JP5775775B2 - ハーフトーン露光用ネガ型フォトレジストポリマーおよびハーフトーン露光方法 - Google Patents
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実施形態に係るネガ型フォトレジスト用ポリマーは、(A1)不飽和カルボン酸ユニットと、(A2)エポキシ基含有不飽和化合物ユニットと、(A3)N−置換マレイミドユニットと、(A4)オレフィン系不飽和化合物ユニットと、末端ビニル基とを有する。このネガ型フォトレジスト用ポリマーの一般式を下記に示す。
不飽和カルボン酸ユニットは、ラジカル重合性を有する不飽和カルボン酸および/または不飽和カルボン酸無水物をラジカル重合させたユニットである。
エポキシ基含有不飽和化合物ユニットは、ラジカル重合性を有するエポキシ基含有不飽和化合物をラジカル重合させたユニットである。エポキシ基含有不飽和化合物ユニットは、前記不飽和カルボン酸ユニットと反応して架橋するように作用する。このように、エポキシ基含有不飽和化合物ユニットはネガ型フォトレジスト用ポリマーに膜硬化性を付与し、残膜率に寄与する。
N−置換マレイミドユニットは、N−置換マレイミドをラジカル重合させたユニットである。N−置換マレイミドユニットは、ネガ型フォトレジスト用ポリマーに耐熱性を付与する。
オレフィン系不飽和化合物ユニットは、(A1)不飽和カルボン酸、(A2)エポキシ基含有不飽和化合物および(A4)N−置換マレイミド以外のラジカル重合性を有するオレフィン系不飽和化合物をラジカル重合させたユニットである。オレフィン系不飽和化合物は特に制限されないが、例えば、メタクリル酸アルキルエステル、アクリル酸アルキルエステル、メタクリル酸環状アルキルエステル、水酸基を有するメタアクリル酸エステル、アクリル酸環状アルキルエステル、メタクリル酸アリールエステル、アクリル酸アリールエステル、不飽和ジカルボン酸ジエステル、ビシクロ不飽和化合物、不飽和芳香族化合物、共役ジエンである。
末端ビニル基は、分子量調整剤として例えばα−メチルスチレンダイマーを用いることにより導入することができる。末端ビニル基を導入すると少ない露光量でもネガ型フォトレジスト用ポリマーを硬化させることができるので、ネガ型フォトレジスト用ポリマーに良好なハーフトーン露光特性を与えるのに寄与する。
本発明の実施形態のネガ型フォトレジスト用ポリマーを用いて例えばFPD用基板を製造するには、基板上に上記ネガ型フォトレジスト用ポリマーを塗布して形成した塗膜を、露光および現像する。
当該製造方法においては、まず、ネガ型フォトレジスト用ポリマーを基板上に塗布することによって、塗膜を形成する。また、塗布方法は特に限定されないが、例えば、スピンコート、スリットコート、スプレーコート、ディップコートなど従来公知の塗布方法を用いることができる。塗膜の膜厚は、例えば0.5乃至10μmである。
次に、所定のパターンが形成されたハーフトーンマスクを用いて、当該塗膜を露光し、硬化させる。露光量は5乃至50J/cm2、好ましくは5乃至20J/cm2である。露光に用いられる光は特に限定されず、例えば、可視光、紫外光(UV光)、遠紫外光、極端紫外光を用いることができるが、好ましくはUV光である。
現像は、アルカリ現像液を用いて行う。用いられるアルカリ現像液は、塗膜の未硬化部分を溶解させる能力のある溶液であれば特に限定されず、例えば、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、水酸化カリウム、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドなどを含有した水溶液が用いられる。アルカリ現像液には、必要に応じて、界面活性剤、水性有機溶媒などを含有していてもよい。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)を457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、スチレン(ST)101.5g、N−シクロヘキシルマレイミド(CHMI)57.3g、メタクリル酸メチル(MMA)83.2g、メタクリル酸(MAA)78.4g、メタクリル酸グリシジル(GMA)22.7g、α−メチルスチレンダイマー(MSD)10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、ST101.6g、CHMI28.2g、MMA141.8g、MAA27.1g、GMA40.3g、MSD10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、ST49.1g、CHMI112.9g、MMA47.2g、MAA81.3g、GMA89.5g、MSD10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、ST98.3g、CHMI56.4g、MMA110.2g、MAA13.5g、GMA89.5g、MSD10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、ST101.5g、CHMI57.3g、MMA83.2g、MAA78.4g、GMA22.7g、MSD5.1gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、シクロヘキサンジメタノールモノアクリレート(CHDMMA)174.6g、CHMI56.4g、MMA94.5g、MAA67.7g、GMA31.3g、MSD10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、ST65.5g、ジシクロペンタニルメタクリレート(DCPMA)104.0g、CHMI56.4g、MMA63.0g、MAA67.7g、GMA44.7g、MSD10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、ST101.5g、ベンジルメタクリレート(BzMA)138.0g、CHMI57.3g、MAA78.4g、GMA22.7g、MSD10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、BzMA260.6g、CHMI56.4g、MAA102.9g、GMA22.4g、MSD10.2gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)8.4gを使用した以外は、上記実施例1と同様に反応させて、ポリマー溶液を得た。
CHMI57.3gの代わりにN−フェニルマレイミド(PMI)55.4gを使用した以外は、上記実施例1と同様に反応させて、ポリマー溶液を得た。
2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7gの代わりにジメチル−2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)14.0gを使用した以外は、上記実施例1と同様に反応させて、ポリマー溶液を得た。
GMA22.7gの代わりに4−ヒドロキシブチルアクリレートグリシジルエーテル(4HBAGE)32.0gを使用した以外は、上記実施例11と同様に反応させて、ポリマー溶液を得た。
滴下ロートを備えた三口フラスコ2000mlを窒素置換し、その中にPGMEAを457g仕込み、65℃まで昇温後、予め2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)16.7g、ST101.5g、CHMI57.3g、MMA83.2g、MAA78.4g、GMA22.7gをPGMEA514gに溶解した溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、反応液を更に65℃で3時間反応させて、ポリマー溶液を得た。
2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)25.0gを使用した以外は、上記比較例1と同様に反応させて、ポリマー溶液を得た。
得られたポリマー溶液を0.4μmのテフロン(登録商標)製フィルターで濾過した後、このポリマー溶液をシリコンウエハー上へスピンコーティングし、1.0μmの膜厚に塗布した。次いで、このシリコンウエハーを90℃のホットプレート上で90秒間ベークして樹脂層を調製した。更に、シリコンウエハー上の樹脂層を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で現像を行い、樹脂層が完溶した時の時間よりアルカリ溶解速度を換算した。
得られたポリマー溶液を0.4μmのテフロン(登録商標)製フィルターで濾過した後、このポリマー溶液をシリコンウエハー上へスピンコーティングし、1.0μmの膜厚に塗布した。次いで、このシリコンウエハーを90℃のホットプレート上で90秒間ベークした。更に、縮小投影露光装置を用いてテストチャートマスクを介して露光した後、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50秒間浸し水洗した後、乾燥した。以下に示す通り、露光部の残膜と上記ソフトベーク時の膜厚の比率を残膜率とした。
残膜率を下記の基準で評価した。
◎:92%以上
○:90%以上92%未満
△:90%未満
(3)塗膜性
固形分濃度を18質量%に調整した実施例および比較例のポリマー溶液を2.5インチシリコンウエハー上に約1μmでスピンコーティングしたときの膜厚を15スポットにおいて測定した。スポット間での膜厚の誤差範囲を塗膜性の指標とし、下記の基準で評価した。
◎:膜厚の誤差範囲が10nm未満
○:膜厚の誤差範囲が10nm以上20nm未満
△:膜厚の誤差範囲が20nm以上50nm未満
×:膜厚の誤差範囲が50nm以上、および/またはスカム、残渣を発生したもの
(4)熱分解温度
実施例および比較例で調製したポリマー溶液それぞれ10gを、イオン交換水500g中に再沈殿させ、得られたスラリーを5Torr、40℃で48時間真空乾燥することにより、樹脂粉末を得た。得られた樹脂粉末の熱分解温度を、示差熱熱重量同時測定装置TG/DTA 6300(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)を用いて、温度300〜800℃、昇温速度10℃/minの条件で測定した。また、分解開始温度は、接線法による一次分解開始点とした。
熱分解温度は下記の基準で評価した。
◎:270℃以上
○:240℃以上270℃未満
×:240℃未満
(5)硬化熱量
上記熱分解温度の測定で得た樹脂粉末について、示差走査熱量計DSC6220(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)を用いて硬化熱量を測定した。
硬化熱量は下記の基準で評価した。
◎:100mJ/mg以上
○:70mJ/mg以上100mJ/mg未満
×:70mJ/mg未満
(6)透過性
固形分濃度を20質量%に調整した実施例および比較例のポリマー溶液を2.5インチガラスウエハー上に3μmでスピンコーティングした時のUVスペクトルを測定し、350nmにおける透過率(%)を算出した。
透過性は下記の基準で評価した。
◎:95%以上
○:90%以上95%未満
×:90%未満
(7)ハーフトーン露光幅
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(DPHA)25g、固形分濃度を20質量%に調整した実施例および比較例のポリマー溶液8.5g、IRGACURE OXE02(BASF社製 光重合開始剤 エタノン,1−[9−エチル−6−(2−メチルベンゾイル)−9H−カルバゾール−3−イル]−,1−(0−アセチルオキシム))1.0g、KBM−403(信越化学工業社製 接着助剤 3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン)0.15g、およびFZ2122(東レ・ダウコーニング社製 シリコーン系界面活性剤 ポリアルキレンオキサイドを有するジメチルポリシロキサン)0.18gを加えたものの膜厚(3μm)を100%とし、膜厚が80%および50%になるときのそれぞれの露光量E80およびE50(mJ/cm2)を測定した。これらの露光量の差を以下に示す通り、ハーフトーン露光幅(mJ/cm2)とした。
ハーフトーン露光幅は下記の基準で評価した。
◎:8mJ/cm2以上
○:5mJ/cm2以上8mJ/cm2未満
×:5mJ/cm2未満
実施例1および比較例1に係るネガ型フォトレジスト用ポリマーの残膜率と露光量との関係を図1に示す。
以上の試験結果に基づき、総合評価を行った。総合評価は下記の基準で行った。
◎:各評価の◎の数の合計が5個以上
○:各評価の◎の数の合計が3個または4個
×:各評価の◎の数の合計が2個以下、または少なくとも1つ×を含む
これらの評価結果を下記表2に示す。
Claims (3)
- 不飽和カルボン酸ユニットと、エポキシ基含有不飽和化合物ユニットと、N−置換マレイミドユニットと、メタクリル酸アルキルエステル、メタクリル酸環状アルキルエステルおよび不飽和芳香族化合物からなる群より選択されるオレフィン系不飽和化合物ユニットと、末端ビニル基とを有し、
前記不飽和カルボン酸ユニットの含有率が3〜40mol%であり、
前記エポキシ基含有不飽和化合物ユニットの含有率が3〜20mol%であり、
前記N−置換マレイミドユニットの含有率が3〜20mol%であり、
前記オレフィン系不飽和化合物ユニットの含有率が30〜80mol%であり、
前記末端ビニル基の導入率が0.1〜5mol%である
ことを特徴とするハーフトーン露光用ネガ型フォトレジストポリマー。 - 前記末端ビニル基の導入率が1〜2mol%であり、前記ハーフトーン露光用ネガ型フォトレジストポリマーの溶液をシリコンウエハー上へ1.0μmの膜厚に塗布し、前記シリコンウエハーを90℃のホットプレート上で90秒間ベークして樹脂層を調製し、前記シリコンウエハー上の樹脂層を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で現像を行い、樹脂層が完溶した時の時間より換算されるアルカリ溶解速度が50〜800Å/secであることを特徴とする請求項1に記載のハーフトーン露光用ネガ型フォトレジストポリマー。
- 請求項1又は2に記載のハーフトーン露光用ネガ型フォトレジストポリマーを用いることを特徴とするハーフトーン露光方法。
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