KR100634846B1 - Inorganic polymer negative photoresist - Google Patents

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Abstract

Inorganic polymer type of negative photoresist composition is provided to produce ceramic pattern/structure of two or three-dimensional microfine inorganic polymer employed in lithography process by chemically introducing various photo-sensitive functional group in the inorganic polymer and embodying rapid cross-linking the polymer with UV at ordinary temperature. The photo-polymerization type of negative photoresist reformed polymer is generated by reaction of a polymer containing a repeating unit represented by the formula(1) with any one compound represented the formula(2). In the formula(1), Ra, Rb and Rc are independently selected from H, ORd, NHRd, vinyl or linear or branched lower alkyl group with 1-10 carbon atoms; Rd is H or linear or branched lower alkyl group having 1-10 carbon atoms; n, m and k are integers of 1 to 200, and in the formula(2), the compound is one compound selected from: (a) acryl compound; (b) epoxy compound; (c) vinyl compound; and (d) cinnamoyl compound. The negative photoresist composition comprises the negative photoresist reformed polymer, organic solvent and photo-initiator.

Description

무기고분자형 네가티브 포토레지스트 조성물{Inorganic Polymer Negative Photoresist}Inorganic Polymer Negative Photoresist Composition

도 1은 본 발명의 합성예 1 에 따른 포토레지스트 중합체의 1H NMR 스펙트럼이다.1 is a 1 H NMR spectrum of a photoresist polymer according to Synthesis Example 1 of the present invention.

도 2은 본 발명의 합성예 2 에 따른 포토레지스트 중합체의 1H NMR 스펙트럼이다.2 is a 1 H NMR spectrum of a photoresist polymer according to Synthesis Example 2 of the present invention.

도 3는 본 발명의 실시예 3 에 따른 포토레지스트 조성물을 이용하여 형성한 포토레지스트 패턴 사진이다.3 is a photoresist pattern photograph formed using the photoresist composition according to Example 3 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 4 에 따른 포토레지스트 조성물의 이광자흡수법을 이용하여 형성한 포토레지스트 패턴 사진이다.4 is a photoresist pattern photograph formed by using a two-photon absorption method of a photoresist composition according to a fourth embodiment of the present invention.

일반적인 유기고분자형 포토레지스터는 반도체 소자의 미세회로 제조시 마스 크 패턴을 실리콘 웨이퍼위에 전사하기 위한 포토리소그래피 공정의 도구 물질로서 최종적으로 완전히 제거되는 감광성 희생 재료이다. A general organic polymer photoresist is a photosensitive sacrificial material that is finally completely removed as a tool material of a photolithography process for transferring a mask pattern onto a silicon wafer in the manufacture of a microcircuit of a semiconductor device.

그러나 본 발명은 무기고분자형 네가티브 감광성 포토레지스트 조성물은 자외선(UV) 광원을 이용한 포토리소그래피 공정으로 특정 패턴과 미세 구조물을 제조함은 유기고분자 포토레지스터와 동일하지만 패턴 전사 후 희생층으로서 제거되는 것이 아니라, 경화된 무기고분자 구조가 열처리(pyrolysis)를 통해 궁극적으로 세라믹 패턴 및 미세 구조물로 전이됨으로서 내화학성, 내열성, 내마모성(트라이볼로지)이 요구되는 미세 소자의 세라믹 부품으로서 활용된다. 이러한 무기고분자 열분해 방식은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile;PAN) 등의 유기고분자 열분해에 의하여 탄소섬유를 얻는 원리와 유사하다. 즉, Si과 같은 금속이 주 사슬(main chain)을 구성하고 유기원자들이 주사슬과 가지에 붙어 있는 무기고분자를 열분해하여 세라믹으로 전이시키는 세라믹 합성법으로 활용되어 왔다.However, in the present invention, the inorganic polymer negative photosensitive photoresist composition is a photolithography process using an ultraviolet (UV) light source to produce a specific pattern and microstructure is the same as the organic polymer photoresist but is not removed as a sacrificial layer after pattern transfer. As the cured inorganic polymer structure is ultimately transferred to ceramic patterns and microstructures through pyrolysis, it is utilized as a ceramic component of a micro device requiring chemical resistance, heat resistance, and abrasion resistance (tribolology). The inorganic polymer pyrolysis method is similar to the principle of obtaining carbon fiber by pyrolysis of organic polymer such as polyacrylonitrile (PAN). That is, a metal such as Si forms a main chain, and organic atoms have been utilized as a ceramic synthesis method in which organic atoms are thermally decomposed and transferred to ceramics attached to main chains and branches.

이러한 무기 고분자형 네가티브 감광성 포토레지스트 조성물은 기존의 세라믹 분말 공정과 비교하여 무기고분자가 용해성과 용융성을 가지므로 점도 조절이 용이하고 젖음성(wettability)이 좋아서 분자수준의 혼합이 가능하고 성형성이 개선되어 섬유, 대면적 coating, 복합재료의 기재상으로서 응용이 가능한 장점을 가진다. 또한 분말성형은 유기 결합제를 완전히 제거한 뒤 1600℃ 이상 고온에서 소결해야 하지만 무기고분자는 가교반응을 거쳐 1000℃의 비교적 저온에서 균일한 세라믹을 얻을 수 있기 때문에 기존 세라믹공정의 문제점과 단점을 극복할 수 있는 새로운 세라믹 제조공정으로 알려져 있다. (Journal of the American Ceramic Society, vol. 75, 1300, 1992. United States Patent, 4,336,215 1982)Since the inorganic polymer negative photosensitive photoresist composition has solubility and meltability compared to the conventional ceramic powder process, it is easy to control viscosity and has good wettability, so that molecular level mixing is possible and moldability is improved. It has the advantage that it can be applied as the base material of fiber, large area coating, composite material. In addition, powder molding should be sintered at 1600 ℃ or higher after completely removing the organic binder, but the inorganic polymer can overcome the problems and disadvantages of the existing ceramic process because it can obtain a uniform ceramic at relatively low temperature of 1000 ℃ through crosslinking reaction. Known as a new ceramic manufacturing process. (Journal of the American Ceramic Society, vol. 75, 1300, 1992. United States Patent, 4,336,215 1982)

무기고분자는 1970년 중반 이후 연구되어 오다가 1980년대 Nippon Carbon Co.이 SiC 섬유(상표명: Nicalon)를 개발 시판한 이후, 그동안 각종 무기고분자 전구체가 합성되어 세라믹 섬유, 코팅 및 세라믹 섬유/세라믹 메트릭스의 복합재료로 사용되어져 왔다. 다양한 졸-겔 공정을 이용한 산화물계 세라믹은 전자 및 구조재료로 널리 이용되고 있는 반면, 무기고분자로부터 제조된 SiC나 Si3N4 세라믹은 섬유 등 일부분에서 상업화 단계에 있다. 그러나 무기고분자가 세라믹 전구체로서 경제적 상업성을 확보하기 위해서는 저렴한 전구체의 대량 생산과 함께 기존의 세라믹 제조공정의 대체 혹은 고부가가치 세라믹 응용분야의 개발 및 이에 적합한 공정개발이 절실히 필요하다.Inorganic polymers have been studied since the mid-1970s and Nippon Carbon Co. developed and marketed SiC fibers (trade name: Nicalon) in the 1980s, and various inorganic polymer precursors have been synthesized to produce ceramic fibers, coatings, and ceramic It has been used as a composite material. Oxide-based ceramics using various sol-gel processes are widely used as electronic and structural materials, while SiC and Si 3 N 4 ceramics made from inorganic polymers are in commercialization stages in some parts such as fibers. However, in order to secure economic viability as an inorganic precursor, it is necessary to replace the existing ceramic manufacturing process or to develop a high value-added ceramic application and to develop a suitable process.

광가교 특성을 가진 유기고분자의 합성은 매우 오랫동안 매우 다양하게 개발되어 다양한 분야에서 활용되어 그 실용성이 입증되어 왔지만 광가교성 무기고분자는 실록산 (siloxane) 고분자에만 부분적으로 상용화되어 왔으며, (Journal of the American Ceramic Society, vol. 125, 4060, 2003) 탄화규소 혹은 질화규소 제조용 무기고분자 전구체의 상당한 개발역사에도 불구하고 아직까지 세라믹 전구체로서 광경화형 무기고분자의 개발전례가 없었음은 매우 놀랄만하다.Synthesis of organic polymers with photocrosslinking properties has been developed for a very long time and utilized in various fields, and their practicality has been proved, but photocrosslinkable inorganic polymers have been partially commercialized only for siloxane polymers. Ceramic Society, vol. 125, 4060, 2003) Despite the significant development history of inorganic polymer precursors for the production of silicon carbide or silicon nitride, it is surprising that there has been no development of photocurable inorganic polymers as ceramic precursors.

현재 대부분의 무기고분자는 SiH/vinyl 작용기 또는 SiH/NH 작용기 사이에서 일어나는 탈수소화반응과 같이 각종 촉매 및 첨가제를 이용한 장시간의 가열 가교과정을 거쳐 세라믹으로 전이된다. 또한 무기고분자와 라디칼 개시제의 단순 혼합 물을 활용하여 SiC계 패턴 및 구조물을 제조한 사례가 보고된 바 있으나(American Ceramic Society Bulletin, Vol. 80, No. 5 25-29, 2001) 위 조성물은 광가교 반응속도가 매우 느려 수 분(약 10분) 이상의 광가교 시간이 요구됨으로 정상적인 포토리소그래피 공정의 적용이 불가능하여 포토레지스터로서 응용성이 낮다.At present, most inorganic polymers are transferred to ceramics through a long heat crosslinking process using various catalysts and additives such as dehydrogenation reactions between SiH / vinyl functional groups or SiH / NH functional groups. In addition, a case has been reported in which SiC-based patterns and structures were prepared using a simple mixture of an inorganic polymer and a radical initiator (American Ceramic Society Bulletin, Vol. 80, No. 5 25-29, 2001). Since the crosslinking reaction rate is very slow and requires a photocrosslinking time of several minutes (about 10 minutes) or more, it is impossible to apply a normal photolithography process and thus it is low in application as a photoresist.

현재까지 네가티브형 무기고분자의 포토리소그래피 공정을 활용하여 탄화규소 (SiC)계 세라믹스, 탄화산소규소 (SiOC), 질화규소 (Si3N4)계 세라믹 패턴 및 구조물을 마이크론 미터 크기 이하로 제조한 사례는 보고된 바 없다. To date, examples of fabricating silicon carbide (SiC) -based ceramics, silicon carbide (SiOC), and silicon nitride (Si 3 N 4 ) -based ceramic patterns and structures using a negative inorganic polymer photolithography process to a size less than a micron meter None reported.

따라서 본 발명은 새로운 무기고분자형 네가티브 포토레지스트 중합체 및 그의 조성물을 제공하여 다양한 응용분야에 적용 가능하도록 하는 것이며,Accordingly, the present invention is to provide a novel inorganic polymer negative photoresist polymer and its composition to be applicable to a variety of applications,

본 발명은 최대 1cm, 최소 10nm 크기의 2차원, 3차원 미세 무기고분자 및 세라믹 패턴/구조물을 제조하기 위한 것으로, 각종 리소그래피 공정에 사용할 수 있는 무기고분자형 네가티브 포토레지스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.      The present invention aims to provide an inorganic polymer negative photoresist composition that can be used in various lithography processes to manufacture two-dimensional, three-dimensional fine inorganic polymers and ceramic patterns / structures having a maximum size of 1 cm and a minimum of 10 nm. .

또한, 본 발명은 상기 포토레지스트 조성물을 이용하여 포토레지스트 세라믹 패턴을 형성하는 방법 및 이러한 방법에 의해 제작한 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.      In addition, an object of the present invention is to provide a method for forming a photoresist ceramic pattern using the photoresist composition and a structure produced by such a method.

또한 본 발명은 자외선 또는 전자빔에 의해 신속한 광가교 특성을 가진 무기고분자를 합성 개발하고, 이를 각종 가교 개시제 및 첨가제와 혼합함으로서 최적의 가교 특성을 가진 무기고분자형 네가티브 포토레지스트 조성물을 제조한다. 또한 이를 활용하여 안정된 물성을 가진 세라믹 패턴 및 미세 구조물을 제조함으로서 향후 새로운 응용분야를 개발하고자 한다. In addition, the present invention synthesizes and develops inorganic polymers having rapid photocrosslinking properties by ultraviolet rays or electron beams, and by mixing them with various crosslinking initiators and additives to prepare inorganic polymeric negative photoresist compositions having optimal crosslinking properties. In addition, by using this to manufacture a ceramic pattern and microstructure having a stable physical properties to develop new applications in the future.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 무기고분자에 각종 광민감성 작용기를 화학적으로 도입하여 상온에서 자외선에 의한 신속한 가교반응을 구현하도록 하는 것이다. In order to solve the above problems, in the present invention, various photosensitive functional groups are chemically introduced into the inorganic polymer to implement a rapid crosslinking reaction by ultraviolet rays at room temperature.

이러한 기능을 가진 무기고분자 네거티브 포토레지스터 중합체 및 그 조성물을 위하여, 본 발명의 중합체 구조는 하기의 반복단위를 포함하는 무기고분자 중합체를 포함한다.     For the inorganic polymer negative photoresist polymer having such a function and the composition thereof, the polymer structure of the present invention comprises an inorganic polymer including the following repeating units.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112005033054879-pat00001
또는
Figure 112005033054879-pat00002
Figure 112005033054879-pat00001
or
Figure 112005033054879-pat00002

(상기 식에서 Ra, Rb 및 Rc는 독립적으로 H, ORd, NHRd, vinyl 또는 C1~C10의 직쇄형 또는 분기형 저급알킬기에서 선택되며, Rd는 H 또는 C1~C10의 직쇄형 또는 분기형 저급알킬기이고, n, m 및 k는 1 내지 200의 정수이며, 상기 화학식의 반복 단위로 이루어진 고분자 중합체는 사슬 말단에 1차 아민기를 가지는 무기고분자도 포함한다.) Wherein R a , R b and R c are independently selected from H, OR d , NHR d , vinyl or a C 1 to C 10 straight or branched lower alkyl group, and R d is H or C 1 to C A linear or branched lower alkyl group of 10, n, m and k are integers from 1 to 200, and the polymer polymer composed of repeating units of the above formula also includes an inorganic polymer having a primary amine group at the chain end.)

상기 반복단위를 포함하는 무기고분자는 고분자의 중간 혹은 말단에 -H, -OH, -OR, -NHR, 비닐기 또는 알킬기에서 선택되는 1종 이상의 기능기를 포함하고 있어, 광경화성 반응기를 함유한 화합물과의 축합반응, 수소규소화반응 혹은 첨가 삽입반응에 의해 광경화성 반응기가 도입된다. 도입되는 광경화성 반응기는 아크릴레이티드(acrylated), 우레탄 아크릴레이티드(urethane acrylated), 신나모일(cynamoyl), 에폭시(epoxy), 비닐(vinyl), 비닐스타이렌익(vinylstyrenic) 등이며, 이러한 광경화성 반응기로 기능화한 무기고분자 중합체를 합성한다.Inorganic polymer containing the repeating unit contains at least one functional group selected from -H, -OH, -OR, -NHR, vinyl group or alkyl group in the middle or terminal of the polymer, containing a photocurable reactor The photocurable reactor is introduced by condensation reaction with hydrogen, hydrogenation or addition insertion reaction. Photocurable reactors to be introduced are acrylated, urethane acrylated, cinnamoyl, epoxy, vinyl, vinylylstyrene, and the like. The inorganic polymer polymer functionalized by the reactor is synthesized.

이러한 반응생성물은 자외선 가교경화가 가능한 네가티브형 포토레지스 특성을 가지는 실록산(siloxane) 중합체, 실라잔(silazane) 중합체로서 탄화산소규소(SiOC), 질화규소(Si3N4)계 세라믹스의 제조가 가능하다.The reaction product is a siloxane polymer having a negative photoresist property capable of UV crosslinking and a silazane polymer, and thus, silicon oxide (SiOC) and silicon nitride (Si 3 N 4) -based ceramics can be manufactured.

위와 같이 합성된 무기고분자 조성물이 자외선을 받아 가교하는 광가교 메카니즘(mechanism)은 라디칼중합에 의해 광가교하는 방법, 양이온중합에 의해 광가교하는 방법 및 백금이나 로듐과 같은 귀금속을 포함하는 광가교중합방법의 3가지의 방법이 존재하는데 본 발명은 상기 3가지의 광가교 중합 방법중 어느 방법으로 제조하여도 본 발명의 기술적 범위에 속하며 이하는 상기 광중합방법에 대하여 상세히 설명한다. The photocrosslinking mechanism in which the inorganic polymer composition synthesized as described above is subjected to ultraviolet rays and crosslinks is photocrosslinked by radical polymerization, photocrosslinked by cation polymerization, and photocrosslinked polymerization including a noble metal such as platinum or rhodium. There are three methods of the method, and the present invention belongs to the technical scope of the present invention, which is prepared by any of the three types of photocrosslinking polymerization methods, and the following will be described in detail for the photopolymerization method.

먼저, 라디칼 메카니즘에 의해 가교특성을 가진 중합으로는, 아크릴레이티드(acrylated) 무기고분자 중합체, 우레탄아크릴레이티드(urethane acrylated) 무기고분자 중합체, 티올-엔 올리고머(thiol-ene olygomer), 신나믹 에시드(cinnamic acid) 치환 무기고분자중합체, 신나밀리덴 에시드(cinnamilidene acid) 치환 무기 고분자 중합체, 베타-시아나토스타이릴 아크릴릭 에시드(β-cyanatostyryl acrylic acid) 치환 무기고분자 중합체 등이 있다.First, the polymerization having crosslinking characteristics by radical mechanisms includes acrylated inorganic polymer, urethane acrylated inorganic polymer, thiol-ene olygomer, and cinnamic acid. (cinnamic acid) substituted inorganic polymer polymer, cinnamilidene acid substituted inorganic polymer polymer, beta-cyanatostyryl acrylic acid substituted inorganic polymer polymer, and the like.

상기 라디칼 메카니즘의 광 개시제로는 벤조인 에테르(benzoin ether), 디에톡시 아세토페논(diethoxy acetophenone), 디옥타노에이트 이부틸레테인(dioctanoate dibutyletain), 벤조인(benzoin), 산톤(xanthone), 티옥산톤(thioxanthone), 이소프로필티옥산톤(isoproptlthoxanthone), 벤조페논(benzophenone), 퀴논(quinone), 벤조페논을 함유한 실록산 등이 있다. 또한, 반응속도도 빠르며, 수분에도 민감하지 않은 티올 계열인 티올프로필 디메틸 실록산(thiolpropyl dimethyl siloxane)은 벤조페논과 함께 비닐 또는 아크릴레이티드 중합체의 자외선에 의한 가교반응을 한다.Photoinitiators of the radical mechanism include benzoin ether, benzoth ether, diethoxy acetophenone, dioctanoate dibutyletain, benzoin, xanthone, tea Oxanthone, isopropyltloxanthone, benzophenone, quinone, and siloxane containing benzophenone. In addition, the reaction rate is fast, and thiol propyl dimethyl siloxane (thiolpropyl dimethyl siloxane), which is not sensitive to moisture, undergoes cross-linking reaction of vinyl or acrylate polymer with benzophenone by ultraviolet rays.

다음, 양이온 메카니즘에 의해 가교특성을 가진 중합체는 에폭시(epoxy) 무기고분자 중합체, 비닐(vinyl) 무기고분자 중합체, 스타이렌익(styrenic) 무기고분자 중합체 등이 있다. 양이온 메카니즘의 광개시제로는 아릴 디아조늄 아니온염(aryl diazonium anion salt; ArN2 +Z-)가 있으며, 이는 때로는 수분에 민감하기도 한다. Z는 친핵체 음이온으로서 보론플로레이트(BF4 -), 페릭 클로레이트(FeCl4 -), 포스포닉 플로레이트(PF6 -), 안티모닉 플로레이트(SbF6 -), 알세닉 플로레이트(AsF6 -), 트리플로로카본 설포네이트(CF3SO3 -), 퍼클로레이트(ClO4 -) 등이 있다. 오늄염(onium salt; Ar2I+Z-)은 양이온 개시제로서 좀 더 효과적이며, 디아릴 아이오도늄염(diaryl iodnium salt), 디아릴 클로로늄염(diaryl chloronium salt), 디아릴 브로모늄염(diaryl bromonium salt), 트리아릴 설포늄염(triaryl sulfonium salt) 등이 있다. 대표적으로 많이 사용되는 것으로는 비스(파라-도데실페닐) 아이오도늄 안티모닉 플로레이트((C12H25Ø)2I+SbF6 -), 비스(파라-부틸페닐) 아이오도늄 알세닉 플로레이트((BuØ)2I+AsF6 -), 트리페닐설포늄 안티모닉 플로레이트(Ø3S+SbF6 -)등이 있다. Next, polymers having crosslinking properties by cationic mechanisms include epoxy inorganic polymers, vinyl inorganic polymers, styrenic inorganic polymers, and the like. Photoinitiators of the cationic mechanism include aryl diazonium anion salts (ArN 2 + Z ), which are sometimes moisture sensitive. Z is boron flow rate (BF 4 -) as the nucleophile anion, ferric chlorate (FeCl 4 -), phosphonic sulphonic flow rate (PF 6 -), anti-monik flow rate (SbF 6 -), Al Scenic flow rate (AsF 6 -), carbonyl sulfonate as a triple (CF 3 SO 3 - and the like) -), perchlorate (ClO 4. Onium salts (onium salt; Ar 2 I + Z -) is more effective as the cationic initiator, diaryl iodo salt (diaryl iodnium salt), diaryl-Chloro salt (diaryl chloronium salt), diaryl-Bromo salt (diaryl bromonium salt), triaryl sulfonium salt, and the like. That is typically used more as bis (p-dodecylphenyl) iodo iodonium anti monik flow rate ((C 12 H 25 Ø) 2 I + SbF 6 -), bis (p-butylphenyl) iodo iodonium al Scenic and the like flow rate ((BuØ) 2 I + AsF 6 - -), triphenyl sulfonium anti monik flow rate (Ø 3 S + SbF 6) .

마지막으로, 백금이나 로듐과 같은 귀금속을 포함하는 실리콘 하이드라이드(Si-H)/실리콘 비닐(Si-vinyl) 작용기를 함유하는 가교형 중합체 들이다. 이러한 경우, 각각의 메카니즘에 적합한 감광성 개시제와 기타 첨가물을 적합하게 사용하여 빛이나 전자 빔에 의해 가교하여 네가티브 포토레지스트로서 작용한다.Finally, crosslinked polymers containing silicon hydride (Si-H) / silicone vinyl (Si-vinyl) functional groups, including noble metals such as platinum or rhodium. In this case, photosensitive initiators and other additives suitable for each mechanism are suitably used to crosslink by light or electron beam to act as negative photoresist.

본 발명에서는 자외선(UV) 가교형 무기고분자를 개발하여 포토리소그래피 혹은 리소그래피 장비인 자외선 경화형 임프린팅(imprinting lithography)공정등 이미 개발된 장치등을 활용하여 최대 1cm, 최소 10nm 크기의 2차원 및 3차원 패턴 및 구조물을 제조할 수 있는 공정 개발을 포함하며, 또한 연이은 열처리 공정에 따라 고온 안정성과 마찰, 마모 특성이 우수한 세라믹 패턴을 대량 제조할 수 있는 공정을 포함한다. 이는 추후 다양한 형상의 세라믹 패턴 및 구조물의 대량 제조 기술을 확립하여 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 장치에 활용될 수 있는 응용소 자 제작에 활용한다.In the present invention, UV (UV) cross-linkable inorganic polymers are developed to utilize 2D and 3D of maximum 1cm, minimum 10nm size by using already developed devices such as UV lithography imprinting lithography process that is photolithography or lithography equipment. It includes the development of a process for manufacturing patterns and structures, and also includes a process for mass production of ceramic patterns having excellent high temperature stability, friction, and wear characteristics according to subsequent heat treatment processes. This will be used in the manufacture of applications that can be used in MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices by establishing a mass production technology of ceramic patterns and structures of various shapes.

특히 레이저를 이용한 이광자 흡수 광중합법은 고가의 반도체 공정장비 및 마스크 없이도 고정밀 3차원 구조물 제조가 가능하다고 알려져 있으며 이미 유기고분자 및 PDMS (polydimethysiloxane) 몰드 제조시에 적용된 사례가 있으나 (Applied Physic B. Vol. 77, 485, 2003), 미세 세라믹 패턴 및 구조물 제조에 적용된 사례는 없다. 이광자 흡수 염료를 이용한 스테레오리소그래피(stereolithography)는 우수한 투과력과 두개의 장파장 광자를 흡수하여 광중합반응을 일으키는 영역을 최소 100nm이하의 작은 촛점 크기로 제한함으로서 나노 크기의 정밀도를 가진 구조물 제조가 가능하며, 비트맵(bitmap) 그림파일을 이용하면 복잡한 3차원 구조물 제조도 가능하다. (Applied Physic A. Vol 73, 561, 2001)In particular, the two-photon absorption photopolymerization method using laser is known to produce high-precision three-dimensional structures without expensive semiconductor processing equipment and masks, and there have been examples of applying them in the manufacture of organic polymers and PDMS (polydimethysiloxane) molds (Applied Physic B. Vol. 77, 485, 2003), which have not been applied to the manufacture of fine ceramic patterns and structures. Stereolithography using two-photon-absorbing dyes allows the fabrication of structures with nanoscale precision by limiting the area of photopolymerization by absorbing two long-wavelength photons to a small focal size of at least 100 nm. It is also possible to manufacture complex three-dimensional structures using bitmap picture files. (Applied Physic A. Vol 73, 561, 2001)

본 발명에서 합성된 무기고분자 포토레지스터를 이용하여 세라믹 패턴 및 구조물을 제조하기까지의 단계별 개요는 다음의 순서도와 같다.An overview of the steps up to the manufacture of the ceramic pattern and structure using the inorganic polymer photoresist synthesized in the present invention is as follows.

먼저. 광민감성 작용기를 가진 무기고분자를 합성하고, 다음으로 합성한 무기고분자를 포토리소그래피(photolithography) 공정은 물론, 스테레오리소그래피(stereolithography), 임프린팅리소그래피(imprinting lithography)등 다양한 lithography 공정을 적용하여 각종 미세 성형체를 제조하는데, 가교된 무기고분자 패턴 및 구조물은 유기 플라스틱 패턴에 비해 우수한 내용매성, 내열성을 가짐으로 각종 미세소자에 적용가능하다. 미세패턴을 형성한 후, 질소, 아르곤과 같은 비활성분위기하에서 600 내지 1200℃사이에서 열처리 공정을 수행함으로써 최종적으로 탄화규소 (SiC), 탄화산소규소 (SiOC), 질화규소 (Si3N4)계 세라믹 패턴 및 구조물을 얻을 수 있다.first. Inorganic polymers with photosensitive functional groups are synthesized, and the synthesized inorganic polymers are then subjected to various lithography processes such as stereolithography, imprinting lithography, as well as photolithography. In preparing the crosslinked inorganic polymer pattern and structure having excellent solvent resistance and heat resistance compared to the organic plastic pattern, it can be applied to various micro devices. After the fine pattern is formed, a heat treatment process is performed at 600 to 1200 ° C. under an inert atmosphere such as nitrogen and argon to finally form silicon carbide (SiC), silicon carbide (SiOC), and silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramics. Patterns and structures can be obtained.

Figure 112005033054879-pat00003
Figure 112005033054879-pat00003

이를 구체적으로 기재하면, 무기고분자 박막을 미세소자 제조용 기판 재료, 예컨대 실리콘 웨이퍼에 도포한 다음 코팅된 기판을 가열하여 포토레지스트 필름내 용제를 증발시킨다. 다음에는 가열된 기판의 코팅면을 이미지화 방식으로 노광시켜 화학적 변형을 유발한다. 가시광선, 자외선(UV), 전자빔 및 X-선 등이 마이크로 리소그래피 공정에서 통상적으로 사용되는 이미지화 광선이다. 노광공정 이후 기판을 현상액으로 처리하여 기판의 코팅면의 비노광 부위를 용해시켜 제거한다. 이러한 제조된 고분자 패턴 및 구조물 자체를 활용하거나, 추가적으로 비활성 분위기하에서 최대 1200℃까지 열처리함으로서 탄화규소 (SiC), 탄화산소규소 (SiOC), 질화규소 (Si3N4))계 세라믹 패턴 및 구조물을 제조한다. 아울러 기존의 각종 노광 혹은 비노광 리소그래피 공정을 활용함으로서 각종 크기의 2차원, 3차원 패턴 및 구조물을 제조할 수 있다. 이와 같이 자외선(UV) 광원을 이용한 포토리소그래피 공정으로 특정 패턴과 미세 구조물을 제조함은 유기고분자 포토레지스터와 동일하며 용도 에 따라서 희생층으로서도 사용 가능하다. 본 발명에 따른 공정으로 미세 구조물 패턴을 형성할 경우, 기존의 실리콘 웨이퍼 및 유리를 각종 마이크로머시닝 공정으로 미세 구조물을 제조하는 고가공정에 비해 매우 경제적인 공정이다.Specifically, the inorganic polymer thin film is applied to a substrate material for producing a microelement, such as a silicon wafer, and then the coated substrate is heated to evaporate the solvent in the photoresist film. The coated surface of the heated substrate is then exposed by imaging to cause chemical deformation. Visible light, ultraviolet (UV) light, electron beams, X-rays, and the like are imaging rays commonly used in microlithography processes. After the exposure process, the substrate is treated with a developer to dissolve and remove the non-exposed portions of the coated surface of the substrate. Manufacture of silicon carbide (SiC), silicon carbide (SiOC), silicon nitride (Si 3 N 4 )) ceramic patterns and structures by using the prepared polymer pattern and the structure itself, or additionally by heat treatment up to 1200 ℃ in an inert atmosphere. do. In addition, by utilizing a variety of existing exposure or non-exposure lithography process, it is possible to manufacture two-dimensional, three-dimensional patterns and structures of various sizes. As described above, manufacturing a specific pattern and a microstructure by a photolithography process using an ultraviolet (UV) light source is the same as that of an organic polymer photoresist and may be used as a sacrificial layer depending on the purpose. When the microstructure pattern is formed by the process according to the present invention, it is a very economical process compared to the expensive process of manufacturing the microstructure by the conventional silicon wafer and glass by various micromachining processes.

따라서, 본 발명에 따를 경우, 무기고분자의 합성과 개질에 의한 세라믹스의 조성과 구조의 정밀 제어가 가능하며, 각종 미세회로 제조 공정기술이 결합하여 새로운 기능성 패턴을 개발하여 각종 미세 소자에 활용이 가능하다. 이렇게 제조된 세라믹 소자는 마찰과 마모로 인한 손실을 최소화함으로서 효율과 성능은 향상되고, 고장률이 낮은 트라이볼로지(Tribology) 특성을 가진 초소형 소자 적용 기술 개발에 활용될 수 있다.Therefore, according to the present invention, it is possible to precisely control the composition and structure of ceramics by synthesizing and modifying inorganic polymers, and by combining various microcircuit manufacturing process technologies, new functional patterns can be developed and used for various microelements. Do. The ceramic device manufactured as described above can be utilized in the development of a micro device application technology having tribology characteristics with low failure rate by improving the efficiency and performance by minimizing the loss due to friction and wear.

더불어 유기용매에 의해 쉽게 팽윤되는 등 화학적 안정성이 낮은 각종 플라스틱 재료에 비해, 화학적 및 열적 안정성이 우수한 무기고분자 재료는 유기화합물의 반응/검출을 위한 랩온어칩(lab on a chip), u-TAS, 데스크탑 산업(factory)에 응용이 가능하다. 특히 비산화물(non-oxide) 세라믹의 높은 열적, 화학적 안정성, 내마모성은 고온 및 거친 환경 하에서도 작동 가능한 MEMS/NEMS, 랩온어칩(lab on a chip) 소자에 활용할 수 있다. 나아가 무기고분자를 활용한 나노 크기의 세라믹 초미세 패터닝 및 구조물 제조 기술은 미래가치를 창출할 수 있는 핵심공정 부문이 될 것으로 예상된다.In addition, inorganic polymer materials with excellent chemical and thermal stability, compared to various plastic materials with low chemical stability, such as swelling by organic solvents, have a lab on a chip and u-TAS for the reaction / detection of organic compounds. It can be applied to the desktop factory. In particular, the high thermal, chemical stability and wear resistance of non-oxide ceramics can be used in MEMS / NEMS and lab on a chip devices that can operate under high temperature and harsh environments. Furthermore, nano-scale ceramic ultra-fine patterning and structure manufacturing technology using inorganic polymers is expected to be a key process sector that can create future value.

이하는 본 발명의 목적을 실현하기 위한 수단을 더욱 구체적으로 설명한다. The following describes the means for realizing the object of the present invention in more detail.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 중합 반복 단위 (repeating unit)를 포 함하는 네가티브 포토레지스트 중합체 조성물을 제공한다.The present invention provides a negative photoresist polymer composition comprising a polymerizing repeating unit represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112005033054879-pat00004
또는
Figure 112005033054879-pat00005
Figure 112005033054879-pat00004
or
Figure 112005033054879-pat00005

(상기 식에서 Ra, Rb 및 Rc는 독립적으로 H, ORd, NHRd, vinyl 또는 C1~C10의 직쇄형 또는 분기형 저급알킬기에서 선택되며, Rd는 H 또는 C1~C10의 직쇄형 또는 분기형 저급알킬기이고, n, m 및 k는 1 내지 200의 정수이며, 상기 화학식의 반복 단위로 이루어진 고분자 중합체는 사슬 말단에 1차 아민기를 가지는 무기고분자도 포함한다.)Wherein R a , R b and R c are independently selected from H, OR d , NHR d , vinyl or a C 1 to C 10 straight or branched lower alkyl group, and R d is H or C 1 to C A linear or branched lower alkyl group of 10, n, m and k are integers from 1 to 200, and the polymer polymer composed of repeating units of the above formula also includes an inorganic polymer having a primary amine group at the chain end.)

본 발명에 있어서 상기의 화학식 1의 기본적인 무기고분자 사슬에 치환되어 개질되는 화합물로는 아래와 같은 [화학식 2]의 구조식의 화합물이 있다.     In the present invention, the compound that is modified by being substituted by the basic inorganic polymer chain of Chemical Formula 1 includes the compound of the following Chemical Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

(가) 아크릴(acryl) 화합물;(A) an acryl compound;

Figure 112005033054879-pat00006
Figure 112005033054879-pat00006

(상기 식에서, R은 수소 또는 C1 내지 C3의 포화탄화수소이며, R'는 없거나, C1 내지 C20의 포화탄화수소이며, Y는 하이드록시(OH), 이소시아네이트(CNO), 비닐(vinyl), 또는 할로겐(halogen) 이다.)Wherein R is hydrogen or saturated hydrocarbon of C 1 to C 3 , R ′ is absent or is C 1 to C 20 saturated hydrocarbon, Y is hydroxy (OH), isocyanate (CNO), vinyl , Or halogen.)

(나) 에폭시(epoxy) 화합물;(B) epoxy compounds;

Figure 112005033054879-pat00007
Figure 112005033054879-pat00007

(상기 식에서 R'는 없거나, C1 내지 C20의 포화탄화수소이며, Y는 하이드록시(OH), 이소시아네이트(CNO), 비닐(vinyl), 할로겐(halogen) 이다.)(Wherein R 'is absent or is C 1 to C 20 saturated hydrocarbon, Y is hydroxy (OH), isocyanate (CNO), vinyl, halogen).

(다) 비닐(vinyl) 화합물; 또는(C) vinyl compounds; or

(라) 신나모일(cinnamoyl) 화합물.(D) Cinnamoyl compounds.

Figure 112005033054879-pat00008
Figure 112005033054879-pat00008

(상기 식에서 R'는 없거나, C1 내지 C20의 포화탄화수소이며, Y는 하이드록시(OH), 이소시아네이트(CNO), 비닐(vinyl), 할로겐(halogen)이다.)(Wherein R 'is absent or is C 1 to C 20 saturated hydrocarbon, Y is hydroxy (OH), isocyanate (CNO), vinyl, halogen).

이러한 반응기들이 축합반응, 수소규소화반응, 첨가 삽입반응 등에 의해 아크릴레이티드(acrylated), 우레탄 아크릴레이티드(urethane acrylated), 신나모일(cynamoyl), 에폭시(epoxy), 비닐(vinyl) 기능화한 중합체가 합성되어, 자외선 가교경화가 가능한 네가티브형 포토레지스 아크릴레이티드 실록산중합체, 아크릴레이티드 실라잔중합체, 우레탄 아크릴레이티드 실록산중합체, 우레탄 아크릴레이티드 실라잔중합체, 신나모일 실록산중합체, 신나모일 실라잔중합체, 에폭시 실록산중합체, 에폭시 실라잔중합체, 비닐 실록산중합체, 비닐 실라잔중합체가 된다.These reactors were polymerized by acrylated, urethane acrylated, cinnamoyl, epoxy, and vinyl functionalized polymers by condensation reaction, hydrogen siliconization reaction, addition insertion reaction, etc. Negative photoresist acrylated polymer, acrylated silazane polymer, urethane acrylated siloxane polymer, urethane acrylated silazane polymer, cinnamoyl siloxane polymer, cinnamoyl silazane Polymer, epoxy siloxane polymer, epoxy silazane polymer, vinyl siloxane polymer, vinyl silazane polymer.

본 발명의 네가티브 포토레지스트 조성물은 상기 포토레지스트 중합체들을 포함하고, 유기용매 및 광개시제를 포함하는 네가티브 포토레지스트 조성물을 제공한다. The negative photoresist composition of the present invention provides the negative photoresist composition comprising the photoresist polymers and comprising an organic solvent and a photoinitiator.

상기 유기용매로는 포토레지스트 조성물에 통상적으로 사용되는 유기용매는 무엇이든 사용가능하며, 바람직하게는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofurane), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate)을 사용하며, 상기 중합체에 대해 0 내지 80 중량% 비율로 사용되는데, 이는 원하는 두께의 포토레지스트 막을 얻기 위한 것이다.The organic solvent may be any organic solvent commonly used in photoresist compositions, preferably tetrahydrofurane, toluene, benzene, propylene glycol monomethyl ether acetate glycol monomethyl ether acetate) is used at a ratio of 0 to 80% by weight relative to the polymer, to obtain a photoresist film of the desired thickness.

상기 광개시제는 라디칼중합에 의해 광가교하는 방법, 양이온중합에 의해 광가교하는 방법 및 백금이나 로듐과 같은 귀금속을 포함하는 광가교중합방법에서 선택되는 방법에 적합한 광개시제를 사용하며, 이에 대한 구체적인 화합물은 앞에서 기재한 바와 같다. 본 발명에서 사용하는 광개시제의 첨가비율은 해당분야에서는 일반적으로 알려져 있는 범위이므로 더 이상의 기재를 생략한다.The photoinitiator uses a photoinitiator suitable for the method selected from photocrosslinking by radical polymerization, photocrosslinking by cation polymerization, and photocrosslinking polymerization method including noble metals such as platinum or rhodium, and specific compounds thereof As described above. Since the addition ratio of the photoinitiator used in the present invention is a range generally known in the art, further description is omitted.

본 발명에 따른 포토레지스트 조성물은 백금 또는 로듐 촉매 중에서 선택되는 귀금속촉매 또는 이광자흡수염료를 더 함유한다. 상기 촉매 혹은 이광자 흡수염료는 노광시 이광자흡수법에 의한 입체적 제한 선택 가교반응을 일으키기 위한 필수 구성 요소가 된다. 상기 촉매의 예로는 사이클로펜타디에닐메틸 트리메틸플래티늄이 있고, 상기 이광자흡수염료의 예로는 TP-Flu-TP2이 있는 바 이는 이 분야에 공지된 물질이므로 더 이상의 설명을 생략한다.The photoresist composition according to the present invention further contains a noble metal catalyst or a two-photon absorption dye selected from platinum or rhodium catalysts. The catalyst or two-photon absorbing dye becomes an essential component for causing a three-dimensional limited selective crosslinking reaction by two-photon absorption method during exposure. An example of the catalyst is cyclopentadienylmethyl trimethylplatinum, and an example of the two-photon absorption dye is TP-Flu-TP2, which is known in the art, and thus, further description thereof will be omitted.

본 발명에서는 또한 하기와 같은 단계를 포함하는 네가티브 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공한다. The present invention also provides a negative photoresist pattern forming method comprising the following steps.

(a) 상기 본 발명에 따른 포토레지스트 조성물을 미세소자 제조용 기판 재료에 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;(a) forming a photoresist film by applying the photoresist composition according to the present invention to a substrate material for producing a microelement;

(b) 상기 포토레지스트 막을 노광원으로 노광하는 단계;(b) exposing the photoresist film to an exposure source;

(c) 상기 노광한 결과물을 현상하여 포토레지스트 패턴을 얻는 단계.(c) developing the exposed product to obtain a photoresist pattern.

상기 과정에서 (b) 단계의 노광 전에 소프트 베이크 공정, 또는 (b) 단계의 노광 후에 포스트 베이크 공정을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 베이크 공정은 40 내지 95℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 공정이 필요한 이유는 용매를 증발하여 광중합이 잘 일어날 수 있도록 하기 위한 것이다.In the process may further comprise the step of performing a soft bake process before the exposure of step (b), or a post-baking process after the exposure of step (b), the baking process is preferably performed at 40 to 95 ℃ . The reason for this process is to evaporate the solvent so that photopolymerization can occur well.

한편, 상기에서 현상 단계 (c)는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofurane), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate), 에탄올 등의 현상액을 이용하여 수행될 수 있다.Meanwhile, the developing step (c) may be performed using a developer such as tetrahydrofurane, toluene, benzene, propylene glycol monomethyl ether acetate, ethanol, or the like. Can be.

또한 기판은 용도에 따라 Si, glass 등을 사용하되 세라믹으로 전이하기 위한 열처리 온도에서 안정하다면 어떤 재료를 사용하여도 관계없다. 노광공정은 광원으로서 주로 UV(파장 250~850nm중 선택), E-빔, 레이저빔 또는 이온빔을 사용하여, 1 내지 100mJ/cm2의 노광에너지로 수행되는 것이 바람직하다. In addition, the substrate may be Si, glass, etc., depending on the application, but may be any material as long as it is stable at the heat treatment temperature for transition to ceramic. The exposure process is preferably performed at an exposure energy of 1 to 100 mJ / cm 2 using mainly UV (selection of wavelength 250 to 850 nm), E-beam, laser beam or ion beam as a light source.

이러한 본 발명에 따른 무기고분자형 네가티브 포토레지스트의 작용 기전은 자외선 빛을 받게 되면 상기 화학식 1의 개질 중합체가 가교반응을 일으켜 불용화 되기 때문에 후속현상 공정에서 제거되지 않고 패턴이나 구조물로서 존재하게 된다. 반면, 비노광 부위의 경우 상기 가교반응이 일어나지 않기 때문에 후속 현상공정에서 용해 제거됨으로서 마스크 상을 음화상으로 남길 수 있는 것이다.      The mechanism of action of the inorganic polymer negative photoresist according to the present invention is that the modified polymer of Chemical Formula 1 undergoes a crosslinking reaction and becomes insoluble when subjected to ultraviolet light, so that it is present as a pattern or structure without being removed in a subsequent development process. On the other hand, since the crosslinking reaction does not occur in the case of non-exposed sites, the mask phase may be left as a negative image by being dissolved and removed in a subsequent development process.

상기 노광 단계에서 펨토레이져를 이용한 이광자흡수법을 사용하여 광중합을 일으키는 노광 영역을 입체적으로 제한 선택 가교시킴으로써 2차원 혹은 3차원의 포토레지스트 패턴 구조물이 형성된다.In the exposing step, two-dimensional or three-dimensional photoresist pattern structures are formed by three-dimensionally limiting selective crosslinking of an exposure region causing photopolymerization by using a two-photon absorption method using a femto laser.

본 발명에서는 또한 상기의 제조 방법에 따라 제조된 2차원 혹은 3차원의 포토레지스트 패턴 구조물을 비활성 기체 분위기 하에서 열처리하여 제조된 무기 패턴 구조물을 제공한다. 상기 비활성 기체는 질소 혹은 아르곤이며, 열처리 온도는 600 내지 1200℃이다.     The present invention also provides an inorganic pattern structure prepared by heat-treating a two-dimensional or three-dimensional photoresist pattern structure prepared according to the above-described manufacturing method under an inert gas atmosphere. The inert gas is nitrogen or argon, the heat treatment temperature is 600 to 1200 ℃.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. However, the examples are only to illustrate the invention and the present invention is not limited by the following examples.

[합성예 1] 포토레지스트 개질 중합체 제조(1)Synthesis Example 1 Preparation of Photoresist Modified Polymer (1)

하기 반응식 1과 같이 비닐기와 Si-H작용기를 가진 상용성 폴리실라잔(Polysilazane)(제조사 미국 KiON Co.) 4g, 2-이소시아나토에틸 메타아크릴레이트(2-isocyanatoethyl methacrylate) 2g을 톨루엔 14g에 균일 혼합한 후 50℃에서 24시간동안 반응시켰다. 연이어 진공하에서 용매와 반응하지 않은 물질을 제거하여 하기 화학식 2의 비닐 아크릴레이트(vinyl acrylate) 단위를 포함하는 폴리우레아실라잔(polyureasilazane)을 제조하였다.4 g of a compatible polysilazane having a vinyl group and a Si-H functional group (manufactured by KiON Co., USA) and 2 g of 2-isocyanatoethyl methacrylate (2-isocyanatoethyl methacrylate) were added to 14 g of toluene. After homogeneous mixing, the reaction was carried out at 50 ° C. for 24 hours. Subsequently, the material which did not react with the solvent under vacuum was removed to prepare a polyureasilazane including a vinyl acrylate unit of Formula 2 below.

1H-NMR (600MHz, CDCl3) δ 8.16, 5.15 ppm (CO-NH), 6.05 & 5.55 (C=CH 2 ), 5.92-5.71 (Si-CH=CH2), 4.61-4.34 (Si-H), 4.21-4.10 (-CH2-O), 3.84-3.39 (-CH 2 -N), 1.85 (CH 3 -CH), 0.83 (N-H), 0.26-0.09 (Si-CH 3 ) 1 H-NMR (600 MHz, CDCl 3 ) δ 8.16, 5.15 ppm (CO-N H ), 6.05 & 5.55 (C = C H 2 ), 5.92-5.71 (Si-CH = CH 2 ), 4.61-4.34 (Si H ), 4.21-4.10 (-CH 2 -O), 3.84-3.39 (-C H 2 -N), 1.85 (C H 3 -CH), 0.83 (N- H ), 0.26-0.09 (Si-C H 3 )

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112005033054879-pat00009
Figure 112005033054879-pat00009

[합성예 2] 포토레지스트 개질 중합체 제조(2)Synthesis Example 2 Preparation of Photoresist Modified Polymer (2)

트리비닐트리메틸 시클로 트리실라잔 3.15g을 테트라하이드로퓨란 20g에 녹인 후 트리에틸아민 8.74g을 혼합한 후, 신나모일 클로라이드 6g을 테트라하이드로퓨란 5g에 10분 내지 30분에 걸쳐 적하하였다. 반응 온도는 0℃에서 12시간 반응시킨 후, 진공하에서 용매와 반응하지 않은 물질을 제거하여 신나모일(cinnamoyl) 단위를 포함하는 실라잔(silazane) 조성물을 제조하였다.    After dissolving 3.15 g of trivinyl trimethyl cyclotrisilazane in 20 g of tetrahydrofuran and mixing 8.74 g of triethylamine, 6 g of cinnamoyl chloride was added dropwise to 5 g of tetrahydrofuran over 10 to 30 minutes. After the reaction temperature was reacted at 0 ° C. for 12 hours, a substance not reacted with the solvent was removed under vacuum to prepare a silazane composition including cinnamoyl units.

1H NMR(300MHz, C6D6) δ 6.31-7.68 (CH=CH), 5.73-6.17 (SiCH=CH2), 0.09-0.33 (Si-CH3) 1 H NMR (300 MHz, C 6 D 6 ) δ 6.31-7.68 (CH = CH), 5.73-6.17 (SiCH = CH 2 ), 0.09-0.33 (Si-CH 3 )

[반응식 2]Scheme 2

Figure 112005033054879-pat00010
Figure 112005033054879-pat00010

[실시예 1] 네가티브 포토레지스트 조성물의 제조(1)Example 1 Preparation of Negative Photoresist Composition (1)

상기 합성예 1에서 얻은 폴리우레아실라잔 5g, 광가교개시제인 이가큐어 500(Irgacure 500) 0.25g을 유기용매 톨루엔 5g에 녹인 후 0.2㎛ 필터로 여과시켜 포토레지스트 조성물을 얻었다. 상업용 광개시제 이가큐어 500은 50 중량%의 1-하이드록시사이틀로핵실페닐케톤(1-hydroxy-cyclohexyl-phenylketone)과 50 중량%의 벤조페논(benzophenone)의 혼합물로 구성되어있다.    5 g of polyureasilazane obtained in Synthesis Example 1 and 0.25 g of Igacure 500, an optical crosslinking initiator, were dissolved in 5 g of organic solvent toluene and filtered through a 0.2 μm filter to obtain a photoresist composition. Commercial photoinitiator Igacure 500 consists of a mixture of 50% by weight of 1-hydroxycyclohexyl-phenylketone and 50% by weight of benzophenone.

[실시예 2] 네가티브 포토레지스트 조성물의 제조(2)Example 2 Preparation of Negative Photoresist Composition (2)

상기 합성예 2에서 얻은 폴리신나모일실라잔 3g, 광가교개시제인 이가큐어 500(Irgacure 500) 0.15g을 유기용매 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(PGMEA) 7g에 녹인 후 0.2㎛ 필터로 여과시켜 포토레지스트 조성물을 얻었다.    3 g of polycinnamoylsilazane obtained in Synthesis Example 2 and 0.15 g of Igacure 500 (Irgacure 500), a photocrosslinking initiator, were dissolved in 7 g of an organic solvent propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) and filtered through a 0.2 μm filter. A composition was obtained.

[실시예 3] 포토레지스트 패턴 형성Example 3 Photoresist Pattern Formation

상기 실시예 1에서 얻은 포토레지스트 조성물을 실리콘 웨이퍼 위에 스핀 코팅한 후 80℃에서 90초간 베이크 하였다. 베이크 후 마스크와 자외선 노광장비를 이용하여 40㎷/㎠의 자외선을 1분 동안 노광시킨 후, 80℃에서 1시간 다시 베이크 하였다. 베이크 완료 후 현상공정을 거쳐 100nm 패턴을 얻었다(도 3 참조)    The photoresist composition obtained in Example 1 was spin coated on a silicon wafer and then baked at 80 ° C. for 90 seconds. After baking, the UV light of 40 kW / cm 2 was exposed for 1 minute using a mask and an ultraviolet exposure apparatus, and then baked again at 80 ° C for 1 hour. After baking, a developing process was performed to obtain a 100 nm pattern (see FIG. 3).

[실시예 4] 이광자흡수법에 의한 포토레지스트 패턴 및 구조물 형성Example 4 Photoresist Pattern and Structure Formation by Two-Photon Absorption Method

상기 실시예 1에서 얻은 포토레지스트 조성물 0.5g과 이광자 흡수염료 TP-Flu-TP2 (2,7-dibromo-9,9-diethylhexyl-9H-fluorene과 diphenyl (4-vinyl phenyl) amine의 Heck반응에 의해 합성) 1 wt%을 유기용매인 테트라하이드로퓨란 1g에 균일하게 혼합한 후 용매를 진공 휘발 제거한다. 그리고 포토레지스트 혼합 조성물 한방울(< 2cc)을 투명한 석영 glass위(두께 200nm 이하)에 떨어뜨린 후 펨토레이져 노광장비(가변범위 750 내지 850 nm)를 이용하여 노광 가교처리한다. 이때 장파장의 두 광자를 흡수하여 광중합을 일으키는 노광 영역(최소 100nm의 초점(voxel))은 3차원 공간내에서 선택 조절이 가능하다. 따라서 노광영역을 2차원 혹은 3차원적으로 연속 노광 가교시킴으로서 나노 크기의 정밀도를 가진 2차원 혹은 3차원 구조물 제조가 가능하다. 연이어 에탄올을 이용한 현상공정을 거쳐 폭 140, 230nm 선형 패턴과, 그리고 이 선형패턴을 한층씩 엇갈려 쌓아올려 아랫변이 9μm, 높이가 7μm인 3차원 나노 다공성 육면체를 제조하였다. 또한 이광자 흡수 염료대신에 백금촉매인 사이클로펜타디에닐메틸 트리메틸플래티늄 (η5-cyclopentadienylmethyl trimethylplatinium)을 활용하여 동일 결과를 얻을 수 있다. (도 4참조)0.5 g of the photoresist composition obtained in Example 1 and two-photon absorption dye TP-Flu-TP2 (2,7-dibromo-9,9-diethylhexyl-9H-fluorene and diphenyl (4-vinyl phenyl) amine by Heck reaction Synthesis) 1 wt% is uniformly mixed with 1 g of tetrahydrofuran, an organic solvent, and the solvent is removed by vacuum volatilization. Then, one drop of the photoresist mixed composition (<2cc) was dropped on the transparent quartz glass (200 nm or less in thickness), and then subjected to exposure crosslinking using a femto laser exposure apparatus (variable range 750 to 850 nm). At this time, an exposure region (voxel of at least 100 nm) that absorbs two photons of long wavelength and causes photopolymerization can be selectively controlled in a three-dimensional space. Accordingly, by continuously crosslinking the exposure area in two or three dimensions, it is possible to manufacture a two-dimensional or three-dimensional structure having nano-scale precision. Subsequently, through a developing process using ethanol, a three-dimensional nanoporous hexahedron having a width of 140 and 230 nm, and the linear patterns were stacked one by one, and having a lower side of 9 μm and a height of 7 μm. In addition, it is possible to obtain the same result by using the platinum catalyst of cyclopentadienyl trimethyl platinum, methyl (η 5 -cyclopentadienylmethyl trimethylplatinium) instead of two-photon absorbing dye. (See Fig. 4)

[실시예 5] 세라믹 패턴 형성Example 5 Ceramic Pattern Formation

상기 실시예 3에서 얻은 무기고분자 포토레지스터 패턴을 질소 기류하에서 800℃까지 열처리하여 각각 폭넓이가 140nm, 230nm 선형 패턴을 얻었다. 한편으로 실시예 4에서 얻은 아랫변이 9μm 높이가 7μm인 3차원 나노다공성 무기고분자 육면체는 질소 기류하에서 800℃까지 열처리시 수축에 의해 세라믹 피라미드로 변형되었다. 특히 기판과의 접촉면으로부터 멀어질수록 수축 현상이 증가하는 것은 잘 알려진 현상이다.(도 3 및 도 4 참조)The inorganic polymer photoresist pattern obtained in Example 3 was heat-treated to 800 ° C. under a nitrogen stream to obtain 140 nm and 230 nm linear patterns, respectively. On the other hand, the three-dimensional nanoporous inorganic polymer hexahedron having a lower side of 9 μm and a height of 7 μm obtained in Example 4 was transformed into a ceramic pyramid by shrinkage during heat treatment up to 800 ° C. under a nitrogen stream. In particular, it is well known that the shrinkage phenomenon increases as the distance from the contact surface with the substrate increases (see FIGS. 3 and 4).

이상에서 살펴본 바와 같이, 노광시 가교반응을 일으키는 무기고분자를 포함하는 네가티브 포토레지스트 조성물을 사용함으로써 고온 안정성과 마찰, 마모 특성이 우수한 세라믹 미세 패턴을 형성할 수 있다.As described above, by using a negative photoresist composition including an inorganic polymer that causes a crosslinking reaction during exposure, it is possible to form a ceramic fine pattern having excellent high temperature stability, friction, and wear characteristics.

Claims (14)

하기 화학식 1로 표시되는 중합 반복 단위(repeating unit)를 포함하는 중합체와 하기 화학식 2의 화합물과 반응에 의해 생성되는 광중합성 네가티브 포토레지스트 개질 중합체.A photopolymerizable negative photoresist modified polymer produced by reacting a polymer comprising a polymerizing repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 with a compound of the following Chemical Formula 2. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112005033054879-pat00011
또는
Figure 112005033054879-pat00012
Figure 112005033054879-pat00011
or
Figure 112005033054879-pat00012
(상기 식에서 Ra, Rb 및 Rc는 독립적으로 H, ORd, NHRd, vinyl 또는 C1~C10의 직쇄형 또는 분기형 저급알킬기에서 선택되며, Rd는 H 또는 C1~C10의 직쇄형 또는 분기형 저급알킬기이고, n, m 및 k는 1 내지 200의 정수이며, 상기 화학식의 반복 단위로 이루어진 고분자 중합체는 사슬 말단에 1차 아민기를 가지는 무기고분자도 포함한다.)Wherein R a , R b and R c are independently selected from H, OR d , NHR d , vinyl or a C 1 to C 10 straight or branched lower alkyl group, and R d is H or C 1 to C A linear or branched lower alkyl group of 10, n, m and k are integers from 1 to 200, and the polymer polymer composed of repeating units of the above formula also includes an inorganic polymer having a primary amine group at the chain end.) [화학식 2][Formula 2] (가) 아크릴(acryl) 화합물;(A) an acryl compound;
Figure 112005033054879-pat00013
Figure 112005033054879-pat00013
(상기 식에서, R은 수소 또는 C1 내지 C3의 포화탄화수소이며, R'는 없거나, C1 내지 C20의 포화탄화수소이며, Y는 하이드록시(OH), 이소시아네이트(CNO), 비닐 (vinyl), 또는 할로겐(halogen) 이다.)Wherein R is hydrogen or saturated hydrocarbon of C 1 to C 3 , R ′ is absent or C 1 to C 20 saturated hydrocarbon, Y is hydroxy (OH), isocyanate (CNO), vinyl (vinyl) , Or halogen.) (나) 에폭시(epoxy) 화합물;(B) epoxy compounds;
Figure 112005033054879-pat00014
Figure 112005033054879-pat00014
(상기 식에서 R'는 없거나, C1 내지 C20의 포화탄화수소이며, Y는 하이드록시(OH), 이소시아네이트(CNO), 비닐(vinyl), 할로겐(halogen) 이다.)(Wherein R 'is absent or is C 1 to C 20 saturated hydrocarbon, Y is hydroxy (OH), isocyanate (CNO), vinyl, halogen). (다) 비닐(vinyl) 화합물; 또는(C) vinyl compounds; or (라) 신나모일(cinnamoyl) 화합물.(D) Cinnamoyl compounds.
Figure 112005033054879-pat00015
Figure 112005033054879-pat00015
(상기 식에서 R'는 없거나, C1 내지 C20의 포화탄화수소이며, Y는 하이드록시(OH), 이소시아네이트(CNO), 비닐(vinyl), 할로겐(halogen) 이다.)(Wherein R 'is absent or is C 1 to C 20 saturated hydrocarbon, Y is hydroxy (OH), isocyanate (CNO), vinyl, halogen).
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광중합성 네가티브 포토레지스트 개질 중합체는 아크릴레이티드 실록산중합체, 아크릴레이티드 실라잔중합체, 우레탄 아크릴레이티드 실록산중합체, 우레탄 아크릴레이티드 실라잔중합체, 신나모일 실록산중합체, 신나모일 실라잔중합체, 에폭시 실록산중합체, 에폭시 실라잔중합체, 비닐 실록산중합체 또는 비닐 실라잔중합체에서 선택되는 어느 한 중합체인 것을 특징으로 하는 광중합성 네가티브 포토레지스트 개질 중합체.The photopolymerizable negative photoresist modified polymer is an acrylated siloxane polymer, an acrylated silazane polymer, a urethane acrylated siloxane polymer, a urethane acrylated silazane polymer, a cinnamoyl siloxane polymer, a cinnamoyl silazane polymer, an epoxy siloxane. A photopolymerizable negative photoresist modified polymer, characterized in that it is any polymer selected from polymers, epoxy silazane polymers, vinyl siloxane polymers or vinyl silazane polymers. 제 1항의 광중합성 네가티브 포토레지스트 개질중합체, 유기용제 및 광개시제를 포함하는 광중합성 네거티브 포토레지스트 조성물.A photopolymerizable negative photoresist composition comprising the photopolymerizable negative photoresist modifier of claim 1, an organic solvent and a photoinitiator. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 유기용제는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofurane), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene) 또는 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트에서 선택되는 어느 한 성분 이상이고, 상기 유기용매는 상기 중합체에 대해 80 중량% 이하로 사용되는 것을 특징으로 하는 광중합성 네거티브 포토레지스트 조성물.The organic solvent is at least one component selected from tetrahydrofurane, toluene, benzene or propylene glycol monomethyl ether acetate, and the organic solvent is used at 80 wt% or less with respect to the polymer. Photopolymerizable negative photoresist composition, characterized in that. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 포토레지스트 조성물은 백금 또는 로듐 촉매중 선택되는 귀금속 촉매, 또는 이광자흡수염료를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 광중합성 네거티브 포토레지스트 조성물.The photoresist composition is a photopolymerizable negative photoresist composition, characterized in that it further comprises a noble metal catalyst, or two-photon absorption dye selected from platinum or rhodium catalyst. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 귀금속 촉매는 사이클로펜타디에닐메틸 트리메틸플래티늄 (η5-cyclopentadienylmethyl trimethylplatinium)인 광중합성 네거티브 포토레지스트 조성물.The noble metal catalyst is cyclopentadienylmethyl trimethyl platinum (η 5 -cyclopentadienylmethyl trimethylplatinium) photopolymerizable negative photoresist composition. (a) 제 3항 내지 제 6항에서 선택된 어느 한 항의 포토레지스트 조성물을 기판에 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;(a) applying a photoresist composition of any one of claims 3 to 6 to a substrate to form a photoresist film; (b) 상기 포토레지스트 막을 노광원으로 노광하는 단계; 및(b) exposing the photoresist film to an exposure source; And (c) 상기 결과물을 현상하여 포토레지스트 패턴을 얻는 단계;(c) developing the resultant to obtain a photoresist pattern; 를 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법.Photoresist pattern forming method comprising a. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein (b) 단계의 노광 전에 소프트 베이크 공정 또는 (b) 단계의 노광 후에 포스트 베이크 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.A method of forming a photoresist pattern further comprising the step of performing a soft bake process before exposure of step (b) or a post bake process after exposure of step (b). 제 7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 노광원은 UV, E-빔 또는 레이저빔에서 선택되는 포토레지스트 패턴 형성방법.And the exposure source is selected from UV, E-beam or laser beam. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 광중합을 일으키는 노광 영역을 입체적으로 제한 선택 가교시킴으로써 2차원 혹은 3차원의 포토레지스트 패턴 형성 방법.A method for forming a two-dimensional or three-dimensional photoresist pattern by three-dimensionally limiting selective crosslinking of an exposure region causing photopolymerization. 제 7항 내지 제 10항에서 선택되는 어느 한 항에 의해 제조되는 포토레지스트 패턴을 열처리하여 무기 패턴 구조물을 제조하는 방법.A method of manufacturing an inorganic pattern structure by heat-treating a photoresist pattern prepared by any one of claims 7 to 10. 제 11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 열처리는 질소 기류 하에 600℃ 내지 1200℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 무기 패턴 구조물을 제조하는 방법.The heat treatment is a method for producing an inorganic pattern structure, characterized in that carried out at 600 ℃ to 1200 ℃ under a stream of nitrogen. 제 11항의 제조 방법에 의해 형성되는 무기 미세 패턴 구조물.An inorganic fine pattern structure formed by the manufacturing method of claim 11. 제 13항의 무기 미세 패턴 구조물을 사용하는 기능성 세라믹 패턴 소자.Functional ceramic pattern element using the inorganic fine pattern structure of claim 13.
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