KR0178332B1 - Copolymers of n-(camphorsulfonyloxy) maleimide and preparation of producing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공중합체의 단위로서 N-캠퍼술폰일옥시말레이미드와 말레이미드계 화합물, 스티렌계 화합물, 및 메타크릴산에스테르계 화합물 중에서 선택된 한가지 또는 두가지를 교대 구조로 가진 공중합체 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 공중합체는 양호한 필름 형성능과 낮은 광흡수율을 나타내며 레지스트 응용에 매우 적절한 고분자이다.The present invention relates to a copolymer having an alternating structure of one or two selected from N-camphorsulfonyloxymaleimide, a maleimide compound, a styrene compound, and a methacrylic acid ester compound as a unit of a copolymer, and a method for producing the same. It is about. The copolymers of the present invention exhibit good film formation and low light absorption and are very suitable polymers for resist applications.

Description

엔(N)-캠퍼술폰일옥시말레이미드의 공중합체 및 그의 제조방법Copolymer of N (N) -camphorsulfonyloxymaleimide and its preparation method

본 발명은 공중합체의 단위 구조로서 다음식의 N-캠퍼술폰일옥시말레이미드[N-(camphorsulfonyloxy)maleimide: 이하 CmpSOMI로 표기함]와 다음식의 화합물 중 한가지 또는 두가지를 교대 구조로 가진 공중합체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.In the present invention, a copolymer having an alternating structure of N-camphorsulfonyloxymaleimide (hereinafter referred to as CmpSOMI) and one or two of the following compounds as a unit structure of the copolymer: And a method for producing the same.

상기식에서 X는 (+)-10-캠퍼술폰일, (-)-10-캠퍼술폰일, 또는 (+)-10-캠퍼술폰일이고, Y는 -H, -OH, -COOBu-t, -OCOOBu-t, -OBu-t, 또는 -C6H4OCOOBu-t 이고, Z는 벤젠 고리의 파라(para) 혹은 메타(meta) 위치에 치환된 -OCOOBu-t, -CH3, -Cl, -OCOCH3, -Si(CH3)3, -OH, 또는 -H 이다.Wherein X is (+)-10-camphorsulfonyl, (-)-10-camphorsulfonyl, or (+)-10-camphorsulfonyl, Y is -H, -OH, -COOBu-t,- OCOOBu-t, -OBu-t, or -C 6 H 4 OCOOBu-t, Z is -OCOOBu-t, -CH 3 , -Cl, substituted at the para or meta position of the benzene ring -OCOCH 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OH, or -H.

현재 초고집적 반도체 제조용으로 활발하게 연구되고 있는 화학증폭성 포토레지스트 재료에는 단파장의 자외선 노광에 의해 산을 발생하는 광산 발생제(photoacid generator)가 포함되어 있다. 광산 발생제로서 대표적으로 사용되고 있는 오니움염에는 암모늄염, 요도니윰염, 술포늄염 등이 있는데 이들 오니윰염은 열적 불안정성과 낮은 용해성 등의 단점을 가질 뿐만 아니라 이들의 함유하고 있는 금속 성분이 미세회로 가공 공정에서 반도체 소자를 오염시킬 우려가 있다. 따라서 이를 대체하기 위하여 비이온성의 유기 광산 발생제의 개발이 진행되고 있으며, 그 중에서 유기 술폰산 에스테르가 많이 연구되고 있다.Chemically amplified photoresist materials that are currently being actively researched for the manufacture of ultra-high density semiconductors include photoacid generators that generate acid by short-wavelength ultraviolet exposure. Onium salts that are typically used as photoacid generators include ammonium salts, iodonisium salts, and sulfonium salts. These onium salts have disadvantages such as thermal instability and low solubility, and the metals they contain are microcircuit processing processes. May contaminate the semiconductor device. Therefore, in order to replace this, the development of non-ionic organic photoacid generator is in progress, and among them, organic sulfonic acid ester has been studied a lot.

기존의 포토레지스트 재료가 광산 발생제와 산 반응성 물질이 배합된 이성분 또는 삼성분계인데 반하여 본 발명자들은 광산 발생구조와 산 반응기가 동일한 고분자 사슬에 결합되어 있는 일성분계 레지스트 고분자를 연구하여 보고한 바 있다. 예를 들어 광산 발생형 고분자의 단량체로서 N-토실옥시말레이미드[N-(tosyloxy)maleimide] [Chem. Mater. 1994, 6, 1452], N-메탄술폰일옥시말레이미드[N-(methanesulfonyl)maleimide] 및 N-트리플루오로메탄술폰일옥시말레이미드[N-(triflouromethanesulfonyloxy)maleimide][한국특허 출원번호 제 20037호(1994년)]를 신규 합성하고, 이들의 공중합체가 자외선에 노광되면 각각 톨루엔술폰산, 메탄술폰산 및 트리플루오로술폰산을 고효율로 발생하는 것을 확인하였다. 또한 이들 단량체들을 산 반응성기를 가진 단량체와 공중합시켜 이 공중합체의 일성분계 레지스트 특성을 연구하였다[한국특허 출원번호 제20036호(1994년)]. 일성분계 레지스트에서는 광산 발생제를 따로 혼합하지 않아도 되므로, 이성분 또는 삼성분계 레지스트에서 광산 발생제의 용해도가 낮거나 레지스트에 함유된 다른 성분들과의 상용성의 부족으로 생기는 문제점들을 극복할 수 있다.Whereas the existing photoresist material is a two-component or ternary system in which a photo-acid generator and an acid-reactive substance are combined, the present inventors have studied and reported a one-component resist polymer in which the photo-acid generator and the acid reactor are bonded to the same polymer chain. have. For example, N-tosyloxy maleimide [Chem. Mater. 1994, 6, 1452], N-methanesulfonyloxymaleimide [N- (methanesulfonyl) maleimide] and N-trifluoromethanesulfonyloxymaleimide [N- (triflouromethanesulfonyloxy) maleimide] [Korean Patent Application No. 20037 (1994)] was newly synthesized, and it was confirmed that toluenesulfonic acid, methanesulfonic acid, and trifluorosulfonic acid were generated with high efficiency when these copolymers were exposed to ultraviolet rays, respectively. In addition, these monomers were copolymerized with monomers having an acid reactive group to study the one-component resist characteristics of the copolymer (Korean Patent Application No. 20036 (1994)). Since the photo-acid generator does not need to be mixed separately in the one-component resist, problems caused by low solubility of the photo-acid generator in the two-component or third-order resist or lack of compatibility with other components contained in the resist can be overcome.

이와 같이 상기에 제시된 말레이미드 화합물은 말레이미드의 N-위치에 기능성 관능기(functional group)를 용이하게 도입할 수 있으며 이 N-치환 말레이미드 단량체를 사용하여 여러가지 기능성 말레이미드 고분자를 용이하게 합성할 수 있다. 전자 결핍성인 말레이미드 단량체는 스티렌 유도체 등 전자 풍부성 단량체와 라디칼 공중합 반응시 반응성이 크기 때문에 고분자 전환율이 매우 높고, 생성된 중합체는 말레이미드 단량체와 스티렌 단량체가 교대로 결합된 교대 구조(alternating structure)를 형성한다. 말레이미드 고분자의 특성을 변화시켜 원하는 물성을 부여할 목적으로 다양한 화학 구조의 공단량체와의 이원 공중합체(copolymer)를 합성할 수 있으며 또한 제 3의 공단량체를 추가로 사용하여 된 삼원 공중합체(terpolymer)를 용이하게 합성할 수 있다.As described above, the maleimide compound described above can easily introduce a functional group to the N-position of the maleimide, and can easily synthesize various functional maleimide polymers using the N-substituted maleimide monomer. have. The electron deficient maleimide monomer has a high polymer conversion rate due to its high reactivity in the radical copolymerization reaction with an electron-rich monomer such as a styrene derivative, and the resulting polymer has an alternating structure in which the maleimide monomer and the styrene monomer are alternately bonded. To form. Terpolymers can be synthesized with the use of third comonomers to synthesize binary copolymers with comonomers of various chemical structures for the purpose of altering the properties of the maleimide polymer to impart desired properties. terpolymer) can be easily synthesized.

또한 말레이미드 고분자는 숙신이미드(succinimide) 구조에 기인하는 높은 유리전이 온도(glass transition temperature)를 갖는 외에도 원자외선 영역에서의 낮은 광흡수율, 양호한 필름 형성능 등의 특성을 가지므로 미세화상 형성용 포토레지스트(photoresist) 재료로서의 응용 가능성이 매우 크다. 특히 말레이미드의 N-위치에 산 분해성 보호기가 도입된 고분자는 산 존재하에서 비교적 낮은 온도(100℃ 전후)에 탈보호되어 현저한 용해도의 변화를 일으키므로 현재 포토레지스트 고분자로서 연구되고 있다. 말레이미드 고분자는 포토레지스트 이외에도 내열성이 요구되는 다양한 분야에 응용될 수 있다.In addition, since the maleimide polymer has a high glass transition temperature due to the succinimide structure, it has low light absorption in the far ultraviolet region and good film forming ability. The application potential as a photoresist material is very large. In particular, polymers in which an acid-decomposable protecting group is introduced at the N-position of maleimide are deprotected at relatively low temperatures (about 100 ° C.) in the presence of an acid, thereby causing a significant change in solubility. The maleimide polymer may be applied to various fields requiring heat resistance in addition to photoresist.

본 발명자들은 이와 같은 사실에 기초하여 각각 터셔리부톡시카보닐(t-BOC) 및 터셔리부톡시(t-BuO) 보호기로 N-치환된 N-터셔리부톡시카보닐말레이미드(t-BOCMI) 및 N-터셔리부톡시말레이미드(t-BuOMI)를 신규 합성하고 그 고분자의 레지스트 특성을 조사하였다[한국특허 제070225호(1994년), 제084289호(1995년), 제086663호(1995년), 제082594호(1995년)]. 또한 N-(터셔리부톡시카보닐옥시)말레이미드(t-BOCOMI)의 단량체 합성 및 중합체의 레지스트 응용에 관한 특허가 출원중에 있다[한국특허 출원번호 제38063호(1994년) 및 제38064호(1994년)].Based on this fact, the present inventors have N-terminated butoxycarbonylmaleimide (t-N-substituted with tert-butoxycarbonyl (t-BOC) and tert-butoxy (t-BuO) protecting groups, respectively. BOCMI) and N-tert-butoxymaleimide (t-BuOMI) were newly synthesized and the resist properties of the polymers were investigated (Korean Patent No. 070225 (1994), 084289 (1995), 086663). (1995), 082594 (1995)]. There are also patents relating to monomer synthesis of N- (tertiarybutoxycarbonyloxy) maleimide (t-BOCOMI) and to resist applications of polymers [Korean Patent Application Nos. 38063 (1994) and 38064. (1994)].

본 발명에서는 이전의 말레이미드 공중합체와 달리 단량체로서 말레이미드의 N-위치에 캠퍼술폰일옥시기가 결합된 CmpSOMI를 사용하여 다른 공단량체와 교대 구조를 가진 공중합체를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 공중합체는 레지스트 재료의 중요한 요구 물성인 200℃ 이상의 내열성을 나타내며 248nm에서 0.3/㎛ 이하의 낮은 광흡수율을 나타내어 레지스트 응용에 매우 적절한 고분자이다.In the present invention, unlike the previous maleimide copolymer, a copolymer having an alternating structure with other comonomers can be obtained by using CmpSOMI having a camphorsulfonyloxy group bonded to the N-position of the maleimide as a monomer. The copolymer according to the present invention has a heat resistance of 200 ° C. or more, which is an important required property of a resist material, and exhibits a low light absorption of 0.3 / µm or less at 248 nm, making it a very suitable polymer for resist applications.

따라서, 본 발명의 목적은 공중합체의 단위 구조로서 CmpSOMI와 상기에 제시된 화합물 중 한가지 또는 두가지를 교대 구조로 가진 공중합체를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a copolymer having an alternating structure of one or two of CmpSOMI and the compounds presented above as the unit structure of the copolymer.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 공중합체의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 공중합체 제조방법은 CmpSOMI와 말레이미드계 화합물(Y-MI), 스티렌계 화합물(Z-St), 메타크릴산에스테르계 화합물 중 한가지 또는 두가지를 혼합하여 라디칼 공중합시키는 것으로 이루어진다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a copolymer according to the present invention. The copolymer production method of the present invention comprises radical copolymerization of one or two of CmpSOMI, a maleimide compound (Y-MI), a styrene compound (Z-St), and a methacrylic acid ester compound.

본 발명의 또다른 목적은 본 발명의 공중합체를 제조하는데 사용된 단량체 CmpSOMI를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a monomer CmpSOMI used to prepare the copolymer of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 공중합체의 단량체로서 사용된 CmpSOMI는 신규 화합물로서 (+)CmpSOMI, (-)CmpSOMI, 또는 이 양자가 동량 혼합된 라세미체 (±)CmpSOMI이며, 특히 말레이미드의 N-위치에 결합된 캠퍼술폰일옥시기 중에서 캠퍼기는 알킬 고리로 되어 있어 레지스트의 필수 요건인 내건식식각 특성을 가질 수 있으며 또한 원자외선 영역에서 광흡수가 매우 작다. 캠퍼기는 (+)체와 (-)체의 광학 이성체가 존재하므로, 광학활성의 (+)CmpSOMI 또는 (-)CmpSOMI의 어느 한쪽의 가교 고분자를 제조하여 노광하면 해당되는 술폰산이 떨어져 나오게 되어, 캠퍼기가 제거된 자리에서는 제거된 캠퍼기와 동일한 광학부호의 광학이성체만을 인식하게 되는 분자인식 주형고분자로의 응용 가능성이 있다. 즉 본 발명의 공중합체는 단량체로서 고감도, 고해상성, 내열성을 가지면서 노광시 산발생의 기능을 갖는 CmpSOMI로부터 얻을 수 있다. CmpSOMI 중에서 대표적으로 (+)의 광학부호를 가지는 (+)CmpSOMI의 화학구조를 다음에 제시한다.CmpSOMI used as a monomer of the copolymer of the present invention is a novel compound (+) CmpSOMI, (-) CmpSOMI, or a racemate (±) CmpSOMI in which both are mixed in the same amount, particularly in the N-position of maleimide Among the camphor sulfonyloxy groups, the camphor group has an alkyl ring, so that the camphor group may have dry etching characteristics, which is an essential requirement of the resist, and also have very low light absorption in the far ultraviolet region. Since the camphor group has optical isomers of (+) and (-) bodies, when the crosslinked polymer of either optically active (+) CmpSOMI or (-) CmpSOMI is produced and exposed, the corresponding sulfonic acid is released. Where the group is removed, there is a possibility of application as a molecular recognition template polymer that recognizes only optical isomers having the same optical code as the removed camphor group. That is, the copolymer of the present invention can be obtained from CmpSOMI having a high sensitivity, high resolution, and heat resistance as a monomer and having a function of acid generation during exposure. The chemical structure of (+) CmpSOMI having a positive optical sign of CmpSOMI is shown below.

본 발명의 단량체 CmpSOMI는 구조식(II)의 합체를 기보고된 방법[Bull. Chem. Soc. Jpn., 1971, 44, 1084]에 의하여 합성하고, 이 합체와 (1S)-(+)-10-캠퍼술폰일클로라이드를 반응시켜 합체의 N-위치에 캠퍼술폰일기가 도입된 구조식(IIIa)의 N-[(1S)-(+)-10-캠퍼술폰일옥시]-3,6-에폭시-1,2,3,6-테트라히드로프탈이미드를 합성한 다음, 이 합체로부터 감압 가열(140℃)에 의한 retro-Diels-Alder 반응에 의해 약 50%의 수율로 구조식(Ia)의 (+)CmpSOMI를 합성한다.The monomer CmpSOMI of the present invention has been reported for the incorporation of structural formula (II) [Bull. Chem. Soc. Jpn., 1971, 44, 1084], wherein the combination reacted with (1S)-(+)-10-camphorsulfonylchloride to introduce a camphorsulfonyl group at the N-position of the copolymer (IIIa). N-[(1S)-(+)-10-camphorsulfonyloxy] -3,6-epoxy-1,2,3,6-tetrahydrophthalimide was synthesized and then heated under reduced pressure from the copolymer ( (+) CmpSOMI of formula (Ia) in a yield of about 50% by retro-Diels-Alder reaction.

광학 이성체는 그 입체구조 및 광학활성 이외의 화학·물리적 성질은 거의 동일하므로 각각 (1R)-(-)-10-캠퍼술폰일클로라이드 또는 (±)-10-캠퍼술폰일클로라이드를 사용하여 (+)CmpSOMI의 경우와 같은 방법으로 (-)CmpSOMI 또는 라세미체인 (±)CmpSOMI의 합성이 가능하다. 본 발명에서는 전체적으로 합성방법이 간편학 원료가 자연산에서 유도가능 하므로 대량생산이 가능하다.Optical isomers have almost identical chemical and physical properties other than their conformation and optical activity, so that (1R)-(-)-10-camphorsulfonyl chloride or (±) -10-camphorsulfonyl chloride is used to form (+ In the same way as for CmpSOMI, synthesis of (-) CmpSOMI or racemic chain (±) CmpSOMI is possible. In the present invention, the synthetic method as a whole, the mass production is possible because the raw material is derived from natural acids.

본 발명의 다른 구조를 가진 공단량체는 말레이미드계 화합물(Y-MI), 스티렌계 화합물(Z-St), 메타크릴산에스테르계 화합물 중에서 한가지 또는 두가지가 선택된다. Y-MI 중에서 산 반응성기를 가진 Y-MI는 N-t-부틸옥시카보닐말레이미드(t-BOCMI), N-t-부톡시말레이미드(t-BuOMI), N-t-부틸옥시카보닐옥시말레이미드(t-BOCOMI), N-t-부틸옥시카보닐옥시페닐말레이미드(t-BOCOPMI)를 들 수 있으며, 탈보호된 형태의 Y-MI는 말레이미드(MI), N-하이드록시말레이미드(HOMI)를 들 수 있다. Z-St 중에서 산 반응성 Z-St는 파라 또는 메타 위치에 t-BOC 치환기를 가진 t-부틸옥시카보닐옥시스티렌(t-BOCSt)을 들 수 있고, 일반적인 Z-St로서 스티렌(St)을 비롯하여 파라 또는 메타 위치에 치환기를 가진 메틸스티렌(MeSt), 클로로스티렌(ClSt), 아세톡시스티렌(AcOSt), 트리메틸실릴스티렌(SiSt), 하이드록시스티렌(HOSt)을 들 수 있다. 메타크릴산에스테르계 화합물로서 t-부틸메타크릴레이트(t-BMA)를 포함한다.As the comonomer having another structure of the present invention, one or two of maleimide compounds (Y-MI), styrene compounds (Z-St) and methacrylic acid ester compounds are selected. Y-MI having an acid reactive group in Y-MI is Nt-butyloxycarbonylmaleimide (t-BOCMI), Nt-butoxymaleimide (t-BuOMI), Nt-butyloxycarbonyloxymaleimide (t- BOCOMI) and Nt-butyloxycarbonyloxyphenylmaleimide (t-BOCOPMI), and the deprotected form of Y-MI includes maleimide (MI) and N-hydroxymaleimide (HOMI). have. Acid-reactive Z-St in Z-St includes t-butyloxycarbonyloxystyrene (t-BOCSt) having a t-BOC substituent in the para or meta position, and includes styrene (St) as a general Z-St. And methyl styrene (MeSt), chloro styrene (ClSt), acetoxy styrene (AcOSt), trimethylsilyl styrene (SiSt), and hydroxy styrene (HOSt) having a substituent in the para or meta position. T-butyl methacrylate (t-BMA) is included as a methacrylic acid ester compound.

이러한 단량체 및 공단량체의 교대 구조를 가진 본 발명의 공중합체에서 CmpSOMI의 구조는 전체 공중합체에 대하여 몰비로 0.1-1.0이다. 이와 같은 범위제시의 이유는 다음과 같다. 공중합체에 산 반응성기가 존재할 경우 소량의 산으로도 탈보호가 가능하므로 CmpSOMI가 적게 포함되어도 되며 그 한계가 약 10%라고 판단된다. 또한 CmpSOMI 구조는 그 자체만으로도 산발생에 의해 알칼리 수용액에 대한 용해도가 증대될 수 있으므로, 탈보호된 형태의 공단량체와 더 높은 몰비의 CmpSOMI와의 공중합체, 또는 CmpSOMI 만으로 된 단독 중합체도 일성분계 레지스트 응용이 가능하다. 즉, 공단량체의 화학 구조 및 함량에 따라 CmpSOMI의 최적함량이 위에 제시된 범위내에서 변화될 수 있다.In the copolymer of the present invention having an alternating structure of such monomers and comonomers, the structure of CmpSOMI is 0.1-1.0 in molar ratio relative to the entire copolymer. The reason for such a range suggestion is as follows. If an acid-reactive group is present in the copolymer, even a small amount of acid may be deprotected, and thus, CmpSOMI may be included in less than 10%. In addition, since the CmpSOMI structure itself can increase the solubility in aqueous alkali solution by acid generation, a copolymer of a deprotected form of comonomer with a higher molar ratio of CmpSOMI, or a homopolymer made only of CmpSOMI, may be used as a one-component resist application. This is possible. That is, depending on the chemical structure and content of the comonomer, the optimum content of CmpSOMI may vary within the ranges given above.

본 발명에 따라 합성된 대표적인 1:1 교대 공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCt]는 열중량분석(TGA)에서 약 150℃까지 안정하며 150℃ 이상에서는 t-BOC기의 탈보호가 시작되어 이산화탄소와 2-메틸프로펜의 발생에 해당하는 25%의 무게 감소를 나타낸다. 열시차분석법(DSC)에서 이 고분자는 실온에서부터 200℃까지 승온시키면서 관찰할 때 1차 측정에서 171℃에서 t-BOC 기의 탈보호에 해당하는 흡열현상을 나타내고, 이어서 탈보호된 동일 시료를 실온까지 냉각한 후 다시 승온시키면서 관찰한 2차 측정에서는 약 245℃의 높은 온도에서 유리전이온도(Tg)를 나타내고 약 270℃에서 고분자의 분해가 시작된다. 이러한 열분석 결과를 종합하면 본 발명의 공중합체는 탈보호의 전후에 있어서 미세화상 형성 공정에 적합한 내열성을 지니고 있음을 보여주는 것이다.Representative 1: 1 alternating copolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCt] synthesized according to the present invention is stable up to about 150 ° C. in thermogravimetric analysis (TGA) and deprotection of t-BOC groups above 150 ° C. And a weight loss of 25%, corresponding to the generation of carbon dioxide and 2-methylpropene. In the differential thermal analysis (DSC), the polymer exhibits an endotherm corresponding to the deprotection of t-BOC groups at 171 ° C. in the first measurement when observed at room temperature to 200 ° C., followed by deprotection of the same deprotected sample. In the secondary measurement observed after cooling to the temperature again, the glass transition temperature (Tg) is shown at a high temperature of about 245 ° C, and decomposition of the polymer starts at about 270 ° C. Taken together, these thermal analysis results show that the copolymer of the present invention has heat resistance suitable for a microimage forming process before and after deprotection.

산에 의하여 탈보호 가능한 보호기를 가지고 있는 단량체와 CmpSOMI로부터 제조된 공중합체는 광조사시 캠퍼술폰산을 발생하고 노광후 가열과정에서 이 산에 의해 고분자의 탈보호 반응이 일어나게 되므로 광산 발생제를 따로 혼합할 필요가 없는 일성분계 레지스트 재료로 응용이 가능하다. 실제로 CmpSOMI 단량체와 산반응성기가 결합된 단량체를 포함하는 공중합체에 원자외선(DUV)을 조사하고 TGA와 DSC로 분석한 결과 탈보호 온도가 100℃ 이하로 현저히 낮아지는 것이 관찰된다.Monomers with protecting groups deprotectable by acid and copolymers prepared from CmpSOMI generate camphorsulfonic acid when irradiated with light and deacidification of the polymer occurs by the acid during post-exposure heating. Application is possible with a one-component resist material that does not need to be. In fact, the ultraviolet rays (DUV) of the copolymer containing the monomer combined with the CmpSOMI monomer and the acid reactive group were analyzed by TGA and DSC, and the deprotection temperature was found to be significantly lowered below 100 ° C.

본 발명의 공중합체는 모두 양호한 필름 형성능을 나타내며, 248nm에서 1㎛ 두께당 0.3 이하의 광흡수율을 나타내어 248nm의 노광원을 사용하는 레지스트 응용에 매우 적합한 고분자이다. 본 발명의 공중합체는 가성소다, 암모늄염 등의 알칼리 수용액에는 녹지 않으나 사이클로헥산온, 아니솔과 같은 유기 용매에는 잘 용해되고, 반면에 탈보호된 중합체는 알칼리 수용액에 잘 녹고 대부분의 유기 용매에는 녹지 않는 것으로 나타나 산 반응성 보호기의 탈보호에 따른 극성 변화가 고분자의 용해도를 크게 변화시킨다.The copolymers of the present invention all exhibit good film forming ability and exhibit light absorption of 0.3 or less per 1 탆 thickness at 248 nm, making the polymer highly suitable for resist applications using an exposure source of 248 nm. The copolymer of the present invention is insoluble in an aqueous alkali solution such as caustic soda and ammonium salt, but soluble in organic solvents such as cyclohexanone and anisole, whereas the deprotected polymer is well soluble in aqueous alkali solution and insoluble in most organic solvents. It appears that the polarity change due to deprotection of the acid reactive protecting group greatly changes the solubility of the polymer.

본 발명의 공중합체에 대한 포토레지스트로서의 응용 가능성은 통상의 미세화상 형성실험에 의해 추정될 수 있다. 미세화상 형성실험은 공중합체 용액을 제조하여 실리콘 웨이퍼 위에 회전도포하고 포토마스크를 통하여 노광(250nm 파장)한 다음 100℃ 부근에서 가열처리하여 알칼리 수용액 또는 아니솔과 같은 유기 용매로 현상하는 것으로 이루어진다. 이러한 미세화상 형성 시험에서 공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCSt]는 포지티브형 또는 네가티브형 미세화상을 형성한다. 본 발명의 다른 공중합체도 유사한 조건에서 미세화상을 형성한다.The applicability as a photoresist to the copolymer of the present invention can be estimated by conventional microimaging formation experiments. Micro-image formation experiments consist of preparing a copolymer solution, rotating coating on a silicon wafer, exposing through a photomask (250 nm wavelength), and heating at around 100 ° C. to develop an organic solvent such as an aqueous alkali solution or anisole. In this microimage formation test the copolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCSt] forms a positive or negative microimage. Other copolymers of the present invention also form microimages under similar conditions.

또한 특별한 경우로서 미리 탈보호된 구조를 가진 공중합체, 예를 들면 하이드록시스티렌 단위를 갖는 공중합체 P[(+)CmpSOMI/HOSt]는 노광후 가열공정의 필요없이 단지 노광만으로도 현상이 가능한 레지스트 재료로서 응용이 가능하다. 즉 노광전의 공중합체 P[(+)CmpSOMI/HOSt]는 알칼리 수용액에 녹지 않으나 노광에 의해서 CmpSOMI 단위가 일부 광분해되어 캠퍼술폰산이 발생되면서 그 구조가 P[(+)CmpSOMI/MI/HOSt]로 변하기 때문에 현상액인 알칼리 수용액에 가용성으로 된다. 이 고분자는 미리 탈보호된 구조를 가지고 있으므로 감도가 높고 하이드록시스티렌 단위를 가지지 않은 고분자에 비하여 기판에 대한 접착력이 높다.As a special case, a copolymer having a deprotected structure in advance, for example, a copolymer P [(+) CmpSOMI / HOSt having a hydroxystyrene unit, is a resist material that can be developed only by exposure without the need for a post-exposure heating process. The application is possible as. In other words, the copolymer P [(+) CmpSOMI / HOSt] before exposure is insoluble in aqueous alkali solution, but the structure is changed to P [(+) CmpSOMI / MI / HOSt] as the CmpSOMI unit is partially decomposed by exposure to generate camphorsulfonic acid. Therefore, it becomes soluble in aqueous alkali solution which is a developing solution. Since the polymer has a deprotected structure in advance, it has high sensitivity and high adhesion to a substrate as compared with a polymer having no hydroxystyrene unit.

본 발명의 공중합체는 라디칼 중합개시제를 사용하여 통상의 라디칼 중합방법에 따라 상기에 제시된 단량체와 공단량체를 공중합시켜 제조한다. 라디칼 중합개시제로서는 일반적으로 사용되고 있는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 사용한다. 용매로서는 디옥산을 사용한다. 상기 중합반응은 50-60℃의 온도에서 질소 분위기하에 수행되며, 공중합체의 분자량은 개시제 또는 용매의 양에 의해 조절될 수 있다. 일반적으로 공중합체의 전환율은 85% 이상이며, 말레이미드계 단량체와 스티렌계 단량체를 1:1 몰비로 중합시켜 생성된 공중합체는 원소분석 결과 상기 두 종류의 단량체 몰비가 1:1인 교대 공중합체 구조임이 확인된다.The copolymer of the present invention is prepared by copolymerizing a monomer and a comonomer shown above according to a conventional radical polymerization method using a radical polymerization initiator. As the radical polymerization initiator, azobisisobutyronitrile (AIBN) which is generally used is used. Dioxane is used as the solvent. The polymerization reaction is carried out under a nitrogen atmosphere at a temperature of 50-60 ℃, the molecular weight of the copolymer can be controlled by the amount of initiator or solvent. In general, the copolymer has a conversion ratio of 85% or more, and a copolymer produced by polymerizing maleimide-based monomers and styrene-based monomers in a 1: 1 molar ratio is an alternating copolymer in which the two types of monomer molar ratios are 1: 1 according to elemental analysis. It is confirmed that it is a structure.

이하 대표적으로 단량체 (+)CmpSOMI의 제조, 그 공중합체의 제조 및 이 공중합체를 이용한 미세화상 형성에 대하여 실시예를 들어 상세히 설명한다.Representatively, the production of the monomer (+) CmpSOMI, the preparation of the copolymer, and the formation of a micro image using the copolymer will be described in detail below.

[실시예 1]Example 1

[(+)CmpSOMI(Ia)의 제조][Production of (+) CmpSOMI (Ia)]

N-[(1S)-(+)-10-캠퍼술폰일옥시]-3,6-에폭시-1,2,3,6-테트라히드로프탈이미드(IIIa) 48.00g(0.12mol)이 담긴 플라스크를 사용하여 감압하에서 열분해하였다. 생성된 퓨란(furan)을 플라스크와 아스피레이터 사이에 설치된 냉각 트랩으로부터 수집하였다. 약 1시간의 열분해후 기포의 발생이 멈춘 것을 확인한 다음 아세톤을 가하여 불용물을 제거하고 에틸아세테이트와 헥산의 혼합 용매로 재결정하여 18.00g(0.055mol, 수율 45%)의 (+)CmpSOMI를 얻었다. (+)CmpSOMI의 녹는 점은 102-103℃로 측정되었다.Flask containing 48.00 g (0.12 mol) of N-[(1S)-(+)-10-camphorsulfonyloxy] -3,6-epoxy-1,2,3,6-tetrahydrophthalimide (IIIa) Pyrolysis was carried out under reduced pressure. The resulting furan was collected from a cold trap installed between the flask and the aspirator. After the pyrolysis of about 1 hour it was confirmed that the bubble was stopped, acetone was added to remove the insoluble matter and recrystallized with a mixed solvent of ethyl acetate and hexane to give 18.00g (0.055mol, 45% yield) of (+) CmpSOMI. The melting point of (+) CmpSOMI was measured at 102-103 ° C.

양성자 분광분석에서 이중 결합의 2개 프로톤을 단일 피크(6.86ppm)로, -SCH2-의 2개 프로톤을 각각 이중선(3.51, 3.58, 3.90, 3.98 ppm)으로 확인하였고 사이클로헥사논 고리의 7개 프로톤을 다중선(1.48-2.36 ppm)으로, 메틸기의 6개 프로톤을 각각 단일선(0.91, 1.12 ppm)으로 확인하였다. 적외선 분광분석에서 이중 결합의 C-H 흡수띠를 3160, 3100 cm-1에서, 이미드의 흡수띠를 1760 cm-1에서, 술폰의 흡수띠를 1190cm-1에서 확인하였다. 탄소 13-양성자 분광분석으로부터 2개의 메틸기의 탄소가 17.90 ppm, -C-(CH3)2의 탄소가 23.68 ppm, 사이클로헥사논 고리의 탄소가 25.13, 40.65, 41.16, 46.50, 48.99 ppm -SCH2-의 탄소가 56.56 ppm, 말레이미드 고리 이중 결합의 탄소가 131.37 ppm, 말레이미드의 카르보닐 탄소가 162.22 ppm, 사이클로헥사논 고리의 카르보닐 탄소가 211.68 ppm에서 확인되었다. 원소분석 결과 탄소가 51.50%, 수소가 5.23%, 질소가 3.92%, 황이 9.45%, 산소 29.90%로 존재하는 것으로 나타났고 이론적으로 계산된 탄소 51.36%, 수소 5.24%, 질소 4.28%, 황 9.79%, 산소 29.33%와 거의 일치함으로서 C14H17NSO6의 분자식이 확인되었다.In proton spectroscopy, two protons of double bonds were identified as single peaks (6.86 ppm), and two protons of -SCH 2 -were identified as doublets (3.51, 3.58, 3.90, and 3.98 ppm), respectively, Protons were identified as multiplets (1.48-2.36 ppm) and six protons of the methyl group were identified as singlets (0.91 and 1.12 ppm), respectively. The double bond in the CH absorption band for 3160, 3100 cm -1 in infrared spectroscopic analysis, the imide absorption band at 1760 cm -1, it was confirmed the absorption band of the sulfone from 1190cm -1. From carbon 13-proton spectroscopy, two methyl groups have 17.90 ppm carbon, -C- (CH 3 ) 2 carbon 23.68 ppm, and cyclohexanone rings have 25.13, 40.65, 41.16, 46.50, 48.99 ppm -SCH 2 The carbon of-was found to be 56.56 ppm, the carbon of the maleimide ring double bond, 131.37 ppm, the carbonyl carbon of the maleimide 162.22 ppm, and the carbonyl carbon of the cyclohexanone ring at 211.68 ppm. Elemental analysis showed 51.50% carbon, 5.23% hydrogen, 3.92% nitrogen, 9.45% sulfur, 29.90% oxygen, and theoretically calculated 51.36% carbon, 5.24% hydrogen, 4.28% nitrogen, 9.79% sulfur. The molecular formula of C 14 H 17 NSO 6 was confirmed by almost identical with 29.33% of oxygen.

[실시예 2]Example 2

[공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCSt]의 제조]Preparation of Copolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCSt]

중합 용기에 (+)CmpSOMI 단량체 1.65g(5.0 mmol)과 p-t-부틸옥시카보닐옥시스티렌(t-BOCSt) 0.42g(5.0 mmol), 아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 32.8mg(0.2 mmol)을 넣고 디옥산 5ml를 가하여 용해시킨 후 기름 중탕을 사용하여 55℃를 유지하면서 3시간 동안 질소 기류하에서 중합하였다. 점성의 중합물 용액에 디옥산을 가하여 점도를 낮춘 후 메탄올에 적하하여 침전시키고 침전물을 여과·건조하여 2.44g(전환율 89%)의 공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCSt]를 얻었다.1.65 g (5.0 mmol) of (+) CmpSOMI monomer, 0.42 g (5.0 mmol) of pt-butyloxycarbonyloxystyrene (t-BOCSt), 32.8 mg (0.2 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) in the polymerization vessel 5 ml of dioxane was added and dissolved, and the mixture was polymerized under a nitrogen stream for 3 hours while maintaining 55 ° C using an oil bath. Dioxane was added to the viscous polymer solution to lower the viscosity, which was then added dropwise to methanol to precipitate. The precipitate was filtered and dried to obtain 2.44 g (89% conversion) of the copolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCSt].

원소분석 결과 탄소 59.4%, 수소 6.13%, 질소 2.41%, 황 5.85%로 존재하는 것으로 나타났고, 이 결과가 (+)CmpSOMI와 t-BOCOSt의 1:1 교대 구조를 가정한 계산치인 탄소 59.2%, 수소 6.08%, 질소 2.56%, 황 5.86%와 거의 일치하는 것으로부터 공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCSt]는 교대 구조를 가짐이 확인되었다. 본 공중합체의 열분석에서는 171℃에서 t-BOC 기의 탈보호에 해당하는 25%의 무게 감소가 관찰되었다.The elemental analysis showed that carbon was present at 59.4%, hydrogen at 6.13%, nitrogen at 2.41%, and sulfur at 5.85%, and the result was 59.2% of carbon, assuming a 1: 1 alternate structure of (+) CmpSOMI and t-BOCOSt. It was confirmed that the copolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCSt] had an alternating structure because it almost coincided with 6.08% of hydrogen, 2.56% of nitrogen, and 5.86% of sulfur. Thermal analysis of this copolymer showed a 25% weight loss at 171 ° C, corresponding to deprotection of t-BOC groups.

[실시예 3]Example 3

[공중합체 P[(+)CmpSOMI/HOSt]의 제조][Preparation of Copolymer P [(+) CmpSOMI / HOSt]

중합 용기에 (+)CmpSOMI 단량체 1.64g(5.0 mmol)과 p-하이드록시스티렌(HOSt) 0.60g(5.0 mmol), 아조비스이소부티로니트릴 32.8mg(0.2 mmol)을 넣고 디옥산 6.5ml를 가하여 용해시킨 후 기름 중탕을 사용하여 55℃를 유지하면서 18시간 동안 질소 기류하에서 중합하였다. 점성의 중합물 용액에 디옥산을 가하여 점도를 낮춘 후 메탄올에 적하하여 침전시키고 침전물을 여과·건조하여 1.16g(전환율 52%)의 공중합체 P[(+)CmpSOMI/HOSt]를 얻었다. 원소분석 결과 탄소 59.0%, 수소 5.63%, 질소 3.13%, 황 7.16%로 존재하는 것으로 나타났고, 이 결과가 (+)CmpSOMI와 HOSt의 1:1 교대 구조를 가정한 계산치인 탄소 58.8%, 수소 5.53%, 질소 3.03%, 황 7.12%와 거의 일치하는 것으로부터 공중합체 P[(+)CmpSOMI/HOSt]는 교대 구조를 가짐이 확인되었다.1.64 g (5.0 mmol) of (+) CmpSOMI monomer, 0.60 g (5.0 mmol) of p-hydroxystyrene (HOSt), 32.8 mg (0.2 mmol) of azobisisobutyronitrile were added to the polymerization vessel, and 6.5 ml of dioxane was added thereto. After dissolving, polymerization was carried out under a nitrogen stream for 18 hours while maintaining a temperature of 55 ° C. using an oil bath. Dioxane was added to the viscous polymer solution to lower the viscosity, followed by dropwise addition to methanol to precipitate. The precipitate was filtered and dried to obtain 1.16 g (52% conversion) of copolymer P [(+) CmpSOMI / HOSt]. The elemental analysis revealed that carbon was present in 59.0%, 5.63% in hydrogen, 3.13% in nitrogen, and 7.16% in sulfur, and this result was 58.8% carbon, which assumes a 1: 1 alternating structure of (+) CmpSOMI and HOSt. It was confirmed that the copolymer P [(+) CmpSOMI / HOSt] had an alternating structure from almost 5.53%, 3.03% of nitrogen, and 7.12% of sulfur.

[실시예 4]Example 4

[삼원공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCMI/HOSt]의 제조][Preparation of Terpolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCMI / HOSt]]

중합용기에 (+)CmpSOMI 단량체 1.65g(5.0 mmol), N-터셔리부록시카보닐말레이미드(t-BOCMI) 0.98g(5.0 mmol), p-하이드록시스티렌(HOSt) 1.20g(10.0 mmol), 라디칼 중합개시제인 아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 65.6mg(0.4 mmol)을 넣고 디옥산 7.6ml를 가하여 용해시킨 후 기름 중탕을 사용하여 55℃를 유지하면서 2시간 동안 질소 기류하에서 중합하였다. 점성의 중합물 용액에 디옥산을 가하여 점도를 낮춘 후 메탄올에 적하하여 침전시키고 침전물을 여과·건조하여 2.34g(전환율 61%)의 공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCMI/HOSt]를 얻었다.1.65 g (5.0 mmol) of (+) CmpSOMI monomer, 0.98 g (5.0 mmol) of N-tertiaryburoxycarbonylmaleimide (t-BOCMI), 1.20 g (10.0 mmol) of p-hydroxystyrene (HOSt) 65.6 mg (0.4 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN), a radical polymerization initiator, was added and dissolved in 7.6 ml of dioxane, followed by polymerization under nitrogen stream for 2 hours while maintaining the temperature at 55 ° C. using an oil bath. . Dioxane was added to the viscous polymer solution to lower the viscosity, which was then added dropwise into methanol to precipitate. The precipitate was filtered and dried to obtain 2.34 g (61% conversion) of the copolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCMI / HOSt]. .

[실시예 5]Example 5

[미세화상의 형성][Formation of fine image]

실시예 2에서 제조된 공중합체 P[(+)CmpSOMI/t-BOCSt] 5-20중량%를 시클로헥산온에 녹이고 초미세 필터로 여과하여 화학증폭성 레지스트 용액을 제조하였다. 레지스트 용액을 실리콘 웨이퍼에 회전 도포하여 두께 0.5-1㎛의 박막을 제조하였다. 이 시료 웨이퍼를 90℃의 핫플레이트 위에서 1-3분간 전열처리(prebaking)하고 원자외선 장치를 이용하여 250nm 파장의 원자외선에 노광시킨 다음 80-120℃의 온도에서 1-3분간 후열처리(post-exposure baking)하여 트리메틸암모늄히드록시드(trimethylammonium hydroxide) 수용액(2.38중량%) 및 아니솔에 각각 30-180초간 침지 현상하였다. 그 결과 현상액이 트리메틸암모늄히드록시드 수용액인 경우 노광 부분이 용해되어 서브미크론의 포지티브 레지스트 미세화상이 형성되었고, 아니솔인 경우 비노광 부분이 용해되어 네가티브 화상이 형성되었다.5-20% by weight of the copolymer P [(+) CmpSOMI / t-BOCSt] prepared in Example 2 was dissolved in cyclohexanone and filtered through an ultrafine filter to prepare a chemically amplified resist solution. The resist solution was spin-coated on a silicon wafer to prepare a thin film having a thickness of 0.5-1 μm. The sample wafer is prebaked for 1-3 minutes on a 90 ° C. hotplate, exposed to 250 nm wavelength of ultraviolet light using an ultraviolet device, and post-processed for 1-3 minutes at a temperature of 80-120 ° C. -exposure baking was immersed in an aqueous solution of trimethylammonium hydroxide (2.38% by weight) and anisole for 30 to 180 seconds. As a result, when the developer was an aqueous solution of trimethylammonium hydroxide, the exposed portion was dissolved to form a positive microscopic image of submicron, and in the case of anisole, the non-exposed portion was dissolved to form a negative image.

Claims (3)

공중합체의 단위 구조로서 다음식의 N-캠퍼술폰일옥시말레이미드와 다음식의 화합물 중 한가지 또는 두가지르 교대 구조로 가진 공중합체 ;A copolymer having, as the unit structure of the copolymer, N-camphorsulfonyloxymaleimide of the following formula and one or two alternating structures of the following formula; 상기식에서 X는 (+)-10-캠퍼술폰일, (-)-10-캠퍼술폰일, 또는 (+)-10-캠퍼술폰일이고, Y는 -H, -OH, -COOBu-t, -OCOOBu-t, -OBu-t, 또는 -C6H4OCOOBu-t 이고, Z는 벤젠 고리의 파라 혹은 메타 위치에 치환된 -OCCBu-t, -CH3, -Cl, -OCOCH3, -Si(CH3)3, -OH, 또는 -H 이다.Wherein X is (+)-10-camphorsulfonyl, (-)-10-camphorsulfonyl, or (+)-10-camphorsulfonyl, Y is -H, -OH, -COOBu-t,- OCOOBu-t, -OBu-t, or -C 6 H 4 OCOOBu-t, Z is -OCCBu-t, -CH 3 , -Cl, -OCOCH 3 , -Si substituted at the para or meta position of the benzene ring (CH 3 ) 3 , -OH, or -H. 제1항에 있어서, 교대 구조에서 N-캠퍼술폰일옥시말레이미드 단위가 전체 공중합체에 대하여 몰비로 0.1-1.0인 것이 특징인 공중합체.The copolymer according to claim 1, wherein the N-camphorsulfonyloxymaleimide unit in the alternating structure is 0.1-1.0 in molar ratio relative to the entire copolymer. 다음식의 N-캠퍼술폰일옥시말레이미드와 다음식의 화합물 중 한가지 또는 두가지를 혼합하여 라디칼 공중합시키는 것으로 이루어진 제1항의 공중합체의 제조방법 ;Method for producing a copolymer of claim 1 consisting of radical copolymerization by mixing N-camphorsulfonyloxymaleimide of the following formula and one or two of the following formula; 상기식에서 X는 (+)-10-캠퍼술폰일, (-)-10-캠퍼술폰일, 또는 (+)-10-캠퍼술폰일이고, Y는 -H, -OH, -COOBu-t, -OCOOBu-t, -OBu-t, 또는 -C6H4OCOOBu-t 이고, Z는 벤젠 고리의 파라(para) 혹은 메타(meta) 위치에 치환된 -OCOOBu-t, -CH3, -Cl, -OCOCH3, -Si(CH3)3, -OH, 또는 -H 이다.Wherein X is (+)-10-camphorsulfonyl, (-)-10-camphorsulfonyl, or (+)-10-camphorsulfonyl, Y is -H, -OH, -COOBu-t,- OCOOBu-t, -OBu-t, or -C 6 H 4 OCOOBu-t, Z is -OCOOBu-t, -CH 3 , -Cl, substituted at the para or meta position of the benzene ring -OCOCH 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OH, or -H.
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