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特開2024-159590エッチングマスクパターンの製造方法及びエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024159590
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】エッチングマスクパターンの製造方法及びエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/027 20060101AFI20241031BHJP
   C08F 8/34 20060101ALI20241031BHJP
   C08F 297/00 20060101ALI20241031BHJP
   C08L 53/00 20060101ALI20241031BHJP
【FI】
H01L21/30 502D
C08F8/34
C08F297/00
C08L53/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024067050
(22)【出願日】2024-04-17
(31)【優先権主張番号】P 2023073812
(32)【優先日】2023-04-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2023216947
(32)【優先日】2023-12-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000220239
【氏名又は名称】東京応化工業株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京科学大学
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100189337
【弁理士】
【氏名又は名称】宮本 龍
(74)【代理人】
【識別番号】100178847
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 映美
(74)【代理人】
【識別番号】100211122
【弁理士】
【氏名又は名称】白石 卓也
(72)【発明者】
【氏名】瀬下 武広
(72)【発明者】
【氏名】太宰 尚宏
(72)【発明者】
【氏名】早川 晃鏡
(72)【発明者】
【氏名】前川 伸祐
(72)【発明者】
【氏名】上原 綾太
【テーマコード(参考)】
4J002
4J026
4J100
5F146
【Fターム(参考)】
4J002BP031
4J002EH156
4J002FD206
4J002GP03
4J002GQ01
4J026HA06
4J026HA26
4J026HA32
4J026HA39
4J026HB11
4J026HB20
4J026HB26
4J026HB32
4J026HB39
4J026HB45
4J026HB50
4J026HE01
4J100AL08P
4J100BA03P
4J100BA04P
4J100BA16P
4J100BA29P
4J100BA51P
4J100BA64P
4J100BA72P
4J100BB17P
4J100CA04
4J100DA05
4J100DA36
4J100DA41
4J100FA02
4J100FA03
4J100FA19
4J100GA18
4J100GC02
4J100HA61
4J100HB39
4J100HC09
4J100HC27
4J100HC43
4J100HC70
4J100HC77
4J100HE05
4J100HE08
4J100HE41
4J100HG01
4J100JA43
5F146AA28
(57)【要約】      (修正有)
【課題】エッチングマスクパターンに用いることが可能な樹脂組成物、及びこれを用いたエッチングマスクパターンの製造方法を提供する。
【解決手段】支持体上にエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布し、膜厚25nm以上のブロックコポリマーを含む層を形成する工程と、該層を相分離させる工程と、を有する製造方法。前記組成物は、一般式(b1)の構成単位で構成される第1のブロックと、一般式(b2m)の構成単位及び一般式(b2g)の構成単位のランダム共重合体である第2のブロックと、を有するブロックコポリマーを含有する。Rは、O又はSiを有してもよいアルキル基である。xは、モル比を表し、0超0.10以下である。

【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
支持体上に、エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布して、膜厚が25nm以上であるブロックコポリマーを含む層を形成する工程と、
前記のブロックコポリマーを含む層を相分離させる工程と、
を有し、
前記エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物は、第1のブロックと第2のブロックとを有するブロックコポリマーを含有し、
前記第1のブロックは、下記一般式(b1)で表される構成単位の繰り返し構造からなる重合体で構成され、
前記第2のブロックは、下記一般式(b2m)で表される構成単位と、下記一般式(b2g)で表される構成単位とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体で構成され、
前記第1のブロックと前記第2のブロックとの合計の体積に占める、前記第1のブロックの体積の割合は、20~80体積%である、
エッチングマスクパターンの製造方法。
【化1】
[式(b1)中、Rは、酸素原子又はケイ素原子を有してもよいアルキル基である。nは、0~5の整数である。nが2以上の整数である場合、複数のRは、それぞれ同じでもよく、異なってもよい。Rb1は、水素原子又はメチル基である。
式(b2g)中、Rは、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、シアノ基、アミノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよいアルキル基である。
は、ヒドロキシ基を有してもよい、炭素数1~10の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。
式(b2g)及び式(b2m)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。複数のRb2は、同一でもよいし異なっていてもよい。
xは、モル比を表し、0超0.10以下である。]
【請求項2】
第1のブロックと第2のブロックとを有するブロックコポリマーを含有するエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物であって、
前記第1のブロックは、下記一般式(b1)で表される構成単位の繰り返し構造からなる重合体で構成され、
前記第2のブロックは、下記一般式(b2m)で表される構成単位と、下記一般式(b2g)で表される構成単位とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体で構成され、
前記第1のブロックと前記第2のブロックとの合計の体積に占める、前記第1のブロックの体積の割合は、20~80体積%である、
エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物。
【化2】
[式(b1)中、Rは、酸素原子又はケイ素原子を有してもよいアルキル基である。nは、0~5の整数である。nが2以上の整数である場合、複数のRは、それぞれ同じでもよく、異なってもよい。Rb1は、水素原子又はメチル基である。
式(b2g)中、Rは、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、シアノ基、アミノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよいアルキル基である。
は、ヒドロキシ基を有してもよい、炭素数1~10の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。
式(b2g)及び式(b2m)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。複数のRb2は、同一でもよいし異なっていてもよい。
xは、モル比を表し、0超0.10以下である。]
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エッチングマスクパターンの製造方法及びエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、大規模集積回路(LSI)のさらなる微細化に伴い、より繊細な構造体を加工する技術が求められている。
このような要望に対し、互いに非相溶性のブロック同士が結合したブロックコポリマーの自己組織化により形成される相分離構造を利用して、より微細なパターンを形成する技術の開発が行われている(例えば、特許文献1参照)。
ブロックコポリマーの相分離構造を利用するためには、ミクロ相分離により形成される自己組織化ナノ構造を、特定の領域のみに形成し、かつ、所望の方向へ配列させることが必須とされる。これらの位置制御及び配向制御を実現するために、ガイドパターンによって相分離パターンを制御するグラフォエピタキシーや、基板の化学状態の違いによって相分離パターンを制御するケミカルエピタキシー等のプロセスが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
ブロックコポリマーは、相分離により規則的な周期構造の構造体を形成する。
「構造体の周期」とは、相分離構造の構造体が形成された際に観察される相構造の周期を意味し、互いに非相溶である各相の長さの和をいう。相分離構造が基板表面に対して垂直なシリンダー構造を形成する場合、構造体の周期(L0)は、隣接する2つのシリンダー構造の中心間距離(ピッチ)となる。
【0004】
L0 ∝ a・N2/3・χ1/6 ・・・(1)
[式中、L0は、構造体の周期を表す。aは、モノマーの大きさを示すパラメータである。Nは、重合度を表す。χは、相互作用パラメータであり、この値が大きいほど、相分離性能が高いことを意味する。]
【0005】
したがって、ブロックコポリマーの組成及び総分子量を調整することによって、構造体の周期(L0)を調節することができる。
ブロックコポリマーが形成する周期構造は、ポリマー成分の体積比等に伴ってシリンダー(柱状)、ラメラ(板状)、スフィア(球状)と変化し、その周期は分子量に依存することが知られている。
【0006】
ブロックコポリマーの自己組織化により形成される相分離構造を利用して、微細パターンを形成するためには、ブロックコポリマーにより形成される相分離構造が垂直配向性を有していることが好ましい。例えば特許文献2の実施例には、基板上に形成されたブロックコポリマーの膜厚が24nmである場合に、垂直配向性を有する相分離構造を形成することが可能なブロックコポリマーが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2008-36491号公報
【特許文献2】特開2022-20519号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】プロシーディングスオブエスピーアイイー(Proceedings of SPIE),第7637巻,第76370G-1(2010年).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ブロックコポリマーにより形成された相分離構造をエッチングマスクに適用するためには、比較的厚い膜厚(例えば、膜厚25nm以上)で垂直配向させる必要がある。しかしながら、特許文献2に記載されたブロックコポリマーは、膜厚が大きくなると、垂直配向した相分離構造を形成しにくくなる。
【0010】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成可能なエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物、及びこれを用いたエッチングマスクパターンの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、以下の態様を含む。
本発明の第1の態様は、支持体上に、エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布して、膜厚が25nm以上であるブロックコポリマーを含む層を形成する工程と、前記のブロックコポリマーを含む層を相分離させる工程と、を有し、前記エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物は、第1のブロックと第2のブロックとを有するブロックコポリマーを含有し、前記第1のブロックは、下記一般式(b1)で表される構成単位の繰り返し構造からなる重合体で構成され、前記第2のブロックは、下記一般式(b2m)で表される構成単位と、下記一般式(b2g)で表される構成単位とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体で構成され、前記第1のブロックと前記第2のブロックとの合計の体積に占める、前記第1のブロックの体積の割合は、20~80体積%である、エッチングマスクパターンの製造方法である。
【0012】
【化1】
[式(b1)中、Rは、酸素原子又はケイ素原子を有してもよいアルキル基である。nは、0~5の整数である。nが2以上の整数である場合、複数のRは、それぞれ同じでもよく、異なってもよい。Rb1は、水素原子又はメチル基である。
式(b2g)中、Rは、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよいアルキル基である。
は、ヒドロキシ基を有してもよい、炭素数1~10の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。
式(b2g)及び式(b2m)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。複数のRb2は、同一でもよいし異なっていてもよい。
xは、モル比を表し、0超0.10以下である。]
【0013】
本発明の第2の態様は、第1のブロックと第2のブロックとを有するブロックコポリマーを含有するエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物であって、前記第1のブロックは、下記一般式(b1)で表される構成単位の繰り返し構造からなる重合体で構成され、前記第2のブロックは、下記一般式(b2m)で表される構成単位と、下記一般式(b2g)で表される構成単位とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体で構成され、前記第1のブロックと前記第2のブロックとの合計の体積に占める、前記第1のブロックの体積の割合は、20~80体積%である、エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物である。
【0014】
【化2】
[式(b1)中、Rは、酸素原子又はケイ素原子を有してもよいアルキル基である。nは、0~5の整数である。nが2以上の整数である場合、複数のRは、それぞれ同じでもよく、異なってもよい。Rb1は、水素原子又はメチル基である。
式(b2g)中、Rは、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよいアルキル基である。
は、ヒドロキシ基を有してもよい、炭素数1~10の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。
式(b2g)及び式(b2m)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。複数のRb2は、同一でもよいし異なっていてもよい。
xは、モル比を表し、0超0.10以下である。]
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、エッチングマスクパターンに用いることが可能な樹脂組成物、及びこれを用いたエッチングマスクパターンの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】相分離構造を含む構造体の製造方法の一実施形態例を説明する概略工程図である。
図2】任意工程の一実施形態例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本明細書及び本特許請求の範囲において、「脂肪族」とは、芳香族に対する相対的な概念であって、芳香族性を持たない基、化合物等を意味するものと定義する。
「アルキル基」は、特に断りがない限り、直鎖状、分岐鎖状及び環状の1価の飽和炭化水素基を包含するものとする。アルコキシ基中のアルキル基も同様である。
「アルキレン基」は、特に断りがない限り、直鎖状、分岐鎖状及び環状の2価の飽和炭化水素基を包含するものとする。
「ハロゲン化アルキル基」は、アルキル基の水素原子の一部又は全部がハロゲン原子で置換された基であり、該ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。
「フッ素化アルキル基」又は「フッ素化アルキレン基」は、アルキル基又はアルキレン基の水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換された基をいう。
「構成単位」とは、高分子化合物(樹脂、重合体、共重合体)を構成するモノマー単位(単量体単位)を意味する。
「置換基を有していてもよい」と記載する場合、水素原子(-H)を1価の基で置換する場合と、メチレン基(-CH-)を2価の基で置換する場合との両方を含む。
「露光」は、放射線の照射全般を含む概念とする。
「α位(α位の炭素原子)」とは、特に断りがない限り、ブロックコポリマーの側鎖が結合している炭素原子を意味する。メタクリル酸メチル単位の「α位の炭素原子」は、メタクリル酸のカルボニル基が結合している炭素原子を意味する。スチレン単位の「α位の炭素原子」は、ベンゼン環が結合している炭素原子のことを意味する。
「数平均分子量」(Mn)は、特に断りがない限り、サイズ排除クロマトグラフィーにより測定される標準ポリスチレン換算の数平均分子量である。「質量平均分子量」(Mw)は、特に断りがない限り、サイズ排除クロマトグラフィーにより測定される標準ポリスチレン換算の質量平均分子量である。Mn又はMwの値に、単位(g・mol)を付したものはモル質量を表す。
本明細書及び本特許請求の範囲において、化学式で表される構造によっては不斉炭素が存在し、エナンチオ異性体(enantiomer)やジアステレオ異性体(diastereomer)が存在し得るものがあるが、その場合は一つの式でそれら異性体を代表して表す。それらの異性体は単独で用いてもよいし、混合物として用いてもよい。
【0018】
(エッチングマスクパターンの製造方法)
本実施形態のエッチングマスクパターンの製造方法は、支持体上に、エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布して、ブロックコポリマーを含む層を形成する工程(以下「工程(i)」という。)と、前記のブロックコポリマーを含む層を相分離させる工程(以下「工程(ii)」という。)と、を有する。
以下、かかるエッチングマスクパターンの製造方法について、図1を参照しながら具体的に説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではない。
【0019】
図1は、エッチングマスクパターンの製造方法の一実施形態例を示す。
図1に示す実施形態では、まず、支持体1上に下地剤を塗布して、下地剤層2を形成する(図1(I))。
次に、下地剤層2上に、上述した実施形態のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布して、上記(BCP)成分を含む層(BCP層)3を形成する(図1(II);以上、工程(i))。
次に、加熱してアニール処理を行い、BCP層3を、相3aと相3bとに相分離させる(図1(III);工程(ii))。
かかる実施形態の製造方法、すなわち、工程(i)及び工程(ii)を有する製造方法によれば、下地剤層2が形成された支持体1上に、相分離構造を含む構造体3’が得られる。この相分離構造を含む構造体3’を用いて、エッチングマスクパターンを製造することができる。
なお、後述するエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物における「第1のブロック」及び「第2のブロック」を、それぞれ、「ブロック(b1)」及び「ブロック(b2)」という場合がある。
【0020】
[工程(i)]
工程(i)では、支持体1上に、エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布して、膜厚が25nm以上であるBCP層3を形成する。BCP層3の膜厚は、28nm以上であってもよいし、30nm以上であってもよいし、32nm以上であってもよいし、34nm以上であってもよいし、36nm以上であってもよい。
図1に示す実施形態においては、まず、支持体1上に、下地剤を塗布して、下地剤層2が形成されている。
支持体1上に下地剤層2を設けることによって、支持体1表面と、ブロックコポリマーを含む層(BCP層)3と、の親水疎水バランスが図れる。
すなわち、下地剤層2が、上記ブロック(b1)を構成する構成単位を有する樹脂成分を含有する場合、BCP層3のうちブロック(b1)からなる相と支持体1との密着性が高まる。下地剤層2が、上記ブロック(b2)を構成する構成単位を有する樹脂成分を含有する場合、BCP層3のうちブロック(b2)からなる相と支持体1との密着性が高まる。
これに伴い、BCP層3の相分離によって、支持体1表面に対して垂直方向に配向されたシリンダー構造、ラメラ構造が形成されやすくなる。
【0021】
下地剤:
下地剤としては、樹脂成分を含有する樹脂組成物を用いることができる。
下地剤用の樹脂成分は、(BCP)成分を構成するブロックの種類に応じて、薄膜形成に用いられる従来公知の樹脂成分の中から適宜選択することができる。
下地剤用の樹脂成分は、例えば熱重合性樹脂であってもよく、ポジ型レジスト組成物やネガ型レジスト組成物等に含まれる感光性樹脂であってもよい。その他、化合物を表面処理剤とし、該化合物を塗布して形成された非重合性膜を下地剤層としてもよい。たとえば、フェネチルトリクロロシラン、オクタデシルトリクロロシラン、ヘキサメチルジシラザン等を表面処理剤として形成されたシロキサン系有機単分子膜も、下地剤層として好適に用いることができる。
【0022】
このような樹脂成分としては、例えば、ブロック(b1)及びブロック(b2)をそれぞれ構成する構成単位をいずれも有する樹脂を含有する樹脂や、(BCP)成分を構成する各ブロックと親和性の高い構成単位をいずれも有する樹脂が挙げられる。
【0023】
下地剤用の樹脂成分としては、たとえば、芳香環等のスチレンと親和性の高い部位と、メタクリル酸メチルと親和性の高い部位(極性の高い官能基等)と、の両方を含む化合物又は樹脂を用いることが好ましい。
スチレンと親和性の高い部位と、メタクリル酸メチルと親和性の高い部位と、の両方を含む樹脂成分としては、例えば、モノマーとして、少なくとも、芳香環を有するモノマーと、極性の高い官能基を有するモノマーと、を重合させて得られる樹脂が挙げられる。芳香環を有するモノマーとしては、フェニル基、ビフェニル(biphenyl)基、フルオレニル(fluorenyl)基、ナフチル基、アントリル(anthryl)基、フェナントリル基等の、芳香族炭化水素の環から水素原子を1つ除いたアリール基、又は、これらの基の環を構成する炭素原子の一部が酸素原子、硫黄原子、窒素原子等のヘテロ原子で置換されたヘテロアリール基等を有するモノマーが挙げられる。また、極性の高い官能基を有するモノマーとしては、トリメトキシシリル基、トリクロロシリル基、エポキシ基、グリシジル基、カルボキシ基、水酸基、シアノ基、アルキル基の水素原子の一部がヒドロキシ基で置換されたヒドロキシアルキル基等を有するモノマーが挙げられる。
その他、スチレンと親和性の高い部位と、メタクリル酸メチルと親和性の高い部位と、の両方を含む化合物としては、フェネチルトリクロロシラン等のアリール基と極性の高い官能基との両方を含む化合物や、アルキルシラン化合物等のアルキル基と極性の高い官能基との両方を含む化合物等が挙げられる。
【0024】
下地剤用の樹脂成分としては、例えば、スチレンとメタクリル酸メチルとの両方を構成単位として有する樹脂、スチレン、メタクリル酸メチル及び(ヒドロキシエチル)メタクリレートの全てを構成単位として有する樹脂が挙げられる。
【0025】
下地剤用の樹脂組成物が異なる2種以上の構成単位を有する場合、その樹脂としては、ランダムコポリマー、スチレンとメタクリル酸メチルとの交互ポリマー(各モノマーが交互に共重合しているもの)等が挙げられる。
【0026】
下地剤は、上述の樹脂成分を溶媒に溶解させて製造することができる。
かかる溶媒としては、使用する各成分を溶解し、均一な溶液とすることができるものであればよく、たとえば、上述した実施形態のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物についての説明の中で例示した有機溶剤成分と同様のものが挙げられる。
【0027】
支持体1は、その表面上に樹脂組成物を塗布し得るものであれば、その種類は特に限定されない。例えば、金属(シリコン、銅、クロム、鉄、アルミニウム等)、ガラス、酸化チタン、シリカ、マイカなどの無機物からなる基板;SiO等酸化物からなる基板;SiN等窒化物からなる基板;SiON等の酸化窒化物からなる基板;アクリル、ポリスチレン、セルロース、セルロースアセテート、フェノール樹脂などの有機物からなる基板が挙げられる。これらの中でも、金属の基板が好適であり、例えばシリコン基板(Si基板)又は銅基板(Cu基板)において、垂直配向されたシリンダー構造、ラメラ構造の構造体が形成されやすい。中でも、Si基板が特に好適である。
支持体1の大きさや形状は、特に限定されるものではない。支持体1は、必ずしも平滑な表面を有する必要はなく、様々な形状の基板を適宜選択できる。例えば、曲面を有する基板、表面が凹凸形状の平板、薄片状などの形状の基板が挙げられる。
【0028】
支持体1の表面には、無機系及び/又は有機系の膜が設けられていてもよい。
無機系の膜としては、無機反射防止膜(無機BARC)が挙げられる。有機系の膜としては、有機反射防止膜(有機BARC)が挙げられる。
無機系の膜は、例えば、シリコン系材料などの無機系の反射防止膜組成物を、支持体上に塗工し、焼成等することにより形成できる。
有機系の膜は、例えば、該膜を構成する樹脂成分等を有機溶剤に溶解した有機膜形成用材料を、基板上にスピンナー等で塗布し、好ましくは200~300℃、好ましくは30~300秒間、より好ましくは60~180秒間の加熱条件でベーク処理することにより形成できる。この有機膜形成用材料は、レジスト膜のような、光や電子線に対する感受性を必ずしも必要とするものではなく、感受性を有するものであってもよく、有しないものであってもよい。具体的には、半導体素子や液晶表示素子の製造において一般的に用いられているレジストや樹脂を用いることができる。
また、BCP層3を加工して形成される、ブロックコポリマーからなるパターン、を用いて有機系の膜をエッチングすることにより、該パターンを有機系の膜へ転写し、有機系の膜パターンを形成できるように、有機膜形成用材料は、エッチング、特にドライエッチング可能な有機系の膜を形成できる材料であることが好ましい。中でも、酸素プラズマエッチング等のエッチングが可能な有機系の膜を形成できる材料であることが好ましい。このような有機膜形成用材料としては、従来、有機BARCなどの有機膜を形成するために用いられている材料であってよい。例えば、日産化学工業株式会社製のARCシリーズ、ロームアンドハース社製のARシリーズ、東京応化工業株式会社製のSWKシリーズなどが挙げられる。
【0029】
下地剤を支持体1上に塗布して下地剤層2を形成する方法としては、特に限定されず、従来公知の方法により形成できる。
たとえば、下地剤を、スピンコート又はスピンナーを用いる等の従来公知の方法により支持体1上に塗布して塗膜を形成し、乾燥させることにより、下地剤層2を形成できる。
塗膜の乾燥方法としては、下地剤に含まれる溶媒を揮発させることができればよく、たとえばベークする方法等が挙げられる。この際、ベーク温度は、80~300℃が好ましく、180~270℃がより好ましく、220~270℃がさらに好ましい。ベーク時間は、30~500秒間が好ましく、60~400秒間がより好ましい。
塗膜の乾燥後における下地剤層2の厚さは、10~100nm程度が好ましく、20~50nm程度がより好ましい。
【0030】
支持体1に下地剤層2を形成する前に、支持体1の表面は、予め洗浄されていてもよい。支持体1表面を洗浄することにより、下地剤の塗布性が向上する。
洗浄処理方法としては、従来公知の方法を利用でき、例えば酸素プラズマ処理、オゾン酸化処理、酸アルカリ処理、化学修飾処理等が挙げられる。
【0031】
下地剤層2を形成した後、必要に応じて、溶剤等のリンス液を用いて下地剤層2をリンスしてもよい。該リンスにより、下地剤層2中の未架橋部分等が除去されるため、ブロックコポリマーを構成する少なくとも1つのブロックとの親和性が向上し、支持体1表面に対して垂直方向に配向されたシリンダー構造、ラメラ構造からなる相分離構造が形成されやすくなる。
尚、リンス液は、未架橋部分を溶解し得るものであればよく、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、乳酸エチル(EL)等の溶剤、又は市販のシンナー液等を用いることができる。
また、該洗浄後は、リンス液を揮発させるため、ポストベークを行ってもよい。このポストベークの温度条件は、80~250℃が好ましく、80~200℃がより好ましく、80~150℃がさらに好ましい。ベーク時間は、30~500秒間が好ましく、60~240秒間がより好ましい。かかるポストベーク後における下地剤層2の厚さは、1~10nm程度が好ましく、2~7nm程度がより好ましい。
【0032】
次いで、下地剤層2の上に、(BCP)成分を含む層(BCP層)3を形成する。
下地剤層2の上にBCP層3を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、例えばスピンコート又はスピンナーを用いる等の従来公知の方法により、下地剤層2上に、上述した実施形態のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布して塗膜を形成し、乾燥させる方法が挙げられる。
【0033】
BCP層3の厚さは、エッチングマスクとして用いることができ、かつ、相分離が起こるために充分な厚さであればよい。
BCP層3の膜厚は、25nm以上であり、28nm以上であってもよいし、30nm以上であってもよいし、32nm以上であってもよいし、34nm以上であってもよいし、36nm以上であってもよい。膜厚が前記下限値以上であることにより、BCP層3から形成された相分離構造は、エッチング中に残存しやすくなり、マスクとして機能しやすくなる。
BCP層3の膜厚は、100nm以下であってもよいし、75nm以下であってもよいし、50nm以下であってもよいし、45nm以下であってもよい。膜厚が前記上限値以下であることにより、所望の周期サイズを有する相分離構造を得やすくなり、ナノ構造体の均一性を高めやすくなる。
BCP層3の膜厚は、25~100nmが好ましい。例えば、支持体1がSi基板の場合、BCP層3の厚さは、好ましくは25~100nm、より好ましくは30~75nmに調整される。
【0034】
[工程(ii)]
工程(ii)では、支持体1上に形成されたBCP層3を相分離させる。
工程(i)後の支持体1を加熱してアニール処理を行うことで、ブロックコポリマーの選択除去によって、支持体1表面の少なくとも一部が露出するような相分離構造が形成される。すなわち、支持体1上に、相3aと相3bとに相分離した相分離構造を含む構造体3’が製造される。
アニール処理の温度条件は、用いられている(BCP)成分のガラス転移温度以上であり、かつ、熱分解温度未満で行うことが好ましく、例えばブロックコポリマーがポリスチレン-ポリメチルメタクリレート(PS-PMMA)ブロックコポリマー(質量平均分子量5000~100000)の場合には、180~270℃が好ましい。加熱時間は、30~3600秒間が好ましい。
また、アニール処理は、窒素等の反応性の低いガス中で行われることが好ましい。
【0035】
[工程(iii)]
工程(iii)では、構造体3’のうち、前記(BCP)成分を構成する第1ブロック及び第2ブロックのうちの少なくとも一種類のブロックからなる相を選択的に除去する。これにより、微細なパターン(高分子ナノ構造体)が形成され、エッチングマスクパターンが得られる。
【0036】
ブロックからなる相を選択的に除去する方法としては、BCP層に対して酸素プラズマ処理を行う方法、水素プラズマ処理を行う方法等が挙げられる。
例えば、前記(BCP)成分を含むBCP層を相分離した後、該BCP層に対して酸素プラズマ処理や水素プラズマ処理等を行うことにより、ブロック(b1)からなる相は選択的に除去されず、ブロック(b2)からなる相が選択的に除去される。
【0037】
図2は、工程(iii)の一実施形態例を示す。
図2に示す実施形態においては、工程(ii)で支持体1上に製造された構造体3’に、酸素プラズマ処理を行うことによって、相3aが選択的に除去され、離間した相3bからなるパターン(高分子ナノ構造体)が形成されている。この場合、相3bがブロック(b1)からなる相であり、相3aがブロック(b2)からなる相である。
【0038】
上記のようにして前記(BCP)成分からなるBCP層3の相分離によってパターンが形成された支持体1は、そのまま使用することもできるが、さらに加熱することにより、支持体1上のパターン(高分子ナノ構造体)の形状を変更することもできる。
加熱の温度条件は、用いるブロックコポリマーのガラス転移温度以上であり、かつ、熱分解温度未満が好ましい。また、加熱は、窒素等の反応性の低いガス中で行われることが好ましい。
【0039】
本実施形態のエッチングマスクパターンの製造方法においては、以下のようなエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を用いることにより、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成可能である。以下、このエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物について詳細に説明する。
【0040】
[エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物]
本実施形態のエッチングマスクパターンの製造方法で用いられるエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物は、第1のブロックと第2のブロックとを有するブロックコポリマーを含有する。前記第1のブロックは、下記一般式(b1)で表される構成単位の繰り返し構造からなる重合体で構成される。前記第2のブロックは、下記一般式(b2m)で表される構成単位と、下記一般式(b2g)で表される構成単位とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体で構成される。前記第1のブロックと前記第2のブロックとの合計の体積に占める、前記第1のブロックの体積の割合は、20~80体積%である。
【0041】
【化3】
[式(b1)中、Rは、酸素原子又はケイ素原子を有してもよいアルキル基である。nは、0~5の整数である。nが2以上の整数である場合、複数のRは、それぞれ同じでもよく、異なってもよい。Rb1は、水素原子又はメチル基である。
式(b2g)中、Rは、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよいアルキル基である。
は、ヒドロキシ基を有してもよい、炭素数1~10の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。
式(b2g)及び式(b2m)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。複数のRb2は、同一でもよいし異なっていてもよい。
xは、モル比を表し、0超0.10以下である。]
【0042】
<ブロックコポリマー:(BCP)成分>
ブロックコポリマーは、複数種類のブロック(同種の構成単位が繰り返し結合した部分構成成分)が結合した高分子である。ブロックコポリマーを構成するブロックは、2種類であってもよく、3種類以上であってもよい。
本実施形態におけるブロックコポリマー(以下、「(BCP)成分」ともいう)は、第1のブロックと、第2のブロックとを有する。
【0043】
≪第1のブロック≫
第1のブロックは、下記一般式(b1)で表される構成単位(以下、構成単位(b1)ともいう)の繰り返し構造からなる重合体で構成される。
【0044】
【化4】
[式中、Rは、酸素原子又はケイ素原子を有してもよいアルキル基である。nは、0~5の整数である。nが2以上の整数である場合、複数のRは、それぞれ同じでもよく、異なってもよい。Rb1は、水素原子又はメチル基である。]
【0045】
前記式(b1)中、Rは、酸素原子又はケイ素原子を有してもよいアルキル基である。Rのアルキル基がケイ素原子を有する場合、前記ケイ素原子は、アルキル基中のメチレン基(-CH-)を置換する置換基であってもよい。Rのアルキル基が酸素原子を有する場合、前記酸素原子は、アルキル基中のメチレン基(-CH-)を置換する置換基であってもよい。前記アルキル基は、炭素数1~5が好ましく、炭素数1~4がより好ましく、炭素数1~3がさらに好ましく、エチル基又はメチル基が特に好ましく、メチル基が最も好ましい。
【0046】
前記式(b1)中、Rb1は、水素原子又はメチル基である。
【0047】
前記式(b1)中、nは、0~3が好ましく、0~2がより好ましく、0又は1がさらに好ましい。
【0048】
≪第2のブロック≫
第2のブロックは、下記一般式(b2m)で表される構成単位(以下、構成単位(b2m)ともいう)と、下記一般式(b2g)で表される構成単位(以下、構成単位(b2g)ともいう)とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体で構成される。
【0049】
【化5】
[式(b2g)中、Rは、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよいアルキル基である。
は、ヒドロキシ基を有してもよい、炭素数1~10の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。
式(b2g)及び式(b2m)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。複数のRb2は、同一でもよいし異なっていてもよい。
xは、モル比を表し、0超0.10以下である。]
【0050】
(構成単位(b2m))
構成単位(b2m)は、前記一般式(b2m)で表される構成単位である。
前記式(b2m)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。Rb2の炭素数1~5のアルキル基は、炭素数1~5の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基等が挙げられる。炭素数1~5のハロゲン化アルキル基は、前記炭素数1~5のアルキル基の水素原子の一部または全部がハロゲン原子で置換された基である。該ハロゲン原子としては、特にフッ素原子が好ましい。
b2としては、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のフッ素化アルキル基が好ましく、工業上の入手の容易さから、水素原子又はメチル基がより好ましく、メチル基がさらに好ましい。
【0051】
(構成単位(b2g))
構成単位(b2g)は、前記一般式(b2g)で表される構成単位である。
【0052】
前記式(b2g)中、Rb2は、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又は炭素数1~5のハロゲン化アルキル基である。Rb2は、前記式(b2m)中のRb2と同様である。
【0053】
前記式(b2g)中、Rは、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよいアルキル基である。前記アルキル基は、直鎖状、分岐鎖状でもよく、環構造を含むものでもよい。前記アルキル基は、直鎖状分岐鎖状又は環状のアルキル基が好ましく、直鎖状又は環状のアルキル基がより好ましい。
前記アルキル基が直鎖状である場合、炭素数は1以上であればよいが、炭素数2以上が好ましい。前記直鎖状のアルキル基の炭素数の上限は特に限定されないが、相分離性能の観点から、炭素数15以下が好ましく、炭素数10以下がより好ましく、炭素数8以下がさらに好ましく、炭素数6以下が特に好ましい。
前記アルキル基が分岐状である場合、炭素数3以上であればよい。前記分岐状のアルキル基の炭素数の上限は特に限定されないが、相分離性能の観点から、炭素数15以下が好ましく、炭素数10以下がより好ましく、炭素数8以下がさらに好ましく、炭素数6以下が特に好ましい。前記アルキル基の炭素数としては、炭素数2~15が好ましく、炭素数2~10がより好ましく、炭素数2~8がさらに好ましく、炭素数2~6がさらにより好ましく、炭素数2~5が特に好ましい。
前記アルキル基が環構造を含む場合、Rは、シクロアルキル基でもよく、直鎖状若しくは分岐鎖状のアルキル基の途中にシクロアルキレン基が介在するものでもよく、直鎖状又は分岐状のアルキレン基の末端にシクロアルキル基が結合するものでもよい。前記シクロアルキル基及びシクロアルキレン基は、単環式基でもよく、多環式基でもよいが、単環式基が好ましい。前記シクロアルキル基又はシクロアルキレン基が単環式基である場合、3~8員環が好ましく、3~6員環がより好ましく、5~6員環がさらに好ましい。前記アルキル基が環構造を含む場合、Rは、炭素原子数3以上であればよい。前記環構造を含むアルキル基の炭素原子数の上限は特に限定されないが、相分離性能の観点から、炭素原子数15以下が好ましく、炭素原子数10以下がより好ましく、炭素原子数8以下がさらに好ましく、炭素原子数6以下がさらにより好ましい。
におけるアルキル基の炭素原子数としては、炭素原子数2~15が好ましく、炭素原子数2~10がより好ましく、炭素原子数2~8がさらに好ましく、炭素原子数2~6がさらにより好ましい。
のアルキル基は、炭素数2~6の直鎖状アルキル基又はシクロアルキル基が好ましい。
【0054】
のアルキル基は、ケイ素原子、フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有してもよい。Rのアルキル基が、フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基を有する場合、前記フッ素原子、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ヒドロキシ基又はリン酸基は、アルキル基の水素原子を置換する置換基であってよい。前記の基で置換される水素原子の数は、特に限定されないが、1~3個が好ましい。
のアルキル基がケイ素原子を有する場合、前記ケイ素原子は、アルキル基中のメチレン基(-CH-)を置換する置換基であってもよい。ケイ素原子で置換されるメチレン基の数は、特に限定されないが、1個が好ましい。
は、好ましくは、アルキルシリル基、フルオロメチル基、カルボキシ基、アミノ基、ヒドロキシ基、又はリン酸基で置換されてもよいアルキル基であることが好ましい。前記アルキルシリル基中のアルキル基は、炭素数1~3が好ましく、炭素数1又は2がより好ましい。前記アルキルシリル基は、トリアルキルシリル基が好ましく、トリエチルシリル基又はトリメチルシリル基がより好ましく、トリメチルシリル基がさらに好ましい。前記フルオロメチル基は、トリフルオロメチル基が好ましい。
【0055】
が置換基を有する直鎖状のアルキル基である場合について、Rの好ましい例を以下に示すが、これらに限定されない。下記式中、*は、前記式(b2g)中の硫黄原子(S)に結合する結合手である。
【0056】
【化6】

[式中、Yは、単結合又は炭素数1~15の直鎖状、分岐鎖状のアルキレン基である。pは、1~10の整数である。]
【0057】
前記式(r2-1)~(r2-9)中、Yは、単結合又は炭素数1~15の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。
前記アルキレン基が直鎖状である場合、炭素数1~10がより好ましく、炭素数1~8がさらに好ましく、炭素数1~5が特に好ましい。前記アルキレン基が分岐状である場合、炭素数2~10がより好ましく、炭素数2~8がさらに好ましく、炭素数2~6が特に好ましい。
のアルキレン基は、炭素数1~5の直鎖状アルキレン基又は炭素原子数2~6の分岐鎖状のアルキレン基が好ましい。
が、前記式(r2-1)~(r2-8)のいずれかで表される基である場合、Yは炭素原子数1~15の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基が好ましく、炭素原子数1~5の直鎖状アルキレン基又は炭素原子数2~6の分岐鎖状のアルキレン基がより好ましい。Rが、前記式(r2-9)で表される基である場合、Yは単結合又は炭素原子数1~5の直鎖状アルキレン基が好ましく、単結合がより好ましい。
前記式(r2-9)中、pは、1~6の整数が好ましく、1~4の整数がより好ましく、3又は4がさらに好ましい。
【0058】
の具体例を以下に示すが、これらに限定されない。下記式中、*は、前記式(b2g)中の硫黄原子(S)に結合する結合手である。
【0059】
【化7】
[式中、qは、1~15の整数である。q’は、0~15の整数である。pは、1~10の整数である。p’は、それぞれ独立に、0~10の整数である。]
【0060】
前記式中、qは、1~10が好ましく、1~8がより好ましく、1~6がさらに好ましく、1~5が特に好ましい。
前記式(r2-18)及び(r2-19)中、q’は、0~10が好ましく、0~8がより好ましく、0~6がさらに好ましく、0~5が特に好ましい。
前記式(r2-18)中、pは、1~6の整数が好ましく、1~4の整数がより好ましく、3又は4がさらに好ましい。
前記式(r2-19)中、p’は、1~8が好ましく、1~6がより好ましく、1~3がさらに好ましく、1又は2が特に好ましい。
【0061】
前記式(b2g)中、Rは、ヒドロキシ基を有してもよい、炭素数1~10の直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基である。前記アルキレン基が直鎖状である場合、炭素数は1以上であればよいが、炭素数3以上が好ましい。前記直鎖状のアルキレン基の炭素数の上限は、相分離性能の観点から、炭素数8以下が好ましく、炭素数5以下がより好ましく、炭素数4以下がさらに好ましい。前記直鎖状のアルキレン基の炭素数は、3が特に好ましい。前記アルキレン基が分岐状である場合、炭素数3以上であればよいが、4以上が好ましい。前記分岐状のアルキレン基の炭素数の上限は、相分離性能の観点から、炭素数8以下が好ましく、炭素数5以下がより好ましい。前記アルキレン基の炭素数としては、炭素数3~10が好ましく、炭素数3~8がより好ましく、炭素数3~5がさらに好ましく、炭素数3~4がさらにより好ましく、炭素数3が特に好ましい。
のアルキレン基は、炭素数3の直鎖状アルキレン基が好ましい。
【0062】
のアルキレン基は、ヒドロキシ基を有していてもよい。前記ヒドロキシ基は、アルキレン基の水素原子を置換する置換基であってよい。前記のヒドロキシ基で置換される水素原子の数は、特に限定されないが、1~3個が好ましく、1個又は2個がより好ましく、1個がさらに好ましい。
【0063】
構成単位(b2g)は、好ましくは、下記一般式(b2g-1)で表される構成単位である。
【0064】
【化8】
[式中、Rは、水素原子又はヒドロキシ基である。k1及びk2は、それぞれ独立に、1~5の整数である。Rb2及びRは、前記式(b2g)におけるRb2及びRと同様である。]
【0065】
前記式(b2g-1)中、Rb2及びRは、前記式(b2g)におけるRb2及びRと同様である。Rは、前記式(r2-1)~(r2-9)で表されるものが好ましく、(r2-10)~(r2-19)で表されるものがより好ましい。
【0066】
前記式(b2g-1)中、Rは、水素原子又はヒドロキシ基である。
【0067】
前記式(b2g-1)中、k1及びk2は、それぞれ独立に、1~5の整数である。k1及びk2は、1~3が好ましく、1又は2がより好ましく、1がさらに好ましい。
【0068】
構成単位(b2g)の具体例を以下に示すが、これらに限定されない。下記式中、Rは、メチル基又は水素原子を表し、メチル基が好ましい。
【0069】
【化9】
【0070】
【化10】
【0071】
【化11】
【0072】
【化12】
【0073】
第2のブロックは、前記構成単位(b2g)と構成単位(b2m)とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体で構成される。前記式(b2g)及び(b2m)中、x及び1-xは、構成単位(b2g)及び構成単位(b2m)のモル比を表す。xは0超0.10以下である。xは、0.10未満であることが好ましく、0.09以下がより好ましく、0.08以下が更に好ましく、0.07以下が特に好ましい。xは、0.0050以上が好ましく、0.0070以上がより好ましく、0.0090以上が更に好ましく、0.0095以上が特に好ましく、0.0099以上が最も好ましい。
xが上記下限値以上であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。xが上記上限値以下であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。
【0074】
(BCP)成分において、第1のブロックと第2のブロックとの合計の体積に占める、第1のブロックの体積の割合は、20~80体積%である。前記第1のブロックの体積の割合は、30体積%以上が好ましく、35体積%以上がより好ましい。前記第1のブロックの体積の割合の上限値としては、70体積%以下が好ましく、65%体積%以下がより好ましく、60体積%以下がさらに好ましい。
【0075】
(BCP)成分における第1のブロックと第2のブロックとの合計の体積に占める、第1のブロックの体積の割合は、下記のようにして求めることができる。
H NMRの解析結果から、(BCP)成分における第1のブロック及び第2のブロックのモル%をそれぞれ算出し、さらに、各ブロックの分子量から、各ブロックの質量%をそれぞれ算出する。前記各ブロックの質量%を各ブロックの密度で割ることにより、各ブロックの体積比を算出し、前記体積比から(BCP)成分における第1のブロックの体積%を算出する。各ブロックの密度は、原子団寄与法(Fedors, R. F. Polym. Eng. Sci. 1974, 14,147-154.)により見積もることができる。なお、第1のブロックがポリスチレンブロック(PS)である場合、PSの密度としては、1.05gm-3を用いることができる。第2のブロックがポリスチレンブロック(PS)である場合、PSの密度としては、1.05gm-3を用いることができる。第2のブロックがメタクリル酸メチルから誘導される構成単位を有する場合、前記構成単位から構成される構造の密度としては、1.18gcm-3を用いることができる。第2のブロックが2-ヒドロキシ-3-(2,2,2-トリフルオロエチルスルファニル)プロピルメタクリレートから誘導される構成単位を有する場合、前記構成単位から構成される構造の密度としては、1.43gcm-3を用いることができる。第2のブロックが、2-ヒドロキシ-3-(エチルスルファニル)プロピルメタクリレート、2-ヒドロキシ-3-(1-プロピル)プロピルメタクリレート、2-ヒドロキシ-3-(1-ヘキシル)プロピルメタクリレート、又は2-ヒドロキシ-3-(シクロヘキシル)プロピルメタクリレートから誘導される構成単位を有する場合、前記構成単位から構成される構造の密度としては、1.18gcm-3を用いることができる。
各ブロックの密度に関しては、文献(Polymer Handbook, 4th ed.; Wiley: New York, 2004.)等に記載されるものを用いることもできる。
【0076】
(BCP)成分は、第1のブロック及び第2のブロックに加えて、他のブロックを有していてもよい。好ましい態様において、(BCP)成分は、第1のブロックと第2のブロックとから構成されるブロックコポリマーである。
【0077】
(BCP)成分の数平均分子量(Mn)(サイズ排除クロマトグラフィーによるポリスチレン換算基準)は、特に限定されるものではないが、3,000~100,000が好ましく、5,000~50,000がより好ましく、6,000~40,000がさらに好ましく、8,000~30,000が特に好ましい。
(BCP)成分を構成する各ブロックの分子量分散度(Mw/Mn)は、1.0~1.5が好ましく、1.0~1.4がより好ましく、1.0~1.3がさらに好ましい。
【0078】
<有機溶剤成分>
上述のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物は、上記(BCP)成分を有機溶剤成分に溶解することにより調製できる。
有機溶剤成分としては、使用する各成分を溶解し、均一な溶液とすることができるものであればよく、従来、樹脂を主成分とする膜組成物の溶剤として公知のものの中から任意のものを用いることができる。
【0079】
有機溶剤成分としては、例えば、γ-ブチロラクトン等のラクトン類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチル-n-ペンチルケトン、メチルイソペンチルケトン、2-ヘプタノンなどのケトン類;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコールなどの多価アルコール類;エチレングリコールモノアセテート、ジエチレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノアセテート、またはジプロピレングリコールモノアセテート等のエステル結合を有する化合物;前記多価アルコール類または前記エステル結合を有する化合物のモノメチルエーテル、モノエチルエーテル、モノプロピルエーテル、モノブチルエーテル等のモノアルキルエーテルまたはモノフェニルエーテル等のエーテル結合を有する化合物等の多価アルコール類の誘導体[これらの中では、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)が好ましい];ジオキサンのような環式エーテル類や、乳酸メチル、乳酸エチル(EL)、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、メトキシプロピオン酸メチル、エトキシプロピオン酸エチルなどのエステル類;アニソール、エチルベンジルエーテル、クレジルメチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、フェネトール、ブチルフェニルエーテル、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン、ペンチルベンゼン、イソプロピルベンゼン、トルエン、キシレン、シメン、メシチレン等の芳香族系有機溶剤などが挙げられる。
有機溶剤成分は、単独で用いてもよいし、2種以上の混合溶剤として用いてもよい。中でも、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、シクロヘキサノン、ELが好ましい。
【0080】
また、PGMEAと極性溶剤とを混合した混合溶剤も好ましい。その配合比(質量比)は、PGMEAと極性溶剤との相溶性等を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは1:9~9:1、より好ましくは2:8~8:2の範囲内とすることが好ましい。
たとえば極性溶剤としてELを配合する場合は、PGMEA:ELの質量比は、好ましくは1:9~9:1、より好ましくは2:8~8:2である。また、極性溶剤としてPGMEを配合する場合は、PGMEA:PGMEの質量比は、好ましくは1:9~9:1、より好ましくは2:8~8:2、さらに好ましくは3:7~7:3である。また、極性溶剤としてPGMEおよびシクロヘキサノンを配合する場合は、PGMEA:(PGME+シクロヘキサノン)の質量比は、好ましくは1:9~9:1、より好ましくは2:8~8:2、さらに好ましくは3:7~7:3である。
【0081】
また、エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物中の有機溶剤成分として、その他には、PGMEAもしくはEL、又は前記PGMEAと極性溶剤との混合溶剤と、γ-ブチロラクトンと、の混合溶剤も好ましい。この場合、混合割合としては、前者と後者との質量比が好ましくは70:30~95:5とされる。
エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物に含まれる有機溶剤成分は、特に限定されるものではなく、塗布可能な濃度で、塗布膜厚に応じて適宜設定され、一般的には固形分濃度が0.2~70質量%、好ましくは0.2~50質量%の範囲内となるように用いられる。
【0082】
<任意成分>
上述のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物には、上記の(BCP)成分及び有機溶剤成分以外に、さらに、所望により、混和性のある添加剤、例えば層の性能を改良するための付加的樹脂、塗布性を向上させるための界面活性剤、溶解抑制剤、可塑剤、安定剤、着色剤、ハレーション防止剤、染料、増感剤、塩基増殖剤、塩基性化合物等を適宜、含有させることができる。
【0083】
以上説明した実施形態のエッチングマスクパターンの製造方法によれば、上述した実施形態のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物が用いられているため、ブロックコポリマーを含む層の膜厚が25nm以上であっても、垂直配向性を有する相分離構造を形成することが可能である。垂直配向したBCP層の特定の相を選択的に除去することにより、エッチングマスクを得ることが可能である。このようにして得られるエッチングマスクは、膜厚が25nm以上であるため、エッチング中に残存しやすくなり、エッチング耐性を高めやすくなる。
【0084】
加えて、実施形態のエッチングマスクパターンの製造方法によれば、支持体表面に、位置及び配向性がより自在にデザインされたナノ構造体を備える支持体を製造し得る。例えば、形成される構造体は、支持体との密着性が高く、支持体表面に対して垂直方向に配向されたシリンダー構造、ラメラ構造からなる相分離構造をとりやすい。
【0085】
[任意工程]
・ガイドパターン形成工程について
本実施形態に係るエッチングマスクパターンの製造方法においては、上述した工程(i)は、下地剤層上にガイドパターンを設ける工程(ガイドパターン形成工程)を有してもよい。これにより、相分離構造の配列構造制御が可能となる。すなわち、ガイドパターンが形成された下地剤層上に、エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を塗布してもよい。
例えば、ガイドパターンを設けない場合に、ランダムな指紋状の相分離構造が形成されるブロックコポリマーであっても、下地剤層表面にレジスト膜の溝構造を設けることにより、その溝に沿って配向した相分離構造が得られる。このような原理で、下地剤層2上にガイドパターンを設けてもよい。また、ガイドパターンの表面が、上記(BCP)成分を構成するいずれかのブロックと親和性を有することにより、支持体表面に対して垂直方向に配向されたシリンダー構造、ラメラ構造からなる相分離構造が形成しやすくなる。
【0086】
ガイドパターンは、例えばレジスト組成物を用いて形成できる。
ガイドパターンを形成するレジスト組成物は、一般的にレジストパターンの形成に用いられるレジスト組成物やその改変物の中から、上記(BCP)成分を構成するいずれかのブロックと親和性を有するものを適宜選択して用いることができる。該レジスト組成物としては、レジスト膜露光部が溶解除去されるポジ型パターンを形成するポジ型レジスト組成物、レジスト膜未露光部が溶解除去されるネガ型パターンを形成するネガ型レジスト組成物のいずれであってもよいが、ネガ型レジスト組成物であることが好ましい。ネガ型レジスト組成物としては、例えば、酸発生剤と、酸の作用により有機溶剤を含有する現像液への溶解性が酸の作用により減少する基材成分とを含有し、該基材成分が、酸の作用により分解して極性が増大する構成単位を有する樹脂成分、を含有するレジスト組成物が好ましい。
ガイドパターンが形成された下地剤層上にBCP組成物が流し込まれた後、相分離を起こすためにアニール処理が行われる。このため、ガイドパターンを形成するレジスト組成物としては、耐溶剤性と耐熱性とに優れたレジスト膜を形成し得るものであることが好ましい。
【0087】
(エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物)
本実施形態のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物としては、前記実施形態において上述したものが挙げられる。エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物におけるブロックコポリマー((BCP)成分)は、例えば以下に示す工程を有する製造方法により製造することができる。
【0088】
≪ブロックコポリマー((BCP)成分)の製造方法≫
工程(p1):第1のブロックと第2のブロックの前駆体とを有するブロックコポリマー(以下、「BCP前駆体」ともいう)を得る工程。
工程(p2):BCP前駆体中の第2のブロックの前駆体に、R-SHで表される化合物(Rは前記式(b2g)中のRと同様である。)を反応させて、第1のブロックと第2のブロックとを含有するブロックコポリマー((BCP)成分)を得る工程。
【0089】
工程(p1):
第2のブロックの前駆体は、構成単位(b2g)の前駆体である構成単位(b2gp)と、構成単位(b2m)とが無秩序に配列している構造からなるランダム共重合体である。構成単位(b2gp)は、エポキシ基又はビニル基を含む構成単位であり、下記一般式(b2gp)で表される構成単位が挙げられる。
【0090】
【化13】
[式中、Rb2及びxは、前記式(b2g)及び式(b2m)中のRb2及びxと同じである。Ypは、炭素数1~8の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基を表す。Rpは、エポキシ基又はビニル基を表す。]
【0091】
前記式(b2gp)及び(b2m)中、x及び1-xは、構成単位(b2gp)及び構成単位(b2m)のモル比を表す。xは、0超0.10以下である。xは、0.10未満であることが好ましく、0.09以下がより好ましく、0.08以下が更に好ましく、0.07以下が特に好ましい。xは、0.0050以上が好ましく、0.0070以上がより好ましく、0.0090以上が更に好ましく、0.0095以上が特に好ましく、0.0099以上が最も好ましい。
xが上記下限値以上であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。xが上記上限値以下であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。
【0092】
BCP前駆体は、例えば、構成単位(b1)を誘導するモノマー(例えば、スチレン又はその誘導体。以下、モノマー(b1)ともいう)の重合反応を行った後、当該重合反応液中に構成単位(b2gp)を誘導するモノマー(例えば、グリシジルメタクリレート、アリルメタクリレート等。以下、モノマー(b2gp)ともいう)及び構成単位(b2m)を誘導するモノマー(例えば、メタクリル酸メチル。以下、モノマー(b2m)ともいう)を添加してさらに重合反応を行うことにより、得ることができる。あるいは、モノマー(b2gp)及びモノマー(b2m)の混合物により重合反応を行った後、当該重合反応液中にモノマー(b1)を添加してさらに重合反応を行うことにより、得ることができる。重合反応は、狭分散で合成しやすいことから、リビング重合が好ましい。好ましいリビング重合の方法としては、リビングアニオン重合、リビングラジカル重合が挙げられ、狭分散化がより図れることから、リビングアニオン重合が特に好ましい。
【0093】
構成単位(b2gp)及び構成単位(b2m)からなるランダム共重合体の製造工程において、モノマー(b2gp)及びモノマー(b2m)の混合物中、モノマー(b2gp)のモル数の割合は、モノマー(b2gp)及びモノマー(b2m)の合計のモル数に対して、0超0.10以下である。モノマー(b2gp)のモル数の割合は、0.10未満であることが好ましく、0.09以下がより好ましく、0.08以下が更に好ましく、0.07以下が特に好ましい。モノマー(b2gp)のモル数の割合は、0.0050以上が好ましく、0.0070以上がより好ましく、0.0090以上が更に好ましく、0.0095以上が特に好ましく、0.0099以上が最も好ましい。
モノマー(b2gp)のモル数の割合が上記下限値以上であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。モノマー(b2gp)のモル数の割合が上記上限値以下であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。
【0094】
構成単位(b2gp)及び構成単位(b2m)からなるランダム共重合体の製造工程において、モノマー(b2gp)及びモノマー(b2m)の混合物中、モノマー(b2m)のモル数の割合は、モノマー(b2gp)及びモノマー(b2m)の合計のモル数に対して、0.90以上1.0未満である。モノマー(b2m)のモル数の割合は、0.90超であることが好ましく、0.91以上がより好ましく、0.92以上が更に好ましく、0.93以上が特に好ましい。モノマー(b2m)のモル数の割合は、0.9950以下が好ましく、0.9930以下がより好ましく、0.9910以下が更に好ましく、0.9905以下が特に好ましく、0.9901以下が更に好ましい。
モノマー(b2m)のモル数の割合が上記下限値以上であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。モノマー(b2m)のモル数の割合が上記上限値以下であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。
【0095】
BCP前駆体の製造工程において、モノマー(b1)のモル数の割合は、モノマー(b2gp)及びモノマー(b2m)の合計のモル数に対して、0.25~4.0が好ましく、0.33~3.0がより好ましく、0.5~2.0が更に好ましい。
モノマー(b1)のモル数の割合が前記数値範囲内であると、25nm以上の膜厚でも垂直配向した相分離構造を形成しやすくなる。
【0096】
工程(p2):
-SHで表される化合物(以下、「化合物(R-SH)」ともいう)は、構成単位(b2gp)のエポキシ基又はビニル基と反応し、構成単位(b2gp)を構成単位(b2g)に変換する化合物である。
構成単位(b2gp)がエポキシ基を含む場合、BCP前駆体と化合物(R-SH)の反応は、テトラヒドロフラン等の有機溶媒中において、水酸化リチウム等の触媒の存在下で行うことができる。反応温度としては、例えば、20~60℃が挙げられ、30~50℃が好ましく、35~45℃がより好ましい。反応時間は、BCP前駆体の使用量に応じて、適宜設定することができ、第2のブロックの前駆体中の構成単位(b2gp)が全て構成単位(b2g)に変換されるのに十分な時間であればよい。反応時間としては、例えば、1~10時間が挙げられる。構成単位(b2gp)がビニル基を含む場合、BCP前駆体と化合物(R-SH)の反応は、チオール・エン反応により行うことができる。チオール・エン反応は、テトラヒドロフラン等の有機溶媒中において、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)等の触媒の存在下で行うことができる。反応温度としては、例えば、60~90℃が挙げられ、70~90℃が好ましく、75~85℃がより好ましい。反応時間は、BCP前駆体の使用量に応じて、適宜設定することができ、第2のブロックの前駆体中の構成単位(b2gp)が全て構成単位(b2g)に変換されるのに十分な時間であればよい。反応時間としては、例えば、1~10時間が挙げられる。
【0097】
【化14】
[式中、R及びRb1は、前記式(b1)中のR及びRb1と同じである。nは、前記式(b1)中のnと同じである。R及びRは、前記式(b2g)中のR及びRと同じである。Rb2及びxは、前記式(b2g)及び式(b2m)中のRb2及びxと同じである。Ypは、炭素数1~8の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基を表す。Rpは、エポキシ基又はビニル基を表す。]
【0098】
以上説明した本実施形態のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物によれば、ブロックコポリマーを含む層の膜厚が25nm以上であっても、垂直配向した相分離構造を形成することが可能である。そのため、その相分離構造をエッチングマスクとして用いることができる。
【実施例0099】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
【0100】
(BCP前駆体の合成)
<BCP前駆体(1)の合成>
全てのアニオン重合は、アルゴン雰囲気下で行った。30mLのテトラヒドロフラン(THF)及び塩化リチウム(LiCl)(21.2mg、0.500mmol)を50mLシュレンク管に移し、クールニクスバスで-78°Cに冷却した。Sec-ブチルリチウム(Sec-BuLi)(1.05M ヘキサン/シクロヘキサン溶液)を、溶液の色が黄色に変わるまで前記シュレンク管に加えた。シュレンク管をクールニクスバスから取り外し、溶液が無色になるまで室温で温めた。シュレンク管を再びクールニクスバスで-78℃に冷却し、開始剤としてsec-BuLi(0.095mL、0.100mmol)を加えた。スチレン(0.977mL、8.50mmol)を加え、30分間攪拌した。その結果、鮮やかなオレンジ色の溶液を得た。1,1-ジフェニルエチレン(DPE)(0.088mL、0.50mmol)を添加し、溶液の色が濃い赤色に変わった。30分間撹拌した後、メタクリル酸メチル(MMA)(0.730mL、6.85mmol)とメタクリル酸グリシジル(GMA)(0.244mL、2.05mmol)のモノマー混合物を加え、30分間撹拌した。溶液の色は赤色から透明へと変化した。停止剤として、3mLの脱気メタノール(MeOH)をシュレンク管に加えて、重合を終了した。シュレンク管をクールニクスバスから引き上げ、溶液をMeOHへ投入し再沈殿を行った。沈殿物の固体を濾過した後、40℃で減圧乾燥を行い、BCP前駆体(1)の白色粉末を得た(1.86g、88%収率)。
【0101】
<BCP前駆体(2)の合成>
スチレンの使用量を1.07mL(9.29mmol)、MMAの使用量を0.936mL(8.79mmol)、GMAの使用量を0.117mL(0.976mmol)としたこと以外は、上記BCP前駆体(1)の合成と同様の方法で、BCP前駆体(2)を合成した。
【0102】
<BCP前駆体(3)の合成>
スチレンの使用量を1.15mL(10.00mmol)、MMAの使用量を1.03mL(9.69mmol)、GMAの使用量を0.087mL(0.729mmol)としたこと以外は、上記BCP前駆体(1)の合成と同様の方法で、BCP前駆体(3)を合成した。
【0103】
<BCP前駆体(4)の合成>
スチレンの使用量を1.08mL(9.42mmol)、MMAの使用量を1.14mL(10.72mmol)、GMAの使用量を0.067mL(0.564mmol)としたこと以外は、上記BCP前駆体(1)の合成と同様の方法で、BCP前駆体(4)を合成した。
【0104】
<BCP前駆体(5)の合成>
スチレンの使用量を1.30mL(11.28mmol)、MMAの使用量を1.37mL(12.90mmol)、GMAの使用量を0.016mL(0.130mmol)としたこと以外は、上記BCP前駆体(1)の合成と同様の方法で、BCP前駆体(5)を合成した。
【0105】
(ブロックコポリマーの合成)
<BCP(1)の合成>
10mLのガラス管に0.2gのBCP前駆体(1)とTHF(20wt%溶液)を入れ、氷水槽に浸漬した。1wt%水酸化リチウム(LiOH)水溶液(LiOH 0.05モル当量/GMAユニット)及び2,2,2-トリフルオロエタンチオール(2モル当量/GMAユニット)を前記ガラス管に添加した。室温で20分間攪拌した後、リアクターを40℃に設定して、3時間攪拌し、BCP(1)を合成した。合成されたBCP(1)のMn及びPHFMA画分に応じて、メタノール又はメタノール/ヘキサンで数回繰り返し沈殿させて、残留試薬を除去した。生成物を、減圧下、室温で一晩乾燥させて、BCP(1)の白色粉末を得た。サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP前駆体(1)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
【0106】
<BCP(2)~(5)の合成>
BCP前駆体(1)に替えて、BCP前駆体(2)~(5)をそれぞれ用いたこと以外は、上記BCP(1)の合成と同様の方法で、BCP(2)~(5)をそれぞれ合成した。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(2)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(3)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(4)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(5)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ25000gmol-1及び1.03であった。
【0107】
【化15】
【0108】
得られたBCP(1)~(5)におけるxの値は、いずれも、BCP前駆体の合成において用いたMMA及びGMAの合計のモル数に対する、GMAのモル数の割合と同じであった。
【0109】
<各ブロックの体積の測定>
ブロックコポリマー中の各ブロックのモル%をH NMR解析の結果から算出し、さらに、各ブロックの質量%を算出した。次いで、各ブロックの質量%を各ブロックの密度で割ることにより、各ブロックの体積比を算出した。前記体積比より、ブロックコポリマーの体積全体に占める、ポリスチレンブロックの体積の割合を算出した。各ブロックの密度は、原子団寄与法(Fedors, R. F. Polym. Eng. Sci. 1974, 14,147-154.)により見積もった。なお、ポリスチレンブロックの密度としては、1.05gm-3を用いた。メタクリル酸メチルから誘導される構成単位から構成される構造の密度としては、1.18gcm-3を用いた。2-ヒドロキシ-3-(2,2,2-トリフルオロエチルスルファニル)プロピルメタクリレートから誘導される構成単位から構成される構造の密度として、1.43gcm-3を用いた。2-ヒドロキシ-3-(エチルスルファニル)プロピルメタクリレート、2-ヒドロキシ-3-(1-プロピル)プロピルメタクリレート、2-ヒドロキシ-3-(1-ヘキシル)プロピルメタクリレート、又は2-ヒドロキシ-3-(シクロヘキシル)プロピルメタクリレートから誘導される構成単位から構成される構造の密度として、1.18gcm-3を用いた。
【0110】
上記で合成した各ブロックコポリマーの数平均分子量(Mn)、ブロックコポリマーの体積全体に占めるポリスチレンブロック(PS)の体積の割合(体積%)、及び上記反応式中のxの値を表1にまとめた。
【0111】
【表1】
【0112】
<エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物の調製>
表2に示す各成分を有機溶剤成分に混合して溶解し、各例のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物(固形分濃度1.6質量%)をそれぞれ調製した。有機溶剤成分として、PGMEA(ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート)を用いた。
【0113】
【表2】
【0114】
表1中、各略号はそれぞれ以下の意味を有する。[ ]内の数値は配合量(質量部)である。
BCP-1:前記BCP(1)。
BCP-2:前記BCP(2)。
BCP-3:前記BCP(3)。
BCP-4:前記BCP(4)。
BCP-5:前記BCP(5)。
(S)-1:PGMEA(ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート)
【0115】
上記の各例のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を用い、以下に示す工程(i)~工程(iii)を有する製造方法によって、相分離構造を含む構造体を得た。
【0116】
(評価1)
<相分離構造を含む構造体の製造>
(下地剤の調製)
下地剤を調製するために、下地剤用樹脂NL-(1)~NL-(4)を準備した。NL-(1)~NL-(4)は、いずれも、スチレン、メタクリル酸メチル及び(ヒドロキシエチル)メタクリレートからなるランダム共重合体である。
【0117】
NL-(1)~NL-(4)の組成比(構造式中の各構成単位の割合(モル比))St/MMA/HEMAは以下の通りであった。「St」はスチレンを意味し、「MMA」はメタクリル酸メチルを意味し、HEMAは(ヒドロキシエチル)メタクリレートを意味する。NL-(1)~NL-(4)の数平均分子量(Mn)及びWater Contact Angle(W.C.A.)は以下の通りであった。
【0118】
NL-(1)は、St/MMA/HEMA=39/56/5であり、Mnは24000であり、W.C.A.は72°であった。
NL-(2)は、St/MMA/HEMA=49/46/5であり、Mnは28000であり、W.C.A.は75°であった。
NL-(3)は、St/MMA/HEMA=61/34/5であり、Mnは30000であり、W.C.A.は77°であった。
NL-(4)は、St/MMA/HEMA=70/25/5であり、Mnは29000であり、W.C.A.は79°であった。
【0119】
下地剤用樹脂NL-(1)~NL-(4)のそれぞれ100質量部を、PGMEA9900質量部に混合して溶解させ、下地剤NL-1~NL-4を調製した。
【0120】
工程(i):
支持体として、12インチシリコンウェーハを準備した。
【0121】
シリコン基板上に、下地剤NL-1~NL-4のいずれかをスピンコートした後、大気雰囲気下、250℃で5分間加熱した。これにより、当該基板表面には、下地剤用樹脂NL-(1)~NL-(4)のいずれかからなる膜厚30nmの下地剤層が形成された。
次いで、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)からなるリンス液(PGME/PGMEA=7/3)を用いて、下地剤層をリンスした。次いで、100℃で1分間加熱して、リンス液を揮発させた。
【0122】
次いで、基板上に、各例の樹脂組成物を、膜厚が36nmになるようにスピンコートし、樹脂組成物層(ブロックコポリマーを含む層)を形成した。
【0123】
工程(ii):
前記基板上に形成された樹脂組成物層を、窒素雰囲気下、90℃で60秒間プレベークし、その後、窒素雰囲気下、240℃で、5分間アニーリングし、相分離構造を形成した。
【0124】
工程(iii):
相分離構造が形成された基板に対し、TCA-3822(東京応化工業株式会社製)を用いて、酸素プラズマ処理(200mL/分、40Pa、40℃、200W、10秒間)を行い、PMMAからなる相を選択的に除去した。
【0125】
[解像性の評価]
得られた基板の表面における相分離構造について、日立ハイテクノロジー社の「CG6300」を用いて倍率100000倍にてSEM画像を取得した。次に日立ハイテクノロジーズ社の「ターミナルPCソフトウェア」を用いてSEM画像よりパターン周期の解析を実施した。解像性の評価の結果を表3に示した。
【0126】
判定基準:
A:周期が24nm未満であった。
B:周期が24nm以上であった。
比較例1の樹脂組成物を用いた場合、相分離構造が形成されなかったため、解像性を算出することはできなかった。これらについては、「-」と記載した。
【0127】
[垂直配向性のマージンの評価]
下地剤NL-1~NL-4を用いて、垂直配向性のマージンを評価した。
判定基準:
A:NL-1~NL-4を用いた全ての場合において、相分離構造が垂直配向性を有している。
B:NL-1~NL-4のいずれかを用いた場合において、相分離構造が垂直配向性を有していない。
C:NL-1~NL-4を用いた全ての場合において、相分離構造が垂直配向性を有していない。
垂直配向性のマージンの評価の結果を表3に示した。
【0128】
【表3】
【0129】
実施例1~4は、[解像性の評価]がAであった。
実施例1~4は、比較例1に比べて、[垂直配向性のマージンの評価]の結果が優れていた。
【0130】
上記の各例のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を用い、以下に示す工程(i)及び工程(ii)を有する製造方法によって、相分離構造を含む構造体を得た。
下記の<評価2>に記載した評価方法にしたがって、[垂直配向性の評価]を行った。この結果を表4に示した。
【0131】
(評価2)
<相分離構造を含む構造体の製造>
(評価1)の<相分離構造を含む構造体の製造>と同様に、12インチシリコンウェーハ上に、上記のNL-2を用いて下地剤層を形成した。次いで、ガイドパターンを形成した後、(評価1)の<相分離構造を含む構造体の製造>と同様に、相分離構造を含む構造体を製造した。
【0132】
ガイドパターンは次のように形成した。
有機系反射防止膜組成物「ARC-29A」(商品名、ブリュワーサイエンス社製)を、スピンナーを用いて12インチシリコンウェーハ上に塗布し、ホットプレート上で205℃、60秒間焼成して乾燥させることにより、膜厚89nmの有機系反射防止膜を形成した。該有機系反射防止膜上に、下地剤NL-2をスピンコートした後、250℃で600秒間加熱した。これにより、当該基板表面には、下地剤用樹脂NL-(2)からなる膜厚10nmの薄膜が形成された。当該膜上にガイドパターン形成用レジスト膜を塗布し、スピンナーを用いて塗布し、ホットプレート上でプレベーク(PAB)処理を行い、乾燥することにより、膜厚90nmのガイドパターン形成用レジスト膜を形成した。ArF露光装置XT-1900Gi(ASML製)によりArFエキシマレーザー(193nm)を、マスクパターンを介して選択的に照射した。そして露光後加熱(PEB)処理を行い、さらに酢酸ブチルで現像し、振り切り乾燥を行った。次いで100℃、1分間、その後200℃、5分間の条件でポストベーク処理を行い、使用するブロック共重合体のd値の5倍のスペース寸法に合わせたガイドパターンを形成した。
【0133】
[垂直配向性の評価]
得られた基板の表面(相分離状態)を、測長SEM(走査型電子顕微鏡、商品名:CG6300、日立ハイテクノロジーズ社製)で観察し、相分離構造の垂直配向性を評価した。その結果を表4に示した。
【0134】
判定基準:
A:ガイドパターンを形成した基板の全面において、垂直配向性を有する相分離構造が形成されている。
B:ガイドパターンを形成した基板の一部において、垂直配向性を有する相分離構造が形成されていない。
【0135】
【表4】
【0136】
実施例1~4は、比較例1に比べて、垂直配向性を有する相分離構造を良好に形成することができた。
【0137】
さらに、BCP(6)~(25)を合成した。これらを用いて、上述の(評価1)及び(評価2)の評価方法と同一の方法で、相分離構造を含む構造体を製造し、得られた相分離構造を評価した。
【0138】
(ブロックコポリマーの合成)
<BCP(6)~(10)の合成>
上述のBCP前駆体(1)~(5)に対し、2,2,2-トリフルオロエタンチオールに替えてエタンチオールを用いた以外はBCP(1)~(5)の合成方法と同様の方法により、BCP(6)~(10)を合成した。
【0139】
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(6)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(7)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(8)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(9)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(10)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ25000gmol-1及び1.03であった。
【0140】
BCP(7)についてのNMR測定の分析結果は以下の通りであった。
H NMR(400MHz,CDCl,δ,ppm):0.85-1.02(α-CH,PMMA, PGEMA), 1.23-1.69(-S-CH-CH,PGEMA, -CH-CH-,PS backbone), 1.74-2.02(-CH-CH-,PS backbone, -CH-C(CH)-,PGEMA and PMMA), 2.63(-CH(OH)-CH-S-CH-CH,PGEMA), 3.60(-O-CH,PMMA),
3.99(-(C=O)O-CH-CH(OH),PGEMA), 6.39-6.85(o-aromatic,PS),6.91-7.42(p-, m-aromatic,PS).
【0141】
【化16】
【0142】
<BCP(11)~(15)の合成>
上述のBCP前駆体(1)~(5)に対し、2,2,2-トリフルオロエタンチオールに替えて1-プロパンチオールを用いた以外はBCP(1)~(5)の合成方法と同様の方法により、BCP(11)~(15)を合成した。
【0143】
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(11)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(12)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(13)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(14)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(15)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ25000gmol-1及び1.03であった。
【0144】
BCP(12)についてのNMR測定の分析結果は以下の通りであった。
H NMR(400MHz,CDCl,δ,ppm):0.85-1.02(α-CH,PMMA, PGPMA,-S-CH-CH-CH,PGPMA,), 1.23-1.69(-S-CH-CH-CH,PGPMA, -CH-CH-,PS backbone), 1.74-2.02(-CH-CH-,PS backbone, -CH-C(CH)-,PGPMA and PMMA), 2.63(-CH(OH)-CH-S-CH-CH-,PGPMA), 3.60(-O-CH,PMMA),
3.99(-(C=O)O-CH-CH(OH),PGPMA), 6.39-6.85(o-aromatic,PS),6.91-7.42(p-, m-aromatic,PS).
【0145】
【化17】
【0146】
<BCP(16)~(20)の合成>
上述のBCP前駆体(1)~(5)に対し、2,2,2-トリフルオロエタンチオールに替え1-ヘキサンチオールを用いた以外はBCP(1)~(5)の合成方法と同様の方法により、BCP(16)~(20)を合成した。
【0147】
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(16)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(17)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(18)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(19)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(20)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ25000gmol-1及び1.03であった。
【0148】
BCP(17)についてのNMR測定の分析結果は以下の通りであった。
H NMR(400MHz,CDCl,δ,ppm):0.85-1.02(α-CH,PMMA, PGHMA,-CH-CH-CH,PGHMA,), 1.23-1.69(-S-CH-CH-CH-CH-CH-,PGHMA, -CH-CH-,PS backbone), 1.74-2.02(-CH-CH-,PS backbone, -CH-C(CH)-,PGHMA and PMMA), 2.63(-CH(OH)-CH-S-CH-CH-,PGHMA), 3.60(-O-CH,PMMA),
3.99(-(C=O)O-CH-CH(OH),PGHMA), 6.39-6.85(o-aromatic,PS),6.91-7.42(p-, m-aromatic,PS).
【0149】
【化18】
【0150】
<BCP(21)~(25)の合成>
上述のBCP前駆体(1)~(5)に対し、2,2,2-トリフルオロエタンチオールに替えてシクロヘキサンチオールを用いた以外はBCP(1)~(5)の合成方法と同様の方法により、BCP(21)~(25)を合成した。
【0151】
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(21)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(22)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(23)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(24)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(25)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ25000gmol-1及び1.03であった。
【0152】
BCP(22)についてのNMR測定の分析結果は以下の通りであった。
H NMR(400MHz,CDCl,δ,ppm):0.85-1.02(α-CH,PMMA, PGCMA), 1.23-1.69(-S-CH(CH-CH)-CH-CH-CH-,PGCMA, -CH-CH-,PS backbone), 1.74-2.02(-S-CH(CH-CH)-CH-CH-CH-,PGCMA,-CH-CH-,PS backbone, -CH-C(CH)-,PGCMA and PMMA), 2.63(-CH(OH)-CH-S-CH(CH-CH)-CH-CH-CH-,PGCMA), 3.60(-O-CH,PMMA),
3.99(-(C=O)O-CH-CH(OH),PGCMA), 6.39-6.85(o-aromatic,PS),6.91-7.42(p-, m-aromatic,PS).
【0153】
【化19】
【0154】
得られたBCP(6)~(25)におけるxの値は、いずれも、BCP前駆体の合成において用いたMMA及びGMAの合計のモル数に対する、GMAのモル数の割合と同じであった。
【0155】
上述の<各ブロックの体積の測定>と同様にして、ポリスチレンブロックの体積の割合を算出した。
【0156】
上記で合成した各ブロックコポリマーの数平均分子量(Mn)、ブロックコポリマーの体積全体に占めるポリスチレンブロック(PS)の体積の割合(体積%)、及び上記反応式中のxの値を表5~8にまとめた。BCP(6)~BCP(25)の全てにおいて、メタクリル酸メチルから誘導される構成単位から構成される構造の密度としては、1.18gcm-3を用いた。
【0157】
【表5】
【0158】
【表6】
【0159】
【表7】
【0160】
【表8】
【0161】
(比較例2~5、実施例5~20)
<エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物の調製>
表9~12に示す各成分を有機溶剤成分に混合して溶解し、各例のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物(固形分濃度1.6質量%)をそれぞれ調製した。有機溶剤成分として、PGMEA(ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート)を用いた。
【0162】
【表9】
【0163】
【表10】
【0164】
【表11】
【0165】
【表12】
【0166】
表9~12中、[ ]内の数値は配合量(質量部)である。
BCP-6~25は、それぞれ、前記BCP(6)~BCP(25)を意味する。
【0167】
上記の実施例5~20、比較例2~5のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を用い、上述の(評価1)と同一の方法で[解像性の評価]及び[垂直配向性のマージンの評価]を行った。この結果を表13に示す。比較例2~5の樹脂組成物を用いた場合、相分離構造が形成されなかったため、解像性を算出することはできなかった。これらについては、「-」と記載した。
上述の(評価2)と同一の方法で[垂直配向性の評価]を行った。この結果を表14に示す。
【0168】
【表13】
【0169】
実施例5~8、9~12、13~16、17~20は、[解像性の評価]がAであった。
実施例5~8、9~12、13~16、17~20は、比較例2~5に比べて、[垂直配向性のマージンの評価]の結果が優れていた。
【0170】
【表14】
【0171】
実施例5~8、9~12、13~16、17~20は、比較例2~5に比べて、垂直配向性を有する相分離構造を良好に形成することができた。
【0172】
<BCP(26)~(30)の合成>
上述のBCP前駆体(1)~(5)に対し、2,2,2-トリフルオロエタンチオールに替えて3-メルカプト-1-ヘキサノールを用いた以外はBCP(1)~(5)の合成方法と同様の方法により、BCP(26)~(30)を合成した。
【0173】
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(26)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(27)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ21000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(28)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(29)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ22000gmol-1及び1.03であった。
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で測定したBCP(30)のMn及び分散度(PDI=Mw/Mn)は、それぞれ25000gmol-1及び1.03であった。
【0174】
BCP(27)についてのNMR測定の分析結果は以下の通りであった。
H NMR(400MHz,CDCl3,δ,ppm):
0.71-1.05(α-CH3,PMMA and PGOMA, -S-CH-CH2-CH2-CH3, PGOMA),1.43-2.02( -S-CH-CH2-CH2-CH3 ,PGOMA,-S-CH-CH2-CH2-OH ,PGOMA, -CH2-CH-,PS backbone, -CH2-C(CH3)-,PGOMA and PMMA),2.68-2.88(-CH(OH)-CH2-S-CH(-,PGOMA),3.60(-O-CH3,PMMA),3.73(-S-CH-CH2-CH2-OH ,PGOMA),4.08(-(C=O)O-CH2-CH(OH),PGOMA),6.39-6.85(o-aromatic,PS),6.91-7.42(p-, m-aromatic,PS).
【0175】
【化20】
【0176】
得られたBCP(26)~(30)におけるxの値は、いずれも、BCP前駆体の合成において用いたMMA及びGMAの合計のモル数に対する、GMAのモル数の割合と同じであった。
【0177】
上述の<各ブロックの体積の測定>と同様にして、ポリスチレンブロックの体積の割合を算出した。
【0178】
上記で合成した各ブロックコポリマーの数平均分子量(Mn)、ブロックコポリマーの体積全体に占めるポリスチレンブロック(PS)の体積の割合(体積%)、及び上記反応式中のxの値を表15にまとめた。BCP(26)~BCP(30)の全てにおいて、メタクリル酸メチルから誘導される構成単位から構成される構造の密度としては、1.18gcm-3を用いた。
【0179】
【表15】
【0180】
(比較例6、実施例21~24)
<エッチングマスクパターン形成用樹脂組成物の調製>
表16に示す各成分を有機溶剤成分に混合して溶解し、各例のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物(固形分濃度1.6質量%)をそれぞれ調製した。有機溶剤成分として、PGMEA(ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート)を用いた。
【0181】
【表16】
【0182】
表16中、[ ]内の数値は配合量(質量部)である。
BCP-26~30は、それぞれ、前記BCP(26)~BCP(30)を意味する。
【0183】
上記の実施例21~24、比較例6のエッチングマスクパターン形成用樹脂組成物を用い、上述の(評価1)と同一の方法で[解像性の評価]及び[垂直配向性のマージンの評価]を行った。この結果を表17に示す。比較例6の樹脂組成物を用いた場合、相分離構造が形成されなかったため、解像性を算出することはできなかった。これらについては、「-」と記載した。
上述の(評価2)と同一の方法で[垂直配向性の評価]を行った。この結果を表18に示す。
【0184】
【表17】
【0185】
【表18】
【0186】
実施例21~24は、比較例6に比べて、垂直配向性を有する相分離構造を良好に形成することができた。
図1
図2