JP7027674B2 - パターン化基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年09月13日に出願された大韓民国特許出願第10-2017-0117010号に基づく優先権の利益を主張し、該当大韓民国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
本出願は、パターン化基板の製造方法に関する。
数平均分子量(Mn)及び分子量分布は、GPC(Gel permeationchromatography)を用いて測定した。5mLのバイアル(vial)に分析対象物質を入れ、約1mg/mL程度の濃度になるようにTHF(tetrahydro furan)に希釈する。その後、Calibration用標準試料と分析しようとする試料をそれぞれPTFE syringe filter(pore size:0.45μm)を通じて濾過した後測定した。分析プログラムは、Agilent technologies社のChemStationを用い、試料のelution timeをcalibration curveと比較して重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)をそれぞれ求め、その割合(Mw/Mn)で分子量分布(PDI)を計算した。GPCの測定条件は下記の通りである。
機器:Agilent technologies社の1200 series
カラム:Polymer laboratories社のPLgel mixed B 2個使用
溶媒:THF
カラム温度:35℃
サンプル濃度:1mg/mL、20μL注入
標準試料:ポリスチレン(Mp:3900000、723000、316500、52200、31400、7200、3940、485)
NMR分析は、三重共鳴5mm探針(probe)を有するVarian Unity Inova(500MHz)分光計を含むNMR分光計を用いて常温で行った。NMR 23測定用溶媒(CDCl3)に分析対象物質を約10mg/ml程度の濃度で希釈して用い、化学的移動はppmで表現した。
br=広い信号、S=単一線、d=二重線、dd=二重二重線、t=三重線、dt=二重三重線、q=四重線、p=五重線、m=多重線。
下記化学式Aの化合物(DPM-C12)は、次の方式で合成した。250mLのフラスコにヒドロキノン(hydroquinone)(10.0g、94.2mmol)及び1-ブロモドデカン(1-Bromododecane)(23.5g、94.2mmol)を入れ、100mLのアセトニトリル(acetonitrile)に溶かした後過量のポタシウムカーボネート(potassium carbonate)添加し、75℃で約48時間の間窒素条件下で反応させた。反応後、残存するポタシウムカーボネートをフィルタリングして除去し、反応に用いたアセトニトリルも除去した。これにDCM(dichloromethane)と水の混合溶媒を添加してウォークアップし、分離した有機層を集めてMgSO4に通過させて脱水した。引き続き、カラムクロマトグラフィーでDCM(dichloromethane)を用いて白色固体相の目的物(4-ドデシルオキシフェノール)(9.8g、35.2mmol)を約37%の収得率で得た。
1H-NMR(CDCl3):d7.02(dd、2H);d6.89(dd、2H);d6.32(dt、1H);d5.73(dt、1H)、d3.94(t、2H);d2.05(dd、3H);d1.76(p、2H);d1.43(p、2H);1.34-1.27(m、16H);d0.88(t、3H).
製造例1の化合物(DPM-C12)0.5340g、ペンタフルオロスチレン1.1367g、RAFT(Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer)試薬(2-hydroxyethyl 2-(((dodecylthio)carbonothioyl)thio)-2-methylpropanoate)30.0mg、AIBN(Azobisisobutyronitrile)5.1mg及びアニソール1.67mLを10mLフラスコ(Schlenk flask)に入れ、窒素雰囲気下の常温で30分間撹拌した後、70℃で12時間の間RAFT(Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer)重合反応を行った。重合後、反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに沈澱させた後、減圧濾過して乾燥させてランダム共重合体を製造した。ランダム共重合体の数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ12,300及び1.17であった。
製造例1のモノマー(A)2.0gとRAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)試薬であるシアノイソプロピルジチオベンゾエート64mg、ラジカル開始剤であるAIBN(Azobisisobutyronitrile)23mg及びベンゼン5.34mLを10mL Schlenk flaskに入れ、窒素雰囲気下の常温で30分間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)重合反応を行った。重合後、反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに沈澱させた後、減圧濾過して乾燥させて桃色の巨大開始剤を製造した。前記巨大開始剤の収得率は、約82.6重量%であり、数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ9,000及び1.16であった。巨大開始剤0.3g、ペンタフルオロスチレンモノマー2.7174g及びベンゼン1.306mLを10mL Schlenk flaskに入れ、窒素雰囲気下の常温で30分間撹拌した後、115℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer)重合反応を行った。重合後、反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに沈澱させた後、減圧濾過して乾燥させて薄桃色のブロック共重合体を製造した。前記ブロック共重合体は、製造例1の単量体(A)に由来したものであって、鎖形成原子が12個(化学式AのRの炭素数)である高分子セグメントAと前記ペンタフルオロスチレン単量体に由来する高分子セグメントBを含む。
製造例1のモノマー(A)4.0gとRAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)試薬であるシアノイソプロピルジチオベンゾエート10.9mg、ラジカル開始剤であるAIBN(Azobisisobutyronitrile)4mg及びアニソール(Anisole)9.3gを20mL Schlenk flaskに入れ、窒素雰囲気下の常温で30分間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)重合反応を行った。重合後、反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに沈澱させた後、減圧濾過して乾燥させて桃色の巨大開始剤を製造した。前記巨大開始剤の収得率は、約75重量%であり、数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ33,100及び1.25であった。巨大開始剤0.5g、ペンタフルオロスチレンモノマー3.225g、AIBN1.2mg及びアニソール1.248mLを10mL Schlenk flaskに入れ、窒素雰囲気下の常温で1時間の間撹拌した後、70℃で6時間の間RAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)重合反応を行った。重合後、反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに沈澱させた後、減圧濾過して乾燥させて薄桃色のブロック共重合体を製造した。前記ブロック共重合体は、製造例1の単量体(A)に由来するものであって、鎖形成原子が12個(化学式AのRの炭素数)である高分子セグメントAと前記ペンタフルオロスチレン単量体に由来する高分子セグメントBを含む。
製造例1のモノマー(A)2.0gとRAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)試薬であるシアノイソプロピルジチオベンゾエート85mg、ラジカル開始剤であるAIBN(Azobisisobutyronitrile)31mg及びアニソール(Anisole)4.5gを20mL Schlenk flaskに入れ、窒素雰囲気下の常温で30分間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)重合反応を行った。重合後、反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに沈澱させた後、減圧濾過して乾燥させて桃色の巨大開始剤を製造した。前記巨大開始剤の収得率は、約63重量%であり、数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ7,100及び1.16であった。巨大開始剤0.3g、ペンタフルオロスチレンモノマー1.312g、AIBN3.5mg及びアニソール0.540mLを10mL Schlenk flaskに入れ、窒素雰囲気下の常温で1時間の間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer)重合反応を行った。重合後、反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに沈澱させた後、減圧濾過して乾燥させて薄桃色のブロック共重合体を製造した。前記ブロック共重合体は、製造例1の単量体(A)に由来するものであって、鎖形成原子が12個(化学式AのRの炭素数)である高分子セグメントAと前記ペンタフルオロスチレン単量体に由来する高分子セグメントBを含む。
シリコンウェーハ基板上に製造例2のランダム共重合体(B)を約40nm程度の厚さでコーティングし、160℃で24時間の間熱的熟成(thermal annealing)して高分子膜を形成した。高分子膜が形成された基板をフルオロベンゼン内で10分程度超音波分散処理して未反応物を除去した。引き続き、前記ランダム共重合体膜が形成された基板上に製造例3のブロック共重合体(A-1)を用いてブロック共重合体膜を形成した。具体的に、前記ブロック共重合体(A-1)をフルオロベンゼンに約1.5重量%の固形分濃度で希釈して製造したコーティング液を前記基板上に約60nmの厚さでスピンコーティングし、常温で約1時間の間乾燥させた後、さらに約160℃の温度で約1時間の間熱的熟成して自己組織化されたブロック共重合体膜を形成した。図1は、前記形成された膜に対するSEM(Scanning electron microscope)イメージである。図1から確認できるように、ブロック共重合体が高分子膜上で高度に自己整列された垂直配向されたラメラパターンを形成した。そのピッチは、約31nm程度であった。前記自己組織化されたブロック共重合体膜をプラズマエッチングした。
エッチングチャンバ内に工程ガスとして、フルオロホルム(CHF3)及び酸素(O2)をそれぞれ40sccm及び10sccmの流動率(Flow rate)で供給し、エッチング時間は、45秒程度に調節したこと以外は、実施例1と同一の条件でエッチングを行った。図3は、実施例2のエッチング結果を示すSEMイメージである。図3を通じて、前記条件でエッチングを行った結果、ブロック共重合体の一つのセグメントが成すドメインを選択的に除去できることを確認することできる。
製造例4のブロック共重合体(A-2)と製造例5のブロック共重合体(A-3)をそれぞれ70/30(重量部/重量部)で混合した後、フルオロベンゼンに約1.2重量%の固形分濃度で希釈して製造したコーティング液をシリコンウェーハ基板上に約50nmの厚さでスピンコーティングし、常温で約1時間の間乾燥させた後、さらに約180℃の温度で約1時間の間熱的熟成して自己組織化されたブロック共重合体膜を形成した。形成されたブロック共重合体膜に対してSEM(Scanning electron microscope)イメージ撮影を行った。図4は、前記形成されたブロック共重合体膜に対するSEM(Scanning electron microscope)イメージである。図面のように、ブロック共重合体膜でブロック共重合体は、高度に整列された垂直配向ラメラパターンを形成しており、そのピッチは、約37nm程度であった。 前記自己組織化されたブロック共重合体を含む高分子膜に対してプラズマエッチングを行った。前記エッチングは、実施例1と同一のエッチングチャンバ内で同一の方式で行った。このとき、工程圧力は、15mTorr程度にし、200W程度のRF電力を印加してエッチングを行った。チャンバ内に工程ガスとして、ペルフルオロブタン(C4F8)、アルゴン(Ar)ガス及び酸素(O2)をそれぞれ15sccm、100sccm及び25sccmの流動率で供給し、エッチング時間は、35秒程度にした。図5は、上記のように行ったエッチングの結果を示す。図5から確認できるように、実施例のエッチング条件の場合、ブロック共重合体の一つのセグメントが成すドメインを選択的に除去した。
実施例2のエッチングされたブロック共重合体の膜をマスクにして基板を追加エッチングすることで、前記ブロック共重合体のパターンを基板に転写(Pattern transfer)するためのプラズマエッチングを実施した。エッチングチャンバ内の圧力は、50mTorr、RF電力は、80W、チャンバに供給されたSF6の流動率(Flow rate)は、45sccm、エッチング時間は、15秒に維持した。
実施例1と同一にブロック共重合体膜のエッチングを行うが、エッチングチャンバ内に工程ガスとして、フルオロホルム(CHF3)及び酸素(O2)をそれぞれ40sccm及び2sccmの流動率(Flow rate)で供給し、印加されるRF電力は、200Wにし、エッチング時間は、45秒程度に調節した。
実施例1と同一にブロック共重合体膜のエッチングを行うが、エッチングチャンバ内に工程ガスとして、フルオロホルム(CHF3)及び酸素(O2)をそれぞれ40sccm及び5sccmの流動率(Flow rate)で供給し、印加されるRF電力は、100Wにし、エッチング時間は、45秒程度に調節した。
実施例3と同一にブロック共重合体膜のエッチングを行うが、エッチングチャンバ内に工程ガスとして、アルゴン(Ar)及び酸素(O2)をそれぞれ25sccm及び10sccmの流動率(Flow rate)で供給し、印加されるRF電力は、50Wにし、エッチング時間は、30秒程度に調節した。
実施例1と同一にブロック共重合体膜のエッチングを行うが、エッチングチャンバ内に工程ガスとして、フルオロホルム(CHF3)及び酸素(O2)をそれぞれ5sccm及び15sccmの流動率(Flow rate)で供給し、印加されるRF電力は、100Wにし、エッチング時間は、45秒程度に調節した。
実施例1と同一にブロック共重合体膜のエッチングを行うが、エッチングチャンバ内に工程ガスとして、フルオロホルム(CHF3)及び酸素(O2)をそれぞれ38sccm及び5sccmの流動率(Flow rate)で供給し、印加されるRF電力は、100Wにし、エッチング時間は、45秒程度に調節した。
20:カソード
30:ブロック共重合体膜が形成された基板
40:RF電源
50:反応ガス
50':プラズマ状態の反応ガス
51:電子
51':イオンシース又はイオン鞘
52:反応ガスのイオン
53:反応ガスのラジカル
100:反応チャンバ。
Claims (14)
- 基板;及び前記基板上に形成された自己組織化されたブロック共重合体を含むブロック共重合体膜を有する積層体で、前記ブロック共重合体のいずれか一つの高分子セグメントブロックを選択的にエッチングするステップを含み、
前記エッチングは、フッ化炭素及び酸素を含む反応ガスを用いて行い、
前記エッチングは、前記フッ化炭素の流動率(A)と前記酸素の流動率(B)の割合(A/B)を0.5~7.5の範囲内に維持しつつ行い、
ブロック共重合体は、鎖形成原子の数が8個以上である鎖を含む高分子セグメントAブロック及び前記高分子セグメントAブロックとは異なる構造の高分子セグメントBブロックを含み、
高分子セグメントAブロックは、環構造を含み、鎖が前記環構造に置換されている、パターン化基板の製造方法。 - エッチングは、フッ化炭素の流動率(Flow rate)を0sccm超過及び50sccm以下に維持する、請求項1に記載のパターン化基板の製造方法。
- エッチングは、酸素の流動率(Flow rate)を0sccm超過及び35sccm以下に維持する、請求項1または2に記載のパターン化基板の製造方法。
- エッチングは、不活性ガスを200sccm以下の流動率(Flow rate)で追加で供給する、請求項1から3のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
- エッチングは、フッ化炭素の流動率(A)と不活性ガスの流動率(C)の割合(A/C)を0.1~1の範囲内に維持する、請求項4に記載のパターン化基板の製造方法。
- フッ化炭素は、2個以上のフッ素原子を有し、フッ素原子(F)と炭素原子(C)のモル比(F/C)が2以上である、請求項1から5のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
- エッチングステップで反応ガスとしては、フッ化炭素及び酸素のみが供給されるか、フッ化炭素、酸素及び不活性ガスのみが供給される、請求項1から6のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
- エッチングステップで印加電力の範囲を150W~400Wの範囲内に維持する、請求項1から7のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
- エッチングは、2個の対向するカソード及びアノードが存在するチャンバ内で行い、ブロック共重合体膜が形成された基板は、前記カソード及びアノードの間の前記カソード上に位置され、RF電源が前記カソードに印加される、請求項1から8のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
- 高分子セグメントAブロックの環構造は、ハロゲン原子を含まず、高分子セグメントBブロックは、ハロゲン原子を含む環構造を有する、請求項1から9のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
- ブロック共重合体は、高分子セグメントAブロック及び前記高分子セグメントAブロックとは異なる構造の高分子セグメントBブロックを含み、前記高分子セグメントAブロック及び高分子セグメントBブロックは、それぞれ環構造を含む、請求項1から10のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
- 高分子セグメントAブロックの環構造は、ハロゲン原子を含まず、高分子セグメントBブロックの環構造は、ハロゲン原子を含む、請求項11に記載のパターン化基板の製造方法。
- 高分子セグメントAブロックの環構造には、鎖形成原子の数が8個以上である鎖が置換されている、請求項11または12に記載のパターン化基板の製造方法。
- 高分子セグメントブロックが除去されたブロック共重合体膜をマスクにして基板をエッチングするステップをさらに行う、請求項1から13のいずれか一項に記載のパターン化基板の製造方法。
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