CN116880125A - 正性感光性树脂组合物其用途及使用其的金属图形化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种正性感光性树脂组合物,其包含以下组分:(A)碱可溶性树脂,(B)光敏性化合物,(C)咪唑类化合物,(D)溶剂,(E)粘接助剂,(F)表面活性剂,其中组分(B)‑(F)的量基于组分(A)为100重量份计,其中所述碱可溶性树脂的重均分子量为1,000至10,000,优选为1,000至5,000,更优选为2,000至5,000,最优选为2,900至4,000。本发明还提供将本发明的正性感光性树脂组合物图形化的方法,以及本发明的正性感光性树脂组合物用于半导体制备中金属图形化的用途。本发明的树脂组合物改善了其与基板之间的粘附性。
Description
技术领域
本发明涉及光刻胶领域,更具体而言,涉及正性感光性树脂组合物,尤其是包含有咪唑类化合物的正性感光性树脂组合物、其用途及使用其的金属图形化的方法。
背景技术
近年来,随着半导体集成电路元件、薄膜晶体管的液晶显示元件或触控面板制造的飞速发展,而光刻胶作为精细图形光刻加工过程中关键功能材料,在这些领域扮演越来越重要的角色。而一般而言,光刻胶经历紫外辐射后,发生一系列化学反应,使得曝光前后光刻胶在特定显影液中的溶解速率产生变化,再经过显影、坚膜(使膜更致密)、湿法腐蚀或干法刻蚀或离子注入,最后去胶等一系列过程,将掩模板设计的精细图形转移到目标基材(基板)上。在这光刻制造流程中,采用湿法腐蚀实现图案转移是一种利用正性感光性树脂组合物实现精细加工的手段之一。虽然具备成本和效率的优势,但主要问题有以下几点:1)无法精确腐蚀出亚微米级的图案;2)腐蚀后金属边缘会较为粗糙或者有毛刺缺陷;3)由于湿法腐蚀的横向腐蚀问题,腐蚀越厚的基板其横向腐蚀宽度也会越大。因此光刻胶在基板表面的粘附性对该蚀刻工艺有着决定性的作用。
而目前光刻胶通常采用加入多官能团的有机胺类和与金属配位的胺类来改善光刻胶与衬底的粘附性。但一般这类组分仅对提升光刻胶与金属表面的粘附性有较好作用,而对一系列亲水性的基板例如氧化硅、氮化硅的表面粘附力的改善有限。
此外,现有技术中还会采用不同醚化程度的聚氨酯树脂来改善光刻胶在氧化层上面的粘附性,例如通过在正性感光性树脂组合物中加入醚化三聚氰胺树脂,在有机强酸等酸类的作用下,通过加热实现预固化,使得该体系的正性感光性树脂组合物在未经六甲基二硅氮烷(HMDS)处理的亲水性膜层表面有超高粘附性。由于醚化三聚氰胺树脂容易作为交联中心,在酸和温度的作用下,与光刻胶的有机组分形成交联,导致刻蚀后无法完全脱膜,出现残胶问题。
市售的正性感光性树脂组合物在进行匀胶前,都需要先对被涂覆的亲水性薄膜进行六甲基二硅氮烷处理,以改善表面疏油性,即改善光刻胶在基板上的粘附性。如果不进行处理,在显影的过程中容易出现漂胶或者在湿法刻蚀过程中钻蚀严重等问题。但HMDS具有剧毒性,贮存和更换会有污染环境、使人员受伤的风险。
因此需要一种具有改善的基板粘附性的正性感光性树脂组合物,使得在不使用HMDS处理基板的情况下,也能具有改善的粘附性,即光刻胶膜层与不同亲水性基板/膜层之间有一定的粘附性。但是该粘附性又不能太强,增粘过度会导致胶膜显影后起皱、开裂、残留,刻蚀后无法完全脱膜,光刻胶放置安定性下降等问题。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种正性感光性树脂组合物,其包含:
(A)碱可溶性树脂,100重量份,
(B)光敏性化合物,5-50重量份,优选10-20重量份,
(C)咪唑类化合物,0.5-10重量份,优选1.0-5重量份,更优选1.67-4重量份,
(D)溶剂,150-350重量份,优选200-300重量份,
(E)粘接助剂,1-5重量份,优选1.5-2.5重量份,
(F)表面活性剂,0.1-0.5重量份,优选0.2-0.4重量份,
其中组分(B)-(F)的量基于组分(A)为100重量份计,
其中,碱可溶性树脂的重均分子量为1,000至10,000,优选为1,000至5,000,更优选为2,000至5,000,最优选为2,900至4,000,其中重均分子量根据GB/T 21863-2008使用聚苯乙烯做标准曲线进行测定。
本发明的另一方面还提供一种光刻胶形成图形的方法,其包含以下步骤:
(i)在衬底上均匀涂覆上述正性感光性树脂组合物,形成光刻胶膜,并在80-120℃下烘烤10秒至180秒,获得的胶膜厚度为0.5-15μm,优选为1.0-2.5μm;
(ii)将在(i)中获得的胶膜进行部分射线照射;
(iii)使用显影液对(ii)中得到的光刻胶膜进行显影,并用超纯水洗净,其中所述显影液为碱性溶液;
(iv)对显影后的光刻胶在100至150℃的温度下烘烤1-40分钟以使坚膜更完全。
本发明的又一方面还涉及将上述正性感光性树脂组合物用于半导体制备中金属图形化的用途。
本发明的正性感光性树脂组合物能够改善其与基板之间的粘附性。
具体实施方式
在本发明中,如无相反说明,则所有操作均在室温、常压下进行。
碱可溶性树脂(A)
碱可溶性树脂(A)包括酚醛清漆树脂(A-1)与其他酚醛清漆树脂(A-2)。更具体而言,基于线性酚醛清漆的聚合物可为由式(1)表示的共聚物,以下详细说明酚醛清漆树脂(A-1)与其他酚醛清漆树脂(A-2):
其中m和n代表各重复单元的聚合度,其中m∶n=1∶9至9∶1
酚醛清漆树脂(A-1)
酚醛清漆树脂(A-1)的制备方法没有特别限制,所有能够获得具有目标重均分子量与分子量分布的酚醛清漆树脂(A-1)的方法均可使用,其中所述酚醛清漆树脂(A-1)优选为酚类化合物与醛类或者酮类化合物的缩合物、多羟基苯乙烯及衍生物。
在本发明中,用于制备酚醛清漆树脂(A-1)的酚类化合物可为苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,3-二甲苯酚、2,5-二甲苯酚、3,5-二甲苯酚、3,4-二甲苯酚和其他二甲基苯酚;间-乙基苯酚、对-乙基苯酚、邻-乙基苯酚、2,3,5-三甲基苯酚、2,3,5-三乙基苯酚、2-叔丁基苯酚、2-叔丁基-5-甲基苯酚和其他烷基苯酚;对-甲氧基苯酚、间-甲氧基苯酚、对-乙氧基苯酚、间-乙氧基苯酚、对-丙氧基苯酚和其他烷氧基苯酚;异丙烯基苯酚例如邻-异丙烯基苯酚、对-异丙烯基苯酚、2-甲基-4-异丙烯基苯酚、2-乙基-4-异丙烯基苯酚和其他异丙烯基苯酚;苯基苯酚、α-萘酚、β-萘酚和其他芳基苯酚;双酚A、间-苯二酚、对-苯二酚、4,4’-二羟基联苯和其他多羟基苯酚,上述化合物可单独使用或混合使用;优选苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,3-二甲苯酚、2,5-二-甲苯酚和/或3,5-二-甲苯酚,更优选间甲酚和/或对甲酚。
在本发明中,用于制备酚醛清漆树脂(A-1)的醛类化合物可为甲醛、多聚甲醛、三聚甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、三甲基乙醛、丙烯醛、丁烯醛、环己烷甲醛、呋喃甲醛、呋喃基丙烯醛、苯甲醛、对苯二甲醛、苯乙醛、α-苯基丙醛、β-苯基丙醛、邻-羟基苯甲醛、间-羟基苯甲醛、对-羟基苯甲醛、邻-甲基苯甲醛、间-甲基苯甲醛、对-甲基苯甲醛、邻-氯苯甲醛、间-氯苯甲醛、对-氯苯甲醛、肉桂醛,在这些醛类化合物中,特别为了提高耐热性和经济性,优选甲醛。
在本发明中,用于制备酚醛清漆树脂(A-1)的酮类化合物可为丙酮、甲基乙基酮、二乙基酮和二苯酮,上述化合物可单独使用或混合使用。此外,可以使用醛类化合物和酮类化合物的适当组合。
在本发明的一些优选的实施方案中,酚醛清漆树脂(A-1)的重量平均分子量优选为1,000至30,000,更优选为2,000至10,000,最优选为3000至7000,分散度(重量平均分子量Mw/数量平均分子量Mn)为1.0至8.0,更优选为3.0至7.0。
在本发明中,用于制备酚醛清漆树脂(A-1)的酸催化剂可为磷酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、羧酸、有机磷酸等,但本发明不以此为限,并且,上述化合物可单独一种使用或混合多种使用。
在本发明的酚醛清漆树脂(A-1)的制造方法中,为了提升生产效率,水的含量优选小于40%重量份。另外,酚类与醛类的反应温度优选为40℃至回流温度,更优选为60℃至回流温度,最优选为回流温度。反应时间应保持在1小时至30小时。另外,反应可在常压下进行,优选在加压下或减压下的条件下进行反应。
基于碱可溶性树脂(A)的总使用量为100重量份计,酚醛清漆树脂(A-1)的含量为30至100重量份,优选为35至90重量份,更优选为40至70重量份。
其他酚醛清漆树脂(A-2)
类似于酚醛清漆树脂(A-1)的制备方法进行制备其他酚醛清漆树脂(A-2),区别在于获得的其他酚醛清漆树脂(A-2)的分散度为1.0至4.0,优选1.5至3.0,其重量平均分子量优选为1,000至15,000,更优选为1,000至5,000,最优选为1,000至3,000。
基于碱可溶性树脂(A)的总使用量为100重量份,其他酚醛清漆树脂(A-2)的含量为0至70重量份,优选为10至65重量份,更优选为30至60重量份。
在本发明的一些优选的实施方案中,其中两种酚醛清漆树脂的重量比为20∶80至60∶40,优选为30∶70至50∶50。
在本发明的一些优选的实施方案中,两种酚醛清漆树脂的重量比为50∶50。
在本发明的一些优选的实施方案中,本发明的组合物中使用的碱可溶性树脂(A)根据GB/T 21863-2008使用聚苯乙烯做标准曲线测定的重均分子量Mw为1,000至10,000,优选为1,000至5,000,更优选为2,000至5,000,更优选为2,900至4,000,最优选为3,000至4,000。
光敏化合物(B)
光敏化合物(B)为紫外射线或者辐射的辐照下产生化学反应的感光化合物,组分(B)为本领域常规使用的1,2-萘醌二叠氮磺酸类化合物的酯化物。于本发明之优选的具体例中,该1,2-萘醌二叠氮磺酸类之酯化物(B)可为1,2-萘醌二叠氮-4-磺酸盐、1,2-萘醌二叠氮-5-磺酸盐等1,2-萘醌二叠氮磺酸与多羟基苯酚化合物反应形成的酯化物。上述1,2-萘醌二叠氮磺酸类的酯化物可为完全酯化的或部分酯化的。前述羟基化合物(下文中也称为b)之种类可例如:羟基二苯甲酮类(b-1)。
在本发明的一些实施方案中,羟基二苯甲酮类(b-1)可为2,3,4-三羟基二苯甲酮、2,4,4’-三羟基二苯甲酮、2,4,6-三羟基二苯甲酮、2,2’,3,4-四羟基二苯甲酮、2,3’,4,4’,6-五羟基二苯甲酮、2,2’,3,4,4’-五羟基二苯甲酮、2,2’,3,4,5’-五羟基二苯甲酮。上述羟基化合物优选为2,3,4-三羟基二苯甲酮、2,2’,3,4-四羟基二苯甲酮。上述羟基化合物可单独使用也可组合使用。
本发明的作为组分(B)的1,2-萘醌-二叠氮磺酸类化合物的酯化物,可使用含有醌二叠氮基的化合物例如1,2-萘醌二叠氮-4(或5)-磺酸卤盐与上述(b-1)羟基化合物经缩合反应获得,可完全酯化或部分酯化。所述缩合反应通常在二氧杂环己烷、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺等有机溶剂中进行,优选在三乙醇胺、碱金属碳酸盐或碱金属碳酸氢盐等碱性缩合剂存在的条件下进行。
在本发明的一些优选的实施方案中,基于羟基化合物中羟基总量100摩尔%计,优选为20摩尔%以上、更优选为20摩尔%以上80摩尔%以下的羟基与1,2-萘醌-二叠氮-4(或5)磺酸盐缩合而成酯化物,亦即酯化度优选20至80%,如果平均酯化度小于20%,则未曝光区域的残膜率和清晰度显著降低。如果平均酯化度大于80%,则感光灵敏度和溶解性都会下降。
本发明具体实施例中,基于碱可溶性树脂(A)之使用量为100重量份计,本发明光敏化合物(B)之使用量为通常5至50重量份,优选10-20重量份。如果成分(B)的比例小于上述范围,则不能获取与掩模板完全一致的图像,且非曝光区域留膜率较差。相反,如果该比例超过上述特定范围,则光刻胶的感光灵敏度和线条均匀性都会变差,从而导致分辨率下降。
咪唑类化合物(C)
在本发明中,使用咪唑类化合物改善正性感光性树脂组合物与基板之间的粘附性。另外咪唑类化合物对于树脂组合物的稳定性而言是非常有利的。其本身一般环境下,咪唑类化合物不会使得树脂组合物产生交联聚合,因此不存在脱膜困难问题。
作为组分(C)的咪唑化合物,可为下述式(4)至式(9)的化合物。
其中,
R1为氢原子,或具有选自羟基、羰基、酯基、醚基、硫醚基、碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团且碳原子数为2至20的烷基;
R2、R3及R4各自独立地为氢原子、C1-C10烷基、芳基或C7-C10芳基烷基;
R5、R7、R9及R13各独立为碳原子数为1至10的饱和亚烷基;
R6及R8各自独立地为氢原子或C1-C15烷基,其可含有选自羟基、羰基、酯基、醚基、硫醚基、碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团;
R10为C1-C15烷基,其可含有选自羟基、羰基、酯基、醚基、硫醚基、碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团;
R11为(b+1)价的饱和或不饱和的C2-C10烃基;
R12各独立地为氢原子或C1-C15烷基,其可含有选自羟基、羰基、酯基、硫醚基、碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团,2个R12可成键合成环,
b为2、3、4或5。
在本发明的一些优选的实施方案中,咪唑化合物(C)优选为咪唑、2-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、1-甲氧基甲基咪唑、1-(2-氰基乙基)-2-甲基咪唑、1-氨基乙基-2-甲基咪唑、1-苄基-2-乙基咪唑、1-(2-羟基乙基)咪唑、1-(羧基甲基)咪唑、1-乙烯基咪唑、2-甲基-1-乙烯基咪唑。
在本发明的一些优选的实施方案中,基于碱可溶性树脂(A)之使用量为100重量份计,本发明的咪唑化合物(C)之使用量通常为0.5-10重量份,优选1.0-5重量份,更优选1.67-4重量份。其中上述组分(C)的化合物可单独,亦可组合2种以上而使用。
在本发明的一些优选的实施方案中,其中所述碱可溶性树脂(A)与咪唑类化合物的用量比为75∶1至10∶1,优选为60∶1至25∶1。
在本发明的一些优选的实施方案中,其中所述光敏性化合物与咪唑类化合物的用量比为12∶1至2.5∶1,优选9∶1至3.75∶1。
在本发明的一个优选的实施方案中,本发明中所使用的碱可溶性树脂(A)(记为m)、咪唑类化合物(C)(记为n)、光敏性化合物(B)(记为q)之间的用量关系满足式:
0.080≤n/[mq/(m+q)]≤0.350;
优选为
0.128≤n/[mq/(m+q)]≤0.307;
更优选为
0.290≤n/[mq/(m+q)]≤0.310;
其中m、n、q分别为上述碱可溶性树脂(A)、咪唑类化合物(C)、光敏性化合物(B)的重量份数。
溶剂(D)
用于本发明的正性感光性树脂组合物的溶剂(D)为可将上述组分溶解,但又不与上述组分反应的有机溶剂。
在本发明的一些实施方案中,其中溶剂(D)为例如多元醇类及其衍生物、酯类、醚类、酮类、芳族烃类、酰胺类或其组合。
-多元醇类及其衍生物的具体例包括乙二醇、丙二醇、二甘醇、乙二醇单乙酸酯、丙二醇单乙酸酯、二甘醇单乙酸酯,或其单甲醚、单***、单丙醚、单丁醚或单苯醚或其类似物,或上述化合物之组合。
-酯类的具体例包括乳酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮酸甲酯、丙酮酸乙酯、甲氧基丙酸甲酯、乙氧基丙酸乙酯、乙二醇甲醚乙酸酯、乙二醇***乙酸酯、丙二醇甲醚乙酸酯、丙二醇***乙酸酯或其类似物,或上述化合物之组合。
-醚类的实例包括二乙二醇二甲醚、二乙二醇甲***、二乙二醇二***、四氢呋喃或其类似物,或上述化合物之组合。
-酮类的实例包括丙酮、甲乙酮、环己酮、甲基异戊酮、2-庚酮或其类似物,或上述化合物之组合。
-芳族烃类的实例包括甲苯、二甲苯或其类似物,或上述化合物之组合。
-酰胺类的例包括N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或起类似物,或上述化合物之组合。溶剂(D)优选为丙二醇甲醚乙酸酯、乳酸以及、环己酮、丙二醇单甲醚、N-甲基吡咯烷酮或上述溶剂之组合。溶剂(D)可单独使用或组合多种来使用。
在本发明中,基于碱可溶性树脂(A)的使用量为100重量份计,本发明的溶剂(D)的用量通常为150-350重量份,优选200-300重量份。
粘接助剂(E)
粘结助剂是提高所获得的固化膜与基板的粘结性的成分。作为粘结助剂,优选为具有苯乙烯、甲基丙烯、甲基丙烯酰基、乙烯基、异氰酸酯基、环氧乙烷、氨基、脲基等反应性官能团的官能性硅烷偶联剂。
作为上述官能性硅烷偶联剂,例如列举出乙烯基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己基)乙烷基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯腈丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯腈丙基三乙氧基硅烷、3-3乙氧基甲硅烷-N-(1,3-二甲基-亚丁基)丙基氨基的水解缩合物、N-苯基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-脲丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、γ-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷。
在本发明的一些优选的实施方案中,本发明的树脂组合物可包含粘结助剂,所述粘结助剂可单独使用,或其两者或更多者组合使用,其中粘接助剂的用量为1-5重量份,优选1.5-2.5重量份,基于碱可溶性树脂(A)为100重量份计。
表面活性剂(F)
本发明的正性感光性树脂组合物中可进一步加入其他助剂,例如表面活性剂或其类似物。
在本发明的一些优选的实施方案中,所述表面活性剂选自有机氟改性表面活性剂、(聚)硅氧烷系表面活性剂、以及其它的表面活性剂。
在本发明的一些优选的实施方案中,作为上述氟系表面活性剂,优选为在末端、主链及侧链中的至少一个部分具有氟烷基及/或氟亚烷基的化合物,例如可为1,1,2,2-四氟-正辛基(1,1,2,2-四氟-正丙基)醚、1,1,2,2-四氟-正辛基(正己基)醚、六乙二醇二(1,1,2,2,3,3-六氟-正戊基)醚、八乙二醇二(1,1,2,2-四氟-正丁基)醚、六丙二醇二(1,1,2,2,2,3,3-六氟-正戊基)醚、八丙二醇二(1,1,2,2-四氟-正丁基)醚、全氟正十二烷磺酸钠、1,1,2,2,3,3-六氟正癸烷、1,1,2,2,8,8,9,9,10,10-十氟正十二烷和/或氟烷基苯磺酸钠、氟烷基磷酸钠、氟烷基羧酸钠、双甘油四(氟烷基聚氧化乙烯醚)、氟烷基碘化铵、氟烷基甜菜碱、其他的氟烷基聚氧化乙烯醚、全氟烷基聚氧乙醇、全氟烷基烷氧基化物、羧酸氟烷基酯等。市售可得的氟系表面活性剂例如为BM-1000、BM01100(购自BM CHEMIE);Megaface F142D、F172、F173、F183、F178、F191、F471、F476(购自Dainippon Ink and Chemicals Inc.);Surflon S-112、SC-102、SC-103、SC104(购自旭硝子);Eftop EF301、EF303、EF352(购自新秋田化成制);Ftergent FT-100、FT-110、FT-140A、FT-150、FTX-218、FTX-251(购自NEOS)。
在本发明的一些优选的实施方案中,市售可得的(聚)硅氧烷系表面活性剂例如为Toray silicone DC3PA、DC7PA、SH11PA、SH21PA、SH28PA、SH29PA、DC-57、DC-190(购自DowCorning Toray Silicone Co.,Ltd.);有机硅氧烷聚合物KP341(购自信越化学);BYK-310、320、322、323、330、333、377、378、3760(购自BYK)。
在本发明中,可使用的其他表面活性剂为例如烷基二苯基醚二磺酸之铵盐及有机胺盐;烷基二苯基醚磺酸之铵盐及有机胺盐;烷基苯磺酸之铵盐及有机胺盐;聚氧乙烯烷基醚硫酸之铵盐及有机胺盐;及烷基硫酸之铵盐及有机胺盐。
在本发明的一些实施方案中,本发明的树脂组合物可包含表面活性剂,所述表面活性剂可单独使用,或其两者或更多者组合使用,表面活性剂的用量为0.1-0.5重量份,优选0.2-0.4重量份,基于碱可溶性树脂(A)为100重量份计。
本发明的正性感光性树脂组合物的制备方法为本发明所属技术领域中已知的方法,具体而言,将上述酚醛清漆树脂(A)、光敏化合物(B)、咪唑类化合物(C)以及溶剂(D)于搅拌器中搅拌,使其均匀混合成溶液状态,并可按照需要添加粘结助剂、表面活性剂等添加剂。将所得均匀溶液进行过滤,即可获得本发明的正性感光性树脂组合物。
本发明的另一方面,提供一种光刻胶形成图形的方法,其包含以下步骤:
(i)在衬底上均匀涂覆上述正性感光性树脂组合物,形成光刻胶膜,并在80-120℃下烘烤10秒至180秒,获得的胶膜厚度为0.5-15μm,优选为1.0-2.5μm;
(ii)将在(i)中获得的胶膜进行部分射线照射;
(iii)使用显影液对(ii)中得到的光刻胶膜进行显影,并用超纯水洗净,其中所述显影液为碱性溶液;
(iv)对显影后的光刻胶在100至150℃的温度下烘烤1-40分钟以使坚膜更完全。
在本发明的光刻胶形成图形的方法中,前述关于所述正性感光性树脂组合物的说明同样适用,在此不一定重复说明。
在本发明的一些实施方案中,使用本发明的树脂组合物在基板上形成涂膜。更具体而言,将该树脂组合物的溶液涂布于基板表面,优选进行预烘烤而去除溶剂从而形成涂膜。其中合适的基板可为玻璃基板、硅基板、蓝宝石基板、碳化硅基板、化合物半导体基板以及在它们的表面形成各种金属薄膜或氧化薄膜而得到的基板。
作为将正性感光性树脂组合物涂布至基板的方法,可采用本领域中常规使用的涂布方法,例如可采用喷涂法、辊涂法、旋转涂布法、狭缝涂布法、丝网印刷等法,在基板上均匀地展布溶液状态的正性感光性树脂组成物,并经由热板进行预烘烤。作为上述预烘烤的条件,可根据因各组分的种类、使用比例进行调整。
在本发明的一个优选的实施方案中,在步骤(i)中,可通过加热对其中形成的涂膜进行预烘烤。加热方法没有特别限定,例如可使用热板对胶膜进行预烘烤,预烘烤温度为80℃至120℃温度,且烘烤时间为10秒至180秒,可获得0.5μm-15μm、优选1.0-2.5μm的光刻胶膜层。在本发明的另一个优选的实施方案中还可使用接触式热盘进行预烘烤。
在本发明的一个优选的实施方案中,在步骤(ii)中,对步骤(i)中形成的光刻胶膜的一部分照射射线,具体而言,由具有特定图案的掩膜对步骤(i)中形成的涂膜照射射线。优选地,所述射线为紫外线,例如可为g线(波长436nm)、h线(波长405nm)、i线(波长365nm);深紫外光(KrF准分子激光248nm、ArF准分子激光193nm)或X射线。优选包含g线、h线和i线的射线。而紫外线辐射装置可为(超)高压水银汞灯及金属卤素灯。作为射线的曝光量为0.1J/m2至10000J/m2。
在本发明的一个优选的实施方案中,在步骤(iii)中,将步骤(ii)中经过射线辐射的涂膜进行显影。具体而言,针对步骤(ii)中经过射线照射的涂膜,利用显影液进行显影从而将被射线照射到的部分去除(正性光刻胶)。在本发明中,正性感光性树脂组成物为一种酚醛清漆树脂/邻萘醌二叠氮磺酸类之酯化物体系的光刻胶材料,并且以邻萘醌二叠氮磺酸类之酯化物(B)作为感光活性组分,在对光刻胶图案化紫外曝光后,可产生小分子羧酸使得曝光区域在碱性显影液中的溶解速率大幅增加。其中,可用于本发明的合适的显影液为例如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、硅酸钠、氨或其类似物的无机碱;乙胺、正丙基胺或其类似物的一级胺;二乙胺、二乙基氨基乙醇、二正丙基胺、三甲胺、三乙胺、甲基二乙胺或其类似物的多级胺;二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺、三乙醇胺或其类似的胺基醇;四甲基氢氧化铵(TMAH)、四乙基氢氧化铵、氢氧化三乙基氢氧基甲基铵、氢氧化三甲基氢氧基乙基铵或其类似物的氢氧化四级铵;吡咯、哌啶、1,8-二氮杂双[5,4,0]-7-十一碳烯、1,5-二氮氧杂双环[4,3,0]-5-壬烷等碱(碱性化合物)的水溶液。另外,也可使用通过在上述碱的水溶液中添加适当量的甲醇、乙醇等水溶性有机溶剂和/或表面活性剂而得到的水溶液、或者包含少量的可溶解本发明的正性感光性树脂组合物的各种有机溶剂的碱水溶液作为显影剂。
在本发明的一个优选的实施方案中,本发明的合适的显影方法为例如旋覆浸没法、浸渍法、摇动浸没法、喷淋法。本发明中的显影时间,可根据本发明的负性感光性树脂组合物在显影液中的溶解速率确定,例如可为30至120秒。
在本发明的一些优选的实施方案中,将光刻胶进行显影后,针对图案化了的涂膜优选通过流水洗涤进行清洗处理,再以高速旋转甩干涂层表面的水分。接着,使用热板或烘箱等加热装置对前述涂膜进行坚膜硬烤处理(Hard Bake)。硬烤温度一般为100至150℃,其中,使用热板的加热时间为1至60分钟,使用烘箱加热的时间为5至40分钟。经过以上步骤后,即可在基板上形成与掩模板相对应的图形。
本发明还提供将本发明的正性感光性树脂组合物用于半导体制备中金属图形化的用途。
有利地,使用本发明的正性感光性树脂组合物,可以改善树脂组合物与基板之间的粘附性。
实施例
合成碱可溶性树脂物(A-1)
在四口烧瓶中,装上搅拌装置、温度计、导气管、回流冷凝器,并将烧瓶放入恒温油浴槽中并用铁架台夹稳。称取108g间甲基苯酚,54g重量份对甲基苯酚,48g重量份37%甲醛水溶液,0.71g重量份二水草酸,通入氮气,搅拌下加入反应瓶中,加热反应液到60℃缩合反应开始进行,温度缓慢上升3h后至反应液回流。回流温度时间维持8小时后。在持续搅拌的状态下,添加甲基异丁基酮500mL使缩合物溶解,然后停止搅拌将溶液移到分离烧瓶内静置,将甲基异丁基酮溶液(上层)与二水草酸溶液(下层)分离。去除二水草酸水溶液后,将甲基异丁基酮溶液经由纯水进行5次反复清洗(每次60mL水)完全去除二水草酸,并真空蒸馏反应液,脱出甲基异丁基酮溶剂。反应液到222℃时,***减压到7mmHg蒸馏,脱除未反应单体酚,至反应液到228℃时结束蒸馏,氮气保护下放入不锈钢料槽里冷却至变成黄色透明固体物树脂(A-1)160.46g,其Mw=5000,Mw/Mn=5.0。
合成碱可溶性树脂(A-2)
与合成碱可溶性树脂(A-1)相同的步骤来制备,其不同之处在于改变所用的催化剂的种类以及反应时间,得到的分子量大小和分子量分布都有所不同。其中称取81.0g甲基苯酚,81.0g对甲基苯酚,48.0g甲醛水溶液,17.0g的89.0%磷酸水溶液和7.0g酒石酸,回流温度时间维持10小时,得到黄色透明固体物树脂(A-2)129.72g,其Mw=2000,Mw/Mn=2.2。
制备光敏化合物(B-1)
可以用通常的方法将羟基化合物2,3,4-三羟基二苯甲酮(购自国药集团化学试剂有限公司)全部为萘醌二叠氮磺酸酯化。具体说,在室温下,将11.5g的2,3,4-三羟基二苯甲酮与36.54g萘醌-1,2-二叠氮基-5-磺酰氯(购自上海百舜生物科技有限公司)溶解在450ml丙酮水溶液中(丙酮和水的体积比为85:15),搅拌下反应0.5h后,缓慢滴加18.76ml三乙胺,控制滴加时间1h。滴加完毕后,继续搅拌反应4h后,将反应后的溶液倒入10倍体积的超纯水中,待固体完全析出后,用超纯水反复水洗至溶液呈中性,进行抽滤,并40℃恒温烘干至固体产物恒重,得到黄色固体46.33g。
制备光敏化合物B-2
在室温下,把12.3g的2,2’,3,4-四羟基二苯甲酮(购自国药集团化学试剂有限公司)与51.43g萘醌-1,2-二叠氮基-5-磺酰氯溶解在450ml丙酮水溶液(丙酮和水的体积比为85∶15),搅拌下反应0.5h后,缓慢滴加26.41ml三乙胺,控制滴加时间1h。滴加完毕后,继续搅拌反应4h后,将反应后的溶液倒入10倍体积的超纯水中,待固体完全析出后,用超纯水反复水洗至溶液呈中性,进行抽滤,并40℃恒温烘干至固体产物恒重,得到黄色固体58.75g。
正性感光性树脂组合物
实施例1
将100重量份之前述合成所得的酚醛清漆树脂(A-1)、15重量份之2,2’,3,4-四羟基二苯甲酮与1,2-萘醌二叠氮-5-磺酸之酯化物(B-2)、1.67重量份之1-乙烯基咪唑(C)、250重量份之丙二醇甲醚醋酸酯(D)以及2重量份粘结助剂(E)和0.3重量份表面活性剂(F)以摇动式搅拌器混合搅拌均匀后,即可得到实施例1的正性感光性树脂组成物。所得正性感光性树脂组成物以下述感光速度、关键尺寸分辨能力、粘附性和安定性之评价方式进行评价。
实施例2
将100重量份酚醛清漆树脂(A-2)、15重量份之2,3,4-三羟基二苯甲酮与1,2-萘醌二叠氮-5-磺酸之酯化物(B-1)、1.67重量份之1-乙烯基咪唑(C)、250重量份之丙二醇甲醚醋酸酯(D)以及2重量份粘结助剂(E)和0.3重量份表面活性剂(F)以摇动式搅拌器混合搅拌均匀后,即可得到实施例2的正性感光性树脂组成物。
实施例3
将30重量份前述合成所得的酚醛清漆树脂(A-1)、70重量份酚醛清漆树脂(A-2)、15重量份之2,3,4-三羟基二苯甲酮与1,2-萘醌二叠氮-5-磺酸之酯化物(B-1)、4重量份之1-乙烯基咪唑(C)、250重量份之丙二醇甲醚醋酸酯(D)以及2重量份粘结助剂(E)和0.3重量份表面活性剂(F)以摇动式搅拌器混合搅拌均匀后,即可得到实施例3的正性感光性树脂组成物,其中碱可溶树脂(A)(也即酚醛请漆树脂30份(A-1)与70份(A-2)混合后根据GB/T21863-2008使用聚苯乙烯做标准曲线进行测定的Mw为2900)。
实施例4
将50重量份前述合成所得的酚醛清漆树脂(A-1)、50重量份酚醛清漆树脂(A-2)、15重量份之2,2’,3,4-四羟基二苯甲酮与1,2-萘醌二叠氮-5-磺酸之酯化物(B-2)、4重量份之1-乙烯基咪唑(C)、250重量份之丙二醇甲醚醋酸酯(D)以及2重量份粘结助剂(E)和0.3重量份表面活性剂(F)以摇动式搅拌器混合搅拌均匀后,即可得到实施例4的正性感光性树脂组成物,其中碱可溶树脂(A)(也即酚醛请漆树脂50份(A-1)与50份(A-2)混合后根据GB/T21863-2008使用聚苯乙烯做标准曲线进行测定的Mw为3500)。
对比例1
将100重量份前述合成所得的酚醛清漆树脂(A-1)、15重量份之2,3,4-三羟基二苯甲酮与1,2-萘醌二叠氮-5-磺酸之酯化物(B-1)、250重量份之丙二醇甲醚醋酸酯(D)以及2重量份粘结助剂(E)和0.3重量份表面活性剂(F)以摇动式搅拌器混合搅拌均匀后,即可得到对比例1的正性感光性树脂组成物。
对比例2
将50重量份前述合成所得的酚醛清漆树脂(A-1)、50重量份前述合成所得的酚醛清漆树脂(A-2)、15重量份之2,2’,3,4-四羟基二苯甲酮与1,2-萘醌二叠氮-5-磺酸之酯化物(B-2)、250重量份之丙二醇甲醚醋酸酯(D)以及2重量份粘结助剂(E)和0.3重量份表面活性剂(F)以摇动式搅拌器混合搅拌均匀后,即可得到对比例1的正性感光性树脂组成物。
评价方式
感光速度测试
通过气相沉积HMDS在单晶硅基板,氛围温度115℃,持续时间60sec,将上述实施例的正性感光性树脂组成物以旋转涂布的方式涂布在单晶硅基板上,用热板进行90℃烘烤60秒的预烘烤,以形成厚度约为1.3μm的光刻胶膜层。然后利用不同辐射剂量的紫外光对光刻胶膜层进行图案化曝光(曝光机型号Nikon NSR-2005i9C,由尼康株式会社制造)。接着,用热板在115℃烘烤60秒后以消除在光刻胶胶膜中间形成的驻波效应,紧接着将上述处理完后的光刻胶膜层以23℃的2.38%氢氧化四甲基胺(TMAH)水溶液,进行60秒显影,以去除基板上曝光的区域的光刻胶膜层。对显影后的光刻胶利用超纯水进行1分钟流水洗涤后,用光学膜厚仪(Filmetrics F20,优尼康制造)测试不同曝光量的显影后膜层厚度,并以(曝光量足够后)显影后膜厚为0的对应辐射剂量作为感光速度快慢的对比数值,该数值越小代表感光速度越快,反之则越慢。
关键尺寸解析度评估测试
重复感光速度测试的步骤,最后通过扫描电镜(扫描电镜型号为HitachiHightech S8840)对于密集1∶1线宽与线距图案区域(Lines&Spaces)进行线宽的测量。可求得实测尺寸和掩模板设计尺寸一致的曝光时间(最佳曝光量,Eop),并按照在各自Eop下得到的最小可测量的线宽作为评估关键尺寸解析度的标准,并依据以下基准评价关键尺寸解析度:
A:CD≤1.0μm;
B:1.0μm<CD≤2.0μm;
C:2.0μm<CD≤5.0μm;
D:CD>5.0μm。
在A的情况下,将解析度评价为优秀,在B的情况下评价为良好,在C的情况下评价为一般,在D的情况下评价为不良。
粘附性评估测试
将上述实施例的正性感光性树脂组成物以旋转涂布的方式涂布在没有经过HMDS处理的二氧化硅基板上,用热板进行100℃烘烤90秒的预烘烤,以形成厚度约为2.0μm的光刻胶膜层。然后,用百格刀在测试样本表面划10×10个1mm×1mm的小网格,百格刀划下去的时候应划到露出底材。划完百格后要使用软毛刷,沿网格每一条对角线,先轻轻往后方向扫几次,然后往前方向扫几次,把碎屑清理掉。用3M百格胶带牢牢粘住被测试的小网格,并用手指压下胶带或者用橡皮擦用力擦拭胶带,以加大胶带与被测区域的接触面积及力度,然后用手抓住胶带一端,在垂直方向(90°)迅速扯下胶纸,观察基板上上光刻胶膜的脱落现象,胶带拉撕一般会在同一位置进行2-3次相同试验。以上步骤完成后,采用放大倍数为2倍或者3倍的手把式放大镜,观察光刻胶膜脱落情况作为粘附性的比较标准,并依据以下基准评价粘附性:
A:划线边缘光滑,在划线的边缘及交叉点处均无胶膜脱落;
B:在划线的边缘及交叉点处有小片的胶膜脱落,且脱落总面积小于15%;
C:在划线的边缘及交叉点处有成片的胶膜脱落,且脱落总面积在15~65%;
D:脱落区域总面积超过了65%。
在A的情况下,将粘附性评价为优秀,在B的情况下评价为良好,在C和D的情况下评价为不良。
显影密著性评估测试
将上述实施例的正性感光性树脂组成物以旋转涂布的方式涂布在没有经过HMDS处理的二氧化硅基板上,用热板进行100℃烘烤90秒的预烘烤,以形成厚度约为2.0μm的光刻胶膜层。然后,使用线与间距的掩模板,利用各自样品最佳曝光剂量的紫外光对光刻胶膜层进行图案化曝光。接着将上述处理完后的光刻胶膜层以23℃的2.38%氢氧化四甲基胺(TMAH)水溶液,进行60秒显影,以去除基板上曝光的区域的光刻胶膜层。对显影后的光刻胶利用超纯水进行1分钟流水洗涤并甩干后,通过扫描电镜确定保留在基板上的最小线宽(密集1∶1线宽与线距图案区,图案显影后不会漂胶)作为显影密著性的比较标准,并依据以下基准评价粘附性:
A:CD≤1.0μm;
B:1.0μm<CD≤5.0μm;
C:CD>5.0μm。
在A的情况下,将显影密著性评价为优秀,在B的情况下评价为一般,在C的情况下评价为不良。
感度安定性评估测试
重复关键尺寸解析度评估测试的步骤,求得各自实施例和对比例在形成1∶1线宽和线距图案的曝光时间(最佳曝光量,Eop1)
接着,将各实施例和对比例所制得之各感光性树脂组成物,于超净室环境下(温度:23±0.5℃,湿度:45±5%)下放置3个月,并以前述同样之操作方法求得最佳曝光时间Eop2。最后,经下式计算可得到ΔEop,并依据以下基准评价感度安定性。
ΔEop(mJ/cm2)=Eop2-Eop1
A:ΔEop≤30;
B:30<ΔEop≤50;
C:50<ΔEop。
在A的情况下,将感度安定性评价为优秀,在B评价为一般,在C的情况下评价为不良。
粘度安定性评估测试
将上述实施例和对比例的树脂组合物在超净室环境下(温度:23±0.5℃,湿度:45±5%)放置3个月,测定放置前后的粘度,关于粘度测量,使用常数毛细管粘度计(上海晖创玻璃制品有限公司)在25℃恒温水浴槽测定。计算获得粘度变化率Aη(%),成为保存稳定性的指标。将粘度变化率进行如下设定:
A:Δη≤5%;
B:5%<Δη≤10%;
C:10%<Δη。
在A的情况下,将粘度安定性评价为优秀,在B的情况下评价为良好,在C的情况下评价为不良。
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Claims (9)
1.一种正性感光性树脂组合物,其包含以下组分:
(A)碱可溶性树脂,100重量份,
(B)光敏性化合物,5-50重量份,优选10-20重量份,
(C)咪唑类化合物,0.5-10重量份,优选1.0-5重量份,更优选1.67-4重量份,
(D)溶剂,150-350重量份,优选200-300重量份,
(E)粘接助剂,1-5重量份,优选1.5-2.5重量份,
(F)表面活性剂,0.1-0.5重量份,优选0.2-0.4重量份,
其中组分(B)-(F)的量基于组分(A)为100重量份计,
其中,碱可溶性树脂的重均分子量为1,000至10,000,优选为1,000-5,000,更优选为2,000至5,000,最优选为2,900至4,000。
2.根据权利要求1所述的正性感光性树脂组合物,其中所述咪唑类化合物为选自式(4)至(9)的化合物,
其中,式(4)至(9)中,
R1为氢原子,或具有选自羟基、羰基、酯基、醚基、硫醚基、碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团且碳原子数为2至
20的烷基;
R2、R3及R4各自独立地为氢原子、C1-C10烷基、芳基或C7-C10
芳基烷基;
R5、R7、R9及R13各自独立地为碳原子数为1至10的饱和亚烷基;
R6及R8各独立为氢原子或C1-C15烷基,其可含有选自羟基、羰基、酯基、醚基、硫醚基、碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团;
R10为C1-C15烷基,其可含有选自羟基、羰基、酯基、醚基、硫醚基、
碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团;
R11为(b+1)价的饱和或不饱和的C2-C10烃基;
R12各独立为氢原子或C1-C15烷基,其可含有选自羟基、羰基、酯基、
硫醚基、碳酸酯基、氰基及缩醛基的至少1种极性官能团,2个R12可成键合成环,
b为2、3、4或5。
3.根据权利要求1或2所述的正性感光性树脂组合物,其中所述咪唑类化合物选自咪唑、2-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、1-甲氧基甲基咪唑、1-(2-氰基乙基)-2-甲基咪唑、1-(2-羟基乙基)咪唑、1-氨基乙基-2-甲基咪唑、1-苄基-2-乙基咪唑、1-(羧基甲基)咪唑、1-乙烯基咪唑、2-甲基-1-乙烯基咪唑,优选为1-乙烯基咪唑。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的正性感光性树脂组合物,其中所述碱可溶性树脂(A)与咪唑类化合物的用量比为75:1至10:1,优选为60:1至25:1。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的正性感光性树脂组合物,其中所述光敏性化合物与咪唑类化合物的用量比为12:1至2.5:1,优选9:1至3.75:1。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的正性感光性树脂组合物,其中所述碱可溶性树脂为酚醛树脂,优选地为两种分子量不同的酚醛树脂的组合,更优选地,其中两种酚醛树脂的重量比为20:80至60:40,优选为30:70至50:50。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的正性感光性树脂组合物,其中所述碱可溶性树脂(A)(记为m)、咪唑类化合物(C)(记为n)、光敏性化合物(B)(记为q)之间的用量关系满足式:
0.080≤n/[mq/(m+q)]≤0.350;
优选为0.128≤n/[mq/(m+q)]≤0.307;
更优选为0.290≤n/[mq/(m+q)]≤0.310。
8.一种光刻胶形成图形的方法,其包含以下步骤:
(i)在衬底上均匀涂覆根据权利要求1-7中任一项所述的正性感光性树脂组合物,形成光刻胶膜,并在80-120℃下烘烤10秒至180秒,获得的胶膜厚度为0.5-15μm,优选为1.0-2.5μm;
(ii)将在(i)中获得的胶膜进行部分射线照射;
(iii)使用显影液对(ii)中得到的光刻胶膜进行显影,并用超纯水洗净,其中所述显影液为碱性溶液;
(iv)对显影后的光刻胶在100至150℃的温度下烘烤1-40分钟以使坚膜更完全。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的正性感光性树脂组合物用于半导体制备中金属图形化的用途。
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