KR20060091256A - 감광성 수지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잔막성이 우수하고, 접착성 및 전기 절연성이 우수한 감광성 폴리이미드 수지, 그의 조성물 및 그의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 수 평균 분자량이 2,000 내지 800,000이고, 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리이미드 수지를 제공한다.
Figure 112006010644612-PAT00001
식 중, X는 4가 유기기이고, Y는 2가 유기기이며, R1은 그의 75 내지 98 몰%가 수소 원자이고, 2 내지 25 몰%가 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기이다.
폴리이미드 수지, 감광성 수지 조성물, 패턴화된 막.

Description

감광성 수지 및 그의 제조 방법 {Photosensitive Resin and a Method of Preparing the Same}
[문헌 1] 일본 특허 공개 (소)49-115541호 공보
[문헌 2] 일본 특허 공개 (소)55-45746호 공보
[문헌 3] 일본 특허 공개 (소)54-145794호 공보
[문헌 4] 일본 특허 공개 (평)10-274850호 공보
[문헌 5] 일본 특허 공개 (평)10-265571호 공보
[문헌 6] 일본 특허 공개 (평)13-335619호 공보
[문헌 7] 일본 특허 공개 (평)3-209478호 공보
[문헌 8] 일본 특허 공고 (평)1-46862호 공보
[문헌 9] 일본 특허 공개 (평)11-65107호 공보
본 발명은 감광성 폴리이미드 수지에 관한 것이며, 상세하게는 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기를 갖는 폴리이미드 수지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 이 폴리이미드 수지는 포지티브형 포토레지스트 및 보호막 형성용으로 바람직하다.
종래, 감광성 폴리이미드계 재료로서는 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산을 이용한 재료, 예를 들면 폴리아믹산의 카르복실기에 감광기를 에스테르 결합에 의해 도입한 것(일본 특허 공개 (소)49-115541호 공보 및 일본 특허 공개 (소)55-45746호 공보), 폴리아믹산과 감광기를 갖는 아민 화합물을 포함하는 재료(일본 특허 공개 (소)54-145794호 공보) 등이 제안되어 있다. 그러나, 이들 발명에서는 패턴화된 피막을 형성한 후, 목적으로 하는 폴리이미드 피막을 얻기 위해 300 ℃를 초과하는 고온에서의 이미드화 처리가 필수적이고, 이 고온에 견디기 위해 바탕 기재가 제약되거나, 배선의 구리를 산화시키는 문제를 갖고 있었다.
상기 문제가 발생하지 않도록 하기 위해, 이미 이미드화된 용제 가용성 수지를 이용한 감광성 폴리이미드도 제안되어 있지만(일본 특허 공개 (평)10-274850호 공보, 일본 특허 공개 (평)10-265571호 공보 및 일본 특허 공개 (평)13-335619호 공보 등), 모두 (메트)아크릴기를 이용하여 감광성을 수지에 부여하고 있고, 광 경화 기구상 산소 장해를 받기 쉬우며, 현상시의 잔막성이 불충분하다는 등의 이유로부터 해상력의 향상이 어려워, 요구되는 특성을 모두 충족하는 재료가 되지는 못하였다.
한편, 페놀성 수산기를 갖는 폴리이미드 골격이나(일본 특허 공개 (평)3-209478호 공보) 폴리아미드 골격과 디아조나프토퀴논을 조합한 포지티브형 조성물에서의 제안도 이루어졌다(일본 특허 공고 (평)1-46862호 공보, 일본 특허 공개 (평)11-65107호 공보). 이들은 현상성을 확보하기 위해 수지 분자량이 저분자이거나, 감광제인 디아조나프토퀴논의 첨가량이 수지에 대하여 다량이 되어, 폴리이미 드 수지 본래의 경화 특성을 얻기 어렵다는 등의 문제점이 있었다. 또한, 상기한 수지와 디아조나프토퀴논 혼합계 포지티브형에서는 현상시의 잔막성이 충분하다고는 할 수 없었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 잔막성이 향상되어 포지티브형 레지스트로서 바람직하게 사용됨과 동시에, 그의 열 경화막이 접착성 및 전기 절연성이 우수한 감광성 폴리이미드 수지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 중량 평균 분자량이 2,000 내지 800,000이고, 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리이미드 수지에 관한 것이다.
<화학식 1>
Figure 112006010644612-PAT00002
식 중, X는 4가 유기기이고, Y는 하기 화학식 2로 표시되는 2가 유기기이다.
Figure 112006010644612-PAT00003
식 중, A는 서로 독립적으로 하기의 기
Figure 112006010644612-PAT00004
로부터 선택되는 2가 유기기이고, B, C는 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬기 또는 수소 원자이며, a는 0이나 1이고, c는 0 내지 10의 정수이며, c가 1 이상일 때 b는 0 또는 1이고, R1은 그의 75 내지 98 몰%가 수소 원자이며, 2 내지 25 몰%가 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기이다.
또한, 본 발명은 (1) 페놀성 수산기를 갖는 디아민과 이무수물을 반응시켜 폴리아믹산을 제조하는 공정,
(2) 상기 폴리아믹산을 탈수 폐환 반응에 사용하여 하기 화학식 6으로 표시되는 페놀성 수산기를 갖는 폴리이미드를 제조하는 공정,
(3) 상기 폴리이미드를 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐 화합물과 반응시켜 상기 폴리이미드의 페놀성 수산기의 수소 원자 중 적어도 일부를 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기로 치환하는 공정
을 포함하는 폴리이미드 수지의 제조 방법에 관한 것이다.
Figure 112006010644612-PAT00005
식 중, X, Z, W, l, m, n은 상술한 바와 같고, Y'는 하기 화학식 7로 표시되 는 2가 유기기이다,
Figure 112006010644612-PAT00006
식 중, A, B, C, a, b, c는 상술한 바와 같다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
본 발명의 폴리이미드 수지는 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는다는 점을 특징으로 한다. 상기 반복 단위에 있어서, Y를 나타내는 하기 화학식 2에 있어서, B, C는 수소 원자, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기로부터 서로 독립적으로 선택되며, 그 중에서도 메틸기, 수소 원자가 원료의 입수가 용이하다는 점에서 바람직하다.
<화학식 2>
Figure 112006010644612-PAT00007
R1은 그의 75 내지 98 몰%, 바람직하게는 80 내지 95 몰%가 수소 원자이고, 2 내지 25 몰%, 바람직하게는 5 내지 20 몰%가 하기 중 어느 하나의 식으로 표시되는 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기이다. 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기의 양이 상기 상한치를 초과한 수지는, 용액으로 보존했을 때 그의 농도 및 보존 온도에 따라 디아지드기가 분해되어 증점되고, 취급이 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 상기 하한치 미만의 수지는 현상 후의 잔막성이 떨어지고, 감광성 수지로서는 부적절하다.
Figure 112006010644612-PAT00008
상기 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기는 감광성 면에서, 바람직하게는 1,2-나프토퀴논디아지드-4-술포닐기 및(또는) 1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐기이다.
Y로서는 하기의 기를 예시할 수 있다.
Figure 112006010644612-PAT00009
Figure 112006010644612-PAT00010
상기 식에 있어서, R1은 상술한 바와 같다.
화학식 1 중의 X는 산 이무수물로부터 유도되며, 상기 산 이무수물로서는 3,3',4,4'-디페닐술폰테트라카르복실산 이무수물, 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실산 이무수물, 2,3',3,4'-비페닐테트라카르복실산 이무수물, 5-(2,5-디옥소테트라히드로-3-푸라닐)-3-메틸-3-시클로헥센-1,2-디카르복실산 무수물, 4-(2,5-디옥소테트라히드로푸란-3-일)-1,2,3,4-테트라히드로나프탈렌-1,2-디카르복실산 무수물, 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산 이무수물, 3,3',4,4'-벤조페논테트라카르복실산 이무수물, 4,4'-헥사플루오로프로필리덴 비스프탈산 이무수물, 2,2-비스(p-트리메톡시페닐)프로판, 1,3-테트라메틸디실록산 비스프탈산 이무수물, 4,4'-옥시디프탈산 이무수물을 들 수 있으며, 이들 중에서 4,4'-헥사플루오로프로필리덴 비스프탈산 이무수물, 4,4'-옥시디프탈산 이무수물이 바람직하다.
본 발명의 폴리이미드 수지는 수 평균 분자량(폴리스티렌 환산)이 2000 내지 800000, 바람직하게는 5000 내지 500000이다. 분자량이 상기 하한치 미만인 수지는 막으로 형성했을 때의 기계적 강도가 낮기 때문에 바람직하지 않고, 상기 상한 치를 초과하면 용제에 대한 상용성이 부족해지기 때문에 바람직하지 않다.
바람직하게는 폴리이미드 수지는 하기 화학식 3으로 표시된다.
Figure 112006010644612-PAT00011
식 중, X 및 Y는 상술한 바와 같고, W는 오르가노실록산 구조를 갖는 2가 유기기이며, Z는 Y 및 W 이외의 2가 유기기이고, l은 양의 정수이며, m, n은 각각 0 이상의 정수이고, 0.1≤l/(l+m+n)<1, 바람직하게는 0.2≤l/(l+m+n)≤0.9, 0<m/(l+m+n)≤O.8, 바람직하게는 0<m/(l+m+n)≤0.5, 0<n/(l+m+n)≤0.8, 바람직하게는 0<n/(l+m+n)≤0.5이다. 또한, l, m, n은 폴리이미드 수지가 상기 분자량 범위가 되는 수이고, 전형적으로는 2≤l≤2000, 0≤m≤2000, 0≤n≤2000의 정수이다. l/(l+m+n)이 상기 하한치 미만인 수지는 감광성이 떨어진다.
화학식 3 중의 Z는 바람직하게는 하기 화학식 4로 표시된다.
Figure 112006010644612-PAT00012
식 중, D는 하기의 기로부터 서로 독립적으로 선택되는 2가의 유기기이고, g는 0 또는 1이며, g가 1일 때 e 및 f는 0 또는 1이다.
Figure 112006010644612-PAT00013
Z로서는 하기의 구조를 예시할 수 있다.
Figure 112006010644612-PAT00014
Figure 112006010644612-PAT00015
Figure 112006010644612-PAT00016
또한, 화학식 3 중의 W는 바람직하게는 하기 화학식 5로 표시된다.
Figure 112006010644612-PAT00017
식 중, R2는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 1가 탄화수소기이고, 예를 들면 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 등의 알킬기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등의 시클로알킬기, 페닐기 등의 아릴기, 벤질기, 페네틸기 등의 아랄킬기, 비닐기, 알릴기, 프로페닐기, 이소프로페닐기, 부테닐기 등의 알케닐기, 아크릴기나 메타크릴기 등을 들 수 있다. 원료의 입수가 용이하다는 관점에서 메틸기, 에틸기, 페닐기, 비닐기가 바람직하다. 또한, h는 1 내지 80, 바람직하게는 3 내지 70, 더욱 바람직하게는 5 내지 50의 정수이다.
본 발명의 폴리이미드 수지는, 하기 공정을 포함하는 방법에 의해 제조할 수 있다.
(1) 페놀성 수산기를 갖는 디아민과 테트라카르복실산 이무수물을 반응시켜 폴리아믹산을 제조하는 공정,
(2) 상기 폴리아믹산을 탈수 폐환 반응에 사용하여 하기 화학식 6으로 표시되는 페놀성 수산기를 갖는 폴리이미드를 제조하는 공정,
(3) 상기 폴리이미드를 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐 화합물과 반응시켜 상기 폴리이미드의 페놀성 수산기의 수소 원자 중 적어도 일부를 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기로 치환하는 공정.
<화학식 6>
Figure 112006010644612-PAT00018
X를 유도하기 위한 산 이무수물로서는 상술한 것을 사용할 수 있다. 페놀성 수산기를 갖는 디아민으로서는 3,3'-디아미노-4,4'-디히드록시비페닐, 2,2'-디아미노-4,4'-디히드록시비페닐, 2,2-비스(4-아미노-3-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)프로판, 9,9'-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)플루오렌, 2,2'-메틸렌 비스[6-(4-아미노-3,5-디메틸벤질)-4-메틸]페놀, 3,3'-디아미노-4,4'-디히드록시디페닐에테르, 2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판 등의 페놀기를 갖는 디아민 등을 들 수 있다.
m이 0보다 큰 수지를 제조할 때에는, 공정 (1)에 있어서 Z를 유도하기 위한 디아민도 사용하며, 예를 들면 4,4'-디아미노벤즈아닐리드, 4,4'-디아미노디페닐에테르, 3,4'-디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페닐술폰, 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노비페닐, 4,4'-(p-페닐렌 디이소프로필리덴)디아닐린, 4,4'-(m-페닐렌 디이소프로필리덴)디아닐린, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,3-비스(3-아미노페녹시)벤젠, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]헥사플루오로프로판, 비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]술폰, 비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]술폰, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)비페닐, 9,9-비스(4-아미노페닐)플루오렌 등을 들 수 있다.
n이 0보다 큰 수지를 제조할 때에는, 공정 (1)에 있어서 W를 유도하기 위한 디아미노실록산도 사용한다. 상기 디아미노실록산으로서는 상기 화학식 5의 양쪽 말단이 아미노기인 것이 사용된다.
폴리아믹산의 합성에 있어서, 테트라카르복실산 이무수물에 대한 디아민의 비율은, 폴리이미드의 분자량 조정 등에 따라 적절하게 결정할 수 있다. 통상, 테트라카르복실산 이무수물에 대한 디아민의 몰비가 0.95 내지 1.05, 바람직하게는 0.98 내지 1.02의 범위이다. 또한, 폴리이미드의 분자량을 조정하기 위해, 무수 프탈산, 아닐린 등의 일관능의 산 무수물 및 아민 화합물을 첨가하는 것도 가능하다. 이 경우의 첨가량은 테트라카르복실산 이무수물 또는 디아민에 대하여 5 몰% 이하가 바람직하다.
디아민과 산 이무수물의 반응은 통상적으로 용제 중에서 행해진다. 이러한 용제로서는 폴리이미드를 용해하는 것이면 된다. 용제의 구체적인 예로서는 테트라히드로푸란, 아니솔 등의 에테르류; 시클로헥사논, 2-부타논, 메틸이소부틸케톤, 2-헵타논, 2-옥타논, 아세토페논 등의 케톤류; 아세트산 부틸, 벤조산 메틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 부틸 셀로솔브 아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르아세테이트 등의 셀로솔브류; N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 등의 아미드류 및 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소류를 들 수 있고, 바람직하게는 케톤류, 에스테르류 및 셀로솔브류이며, 특히 바람직하게는 γ-부티로락톤, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르아세테이트, N,N-디메틸아세트아미드, n-메틸-2-피롤리돈이다. 이들 용제는 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 통상, 1 배치당 수량, 용해 점도 등을 고려하여, 폴리이미드의 농도가 10 내지 40 중량%가 되는 범위에서 조정된다.
얻어진 폴리아믹산 용액을 통상 80 내지 200 ℃, 바람직하게는 140 내지 180 ℃의 온도 범위로 승온하거나, 또는 폴리아믹산 용액에 무수 아세트산/피리딘 혼합 용액을 첨가하고, 이어서 얻어진 용액을 50 ℃ 전후로 승온함으로써 폴리아믹산의 산 아미드 부분에 탈수 폐환 반응을 진행시켜 폴리이미드를 얻을 수 있다.
얻어진 폴리이미드 수지 용액에 1,2-퀴논디아지드술포닐 화합물 및 염기성 화합물을 첨가하여 실온에서 교반함으로써 목적으로 하는 1,2-퀴논디아지드술포닐을 갖는 폴리이미드 수지를 얻을 수 있다. 1,2-퀴논디아지드 화합물로서는 1,2-나프토퀴논디아지드-4-술포닐 클로라이드, 1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드가 바람직하다.
1,2-퀴논디아지드술포닐 화합물은, 상기 폴리이미드 수지의 페놀성 수산기의 수소 원자 중 2 내지 25 몰%, 바람직하게는 5 내지 20 몰%가 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기가 되는 양으로 사용한다. 상술한 바와 같이 취급이 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 상기 하한치 미만에서 치환된 수지는 감광성 수지로서 부적절하다.
염기성 화합물로서는 반응에서 생성되는 염화수소와 반응하여 염을 생성하고, 반응을 촉진하는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 예시하면 디에틸아민, 트리에틸아민 등을 들 수 있다.
본 발명은 상기 폴리이미드 수지를 포함하는 감광성 조성물에 관한 것이기도 하다. 상기 조성물은 포토레지스트 조성물에 통상적으로 배합되는 임의의 첨가제를 본 발명의 목적을 저해하지 않는 양으로 포함할 수 있다. 예를 들면, 계면활성제를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 비이온성의 것이 사용되고, 예를 들면 불소계 계면활성제, 구체적으로는 퍼플루오로알킬폴리옥시에틸렌에탄올, 불소화 알킬에스테르, 퍼플루오로알킬아민옥시드, 불소 함유 오르가노실록산계 화합물 등을 들 수 있다.
상기 불소계 계면활성제는, 예를 들면 플로우라이드「FC-4430」(모두 스미또모 쓰리엠(주) 제조), 서프론 「S-141」 및 「S-145」(모두 아사히 글래스(주) 제조), 유니다인 「DS-401」,「DS-4031」및 「DS-451」(모두 다이킨 고교(주) 제조), 메가팩 「F-8151」(다이닛본 잉크 고교(주) 제조), 「X-70-093」(모두 신에츠 가가꾸 고교(주) 제조) 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 바람직하게는 플로우라이드 「FC-4430」(스미또모 쓰리엠(주) 제조) 및 「X-70-093」(신에츠 가가꾸 고교(주) 제조)이 사용된다.
또한, 열 경화막의 기재에 대한 접착성의 향상제로서 실란 커플링제, 예를 들면 에폭시계 실란 커플링제 KBM-403(신에츠 가가꾸 제조) 등을 첨가하는 것도 가능하다.
또한, 잔막성을 향상시키기 위해 다른 감광성 수지 및 감광제를 필요에 따라 배합할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 수지의 현상액에 대한 용해성을 감소시키는 감광제로서, 「NT-300P」(도요 고세이 고교(주) 제조)가 바람직하게 사용된다.
본 발명의 감광성 조성물의 제조는, 상기 각 성분 및 필요에 따라 유기 용제, 그 밖의 첨가제 등을 교반 혼합한 후, 필요에 따라 고형물 등을 필터 등에 의해 여과함으로써 제조할 수 있다.
이와 같이 하여 제조된 본 발명의 조성물은 포토레지스트로서 뿐만 아니라, 반도체 소자의 보호막, 배선의 보호막, 커버레이 필름, 솔더 레지스트로서 바람직하게 사용된다.
상기 감광성 수지 조성물을 사용하여 패턴화된 막을 형성하는 방법으로서는, 하기의 공정을 포함하는 것이다.
(i) 본 발명의 감광성 수지 조성물의 층을 기판 상에 형성하는 공정,
(ii) 상기 층을 소정의 패턴이 형성된 포토마스크를 통해 파장 240 내지 500 nm의 광으로 노광하는 공정,
(iii) 상기 층 중 노광된 부분을 알칼리성 용액으로 용해하여 패턴화된 막을 얻는 공정.
공정 (i)에 있어서, 층의 형성은 조성물을 용액 형태로 도포함으로써, 또는 필름의 형태로 부착함으로써 기판에 실시한다. 상기 기판으로서는, 예를 들면 실리콘 웨이퍼, 플라스틱이나 세라믹제 회로 기판 등을 들 수 있다.
도포는 공지된 방법, 예를 들면 침지법, 스핀 코팅법, 롤 코팅법으로 행할 수 있다. 도포량은 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있지만, 통상적으로 막 두께 0.1 내지 100 ㎛이다.
여기서, (ii) 노광 공정에서의 광 분해 반응을 효율적으로 행하기 위해, 가열에 의해 용제 등을 미리 휘발시켜 둘 수도 있다. 상기 가열은, 예를 들면 40 내지 140 ℃에서 1 분 내지 1 시간 정도 행할 수 있다. 이어서, 조성물을 포토마스크를 통해 파장 240 내지 500 nm의 광으로 노광한다. 포토마스크로서는 스텐실, 네가티브 등일 수 있으며, 크롬, 석영제의 것을 사용할 수 있다.
상기 파장 240 내지 500 nm의 광으로서는, 예를 들면 g선, i선 등의 자외선광, 원자외선광(248 nm) 등을 들 수 있다. 노광량은 10 내지 2000 mJ/cm2가 바람직하다. 여기서, 필요에 따라 현상 감도를 더 높이기 위해, 노광 후에 예를 들면 40 내지 140 ℃에서 0.5 내지 10 분간 가열 처리할 수도 있다.
공정 (iii)에 있어서, 알칼리성 현상액을 제공하는 알칼리성 화합물로서는, 예를 들면 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 암모늄 이온의 수산화물 또는 탄산염이나 탄산수소염, 아민 화합물 등을 들 수 있으며, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수 산화암모늄, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산암모늄, 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산수소암모늄, 테트라메틸암모늄히드록시드, 테트라에틸암모늄히드록시드, 테트라프로필암모늄히드록시드, 테트라이소프로필암모늄히드록시드, N-메틸디에탄올아민, N-에틸디에탄올아민, N,N-디메틸에탄올아민, 트리에탄올아민, 트리이소프로판올아민, 트리이소프로필아민 등을 들 수 있고, 특히 테트라메틸암모늄히드록시드, 탄산나트륨이 바람직하다. 상기 알칼리성 화합물의 농도는 통상 0.1 내지 20 중량%, 특히 1 내지 3 %로 하는 것이 바람직하다. 상기 현상액에는 소량의 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, N-메틸-2-피롤리돈 등의 수용성 유기 용매가 함유될 수도 있다. 현상액에 조성물이 부착된 기판을 침지하고, 그 후 세정, 린스, 건조를 행한다. 현상 후, 오븐이나 핫 플레이트를 이용하여 120 내지 300 ℃에서 10 분 내지 10 시간 정도 후소성할 수도 있다.
또한, 패턴을 형성할 필요가 없는 경우, 예를 들면 보호막을 형성하고자 하는 경우에는 40 내지 140 ℃에서 1 분 내지 1 시간 정도 가열하여 용매를 제거한 후, 종래의 폴리이미드와 마찬가지로 150 ℃ 내지 250 ℃에서 1 내지 5 시간 가열하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 기재에 대한 밀착력이 우수하고, 전기 특성도 양호한 막을 형성할 수 있다. 상기 막은 전기, 전자 부품, 반도체 소자 등의 보호막, 커버레이 필름에 바람직하게 사용된다.
<실시예>
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 하기 예로 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
교반기, 온도계 및 질소 치환 장치를 구비한 플라스크 내에 4,4'-옥시디프탈산 이무수물 31.0 g(0.1 몰) 및 n-메틸-2-피롤리돈 150 g을 넣었다. 이어서, 2,2-비스(4-아미노-3-히드록시페닐)프로판 25.8 g(0.1 몰)을 n-메틸-2-피롤리돈 100 g에 용해한 용액을 반응계의 온도가 50 ℃를 초과하지 않도록 조절하면서, 상기 플라스크 내에 적하하였다. 적하 종료 후, 실온에서 10 시간 더 교반하였다. 이어서, 상기 플라스크에 수분 수용기가 부착된 환류 냉각기를 설치한 후, 크실렌 70 g을 첨가하고, 150 ℃로 승온하여 그 온도를 6 시간 유지했더니 갈색 용액이 얻어졌다.
이와 같이 하여 얻어진 갈색 용액을 실온(25 ℃)까지 냉각한 후, 이것의 IR 스펙트럼 분석을 행한 결과, 폴리아믹산으로부터 유래하는 흡수는 관측되지 않고, 1780 cm-1 및 1720 cm-1에서 이미드기에 기초한 흡수가 관측되며, 3400 cm-1 부근에서 페놀기로부터 유래하는 흡수가 관측되고, 1H-NMR 스펙트럼 분석에 있어서 페놀성 수산기로부터 유래하는 10 ppm의 피크가 관측되며, 하기 화학식 8을 반복 단위로 하는 수지라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 폴리스티렌 환산의 수 평균 분자량(Mn)은 52300이었다.
Figure 112006010644612-PAT00019
이어서, 얻어진 수지 용액 200 g(수지 고형분 17 %), 1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드 3.43 g 및 트리에틸아민 1.37 g을 플라스크에 넣어 실온에서 6 시간 교반하였다. 반응 종료 후, 반응 용액을 1 L의 메탄올 중에 투입하여 건조한 후, 목적으로 하는 폴리이미드를 얻었다. 이 수지의 1H-NMR 분석 결과, 페놀성 수산기로부터 유래하는 10 ppm의 피크가 90 % 감소하고, 대신에 5.3 ppm에서 디아조기가 결합하는 탄소의 인접 탄소와 결합하는 수소로부터 유래하는 피크가 관측된 점으로부터 하기 화학식 9로 표시되는 반복 단위의 구조를 갖는 수지 (A-1)이라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 이 수지의 수 평균 분자량은 59200이었다.
Figure 112006010644612-PAT00020
<실시예 2>
교반기, 온도계 및 질소 치환 장치를 구비한 플라스크 내에 4,4'-옥시디프탈산 이무수물 54.3 g(0.175 몰), 4,4'-헥사플루오로프로필리덴 비스프탈산 이무수물 33.3 g(0.075 몰) 및 n-메틸-2-피롤리돈 400 g을 넣었다. 이어서, 2,2-비스(4-아미노-3-히드록시페닐)프로판 64.6 g(0.25 몰)을 n-메틸-2-피롤리돈 200 g에 용해한 용액을 반응계의 온도가 50 ℃를 초과하지 않도록 조절하면서, 상기 플라스크 내에 적하하였다. 적하 종료 후, 추가로 실온에서 10 시간 교반하였다. 이어서, 상기 플라스크에 수분 수용기가 부착된 환류 냉각기를 설치한 후, 톨루엔 150 g을 첨가하고, 150 ℃로 승온하여 그 온도를 6 시간 유지했더니 갈색 용액이 얻어졌다.
이와 같이 하여 얻어진 갈색 용액을 실온(25 ℃)까지 냉각한 후, 페놀성 수산기를 갖는 폴리이미드 용액(수지 고형분 20.3 %)을 얻었다. 이어서, 이 폴리이미드 용액 300 g, 1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드 5.71 g 및 트리에틸아민 2.28 g을 플라스크에 넣어 실온에서 6 시간 교반하였다. 반응 종료 후, 반응 용액을 1 L의 메탄올 중에 투입, 건조한 후, 목적으로 하는 폴리이미드를 얻었다. 이 수지를 실시예 1과 마찬가지로 1H-NMR로 분석한 결과, 하기 화학식 10으로 표시되는 반복 단위의 구조를 갖는 수지 (A-2)라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 이 중합체의 수 평균 분자량은 63000이었다.
Figure 112006010644612-PAT00021
<실시예 3>
교반기, 온도계 및 질소 치환 장치를 구비한 플라스크 내에 3,3',4,4'-디페닐술폰 테트라카르복실산 이무수물 89.6 g(0.25 몰) 및 N,N-디메틸아세트아미드 500 g을 넣었다. 이어서, 2,2-비스(4-아미노-3-히드록시페닐)프로판 32.3 g(0.125 몰) 및 9,9-비스(4-아미노페닐)플루오렌 43.6 g(0.125 몰)을 N,N-디메틸아세트아미드 200 g에 용해한 용액을 반응계의 온도가 50 ℃를 초과하지 않도록 조절하면서, 상기 플라스크 내에 적하하였다. 적하 종료 후, 추가로 실온에서 10 시간 교반하였다. 이어서, 상기 플라스크에 수분 수용기가 부착된 환류 냉각기를 설치한 후, 톨루엔 180 g을 첨가하고, 150 ℃로 승온하여 그 온도를 6 시간 유지했더니 갈색 용액이 얻어졌다.
이와 같이 하여 얻어진 갈색 용액을 실온(25 ℃)까지 냉각한 후, 페놀성 수산기를 갖는 폴리이미드 용액(수지 고형분 20.0 %)을 얻었다. 이어서, 이 폴리이미드 용액 300 g, 1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드 2.64 g 및 트리에틸아민 1.05 g을 플라스크에 넣어 실온에서 6 시간 교반하였다. 반응 종료 후, 반응 용액을 1 L의 메탄올 중에 투입, 건조한 후, 목적으로 하는 폴리이미드를 얻었 다. 이 수지를 실시예 1과 마찬가지로 1H-NMR로 분석한 결과, 하기 화학식 11로 표시되는 반복 단위 구조를 갖는 수지 (A-3)이라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 이 중합체의 수 평균 분자량은 56800이었다.
Figure 112006010644612-PAT00022
<실시예 4>
교반기, 온도계 및 질소 치환 장치를 구비한 플라스크 내에 4,4'-옥시디프탈산 이무수물 77.6 g(0.25 몰) 및 N,N-디메틸아세트아미드 500 g을 넣었다. 이어서, 2,2-비스(4-아미노-3-히드록시페닐)프로판 51.7 g(0.2 몰) 및 디아미노실록산(단, 화학식 5의 h의 평균이 9인 것) 45.8 g(0.05 몰)을 N,N-디메틸아세트아미드 200 g에 용해한 용액을 반응계의 온도가 50 ℃를 초과하지 않도록 조절하면서, 상기 플라스크 내에 적하하였다. 적하 종료 후, 추가로 실온에서 10 시간 교반하였다. 이어서, 상기 플라스크에 수분 수용기가 부착된 환류 냉각기를 설치한 후, 톨루엔 150 g을 첨가하고, 150 ℃로 승온하여 그 온도를 6 시간 유지했더니 갈색 용액이 얻어졌다.
이와 같이 하여 얻어진 갈색 용액을 실온(25 ℃)까지 냉각한 후, 페놀성 수 산기를 갖는 폴리이미드 용액(수지 고형분 20.5 %)을 얻었다. 이어서, 이 폴리이미드 용액 300 g, 1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드 3.98 g 및 트리에틸아민 1.59 g을 플라스크에 넣어 실온에서 6 시간 교반하였다. 반응 종료 후, 반응 용액을 1 L의 메탄올 중에 투입, 건조한 후, 목적으로 하는 폴리이미드를 얻었다. 이 수지를 실시예 1과 마찬가지로 1H-NMR로 분석한 결과, 하기 화학식 12로 표시되는 반복 단위 구조를 갖는 수지 (A-4)라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 이 중합체의 수 평균 분자량은 63200이었다.
Figure 112006010644612-PAT00023
<실시예 5>
1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드 7.72 g 및 트리에틸아민 3.07 g을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 폴리이미드 수지를 얻었다. 이 수지를 실시예 1과 마찬가지로 1H-NMR로 분석한 결과, 하기 화학식 13으로 표시되는 반복 단위의 구조를 갖는 수지 (A-5)라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 이 중합체의 수 평균 분자량은 65400이었다.
Figure 112006010644612-PAT00024
<참고예 1>
1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드 20.59 g 및 트리에틸아민 8.20 g을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 폴리이미드 수지를 얻었다. 이 수지를 실시예 1과 마찬가지로 1H-NMR로 분석한 결과, 하기 화학식 14로 표시되는 반복 단위의 구조를 갖는 수지 (B-1)이라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 이 중합체의 수 평균 분자량은 73000이었다.
Figure 112006010644612-PAT00025
<참고예 2>
1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐 클로라이드 0.51 g 및 트리에틸아민 0.20 g을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 폴리이미드 수지를 얻었다. 이 수지를 실시예 1과 마찬가지로 1H-NMR로 분석한 결과, 하기 화학식 15로 표시되는 반복 단위의 구조를 갖는 수지 (B-2)라는 것을 알 수 있었다. 또한, 겔 침투 크로마토그래피(GPC) 분석 결과, 이 중합체의 수 평균 분자량은 54000이었다.
Figure 112006010644612-PAT00026
<실시예 6 내지 13, 참고예 3 내지 4, 비교예 1>
각 실시예에서 얻어진 감광성 폴리이미드 수지 100 중량부를 시클로헥사논400 중량부에 용해하고, 하기 표 1에 기재한 양의 계면활성제, 접착 보조제, 감광제를 첨가하여 혼합한 후, 테플론 제조의 0.2 미크론 필터로 정밀 여과를 행하여 각 감광성 수지 조성물을 얻었다. 또한, 비교예로서 수지 A-1의 전구체인 화학식 8로 표시되는 수지 (C-1)를 사용하였다.
이어서, 헥사메틸디실라잔으로 프라임 처리된 6 인치 실리콘 웨이퍼 2장과, 6 인치 실리콘 웨이퍼 전체면에 막 두께 2 미크론으로 전해 구리 도금된 구리 기판 1장에 각각 스핀 코팅기를 이용하여 표 1 중에 기재된 막 두께가 되도록 각 실시예의 조성물을 코팅하였다.
감광성
실리콘 기판 1장에 대하여 용제를 제거하기 위해 100 ℃에서 2 분간 핫 플레이트 상에서 가열 건조시킨 후, 라인/스페이스 1 미크론 내지 20 미크론까지 1 미크론당 각 5개씩 설치된 석영제 마스크를 통해, 표 1 중에 기재된 파장의 광 및 노광량으로 조사하였다. 또한, 여기서, NSR-1755i7A는 니콘 제조의 스테퍼형 노광 장치, PLA-600FA는 캐논제 컨택트 얼라이너형 노광 장치를 나타낸다. 조사 후, 80 ℃에서 1 분간 가열하고, 그 후 냉각하였다.
그 후, 상기 도포 기판을 2.38 % 테트라메틸암모늄히드록시드 수용액 중에 3 분간 침지하여 현상하였다. 이 때 해상한 최소 선폭을 표 1 중에 기재하였다. 또한, 현상 후의 막 두께도 합쳐서 기재하였다.
접착성
조성물이 코팅된 1장의 실리콘 웨이퍼와 구리 기판 상에 도포된 조성물막에 대해서도, 상기 석영제 마스크 대신에 폭 20 ㎛의 스트라이프 패턴의 석영제 마스크를 사용한 점을 제외하고는, 현상 공정까지 동일하게 하여 스트라이프형으로 하였다. 상기 스트라이프를 200 ℃의 오븐에서 3 시간 더 가열한 후, 2 기압의 압력 가마 중에 24 시간 방치한 후, 박리 유무를 육안으로 평가하였다. 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
전기 절연성
남은 1장의 실리콘 웨이퍼 상에 도포된 조성물막을 100 ℃에서 2 분간 핫 플레이트 상에서 가열 건조시킨 후, 200 ℃의 오븐에서 3 시간 가열하고, ASTM D149에 따른 절연 파괴 강도 시험에 사용하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
Figure 112006010644612-PAT00027
표 1에 있어서 각 첨가제의 내용은 이하와 같다.
FC-4430: 계면활성제(스미또모 쓰리엠(주) 제조, 상품명)
KBE-403: 접착 보조제(신에츠 가가꾸 고교(주) 제조, 상품명)
X-70-093: 계면활성제(신에츠 가가꾸 고교(주) 제조, 상품명)
NT-300P: 감광제(도요 고세이 고교(주) 제조, 상품명)
Figure 112006010644612-PAT00028
표 1의 현상 후의 막 두께로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 수지는 잔막성이 우수하다. 또한, 해상도도 높고, 감광성 재료로서 바람직하다. 또한, 본 발명의 수지의 열 경화막은 각종 기재에 양호한 접착성 및 양호한 전기 특성을 가지며, 회로나 전자 부품의 보호막으로서 유용하다.
본 발명의 폴리이미드 수지는 노광 파장이 넓고, 현상 후의 잔막성이 양호하다. 또한, 산소 장해를 받지 않고 경화하여 기재와의 밀착성, 전기 절연성이 우수한 막을 제공한다.

Claims (11)

  1. 수 평균 분자량이 2,000 내지 800,000이고, 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리이미드 수지.
    <화학식 1>
    Figure 112006010644612-PAT00029
    식 중, X는 4가 유기기이고, Y는 하기 화학식 2로 표시되는 2가 유기기이다.
    <화학식 2>
    Figure 112006010644612-PAT00030
    식 중, A는 서로 독립적으로 하기의 기
    Figure 112006010644612-PAT00031
    로부터 선택되는 2가 유기기이고, B, C는 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬기 또는 수소 원자이며, a는 0이나 1이고, c는 0 내지 10의 정수이며, c가 1 이상일 때 b는 0 또는 1이고, R1은 그의 75 내지 98 몰%가 수소 원자이며, 2 내지 25 몰%가 1,2-나프토퀴논 디아지드술포닐기이다.
  2. 제1항에 있어서, 하기 화학식 3으로 표시되는 폴리이미드 수지.
    <화학식 3>
    Figure 112006010644612-PAT00032
    식 중, X 및 Y는 상술한 바와 같고, W는 오르가노실록산 구조를 갖는 2가 유기기이며, Z는 Y 및 W 이외의 2가 유기기이고, l은 양의 정수이며, m, n은 각각 0 이상의 정수이고, 0.1≤l/(l+m+n)<1, 0<m/(l+m+n)≤0.8, 0<n/(l+m+n)≤0.8이다.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기가 1,2-나프토퀴논디아지드-4-술포닐기 또는 1,2-나프토퀴논디아지드-5-술포닐기인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 수지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, X가 하기 화학식으로 표시되는 1종 이상의 기인 폴리이미드 수지.
    Figure 112006010644612-PAT00033
  5. 제2항에 있어서, Z가 하기 화학식 4로 표시되는 폴리이미드 수지.
    <화학식 4>
    Figure 112006010644612-PAT00034
    식 중, D는 서로 독립적으로 하기의 기로부터 선택되는 2가 유기기이고, g는 0 또는 1이며, g가 1일 때 e 및 f는 0 또는 1이다.
    Figure 112006010644612-PAT00035
  6. 제2항에 있어서, W가 하기 화학식 5로 표시되는 폴리이미드 수지.
    <화학식 5>
    Figure 112006010644612-PAT00036
    식 중, R2는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 1가 탄화수소기이고, h는 1 내지 80의 정수이다.
  7. 제2항에 있어서, 화학식 3 중의 n이 3≤n≤400인 폴리이미드 수지.
  8. (1) 페놀성 수산기를 갖는 디아민과 테트라카르복실산 이무수물을 반응시켜 폴리아믹산을 제조하는 공정,
    (2) 상기 폴리아믹산을 탈수 폐환 반응에 사용하여 하기 화학식 6으로 표시되는 페놀성 수산기를 갖는 폴리이미드를 제조하는 공정,
    (3) 상기 폴리이미드를 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐 화합물과 반응시켜 상기 폴리이미드의 페놀성 수산기의 수소 원자 중 적어도 일부를 1,2-나프토퀴논디아지드술포닐기로 치환하는 공정
    을 포함하는, 제2항에 기재된 폴리이미드 수지의 제조 방법.
    <화학식 6>
    Figure 112006010644612-PAT00037
    식 중, X, Z, W, l, m, n은 상술한 바와 같고, Y'는 하기 화학식 7로 표시되는 2가 유기기이고,
    <화학식 7>
    Figure 112006010644612-PAT00038
    식 중, A, B, C, a, b, c는 상술한 바와 같다.
  9. 제1항 또는 제2항에 기재된 폴리이미드 수지를 포함하는 감광성 수지 조성물.
  10. (i) 제1항 또는 제2항에 기재된 폴리이미드 수지를 포함하는 층을 기판 상에 형성하는 공정,
    (ii) 상기 층을 소정의 패턴이 형성된 포토마스크를 통해 파장 240 내지 500 nm의 광으로 노광하는 공정,
    (iii) 노광된 층을 알칼리성 용액으로 용해하여 패턴화된 막을 얻는 공정
    을 포함하는, 패턴화된 막을 형성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 공정 (ii)와 (iii) 사이에 40 내지 140 ℃에서 0.5 내지 10 분간 가열하는 공정, 공정 (iii) 후에 현상된 층을 120 ℃에서부터 300 ℃ 범위의 온도로 10 분 내지 10 시간 가열하는 공정을 더 포함하는, 패턴화된 막을 형성하는 방법.
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