JP7057421B2 - インプリント用硬化性組成物、離型剤、硬化物、パターン形成方法およびリソグラフィー方法 - Google Patents
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Description
インプリント法としては、その転写方法から熱インプリント法、光インプリント法と呼ばれる方法が提案されている。熱インプリント法では、ガラス転移温度(以下、「Tg」ということがある)以上に加熱した熱可塑性樹脂にモールドをプレスし、冷却後にモールドを離型することにより微細パターンを形成する。この方法は多様な材料を選択できるが、プレス時に高圧を要すること、熱収縮等により微細なパターン形成が困難であるといった問題点も有する。
光インプリント法では、基板(必要に応じて密着処理を行う)上にインプリント用硬化性組成物を塗布後、石英等の光透過性素材で作製されたモールドを押し当てる。モールドを押し当てた状態で光照射によりインプリント用硬化性組成物を硬化し、その後モールドを離型することで目的のパターンが転写された硬化物が作製される。
基板上にインプリント用硬化性組成物を適用する方法としては、スピンコート法やインクジェット法が挙げられる。特にインクジェット法は、インプリント用硬化性組成物のロスが少ないといった観点から、近年注目される適用方法である。
一方、インプリント用硬化性組成物は、モールドに忠実なパターンを形成することが求められる。そのため、モールドへの充填性が求められる。しかしながら、一般的に離型剤や特定の重合性化合物を配合するとモールドへの充填性が劣る傾向にある。
本発明は、かかる課題を解決することを目的としたものであって、離型性と充填性の両立を可能とするインプリント用硬化性組成物、離型剤、硬化物、パターン形成方法およびリソグラフィー方法を提供することを目的とする。
光重合開始剤および
下記式(I)または式(II)で表される離型剤
を含む、インプリント用硬化性組成物;
:単官能重合性化合物
(1)炭素数8以上の直鎖アルキル基
(2)炭素数10以上の分岐アルキル基
(3)炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した、脂環、芳香族環または芳香族複素環
:離型剤
A1-(B1)x1-(D1)y1-(E1)z1-F1 :式(I)
式(I)において、A1は炭素数4~11の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、A1がフッ素原子を有することはなく、B1はA1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、x1は0または1であり、D1はアルキレンオキシド構造であり、E1はF1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、F1は極性官能基であり、y1は0~30の整数であり、z1は0または1である;
A2-(B2)x2-(D2)y2-(E2)z2-F2 :式(II)
式(II)において、A2は炭素数4~11の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、A2がフッ素原子を有することはなく、B2はA2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、x2は0または1であり、D2はアルキレンオキシド構造であり、E2はF2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、F2は水素原子、炭素数4~11の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基であり、F2がフッ素原子を有することはなく、y2は0~30の整数であり、z2は0または1である;但し、y2が0のときは、B2またはE2が極性官能基を含む。
<2> A1が炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基である離型剤を含む、<1>に記載のインプリント用硬化性組成物。
<3> A2は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、かつF2が炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基である離型剤を含む、<1>に記載のインプリント用硬化性組成物。
<4> 上記極性官能基がヒドロキシル基、アミノ基、スルホニル基含有基、スルフィノ基、スルホンイミドイル基含有基およびカルボキシル基からなる群から選ばれる、<1>~<3>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<5> 上記y1およびy2がそれぞれ独立に5~20の整数である、<1>~<4>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<6> 上記x1およびx2が0である、<1>~<5>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<7> 式(I)において、A1は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、y1は5~20の整数であるか、
式(II)において、A2は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、F2は水素原子、炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基であり、y2は5~20の整数である、<1~6のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<8> 上記離型剤の重量平均分子量が300~1000である、<1>~<7>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<9> 上記離型剤の含有量が不揮発性成分中0.5質量%以上7.0質量%以下である、<1>~<8>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<10> 上記インプリント用硬化性組成物に含まれる重合性化合物が、23℃において33mN/m以上の表面張力を示す、<1>~<9>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<11> 上記インプリント用硬化性組成物に含まれる重合性化合物の粘度が20mPa・s以下であり、かつ、組成物中の溶剤含有量がインプリント用硬化性組成物の3質量%以下である、<1>~<10>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<12> 上記インプリント用硬化性組成物の23℃における表面張力が28mN/m以上38mN/mである、<1>~<11>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物。
<13> 下記式(I)または式(II)で表される離型剤;
A1-(B1)x1-(D1)y1-(E1)z1-F1 :式(I)
式(I)において、A1は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、A1がフッ素原子を有することはなく、B1はA1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、x1は0または1であり、D1はアルキレンオキシド構造であり、E1はF1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、F1は極性官能基であり、y1は5~20の整数であり、z1は0または1である;
A2-(B2)x2-(D2)y2-(E2)z2-F2 :式(II)
式(II)において、A2は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、A2がフッ素原子を有することはなく、B2はA2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、x2は0または1であり、D2はアルキレンオキシド構造であり、E2はF2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、F2は水素原子、炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基であり、F2がフッ素原子を有することはなく、y2は5~20の整数であり、z2は0または1である;但し、y2が0のときは、B2またはE2が極性官能基を含む。
<14> インプリント用硬化性組成物用である、<13>に記載の離型剤。
<15> <1>~<12>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物を硬化してなる硬化物。
<16> 上記硬化物が、シリコン基板の上に設けられている、<15>に記載の硬化物。
<17> <1>~<12>のいずれか1つに記載のインプリント用硬化性組成物を、基板上またはモールド上に適用し、上記インプリント用硬化性組成物を、上記モールドと上記基板で挟んだ状態で光照射することを含むパターン形成方法。
<18> 上記パターンのサイズが20nm以下のライン、ホール、ピラーのいずれかの形状を含む<17>に記載のパターン形成方法。
<19> <17>または<18>に記載のパターン形成方法で得られたパターンをマスクとしてエッチングを行う、リソグラフィー方法。
本明細書において「~」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、アクリレートおよびメタクリレートを表し、「(メタ)アクリル」は、アクリルおよびメタクリルを表し、「(メタ)アクリロイル」は、アクリロイルおよびメタクリロイルを表す。「(メタ)アクリロイルオキシ」は、アクリロイルオキシおよびメタクリロイルオキシを表す。
本明細書において、「インプリント」は、好ましくは、1nm~10mmのサイズのパターン転写をいい、より好ましくは、およそ10nm~100μmのサイズ(ナノインプリント)のパターン転写をいう。
本明細書における基(原子団)の表記において、置換および無置換を記していない表記は、置換基を有さないものと共に置換基を有するものをも包含するものである。例えば、「アルキル基」とは、置換基を有さないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を有するアルキル基(置換アルキル基)をも包含するものである。
本明細書において、「光」には、紫外、近紫外、遠紫外、可視、赤外等の領域の波長の光や、電磁波だけでなく、放射線も含まれる。放射線には、例えばマイクロ波、電子線、極端紫外線(EUV)、X線が含まれる。また248nmエキシマレーザー、193nmエキシマレーザー、172nmエキシマレーザーなどのレーザー光も用いることができる。これらの光は、光学フィルタを通したモノクロ光(単一波長光)を用いてもよいし、複数の波長の異なる光(複合光)でもよい。
本発明における沸点測定時の気圧は、特に述べない限り、1013.25hPa(1気圧)とする。
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。
<<重合性化合物>>
<<<単官能重合性化合物>>>
本発明のインプリント用硬化性組成物は下記(1)~(3)のいずれかの構造を有する単官能重合性化合物(以下、これを「特定の単官能重合性化合物」と呼ぶことがある)を含有する。
(1)炭素数8以上の直鎖アルキル基
(2)炭素数10以上の分岐アルキル基
(3)炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した、脂環、芳香族環または芳香族複素環(すなわち、炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した脂環、炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した芳香族環、あるいは炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した芳香族複素環)
炭素数8以上の直鎖アルキル基は、炭素数10以上のものがより好ましく、炭素数11以上がさらに好ましく、炭素数12以上が一層好ましい。また、炭素数20以下が好ましく、炭素数18以下がより好ましく、炭素数16以下がさらに好ましく、炭素数14以下が一層好ましい。
(2)炭素数10以上の分岐アルキル基
上記炭素数10以上の分岐アルキル基は、炭素数10~20のものが好ましく、炭素数10~16がより好ましく、炭素数10~14がさらに好ましく、炭素数10~12が一層好ましい。
(3)炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した脂環、炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した芳香族環、あるいは炭素数1以上の直鎖の分岐のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した芳香族複素
炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基は、炭素数1以上の直鎖の直鎖のアルキル基がより好ましい。炭素数1以上の直鎖の直鎖のアルキル基の炭素数は4以上であることが好ましく、6以上であることがより好ましい。分岐のアルキル基の炭素数は4以上であることが好ましく、6以上であることがより好ましく、8以上であることがさらに好ましい。炭素数1以上の直鎖のアルキル基の炭素数は、14以下が好ましく、12以下がより好ましく、10以下がさらに好ましい。
脂環、芳香族環または芳香族複素環の環は、単環であっても縮環であってもよいが、単環であることが好ましい。縮環である場合は、環の数は、2つまたは3つが好ましい。環は、3~8員環が好ましく、5員環または6員環がより好ましく、6員環がさらに好ましい。環の具体例としては、後述する環Czの例が挙げられる。
特定の単官能重合性化合物の沸点は、85℃以上であることが好ましく、110℃以上がより好ましく、130℃以上がさらに好ましい。沸点を上記下限値以上とすることで、揮発性を抑制することができる。沸点の上限値については、特に定めるものでは無いが、例えば、沸点を350℃以下とすることができる。
特定の単官能重合性化合物の少なくとも一部は23℃で液体であることが好ましく、インプリント用硬化性組成物に含まれる重合性化合物の15質量%以上が23℃で液体であることがさらに好ましい。
脂環fCyとしては炭素数3~22が好ましく、4~18がより好ましく、6~10がさらに好ましい。その具体例としては、シクロプロパン環、シクロブタン環、シクロブテン環、シクロペンタン環、シクロヘキサン環、シクロヘキセン環、シクロヘプタン環、シクロオクタン環、ジシクロペンタジエン環、テトラヒドロジシクロペンタジエン環、オクタヒドロナフタレン環、デカヒドロナフタレン環、ヘキサヒドロインダン環、ボルナン環、ノルボルナン環、ノルボルネン環、イソボルナン環、トリシクロデカン環、テトラシクロドデカン環、アダマンタン環などが挙げられる。
芳香族環aCyとしては、炭素数6~22が好ましく、6~18がより好ましく、6~10がさらに好ましい。芳香族環の具体例としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、フェナレン環、フルオレン環、アセナフチレン環、ビフェニレン環、インデン環、インダン環、トリフェニレン環、ピレン環、クリセン環、ペリレン環、テトラヒドロナフタレン環などが挙げられる。なかでも、ベンゼン環またはナフタレン環が好ましく、ベンゼン環がより好ましい。芳香族環は複数が連結した構造を取っていてもよく、例えば、ビフェニル環、ビスフェニル環が挙げられる。
芳香族複素環hCyとしては、炭素数1~12が好ましく、1~6がより好ましく、1~5がさらに好ましい。その具体例としては、チオフェン環、フラン環、ピロール環、イミダゾール環、ピラゾール環、トリアゾール環、テトラゾール環、チアゾール環、オキサゾール環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、イソインドール環、インドール環、インダゾール環、プリン環、キノリジン環、イソキノリン環、キノリン環、フタラジン環、ナフチリジン環、キノキサリン環、キナゾリン環、シンノリン環、カルバゾール環、アクリジン環、フェナジン環、フェノチアジン環、フェノキサジン環などが挙げられる。
本発明では特定の単官能重合性化合物を1種のみ含んでいてもよいし、2種以上含んでいてもよい。2種以上含む場合、合計量が上記範囲となることが好ましい。インプリント用硬化性組成物には、上記特定の単官能重合性化合物とともに、その他の単官能重合性化合物を含んでいてもよい。
インプリント用硬化性組成物には、上記のように、特定の単官能重合性化合物とともに、多官能重合性化合物を含んでいることが好ましい。多官能重合性化合物は、特に定めるものではないが、脂環、芳香族環および芳香族複素環の少なくとも1種を含むことが好ましく、芳香族環および芳香族複素環の少なくとも1種を含むことがより好ましい。脂環、芳香族環および芳香族複素環の少なくとも1種を含む化合物を、以下の説明において、環含有多官能重合性化合物ということがある。
インプリント用硬化性組成物に用いる環含有多官能重合性化合物における環の数は、1つであっても、2つ以上であってもよいが、1つまたは2つが好ましく、1つがより好ましい。尚、縮合環の場合は、縮合環を1つとして考える。
インプリント用硬化性組成物に用いる環含有多官能重合性化合物の構造は、(重合性基)-(単結合または2価の連結基)-(環を有する2価の基)-(単結合または2価の連結基)-(重合性基)で表されることが好ましい。ここで、連結基としては、アルキレン基がより好ましく、炭素数1~3のアルキレン基がさらに好ましい。
Qは、複数の脂環、複数の芳香族環、複数の芳香族複素環、脂環と芳香族環、脂環と芳香族複素環、芳香族環と芳香族複素環が連結した構造を有していてもよい。芳香族環が連結した構造としては、下記式AR-1またはAR-2の構造が挙げられる。
第1群
インプリント用硬化性組成物は、多官能重合性化合物を1種のみ含んでいてもよいし、2種以上含んでいてもよい。2種以上含む場合、合計量が上記範囲となることが好ましい。
本発明のインプリント用硬化性組成物は下記式(I)または式(II)で表される離型剤を含む。
A1-(B1)x1-(D1)y1-(E1)z1-F1 :式(I)
式(I)において、A1は炭素数4~11(好ましくは4~9)の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18(好ましくは6~16)の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11(環状構造の炭素数を含む)の脂肪族炭化水素基を表し、A1がフッ素原子を有することはなく、B1はA1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、x1は0または1であり、D1はアルキレンオキシド構造であり、E1はF1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、F1は極性官能基であり、y1は0~30の整数であり、z1は0または1である。
A2-(B2)x2-(D2)y2-(E2)z2-F2 :式(II)
式(II)において、A2は炭素数4~11(好ましくは4~9)の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18(好ましくは6~16)の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11(環状構造の炭素数を含む)の脂肪族炭化水素基を表し、A2がフッ素原子を有することはなく、B2はA2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、x2は0または1であり、D2はアルキレンオキシド構造であり、E2はF2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、F2は水素原子、炭素数4~11(好ましくは4~9)の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18(好ましくは6~16)の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11(環状構造の炭素数は含まない)の脂肪族炭化水素基であり、F2がフッ素原子を有することはなく、y2は0~30の整数であり、z2は0または1である;但し、y2が0のときは、B2またはE2が極性官能基を含む。
離型剤が特定の炭化水素基A1、A2を有することにより離型剤が適度に気液界面に存在するため、上記の炭化水素鎖を有する疎水的な重合性化合物の界面への過剰偏析を防ぎ、疎水的成分の偏析により充填性が悪化してしまうことを抑制する。重合性化合物が気液界面への偏析能が高い炭素数8以上の直鎖アルキル基を有する場合、特に効果的に機能する。
A1、A2において、直鎖の脂肪族炭化水素基は炭素数4~11であり、炭素数5以上が好ましく、炭素数6以上がより好ましい。また、炭素数9以下が好ましい。
分岐の脂肪族炭化水素基は、炭素数5~18であり、炭素数6以上が好ましく、炭素数7以上がより好ましく、炭素数8以上がさらに好ましく、炭素数9以上であってもよい。また、炭素数17以下が好ましく、炭素数16以下であってもよい。
炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基は、環状構造のみからなっていてもよいし、環状構造と直鎖または分岐の脂肪族炭化水素基からなっていてもよい。環状構造は、5員環または6員環の脂環である。また、環状構造は、単環であっても縮合環であってもよい。A1、A2において、炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基は、下記式(A2)で表される基であることが好ましい。
A1、A2の炭素数が上記の下限値を下回ると疎水性が弱いためモールドの表面エネルギーを充分に低減できず離型性が低下する。逆に上記の上限値を上回ると疎水性が強すぎてモールド表面の濡れ性が低下し充填性が悪化する。なお、直鎖と分岐で炭素数の範囲が異なるのは、分岐の脂肪族炭化水素基は直鎖に比べて表面エネルギーの低減能が低下するため、必要となる炭素数が大きくなるためである。なお、本明細書における離型剤に関するこのような作用記載は推定を含むものであり、これにより本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。
A1、A2はフッ素原子を有することはない。フッ素原子を有さないことにより、モールド表面の過剰な低表面エネルギー化を防ぎ、充填性を下げることなく離型性を向上することが可能となる。さらに、A1、A2は、炭素原子および水素原子のみから構成されていることが好ましい。炭素原子および水素原子のみから構成されていることにより、適度に表面エネルギーを低下させることが可能となる。
連結基は、離型剤中に含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。したがって、式中のx1、x2、z1およびz2は、0または1であり、x1、x2、z1およびz2は、0であることが好ましい。
B1、B2、E1、E2は、それぞれ、A1、F1、A2、F2との連結部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基である。
連結基の第一の実施形態としては、脂肪族炭化水素以外の環構造を有する連結基が挙げられる。連結基を構成する環構造としては、芳香環が挙げられ、ベンゼン環、ナフタレン環などの炭素数6~18(より好ましくは炭素数6~10)の芳香族環、チオフェン環、フラン環、ピロール環、ベンゾチオフェン環、ベンゾフラン環、ベンゾピロール環、トリアジン環、イミダゾール環、ベンゾイミダゾール環、トリアゾール環、チアジアゾール環、チアゾール環等のヘテロ環が好ましい。
連結基の第二の実施形態としては、極性官能基を含む基が例示される。
特に、式(II)では、y2が0のときは、B2またはE2が極性官能基を含むことが好ましい。すなわち、x2およびz2の少なくともいずれかは1である。B2またはE2が極性官能基を含む連結基の場合、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、-NRN-、スルホニル基、-SO4-またはこれらの組合せがより好ましい。
本離型剤は化合物内の親疎水性比を調整するという観点でアルキレンオキシド構造を有することが好ましい。アルキレンオキシド構造は、直鎖アルキレン基(好ましくはエチレン基)と酸素原子のみからなる構造であることが好ましい。
アルキレンオキシド構造の具体例としては、メチレンオキシド、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシドなどが挙げられる。
アルキレンオキシド構造の繰り返し数y1およびy2は、それぞれ独立に、0以上であり、1以上が好ましく、4以上がより好ましく、5以上がさらに好ましい。また、30以下であり、25以下が好ましく、20以下がより好ましい。y1およびy2は特に5~20の整数であることが好ましい。y1およびy2が小さすぎると離型剤化合物中の疎水性基の比率が上昇しモールドとの濡れ性が低下して充填性が悪化することがある。逆にy1およびy2が大きすぎると疎水性基の比率が低下し離型性が悪化することがある。
本離型剤の末端基は、F1(極性官能基)またはF2(水素原子、炭素数4~11(好ましくは4~9)の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基であり、フッ素原子を有することはない)である。
極性官能基の具体例としてはヒドロキシル基、アミノ基、スルホニル基含有基、スルフィノ基、スルホンイミドイル基含有基、カルボキシル基が挙げられる。特に、実用性の観点でヒドロキシル基、アミノ基、スルホニル基含有基(特にスルホニル基、スルホ基またはスルホンアミド基)、カルボキシル基が好ましい。スルホニル基含有基はスルホニル基(-SO2R)、スルホンアミド基(R-SO2-NH-)、スルファモイル基(-SO2NH2)、またはスルホ基(-SO3H)であることが好ましい。スルホンイミドイル基含有基は-SO(NH)Rであることが好ましい。Rはアルキル基(炭素数1~24が好ましく、1~12がより好ましく、1~6がさらに好ましい)、アルケニル基(炭素数2~24が好ましく、2~12がより好ましく、2~6がさらに好ましい)またはアリール基(炭素数6~22が好ましく、6~18がより好ましく、6~10がさらに好ましい)である。
F2の好ましい範囲は、A1と同様である。
R1はA1と同義の基を表し、好ましい範囲も同じである。
n1はy1と同じ数であり、好ましい範囲も同じである。
R2はA1と同義の基を表し、好ましい範囲も同じである。ただし、脂肪族炭化水素基の鎖中にヘテロ原子を含む連結基(O,S,NH等)を炭素原子2つに1つ以下の割合で含んでもよい。
R4およびR5はそれぞれ独立にA2と同義の基を表し、好ましい範囲も同じである。
n2はy2と同じ数であり、好ましい範囲も同じである。
R6およびR7はそれぞれ独立にA2と同義の基を表し、好ましい範囲も同じである。
R8およびR9はそれぞれ独立にA2と同義の基を表し、好ましい範囲も同じである。
インプリント用硬化性組成物は、離型剤を1種のみ含んでいても、2種以上含んでいてもよい。2種以上含む場合、合計量が上記範囲となることが好ましい。
本発明のインプリント用硬化性組成物は、光重合開始剤を含む。
本発明で用いられる光重合開始剤としては、光照射により上述の重合性化合物を重合する活性種を発生する化合物であればいずれのものでも用いることができる。光重合開始剤としては、光ラジカル重合開始剤、光カチオン重合開始剤が好ましく、光ラジカル重合開始剤がより好ましい。
本発明で用いるインプリント用硬化性組成物は、上述の他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、界面活性剤、増感剤、酸化防止剤、重合禁止剤(例えば、4-ヒドロキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシルフリーラジカル)、紫外線吸収剤、溶剤等が例示される。これらの化合物は、それぞれ、1種のみ含んでいてもよいし、2種以上含んでいてもよい。これらの詳細については、特開2014-170949号公報の段落0061~0064の記載を参酌でき、この内容は本明細書に組み込まれる。
このように、本発明のインプリント用硬化性組成物は、必ずしも、溶剤を含むものではないが、組成物の粘度を微調整する際などに、任意に添加してもよい。本発明の硬化性組成物に好ましく使用できる溶剤の種類としては、インプリント用硬化性組成物やフォトレジストで一般的に用いられている溶剤であり、本発明で用いる化合物を溶解および均一分散させるものであればよく、かつ、これらの成分と反応しないものであれば特に限定されない。本発明で用いることができる溶剤の例としては、特開2008-105414号公報の段落番号0088に記載のものが挙げられ、この内容は本明細書に組み込まれる。
また、本発明のインプリント用硬化性組成物は、分子量2000以上の成分を実質的に含まないことが好ましい。実質的に含まないとは、インプリント用硬化性組成物の不揮発性成分の3質量%以下であることをいい、1質量%以下が好ましく、0.5質量%以下がさらに好ましい。
本発明のインプリント用硬化性組成物の大西パラメータは5.0以下であることが好ましく、4.0以下であることがより好ましく、3.9以下であることがさらに好ましく、3.7以下であることが一層好ましく、3.6以下であることがより一層好ましい。大西パラメータを5.0以下とすることにより、エッチング耐性がより向上する傾向にある。
上記大西パラメータの下限値は、3.0以上であってもよく、さらには3.5以上であってもよい。
本発明のパターン形成方法は、本発明のインプリント用硬化性組成物を、基板上またはモールド上に適用し、上記インプリント用硬化性組成物を、上記モールドと上記基板で挟んだ状態で光照射することを含む。
また、基板の表面に、下層膜や密着膜、プライマ膜(液膜)を形成し、その表面にインプリント用硬化性組成物を適用してもよい。
その後、ウェットエッチングの場合にはフッ化水素等、ドライエッチングの場合にはCF4やCHF3/CF4/Ar混合ガス等のエッチングガスを用いてエッチングすることにより、基板上に所望のパターンを形成することができる。パターンは、特にドライエッチングに対するエッチング耐性が良好である。すなわち、本発明の製造方法で得られたパターンは、リソグラフィー用マスクとして好ましく用いられる。
パターン形成方法の詳細については、特開2015-185798号公報の段落0057~0071の記載を参酌することができ、この内容は本明細書に組み込まれる。
表1~3に示した各種化合物を混合し、さらに重合禁止剤として4-ヒドロキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシルフリーラジカル(東京化成社製)を重合性化合物の合計量に対して200質量ppm(0.02質量%)となるように加えた。これを孔径0.02μmのNylonフィルタおよび孔径0.01μmのPTFEフィルタおよび孔径0.001μmのUPEフィルタでろ過して、インプリント用硬化性組成物を調製した。
離型剤の重量平均分子量をLC-MS(高速液体クロマトグラフ質量分析計)を用いて算出した。LCのカラムはTOSOH製TSKgel ODS-80Ts、溶離液はH2O/MeOH(共に酢酸アンモニウム溶解品)を使用した。MSのイオン化法はESI-Posiを選択した。MSスペクトルから分子量分布を把握することで、重量平均分子量Mwを算出した。なお、MeOHはメタノールのことである。
TOSOH製TSKgel ODS-80Ts、直径2.0 mm(内径)・150 mm
溶離液: A液: H2O (10 mM CH3COONH4)、B液: MeOH (10 mM CH3COONH4)
グラジエント条件: Bconc. 50% (0 min.) → 100% (20 min.) → 100% (40 min.)
流速: 0.2 mL/min.、注入量: 2 μL、カラム温度: 40 ℃
MSイオン化法: ESI positive
検出: 1TICモード、2SIMモード 標品から検出した2成分のピークで定量を実施
1m/z = 616, 664
[H(C3H6O)n+OH+NH4]+(n=10,11)由来
粘度は、東機産業(株)製のE型回転粘度計RE85L、標準コーン・ロータ(1°34’×R24)を用い、サンプルカップを23℃に温度調節して測定した。単位は、mPa・sで示した。測定に関するその他の詳細はJISZ8803:2011に準拠した。1水準につき2つの試料を作製し、それぞれ3回測定した。合計6回の算術平均値を評価値として採用した。
各組成物または化合物の表面張力は、協和界面科学(株)製、表面張力計SURFACE TENS-IOMETER CBVP-A3を用い、ガラスプレートを用いて23℃で行った。単位は、mN/mで示した。1水準につき2つの試料を作製し、それぞれ3回測定した。合計6回の算術平均値を評価値として採用した。
石英モールドとして、線幅20nm、深さ55nmのライン(Line)/スペース(Space)[L:S=1:1]を有する石英モールドを使用した。インクジェット装置として、FUJIFILM Dimatix社製インクジェットプリンター DMP-2831を用いてシリコンウェハ(シリコン基板)上に、上記インプリント用硬化性組成物をインクジェット法により適用後、ヘリウム雰囲気下で、上記モールドで挟んだ。インクジェットによる吐出パターンは、配列を菱形格子状とし、間隔を対角線:140μm/80μmとし、吐出量を1pLとした。石英モールド側から高圧水銀ランプを用いて、100mJ/cm2の条件で露光した後、石英モールドを離型することでパターンを得た。
A:F≦15N
B:15N<F≦18N
C:18N<F≦20N
D:F>20N
IJ吐出性の評価は、FUJIFILM Dimatix社製インクジェットプリンター DMP-2831を用いて行った。23℃に温度調整した組成物の吐出の様子をCCDカメラ(シーシーディーイメージセンサカメラ)で観察しながら、吐出波形、吐出電圧等の吐出条件を最適化した。最も安定した吐出を行った吐出口を5つ選択し、組成物をシリコンウェハ上に100μm間隔(正方配列)で吐出した(吐出面積5mm角、2500ドット)。インクジェットノズルを交換することで、吐出量を1pL、6pLに変更して検討した。
上記検討を5回連続で行った際のCCDカメラによる吐出状態の観察と、吐出液滴の正方配列からのずれを評価した。
A:全てのノズルが安定して吐出し、吐出領域全面で液滴配置のずれは見られなかった。
B:一部ノズルに飛翔曲がり、吐出口の汚れが見られ、一部で液滴配置のずれが発生した。
C:50%以上のノズルで飛翔曲がり、吐出口の汚れが見られ、吐出領域全域に渡って液滴配置のずれや液滴の抜けが見られた。
上記離型力の評価で作製したパターンを観察し、以下の通り評価した。
A:全面に渡って、良好なパターン転写を確認した。
B:パターン表面の荒れまたはパターン抜けがみられた。
C:パターン表面の荒れとパターン抜けの両方がみられた。
石英モールドとして、それぞれの開口部が半径1μmの円で、その深さが2μmの凹型構造を有する石英モールド(配列:正方配列、ピッチ:4μm)を使用した。インクジェット装置として、FUJIFILM Dimatix社製インクジェットプリンター DMP-2831を用いてシリコンウェハ上に上記インプリント用硬化性組成物をインクジェット法により適用後、ヘリウム雰囲気下で、上記モールドで挟んだ。
石英モールドの凹部のインプリント用硬化性組成物の充填の様子をCCDカメラにて観察し、充填の完了に要する時間を測定した。
A:3秒未満
B:3秒以上5秒未満
C:5秒以上10秒未満
D:10秒以上
これに対して、(1)~(3)のいずれかの構造を含まない単官能重合性化合物、または式(I)および式(II)の規定を満たさない離型剤を用いたものでは(比較例1~10)、離型性および充填性のいずれかの性能に劣り、これらを両立することはできなかった。
Claims (23)
- 下記(1)~(3)のいずれかの構造を有する単官能重合性化合物、
光重合開始剤および
下記式(I)または式(II)で表される離型剤
を含む、インプリント用硬化性組成物;
:単官能重合性化合物
(1)炭素数8以上の直鎖アルキル基
(2)炭素数10以上の分岐アルキル基
(3)炭素数1以上の直鎖のアルキル基または炭素数3以上の分岐のアルキル基が置換した、脂環、芳香族環または芳香族複素環
:離型剤
A1-(B1)x1-(D1)y1-(E1)z1-F1 :式(I)
式(I)において、A1は炭素数4~11の直鎖の脂肪族炭化水素基または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、A1がフッ素原子を有することはなく、B1はA1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、x1は0または1であり、D1はアルキレンオキシド構造であり、E1はF1との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、F1は極性官能基であり、y1は0~30の整数であり、z1は0または1である;
A2-(B2)x2-(D2)y2-(E2)z2-F2 :式(II)
式(II)において、A2は炭素数4~11の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、A2がフッ素原子を有することはなく、B2はA2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、B 2 は酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、-NR N -、スルホニル基、-SO 4 -若しくはこれらの組合せ、又は、芳香環構造を有する連結基であり、R N は水素原子またはアルキル基であり、x2は0または1であり、D2はアルキレンオキシド構造であり、E2はF2との結合部位が脂肪族炭化水素基でない2価の連結基であり、E 2 は酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、-NR N -、スルホニル基、-SO 4 -若しくはこれらの組合せ、又は、芳香環構造を有する連結基であり、R N は水素原子またはアルキル基であり、F2 は炭素数4~11の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基であり、F2がフッ素原子を有することはなく、y2は0~20の整数であり、z2は0または1である;但し、y2が0のときは、x2及びz2のいずれかが1であり、B2またはE2が極性官能基を含む。 - 前記E 2 が酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、-NR N -、スルホニル基、-SO 4 -若しくはこれらの組合せである、請求項1に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記E 2 が酸素原子又は-SO 4 -である、請求項1又は2に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記B 2 が酸素原子又は-SO 4 -である、請求項1~3のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記F 1 がヒドロキシル基又はカルボキシル基である、請求項1~4のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記B 1 が芳香環構造を有する連結基である、請求項1~5のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記z1が0である、請求項1~6のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- A1が炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基である離型剤を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- A2は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、かつF2が炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基である離型剤を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記y1およびy2がそれぞれ独立に5~20の整数である、請求項1~9のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記x1およびx2が0である、請求項1~10のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 式(I)において、A1は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、y1は5~20の整数であるか、
式(II)において、A2は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基を表し、F2 は炭素数4~9の直鎖の脂肪族炭化水素基、炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基、または炭素数5または6の環状構造を含む炭素数5~11の脂肪族炭化水素基であり、y2は5~20の整数である、請求項1~6のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。 - 前記F 2 が炭素数4~11の直鎖の脂肪族炭化水素基、又は炭素数5~18の分岐の脂肪族炭化水素基である、請求項1~11のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記離型剤の重量平均分子量が300~1000である、請求項1~13のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記離型剤の含有量が不揮発性成分中0.5質量%以上7.0質量%以下である、請求項1~14のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記インプリント用硬化性組成物に含まれる重合性化合物が、23℃において33mN/m以上の表面張力を示す、請求項1~15のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記インプリント用硬化性組成物に含まれる重合性化合物の粘度が20mPa・s以下であり、かつ、組成物中の溶剤含有量がインプリント用硬化性組成物の3質量%以下である、請求項1~16のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 前記インプリント用硬化性組成物の23℃における表面張力が28mN/m以上38mN/mである、請求項1~17のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物。
- 請求項1~18のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物を硬化してなる硬化物。
- 前記硬化物が、シリコン基板の上に設けられている、請求項19に記載の硬化物。
- 請求項1~18のいずれか1項に記載のインプリント用硬化性組成物を、基板上またはモールド上に適用し、前記インプリント用硬化性組成物を、前記モールドと前記基板で挟んだ状態で光照射することを含むパターン形成方法。
- 前記パターンのサイズが20nm以下のライン、ホール、ピラーのいずれかの形状を含む請求項21に記載のパターン形成方法。
- 請求項21または22に記載のパターン形成方法で得られたパターンをマスクとしてエッチングを行う、リソグラフィー方法。
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