JP2009196942A - 新規なアクリル酸エステル誘導体、高分子化合物 - Google Patents

新規なアクリル酸エステル誘導体、高分子化合物 Download PDF

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Abstract

【課題】1)酸に対する反応性および熱安定性に優れ、かつ、現像時の膨潤が小さいフォトレジスト組成物用高分子化合物、2)その原料となる化合物を提供すること、および、3)該高分子化合物を含有してなるLWRが改善されたフォトレジスト組成物の提供。
【解決手段】下記一般式
Figure 2009196942

(式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。R、R、R、R、R、R、およびR10は、水素原子、直鎖状、分岐状または環状のアルキル基を表す。RとR;RとR;またはRとRは連結してアルキレン基を表してもよい。nは0から2を表す。AとBは、酸素原子または硫黄原子を表し、AもBも硫黄原子である組み合わせを除く。)で示されるアクリル酸エステル誘導体および該アクリル酸エステルを原料の一つとして重合することにより得られる高分子化合物。
【選択図】なし

Description

本発明は、新規なアクリル酸エステル誘導体に関する。本発明で得られるアクリル酸エステル誘導体は、該アクリル酸エステル誘導体を原料の一つとして重合することにより得られる高分子化合物、および当該高分子化合物を成分とするフォトレジスト組成物の原料として有用である。更に、本発明で得られるアルコールは、該アクリル酸エステル誘導体の原料として有用である。
近年、集積回路素子製造に代表される電子デバイス製造分野においては、デバイスの高集積化に対する要求が高まっており、そのため、微細パターン形成のためのフォトリソグラフィー技術が必要とされている。このため、ArFエキシマレーザー(波長193nm)、Fエキシマレーザー(波長157nm)等の波長200nm以下の放射線を露光光としたフォトリソグラフィーに対応するフォトレジスト組成物の開発が活発に行われており、酸解離性官能基を有する高分子化合物と、放射線の照射(以下、「露光」という)により酸を発生する化合物(以下、「光酸発生剤」という)とからなる化学増幅型フォトレジスト組成物が数多く提案されている。この酸解離性官能基を有する高分子化合物は、アルカリ可溶性高分子化合物のアルカリ易溶性部位の一部を適当な酸解離性官能基で保護した構造が基本となっており、かかる酸解離性官能基の選択は、フォトレジスト組成物としての機能を調整する上で非常に重要となっている。
既存の酸解離性官能基としては、1)アダマンタン構造を有するもの(非特許文献1、特許文献1参照)、2)テトラヒドロピラニル基を有するものなどが知られている(特許文献2参照)。
酸解離性官能基は、酸に対する高反応性、および、ベーキング工程に分解しない安定性を両立することが要求され、熱安定性は130℃以上であることが求められている(非特許文献2参照)。しかし、2)のテトラヒドロピラニル基は、酸解離性としての反応性が高い利点をもつものの、熱安定性に欠けており、レジストとしての基本性能において満足するものではなかった。
また、近年のリソグラフィー技術の大きな課題の1つにラインウドゥスラフネス(以下「LWR」という)と呼ばれる、形成されたパターンの線幅変動があり、その許容値は線幅の8%未満であることが求められている(非特許文献3参照)。LWRを改善するためには、膨潤によるパターン変形を抑制すること、すなわちフォトレジスト組成物成分である高分子化合物が膨潤しにくいものであることが必要となる。
酸解離性官能基として1)のアダマンタン構造を含むものを導入した高分子化合物は、酸に対する高反応性および熱安定性を有する。しかし、当該高分子化合物の疎水性が高く、現像液との親和性が十分とならず、現像時において露光部に溶解に至らない部分を生じてしまい、それが膨潤を引き起こし、結果としてLWRが大きくなってしまう問題が生じる。このため、より膨潤し難いフォトレジスト組成物用高分子化合物の開発が依然として切望されており、それを達成するための酸解離性官能基を有する化合物の開発が強く切望されているのが現状である。
特開平9−73173号公報 特開平5−88367号公報 Journal of Photopolymer Science and Technology(ジャーナル オブ フォトポリマー サイエンス アンド テクノロジー)、Vol.9、No.3、475−487(1996) ITRS2006年UP DATE版 リソグラフィーの部 8頁 ITRS2006年UP DATE版 リソグラフィーの部 7頁
本発明は、上記した問題点を解決するために、酸解離性官能基を有する化合物の酸解離性官能基に着目し、鋭意検討してなされた。本発明の目的は、1)酸に対する反応性および熱安定性に優れ、かつ、現像時の膨潤が小さいフォトレジスト組成物用高分子化合物、2)その原料となる化合物を提供すること、および、3)該高分子化合物を含有してなるLWRが改善されたフォトレジスト組成物を提供することにある。
本発明者らは、種々のフォトレジスト組成物用高分子化合物を成分としたフォトレジスト組成物の構造および物性と現像時の膨潤性との関係について鋭意検討を行った結果、1)露光部分の現像液への溶解速度の高いフォトレジスト組成物用高分子化合物を用いると、膨潤が抑制できること、2)露光部分の現像液への溶解速度の高い特定の繰り返し構造を持つ高分子化合物、3)露光部分の現像液への溶解速度の高い特定の繰り返し構造を持つ高分子化合物の原料として有用な特定の酸解離性官能基を有する化合物を見出し、この発明を完成した。
即ち、本発明は、
1.下記一般式(I)
Figure 2009196942
(式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。R、R、Rは、
1)R、R、およびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;
2)RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表し、Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;または
3)Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表し、RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;のいずれかを表す。
n、R、R、R、R、R、およびR10
1)nは0を表す。R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。R、Rは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表すか、または、連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;または
2)nは1または2を表す。R、R、R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;のいずれかを表す。
AとBは、それぞれ酸素原子または硫黄原子を表し、AもBも硫黄原子である組み合わせを除く。)で示されるアクリル酸エステル誘導体(以下、アクリル酸エステル誘導体(I)と称す。);
2.Aが酸素原子であり、Rが水素原子であるアクリル酸エステル誘導体(I)(以下、アクリル酸エステル誘導体(I−1)と称す。);
3.nが0または1であり、Aが酸素原子であり、R、R、R、R、R、R、R、RおよびR10が水素原子であるアクリル酸エステル誘導体(I);
4.下記一般式(II)
Figure 2009196942
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10、A、Bおよびnは、前記定義の通り。)で示される環状アルコール(以下、環状アルコール(II)と称す。)をアクリル酸エステル誘導体(I)へと変換することを特徴とするアクリル酸エステル誘導体(I)の製造方法。
5.下記一般式(III)
Figure 2009196942
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R10、B、およびnは前記定義の通り。)
で示される環状オレフィン(以下、環状オレフィン(III)と称す。)をアクリル酸エステル(I−1)へと変換することを特徴とするアクリル酸エステル誘導体(I−1)の製造方法;
6.Aが酸素原子であり、nが1または2である環状アルコール(II)(以下、環状アルコール(II−1)と称す。);
7.nが1である環状アルコール(II−1)。
8.nが1であり、R、R、R、R、R、R、R、RおよびR10が水素原子である環状アルコール(II−1)。
9.下記一般式(IV)
Figure 2009196942
(式中、R、RおよびRは、前記定義の通り。R13およびR14は、それぞれ、炭素数1〜3の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。Xは塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子を表す。)で示されるアセタール化合物(以下、アセタール(IV)と称す。)を塩基存在下、下記一般式(V)
Figure 2009196942
(式中、R、R、R、R、R、R10、Bおよびnは、前記定義の通り。)で示されるヘテロアルコール(以下、ヘテロアルコール(V)と称す。)のうち、nが1または2であるヘテロアルコール(V)(以下、ヘテロアルコール(V−1)と称す。)と反応させて下記一般式(VI)
Figure 2009196942
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R10、R13、R14、Bおよびnは、前記定義の通り。)で示されるヒドロキシアセタール(以下、ヒドロキシアセタール(VI)と称す。)のうち、nが1または2であるヒドロキシアセタール(VI)(以下、ヒドロキシアセタール(VI−1)と称す。)を得、ヒドロキシアセタール(VI−1)を加水分解することによって、環状アルコール(II−1)へと変換することを特徴とする環状アルコール(II−1)の製造方法。
10.アクリル酸エステル誘導体(I)を原料の一つとして重合することにより得られる高分子化合物。
を提供することにより達成される。
本発明によれば、1)露光後に現像液に対して高い溶解速度を持ち、現像時の膨潤が小さいフォトレジスト組成物用高分子化合物、2)その原料となる化合物、および、3)該高分子化合物を含有してなるLWRが改善され、且つ熱安定性に優れたフォトレジスト組成物を提供することができる。
は、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。
、R、R、R、R、R、R、RおよびR10が表す炭素数1〜6の直鎖状アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基などが挙げられ、炭素数3〜6の分岐状アルキル基としては、例えば、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基などが挙げられ、炭素数3〜6の環状アルキル基としては、例えばシクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基などが挙げられる。
とR、RとR、および、RとRが連結して表す炭素数3〜6のアルキレン基としては、プロパン−1、3−ジイル基、ブタン−1、4−ジイル基、ペンタン−1、5−ジイル基、ヘキサン−1、6−ジイル基などが挙げられる。
nは、0、1または2であるが、0または1が好ましい。
アクリル酸エステル誘導体(I)の具体例として、下記式(1−1)〜(1−20)が挙げられるが、これに限定されるものではない。
Figure 2009196942
(式中、A、Bおよびnは前記定義の通り。pは1または2を表す。)
などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
アクリル酸エステル誘導体(I)の具体例として記載した式(1−1)〜(1−20)の具体例として下記式(2−1)〜(2−114)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
アクリル酸エステル誘導体(I)は、下記の2つの方法で製造することができる。方法Aではアクリル酸エステル誘導体(I)を製造できる。方法Bではアクリル酸エステル誘導体(I−1)を製造できる。
Figure 2009196942
(式中A、B、n、R、R、R、R、R、R、R、R、R、およびR10は、前記定義の通り)。
以下、方法Aおよび方法Bを順に説明する。
[方法A]
方法Aにより製造するアクリル酸エステル誘導体(I)の具体例としては式(1−1)〜(1−20)、更に具体的な例としては式(2−1)〜(2−114)が挙げられる。
方法Aで使用する環状アルコール(II)のうち、環状アルコール(II−1)は新規化合物である。環状アルコール(II−1)の製造方法は後述する。環状アルコール(II−1)以外の環状アルコール(II)は、工業的に入手可能なものであるか、a)非特許文献3に記載された方法、およびb)非特許文献4に記載された方法によりにより製造される対応するエステル化合物を加水分解反応する方法等により製造可能なものである。
Gazzetta Chimica Italiana、127(1)、11−17(1997) Journal of Medicinal Chemistry、Vol.25、No.5、522−526(1982)
環状アルコール(II)として、例えば、下記式(3−1)〜(3−100)が挙げられる。
Figure 2009196942
Figure 2009196942
方法Aによるアクリル酸エステル誘導体(I)の製造方法は、環状アルコール(II)と一般式CH=CRCOX(式中Rは前記の通りであり、Xは塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子を表す。)、一般式(CH=CRCO)O(式中Rは前記の通りである。)、一般式CH=CRCOOC(=O)R15(式中Rは前記の通りであり、R15はt−ブチル基、または2,4,6−トリクロロフェニル基を表す)、または一般式CH=CRCOOSO16(式中Rは前記の通りであり、R16はメチル基またはp−トリル基を表す。)で示される化合物(以下、これらの化合物を重合性基導入剤と称する。)を塩基性物質の存在下に反応させることにより行なう。
方法Aで使用する、一般式CH=CRCOXで示される重合性基導入剤の具体例としては、アクリル酸クロリド、メタクリル酸クロリド、2−トリフルオロメチルアクリル酸クロリドなどが挙げられる。一般式(CH=CRCO)Oで示される重合性基導入剤の具体例としては、無水アクリル酸、無水メタクリル酸、無水2−トリフルオロメチルアクリル酸などが挙げられる。一般式CH=CRCOOC(=O)R15で示される重合性基導入剤の具体例としては、アクリル酸ピバリン酸無水物、アクリル酸2,4,6−トリクロロ安息香酸無水物、メタクリル酸ピバリン酸無水物、メタクリル酸2,4,6−トリクロロ安息香酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸ピバリン酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸2,4,6−トリクロロ安息香酸無水物などが挙げられる。一般式CH=CRCOOSO16で示される重合性基導入剤の具体例としては、アクリル酸メタンスルホン酸無水物、アクリル酸p−トルエンスルホン酸無水物、メタクリル酸メタンスルホン酸無水物、メタクリル酸p−トルエンスルホン酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸メタンスルホン酸無水物、2−トリフルオロメチルアクリル酸p−トルエンスルホン酸無水物などが挙げられる。
重合性基導入剤の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、環状アルコール(II)1モルに対して0.8〜5モルの範囲であることが好ましく、0.8〜3モルの範囲であることがより好ましい。
方法Aで使用する塩基性物質としては、例えば水素化ナトリウム、水素化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどの無機塩基;トリエチルアミン、4−(N、N−ジメチルアミノ)ピリジン、N、N−ジメチルアニリン、ピリジン、トリブチルアミン、ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンなどの有機塩基が挙げられる。これらは1つを単独で使用してもよいし、2つ以上を混合して使用してもよい。塩基性物質の使用量は、経済性および後処理の観点から、環状アルコール(II)1モルに対して0.8〜5モルの範囲であるのが好ましく、0.8〜3モルの範囲であるのがより好ましい。
方法Aは、溶媒の存在下または非存在下で実施することができる。溶媒としては、反応に悪影響を与えない限り特に制限はなく、例えばジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル;ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの脂肪族炭化水素;塩化メチレン、1、2−ジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;トルエン、キシレン、シメンなどの芳香族炭化水素;N,N−ジメチルホルムアミド;ジメチルスルホキシドなどが挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。溶媒を使用する場合、その使用量に特に制限はないが、環状アルコール(II)1質量部に対して、通常、0.1〜20質量部の範囲であるのが好ましく、0.1〜10質量部の範囲であるのがより好ましい。
方法Aは、−80〜100℃の範囲で実施するのが好ましく、−50〜80℃の範囲で実施するのがより好ましい。また、反応時間は、環状アルコール(II)や重合性基導入剤の種類および使用量、塩基性物質の種類および使用量、溶媒の種類および使用量、反応温度などによって異なるが、通常、10分〜10時間の範囲である。
方法Aは、水および/またはアルコールを添加することにより、停止することができる。かかるアルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノールなどが挙げられる。水および/またはアルコールの使用量は、重合性基導入剤の環状アルコール(II)に対する過剰量1モルに対して1モル以上用いればよい。使用量が少ないと、未反応の重合性基導入剤を完全に分解できず、副生成物を生じる場合がある。
このような方法Aを経て得られたアクリル酸エステル誘導体(I)は、必要に応じて常法により分離精製するのが好ましい。例えば、反応混合物を水洗した後、濃縮し、蒸留、カラムクロマトグラフィーまたは再結晶などの通常の有機化合物の分離精製に用いられる方法により精製することができる。また、必要に応じて、ニトリロ三酢酸、エチレンジアミン四酢酸などでのキレート剤処理、またはゼータプラス(商品名:キュノ株式会社製)やプロテゴ(製品名:日本マイクロリス株式会社製)などでの金属除去フィルター処理により、得られたアクリル酸エステル誘導体(I)中の金属含有量を減少させることも可能である。
[方法B]
方法Bは、環状オレフィン(III)にアクリル酸、メタアクリル酸または2−トリフルオロメチルアクリル酸(以下、アクリル酸、メタアクリル酸および2−トリフルオロメチルアクリル酸を(メタ)アクリル酸と総称する。)を付加させる方法である。以下、方法Bを詳細に説明する。
方法Bにより製造するアクリル酸エステル誘導体(I−1)の具体例としては(1−1)〜(1−16)、更に具体的な例としては式(2−1)〜(2−96)が挙げられる。
方法Bで使用する環状オレフィン(III)は、工業的に入手可能であるか、非特許文献6に記載された方法などで製造できる。
Journal of the American Chemical Society、77、1169−74(1955)
環状オレフィン(III)としては、例えば下記式(4−1)〜(4−51)が挙げられるが、これに限定されるものではない。
Figure 2009196942
方法Bは、重合禁止剤を共存させて行うのが好ましい。使用される重合禁止剤としては、ハイドロキノン、p−メトキシフェノール、フェノチアジン、4−メトキシ−1−ナフトール、メチルハイドロキノン、tert−ブチルハイドロキノンなどが挙げられる。これらは、1種単独または2種以上を併用してもよい。重合禁止剤の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、(メタ)アクリル酸に対して1〜10000ppmが好ましく、10〜5000ppmがより好ましい。
方法Bは、無溶媒で実施することも、溶媒を添加して実施することも可能である。使用される溶媒としては、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンなどの脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン、およびシメンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレンおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;テトラヒドロフランおよびジイソプロピルエーテルなどのエーテル等が好適に使用される。また、(メタ)アクリル酸または環状オレフィン(III)を溶媒兼反応剤として使用することも可能である。溶媒を使用する場合の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、(メタ)アクリル酸を溶媒とした場合は、環状オレフィン(III)に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5重量倍の範囲であることがさらに好ましい。また、環状オレフィン(III)を溶媒とした場合は、(メタ)アクリル酸に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5重量倍の範囲であることがさらに好ましい。
方法Bでは、酸触媒が使用される。(メタ)アクリル酸も酸触媒として機能しうるが、以下の酸を使用した方が好ましい。使用される酸触媒としては、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸などのカルボン酸;トルエンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、10−カンファースルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸などのスルホン酸;硫酸、塩酸、リン酸などの鉱酸などが挙げられる。酸触媒の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、環状オレフィン(III)に対して0.001倍モル〜1.0倍モルの範囲であることが好ましく、0.01倍モル〜0.5倍モルの範囲であることがさらに好ましい。
方法Bの反応温度は、使用する環状オレフィン(III)、(メタ)アクリル酸および酸触媒の種類によって異なるが、概ね、0℃〜100℃の範囲であることが好ましい。
方法Bの圧力は、使用する環状オレフィン(III)、(メタ)アクリル酸および溶媒の種類によって異なるが、操作の容易さから常圧下が好ましい。
方法Bの反応は、酸触媒を中和することによって停止することができる。使用される中和剤として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、トリエチルアミン、トリブチルアミン、ピリジンなどが挙げられる。中和剤の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、酸触媒に対して1.0等量〜3.0等量の範囲であることが好ましい。
また、方法Bの反応は、酸触媒を反応系から除去することによっても反応を停止することができる。例えば、反応中の反応液を適当な反応溶媒で希釈し、水で洗浄する或いはアルカリ水で洗浄することにより反応を停止することができる。使用される溶媒としては、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンなどの脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン、およびシメンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレンおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;テトラヒドロフランおよびジイソプロピルエーテルなどのエーテル;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステルなどが好適に使用される。溶媒の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、反応液全質量に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5重量倍の範囲であることがさらに好ましい。また、使用されるアルカリ水中の塩基性物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウムなどの無機塩基が挙げられる。塩基性物質の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、酸触媒に対して0.1等量〜3.0等量の範囲であることが好ましい。
このような反応Bを経て得られたアクリル酸エステル誘導体(I−1)は、必要に応じて常法により分離精製するのが好ましい。例えば、反応混合物を水洗した後、濃縮し、蒸留、カラムクロマトグラフィーまたは再結晶などの通常の有機化合物の分離精製に用いられる方法により精製することができる。また、必要に応じて、ニトリロ三酢酸、エチレンジアミン四酢酸などでのキレート剤処理、またはゼータプラス(商品名:キュノ株式会社製)やプロテゴ(製品名:日本マイクロリス株式会社製)などでの金属除去フィルター処理により、得られたアクリル酸エステル誘導体(I−1)中の金属含有量を減少させることも可能である。
[環状アルコール(II−1)の製造方法]
環状アルコール(II−1)の具体例としては、下記式(5−1)〜(5−38)が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 2009196942
(式中、Bは前記定義の通り。mは1または2を表す)。
環状アルコール(II−1)の具体例として記載した式(5−1)〜(5−38)の具体例として下記式(6−1)〜(6−30)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2009196942
環状アルコール(II−1)は、下記の方法で製造することができる。以下、第1工程と第2工程を詳細に説明する。
Figure 2009196942
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10、R13、R14、およびBは、前記定義の通り。mは1または2を表す。)。
第1工程は、アセタール(IV)とヘテロアルコール(V−1)を塩基存在下に反応させて、ヒドロキシアセタール(VI−1)を製造する工程である。
アセタール(IV)は工業的に入手可能であるか、或いは対応するα−ハロケトン化合物またはα−ハロアルデヒドを通常のアセタール化反応することにより製造可能である。アセタール(IV)としては、クロロアセトアルデヒド=ジメチル=アセタール、クロロアセトアルデヒド=ジエチル=アセタール、ブロモアセトアルデヒド=ジメチル=アセタール、ブロモアセトアルデヒド=ジエチル=アセタール、1−ブロモ−2,2−ジメトキしプロパン、1−ヨード−2,2−ジエトキシプロパン、2−ブロモ−3,3−ジエトキシブタン、1−クロロ−2,2−ジメトキシヘキサン、1−クロロ−2,2−ジメトキシヘプタン、1−クロロ−2,2−ジメトキシシクロペンタン、1−クロロ−2,2−ジメトキシシクロヘキサン、1−ブロモ−2,2−ジメトキシシクロヘプタンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。
ヘテロアルコール(V−1)としては、例えば、3−メルカプト−1−ブタノール、2−メチル−3−メルカプト−1−プロパノール、4−メルカプト−2−ブタノール、3−メチル−3−メルカプト−1−ブタノール、2、2−ジメチル−3−メルカプト−1−プロパノール、2−イソプロピル−2−メチル−3−メルカプト−1−プロパノール、2−メチル−4−メルカプト−2−ブタノール、2−エチル−2−メチル−3−メルカプト−1−プロパノール、1−メルカプト−3−ペンタノール、2−エチル−3−メルカプト−1−プロパノール、3−メルカプト−1−プロパノール、4−メルカプト−1−ブタノール、5−メルカプト−2−ペンタノール、2−メチル−5−メルカプト−2−ペンタノール、4−メルカプト−1−ペンタノール、1,3−プロパンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール、2−エチル−2−メチル−1,3−プロパンジオール、2,2−ジエチル−1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、2,4−ペンタンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、2,4−ジメチル−2,4−ペンタンジオール、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,4−ペンタンジオール、2,5−ジメチル−2,5−ヘキサンジオールなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
ヘテロアルコール(V−1)のうち、Bが硫黄原子を表すものは、工業的に入手可能であるか、或いは対応するハロゲン化アルコールを水硫化ナトリウムまたは水硫化カリウムと反応させる方法や、対応したハロゲン化アルコールをベンジルスルフィドと反応させた後に還元する方法などにより製造可能である。ヘテロアルコール(V−1)のうち、Bが酸素原子を表すものは、工業的に入手可能であるか、或いは対応するジハロゲン化物やハロゲン化アルコールを硝酸銀と水を用いてハロゲン基を水酸基に置換することや、対応したジケトン化合物やジエステル化合物を還元することなどにより製造可能である。
第1工程で使用する塩基としては、例えば水素化ナトリウム、水素化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどの無機塩基;ナトリウムメチラート、ナトリウムエチラートなどのアルコールの塩;トリエチルアミン、4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン、N,N−ジメチルアニリン、ピリジン、トリブチルアミン、ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンなどの有機塩基などが挙げられる。これらは1つを単独で使用してもよいし、2つ以上を混合して使用してもよい。塩基性物質の使用量は、経済性および後処理の観点から、ヘテロアルコール(V−1)1モルに対して0.8〜5モルの範囲であるのが好ましく、0.8〜3モルの範囲であるのがより好ましい。
第1工程は、無溶媒で実施することも、溶媒を添加して実施することも可能である。使用される溶媒としては、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンなどの脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン、およびシメンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレンおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;メタノール、エタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、n−ブタノールなどのアルコール;テトラヒドロフランおよびジイソプロピルエーテルなどのエーテル等が好適に使用される。また、アセタール(IV)またはヘテロアルコール(V−1)を溶媒兼反応剤として使用することも可能である。アセタール(IV)を溶媒として使用する場合の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、ヘテロアルコール(V−1)に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5質量倍の範囲であることがさらに好ましい。ヘテロアルコール(V−1)を溶媒として使用する場合の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、アセタール(IV)に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5質量倍の範囲であることがさらに好ましい。
第1工程の反応温度は、使用するアセタール(IV)、ヘテロアルコール(V−1)、塩基および溶媒の種類によって異なるが、概ね、0℃〜100℃の範囲であることが好ましい。
第1工程の圧力は、特に制限されないが、操作の容易さの観点から常圧が好ましい。
第1工程で生成する目的のヒドロキシアセタール(VI−1)は、例えば、反応終了後に反応で生成した塩をろ別し、得られたろ液を濃縮後、蒸留によって単離・精製が可能であるが、これに限定されるものではない。中和、溶媒抽出、蒸留、カラムクロマトグラフィー、再結晶などの通常の有機化学的操作を適宜組み合わせて行うことにより単離・精製が可能である。
第2工程は、第1工程で得たヒドロキシアセタール(VI−1)を酸触媒存在下に加水分解し、環化させる工程である。
第2工程では、酸触媒が使用される。使用される酸触媒としては、酢酸、プロピオン酸、安息香酸などのカルボン酸;ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、10−カンファースルホン酸、メタンスルホン酸などのスルホン酸;硫酸、塩酸、リン酸などの鉱酸が挙げられる。酸触媒の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、ヒドロキシアセタール(VI)に対して0.0001倍モル〜1.0倍モルの範囲であることが好ましく、0.001倍モル〜0.1倍モルの範囲であることがさらに好ましい。
第2工程で使用する水は、必要な理論量(ヒドロキシアセタール(VI−1)に対して1倍モル)以上であれば特に制限はないが、目的の環状アルコール(II−1)を有利に生成させるために、ヒドロキシアセタール(VI−1)に対して大過剰使用するのが好ましく、経済性および後処理の容易さの観点から、ヒドロキシアセタール(VI−1)に対して1倍モル〜10000倍モルの範囲であることが好ましく、10倍モル〜1000倍モルの範囲であることがさらに好ましい。
第2工程は、無溶媒で実施することも、溶媒を添加して実施することも可能である。使用される溶媒としては、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンなどの脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン、およびシメンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレンおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジイソプロピルエーテル、1,2−ジメトキシエタンなどのエーテル等が好適に使用される。また、水を溶媒兼反応剤として使用することも可能である。溶媒を使用する場合の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、ヒドロキシアセタール(VI−1)に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5重量倍の範囲であることがさらに好ましい。
第2工程の反応温度は、使用するヒドロキシアセタール(VI−1)、酸触媒および溶媒の種類によって異なるが、概ね、0℃〜100℃の範囲であることが好ましい。
第2工程の圧力は、使用するヒドロキシアセタール(VI−1)、酸触媒および溶媒の種類によって異なるが、常圧でも減圧下でも実施可能である。第2工程は、ヒドロキシアセタール(VI−1)由来のアルコールR13OHおよびR14OH(式中、R13およびR14は前記定義の通り。)を副生するが、目的の環状アルコール(II−1)を有利に生成させるために、これらのアルコールを系外に除く方が好ましく、操作の簡易さの観点から、減圧下で副生するアルコールR13OHおよびR14OHを留去しながら行うのが好ましい。この場合の圧力は、1.3〜93.1KPaが好ましく、6.7〜53.2KPaがより好ましい。
第2工程の反応は、酸触媒を中和することによって停止することができる。使用される中和剤として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、トリエチルアミン、トリブチルアミン、ピリジンなどが挙げられる。中和剤の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、酸触媒に対して1.0等量〜3.0等量の範囲であることが好ましい。
また、第2工程の反応は、酸触媒を反応系から除去することによっても反応を停止することができる。例えば、反応中の反応液を適当な反応溶媒で希釈し、水で洗浄する或いはアルカリ水で洗浄することにより反応を停止することができる。使用される溶媒としては、反応を阻害しなければ特に制限はないが、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンなどの脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン、およびシメンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレンおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素;テトラヒドロフランおよびジイソプロピルエーテルなどのエーテル;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステルなどが好適に使用される。溶媒の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、反応液全質量に対して0.1質量倍〜10質量倍の範囲であることが好ましく、0.1質量倍〜5重量倍の範囲であることがさらに好ましい。また、使用されるアルカリ水中の塩基性物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウムなどの無機塩基が挙げられる。塩基性物質の使用量は、経済性および後処理の容易さの観点から、酸触媒に対して0.1等量〜3.0等量の範囲であることが好ましい。
第2工程で生成する目的の環状アルコール(II−1)は、溶媒抽出、蒸留、カラムクロマトグラフィー、再結晶などの通常の有機化学的操作を適宜組み合わせて行うことにより単離・精製が可能である。
[高分子化合物]
本発明の高分子化合物は、アクリル酸エステル誘導体(I)を単独で重合してなる重合体またはアクリル酸エステル誘導体(I)と他の重合性化合物とを共重合してなる共重合体であり、アクリル酸エステル誘導体(I)に基づく構成単位を有していればよい。通常、本発明の高分子化合物中におけるアクリル酸エステル誘導体(I)に基づく構成単位の含有割合としては、10〜90モル%の範囲であるのが好ましく、20〜80モル%の範囲であるのがより好ましい。アクリル酸エステル誘導体(I)に基づく構成単位の具体例としては、下記式(7−1)〜(7−20)で示されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2009196942
アクリル酸エステル誘導体(I)と共重合させることができる他の重合性化合物(以下、共重合単量体(VII)と称す。)の具体例としては、例えば下記の化学式で示される化合物(C−1)〜(C−9)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2009196942
(式中、R17は水素原子または炭素数1〜3のアルキル基を表し、R18は重合性基を表す。R19は水素原子またはCOOR20を表し、R20は炭素数1〜3のアルキル基を表す。また、R21はアルキル基を表す。)
共重合単量体(VII)において、R17およびR20がそれぞれ独立して表す炭素数1〜3のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基が挙げられる。R21が表すアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基などが挙げられる。また、R18が表す重合性基としては、例えばアクリロイル基、メタアクリロイル基、2−トリフルオロメチルアクリロイル基、ビニル基、クロトノイル基などが挙げられる。
前記高分子化合物は、常法に従って、ラジカル重合により製造することができる。特に、分子量分布が小さい高分子化合物を合成する方法としては、リビングラジカル重合などを挙げることができる。一般的なラジカル重合方法は、必要に応じて1種類以上のアクリル酸エステル誘導体(I)および必要に応じて1種類以上の上記共重合単量体(VII)を、ラジカル重合開始剤および溶媒、並びに必要に応じて連鎖移動剤の存在下に重合させる。以下、かかるラジカル重合方法について説明する。
本ラジカル重合の実施方法には特に制限はなく、溶液重合法、乳化重合法、懸濁重合法、塊状重合法など、例えばアクリル系の高分子化合物を製造する際に用いる慣用の方法を使用できる。
ラジカル重合開始剤としては、例えばt−ブチルヒドロペルオキシド、クメンヒドロペルオキシドなどのヒドロペルオキシド化合物;ジ−t−ブチルペルオキシド、t−ブチル−α−クミルペルオキシド、ジ−α−クミルペルオキシドなどのジアルキルペルオキシド化合物;ベンゾイルペルオキシド、ジイソブチリルペルオキシドなどのジアシルペルオキシド化合物;2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、ジメチル2,2’−アゾビスイソブチレートなどのアゾ化合物などが挙げられる。
ラジカル重合開始剤の使用量は、重合反応に用いるアクリル酸エステル誘導体(I)、共重合単量体(VII)、連鎖移動剤、溶媒の種類および使用量;重合温度などの重合条件に応じて適宜選択できるが、全重合性化合物[アクリル酸エステル誘導体(I)と共重合単量体(VII)の合計量]1モルに対して、通常、0.005〜0.2モルの範囲であり、0.01〜0.15モルの範囲であるのが好ましい。
連鎖移動剤としては、例えばドデカンチオール、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸などのチオール化合物が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種類以上を併用してもよい。連鎖移動剤を使用する場合、その使用量は、全重合性化合物[アクリル酸エステル誘導体(I)と共重合単量体(VII)の合計量]1モルに対して、通常、0.005〜0.2モルの範囲であり、0.01〜0.15モルの範囲であるのが好ましい。
本ラジカル重合は、通常、溶媒の存在下に実施する。溶媒としては、重合反応を阻害しなければ特に制限はなく、例えばプロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどのグリコールエーテル;乳酸エチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピルなどのエステル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノンなどのケトン;ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテルなどが挙げられる。溶媒は、単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
溶媒の使用量は、全重合性化合物[アクリル酸エステル誘導体(I)と共重合単量体(VII)の合計量]1質量部に対して、通常、0.5〜20質量部の範囲であり、経済性の観点からは、1〜10質量部の範囲であるのが好ましい。
本ラジカル重合の反応温度は、通常、40〜150℃であり、生成する高分子化合物の安定性の観点から60〜120℃の範囲であるのが好ましい。
本ラジカル重合の反応時間は、アクリル酸エステル誘導体(I)、共重合単量体(VII)、重合開始剤、溶媒の種類および使用量;重合反応の温度などの重合条件により異なるが、通常、30分〜48時間の範囲であり、1時間〜24時間の範囲であるのがより好ましい。
こうして得られる高分子化合物(以下、高分子化合物(VIII)と称する。)は、再沈殿などの通常の操作により単離可能である。単離した高分子化合物は真空乾燥などで乾燥することもできる。
上記再沈殿の操作で用いる溶媒としては、例えばペンタン、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素;シクロヘキサンなどの脂環式炭化水素;ベンゼン、キシレンなどの芳香族炭化水素;塩化メチレン、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素;ニトロメタンなどのニトロ化炭化水素;アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル;ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル;アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン;酢酸などのカルボン酸;酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネートなどのカーボネート;メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノールなどのアルコール;水が挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用してもよいし、2種類以上を併用してもよい。
溶媒の使用量は、高分子化合物(VIII)の種類、溶媒の種類により異なるが、通常、高分子化合物(VIII)1質量部に対して0.5〜100質量部の範囲であるのが好ましく、経済性の観点からは、1〜50質量部の範囲であるのがより好ましい。
上記方法により得られる高分子化合物(VIII)の具体例としては、例えば下記に示す化学構造式(8−1)〜(8−120)および(9−1)〜(9−168)で示される高分子化合物(式中、R22からR52は、それぞれ独立して水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を示す。また、a、b、c、d、およびeは、それぞれの繰り返し単位のモル比を表し、a+b=1、およびc+d+e=1である。)などが挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
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Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
上記方法により得られる高分子化合物(VIII)の重量平均分子量(Mw)は特に制限は無いが、500〜50000の範囲、好ましくは1000〜30000の範囲であると、後述するフォトレジスト組成物の成分として有用である。本発明ではかかるMwおよび数平均分子量(Mn)の測定は、ゲル浸透クロマトグラフィー法(GPC法)により、TSK−gel SUPER HZM−H(商品名、東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)2本およびTSK−gel SUPER HZ2000(東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)1本を直列につないだものを使用し、テトラヒドロフランを溶媒とし、カラム温度40℃、示差屈折率計温度40℃、溶離液の流速0.35ml/分、の条件で測定し、標準ポリスチレンで作成した検量線を元にして算出できる。また、重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除することにより分散度(Mw/Mn)を求める。
[フォトレジスト組成物]
上記の方法により得られる高分子化合物(VIII)と、後述の溶媒および光酸発生剤、並びに必要に応じて塩基性化合物および添加物を配合することにより、フォトレジスト組成物を調製する。
フォトレジスト組成物に配合する溶媒としては、例えばプロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどのグリコールエーテル;乳酸エチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピルなどのエステル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノンなどのケトン;ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテルなどが挙げられる。溶媒は、単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
溶媒の配合量は、高分子化合物(VIII)1質量部に対して、通常、1〜50質量部の範囲であり、2〜25質量部の範囲であるのが好ましい。
光酸発生剤としては、従来、化学増幅型レジストに通常用いられる光酸発生剤を用いることができ、例えばp−トルエンスルホン酸2−ニトロベンジル、p−トルエンスルホン酸2、6−ジニトロベンジル、p−トルエンスルホン酸2,4−ジニトロベンジルなどのニトロベンジル誘導体;1,2,3−トリス(メタンスルホニルオキシ)ベンゼン、1,2,3−トリス(トリフルオロメタンスルホニルオキシ)ベンゼン、1,2,3−トリス(p−トルエンスルホニルオキシ)ベンゼンなどのスルホン酸エステル;ビス(ベンゼンスルホニル)ジアゾメタン、ビス(p−トルエンスルホニル)ジアゾメタン、ビス(2,4−ジメチルフェニルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(1、1−ジメチルエチルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(シクロヘキシルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(n−ブチルスルホニル)ジアゾメタンなどのジアゾメタン誘導体;ノナフルオロ−n−ブタンスルホン酸トリフェニルスルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸トリフェニルスルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸(p−tert−ブトキシフェニル)ジフェニルスルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸トリス(p−tert−ブトキシフェニル)スルホニウム、p−トルエンスルホン酸トリフェニルスルホニウム、p−トルエンスルホン酸(p−tert−ブトキシフェニル)ジフェニルスルホニウム、p−トルエンスルホン酸トリス(p−tert−ブトキシフェニル)スルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸トリナフチルスルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸シクロヘキシルメチル(2−オキソシクロヘキシル)スルホニウム、トリフルオロメタンスルホン酸(2−ノルボルニル)メチル(2−オキソシクロヘキシル)スルホニウム、1,2’−ナフチルカルボニルメチルテトラヒドロチオフェニウムトリフレートなどのオニウム塩;ビス−O−(p−トルエンスルホニル)−α−ジメチルグリオキシム、ビス−O−(n−ブタンスルホニル)−α−ジメチルグリオキシムなどのグリオキシム誘導体;N−ヒドロキシスクシンイミドメタンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシスクシンイミドトリフルオロメタンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシスクシンイミド1−プロパンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシイミドp−トルエンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシナフタルイミドメタンスルホン酸エステル、N−ヒドロキシナフタルイミドベンゼンスルホン酸エステルなどのN−ヒドロキシイミド化合物のスルホン酸エステル誘導体;2−(4−メトキシフェニル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジン、2−(4−メトキシナフチル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3−5−トリアジン、2−[2−(2−フリル)エテニル]−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジン、2−[2−(5−メチル−2−フリル)エテニル]−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジン、2−[2−(3,5−ジメトキシフェニル)エテニル]−4,6−ビス(トリクロロメチル)−1,3,5−トリアジンなどのハロゲン含有トリアジン化合物などが挙げられる。これらの光酸発生剤は単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
光酸発生剤の使用量は、フォトレジスト組成物の感度および現像性を確保する観点から、前記高分子化合物(VIII)100質量部に対して、通常、0.1〜30質量部の範囲であるのが好ましく、0.5〜10質量部の範囲であるのがより好ましい。
本発明のフォトレジスト組成物には、フォトレジスト膜中における酸の拡散速度を抑制して解像度を向上するために、必要に応じて塩基性化合物を本発明のフォトレジスト組成物の特性が阻害されない範囲の量で配合することができる。かかる塩基性化合物としては、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−(1−アダマンチル)アセトアミド、ベンズアミド、N−アセチルエタノールアミン、1−アセチル−3−メチルピペリジン、ピロリドン、N−メチルピロリドン、ε−カプロラクタム、δ−バレロラクタム、2−ピロリジノン、アクリルアミド、メタクリルアミド、t−ブチルアクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、メチレンビスメタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、N−メトキシアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミドなどのアミド;ピリジン、2−メチルピリジン、4−メチルピリジン、ニコチン、キノリン、アクリジン、イミダゾール、4−メチルイミダゾール、ベンズイミダゾール、ピラジン、ピラゾール、ピロリジン、ピペリジン、テトラゾール、モルホリン、4−メチルモルホリン、ピペラジン、1、4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、トリエタノールアミン等のアミンを挙げることができる。これらは単独で使用することも、2種類以上を混合して使用することも可能である。塩基性化合物を使用する場合、その使用量は使用する塩基性化合物の種類により異なるが、光酸発生剤1モルに対して、通常、0.01〜10モルの範囲で使用し、0.05〜1モルの範囲で使用することがより好ましい。
本発明のフォトレジスト組成物には、塗布性を向上させるため、所望により、さらに界面活性剤を本発明のフォトレジスト組成物の特性が阻害されない範囲の量で配合することができる。
かかる界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンn−オクチルフェニルエーテルなどが挙げられる。
界面活性剤は、単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
界面活性剤を使用する場合、その使用量は、高分子化合物(VIII)100質量部に対して、通常、2質量部以下である。
さらに、本発明のフォトレジスト組成物には、その他の添加剤として、増感剤、ハレーション防止剤、形状改良剤、保存安定剤、消泡剤などを、本発明のフォトレジスト組成物の特性が阻害されない範囲の量で配合することができる。
本発明のフォトレジスト組成物は、基板に塗布し、通常、70〜160℃で1〜10分間プリベークし、所定のマスクを介して放射線を照射(露光)後、70〜160℃で1〜5分間ポストエクスポージャーベークして潜像パターンを形成し、次いで現像液を用いて現像することにより、所定のレジストパターンを形成することができる。
現像液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア水などの無機塩基;エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミンなどのアルキルアミン;ジメチルエタノールアミン、トリエタノールアミンなどのアルコールアミン;テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドなどの第四級アンモニウム塩などを溶解したアルカリ性水溶液などが挙げられる。これらの中でも、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドなどの第四級アンモニウム塩を溶解したアルカリ性水溶液を使用するのが好ましい。現像液の濃度は、通常、0.1〜20質量%の範囲であり、0.1〜10質量%の範囲であるのがより好ましい。
露光には、種々の波長の放射線、例えば、紫外線、X線などが利用でき、半導体レジスト用では、通常、g線、i線、XeCl、KrF、KrCl、ArF、ArClなどのエキシマレーザーが使用されるが、中でも微細加工の観点から、ArFエキシマレーザーを使用するのが好ましい。露光量は、0.1〜1000mJ/cmの範囲であるのが好ましく、1〜500mJ/cmの範囲であるのがより好ましい。
また、本発明のフォトレジスト組成物は、液浸リソグラフィーに適用することも可能である。液浸リソグラフィーとは、露光装置の投影レンズとレジスト膜の間に大気よりも光の屈折率の高い液体を注入することで解像度を高める露光技術である。ArF液浸リソグラフィーにおいては、かかる液体として、純水が用いられる。具体的には、プリベーク後のレジスト膜と投影レンズの間に純水を注入して露光することにより、波長193nmのArFエキシマレーザーにより露光した場合、レジスト膜を通過する放射線は波長135nmとなり、短波長化するため、高解像度を得ることが可能となる。
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はかかる実施例により何ら限定されない。
なお、重量平均分子量(Mw)および分散度(Mw/Mn)は、検出器として示差屈折率計を用い、溶離液としてテトラヒドロフラン(THF)を用いたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、標準ポリスチレンで作成した検量線による換算値として求めた。
GPC測定:カラムとして、TSK−gel SUPER HZM−H(商品名:東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)2本およびTSK−gel SUPER HZ2000(商品名:東ソー株式会社製、4.6mm×150mm)1本を直列につないだものを使用し、カラム温度40℃、示差屈折率計温度40℃、溶離液の流速0.35mL/分の条件で測定した。
<合成例1>1,4−オキサチアン−2−オールの合成
Figure 2009196942
温度計、還流管、メカニカルスターラーを備えた内容積2Lの四口フラスコに、メタノール691gを入れた。フラスコを氷浴で冷却し、攪拌下に水酸化ナトリウム128.1g(3.20mol)を温度が50℃を超えないように少しずつ加えた。水酸化ナトリウムの添加が終了後、攪拌を継続し、温度が2〜5℃になったところで、滴下漏斗からメルカプトエタノールを250.3g(3.20mol)を温度が5〜10℃の範囲になるようにゆっくり滴下した。滴下終了後、1時間攪拌を継続し、滴下漏斗からクロロアセトアルデヒド=ジメチル=アセタール295.6g(2.37mol)を温度が5〜10℃の範囲で滴下した。滴下終了後、加温を開始し、温度が70〜75℃の範囲で14時間攪拌した。この時、ガスクロマトグラフィーで分析すると、クロロアセトアルデヒド=ジメチル=アセタールの変換率は95.5%であった。反応液の温度を室温まで下げた後、反応液をろ過して生成した塩を除去し、ろ液を減圧濃縮した液を単蒸留した。圧力545Pa、釜内温度146℃、留出温度122℃の条件において、(2−ヒドロキシエチルメルカプト)アセトアルデヒド=ジメチル=アセタール334.0g(1.89mol)を淡黄色の透明液体として得た(純度94.3%、収率80%)。
次に、温度計、蒸留ヘッド、メカニカルスターラーを備えた内容積1Lの四口フラスコに、水672.3g、(2−ヒドロキシエチルメルカプト)アセトアルデヒド=ジメチル=アセタール100.0g(565mmol)、5.0wt%硫酸水溶液1.67gを入れた。圧力16.0KPa、釜内温度70℃の条件下、水と生成するメタノールを留去させながら4時間攪拌した。この時、ガスクロマトグラフィーで分析したところ、(2−ヒドロキシエチルメルカプト)アセトアルデヒド=ジメチル=アセタールの変換率は94.2%であった。釜内温度を室温まで下げた後、4.0wt%水酸化ナトリウム水溶液でpHを8.0とし、酢酸エチル400gで3回抽出した。得られた抽出3回分を合わせて、減圧下に濃縮し、濃縮物63.3gを得た。該濃縮物をジイソプロピルエーテル158gに50℃で溶解させ、8℃までゆっくりと冷却し、析出した白色結晶をろ別することで、1,4−オキサチアン−2−オール35.1g(287mol)を白色結晶として得た(純度98.2%、収率51%)。
<実施例1>1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラートの合成
Figure 2009196942
温度計、滴下漏斗、メカニカルスターラーを備えた内容積2Lの四口フラスコに、THF431g、1,4−オキサチアン−2−オール42.9g(351mmol)、フェノチアジン0.61gを入れ、フラスコ内を窒素置換した。フラスコを氷浴で冷却した状態で、滴下漏斗からトリエチルアミン71.1g(703mmol)を温度が2〜5℃の範囲になるように滴下した。次に、メタクリル酸クロリド51.3g(486mmol)を温度が5〜10℃の範囲になるように滴下した。滴下終了後、3〜6℃で1.5時間攪拌を続けた。このときガスクロマトグラフィーで分析すると、1,4−オキサチアン−2−オールの変換率は99.9%であった。滴下漏斗から、水290gを温度が20℃未満になるようにゆっくり滴下し、滴下後に氷浴を外して内温を24℃とした。4−ジメチルアミノピリジン3.0gを入れ、24〜26℃で3時間攪拌した。このときガスクロマトグラフィーで分析すると、メタクリル酸無水物と1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラートの比は、メタクリル酸無水物:1,4−ジチアン−2−イル=メタクリラート=0.3:99.7(面積比)であった。該混合液を内容量2Lの分液漏斗に移し、酢酸エチル285gで3回抽出した。得られた抽出液3回分を内容量2Lの分液漏斗に入れ、1%塩酸水溶液285gで3回、水285gで順次洗浄した。p−メトキシフェノール0.017g、フェノチアジン0.017gを入れて、減圧下、溶媒を留去し、蒸留原液82.4gを得た。蒸留はSHIBATA分子蒸留装置(MS−300)を用いた。圧力13.3〜26.6Pa、温度30〜35℃にて該蒸留原液を流して得た高沸点留分を圧力9.3〜13.3Pa、温度40〜45℃にて流し、低沸点留分に以下の物性を示す1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラート54.4g(285mmol)を無色透明の液体として得た(純度98.7%、収率81%)。なお、オクタノール/水分配係数のlog値であるlogPと溶解度パラメーターであるSPは、計算ソフトCAChe(商品名;富士通株式会社)のハミルトニアンPM5を用いて計算した。
H−NMR(300MHz、CDCl、TMS、ppm)δ:1.97(3H、s)、2.58−2.2.63(2H、m)、2.73(1H、dd、J=6.0、13.4Hz)、2.83(1H、dd、J=2.4、13.4Hz)、3.97(1H、m)、4.29(1H、m)、5.66(1H、m)、5.98(1H、ddd=1.1、2.4、6.0Hz)、6.23(1H、s)
logP1.33
SP17.8(J/mol)0.5
<実施例2> メタクリ酸エステルの酸に対する反応性の評価
NMRチューブに、1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラート2.73×10−4mol、1,1,2,2−テトラクロロエタン−d0.69mL、メタンスルホン酸1.47×10−6molを入れ、キャップをして良く振り混ぜた。該NMRチューブを120℃のオイルバスに数秒〜数分間漬けた後、NMRチューブを取り出して氷浴につけ反応液を冷却後、直ちにH−NMRをNMR Gemini−300(商品名;バリアン社製)で測定した。反応させたメタクリ酸エステルのNMRチャートには、未反応のメタクリ酸エステルと反応で生成したアクリル酸が観測され、それぞれのビニルプロトンから解離反応の変換率を求めた。この後、同NMRチューブを120℃のオイルバスに数秒〜数分間漬け、氷浴にて冷却し、H−NMRを測定する操作を数回繰り返し、反応時間に対する変換率を数点求めた。ここで求めた時間に対する変換率を下記の一次反応速度式(式1)
Figure 2009196942
(式中、kは速度定数(s−1)、tは時間(s)、Xは変換率を表す。)に従い、X軸に時間(s)、Y軸にln(1−X)をプロットし、直線の傾きから各メタクリル酸エステルの120℃における脱保護反応の速度定数を求めた。比較としては一般に使用される2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンを選択し、1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラートと同じ方法にて120℃における速度定数を求めた。1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラートの脱保護反応の速度定数を2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンのそれで除することにより、1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラートの2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンに対する相対活性を求めた。以上の操作および解析を140℃でも行った。結果を表1に示した。
Figure 2009196942
<実施例3> メタクリ酸エステルの脱保護反応の活性化エネルギー
実施例2の解析で求めた1、4−オキサチアン−2−イル=メタクリラートおよび2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタンの120℃および140℃における脱保護反応の速度定数を下記式(式2)に代入し、各メタクリル酸エステルの脱保護反応の活性化エネルギー(E)を求めた。結果を表2に示した。
Figure 2009196942
(式中、kは120℃における脱保護反応の速度定数(s−1)、kは140℃における脱保護反応の速度定数(s−1)、 Eは脱保護反応の活性化エネルギー(kcal/mol) Rは気体定数(1.987cal・K−1・mol−1、Tは120℃の絶対温度(K) Tは140℃の絶対温度(K)を表す。)
Figure 2009196942
<実施例4>
高分子化合物aの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積300mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラート8.48g(42.5mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート10.05g(42.5mmol)、1,4−ジオキサン150.2gおよび2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)1.96g(7.90mmol)を仕込み、60〜62℃にて6時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のジイソプロピルエーテル中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF150.0gに溶解した液を上記と同質量のジイソプロピルエーテル/メタノール混合溶液(重量比 ジイソプロピルエーテル:メタノール=4:1)中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のジイソプロピルエーテル/メタノール混合溶液(重量比 ジイソプロピルエーテル:メタノール=4:1)で洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物a11.3gを得た。得られた高分子化合物aのMwは17700、分散度は1.95であった。
Figure 2009196942
<実施例5>
高分子化合物bの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積200mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラート8.17g(42.7mmol)、5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン9.49g(42.7mmol)、1,4−ジオキサン140.0gおよび2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)2.86g(11.5mmol)を仕込み、60〜63℃にて4時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1,4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のジイソプロピルエーテル/メタノール混合溶液(重量比 ジイソプロピルエーテル:メタノール=4:1)中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のジイソプロピルエーテル/メタノール混合溶液(重量比 ジイソプロピルエーテル:メタノール=4:1)で洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物b9.54gを得た。得られた高分子化合物bのMwは14800、分散度は1.74であった。
Figure 2009196942
<実施例6>
高分子化合物cの合成
実施例5において5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン9.49g(42.7mmol)の代わりにα―メタクリロイルオキシ−γ―ブチロラクトン7.27g(42.7mmol)を用い、2,2’−アゾビス(2、4−ジメチルバレロニトリル)の使用量を2.86g(11.5mmol)から1.99g(8.00mmol)に代えた以外は実施例5と同様の仕込み量および条件で重合反応を行った。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のジイソプロピルエーテル/メタノール混合溶液(重量比 ジイソプロピルエーテル:メタノール=4:1)中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1、4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のジイソプロピルエーテル/メタノール混合溶液(重量比 ジイソプロピルエーテル:メタノール=4:1)中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のジイソプロピルエーテル/メタノール混合溶液(重量比 4/1)で洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物c8.03gを得た。得られた高分子化合物cのMwは11800、分散度は1.82であった。
Figure 2009196942
<実施例7>
高分子化合物dの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積100mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1,4−オキサチアン−2−イル=メタクリラート3.58g(18.7mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート2.95g(12.5mmol)、5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン4.16g(18.7mmol)、1,4−ジオキサン100.0gおよび2,2’−アゾビス(2、4−ジメチルバレロニトリル)1.79g(7.20mmol)を仕込み、60〜63℃にて4時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1,4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物d6.31gを得た。得られた高分子化合物dのMwは10500、分散度は1.50であった。
Figure 2009196942
<実施例8>
高分子化合物eの合成
実施例7において5−メタクリロイルオキシ−2,6−ノルボルナンカルボラクトン4.16g(18.7mmol)の代わりにα―メタクリロイルオキシ−γ―ブチロラクトン3.18g(18.7mmol)を用いた以外は実施例7と同様の仕込み量および条件で重合反応を行った。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物を1,4−ジオキサン80.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物e5.34gを得た。得られた高分子化合物eのMwは12300、分散度は1.62であった。
Figure 2009196942
<合成例2>
高分子化合物fの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積200mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、2−メチル−2−アダマンチル=メタクリラート10.0g(42.3mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート10.0g(42.7mmol)、プロピレングリコールモノメチルエーテル80.0gおよび2,2’−アゾビスイソブチロニトリル1.40g(8.53mmol)を仕込み、81〜87℃にて2時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF100.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物f13.2gを得た。得られた高分子化合物fのMwは16100、分散度は1.68であった。
Figure 2009196942
<合成例3>
高分子化合物gの合成
合成例2において、2−メチル−2−アダマンチル=メタクリラート10.0g(42.3mmol)の代わりにテトラヒドロピラン−2−イル=メタクリラート7.39g(42.7mmol)を用いた以外は合成例2と同様の仕込み量および条件で重合反応を行った。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF100.0gに溶解した液を上記と同質量のメタノール中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量のメタノールで洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物g9.96gを得た。得られた高分子化合物gのMwは13200、分散度は1.71であった。
Figure 2009196942
<合成例4>
高分子化合物hの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積200mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、1−メチル−1−シクロヘキシル=メタクリラート9.14g(50.2mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート11.82g(50.0mmol)、1,4−ジオキサン101.4gおよび2,2’−アゾビスイソブチロニトリル1.24g(7.55mmol)を仕込み、80〜82℃にて5時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、反応混合液に対して約20倍質量の水―メタノール混合溶液(重量比 水:メタノール=1:3)中に撹拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取した。該沈殿物をTHF140.0gに溶解した液を上記と同質量の水―メタノール混合溶液(重量比 水:メタノール=1:3)中に攪拌しながら滴下し、生成した沈殿物をろ取後、上記と同質量の水―メタノール混合溶液(重量比 水:メタノール=1:3)で洗浄することにより白色沈殿物を得た。該沈殿物を、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物h11.8gを得た。得られた高分子化合物hのMwは12600、分散度は1.83であった。
Figure 2009196942
<合成例5>
高分子化合物iの合成
電磁攪拌装置、還流冷却器および温度計を備えた内容積100mlの丸底フラスコに、窒素雰囲気下、2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン4.39g(18.7mmol)、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル=メタクリラート2.95g(12.5mmol)、α―メタクリロイルオキシ−γ―ブチロラクトン3.18g(18.7mmol)、メチルエチルケトン35.4gおよび2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.66g(4.0mmol)を仕込み、80℃にて4時間重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下することにより、白色沈殿物を得た。該沈殿物をろ取し、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物i6.06gを得た。得られた高分子化合物iのMwは10000、分散度は1.50であった。
Figure 2009196942
<合成例6>
高分子化合物jの合成
合成例5において、2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン4.39g(18.7mmol)の代わりにテトラヒドロピラン−2−イル=メタクリラート3.18g(18.7mmol)を用いた以外は合成例5と同様の仕込み量および条件で重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下することにより、白色沈殿物を得た。該沈殿物をろ取し、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物j5.82gを得た。得られた高分子化合物jのMwは6500、分散度は1.60であった。
Figure 2009196942
<合成例7>
高分子化合物kの合成
合成例5において2−メタクリロイルオキシ−2−メチルアダマンタン4.39g(18.7mmol)の代わりに1−メチル−1−シクロヘキシル=メタクリラート3.41g(18.7mmol)を用いた以外は合成例5と同様の仕込み量および条件で重合反応を行なった。得られた反応混合液を、室温下、約20倍質量のメタノール中に撹拌しながら滴下することにより、白色沈殿物を得た。該沈殿物をろ取し、減圧(26.7Pa)下、50℃で10時間乾燥して、以下の繰り返し単位からなる高分子化合物k5.69gを得た。得られた高分子化合物kのMwは6900、分散度は1.58であった。
Figure 2009196942
<実施例9〜13および比較例1〜6>
QCM法による現像液中の溶解特性評価
実施例4〜8および合成例2〜7で得られた高分子化合物a、b、c、d、e、f、g、h、i、jおよびkを100質量部と、光酸発生剤としてTPS−109(製品名、みどり化学株式会社製)を3質量部と、溶媒として、高分子化合物のa、b、c、f、gおよびhの場合は乳酸エチル、それら以外の高分子化合物の場合はプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート/乳酸エチル=1/1(質量比)の混合溶媒を用いて、それぞれを混合し、高分子化合物の濃度が12質量%のフォトレジスト組成物12種類を調製した。これらのフォトレジスト組成物を、フィルター[四フッ化エチレン樹脂(PTFE)製、孔径0.2μm]を用いてろ過した後、表面に金電極を真空蒸着した1インチサイズの石英基板上にそれぞれスピンコーティング法により塗布し、厚み約300nmの感光層を形成させた。これらの感光層を形成させた石英基板をホットプレート上にて、110℃で90秒間プリベークした後、ArFエキシマレーザー(波長193nm)を用い、露光量100mJ/cmで露光し、続いて110℃で90秒間ポストエクスポージャーベークした。水晶振動子マイクロバランス装置「RQCM」(商品名;Maxtek社製)に上記石英基板をセットし、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液にて120秒間現像処理した。現像処理中の石英基板の振動数変化を経時的にモニターした後、得られた振動数変化を膜厚の変化に換算し、膜厚の増加変化から最大膨潤量、膜厚の減少変化から溶解速度を算出した。結果を表3に示した。
<実施例14〜18および比較例7〜12>
二光束干渉法露光評価
実施例4〜8および合成例2〜7で得られた高分子化合物a、b、c、d、e、f、g、h、i、jおよびkを100質量部と、光酸発生剤としてTPS−109(製品名、みどり化学株式会社製)を3質量部と、溶媒として、高分子化合物のa、b、c、f、gおよびhの場合は乳酸エチル、それら以外の高分子化合物の場合はプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート/乳酸エチル=1/1(質量比)の混合溶媒を用いて、それぞれを混合し、高分子化合物の濃度が12質量%のフォトレジスト組成物12種類を調製した。
これらのフォトレジスト組成物を、フィルター[四フッ化エチレン樹脂(PTFE)製、孔径0.2μm]を用いてろ過した。クレゾールノボラック樹脂(群栄化学製PS−6937)6質量%濃度のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液をスピンコーティング法により塗布して、ホットプレート上で200℃で90秒間焼成することにより、膜厚約100nmの反射防止膜(下地膜)を形成させた直径10cmのシリコンウエハー上に、該ろ液をそれぞれスピンコーティング法により塗布し、ホットプレート上で130℃、90秒間プリベークして膜厚約300nmのレジスト膜を形成させた。このレジスト膜に、波長193nmのArFエキシマレーザーを用いて二光束干渉法露光した。引き続き、130℃で90秒間ポストエクスポージャーベークした後、2.38質量%−テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液にて60秒間現像処理することにより、1:1のラインアンドスペースパターンを形成させた。現像済みウエハーを割断したものを走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、線幅100nmのラインアンドスペースを1:1で解像した露光量におけるパターンの形状観察と線幅の変動(以下、LWRと称する。)測定を行った。LWRは、測定モニタ内において、線幅を複数の位置で検出し、その検出位置のバラツキの分散(3σ)を指標とした。結果を表4に示した。
<実施例19〜21および比較例13〜15>
熱安定性
実施例4〜6および合成例2〜4で得られた高分子化合物a、b、c、f、gおよびhの熱に対する安定性をミクロ熱重量測定装置TGA−50(商品名;島津製作所社製)により確認した。サンプル量は高分子化合物約5.0mgとし、窒素ガス50mL/min、昇温10℃/minの設定下、20℃〜600℃の範囲で測定した。得られたグラフから、重量減少の開始温度と元の重量に対して5%分が減少したときの温度を読み取った。なお、ここでの重量減少は、熱によって高分子化合物が分解していることを示すものであり、一般的に、重量減少を示した時の温度が高いものほど熱に対して安定であると解釈できる。結果を表5に示した。
Figure 2009196942
Figure 2009196942
Figure 2009196942
以上の結果より、本発明のアクリル酸エステル誘導体(I)は、一般に使用されるメタクリル酸エステルと比較した場合、酸に対して高い反応性を有していること(実施例2参照)、および活性化エネルギーが低いこと(実施例3参照)から、化学増幅型レジストの原料として有用である。
また、本発明のアクリル酸エステル誘導体(I)を繰り返し単位に含む高分子化合物の場合(高分子化合物a〜e)、含まない高分子化合物の場合(高分子化合物f〜k)に比べ、フォトレジストにパターンを形成する際の現像工程にて使用するアルカリ現像液への溶解速度が非常に高く、現像時の最大膨潤量が非常に小さく(実施例9〜13および比較例1〜6参照)、LWRが改善されていることがわかる(実施例14〜18および比較例7〜12参照)。また、熱安定性も優れている(実施例19〜21および比較例13〜15参照)ことから、半導体デバイス製造用の化学増幅型レジストとして有用であることがわかる。
本発明で得られるアクリル酸エステル誘導体(I)および、アクリル酸エステル誘導体(I)を原料の一つとして重合することにより得られる高分子化合物(VIII)は、フォトレジスト組成物の原料として有用である。また、本発明で得られる環状アルコール(II−1)は、アクリル酸エステル誘導体(I)の原料として有用である。

Claims (10)

  1. 下記一般式(I)
    Figure 2009196942
    (式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。R、R、およびRは、
    1)R、R、およびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;
    2)RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表し、Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;または
    3)Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表し、RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;のいずれかを表す。
    n、R、R、R、R、R、およびR10
    1)nは0を表す。R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。RおよびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表すか、または、連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;または
    2)n=1または2を表す。R、R、R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;のいずれかを表す。
    AとBは、それぞれ酸素原子または硫黄原子を表し、AもBも硫黄原子である組み合わせを除く。)で示されるアクリル酸エステル誘導体。
  2. Aが酸素原子であり、Rが水素原子である請求項1記載のアクリル酸エステル誘導体。
  3. nが0または1であり、Aが酸素原子であり、R、R、R、R、R、R、R、RおよびR10が水素原子である請求項1記載のアクリル酸エステル誘導体。
  4. 下記一般式(II)
    Figure 2009196942
    (式中、R、R、およびRは、
    1)R、R、およびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;
    2)RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表し、Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;または
    3)Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表し、RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;のいずれかを表す。
    n、R、R、R、R、R、およびR10
    1)nは0を表す。R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。RおよびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表すか、または、連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;または
    2)n=1または2を表す。R、R、R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;のいずれかを表す。
    AとBは、それぞれ酸素原子または硫黄原子を表し、AもBも硫黄原子である組み合わせを除く。)で示される環状アルコールを
    下記一般式(I)
    Figure 2009196942
    (式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。R、R、R、R、R、R、R、R、R10、n、A、およびBは前記定義のとおり。)で示されるアクリル酸エステル誘導体へと変換することを特徴とする、一般式(I)で示されるアクリル酸エステル誘導体の製造方法。
  5. 下記一般式(III)
    Figure 2009196942
    (式中、RおよびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表すか、または、RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す。
    n、R、R、R、R、R、およびR10は、
    1)nは0を表す。R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。RおよびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表すか、または、連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;または
    2)n=1または2を表す。R、R、R、R、R、およびR10は、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;のいずれかを表す。
    Aは酸素原子を表す。Bは酸素原子または硫黄原子を表す。)
    で示される環状オレフィンを下記一般式(I)
    Figure 2009196942
    (式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。Rは水素原子を表す。R、R、R、R、R、R、R、R10、n、A、およびBは前記定義のとおり。)で示されるアクリル酸エステル誘導体へと変換することを特徴とする、一般式(I)で示されるアクリル酸エステル誘導体の製造方法。
  6. 下記一般式(II)
    Figure 2009196942
    (式中、R、R、Rは、
    1)R、R、およびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;
    2)RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表し、Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;または
    3)Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表し、RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;のいずれかを表す。
    n=1または2を表す。R、R、R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。Aは酸素原子を表す。Bは酸素原子または硫黄原子を表す。)で示されるアルコール。
  7. nが1である請求項6記載のアルコール。
  8. nが1であり、R、R、R、R、R、R、R、RおよびR10が水素原子である請求項6記載のアルコール。
  9. 下記一般式(IV)
    Figure 2009196942
    (式中、R、R、およびRは、
    1)R、R、およびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;
    2)RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表し、Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;または
    3)Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表し、RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;のいずれかを表す。
    13およびR14は、それぞれ、炭素数1〜3の直鎖状アルキル基または炭素数3〜6の分岐状アルキル基を表す。Xは塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子を表す。)で示されるアセタール化合物を塩基存在下、下記一般式(V)
    Figure 2009196942
    (式中、n=1または2を表す。R、R、R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。Aは酸素原子を表す。Bは酸素原子または硫黄原子を表す。)で示されるアルコールと反応させ、得られる下記一般式(VI)
    Figure 2009196942
    (式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10、R13、R14、A、Bおよびnは、前記定義の通り。)で示されるアルコールを加水分解することによって、下記一般式(II)
    Figure 2009196942
    (式中、R、R、R、R、R、R、R、R、R10、Bおよびnは、前記定義の通り。)で示されるアルコールへと変換することを特徴とする、一般式(II)で示されるアルコールの製造方法。
  10. 下記一般式(I)
    Figure 2009196942
    (式中、Rは、水素原子、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。R、R、およびRは、
    1)R、R、およびRは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;
    2)RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表し、Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;または
    3)Rは水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表し、RとRは連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;のいずれかを表す。
    n、R、R、R、R、R、およびR10
    1)nは0を表す。R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す。R、Rは、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表すか、または、連結して炭素数3〜6のアルキレン基を表す;または
    2)n=1または2を表す。R、R、R、R、R、およびR10は、それぞれ、水素原子、炭素数1〜6の直鎖状アルキル基、炭素数3〜6の分岐状アルキル基、または炭素数3〜6の環状アルキル基を表す;のいずれかを表す。
    AとBは、それぞれ酸素原子または硫黄原子を表し、AもBも硫黄原子である組み合わせを除く。)で示されるアクリル酸エステル誘導体を原料の一つとして重合することにより得られる高分子化合物。
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