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JP2015071741A - 硬化性組成物、ナノインプリント材料、硬化膜、積層体、硬化膜の製造方法、パターン形成方法及び半導体発光素子用基板 - Google Patents

硬化性組成物、ナノインプリント材料、硬化膜、積層体、硬化膜の製造方法、パターン形成方法及び半導体発光素子用基板 Download PDF

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JP2015071741A
JP2015071741A JP2014139749A JP2014139749A JP2015071741A JP 2015071741 A JP2015071741 A JP 2015071741A JP 2014139749 A JP2014139749 A JP 2014139749A JP 2014139749 A JP2014139749 A JP 2014139749A JP 2015071741 A JP2015071741 A JP 2015071741A
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JP2014139749A
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川島 直之
Naoyuki Kawashima
直之 川島
健介 宮尾
Kensuke Miyao
健介 宮尾
裕亮 村田
Hirosuke Murata
裕亮 村田
松本 英之
Hideyuki Matsumoto
英之 松本
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JSR Corp
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Abstract

【課題】基板に対する塗布性及び硬化性が良好な硬化性組成物を提供する。【解決手段】硬化性組成物は、硬化成分として2以上のエチレン性不飽和基を有する多官能不飽和化合物(A)及び2個以上のチオール基を有する多官能チオール化合物(B)を含むとともに、重量平均分子量が12,000以下であって、かつフッ素原子を実質的に有さない重合体(C)を含む。【選択図】なし

Description

本発明は、硬化性組成物、ナノインプリント材料、硬化膜、積層体、硬化膜の製造方法、パターン形成方法及び半導体発光素子用基板に関する。
ナノインプリント法は、凹凸のパターンが形成された金型(モールド)を、基板上に形成したパターン被転写層としての樹脂に押し付け、この樹脂にモールドのパターンを転写することによって微細パターンを形成する技術である。このナノインプリント法によれば、微細パターンを低コストでかつ簡便に形成可能であり、近年、さまざまな分野への応用が期待されている。また、パターン被転写層を形成するためのナノインプリント材料が種々提案されている(例えば、特許文献1や特許文献2参照)。
例えば、特許文献1には、重合性化合物、フッ素原子含有重合体及びラジカル発生剤を含有するナノインプリント用硬化性組成物が開示されており、フッ素原子含有重合体によって離型性を向上させることが提案されている。また、特許文献2には、ビスアリールフルオレン骨格及びエチレン性不飽和基を有する化合物、分子内に少なくとも1個の重合性基を有する化合物及び光重合開始剤を含有するナノインプリント用の硬化性組成物が開示されている。
なお、ナノインプリントへの適用に関する記載及び示唆はないが、特許文献3には、硬化成分としてエチレン性不飽和化合物とチオール化合物とを含み、これら化合物の少なくとも一方が9,9−ビスアリールフルオレン骨格を有する硬化性組成物について開示されている。また、特許文献4には、重合性不飽和結合を有するフルオレン化合物と、ヒドロキシル基及びカルボキシル基の少なくとも一種の官能基を有する非フルオレン系(メタ)アクリルモノマーとを含む硬化性組成物が開示されている。
国際公開第2011/125800号 国際公開第2010/146983号 特開2010−254732号公報 特開2012−224845号公報
硬化性組成物の基板に対する塗布性が良好でない場合、硬化膜にハジキ等の欠陥が発生し、歩留まり低下の原因となるおそれがある。また、離型時にパターンが剥がれにくく、しかもインプリント後のパターン倒れが起こりにくい高強度な膜を形成するためには、硬化性が良好な硬化性組成物が要求される。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板に対する塗布性及び硬化性が良好な硬化性組成物を提供することを一つの目的とする。
本発明者らは、上記のような従来技術の課題を達成するべく鋭意検討した結果、特定の化合物を組成物中に含有させることにより、上記課題を解決可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明により以下の硬化性組成物、ナノインプリント材料、硬化膜、積層体、硬化膜の製造方法、パターン形成方法及び半導体発光素子用基板が提供される。
本発明は一つの側面において、硬化成分として2個以上のエチレン性不飽和基を有する多官能不飽和化合物(A)及び2個以上のチオール基を有する多官能チオール化合物(B)を含むとともに、重量平均分子量が12,000以下であって、かつフッ素原子を実質的に有さない重合体(C)を含む、硬化性組成物を提供する。また、別の一つの側面において、上記多官能不飽和化合物(A)、上記多官能チオール化合物(B)及び上記重合体(C)を含むナノインプリント材料を提供する。
本発明は、別の一つの側面において、本発明の硬化性組成物を用いて形成された硬化膜、及び当該硬化膜を基板上に具備する積層体を提供する。また、本発明の硬化性組成物を基板上に塗布して被転写層を形成する工程(1)と、上記被転写層にモールドを圧接する工程(2)と、上記モールドを圧接した後に上記被転写層に光照射する工程(3)と、を含む硬化膜の製造方法を提供する。また更に、上記工程(1)〜工程(3)に加え、光照射の後に上記モールドを上記被転写層から引き離し、次いで上記被転写層をマスクとして基板をエッチングする工程を更に含むパターン形成方法、及び当該パターン形成方法により形成されたパターンを有する半導体発光素子用基板を提供する。
本発明の硬化性組成物は、上記組成を有することにより、優れた塗布性と硬化性とを兼ね備えている。また、当該硬化性組成物により形成された硬化膜は、基板に対する塗布性に起因する欠陥が少なく、よって当該硬化膜やこれを用いた半導体素子等の製造に際して歩留まり低下を抑制することができる。
ナノインプリントによるパターン形成の各工程を示す図。
本発明の硬化性組成物は、硬化成分としてエチレン性不飽和化合物及びチオール化合物を含むとともに、非フッ素系の重合体(C)を含む。また必要に応じて、硬化成分及び重合体(C)以外のその他の成分を含む。以下、本発明の硬化性組成物について説明する。
<硬化成分>
[多官能不飽和化合物(A)]
本発明の組成物中に含有される多官能不飽和化合物(A)は、分子内に2個以上のエチレン性不飽和基を有する化合物である。当該エチレン性不飽和基は、エチレン性不飽和結合を含む基を意味し、具体的には、例えば(メタ)アクリロイル基、ビニル基、アリル基、スチリル基等が挙げられる。重合反応性が高い観点から、これらの中でも(メタ)アクリロイル基が好ましく、アクリロイル基がより好ましい。なお、本明細書において「(メタ)アクリロイル基」は、アクリロイル基及びメタクリロイル基を含む意味である。
多官能不飽和化合物(A)としては、得られる硬化膜のエッチング耐性を高くする観点から、1分子における炭素含有率が65重量%以上の化合物(以下、「高炭素化合物(A)」ともいう。)を含むことが好ましい。当該高炭素化合物(A)として具体的には、例えば、フタル酸ジアリルなどのアリル基含有化合物;
9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)フェニル]フルオレン、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシプロポキシ)フェニル]フルオレン、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルエトキシ)−3−メチルフェニル]フルオレン、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルエトキシ)−3,5−)ジメチルフェニル]フルオレン、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)−3,5−ジメチルフェニル]フルオレン、9,9−ビス[4−((メタ)アクリロイルオキシ)フェニル]フルオレン、9,9−ビス[3,4,5−トリス(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)フェニル]フルオレン、9,9−ビス[4−(2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルエトキシ)−3−フェニルフェニル]フルオレン、9,9−ビス[6−(2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−メチルエトキシ)ナフタレン−2−イル]フルオレン、9,9−ビス[5−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)ナフタレン−2−イル]フルオレン、9,9−ビス[6−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)ナフタレン−2−イル]フルオレン、9,9−ビス[5−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)ナフタレン−1−イル]フルオレン、9,9−ビス[6−(2−(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)ナフタレン−1−イル]フルオレン等のフルオレン骨格を有する(メタ)アクリル系化合物;
エトキシ化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、1,9−ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、2−メチル−1,8−オクタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,10−デカンジオールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート等のその他の(メタ)アクリル系化合物;
などを挙げることができる。高炭素化合物(A)としては、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
また、本発明の硬化性組成物の調製に際し使用する多官能不飽和化合物(A)は、炭素含有率が65重量%未満のもの(以下、「低炭素化合物(A)」ともいう。)を含んでいてもよい。当該低炭素化合物(A)として具体的には、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、(メタ)アクリロイルオキシピバリル (メタ)アクリロイルオキシピバレート、2−ヒドロキシ−3−アクリロイロキシプロピル(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート等のジ(メタ)アクリレート化合物;
ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパン(メタ)アクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、エチレングリコールトリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等のポリ(メタ)アクリレート化合物;
ポリエステル(メタ)アクリレート、ポリウレタン(メタ)アクリレート、ポリエーテル(メタ)アクリレート、ポリエポキシ(メタ)アクリレート等の多官能オリゴマー;などを挙げることができる。低炭素化合物(A)としては、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
本発明の硬化性組成物の調製に使用する多官能不飽和化合物(A)としては、エッチング耐性を良好する点及びモールドの剥離後においてパターン形状を維持させる点から、高炭素化合物(A)を含んでいることが好ましい。具体的には、本発明の組成物の調製に使用する多官能不飽和化合物(A)の合計量(高炭素化合物(A)の使用量と低炭素化合物(A)の使用量の和)に対して、上記高炭素化合物(A)を、50重量%以上含んでいることが好ましく、60重量%以上含んでいることがより好ましい。なお、高炭素化合物(A)の上記含有割合の上限値には特に制限がなく、100重量%以下の範囲で適宜設定することができる。
本発明の硬化性組成物中における上記多官能不飽和化合物(A)の含有割合は、硬化性及び硬化膜の強度を高める点において、当該硬化性組成物中に含まれる溶媒以外の成分の合計重量に対して、30〜98重量%とすることが好ましく、50〜90重量%とすることがより好ましい。
[多官能チオール化合物(B)]
本発明における多官能チオール化合物(B)は、分子内に2個以上のチオール基を有する化合物である。その具体例としては、例えば1,3−プロパンジチオール、1,4−ブタンジチオール、1,6−ヘキサンジチオール、2,5−ヘキサンジチオール、1,8−オクタンジチオール、1,9−ノナンジチオール、3,7−ジチア−1,9−ノナンジチオール、1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン、テトラエチレングリコールビス(3−メルカプトプロピオネート)、ジメルカプトベンゼン、1,2−ジ(メルカプトメチル)ベンゼン、1,3−ジ(メルカプトメチル)ベンゼン、1,4−ジ(メルカプトメチル)ベンゼン、1,3−ジメルカプト−5−メチル−ベンゼン、4,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾール、1,4−ビス(2−メルカプトエチル)ベンゼン、チオール基含有カルボン酸と2価アルコールとのエステル類等のジチオール化合物;
イソシアヌル酸、トリメルカプトベンゼン、2,4,6−トリメルカプト−1,3,5−トリアジン、1,3,5−トリス(3−メルカプトブチリルオキシエチル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン、トリメチロールプロパントリス(3−メルカプトブチレート)、トリメチロールプロパントリス(3−メルカプトプロピオネート)、トリス−[(3−メルカプトプロピオニルオキシ)−エチル]−イソシアヌレート、トリメチロールエタントリス(3−メルカプトブチレート)、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトブチレート)、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトプロピオネート)、ジペンタエリスリトールヘキサキス(3−メルカプトプロピオネート)、チオール基を有する多官能性ポリマー(例えば、商品名で、チオコールLP(登録商標)、ポリチオール(登録商標)(以上、東レ・ファインケミカル(株)製))、チオール基含有カルボン酸と多価アルコールとのポリエステル類、等のポリチオール化合物;などを挙げることができる。
ここで、上記チオール基含有カルボン酸としては、例えばチオグリコール酸、チオプロピオン酸、2−メルカプトプロピオン酸、3−メルカプト−3−フェニルプロピオン酸、3−メルカプト酪酸、2−メルカプト−3−メチル酪酸、3−メルカプト吉草酸等を挙げることができる。また、上記多官能アルコールとしては、例えば1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、トリメチロールプロパン、トリスヒドロキシエチルイソシアヌレート、ポリカーボネートジオール、シクロヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、ビスフェノールAジヒドロキシエチルエーテル、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジフェノール、4,4’−(9−フルオレニリデン)ビス(2−フェノキシエタノール)等を挙げることができる。なお、多官能チオール化合物(B)としては、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
本発明の硬化性組成物中における上記多官能チオール化合物(B)の含有割合は、硬化性及び柔軟性の向上を図る点において、当該硬化性組成物中に含まれる溶媒以外の成分の合計重量に対して、1〜20重量%とすることが好ましく、2〜15重量%とすることがより好ましく、3〜10重量%とすることが更に好ましい。
<重合体(C)>
本発明における重合体(C)は、重量平均分子量が12,000以下であって、かつフッ素原子を実質的に有さない化合物である。当該重合体(C)の主鎖骨格は特に限定しないが、その好ましい具体例としては、例えばポリ(メタ)アクリレート骨格、ポリスチレン骨格、フェノール樹脂(ノボラック樹脂及びレゾール樹脂を含む)、ポリオレフィン骨格、環状オレフィン系樹脂、ジエン系ポリマー骨格、ポリオキシアルキレン骨格などからなる主鎖骨格を挙げることができる。
ここで、ポリ(メタ)アクリレート骨格を有する重合体は、例えば不飽和カルボン酸及び不飽和カルボン酸エステルをモノマー組成に含む重合により得ることができる。ポリスチレン骨格を有する重合体は、スチレン又はその誘導体をモノマー組成に含む重合により得ることができる。フェノール樹脂は、フェノール又はその誘導体(クレゾールなど)と、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド又はその誘導体とをモノマー組成に含む重合により得ることができる。ポリオレフィン骨格は、エチレン、プロピレン、ブチレンなどのアルケン又はその誘導体をモノマー組成に含む重合により得ることができる。環状オレフィン系樹脂は、例えばノルボルネン系化合物、単環の環状オレフィン、ビニル脂環式炭化水素などの脂環式炭化水素をモノマー組成に含む重合により得ることができる。ジエン系ポリマー骨格は、ブタジエン、イソプレンなどの共役ジエン系化合物をモノマー組成に含む重合により得ることができる。ポリオキシアルキレン骨格は、例えばエチレンオキシド、プロピレンオキシド等のアルキレンオキシドの開環重合により得ることができる。これらの重合は従来公知の方法に従って行うことができる。
重合体(C)が有する側鎖としては、例えば炭素数1〜20の1価の炭化水素基、若しくは当該1価の炭化水素基における炭素−炭素結合間に、−O−、−CO−、−COO−、−OCO−、−NHCO−及び−CONH−よりなる群から選ばれる少なくとも一種を有するヘテロ原子含有基、又は当該1価の炭化水素基若しくはヘテロ原子含有基の水素原子の一部が、ヒドロキシ基やカルボキシル基等で置換された基等を挙げることができる。
ここで、本明細書における「炭化水素基」は、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基を含む意味である。これらのうち、「鎖状炭化水素基」とは、主鎖に環状構造を有さず、鎖状構造のみで構成された直鎖状炭化水素基及び分岐状炭化水素基を意味する。但し、鎖状構造は飽和でも不飽和でもよい。また、「脂環式炭化水素基」とは、環構造としては脂環式炭化水素の構造のみを有し、芳香環構造を有さない炭化水素基を意味する。但し、脂環式炭化水素の構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造を有するものも含む。「芳香族炭化水素基」とは、環構造として芳香環構造を有する炭化水素基を意味する。但し、芳香環構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造や脂環式炭化水素の構造を有していてもよい。
重合体(C)が有する側鎖の好ましい具体例としては、鎖状炭化水素基として、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デカニル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、ステアリル基、ノナデシル基、イコシル基などを挙げることができ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。
また、脂環式炭化水素基としては、例えばシクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキセニル基、シクロヘプチル基、ビシクロヘキシル基、テトラシクロデカニル基、イソボロニル基、トリシクロデカニル基、ノルボルニル基、アダマンチル基や、これら脂環式基が有する少なくとも1つの水素原子を、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭化水素基で置換した基などを;
芳香族炭化水素基として、例えばフェニル基、ベンジル基、ナフチル基、フェノキシエチル基、o−フェニルフェノキシエチル基、ノニルフェノキシエチル基や、これら芳香族基の環構造が有する少なくとも1つの水素原子を、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭化水素基で置換した基などを;
上記ヘテロ原子含有基として、例えばエポキシ基、グリシジル基、テトラヒドロピラニル基、テトラヒドロフルフリル基等の酸素含有基などを;それぞれ挙げることができる。ここで例示したそれぞれの基は、重合体の主鎖骨格に直接結合していてもよいし、あるいは、*−COO−、オキシエチレン基(*−(CH−O−)、オキシプロピレン基(*−(CH−O−)(但し、「*」は主鎖骨格に結合する結合手を示す。)等の連結基を介して結合していてもよい。なお、重合体(C)が有する側鎖は、上記で例示した基の1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。また、重合体(C)は、1種のモノマーよりなる単独重合体であってもよく、2種以上のモノマーからなる共重合体であってもよい。
重合体(C)がポリ(メタ)アクリレート系ポリマーの場合、重合体(C)の側鎖は疎水的な構造であることが好ましく、具体的には、下記式(c−1)で表される構造単位(c1)を有することが好ましい。
Figure 2015071741
(式(c−1)中、Rは、水素原子又はメチル基であり、R10は、1価の炭化水素基である。)
上記式(c−1)のR10は、1価の鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基又は芳香族炭化水素基である。これらのうち、硬化物に柔軟性を付与できる点及び基板への密着性の改善効果が高い点で、鎖状炭化水素基であることが好ましく、エッチング耐性を高くできる点で、脂環式炭化水素基又は芳香族炭化水素基であることが好ましい。なお、R及びR10は、構造単位間でそれぞれ同じでも異なっていてもよい。
10としては、硬化性組成物の基板に対する塗布性改善の効果が高い点で、炭素数4以上であることが好ましく、炭素数6〜20であることがより好ましい。
上記重合体(C)は、フッ素原子を実質的に有さない。ここで、「フッ素原子を実質的に有さない」とは、重合体(C)がフッ素原子を有していないか、又は有していても微量であることを意味する。具体的には、重合体(C)のフッ素含有率は0〜5重量%の範囲内であることが好ましく、0〜1重量%の範囲内であることがより好ましい。
また、上記重合体(C)は、光硬化性基を有していてもよく、実質的に有していなくてもよい。ここで、「光硬化性基」とは、光照射により硬化性を示す官能基であり、例えば(メタ)アクリロイル基、ビニル基、アリル基、スチリル基等のエチレン性不飽和基、チオール基などが挙げられる。また、上記重合体(C)が「光硬化性基を実質的に有していない」とは、重合体(C)が光硬化性基を有していないか、又は有していても微量であることを意味し、例えば重合体(C)における光硬化性基の含有量が0〜5モル%の範囲内であることを意味する。
上記重合体(C)は、市販品及び合成品のいずれであってもよい。重合体(C)を合成する場合、その合成方法は特に限定されず、有機化学の定法を適宜組み合わせて行うことができる。その一例としては、例えば重合体(C)が上記構造単位(c1)を含むポリ(メタ)アクリレート系ポリマーである場合、[i]基R10を有する(メタ)アクリル酸エステルをモノマー組成に含む重合により合成する方法、[ii]水酸基、エポキシ基などの反応性基を有する(メタ)アクリル系化合物(以下、「反応性化合物」ともいう。)を含むモノマーを用いて重合を行った後、該重合により得られた重合体と、上記反応性基と反応可能な基及び上記基R10を有する化合物とを反応させる方法、などを挙げることができる。ここで、方法[ii]において「上記反応性基と反応可能な基」とは、例えば上記反応性基が水酸基である場合には酸無水物基、イソシアネート基などが挙げられ、上記反応性基がエポキシ基である場合にはカルボキシル基などが挙げられる。なお、上記[i]及び[ii]による重合体(C)の合成は公知の方法に従って行うことができる。
重合体(C)としては、多官能不飽和化合物(A)との相溶性を確保する観点から、ポリ(メタ)アクリレート系ポリマー、官能基導入型ジエン系ポリマー、ポリオキシアルキレン、スチレンポリマー及び置換基導入型スチレン系ポリマーよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましく、ポリオキシアルキレン及び置換基導入型スチレン系ポリマーよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが特に好ましい。ここで、ポリ(メタ)アクリレート系ポリマーの好ましい例としては、上記構造単位(c1)を有するポリマーが挙げられる。官能基導入型ジエン系ポリマーの好ましい例としては、エポキシ化ポリブタジエン、末端水酸基導入ポリブタジエン、末端アクリル化ポリブタジエン等が挙げられる。それらの市販品としては、日本曹達(株)製のJPシリーズ(JP−100、JP−200)、G−シリーズ(G−1000、G−2000、G−3000)、E−シリーズ(EMA−3000)、TEシリーズ(TEAI−1000)などがある。
ポリオキシアルキレンとしては、下記式(c−2)で表される構造単位(c2)を有する重合体であることが好ましい。
Figure 2015071741
(式(c−2)中、R20は、水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基又は水酸基であり、当該炭素数1〜10のアルキル基は、炭素−炭素結合間に「−O−」を有していてもよい。rは、1〜10の整数である。但し、R20は、構造単位内で同じでも異なっていてもよく、構造単位間で同じでも異なっていてもよい。rは構造単位間で同じでも異なっていてもよい。)
上記式(c−2)において、R20における炭素数1〜10のアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等が挙げられ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。また、炭素数1〜10のアルコキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等が挙げられる。rは、1〜5であることが好ましく、2〜4であることがより好ましい。
ポリオキシアルキレンの具体例としては、例えばポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等が挙げられる。また、それらの市販品としては、旭硝子(株)製のエクセノールシリーズ(1020、2020、3020、510等)などがある。
スチレンポリマーは、スチレンの単独重合により得ることができる。また、置換基導入型スチレン系ポリマーは、置換スチレンをモノマー組成に含む重合により得ることができる。当該置換スチレンの具体例としては、例えばα−メチルスチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、ヒドロキシスチレン、p−エチルスチレン等が挙げられる。
置換基導入型スチレン系ポリマーの具体例としては、例えばα−メチルスチレン重合体、スチレン/α−メチルスチレン共重合体、α−メチルスチレン/脂肪族系モノマー共重合体、スチレン/α−メチルスチレン/脂肪族系モノマー共重合体、ヒドロキシスチレン重合体、ヒドロキシスチレン/スチレン共重合体等が挙げられ、これらの中でも、スチレン/α−メチルスチレン共重合体、ヒドロキシスチレン重合体、ヒドロキシスチレン/スチレン共重合体等が好ましい。スチレンポリマー及び置換基導入型スチレン系ポリマーの市販品としては、三洋化成工業(株)製のハイマーSTシリーズ、ヤスハラケミカル(株)製のYSレジンSXシリーズ、三井化学(株)製のFTR(登録商標)シリーズ、丸善石油化学(株)製のマルカリンカーシリーズなどがある。
上記重合体(C)のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定したポリスチレン換算の重量平均分子量Mwは、12,000以下であり、基板に対する塗布性の改善効果をより高くできる点で、10,000以下であることが好ましく、8,000以下であることがより好ましく、5,000以下であることが更に好ましく、3,500以下であることが特に好ましい。また、塗布性の改善効果を好適に得るためには、Mwは1,000以上であることが好ましく、1,500以上であることがより好ましく、2,000以上であることが更に好ましい。
本発明の硬化性組成物中における上記重合体(C)の含有割合は、塗布性の改善効果を十分に得る観点において、当該硬化性組成物中に含まれる溶媒以外の成分(固形成分)の合計重量に対して、0.5重量%以上とすることが好ましく、2重量%以上とすることがより好ましく、3重量%以上とすることが更に好ましい。また、硬化性の低下を抑制する観点から、当該硬化性組成物中に含まれる溶媒以外の成分(固形成分)の合計重量に対して、20重量%以下とすることが好ましく、15重量%以下とすることがより好ましく、10重量%以下とすることが更に好ましい。
<その他の成分>
本発明の硬化性組成物は、本発明の目的や効果を損なわない範囲において、上記硬化成分及び重合体(C)以外のその他の成分を含有していてもよい。かかるその他の成分としては、例えば、分子内にエチレン性不飽和基及びチオール基のいずれかを1つのみ有する化合物(以下、「単官能化合物」ともいう。)、離型剤、界面活性剤、光開始剤、光酸発生剤、連鎖移動剤、粒子、分子内に少なくとも一つのエポキシ基を有する化合物(以下、「エポキシ化合物」ともいう。)、シランカップリング剤等を挙げることができる。
[単官能化合物]
上記単官能化合物は、硬化性組成物の粘度の調整等のために使用される。当該単官能化合物としては、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、n−ヘキシル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレート等のアルキル(メタ)アクリレート類;シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート等のシクロアルキル(メタ)アクリレート類;ベンジル(メタ)アクリレート等のアリール(メタ)アクリレート類;
2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシ(メタ)アクリレート、3−メトキシブチル(メタ)アクリレート、ブトキシエチル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、2−フェニルフェノキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、メトキシプロピレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシトリエチレングリコール(メタ)アクリレート、エトキシ化o−フェニルフェノール(メタ)アクリレート、イソボルニルオキシエチル(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート等のエーテル系(メタ)アクリレート類;
2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクイレート、エチルジエチレングリコール(メタ)アクリレート等のアルコール系(メタ)アクリレート類;2−(メタ)アクリロイルオキシエチルコハク酸、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタル酸、アクリル酸タイマー等のカルボン酸系(メタ)アクリレート類;アクリルアミド、(メタ)アクリロイルモルホリン、イソブトキシメチル(メタ)アクリルアミド、ビニルカプロラクタム、N−ビニル−2−ピロリドン等の窒素含有不飽和化合物;テトラブロモフェニル(メタ)アクリレート、ペンタクロロフェニル(メタ)アクリレート等のハロゲン化(メタ)アクリレート類;3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシランなどを挙げることができる。上記単官能化合物としては、上記のうちの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
本発明の硬化性組成物中における上記単官能化合物の含有割合は、硬化性低下を抑制する観点から、当該硬化性組成物中に含まれる固形成分の合計重量に対して、30重量%以上とすることが好ましく、2〜20重量%とすることがより好ましく、3〜15重量%とすることが更に好ましい。
[離型剤]
上記離型剤としては、従来公知の離型剤、例えばシリコーン系離型剤、ポリエチレンワックス、アミドワックス、テトラフルオロエチレンパウダー等の固形ワックス、フッ素系化合物、リン酸エステル系化合物等が挙げられる。中でも、離型性が高い点でフッ素系化合物を好ましく使用することができる。
本発明の硬化性組成物に含有されるフッ素系化合物は、低分子化合物であってもよく、オリゴマーやポリマーなどの重合体であってもよい。低分子のフッ素系化合物の具体例としては、例えばパーフルオロ−1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、トリ(メタ)アクリロイルヘプタデカフルオロノネニルペンタエリスリトール、オクタフルオロオクタン−1,6−ジ(メタ)アクリレート、オクタフルオロオクタンジオールと2−(メタ)アクリロイルオキシエチルイソシアネート、2−(メタ)アクリロイルオキシプロピルイソシアネート又は1,1−(ビスアクリロイルオキシメチル)エチルイソシアネートとの付加物等が挙げられる。ただし、膜表面(モールドとの接触面)への偏在化を好適に行わせる観点及び膜強度を高める観点からすると、フッ素原子を有する重合体(以下、「重合体(F)」ともいう。)を用いることが好ましい。
(重合体(F))
上記重合体(F)は、フッ素原子を有していればその余の構造は特に限定せず、例えば上記重合体(C)で例示した炭素骨格や、ポリオルガノシロキサン等を主鎖骨格とする重合体が挙げられる。中でも、硬化膜の防汚性を良好にできる点、膜表面への偏在化を起こしやすく且つモールドに用いられる異種材料との離形性を良好にできる点、更に、膜表面に偏在化しながらも反応性を有することにより表面に固定化できる点で、(i)エチレン性不飽和基を2個以上有し、かつフッ素原子を有する重合体(以下、「含フッ素重合体(F1)」ともいう。)、及び(ii)パーフルオロポリエーテル基、ポリジアルキルシロキサン基及び(メタ)アクリロイル基を有する重合体(以下、「含フッ素重合体(F2)」ともいう。)を好ましく使用することができる。
・含フッ素重合体(F1)
含フッ素重合体(F1)は、フッ素系オレフィンをモノマー組成に含む重合により得られる構造を主鎖骨格とし、かつエチレン性不飽和基を2個以上有するものであることが好ましく、具体的には、下記式(1−1)で表される構造単位(f1)、及び下記式(1−2)で表される構造単位(f2)を有する重合体であることが好ましい。また、上記含フッ素重合体(F1)は、溶剤に対する溶解性を改善することを目的として、上記構造単位(f1)及び構造単位(f2)と共に下記式(1−3)で表される構造単位(f3)を更に有していてもよい。
Figure 2015071741
(式(1−1)中、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のフルオロアルキル基、炭素数1〜6のアルキル基若しくは炭素数1〜6のフルオロアルキル基の炭素−炭素結合間にエーテル結合を有する基、又は−OR21(R21は、炭素数1〜6のアルキル基若しくは炭素数1〜6のフルオロアルキル基又は当該アルキル基若しくはフルオロアルキル基における炭素−炭素結合間にエーテル結合を有する基である。)である。)
Figure 2015071741
(式(1−2)中、R及びRは、それぞれ独立に水素原子又はメチル基であり、Lは、炭素数1〜10の2価の炭化水素基又は当該炭化水素基の炭素−炭素結合間にエステル結合、エーテル結合若しくはウレタン結合を有する2価の連結基である。mは0又は1である。)
Figure 2015071741
(式(1−3)中、Rは、水素原子又はメチル基であり、Rは、アルキル基、シクロアルキル基、−(CH)−OR(Rは、アルキル基又はグリシジル基であり、xは0又は1である。)、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、又は−OCOR(Rは、アルキル基又はグリシジル基)である。)
・構造単位(f1)
上記式(1−1)において、R及びR21における炭素数1〜6のアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基を挙げることができ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。また、炭素数1〜6のフルオロアルキル基としては、上記炭素数1〜6のアルキル基の少なくとも1つの水素原子がフッ素原子で置換された基を挙げることができ、具体的には、例えばトリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロシクロヘキシル基等が挙げられる。
構造単位(f1)は、含フッ素ビニル単量体をモノマー組成中に含ませることにより導入することができる。このような含フッ素ビニル単量体としては、例えばテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、3,3,3−トリフルオロプロピレン等のフルオロオレフィン類;アルキルパーフルオロビニルエーテル又はアルコキシアルキルパーフルオロビニルエーテル類;パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、パーフルオロ(ブチルビニルエーテル)、パーフルオロ(イソブチルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)類;パーフルオロ(プロポキシプロピルビニルエーテル)等のパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)類などが挙げられる。当該ビニル単量体としては、これらのうちの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
含フッ素重合体(F1)中における構造単位(f1)の含有割合は、含フッ素重合体(F1)中の構造単位(f1)〜(f3)の合計量を100モル%としたときに、10〜60モル%とすることが好ましい。当該含有割合を10モル未満とすると、硬化膜の離型性が劣る傾向にあり、70モル%を超えると、重合体の溶剤への溶解性や透明性、基板に対する密着性が低下する傾向にあるためである。また、構造単位(f1)の含有割合は、含フッ素重合体(F1)の全構造単位に対して、10〜60モル%とすることが好ましく、30〜55モル%とすることがより好ましい。
・構造単位(f2)
上記式(1−2)において、Lにおける2価の炭化水素基としては、例えば2価の脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基又は芳香族炭化水素基が挙げられる。2価の脂肪族炭化水素基としては、例えばメチレン基、エチレン基、プロパンジイル基、ブタンジイル基等のアルカンジイル基を;2価の脂環式炭化水素基としては、例えばシクロヘキシレン基、置換シクロヘキシレン基などを;2価の芳香族炭化水素基としては、例えばフェニレン基、置換フェニレン基などを;それぞれ挙げることができる。
上記構造単位(f2)を重合体中に導入する方法は特に限定せず、有機化学の定法を適宜組み合わせて行うことができる。その一例としては、まず、水酸基含有(メタ)アクリレートや水酸基含有ビニルエーテルをモノマー組成に含む重合により、水酸基及びフッ素原子を有する重合体(以下、「水酸基含有重合体」ともいう。)を合成し、次いで、得られた水酸基含有重合体と、水酸基と反応可能な基及び(メタ)アクリロイル基を有する化合物(以下、「反応性化合物(r2)」ともいう。)と、を反応させる方法が挙げられる。
上記水酸基含有(メタ)アクリレートとしては、例えば2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ジエチレングリコール(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレートなどが挙げられる。水酸基含有ビニルエーテルとしては、例えばヒドロキシエチルビニルエーテル、4−ヒドロキシブチルビニルエーテル、ジエチレングリコールビニルエーテルなどが挙げられる。
上記反応性化合物(r2)としては、分子内に、水酸基と反応し得る官能基及び(メタ)アクリロイル基をそれぞれ1つ以上ずつ有していれば、特に制限されるものではない。水酸基と反応し得る官能基としては、例えば酸無水物基、イソシアネート基、カルボキシル基、−C(=O)Cl等が挙げられる。このような化合物(r2)の具体例としては、例えば(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリロイルクロライド、無水(メタ)アクリル酸、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルイソシアネート、2−(メタ)アクリロイルオキシプロピルイソシアネート、1,1−(ビスアクリロイルオキシメチル)エチルイソシアネート等が挙げられる。
含フッ素重合体(F1)中における構造単位(f2)の含有割合は、含フッ素重合体(F1)中の構造単位(f1)〜(f3)の合計量を100モル%としたときに、10〜70モル%とすることが好ましい。当該含有割合を10モル未満とすると、溶剤への溶解性が十分でなく、70モル%を超えると、離型性が低下する傾向にあるためである。また、構造単位(f2)の含有割合は、含フッ素重合体(F1)の全構造単位に対して、15〜75モル%とすることが好ましく、20〜60モル%とすることがより好ましい。
・構造単位(f3)
上記式(1−3)において、R、R及びRのアルキル基としては、炭素数1〜12であることが好ましく、その具体例としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、ラウリル基等が挙げられ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。Rのシクロアルキル基としては、炭素数3〜12であることが好ましく、その具体例としては、例えばシクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。また、アルコキシカルボニル基としては、例えばメトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等が挙げられる。
上記構造単位(f3)は、上記R及びRを有するビニル単量体をモノマー組成中に含ませることにより導入することができる。このようなビニル単量体の具体例としては、例えばメチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、tert−ブチルビニルエーテル、n−ペンチルビニルエーテル、n−ヘキシルビニルエーテル、n−オクチルビニルエーテル、n−ドデシルビニルエーテル、2−エチルヘキシルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテル類;エチルアリルエーテル、ブチルアリルエーテル等のアリルエーテル類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル、カプロン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ステアリン酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル類;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート、2−(n−プロポキシ)エチル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル類;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等の不飽和カルボン酸類などを挙げることができる。なお、これらのビニル単量体は、上記のうちの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
含フッ素重合体(F1)中における構造単位(f3)の含有割合は、含フッ素重合体(F1)中の構造単位(f1)〜(f3)の合計量を100モル%としたときに、0〜80モル%とすることが好ましい。80モル%を超えると離型性が低下する傾向にあるためである。また、構造単位(f3)の含有割合は、含フッ素重合体(F1)の全構造単位に対して50モル%以下とすることが好ましく、30モル%以下とすることがより好ましい。
その他、上記含フッ素重合体(F1)は、本発明の効果を損なわない範囲で、例えばポリシロキサン構造を有する構造単位や、乳化作用を有するモノマーに由来する構造単位等を有していてもよい。
上記含フッ素重合体(F1)の1分子中におけるフッ素含有率は、離形性能を確保する観点から、15重量%以上であることが好ましく、25重量%以上であることがより好ましい。また、溶剤に対する溶解性の低下を抑える観点から、70重量%以下であることが好ましく、60重量%以下であることがより好ましい。
上記重合体(F1)のGPCにより測定したポリスチレン換算の重量平均分子量Mwは、重合体(F1)を膜表面に偏在化しやすくする観点において、5,000以上であることが好ましく、5,000〜300,000であることがより好ましく、10,000〜100,000であることが更に好ましい。重合体(F1)は、上記の中の1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
・含フッ素重合体(F2)
上記含フッ素重合体(F2)としては、パーフルオロポリエーテル基、ポリジアルキルシロキサン基及び(メタ)アクリロイル基を有する限り、その余の構造は特に限定しないが、下記式(2)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 2015071741
(式(2)中、R11は、それぞれ独立に炭素数1〜3のアルキル基であり、R12は、2価の炭化水素基であり、R13は、それぞれ独立に、単結合、メチレン基又はエチレン基であり、R14及びR15は、それぞれ独立にフッ化メチレン基又は炭素数2〜4のパーフルオロアルキレン基であり、R17は(メタ)アクリロイル基を有する基であり、R18は、ヘテロ原子を含んでいてもよい(p+1)価の有機基である。m1は、10〜100の整数であり、nは、5〜50の整数であり、pは1又は2である。)
上記式(2)におけるR11としては、メチル基、エチル基、プロピル基が挙げられ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。中でも、メチル基であることが好ましい。
12における2価の炭化水素基としては、例えば2価の脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基又は芳香族炭化水素基が挙げられる。なお、それぞれの具体例については、上記式(1−2)のLの説明を適用することができる。
14及びR15における炭素数2〜4のパーフルオロアルキレン基としては、パーフルオロエチレン基、パーフルオロプロピレン基、パーフルオロブチレン基が挙げられ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。R14及びR15として好ましくは、パーフルオロエチレン基、パーフルオロプロピレン基である。
17は、(メタ)アクリロイル基を有する基であり、好ましくは、2個以上の(メタ)アクリロイル基を有する基である。具体的には、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート又はトリペンタエリスリトールヘプタアクリレートから水酸基を除いた基などが挙げられる。
18は、ヘテロ原子を含んでいてもよい(p+1)価の有機基であり、好ましい具体例としては、例えばジイソシアネート化合物又はトリイソシアネート化合物のイソシアネート基を除いた基などが挙げられる。
m1は、10〜100の整数である。m1が10より小さいと、塗膜を形成した際に十分な耐擦傷性が得られないおそれがあり、100より大きいと、溶剤への溶解性が損なわれるおそれがある。好ましくは、m1は10〜80の整数である。
nは5〜50の整数である。nが5より小さいと、十分な防汚性能が得られないおそれがあり、50より大きいと、溶剤への溶解性が損なわれるおそれがある。好ましくは、nは、10〜30の整数である。
上記含フッ素重合体(F2)のGPCによるポリスチレン換算の重量平均分子量Mwは、通常2,500〜10,000の範囲内であり、2,500〜9,000であることが好ましい。なお、上記含フッ素重合体(F2)は、例えば特開2010−95695号公報に記載の方法に従って合成することができる。重合体(F2)は、上記の中の1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
上記重合体(F)としては、膜表面への偏在化を起こしやすく且つモールドに用いられる異種材料との離形性を良好にできる点において、含フッ素重合体(F1)を含むものとすることが好ましい。上記重合体(F)の配合割合(2種以上含む場合にはその合計量)は、組成物中に含まれる固形成分の合計100重量部に対して、10重量部以下とすることが好ましく、0.01〜3重量部とすることがより好ましく、0.03〜2.5重量部とすることが更に好ましく、0.05〜2重量部とすることが特に好ましい。
重合体(F)の1分子中におけるフッ素含有率は、離型性を良好にする観点から、15重量%以上であることが好ましく、30重量%以上であることがより好ましい。また、溶剤に対する溶解性の低下を抑制する観点から、70重量%以下であることが好ましく、60重量%以下であることがより好ましい。
[界面活性剤]
上記界面活性剤は、基板への塗布時における塗布不良(特に、スピンコートによる塗布時に発生する筋状の欠陥)を低減させるために使用することができる。かかる界面活性剤としては、例えばフッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤などを挙げることができる。
これらの具体例としては、フッ素系界面活性剤として、商品名で例えばエフトップEF301、303、352(以上、三菱マテリアル電子化成(株)製)、メガファックF171、172、173(以上、大日本インキ(株)製)、フロラードFC430、431(以上、住友スリーエム(株)製)、アサヒガードAG710、サーフロンS−382、SC−101、102、103、104、105、106(以上、旭硝子(株)製)、FTX−218((株)ネオス製)等を;シリコーン系界面活性剤として、商品名で例えばSH190、SH28PA、SH200−100cs、SH30PA、ST89PA、SH8400FLUID(以上、東レダウコーニングシリコーン(株)製)、オルガノシロキサンポリマーKP341(信越化学工業(株)製)等を;ノニオン系界面活性剤として、例えばポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールジラウレート、商品名でポリフローNo.57、同No.95(以上、共栄社化学(株)製)等を;それぞれ挙げることができる。
上記界面活性剤の含有割合は、組成物中に含まれる固形成分の合計重量に対して、0.01〜10重量%とすることが好ましく、0.05〜8重量%とすることがより好ましく、0.1〜6重量%とすることが更に好ましい。特に、200nm以下の薄膜を基板上に形成する場合には、基板上の異物や微細な凹凸により塗布欠陥が生じやすいが、界面活性剤の含有割合を上記範囲とすることにより、塗布欠陥を好適に抑制することができ好ましい。
[光開始剤]
本発明の硬化性組成物は、可視光線、紫外線、遠紫外線、電子線、X線等の放射線の照射により硬化成分の重合を開始可能な化合物として光開始剤を含んでいてもよい。光開始剤としては、光照射によってラジカルを発生可能なラジカル重合開始剤を好ましく使用することができる。
かかるラジカル重合開始剤としては、特に制限されるものではなく、従来公知の化合物を使用することができる。具体的には、例えばアセトフェノン、アセトフェノンベンジルケタール、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、キサントン、フルオレノン、べンズアルデヒド、フルオレン、アントラキノン、トリフェニルアミン、カルバゾール、3−メチルアセトフェノン、4−クロロベンゾフェノン、4,4’−ジメトキシベンゾフェノン、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンゾインプロピルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンジルジメチルケタール、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、チオキサントン、ジエチルチオキサントン、2−イソプロピルチオキサントン、2−クロロチオキサントン、2−メチル−1−[4−(メチルチオ)フェニル]−2−モルホリノ−プロパン−1−オン、ジフェニル(2,4,6−トリメトキシベンゾイル)ホスフィンオキサイド、ビス−(2,6−ジメトキシベンゾイル)−2,4,4−トリメチルペンチルフォスフィンオキシド2−ヒドロキシ−1−[4−[4−(2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオニル)ベンジル]フェニル]−2−メチルプロパン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタノン−1、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニルフォスフィンオキサイド、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)フェニルフォスフィンオキサイド、1,2−オクタンジオン,1−[4−(フェニルチオ)−,2−(O−ベンゾイルオキシム)]、エタノン,1−[9−エチル−6−(2−メチルベンゾイル)−9H−カルバゾール−3−イル]−,1−(O−アセチルオキシム)、4,4’−ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、4−(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、市販品として、商品名でNCI−831、NCI−930(以上、ADEKA製)等が挙げられる。ラジカル重合開始剤は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
光開始剤の含有割合は、硬化反応を速やかに行わせるとともに過剰量の添加に起因する硬化性の低下を抑制する観点から、硬化性組成物中に含まれる溶媒以外の成分(固形分)の合計重量に対して、0.1〜10重量%とすることが好ましく、0.5〜8重量%とすることがより好ましく、1〜7重量%とすることが更に好ましい。
[光酸発生剤]
上記光酸発生剤は、放射線の照射により酸を発生する化合物であり、硬化反応を促進させる目的で使用することができる。当該光酸発生剤としては、例えばスルホニウム塩やヨードニウム塩等のオニウム塩、有機ハロゲン化合物、ジスルホン類やジアゾメタンスルホン類等のスルホン化合物を挙げることができる。
光酸発生剤の市販品としては、商品名で、例えばUVI−6950、UVI−6970、UVI−6974、UVI−6990(以上、ユニオンカーバイド(株)製)、アデカオプトマーSP−150、同SP−170、同SP−172(以上、旭電化工業(株)製)、Irgacure261(チバスペシャルティケミカルズ社製)、CI−2481、CI−2624、CI−2639(以上、日本曹達(株)製)、CD−1010、CD−1012(以上、サートマー(株)製)、MPI−103、BBI−103(以上、みどり化学(株)製)、CPI−101A、CPI−110A、CPI−100P、CPI−200K(以上、サンアプロ(株)製)等を挙げることができる。
光酸発生剤の含有割合は、組成物中に含まれる固形成分100重量部に対して、好ましくは10重量部以下であり、より好ましくは5重量部以下である。10重量部を超えると、硬化性組成物の貯蔵安定性や、硬化物の耐久性及び光学特性が悪化する等の不具合が生じやすくなるためである。
[連鎖移動剤]
連鎖移動剤は、硬化性向上のために使用することができる。当該連鎖移動剤としては、例えば2−メルカプトベンゾチアゾール、2−メルカプトベンゾオキサゾール、2−メルカプトベンゾイミダゾール、2−メルカプト−5−メトキシベンゾチアゾール、3−メルカプトプロピオン酸、3−メルカプトプロピオン酸メチル等の単官能性チオール化合物などが挙げられる。連鎖移動剤の含有割合は、組成物中に含まれる固形成分100重量部に対して、好ましくは10重量部以下であり、より好ましくは5重量部以下である。
[粒子]
粒子は、硬化膜に反射防止膜としての機能を付与したり、あるいは硬化物の強度や帯電防止性を高めたりすることを目的として使用することができる。粒子としては、例えばシリカ、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、硫酸バリウム、タルク、モンモリロナイト等を主成分とする粒子などを挙げることができる。これらのうち、酸化物粒子を好ましく使用することができ、シリカ、アルミナ、酸化ジルコニウム又は酸化チタニウムを主成分とする粒子がより好ましい。
上記粒子の形状は、球状、棒状、板状、繊維状、不定形状のいずれであってもよく、またこれらは、中実状、中空状、多孔質状のいずれであってもよい。上記粒子の数平均粒径は、通常0.001〜10μm、好ましくは0.01〜5μmの範囲である。10μmを超えると、組成物中で粒子が沈降したり、塗膜の平滑性が低下したりすることがある。なお、粒子の数平均粒径はレーザー光回折法によって測定した値である。
上記粒子は、組成物中での分散性を向上させるため、あるいは組成物中に含まれる重合体成分と反応させるために表面処理が施されていてもよい。当該表面処理は、例えばアルコキシシラン化合物、テトラブトキシチタン、テトラブトキシジルコニウム、テトライソプロポキシアルミニウム、シランカップリング剤等によって行うことができる。
上記粒子の市販品の例としては、商品名で、例えばアドマファインSO−E1、SO−E2、SO−E3、SO−E4、SO−E5(以上、(株)アドマテックス製)、SS01、SS03、SS15、SS35(以上、大阪化成(株)製)、IPA−ST、MEK−ST、NBA−ST、XBA−ST、ST−UP、ST−20、ST−40(以上、日産化学工業(株)製)、アエロジル130、アエロジル300(以上、日本アエロジル(株)製)、SYLYSIA470(富士シリシア(株)製)、JX−1009SIV、JX1008SIV(以上、日揮触媒化成(株)製);
アルミナゾル−100、同200、同520(以上、日産化学工業(株)製)、DK−3CH、SRP−2、UPE−100(以上、第一稀元素化学工業(株)製)、ニードラール(多木化学(株)製)、ナノテック(シーアイ化成(株)製)等を挙げることができる。上記粒子は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
上記粒子の配合割合は、組成物中で粒子が沈降したり塗膜の平滑性が低下したりすることを防止するために、組成物中に含まれる固形分100重量部に対して、30重量部以下とすることが好ましく、20重量部以下とすることがより好ましい。
[エポキシ化合物]
上記エポキシ化合物は、硬化膜における基板表面との接着性向上を目的として使用することができる。このようなエポキシ化合物としては、例えばエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパンジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、N,N,N’,N’−テトラグリシジル−m−キシリレンジアミン、1,3−ビス(N,N−ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサン、N,N,N’,N’−テトラグリシジル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、N,N−ジグリシジル−ベンジルアミン、N,N−ジグリシジル−アミノメチルシクロヘキサン、N,N−ジグリシジル−シクロヘキシルアミン等を挙げることができる。
これらエポキシ化合物を硬化性組成物に添加する場合、その配合割合は、硬化性組成物中に含まれる固形分の合計100重量部に対して、40重量部以下とすることが好ましく、30重量部以下とすることがより好ましい。
[シランカップリング剤]
シランカップリング剤は、離型時にパターンの剥がれが生じることを抑制する目的で使用することができる。当該化合物としては従来公知のシランカップリング剤を使用することができ、例えば、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、トリス−(トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
これらシランカップリング剤を硬化性組成物に添加する場合、その配合割合は、硬化性組成物中に含まれる固形分の合計100重量部に対して、15重量部以下とすることが好ましく、10重量部以下とすることがより好ましい。
本発明の硬化性組成物に添加してもよいその他の成分としては、上記のほか、例えば光増感剤、重合禁止剤、重合開始助剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、老化防止剤、帯電防止剤、可塑剤、着色剤、光塩基性発生剤、塩基性化合物、流動調整剤、消泡剤、密着促進剤、分散剤等を挙げることができる。
<硬化性組成物の調製>
本発明の硬化性組成物は、上記硬化成分、重合体(C)及び必要に応じて任意に配合されるその他の成分が、好ましくは有機溶媒中に分散又は溶解してなる液状の組成物として調製される。
[溶剤]
本発明の硬化性組成物に使用される溶剤としては、例えば、γ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒;メタノール、エタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のアルコール類;プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、テトラヒドロフラン等のエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、2−ヘプタノン、シクロヘキサノン等のケトン類;酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等のエステル類;トルエン、キシレン等の炭化水素類;などを挙げることができる。これらは、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
本発明の硬化性組成物における固形分濃度(硬化性組成物の溶媒以外の成分の合計重量が硬化性組成物の全重量に占める割合)は、粘性、揮発性などを考慮して適宜に選択されるが、好ましくは2〜50重量%の範囲である。固形分濃度が2重量%未満である場合には、基板表面に塗布した塗膜の膜厚が過小となり、良好な硬化膜を得にくくなる。一方、固形分濃度が50重量%を超える場合には、塗膜の膜厚が過大となって良好な硬化膜を得にくく、また硬化性組成物の粘性が増大して塗布性に劣る傾向がある。より好ましくは、3〜40重量%の範囲であり、更に好ましくは、4〜30重量%の範囲である。
また、本発明の硬化性組成物は、これを80重量%の濃度まで濃縮した時の粘度(以下、「80%濃縮時粘度」ともいう。)が、好ましくは60mPa・s以上3,000mPa・s未満である。80%濃縮時粘度を60mPa・s以上とすることにより、塗布性をより良好にすることができ、3,000mPa・s未満とすることにより、インプリント時の充填性を良好にすることができる。より好ましくは、80〜2,000mPa・sであり、更に好ましくは100〜1,500mPa・sである。また、本発明の硬化性組成物における80%濃縮時粘度は、固形分濃度5重量%の時の値の100倍以上になることが好ましく、120倍以上2000倍以下になることがより好ましい。
上記硬化成分、重合体(C)及び必要に応じて配合されるその他の成分を混合することにより、本発明の硬化性組成物を調製することができる。当該組成物を調製する際の温度は、好ましくは10〜100℃であり、より好ましくは20〜80℃である。
本発明の硬化性組成物は、微細パターンを高い精度で形成可能な点で、各成分を混合した後にフィルターでろ過することが好ましい。使用するフィルターの孔径は、0.001〜0.3μmとすることが好ましく、0.001〜0.1μmとすることがより好ましく、0.002〜0.05μmとすることがさらに好ましい。フィルターの材質は特に限定しないが、好ましい具体例として、例えば高密度ポリエチレン(HDPE)や超高分子量ポリエチレン(UPE)などのポリエチレン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ化炭素樹脂、ナイロン6,6などのポリアミド系樹脂等が挙げられる。フィルターによるろ過の回数は、1回でもよいし2回以上であってもよい。さらに循環ろ過を行ってもよい。ろ過を2回以上行う場合、フィルターの孔径を同じとしてもよく異なる孔径としてもよい。
<硬化膜、積層体及びそれらの製造方法>
本発明の硬化性組成物は、特に、ナノインプリント技術におけるパターン被転写層の形成に好適であり、ナノインプリント材料として好ましく適用することができる。また、本発明の硬化膜は、上記のように調製された硬化性組成物により形成される。当該硬化膜及びこれを具備する積層体は、例えば以下の[1]〜[3];
[1]本発明の硬化性組成物を基板上に塗布して被転写層を形成する工程、
[2]上記被転写層にモールドを圧接する工程、及び
[3]上記モールドを圧接した後に上記被転写層に光照射する工程、を含む方法により製造することができる。以下、これらの各工程について、図1を用いて説明する。
(工程[1]:被転写層の形成)
まず、本発明の硬化性組成物を基板11の表面に塗布して、当該基板11上に被転写層12を形成する(図1(a))。ここで基板11としては、用途に応じて適宜選択することができるが、例えばアルミニウム、チタン−タングステン合金、アルミニウム−ケイ素合金、アルミニウム−銅−ケイ素合金、酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイヤ、GaAs等の半導体デバイス用基板、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド等のポリマー基板、ガラス基板などを挙げることができる。
基板11上に本発明の硬化性組成物を塗布する方法としては、例えばインクジェット法、ディップコート法、スピンコート法、スプレーコート法、エアーナイフコート法、スリットスキャン法、カーテンコート法、ワイヤーバーコード法、グラビアコート法などを挙げることができる。硬化性組成物の塗布に際しては、基板表面と塗膜との接着性を更に良好にするために、基板表面のうち塗膜を形成する面に、例えばUV−オゾン処理、プライマー処理、金属蒸着処理、プラズマアッシングなどの前処理を施しておいてもよい。なお、硬化性組成物を基板に塗布した後に、必要に応じて加熱処理を行ってもよい。形成される塗膜(被転写層12)の膜厚は、塗膜の用途によっても異なるが、例えば0.01〜5μmである。
(工程[2]:モールドの圧接)
次いで、基板上に塗布した被転写層12の表面にモールド13を圧接する(図1(b))。これにより、被転写層12の表面にモールド13の凹凸パターンが転写される。ここでモールドとしては、光透過性のものを用いることができ、具体的には、例えばガラス、石英、ポリメタクリレート、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、環状オレフィン系樹脂等により構成されたものが挙げられる。モールド13の凹凸パターンは、用途に応じて適宜設定することができ、例えばL/S形状、ホール形状、格子形状、ピラー形状、曲折形状等が挙げられる。モールド13における凹凸パターンの形成面には、被転写層12に対する剥離性を高めるために、シリコーン系やフッ素系などの離型剤によって表面処理が施されていてもよい。
モールド13を被転写層12に圧接させる際の圧力は、特に制限されないが、通常、0.1〜100MPaであり、0.1〜50MPaとすることが好ましく、0.1〜30MPaとすることがより好ましく、0.1〜20MPaとすることが更に好ましい。圧接時間は、通常、1〜600秒であり、1〜300秒とすることが好ましく、1〜180秒とすることがより好ましく、1〜120秒とすることが更に好ましい。モールド13の圧接の際には、被転写層12の表面及び内部において気泡が発生することを防止するために真空条件下で行うことが好ましい。
(工程[3]:光照射)
次いで、基板11上に形成された被転写層12に対して光照射する(図1(c))。光照射は、モールド13を被転写層12に圧接させた状態で行ってもよいし、被転写層12からモールド13を引き離した後に行ってもよいが、パターン形成の精度が高い点で、圧接させた状態で行うことが好ましい。照射する光は特に制限されず、例えば可視光線、紫外線、X線、γ線等の電磁波や、α線、β線、陽子線、中性子線等の粒子線、ArFエキシマレーザー(波長193nm)、KrFエキシマレーザー(波長248nm)等のレーザー光などを用いることができる。被転写層12に対する光照射は、被転写層12の表面の全面に行ってもよく、その一部領域に対して行ってもよい。また、光の照射量としては、好ましくは0.05〜5.0J/cmであり、より好ましくは0.1〜3J/cmである。光照射の際には、気泡の発生防止、酸素の混入に伴う反応性低下の防止のために真空条件下で行ってもよい。また、光照射は、通常、室温で行われるが、反応性を高める等を目的として加熱しながら行ってもよい。
また、硬化性組成物が熱硬化性を有する場合には、光照射による被転写層12の硬化後において、加熱硬化を更に行ってもよい。このときの加熱条件は特に限定しないが、例えば不活性雰囲気下又は減圧下において、40〜200℃で加熱する方法が挙げられる。
モールド13を被転写層12に圧接させた状態で光照射した場合には、光照射の後にモールド13を被転写層12から引き離すことにより、モールド13の凹凸パターンが転写された硬化膜を得ることができる(図1(d))。この硬化膜は、種々の用途に有効に適用することができ、例えば反射防止膜、防汚膜、撥水膜、帯電防止膜、犠牲膜などの各種機能を有する薄膜として使用することができる。また、本発明の硬化膜を具備する積層体は、例えば電子部品、光学部品又は包装容器の一部品等として使用することができる。
<パターン形成方法>
また、上記のようにして基板上に形成された硬化膜は、基板加工用のエッチングレジストとして有用であり、特に半導体発光素子用基板のエッチングレジストに好適である。当該硬化膜をエッチングレジストとする場合、更に以下の工程を経ることによって、基板11の表面に所望のパターンを形成することができる。
(工程[4]:エッチング工程)
上記工程[3]で得られた、パターンが形成された被転写層12を備える基板11に対し、次いで、被転写層12をマスクとしてエッチング処理を施す。基板11のエッチング方法は特に限定せず、例えばエッチング液を用いたウェットエッチング、エッチングガスを用いたドライエッチングにより行うことができる。ここで、エッチング液としては、基板に応じて適宜選択されるが、例えばフッ化水素、硝酸水溶液等を使用することができる。エッチングガスは、基板に応じて適宜選択されるが、例えばO、CO、CO等の酸素原子を含むガス、He、N、Ar等の不活性ガス、Cl、BCl等の塩素系ガス、H、NH、CF等を使用することができる。なお、エッチングガスとしては、これらの中の1種を単独で使用してもよく、2種以上を同時に又は異なるタイミングで使用してもよい。本発明の硬化性組成物は、特にドライエッチングに対する耐性が良好である。なお、基板11のエッチングを行う前に、被転写層12の凹部における残膜を除去する処理(アッシング)を行ってもよい。アッシングの方法は特に限定しないが、例えば酸素プラズマなどの反応ガスのプラズマにより行うことができる。
その後、基板11上に残ったレジスト被膜(被転写層12)を除去することにより、表面に所望のパターンが形成された基板11を得ることができる(図1(f))。レジスト被膜の除去は、例えば上記アッシング工程と同様の方法により行うことができる。こうして得られた基板11は、特にLEDなどの半導体発光素子の光取り出し効率の向上に有効である。
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
以下の実施例及び比較例において、重合体の重量平均分子量(Mw)は以下の方法により測定した。
[重合体の重量平均分子量(Mw)]
東ソー(株)製のGPCカラム(G2000HXL2本、G3000HXL1本、G4000HXL1本)を用い、流量1.0ミリリットル/分、溶剤:テトラヒドロフラン、カラム温度40℃の分析条件で、単分散ポリスチレンを標準とするゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。
<重合体の合成>
<重合体(F)の合成>
[合成例1:重合体(F−1)の合成]
内容積1.0リットルの電磁撹拌機付きステンレス製オートクレーブを窒素ガスで十分置換した後、酢酸エチル600g、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)138.5g、エチルビニルエーテル37.5g、ヒドロキシエチルビニルエーテル45.8g、過酸化ラウロイル1.5g、アゾ基含有ポリジメチルシロキサン(商品名「VPS1001」、和光純薬工業(株)製)9.0g、及びノニオン性反応性乳化剤(商品名「ER−30」、旭電化工業(株)製)45gを仕込み、ドライアイス−メタノールで−50℃まで冷却した後、再度窒素ガスで系内の酸素を除去した。
次いで、ヘキサフルオロプロピレン93.8gを仕込み、昇温を開始した。オートクレーブ内の温度が55℃に達した時点での圧力は4.1×10Paを示した。その後、70℃で20時間撹拌下に反応を継続し、圧力が2.0×10Paに低下した時点でオートクレーブを水冷し、反応を停止させた。室温に達した後、未反応モノマーを放出してオートクレーブを開放し、固形分濃度30.0%のポリマー溶液を得た。得られたポリマー溶液をメタノールに投入しポリマーを析出させた後、メタノールにて洗浄し、50℃にて真空乾燥を行い250gの水酸基含有含フッ素重合体を得た。
電磁撹拌機、ガラス製冷却管及び温度計を備えた容量1リットルのセパラブルフラスコに、上記で得られた水酸基含有含フッ素重合体を50.0g、重合禁止剤として2,6−ジ−t−ブチルメチルフェノール0.01g及びメチルイソブチルケトン(MIBK)359gを仕込み、20℃で水酸基含有含フッ素重合体がMIBKに溶解して、溶液が透明、均一になるまで撹拌を行った。
次いで、この系に、2−メタクリロイルオキシエチルイソシアネート13.4gを添加し、溶液が均一になるまで攪拌した後、ジブチルチンジラウレート0.1gを添加して反応を開始し、系の温度を55〜65℃に保持して5時間撹拌を継続することにより、エチレン性不飽和基含有含フッ素重合体(以下、「重合体(F−1)」ともいう。)のMIBK溶液を得た。この溶液をアルミ皿に2g秤量後、150℃のホットプレート上で5分間乾燥、秤量して固形分含量を求めたところ、15.0重量%であった。また、得られた重合体(F−1)の重量平均分子量Mwは56,000であった。
[合成例2:重合体(F−2)の合成]
内容積1.0リットルの電磁撹拌機付きステンレス製オートクレーブを窒素ガスで十分置換した後、酢酸エチル600g、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)134.8g、ヒドロキシエチルビニルエーテル89.2g、過酸化ラウロイル1.5g及びノニオン性反応性乳化剤(商品名「ER−30」、旭電化工業(株)製)45gを仕込み、ドライアイス−メタノールで−50℃まで冷却した後、再度窒素ガスで系内の酸素を除去した。
次いで、ヘキサフルオロプロピレン91.2gを仕込み、昇温を開始した。オートクレーブ内の温度が55℃に達した時点での圧力は4.1×10Paを示した。その後、70℃で20時間撹拌下に反応を継続し、圧力が2.0×10Paに低下した時点でオートクレーブを水冷し、反応を停止させた。室温に達した後、未反応モノマーを放出してオートクレーブを開放し、固形分濃度30.0%のポリマー溶液を得た。得られたポリマー溶液をメタノールに投入しポリマーを析出させた後、メタノールにて洗浄し、50℃にて真空乾燥を行い、250gの水酸基含有含フッ素重合体を得た。
電磁撹拌機、ガラス製冷却管及び温度計を備えた容量1リットルのセパラブルフラスコに、上記で得られた水酸基含有含フッ素重合体を50.0g、重合禁止剤として2,6−ジ−t−ブチルメチルフェノール0.01g及びメチルイソブチルケトン(MIBK)320gを仕込み、20℃で水酸基含有含フッ素重合体がMIBKに溶解して、溶液が透明、均一になるまで撹拌を行った。
次いで、この系に、2−メタクリロイルオキシエチルイソシアネート6.5gを添加し、溶液が均一になるまで攪拌した後、ジノルマルオクチルスズラウレート0.1gを添加して反応を開始し、系の温度を55〜65℃に保持して5時間撹拌を継続することにより、エチレン性不飽和基含有含フッ素重合体(以下、重合体(F−2)ともいう。)のMIBK溶液を得た。この溶液をアルミ皿に2g秤量後、150℃のホットプレート上で5分間乾燥、秤量して固形分含量を求めたところ、15.0重量%であった。得られた重合体(F−2)の重量平均分子量Mwは30,000であった。
[合成例3]
撹拌機、還流管及び乾燥空気導入管を備えた反応容器に、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール(吉富ファインケミカル社製、ヨシノックスBHT)(0.024g、0.1mmol)、ポリジメチルシロキサンモノオール(チッソ(株)製、サイラプレーンFM0411)(23.80g)、2,4−トリレンジイソシアナート(三井化学ポリウレタン社製、TOLDY−100)(4.14g、23.8mmol)及びメチルイソブチルケトン(三井化学(株)製)(27.94g)を加え、水浴にて冷却した。10℃±5℃にてジラウリル酸ジブチル錫(共同薬品社製、CASTIN−D)(0.080g、0.1mmol)を添加した後、室温にて1.5〜2.0時間撹拌した。次いで、反応混合物を水浴にて冷却し、ここに、メチルイソブチルケトン(35.70g)、パーフルオロポリエーテルジオール(ソルベイソレクシス製、Fluorolink D10H)(35.70g)を添加した後、60℃まで昇温し、同温度で2時間加熱する。反応混合物を水浴にて冷却し、ここに、メチルイソブチルケトンで固形分濃度50重量%に希釈したトリイソシアナ−ト(住化バイエルウレタン(株)製、スミジュールN3300)(12.01g、23.8mmol)を添加し、室温で2時間攪拌した。次いで、反応混合物を水浴にて冷却し、ここに、メチルイソブチルケトンで固形分濃度50重量%に希釈したペンタエリスリトールトリアクリレート(新中村化学(株)製)(24.35g)を添加し、60℃に昇温し、同温度で4時間加熱を行い、上記式(2)で表される構造を有する重合体(F−3)のメチルイソブチルケトン溶液を得た(200g)。
<中空シリカ粒子の調製>
中空シリカ粒子(商品名「JX−1009SIV」、屈折率1.29、メチルイソブチルケトンゾル、日揮触媒化成株式会社製)90.9重量部(固形分濃度;20重量部)、トリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン(GE東芝シリコーン(株)製)1重量部、イソプロパノール0.1重量部、及びイオン交換水0.05重量部の混合液を、80℃で3時間撹拌後、オルトギ酸メチルエステル0.7重量部を添加し、更に1時間、同一温度で加熱撹拌することにより、無色透明の粒子分散液(R−1)を得た。粒子分散液(R−1)をアルミ皿に2g秤量後、120℃のホットプレート上で1時間乾燥、秤量して固形分含量を求めたところ、22.5重量%であった。
<反応性シリカゾルの調製>
攪拌機付きの容器内のγ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン7.8重量部及びジブチル錫ジラウレート0.2重量部からなる溶液に対し、イソホロンジイソシアネート20.6重量部を、乾燥空気中、50℃、1時間の条件で滴下した後、60℃、3時間の条件で更に撹拌した。これに、ペンタエリスリトールトリアクリレート71.4重量部を、30℃、1時間の条件で滴下した後、60℃、3時間の条件で更に撹拌し、反応液とした。この反応液中の生成物(反応性表面処理剤)における残存イソシアネート量をFT−IRで測定したところ、0.1重量%以下であり、各反応がほぼ定量的に行われたことを確認した。また、分子内に、チオウレタン結合、ウレタン結合、アルコキシシリル基及び重合性不飽和基を有することを確認した。
次いで、攪拌機付きの容器内に、上記で合成した反応性表面処理剤8.7重量部、メチルエチルケトンシリカゾル(日産化学工業(株)製 商品名:MEK−ST、数平均粒子径0 .022μm、シリカ濃度30%)91.3重量部、イオン交換水0.1重量部の混合液を、60℃で3時間撹拌後、オルト蟻酸メチルエステル1.4部を添加し、更に1時間、同一温度で加熱撹拌することで、反応性粒子のメチルエチルケトン分散液(R−3)を得た。さらに、この分散液(R−3)をエバポレーターにてメタノールに溶剤置換した。このメタノール分散液をアルミ皿に2g秤量後、175℃のホットプレート上で1時間乾燥、秤量して固形分含量を求めたところ、35重量%であった。また、この分散液を磁性るつぼに2g秤量後、80℃のホットプレート上で30分予備乾燥し、750℃のマッフル炉中で1時間焼成した後の無機残渣より固形分中の無機含量を求めたところ、76重量%であった。
[実施例1]
<硬化性組成物の調製>
紫外線を遮蔽した容器中において、多官能不飽和化合物(A)としてエトキシ化ビスフェノール(A)ジアクリレート(新中村化学(株)製、NKエステル ABE−300)を85重量部、多官能チオール化合物(B)として1,4−ビス(3−メルカプトブチリルオキシ)ブタン(昭和電工(株)製、KarenzMT−BD1)を5重量部、重合体(C)としてポリアクリル酸2−エチルヘキシル(Mw=10,000)を5重量部、レベリング剤としてシリコーン系界面活性剤(東レダウコーニングシリコーン(株)製、SH−190)を2重量部、離型剤として合成例1で得られた重合体(F−1)を1重量部、光開始剤として2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン(BASF製、Irgacure651)を3重量部、溶剤としてプロピレングリコールメチルエーテル1900重量部を室温で撹拌し、固形分濃度5重量%の溶液とした。
<硬化膜の作製及び評価>
上記調製した硬化性組成物について、下記に示す各種評価を行った。
(1)ストリエーション
得られた硬化性組成物を孔径20nmのUPE製フィルターでろ過し、シリコンウェハー上にスピンコーターにて膜厚約100nmとなるように塗布し、中心から円周方向に向かう筋状の欠陥を目視にて観察した。評価は、筋状の欠陥がなければストリエーション「良好(○)」、欠陥が部分的にあった場合にはストリエーション「可(△)」、欠陥が全面にあった場合にはストリエーション「不良(×)」とした。その結果、実施例1の硬化性組成物では筋状の欠陥が見られず、良好の評価であった。
(2)塗布性
得られた硬化性組成物を孔径20nmのUPE製フィルターでろ過し、ヘキサメチルジシラザンにより疎水化処理したシリコンウェハー上にスピンコーターにて膜厚約100nmとなるように塗布した。この基板をマスクアライナーにて全面露光(1J/cm、波長350nm)して硬化させた後に、光学顕微鏡(観察倍率1,000倍)にて円形欠陥(ハジキ)の有無を評価した。評価は、円形欠陥が観察されなかった場合を塗布性「良好(○)」、円形欠陥がわずかに観察された場合を塗布性「可(△)」、円形欠陥が明確に観察された場合を塗布性「不良(×)」とした。その結果、実施例1の硬化性組成物は、塗布性が良好であった。
(3)硬化性
塗布性評価と同様にして作成した硬化膜を有する基板を再びスピンコーターにセットし、1,000rpmにて回転させながらアセトン10mLを30秒間かけて硬化膜上に滴下した。硬化膜を乾燥して膜厚を測定した。アセトン滴下前の膜厚の10%以上が残存している場合を硬化性「良好(○)」、5%以上10%未満であった場合を硬化性「可(△)」、5%未満であった場合を硬化性「不良(×)」とした。その結果、実施例1の硬化性組成物は、硬化性が良好であった。
(4)残膜特性
4インチのシリコンウェハー上に、約100nmの膜厚になるように、上記で調製した硬化性組成物をスピンコートにより塗布した。次いで、直径0.4μm、高さ0.4μmのホール形状をピッチ1μmの間隔で有する石英製モールド(5×5cm)を用い、エンジニアリングシステム(株)製EUN−4200(光源UV−LED;露光波長365nm)によりインプリントした。荷重は400N、露光量は1J/cmとした。離型した後に基板を切断し、断面をSEMにより観察した。モールドの凸部によって排除された部分に相当する硬化物膜厚が15nm未満であれば残膜特性「良好(○)」、15nm以上30nm未満であれば残膜特性「可(△)」、30nm以上であれば残膜特性「不良(×)」とした。その結果、上記実施例1の硬化性組成物では、残膜特性が良好であった。
(5)応力緩和特性
残膜特性の評価と同様にしてインプリントし、垂直に離型させて作製した基板をSEMにより評価した。10,000倍の倍率で200視野を観察し、パターンが破壊された部分がなければ応力緩和特性「良好(○)」、パターンが破壊された部分があれば応力緩和特性「不良(×)」とした。その結果、上記実施例1の硬化性組成物では、応力緩和特性が良好であった。
(6)離型性
残膜特性の評価と同様にしてインプリントし、垂直に離型させて作製した基板をSEMにより評価した。10,000倍の倍率で200視野を観察し、パターンの無い部分(モールド側に取られた部分)がなければ離型性「良好(○)」、パターンが無い部分があり、かつその割合が、パターンの凸部の全部に対して1%未満であれば離型性「可(△)」、パターンが無い部分があり、かつその割合が、パターンの凸部の全部に対して1%以上であれば離型性「不良(×)」とした。その結果、上記実施例の硬化性組成物では、離型性が良好であった。
(7)ドライエッチング耐性
塗布性の評価と同様にして作製した硬化膜を神港精機(株)製プラズマ表面処理装置E1113−C23型を用い、CFガス流速90mL/min、酸素ガス流速10mL/min、出力200W、圧力20Paにて20秒間処理し、処理前の膜厚と処理後の膜厚からエッチングレートを算出した。エッチングレートが250nm/min未満であった場合をドライエッチング耐性「良好(○)」、250nm/min以上300nm/min未満であった場合をドライエッチング耐性「可(△)」、300nm/min以上であった場合をドライエッチング耐性「不良(×)」とした。その結果、上記実施例1の硬化性組成物では、ドライエッチング耐性が良好であった。
[実施例2〜18、比較例1〜4]
配合する化合物の種類及び量を下記表1のとおり変更した以外は上記実施例1と同様の操作を行い、固形分濃度5重量%の硬化性組成物(S−2)〜(S−18)、(SA−1)〜(SA−4)を調製した。また、調製した硬化性組成物を用いて、上記実施例1と同様にして各種評価を行った。その結果を下記表9及び表10に示す。
Figure 2015071741
表1中、括弧内の数値は、硬化性組成物の調製に使用した溶剤以外の各成分の配合割合[重量部]である。2種類の溶剤を使用した実施例6,7,8では、2種類の溶剤の配合比を50/50(重量比)とした。また、表1中、化合物の略称は、以下の表2〜表8に示す通りである。表2及び表3中の「官能基数」は、各化合物における1分子あたりのエチレン性不飽和基の数を示す。
Figure 2015071741
Figure 2015071741
Figure 2015071741
Figure 2015071741
Figure 2015071741
Figure 2015071741
Figure 2015071741
Figure 2015071741
Figure 2015071741
表9及び表10に示すように、実施例1〜18の硬化性組成物は、基板に対する塗布性が良好又は可であり、また硬化性も良好又は可であった。このことから、実施例1〜18の硬化性組成物は、塗布性と硬化性を兼ね備えていることが分かった。これに対し、比較例1〜4の硬化性組成物は、塗布性及び硬化性の少なくともいずれかが不良であった。
[実施例19〜22]
<硬化性組成物の調製>
配合する化合物の種類及び量、並びに硬化性組成物の固形分濃度を下記表11のとおり変更した以外は上記実施例1と同様の操作を行い、硬化性組成物(S−19)〜(S−22)を調製した。
Figure 2015071741
表11中、括弧内の数値は、硬化性組成物の調製に使用した溶剤以外の各成分の配合割合[重量部]である。表11中の化合物の略称は、上記表2〜表8及び下記に示す通りである。
<光開始剤>
G−12;4,4’−ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン
G−13;4−(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン
<単官能化合物>
DA−10;3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン
DA−11;3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン
なお、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン及び3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシランはシランカップリング剤にも該当する。
<硬化膜の作製及び評価>
(1a)ストリエーション
実施例19及び実施例20については、孔径0.1μmのフィルターで硬化性組成物をろ過した点及び塗布時の膜厚を約1μmにした点以外は上記実施例1と同様にしてストリエーションの評価を行った。また、実施例21及び実施例22については、孔径0.2μmのフィルターで硬化性組成物をろ過した点及び膜厚を約2μmにした点以外は上記実施例1と同様にしてストリエーションの評価を行った。その結果、実施例19〜22では筋状の欠陥がいずれについても観察されず、良好(○)の評価であった。
(2a)塗布性
実施例19〜22のそれぞれについて、フィルターの孔径及び膜厚の条件を上記(1a)のストリエーション評価と同様に変更した以外は上記実施例1と同様にして硬化性組成物の塗布性を評価した。その結果、実施例19〜22はいずれも塗布性「良好(○)」であった。
(3a)硬化性
実施例19〜22のそれぞれについて、フィルターの孔径及び膜厚の条件を上記(1a)のストリエーション評価と同様に変更した以外は上記実施例1と同様にして硬化性組成物の硬化性を評価した。その結果、実施例19〜22のいずれも塗布性「良好(○)」であった。
(4a)残膜特性
・実施例19及び実施例20
4インチのシリコンウェハー上に、約1μmの膜厚になるように、上記で調製した硬化性組成物をスピンコートにより塗布した。次いで、直径1.9μm、高さ1.9μmのホール形状をピッチ3μmの間隔で有する石英製モールド(5×5cm)を用い、上記実施例1と同様の条件でインプリントした。離型した後に基板を切断し、断面をSEMにより観察した。モールドの凸部によって排除された部分に相当する硬化物膜厚が100nm未満であれば残膜特性「良好(○)」、100nm以上200nm未満であれば残膜特性「可(△)」、200nm以上であれば残膜特性「不良(×)」とした。その結果、実施例19及び実施例20の硬化性組成物では、残膜特性は共に良好(○)であった。
・実施例21及び実施例22
4インチのシリコンウェハー上に、約2μmの膜厚になるように、上記で調製した硬化性組成物をスピンコートにより塗布した。次いで、直径3.5μm、高さ3.5μmのホール形状をピッチ5μmの間隔で有する石英製モールド(5×5cm)を用い、上記実施例1と同様の条件でインプリントした。離型した後に基板を切断し、断面をSEMにより観察した。モールドの凸部によって排除された部分に相当する硬化物膜厚が200nm未満であれば残膜特性「良好(○)」、200nm以上500nm未満であれば残膜特性「可(△)」、500nm以上であれば残膜特性「不良(×)」とした。その結果、上記実施例21及び実施例22の硬化性組成物では、残膜特性は共に良好(○)であった。
(5a)応力緩和特性
実施例19〜22のそれぞれについて、上記(4a)の残膜特性の評価と同様にしてインプリントし、垂直に離型させて作製した基板をSEMにより評価した。評価は、実施例19及び実施例20については5,000倍の倍率で200視野を観察し、実施例21及び実施例22については3,000倍の倍率で200視野を観察することにより行った。その結果、実施例19〜22のいずれについても、パターンが破壊された部分は観察されず、応力緩和特性は良好(○)であった。
(6a)離型性
実施例19〜22のそれぞれについて、上記(4a)の残膜特性の評価と同様にしてインプリントし、垂直に離型させて作製した基板をSEMにより観察した。観察倍率は上記(5a)の応力緩和特性と同じとした。上記実施例1と同様にして離型性を評価した結果、実施例19〜22のいずれも、離型性「良好(○)」の評価であった。
(7a)ドライエッチング耐性
実施例19〜22のそれぞれについて、上記(1a)の塗布性の評価と同様にして作製した硬化膜を用いて、上記実施例1と同様にしてドライエッチング耐性を評価した。その結果、実施例19〜22のいずれについてもドライエッチング耐性は良好(○)の結果であった。
11…基板、12…被転写層、13…モールド

Claims (9)

  1. 硬化成分として2個以上のエチレン性不飽和基を有する多官能不飽和化合物(A)及び2個以上のチオール基を有する多官能チオール化合物(B)を含むとともに、重量平均分子量が12,000以下であって、かつフッ素原子を実質的に有さない重合体(C)を含む、硬化性組成物。
  2. 前記多官能不飽和化合物(A)が多官能(メタ)アクリレート化合物である、請求項1に記載の硬化性組成物。
  3. フッ素原子を有する重合体(F)を更に含む、請求項1又は2に記載の硬化性組成物。
  4. 硬化成分として2個以上のエチレン性不飽和基を有する多官能不飽和化合物(A)及び2個以上のチオール基を有する多官能チオール化合物(B)を含むとともに、重量平均分子量が12,000以下であって、かつフッ素原子を実質的に有さない重合体(C)を含む、ナノインプリント材料。
  5. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の硬化性組成物を用いて形成された硬化膜。
  6. 基板上に、請求項5の硬化膜を具備する積層体。
  7. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の硬化性組成物を基板上に塗布して被転写層を形成する工程と、
    前記被転写層にモールドを圧接する工程と、
    前記モールドを圧接した後に前記被転写層に光照射する工程と、
    を含む硬化膜の製造方法。
  8. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の硬化性組成物を基板上に塗布して被転写層を形成する工程と、
    前記被転写層にモールドを圧接する工程と、
    前記モールドを圧接した後に前記被転写層に光照射する工程と、
    該光照射の後に前記モールドを前記被転写層から引き離し、次いで前記被転写層をマスクとして前記基板をエッチングする工程と、を含むパターン形成方法。
  9. 請求項8に記載の方法により形成されたパターンを有する半導体発光素子用基板。
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