. 前記光硬化性組成物の23℃における粘度が5.5〜15.0mPa・sである、請求項1〜9のいずれか1項に記載の光硬化性組成物。
  11. インプリント用である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の光硬化性組成物。
  12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の光硬化性組成物を、基材上またはパターンを有するモールド上に適用する工程と、
    前記光硬化性組成物を前記モールドと基材とで挟持する工程と、
    前記光硬化性組成物を前記モールドと基材とで挟持した状態で光照射して、前記光硬化性組成物を硬化させる工程と、
    前記モールドを剥離する工程とを含む、パターン形成方法。
  13. 前記光硬化性組成物を、インクジェット法により、前記基材上または前記パターンを有するモールド上に適用する、請求項12に記載のパターン形成方法。
  14. 請求項12または13に記載のパターン形成方法で作製したパターンをマスクとして、前記基材をエッチングする工程を含む、デバイスの製造方法。
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