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技術 中立層ポリマー、その製造の方法、およびそれを含む物品

出願人 ロームアンドハースエレクトロニックマテリアルズエルエルシーダウグローバルテクノロジーズエルエルシー
発明者 ラフル・シャーマフィリップ・ディー・フスタッドピーター・トレフォナス・サードデヤン・ワンミンキ・リージェチアン・ジェイ・ジャン
出願日 2019年6月25日 (1年6ヶ月経過) 出願番号 2019-117807
公開日 2019年10月17日 (1年2ヶ月経過) 公開番号 2019-178339
状態 未査定
技術分野 高分子組成物
主要キーワード 中立層 側面パターン 全表面エネルギー ホール形態 分配体 平行層 自己組織化プロセス 幾何学的形
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年10月17日)のものです。
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図面 (11)

課題

20ナノメートル未満周期的な構造でミクロドメイン(例えばラメラまたは円筒)の形態を示す樹脂組成物の提供。

解決手段

互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されない追加コポリマーと、溶媒を含む組成物

概要

背景

ブロックコポリマーはシステム自由エネルギーを減少させるために自己集合したナノ構造を形成する。ナノ構造とは100ナノメートル未満の最大の平均の幅または厚みを有するものである。自己集合は自由エネルギーの減少の結果として周期的な構造を生産する。周期的な構造はミクロドメイン(例えばラメラまたは円筒)の形態であり得る。これらの構造があるので、ブロックコポリマーの薄フィルムナノメートルスケールで空間的な化学造影を提供し、したがってそれらは周期的なナノスケール構造の生成の代替低コストナノパターニング原材料として使用されてきた。これらのブロックコポリマーフィルムはナノメートルスケールで造影を提供することができるが、しかしながら20ナノメートル未満で周期性提示することができるコポリマーフィルムを生産するのは多くの場合非常に難しい。しかしながら現代電子デバイスは20ナノメートル未満の周期性を有する構造を多くの場合利用し、したがって20ナノメートル未満の最大の平均の幅または厚みを有する構造を容易に提示し、一方で20ナノメートル未満の周期性を同時に提示することができるコポリマーを生産することが所望される。

20ナノメートル未満の最大の平均の幅または厚みを有し、一方で20ナノメートル未満の周期性を同時に提示するコポリマーを開発する、多くの試みが行われてきた。以下の考察は、これを遂行するために行われた試みのうちのいくつかを詳しく述べる。

図1(A)および1(B)は、基板上に配置されるラメラ形成ブロックコポリマーの実例を図示する。ブロックコポリマーは、互いへ反応的に結合され、互いと非混和性ブロックAおよびブロックBを含む。ラメラは、ミクロドメインを、配置される基板の表面に対して平行(図1(A))または垂直(図1(B))であるようにアライメントさせることができる。ブロックAおよび/またはブロックBの基板の表面についての親和性は、基板表面上の形態を決定する。同様に、ブロックAおよび/またはブロックBの空気についての親和性は、空気−ブロックコポリマー境界面での形態を決定する。空気−ブロックコポリマー境界面は自由表面と称される。ラメラは、ミクロドメインを、基板に対して平行および垂直の両方であるようにもアライメントさせることができる(図1(C))。図1(C)において、ブロックAのラメラは、基板表面に平行な平面に対して垂直であり、一方空気に接触する上部表面で基板に対して平行である。

垂直に配向したラメラは、ナノスケールラインパターンを提供し、一方平行に配向したラメラによって生成されるナノスケール表面パターンはない。ラメラが基板の面に対して平行に形成される場合には、1つのラメラ相は基板の表面(基板のx−y面中の)で第1の層を形成し、別のラメラ相は第1の層上で重層された平行層を形成し、その結果垂直の(z)軸に沿ってフィルムを観察する場合ミクロドメインの側面パターンが形成されず、側面の化学造影が形成されない。ラメラが表面に対して垂直に形成される場合、垂直に配向したラメラはナノスケールラインパターンを提供する。したがって、有用なパターンを形成するために、ブロックコポリマー薄フィルム中での自己集合したミクロドメインの配向の制御が所望される。

図1(C)を参照して、垂直なラメラを空気境界面へ曝露するために、最上部の層(Bブロックの層であるとして同定される)をエッチングして、AミクロドメインおよびBミクロドメインの両方を自由表面へ曝露する。自由表面でAブロックおよびBブロックの両方のミクロドメインが存在すること(両方が基板に対して垂直で)により、ナノパターニングのために使用することができるナノスケールラインパターン(すなわち半導体の開発のためのテンプレートおよびレジスト(例えばフォトレジスト)の開発)が提供される。簡潔には、自由表面の相互作用不均衡な場合、スキン層最低表面エネルギーを備えたブロックから形成される。

外部の配向因子は、ブロックコポリマーのミクロドメインの配向を容易にするために多くの場合使用される。外部の配向制御なしでは、ブロックコポリマーの薄フィルムは所望されない形態を備えたランダムに配向したナノ構造へと自己組織される傾向があり、それはフィーチャランダム性であるのでナノパターニングのためにほとんど役に立たない。ブロックコポリマーのミクロドメインの配向は、外部の配向バイアス方法による自己組織化プロセスガイドによって得ることができる。このバイアス方法の実例には、ブロックコポリマーが配置される表面修飾層の使用によって、またはコポリマーへの界面活性剤の添加によって、機械流れ場電場温度勾配を使用することが含まれる。ガイドされた自己集合のこれらの特定の形態のために一般的に使用されるコポリマーは、ポリスチレンポリメチルメタクリレートブロックコポリマーまたはポリスチレン−ポリ(2−ビニルピリジンブロックコポリマーである。

図2は、ブロックコポリマーが配置される表面修飾層を使用して、制御されたミクロドメインのサイズ、周期性および配向を有するフィルムを生産する1つの方法を詳述する。図2中で図示される方法は、P.Mansky,Y.Liu,E.Huang,T.P.Russell,C.Hawker,Science 275(1997),1458によって以前に詳述されている。図1でのように、図2のブロックコポリマーはブロックAおよびブロックBを含む。図2中の基板は表面に貼付した表面修飾層によりコートされる。表面修飾層は架橋によって形成されるか、または基板の表面へ反応的に結合される(共有結合イオン結合、または水素結合される)。任意の追加の過剰な材料は結合の前または結合の間に除去される。次いでブロックコポリマーを基板の表面修飾層上にコートする

界面活性剤も自由表面の相互作用を制御するのに使用できる外部の配向因子であり得る。ポリスチレンおよびポリメチルメタクリレートを含むブロックコポリマーをキャストする場合、オレイン酸が界面活性剤として使用されてきた。コポリマーが非中立基板上にキャストされた場合、垂直な形態が厚みの範囲にわたり存続することが見出されている。基板上にキャストされた後に、ブロックコポリマーは熱により任意でアニールされ(オプション溶媒の存在下において)、それは非混和性ポリマーブロックのAおよびBの相分離を可能にする。次いで、アニールされたフィルムは、好適な方法(溶媒/現像液中での浸漬等)または反応性イオンエッチング(それは1つのポリマーブロック優先的に除去するが他のものは除去せずに、コポリマー中のブロックのうちの1つのポジショニング相応したパターンを現わす)によってさらに現像することができる。

これらの特定の外部の配向方法はブロックコポリマーを生産するが、それらのうちのいくつかは高価であり(例えば反応性イオンエッチング)、一方で他のもの(例えば界面活性剤の使用)は残留物が残るのでそれらの使用は実際的でない。

概要

20ナノメートル未満の周期的な構造でミクロドメイン(例えばラメラまたは円筒)の形態を示す樹脂組成物の提供。互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されない追加コポリマーと、溶媒を含む組成物。なし

目的

これらのブロックコポリマーフィルムはナノメートルスケールで造影を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層であって、かかる中立層と、前記ブロックコポリマーの前記第1および前記第2のセグメントとの間で均衡のとれた表面張力を有する中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中ドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーと;溶媒とを含む、組成物であって、(i)前記第1のセグメントがポリスチレンであり、前記第2のセグメントがポリジメチルシロキサンであり、及び前記ブロックコポリマーへの親和性を有する前記部分がポリn−ヘキシルメタクリレート)であるか;(ii)前記第1のセグメントがポリメチルメタクリレートであり、前記第2のセグメントがポリジメチルシロキサンであり、及び前記ブロックコポリマーへの親和性を有する前記部分がポリ(n−ブチルメタクリレート)であるか;又は、(iii)前記第1のセグメントがポリスチレンであり、前記第2のセグメントがポリ(2−ビニルピリジン)であり、及び前記ブロックコポリマーへの親和性を有する前記部分がポリ(5および6−[3,3,3−トリフルオロ−2−ヒドロキシ−2−(トリフルオロメチルプロピルビシクロ−[2.2.1]ヘプタ−2−イルメタクリレートである;組成物。

請求項2

前記表面自由エネルギー減少部分が、フッ素原子シリコン原子、非置換もしくは置換のC1−C12ヒドロカルビルまたはその組み合わせを含む、請求項1に記載の組成物。

請求項3

前記溶媒が追加溶媒および一次溶媒を含む混合物であり、追加溶媒は一次溶媒未満の量で存在し、追加溶媒は一次溶媒よりも低い蒸発率を有する、請求項1に記載の組成物。

請求項4

前記追加コポリマーが第1の追加コポリマーおよび第2の追加コポリマーを含み、第1の追加コポリマーは第2の追加コポリマーへ共有結合されず;第1の追加コポリマーが第1の表面自由エネルギー減少部分を含み、第2の追加コポリマーが第2の表面自由エネルギー減少部分を含み;第1の表面自由エネルギー減少部分および第2の表面自由エネルギー減少部分は互いと同じかまたは異なる、請求項1に記載の組成物。

請求項5

前記追加コポリマーがブロックコポリマーまたはグラフトコポリマーである、請求項1に記載の組成物。

請求項6

互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層であって、かかる中立層と、前記ブロックコポリマーの前記第1および前記第2のセグメントとの間で均衡のとれた表面張力を有する中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーと;溶媒とを含む、組成物であって、前記ブロックコポリマーがポリシロキサンおよびポリスチレンを含み、前記追加コポリマーがポリ(メチルメタクリレートランダムトリフルオロエチルメタクリレート)を含む、組成物。

請求項7

互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第 2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層であって、かかる中立層と、前記ブロックコポリマーの前記第1および前記第2のセグメントとの間で均衡のとれた表面張力を有する中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーと;溶媒とを含む組成物であって、(i)前記第1のセグメントがポリスチレンであり、前記第2のセグメントがポリジメチルシロキサンであり、及び前記ブロックコポリマーへの親和性を有する前記部分がポリ(n−ヘキシルメタクリレート)であるか;(ii)前記第1のセグメントがポリメチルメタクリレートであり、前記第2のセグメントがポリジメチルシロキサンであり、及び前記ブロックコポリマーへの親和性を有する前記部分がポリ(n−ブチルメタクリレート)であるか;又は、(iii)前記第1のセグメントがポリスチレンであり、前記第2のセグメントがポリ(2−ビニルピリジン)であり、及び前記ブロックコポリマーへの親和性を有する前記部分がポリ(5および6−[3,3,3−トリフルオロ−2−ヒドロキシ−2−(トリフルオロメチル)プロピル]ビシクロ−[2.2.1]ヘプタ−2−イルメタクリレートである;組成物を、基板上に配置する工程を含む、方法。

請求項8

互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層であって、かかる中立層と、前記ブロックコポリマーの前記第1および前記第2のセグメントとの間で均衡のとれた表面張力を有する中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーと;溶媒とを含む、組成物であって、前記ブロックコポリマーがポリシロキサンおよびポリスチレンを含み、前記追加コポリマーがポリ(メチルメタクリレート−ランダム−トリフルオロエチルメタクリレート)を含む、組成物を、基板上に配置する工程を含む、方法。

請求項9

前記組成物をアニールする工程をさらに含む、請求項7又は8に記載の方法。

請求項10

前記中立層を除去して下層にある前記ブロックコポリマーを曝露する工程および前記ブロックコポリマーの一部を選択的に除去してパターニングしたレジスト層を形成する工程をさらに含む、請求項7〜9のいずれか一項に記載の方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、2013年6月24日に出願された米国特許出願第13/924,891号、および2014年6月5日に出願された米国特許出願第14/297,095号の一部継続出願であり、その内容全体は参照として本明細書に援用される。

0002

本開示は、自己集合した構造のための中立層ポリマー、その製造の方法およびそれを含む物品に関する。特に、本開示は、ブロックコポリマー上で生産され、基板に垂直なドメインの製造を容易にする、埋め込み中立層に関する。

背景技術

0003

ブロックコポリマーはシステム自由エネルギーを減少させるために自己集合したナノ構造を形成する。ナノ構造とは100ナノメートル未満の最大の平均の幅または厚みを有するものである。自己集合は自由エネルギーの減少の結果として周期的な構造を生産する。周期的な構造はミクロドメイン(例えばラメラまたは円筒)の形態であり得る。これらの構造があるので、ブロックコポリマーの薄フィルムナノメートルスケールで空間的な化学造影を提供し、したがってそれらは周期的なナノスケール構造の生成の代替低コストナノパターニング原材料として使用されてきた。これらのブロックコポリマーフィルムはナノメートルスケールで造影を提供することができるが、しかしながら20ナノメートル未満で周期性提示することができるコポリマーフィルムを生産するのは多くの場合非常に難しい。しかしながら現代電子デバイスは20ナノメートル未満の周期性を有する構造を多くの場合利用し、したがって20ナノメートル未満の最大の平均の幅または厚みを有する構造を容易に提示し、一方で20ナノメートル未満の周期性を同時に提示することができるコポリマーを生産することが所望される。

0004

20ナノメートル未満の最大の平均の幅または厚みを有し、一方で20ナノメートル未満の周期性を同時に提示するコポリマーを開発する、多くの試みが行われてきた。以下の考察は、これを遂行するために行われた試みのうちのいくつかを詳しく述べる。

0005

図1(A)および1(B)は、基板上に配置されるラメラ形成ブロックコポリマーの実例を図示する。ブロックコポリマーは、互いへ反応的に結合され、互いと非混和性ブロックAおよびブロックBを含む。ラメラは、ミクロドメインを、配置される基板の表面に対して平行(図1(A))または垂直(図1(B))であるようにアライメントさせることができる。ブロックAおよび/またはブロックBの基板の表面についての親和性は、基板表面上の形態を決定する。同様に、ブロックAおよび/またはブロックBの空気についての親和性は、空気−ブロックコポリマー境界面での形態を決定する。空気−ブロックコポリマー境界面は自由表面と称される。ラメラは、ミクロドメインを、基板に対して平行および垂直の両方であるようにもアライメントさせることができる(図1(C))。図1(C)において、ブロックAのラメラは、基板表面に平行な平面に対して垂直であり、一方空気に接触する上部表面で基板に対して平行である。

0006

垂直に配向したラメラは、ナノスケールラインパターンを提供し、一方平行に配向したラメラによって生成されるナノスケール表面パターンはない。ラメラが基板の面に対して平行に形成される場合には、1つのラメラ相は基板の表面(基板のx−y面中の)で第1の層を形成し、別のラメラ相は第1の層上で重層された平行層を形成し、その結果垂直の(z)軸に沿ってフィルムを観察する場合ミクロドメインの側面パターンが形成されず、側面の化学造影が形成されない。ラメラが表面に対して垂直に形成される場合、垂直に配向したラメラはナノスケールラインパターンを提供する。したがって、有用なパターンを形成するために、ブロックコポリマー薄フィルム中での自己集合したミクロドメインの配向の制御が所望される。

0007

図1(C)を参照して、垂直なラメラを空気境界面へ曝露するために、最上部の層(Bブロックの層であるとして同定される)をエッチングして、AミクロドメインおよびBミクロドメインの両方を自由表面へ曝露する。自由表面でAブロックおよびBブロックの両方のミクロドメインが存在すること(両方が基板に対して垂直で)により、ナノパターニングのために使用することができるナノスケールラインパターン(すなわち半導体の開発のためのテンプレートおよびレジスト(例えばフォトレジスト)の開発)が提供される。簡潔には、自由表面の相互作用不均衡な場合、スキン層最低表面エネルギーを備えたブロックから形成される。

0008

外部の配向因子は、ブロックコポリマーのミクロドメインの配向を容易にするために多くの場合使用される。外部の配向制御なしでは、ブロックコポリマーの薄フィルムは所望されない形態を備えたランダムに配向したナノ構造へと自己組織される傾向があり、それはフィーチャランダム性であるのでナノパターニングのためにほとんど役に立たない。ブロックコポリマーのミクロドメインの配向は、外部の配向バイアス方法による自己組織化プロセスガイドによって得ることができる。このバイアス方法の実例には、ブロックコポリマーが配置される表面修飾層の使用によって、またはコポリマーへの界面活性剤の添加によって、機械流れ場電場温度勾配を使用することが含まれる。ガイドされた自己集合のこれらの特定の形態のために一般的に使用されるコポリマーは、ポリスチレンポリメチルメタクリレートブロックコポリマーまたはポリスチレン−ポリ(2−ビニルピリジンブロックコポリマーである。

0009

図2は、ブロックコポリマーが配置される表面修飾層を使用して、制御されたミクロドメインのサイズ、周期性および配向を有するフィルムを生産する1つの方法を詳述する。図2中で図示される方法は、P.Mansky,Y.Liu,E.Huang,T.P.Russell,C.Hawker,Science 275(1997),1458によって以前に詳述されている。図1でのように、図2のブロックコポリマーはブロックAおよびブロックBを含む。図2中の基板は表面に貼付した表面修飾層によりコートされる。表面修飾層は架橋によって形成されるか、または基板の表面へ反応的に結合される(共有結合イオン結合、または水素結合される)。任意の追加の過剰な材料は結合の前または結合の間に除去される。次いでブロックコポリマーを基板の表面修飾層上にコートする

0010

界面活性剤も自由表面の相互作用を制御するのに使用できる外部の配向因子であり得る。ポリスチレンおよびポリメチルメタクリレートを含むブロックコポリマーをキャストする場合、オレイン酸が界面活性剤として使用されてきた。コポリマーが非中立基板上にキャストされた場合、垂直な形態が厚みの範囲にわたり存続することが見出されている。基板上にキャストされた後に、ブロックコポリマーは熱により任意でアニールされ(オプション溶媒の存在下において)、それは非混和性ポリマーブロックのAおよびBの相分離を可能にする。次いで、アニールされたフィルムは、好適な方法(溶媒/現像液中での浸漬等)または反応性イオンエッチング(それは1つのポリマーブロック優先的に除去するが他のものは除去せずに、コポリマー中のブロックのうちの1つのポジショニング相応したパターンを現わす)によってさらに現像することができる。

0011

これらの特定の外部の配向方法はブロックコポリマーを生産するが、それらのうちのいくつかは高価であり(例えば反応性イオンエッチング)、一方で他のもの(例えば界面活性剤の使用)は残留物が残るのでそれらの使用は実際的でない。

課題を解決するための手段

0012

本明細書において開示されるものは、互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーとである。

0013

本明細書において開示されるものは、互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーとを含む組成物を、基板上に配置する工程を含む方法でもある。

図面の簡単な説明

0014

図1Aは、ミクロドメインが基板の表面に対して平行な場合の、基板上に配置されるミクロドメイン形成ブロックコポリマーの実施例を図示する図である。
図1Bは、ミクロドメインが基板の表面に対して垂直な場合の、基板上に配置されるミクロドメイン形成ブロックコポリマーの別の実施例を図示する図である。
図1Cミクロドメインが基板の表面に対して垂直なだけでなく平行な場合の、基板上に配置されるミクロドメイン形成ブロックコポリマーのさらに別の実施例を図示する図である。
ブロックコポリマーが配置される表面修飾層を使用して、制御されたミクロドメインのサイズ、周期性および配向を有するフィルムを生産する1つの方法を詳述する図である。
図3Aは、鎖骨格の上へグラフトされ、1方向のみにおいて延長する分岐を備えた 型トポロジーを有するコポリマーを図示する図である。図3Bは、鎖骨格の上へグラフトされ、鎖骨格から半径の全方向に延長する分岐を備えたビン洗浄ブラシ型トポロジーを有するコポリマーを図示する図である。
表面エネルギー減少部分として使用することができる様々な分子を図示する図である。
ブロックコポリマーと混合された追加コポリマーからの中立層の形成を図示する図である。
中立層の形成およびブロックコポリマー中の垂直なブロックの形成を図示する別の図である。
アイランドホール形態が観察されたことを示す顕微鏡写真図であり、PS−b−P2VPは基板に対して平行にアライメントされることが示唆される。
PHFiPMA−b−PMMAを含む埋め込み中立層を備えたPS−b−P2VP薄フィルムについての垂直に配向されたラメラ状のブロックコポリマーのフィンガープリントパターン形態の特徴を示す顕微鏡写真図である。
PHFiPMA−b−PMMAを含む埋め込み中立層を備えたPS−b−P2VP薄フィルムの誘導自己組織化を示す顕微鏡写真図である。図はラメラを備えたラメラ状のブロックコポリマー形態が基板に対して垂直に配向したことを示す。

0015

本明細書において開示されるものは、ブロックコポリマー、ならびにポリマー性表面自由エネルギー減少部分およびブロックコポリマー中に含有される少なくとも1つのポリマー性物質またはブロックコポリマー中に含有されないがブロックコポリマー中の物質適合性のあるポリマー性物質を含む追加コポリマーを含む組成物である。ポリマー性表面自由エネルギー減少部分は、組成物が基板上にまたはそれ自体は基板上に配置されるオプションの中立層(以後「表面修飾」層)上に配置される場合、空気−ブロックコポリマー境界面(以後「自由表面」)での第1の中立層の形成を可能にする。追加コポリマーは、単一のコポリマーを含むことができるか、またはその各々が表面エネルギー減少部分を含むコポリマーのブレンドを含むことができる。コポリマーのブレンドにおいて、表面自由エネルギー減少部分は、同じであり得るかまたは各々の独立したコポリマーについて異なり得る(すなわち、各コポリマーは異なる表面エネルギー減少部分を有することができる)。追加コポリマーが組成物中でよく分散し、基板上に配置された後のみに相分離して空気−ブロックコポリマー境界面で中立層を生産するので、そしてそれが基板の表面に垂直なドメインの形成を容易にするので、追加コポリマーは埋め込み中立層としても見なすことができる。さらに、表面自由エネルギー減少部分がブロックコポリマーの上部で中立層をアンカーし、それがブロックコポリマーとよく混合され続けることを阻止するので、表面自由エネルギー減少部分は、ブロックコポリマーのガラス転移温度より上の温度での組成物の熱アニールを可能にする。

0016

「ポリマー性表面自由エネルギー減少部分」および少なくとも「1つのポリマー性物質」の両方は、どちらもポリマー性またはポリマーの一部であり、したがって接頭語「ポリマー性」が使用される。追加コポリマーは、基板上で組成物をキャストした後に相分離して自由表面で実際の中立層を形成し、一方ブロックコポリマーのそれぞれのミクロドメインを基板に対して垂直に配向することを可能にし、その結果それらを使用して、半導体のパターニングのためのレジスト(例えばフォトレジスト)またはテンプレートを形成するのに最終的には使用されるナノ構造を形成することができる、埋め込み中立層であるとしても理解することができる。表面自由エネルギー減少部分はシリコン原子フッ素原子置換もしくは非置換のC1−12ヒドロカルビル基またはその組み合わせを含む。

0017

別の実施形態において、組成物は、互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる、第1のポリマー性セグメント(以後第1のセグメント)および第2のポリマー性セグメント(以後第2のセグメント)を含むブロックコポリマーを含む。第1のセグメントは第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントは第2の表面自由エネルギーを有する。組成物は、表面エネルギー減少部分を含む追加コポリマーも含む。表面自由エネルギー減少部分は、第1の表面自由エネルギーおよび第2の表面自由エネルギーよりも低い表面自由エネルギーを有する。上で指摘されるように、追加コポリマーはブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;追加コポリマーは水混和性ではない。追加コポリマーはブロックコポリマーと共有結合されず、組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にする、ブロックコポリマーの表面上の中立層を形成するように操作可能である。

0018

本明細書において開示されるものは、組成物(それはブロックコポリマー、ならびにポリマー性表面自由エネルギー減少部分およびブロックコポリマー中に含有される少なくとも1つのポリマー性物質またはブロックコポリマー中に含有される1つのポリマー性物質に化学的に適合性がある少なくとも1つのポリマー性物質を含む追加コポリマーを含む)を、基板上にまたは基板上に配置されたオプションの中立層上に配置する工程を含む方法でもある。方法は、室温からブロックコポリマーの最も高いガラス転移温度(ブロックコポリマー中のポリマーがすべて非晶性である場合)までまたはブロックコポリマーの最も高い融点(ブロックコポリマー中のポリマーのうちの少なくとも1つが半結晶性である場合)までの温度で、組成物をアニールすることをさらに含む。

0019

方法は、ブロックコポリマーの最も高いガラス転移温度(ブロックコポリマー中のポリマーがすべて非晶性である場合)より上またはブロックコポリマーの最も高い融点(ブロックコポリマー中のポリマーのうちの少なくとも1つが半結晶性である場合)より上の温度であるが、ブロックコポリマーの秩序無秩序転移温度より下で、組成物をアニールすることをさらに含む。

0020

アニーリングは、自由表面での中立層の形成および基板上での垂直なミクロドメインの形成を可能にする。中立層は、ポリマー性表面自由エネルギー減少部分の少なくとも一部がブロックコポリマーの表面上のブロックコポリマーから分離することによって形成される。次いで中立層を処理して、基板上のブロックコポリマーの垂直なミクロドメインを曝露することができる。

0021

ブロックコポリマーは、2つ以上のポリマー性セグメント(互いが化学的に類似せず、互いへ共有結合され、基板上への配置に際してミクロドメインへと相分離する第1のセグメントおよび第2のセグメント)を含むことができる。第1のセグメントおよび/または第2のセグメントは表面エネルギー減少部分を含有しても含有しなくてもよい。言いかえれば、表面自由エネルギー減少部分は第1のセグメントのものまたは第2のポリマーのものとは異なる化学成分を有する。例示的な実施形態において、ブロックコポリマーは表面自由エネルギー減少部分を含有しない。

0022

ミクロドメインが、100ナノメートル以下、特に70ナノメートル以下、特に50ナノメートル以下、およびより特に20ナノメートル以下の平均幅を有することが所望される。例示的な実施形態において、20ナノメートルよりも少ないミクロドメインの平均幅が所望される。幅は基板の表面に平行に測定される(すなわち、上で詳述された図1(A)中のY軸およびZ軸に平行な方向で測定される)。平均ドメイン間周期性が、100ナノメートル以下、特に50ナノメートル以下、特に70ナノメートル以下、およびより特に20ナノメートル以下であることも所望される。例示的な実施形態において、平均ドメイン間周期性が、20ナノメートル以下であるミクロドメインが所望される。

0023

上で詳述されるように、ブロックコポリマーを基板上にまたは表面修飾層上に配置して、基板の表面に対して垂直なミクロドメインを生産する。ブロックコポリマーを、その表面エネルギーが表面修飾層の表面エネルギーとは可能な限り最小に異なるように選択することによって、ドメインサイズ、ドメイン幾何学的形状およびドメイン間の間隔を、慎重に制御することができる。各々のブロックについての数平均分子量を有するブロックコポリマーを選択することが所望され、それは、ブロックコポリマーのフィルムが、ブロックコポリマーが配置される基板の表面に対して垂直な配向を有するラメラ状ドメインまたは円筒状ドメインを形成することを可能にする。

0024

ブロックコポリマーは、2つ以上の異なるモノマーから合成され、化学的に異なるが、それでもなお互いへ共有結合される2つ以上のポリマー性鎖セグメントを示すポリマーである。ジブロックコポリマーは、2つの異なるモノマー(例えばAおよびB)に由来し、B残基のポリマー性ブロック(例えばBセグメント)へ共有結合されたA残基のポリマー性ブロック(例えばAセグメント)を含む構造(例えばAAAAA−BBBBB)を有する特殊なクラスのブロックコポリマーである。ブロックコポリマーは、ジブロックコポリマー、トリブロックコポリマー星型ブロックコポリマーランダムコポリマー、交互ブロックコポリマー、マルチブロックコポリマーグラジエントブロックコポリマーまたはその組み合わせを含むことができる。

0025

「セグメント」という用語は、ブロックコポリマーまたは交互ブロックに関連して本明細書において使用される時、ポリマー性セグメントまたはポリマー性ブロックを含む。ポリマー性セグメントまたはブロックは、別のポリマー性セグメントと共重合されて1モルあたり約2000グラム以上の分子量を有するコポリマーを形成する限り、少数反復単位(例えば1、2、3、4、.....20まで)を含むことができる。

0026

セグメントは、一般に、別の化学的に類似しないセグメントが付加できる、任意の適切なドメイン形成セグメントであり得る。「化学的に類似しない」とは、2つのセグメントが異なる化学構造を有することを暗示する。異なる構造は、化学的に異なる(すなわち、異なる分子を有する)か、またはラセミ的に異なる(すなわち、キラル分子左手型および右手型のエナンチオマーを有する)か、または同位体的に異なり得る。セグメントは異なる重合可能なモノマーに由来することができ、セグメントには、ポリオレフィンポリジエンを含む)、ポリエーテル(ポリ(エチレンオキシド)、ポリ(プロピレンオキシド
)、ポリ(ブチレンオキシド)等のポリ(アルキレンオキシド)を含む)、ポリ((メタアクリレート)、ポリスチレン、ポリエステルポリ有機シロキサンまたはポリ有機ゲルマンが含まれ得る。

0027

一実施形態において、ブロックコポリマーのセグメントは、モノマーとして、C2−30オレフィン系モノマー、C1−30アルコールに由来する(メタ)アクリレートモノマー無機含有モノマー(鉄、シリコンゲルマニウム、錫、アルミニウムチタンに基づくものを含む)、または前述のモノマーの少なくとも1つを含む組み合わせを含む。セグメント中の使用のための例示的なモノマーには、C2−30オレフィン系モノマーとして、エチレンプロピレン、1−ブテン、1,3−ブタジエンイソプレン酢酸ビニルジヒドロピランノルボルネン無水マレイン酸スチレン、4−ヒドロキシスチレン、4−アセトキシスチレン、4−メチルスチレンまたはa−メチルスチレンが含まれ;(メタ)アクリレートモノマーとして、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート、イソプロピル(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、n−ペンチル(メタ)アクリレート、イソペンチル(メタ)アクリレート、ネオペンチル(メタ)アクリレート、n−ヘキシル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレートまたはヒドロキシエチル(メタ)アクリレートが含まれ得る。
これらのモノマーのうちの2つの以上の組み合わせを使用することができる。

0028

ホモポリマーである例示的なセグメントには、スチレンを使用して調製されたセグメント(すなわちポリスチレンブロック)、(メタ)アクリレートホモポリマーセグメント(ポリ(メチルメタクリレート)等)、2−ビニルピリジン(すなわちポリ(2−ビニルピリジン)ブロック)またはジアルキルシロキサン(すなわちポリ(ジメチルシロキサン)セグメント)が含まれ;例示的なランダムセグメントには、例えばランダムに共重合されたスチレンおよびメチルメタクリレートのセグメント(例えばポリ(スチレン−コ−メチルメタクリレート))が含まれ;例示的な交互コポリマーブロックには、スチレンおよび無水マレイン酸のセグメントが含まれ、無水マレイン酸が大部分の条件下でホモポリマー化できないことに起因して、スチレン−無水マレイン酸二分子反復構造を形成することが公知である(例えばポリ(スチレン−交互−無水マレイン酸))。かかるセグメントは例示的であり、限定的であると判断されるべきでないことは理解されるだろう。

0029

使用のために意図される例示的なブロックコポリマーには、ジブロックコポリマーまたはトリブロックコポリマー(ポリ(スチレン−b−ビニルピリジン)、ポリ(スチレン−b−ブタジエン)、ポリ(スチレン−b−イソプレン)、ポリ(スチレン−b−メチルメタクリレート)、ポリ(スチレン−b−アルケニル芳香族化合物)、ポリ(イソプレン−b−エチレンオキシド)、ポリ(スチレン−b−(エチレン−プロピレン))、ポリ(エチレンオキシド−b−カプロラクトン)、ポリ(ブタジエン−b−エチレンオキシド)、ポリ(スチレン−b−t−ブチル(メタ)アクリレート)、ポリ(メチルメタクリレート−b−t−ブチルメタクリレート)、ポリ(エチレンオキシド−b−プロピレンオキシド)、ポリ(スチレン−b−テトラヒドロフラン)、ポリ(スチレン−b−イソプレン−b−エチレンオキシド)、ポリ(スチレン−b−ジメチルシロキサン)、ポリ(スチレン−b−トリメチルシリルメチルメタクリレート)、ポリ(メチルメタクリレート−b−ジメチルシロキサン)、ポリ(メチルメタクリレート−b−トリメチルシリルメチルメタクリレート)、もしくは同種のもの、または前述のブロックコポリマーの少なくとも1つを含む組み合わせ等)が含まれる。

0030

ブロックコポリマーは、組成物の全重量に基づいて25〜95重量パーセント固体の量で組成物中に存在する。好ましい実施形態において、ブロックコポリマーは、組成物の全重量に基づいて50〜90重量パーセント固体の量で組成物中に存在する。

0031

表面修飾層はオプションの層であり、その使用は基板の特徴に応じる。基板がブロックコポリマー中での垂直なドメインの形成を容易にするための適切な特徴を有するならば、表面修飾層は所望されなくてもよい。これに反して、基板が垂直なミクロドメインの形成を容易にするための長所を保持しないならば、表面修飾層を使用することが所望されてもよい。表面修飾層は、表面修飾層とブロックコポリマーのブロックを構成するそれぞれのポリマーとの間に類似の表面張力を有するとして特徴づけることができる。一実施形態において、表面修飾層は、0.01〜10ミリニュートン毎メートル(mN/m)、特に0.03〜3mN/m、およびより特に0.04〜1.5mN/mの表面エネルギーの差を有する2つ以上のホモポリマー反復単位を含むランダムコポリマーを含む。例えば、ポリスチレン−b−ポリメチルメタクリレートについての中立層は通常スチレンおよびメチルメタクリレート単位を含み、それはそれぞれのブロックとは0.04mN/mのみの表面エネルギーの差を有する。

0032

一実施形態において、中立層(フィルムの上部および底部の両方)が、中立層とAブロックおよびBブロックとの間で均衡のとれた表面張力を有することが所望される。表面張力が等しい場合、好結果が達成されるだろう。多数の原材料はこの最終結果を達成することができる。一実施形態において、これは2つのモノマーのランダムコポリマー(例えばP(S−r−MMA))をPS−PMMAを含むブロックコポリマーのために使用することによって達成することができる。別の実施形態において、異なるモノマーのランダムコポリマー(それぞれの原材料の表面エネルギーは個々のポリマーセグメントのものよりも高いおよびより低い)を、またはさらにホモポリマー(2つのセグメントのおよそ間にある表面エネルギーを有することができる)を使用して、中立層を形成することができる。

0033

各々の反復単位は、ランダムコポリマー中の他の反復単位とは化学的におよび/または構造的に異なる。ランダムコポリマーは、35〜50ミリニュートン毎メートル(mN/m)の表面エネルギーを有する第1のホモポリマー反復単位および15〜30mN/mの表面エネルギーを有する第2の反復単位を含む。ランダムコポリマーの全表面エネルギーは15〜40mN/mである。表面エネルギーは、セシルドロップ法によって接触角ゴニオメーター上で測定される、水(18オーム脱イオン水)およびヨウ化メチレン(CH2I2)およびジエチレングリコールの接触角から、Owens−Wendt方法を使用して計算される。

0034

一実施形態において、表面修飾層は、基板上への配置に際して架橋することができるランダムコポリマーを含む。ランダムコポリマーは少なくとも2つの反復単位を含み、そのうちの少なくとも1つは、それが基板上に配置された後にランダムコポリマーを架橋するのに使用することができる反応性置換基を含有する。次いでこの様式で架橋された表面修飾層は基板の表面上でマット様のフィルムの形態であると示される。

0035

別の実施形態において、表面修飾層は、基板の表面上の官能基と反応して基板上でブラシを形成することができる反応性末端基を含むランダムコポリマーを含む。次いでこの様式で基板上に配置された表面修飾層は基板の表面上でブラシの形態であると記述される。

0036

なお別の実施形態において、表面修飾層は、鎖骨格に沿って少なくとも1つの反応性置換基を含み、加えて基板の表面上に配置された官能基と反応して基板上でブラシを形成することができる反応性末端基を含む、ランダムコポリマーを含む。両方の反応性官能基を含有するAコポリマーは、反応のキネティクスに応じてマットまたはブラシのいずれかをそれにより形成することができる。例えば、最初に基板と末端基を反応させ、続いて置換基を反応させるならば、表面修飾フィルムはマット様よりもよりブラシ様の特徴を有することが期待される。しかしながら、最初に架橋反応が引き起こされ、続いて表面基を反応させるならば、表面フィルムはよりマット様であまりブラシ様でない特徴を有するだろう。したがって反応条件反応物、反応物を分散させる溶媒使用、基板の化学、ならびにランダムコポリマーの構造および化学をすべて、特別にあつらえて、表面修飾フィルムにおいておよび結果的にブロックコポリマーにおいて所望される表面特徴のタイプに合わせることができる。

0037

追加コポリマー(それは埋め込み中立層の生産に使用される)は、ポリマー性表面自由エネルギー減少部分およびブロックコポリマー中に含有される少なくとも1つのポリマー性物質またはブロックコポリマー中に含有される少なくとも1つのポリマー性物質に適合性のある少なくとも1つのポリマー性物質を含む。追加コポリマーはブロックコポリマーへ共有結合されない。追加コポリマーは、ブロックコポリマーから相分離し、ブロックコポリマーの表面上で実際の中立層を形成する能力があるので、埋め込み中立層と称される。中立層は、ブロックコポリマーのセグメントが基板上での配置に際してミクロドメイン(それは基板に対して垂直である)を形成することも可能にする。表面自由エネルギー減少部分が上部表面で層をアンカーし、ブロックコポリマー層と混ざることを最小限にすることに貢献するので、さらなる中立層は、ブロックコポリマーがブロックコポリマーのガラス転移温度より上でアニールされることを可能にする。

0038

ポリマー性表面自由エネルギー減少部分(以後「表面エネルギー減少部分」)は、一般的にシリコン原子、フッ素原子、またはフッ素原子およびシリコン原子の組み合わせを含む。表面自由エネルギー減少部分はブロックコポリマーからの埋め込み中立層の分離を容易にする。表面自由エネルギー減少部分は、ブロックコポリマー中に含有される少なくとも1つの部分へ共有結合させることができる。例えば、ブロックコポリマーが2つのセグメント(第1のセグメントAおよび第2のセグメントB)を含有するならば、追加コポリマーは、反応してセグメントAを形成する1つもしくは複数のモノマー部分、反応してセグメントBを形成する1つもしくは複数のモノマー部分、または反応してセグメントAを形成する1つもしくは複数のモノマー部分および反応してセグメントBを形成する1つもしくは複数のモノマー部分の組み合わせを、表面エネルギー減少部分に加えて含むことができる。追加コポリマーのセグメントの形成に使用することができるモノマーの実例は詳細に上でリストされ、ブロックコポリマー(例えばC2−30オレフィン系モノマー、C1−30アルコールに由来する(メタ)アクリレートモノマーおよび同種のもの)が提供される。

0039

2つのセグメント(セグメントAおよびセグメントB、そこでセグメントAが例示的な単位Aの反復単位を含み、セグメントBが例示的な単位Bの反復単位を含む)を含むブロックコポリマーについては、追加コポリマーは1つもしくは複数の単位A、1つもしくは複数の単位B、または単位AおよびBの両方を、表面自由エネルギー減少部分Xに加えて含むことができる。別の実施形態において、A′およびB′がそれぞれAおよびBに完全にまたは部分的に混和性であるように、追加コポリマーは1つもしくは複数の単位A′、1つもしくは複数の単位B′または単位A′およびB′の両方を、表面自由エネルギー減少部分Xに加えて含むことができる。一実施形態において、AはA′と化学的に類似または異なり、一方BはB′と化学的に類似または異なり得る。

0040

以下の例示的な構造を使用して、ブロックコポリマーから最終的には相分離して中立層を形成する追加コポリマーを形成することができる。ブロックコポリマーは2つのセグメントAおよびBを含むと仮定される。一実施形態において、追加コポリマーは、反復単位A、BまたはXを含み、式(1)の構造



(式中、単位AおよびBはブロックコポリマー中の単位AおよびBに類似し、Xは表面エネルギー減少部分であり、nは0〜50、特に1〜45であり、mは0〜50、特に1〜45であり、pは1〜50、特に5〜40であり、n、mおよびpは互いから独立し、nおよびmは両者とも同時に0に等しくない)を有するランダムコポリマーまたはブロックコポリマーである。したがって、表面自由エネルギー減少部分Xは単一の単位または複数の単位であり得る。言いかえれば、それは、反応させたモノマー単位オリゴマー単位(2〜10の間の反復単位を有する)またはポリマー単位(10を超える反復単位を有する)であり得る。式(1)の追加コポリマーがランダムコポリマーである場合、A、BおよびXの位置はランダムに交換することができる。一実施形態において、Aは、追加コポリマーのモルの合計数に基づいて0〜50モルパーセント、特に1〜40モルパーセントの量で存在し、Bは、追加コポリマーのモルの合計数に基づいて0〜50モルパーセント、特に1〜40モルパーセントの量で存在し、Xは、追加コポリマーのモルの合計数に基づいて1〜50モルパーセント、特に2〜40モルパーセントの量で存在する。

0041

一実施形態において、追加コポリマーは、反復単位A、CまたはXを含み、式(2)の構造



(式中、Cは、単位AまたはBと組み合わせて追加コポリマーについての中立性を達成することができる代替の単位であり;n、mおよびpは、式(1)において上で詳述される通りである)を有するランダムコポリマーまたはブロックコポリマーである。単位Cによって表わされるセグメントは本明細書において第5のブロックポリマーと称される。追加コポリマー中のAおよびXのモル含有量は上で詳述され、一方上で詳述されるようにCのモル含有量はBのモル含有量に類似する。

0042

別の実施形態において、追加コポリマーは、式(3)の構造



(式中、AおよびBの単位は互いと交互にされ、第1のブロックを形成し、一方表面自由エネルギー減少部分Xは第2のブロックを形成するように構成され;oは1〜50の値を有し、pは1〜50の値を有し;oおよびpは互いから独立する)によって示されるように、単位AおよびBのブロックならびにXのブロックを含むブロックコポリマーを含むことができる。追加コポリマーのモルの総数上に基づいたA、BおよびXのモル含有量は上で詳述されている。

0043

なお別の実施形態において、追加コポリマーは、式(4)および(5)中で示されるようなAおよびXとBおよびXのコポリマーのブレンドまたは以下の式(4)および(6)中で示されるようなAおよびXとCおよびXのコポリマーのブレンド



(式中、A、BおよびCは上記の通りであり、oは1〜50の値を有し、pは1〜50の値を有し;oおよびpは互いから独立する)を含むことができる。AおよびX、BおよびXならびにCおよびXのコポリマーは、交互コポリマー、ジブロックコポリマーまたはランダムコポリマーであり得る。式(4)、(5)および(6)において、式(4)の構造は追加コポリマーと称され、式(5)の構造は第2のコポリマーと称され、式(6)の構造は第3のコポリマーと称される。言いかえれば、式(5)の第2のコポリマーにおいて、表面自由エネルギー減少部分は、追加コポリマー中の表面自由エネルギー減少部分が共有結合されない単位(AまたはB)へ共有結合される。

0044

AおよびXのコポリマーならびにBおよびXのコポリマーは、1:99〜99:1、特に10:90〜90:10、およびより特に30:7〜70:30の重量比で使用することができる。AおよびXのコポリマーならびにBおよびXのコポリマーの例示的な重量比は、50:50である。AおよびXのコポリマーならびにCおよびXのコポリマーは、1:99〜99:1、特に10:90〜90:10、およびより特に30:7〜70:30の重量比で使用することができる。AおよびXのコポリマーならびにCおよびXのコポリマーの例示的な重量比は、50:50である。

0045

一実施形態において、追加コポリマーは、グラジエント重合ポリマーまたはグラジエント重合ポリマーのブレンドであり得る。グラジエント重合ポリマーは、1つのコンポーネント(例えばA、BまたはC)のパーセンテージが、コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、他のコンポーネント(例えばX)のパーセンテージと比較して増加するものである。一実施形態において、グラジエント重合鎖は、式(7)



(式中、上記のようにA、BおよびXがモノマー単位としてあり、n、mおよびpの各々は1〜50の値を有し、同じかもしくは異なるかまたは互いに対して独立することができる)において参照されるように、コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれてXが増加する、A、BおよびXのグラジエントランダムポリマーであり得る。一実施形態において、式(7)中で、各セグメントについてn=mである。言いかえれば、第1のセグメント中でn=m=1であるならば、コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、それは各々の続くセグメントについて同じである。コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、各々の続くセグメントについての値も同じままである。式(7)のグラジエント重合ポリマーはランダムコポリマーであり得る。式(7)中のA、BおよびXのモル比は式(1)の構造について上で記載されたものと同じである。

0046

別の実施形態において、n、mおよびpは各セグメント中で互いから独立することができるが、ポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、すべての次のセグメントについて同じである。言いかえれば、例えば、各セグメントについてn=1、m=4およびp=3ならば、コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、それは各々の続くセグメントについて同じである。

0047

別の実施形態において、等式(7)中の単位Aまたは単位Bは、単位C(Cは上で定義される)と置き換えることができる。

0048

別の実施形態において、追加コポリマーは、式(8)



(式中、上記のようにA、BおよびXがモノマー単位としてあり、n、mおよびpの各々は1〜50の値を有し、同じかもしくは異なるかまたは互いに対して独立することができる)において示されるように、コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれてXが増加する、AおよびBのブロックコポリマーであり得る。一実施形態において、式(7)中で、各セグメントについてn=mである。言いかえれば、第1のセグメント中でn=m=1であるならば、コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、それは各々の続くセグメントについて同じである。コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、各々の続くセグメントについての値も同じままである。別の実施形態において、n、mおよびpは各セグメント中で互いから独立することができるが、ポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、すべての次のセグメントについて同じである。言いかえれば、例えば、各セグメントについてn=1、m=4およびp=3ならば、コポリマー鎖が1つの端部から他の端部へ横切るにつれて、それは各々の続くセグメントについて同じである。式(8)中のA、BおよびXのモル比は式(1)の構造について上で記載されたものと同じである。式(8)中で、単位Aまたは単位Bは、Cと置き換えることができる。

0049

別の実施形態において、追加コポリマーは、式(9)



(等式(9)中、A、BおよびXは上で詳述されるような意味を有し、「r」は、AおよびXが第1のセグメント中でランダムに共重合されることを示す)において参照されるように、ブロックの中へのXのランダムな取り込みによるブロックコポリマーであり得る。第1のセグメントはk個の反復単位を有する。この第1のセグメントはBおよびXを含む第2のセグメントと共重合され、それもランダムに共重合される。第2のセグメントはh個の反復単位を有する。一実施形態において、kおよびhは同じかまたは異なることができ、1〜50であり得る。式(9)中の文字「b」は、第1のセグメントおよび第2のセグメントがブロックコポリマーの形態であることを示す。式(9)中のA、BおよびXのモル比は式(1)の構造について上で記載されたものと同じである。式(9)中の単位Aまたは単位Bは、単位Cと置き換えることができる。

0050

別の実施形態において、ブロックコポリマーは、ランダムに共重合されるBおよびXを含むセグメントと共重合されるAの反復単位



(式中、A、b、B、r、k、hおよびXは、それらに対して上で割り当てられる意味を有する)を含む。式(7)中のA、BおよびXのモル比は式(1)の構造について上で記載されたものと同じである。式(10)中の単位Aまたは単位Bは、単位Cと置き換えることができる。式(1)〜(10)の追加コポリマーは、所望されるならば星型ブロック立体配置配備できることが指摘される。

0051

別の実施形態において、追加コポリマー(それは中立層の形成を容易にする)はグラフトポリマーであり得る。例えば、追加コポリマーは 型トポロジーを有するか、またはビン洗浄ブラシタイプコポリマーを含むことができる。 型トポロジーは、図3(A)中で示されるように、ほぼ等しい数の反復単位の多数の分岐をコポリマー骨格の上へグラフトしたものである。図3(A)中で参照されるように、鎖骨格の上へグラフトされた分岐は骨格から1つの方向のみで延長する。ビン洗浄ブラシタイプコポリマーにおいて、ポリマー性鎖骨格の一部は、その上へグラフトされた半径の全方向に延長する分岐を有する。これは図3(B)中で図示される。

0052

型ポリマーと「ビン洗浄ブラシ」型ポリマーとの間で差異のうちの1つは、分岐の密度である。一般に、 型はより少ないグラフトを有し、骨格はそれでもなおランダムコイルであり得る。ビン洗浄ブラシ型において、分岐密度は非常に高く、骨格は非常に込み合っているので、コイルを作ることができず、したがって完全に延長される。

0053

追加コポリマーは、式(11)、(12)および(13)中で示される構造を含むことができ、その各々は 型トポロジーまたはビン洗浄ブラシ型トポロジーのいずれかで用いることができる。

0054

式(11)中で、Dの反復単位は追加コポリマー骨格を形成し、一方A、BおよびXの反復単位は骨格の上へグラフトされる。A、BおよびXを含むグラフトは側鎖と称され、式(11)の構造



(Dの反復単位は鎖骨格を形成し、A、BおよびXの反復単位は骨格の上へグラフトされる)において参照されるように、追加コポリマーの骨格上にグラフトされる。A、BおよびXは上で定義された通りである。反復単位e、fおよびgの数は同じかまたは互いとは異なることができ、一方反復単位x、yおよびzの数は同様に同じかまたは互いとは異なることができる。例示的な実施形態において、e、fおよびgの各々は1〜50、特に5〜40の量であり得、一方x、yおよびzの各々は1〜50、特に5〜40の量であり得る。式(11)の追加コポリマーはブロックコポリマーまたはランダムコポリマーであり得る。

0055

別の実施形態において、追加コポリマーの骨格の上へグラフトされた側鎖は、それ自体が式(12)の構造



(式中、D、A、B、X、e、f、g、x、yおよびzは上記の通りである)において図示されるように、ブロックコポリマーであり得る。式(12)中で、グラフトのうちのいくつかはブロックコポリマーであり、一方他のものはブロックコポリマーでないことが理解される。反復単位「a」および「b」の数は同じかまたは互いとは異なることができ、独立して1〜50、特に5〜40の量であり得る。反復単位aおよびbの数はさらにxおよびyと同じかまたは異なることができる。式(12)の追加コポリマーはブロックコポリマーまたはランダムコポリマーであり得る。

0056

なお別の実施形態において、追加コポリマーの骨格の上へグラフトされた側鎖の各々は、式(13)を有する構造



(式中、D、A、B、X、e、f、g、x、yおよびzは上記の通りである)において参照されるように、A、BおよびXの反復単位を有するブロックコポリマーを含むことができる。式(13)中で、グラフトのうちのいくつかはブロックコポリマーであり、一方他のものはブロックコポリマーでないことが理解される。反復単位「a」、「b」および「c」の数は同じかまたは互いとは異なることができ、独立して1〜50、特に5〜40の量であり得る。反復単位「a′」、「b′」および「c′」の数は同じかまたは互いとは異なることができ、独立して1〜50、特に5〜40の量であり得る。反復単位a、bおよびcの数はさらにx、yおよびzと同じかまたは異なることができる。反復単位a′、b′およびc′の数はさらにx、yおよびzと同じかまたは異なることができる。式(13)の追加コポリマーはブロックコポリマーまたはランダムコポリマーであり得る。式(11)、(12)および/または(13)の追加コポリマーのブレンドを使用することができる。

0057

上の式(1)〜(13)のうちの任意のものにおいて、単位Aは、単位Aとは化学的に異なるがAと完全にまたは部分的に混和性の単位A′と置き換えられることが指摘される。類似の様式において、単位Bは、単位Aとは化学的に異なるがAと完全にまたは部分的に混和性の別の単位B′と置き換えることができる。この参照において、A′およびB′ はそれぞれ第3のポリマーおよび第4のブロックポリマーと称される。

0058

一実施形態において、第3のポリマーA′は第1のセグメントAと同じかまたは異なることができ、一方第4のブロックポリマーB′は第2のセグメントBと同じかまたは異なることができる。

0059

表面自由エネルギー減少部分は、フッ素原子、シリコン原子、非置換もしくは置換されたC1−C12ヒドロカルビルまたはその組み合わせを含む分子であり得る。

0060

表面自由エネルギー減少部分は、単一の単位(すなわち反応させたモノマー単位)またはオリゴマー単位(すなわち2〜10の反復単位を有する)またはポリマー単位(10を超える反復単位を有する)であり得、反応性官能基を含む。反応性官能基は、上で詳述した式(1)〜(13)においてリストされた反復単位A、B、CまたはDとの反応を容易にする。これらの反応性官能基の実例は、アルケニル基(例えばビニル基)、アルキニル基エポキシド基ベンジル基フェニル基ヒドロキシル基カルボキシレート基チオール基ハロゲン官能基および同種のものである。

0061

例示的な表面エネルギー減少部分は図4中で図示される。

0062

追加コポリマーは、組成物の全重量に基づいて1〜20重量パーセントの量で組成物中に存在する。好ましい実施形態において、追加コポリマーは、組成物の全重量に基づいて2〜10重量パーセントの量で組成物中に存在する。例示的な実施形態において、追加コポリマーは、組成物中の固体の全重量に基づいて1〜20重量パーセントの量で組成物中に存在する。

0063

一実施形態において、追加コポリマーを生産する1つの方法では、反応物は適切な触媒および溶媒と共に反応容器チャージされる。溶媒は、極性溶媒無極性溶媒またはその組み合わせであり得る。組成物の配合およびキャストに使用される溶媒は、組成物のコンポーネントを溶解または分散させる任意のものであり得る。より具体的には、組成物を配合する好適な溶媒には、1つまたは複数のアルコール(n−ブタノール等)およびアルキレングリコールプロピレングリコール等)が含まれる。無極性溶媒(脂肪族炭化水素芳香族炭化水素およびアルキルエーテルドデカンイソオクタンおよびイソペンチルエーテル等)等)を使用することができる。例示的な溶媒には、1−メトキシ2−プロパノール、1−メトキシ−2−プロピルアセテート乳酸エチルアニソールシクロヘキサノン2−ヘプタノンジアセトンアルコールトルエントリフルオロトルエンまたは前述のものの少なくとも1つを含む組み合わせが含まれ得る。好ましくは、組成物中の他のポリマー(複数可)からの追加コポリマーの効果的な相分離を達成するのに、異なる溶媒(例えば2、3またはそれ以上の溶媒)の混合物が使用される。溶媒または溶媒混合物は配合の粘度を減少させるのにも効果的であり得、それは分配される体積の減少を可能にする。

0064

例示的な態様において、2溶媒システムを本発明の組成物中で使用することができる。溶媒システムには例えば一次溶媒および追加溶媒が含まれ得る。さらに例示的な態様は、例えば一次溶媒、追加溶媒および希釈溶媒が含まれ得る3溶媒システムを使用する。1つまたは複数の追加の一次溶媒、希釈溶媒、追加溶媒および/または他の溶媒が用いられてもよい。

0065

一次溶媒は、トップコート組成物の非溶媒コンポーネントに関して優れた可溶性特徴を示す。一次溶媒の所望される沸点は溶媒システムの他のコンポーネントに依存するだろうが、沸点は典型的には追加溶媒のものよりも低く(追加溶媒よりも高い蒸発率)、120〜140℃(典型的には約130℃等)の沸点である。好適な一次溶媒には、例えば、C4〜C8のn−アルコール(n−ブタノール、イソブタノール2−メチル−1−ブタノールイソペンタノール、2,3−ジメチル−1−ブタノール、4−メチル−2−ペンタノールイソヘキサノールおよびイソヘプタノール、その異性体ならびにその混合物等)が含まれる。一次溶媒は、溶媒システムに基づいて30〜97wt%の量で存在する。

0066

追加溶媒は追加コポリマーと組成物中の他の樹脂(複数可)との間の相分離を容易にするために存在する。加えて、追加溶媒のより低い蒸発率はコーティングの間に先端乾燥効果を弱めることができる。このことは、溶媒システムの他のコンポーネントよりも高い沸点(低い蒸発率)を有する追加溶媒について典型的である。追加溶媒の所望される蒸発率は溶媒システムの他のコンポーネントに依存するだろう。好適な追加溶媒には、例えば、式
R1−O−R2−O−R3−OH
(式中、R1は任意で置換されるC1〜C2のアルキル基であり、R2およびR3は任意で置換されるC2〜C4のアルキル基から独立して選択される)のもの等のヒドロキシアルキルエーテル、および異性体混合物を含むかかるヒドロキシアルキルエーテルの混合物が含まれる。追加溶媒は、典型的には溶媒システムに基づいて3〜15wt%の量で存在する。

0067

希釈溶媒は、存在するならば、粘度を低下させて、より少ない分配体積でコーティングカバレッジを改善することができる。希釈溶媒は、典型的には一次溶媒と比較して組成物の非溶媒コンポーネントについてさらに貧溶媒である。希釈溶媒の所望される沸点は溶媒システムの他のコンポーネントに依存するだろうが、沸点は典型的には一次溶媒のものよりも高い(一次溶媒よりも低い蒸発率)。好適な希釈溶媒には、例えば、アルカン(C8〜C12のn−アルカン、例えばn−オクタン、n−デカン、ドデカン、その異性体およびその異性体の混合物等);および/またはアルキルエーテル(式R1−O−R2のもの等であり、式中、R1およびR2はC2〜C8のアルキル、C2〜C6のアルキルおよびC2〜C4のアルキルから独立して選択される)が含まれる。アルキルエーテル基は直鎖状または分岐状であり得、対称または非対称であり得る。希釈溶媒は、存在するならば、典型的には溶媒システムに基づいて10〜70wt%の量で存在する。

0068

反応容器中の反応物は適切な条件の温度および圧力へさらされる。反応物は反応の間に撹拌することもできる。反応を不活性ガスブランケット下で行って、反応物の所望されない酸化を防止することができる。反応が適切な程度へ進行したときに、クエンチング剤を反応容器へ添加してさらなる反応を阻害することができる。次いで産物は任意の未反応反応物と共に反応容器から抽出および精製することができる。精製は、濾過デカンテーション遠心分離蒸留結晶またはその組み合わせによって行うことができる。

0069

一実施形態において、ナノ構造化したコーティングを生産する1つの様式において、ブロックコポリマーおよび追加コポリマーは好適な溶媒と一緒にブレンドされそしてともにブレンドされる。剪断力拡張力、圧縮力超音波エネルギー電磁エネルギー熱エネルギーまたは前述の力もしくはエネルギーの形態のうちの少なくとも1つを含む組み合わせが使用される多様なミキサーおよびブレンダー中で、ブレンディングを行うことができる。ブレンディングはプロセッシング装置中で行われ、前述の力およびエネルギーの形態は、一軸スクリュー多軸スクリュー、同方向回転噛み合い型もしくは異方向回転型スクリュー、非同方向回転噛み合い型もしくは異方向回転型スクリュー、往復スクリューピン付きスクリュー、ピン付きバレルロールラム螺旋ローターまたは前述のもののうちの少なくとも1つを含む組み合わせによって発揮される。

0070

前述の力に関するブレンディングは、マシン(単一もしくは多軸スクリュー押出し機、Bussニーダー、Henschelミキサー、ヘリコーン(helicone)、Rossミキサー、Banbury、ロールミル成型マシン(射出成型マシン、真空成形マシン、ブロー成型マシンまたは同種のもの等)または前述のマシンのうちの少なくとも1つを含む組み合わせ等)中で行うことができる。

0071

ブレンディングに続いて、組成物は基板の上に配置される。基板はその上に表面修飾層を配置しても配置しなくてもよい。組成物は5〜1000nmの厚みを有するコーティングの形態で基板上に配置することができる。コーティングは、スピンキャスティング、浸漬コーティング噴霧塗装またはドクターブレードを介する適用によるものが含まれる方法によって形成される。

0072

図5および6は、埋め込み中立層がブロックコポリマー中での垂直なドメインの形成を容易にするメカニズムを図示する。図5において、組成物は基板上に直接配置されて接触させられ、一方図6において、表面修飾層は基板表面上に配置される。組成物は表面にわたって広げられ、アニーリングへさらして溶媒を除去し、ブロックコポリマー(BCP)中のドメイン形成を容易にすることができる。アニーリングの間に、追加コポリマー中に存在する表面自由エネルギー減少部分は自由表面での中立層の形成を容易にする。中立層は、ブロックコポリマー中のドメイン(すなわちマイクロドメインまたはナノドメイン)形成を促進する適切な表面にエネルギー特徴を提供し;そこでドメインは基板に対して垂直である。中立層は追加コポリマーを含む。

0073

次いでブロックコポリマーの表面上の中立層を処理してそれを除去することができる。それは反応的にイオンエッチングされるか、溶媒中での溶解によって溶解されるか、化学的平坦化を介して化学的に除去されるか、または機械的に研磨することができる。次いで基板に対して垂直に配向したドメインを備えたブロックコポリマーを処理してテンプレートまたはレジストを形成することができ、半導体チップの製造または他の電子的な物品において使用される。

0074

本明細書において開示される組成物および方法は以下の非限定的実施例によって例示される。

0075

実施例1
これらの実施例は、ブロックコポリマーの表面上の中立面層の形成を導くことができる組成物中に存在する追加コポリマーのコンポーネント間の表面張力を実証する。上で詳述されるように、追加コポリマーをブロックコポリマーへ添加して、開示された組成物を形成する。以下の実施例において詳述される追加コポリマーがブロックコポリマーへ添加される場合、それは、ブロックが配置される基板の表面に対して垂直な(組成物中のブロックポリマーの)セグメントの形成を可能にする。追加コポリマー相はブロックコポリマーから分離して、ブロックコポリマーの表面上で中立層を形成する。

0076

ブロックコポリマーのブロックと中立層との間で均衡のとれた表面張力を有する中立層を、フィルムの上部および底部の両方の上で形成することが所望される。この例において、ブロックコポリマーがAおよびBのホモポリマーを含むならば、ブロックAおよびBと中立層との間の表面張力が測定される。材料それ自体とブロックAおよびBとの間の表面張力中の差異がおよそ等しい場合、材料は中立であると考えられる。

0077

以下の表1は、基板の表面に対して垂直なブロックの形成を容易にするように組成物中で使用することができるブロックコポリマーおよび追加コポリマーを図示する。

0078

表1中で、ブロックコポリマーのコンポーネントが最初に想定される。例えばサンプル#1の事例では、ブロックコポリマーのブロックのうちの1つはポリスチレン(PS)であり、第2のブロックはポリジメチルシロキサン(PDMS)であると想定される。第3のポリマーが、それ自体とPSおよびPDMSとの間で均衡のとれた表面張力を有することを、PSおよびPDMSの極性力および分散力を使用してPSと第3のポリマーおよびPDMSと第3のポリマーとの間の表面張力を最初に計算することによって、見出すことができ、2つのポリマー(iとj)の間の表面張力(γ)は、以下の等式(I)(式中、 σi,Totalは全表面エネルギーであり、σdおよびσpはそれぞれ分散コンポーネントおよび極性コンポーネントである)によって定義される。等式(I)は、以下の通りである。

0079

第3のポリマーとPSおよび第3のポリマーとPDMSとの間のこれらの表面張力における差異(|γxγy|として定義される)が0に等しい場合、材料は中立であると判断することができ、すなわち、それが0に等しくなり得ないならば最小化されるべきである。第3のポリマーの所望される表面エネルギーは、表面張力における差異が0に等しくなるまで値を合わせることによって計算される。これは表1中で「最適」値と称される。

0080

類似の様式において、等式(I)および公知の表面エネルギーを使用して、ブロックコポリマーのそれぞれのコンポーネントポリマーと類似の表面張力を有するポリマーを見出すことができる。表1中で以下でリストされたものは、PS−PDMS、PMMA−PDMSおよびPS−P2VPのジブロックについていくつかの可能性のある原材料である。第1のセットの数において、表面張力における最小の差異を提供する表面エネルギーの値(|γx−γy|)が計算され、したがって表面張力における最小の差を備えた「至適の」第3のポリマーを表わす。これに従って、至適の事例のものにマッチする表面エネルギーを備えたポリマー材料が見出された。例えば、ポリ(n−ヘキシルメタクリレート)(PHMA)とポリスチレンとの間の表面張力は、ポリ(n−ヘキシルメタクリレート)とポリジメチルシロキサンとの間の表面張力に非常に類似する。したがって、PHMAは、表面修飾層としておよびブロックコポリマーへの親和性を備えた追加コポリマーのコンポーネントとしての両方で効果的である。追加コポリマーは、PSまたはPDMSのいずれかよりも低い表面自由エネルギーを備えた表面自由エネルギー減少部分(ポリ(ヘプタデカフルオロオクチルメタクリレート)に基づくポリマーセグメント等、それはσi,Total=15.3mN/mを有する)も含有する。有用な追加コポリマーは、PHMAおよびポリ(ヘプタデカフルオロオクチルメタクリレート)ブロックとのブロックコポリマーである。

0081

ポリ(n−ブチルメタクリレート)(PBMA)は、それ自体とポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)およびポリジメチルシロキサンとの間の表面張力における最小の差異を提供する。したがってPBMAは表面修飾層として効果的であり、PBMAおよびポリ(ヘプタデカフルオロオクチルメタクリレート)ブロックとのブロックコポリマーは、材料が配置される基板の表面に対して垂直なPSおよびPDMSのブロックの形成を容易にする、効果的な追加コポリマーである。

0082

同様に、ポリ(5および6−[3,3,3−トリフルオロ−2−ヒドロキシ−2−(トリフルオロ−メチル)プロピル]ビシクロ−[2.2.1]ヘプタ−2−イルメタクリレート)(PMABTHBNB)は、それ自体とポリスチレンおよびポリ(2−ビニルピリジン)との間の表面張力における最小の差異を提供する。したがって、PMABTHBNBは、ブロックコポリマーへの親和性により、効果的な表面修飾層および追加コポリマーのコンポーネントとして役立つ。PS−ブロック−P2VPについての追加コポリマーには、PMABTHBNBブロックを持つブロックコポリマー(PMABTHBNB−ブロック−PHMA、PMABTHBNB−ブロック−ポリ(ヘプタデカフルオロオクチルメタクリレート)およびPMABTHBNB−ブロック−PDMS等)が含まれる。

0083

表1から、中立層とブロックコポリマーのそれぞれのブロックとの間の表面エネルギーの均衡をとることによって、ブロックコポリマーのそれぞれのブロックが、ブロックがキャストされる基板の表面に対して垂直なドメインの生産のために選択できることが、理解できる。

0084

実施例2
ラメラ状のブロックコポリマーの上部に自己分離した埋め込み中立層を適用してブロックコポリマーの配向を制御することを実証するために実施例を行った。この実施例において、第1のブロックコポリマーはポリスチレン−ブロック−ポリ(2−ビニルピリジン)(PS−b−P2VP)であった。第2のコポリマーはポリ(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート)−ブロック−ポリ(メチルメタクリレート)(PHFiPMA−b−PMMA)であった。後に詳述されるように、PHFiPMA−b−PMMAをマイナー添加剤としてPS−b−P2VP配合へ添加した。配合は、表面修飾層としてヒドロキシル末端としたポリ(スチレン−ランダム−(2−ビニルピリジン)(P(S−r−P2VP)−OH)ブラシを有する基板上にコートされ、一方スピンコーティングの間にPHFiPMA−b−PMMAはフィルムの上部へ移動して、埋め込み中立上部として作用した。この実験の詳細は以下に提供され検討される。

0085

すべての原材料は特記されたもの以外はAldrichから購入し、受け取ったままでまたは以下で検討されるように精製して使用した。スチレンは活性中性アルミナを介して濾過した。2−ビニルピリジン(2VP)、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート(HFiPMA)およびメチルメタクリレート(MMA)は、活性化塩基性アルミナを介して濾過した。溶媒は受け取ったままで使用した。さらに乾燥アルゴンによるパージまたは3つの連続した凍結ポンプ解凍サイクルによって、重合のためのモノマーおよび溶媒の酸素を除去した。50wt%のP2VPによるラメラ形成PS−b−P2VPブロックコポリマー(Mn=50kg/mol、Mw/Mn=1.1)は、Polymer Source(カタログ番号:P18220−S2VP)から購入され;PS−b−P2VPはSEMによって決定されるように28nmのピッチ(L0)を有すると特徴づけられた。ポリ(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート)(PHFiPMA)およびポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)は、5℃および105℃の報告されたガラス転移温度(Tg)を有する(http://www.safcglobal.com)。

0086

PMMAマクロ−RAFT(可逆的付加−開裂連鎖移動)剤の合成
2.52gのMMA(0.026mole)、1.09gの2−フェニルプロパン−2−イルベンゾジチオアートの25%PGMEA溶液(1.008mmole)および0.046gのV601(0.202mmole)を、反応フラスコへ添加した。3つの連続した凍結−ポンプ−解凍サイクルによって試薬の酸素を除去した。溶液窒素により15分間スパージし、次いで予熱した油浴中に70℃で20時間置いた。反応後に、システム温度を室温まで冷却した。反応混合物アセトンにより希釈し、メタノールから沈殿させ、60℃のオーブン中で一晩乾燥した(Mw=6.45k、Mn=5.29k、PDI=1.32)。

0087

PHFiPMA−b−PMMAの合成
0.88g(0.0089mole)のPMMA−マクロRAFT材料を3.5gのPGMEA中で溶解し、次いで2.62gのHFiPMA(0.0106mole)および0.005gのV601(0.022mmole)と反応フラスコ中で混合した。溶液を窒素により15分間スパージし、次いで予熱した油浴中に70℃で20時間置いた。反応混合物をTHFにより希釈し、メタノールから沈殿させ、60℃のオーブン中で一晩乾燥した。材料は、13C NMRでは56wt%のHFiPMAおよび44wt%のPMMAを含有し、GPCによって測定されるようにMn=8.5kg/molおよびMw/Mn=1.31を有していた。

0088

P(S−r−P2VP)−OHの合成
スチレン(11.95g、0.115mole)、2−ビニルピリジン(8.05g、0.077mole)および(4−(1−((tert−ブチル(2−メチル−1−フェニルプロピルアミノオキシ)エチル)フェニル)メタノール(1.95g、PGMEA中の2.0mmoleの36.5wt%ストック溶液)を、磁性撹拌子装備した反応フラスコへ添加した。3つの連続した凍結−ポンプ−解凍サイクルによって試薬の酸素を除去した。溶液を窒素により15分間スパージし、次いで予熱した油浴中に120℃で16時間置いた。温度を室温まで冷却した。反応混合物をTHFにより希釈し、ヘプタンから沈殿させ、60℃のオーブン中で一晩乾燥した。結果として得られたヒドロキシルを末端としたポリ(スチレン−ランダム−ポリ(2−ビニルピリジン(P(S−r−P2VP)−OH)は、56wt%の2VP、Mn=10.8kg/molおよびMw/Mn=1.23であった。

0089

P(S−r−P2VP)−OHブラシを備えた基板の調製
プロピレングリコールメチルエーテルアセテー卜(PGMEA)中のP(S−r−P2VP)−OHの0.8wt%溶液を1500rpmでスピンコーティングすることによって、(S−r−P2VP)−OHランダムコポリマーブラシをウエハ上にコートした。ウエハをN2下のオーブン中で250℃で5分間アニールした。ウエハを室温まで冷却し、過剰量のPGMEAによりリンスした。

0090

比較実施例1:整然としたラメラ状のPS−b−P2VPの熱アニール
自然酸化物を備えたシリコン基板を、PGMEA中のP(S−r−P2VP)−OHの1.2wt%(固体)溶液のスピンコーティングによって処理した。コートしたフィルムを150℃で1分間ベークし、窒素下の250℃で5分間アニールした。次いで基板をPGMEA中で1分間浸漬し、3,000rpmで1分間スピンして乾燥し、150℃で1分間ベークした。ラメラ状のPS−b−P2VP(Polymer Source、P18220−S2VP)を、95/5のプロピレングリコールメチルエーテルアセテー卜(PGMEA)およびγ−ブチロラクトン(GBL)の共溶媒中で溶解して、1.5wt%溶液(配合1)を形成する。配合1を、P(S−r−P2VP)−OHブラシにより処理された基板の上へスピンキャストした。フィルムを32nmの厚みでコートし(厚み≒1L0で)、そこでL0=28nmはPS−b−P2VPのドメイン間隔である。組み合わせたフィルムを、N2下の250℃で5分間アニールした。生じたフィルムをSEMを使用して調査した(図7を参照)。アイランド/ホール形態が観察され、PS−b−P2VPは基板に対して平行にアライメントして、PS−b−P2VPのそれぞれのPSブロックおよびP2VPブロックの表面エネルギーにおける差異に起因する予想された形態と一致していることが示唆される。

0091

実施例3:埋め込み中立層(PHFiPMA−b−PMMA)を備えたPS−b−P2VP薄フィルム
自然酸化物を備えたシリコン基板を、PGMEA中のP(S−r−P2VP)−OHの1.2wt%(固体)溶液のスピンコーティングによって処理した。コートしたフィルムを150℃で1分間ベークし、窒素下の250℃で5分間アニールした。次いで基板を1分間PGMEA中で浸漬し、3,000rpmで1分間スピンして乾燥し、150℃で1分間ベークした。ラメラ状のPS−b−P2VP(Polymer Source、P18220−S2VP)およびPHFiPMA−b−PMMA(PS−b−P2VPと比較して20wt%のローディング)を、95/5のプロピレングリコールメチルエーテルアセテー卜(PGMEA)およびγ−ブチロラクトン(GBL)の共溶媒中で溶解して、1.5wt%溶液(配合2)を形成する。配合2を、P(S−r−P2VP)−OHブラシにより処理された基板の上へスピンキャストした。フィルムを38nmの厚みでコートした(PHFiPMA−b−PMMAについて7nmおよびPS−bP2VP≒1L0の厚みのブレンド比に従って予想される厚みで、そこでL0=28nmはPS−b−P2VPのドメイン間隔(ピッチ)である)。組み合わせたフィルムを、N2下の250℃で5分間アニールした。このアニーリング温度は、PS−P2VPのTgに加えて、埋め込み中立層材料の最も高いTgコンポーネント(105℃)より上であった。アニーリング後に、SEM顕微鏡写真図(図8を参照)は、垂直配向したラメラ状のブロックコポリマーのフィンガープリントパターン特徴を示す。これは、PS−b−P2VPドメイン侵襲性の熱アニール条件下で垂直な配向を達成することを可能にするように、フィルムスタックの上部で埋め込み中立層が効果的に配向を制御したことを実証する。

0092

実施例4:埋め込み中立層(PHFiPMA−b−PMMA)を備えたPS−b−P2VP薄フィルムの誘導自己組織化
化学的にパターニングした基板は、Liu et al.のMacromolecules,44(7),1876−1885,2011中で記載される方法を使用して調製された単離されたポリスチレンストライプ(84nmピッチ、14nmCD)を備えた化学エピタキシーテンプレート上に、PGMEA中のP(S−r−P2VP)−OHの1.2wt%(固体)溶液をスピンコーティングすることによって調製した。化学的にパターニングした基板を150℃で1分間ベークし、窒素下の250℃で5分間アニールした。次いで基板を1分間PGMEA中で浸漬し、3,000rpmで1分間スピンして乾燥し、150℃で1分間ベークした。ラメラ状のPS−b−P2VP(Polymer Source、P18220−S2VP)およびPHFiPMA−b−PMMA(PS−b−P2VPと比較して20wt%のローディング)を、95/5のプロピレングリコールメチルエーテルアセテー卜(PGMEA)およびγ−ブチロラクトン(GBL)の共溶媒中で溶解して、1.5wt%溶液(配合2)を形成する。配合2を、P(S−r−P2VP)−OHブラシにより処理された基板の上へスピンキャストした。フィルムを38nmの厚みでコートした(PHFiPMA−b−PMMAについて7nmおよびPS−bP2VP ≒1L0の厚みのブレンド比に従って予想される厚みで、そこでL0=28nmはPS−b−P2VPのドメイン間隔(ピッチ)である)。組み合わせたフィルムを、N2下の250℃で5分間アニールした。生じたフィルムをSEMを使用して調査した(図9を参照)。基板に対して垂直に配向したラメラを備えたラメラ状のブロックコポリマー形態がこの場合もやはり観察されたが、この事例において、ラメラは、ランダムフィンガープリントタイプ形態ではなく、下層にある提示された化学的パターンへアライメントした。これは、埋め込み中立層アプローチが、熱アニール条件による化学的プレパターンを使用する誘導自己組織化へ適用可能であることを実証する。

実施例

0093

本願発明の態様には以下の(1)〜(12)が含まれ得る。
(1)互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第
2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;
追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーと;
溶媒と
を含む、組成物。
(2)前記表面自由エネルギー減少部分が、フッ素原子、シリコン原子、非置換もしくは置換のC1−C12ヒドロカルビルまたはその組み合わせを含む、(1)に記載の組成物。
(3)前記溶媒が追加溶媒および一次溶媒を含む混合物であり、追加溶媒は一次溶媒未満の量で存在し、追加溶媒は一次溶媒よりも低い蒸発率を有する、(1)に記載の組成物。
(4)前記表面自由エネルギー減少部分が、ブロックコポリマーの第1のセグメントと化学的に同一もしくは化学的に適合性のあるセグメントへ、またはブロックコポリマーの第2のセグメントと化学的に同一もしくは化学的に適合性のあるセグメントへ共有結合される、(2)に記載の組成物。
(5)前記追加コポリマーが第1の追加コポリマーおよび第2の追加コポリマーを含み、第1の追加コポリマーは第2の追加コポリマーへ共有結合されず;第1の追加コポリマーが第1の表面自由エネルギー減少部分を含み、第2の追加コポリマーが第2の表面自由エネルギー減少部分を含み;第1の表面自由エネルギー減少部分および第2の表面自由エネルギー減少部分は互いと同じかまたはは異なる、請求項1に記載の組成物。
(6)前記追加コポリマーの少なくとも1つの部分が、ブロックコポリマーの第1のセグメントと、または第2のセグメントと化学的に同一である、(1)に記載の組成物。
(7)前記追加コポリマーがブロックコポリマーまたはグラフトコポリマーである、(1)に記載の組成物。
(8)前記ブロックコポリマーがポリシロキサンおよびポリスチレンを含み、前記追加コポリマーがポリ(メチルメタクリレート−ランダム−トリフルオロエチルメタクリレート)を含む、(1)に記載の組成物。
(9)前記ブロックコポリマーがポリスチレンおよびポリ(2−ビニルピリジン)を含み、前記追加コポリマーがポリ(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート)−ブロック−ポリ(メチルメタクリレート)を含む、(1)に記載の組成物。
(10)互いへ共有結合され、互いとは化学的に異なる第1のセグメントおよび第2のセグメントを含み;第1のセグメントが第1の表面自由エネルギーを有し、第2のセグメントが第2の表面自由エネルギーを有する、ブロックコポリマーと;
追加コポリマーが表面自由エネルギー減少部分を含み、表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントよりも低い表面自由エネルギーを有する、追加コポリマーであり;ブロックコポリマーへの親和性を有する1つまたは複数の部分をさらに含み;表面自由エネルギー減少部分が第1のセグメントおよび第2のセグメントとは化学的に異なり;追加コポリマーが水混和性ではなく;追加コポリマーがブロックコポリマーと共有結合されず;追加コポリマーが、ブロックコポリマーの表面上に中立層を形成するようにおよび組成物が配置される基板の表面に対して垂直なブロックコポリマー中のドメインの形成を容易にするように操作可能である、追加コポリマーと;
溶媒と
を含む組成物を、基板上に配置する工程
を含む、方法。
(11)前記組成物をアニールする工程をさらに含む、(10)に記載の方法。
(12)前記中立層を除去して下層にある前記ブロックコポリマーを曝露する工程および前記ブロックコポリマーの一部を選択的に除去してパターニングしたレジスト層を形成する工程をさらに含む、(10)に記載の方法。

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