JP7201024B2 - ネガ型感光性樹脂組成物 - Google Patents
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Description
そこで、ナフトキノンジアジドを使用しないネガ型感光性樹脂組成物を用いた画素分割層の形成方法が検討されている(例えば、特許文献2)。しかしながら、特許文献2記載のネガ型レジストでは十分なアルカリ現像性、低温硬化性が得られず、現像後の残渣発生、熱処理後の分割層のダレが課題であった。
(A)m-クレゾールから誘導される構造単位(a1)、ベンズアルデヒドから誘導される構造単位(a2)、及びサリチルアルデヒドから誘導される構造単位(a3)のモル比[(a1):(a2):(a3)]が、1.0:0.3~0.8:0.3~0.8であるノボラック型フェノール樹脂
(B)ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリイミド前駆体、及びポリベンゾオキサゾール前駆体から選択される1種類以上の樹脂
(C)光酸発生剤
(D)架橋剤
(E)溶剤
本発明はさらに、前記ネガ型感光性樹脂組成物から得られるレジスト膜に関する。
なお、本明細書において、「x~y」は「x以上、y以下」の数値範囲を表すものとする。数値範囲に関して記載された上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
また、以下に記載される本発明の個々の形態を2つ以上組み合わせた形態もまた、本発明の形態である。
本発明の一実施形態に係るネガ型感光性樹脂組成物は、下記の成分(A)~(E)を含有する。
(A)m-クレゾールから誘導される構造単位(a1)、ベンズアルデヒドから誘導される構造単位(a2)、及びサリチルアルデヒドから誘導される構造単位(a3)のモル比[(a1):(a2):(a3)]が、1.0:0.3~0.8:0.3~0.8であるノボラック型フェノール樹脂
(B)ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリイミド前駆体、及びポリベンゾオキサゾール前駆体から選択される1種類以上の樹脂
(C)光酸発生剤
(D)架橋剤
(E)溶剤
以下、ネガ型感光性樹脂組成物の構成成分について説明する。
成分(A)であるノボラック型フェノール樹脂は、m-クレゾールから誘導される構造単位(a1)、ベンズアルデヒドから誘導される構造単位(a2)、及びサリチルアルデヒドから誘導される構造単位(a3)のモル比[(a1):(a2):(a3)]が、1.0:0.3~0.8:0.3~0.8である。
上記構造単位(a1)、(a2)及び(a3)の含有量の合計は、実質的に100質量%であってもよい。なお、実質的に100質量%とは、上記構造単位(a1)、(a2)及び(a3)以外の構造単位が不可避的に含まれる場合を意味する。
酸触媒の添加量は、特に制限されないが、成分(A)の構成する構造単位を誘導するための原料100質量部に対し、好ましくは5質量部以上、より好ましくは20質量部以上である。また、好ましくは150質量部以下、より好ましくは100質量部以下である。
反応時間は、好ましくは4時間以上、より好ましくは12時間以上である。また、好ましくは32時間以下、より好ましくは24時間以下である。
成分(B)は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリイミド前駆体、及びポリベンゾオキサゾール前駆体から選択される1種類以上の樹脂である。成分(B)は、従来から感光性樹脂組成物に使用されているものを用いることができる。
具体的に、ポリイミドは、例えば、テトラカルボン酸二無水物とジアミンを反応させてポリイミド前駆体であるポリアミド酸を得た後、当該ポリアミド酸を加熱処理により脱水閉環することで得ることができる。
ポリイミドの合成に用いられるテトラカルボン酸二無水物は、耐熱性の観点から、好ましくは無水ピロメリット酸である。ポリイミドの合成に用いられるジアミンは、耐熱性の観点から、好ましくは4,4-ジアミノジフェニルエーテルである。
ポリベンゾオキサゾールの合成に用いられるビスアミノフェノールは、耐熱性の観点から、好ましくは3,3-ヒドロキシベンジジンである。ポリベンゾオキサゾールの合成に用いられるジカルボン酸は、耐熱性の観点から、好ましくは4,4-ビフェニルジカルボン酸である。
ポリベンゾオキサゾール前駆体の例としては、ポリヒドロキシアミド等が挙げられる。
成分(C)である光酸発生剤は、特に限定されず、公知の光酸発生剤を使用することができる。例えば、有機ハロゲン化合物、スルホン酸エステル、オニウム塩、ジアゾニウム塩、ジスルホン化合物が挙げられる。
トリス(トリクロロメチル)-s-トリアジン、トリス(トリブロモメチル)-s-トリアジン、トリス(ジブロモメチル)-s-トリアジン、2,4-ビス(トリブロモメチル)-6-p-メトキシフェニル-s-トリアジン、(2-[2-(5-メチルフラン-2-イル)エテニル]-4,6-ビス(トリクロロメチル)-s-トリアジン)等のハロアルキル基含有s-トリアジン誘導体;
ン酸ブチル、p-トルエンスルホン酸フェニル、1,2,3-トリス(p-トルエンスルホニルオキシ)ベンゼン、p-トルエンスルホン酸ベンゾインエステル、メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル、メタンスルホン酸ブチル、1,2,3-トリス(メタンスルホニルオキシ)ベンゼン、メタンスルホン酸フェニル、メタンスルホン酸ベンゾインエステル、トリフルオロメタンスルホン酸メチル、トリフルオロメタンスルホン酸エチル、トリフルオロメタンスルホン酸ブチル、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、トリフルオロメタンスルホン酸フェニル、トリフルオロメタンスルホン酸ベンゾインエステル等のスルホン酸エステル化合物;ジフェニルジスルホン等のジスルホン化合物;
N,N’-ジ(フェニルスルホニル)ヒドラジド等のスルホンヒドラジド化合物;
トリアリールスルホニウム、トリアラルキルスルホニウム等のスルホニウムカチオンと、フルオロアルカンスルホネート、アレーンスルホネート、アルカンスルホネート等のスルホネートとの塩であるスルホニウム塩;
ビス(アルキルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(シクロアルキルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(パーフルオロアルキルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(アリールスルホニル)ジアゾメタン、ビス(アラルキルスルホニル)ジアゾメタン等のビススルホニルジアゾメタン化合物;
ベンゾイントシレート、ベンゾインメシレート、ベンゾインブタンスルホネート等のベンゾインスルホネート化合物;
ポリヒドロキシアレーン化合物のヒドロキシ基の全てをフルオロアルカンスルホネート、アレーンスルホネート、アルカンスルホネート等のスルホネート等で置換したポリヒドロキシアレーンスルホネート化合物;
フルオロアルカンスルホン酸(ポリ)フルオロアルカンベンジル、アレーンスルホン酸(ポリ)フルオロアルカンベンジル、アルカンスルホン酸(ポリ)フルオロアルカンベンジル等のフルオロアルカンベンジルスルホネート化合物;
ビス-O-(アリールスルホニル)-α-ジアルキルグリオキシム、ビス-O-(アリールスルホニル)-α-ジシクロアルキルグリオキシム、ビス-O-(アリールスルホニル)-α-ジアリールグリオキシム、ビス-O-(アルキルスルホニル)-α-ジアルキルグリオキシム、ビス-O-(アルキルスルホニル)-α-ジシクロアルキルグリオキシム、ビス-O-(アルキルスルホニル)-α-ジアリールグリオキシム、ビス-O-(フルオロアルキルスルホニル)-α-ジアルキルグリオキシム、ビス-O-(フルオロアルキルスルホニル)-α-ジシクロアルキルグリオキシム、ビス-O-(フルオロアルキルスルホニル)-α-ジアリールグリオキシム、ビス-O-(アリールスルホニル)-α-ジアルキルニオキシム、ビス-O-(アリールスルホニル)-α-ジシクロアルキルニオキシム、ビス-O-(アリールスルホニル)-α-ジアリールニオキシム、ビス-O-(アルキルスルホニル)-α-ジアルキルニオキシム、ビス-O-(アルキルスルホニル)-α-ジシクロアルキルニオキシム、ビス-O-(アルキルスルホニル)-α-ジアリールニオキシム、ビス-O-(フルオロアルキルスルホニル)-α-ジアルキルニオキシム、ビス-O-(フルオロアルキルスルホニル)-α-ジシクロアルキルニオキシム、ビス-O-(フルオロアルキルスルホニル)-α-ジアリールニオキシム等のオキシム化合物;
成分(C)の配合量は、良好な感度が得られ、所望のパターンが得られることから、成分(A)100質量部に対して、好ましくは0.1質量部以上であり、より好ましくは5質量部以上ある。また、好ましくは20質量部以下であり、より好ましくは15質量部以下である。
成分(D)である架橋剤は、特に限定されず、公知の架橋剤を使用することができる。具体的には、アルコキシメチル基、メチロール基、エポキシ基、オキセタニル基等のような熱架橋性基を、分子内に2つ以上有する化合物が挙げられる。
より具体的には、以下に示す多官能メチロール化合物が挙げられる。
成分(D)の配合量は、良好な感度が得られ、所望のパターンが得られることから、成分(A)100質量部に対して、好ましくは1質量部以上であり、より好ましくは3質量部以上ある。また、好ましくは30質量部以下であり、より好ましくは15質量部以下である。
成分(E)である溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の極性の非プロトン性溶媒、テトラヒドロフラン、ジオキサン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジイソブチルケトン等のケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸プロピル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、3-メチル-3-メトキシブチルアセテート等のエステル類、乳酸エチル、乳酸メチル、ジアセトンアルコール、3-メチル-3-メトキシブタノール等のアルコール類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類等が挙げられる。これらの溶剤は1種単独で用いてもよく、また、2種以上を併用してもよい。
一実施形態において、ネガ型感光性樹脂組成物には、上述した成分(A)~(E)の他、本発明の効果を阻害しない範囲で各種添加剤を配合してもよい。添加剤としては、充填材、顔料、レベリング剤等の界面活性剤、密着性向上剤、溶解促進剤等が挙げられる。
有機塩基化合物は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
該組成物に充填材、顔料等の固形のものを配合する際には、ディゾルバー、ホモジナイザー、3本ロールミル等の分散装置を用いて分散、混合させることが好ましい。また、粗粒や不純物を除去するため、メッシュフィルター、メンブレンフィルター等を用いて該組成物をろ過することもできる。
本発明の一実施形態に係る硬化膜は、上述した本発明のネガ型感光性樹脂組成物を硬化させることにより得られる。
具体的には、フォトリソグラフィーを行う対象物上に、本発明のネガ型感光性樹脂組成物を塗布し、プリベークすることにより、溶剤を除去した感光性樹脂組成物の膜(感光性膜)が得られる。
露光後、露光によって発生する酸の触媒反応により、成分(A)、成分(B)及び成分(D)との架橋反応を促進させるために、100℃前後で加熱処理する。
アルカリ現像液には、必要に応じてアルコール、界面活性剤等を適宜添加して用いることもできる。アルカリ現像液のアルカリ濃度は、通常2~5質量%の範囲が好ましく、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が一般的に用いられる。
本実施形態の硬化膜は、例えば、有機ELディスプレイ等の表示装置における画素分割層に使用できる。
[GPCの測定条件]
測定装置:東ソー株式会社製「HLC-8220 GPC」
カラム:昭和電工株式会社製「Shodex KF802」:8.0mmФ×300mm
+昭和電工株式会社製「Shodex KF802」:8.0mmФ×300mm
+昭和電工株式会社製「Shodex KF803」:8.0mmФ×300mm
+昭和電工株式会社製「Shodex KF804」:8.0mmФ×300mm
カラム温度:40℃
検出器:RI(示差屈折計)
データ処理:東ソー株式会社製「GPC-8020モデルIIバージョン4.30」
展開溶媒:テトラヒドロフラン
流速:1.0mL/分
試料:樹脂固形分換算で0.5質量%のテトラヒドロフラン溶液をマイクロフィルターでろ過したもの
注入量:0.1mL
標準試料:下記単分散ポリスチレン
(標準試料:単分散ポリスチレン)
東ソー株式会社製「A-500」
東ソー株式会社製「A-2500」
東ソー株式会社製「A-5000」
東ソー株式会社製「F-1」
東ソー株式会社製「F-2」
東ソー株式会社製「F-4」
東ソー株式会社製「F-10」
東ソー株式会社製「F-20」
合成例1(ノボラック型フェノール樹脂(A1)の合成)
冷却管を設置した容量が2000mLの4口フラスコに、m-クレゾール164g(1.52mol)、ベンズアルデヒド103g(0.97mol)、サリチルアルデヒド74g(0.61mol)、パラトルエンスルホン酸8gを仕込み、反応溶媒としてエタノール300gに溶解させた。その後、マントルヒーターで80℃に加熱し、還流下で16時間撹拌し反応させた。反応後、酢酸エチルと水を添加して5回分液洗浄した。残った樹脂溶液から溶媒を減圧留去した後、真空乾燥して、淡赤色粉末のノボラック型フェノール樹脂(A1)の粉末281gを得た。
ノボラック型フェノール樹脂(A1)のMwは3100であった。ノボラック型フェノール樹脂(A1)のGPCチャートを図1に示す。
出発原料の仕込み量を、m-クレゾール164g(1.52mol)、ベンズアルデヒド96g(0.90mol)、及びサリチルアルデヒド74g(0.6mol)とした以外は、合成例1と同様にしてノボラック型フェノール樹脂(A2)の粉末280gを得た。ノボラック型フェノール樹脂(A2)のMwは2250であった。
ノボラック型フェノール樹脂(A2)のGPCチャートを図2に示す。
出発原料の仕込み量を、m-クレゾール164g(1.52mol)、ベンズアルデヒド117g(1.10mol)、及びサリチルアルデヒド58g(0.47mol)とした以外は、合成例1と同様にしてノボラック型フェノール樹脂(A3)の粉末279gを得た。ノボラック型フェノール樹脂(A3)のMwは2700であった。
ノボラック型フェノール樹脂(A3)のGPCチャートを図3に示す。
出発原料の仕込み量を、m-クレゾール164g(1.52mol)、ベンズアルデヒド67g(0.63mol)、及びサリチルアルデヒド115g(0.94mol)とした以外は、合成例1と同様にしてノボラック型フェノール樹脂(A4)の粉末282gを得た。ノボラック型フェノール樹脂(A4)のMwは2900であった。
ノボラック型フェノール樹脂(A4)のGPCチャートを図4に示す。
反応溶媒をエタノール250g、1-プロパノール30g及び2-プロパノール15gとした以外は、合成例1と同様にしてノボラック型フェノール樹脂(A5)の粉末282gを得た。ノボラック型フェノール樹脂(A5)のMwは3200であった。
ノボラック型フェノール樹脂(A5)のGPCチャートを図5に示す。
乾燥窒素気流下、冷却管を設置した2000mLの4口フラスコにm-クレゾール140g(1.30mol)、p-クレゾール76g(0.7mol)、37重量%ホルムアルデヒド水溶液151g(ホルムアルデヒド1.86mol)、シュウ酸二水和物1g(0.01mol)を仕込み、メチルイソブチルケトン(MIBK)528gに溶解させた後、マントルヒーターで、反応液を還流させながら4時間撹拌し反応させた。反応後、水を添加し、分液洗浄を5回行った。エバポレーターでメチルイソブチルケトンを60℃で減圧留去させた後、真空乾燥して、淡赤色粉末のノボラック型フェノール樹脂(A6)212gを得た。ノボラック型フェノール樹脂(A6)のMwは3500であった。
m-クレゾール140g(1.30mol)及びp-クレゾール76g(0.7mol)の代わりに、m-クレゾール173g(2.00mol)とした以外は、比較合成例1と同様にしてノボラック型フェノール樹脂(A7)粉末211gを得た。ノボラック型フェノール樹脂(A7)のMwは5000であった。
合成例6
乾燥窒素気流下、冷却管を設置した2000mLの4口フラスコに無水ピロメリット酸125g(0.023mol)、4,4-ジアミノジフェニルエーテル115g(0.023mol)をN-メチル-2-ピロリドン1602gに溶解させ、100℃で4時間撹拌し反応させた。反応終了後、溶液を水2000gに投入して、ポリマー固体の沈殿を濾過で集めた。ポリマー固体を真空乾燥機にて80℃で72時間乾燥し、ポリイミド前駆体(B1)の粉末を得た。
実施例1
成分(A)として合成例1で得たフェノールノボラック樹脂(A1)粉末5g、成分(B)として合成例6で得たポリイミド前駆体のポリマー(B1)粉末2.5g、成分(C)として光酸発生剤溶液(CPI-101A:サンアプロ株式会社製、50%プロピレンカーボネート溶液)1.0g、成分(D)として架橋剤(2、6-ビス(ヒドロキシメチル)-p-クレゾール:東京化成工業製)0.15gを、成分(E)であるγ―ブチロラクトン74gに溶解させることにより、ネガ型感光性樹脂組成物(F1)を得た。
成分(A)として表1に示すフェノールノボラック樹脂(A2)~(A7)粉末を用いた以外は、実施例1と同様にしてネガ型感光性樹脂組成物(F2)~(F7)を得た。
実施例及び比較例で調製したネガ型感光性樹脂組成物を用いて、露光前のアルカリ溶解性、硬化膜の耐薬品性及び硬化膜の硬度を評価した。
(1)露光前のアルカリ溶解性
ネガ型感光性樹脂組成物を直径5インチのシリコンウエハ上に約5μmの厚さになるようにスピンコーターを用いて塗布後、120℃で180秒間プリベークして、感光性膜(レジスト膜)を形成したウエハを得た。ウエハを、現像液(2.38重量%水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(TMAH))250mLを注いだバットに10秒間浸漬した。バットから取り出したウエハを純水で10秒間リンス処理し、ウエハ上の感光性膜の残渣を観察することにより、アルカリ溶解性を評価した。残渣のないものを良好(〇)とし、残渣のあるものを不十分(×)とした。評価結果を表1に示す。
ネガ型感光性樹脂組成物を直径5インチのシリコンウエハ上に約10μmの厚さになるようにスピンコーターを用いて塗布後、120℃で180秒間プリベークして、感光性膜を形成したウエハを得た。次に、ウシオ製マルチライトで、ghi線を感光性膜に200mJ照射した。照射後、130℃のホットプレート上で120秒加熱し、さらに、窒素雰囲気下にて200℃で1時間加熱し、硬化膜とした。
加熱終了後、加熱装置内の温度が50℃以下になったところでウエハを取出し、膜厚を測定した。
その後、ウエハを3等分し、それぞれを、アセトン、N-メチルピロリドン(NMP)及び2.38重量%TMAHに15分間浸漬した。各溶剤から取り出したウエハを純水で洗浄した後、再度膜厚を測定した。
溶剤への浸漬前後の膜厚変化率にて、耐薬品性を評価した。変化率が2%未満であるものを良好(〇)、2%以上のものを不十分(×)とした。評価結果を表1に示す。
上記(2)と同様にして硬化膜を得た後、加熱装置の温度が50℃以下になったところでウエハを取出し、膜厚を測定した。ナノインデンテーション法(ENT-2100:エリオニクス株式会社製)により膜硬度を測定した。押し込み弾性率が8GPa以上であるものを良好(〇)、8GPa未満であるものを不十分(×)とした。評価結果を表1に示す。
モル比(m-Cr/p-Cr)は、m-クレゾールから誘導される構造単位(m-Cr)及びp-クレゾールから誘導される構造単位(p-Cr)のモル比である。
Claims (7)
- 下記の成分(A)~(E)を含有する、ネガ型感光性樹脂組成物。
(A)m-クレゾールから誘導される構造単位(a1)、ベンズアルデヒドから誘導される構造単位(a2)、及びサリチルアルデヒドから誘導される構造単位(a3)のモル比[(a1):(a2):(a3)]が、1.0:0.3~0.8:0.3~0.8であるノボラック型フェノール樹脂
(B)ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリイミド前駆体、及びポリベンゾオキサゾール前駆体から選択される1種類以上の樹脂
(C)有機ハロゲン化合物、スルホン酸エステル、オニウム塩、ジアゾニウム塩及びジスルホン化合物から選択される1種以上である光酸発生剤
(D)架橋剤
(E)溶剤 - 前記成分(A)が、m-クレゾール、ベンズアルデヒド、及びサリチルアルデヒドを、有機溶媒中、モル比でm-クレゾール:ベンズアルデヒド:サリチルアルデヒド=1.0:0.3~0.8:0.3~0.8の範囲において、酸触媒で重縮合させて得られるノボラック型フェノール樹脂である、請求項1に記載のネガ型感光性樹脂組成物。
- 前記成分(A)における、m-クレゾールから誘導される構造単位(a1)、ベンズアルデヒドから誘導される構造単位(a2)、及びサリチルアルデヒドから誘導される構造単位(a3)の含有量の合計が30質量%以上である、請求項1又は2に記載のネガ型感光性樹脂組成物。
- 前記成分(A)の重量平均分子量が1,000以上7,000以下である、請求項1~3のいずれかに記載のネガ型感光性樹脂組成物。
- 前記成分(D)が、アルコキシメチル基、メチロール基、エポキシ基及びオキセタニル基から選択される1種以上を分子内に2つ以上有する化合物である、請求項1~4のいずれかに記載のネガ型感光性樹脂組成物。
- 請求項1~5のいずれかに記載のネガ型感光性樹脂組成物から得られる硬化膜。
- 請求項1~5のいずれかに記載のネガ型感光性樹脂組成物から得られるレジスト膜。
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