專利名稱::超支化聚酯微光學(xué)光刻膠的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本發(fā)明是關(guān)于微光學(xué)元件加工用的光刻膠,特別是具有成膜性好、分辨率高并有寬的線性光刻范圍、面形易控制、可反復(fù)刻蝕的負(fù)性光刻膠。
背景技術(shù):
:光致抗蝕劑是利用光反應(yīng)前后溶解度的差別,來制作和轉(zhuǎn)移圖形的精細(xì)功能材料。正性抗蝕劑適合高分辨的場合,如芯片電路等;負(fù)性抗蝕劑適合深度刻蝕,如微機電系統(tǒng)、微光學(xué)元件、光盤母盤、印制電路板的制作等。微機電系統(tǒng)集成多種物理或化學(xué)控制手段,采用類似集成電路的光刻加工方法制作。近來微機電系統(tǒng)從研究進入應(yīng)用,如基因芯片、全光交換機、微型機器等。微機電系統(tǒng)用的抗蝕劑,分辨率不是要點,深度刻蝕和高的寬深比性能才是重要指標(biāo),目前國際上使用的這類抗蝕劑,用有機溶劑顯影,有較好的力學(xué)性能,可直接用其制作微型部件,不足之處是這類抗蝕劑經(jīng)暴光、顯影后刻蝕深度有限,對很多用光刻法制作圖形,在原底材上的微細(xì)加工不太適用。微光學(xué)元件以重量輕,體積小,設(shè)計靈活等優(yōu)點獲得迅速發(fā)展,代表性的微光學(xué)元件如微透鏡陣列,是光通訊、光計算、光學(xué)儀器等的重要基本元件。微透鏡陣列的制作,已發(fā)展了多種方法,如激光直寫,即用激光直接加工,在微觀上透鏡二次面是由一系列臺階構(gòu)成,因此,不適于加工小口徑的精細(xì)微透鏡;熱熔膠熔融加工法,在微透鏡之間會產(chǎn)生死角;灰度掩膜法是采用透過率梯度分布的特種玻璃為掩膜,用光致抗蝕劑經(jīng)暴光、顯影等步驟加工;移動掩膜法是另一種控制暴光能量、使能量在抗蝕劑面上按二次曲面分布的手段。后兩種加工方法都需要抗蝕劑的刻蝕深度與暴光能量間有對應(yīng)的線性響應(yīng)關(guān)系,使以二次曲線形式分布的能量,在經(jīng)過暴光、顯影后轉(zhuǎn)化為抗蝕劑的二次曲面結(jié)構(gòu)。但是目前的抗蝕劑注重感度與反差,即使有這種線性響應(yīng)性能,其范圍也很窄,不能制作小口徑,高曲率的微透鏡。高寬深比性能的光致抗蝕劑是其關(guān)鍵材料。目前,微機電系統(tǒng)和微光學(xué)元件制作所使用的抗蝕劑的基體樹脂主要為線型或低支化聚合物,線形高聚物分子結(jié)構(gòu)的特點,是大分子只有兩個鏈端和鏈之間的鏈纏結(jié),鏈端基團的影響隨分子量的增加而減小,鏈纏結(jié)在一定程度上賦予了高分子材料的韌性、蠕變、抗沖性、流變特性,線形高聚物分子的鏈纏結(jié)將導(dǎo)致在顯影過程中光刻膠的刻蝕斷面不整齊,在連續(xù)深浮雕微光學(xué)元件加工中會造成面形控制困難。超支化聚合物的分子鏈有大量的支化點和鏈末端,鏈末端基團對大分子的影響很大,大分子之間難以相互纏結(jié),在分子量超過一定值后,粘度較線性大分子的要小,隨分子量的增加變化不大。目前超支化聚合物已在涂料、粘合劑、流變助劑、線性聚合物的改性劑、晶體成核劑、有機_無機摻雜物的結(jié)構(gòu)控制劑等方面得到應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于彌補現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,提供一種超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,該光刻膠具有成膜性好、分辨率高、有寬的線性光刻范圍、微光學(xué)元件加工時,面形易控制、并可反復(fù)刻蝕等性能。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案是,該超支化聚酯微光學(xué)光刻膠由以下重量百分比的原料組成超支化堿溶性感光聚合物60.0%85.0%;活性稀釋劑5.0%15.0%;交聯(lián)劑5.0%15.0%;光引發(fā)劑1.0%10.0%;德謙4660.1.0%。超支化聚酯微光學(xué)光刻膠其感光性能、刻蝕性能、線性范圍等可通過超支化聚合物結(jié)構(gòu)、超支化聚合物分子末端的官能團及抗蝕劑配方進行調(diào)節(jié)。所述超支化堿溶性感光聚合物通過發(fā)散法合成,其具體的合成方法如下以多元醇或單糖為起始核,利用多元醇或單糖的羥基與酸酐反應(yīng),再利用反應(yīng)生成的羧基與含有一個環(huán)氧基的環(huán)氧化合物反應(yīng),該反應(yīng)生成的羥基再與酸酐反應(yīng),如此反復(fù)擴鏈至需要的分子量,擴鏈反應(yīng)的最后一步應(yīng)是與酸酐反應(yīng),使合成的超支化聚合物分子外圍含有大量的羧基,利用羧基與分子中含有環(huán)氧基和雙鍵的化合物的環(huán)氧基反應(yīng),如與甲基丙烯酸縮水甘油酯或烯丙基縮水甘油醚的環(huán)氧基反應(yīng)合成超支化堿溶性感光聚合物。反應(yīng)過程中,通過使用不同的起始核,加入官能度不同的酸酐以及擴鏈次數(shù),控制合成聚合物的支化度和分子量。所述多元醇包括乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、三縮四乙二醇、各種分子量的聚乙二醇、丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、三羥甲基丙烷、丙三醇、肌醇,單糖包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖、果糖、阿拉伯糖、木糖、核糖、脫氧核糖。所述酸酐包括苯酐、偏苯三酸酐、丁二酸酐、丁烯二酸酐及具有如下結(jié)構(gòu)的酸酐<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>B為鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)所述含有一個環(huán)氧基的環(huán)氧化合物指環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、環(huán)氧氯丙烷、環(huán)氧丙烷丁基醚等,以及具有如下結(jié)構(gòu)的化合物A為甲基、乙基及其取代基,鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)基團所述超支化堿溶性感光聚合物以聚苯乙烯為標(biāo)準(zhǔn),采用凝膠滲透色譜分析,其分子量在5005000g/mol之間,分子鏈末端含有羧基、羥基、甲基丙烯酰氧基,丙烯酰氧基,或乙烯基、烯丙基醚等,末端基團數(shù)目總合>16個,其中羧基數(shù)目不少于末端基團數(shù)目總合的1/3。所述的活性稀釋劑包括單官能團的丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、醋酸乙烯酯、乙烯基醚等,烯丙基縮水甘油醚、2-苯氧基乙基丙烯酸酯、乙氧基乙氧基乙基丙烯酸酯、環(huán)三羥甲基丙烷甲縮醛丙烯酸酯、硬脂醇丙烯酸酯、硬脂醇甲基丙烯酸酯、硬脂醇/鯨蠟醇甲基丙烯酸酯。所述交聯(lián)劑包括雙官能和三官能丙烯酸酯等,如三丙二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、乙氧化1,6_己二醇二丙烯酸酯、丙氧化1,6_己二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、乙氧化二丙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇200二丙烯酸酯、1,4_丁二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇400二丙烯酸酯、聚乙二醇600二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、丙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧化甘油三丙烯酸酯、乙氧化甘油三丙烯酸酯。所述光引發(fā)劑為光生自由基型引發(fā)劑,如光敏劑651、光敏劑184、光敏劑1800、光敏劑907、光敏劑261、光敏劑149、光敏劑1173等。超支化聚酯微光學(xué)光刻膠在使用過程中,烘干成膜的光刻膠表面可涂復(fù)一層由質(zhì)量百分比20%40%苯乙烯、20%50%丙烯酸或甲基丙烯酸、5%20%丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、6%引發(fā)劑和10%40%的溶劑進行自由基聚合得到的丙烯酸樹脂和超支化聚合物、德謙466、丁醇、二甲苯按質(zhì)量百分比20%60%丙烯酸樹脂、5%40%超支化聚合物、0.1%1%德謙466、10%20%丁醇、10%20%二甲苯混合形成的膜,該膜厚度應(yīng)<3μπι。該膜的主要目的是減少抗蝕劑膜與掩模之間的摩擦力。加入超支化聚合物的目的是增加光刻膠與表面涂層之間的粘附。如抗蝕劑膜與掩模之間的摩擦小,掩模易移動可不使用本涂層。所述顯影劑由水、四甲基氫氧化銨或碳酸鈉按質(zhì)量比四甲基氫氧化銨或碳酸鈉水=0.5%3%:99.5%:97%比例配制而成。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明提出以超支化聚合物制備光刻膠,因其大量的端基和固有的高活性、低粘度、獨特的三維球形分子形態(tài),將開辟抗蝕劑設(shè)計的新途徑。在數(shù)十納米的高分辨率場合,如新一代計算機芯片,暴光與未暴光區(qū)界面的分子鏈纏結(jié),將使刻蝕斷面產(chǎn)生缺陷,超支化聚合物獨特的三維球形分子形態(tài)及分子鏈沒有纏結(jié),可以使由超支化聚合物制備的抗蝕劑的刻蝕圖像斷面更清晰。對微米結(jié)構(gòu)尺度的抗蝕劑,如微機電系統(tǒng),微光學(xué),超支化聚合物抗蝕劑有更高的光活性、刻蝕速度和刻蝕深度,制備的結(jié)構(gòu)歧變小,面型控制好。本發(fā)明的抗蝕劑配制容易、理化性能可調(diào)性大,可用水性顯影劑顯影,因而使用中對環(huán)境影響小,同時抗蝕劑感光度、圖像清晰度高,刻蝕深度大,并有獨特的線性刻蝕性能,尤其適合微光學(xué)元件的光刻加工。圖1是本發(fā)明發(fā)散法合成的超支化聚合物紅外光譜圖;圖2是本發(fā)明發(fā)散法合成的超支化聚合物熱分析圖;圖3是本發(fā)明微光學(xué)光刻膠經(jīng)接觸曝光顯影形成的分辨率低的線條圖;圖4是本發(fā)明微光學(xué)光刻膠經(jīng)接觸曝光顯影形成的分辨率高的線條圖;圖5是本發(fā)明微光學(xué)光刻膠經(jīng)移動曝光形成的微透鏡陣列臺階儀分析結(jié)果圖;圖6是200μmX200μm微透鏡抗蝕劑元件計算機擬合結(jié)果圖。具體實施方式一、超支化堿溶性感光聚合物合成實施例超支化堿溶性感光聚合物合成配方設(shè)計原則羥基基團與酸酐基團等摩爾反應(yīng)、羧基基團與環(huán)氧基基團等摩爾反應(yīng),擴鏈完成后加入甲基丙烯酸縮水甘油酯或烯丙基縮水甘油醚的量應(yīng)使超支化聚合物分子外圍的理論羧基數(shù)反應(yīng)不超過1/2。實施例1原料及配比肌醇930g丁二酸酐30300g四丁基溴化銨0.060.56gN,N-二甲基甲酰胺17167g制備工藝將肌醇、丁二酸酐、四丁基溴化銨、N,N_二甲基甲酰胺加入四口瓶中,氮氣保護下,升溫至Iio士5°C,保溫反應(yīng)至酸值恒定后,加入27.76277.56g環(huán)氧氯丙烷,110士51反應(yīng)至酸值恒定,再加入57.6576g偏苯三酸酐,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定。加55.51555.12g環(huán)氧氯丙烷,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定,再加入115.21152g偏苯三酸酐,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定,加入51.12511.2g甲基丙烯酸縮水甘油酯、90士5°C反應(yīng)至酸值恒定得到超支化堿溶性感光聚合物。圖一的紅外光譜結(jié)果表明無酸酐neocnrSissocnr1和環(huán)氧基905cm—1振動吸收峰,說明偏苯三酸酐、丁二酸酐、環(huán)氧氯丙烷、甲基丙烯酸縮水甘油酯均已反應(yīng)完全。而TgienT1和1617CHT1處烯丙基的吸收峰十分明顯,說明烯丙基已接到超支化聚合物分子上。圖二熱分析結(jié)果表明,樹脂在100°C以內(nèi)沒有失重,在100200°C范圍內(nèi),失重較小,而從200°C開始特別是在300400°C熱失重特別嚴(yán)重。根據(jù)熱分析結(jié)果,樹脂在300°C以內(nèi)熱失重較小,基本沒有分解,具有較好的熱穩(wěn)定性。實施例2原料及配比乙二醇6.262.Og偏苯三酸酐38.4384g四丁基溴化銨0.1130.892gN,N-二甲基甲酰胺17167g制備工藝將乙二醇、偏苯三酸酐、四丁基溴化銨、N,N-二甲基甲酰胺加入四口瓶中,氮氣保護下,升溫至110士5°C,保溫反應(yīng)至酸值恒定后,加入37.01370.Ig環(huán)氧氯丙烷,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定,再加入40400g丁二酸酐,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定。加入37.01370.Ig環(huán)氧氯丙烷,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定,再加76.8768g偏苯三酸酐,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定,加入74.01740.2g環(huán)氧氯丙烷,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定,力口153.61536g偏苯三酸酐,110士5°C反應(yīng)至酸值恒定。加68.166816g甲基丙烯酸縮水甘油酯,90士5°C反應(yīng)至酸值恒定得到超支化堿溶性感光聚合物。結(jié)構(gòu)表征符合要求。二、超支化聚酯微光學(xué)光刻膠的制備實施例原料及配比的質(zhì)量百分比超支化堿溶性感光聚合物60.085.0%三羥甲基丙烷三丙烯酸酯5.015.0%甲基丙烯酸5.015.0%光敏劑6511.010.0%德謙4660.11.0%制備工藝將光敏劑651、甲基丙烯酸、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯混合加熱至4050°C使光敏劑651溶解后,加入超支化堿溶性感光聚合物、德謙466并混合均勻,用<5μm的過濾裝置過濾,包裝。表一為不同均膠速度的膜厚及其表面硬度。表一不同均膠速度的光刻膠膜厚及其表面硬度<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>三、光刻膠表面涂層的制備實施例(一)丙烯酸樹脂合成原料及配比的質(zhì)量百分比苯乙烯25%40%丙烯酸20.050.0%過氧化苯甲酰1.06.0%丁醇10.0%20.0%二甲苯10.0%20.0%制備工藝將苯乙烯、丙烯酸、過氧化苯甲?;旌先芙鈧溆茫谒目谄恐屑尤攵〈己投妆?,升溫至80°C,通氨氣的情況下,用23小時滴加苯乙烯、丙烯酸和過氧化苯甲?;旌弦?,滴加完后,在80°C保溫1小時,100°C保溫1小時,降溫至<40°C出料。(二)表面涂層的制備原料及配比的質(zhì)量百分比丙烯酸樹脂20.0%60.0%超支化聚合物5.0%40.0%德謙4660.1%1.0%丁醇10.0%20.0%二甲苯10.0%20.0%制備工藝將丙烯酸樹脂和超支化聚合物混合均勻后,在攪拌下滴加德謙466、丁醇、二甲苯的混合液,混合均勻后,用<1μm的過濾裝置過濾,包裝。(三)光刻膠表面涂層的使用在已烘干的超支化聚酯微光學(xué)光刻膠干膜上,滴加適量的表面涂層液體,先低速使其分布在光刻膠干膜上,然后在大于或等于5000轉(zhuǎn)/分的均膠速率下成膜后,經(jīng)8090°C烘烤50分鐘即可使用。表面涂層是否使用可根據(jù)掩膜與光刻膠干膜之間的摩擦大小而定,如果掩膜與光刻膠干膜之間的摩擦小,則可不使用表面涂層。權(quán)利要求一種超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,由以下質(zhì)量百分比的原料組成超支化堿溶性感光聚合物60.0%~85.0%,活性稀釋劑5.0%~15.0%、交聯(lián)劑5.0%~15.0%、光引發(fā)劑1.0%~10.0%、德謙4660.1%~1.0%。超支化聚酯微光學(xué)光刻膠其感光性能、刻蝕性能、線性范圍等可通過超支化聚合物結(jié)構(gòu),超支化聚合物分子末端的官能團及抗蝕劑配方進行調(diào)節(jié)。2.據(jù)權(quán)利要求1所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述超支化堿溶性感光聚合物通過發(fā)散法合成,其具體的合成方法如下以多元醇或單糖為起始核,利用多元醇或單糖的羥基與酸酐反應(yīng),再利用反應(yīng)生成的羧基與含有一個環(huán)氧基的環(huán)氧化合物反應(yīng),該反應(yīng)生成的羥基再與酸酐反應(yīng),如此反復(fù)擴鏈至需要的分子量,擴鏈反應(yīng)的最后一步應(yīng)是與酸酐反應(yīng),使合成的超支化聚合物分子外圍含有大量的羧基,利用羧基與分子中含有環(huán)氧基和雙鍵的化合物的環(huán)氧基反應(yīng),如與甲基丙烯酸縮水甘油酯或烯丙基縮水甘油醚的環(huán)氧基反應(yīng)合成超支化堿溶性感光聚合物。反應(yīng)過程中,通過使用不同的起始核,加入官能度不同的酸酐以及擴鏈次數(shù),控制合成聚合物的支化度和分子量。3.據(jù)權(quán)利要求2所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述多元醇包括乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、三縮四乙二醇、各種分子量的聚乙二醇、丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、三羥甲基丙烷、丙三醇、肌醇;單糖包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖、果糖、阿拉伯糖、木糖、核糖、脫氧核糖。4.據(jù)權(quán)利要求2所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述酸酐包括苯酐、偏苯三酸酐、丁二酸酐、丁烯二酸酐及具有如下結(jié)構(gòu)的酸酐<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>B為鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)平共處五項原則5.據(jù)權(quán)利要求2所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述含有一個環(huán)氧基的環(huán)氧化合物指環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、環(huán)氧氯丙烷、環(huán)氧丙烷丁基醚等,以及具有如下結(jié)構(gòu)的化合物<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>Α為甲基、乙基及其取代基,鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)基團6.據(jù)權(quán)利要求1或2所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述超支化堿溶性感光聚合物以聚苯乙烯為標(biāo)準(zhǔn),采用凝膠滲透分析,其分子量在5005000g/mol之間,分子鏈末端含有羧基、羥基、甲基丙烯酰氧基,丙烯酰氧基,或乙烯基、烯丙基醚等,末端基團數(shù)目總合>16個其中羧基數(shù)目不少于末端基團數(shù)目總合的1/3。7.據(jù)權(quán)利要求1所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述的活性稀釋劑,包括單官能團的丙烯酸酯,甲基丙烯酸酯,丙烯酸,甲基丙烯酸,醋酸乙烯酯,乙烯基醚等、烯丙基縮水甘油醚、2-苯氧基乙基丙烯酸酯、乙氧基乙氧基乙基丙烯酸酯、環(huán)三羥甲基丙烷甲縮醛丙烯酸酯、硬脂醇丙烯酸酯、硬脂醇甲基丙烯酸酯、硬脂醇/鯨蠟醇甲基丙烯酸酯;所述的交聯(lián)劑包括雙官能和三官能丙烯酸酯等,如三丙二醇二丙烯酸酯、1,6_己二醇二丙烯酸酯、乙氧化1,6_己二醇二丙烯酸酯、丙氧化1,6_己二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、乙氧化二丙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇200二丙烯酸酯、1,4_丁二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇400二丙烯酸酯、聚乙二醇600二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、丙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧化甘油三丙烯酸酯、乙氧化甘油三丙烯酸酯。8.據(jù)權(quán)利要求1所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述光引發(fā)劑為光生自由基型引發(fā)劑。9.據(jù)權(quán)利要求1所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于烘干成膜的光刻膠表面可涂復(fù)一層由質(zhì)量百分比20%40%苯乙烯、20%50%丙烯酸或甲基丙烯酸、5%20%丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、1%6%引發(fā)劑和10%40%的溶劑進行自由基聚合得到的丙烯酸樹脂和超支化聚合物、德謙466、丁醇、二甲苯按質(zhì)量百分比20%60%丙烯酸樹脂、5%40%超支化聚合物、0.德謙466、10%20%丁醇、10%20%二甲苯混合形成的膜,該膜厚度應(yīng)<3μm。10.據(jù)權(quán)利要求9所述超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,其特征在于所述顯影劑由水、四甲基氫氧化銨或碳酸鈉按質(zhì)量比四甲基氫氧化銨或碳酸鈉水=0.5%3%99.5%97%比例配制而成。全文摘要一種超支化聚酯微光學(xué)光刻膠,由超支化堿溶性感光聚合物,活性稀釋劑、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑以及助劑等組成,超支化聚酯微光學(xué)光刻膠其感光性能、刻蝕性能、線性范圍等可通過超支化聚合物結(jié)構(gòu)、超支化聚合物分子末端的官能團及光刻膠配方進行調(diào)節(jié)。本發(fā)明的光刻膠配制容易、理化性能可調(diào)性大,可用水性顯影劑顯影,因而使用中對環(huán)境影響小,同時光刻膠感光度、圖像清晰度高,刻蝕深度大,并有獨特的線性刻蝕性能。尤其適合微光學(xué)元件的光刻加工。文檔編號G03F7/038GK101799625SQ20091021406公開日2010年8月11日申請日期2009年12月18日優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日發(fā)明者馮宗財申請人:湛江師范學(xué)院