KR20180020148A - 전자 재료용 중합체의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 얻어진 전자 재료용 중합체 - Google Patents

전자 재료용 중합체의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 얻어진 전자 재료용 중합체 Download PDF

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Abstract

[과제]금속 이온 불순물의 함유량이 적은 전자 재료용 중합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 얻어진 전자 재료용 중합체의 제공.
[해결 수단]본 발명의 전자 재료용 중합체의 제조 방법은, 단량체를 중합 반응시켜 중합체를 얻는, 중합 공정과, 중합체를 포함하는 중합체 용액에, 0 이하의 pKa를 가지는 강산을 첨가한 후, 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키는, 정제 공정을 포함하여 이루어지는 것이다.

Description

전자 재료용 중합체의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 얻어진 전자 재료용 중합체{METHOD FOR PRODUCING POLYMER FOR ELECTRONIC MATERIALS AND POLYMER FOR ELECTRONIC MATERIALS OBTAINED BY SAID PRODUCTION METHOD}
본 발명은, 전자 재료용 중합체의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 얻어진 전자 재료용 중합체에 관한 것이다. 더 상세하게는, 간편하고 또한 저렴한 방법으로 전자 재료용 공중합체 중의 금속 이온 불순물을 효율적으로 제거하여, 금속 이온 불순물의 함유량이 적은 전자 재료용 공중합체를 제조하는 방법, 및 그 제조 방법에 의해 얻어진 전자 재료용 중합체에 관한 것이다.
반도체 제조에 사용되는 포토리소그래피에 있어서는, 각종의 노볼락계 중합체나 아크릴계 중합체, 하이드록시스티렌을 비롯한 옥시스티렌계 중합체 등을 베이스폴리머로 하는 포토레지스트 조성물을 사용하여, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 등의 기판 위에 포토레지스트나 반사 방지막 등의 포토리소그래피용 조성물의 박막을 형성하고, 이어서, 반도체 디바이스의 회로 패턴이 묘사된 마스크를 통하여 엑시머 레이저광 등을 조사하고, 현상하여 얻어진 포토레지스트 패턴을 보호막으로 하여 기판을 에칭 처리함으로써, 기판 표면에 반도체 회로에 대응하는 미세 패턴이 형성된다. 집적도의 증대에 따라, 보다 미세한 패턴의 형성이 요구되고 있고, 현재는 KrF 엑시머 레이저광(파장 248nm)이나 ArF 엑시머 레이저광(파장 193nm)에 의한 리소그래피 기술이 양산에 사용되고 있다. 또한, 파장이 더 짧은 F2 엑시머 레이저광(파장 157nm)이나, 이들 엑시머 레이저보다 단파장인 EUV(극자외선)나 X선, 또한, 전자선에 의한 리소그래피 기술에 관하여도 연구 개발이 진행되고 있다.
또한, 상기의 각종 중합체는, 각종의 산업 분야에서 기능성 고분자 재료로서 사용되고 있고, 그 중에서도 전자 재료 분야, 반도체 소자 등의 층간 절연막이나 표면 보호막에 사용되는 감광성 수지 성분, 특히 반도체 레지스트용 수지 성분의 원료로서 사용되는 것과 동시에, 또한 플랫 패널용 디스플레이용 재료로서도 사용되고 있다. 최근, 액정이나 유기 EL 등을 사용한 플랫 패널 디스플레이 등의 분야에 있어도, 고정밀화, 고시야각화, 고화질화, 발광 다이오드(LED) 등의 광반도체를 사용한 광원의 고휘도, 단파장화, 백색화, 또한 전자 회로의 고주파수화나 광을 사용한 회로·통신 등, 광학·전자 부품의 고성능화·개량 검토가 진행되고 있다. 또한, 반도체의 기술 분야에 있어서의 진보는 현저하고, 전자 기기는 소형 경량화, 고성능화, 다기능화가 급속히 진행되고 있다. 그에 대응하여, 배선 기판에는 고밀도화, 고배선화가 요구되고 있다. 상기와 같은 미세한 가공에 의해 고밀도로 설계된 전자 기판, 반도체 회로, 디스플레이 등에 사용되는, 각종의 포토레지스트, 하층막, 층간 절연막 등의 반도체 관련 재료류나 디스플레이용 재료는, 그 고분자 재료 중에 포함되는 금속 이온을 극히 미량으로 억제할 필요가 있고, 그 중합체, 중간체, 단량체의 저금속 함량화가 요구되고 있다.
또한 집적도의 증대에 따른 반도체 회로의 미세화가 진행되는 가운데, 반도체 리소그래피에 사용하는 공중합체에 있어서는, 포함되는 불순물량의 저감에 대한 요구도 한층 엄격한 것이 되고 있다. 그 중에서도, 금속 불순물은 반도체의 제조에 대해서 여러 가지 악영향을 미치기 때문에 극력 제거해야 한다. 예를 들면, 화학 증폭형의 레지스트용 공중합체에 나트륨이나 철 등의 금속 불순물이 포함되어 있으면, 노광시, 산발생제로부터 발생한 산성 물질을 금속 성분이 포착해 버려, 레지스트의 기재 성분인 공중합체가 충분히 용해되지 않고, 원하는 패턴을 형성할 수 없다. 또한, 레지스트용 공중합체에 한정되지 않고, 탑코트용 공중합체나 반사 방지막용 공중합체 등 반도체 리소그래피용 공중합체에 포함되는 금속 불순물이 최종적으로 반도체 기판 표면에 잔류하면, 반도체의 전기 특성을 해쳐, 제품의 수율을 저하시킨다.
전자 재료용 공중합체 중의 금속 불순물을 제거하는 방법으로서는, 예를 들면, 공중합체를 유기용매와 물을 사용하여 추출하고, 공중합체를 유기층에, 금속을 수층에 분배하여, 수층을 제거하는 방법(특허문헌 1)이나, 지환(脂環)식 탄화수소계 중합체의 유기용매 용액에 해당 중합체의 빈용매(貧溶媒) 및 산을 혼합하여 중합체를 응고시킨 후에, 응고된 중합체, 비수용성 유기용매, 산, 및 물을 혼합하여 금속을 추출시키는 방법(특허문헌 2)이 보고되어 있다. 또한, 노볼락 수지 용액을, 탈이온수 및 광산용액으로 세정한 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지에 통액(通液)하는 방법(특허문헌 3), 중합체가 분산매에 분산된 분산액을, 미리 산성 수용액으로 세정한 여과포 등의 필터로 여과하고, 금속 함유량이 저감된 중합체 습분(濕粉)을 얻는 방법(특허문헌 4), 중합체 용액을 점토층간 화합물, 활성탄, 및 실리카겔 등의 흡착제를 통과함으로써 금속을 제거하는 방법(특허문헌 5) 등이 보고되어 있다. 그 밖에도, 레지스트용 중합체 용액에, 중합체 중의 금속 불순물의 당량 이상의, 수용성이며 또한 착형성(錯形成) 능력이 있는 화합물을 첨가하여 반응을 완료시킨 후, 순수로 세정하는 방법(특허문헌 6)이 보고되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 조작이 번잡하고, 상업 스케일에서의 공중합체 제조에는 적용하는 것이 어려웠다.
특허문헌 1: 일본특허공개공보 특개 2006-037117호 특허문헌 2: 일본특허공개공보 특개 2003-342319호 특허문헌 3: 일본특허공개공보 특개평 09-143237호 특허문헌 4: 일본특허공개공보 특개 2008-038013호 특허문헌 5: 일본특허공개공보 특개평 07-074073호 특허문헌 6: 일본특허공개공보 특개 2002-182402호
본 발명의 목적은, 간편하고 또한 저렴한 방법으로 전자 재료용 공중합체 중의 금속 이온 불순물을 효율적으로 제거하여, 금속 이온 불순물의 함유량이 적은 전자 재료용 공중합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 예의 검토한 결과, 단량체를 중합 반응하여 얻어진 중합체를 포함하는 중합체 용액에, 0 이하의 pKa를 가지는 강산을 첨가한 후, 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시킴으로써, 극히 간편하게, 얻어진 중합체 중의 금속 이온 불순물의 함유량을 저감시킬 수 있는 것을 지견(知見)하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 일 태양(態樣)에 의하면,
단량체를 중합 반응시켜 중합체를 얻는, 중합 공정과,
상기 중합체를 포함하는 중합체 용액에, 0 이하의 pKa를 가지는 강산을 첨가한 후, 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키는, 정제 공정,
을 포함하여 이루어지는, 전자 재료용 중합체의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 태양에 있어서는, 상기 강산이, 유기 설폰산, 황산, 트리플루오로아세트산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종인 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 상기 강산이, 트리플루오로메탄설폰산, 메탄설폰산 및 p-톨루엔설폰산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 유기 설폰산인 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 상기 이온 교환 처리를, 이온 교환 수지를 사용하여 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 상기 중합체가, 방향족계 단량체와 알데하이드계 및/또는 케톤계 단량체를 부가 축합시켜 얻어진 것인 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 상기 중합체가, 옥시스티렌계 단량체와 비닐에테르계 단량체를 리빙 카티온 중합시켜 얻어진 것인 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 상기 중합체가, 옥시스티렌계 단량체와 스티렌계 단량체를 라디칼 중합시켜 얻어진 것인 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 상기 중합체가, 옥시스티렌계 단량체와 (메타)아크릴레이트계 단량체를 라디칼 중합시켜 얻어진 것인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 태양에 의하면,
상기의 제조 방법에 의해 얻어진 전자 재료용 중합체가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 있어서는, 전자 재료용 중합체 중의 금속 이온 불순물 농도가 10ppb 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 전자 재료용 중합체는, 반도체 리소그래피용 성막 재료로서 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양에 있어서는, 전자 재료용 중합체는, 플랫 패널 디스플레이용 재료로서 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 대대적인 제조 장치의 개조나 수고가 필요한 공정을 필요로 하는 일 없이, 간편하고 또한 저렴한 방법으로 전자 재료용 공중합체 중의 금속 이온 불순물을 효율적으로 제거하여, 금속 이온 불순물의 함유량이 적은 전자 재료용 공중합체를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관하여 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시의 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 당업자의 통상의 지식에 근거하여, 이하의 실시의 형태에 대해 적절히 변경, 개량 등이 더해진 것도 본 발명의 범위에 들어가는 것으로 이해되어야 한다.
＜전자 재료용 공중합체의 제조 방법＞
본 발명의 전자 재료용 중합체의 제조 방법은, 적어도, 중합 공정과, 정제 공정을 포함하는 것이다. 이하, 중합체의 제조 방법의 각 공정 및 중합체의 구조에 관하여, 상세하게 설명한다.
(중합 공정)
본 발명의 중합 공정은, 단량체를 중합 반응시켜 중합체를 얻는 공정이며, 공지의 방법으로 실시할 수 있다. 예를 들면, 단량체를 중합 개시제와 함께 용매에 용해하고, 그대로 가열하여 중합시키는 일괄 승온법, 단량체 및 중합 개시제를, 가열한 용매 중에 적하하여 중합시키는 적하 중합법이 있다. 또한, 적하 중합법에는, 단량체를 중합 개시제와 함께 필요에 따라 용매에 용해하고, 가열한 용매 중에 적하하여 중합시키는 혼합 적하법, 단량체와 중합 개시제를 따로따로, 필요에 따라 용매에 용해하고, 가열한 용매 중에 따로따로 적하하여 중합시키는 독립 적하법, 등을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는, 적하 중합법이 바람직하다.
여기서, 일괄 승온법은 중합계 내에 있어서, 또한, 혼합 적하법은 중합계 내에 적하하기 전의 적하액 저조(貯槽) 내에 있어서, 미반응 단량체의 농도가 높은 상태로 저농도의 라디칼과 접촉할 기회가 있기 때문에, 패턴 결함 발생 원인의 하나인 분자량 10만 이상의 고분자량체(하이폴리머)가 생성되기 쉬운 경향이 있다. 한편, 독립 적하법은, 적하액 저조(貯槽)에서 중합 개시제와 단량체가 공존하지 않는 것, 중합계 내에 적하한 때에도 미반응 단량체 농도가 낮은 상태를 유지하는 것으로부터, 하이폴리머가 생성되기 어렵기 때문에, 본 발명에 있어서의 중합 방법으로서는 독립 적하법이 특히 바람직하다. 또한, 혼합 적하법 및 독립 적하법에 있어서, 적하 시간과 함께 적하하는 단량체의 조성, 단량체, 중합 개시제 및 연쇄 이동제의 조성비 등을 변화시켜도 된다.
중합 개시제는, 종래 공지의 것을 사용할 수 있다. 라디칼 중합의 중합 개시제로서는, 예를 들면, 아조 화합물이나 과산화물 등의 라디칼 중합 개시제가 바람직하다. 아조계 화합물의 중합 개시제의 구체적인 예로서, 2,2'-아조비스이소부틸로니트릴, 2,2'-아조비스(2-메틸부틸로니트릴), 디메틸2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트), 1,1'-아조비스(시클로헥산-1-카르보니트릴), 4,4'-아조비스(4-시아노발레르산) 등을 들 수 있다. 과산화물의 중합 개시제의 구체적인 예로서, 데카노일퍼옥사이드, 라우로일퍼옥사이드, 벤조일퍼옥사이드, 비스(3,5,5-트리메틸헥사노일)퍼옥사이드, 석신산 퍼옥사이드, tert-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, tert-부틸퍼옥시피버레이트, 1,1,3,3-테트라메틸부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 등을 들 수 있다. 이들은 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. 아조계 화합물의 중합 개시제는 취급의 안전성이 뛰어난 점에서 보다 바람직하다. 중합 개시제의 사용량은, 목적으로 하는 분자량이나, 단량체, 중합 개시제, 연쇄 이동제, 용매 등의 종류, 반복 단위 조성, 중합 온도나 적하 속도 등에 따라 선택할 수 있다.
축합 반응에서 사용되는 산촉매로서는, 예를 들면 황산, 인산, 과염소산 등의 광산류, 메탄설폰산, p-톨루엔설폰산, p-톨루엔설폰산 일수화물 등의 유기 설폰산류, 폼산, 옥살산 등의 카복실산류가 사용된다. 이 중에서 메탄설폰산, p-톨루엔설폰산 일수화물이 바람직하게 사용된다. 또한, 산촉매를 사용한 경우, 하기의 정제 공정에 있어서 중합체 용액에 강산을 첨가하기 전에, 미리 이온 교환 처리를 실시하여 산촉매를 제거하는 것이 바람직하다. 그 후의 이온 교환 처리에 의한 금속 불순물의 제거 효과가 향상하기 때문이다.
또한, 리빙 카티온 중합의 산촉매로서는, 옥시스티렌계 단량체와 비닐에테르계 단량체의 양자가 카티온 중합 가능한 일반적으로 사용되는 루이스산을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, EtAlCl2, Et1 .5AlCl1 .5 등의 유기 금속 할로겐화물, TiCl4, TiBr4, BCl3, BF3, BF3·OEt2, SnCl2, SnCl4, SbCl5, SbF5, WCl6, TaCl5, VCl5, FeCl3, ZnBr2, AlCl3, AlBr3 등의 금속 할로겐화물를 적합하게 사용할 수 있다. 이들 루이스산은 단독으로 사용해도 되고, 복수의 루이스산을 병용해도 되지만, 유기 금속 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 조합하여 사용하는 것이 보다 바람직하고, 특히, EtAlCl2와 SnCl4의 혼합계가 바람직하다.
중합 개시제는, 유기용제에 용해한 상태로 중합계 내에 첨가하는 것이 바람직하다. 중합 개시제를 용해하는 유기용제는, 중합 개시제를 용해하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 구체적인 예로서는, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸아밀케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등의 알코올류, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르 등의 에테르알코올류, 에틸렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노에틸에테르아세테이트 등의 에테르에스테르류, 아세트산 메틸, 아세트산 에틸, 아세트산 프로필, 아세트산 이소프로필, 아세트산 부틸, 프로피온산 메틸, 락트산 메틸, 락트산 에틸 등의 에스테르류, 테트라하이드로퓨란, 1,4-디옥산, 에틸렌글리콜디메틸에테르 등의 에테르류, 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소류, N,N-디메틸폼아마이드, 아세토니트릴 등을 들 수 있다. 이들 용제는 각각 단독으로 사용해도 되고, 복수의 용제를 혼합하여 사용해도 된다. 또한, 상기 유기용제나 중합 개시제와 용해 가능한 범위에서, 물을 혼합하여도 된다.
연쇄 이동제는, 연쇄 이동제로 공지된 것을, 필요에 따라 사용할 수 있다. 그 중에서도 티올 화합물이 바람직하고, 공지의 티올 화합물 중에서 폭넓게 선택할 수 있다. 구체적으로는, t-도데실머캅탄, 머캅토에탄올, 머캅토아세트산, 머캅토프로피온산 등을 들 수 있다. 또한, 2-하이드록시-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로필기가 포화 지방족 탄화수소에 결합된 구조를 가지는 티올 화합물은, 리소그래피 패턴의 러프니스(roughness)나 결함을 억제하는 효과가 있기 때문에 특히 바람직하다. 연쇄 이동제의 사용량은, 목적으로 하는 분자량이나, 단량체, 중합 개시제, 연쇄 이동제 및 용매 등의 종류, 반복 단위 조성, 중합 온도나 적하 속도 등에 따라 선택할 수 있다.
적하액 중의 단량체, 및 중합 개시제는, 그 자체가 액체인 경우는 용매에 용해하는 일 없이, 그대로 공급하는 것도 가능하지만, 단량체 혹은 중합 개시제가 점조인 액체나, 고체인 경우는, 용매에 용해하여 사용할 필요가 있다. 단량체나 중합 개시제의 농도는 생산성의 면에서 말하면 높은 것이 바람직하지만, 농도가 너무 높으면, 용액 점도가 높아져 조작성이 나빠지거나, 단량체 또는 중합 개시제가 고체인 경우는 석출하거나, 중합계 내에서의 확산에 시간이 걸리거나 하여 하이폴리머가 생성되기 쉬운 경우가 있다. 따라서, 공급 조작에 문제가 없는 점도 범위에서, 각 단량체 및 중합 개시제가 충분히 용해하고, 또한, 공급 중에 석출하지 않고, 중합계 내에서 확산하기 쉬운 농도를 선택하는 것이 바람직하다. 구체적인 농도는, 각 용액의 용질과 용매의 조합 등에 의해 상이하지만, 통상, 전체 단량체의 합계 농도 및 중합 개시제 농도가, 예를 들면 각각 5∼60질량%, 바람직하게는 10∼50질량%의 범위가 되도록 조제한다.
또한, 중합계 내에 저온의 단량체 용액을 적하하면, 국소적으로 저온에서, 단량체 농도가 높고, 하이폴리머가 생성될 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다. 이 때문에, 단량체 용액은 예비 가열하여 공급하는 것이 바람직하다.
단량체 용액을 예비 가열하는 방법으로서는, 단량체 용액을 저조 내 혹은 중합계 내에 공급하기 직전에 열교환기 등에 의해 가온하는 방법을 들 수 있다. 예비 가열의 온도는 25℃ 이상이 바람직하고, 30℃ 이상이 보다 바람직하다. 단, 단량체 용액을 저조 내에서 예비 가열하는 경우는, 가열 상태에서 장시간 유지하게 되므로, 온도가 높으면 하이폴리머가 생성될 가능성이 있다. 이 때문에, 저조 내에서 예비 가열하는 경우는, 바람직하게는 50℃ 이하, 보다 바람직하게는 40℃ 이하로 한다. 또한, 개시제 용액도 예비 가열하는 것이 가능하지만, 온도가 너무 높으면 중합 개시제가 공급 전에 분해되어버리므로, 통상, 40℃ 이하, 바람직하게는 30℃ 이하, 보다 바람직하게는 25℃ 이하로 한다.
혼합 적하법 및 독립 적하법에 있어서의 적하 시간은, 단시간이면 분자량 분포가 넓어지기 쉬운 점이나, 한번에 대량의 용액이 적하되기 때문에 중합액의 온도 저하가 일어나는 점에서 바람직하지 않다. 반대로, 장시간이면 공중합체에 필요 이상의 열이력이 걸리는 점과, 생산성이 저하되는 점에서 바람직하지 않다. 따라서, 통상 0.5∼24시간, 바람직하게는 1∼12시간, 특히 바람직하게는 2∼8시간의 범위에서 선택한다.
또한, 적하 종료 후, 및, 일괄 승온법에 있어서의 중합 온도로의 승온 후는, 일정 시간 온도를 유지하거나, 혹은 더 승온하는 등 하여 숙성을 실시하고, 잔존하는 미반응 단량체를 반응시키는 것이 바람직하다. 숙성 시간은 너무 길면 시간당의 생산 효율이 저하하는 점, 공중합체에 필요 이상의 열이력이 걸리는 점에서 바람직하지 않다. 따라서, 통상 12시간 이내, 바람직하게는 6시간 이내, 특히 바람직하게는 1∼4시간의 범위에서 선택한다.
중합 반응에 사용하는 용매는, 원료 단량체, 얻어진 공중합체, 중합 개시제 및 연쇄 이동제를 안정하여 용해할 수 있는 용매이면 특별히 제한되지 않는다. 중합 용매의 구체적인 예로서는, 물, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸아밀케톤, 시클로헥사논 등의 케톤류, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등의 알코올류, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르 등의 에테르알코올류, 아세트산 메틸, 아세트산 에틸, 아세트산 이소프로필, 아세트산 프로필, 아세트산 부틸, 프로피온산 메틸, 락트산 메틸, 락트산 에틸 등의 에스테르류, 에틸렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노에틸에테르아세테이트 등의 에테르에스테르류, 테트라하이드로퓨란, 1,4-디옥산, 에틸렌글리콜디메틸에테르 등의 에테르류, 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소류, N,N-디메틸폼아마이드, 아세토니트릴 등을 들 수 있다. 단량체, 중합 개시제, 연쇄 이동제, 공중합체의 용해성과 비점으로부터, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 이소프로판올, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 아세트산 메틸, 아세트산 에틸, 아세트산 이소프로필, 아세트산 프로필, 프로피온산 메틸, 테트라하이드로퓨란, 1,4-디옥산, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 톨루엔, 아세토니트릴이 바람직하다. 이들은, 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올, 3-메톡시-3-메틸-1-부틸아세테이트, 3-에톡시프로피온산 에틸, γ-뷰티로락톤, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭시드 등의, 단량체, 중합 개시제, 연쇄 이동제, 공중합체의 용해성이 높고, 고비점(高沸点)인 화합물을 혼합하여 사용해도 된다.
중합 용매의 사용량에는 특별히 제한은 없지만, 용매의 사용량이 너무 적으면 단량체가 석출하거나 너무 고점도가 되어 중합계를 균일하게 유지할 수 없게 되는 경우가 있고, 너무 많으면 단량체의 전화율이 불충분하거나 공중합체의 분자량이 원하는 값까지 높일 수 없게 되거나 하는 경우가 있다. 통상, 단량체 1중량부에 대하여 0.5∼20중량부, 바람직하게는 1∼10중량부이다.
혼합 적하법 및 독립 적하법에 있어서의, 반응조 내에 초기에 넣는 중합 용매(이하, 초기 투입 용매라고 하는 경우가 있다)의 양은, 교반이 가능한 최저량 이상이면 되지만, 필요 이상으로 많으면, 공급할 수 있는 단량체 용액량이 적게 되어, 생산 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 통상은, 최종 투입량(즉, 초기 투입 용매와, 적하하는 단량체 용액 및 개시제 용액의 총량)에 대하여, 예를 들면 용량비로 1/30 이상, 바람직하게는 1/20∼1/2, 특히 바람직하게는 1/10∼1/3의 범위에서 선택한다. 또한, 초기 투입 용매에 단량체의 일부를 미리 혼합하여도 된다.
중합 온도는, 용매, 단량체, 연쇄 이동제 등의 비점, 중합 개시제의 반감기 온도 등에 의해 적절히 선택할 수 있다. 저온에서는 중합이 진행되기 어렵기 때문에 생산성에 문제가 있고, 또한, 필요 이상으로 고온으로 하면, 단량체 및 공중합체의 안정성의 점에서 문제가 있다. 따라서, 바람직하게는 40∼160℃, 특히 바람직하게는 60∼120℃의 범위에서 선택한다. 중합 온도는, 공중합체의 분자량이나 공중합 조성에 크게 영향을 주므로, 정밀하게 제어할 필요가 있다. 한편, 중합 반응은 일반적으로 발열 반응이며, 중합 온도가 상승하는 경향에 있기 때문에, 일정 온도로 제어하는 것이 어렵다. 이 때문에, 본 발명에서는, 중합 용매로서, 목표로 하는 중합 온도에 가까운 비점을 가지는 적어도 1종 이상의 화합물을 함유시켜, 중합 온도를, 그 화합물의, 중합 압력에 있어서의 첫 유점(留点) 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 방법에 의하면, 중합 용매의 기화 잠열에 의해 중합 온도의 상승을 억제할 수 있다.
중합 압력은 특별히 제한되지 않고, 상압, 가압 또는 감압하의 어느 하나이어도 되지만, 통상, 상압이다. 라디칼 중합의 경우는, 개시제로부터 라디칼이 발생할 때에, 아조계의 경우는 질소 가스가, 과산화물계의 경우는 산소 가스가 발생하는 점에서, 중합 압력의 변동을 억제하기 위해, 중합계를 개방계로 하여 대기압 근방에서 실시하는 것이 바람직하다.
(중합 반응 장치)
본 발명의 전자 재료용 중합체의 제조 방법에는, 종래 공지의 중합 반응 장치를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기의 적하 중합법에 있어서는, 적어도, 원료 단량체를 포함하는 용액의 저장조와, 중합 개시제를 포함하는 용액의 저장조와, 중합 반응조를 구비하여 이루어지는 중합 반응 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 장치를 사용하면, 제조 공정의 순서나 시간, 비용을 삭감할 수 있기 때문이다.
(정제 공정)
중합 반응하여 얻어진 중합체는, 중합 용매, 미반응 단량체, 올리고머, 중합 개시제, 연쇄 이동제, 반응 부생물, 및 금속 불순물 등을 포함하고 있다. 본 발명에 있어서는, 하기의 정제 공정에 의하여 이들의 불순물, 특히 금속 불순물을 제거할 수 있다.
본 발명의 정제 공정은, 중합체를 포함하는 중합체 용액에, 0 이하의 pKa를 가지는 강산을 첨가한다. 이어서, 강산이 첨가된 중합체 용액을, 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시킨다. 이러한 처리에 의해, 특히 저감되는 금속 이온으로서는, Fe, Ni, Zn, Sn, Ti, Ag, 및 W 등을 들 수 있다.
중합체 용액에 첨가하는 강산의 pKa는, 0 이하이며, 바람직하게는 -15∼0이며, 보다 바람직하게는 -10∼0이며, 더욱 바람직하게는 -5∼0이다. 이러한 강산으로서는, 유기 설폰산, 황산(pKa=-3), 및 트리플루오로아세트산(pKa=0)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종을 사용하는 것이 바람직하고, 트리플루오로메탄설폰산(pKa=-13), 메탄설폰산(pKa=-2.0), 및 p-톨루엔설폰산(pKa=-2.8)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 유기 설폰산을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
이온 교환 처리는, 이온 교환 수지를 사용하여 실시하는 것이 바람직하다. 이온 교환의 방법은, 배치식, 고정상(固定床) 유통식(컬럼), 그 밖의 방법을 적절히 선택할 수 있다. 이온 교환 수지로서는, 카티온성, 아니온성을 단독 혹은 조합하여 사용할 수 있지만, 아니온성 이온 교환 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 아니온성 이온 교환 수지를 사용함으로써, 금속 이온 불순물 농도의 저감 효과가 크고, 동시에(1 공정에서), 첨가한 강산도 제거할 수 있기 때문에, 정제 공정의 간략화를 도모할 수 있다.
본 발명의 정제 공정은, 상기의 이온 교환 처리에 더하여, 중합 반응액을 종래의 여과·재침전 등의 처리를 실시해도 된다. 구체적으로는, 중합 반응액을, 필요에 따라 양용매(良溶媒)를 첨가하여 희석한 후, 빈용매(貧溶媒)와 접촉시켜 공중합체를 고체로 하여 석출시키고, 불순물을 빈용매상(相)으로 추출하거나(이하, 「침전 추출 처리」라 한다), 혹은, 액-액 2상으로 하여 빈용매상으로 불순물을 추출함으로써 행해진다. 침전 추출 처리시켰을 경우, 석출된 고체를 여과나 디캔테이션(decantation) 등의 방법으로 빈용매로부터 분리한 후, 이 고체를, 양용매로 재용해하고 빈용매를 더 첨가하여 침전 추출 처리하는 공정, 혹은, 석출된 고체를 빈용매로 세정하는 공정에 의해 더 정제할 수 있다. 또한, 액-액 2층 분리한 경우, 분액(分液)에 의해 빈용매상을 분리한 후, 얻어진 공중합체 용액에 빈용매를 첨가하여 침전 추출 처리 혹은 액액 2상 분리에 의해 더 정제할 수 있다. 이들 조작은, 같은 조작을 반복해도, 상이한 조작을 조합해도 된다.
정제 공정에 사용되는 빈용매로서는, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 에틸렌글리콜, 락트산 에틸 등의 수산기를 가지는 화합물, 펜탄, n-헥산, iso-헥산, n-헵탄, 시클로펜탄, 에틸시클로헥산 등의 직쇄상, 분기상 혹은 환상의 포화 탄화 수소류, 혹은, 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소류를 들 수 있다. 이들의 용매는, 각각 단독 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 양용매로서는, 상기의 중합 용매나 후술하는 도막 형성용 용매에서 예시하는 용매 등을 들 수 있고, 양용매에 빈용매를 혼합하여 사용할 수도 있다.
정제 공정에 사용되는 빈용매의 종류와 양은, 공중합체를 저분자량 화합물과 분리할 수 있으면 특별히 제한되지 않지만, 공중합체의 빈용매에 대한 용해도, 중합에 사용한 용매의 종류와 양, 불순물의 종류와 양 등에 따라 적절히 선택할 수 있다. 빈용매의 양은, 적으면 중합 용매나 미반응 단량체 등의 불순물의 분리가 불충분하게 되고, 반대로 너무 많으면 폐액이 증가하는 등, 작업성 및 코스트의 면에서 바람직하지 않다. 일반적으로는, 필요에 따라 양용매로 희석한 중합 반응액의 총량에 대하여 중량으로 0.5∼50배이고, 바람직하게는 1∼20배이며, 더욱 바람직하게는 2∼10배이다.
정제 공정의 온도는, 공중합체의 분자량, 분자량 분포, 잔존 단량체나 개시제 잔사 등의 불순물의 제거율, 나아가 리소그래피에 있어서의 여러 가지 특성 등에 크게 영향을 주기 때문에, 엄밀하게 제어할 필요가 있다. 정제 공정의 온도는, 너무 낮으면 침전 추출 처리 용매나 세정 용매에 대한 불순물의 용해성이 불충분하게 되고, 불순물의 제거가 충분히 행해지지 않기 때문에 효율적이 아니고, 반대로 너무 높으면 공중합체가 침전 추출 처리 용매 및 세정 용매에 용출하고, 공중합체의 저분자 영역에 있어서의 조성 밸런스가 무너지거나, 수율이 저하되거나 하기 때문에 바람직하지 않다. 이 때문에, 정제 공정은 온도 0∼40℃의 범위에서, 바람직하게는 0∼30℃의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여 정제한 후의 공중합체는, 건조하여 분체로 하여 취출하거나, 혹은 건조 전 혹은 건조 후에 양용매를 투입하여 재용해하여, 용액으로 하여 취출할 수 있다. 재용해에 사용하는 양용매는, 상기의 중합 용매나 후술하는 도막 형성용 용매에서 예시하는 용매 등을 사용할 수 있다.
상기 정제 후, 공중합체 용액의 용매는, 후술하는 리소그래피 조성물에 적합한 도막 형성용 용매로 치환해도 된다. 치환 방법은, 공중합체 용액을 감압하에서 가열하여 정제에 사용한 용매 등의 저비점 물질을 유거(留去)시키고, 여기에 도막 형성용 용매를 공급하면서 초기의 용매와 공급한 용매를 함께 더 유거 시킴으로써 실시한다. 정제시에 사용한 용매 등의 저비점 불순물을 제거하여, 공중합체를 도막 형성용 용액으로 마무리할 수 있다.
도막 형성용의 용매로서는, 공중합체를 용해하는 것이면 특별히 제한되지 않지만, 통상, 비점, 반도체 기판이나 그 밖의 도포막에 대한 영향, 리소그래피에 사용되는 방사선의 흡수를 감안하여 선택된다. 도막 형성용에 일반적으로 사용되는 용매의 예로서는, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜n-부틸에테르, 디프로필렌글리콜n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜n-부틸에테르, 락트산 에틸, 메틸아밀케톤, γ-뷰티로락톤, 시클로헥사논, 4-메틸-2-펜탄올 등의 용매를 들 수 있다.
또한, 정제 후에 공중합체를 분체로 하여 취출한 경우는, 도막 형성 용매와 혼합하여 용해하여, 도막 형성용 용액으로 마무리할 수 있다.
또한, 레지스트의 패턴 결함의 원인이 되기 때문에 바람직하지 않은 하이폴리머 등의 마이크로겔을 제거하기 위하여, 공중합체 용액(혹은 상기의 도막 형성용 용액)을 필터로 여과하는 것이 바람직하다. 필터의 여과 정밀도는, 0.2μm 이하, 바람직하게는 0.1μm 이하, 특히 바람직하게는 0.05μm 이하이다. 필터의 재질은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴 등의 극성기 함유 수지, 플루오르화 폴리에틸렌 등의 플루오르 함유 수지를 들 수 있고, 특히 바람직하게는 폴리아마이드이다. 폴리아마이드계 필터의 예로서는, (이하, 상표), 일본폴(주)제의 우르치플리츠 P-나일론66, 우르치포어 N66, 큐노(주)제의 라이프어슈어 PSN 시리즈, 라이프어슈어 EF시리즈 등을 들 수 있다. 폴리올레핀계 필터로서는, 니혼인테그리스(주)제의 마이크로가이드 플러스 HC10, 옵티마이저 D 등을 들 수 있다. 이러한 필터는 각각 단독으로 사용해도 2 종류 이상을 조합하여 사용해도 된다.
＜전자 재료용 중합체＞
본 발명에 의해 제조되는 전자 재료용 중합체는, 상기의 정제 공정을 거치기 때문에, 금속 불순물의 함유량을 저감시킬 수 있다. 중합체 중의 금속 이온 불순물 농도는, 바람직하게는 10ppb 이하이며, 보다 바람직하게는 5ppb 이하이며, 더욱 바람직하게는 2ppb 이하이다. 특히, 저감되는 금속 이온으로서는, Fe, Ni, Zn, Sn, Ti, Ag, 및 W 등을 들 수 있다. 저감 효과가 큰 금속종은 중합체의 종류에 따라서도 상이하지만, 특히 중금속종의 저감 효과가 크다. 이러한 금속 이온 불순물 농도가 저감된 전자 재료용 중합체는, 금속 이온에 의한 오염이나 영향을 피할 필요가 있는 모든 분야에 사용할 수 있지만, 반도체 리소그래피용 성막 재료, 하층막 형성 재료, 절연막 형성 재료, 플랫 패널 디스플레이용 재료, 봉지 재료, 및 경화재 등으로서 적합하게 사용할 수 있다.
중합체의 구조는 특별히 한정되지 않지만, 정제 공정에 있어서, 강산의 작용에 의해 중합체의 분해가 일어나기 어려운 구조인 것이 바람직하다. 예를 들면, 이하와 같은 조합의 단량체를 공중합시키는 것이 바람직하다.
(방향족계 단량체와 알데하이드계 및/또는 케톤계 단량체)
중합체는, 방향족계 단량체와 알데하이드계 및/또는 케톤계 단량체를 부가 축합 반응시켜 얻어진 것이 바람직하고, 페놀계 단량체와 알데하이드계 및/또는 케톤계 단량체를 부가 축합 반응시킨 페놀노볼락 수지인 것이 보다 바람직하다.
방향족계 단량체는, 벤젠핵을 가지는 것이 바람직하고, 페놀핵을 가지는 것이 보다 바람직하고, 이들을 2개 이상 가져도 된다. 페놀계 단량체로서는, 예를 들면, 1,1,2,2-테트라키스(4-하이드록시페닐)에탄, 1,1,2,2-테트라키스(3-메틸-4-하이드록시페닐)에탄, 1,1,2,2-테트라키스(4-하이드록시메틸페닐)에탄, 1,1,3,3-테트라키스(4-하이드록시페닐)프로판, α,α,α',α'-테트라키스(4-하이드록시페닐)-p-자일렌, α,α,α',α'-테트라키스(3-메틸-4-하이드록시페닐)-p-자일렌, α,α,α',α'-테트라키스(4-메톡시페닐)-p-자일렌, α,α,α',α'-테트라키스(4-하이드록시페닐)-2,5-디메틸-p-자일렌, α,α,α',α'-테트라키스(4-하이드록시페닐메틸)-나프탈렌, 트리스(4-하이드록시페닐)메탄, 트리스(4-하이드록시페닐)에탄, 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌 등을 들 수 있다. 또한, 방향족계 단량체로서는, 예를 들면, 페노티아진, 카바졸, 인돌, 피리딘, 피롤 및 퀴놀린 등의 복소 방향족 화합물, 아닐린, N-메틸아닐린, N-에틸아닐린, N-n-프로필아닐린, N-이소프로필아닐린, 디메틸페닐아민, 에틸메틸페닐아민, 디에틸페닐아민, 디페닐아민, 페닐나프틸아민, 디나프틸아민, 3-하이드록시디페닐아민, 디페닐메틸아민, 디페닐에틸아민, n-프로필디페닐아민, 이소프로필디페닐아민, 트리페닐아민, 페닐안트라아민, 나프틸안트라아민, 디페닐안트라아민 등의 아릴아민류 등을 들 수 있다. 이들의 단량체는, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.
알데하이드계 단량체로서는, 예를 들면, 폼알데하이드, 파라폼알데하이드, 아세트알데하이드, 프로필알데하이드, 부틸알데하이드, 이소부틸알데하이드, 발레르알데하이드, 카프론알데하이드, 2-메틸부틸알데하이드, 헥실알데하이드, 운데칸알데하이드, 7-메톡시-3,7-디메틸옥틸알데하이드, 시클로헥산알데하이드, 3-메틸-2-부틸알데하이드, 글리옥살, 말론알데하이드, 숙신알데하이드, 글루타르알데하이드, 글루타르알데하이드, 아디핀알데하이드, 등의 포화 지방족 알데하이드류, 아크롤레인, 메타크롤레인 등의 불포화 지방족 알데하이드류, 푸르푸랄, 피리딘알데하이드 등의 헤테로환식 알데하이드류, 벤즈알데하이드, 나프틸알데하이드, 9-안트릴알데하이드, 페난트릴알데하이드, 살리실알데하이드, 페닐아세트알데하이드, 3-페닐프로피온알데하이드, 트릴알데하이드, (N,N-디메틸아미노)벤즈알데하이드, 아세톡시벤즈알데하이드, 1-피렌알데하이드, 트리플루오로메틸벤즈알데하이드 등의 방향족 알데하이드류 등을 들 수 있고, 특히 방향족 알데하이드를 바람직하게 사용할 수 있다. 케톤계 단량체로서는 디아릴케톤류가 바람직하고, 예를 들면, 디페닐케톤, 페닐나프틸케톤, 디나프틸케톤, 페닐트릴케톤, 디트릴케톤, 9-플루오렌온 등을 들 수 있다. 이들의 단량체는, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.
(옥시스티렌계 단량체와 비닐에테르계 단량체)
중합체는, 옥시스티렌계 단량체와 비닐에테르계 단량체를 리빙 카티온 중합시켜 얻어진 것이 바람직하다. 옥시스티렌계 단량체로서는, 예를 들면, p-하이드록시스티렌, m-하이드록시스티렌, o-하이드록시스티렌, p-이소프로페닐페놀, m-이소프로페닐페놀, o-이소프로페닐페놀 등의 하이드록시스티렌류, p-메톡시스티렌, m-메톡시스티렌, p-에톡시스티렌, m-에톡시스티렌, p-프로폭시스티렌, m-프로폭시스티렌, p-이소프로폭시스티렌, m-이소프로폭시스티렌, p-n-부톡시스티렌, m-n-부톡시스티렌, p-이소부톡시스티렌, m-이소부톡시스티렌, p-tert-부톡시스티렌, m-tert-부톡시스티렌 등의 알콕시스티렌류, p-메톡시메톡시스티렌, m-메톡시메톡시스티렌, p-(1-에톡시에톡시)스티렌, m-(1-에톡시에톡시)스티렌, p-(2-테트라하이드로피라닐)옥시스티렌, m-(2-테트라하이드로피라닐)옥시스티렌 등의 알콕시알킬옥시스티렌류, p-아세톡시스티렌, m-아세톡시스티렌, p-tert-부틸카보닐옥시스티렌, m-tert-부틸카보닐옥시스티렌 등의 알카노일옥시스티렌류, p-메톡시카보닐옥시스티렌, m-메톡시카보닐옥시스티렌, p-tert-부톡시카보닐옥시스티렌, m-tert-부톡시카보닐옥시스티렌 등의 알콕시카보닐옥시스티렌류, p-tert-부톡시카보닐메틸옥시스티렌, m-tert-부톡시카보닐메틸옥시스티렌 등의 알콕시카보닐알킬옥시스티렌류, p-트리메틸실릴옥시스티렌, m-트리메틸실릴옥시스티렌, ptert-부틸디메틸실릴옥시스티렌, m-tert-부틸디메틸실릴옥시스티렌 등의 알킬실릴옥시스티렌류 등을 들 수 있다. 특히, p-하이드록시스티렌, m-하이드록시스티렌, p-이소프로페닐페놀, m-이소프로페닐페놀, p-tert-부톡시스티렌, m-tert-부톡시스티렌, p-아세톡시스티렌, m-아세톡시스티렌 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이들의 단량체는, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.
비닐에테르계 단량체로서는, 예를 들면, 메틸비닐에테르, 에틸비닐에테르, 프로필비닐에테르, 이소프로필비닐에테르, n-부틸비닐에테르, sec-부틸비닐에테르, tert-부틸비닐에테르, 이소부틸비닐에테르, n-아밀비닐에테르, 이소아밀비닐에테르 등의 알킬비닐에테르류, 트리플루오로메틸비닐에테르, 펜타플루오로에틸비닐에테르, 2,2,2-트리플루오로에틸비닐에테르 등의 플루오로알킬비닐에테르류, 2-메톡시에틸비닐에테르, 2-에톡시에틸비닐에테르, 2-테트라하이드로피라닐비닐에테르, 2-테트라하이드로푸라닐비닐에테르 등의 알콕시알킬비닐에테르류, 시클로펜틸비닐에테르, 시클로헥실비닐에테르, 시클로헵틸비닐에테르, 시클로옥틸비닐에테르, 2-비시클로[2.2.1]헵틸비닐에테르, 2-비시클로[2.2.2]옥틸비닐에테르, 8-트리시클로[5.2.1.02,6]데카닐비닐에테르, 1-아다만틸비닐에테르, 2-아다만틸비닐에테르 등의 시클로알킬비닐에테르류, 페닐비닐에테르, 4-메틸페닐비닐에테르, 4-트리플루오로메틸페닐비닐에테르, 4-플루오로페닐비닐에테르 등의 아릴비닐에테르류, 벤질비닐에테르, 4-플루오로벤질비닐에테르 등의 아릴알킬비닐에테르류 등을 들 수 있다.
(옥시스티렌계 단량체와 스티렌계 단량체)
중합체는, 옥시스티렌계 단량체와 스티렌계 단량체를 라디칼 중합시켜 얻어진 것이 바람직하다. 옥시스티렌계 단량체로서는, 상기에 예시한 것을 사용할 수 있다. 스티렌계 단량체로서는, 옥시스티렌계 단량체 이외의 스티렌류를 사용할 수 있고, 예를 들면, 스티렌, 4-tert부틸스티렌, 4-비닐벤조산 등을 들 수 있다. 이들의 단량체는, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.
(옥시스티렌계 단량체와 (메타)아크릴레이트계 단량체)
중합체는, 옥시스티렌계 단량체와 (메타)아크릴레이트계 단량체를 라디칼 중합시켜 얻어진 것이 바람직하다. 옥시스티렌계 단량체로서는, 상기에 예시한 것을 사용할 수 있다. (메타)아크릴레이트계 단량체로서는, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, 부틸(메타)아크릴레이트, 헥실(메타)아크릴레이트, 옥틸(메타)아크릴레이트, 에틸헥실(메타)아크릴레이트 등의 알킬(메타)아크릴레이트류, 시클로헵틸(메타)아크릴레이트, 시클로헥실(메타)아크릴레이트, 시클로펜틸(메타)아크릴레이트, 시클로옥틸(메타)아크릴레이트 등의 시클로알킬(메타)아크릴레이트류, 스피로[4.4]노닐(메타)아크릴레이트, 스피로[4.5]데카닐(메타)아크릴레이트, 스피로비시클로헥실(메타)아크릴레이트 등의 스피로C8 -16 탄화수소환을 가지는 (메타)아크릴레이트류, 보르닐(메타)아크릴레이트, 노보닐(메타)아크릴레이트, 이소보닐(메타)아크릴레이트, 이소보닐옥시에틸(메타)아크릴레이트 등의 2환식 탄화수소환을 가지는 (메타)아크릴레이트류, 디시클로펜타디에닐(메타)아크릴레이트, 디시클로펜테닐(메타)아크릴레이트, 디시클로펜테닐옥시알킬(메타)아크릴레이트, 트리시클로데카닐(메타)아크릴레이트(트리시클로[5.2.1.02,6]데카닐(메타)아크릴레이트), 트리시클로데카닐옥시에틸(메타)아크릴레이트, 트리시클로[4.3.1.12,5]운데카닐, 아다만틸(메타)아크릴레이트 등의 3환식 탄화수소환을 가지는 (메타)아크릴레이트류, 테트라시클로[4.4.0.12,5.17,10]도데칸, 퍼하이드로-1,4-메타노-5,8-메타노나프탈렌 등의 4환식 탄화수소환을 가지는 (메타)아크릴레이트류 등을 들 수 있다. 이들의 단량체는, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.
실시예
이하, 실시예를 들어, 본 발명의 실시의 형태를 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은, 이들의 실시예에 하등 제약받는 것은 아니다. 이하, 특별히 언급하지 않는 한, 부(部)는 질량 기준이다.
[중량 평균 분자량·분산도]
하기에서 합성한 중합체의 중량 평균 분자량(Mw) 및 분산도(Mw/Mn)는, 폴리스티렌을 표준품으로 하여 GPC(겔퍼미에이션크로마토그래피)에 의해 측정했다. 정제 후의 중합체 0.02g을 테트라하이드로퓨란 1ml에 용해하여 분석용 시료를 조제했다. 장치로의 시료 주입량은 60μl로 했다.
측정 장치: 토소사제 「HPLC-8320 GPC」
검출기: 시차 굴절률(RI) 검출기
컬럼: Shodex GPC LF804×3(쇼와덴코사제)
용리액: 테트라하이드로퓨란
유속: 1.0mL/분
온도: 40℃
검량선: 폴리스티렌 표준 샘플(토소사제)을 사용하여 작성
[중합 조성비]
하기에서 합성한 중합체의 조성비는 13C-NMR로 분석했다. 정제 후의 중합체 1g과 Cr(III)아세틸아세토나토 0.1g을, 중(重)아세톤 1.5g과 메틸에틸케톤 0.5g의 혼합 용매에 용해하여 분석용 시료를 조제했다.
장치: 부르카제 「AVANCE400」
핵종: 13C
측정법: 인버스게이트 디커플링
적산 회수: 6000회
측정 튜브지름: 10mmφ
[금속 이온 농도]
하기에서 합성한 중합체의 금속 이온 농도를 ICP 질량 분석법에 의해 측정했다.
ICP 질량 분석 장치: 아지렌트·테크놀로지(주)제 「Agilent7500cs」
[실시예 1]
온도계, 냉각관 및 교반 장치를 구비한 나스플라스크에, 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌 104부, 1-피렌알데하이드 69부, 및 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(이하, 「PGMEA」라 칭한다) 133부를 넣고, 교반하면서 계내(系內)를 질소 치환하고, 120℃까지 가열 승온했다. 다음으로, 메탄설폰산 40부를 서서히 적하하고, 120℃에서 7시간 반응시켰다. 그 후, PGMEA 148부를 첨가하여 희석했다. 이 용액을, 메탄올 741부 및 이온 교환수(이하, 「IEW」라 칭한다) 248부의 혼합 용액에 적하하여 침전 추출 처리를 실시했다. 또한, 메탄올 494부를 사용하여, 침전된 중합체를 세정했다.
얻어진 중합체를, PGMEA 687부에 재용해하고, 앰버리스트(AMBERLYST) B20(오르가노사제, 음이온성 이온 교환 수지)를 사용하여 미리 이온 교환 처리를 실시했다(시료 1). 시료 1의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 1에 나타냈다. 이어서, 시료 1에 메탄설폰산 1.2부를 더 첨가하고, 재차 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여, 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키고, 동시에, 첨가한 메탄설폰산을 제거했다(시료 2). 정제 후의 중합체는, Mw=2490이고, Mw/Mn=1.80이며, 수율 79%였다.
얻어진 중합체(시료 2)의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 1에 나타냈다. Fe 농도는 중합체의 질량에 대하여 0.8ppb이며, Fe를 특히 효율적으로 제거할 수 있음을 알았다.
[실시예 2]
온도계, 냉각관 및 교반 장치를 구비한 나스플라스크에, 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌 104부, 1-피렌알데하이드 69부, 및 PGMEA 133부를 넣고, 교반 하면서 계내를 질소 치환하고, 120℃까지 가열 승온했다. 다음으로, 메탄설폰산 40부를 서서히 적하하고, 120℃에서 7시간 반응시켰다. 그 후, PGMEA 148부를 첨가하여 희석했다. 이 용액을, 메탄올 741부 및 IEW 248부의 혼합 용액에 적하하여 침전 추출 처리를 실시했다. 또한, 메탄올 494부를 사용하여, 침전된 중합체를 세정했다.
얻어진 중합체를, PGMEA 687부에 재용해하고, 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 사용하여 미리 이온 교환 처리를 실시했다(시료 1). 이어서, 시료 1에 메탄설폰산 1.2부를 첨가하고, 앰버리스트 15J-WET(양이온성 이온 교환 수지)를 통하여 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시켰다(시료 2). 정제 후의 중합체는, Mw=2490이고, Mw/Mn=1.80이며, 수율 79%였다.
얻어진 중합체(시료 2)의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 1에 나타냈다. Fe 농도는 중합체의 질량에 대하여 0.9ppb이며, Fe를 특히 효율적으로 제거할 수 있음을 알았다.
[비교예 1]
온도계, 냉각관 및 교반 장치를 구비한 나스플라스크에, 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌 104부, 1-피렌알데하이드 69부, 및 PGMEA 133부를 넣고, 교반하면서 계내를 질소 치환하고, 120℃까지 가열 승온 했다. 다음으로, 메탄설폰산 40부를 서서히 적하하고, 120℃에서 7시간 반응시켰다. 그 후, PGMEA 148부를 첨가하여 희석했다. 이 용액을, 메탄올 741부 및 IEW 248부의 혼합 용액에 적하하여 침전 추출 처리를 실시했다. 또한, 메탄올 494부를 사용하여, 침전된 중합체를 세정했다.
얻어진 중합체를, PGMEA 687부에 재용해하고, 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여 미리 이온 교환 처리를 실시했다(시료 1). 이어서, 시료 1을 재차 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여 탈금속 처리를 실시했다(시료 2). 정제 후의 중합체는, Mw=2490이고, Mw/Mn=1.80이며, 수율 79%였다.
얻어진 중합체의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 1에 나타냈다. 어느 금속종에 관하여도 저감 효과는 볼 수 없음을 알았다.
[비교예 2]
온도계, 냉각관 및 교반 장치를 구비한 나스플라스크에, 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌 104부, 1-피렌알데하이드 69부, 및 PGMEA 133부를 넣고, 교반하면서 계내를 질소 치환하고, 120℃까지 가열 승온 했다. 다음으로, 메탄설폰산 40부를 서서히 적하하고, 120℃에서 7시간 반응시켰다. 그 후, PGMEA 148부를 첨가하여 희석했다. 이 용액을, 메탄올 741부 및 IEW 248부의 혼합 용액에 적하하여 침전 추출 처리를 실시했다. 또한, 메탄올 494부를 사용하여, 침전된 중합체를 세정했다.
얻어진 중합체를, PGMEA 687부에 재용해하고, 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여 미리 이온 교환 처리를 실시했다(시료 1). 이어서, 시료 1을 다시 앰버리스트 15J-WET를 통하여 탈금속 처리를 실시했다(시료 2). 정제 후의 중합체는, Mw=2490이고, Mw/Mn=1.80이며, 수율 79%였다.
얻어진 중합체(시료 2)의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 1에 나타냈다. 어느 금속종에 관하여도 저감 효과는 볼 수 없음을 알았다.
Figure pct00001
[실시예 3]
온도계, 냉각관 및 교반 장치를 구비한 나스플라스크에, 페노티아진 34부, 1-피렌알데하이드 20부, 4-트리플루오로메틸벤즈알데하이드 15부, 및 PGMEA 67부를 넣고, 교반하면서 계내를 질소 치환하여, 120℃까지 가열 승온 했다. 다음으로, 메탄설폰산 1부를 서서히 적하하고, 120℃에서 6시간 반응시켰다. 그 후, PGMEA 59부를 첨가하여 희석했다. 이 용액을 메탄올 390부에 적하하여 침전 추출 처리를 실시했다. 또한, 메탄올 196부를 사용하여, 침전된 중합체를 세정했다.
얻어진 중합체를, PGME 277부에 재용해하고, 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 사용하여 미리 이온 교환 처리를 실시했다(시료 1). 시료 1의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 2에 나타냈다. 이어서, 시료 1에 메탄설폰산 0.4부를 첨가하고, 재차 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여, 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키고, 동시에, 첨가한 메탄설폰산을 제거했다(시료 2). 정제 후의 중합체는, Mw=5860이고, Mw/Mn=2.23이며, 수율 80%였다.
얻어진 중합체(시료 2)의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 2에 나타냈다. 본 중합체에서는, Na, Ca, Zn, Ti, Ag, 및 W의 금속 이온 농도의 저감 효과가 큰 것을 알았다.
Figure pct00002
[실시예 4]
온도계, 냉각관 및 교반 장치를 구비한 나스플라스크에, 25% p-하이드록시스티렌의 메탄올 용액 1550부, 스티렌 51부, 및 아조비스이소부티로나이트릴(이하, 「AIBN」라 칭한다) 11부를 넣고, 교반하면서 계내를 질소 치환하여, 80℃까지 가열 승온 했다. 80℃로 내온이 도달한 후, 25% p-하이드록시스티렌의 메탄올 용액 43부, 스티렌 1부, 및 AIBN 2부의 혼합 용액을 2시간 걸쳐 적하했다. 적하 종료후, 80℃에서 4시간 숙성을 실시했다. 이 용액을 톨루엔 1695부에 적하하여 침전 추출 처리를 실시하고, 상등액의 디캔테이션을 실시했다. 그 후, 아세톤 130부에서 용해시키고, 톨루엔 1695부에 의한 세정을 4회 실시했다.
얻어진 중합체를 PGMEA 690부에 용해시켰다(시료 1). 시료 1의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 3에 나타냈다. 이어서, 시료 1에 메탄설폰산 0.8부를 첨가하고, 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여, 이온 교환 처리를 실시하고, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키고, 동시에, 첨가한 메탄설폰산을 제거했다(시료 2). 정제 후의 중합체는, Mw=9710이고, Mw/Mn=1.69이며, 수율 59%였다.
얻어진 중합체(시료 2)의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 3에 나타냈다. 본 중합체에서는, Ca, Zn, Sn, Ag, 및 W의 금속 이온 농도의 저감 효과가 큰 것을 알았다.
Figure pct00003
[실시예 5]
온도계, 냉각관 및 교반 장치를 구비한 나스플라스크에, 25% p-하이드록시스티렌의 메탄올 용액 50부, 메틸메타크릴레이트 25부, 및 아세톤 40부를 넣고, 교반하면서 계내를 질소 치환하여, 80℃까지 가열 승온 했다. 80℃로 내온이 도달한 후, 아조비스(이소뷰티르산)디메틸 1부 및 아세톤 10부의 혼합 용액을 2시간 걸쳐 적하했다. 적하 종료 후, 80℃에서 4시간 숙성을 실시했다. 이 용액을 톨루엔 126부에 적하하여 침전 추출 처리를 실시하고, 상등액의 디캔테이션을 실시했다. 그 후, 아세톤 25부에서 용해시켜, 톨루엔 126부에 의한 세정을 4회 실시했다.
얻어진 중합체를 PGMEA 128부에서 용해시켰다(시료 1). 시료 1의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 4에 나타냈다. 이어서, 시료 1에 메탄설폰산 0.2부를 첨가하고, 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여, 이온 교환 처리를 실시하고, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키고, 동시에, 첨가한 메탄설폰산을 제거했다(시료 2). 정제 후의 중합체는, Mw=6890이고, Mw/Mn=1.86이며, 수율 55%였다.
얻어진 중합체(시료 2)의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 4에 나타냈다. 본 중합체에서는, Ca, Fe, Ni, Zn, 및 Sn의 금속 이온 농도에 관하여 저감 효과가 큰 것을 알았다.
Figure pct00004
[실시예 6]
삼방 활전(三方活栓)을 설치한 유리 용기를 준비하고, 아르곤 치환 후, 아르곤 분위기하에서 가열하여 유리 용기 내의 흡착수를 제거했다. 용기 내에 에틸비닐에테르(이하, 「EVE」라 칭한다) 0.85몰랄(molar)(이하, 「M」이라 칭한다), 아세트산에틸 1.0M, 1,4-비스(1-아세톡시에톡시)부탄 4밀리몰랄(이하, 「mM」이라 칭한다), 톨루엔 60ml를 넣고, 계내 온도가 0℃에 달했을 때, 에틸알루미늄세스키클로라이드(「Et1.5AlCl1.5」)의 톨루엔 용액(20mM)을 첨가하여 중합을 개시했다.
EVE의 전화율을 시(時)분할로 가스 크로마토그래피(GC)를 사용하여 모니터링하고, EVE 모노머의 전환이 종료된 시점에서 p-tert-부톡시스티렌(이하, 「PTBOS」라 기재한다) 1.28M를 반응 용액에 첨가하여, 반응 온도 0℃에서 반응을 더 계속했다. PTBOS 첨가 후, 106시간을 경과한 시점에서, Et1.5AlCl1.5의 톨루엔 용액(20mM)을 더 첨가하고 48시간 반응을 계속했다.
중합 반응계 내에 메탄올을 첨가하여 반응을 정지시키고, 반응 혼합물 용액에 산화 알루미늄 4질량%를 첨가하고, 24시간 교반하여 촉매를 흡착 제거하고, 구멍 지름 0.1μm의 필터로 산화 알루미늄을 제거했다. 이 여액을 증발기로 감압 농축하여, PTBOS/EVE/PTBOS계 트리블록폴리머를 얻었다. 이 PTBOS/EVE/PTBOS계 트리블록폴리머의 평균 조성(몰비)은 PTBOS/EVE=60/40이었다. Mw=26100이고, Mw/Mn=1.45였다.
온도계 및 환류 냉각관을 설치한 4구 플라스크에, 상기에서 얻어진 PTBOS/EVE/PTBOS계 트리블록폴리머 100질량부 및 프로필렌글리콜모노메틸에테르 300질량부를 투입하고, 교반하면서 60℃로 가열한 후, 10% 황산 3.5질량부를 투입하여 60℃에서 30시간 교반했다.
반응 종료 후, 실온까지 냉각하고, 반응액을 1200질량부의 물에 투입하여 폴리머를 석출시키고, 여별(濾別)했다. 얻어진 석출물을 감압 건조하여, p-하이드록시스티렌/EVE/p-하이드록시스티렌계 트리블록폴리머를 얻었다. 이 p-하이드록시스티렌/EVE/p-하이드록시스티렌계 트리블록폴리머의 평균 조성(몰비)은 p-하이드록시스티렌/EVE=60/40이었다. Mw=25700이고, Mw/Mn=1.56이었다.
얻어진 트리블록폴리머 100부를 PGMEA 566부에 용해시켰다(시료 1). 시료 1의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 5에 나타냈다. 이어서, 시료 1에 메탄설폰산 0.7부를 첨가하고, 앰버리스트 B20(오르가노사제)를 통하여, 이온 교환 처리를 실시하고, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키고, 동시에, 첨가한 메탄설폰산을 제거했다. 정제 후의 중합체는, Mw=17400이고, Mw/Mn=1.40이며, 수율 70%였다.
얻어진 중합체(시료 2)의 각 금속 이온 농도를 측정한 결과를 표 5에 나타냈다. 본 중합체에서는, 특히 Fe, Ni, Sn의 농도는 매우 높았지만, 저감 효과가 큰 것을 알았다.
Figure pct00005

Claims (12)

  1. 단량체를 중합 반응시켜 중합체를 얻는, 중합 공정과,
    상기 중합체를 포함하는 중합체 용액에, 0 이하의 pKa를 가지는 강산을 첨가한 후, 이온 교환 처리를 실시하여, 금속 이온 불순물 농도를 저감시키는, 정제 공정,
    을 포함하여 이루어지는, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강산이, 유기 설폰산, 황산, 트리플루오로아세트산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종인, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 강산이, 트리플루오로메탄설폰산, 메탄설폰산 및 p-톨루엔설폰산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 유기 설폰산인, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 교환 처리를, 이온 교환 수지를 사용하여 실시하는, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가, 방향족계 단량체와 알데하이드계 및/또는 케톤계 단량체를 부가 축합시켜 얻어진 것인, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가, 옥시스티렌계 단량체와 비닐에테르계 단량체를 리빙 카티온 중합시켜 얻어진 것인, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  7. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가, 옥시스티렌계 단량체와 스티렌계 단량체를 라디칼 중합시켜 얻어진 것인, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  8. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가, 옥시스티렌계 단량체와 (메타)아크릴레이트계 단량체를 라디칼 중합시켜 얻어진 것인, 전자 재료용 중합체의 제조 방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 얻어진, 전자 재료용 중합체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    금속 이온 불순물 농도가 10ppb 이하인, 전자 재료용 중합체.
  11. 청구항 9 또는 10에 있어서,
    반도체 리소그래피용 성막 재료로서 사용되는, 전자 재료용 중합체.
  12. 청구항 9 또는 10에 있어서,
    플랫 패널 디스플레이용 재료로서 사용되는, 전자 재료용 중합체.
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