JPWO2018179330A1 - 感光性樹脂組成物、パターン硬化膜の製造方法、硬化物、層間絶縁膜、カバーコート層、表面保護膜、及び電子部品 - Google Patents

感光性樹脂組成物、パターン硬化膜の製造方法、硬化物、層間絶縁膜、カバーコート層、表面保護膜、及び電子部品 Download PDF

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Abstract

(a)ポリイミド前駆体と、(b)脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物と、(c)下記式(1)で表される化合物と、を含有する感光性樹脂組成物。(式(1)中、R1は下記式(2)で表される有機基であり、R2は水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基であり、R3は炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のアルコキシ基又は炭素数6〜10のアリール基である。式(2)中、R4は1価の有機基であり、Xは酸素原子、硫黄原子又はカルボニル基であり、sは0〜5の整数である。)

Description

本発明は、感光性樹脂組成物、パターン硬化膜の製造方法、硬化物、層間絶縁膜、カバーコート層、表面保護膜、及び電子部品に関する。
従来、半導体素子の表面保護膜及び層間絶縁膜には、優れた耐熱性と電気特性、機械特性等を併せ持つポリイミドやポリベンゾオキサゾールが用いられている。近年、これらの樹脂自身に感光特性を付与した感光性樹脂組成物が用いられており、これを用いるとパターン硬化膜の製造工程が簡略化でき、煩雑な製造工程を短縮できる(例えば、特許文献1参照)。
ところで、近年、コンピュータの高性能化を支えてきたトランジスタの微細化はスケーリング則の限界に直面しており、さらなる高性能化や高速化のために半導体素子を3次元的に積層する技術が必須と考えられている。このような背景のもと、TSV(Through Silicon Via)を用いた3次元パッケージ、インターポーザを用いた2.5次元パッケージ、又は2.1次元パッケージが提案されており、これらに代表される積層デバイス構造が注目を集めている(例えば、非特許文献1参照)。
積層デバイス構造の中でも、マルチダイファンアウトウエハレベルパッケージ(Multi−die Fanout Wafer Level Packaging)は、1つのパッケージの中に複数のダイを一括封止して製造するパッケージであり、1つのパッケージの中に1つのダイを封止して製造する従来のファンアウトウエハレベルパッケージよりも低コスト化、高性能化が期待できるため注目を集めている。
また、マルチダイファンアウトウエハレベルパッケージの作製においては、高性能なダイの保護や耐熱性の低い封止材を保護し、歩留まりを向上させる観点から高温度での熱処理は実施できない。このため、銅の再配線を行うための再配線形成層として使用するポリイミド前駆体にも低温硬化性が強く求められている(特許文献2参照)。しかしながら、200℃以下の低温硬化時にも銅への高い接着性を有することはポリイミド前駆体を用いた感光性樹脂組成物にとっては難易度が高く、上記パッケージの作製に対応できなかった。
さらに、電子機器の小型化及び高集積化の観点から、パターン化した樹脂膜を加熱硬化して形成するパターン硬化膜には高解像度化の要求があるが、従来の材料は高解像度化に限界があった(例えば、特許文献3)。
特開2009−265520号公報 国際公開第2008/111470号パンフレット 特開2010−266843号公報
「半導体技術年鑑2013 パッケージング/実装編」、株式会社日経BP、2012年12月、p.41−50
本発明の目的は、200℃以下で硬化した場合であっても銅基板への高い接着性を示す硬化膜が得られ、かつ解像度に優れる感光性樹脂組成物、並びに当該感光性樹脂組成物を用いたパターン硬化膜の製造方法、硬化物、層間絶縁膜、カバーコート層、表面保護膜及び電子部品を提供することである。
本発明者らは、上記問題に鑑みて鋭意検討を重ねた結果、ポリイミド前駆体に、脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物と特定の構造を有する化合物とを組み合わせることで、解像度と接着性とを両立できることを見出し、本発明を完成した。
本発明によれば、以下の感光性樹脂組成物等が提供される。
1.(a)ポリイミド前駆体と、
(b)脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物と、
(c)下記式(1)で表される化合物と、
を含有する感光性樹脂組成物。
Figure 2018179330
(式(1)中、Rは下記式(2)で表される有機基であり、Rは水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基であり、Rは炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のアルコキシ基又は炭素数6〜10のアリール基である。)
Figure 2018179330
(式(2)中、Rは1価の有機基であり、Xは酸素原子、硫黄原子又はカルボニル基であり、sは0〜5の整数である。)
2.前記(a)成分が、下記式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体である1に記載の感光性樹脂組成物。
Figure 2018179330
(式(3)中、Aは、下記式(4)で表される4価の有機基であり、Bは芳香族環を少なくとも1つ含む2価の有機基であり、R及びRは、各々独立に、水素原子又は1価の有機基である。)
Figure 2018179330
(式(4)中、Yは酸素原子又は硫黄原子である。)
3.前記式(3)のR及びRが、各々独立に、水素原子、下記式(5)で表される基又は炭素数1〜4のアルキル基である2に記載の感光性樹脂組成物。
Figure 2018179330
(式(5)中、R〜Rは、各々独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基であり、mは1〜10の整数である。)
4.前記(b)成分が、2個以上のラジカル重合性基及び脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物を含む1〜3のいずれかに記載の感光性樹脂組成物。
5.前記(b)成分が、トリシクロデカン、アダマンタン、シクロヘキサン及びノルボルネンからなる群から選択される1以上の構造を有するラジカル重合性化合物を含む1〜4のいずれかに記載の感光性樹脂組成物。
6.1〜5のいずれかに記載の感光性樹脂組成物を基板上に塗布、乾燥して感光性樹脂膜を形成する工程と、
前記感光性樹脂膜をパターン露光する工程と、
前記パターン露光を行った樹脂膜を、有機溶剤を用いて現像してパターン樹脂膜を形成する工程と、
前記パターン樹脂膜を加熱処理する工程と、
を含むパターン硬化膜の製造方法。
7.1〜5のいずれかに記載の感光性樹脂組成物を硬化した硬化物。
8.7に記載の硬化物を用いて作製された層間絶縁膜、カバーコート層又は表面保護膜。
9.8に記載の層間絶縁膜、カバーコート層又は表面保護膜を有する電子部品。
本発明によれば、200℃以下で硬化した場合であっても銅基板への高い接着性を示す硬化膜が得られ、かつ解像度に優れる感光性樹脂組成物、並びに当該感光性樹脂組成物を用いたパターン硬化膜の製造方法、硬化物、層間絶縁膜、カバーコート層、表面保護膜及び電子部品が提供できる。
多層配線構造を有する電子部品である半導体装置の製造工程を説明する概略断面図である。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本明細書において「A又はB」とは、AとBのどちらか一方を含んでいればよく、両方とも含んでいてもよい。また、本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。また、本明細書において感光性樹脂組成物中の各成分の含有量は、感光性樹脂組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、感光性樹脂組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。さらに、例示材料は特に断らない限り単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。「(メタ)アクリル」とは「メタクリル」又は「アクリル」を表す。
[感光性樹脂組成物]
本発明の感光性樹脂組成物は、(a)ポリイミド前駆体と、(b)脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物と、(c)下記式(1)で表される化合物とを含む。
Figure 2018179330
(式(1)中、Rは下記式(2)で表される有機基であり、Rは水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基であり、Rは炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のアルコキシ基又は炭素数6〜10のアリール基である。)
Figure 2018179330
(式(2)中、Rは1価の有機基であり、Xは酸素原子、硫黄原子又はカルボニル基であり、sは0〜5の整数である。)
本発明の感光性樹脂組成物は、上記成分を含むことにより高い解像度を示すため、微細なパターンを形成することが可能であり、今後予想される半導体のさらなる微細化に好適に利用可能である。また、硬化膜と基板との間の高い接着性を実現することができ、特に、硬化膜に疎水性を付与することによって、高温多湿条件下であっても優れた接着性を発揮することができる。
本発明の感光性樹脂組成物は、好ましくはネガ型感光性樹脂組成物である。
以下、感光性樹脂組成物に用いる各成分について説明する。各成分は、それぞれ単に(a)成分、(b)成分、(c)成分と記す場合がある。
((a)成分:ポリイミド前駆体)
ポリイミド前駆体としては特に制限はないが、パターニング時に使用する光源であるi線の透過率が高く、200℃以下の低温硬化時にも高い硬化膜特性を示すものが好ましい。そのため、下記式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体が好ましい。
Figure 2018179330
(式(3)中、Aは、下記式(4)で表される4価の有機基であり、Bは芳香族環を少なくとも1つ含む2価の有機基であり、R及びRは、各々独立に、水素原子又は1価の有機基である。)
Figure 2018179330
(式(4)中、Yは酸素原子又は硫黄原子である。)
式(3)中、R及びRで表される1価の有機基の例としては、下記式(5)で表される1価の有機基又は炭素数1〜4のアルキル基が挙げられる。
Figure 2018179330
(式(5)中、R〜Rは、各々独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基であり、mは1〜10の整数である。)
式(5)において、R及びRは好ましくは水素原子であり、Rは好ましくは炭素数1〜3のアルキル基(好ましくはメチル基)であり、mは好ましくは1〜3の整数(好ましくは2)である。
式(3)中、Bの芳香族環を少なくとも1つ含む2価の有機基としては、下記式(6)で表される構造が挙げられる。
Figure 2018179330
(式(6)中、R10〜R17は、各々独立に、水素原子、1価の炭化水素基又はハロゲン原子を有する1価の有機基である。)
式(6)中の1価の炭化水素基としては、炭素数1〜4のアルキル基が挙げられ、ハロゲン原子を有する1価の有機基としては、炭素数1〜4のハロアルキル基が挙げられる。
10〜R17は、各々独立に、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基が好ましく、例えば、R10及びR13〜R17が水素原子であり、R11及びR12が炭素数1〜4のアルキル基(例えばメチル基)であってもよい。
式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体は、例えば、下記式(7)で表されるテトラカルボン酸二無水物及び下記式(8)で表されるジアミノ化合物を原料として用いることにより製造することができる。
Figure 2018179330
N−B−NH・・・(8)
(式(7)中、Aは前記式(3)のAと同じである。式(8)中、Bは前記式(3)のBと同じである。)
具体的に、当該ポリイミド前駆体(ポリアミド酸)は、式(7)で表されるテトラカルボン酸二無水物と、式(8)で表されるジアミノ化合物とを、有機溶剤(例えば、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等)中にて反応させることで製造することができる。
また、上記で得られたポリアミド酸を、無水トリフルオロ酸等の触媒を用いてイソイミドへ変性した後に、下記式(9)又は(10)で表されるアルコールを適量加え、上述した有機溶剤中で反応させてエステル基を導入し、エステル化を行うことで、式(3)のR及びRの少なくとも一方が式(5)で表される1価の有機基又は炭素数1〜4のアルキル基であるポリイミド前駆体を得ることができる。
18−OH・・・(9)
HO−(CH−O(C=O)CR=CR・・・(10)
(式(9)中、R18は炭素数1〜4のアルキル基である。式(10)中、m、R〜Rは前記式(5)のR〜Rと同じである。)
18の炭素数1〜4のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル、イソプロピル基、n−ブチル基等が挙げられる。
式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体において、全てのR及びR中、上記のエステル化により式(5)で表される1価の有機基が導入されたものの割合(エステル化率)は、好ましくは50〜90モル%であり、より好ましくは70〜90モル%である。エステル化率はNMR測定により算出する。
式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体は、その一部に式(3)で表される構造単位以外の構造単位を有していてもよい。この場合、その割合は全構造単位中50モル%未満であることが好ましい。
(a)成分のポリイミド前駆体の分子量は特に制限はないが、数平均分子量で10,000〜200,000であることが好ましい。数平均分子量は、GPC(ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー)で測定し、ポリスチレン換算で算出する。
((b)成分:脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物)
(b)成分はラジカル重合性化合物であり、光重合開始剤により重合可能な重合性の不飽和二重結合を有する基(例えば(メタ)アクリル基)を1つ以上有することが好ましい。当該重合性の不飽和二重結合を有する基の数は2つ以上が好ましく、3つ以下が好ましい。この範囲であると、架橋構造形成時に、架橋密度が適度であり、良好な光感度が得られ、現像後のパターン膨潤を抑制することができる。
脂肪族環状構造としては、トリシクロデカン、アダマンタン、シクロヘキサン及びノルボルネン等が挙げられ、(b)成分は、これらから選択される少なくとも1種の構造を有する化合物が好ましい。
(b)成分としては、下記式(11)〜(14)で表される化合物を用いることができる。
Figure 2018179330
式(11)〜(14)中、R19〜R22は、各々独立に、炭素数1〜4の脂肪族基、又は下記式(15)で表される1価の有機基である。
aは1〜6の整数(好ましくは1〜3の整数)であり、bは1〜12の整数(好ましくは1〜3の整数)であり、cは1〜16の整数(好ましくは1〜3の整数、より好ましくは2)であり、dは1〜16の整数(好ましくは1〜3の整数、より好ましくは2)である。
式(11)〜(14)で表される各化合物は、式(15)で表される1価の有機基を少なくとも1つ(好ましくは2つ又は3つ)有する。
尚、R19〜R22は式(11)〜(14)で表される各化合物における全ての可能な置換位置に結合することができる。
Figure 2018179330
(式(15)中、R29〜R31は、各々独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基(好ましくはメチル基)であり、lは0〜10の整数(好ましくは0又は1)である。)
本発明の感光性樹脂組成物は、脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物以外のラジカル重合性化合物を含んでもよい。当該化合物としては、例えば、テトラエチレングリコールジメタクリレート等を用いることができる。
感光性樹脂組成物における(b)成分の添加量は、(a)成分100質量部に対して、通常、1〜50質量部であり、好ましくは5〜50質量部であり、より好ましくは5〜30質量部である。
1〜50質量部であれば、光重合時の架橋密度が適度となるため、現像後のパターン膨潤を抑制することができ、実用的なレリ−フパターンを得ることができる。また、硬化膜の疎水性を有効に向上することができる。さらに、露光の際の基板面からの散乱光による未露光部への影響を少なくすることができ、未露光部での現像後残滓の発生を抑制することができる。
((c)成分:式(1)で表される化合物)
(c)成分として用いる式(1)で表される化合物は、通常、光によりラジカルを発生し、パターニング時に使用する光源であるi線に対して高い感度を有する。
Figure 2018179330
(式(1)中、Rは下記式(2)で表される有機基であり、Rは水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基であり、Rは炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のアルコキシ基又は炭素数6〜10のアリール基である。)
Figure 2018179330
(式(2)中、Rは1価の有機基であり、Xは酸素原子、硫黄原子又はカルボニル基であり、sは0〜5の整数である。)
式(1)中、Rは、好ましくは炭素数1〜10(好ましくは1〜8)のアルキル基であり、より好ましくはメチル基又はヘキシル基である。Rは、好ましくは炭素数1〜3のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、より好ましくはメチル基又はフェニル基である。
式(2)中、Xは、好ましくは硫黄原子である。Rは、好ましくは炭素数1〜4のヒドロキシアルコキシ基である。sは好ましくは0又は1である。
また、式(2)は、下記式(2’)で表される基であってもよい。
Figure 2018179330
本発明の感光性樹脂組成物は、上記式(1)で表される化合物以外の光によりラジカルを発生する化合物を含んでもよい。そのような化合物としては、例えば、ベンゾフェノン、o−ベンゾイル安息香酸メチル、4−ベンゾイル−4’−メチルジフェニルケトン、ジベンジルケトン、フルオレノン等のベンゾフェノン誘導体、2,2’−ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン等のアセトフェノン誘導体、チオキサントン、2−メチルチオキサントン、2−イソプロピルチオキサントン、ジエチルチオキサントン等のチオキサントン誘導体、ベンジル、ベンジルジメチルケタール、ベンジル−β−メトキシエチルアセタール等のベンジル誘導体、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル等のベンゾイン誘導体、1−フェニル−1,2−ブタンジオン−2−(o−メトキシカルボニル)オキシム、1−フェニル−1,2−プロパンジオン−2−(o−メトキシカルボニル)オキシム、1−フェニル−1,2−プロパンジオン−2−(o−エトキシカルボニル)オキシム、1−フェニル−1,2−プロパンジオン−2−(o−ベンゾイル)オキシム、1,3−ジフェニルプロパントリオン−2−(o−エトキシカルボニル)オキシム、1−フェニル−3−エトキシプロパントリオン−2−(o−ベンゾイル)オキシム等のオキシムエステル類等が挙げられるが、これらに限定されない。
感光性樹脂組成物における(c)成分の添加量は、(a)成分100質量部に対して、通常、0.1〜20質量部であり、好ましくは0.1〜10質量部であり、より好ましくは0.1〜5質量部である。0.1〜20質量部であれば、塗膜表面付近での露光光線の吸収量が適度となり、基板まで露光光線が十分到達する。そのため、光架橋を膜厚方向で均一に行うことができ、良好なレリ−フパターンを得ることができる。
本発明の感光性樹脂組成物の、例えば、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上、99質量%以上、99.5質量%以上又は99.9質量%以上が、(a)〜(c)成分及び後述する溶剤、及び任意に他の成分であってもよい。
本発明の感光性樹脂組成物は、本質的に(a)〜(c)成分及び後述する溶剤、及び任意に他の成分からなってもよい。この場合、不可避不純物を含んでもよい。
また、本発明の感光性樹脂組成物は、(a)〜(c)成分及び後述する溶剤、及び任意に他の成分のみからなってもよい。
本発明の感光性樹脂組成物は、(a)〜(c)成分に加えて、必要に応じて、(1)溶剤、(2)カップリング剤、(3)界面活性剤又はレベリング剤、(4)防錆剤、(5)重合禁止剤、(6)加熱によりラジカルを発生する化合物等を含有してもよい。
以下、各成分について説明する。
((1)溶剤)
溶剤としては、(a)成分であるポリイミド前駆体を溶解する観点から極性溶媒が好ましい。極性溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジミチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ヘキサメチルリン酸トリアミド、γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトン、γ−バレロラクトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレンカーボネート、乳酸エチル、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等が挙げられる。
((2)カップリング剤((b)成分以外の化合物))
通常、カップリング剤は、感光性樹脂組成物を塗布、露光、現像後に加熱処理する工程において、(a)成分であるポリイミド前駆体と反応して架橋するか、又はカップリング剤自身が重合する。これにより、硬化膜と基板との密着性をより向上させることができる。
また、分子内にウレア結合(−NH−CO−NH−)を有するシランカップリング剤を用いることにより、200℃以下の低温下で硬化を行った場合も基板との密着性をさらに高めることができる。
ウレア結合を有するシランカップリング剤としては、低温での硬化を行った際の密着性の発現に優れる点で、下記式(20)で表される化合物がより好ましい。
Figure 2018179330
(式(20)中、R32及びR33は、各々独立に、炭素数1〜5のアルキル基である。kは1〜10の整数であり、jは1〜3の整数である。)
式(20)で表される化合物の具体例としては、ウレイドメチルトリメトキシシラン、ウレイドメチルトリエトキシシラン、2−ウレイドエチルトリメトキシシラン、2−ウレイドエチルトリエトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、4−ウレイドブチルトリメトキシシラン、4−ウレイドブチルトリエトキシシラン等が挙げられ、好ましくは3−ウレイドプロピルトリエトキシシランである。
上記のウレア結合を有するシランカップリング剤に加えてヒドロキシ基又はグリシジル基を有するシランカップリング剤を併用すると、さらに低温硬化時の硬化膜の基板への密着性向上に効果がある。
ヒドロキシ基又はグリシジル基を有するシランカップリング剤としては、メチルフェニルシランジオール、エチルフェニルシランジオール、n−プロピルフェニルシランジオール、イソプロピルフェニルシランジオール、n−ブチルフェニルシランジオール、イソブチルフェニルシランジオール、tert−ブチルフェニルシランジオール、ジフェニルシランジオール、エチルメチルフェニルシラノール、n−プロピルメチルフェニルシラノール、イソプロピルメチルフェニルシラノール、n−ブチルメチルフェニルシラノール、イソブチルメチルフェニルシラノール、tert−ブチルメチルフェニルシラノール、エチルn−プロピルフェニルシラノール、エチルイソプロピルフェニルシラノール、n−ブチルエチルフェニルシラノール、イソブチルエチルフェニルシラノール、tert−ブチルエチルフェニルシラノール、メチルジフェニルシラノール、エチルジフェニルシラノール、n−プロピルジフェニルシラノール、イソプロピルジフェニルシラノール、n−ブチルジフェニルシラノール、イソブチルジフェニルシラノール、tert−ブチルジフェニルシラノール、フェニルシラントリオール、1,4−ビス(トリヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(メチルジヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(エチルジヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(プロピルジヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(ブチルジヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(ジメチルヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(ジエチルヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(ジプロピルヒドロキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(ジブチルヒドロキシシリル)ベンゼン等や、下記式(21)で表わされる化合物が挙げられる。
Figure 2018179330
(式(21)中、R34は、ヒドロキシ基又はグリシジル基を有する1価の有機基であり、R35及びR36は、各々独立に、炭素数1〜5のアルキル基である。iは1〜10の整数であり、hは0〜2の整数である。)
上記のヒドロキシ基又はグリシジル基を有するシランカップリング剤のうち、基板との密着性をより向上させる観点から、式(21)で表される化合物がより好ましい。
このようなシランカップリング剤としては、ヒドロキシメチルトリメトキシシラン、ヒドロキシメチルトリエトキシシラン、2−ヒドロキシエチルトリメトキシシラン、2−ヒドロキシエチルトリエトキシシラン、3−ヒドロキシプロピルトリメトキシシラン、3−ヒドロキシプロピルトリエトキシシラン、4−ヒドロキシブチルトリメトキシシラン、4−ヒドロキシブチルトリエトキシシラン、グリシドキシメチルトリメトキシシラン、グリシドキシメチルトリエトキシシラン、2−グリシドキシエチルトリメトキシシラン、2−グリシドキシエチルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、4−グリシドキシブチルトリメトキシシラン、4−グリシドキシブチルトリエトキシシラン等が挙げられる。
ヒドロキシ基又はグリシジル基を有するシランカップリング剤は、ヒドロキシ基又はグリシジル基と共に、さらに、窒素原子を含む基、具体的にはアミノ基やアミド結合を有するシランカップリング剤であることが好ましい。
アミノ基を有するシランカップリング剤としては、ビス(2−ヒドロキシメチル)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、ビス(2−ヒドロキシメチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、ビス(2−グリシドキシメチル)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、ビス(2−ヒドロキシメチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。
アミド結合を有するシランカップリング剤としては、下記式で表される化合物等のアミド結合を有するシランカップリング剤等が挙げられる。
Z−(CH−CO−NH−(CH−Si(OR37
(式中、Zはヒドロキシ基又はグリシジル基であり、e及びfは、各々独立に、1〜3の整数であり、R37はメチル基、エチル基又はプロピル基である。)
シランカップリング剤の含有量は、(a)成分100質量部に対して、0.1〜20質量部であることが好ましく、1〜10質量部であることがより好ましく、0.3〜10質量部であることがさらに好ましい。
((3)界面活性剤又はレベリング剤)
感光性樹脂組成物に界面活性剤又はレベリング剤を加えることにより、塗布性(例えばストリエーション(膜厚のムラ)の抑制)、及び現像性を向上することができる。
界面活性剤又はレベリング剤としては、例えば、ポリオキシエチレンウラリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェノールエーテル等が挙げられ、市販品としては、商品名「メガファックスF171」、「F173」、「R−08」(以上、大日本インキ化学工業株式会社製)、商品名「フロラードFC430」、「FC431」(以上、住友スリーエム株式会社製)、商品名「オルガノシロキサンポリマーKP341」、「KBM303」、「KBM403」、「KBM803」(以上、信越化学工業株式会社製)等が挙げられる。
界面活性剤又はレベリング剤の含有量は、(a)成分100質量部に対して、0.01〜10質量部が好ましく、0.05〜5質量部がより好ましく、0.05〜3質量部がさらに好ましい。
((4)防錆剤)
防錆剤を加えることにより、銅及び銅合金の腐食や変色を抑制、防止することができる。防錆剤としては、例えば、トリアゾール誘導体及びテトラゾール誘導体等が挙げられる。
防錆剤を用いる場合の含有量は、(a)成分100質量部に対して、0.01〜10質量部が好ましく、0.1〜5質量部がより好ましく、0.5〜3質量部がさらに好ましい。
((5)重合禁止剤)
重合禁止剤(ラジカル重合禁止剤、ラジカル重合抑制剤)を含むことにより、良好な保存安定性を確保することができる。
重合禁止剤としては、例えば、p−メトキシフェノール、ジフェニル−p−ベンゾキノン、ベンゾキノン、ハイドロキノン、ピロガロール、フェノチアジン、レゾルシノール、オルトジニトロベンゼン、パラジニトロベンゼン、メタジニトロベンゼン、フェナントラキノン、N−フェニル−2−ナフチルアミン、クペロン、2,5−トルキノン、タンニン酸、パラベンジルアミノフェノール、ニトロソアミン類等が挙げられる。
重合禁止剤の含有量としては、感光性樹脂組成物の保存安定性及び得られる硬化膜の耐熱性の観点から、(a)成分100質量部に対して、0.01〜30質量部が好ましく、0.01〜10質量部がより好ましく、0.05〜5質量部がさらに好ましい。
((6)加熱によりラジカルを発生する化合物)
加熱によりラジカルを発生する化合物を含むことにより、感光性樹脂組成物の硬化時の収縮を抑制することができる。
加熱によりラジカルを発生する化合物としては、例えば、有機過酸化物等が挙げられる。
有機過酸化物の具体例としては、メチルエチルケトンパーオキサイド等のケトンパーオキサイド、1,1−ジ(t−ヘキシルパーオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ジ(t−ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン、1,1−ジ(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン等のパーオキシケタール、1,1,3,3−テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、p−メンタンハイドロパーオキサイド等のハイドロパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド等のジアルキルパーオキサイド、ジラウロイルパーオキサイド、ジベンゾイルパーオキサイド等のジアシルパーオキサイド、ジ(4−t−ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート、ジ(2−エチルヘキシル)パーオキシジカーボネート等のパーオキシジカーボネート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ヘキシルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、t−ブチルパーオキシベンゾエート、1,1,3,3−テトラメチルブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート等のパーオキシエステル等が挙げられる。市販品としては、商品名「Percuml D」、「Percumyl P」、「Percumy H」(以上、日油株式会社製)等が挙げられる。
加熱によりラジカルを発生する化合物の含有量は、(a)成分100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましく、0.5〜5質量部がより好ましく、1〜3質量部がさらに好ましい。
[パターン硬化膜の製造方法]
上述した本発明の感光性樹脂組成物を基板上に塗布、乾燥して感光性樹脂膜を形成する工程と、感光性樹脂膜をパターン露光する工程と、パターン露光を行った樹脂膜を、有機溶剤を用いて現像してパターン樹脂膜を形成する工程と、パターン樹脂膜を加熱処理する工程とを含む製造方法によって、パターン硬化膜を製造することができる。
以下、各工程について説明する。
(感光性樹脂膜形成工程)
基板の素材としては、ガラス、半導体、TiO、SiO等の金属酸化物絶縁体、窒化ケイ素、銅、銅合金等が挙げられる。塗布方法に特に制限はないが、スピナー等を用いて行うことができる。
乾燥は、ホットプレート、オーブン等を用いて行うことができる。加熱温度は90〜150℃であることが好ましく、溶解コントラスト確保の観点から、90〜120℃であることがより好ましい。加熱時間は、30秒間〜5分間が好ましい。これにより、本発明の感光性樹脂組成物を膜状に形成した感光性樹脂膜を得ることができる。
感光性樹脂膜の膜厚は、5〜100μmが好ましく、5〜50μmがより好ましく、5〜30μmがさらに好ましい。
(露光工程)
露光工程では、マスクを介して所定のパターンに露光することができる。照射する活性光線としては、i線を含む紫外線、可視光線、放射線等が挙げられるが、i線が好ましい。露光装置としては、平行露光機、投影露光機、ステッパ、スキャナ露光機等を用いることができる。
(現像工程)
得られた樹脂膜について現像処理を行うことで、パターン形成された樹脂膜(パターン樹脂膜)を得ることができる。一般的に、ネガ型感光性樹脂組成物を用いた場合には、未露光部を現像液で除去する。
現像液としては有機溶剤が挙げられ、良溶媒を単独で、もしくは良溶媒と貧溶媒を適宜混合して用いることができる。良溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N−アセチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ガンマブチロラクトン、α−アセチル−ガンマブチロラクトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等が、貧溶媒としては、トルエン、キシレン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノメチルエーテル及び水等が用いられる。
現像時間は、用いる(a)成分の種類によっても異なるが、10秒間〜15分間であることが好ましく、10秒間〜5分間であることがより好ましく、生産性の観点からは、20秒間〜5分間であることがさらに好ましい。
上記現像液に界面活性剤を添加してもよい。添加量としては、現像液100質量部に対して、0.01〜10質量部が好ましく、0.1〜5質量部がより好ましい。
現像終了後、リンス液により洗浄を行って現像液を除去することにより、パターン樹脂膜が得られる。リンス液としては、蒸留水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル等を単独で又は適宜混合して用いたり、段階的に組み合わせて用いることもできる。
(加熱処理工程)
パターン樹脂膜を加熱処理することにより、パターン硬化膜を得ることができる。(a)成分はポリイミド前駆体であるため、加熱処理工程によって脱水閉環反応を起こし、対応するポリイミドとすることができる。
また、感光性樹脂組成物が上述した(6)加熱によりラジカルを発生する化合物を含む場合、パターン樹脂膜を加熱処理することにより、(b)成分の官能基同士、又は、(a)成分と(b)成分の間等に架橋構造を形成し、パターン硬化膜を得ることができる。
加熱温度は、250℃以下が好ましく、120〜250℃がより好ましく、160〜200℃がさらに好ましい。
上記範囲内であることにより、基板やデバイスへのダメージを小さく抑えることができ、デバイスを歩留り良く生産することが可能となり、プロセスの省エネルギー化を実現することができる。
加熱時間は、5時間以下が好ましく、30分間〜3時間がより好ましい。
上記範囲内であることにより、架橋反応又は脱水閉環反応を充分に進行することができる。また、加熱処理の雰囲気は大気中であっても、窒素等の不活性雰囲気中であってもよいが、パターン樹脂膜の酸化を防ぐことができる観点から、窒素雰囲気下が好ましい。
加熱処理工程に用いられる装置としては、石英チューブ炉、ホットプレート、ラピッドサーマルアニール、縦型拡散炉、赤外線硬化炉、電子線硬化炉、マイクロ波硬化炉等が挙げられる。
[硬化物]
本発明の感光性樹脂組成物について上記の加熱処理工程を適用することにより硬化物とすることができる。本発明の硬化物は、上記のパターン硬化膜であってもよいし、パターンを有さない硬化膜であってもよい。
[電子部品]
上記のパターン硬化膜又は硬化物は、層間絶縁膜、カバーコート層又は表面保護膜として用いることができる。当該層間絶縁膜、カバーコート層、表面保護膜等を用いて、信頼性の高い半導体装置、多層配線板、各種電子デバイス等の電子部品を製造することができる。
[半導体装置の製造工程]
本発明の電子部品である半導体装置の製造工程の一例を、図面を参照して説明する。
図1は多層配線構造の半導体装置の製造工程図である。図1において、回路素子を有するSi基板等の半導体基板1は、回路素子の所定部分を除いてシリコン酸化膜等の保護膜2等で被覆され、露出した回路素子上に第1導体層3が形成されている。その後、前記半導体基板1上にスピンコート法等で層間絶縁膜4が形成される。
次に塩化ゴム系、フェノールノボラック系等の感光性樹脂膜5が層間絶縁膜4上にスピンコート法で形成され、公知の写真食刻技術によって所定部分の層間絶縁膜4が露出する様に窓6Aが設けられる。
窓6Aが露出した層間絶縁膜4は、酸素、四フッ化炭素等のガスを用いるドライエッチング手段によって選択的にエッチングされ、窓6Bが開けられている。次いで、窓6Bから露出した第1導体層3を腐食することなく、感光性樹脂膜5のみを腐食するようなエッチング溶液を用いて感光性樹脂膜5が除去される。
さらに公知の写真食刻技術を用いて、第2導体層7を形成させ、第1導体層3との電気的接続が行われる。3層以上の多層配線構造を形成する場合には、前記の工程を繰り返して行い各層を形成することができる。
次に表面保護膜8が形成される。図1の例では、本発明の感光性樹脂組成物をスピンコート法にて塗布、乾燥し、所定部分に窓6Cを形成するパターンを描いたマスク上から光を照射した後、有機溶剤にて現像してパターンを形成し、加熱して表面保護膜8とする。表面保護膜8は、導体層を外部からの応力、α線等から保護するものであり、得られる半導体装置は信頼性に優れる。尚、前記例において、層間絶縁膜4を本発明の感光性樹脂組成物を用いて形成することも可能である。
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明についてさらに具体的に説明する。尚、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
合成例1
[(a)成分:ポリイミド前駆体a1の合成]
3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物(ODPA)7.07gと2,2’−ジメチルビフェニル−4,4’−ジアミン(DMAP)4.12gとをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)30gに溶解し、30℃で4時間、その後室温下で一晩撹拌し、ポリアミド酸を得た。そこに水冷下で無水トリフルオロ酢酸を9.45g加え、45℃で3時間撹拌し、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル(HEMA)7.08gを加えた。この反応液を蒸留水に滴下し、沈殿物をろ別して集め、減圧乾燥することによって目的のポリイミド前駆体(ポリアミド酸誘導体)a1を得た。
ポリイミド前駆体a1の、GPC法標準ポリスチレン換算により求めた数平均分子量は35,000であった。また、NMR測定により算出した、HEMAによるエステル化率は80モル%であった(残り20モル%はカルボキシ基である)。NMR測定の測定条件は以下の通りである。
測定機器:ブルカー・バイオスピン社製「AV400M」
磁場強度:400MHz
基準物質:テトラメチルシラン(TMS)
溶剤:ジメチルスルホキシド(DMSO)
GPC法標準ポリスチレン換算による数平均分子量の測定条件は以下の通りである。0.5mgのポリイミド前駆体a1に対して溶剤[テトラヒドロフラン(THF)/ジメチルホルムアミド(DMF)=1/1(容積比)]1mLの溶液を用いて測定した。
測定装置:検出器 株式会社日立製作所製L4000UV
ポンプ:株式会社日立製作所製L6000
株式会社島津製作所製C−R4A Chromatopac
測定条件:カラムGelpack GL−S300MDT−5×2本
溶離液:THF/DMF=1/1(容積比)
LiBr(0.03mol/L)、HPO(0.06mol/L)
流速:1.0mL/分、検出器:UV270nm
実施例1〜6及び比較例1〜2
[感光性樹脂組成物の調製]
表1に示す成分及び配合量にて、実施例1〜6及び比較例1〜2の感光性樹脂組成物を調製した。当該感光性樹脂組成物はネガ型である。表1の配合量は、(a)成分100質量部に対する各成分の質量部である。
用いた各成分は以下の通りである。
<(a)成分:ポリイミド前駆体>
・a1:合成例1で得られたポリイミド前駆体a1
<(b)成分:脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物>
・b1:トリシクロデカンジメタノールジアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名「A−DCP」、下記式で表される化合物)
Figure 2018179330
・b2:1,3−ジアクリレートアダマンタン(三菱ガス化学株式会社製、商品名「ADDA」、下記式で表される化合物)
Figure 2018179330
<(b’)成分>
・b’1:テトラエチレングリコールジメタクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名「TEGDMA」、下記式で表される化合物)
Figure 2018179330
<(c)成分:式(1)で表される化合物>
・c1:下記式で表される化合物(株式会社ADEKA製、商品名「NCI−930」)
Figure 2018179330
・c2:1.2−オクタンジオン,1−[4−(フェニルチオ)−,2−(O−ベンゾイルオキシム)](BASFジャパン株式会社製、商品名「IRUGCURE OXE 01」、下記式で表される化合物)
Figure 2018179330
<(c’)成分>
・c’1:エタノン,1−[9−エチル−6−(2−メチルベンゾイル)−9H−カルバゾール−3−イル]−,1−(0−アセチルオキシム)(BASFジャパン株式会社製、商品名「IRUGCURE OXE 02」、下記式で表される化合物)
Figure 2018179330
<溶剤>
・NMP
尚、(b’)成分とは、本発明で用いる(b)成分とは異なる成分を意味し、(c’)成分とは、本発明で用いる(c)成分とは異なる成分を意味する。
[感光性樹脂組成物の評価]
実施例1〜6及び比較例1〜2で得られた感光性樹脂組成物について以下の評価を行った。結果を表1に示す。
<解像度の評価>
感光性樹脂組成物を、塗布装置(東京エレクトロン株式会社製、商品名「Act8」)を用いてシリコン基板上にスピンコートし、100℃で2分間乾燥後、110℃で2分間乾燥して、乾燥膜厚7〜15μmの感光性樹脂膜を形成した。得られた感光性樹脂膜について、i線ステッパ(キヤノン株式会社製、商品名「FPA−3000iW」)を用いて露光(露光量:400mJ/cm)を行った。同じ厚みの未露光の感光性樹脂膜をシクロペンタノンに浸漬した場合に完全に溶解するまでの時間の2倍を現像時間として、露光後の樹脂膜をシクロペンタノンにパドル現像し、PGMEAでリンス洗浄を行ってパターン樹脂膜を得た。得られたパターン樹脂膜について、丸穴形状のパターンが、はがれ及び残渣なくパターニングできている最小の直径を解像度とした。
<残膜率の評価>
<解像度の評価>と同様の方法にて得られたパターン樹脂膜について、残膜率(現像後残膜率)を下記式により算出した。
現像後残膜率=(現像後の膜厚/露光前の膜厚)×100
上記のパターン樹脂膜について、縦型拡散炉(光洋サーモシステム株式会社製)を用いて、窒素雰囲気下で、175℃、1時間の条件で加熱処理を行い、パターン硬化膜を製造した。得られたパターン硬化膜について、残膜率(硬化後残膜率)を下記式により算出した。
硬化後残膜率=(硬化後の膜厚/露光前の膜厚)×100
露光前の膜厚、現像後の膜厚及び硬化後の膜厚は、樹脂膜又は硬化膜の一部分をけがくことで基板を露出させ、露出した基板表面から膜表面までの高さを接針式プロファイラー(株式会社アルバック製、商品名「Dektak150」)を用いて測定した。
[硬化物の評価]
実施例1〜6及び比較例1〜2の感光性樹脂組成物から得られた硬化物(硬化膜)について以下の評価を行った。結果を表1に示す。
<接着性の評価>
感光性樹脂組成物を銅基板上に塗布して、硬化後膜厚が10μmとなるようにスピンコートした。100℃で2分間乾燥後、110℃で2分間乾燥して感光性樹脂膜を形成した。得られた感光性樹脂膜に、マスクアライナー(ズース・マイクロテック製、商品名「MA8」)を用いて露光を行った。この樹脂膜を、縦型拡散炉(光洋サーモシステム株式会社製)を用いて、窒素雰囲気下、173℃で1時間加熱して硬化膜を得た。次に、得られた硬化膜についてプレッシャークッカーテスト(PCT)を行った。PCTの条件は、121℃、100RH%、2atmとし、テスト時間は100時間、200時間、300時間、400時間及び500時間とした。
PCT後の硬化膜の接着性を薄膜密着強度測定機(Quad Group社製、商品名「ロミュラス」)を用いたスタッドプル評価法(スタッド引っ張り剥離強度測定)で測定した。
具体的には、硬化膜を形成した各銅基板を1cm角に切断してサンプル片を作製し、その中央にエポキシ樹脂付きスタッドピンを立てクリップで固定し、150℃のオーブンで1時間加熱硬化させてエポキシ樹脂付きスタッドピンを硬化膜に固定し、評価用サンプルを作製した。この評価用サンプルを薄膜密着強度測定機(ロミュラス)にセットし、5kg/秒で100kgまで荷重を増加させて、スタッドピンに垂直方向に引っ張りの負荷を掛け、硬化膜の剥離の有無を観察した。硬化膜が銅基板から剥離した評価用サンプルのPCT処理時間に基づいて、次の基準により接着性を評価した。
○:500時間の評価用サンプル試験片において硬化膜は剥離しなかった。
△:300時間、400時間又は500時間の評価用サンプル片において硬化膜が剥離した。
×:100時間又は200時間の評価用サンプル片において硬化膜が剥離した。
Figure 2018179330
表1から分かるように、本発明の感光性樹脂組成物は解像度に優れ、かつ、当該感光性樹脂組成物から得られた硬化膜は銅基板に対する接着性が高かった。
本発明の感光性樹脂組成物は、電子部品の絶縁材料や、半導体装置におけるパッシベーション膜、バッファーコート膜、層間絶縁膜、カバーコート層、表面保護膜等の耐熱性レリーフパターンの形成に用いることができる。
上記に本発明の実施形態及び/又は実施例を幾つか詳細に説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び効果から実質的に離れることなく、これら例示である実施形態及び/又は実施例に多くの変更を加えることが容易である。従って、これらの多くの変更は本発明の範囲に含まれる。
この明細書に記載の文献の内容を全てここに援用する。

Claims (9)

  1. (a)ポリイミド前駆体と、
    (b)脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物と、
    (c)下記式(1)で表される化合物と、
    を含有する感光性樹脂組成物。
    Figure 2018179330
    (式(1)中、Rは下記式(2)で表される有機基であり、Rは水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基であり、Rは炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のアルコキシ基又は炭素数6〜10のアリール基である。)
    Figure 2018179330
    (式(2)中、Rは1価の有機基であり、Xは酸素原子、硫黄原子又はカルボニル基であり、sは0〜5の整数である。)
  2. 前記(a)成分が、下記式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体である請求項1に記載の感光性樹脂組成物。
    Figure 2018179330
    (式(3)中、Aは、下記式(4)で表される4価の有機基であり、Bは芳香族環を少なくとも1つ含む2価の有機基であり、R及びRは、各々独立に、水素原子又は1価の有機基である。)
    Figure 2018179330
    (式(4)中、Yは酸素原子又は硫黄原子である。)
  3. 前記式(3)のR及びRが、各々独立に、水素原子、下記式(5)で表される基又は炭素数1〜4のアルキル基である請求項2に記載の感光性樹脂組成物。
    Figure 2018179330
    (式(5)中、R〜Rは、各々独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基であり、mは1〜10の整数である。)
  4. 前記(b)成分が、2個以上のラジカル重合性基及び脂肪族環状構造を有するラジカル重合性化合物を含む請求項1〜3のいずれかに記載の感光性樹脂組成物。
  5. 前記(b)成分が、トリシクロデカン、アダマンタン、シクロヘキサン及びノルボルネンからなる群から選択される1以上の構造を有するラジカル重合性化合物を含む請求項1〜4のいずれかに記載の感光性樹脂組成物。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の感光性樹脂組成物を基板上に塗布、乾燥して感光性樹脂膜を形成する工程と、
    前記感光性樹脂膜をパターン露光する工程と、
    前記パターン露光を行った樹脂膜を、有機溶剤を用いて現像してパターン樹脂膜を形成する工程と、
    前記パターン樹脂膜を加熱処理する工程と、
    を含むパターン硬化膜の製造方法。
  7. 請求項1〜5のいずれかに記載の感光性樹脂組成物を硬化した硬化物。
  8. 請求項7に記載の硬化物を用いて作製された層間絶縁膜、カバーコート層又は表面保護膜。
  9. 請求項8に記載の層間絶縁膜、カバーコート層又は表面保護膜を有する電子部品。
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