第31卷第5期 影像科学与光化学 maging Science and Photochemistry VOL 31 No.5 sept.,2013 2013年9月 一种248 nm光刻胶成膜树脂的 合成及相关性能研究 刘建国,蒋 明,曾晓雁 (华中科技大学武汉光电国家实验室激光与太赫兹技术功能实验室,湖北武汉430074) 摘要:通过自由基共聚合,制备了前驱体共聚物聚对特丁氧酰氧基苯乙烯一 共一N_羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯,该共聚物可以通过热解 而部分脱除酚羟基上的保护基,得到目标共聚物聚对羟基苯乙烯一共一N_羟基一5一 降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯一共一对特丁氧酰氧基苯乙烯.通过对具 有合适分子量的目标共聚物的有机溶剂溶解性、热性能、成膜性、抗干蚀刻能力 和在248 D_m处光学吸收(为0.212 m )性能进行研究,表明该聚合物能满足 248 am光刻胶成膜树脂的要求;此外,目标共聚物还具有酸致脱保性能.具有合 适分子量和脱保率的目标共聚物,通过对其酸解留膜率的测试,推测其可能满 足248 nm光刻胶的曝光显影工艺过程. 关键词:248 nm光刻胶;成膜树脂;聚对羟基苯乙烯一共一N_羟基一5一降冰片烯一2, 3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯一共一对特丁氧酰氧基苯乙烯 doi:10.7517/j.issn.1674—0475.2013.05.349 文章编号:1674—0475(2013)05—0349—12 中图分类号:063 文献标识码:A 主体成膜树脂是光刻胶最主要的成分之一,它的性能好坏对光刻胶性能有决定性的 影响.它是光刻胶的骨架,是光刻胶的基础材料.为了提高光刻分辨率,光刻技术的曝光 波长已经从紫外g线的436 nm、i线的365 am,缩短到KrF准分子激光的248 nm,再到 ArF准分子激光的193 nm[ .相应地,光刻胶所需的主体成膜树脂也从聚乙烯醇肉桂酸 酯类、环化橡胶类发展到线性酚醛树脂类,再发展到对羟基苯乙烯类和不含芳环的多脂 收稿日期:2013—03—06;修回日期:2013—06—21. 基金项目:国家自然科学基金面上项目(51172081)和重点项目(51135005);高校基本科研业务费资助 (2013TSO44). 作者简介:刘建国(1973一),男,博士,副研究员,主要从事光电材料化学与激光先进制造技术的研究,通讯联系 人,E-mail:liujg@mail.hust.edu.ca. 349 350 影像科学与光化学 第31卷 环体系类l2 j. 当曝光波长缩短到248 nm后,原有的光刻胶的成膜树脂如线性酚醛树脂等因含有 =\H 叫 /==\咀 叫 过多的苯环而在248 nm处有强烈的光学吸收(其光学密度大于1/,m )_6],就不能继续 用作248 nm光刻胶的成膜树脂.出于对光透明度的考虑,最早用于248 ilm光刻胶成膜 树脂的材料是聚甲基丙烯酸酯,因其不含芳环,在248 nm处高度透明,分辨率也高,但它 主要是通过主链断裂来成像的,所需曝光能量高,曝光灵敏度低,了它的使用. 248 nm光刻胶,普遍采用化学增幅技术_2],其成膜树脂的开发研制经历了相当长的 一 时间.从20世纪7O年代后期开始,人们经过长期的尝试,最终将研究的重点集中在了聚 5=>羟基苯乙烯及其衍生物上_7 .由于聚羟基苯乙烯中含有大量的苯环,因此它的抗干蚀刻 能力不是问题;通过对其在碱溶液中溶解性能、热稳定性等方面的详细研究,结果表明, 聚对羟基苯乙烯在溶解性和热稳定性等方面比邻位和间位的聚羟基苯乙烯要优越,而且 纯的聚对羟基苯乙烯在248 nm处是光学透明的(光学密度为0.22 m,即1 m厚度 3的胶膜,其吸光度为0.22)l_1。 引,而酚羟基被特丁氧酰基保护的聚对羟基苯乙烯在248 nm处更透明(光学密度仅为0.1/,m ),因此人们最终选择了聚对羟基苯乙烯及其衍生 物作为248 nrn光刻胶的成膜树脂.目前商品化的248 nm光刻胶大都采用部分保护的对 羟基苯乙烯及其与其它单体的共聚物作为成膜树脂,一些已经公开的聚合物具有如图1 中式I—V的结构 H . /==\c c c“fe — cH 2-CH c O 0 0= OCOOC(CH3)3 (Ⅳ) (V) (Ⅵ) 图1一些含有对羟基苯乙烯单体结构的成膜树脂 Some matrix resins containing monomer P—hydroxystyrene structure 本文制备了一种具有图1结构Ⅵ的聚合物(即聚对羟基苯乙烯一共一 羟基一5一降冰片 烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯一共一对特丁氧酰氧基苯乙烯),并探讨了它的紫外吸收性 能、热性能、抗干蚀刻性能、通过热解和酸解脱除保护基的性能,测试了它的酸解留膜率 曲线.结果表明,如果分子量和酚羟基上的特丁氧酰保护基脱除比例(即脱保率)合适,它 C●^ 0 ●OH一 叫 叫 第5期 刘建国等:一种248 nm光刻胶成膜树脂的合成及相关性能研究 351 有可能被用作248 nm光刻胶的成膜树脂. 1实验部分 1.1仪器与试剂 红外光谱(FT—IR)分析采用EQUINQX 55型红外光谱仪(德国Bruker公司),KBr 压片; H核磁共振分析采用Mercury VX-300型核磁共振仪(美国Varian公司),四甲基 硅烷(TMS)为内标,300 MHz;热性能测试采用DSC-7型、TGA-7型热分析仪(美国Per— kin Elmer公司),N2气氛,10℃/rain升温速率;聚合物分子量采用Waters 2695型凝胶 渗透色谱仪(Waters 2695 GPC)(美国Waters公司)测试,四氢呋喃(THF)为流动相,流 速1.00 mL/min,柱温23℃;抗干蚀刻能力实验采用ME-3A型多功能磁增强反应离子 蚀刻机(中科院微电子中心),蚀刻参数为:源:5O W、5 min,100 W、3 min;CHF。:20 ccm; SF。:80 ccm;0 :5 ccm;紫外吸收光谱测试采用UV-2550型紫外可见光分光光度计 (SHIMADZU公司),测定时以空白试片为参比,扫描步速为1 nm;胶膜的厚度和均匀性 采用Dektak 1I型探针轮廓仪Profilometer(美国VEECO公司)测试,测试精度为1× 10 。m(即0.1 rim). N,N--"甲基甲酰胺(DMF)、N,N一二甲基乙酰胺(DMAc)、乳酸乙酯、四氢呋喃 (THF)、二氧六环、偶氮二异丁腈(AIBN)、三氟甲基磺酸等为分析纯试剂,乙二醇单甲醚 乙酸酯为化学纯试剂,三氟甲基磺酸铵为自制试剂. 1.2材料制备与性能表征 1.2.1单体及前驱体聚合物聚特丁氧酰氧基苯乙烯一共一N_羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰 亚胺甲基丙烯酸酯的制备 1.2.1.1单体的制备 单体对特丁氧酰氧基苯乙烯参考文献[18-20]制备.FT—IR:1760 cm (YC=o),1630 cm ( C:: ),1370 cm 和1394 cm1(特丁基的特征吸收:低波数强度约为高波数的两 倍),990 cm ( c_IH); HNMR(CDCl3):1.487(9H,S,一C(CH3)3),5.129—5.637 (2H,m,一CH2),6.552—6.647(1H,m,一CH),7.020—7.323(4H,m,一C6H4一). 单体N-羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯参考文献 1]制备.m.P. 136—138℃;FT-IR:3070、3010 cm ( c_IH),2958、2884 cm ( c_H),1760、1734 cm (vC==()),1635 cm (vC==c); HNMR(CD3 COCI)3):1.630—1.725(2H,m,一CH2一), 1.993(3H,S,一CH3),3.379、3.506(4H,两个单峰,一CH一),5.963(2H,===CH), 6.156、6.278(2H,两个单峰,一CH2). 1.2.1.2前驱体聚合物的制备 聚合瓶中加入4.94 g(0.020 too1)N_一羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸 酯和40 mL DMF,溶解,再加入4.40 g(0.020 mo1)对特丁氧酰氧基苯乙烯,通10 min 高纯氩气(Ar)除氧,然后加入0.070 g的引发剂AIBN,密封聚合瓶,抽真空除氧,然后通 Ar,反复三次,放入65℃恒温水浴中,聚合24 h.取出冷至室温,缓慢加入至大量去离子 352 影像科学与光化学 第31卷 水中,有白色沉淀出现,抽滤,用去离子水洗涤,65℃真空干燥至恒重,得9.1 g前驱体聚 合物,聚合收率97.4 .其提纯方法为:将干燥后的聚合物重新溶于DMF中,然后滴入 去离子水中,沉淀,抽滤,真空烘干,反复三次.所得前驱体聚合物的数均分子量 1.59×1O ,重均分子量Mw一2.43×10 ,分子量分布系数为1.53. 一 要制备其它分子量的前驱体聚合物,可采用类似的聚合工艺和步骤,仅需改变加入 引发剂AIBN的量即可. 1.2.2前驱体聚合物完全脱除酚羟基保护基,制备聚对羟基苯乙烯一共一N一羟基一5一降冰 片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯 参考文献E18],溶解5.0 g(0.011 mo1)上述前驱体聚合物于30 mL二氯甲烷中,将 0.30 g(0.0026 too1)三氟甲基磺酸溶于10 mL二氯甲烷中,然后将三氟甲基磺酸的二氯 甲烷溶液逐滴滴人前驱体聚合物的二氯甲烷溶液中,有气体逸出,滴加完毕,搅拌,待无 气体逸出(即酚羟基上的特丁氧酰保护基完全脱除)时,停止搅拌,将体系滴入石油醚中, 有沉淀析出,抽滤,真空烘干,即得聚对羟基苯乙烯一共一N_羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚 胺甲基丙烯酸酯.其提纯方法为:将干燥后的聚合物重新溶于DMF中,然后滴入去离子 水中,沉淀,抽滤,真空烘干,反复三次. 当前驱体聚合物的Mn一1.59×10 和M ===2.43×l0 时,按上述步骤,完全脱除保 护基后,所得聚合物的Mn一1.18×1O 和Mw一1.90×1O ,分子量分布系数为1.61. 其它分子量的聚对羟基苯乙烯一共一N一羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸 酯,可通过不同分子量的前驱体聚合物按上述工艺和步骤,完全脱除酚羟基上的保护基 而得到. 1.2.3 目标聚合物聚对羟基苯乙烯一共一 羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸 酯一共一对特丁氧酰氧基苯乙烯(Ⅵ)的制备 将5.0 g上述前驱体聚合物放入一定温度(通常为l50—18O℃)的烘箱中,加热一定 时间,取出,冷至室温,即得目标聚合物;其提纯方法为:将所得聚合物重新溶于DMF中, 然后滴人去离子水中,沉淀,抽滤,真空烘干,反复3次. 当前驱体聚合物的Mn一1.59×10 和Mw===2.43×10 时,按上述步骤,在温度155℃ 烘箱中加热2—3 min,可得到脱保率约为6O 的目标聚合物,其Mn===1_38×10 ,Mw一 2.15×10 ,分子量分布系数为1.56. 其它分子量的目标聚合物可通过不同分子量的前驱体聚合物按上述脱保工艺和步 骤,部分脱除酚羟基上的保护基而得到;其脱保率可通过改变上述工艺中的脱保加热温 度和/或加热时间而改变. 1.2.4 目标聚合物成膜性能、亲油性、膜厚度、紫外吸收光谱和酸解留膜率的测试 将上述制得的目标聚合物0.30 g溶于2.0 g乙二醇甲醚乙酸酯与乳酸乙酯的混合 溶剂(1:1体积EL)中,得聚合物溶液,用0.25 m超滤膜过滤,然后用旋转涂布机涂在高 纯石英片或单晶硅片上,转速3000--7000 r/rain,最后在9O℃烘盘上烘5 min,在光学显 微镜下观察聚合物膜厚是否有裂纹和起皮(亲油性)、是否有不溶的固体颗粒(ig解性) 等,用紫外可见分光光度计测其紫外吸收光谱. C 第5期 刘建国等:一种248 nm光刻胶成膜树脂的合成及相关性能研究 353 当用探针轮廓仪测试聚合物膜的厚度和均匀性时,先用丙酮脱脂棉球将单晶硅片表 面某一边一定宽度的聚合物膜彻底擦拭掉,然后再9O℃烘5 min,再进行测试. + 酸解留膜率测试:向上述聚合物溶液中加入1 (质量分数)的三氟甲基磺酸铵,溶 — vuC H =m2 - o 解,用0.25 m超滤膜过滤,然后旋涂于单晶硅片上,在不同温度烘盘上烘3 min,冷却, 用探针轮廓仪测试胶膜的厚度,记为f ;然后将其放人浓度为2.38 (质量分数)的氢氧 O 化四甲基铵溶液中3 min,取出,用去离子水冲洗干净,再在90℃烘盘上烘干,再测试胶 膜的厚度,记为f ,酸解留膜率即为f。/f ×100 . 2结果与讨论 2.1前驱体聚合物及目标聚合物的制备与FT-IR谱 . 单体对特丁氧酰氧基苯乙烯与N.-羟基-5-降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯通 过自由基共聚合,可制备前驱体聚合物聚特丁氧酰氧基苯乙烯一共一N_一羟基一5一降冰片烯一2, 3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯.该前驱体聚合物酚羟基上的特丁氧酰基保护基,在酸性和/ 或加热条件下,都可以被脱除[】引,但通过控制加热时间或温度更容易控制脱保率,因此本 研究采用在加热条件下部分脱除酚羟基上的特丁氧酰基保护基,得到目标聚合物.上述 聚合和脱保过程可用式(1)表示.前驱体聚合物之所以不能直接使用,是因为其酚羟基的 保护基完全脱除前后形成的聚合物胶膜有过大的体积收缩率,导致胶膜容易开裂口]. CH cH广亡 l C=O 4-CH Heat OH 3-。 ∞ 0= 6 Oc0oc(c ) o= Oc(c ) Precursor polymer Target polymer(Ⅵ) (1) 前驱体聚合物(Mn一1.59×10 ,MW一2.43×10 )的FT-IR谱如图2中的曲线1所 示,2981 cm_。、2942 cm~、2870 cm 等为甲基或者碳链上的 c_H吸收,1734 cm_1为甲 基丙烯酸酯羰基的 。吸收,1668 cm~、1778 cm~、1807 cm1为酰亚胺羰基的 C==0吸 收,而特丁氧酰基的羰基吸收被掩盖,1612 cm_。、1508 cm_。、1456 cm 为苯环骨架振动 的v八的吸收,1369 cm 和1390 cm 为特丁基的特征吸收,1275 cm_。、1256 cm~、1216 cm~、1146 cm 为 c卜c的吸收,835 cm 为对位取代苯环的 吸收,与其结构相符. 目标聚合物(Mn—1.38×10 ,Mw一2.15×10 ,约为6O 脱保率)的FT-IR如图2中的曲 线2所示,由于酚羟基的生成,图中明显出现了最大吸收位置在3500 cm 左右的宽带吸 收峰. 354 影像科学与光化学 第31卷 u鸟 目∞qBJ Wavenumber|cm 图2前驱体聚合物(曲线1,M 一1.59×10 ,Mw一2.43×10 )和目标聚合物 (曲线2,M 一l_38×1O ,Mw一2.15×1O ,约6O 脱保率)的FT-IR谱 FT-IR spectra of precursor(curve 1,Mn一1.59×10 ,Mlw一2.43×10 )and target (curve 2,Mn一1.38×1O ,M 一2.15×10 ,about 60 removal ratio of the protective group)polymers 2.2前驱体聚合物和目标聚合物的相关性能 图3中曲线2和3分别为前驱体聚合物(Mn一1.59×10 ,Mw===2.43×10 )的TGA 和DSC曲线,可以看出,它的Tg大约为180℃,第一阶段的起始分解温度在150℃左右, ≥ 乓 ≥ 0 皇 Temperature/℃ 图3前驱体聚合物(曲线2和3,Mn一1.59×10 ,Mw一2.43×10 )和目标聚合物 (曲线1,M =1_38X10 ,Mw=2.15×10 ,约60%脱保率)的TGA(曲线2和1)和DSC曲线(曲线3) TGA(curves 2 and 1)and DSC(curve 3)curves of precursor(curves 2 and 3,Mn—1.59×1O ,Mw一2.43×10 ) andtarget(curve1,M 一1.38X10 ,Mw=2.15X10 ,about 60%o removal ratio ofthe protective group)polymers 第二阶段的起始分解温度在270℃左右.到193℃第一阶段分解结束时,失重约21.4 . 若该聚合物是严格的1:1(摩尔比)的共聚物,当全部酚羟基上的保护基失去后(即脱保 率为100 9/5),失重正好为21.4%.由此可以推断,聚合时,若投料比是1:1,通过自由基 第5期 刘建国等:一种248 nm光刻胶成膜树脂的合成及相关性能研究 355 共聚合得到的聚合物应该是1:1的共聚物. 实验表明,通过同一前驱体聚合物的热分解而得到的目标聚合物,具有与相应前驱 体聚合物类似的热性能,只是随着保护基含量的不同,其第一阶段分解结束时,失重的百 分含量有所变化(即可以通过热重分析,来测定脱保后聚合物中酚羟基的含量).例如,当 我们将运用文献_2。]的方法测得的酚羟基含量约为4O (即脱保率约为60 )的目标聚合 物(Mn一1.38×lO ,Mw一2.15×10 )进行TGA分析,在第一阶段分解结束时,发现其失 重约为12.8O 9/6(图3的曲线1),这与理论计算得到的失重比率(12.84 )也是相符的.此 外,当制备不同脱保率的目标聚合物时,发现升高加热温度或延长加热时间,都可以提高 脱保率,而升高加热温度,还可以提高脱保速率. 进一步实验表明,目标聚合物(Mn一1.38×1O ,M_w=2.15×10 ,约60 脱保率)具 有良好的有机溶剂溶解性能,可溶于DMF、N,N_二甲基乙酰胺(DMAc)、THF、二氧六 环、乳酸乙酯、丙二醇甲醚乙酸酯等多种有机溶剂,形成的溶液经旋涂并烘干后,可在单 晶硅等衬底表面形成聚合物薄膜,该薄膜可以很好的附着于衬底上.图4为用探针轮廓 仪测得的其中两个薄膜的厚度曲线(即每个图中间位置有台阶的曲线,台阶左边为探针 在硅片上的测试线,台阶右边为在聚合物薄膜上的测试线).可以看出,薄膜的厚度(即图 中的VERT值)分别为499 nm(0.499 m)和469.8 nm(0.4698 m),在聚合物薄膜上的 测试线几乎是平直的,且多个样品、多次测试均能得到类似的结果,这表明薄膜厚度具有 很好的均匀性. iBI:;0明1 l3一o1.04 s EtilDl。=5哐MMDIuH R HUoRERITz;: 器 M I 器13一。I—o4 sI∞ ̄E削D ,5HMEMDIUH H ・‘ n l4,1639l8l ;:f I窖0,o0B 1日0,∞B ∞,日帅 和::= -^ 60.∞D -'.a,--一 48.0∞ 2。.000 a 图4由探针轮廓仪测得的目标聚合物(Mn—1.38 ̄10 ,Mw=2.15×1O ,约6O 脱保率)薄膜的厚度曲线 Thickness curve of target polymer(Mn一1.38×104,M 一215X104, .about 6o%removal ratio of the protective group)film,measured by a probe profilomete 光刻胶的抗干蚀刻能力与光刻胶中成膜树脂的结构与种类密切相关,其评价标准通 常有两种,第一种是光刻胶的抗干蚀刻能力与其成膜树脂中所含的有效碳含量有关 ], 即: R=n /n 其中,R为有效碳含量, 为成膜树脂单元结构中的碳原子数目,,z为其单元结构中 356 影像科学与光化学 第31卷 的所有原子数,R越大,光刻胶的抗干蚀刻能力就越强.因此含有芳环、脂环的烯烃就成 为光刻胶树脂材料的首选单体. 第二种评价标准是光刻胶的抗干蚀刻能力与其成膜树脂的蚀刻速度有关l2 ,即: A=n/(n --n。) 其中,A为蚀刻速度, 为成膜树脂单元结构中的所有原子数, 为其结构单元中所含碳 原子数, 。为其所含氧原子数,A越大,蚀刻速度越大,光刻胶的抗干蚀刻能力就越弱. 本文采用第一种评价标准,前驱体聚合物的有效碳含量R一41.27 .当保护基部分 脱除(即得目标聚合物)或全部脱除后,有效碳含量会进一步升高.抗干蚀刻能力实验也 表明,当采用如前1.1节所述的蚀刻参数(该蚀刻参数常用于对以线性酚醛树脂为成膜 树脂的紫外光刻胶(如AZ一1500光刻胶)的刻蚀)进行蚀刻后,发现目标聚合物(Mn=== 1.38×l0 ,M 一2.15×10 ,约60 9/6脱保率)薄膜表面并未发生明显的变化,这表明该聚 合物的抗干蚀刻能力与线性酚醛树脂的相当. 目标聚合物(Mn一1.38×1O ,MW:==2.15×10 ,约60 脱保率)的紫外吸收曲线如图 5所示,可以看出,在248 nm时,其光学密度为0.212 m~.而文献报道l2 ,对于248 nm 光刻胶,当成膜树脂的光学密度小于0.45/xm 时,即可满足要求.因此,目标聚合物的紫 外透光性可以满足248 nm光刻胶的需要. ’目 蛊 图5 目标聚合物( :1.38×104,Mw=2.15×10 ,约6O 脱保率)的紫外吸收曲线 UV—Vis spectrum of target polymer(Mn:1.38×1O ,M 一2.15×l0 , about 60 removal ratio of the protective group) 用于光刻胶成膜树脂的分子量通常在数千至数万之间_2卫引.在此范围内实验发现,目 标共聚物的有机溶剂溶解性能、成膜性能、紫外光透过性能并没有明显变化;且在此分子 量范围内,目标聚合物的脱保率对这些性能也没有明显的影响;但热性能随分子量的变 化有所变化,分子量越大,玻璃化温度 也越高,耐热性越好. 2.3 目标聚合物的酸致脱保性能和酸解留膜率 在化学增幅型光刻胶的曝光过程中,曝光区域的光致酸发生剂会产生酸,这些酸可 以进一步催化酸增殖剂产生更多的酸.若曝光区域光刻胶的成膜树脂采用特丁氧酰基或 第5期 刘建国等:一种248 nm光刻胶成膜树脂的合成及相关性能研究 357 缩醛基等作为其酚羟基的保护基,那么所有产生的酸都可以催化脱除这些保护基,而随 后的曝光后烘工艺还可以使这一过程进行得更为彻底[2],这种性能即为成膜树脂的酸致 脱保性能.本文中制备的目标共聚物,实验证实可以用三氟甲基磺酸完全脱除其酚羟基 上的特定氧酰保护基,表明目标聚合物具备酸致脱保性质,这是目标聚合物可用于248 nm光刻胶成膜树脂的重要性能之一.目标聚合物(M 一1.38×lO ,Mw一2.15×1O ,约 \Qug譬 吕∞ 旦 60 脱保率)及其完全脱除特丁氧酰保护基后的FT-IR如图6所示,可以看出,在完全脱 保后的红外吸收曲线2中,未发现酚羟基的特丁氧酰氧保护基在1371 cm、1395 cm (叔丁基的 一 吸收)及1750 cm (羰基的 c=c 吸收)附近的特征吸收峰,但同时出现了 更强的酚羟基吸收(3100--3600 cm_。,最大吸收在3420 cm 左右). 文献_1 5]_报道,三氟甲基磺酸铵在一定温度下是稳定的,但当加热到更高温度时会发 生分解,并产生三氟甲基磺酸,因此可以用三氟甲基磺酸铵热解产酸代替实际光刻胶中 的光致产酸,进而对可酸致脱保的聚合物进行留膜率测试.图7为目标聚合物(约6O 脱 保率,Mn一1.38×10 ,Mw一2.15×10 )的酸解留膜率曲线,可以看出,在烘烤温度约为 120℃时,曲线上有明显的拐点出现,表明此时目标聚合物经酸解部分脱保,开始溶于氢 氧化四甲基铵水溶液,当烘烤温度升至140℃时,留膜率为零,表明此时目标聚合物能可 完全溶于氢氧化四甲基铵水溶液. 图6目标聚合物(曲线1:^矗一1.38X104,Mw=2.15X104,约6oN脱保率)及其完全脱除保护基后(曲线2)的FTqR谱 FT-IR spectra of target polymer(Mn一1.38×1O ,M 一2.15×1O , about 6O removal ratio of the protective group)before and after totally removing protective group 进一步实验表明,当目标聚合物的分子量太小(如1000以下)时,无论目标聚合物中 酚羟基保护基的含量是多少,它都易溶于氢氧化四甲基铵水溶液,因此在测试酸解留膜 率曲线时,没有明显的拐点出现.若这样分子量的目标聚合物被用作光刻胶的成膜树脂, 推测其在曝光显影时,将不会有成像反差,即无法成像.而当目标聚合物的分子量在数千 至数万之间时,若其酚羟基的脱保率小于约70 ,目标聚合物就难溶于氢氧化四甲基铵 水溶液.之后,随着脱保率的增大,目标聚合物在碱性水溶液中逐渐开始溶解,因此在其 酸解留膜率曲线上出现了明显的拐点.这样分子量的目标聚合物若被用作光刻胶的成膜 358 影像科学与光化学 第31卷 树脂,推测其在曝光显影时,将会有明显的成像反差.因此,分子量在数千至数万的目标 聚合物才适合用作光刻胶的成膜树脂. 一☆一- -—一☆一 ’ | \0一=lBJ∞∞u互 鲁 IIIu 吕 H ☆、 0 圣r ∞ ∞ ∞ ∞ 加 | l - }_☆☆… 160 60 80 100 120 140 Bake temperature/℃ 图7目标聚合物(Mn一1.38×1O ,M 一2.15×lO )的酸解留膜率曲线 Remaining thickness ratio of the target polymer(Mn一1.38X 10 ,M 一2.15×10 )after acidolysis 此外,目标聚合物上酚羟基的详细保护比例,以及由这些目标聚合物作为成膜树脂 配制而成的光刻胶的配方、详细光刻工艺和光刻分辨率等问题,作者正在进一步研究中. 3结论 (1)通过自由基共聚合,制备了前驱体共聚物聚对特丁氧酰氧基苯乙烯一共一N一羟基一 5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲基丙烯酸酯,该共聚物可以在加热条件下脱除酚羟基上的 部分保护基,得到目标共聚物聚对羟基苯乙烯一共一 羟基一5一降冰片烯一2,3一二甲酰亚胺甲 基丙烯酸酯一共一对特丁氧酰氧基苯乙烯. (2)具有合适分子量的目标共聚物,其溶解性、热性能、成膜性能、抗干蚀刻性能、紫 外光透过性能等可以初步满足248 rim光刻胶成膜树脂的需要. (3)从目标共聚物的酸致脱保性能和酸解留膜率曲线可以推测,当其分子量和脱保 率均合适时,目标聚合物有可能满足光刻胶的曝光显影成像功能. 参考文献: [1]John H B.Optical lithography—thirty years and three orders of magnitude[n Proceedings oy SPIE,1997, 3049:14—27. Ez]Ito H.Chemically amplified resist:past,present and future[J].Proceedings ofSPIE,1999,3678:2-12. [3]穆启道,曹立新.光刻技术的发展与光刻胶的应用l_J].集成电路应用,2003,6:69—75. Mu Q D,Cao L X Development of ph。tolith0graphic technology and application of photoresist[J].Applicatios 。,IC,2003,6:69—75. [4]吴雄杰,裘霞敏.我国化学电子品产业的发展状况及前景口].浙江化工,2003,34(6):25—27. wu X J,Qiu X M.Development and prospect of electronic chemicals industry in China[J].Zh iang Chemical 第5期 刘建国等:一种248 rlm光刻胶成膜树脂的合成及相关性能研究 359 Industry,2003,34(6):25 27. E5]夏伟如,章舒,夏敏,等.正性抗蚀剂用酚醛树脂的制备口].化工时刊,2002,4:21—24. Xia W R,Zhang S,Xia M,et a1.Preparation of cresol—formaldehyde resins used for making positive photoresist [j].Chemical Industry Times,2002,4:21—24. 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Research on the Synthesis and Properties of a Matrix Resin to be Used for 248 am Photoresist LIU Jian-guo,JIANG Ming,ZENG Xiao-yan (Functional Laboratory of Laser and Terahertz Technology,Wuhan National Laborator }or Optoelectronics,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,Hubei,P.R.China) Abstract:Precursor eopolymer poly(P~tert—butoxycarbonyloxystyrene—co—N—hydroxy一5一 norbornene-2,3-dicarboximido methacrylate)was prepared by free radical copolymerization of monomers p-tert—butoxycarbonyloxystyrene and N-hydroxy-5一norbornene一2,3-dicarboximido methacrylate.Target copolymer poly(P—hydroxystyrene—co-N-hydroxy-5~norbornene-2.3一 dicarboximidomethaerylate-co-p-tert—butoxycarbonyloxystyrene)could be obtained by pyrolysis from the partial removal of the protective group tert_butoxycarbonyj of phenolic hydroxy1It . showed that the target eopolymer with an appropriate molecular weight could be used as the matrix resin of 248 nm photoresist because of its good solubility in organic solvent, thermostability,film-forming characteristics,dry etching resistance,and optic density of 0.212 Fm~at 248 nm.In addition,the target copolymer had the property of acidolysis removal Of the protective group.From the remaining film thickness ratio of the target copolymer after acidolysis,it could be inferred that the target polymer,with an appropriate molecular weight and an appropriate ratio of the protective group removal,could meet the requirements of exposure and development in the photolithographic processes of 248 nm photo— resjst. Key words:248 nm photoresist;matrix resin;poly(户一hydroxystyrene-eo-N-hydroxy-5一nor— bornene-2,3-dicarboximido methacrylate-co-p-tert utoxycarbonyloxystyrene) Corresponding author:LIU Jian-guo,E-mail:liujg@mail.hust.edu.cn.