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KR102723279B1 - Photoresist polymer resins for ultraviolet lithography using continuous flow reaction process, and preparation method thereof - Google Patents

Photoresist polymer resins for ultraviolet lithography using continuous flow reaction process, and preparation method thereof Download PDF

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KR102723279B1
KR102723279B1 KR1020210139007A KR20210139007A KR102723279B1 KR 102723279 B1 KR102723279 B1 KR 102723279B1 KR 1020210139007 A KR1020210139007 A KR 1020210139007A KR 20210139007 A KR20210139007 A KR 20210139007A KR 102723279 B1 KR102723279 B1 KR 102723279B1
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Abstract

본 발명은 연속 흐름 반응 공정을 이용한 자외선 리소그래피용 포토레지스트 고분자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 리소그래피용 포토레지스트 고분자에 관한 것으로, 상기 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법은 연속 반응기를 이용하여 연속 흐름 반응 공정을 통해 포토레지스트 고분자를 제조함으로써 배치 별 균일성 및 생산성을 향상시킬 수 있고, 포토레지스트 고분자 제조시에 조성비를 최적화 하여 우수한 고분자 전환율을 나타내고, 생산의 정밀도를 높여서 불량률를 최소화하여 높은 신뢰성을 나타낼 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a photoresist polymer for ultraviolet lithography using a continuous flow reaction process, and to a photoresist polymer for lithography manufactured thereby. The method for manufacturing a photoresist polymer for lithography manufactures a photoresist polymer through a continuous flow reaction process using a continuous reactor, thereby improving batch-by-batch uniformity and productivity, optimizing the composition ratio during the manufacture of the photoresist polymer to exhibit excellent polymer conversion rate, and increasing the precision of production to minimize the defect rate, thereby exhibiting high reliability.

Description

연속 흐름 반응 공정을 이용한 자외선 리소그래피용 포토레지스트 고분자 및 이의 제조방법{Photoresist polymer resins for ultraviolet lithography using continuous flow reaction process, and preparation method thereof}Photoresist polymer resins for ultraviolet lithography using continuous flow reaction process, and preparation method thereof

본 발명은 연속 흐름 반응 공정을 이용한 자외선 리소그래피용 포토레지스트 고분자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 리소그래피용 포토레지스트 고분자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a photoresist polymer for ultraviolet lithography using a continuous flow reaction process and to a photoresist polymer for lithography produced thereby.

대부분의 심자외선 및 극자외선 포토레지스트 고분자는 일반적으로 배치 반응기를 이용한 자유 라디칼 중합법을 통하여 합성한다. 배치 반응은 일반적인 반응기를 사용하는 전통적인 합성 방법으로 밀리그램에서 킬로그램 스케일의 합성에서 주로 사용된다. 이 방식은 열전달이 전체 반응 용액 내에서 균일하게 일어나지 않아 스케일이 커질수록 반응의 정밀한 제어가 어려워 스케일을 크게 하여 생산 공정에 적용 시 많은 최적화 실험을 필요로 한다. 이 뿐만 아니라 모든 배치의 반응 환경이 동일할 수가 없으므로 생성물의 구조 및 품질이 균일하지 않다는 한계점도 있다. 흐름 반응기는 이러한 열전달 문제와 배치-배치 불균일성을 개선하여 생산성 및 정밀성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 공정의 단순화를 가져다 줄 수 있는 공정이다. 전통적인 배치 반응기와 비교해 많은 장점을 가지고 있는 연속 흐름 반응은 최근 여러 고분자 소재를 합성하는데 많이 이용되고 있다. Most deep UV and extreme UV photoresist polymers are generally synthesized by free radical polymerization using a batch reactor. Batch reaction is a traditional synthesis method using a general reactor, and is mainly used for synthesis from milligrams to kilograms. This method requires many optimization experiments when applying it to the production process by increasing the scale because heat transfer does not occur uniformly within the entire reaction solution, making it difficult to precisely control the reaction as the scale increases. In addition, since the reaction environment of all batches cannot be the same, there is also a limitation that the structure and quality of the product are not uniform. A flow reactor is a process that can improve these heat transfer problems and batch-to-batch non-uniformity, thereby improving productivity and precision, as well as simplifying the process. Continuous flow reaction, which has many advantages compared to traditional batch reactors, has been widely used to synthesize various polymer materials recently.

전통적인 배치 반응을 통한 고분자 중합은 자유 라디칼 중합법을 이용하여 왔다. 자유 라디칼 중합은 사슬 성장이 매우 빠르며 라디칼의 부반응을 제어할 수 없어 분자량 및 분자량 분산도를 제어하기 어렵다. 리소그래피를 이용한 패턴의 크기가 고분자 사슬이 갖는 크기와 비교될 수 있을 정도로 작아지면서 고분자 레진의 분자량과 분자량 분산도에 따른 영향 또한 무시할 수 없게 되었으며, 따라서 라디칼 중합에 기반한 조절 라디칼 중합법(controlled radical polymerization)을 이용한 합성이 주목받아 왔다. 이러한 조절 라디칼 중합에는 원자 전이 라디칼 중합(atom transfer radical polymerization, ATRP), 니트록시드 매개 중합(nitroxide-mediated radical polymerization, NMP), 가역적 첨가-분절 연쇄이동(reversible addition-fragmentation chain transfer, RAFT) 중합이 고분자 사슬의 구조 파라미터를 정밀하게 제어하기 위한 유용한 도구로서 개발되어지고 있다. 특히 RAFT 중합은 ATRP와 NMP와 비교하여 반응 용액 내 수분과 산소가 소량 존재하여도 상대적으로 중합이 원활하게 진행되는 편이며, 메타크릴레이트, 스타이렌 계열 단량체 들을 포함한 넓은 범주의 비닐 단량체들의 중합이 원활하여 다양한 기능성 고분자의 합성에 폭넓게 이용되고 있다. Traditional batch polymerization has been performed using free radical polymerization. Free radical polymerization has very fast chain growth and it is difficult to control the side reactions of radicals, making it difficult to control the molecular weight and molecular weight dispersion. As the size of the pattern using lithography becomes smaller than that of the polymer chain, the effects of the molecular weight and molecular weight dispersion of the polymer resin cannot be ignored. Therefore, synthesis using controlled radical polymerization based on radical polymerization has attracted attention. In this controlled radical polymerization, atom transfer radical polymerization (ATRP), nitroxide-mediated radical polymerization (NMP), and reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization are being developed as useful tools for precisely controlling the structural parameters of the polymer chain. In particular, RAFT polymerization proceeds relatively smoothly even in the presence of small amounts of moisture and oxygen in the reaction solution compared to ATRP and NMP, and is widely used in the synthesis of various functional polymers because it smoothly polymerizes a wide range of vinyl monomers, including methacrylate and styrene series monomers.

화학 증폭형 레지스트(chemically amplified resist, CAR)는 포토리소그래피를 통하여 미세회로 구조를 기판 위에 제작하기 위하여 사용하는 물질이다. CAR를 사용하는 패터닝 공정은 노광에 의해 활성화된 산이 노광 후 가열(post-exposure baking, PEB)동안에 확산되면서 레지스트 레진을 탈보호화하는 반응의 촉매로 작용하는 복잡한 반응을 포함한다. 화학적 반응을 동반하는 확산-반응 과정을 제어하는 것은 매우 도전적이다. 박막 공간 상 반응 진척도와 반응 속도가 산의 농도와 확산에 영향을 받을 뿐만 아니라 산이 확산되는 과정은 고분자 레진의 조성과 시퀀스에 의해 영향을 받을 수 있기 때문이다. 제작하려는 패턴의 크기가 작아질수록 박막 내의 복잡한 화학적 현상들의 영향이 증폭될 수밖에 없기 때문에 레지스트 레진의 조성, 구조, 분자량, 분자량 분포와 같은 구조 파라미터를 정밀하게, 그리고 균일하게 제어하는 것은 매우 중요하다. 더 나아가, 박막 내 화학적 반응을 효과적으로 제어하기 위하여 고분자 사슬의 미세 구조의 이해가 매우 중요하다. 고분자의 미세구조는 중합 시 개별 단량체들의 입체 구조와 반응성에 의해 결정되며, 이를 정량적으로 이해하기 위해서는 공중합 반응 속도론적 연구를 통하여 단량체 간 반응비 측정이 필수적이다. Chemically amplified resist (CAR) is a material used to fabricate microcircuit structures on a substrate through photolithography. The patterning process using CAR involves a complex reaction in which the acid activated by exposure diffuses during post-exposure baking (PEB) and acts as a catalyst for the reaction to deprotect the resist resin. Controlling the diffusion-reaction process accompanied by the chemical reaction is very challenging. This is because the reaction progress and reaction rate in the thin film space are affected not only by the concentration and diffusion of the acid, but also by the composition and sequence of the polymer resin. As the size of the pattern to be fabricated decreases, the influence of complex chemical phenomena in the thin film inevitably increases, so it is very important to precisely and uniformly control the structural parameters such as the composition, structure, molecular weight, and molecular weight distribution of the resist resin. Furthermore, understanding the microstructure of the polymer chain is very important to effectively control the chemical reaction in the thin film. The microstructure of a polymer is determined by the three-dimensional structure and reactivity of individual monomers during polymerization, and in order to understand this quantitatively, it is essential to measure the reaction ratio between monomers through copolymerization reaction kinetics studies.

대한민국 등록특허 제10-1238580호 (2013.02.22. 등록)Republic of Korea Patent No. 10-1238580 (registered on February 22, 2013)

본 발명의 목적은 리소그래피용 포토레지스트 고분자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 리소그래피용 포토레지스트 고분자를 제공하는 데에 있다.The purpose of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoresist polymer for lithography and a photoresist polymer for lithography manufactured thereby.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 2종 이상의 고분자 단량체, 개시제, 사슬 이동제 및 용매를 혼합하여 반응용액을 제조하는 단계 및 상기 반응용액을 흐름 반응기에 주입하고 흐름 반응기를 통과하면서 연속 흐름 반응을 통해 중합시키는 단계를 포함한다.In order to achieve the above purpose, the present invention includes a step of preparing a reaction solution by mixing two or more types of polymer monomers, an initiator, a chain transfer agent, and a solvent, and a step of injecting the reaction solution into a flow reactor and polymerizing it through a continuous flow reaction while passing the reaction solution through the flow reactor.

상기 고분자 단량체는 γ-부티로락토닐 메타크릴레이트(γbutyrolactonyl methacrylate, GBLMA), 히드록시아다만틸 메타크릴레이트(hydroxyadamantyl methacrylate, HAMA), 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(2-methyladamantan-2-yl methacrylate, MAMA), 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드() 중 2종 이상을 포함하고 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법을 제공하나, 이에 국한되는 것은 아니다.The above polymer monomers include two or more of γ-butyrolactonyl methacrylate (GBLMA), hydroxyadamantyl methacrylate (HAMA), 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA), acetoxystyrene (ACOST), and highly fluorinated maleimide (), and a method for producing a photoresist polymer for lithography is provided, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 서술한 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에 의해 제조된 리소그래피용 포토레지스트 고분자를 제공한다.In addition, the present invention provides a photoresist polymer for lithography manufactured by the method for manufacturing a photoresist polymer for lithography described above.

본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법은 연속 반응기를 이용하여 연속 흐름 반응 공정을 통해 포토레지스트 고분자를 제조함으로써 배치 별 균일성 및 생산성을 향상시킬 수 있고, 포토레지스트 고분자 제조시에 조성비를 최적화 하여 우수한 고분자 전환율을 나타내고, 생산의 정밀도를 높여서 불량률을 최소화하여 높은 신뢰성을 나타낼 수 있다.The method for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention can improve batch-by-batch uniformity and productivity by manufacturing the photoresist polymer through a continuous flow reaction process using a continuous reactor, and can exhibit excellent polymer conversion rate by optimizing the composition ratio during the manufacturing of the photoresist polymer, and can exhibit high reliability by minimizing the defect rate by increasing the precision of production.

도 1은 본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자를 제조하기 위한 흐름 반응기의 개략도 및 이미지이다.
도 2는 본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에서 반응부를 통과한 GBLMA, MAMA, HAMA 공중합을 위한 반응 용액 및 이의 1H NMR 스펙트럼 결과 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에서 연속 반응기의 체류 시간에 따른 포토레지스트 고분자의 전환율(a), ln([M]0/[M])(b), Mw 분자량(c), SEC 크로마토그램(d)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에서 단량체 반응비를 측정하기 위한 NLS 회귀 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에서 (a) ACOST-MAMA 공중합체의 1H-NMR 스펙트럼 (위: 흐름 반응 RAFT 중합 연속 중합으로 얻어낸 공중합체; 아래: 자유 라디칼 중합을 이용하여 얻어낸 공중합체), (b) 말단기 제거 전(위) 및 후(아래)의 ACOST-MAMA 공중합체의 1H-NMR 스펙트럼 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에서 (a) RAFT 사슬 이동제 용액의 농도에 따른 UV/vis 스펙트럼, (b) 농도에 따른 306 nm 광에 대한 흡광도를 이용한 검정 곡선 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에서 (a) 아세틸 그룹 피크 비교를 위한 탈아세틸화 반응 전과 후의 1H-NMR 스펙트럼(위: 탈아세틸화 전; 1H-NMR용매 CDCl3, 아래: 탈아세틸화 후; 1H-NMR용매 THF-d8) (b) 탈아세틸화 반응 후의 1H NMR 스펙트럼 (c)(d)적외선 분광 스펙트럼(c, d; 위: 탈아세틸화 전, 아래: 탈아세틸화 후) 결과 그래프이다.
FIG. 1 is a schematic diagram and image of a flow reactor for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the reaction solution for GBLMA, MAMA, and HAMA copolymerization that passed through the reaction section in the method for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention, and the 1 H NMR spectrum results thereof.
FIG. 3 is a graph showing the conversion rate (a), ln([M] 0 /[M]) (b), Mw molecular weight (c), and SEC chromatogram (d) of a photoresist polymer according to the residence time in a continuous reactor in a method for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention.
Figure 4 shows the results of NLS regression analysis for measuring the monomer reaction ratio in the method for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of a 1 H-NMR spectrum of (a) an ACOST-MAMA copolymer in a method for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention (top: a copolymer obtained by continuous polymerization using a flow reaction RAFT polymerization; bottom: a copolymer obtained by using free radical polymerization), (b) a graph showing the results of a 1 H-NMR spectrum of an ACOST-MAMA copolymer before (top) and after (bottom) removal of terminal groups.
FIG. 6 is a graph showing a calibration curve using (a) a UV/vis spectrum according to the concentration of a RAFT chain transfer agent solution and (b) absorbance for 306 nm light according to the concentration in a method for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the results of a method for manufacturing a photoresist polymer for lithography according to the present invention, (a) 1 H-NMR spectra before and after a deacetylation reaction for comparison of acetyl group peaks (top: before deacetylation; 1 H-NMR solvent CDCl 3 , bottom: after deacetylation; 1 H-NMR solvent THF-d 8 ), (b) 1 H NMR spectrum after the deacetylation reaction (c)(d) infrared spectroscopy spectra (c, d; top: before deacetylation, bottom: after deacetylation).

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, in order to explain the present invention more specifically, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

본 발명은 2종 이상의 고분자 단량체, 개시제, 사슬 이동제 및 용매를 혼합하여 반응용액을 제조하는 단계; 및 상기 반응용액을 흐름 반응기에 주입하고 흐름 반응기를 통과하면서 연속 흐름 반응을 통해 중합시키는 단계를 포함하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a photoresist polymer for lithography, comprising the steps of: preparing a reaction solution by mixing two or more types of polymer monomers, an initiator, a chain transfer agent, and a solvent; and injecting the reaction solution into a flow reactor and polymerizing it through a continuous flow reaction while passing through the flow reactor.

상기 리소그래피용 포토레지스트 고분자는 자외선 리소그래피용 포토레지스트 고분자일 수 있고, 구체적으로, 심자외선(deep UV) 및 극자외선(extreme UV) 리소그래피용 포토레지스트 고분자일 수 있다.The above photoresist polymer for lithography may be a photoresist polymer for ultraviolet lithography, and specifically, may be a photoresist polymer for deep UV and extreme UV lithography.

상기 고분자 단량체는 γ-부티로락토닐 메타크릴레이트(γbutyrolactonyl methacrylate, GBLMA), 히드록시아다만틸 메타크릴레이트(hydroxyadamantyl methacrylate, HAMA), 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(2-methyladamantan-2-yl methacrylate, MAMA), 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM) 중 2종 이상을 포함할 수 있다.The above polymer monomer may include two or more of γ-butyrolactonyl methacrylate (GBLMA), hydroxyadamantyl methacrylate (HAMA), 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA), acetoxystyrene (ACOST), and polyfluorinated maleimide (PFM).

구체적으로, 상기 반응용액을 제조하는 단계는 고분자 단량체로 γ-부티로락토닐 메타크릴레이트(γbutyrolactonyl methacrylate, GBLMA), 히드록시아다만틸 메타크릴레이트(hydroxyadamantyl methacrylate, HAMA) 및 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(2-methyladamantan-2-yl methacrylate, MAMA)을 혼합하고, 상기 GBLMA:MAMA:HAMA은 전체 반응용액을 기준으로 1.3~3:0.6~1.5:1 또는 1.5~2.5:0.7~1.5:1의 몰 비율로 혼합할 수 있다.Specifically, the step of preparing the reaction solution includes mixing γ-butyrolactonyl methacrylate (GBLMA), hydroxyadamantyl methacrylate (HAMA), and 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA) as high molecular weight monomers, and the GBLMA:MAMA:HAMA can be mixed at a molar ratio of 1.3 to 3:0.6 to 1.5:1 or 1.5 to 2.5:0.7 to 1.5:1 based on the entire reaction solution.

또한, 상기 반응용액을 제조하는 단계는 고분자 단량체로 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(2-methyladamantan-2-yl methacrylate, MAMA)을 혼합하고, 상기 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(MAMA)은 전체 반응용액을 기준으로 0.5~6.0:1, 0.5~3.0:1, 0.5~1.5:1 또는 1.0~1.5:1의 몰 비율로 혼합할 수 있다.In addition, the step of preparing the reaction solution mixes acetoxystyrene (ACOST) and 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA) as high molecular weight monomers, and the acetoxystyrene (ACOST) and 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA) can be mixed at a molar ratio of 0.5 to 6.0:1, 0.5 to 3.0:1, 0.5 to 1.5:1, or 1.0 to 1.5:1 based on the entire reaction solution.

상기 반응용액을 제조하는 단계는 고분자 단량체로 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM)을 혼합하고, 상기 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM)은 전체 반응용액을 기준으로 0.5~1.5:1 또는 1.0~1.5:1의 몰 비율로 혼합할 수 있다.The step of preparing the above reaction solution includes mixing acetoxystyrene (ACOST) and a highly fluorinated maleimide (PFM) as high molecular weight monomers, and the acetoxystyrene (ACOST) and the highly fluorinated maleimide (PFM) can be mixed at a molar ratio of 0.5 to 1.5:1 or 1.0 to 1.5:1 based on the entire reaction solution.

상기와 같이 반응용액의 고분자 단량체의 조성비를 제어하여 우수한 고분자 전환율을 나타낼 수 있고, 고분자 중합체 생성의 정밀도를 높일 수 있다.As described above, by controlling the composition ratio of the polymer monomers in the reaction solution, an excellent polymer conversion rate can be achieved and the precision of polymer production can be increased.

상기 반응용액을 제조하는 단계는 반응용액 내에 산소를 제거하는 단계를 더 포함하고, 상기 산소를 제거하는 단계는 제조된 반응용액을 얼림-진공-녹임(free-pump-thaw) 공정을 통해 수행할 수 있다.The step of preparing the above reaction solution further includes a step of removing oxygen within the reaction solution, and the step of removing oxygen can be performed through a free-pump-thaw process of the prepared reaction solution.

상기 개시제는 2,2‘-아조비스이소부티로니트릴(2,2'-azobisisobutyronitrile, AIBN) 및 4,4’-아조비스(4-시아노발레르산)(4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid), ACVA) 중 적어도 하나를 포함한다.The initiator comprises at least one of 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN) and 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid) (ACVA).

상기 중합시키는 단계에서, 상기 흐름 반응기는 주입부, 반응부 및 방출부를 포함하고, 상기 반응용액은 상기 주입부, 반응부 및 방출부를 순차적으로 통과하여 연속 흐름 반응을 통해 중합되어 고분자를 제조할 수 있다.In the polymerizing step, the flow reactor includes an injection unit, a reaction unit, and a discharge unit, and the reaction solution can be polymerized through a continuous flow reaction by sequentially passing through the injection unit, the reaction unit, and the discharge unit to manufacture a polymer.

상기 용매는 테트라히드로퓨란(THF), 시클로헥산, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 디옥산 및 디메틸포름아미드 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 용매는 전체 용액에서 30중량% 내지 65중량% 또는 40중량% 내지 60중량%의 비율로 혼합할 수 있다. 상기와 같은 비율로 용매를 첨가함으로써 연속 반응기 내에서 반응용액의 유동성을 향상시켜 불량률을 최소화시킬 수 있다.The solvent includes at least one of tetrahydrofuran (THF), cyclohexane, methyl ethyl ketone, benzene, toluene, dioxane, and dimethylformamide, and the solvent can be mixed in a ratio of 30 wt% to 65 wt% or 40 wt% to 60 wt% of the total solution. By adding the solvent in the ratio as described above, the fluidity of the reaction solution in the continuous reactor can be improved, thereby minimizing the defect rate.

상기 사슬 이동제는 4-시아노-4-[(도데실설파닐티오카보닐)설파닐]펜탄산(CDSTSP), 시아노메틸도데실트리티오카보네이트, 2-시아노-2-프로필벤조디티오에이트, 2-(도데실티오카보닐티오닐티오)-2-메틸프로피온산, 4-시아노-4-(페닐카보노티오닐티오)펜탄산, 4-((((2-카복시에틸)티오)카보노티오닐)티오)-4-시아노펜탄산, 및 2-시아노-2-프로필도데실 트라이카보네이트 중 적어도 하나를 포함한다.The chain transfer agent comprises at least one of 4-cyano-4-[(dodecylsulfanylthiocarbonyl)sulfanyl]pentanoic acid (CDSTSP), cyanomethyldodecyltrithiocarbonate, 2-cyano-2-propylbenzodithioate, 2-(dodecylthiocarbonylthionylthio)-2-methylpropionic acid, 4-cyano-4-(phenylcarbonothionylthio)pentanoic acid, 4-((((2-carboxyethyl)thio)carbonothionyl)thio)-4-cyanopentanoic acid, and 2-cyano-2-propyldodecyl tricarbonate.

상기 흐름 반응기는 상기 흐름 반응기는 도 1에 나타낸 바와 같이 주입부, 반응부 및 방출부를 포함할 수 있다.The above flow reactor may include an injection portion, a reaction portion, and a discharge portion as shown in FIG. 1.

구체적으로, 상기 중합시키는 단계는 상기 반응용액을 상기 주입부에 주입하고, 주입된 반응용액이 반응부에서 중합이 수행되어 방출부로 배출될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 중합시키는 단계는 상기 반응용액이 상기 흐름 반응기에서 60분 내지 180 분, 90 분 내지 160 분 또는 100 분 내지 140 분 동안 체류하여 중합될 수 있다. 상기 반응용액의 체류시간은 유속 및 반응기의 튜브의 부피에 영향을 받을 수 있다.Specifically, the polymerizing step may include injecting the reaction solution into the injection unit, and the injected reaction solution may be polymerized in the reaction unit and discharged through the discharge unit. More specifically, the polymerizing step may include allowing the reaction solution to remain in the flow reactor for 60 to 180 minutes, 90 to 160 minutes, or 100 to 140 minutes to be polymerized. The residence time of the reaction solution may be affected by the flow rate and the volume of the tube of the reactor.

상기 주입부는 주사기 및 주사기 펌프를 포함하고, 상기 주사기는 반응용액을 담을 수 있고, 상기 주사기 펌프는 압력을 가해 일정한 유속으로 반응용액을 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 주사기 펌프는 0.1 내지 2 mL/hr 또는 0.5 내지 1.5 mL/hr의 유속으로 상기 반응용액을 통과시킬 수 있다.The above injection unit includes a syringe and a syringe pump, the syringe can contain a reaction solution, and the syringe pump can apply pressure to move the reaction solution at a constant flow rate. For example, the syringe pump can pass the reaction solution at a flow rate of 0.1 to 2 mL/hr or 0.5 to 1.5 mL/hr.

상기 주입부의 주사기는 커넥터를 이용하여 약 2~4 ml의 튜브(반응부)와 연결되고, 상기 튜브는 PTFE 튜브일 수 있다.The syringe of the above injection part is connected to a tube (reaction part) of about 2 to 4 ml using a connector, and the tube may be a PTFE tube.

상기 반응부는 튜브 및 중탕기를 포함하고, 상기 튜브는 반응용액이 이동하면서 반응할 수 있는 공간으로 고분자 중합반응이 진행되는 부분이고, 상기 튜브는 중탕기에 담겨서 일정한 온도로 유지되도록 할 수 있다. 상기 중탕기는 오일 중탕기일 수 있고, 중합반응이 용이하도록 95 ℃내지 110 ℃의 온도로 유지될 수 있다.The above reaction section includes a tube and a double boiler, and the tube is a space where the reaction solution can move and react, and is a section where a polymer polymerization reaction proceeds. The tube can be placed in the double boiler to be maintained at a constant temperature. The double boiler can be an oil double boiler, and can be maintained at a temperature of 95° C. to 110° C. to facilitate the polymerization reaction.

상기 방출부는 반응부의 튜브로부터 중합반응이 완료된 고분자(중합체)가 방출되는 곳으로, 방출되는 고분자를 담을 용기를 포함할 수 있다.The above discharge unit is a place where a polymer (polymer) whose polymerization reaction has been completed is discharged from the tube of the reaction unit, and may include a container for containing the discharged polymer.

상기 중합시키는 단계를 거친 제조된 포토레지스트 고분자의 전환율은 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상일 수 있다.The conversion rate of the photoresist polymer manufactured through the above polymerization step may be 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, or 90% or more.

상기 중합시키는 단계 이후에, 고분자 중합체를 개질시키는 단계를 추가로 포함할 수 있고, 상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계를 통해 고분자 말단에 존재하는 사슬 이동제의 기능기를 제거할 수 있다.After the polymerization step, a step of modifying the polymer may be additionally included, and the functional group of the chain transfer agent present at the polymer terminal may be removed through the step of modifying the polymer.

상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자 중합체와 일정 비율의 2,2‘-아조비스이소부티로니트릴 및 용매를 70~100℃의 온도에서 교반하면서 10~25시간 동안 환류시킨 후, 진공 농축기를 이용하여 용매를 제거한 후 과량의 메탄올을 첨가하여 생성된 고체를 필터한 후 20~50℃의 온도의 진공오븐에서 건조시켜 수행할 수 있다.The step of modifying the above high molecular weight polymer can be performed by stirring the high molecular weight polymer, a certain ratio of 2,2'-azobisisobutyronitrile, and a solvent at a temperature of 70 to 100°C while refluxing for 10 to 25 hours, removing the solvent using a vacuum concentrator, adding an excess amount of methanol, filtering the resulting solid, and then drying it in a vacuum oven at a temperature of 20 to 50°C.

상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자 몰수 대비 10~50배, 15~30배 또는 20~25배의 중합체 개질제를 혼합할 수 있다. 구체적으로, 상기 중합체 개질제는 2,2‘-아조비스이소부티로니트릴(2,2'-azobisisobutyronitrile, AIBN), 2,2‘-아조비스(4-메톡시-2,4-디메칠 발레로니트릴) (2,2'-Azobis(4-methoxy-2,4-dimethyl valeronitrile)), 2,2'-아조디2,4-디메틸-4-메톡시발레로니트릴 (2,2'-Azobis(2,4-dimethyl)valeronitrile), 2,2'-아조비스이소부틸산디메틸 (Dimethyl 2,2'-azobis(2-methylpropionate)), 2,2'아조디-2-메틸부티로니트릴 (2,2'-Azobis(2-methylbutyronitrile)), 1,1'-아조비스-(시클로헥산-1-카르보니트릴)(1,1'-Azobis(cyclohexane-1-carbonitrile)), 과산화 벤조일 (Benzoyl peroxide), 2,2-비스(t-부틸퍼옥시)부탄 (2,2-Bis(tert-butylperoxy)butane), 1,1-디-(t-부틸퍼옥시)사이클로헥산 1,1-Di(tert-butylperoxy)cyclohexane, 2,5-디메틸-2,5-디-티-부틸퍼옥시헥산 (2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexane), 2,5 디메틸-2,5디(t-부틸퍼옥시)헥산-3 (2,5-Di(tert-butylperoxy)-2,5-dimethyl-3-hexyne), 1,3-비스[(t-부틸퍼옥시)이소프로필]벤젠 (1,3-Bis(tert-butyldioxyisopropyl)benzene), t-부틸 하이드로 퍼옥사이드 (tert-Butyl hydroperoxide), t-부틸 퍼옥시아세테이트 (tert-Butyl peracetate), t-디부틸퍼옥사이드 (tert-Butyl peroxide), t-부틸 퍼옥시벤조에이트 (tert-Butyl peroxybenzoate), 큐멘하이드로퍼옥사이드 (Cumene hydroperoxide), 사이클로헥사논 퍼옥사이드 (Cyclohexanone peroxide), 디큐밀 퍼옥사이드 (Dicumyl peroxide), 라우로일 퍼옥사이드 (Lauroyl peroxide) 중 적어도 한 종을 포함할 수 있다.The step of modifying the above polymer may include mixing a polymer modifier in an amount of 10 to 50 times, 15 to 30 times, or 20 to 25 times the mole number of the polymer. Specifically, the polymer modifier is 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN), 2,2'-azobis(4-methoxy-2,4-dimethyl valeronitrile), 2,2'-azobis(2,4-dimethyl)valeronitrile, Dimethyl 2,2'-azobis(2-methylpropionate), 2,2'-Azobis(2-methylbutyronitrile), 1,1'-Azobis-(cyclohexane-1-carbonitrile), Benzoyl peroxide, 2,2-Bis(tert-butylperoxy)butane, 1,1-Di(tert-butylperoxy)cyclohexane, 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexane, 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexane-3, It may include at least one of 1,3-Bis[(t-butylperoxy)isopropyl]benzene, tert-Butyl hydroperoxide, tert-Butyl peracetate, tert-Butyl peroxide, tert-Butyl peroxybenzoate, Cumene hydroperoxide, Cyclohexanone peroxide, Dicumyl peroxide, and Lauroyl peroxide.

상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자 중량 대비 20~100배, 20~60배 또는 25~55배의 용매를 혼합할 수 있고, 상기 용매는 테트라히드로퓨란(THF), 시클로헥산, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 디옥산 및 디메틸포름아미드 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 구체적으로 상기 용매는 테트라히드로퓨란(THF)일 수 있다.The step of modifying the above high molecular weight polymer can mix a solvent in an amount of 20 to 100 times, 20 to 60 times, or 25 to 55 times the weight of the high molecular weight polymer, and the solvent includes at least one of tetrahydrofuran (THF), cyclohexane, methyl ethyl ketone, benzene, toluene, dioxane, and dimethylformamide, and specifically, the solvent can be tetrahydrofuran (THF).

상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자 말단에 존재하는 사슬 이동제의 기능기를 90% 이상 또는 95% 이상 제거할 수 있다.The step of modifying the above high molecular weight polymer can remove 90% or more or 95% or more of the functional groups of the chain transfer agent present at the polymer terminal.

또한, 상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 탈아세틸화 반응을 추가로 수행할 수 있다 상기 탈아세틸화 반응은 사슬 이동제의 기능기가 제거된 고분자 중합체와 일정 비율의 암모늄 히드록사이드 및 용매를 질소 분위기하에서 20~25℃의 온도에서 교반하면서 10~25시간 동안 환류시킨 후, 진공 농축기를 이용하여 용매를 제거한 후 과량의 테트라히드로퓨란을 첨가하여 생성된 고체를 필터한 후 70~90℃의 온도의 진공오븐에서 건조시켜 수행할 수 있다. 이때, 상기 고분자 중합체는 아세톡시스타이렌이 포함된 공중합체일 수 있다.In addition, the step of modifying the high molecular weight polymer may additionally perform a deacetylation reaction. The deacetylation reaction may be performed by refluxing the high molecular weight polymer from which the functional group of the chain transfer agent has been removed, a certain ratio of ammonium hydroxide, and a solvent under a nitrogen atmosphere at a temperature of 20 to 25° C. for 10 to 25 hours while stirring, then removing the solvent using a vacuum concentrator, adding an excessive amount of tetrahydrofuran, filtering the resulting solid, and then drying in a vacuum oven at a temperature of 70 to 90° C. At this time, the high molecular weight polymer may be a copolymer containing acetoxystyrene.

상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자의 아세틸기 몰수 대비 50~100배 또는 70~95배의 암모늄 히드록사이드 수용액을 혼합할 수 있다.The step of modifying the above high molecular weight polymer can be performed by mixing an ammonium hydroxide aqueous solution in an amount of 50 to 100 times or 70 to 95 times the number of moles of acetyl groups in the polymer.

상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자 중량 대비 5~50배 또는 5~20배의 용매를 혼합할 수 있고, 상기 용매는 메탄올 및 에탄올 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 구체적으로 상기 용매는 메탄올일 수 있다.The step of modifying the above high molecular weight polymer may include mixing a solvent in an amount of 5 to 50 times or 5 to 20 times the weight of the high molecular weight polymer, and the solvent may include at least one of methanol and ethanol, and specifically, the solvent may be methanol.

또한, 본 발명은 상기 서술한 연속 반응기를 이용한 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법에 의해 제조된 리소그래피용 포토레지스트 고분자를 제공한다.In addition, the present invention provides a photoresist polymer for lithography manufactured by a method for manufacturing a photoresist polymer for lithography using the continuous reactor described above.

본 발명의 리소그래피용 포토레지스트 고분자는 4000 내지 11000 g/mol 또는 4000 내지 8500 g/mol의 중량 평균 분자량을 가질 수 있고, 3200 내지 8400 g/mol 또는 3200 내지 6500 g/mol의 수평균 분자량을 가질 수 있다.The photoresist polymer for lithography of the present invention may have a weight average molecular weight of 4000 to 11000 g/mol or 4000 to 8500 g/mol, and may have a number average molecular weight of 3200 to 8400 g/mol or 3200 to 6500 g/mol.

또한, 상기 리소그래피용 포토레지스트 고분자는 1.0 내지 1.5, 또는 1.2 내지 1.35의 다분산성 지수(PDI)를 가질 수 있다.Additionally, the photoresist polymer for lithography can have a polydispersity index (PDI) of 1.0 to 1.5, or 1.2 to 1.35.

구체적으로, 상기 리소그래피용 포토레지스트 고분자는 단량체로 γ-부티로락토닐 메타크릴레이트(γbutyrolactonyl methacrylate, GBLMA), 히드록시아다만틸 메타크릴레이트(hydroxyadamantyl methacrylate, HAMA) 및 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(2-methyladamantan-2-yl methacrylate, MAMA)을 포함하고, 상기 GBLMA:MAMA:HAMA은 전체 고분자를 기준으로 1.3~3:0.6~1.5:1 또는 1.5~2.5:0.7~1.5:1의 몰 비율로 포함할 수 있다.Specifically, the photoresist polymer for lithography contains γ-butyrolactonyl methacrylate (GBLMA), hydroxyadamantyl methacrylate (HAMA), and 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA) as monomers, and the GBLMA:MAMA:HAMA can be contained in a molar ratio of 1.3 to 3:0.6 to 1.5:1 or 1.5 to 2.5:0.7 to 1.5:1 based on the entire polymer.

또한, 상기 리소그래피용 포토레지스트 고분자는 단량체로 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(2-methyladamantan-2-yl methacrylate, MAMA)을 포함하고, 상기 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(MAMA)은 전체 고분자를 기준으로 0.5~1.5:1 또는 1.0~1.5:1의 몰 비율로 포함할 수 있다.In addition, the photoresist polymer for lithography contains acetoxystyrene (ACOST) and 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA) as monomers, and the acetoxystyrene (ACOST) and 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA) can be contained in a molar ratio of 0.5 to 1.5:1 or 1.0 to 1.5:1 based on the entire polymer.

상기 리소그래피용 포토레지스트 고분자는 단량체로 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM)을 포함하고, 상기 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM)은 전체 고분자를 기준으로 0.5~1.5:1 또는 1.0~1.5:1의 몰 비율로 포함할 수 있다.The above photoresist polymer for lithography contains acetoxystyrene (ACOST) and a highly fluorinated maleimide (PFM) as monomers, and the acetoxystyrene (ACOST) and the highly fluorinated maleimide (PFM) can be contained in a molar ratio of 0.5 to 1.5:1 or 1.0 to 1.5:1 based on the entire polymer.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, in order to help understand the present invention, examples will be given and described in detail. However, the following examples are only intended to illustrate the content of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples. The examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to a person having average knowledge in the art.

<실시예 1><Example 1>

1. 재료 준비1. Prepare the materials

4-아세톡시스티렌(ACOST), 2-옥소테트라히드로퓨란-3-일 메타크릴레이트(GBLMA), 3-히드록시-1-메타크릴로일옥시아다만탄(HAMA), 2-메틸-2-아다만틸 메타크릴레이트(MAMA)는 (주)경인양행에서 제공하였다. 4-시아노-4-[(도데실설파닐티오카보닐)설파닐]펜탄산(CDSTSP; 97%; Sigma Aldrich), 4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid)(ACVA; 98%; Sigma Aldrich), Ammonia Solution(28% in water; TCI), Tetrahydrofuran(THF; 99.9%; Sigma Aldrich), Propylene glycol monomethyl ether(PGME; 98%; 대정화금), 메탄올(99.5%; 삼전화학), 톨루엔(99.5%; 삼전화학), 아니솔(99%; ACROS ORGANICS)은 구입 후 정제 없이 사용하였다. 2,2'-아조비스(2-메틸프로피오니트릴)(AIBN; JUNSEI)은 사용 전 메탄올을 이용하여 재결정하였다.4-Acetoxystyrene (ACOST), 2-oxotetrahydrofuran-3-yl methacrylate (GBLMA), 3-hydroxy-1-methacryloyloxyadamantane (HAMA), and 2-methyl-2-adamantyl methacrylate (MAMA) were provided by Kyung-In Yanghaeng Co., Ltd. 4-Cyano-4-[(dodecylsulfanylthiocarbonyl)sulfanyl]pentanoic acid (CDSTSP; 97%; Sigma Aldrich), 4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid)(ACVA; 98%; Sigma Aldrich), Ammonia Solution (28% in water; TCI), Tetrahydrofuran (THF; 99.9%; Sigma Aldrich), Propylene glycol monomethyl ether (PGME; 98%; Daejung Chemical & Metals), Methanol (99.5%; Samchun Chemical), Toluene (99.5%; Samchun Chemical), and Anisole (99%; ACROS ORGANICS) were purchased and used without purification. 2,2'-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN; JUNSEI) was recrystallized from methanol before use.

2. 구조 및 특성 분석2. Structure and Characteristics Analysis

양성자 핵자기 공명(1H NMR) 스펙트럼은 Bruker Avance III 400MHz(Bruker, USA) 또는 JEOL JNM-ECZ400S 400MHz 분광기를 사용하여 CDCl3 용매 하에 측정하였다. 크기 배제 크로마토그래피(SEC)를 이용한 분자량 측정은 Thermo Scientific Ultimate 3000 시스템을 이용하여 수행하였다. 35 ℃에서 THF 용리액을 1 mL/min 유속으로 흘리면서 크로마토그램을 얻었다. 분자량 정보는 수평균 분자량이 1.2 kg/mol에서 1390 kg/mol 범위 내 10개의 좁은 분산도를 갖는 표준 폴리스티렌(PS) 시료를 이용하여 얻은 검정곡선을 이용하여 얻었다. 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광법(IR Prestige-21, Shimadzu, Japan) 및 UV/vis 분광 광도계(Cytation3, Biotek)를 이용하여 레진의 화학 구조 및 조성 연구를 수행하였다.Proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectra were measured in CDCl 3 using a Bruker Avance III 400 MHz (Bruker, USA) or JEOL JNM-ECZ400S 400 MHz spectrometer. Molecular weight measurements using size exclusion chromatography (SEC) were performed using a Thermo Scientific Ultimate 3000 system. Chromatograms were acquired with THF eluent flowing at a flow rate of 1 mL/min at 35 °C. The molecular weight information was obtained using a calibration curve obtained using ten narrow polystyrene (PS) standard samples with number-average molecular weights ranging from 1.2 kg/mol to 1390 kg/mol. The chemical structure and composition of the resins were studied using Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy (IR Prestige-21, Shimadzu, Japan) and UV/vis spectrophotometer (Cytation3, Biotek).

3. RAFT 중합을 위한 반응 용액 제조3. Preparation of reaction solution for RAFT polymerization

심자외선 및 극자외선 리소그래피에 적용이 가능한 레지스트 공중합체 합성을 위한 단량체로 아세톡시스타이렌(ACOST), 세 종류의 메타크릴레이트(GBLMA, HAMA, MAMA), 고불소화 말레이미드 단량체를 사용하였으며, RAFT 중합을 위한 사슬 이동제(chain transfer agent)는 모든 단량체의 중합에 적용 가능한 CDSTSP를 사용하였으며, 개시제로는 AIBN 혹은 ACVA를 이용하였다. 중합에 영향을 미칠 수 있는 산소를 제거하기 위하여 용액 제조 후 세차례의 얼림-진공-녹임(freeze-pump-thaw) 공정을 진행하였다.Acetoxystyrene (ACOST), three types of methacrylates (GBLMA, HAMA, MAMA), and highly fluorinated maleimide monomers were used as monomers for the synthesis of resist copolymers applicable to deep UV and extreme UV lithography. CDSTSP, which is applicable to the polymerization of all monomers, was used as a chain transfer agent for RAFT polymerization, and AIBN or ACVA was used as an initiator. In order to remove oxygen that may affect the polymerization, a freeze-pump-thaw process was performed three times after preparing the solution.

4. 연속 흐름 반응 공정4. Continuous flow reaction process

흐름 반응기는 주입부(injection part), 반응부(reaction part), 방출부(emission part)의 세 개의 영역으로 구분하여 도 1과 같이 설계하였다. 기체를 미리 제거한 반응 용액을 담은 주사기를 주사기 펌프(syringe pump)에 설치한 후 커넥터를 이용하여 주사기와 PTFE 튜브와 연결하였다. 일정 길이의 PTFE 튜브를 온도가 조절되고 있는 오일 중탕에 담가 반응부를 설정하였다. 반응 용액은 1 mL/hr (= 0.016 mL/min)의 유속으로 주입하였다. 반응부를 통과하면서 중합이 일어나게 되며, 반응부를 모두 통과하여 방출부로 나온 용액은 NMR 분석을 통하여 전환율과 조성을 측정하는 데 사용하거나, 침전 용매에 섞어 고체상으로 얻어내 NMR 및 SEC 분석을 통하여 분자량 균일도와 조성 균일도를 계산하는데 사용되었다.The flow reactor was designed as shown in Fig. 1, dividing it into three parts: the injection part, the reaction part, and the emission part. A syringe containing the reaction solution from which the gas had been removed in advance was installed in a syringe pump, and then the syringe and the PTFE tube were connected using a connector. The reaction part was set up by immersing a PTFE tube of a certain length in an oil bath whose temperature was controlled. The reaction solution was injected at a flow rate of 1 mL/hr (= 0.016 mL/min). Polymerization occurred as it passed through the reaction part, and the solution that passed through the entire reaction part and came out through the emission part was used to measure the conversion rate and composition through NMR analysis, or mixed with a precipitation solvent to obtain it as a solid and used to calculate the molecular weight uniformity and composition uniformity through NMR and SEC analysis.

5. 중합 후 개질 공정5. Post-polymerization modification process

고분자 사슬의 말단기인 RAFT 사슬 이동제 역할을 수행하는 트리티오카보네이트 기능기를 제거하기 위하여 RAFT 중합으로 얻어낸 공중합체와 AIBN(고분자 몰수의 20배)을 테트라히드로퓨란(고분자 중량 대비 50배)에 녹인 후 80 ℃에서 교반하면서 19시간동안 환류(reflux)시켰다. 진공 농축기를 이용하여 용매를 적당량 제거한 후 과량의 메탄올에 첨가하여 생성된 고체를 필터하여 30 ℃의 진공오븐에서 건조하였다. 아세톡시스타이렌이 포함된 공중합체의 경우 탈아세틸 반응을 진행하여 레지스트용 레진을 얻어내었다. RAFT 사슬 이동제를 제거한 공중합체, 암모늄 히드록사이드 수용액(고분자 내 아세틸기 몰수의 90배), 메탄올(고분자 중량 대비 약 10배)을 반응 용기에 첨가한 후 질소 분위기, 실온에서 18 시간동안 교반하였다. 진공 농축기를 이용하여 용매를 제거한 후 테트라히드로퓨란을 첨가하여 묽힌 뒤 증류수에 첨가하여 고체를 형성하였다. 필터하여 얻은 고체를 80 ℃의 진공에서 건조하였다.In order to remove the trithiocarbonate functional group that acts as a RAFT chain transfer agent, which is the terminal group of the polymer chain, the copolymer obtained by RAFT polymerization and AIBN (20 times the mole number of the polymer) were dissolved in tetrahydrofuran (50 times the polymer weight), and refluxed at 80°C with stirring for 19 hours. After removing an appropriate amount of the solvent using a vacuum concentrator, it was added to an excess of methanol, and the resulting solid was filtered and dried in a vacuum oven at 30°C. In the case of the copolymer containing acetoxystyrene, a deacetylation reaction was performed to obtain a resist resin. The copolymer from which the RAFT chain transfer agent was removed, an ammonium hydroxide aqueous solution (90 times the mole number of acetyl groups in the polymer), and methanol (approximately 10 times the polymer weight) were added to the reaction vessel, and then the mixture was stirred under a nitrogen atmosphere at room temperature for 18 hours. After removing the solvent using a vacuum concentrator, tetrahydrofuran was added to dilute the solution, and then added to distilled water to form a solid. The solid obtained by filtering was dried in a vacuum at 80°C.

<실험예 1> 흐름 반응기를 이용한 연속 중합 공정의 속도론 실험<Experimental Example 1> Kinetics Experiment of Continuous Polymerization Process Using a Flow Reactor

흐름 반응기를 이용한 연속 중합 공정은 용액의 반응부 체류 시간, 반응 온도, 반응 용액의 농도, 용매의 종류 등의 인자의 변화에 따라 중합 전환율이 결정된다고 보고된 바 있다. 따라서 각 요소가 최종 생성물의 조성 및 구조에 어떤 영향을 미치는지 확인할 필요가 있다. 또한 반응기가 높은 조성 균일도를 갖는 생성물을 생산할 수 있는 정류 상태가 유지되는지에 대한 분석이 필요하다. 심자외선 및 극자외선 리소그래피에 사용이 가능한 레지스트용 공중합체로 GBLMA, HAMA와 MAMA의 공중합체와 ACOST와 MAMA의 공중합체, ACOST과 말레이미드 공중합체를 모델 공중합체로 설정하여 해당 단량체들의 RAFT 공중합 공정을 흐름 반응기를 이용하여 수행하였다. It has been reported that the continuous polymerization process using a flow reactor determines the polymerization conversion rate according to changes in factors such as the residence time of the solution in the reaction section, reaction temperature, concentration of the reaction solution, and type of solvent. Therefore, it is necessary to confirm how each factor affects the composition and structure of the final product. In addition, it is necessary to analyze whether the reactor is maintained in a steady state that can produce a product with high compositional uniformity. GBLMA, a copolymer of HAMA and MAMA, a copolymer of ACOST and MAMA, and a copolymer of ACOST and maleimide were set as model copolymers as resist copolymers usable in deep ultraviolet and extreme ultraviolet lithography, and the RAFT copolymerization process of the corresponding monomers was performed using a flow reactor.

(1) NMR 분석을 통한 전환율 측정(1) Conversion rate measurement through NMR analysis

GBLMA, HAMA, MAMA 공중합 반응의 전환율은 1H NMR 분석을 통하여 측정하였다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 공중합된 고분자에 기인하는 피크는 낮은 ppm 영역(1 ppm-3 ppm)에서 서로 구분 되지 않게 나오기 때문에 정확한 양을 알고 있는 아니솔을 내부 표준 물질로 첨가하여 6-6.5 ppm 구간에서 관찰할 수 있는 단량체의 vinyl기의 양성자에 기인하는 피크들과 아니솔에서 기인하는 피크의 적분값을 비교, 반응하지 않고 남아 있는 단량체의 양([M])을 계산하여 반응 전 단량체 양([M]0)과의 비를 계산, 전환율(([M]0 - [M])/[M]0)을 측정하였다. 6-6.5 ppm 구간의 미반응물 단량체의 비닐기가 단량체의 종류에 따라 명확하게 구분이 되기 때문에 정량 분석이 가능한 것이다. The conversion of GBLMA, HAMA, and MAMA copolymerization reactions was measured using 1 H NMR analysis. As shown in Fig. 2, since the peaks attributed to the copolymerized polymers are indistinguishable in the low ppm range (1 ppm-3 ppm), anisole, of which an exact amount is known, was added as an internal standard. The integrals of the peaks attributed to the protons of the vinyl groups of the monomers observed in the 6-6.5 ppm range and the peaks attributed to anisole were compared, the amount of monomer remaining unreacted ([M]) was calculated, and the ratio to the amount of monomer before reaction ([M] 0 ) was calculated to measure the conversion (([M] 0 - [M])/[M] 0 ). Since the vinyl groups of the unreacted monomers in the 6-6.5 ppm range are clearly distinguished depending on the type of monomer, quantitative analysis is possible.

(2) GBLMA, MAMA, HAMA 공중합 반응 시 개시제 종류와 용매 양의 효과(2) Effect of initiator type and solvent amount on GBLMA, MAMA, and HAMA copolymerization reaction

GBLMA, MAMA, HAMA의 투입 조성을 fGBMLA : fMAMA : fHAMA = 0.40 : 0.30 : 0.30로 고정한 후 용액의 농도와 개시제의 종류(AIBN, ACVA)를 다르게 하여 연속 중합 공정을 진행하였다. 중합 조건은 하기 표 1에 요약하였다. 용액 내 용매의 양이 적어지면 공중합체의 분자량이 증가하면서 용액의 점성도가 증가하여 튜브 내에서 흐름이 멈추는 현상을 관찰하였다. 개시제의 종류가 달라지면서 라디칼 형성이 빠른 개시제가 흐름 반응 중합이 빠르게 시작되기 때문에 상대적으로 높은 전환율을 보이게 된다. 따라서 AIBN보다 개시가 더 빠르게 진행되는 ACVA를 이용할 때 더욱 높은 전환율을 관찰할 수 있었다.After fixing the input composition of GBLMA, MAMA, and HAMA as f GBMLA : f MAMA : f HAMA = 0.40 : 0.30 : 0.30, a continuous polymerization process was performed by changing the concentration of the solution and the type of initiator (AIBN, ACVA). The polymerization conditions are summarized in Table 1 below. It was observed that when the amount of solvent in the solution decreased, the molecular weight of the copolymer increased, the viscosity of the solution increased, and the flow stopped inside the tube. As the type of initiator changed, an initiator with rapid radical formation showed a relatively high conversion rate because the flow reaction polymerization started quickly. Therefore, a higher conversion rate was observed when ACVA, which initiates faster than AIBN, was used.

개시제Initiator [M]/[CDSTSP][M]/[CDSTSP] MM nn
(g/mol)(g/mol)
MM ww
(g/mol)(g/mol)
PDIPDI
(M(M ww /M/M nn ))
체류 시간Time of stay
(minute)(minute)
용액 내 용매의 분율Fraction of solvent in solution
AIBNAIBN 57.557.5 3,2903,290 4,2344,234 1.331.33 90 min90 min 30%30% 4545 5,2945,294 6,9536,953 1.321.32 120 min120 min 50%50% ACVAACVA 57.557.5 Flow stopped by high viscosityFlow stopped by high viscosity 30%30% 4545 6,2076,207 7,7597,759 1.251.25 120 min120 min 50%50%

(3) 흐름 반응기를 이용한 GBLMA, MAMA, HAMA (fGBMLA : fMAMA : fHAMA = 0.40 : 0.30 : 0.30) 공중합 반응 체류 시간 최적화(3) Optimization of the residence time of GBLMA, MAMA, and HAMA (f GBMLA : f MAMA : f HAMA = 0.40 : 0.30 : 0.30) copolymerization using a flow reactor

흐름 반응기는 튜브의 부피 및 유 속에 따라 반응물의 반응부 체류 시간을 쉽게 설정할 수 있다. 특히 일정 체류 시간 이상이 될 때 생성물의 구조 파라미터가 균일하게 유지되어야 상업적으로 유용하게 된다. 따라서 흐름 반응 초기 개시 반응 이후 만들어지는 생성물들의 구조 파라미터를 시간의 함수로 NMR 및 SEC 분석을 통하여 얻어 비교하여 균일한 생성물이 합성될 수 있는 최적의 체류 시간을 도출하여 균일한 생성물이 합성됨을 확인하였다. 체류 시간은 튜브의 부피와 유속에 의해 결정된다. 유속은 1 mL/h 로 고정하여 변수를 제한하고 튜브의 부피를 조절함으로써 반응부 체류 시간을 조절하였다. 튜브 부피를 3 mL로 설정함으로써 최대 반응 시간을 3시간으로 설정하고, 반응물의 체류 시간에 따른 전환율 추이를 5분 간격으로 관찰하여 정류 상태에 도달하는 최적의 체류 시간을 결정하였으며, 실험 조건은 표 2에 정리하였다.The flow reactor can easily set the residence time of the reactants in the reaction section according to the volume and flow rate of the tube. In particular, when the residence time exceeds a certain value, the structural parameters of the products must be maintained uniformly to be commercially useful. Therefore, the structural parameters of the products formed after the initial initiation reaction of the flow reaction were obtained as a function of time through NMR and SEC analysis, and compared to derive the optimal residence time at which a uniform product could be synthesized, thereby confirming that a uniform product was synthesized. The residence time is determined by the volume and flow rate of the tube. The flow rate was fixed to 1 mL/h to limit the variables, and the residence time of the reaction section was controlled by adjusting the volume of the tube. By setting the tube volume to 3 mL, the maximum reaction time was set to 3 hours, and the conversion trend according to the residence time of the reactants was observed at 5-minute intervals to determine the optimal residence time to reach a steady state, and the experimental conditions are summarized in Table 2.

[M]/[[M]/[ CDSTSPCDSTSP ]] 온도temperature 체류 시간Time of stay
(min)(min)
개시제Initiator MM nn MM ww PDIPDI 분자량 균일도Molecular weight uniformity 조성 균일도Composition uniformity 용액 내 용매의 양Amount of solvent in solution
4545 75 ℃75 ℃ 180 (3 h)180 (3 h) ACVAACVA 8,3228,322 10,50710,507 1.261.26 1.8 %1.8 % 1.1 %1.1 % 50 wt%50 wt%

도 3a에서 확인할 수 있듯, 약 80분의 체류 시간 이후에 중합 반응 전환율이 0.9에 도달하였으며, 140분 이후부터 전환율이 일정하게 관찰되었다. 따라서 해당 고분자 중합 시, 최적화된 반응 시간을 설정이 가능하다. 최적화된 반응 시간 이후 흐름 반응기 에서 출하되는 생성물은 항상 같은 조성비와 균일도를 갖고 있어야 한다. 따라서 체류 시간 140분 이후에 출하된 샘플들의 분자량과 조성을 분석하여, 생성물들의 조성 균일도 및 분자량 균일도를 측정하였다. 측정 결과 1.1 % 오차 수준의 조성 균일도와 1.8 % 오차 수준의 분자량 균일도를 얻어 품질이 매우 균일한 공중합체 연속 생산 공정이 가능함을 증명하였다(표 2). 1.3 미만의 분자량 분산도(도 3c), 그리고 유사 1차 반응임을 확인할 수 있는 속도론 거동(도 3b)은 흐름 반응 연속 공정에서 RAFT 중합이 정상적으로 작동하여 중합을 제어하고 있음을 의미한다. 공정 조건, 즉 RAFT 중합 사슬 이동제와 단량체의 양, 중합 온도, 용매의 양, 체류 시간 등의 여러 중합 조건을 달리 하여 고분자의 분자량을 제어할 수 있어(표 1) 흐름 반응기를 이용한 연속 공정의 유용함을 강조할 수 있다. As can be seen in Fig. 3a, the polymerization conversion reached 0.9 after a residence time of about 80 minutes, and the conversion was observed to be constant after 140 minutes. Therefore, an optimized reaction time can be set when polymerizing the polymer. The products discharged from the flow reactor after the optimized reaction time should always have the same composition ratio and uniformity. Therefore, the molecular weight and composition of the samples discharged after a residence time of 140 minutes were analyzed to measure the composition uniformity and molecular weight uniformity of the products. The measurement results showed a composition uniformity with an error level of 1.1% and a molecular weight uniformity with an error level of 1.8%, proving that a continuous production process for copolymers with very uniform quality is possible (Table 2). The molecular weight dispersity of less than 1.3 (Fig. 3c) and the kinetic behavior that can be confirmed as a pseudo-first-order reaction (Fig. 3b) mean that RAFT polymerization is operating normally in the flow reaction continuous process and controlling the polymerization. The molecular weight of the polymer can be controlled by varying various polymerization conditions, such as the amount of RAFT polymerization chain transfer agent and monomer, polymerization temperature, amount of solvent, and residence time (Table 1), thereby emphasizing the usefulness of a continuous process using a flow reactor.

(4) 연속 공정을 이용한 반응비 측정 및 공중합체 조성 예측(4) Measurement of reaction ratio and prediction of copolymer composition using continuous process

레지스트용 공중합체를 단량체들은 각각의 역할이 있으며, 사슬 내 단량체의 양, 즉 조성에 따라 에칭 내성, 감도와 같은 리소그래피 성능 특성이 달라진다. 더 나아가 극히 미세한 패턴을 제작할 경우 사슬 내 단량체의 위치, 즉 시퀀스 파라미터 또한 리소그래피 성능에 영향을 주는 인자가 될 수 있다. 또한 이러한 시퀀스 파라미터를 정량적으로 표현하는 반응비를 알고 있으면 조성물의 조성을 단량체 투여량으로부터 예측할 수 있게 된다. 다양한 종류의 심자외선/극자외선 레지스트용 단량체 사이 반응비 측정을 위하여 흐름 반응기를 이용, 10% 근처의 전환율에서 생성된 생성물의 조성을 상기한 내부 표준 물질을 이용한 NMR 조성 분석 방법을 이용하여 측정하여 반응비를 결정하였다. 더 나아가, 레지스트용 레진 합성을 위하여 사용되는 특정 단량체들 간의 친화도 및 반응성에 관한 기초적인 정보를 얻을 수 있었다. Each monomer in a copolymer for resist has a role, and the lithography performance characteristics such as etching resistance and sensitivity vary depending on the amount of monomer in the chain, i.e., the composition. Furthermore, when an extremely fine pattern is to be fabricated, the position of the monomer in the chain, i.e., the sequence parameter, can also be a factor affecting the lithography performance. Furthermore, if the reaction ratio that quantitatively expresses this sequence parameter is known, the composition of the composition can be predicted from the monomer dosage. In order to measure the reaction ratio between various types of deep ultraviolet/extreme ultraviolet resist monomers, a flow reactor was used, and the composition of the product generated at a conversion rate near 10% was measured using the NMR composition analysis method using the aforementioned internal standard to determine the reaction ratio. Furthermore, basic information on the affinity and reactivity between specific monomers used for synthesizing a resist resin was obtained.

흐름 반응의 특징인 체류 시간을 조절, 매우 쉽고 정밀하게 낮은 전환율에서 공중합체의 조성을 측정할 수 있다. 흐름 반응 시 각 시간 별로 물질을 수득하기 용이하기 때문에 5분-10분 정도의 체류 시간동안 중합을 진행하여 목표 전환율을 달성하였다. 일반적인 193 nm 심자외선용 레지스트에 쓰이는 3가지 단량체, GBLMA, MAMA, HAMA 사이, 즉 GBLMA-MAMA, GALMA-HAMA, HAMA-MAMA 간의 반응비를 측정하기 위해 각 시스템의 RAFT 중합을 흐름 반응으로 수행, 단량체 투입비에 따른 조성을 구하였다. 극자외선용 레지스트에 사용 가능한 공중합체인 ACOST-MAMA 공중합체에 대한 반응비 또한 같은 방식으로 구하여 다양한 공중합 시스템에 대한 연속 중합 공정의 적용 가능성을 확인하였다. 단량체 투입비와 측정한 실제 조성을 Mayo-Lewis 식에 비선형 자승법(nonlinear least square)으로 회귀분석한 결과는 도 4와 표 3에 정리하였다. GBLMA, MAMA, HAMA 사이에서는 불규칙한 시퀀스를 보이는 것으로 나타났으며, ACOST와 MAMA는 불규칙한 시퀀스와 ACOST가 모여있는 형태의 블록키한 시퀀스가 섞인 형태를 나타내는 것으로 해석할 수 있다. 본 연구에서 개발한 방법이 유효하다는 것을 확증하기 위하여 교차 공중합체를 이루는 것으로 알려져 있는 스티렌 계열 단량체(ACOST)와 말레이미드 단량체의 공중합을 연속흐름 방식으로 공중합하면서 반응비를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 3에서 볼 수 있듯이 두 단량체의 반응비의 곱이 0에 가깝게 나와 교차 공중합체를 이루는 것이 확인되어 개발된 방법의 유효성을 검증하였다. By controlling the residence time, which is a characteristic of the flow reaction, the composition of the copolymer can be measured very easily and precisely at a low conversion rate. Since it is easy to obtain the material at each time during the flow reaction, the polymerization was performed for a residence time of about 5 to 10 minutes to achieve the target conversion rate. In order to measure the reaction ratio between three monomers, GBLMA, MAMA, and HAMA, used in general 193 nm deep ultraviolet resists, namely, GBLMA-MAMA, GALMA-HAMA, and HAMA-MAMA, RAFT polymerization of each system was performed by flow reaction, and the composition according to the monomer input ratio was obtained. The reaction ratio for the ACOST-MAMA copolymer, which is a copolymer that can be used in extreme ultraviolet resists, was also obtained in the same way to confirm the applicability of the continuous polymerization process to various copolymerization systems. The results of regression analysis of the monomer input ratio and the measured actual composition using the nonlinear least squares method with the Mayo-Lewis equation are summarized in Fig. 4 and Table 3. Among GBLMA, MAMA, and HAMA, irregular sequences were observed, and ACOST and MAMA can be interpreted as showing a blocky sequence in which irregular sequences and ACOST are gathered together. In order to confirm the validity of the method developed in this study, the reaction ratio was measured while copolymerizing a styrene-based monomer (ACOST), which is known to form a cross-copolymer, and a maleimide monomer in a continuous flow mode. As a result, as shown in Table 3 below, the product of the reaction ratios of the two monomers was close to 0, confirming that they form a cross-copolymer, verifying the validity of the developed method.

단량체 AMonomer A 단량체 BMonomer B rr AA rr BB rr AA rr BB HAMAHAMA MAMAMAMA 1.36 ± 0.131.36 ± 0.13 0.45 ± 0.060.45 ± 0.06 0.61 ± 0.140.61 ± 0.14 GBLMAGBLMA MAMAMAMA 0.67 ± 0.090.67 ± 0.09 0.21 ± 0.040.21 ± 0.04 0.14 ± 0.040.14 ± 0.04 GBLMAGBLMA HAMAHAMA 0.62 ± 0.020.62 ± 0.02 0.48 ± 0.020.48 ± 0.02 0.30 ± 0.020.30 ± 0.02 ACOSTACOST MAMAMAMA 0.57 ± 0.090.57 ± 0.09 0.08 ± 0.030.08 ± 0.03 0.050 ± 0.0200.050 ± 0.020 ACOSTACOST maleimidemaleimide 0.06 ± 0.010.06 ± 0.01 0.09 ± 0.010.09 ± 0.01 0.005 ± 0.0010.005 ± 0.001

심자외선 포토레지스트 레진으로 많이 사용되는 GBLMA-MAMA-HAMA 공중합체 합성 시 각 단량체 별 반응비를 이용하면 최종 생성물의 조성을 예측할 수 있다. 이를 위하여 투입한 단량체의 조성을 달리 하면서 흐름 반응을 통하여 RAFT 중합을 진행하였다. 투입 조성비와 결정한 반응비를 하기 식 1에 대입하여 조성비를 예측하고 실험치와 비교한 결과는 하기 표 4에 정리하였다.When synthesizing GBLMA-MAMA-HAMA copolymer, which is widely used as a deep ultraviolet photoresist resin, the composition of the final product can be predicted by using the reaction ratio of each monomer. To this end, RAFT polymerization was performed through flow reaction while changing the composition of the input monomers. The input composition ratio and the determined reaction ratio were substituted into Equation 1 below to predict the composition ratio, and the results of comparison with the experimental value are summarized in Table 4 below.

[식 1][Formula 1]

전환율Conversion rate 실험치Experimental value 예측치Forecast 오차error ff GBLMA GBLMA : : ff HAMA HAMA :: ff MAMAMAMA FF GBLMA GBLMA : F: F HAMA HAMA : F: F MAMAMAMA FF GBLMA GBLMA : F: F HAMA HAMA : F: F MAMAMAMA 13.7113.71 0.40 : 0.20 : 0.400.40 : 0.20 : 0.40 0.53 : 0.27 : 0.200.53 : 0.27 : 0.20 0.51 : 0.28 : 0.210.51 : 0.28 : 0.21 ± 0.01± 0.01 7.017.01 0.20 : 0.40 : 0.400.20 : 0.40 : 0.40 0.35 : 0.26 : 0.390.35 : 0.26 : 0.39 0.33 : 0.27 : 0.400.33 : 0.27 : 0.40 ± 0.01± 0.01 15.4115.41 0.40 : 0.30 : 0.300.40 : 0.30 : 0.30 0.45 : 0.23 : 0.320.45 : 0.23 : 0.32 0.49 : 0.21 : 0.300.49 : 0.21 : 0.30 ± 0.03± 0.03 l1.1l1.1 0.50 : 0.20 : 0.300.50 : 0.20 : 0.30 0.58 : 0.20 : 0.220.58 : 0.20 : 0.22 0.60 : 0.19 : 0.210.60 : 0.19 : 0.21 ± 0.01± 0.01 12.612.6 0.30 : 0.30 : 0.400.30 : 0.30 : 0.40 0.46 : 0.27 : 0.260.46 : 0.27 : 0.26 0.47 : 0.27 : 0.250.47 : 0.27 : 0.25 ± 0.01± 0.01

실험으로 얻은 공중합체의 조성은 반응비와 투입한 단량체 조성을 이용하여 예측한 조성 사이의 오차는 ± 1-3%로 나타나 흐름 반응 연속 공정을 이용하여 측정한 반응비가 유효함을 확증하였으며, 더 나아가 공중합체의 사슬 내 단량체 시퀀스에 관한 정보를 얻어낼 수 있으며, 흐름 반응기를 이용한 연속 공정의 정밀한 중합 제어를 확인할 수 있었다.The error between the composition of the copolymer obtained through the experiment and the composition predicted using the reaction ratio and the composition of the monomers introduced was ±1-3%, confirming the validity of the reaction ratio measured using the continuous flow reaction process. Furthermore, it was possible to obtain information about the monomer sequence within the chain of the copolymer, and it was possible to confirm the precise polymerization control of the continuous process using the flow reactor.

<실험예 2> 중합 후 개질 반응을 통한 레지스트용 고분자 합성<Experimental Example 2> Synthesis of polymer for resist through post-polymerization modification reaction

(1) 말단 RAFT 사슬 이동제 기능기 제거(1) Removal of terminal RAFT chain transfer agent functional group

RAFT 중합을 통하여 얻어낸 고분자 사슬의 말단에는 트리티오카보네이트 기능기가 남아 있으며, 해당 기능기는 일반적으로 자외선과 약간의 가시광선 영역을 흡수하여 노란색을 나타낸다. 따라서 RAFT 중합법을 통하여 얻어낸 공중합체 레진을 자외선 리소그래피용 레지스트에 적용하기 위하여 해당 기능기를 제거하여야 박막 내 광산발생제가 더욱 효율적으로 자외선에 의하여 활성화되어 산을 발생시킬 것이며, 더 나아가 포토레지스트의 감도의 손실을 막을 수 있다. 이를 위하여 연속 중합 공정에 의하여 합성한 ACOST-MAMA 공중합체(fACOST = 0.6 혹은 0.4)를 과량의 AIBN과 반응시켰다. 최적의 반응 조건을 찾기 위하여 (1) THF의 양을 고정(공중합체 질량 대비 25배)시키고 AIBN의 양(공중합체 사슬의 몰수 대비 20, 50, 80, 100배)을 달리 하면서, (2) AIBN의 양을 고정(공중합체 사슬 몰수 대비 20배)시키고 THF의 양(공중합체 질량 대비 10, 50, 100배)을 달리 하면서 말단기 제거 반응의 효율을 1H NMR 및 UV/vis 분광법을 이용하여 정량 분석하였고, 그 결과는 도 5 및 도 6에 나타냈다. 이때, 도 6은 CTA의 몰농도를 다르게하여 측정한 것으로, 위에서 아래로 갈수록 CTA의 몰농도가 작은 샘플을 나타내고, 그래프 위에서부터 각각의 몰농도는 0.99 mol/L(파랑), 0.66 mol/L(빨강), 0.44 mol/L(초록), 0.33 mol/L, 0.29 mol/L, 0.20 mol/L, 0.11 mol/L, 0.036 mol/L, 0.012 mol/L, 0.004 mol/L이다.At the end of the polymer chain obtained through RAFT polymerization, a trithiocarbonate functional group remains, and this functional group generally absorbs ultraviolet light and a small portion of the visible light range and exhibits a yellow color. Therefore, in order to apply the copolymer resin obtained through RAFT polymerization to a resist for ultraviolet lithography, the functional group must be removed so that the photoacid generator in the thin film can be more efficiently activated by ultraviolet light to generate acid, and furthermore, the loss of sensitivity of the photoresist can be prevented. To this end, the ACOST-MAMA copolymer (f ACOST = 0.6 or 0.4) synthesized by a continuous polymerization process was reacted with an excess amount of AIBN. In order to find the optimal reaction conditions, (1) the amount of THF was fixed (25 times the copolymer mass) and the amounts of AIBN (20, 50, 80, and 100 times the mole number of copolymer chains) were varied, and (2) the amount of AIBN was fixed (20 times the copolymer mole number) and the amounts of THF (10, 50, and 100 times the copolymer mass) were varied. The efficiency of the end group removal reaction was quantitatively analyzed using 1 H NMR and UV/vis spectroscopy. The results are shown in Figs. 5 and 6. At this time, Fig. 6 shows the results of measurements with different molar concentrations of CTA, and the samples with smaller molar concentrations of CTA are shown from top to bottom, and the molar concentrations from the top of the graph are 0.99 mol/L (blue), 0.66 mol/L (red), 0.44 mol/L (green), 0.33 mol/L, 0.29 mol/L, 0.20 mol/L, 0.11 mol/L, 0.036 mol/L, 0.012 mol/L, and 0.004 mol/L, respectively.

도 5에서 볼 수 있듯이 1H NMR 스펙트럼에서 말단기에서 기인하는 3-3.2 ppm의 피크와 1.3 ppm의 피크(해당 피크는 자유 라디칼 중합 시 나타나지 않음)가 AIBN 처리 후 사라짐을 확인하였다. 그러나 더욱 정량적으로 이를 분석하기 위하여 트리티오카보네이트 기능기의 자외선 흡광 거동을 이용하였다. 도 6a에서 확인할 수 있듯이 306 nm에서 정확한 농도를 알고 있는 RAFT 사슬 이동제 용액(CDSTSP/THF 용액)의 흡광도를 측정, 고분자 말단의 트리티오카보네이트의 농도 결정을 위한 검정 곡선을 얻었다.(도 6b) 말단기를 제거하기 전 고분자의 306 nm 광에 대한 흡광도와 제거 후 306 nm 광에 대한 흡광도를 측정, 이를 검정 곡선을 이용하여 농도로 환산 후 해당 값을 이용하여 제거율을 계산하였다. 상기한 다양한 반응 조건 하에서 얻은 생성물의 말단기 제거율을 표 5에 정리하였다. 그 결과 AIBN의 양이 고분자 몰수 대비 20배, THF의 양이 고분자 중량 대비 50배 조건에서 제거율이 가장 높은 것을 확인하였다.As shown in Fig. 5, it was confirmed that the peaks at 3-3.2 ppm and 1.3 ppm (these peaks did not appear during free radical polymerization) originating from the terminal groups in the 1 H NMR spectrum disappeared after AIBN treatment. However, in order to analyze this more quantitatively, the UV absorption behavior of the trithiocarbonate functional group was utilized. As can be confirmed in Fig. 6a, the absorbance of the RAFT chain transfer agent solution (CDSTSP/THF solution) whose exact concentration is known at 306 nm was measured, and a calibration curve was obtained to determine the concentration of trithiocarbonate at the terminal of the polymer (Fig. 6b). The absorbance of the polymer for 306 nm light before and after removal of the terminal groups was measured, and the absorbance for 306 nm light was converted into concentration using the calibration curve, and the removal rate was calculated using the corresponding values. The terminal group removal rates of the products obtained under the various reaction conditions mentioned above are summarized in Table 5. As a result, it was confirmed that the removal rate was highest when the amount of AIBN was 20 times the number of moles of polymer and the amount of THF was 50 times the weight of polymer.

제거 된 CTA 양 (%)Amount of CTA removed (%) 고분자 중량 대비 THF 양
(고분자 몰수 대비 AIBN 양: 20배)
Amount of THF relative to polymer weight
(AIBN amount compared to polymer concentration: 20 times)
100 배100 times 96.6596.65 50 배50 times 97.6997.69 고분자 몰수 대비 AIBN 양
(고분자 중량 대비 THF 양: 25배)
AIBN amount compared to polymer moles
(THF amount relative to polymer weight: 25 times)
20 배20 times 98.4698.46 50 배50 times 96.1096.10 80 배80 times 97.2597.25 100 배100 times 96.7896.78 제거 된 CTA 양 (%)Amount of CTA removed (%) AIBN 20 배, THF 50 배
(f ACOST : f MAMA = 0.60 : 0.40)
AIBN 20 times, THF 50 times
( fACOST : fMAMA =0.60:0.40)
98.6898.68
AIBN 20 배, THF 50 배
(f ACOST : f MAMA = 0.40 : 0.60)
AIBN 20 times, THF 50 times
( fACOST : fMAMA =0.40:0.60)
98.6898.68

(2) 탈아세틸화 반응을 통한 레지스트용 공중합체 구조 달성(2) Achieving a copolymer structure for resist through deacetylation reaction

KrF 레지스트와 EUV 레지스트에 사용될 수 있는 ACOST-MAMA 공중합체의 아세틸기를 제거하여 페놀기로 변환하는 반응은 포토레지스트의 접착성 확보와 감도 향상을 위하여 매우 중요하다. 페놀기를 갖는 단량체를 중합하는 것은 페놀기가 갖는 라디칼과의 높은 반응성 때문에 어려우며, 따라서 RAFT 중합을 위하여 페놀기가 아세틸기로 보호되어 있는 ACOST를 이용하게 된다. 흐름 반응기를 이용하여 중합한 공중합체의 아세틸기의 경우 일반적으로 약염기인 암모늄 히드록시드 수용액을 이용하여 탈보호화 반응을 진행하였다. 탈보호화 전후의 NMR 스펙트럼(도 7a와 7b)에서 알 수 있듯이 2.2-2.4 ppm에 나타나는 아세틸기에 기인하는 피크가 약염기 처리 후 제거되며, 7.7 ppm에서 페놀의 양성자에 기인하는 피크가 나타났음을 확인할 수 있다. 더 나아가, 적외선 분광 스펙트럼 측정 결과 반응 전에는 관찰할 수 없었던 3200~3600 cm-1에서 나오는 OH 시그널을 반응 후에 관찰할 수 있었고, 1750~1770 cm-1에 나타나는 아세틸기의 C=O에 기인하는 피크가 사라지는 것을 관찰하였다. 이를 통하여 흐름 반응을 이용한 연속 공정으로 얻어낸 높은 정밀도 및 균일성을 지닌 공중합체가 실제 심자외선/극자외선 리소그래피용 포토레지스트의 레진으로 적용 가능한 구조를 갖도록 개질이 가능함을 보였다.The reaction of removing the acetyl group of ACOST-MAMA copolymer, which can be used for KrF resist and EUV resist, and converting it into a phenol group is very important for securing the adhesion of the photoresist and improving the sensitivity. It is difficult to polymerize a monomer having a phenol group because of the high reactivity of the phenol group with radicals, so ACOST in which the phenol group is protected by an acetyl group is used for RAFT polymerization. In the case of the acetyl group of the copolymer polymerized using a flow reactor, the deprotection reaction was generally performed using an aqueous ammonium hydroxide solution, which is a weak base. As can be seen in the NMR spectra before and after deprotection (Figs. 7a and 7b), the peak due to the acetyl group appearing at 2.2-2.4 ppm was removed after the weak base treatment, and it could be confirmed that the peak due to the proton of phenol appeared at 7.7 ppm. Furthermore, the OH signal at 3200–3600 cm -1 , which could not be observed before the reaction, could be observed after the reaction as a result of the infrared spectroscopy spectrum measurement, and the peak attributed to the C=O of the acetyl group appearing at 1750–1770 cm -1 was observed to disappear. Through this, it was shown that the copolymer with high precision and uniformity obtained by the continuous process using the flow reaction can be modified to have a structure applicable as a resin for photoresist for actual deep ultraviolet/extreme ultraviolet lithography.

본 발명은 속도론 실험을 기반으로 하여 포토레지스트 고분자의 조성을 예측하고 이러한 결과를 바탕으로 흐름 반응기를 이용하여 원하는 조성을 갖는 심자외선 및 극자외선용 포토레지스트 고분자를 RAFT 공중합 방법으로 합성할 수 있음을 보였다. 최종적으로 합성된 공중합체를 실제 화학증폭형 레지스트에 적용하기 위한 필수 작업으로 공중합체 말단의 RAFT 기능기를 제거하고 탈아세틸화를 시키는 중합 후 개질 반응들이 성공적으로 적용될 수 있음을 확인함으로서, 연속 흐름 반응 공정은 포토레지스트용 고분자 레진을 높은 구조 및 조성의 균일도를 확보한 대량 생산에 적합한 차세대 생산 방식임을 확인하였다.The present invention predicts the composition of a photoresist polymer based on a kinetic experiment, and based on the results, demonstrates that a deep UV and extreme UV photoresist polymer having a desired composition can be synthesized by a RAFT copolymerization method using a flow reactor. Finally, it was confirmed that post-polymerization modification reactions, which remove the RAFT functional group at the end of the copolymer and perform deacetylation, can be successfully applied as essential tasks for applying the synthesized copolymer to an actual chemically amplified resist, thereby confirming that the continuous flow reaction process is a next-generation production method suitable for mass production of a photoresist polymer resin with high structural and compositional uniformity.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 즉, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다.While the specific parts of the present invention have been described in detail above, it is obvious to those skilled in the art that such specific description is merely a preferred embodiment and that the scope of the present invention is not limited thereby. In other words, the actual scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (14)

2종 이상의 고분자 단량체, 개시제, 사슬 이동제 및 용매를 혼합하여 반응용액을 제조하는 단계; 및
상기 반응용액을 흐름 반응기에 주입하고 흐름 반응기를 통과하면서 연속 흐름 반응을 통해 중합시키는 단계를 포함하고,
상기 반응용액을 제조하는 단계는 고분자 단량체로 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM)을 혼합하고,
상기 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM)은 전체 반응용액을 기준으로 0.5~1.5:1의 몰 비율로 혼합하는,
리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
A step of preparing a reaction solution by mixing two or more types of polymer monomers, an initiator, a chain transfer agent, and a solvent; and
It comprises a step of injecting the above reaction solution into a flow reactor and polymerizing it through a continuous flow reaction while passing through the flow reactor,
The step of preparing the above reaction solution is to mix acetoxystyrene (ACOST) and polyfluorinated maleimide (PFM) as high molecular weight monomers,
The above acetoxystyrene (ACOST) and highly fluorinated maleimide (PFM) are mixed at a molar ratio of 0.5 to 1.5:1 based on the total reaction solution.
A method for manufacturing a photoresist polymer for lithography.
제 1 항에 있어서,
상기 흐름 반응기는 주입부, 반응부 및 방출부를 포함하고,
상기 중합시키는 단계는 상기 반응용액을 상기 주입부에 주입하고 상기 반응부를 거치면서 중합이 수행되는 것을 특징으로 하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
In paragraph 1,
The above flow reactor comprises an injection section, a reaction section and a discharge section,
A method for manufacturing a photoresist polymer for lithography, characterized in that the polymerizing step comprises injecting the reaction solution into the injection unit and performing polymerization while passing through the reaction unit.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 개시제는 2,2‘-아조비스이소부티로니트릴(2,2'-azobisisobutyronitrile, AIBN) 및 4,4’-아조비스(4-시아노발레르산)(4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid), ACVA) 중 적어도 하나를 포함하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for producing a photoresist polymer for lithography, wherein the initiator comprises at least one of 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN) and 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid) (ACVA).
제 1 항에 있어서,
상기 용매는 테트라히드로퓨란(THF), 시클로헥산, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 디옥산 및 디메틸포름아미드 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 용매는 전체 용액에서 30중량% 내지 65중량%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
In paragraph 1,
The solvent comprises at least one of tetrahydrofuran (THF), cyclohexane, methyl ethyl ketone, benzene, toluene, dioxane and dimethylformamide,
A method for producing a photoresist polymer for lithography, characterized in that the solvent is mixed in a ratio of 30 to 65 wt% of the total solution.
제 1 항에 있어서,
상기 중합시키는 단계는 상기 반응용액이 상기 흐름 반응기에서 60 분 내지 180 분 동안 체류하는 것을 특징으로 하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for producing a photoresist polymer for lithography, characterized in that the polymerizing step comprises allowing the reaction solution to remain in the flow reactor for 60 to 180 minutes.
제 1 항에 있어서,
상기 중합시키는 단계는 상기 반응용액을 0.1 내지 2 mL/hr의 유속으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for manufacturing a photoresist polymer for lithography, characterized in that the polymerizing step comprises passing the reaction solution through the polymer at a flow rate of 0.1 to 2 mL/hr.
2종 이상의 고분자 단량체, 개시제, 사슬 이동제 및 용매를 혼합하여 반응용액을 제조하는 단계;
상기 반응용액을 흐름 반응기에 주입하고 흐름 반응기를 통과하면서 연속 흐름 반응을 통해 중합시키는 단계; 및
상기 연속 흐름 반응을 통해 중합된 고분자 중합체의 말단에 존재하는 사슬 이동제의 기능기를 제거하여 상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계를 포함하고,
상기 고분자 단량체는 γ-부티로락토닐 메타크릴레이트(γbutyrolactonyl methacrylate, GBLMA), 히드록시아다만틸 메타크릴레이트(hydroxyadamantyl methacrylate, HAMA), 2-메틸아다만탄-2-일 메타크릴레이트(2-methyladamantan-2-yl methacrylate, MAMA), 아세톡시스타이렌(ACOST) 및 고불소화 말레이미드(PFM) 중 2종 이상을 포함하고,
상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는, 상기 고분자 중합체와 중합체 개질제인 2,2‘-아조비스이소부티로니트릴 및 용매를 70~100℃의 온도에서 교반하면서 10~25시간 동안 환류시키는 단계;를 포함하는, 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
A step of preparing a reaction solution by mixing two or more types of polymer monomers, an initiator, a chain transfer agent, and a solvent;
A step of injecting the above reaction solution into a flow reactor and polymerizing it through a continuous flow reaction while passing through the flow reactor; and
It comprises a step of modifying the polymer by removing the functional group of the chain transfer agent present at the end of the polymerized polymer through the above continuous flow reaction,
The above polymer monomer comprises two or more of γ-butyrolactonyl methacrylate (GBLMA), hydroxyadamantyl methacrylate (HAMA), 2-methyladamantan-2-yl methacrylate (MAMA), acetoxystyrene (ACOST), and highly fluorinated maleimide (PFM).
A method for producing a photoresist polymer for lithography, wherein the step of modifying the polymer comprises the step of refluxing the polymer, the polymer modifier 2,2'-azobisisobutyronitrile, and the solvent at a temperature of 70 to 100° C. for 10 to 25 hours.
제 10 항에 있어서,
상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자 몰수 대비 10~50배의 중합체 개질제를 혼합하는 것을 특징으로 하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
In Article 10,
A method for manufacturing a photoresist polymer for lithography, characterized in that the step of modifying the above polymer comprises mixing a polymer modifier in an amount of 10 to 50 times the mole number of the polymer.
제 11 항에 있어서,
상기 고분자 중합체를 개질시키는 단계는 고분자 중량 대비 20~100배의 용매를 혼합하는 것을 특징으로 하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자의 제조방법.
In Article 11,
A method for manufacturing a photoresist polymer for lithography, characterized in that the step of modifying the above polymer comprises mixing 20 to 100 times the weight of the polymer in a solvent.
제 1 항, 제2항, 제6항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 의해 제조된 리소그래피용 포토레지스트 고분자.A photoresist polymer for lithography manufactured by any one of claims 1, 2, 6 to 12. 제 13 항에 있어서,
상기 고분자는 4000 내지 11000 g/mol의 중량 평균 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 리소그래피용 포토레지스트 고분자.
In Article 13,
A photoresist polymer for lithography, characterized in that the polymer has a weight average molecular weight of 4000 to 11000 g/mol.
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