一种双芳基亚砜、卤代三芳基硫鎓盐及光致产酸剂的制备方法与流程

有机化合物处理,合成应用技术1.本发明属于光刻胶技术领域，尤其涉及一种双芳基亚砜、卤代三芳基硫鎓盐及光致产酸剂的制备方法。背景技术：2.光刻胶是一种感光性高分子材料，对光和射线的灵敏度高，主要应用于集成电路和半导体分立器件的细微图加工、光电子领域平板显示的制作等领域。随着电子器件不断向高集成化和高速化方向发展，光刻胶的作用越来越重要。光刻胶一般是由成膜树脂、光致产酸剂、溶剂和添加剂组成，其中光致产酸剂是光刻胶的重要组分之一，对光刻胶的性能起决定性作用。3.三苯基硫鎓盐光致产酸剂作为常用的光刻胶离子型光致产酸剂中的一大类，其合成方法高度依赖于相应的双芳基亚砜底物。但此类双芳基亚砜底物的合成方法较为局限，采购价格昂贵；所以，开发一种廉价、便捷的双芳基亚砜的制备方法变得尤为重要。技术实现要素：4.本发明实施例提供一种双芳基亚砜制备方法，从商业可得的、廉价的原料芳香烃发出成功得到双芳基亚砜、一系列硫鎓盐，为后续的光刻胶光致产酸剂的制备提供了支持与便利。5.本发明实施例是这样实现的，一种双芳基亚砜制备方法，包括以下步骤：6.在保护气氛中，将芳香烃与二氯亚砜混合；7.低温搅拌下，在所述芳香烃与二氯亚砜的混合液中加入三氟甲磺酸进行反应；8.反应完毕后，在所述芳香烃、二氯亚砜及三氟甲磺酸的反应液中加入碱中和残留的酸，再将所述反应液脱溶。9.进一步地，芳香烃为苯、甲苯、乙基苯、丙基苯、叔丁基苯、甲氧基苯、氟苯、氯苯或溴苯中的一种。本发明的芳香烃作为反应物的同时也作为反应溶剂。10.进一步地，所述芳香烃与二氯亚砜的摩尔比为1：2-1000。11.进一步地，所述二氯亚砜与三氟甲磺酸的摩尔比为1：1-10。12.进一步地，所述低温搅拌的温度为-25～20℃。13.本发明实施例还提供一种卤代三芳基硫鎓盐的制备方法，包括以下步骤：14.将采用上述的方法制备的双芳基亚砜溶于醚类溶剂中，并加入三甲基氯硅烷活化；15.在-25～20℃下，往活化后的双芳基亚砜中加入芳基格式试剂。16.进一步地，所述芳基格式试剂为苯基卤化镁、烷基取代苯基卤化镁、烷氧基取代苯基卤化镁或卤素取代芳基卤化镁中的一种。17.进一步地，所述三甲基氯硅烷与双芳基亚砜的摩尔比为1：1.5-10。18.进一步地，所述芳基格式试剂与双芳基亚砜的摩尔比为1-2.5：1。19.本发明实施例还提供一种光致产酸剂的制备方法，将光致产酸剂阴离子钠盐或者光致产酸剂阴离子钾盐(优选二氟磺钠或全氟丁基磺酸钾)及采用上述的方法制备的卤代三芳基硫鎓盐溶于溶剂中，搅拌1～3小时，旋干。20.本发明实施例还提供一种上述的方法制备的光致产酸剂。21.本发明实施例还提供一种光刻胶组合物，包括以下组分及重量百分含量：22.酸扩散抑制剂，0.001～10％；23.具有酸活性的成膜树脂，1～20％；24.上述光致产酸剂，0.01～10％；25.有机溶剂，余量。26.进一步地，所述具有酸活性的成膜树脂的结构通式如下：[0027][0028]其中，极性基团单体的含量为30-70％；和/或所述具有酸活性的成膜树脂的分子量为4000～10000，分子量分布在1.0-3.0之间。[0029]本发明使用廉价易得的原料芳香烃出发制备双芳基亚砜，收率高，成本低，经过简单的纯化后，即可用于后续的卤代三芳基硫鎓盐的合成，为后续光刻胶中光致产酸剂的合成降低了成本、铺平了道路；具有经济性与实用性。附图说明[0030]图1是本发明利用芳香烃为原料制备双芳基亚砜、卤代三芳基硫鎓盐、及光致产酸剂的流程式；[0031]图2为实施例十四制备的光致产酸剂a1的核磁氢谱；[0032]图3为实施例十四制备的光致产酸剂a3的核磁氢谱；[0033]图4为实施例十五制备的光致产酸剂b3的核磁氢谱；[0034]图5为实施例十六制备的光致产酸剂c3的核磁氢谱；[0035]图6为实施例十七曝光显影后的图片。具体实施方式[0036]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0037]本发明使用廉价的芳基溶剂作为原材料制备了各类昂贵的双芳基亚砜类物质，经过简单后处理即可用于制备各类卤代三芳基硫鎓盐。[0038]实施例一[0039]本实施例提供一种双芳基亚砜制备方法，包括以下步骤：[0040](1)在保护气氛中，将芳香烃与二氯亚砜混合；[0041](2)低温搅拌下，在芳香烃与二氯亚砜的混合液中加入三氟甲磺酸进行反应；[0042](3)反应完毕后，往反应液中加入碱中和反应液中残留的酸，将反应液脱溶。[0043]本实施例可以得到如下分子结构通式(i)所示的双芳基亚砜类产物；[0044][0045]作为本发明的一个实施例，通式(i)中的r为氢原子、甲基、叔丁基、丙基、丁基、戊基、环戊基团、环己基、烷氧基、卤素中的任一种。芳香烃优选苯、甲苯、乙基苯、丙基苯、叔丁基苯、甲氧基苯、氟苯、氯苯或溴苯中的一种。[0046]本实施例中的碱可以为无机碱，例如碳酸钠，碳酸钾，碳酸氢钠，碳酸氢钾，氢氧化钠，氢氧化钾，氨水；也可以为有机碱，例如三乙胺，三正丁胺，三正己胺，三正辛胺，二异丙基乙基胺。[0047]与现有技术相比，本实施例从商业可得的、廉价的原料芳香烃发出成功得到双芳基亚砜，可以降低生产成本，具有经济性与实用性。[0048]实施例二[0049]作为本发明的一个实施例，芳香烃与二氯亚砜的摩尔比为1：2-1000。本发明中芳香烃即作为溶剂又作为反应物，控制芳香烃与二氯亚砜的摩尔比在一定范围内，有利于反应快速进行及提高产率。而且当芳香烃与二氯亚砜的摩尔比为1：25时最佳。[0050]实施例三[0051]作为本发明的一个实施例，二氯亚砜与三氟甲磺酸的摩尔比为1：1-10。本发明中三氟甲磺酸是作为酸催化剂的，当二氯亚砜与三氟甲磺酸的摩尔比为 1：1-10时收率较高。[0052]实施例四[0053]作为本发明的一个实施例，低温搅拌下的低温为-25～20℃。反应的过程中是要放热的，当低温搅拌下的低温为-25～20℃时有利于反应的进行。[0054]实施例五[0055]本发明实施例提供一种卤代三芳基硫鎓盐的制备方法，包括：[0056]将采用实施例一-四中的任一种方法制备的双芳基亚砜溶于醚类溶剂中，并加入三甲基氯硅烷活化；[0057]在-25～20℃搅拌下，往活化后的双芳基亚砜溶液中加入芳基格式试剂。[0058]本实施例可以制得如下分子结构通式(ii)所示的卤代三芳基硫鎓盐：[0059][0060]作为本发明的一个实施例，通式(ii)中的r’为氢原子、甲基、叔丁基、丙基、丁基、戊基、环戊基团、环己基、烷氧基、卤素中的任一种。所述芳基格式试剂选自苯基卤化镁、烷基取代苯基卤化镁、烷氧基取代苯基卤化镁或卤素取代芳基卤化镁中的一种。[0061]本实施例中的醚类溶剂优选乙醚、四氢呋喃、甲基叔丁基醚、异丙醚、2‑ꢀ甲基四氢呋喃中的一种或多种。[0062]与现有技术相比，本实施例对采用芳香烃为原料制备得到的双芳基亚砜类物质，经过简单后处理后制备各类卤代三芳基硫鎓盐，工艺简单，生产成本低，产率高。[0063]实施例六[0064]作为本发明的一个实施例，三甲基氯硅烷与双芳基亚砜的摩尔比为1： 1.5-10。本发明的三甲基氯硅烷是为了活化亚砜，当处于这样一个比例时，活化效果最佳。[0065]实施例七[0066]作为本发明的一个实施例，芳基格式试剂中烷基、烷氧基、卤素可位于苯环的任意位点，取代个数可以为1～5个；烷基为碳原子个数为1～10的烷基，可以为甲基、乙基、丙基、丁基、异丁基、叔丁基中的一种或多种；烷氧基可以为甲氧基、乙氧基、叔丁氧基、三氟甲氧基中的一种或多种；卤素可以为氟、溴、碘中一种或多种。[0067]实施例八[0068]本实施例提供一种光致产酸剂的制备方法，包括：将二氟磺酸盐(本实施例优选二氟磺酸钠，如下所示)及采用如实施例五-七中的任一种方法制备的卤代三芳基硫鎓盐溶于溶剂(优选甲醇)中，搅拌1～3小时，旋干。[0069]本实施例可以制得如下分子结构通式(iii)所示的光致产酸剂：[0070][0071]与现有技术相比，本实施例将基于芳香烃为原料制备得到卤代三芳基硫鎓盐跟二氟磺酸钠简单混合反应后可制得光致产酸剂，工艺简单，生产成本低，产率高。[0072]实施例九[0073]本实施例提供一种光致产酸剂的制备方法，包括：将全氟丁基磺酸盐(本实施例优选全氟丁基磺酸钾)及采用如实施例五-七中的任一种方法制备的卤代三芳基硫鎓盐溶于溶剂(优选甲醇)中，搅拌1～3小时，旋干。[0074]本实施例可以制得如下分子结构通式(iii)所示的光致产酸剂：[0075][0076]与现有技术相比，本实施例将基于芳香烃为原料制备得到卤代三芳基硫鎓盐跟全氟丁基磺酸盐简单混合反应后可制得光致产酸剂，工艺简单，生产成本低，产率高。[0077]实施例十[0078]本发明实施例提供一种光刻胶组合物，包括以下组分及重量百分含量：[0079]酸扩散抑制剂，0.001～10％；[0080]具有酸活性的成膜树脂，1～20％；[0081]光致产酸剂(iii)，0.01～10％；[0082]有机溶剂，余量。[0083]作为本发明的一个实施例，酸扩散抑制剂可以为一种含氮化合物，包括伯胺、仲胺和叔胺化合物，特别是具有羟基、醚键、酯键、酰胺键、内酯环、氰基或磺酸酯键的胺基化合物，优选二乙胺、三乙胺、乙醇胺、三乙醇胺、苯胺、苯乙胺等脂肪胺或芳香胺中的一种或多种。为提高效果，可以加入其它光致产酸剂联合使用。[0084]实施例十一[0085]本发明实施例提供一种光刻胶组合物，包括重量百分含量的组分：8.4-8.5g 酸活性树脂、0.20-0.25g光致产酸剂、0.05-0.06g酸扩散抑制剂三乙醇胺、53-54 g丙二醇单甲醚乙酸酯、35-36g丙二醇甲醚。[0086]本实施例的光刻胶组合物的制备方法包括：在容器中加入酸活性树脂、 0.20-0.25g光致产酸剂、酸扩散抑制剂三乙醇胺、丙二醇单甲醚乙酸酯、丙二醇甲醚，室温下将混合物在瓶中震荡24小时，使其充分溶解即可。[0087]实施例十二[0088]作为本发明的一个实施例，具有酸活性的成膜树脂是由多个功能基团聚合而成，包含酸敏基团和极性基团。具有酸活性的成膜树脂的结构通式如下：[0089][0090]其中，酸敏基团单体的含量为30％-70％，极性基团单体的含量在70-30％，优选的酸敏基团与极性基团的含量比为50：50。所述具有酸活性的成膜树脂的分子量为4000～10000，分子量分布在1.0-3.0之间。[0091]实施例十三[0092]作为本发明的一个实施例，具有酸活性的成膜树脂中含不同取代基的酸敏基团，具体为酸活性(甲基)丙烯酸酯，其结构为符合化学通式中的至少一种单体，具体的酸活性单体结构通式如下：[0093][0094]r1为h或碳原子数在1-20的碳链。r2为酸敏的四级碳。[0095]优选地，r2是一种碳原子数在6-30之间的三级醇的酯，其和酯键氧原子相连的碳原子的氢原子全部被其它基团取代，其可能的结构为叔丁基酯、取代叔丁基酯、烷基取代的金刚烷酯、烷基取代的金刚烷衍生物酯、烷基取代的降冰片酯、烷基取代的降冰片衍生物酯、烷基取代的环状烷基酯、烷基取代的环状烷基衍生物酯等其中的一种或多种。[0096]酸活性成膜树脂中含1个或多个极性基团，具体为含极性基团的(甲基) 丙烯酸酯，其结构为符合化学通式中的至少一种单体，具体的极性单体结构通式如下：[0097][0098]r3为h或碳原子数在1-20的碳链。r4为含极性基团的(甲基)丙烯酸酯。[0099]优选地，r4为碳原子数在6～30之间含羟基的环状、笼状或直链型含碳结构和各类内酯结构，其可能的结构为含1个或多个独立羟基的金刚烷酯、含1个或多个独立羟基的环己酯、含1个或多个独立羟基的环戊酯、含1个或多个独立羟基的多环酯类化合物、含1个或多个独立羟基的笼状酯类化合物、丁内酯、戊内酯、取代戊内酯、己内酯、取代己内酯、含金刚烷结构的内酯、含多环结构的内酯、含笼状结构的内酯等其中的一种或多种。[0100]本实施例的具有酸活性的成膜树脂的制备方法如下：共聚单体在自由基引发剂存在的条件下，在溶剂中进行聚合反应制备而成。酸活性成膜树脂的聚合反应中，引发剂为偶氮引发剂、过氧化物的自由基引发剂，优选的偶氮引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈，优选的过氧化物的自由基引发剂为叔丁基过氧化特戊酸酯、叔丁氧过氧化氢、苯甲酸过氧化氢或者过氧苯甲酰等；所述引发剂用量为共聚单体总质量的0.3％～15％；引发剂的加入方式为先加入单体和部分溶剂，然后加热至聚合温度，再滴加引发剂溶液。聚合反应的温度根据使用的溶剂和引发剂不同，控制在40～90℃之间，聚合时间同样根据使用的溶剂和引发剂不同,控制在4～32小时之间。[0101]优选地，具有酸活性的成膜树脂的共聚反应可在各种溶剂或多种溶剂混合物种进行，溶剂包括甲醇、乙醇、二氧六环、丙酮、甲基乙基酮、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、氯仿、二氯乙烷、三氯乙烷等。酸活性树脂的共聚反应结束后，可在纯水、甲醇、甲醇/水混合物、乙醇、乙醇/水混合物、异丙醇、异丙醇/水混合物、正庚烷、正己烷、环己烷、正戊烷、石油醚、乙醚、甲基叔丁基醚等有机或无机溶剂种沉淀分离，真空干燥后共聚物的收率为50％～80％。[0102]可以溶解上述方法制得的光致产酸剂和酸扩散抑制剂的有机溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇单醋酸醚、丙二醇单乙醚、丙二醇甲醚醋酸酯、二缩乙二醇甲醚、二缩乙二醇乙醚、醋酸丁酯、醋酸新戊酯、乳酸乙酯、甲基乙基酮和甲基异丁基酮中的一种或多种。[0103]实施例十四[0104]一种光致产酸剂的制备方法，包括以下步骤：[0105]化学流程式如下：[0106][0107](1)在1l圆底烧瓶中加入400ml叔丁基苯，随后加入二氯亚砜12ml，将反应混合物置于冰水浴中，搅拌情况下，将62ml的三氟甲磺酸滴加入反应液，反应混合物搅拌下，自然回温；反应完毕后，将反应液倾倒入84g碳酸氢钠配置而成的500ml水溶液中淬灭，分液，水相以200ml二氯甲烷萃取，合并有机相，饱和水溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，减压脱溶，得到产品a1 52g。 a1的收率大于95％，近乎当量。1h nmr(400mhz,chloroform-d)δ7.61(d,j＝ 1.0hz,4h),7.53(d,j＝8.6hz,4h),1.36(s,18h)。[0108](2)将a1 52g投入1l史莱克瓶中，惰性气体保护下，加入200ml四氢呋喃，随后搅拌情况下，加入25.4ml三甲基氯硅烷，反应混合物室温下继续搅拌30分钟。反应混合物置于冰水浴中冷却10分钟，随后缓慢滴加入240 mmol的叔丁基苯基氯化镁(2m)，混合物自然回温，继续搅拌3天。停止反应后，将反应液滴加入20g浓盐酸(37％)配制而成的500ml水溶液中，生成大量白色不溶固体，抽滤得到白色固体a2 34.8g直接用于下步反应中。[0109](3)将上述步骤制得的a2 34.8g投入500ml圆底烧瓶中，加入二氟磺酸钠盐34.6g及250ml甲醇，反应液搅拌3小时；停止反应后，将反应液旋干脱溶，得到白色粗品，重新加入250ml二氯甲烷打浆，抽滤，将反应液旋干，得到白色固体a3 39.6g，总产率：32％。1h nmr(400mhz,dmso-d6)δ7.81 (d,j＝8.8hz,6h),7.74(d,j＝8.8hz,6h),3.82(s,2h),1.93(s,3h),1.70–1.56 (m,6h),1.52(d,j＝2.9hz,6h),1.32(s,27h)。[0110]实施例十五[0111]一种光致产酸剂的制备方法，包括以下步骤：[0112]化学流程式：[0113][0114](1)在100ml圆底烧瓶中加入40ml甲苯，随后加入二氯亚砜1.2ml，将反应混合物置于冰水浴中，搅拌情况下，将6.2ml的三氟甲磺酸滴加入反应液，反应混合物搅拌下，自然回温；反应完毕后，将反应液倾倒入8.4g碳酸氢钠配置而成的50ml水溶液中淬灭，分液，水相以20ml二氯甲烷萃取，合并有机相，饱和水溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，减压脱溶，得到产品b1 3.8g。 b1的产率大于95％，近乎当量。[0115](2)将b1 3.8g投入100ml史莱克瓶中，惰性气体保护下，加入20ml 四氢呋喃，随后搅拌情况下，加入2.54ml三甲基氯硅烷，反应混合物室温下继续搅拌30分钟。反应混合物置于冰水浴中冷却10分钟，随后缓慢滴加入24 mmol的叔丁基苯基氯化镁(2m)，混合物自然回温，继续搅拌过夜。停止反应后，将反应液滴加入2g浓盐酸(37％)配制而成的50ml水溶液中，得到b2水溶液，将其直接用于下步反应中。[0116](3)将上述步骤制得的b2水溶液50ml投入50ml圆底烧瓶中，加入二氟磺酸钠盐3.5g及25ml甲醇，反应液搅拌3小时；停止反应后，将反应液旋干脱溶，得到白色粗品，重新加入25ml二氯甲烷打浆，抽滤，将反应液旋干，得到白色固体b3 5.0g，总产率：45％。1h nmr(400mhz,dmso-d6)δ 7.80(d,j＝8.8hz,2h),7.70(dd,j＝8.7,2.6hz,6h),7.60(d,j＝8.4hz,4h), 3.82(s,2h),2.44(s,6h),1.94(s,3h),1.73–1.57(m,6h),1.52(d,j＝2.9hz,6h), 1.32(s,9h)。[0117]实施例十六[0118]一种光致产酸剂的制备方法，包括以下步骤：[0119]化学流程式：[0120][0121](1)在100ml圆底烧瓶中加入40ml甲苯，随后加入二氯亚砜1.2ml，将反应混合物置于冰水浴中，搅拌情况下，将6.2ml的三氟甲磺酸滴加入反应液，反应混合物搅拌下，自然回温；反应完毕后，将反应液倾倒入8.4g碳酸氢钠配置而成的50ml水溶液中淬灭，分液，水相以20ml二氯甲烷萃取，合并有机相，饱和水溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，减压脱溶，得到产品c1 3.8g。 c1的产率大于95％，近乎当量。[0122](2)将c1 3.8g投入100ml史莱克瓶中，惰性气体保护下，加入20ml 四氢呋喃，随后搅拌情况下，加入2.54ml三甲基氯硅烷，反应混合物室温下继续搅拌30分钟。反应混合物置于冰水浴中冷却10分钟，随后缓慢滴加入24 mmol的甲基苯基氯化镁(2m)，混合物自然回温，继续搅拌过夜。停止反应后，将反应液滴加入2g浓盐酸(37％)配制而成的50ml水溶液中，得到b2 水溶液，将其直接用于下步反应中。[0123](3)将上述步骤制得的c2水溶液50ml投入50ml圆底烧瓶中，加入二氟磺酸钠盐3.5g及25ml甲醇，反应液搅拌3小时；停止反应后，将反应液旋干脱溶，得到白色粗品，重新加入25ml二氯甲烷打浆，抽滤，将反应液旋干，得到白色固体c3 4.2g，总产率：41％。1h nmr(400mhz,dmso-d6)δ7.68(d,j＝8.4hz,6h),7.59(d,j＝8.3hz,6h),3.82(s,2h),2.44(s,9h),1.93(s, 3h),1.71–1.55(m,6h),1.52(s,6h)。[0124]实施例十七[0125]光刻胶组合物的制备方法：在100ml玻璃瓶中，加入8.5g酸活性树脂、 0.21g实施例十四-十六制备的光致产酸剂(a3、b3或c3)、0.06g酸扩散抑制剂三乙醇胺、54g丙二醇单甲醚乙酸酯、36g丙二醇甲醚，室温下，混合物在瓶中震荡24小时，使其充分溶解，制得光刻胶组合物。光刻胶组合物先后用 0.22微米和0.02微米的过滤器过滤，完成后进行光刻实验。[0126]其中酸活性树脂优选实施例十二或实施例十三中的酸活性树脂。[0127]光刻实验方法：将上述配制的光刻胶组合物在8”硅片上以2000～3000转/ 分钟的速度旋转成膜，在120℃热板上烘烤90秒，然后在曝光机上曝光，曝光强度10-50mj/cm2。曝光后在110℃热板上烘烤90秒，最后在2.38％tmah显影液中显影60秒，然后烘干，得到光刻胶膜。[0128]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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