JP5555111B2 - Polymer thin film having silsesquioxane, microstructure and production method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、シルセスキオキサンを有する高分子ブロック共重合体が基板上でミクロ相分離して形成される微細構造を有する高分子薄膜、この高分子薄膜を使用して得られる微細構造体、及びこれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer thin film having a microstructure formed by microphase separation of a polymer block copolymer having silsesquioxane on a substrate, a microstructure obtained using the polymer thin film, And a manufacturing method thereof.
近年、電子デバイス、エネルギー貯蔵デバイス、センサー等の小型化・高性能化に伴い、数ナノメートルから数百ナノメートルのサイズの微細な規則配列パターンを基板上に形成する必要性が高まっている。このため微細な規則配列パターン(以下、単に「微細構造」という)を高精度でかつ低コストに製造できるプロセスの確立が求められている。
このような微細構造の加工方法としては、リソグラフィーに代表されるトップダウン的手法、つまりバルク材料を微細に刻む方法が一般に用いられている。例えば、LSIの製造等の半導体微細加工に用いられる光リソグラフィーはこの代表例である。
In recent years, with the miniaturization and high performance of electronic devices, energy storage devices, sensors, and the like, there is an increasing need to form a fine regular array pattern having a size of several nanometers to several hundred nanometers on a substrate. Therefore, establishment of a process capable of manufacturing a fine regular array pattern (hereinafter simply referred to as “fine structure”) with high accuracy and low cost is required.
As a processing method of such a fine structure, a top-down method represented by lithography, that is, a method of finely engraving a bulk material is generally used. For example, photolithography used for semiconductor microfabrication such as LSI manufacturing is a typical example.
しかしながら、このようなトップダウン的手法は、微細構造の微細度が高まるにしたがって、装置の大型化やプロセスの複雑化等をもたらして製造コストが増大する。特に、微細構造の加工寸法が数十ナノメートルまで微細になると、パターニングに電子線や深紫外線を用いる必要があり、装置に莫大な投資が必要となる。また、マスクを適用した微細構造の形成が困難になると、直接描画法を適用せざるをえないので、加工スループットが著しく低下する問題がある。 However, such a top-down approach increases the manufacturing cost by increasing the size of the apparatus and the complexity of the process as the fineness of the fine structure increases. In particular, when the processing size of the fine structure becomes as fine as several tens of nanometers, it is necessary to use an electron beam or deep ultraviolet rays for patterning, and a huge investment is required for the apparatus. In addition, if it becomes difficult to form a fine structure using a mask, the direct drawing method must be applied, which causes a problem that the processing throughput is significantly reduced.
このような状況のもと、物質が自然に構造を形成する現象、いわゆる自己組織化現象を応用したプロセスが注目を集めている。特に、高分子ブロック共重合体のミクロ相分離を利用したプロセスは、簡便な塗布プロセスで数十ナノメートルから数百ナノメートルの種々の形状を有する微細構造を形成できる点で優れたプロセスである。例えば、高分子ブロック共重合体における異種の高分子セグメント同士が互いに混じり合わない(非相溶な)場合に、これらの高分子セグメント同士は、ミクロ相分離することにより連続相中に球状や柱状、層状のミクロドメインが規則的に配列した構造を形成する。 Under such circumstances, a process that applies a phenomenon in which a substance naturally forms a structure, that is, a so-called self-organization phenomenon, attracts attention. In particular, the process using microphase separation of the polymer block copolymer is an excellent process in that it can form microstructures having various shapes of several tens to several hundreds of nanometers by a simple coating process. . For example, when different types of polymer segments in the polymer block copolymer do not mix with each other (incompatible), these polymer segments are separated into microspheres by separating them into a spherical or columnar shape in the continuous phase. A structure in which layered microdomains are regularly arranged is formed.
このミクロ相分離を利用した微細構造の形成方法としては、例えば、ポリスチレンとポリブタジエン、ポリスチレンとポリイソプレン、ポリスチレンとポリメチルメタクリレート等の組み合わせからなる高分子ブロック共重合体の薄膜を基板上に形成してミクロ相分離させると共に、この薄膜をマスクとして基板にエッチングを施すことによって、薄膜のミクロドメインに対応した形状の孔やラインアンドスペースを基板上に形成する技術が挙げられる。 As a method for forming a microstructure using this microphase separation, for example, a thin film of a polymer block copolymer composed of a combination of polystyrene and polybutadiene, polystyrene and polyisoprene, polystyrene and polymethyl methacrylate, or the like is formed on a substrate. A technique for forming holes and lines and spaces having shapes corresponding to the microdomains of the thin film on the substrate by performing microphase separation and etching the substrate using the thin film as a mask.
また、基板上に付与した高分子ブロック共重合体をミクロ相分離させる技術においては、基板の表面に化学的性質の異なる領域を微細なパターンで形成し、基板の表面と高分子ブロック共重合体との化学的相互作用の差異を利用してミクロドメインの配列を制御するケミカルレジストレーション法が知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。 In addition, in the technology for microphase separation of the polymer block copolymer applied on the substrate, regions having different chemical properties are formed in a fine pattern on the surface of the substrate, and the substrate surface and the polymer block copolymer are formed. There is known a chemical registration method in which the arrangement of microdomains is controlled by utilizing the difference in chemical interaction with (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
このケミカルレジストレーション法は、予め基板の表面を、高分子ブロック共重合体を構成する各々のブロック鎖(高分子セグメント)に対して濡れ性が異なる領域となるようにトップダウン的手法を用いて化学的にパターン化するものである。更に具体的に説明すると、例えば、ポリスチレン・ポリメチルメタクリレートジブロック共重合体をミクロ相分離させる際のケミカルレジストレーション法においては、基板の表面はポリスチレンと親和性のよい領域(大きい領域)と、ポリメチルメタクリレートと親和性のよい領域とに分けて化学的にパターン化される。この際、パターンの形状とパターンの間隔をポリスチレン・ポリメチルメタクリレートジブロック共重合体のミクロ相分離構造に対応する形状とすることによって、ポリスチレンと親和性(濡れ性)のよい領域にはポリスチレンからなるミクロドメインが配置されると共に、ポリメチルメタクリレートと親和性(濡れ性)のよい領域にはポリメチルメタクリレートからなるミクロドメインが配置される。 This chemical registration method uses a top-down method in advance so that the surface of the substrate is a region having different wettability with respect to each block chain (polymer segment) constituting the polymer block copolymer. It is to be chemically patterned. More specifically, for example, in the chemical registration method for microphase separation of a polystyrene / polymethylmethacrylate diblock copolymer, the surface of the substrate has a region having a good affinity for polystyrene (large region), It is chemically patterned by dividing it into regions having good affinity with polymethylmethacrylate. At this time, by setting the pattern shape and the pattern interval to a shape corresponding to the microphase separation structure of the polystyrene-polymethylmethacrylate diblock copolymer, the region having good affinity (wetability) with polystyrene is made of polystyrene. A microdomain made of polymethyl methacrylate is arranged in a region having good affinity (wetting property) with polymethyl methacrylate.
このようなケミカルレジストレーション法によれば、化学的なパターンをトップダウン的手法で形成するために、得られるパターンの長距離秩序性はトップダウン的手法により担保され、広範囲に亘って規則性に優れ、欠陥の少ない微細構造を形成することができる。更に、パターンの間隔をミクロ相分離構造に対応する形状としたまま、パターンの密度を減らしてもポリスチレンと親和性(濡れ性)のよい領域にはポリスチレンからなるミクロドメインが配置されると共に、パターンとパターンとの間にも、ミクロ相分離構造が維持されるために、ミクロドメイン構造が配置される(パターン補間)。 According to such a chemical registration method, in order to form a chemical pattern by a top-down method, the long-range order of the obtained pattern is ensured by a top-down method, and regularity over a wide range. A fine structure with excellent and few defects can be formed. Furthermore, even if the pattern spacing is kept in the shape corresponding to the microphase separation structure, even if the density of the pattern is reduced, a microdomain made of polystyrene is arranged in a region having good affinity (wetability) with polystyrene. Since the microphase separation structure is maintained between the pattern and the pattern, a microdomain structure is arranged (pattern interpolation).
ところで、昨今においては、電子デバイス等の更なる小型化・高性能化の要請から、そのサイズが更に微細化したミクロ相分離構造が望まれている。
しかしながら、ケミカルレジストレーション法を使用してポリスチレン・ポリメチルメタクリレートジブロック共重合体のミクロ相分離構造を形成しようとすると、この共重合体の相互作用パラメーターが小さいために、10数ナノメートル以下のサイズのミクロ相分離構造を得ることができない問題がある。
By the way, in recent years, a microphase-separated structure whose size is further miniaturized is desired because of a demand for further miniaturization and higher performance of electronic devices and the like.
However, when the chemical phase registration method is used to form a microphase-separated structure of polystyrene-polymethylmethacrylate diblock copolymer, the interaction parameter of this copolymer is so small that it is less than 10 nanometers or less. There is a problem that a micro phase separation structure of size cannot be obtained.
その一方で、連続相中にミクロドメインが基板の表面に対して直立する方向(前記薄膜の厚さ方向)に配向して規則的に配列する高分子ブロック共重合体としては、ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン(以下、これを略してPOSSということがある)を側鎖に有する、ポリメチルメタクリレート−ブロック−POSS含有ポリメタクリレート共重合体、及びポリスチレン−ブロック−POSS含有ポリメタクリレート共重合体が知られている(例えば、非特許文献1参照)。 On the other hand, as a polymer block copolymer in which microdomains are oriented in a continuous phase in a direction standing upright with respect to the surface of the substrate (thickness direction of the thin film) and regularly arranged, polyhedral oligo Polymethylmethacrylate-block-POSS-containing polymethacrylate copolymer and polystyrene-block-POSS-containing polymethacrylate copolymer having merlic silsesquioxane (hereinafter sometimes abbreviated as POSS) in the side chain Is known (see, for example, Non-Patent Document 1).
このシロキサン結合を含む高分子ブロック共重合体は、ポリスチレン・ポリメチルメタクリレートジブロック共重合体よりも相互作用パラメーターが大きいのでミクロ相分離構造の更なる微細化が可能になると考えられる。 Since the polymer block copolymer containing a siloxane bond has a larger interaction parameter than the polystyrene / polymethylmethacrylate diblock copolymer, it is considered that the micro phase separation structure can be further refined.
ところで、基板の表面に高分子ブロック共重合体を塗布して成膜した状態では、薄膜中に規則的な構造が存在しない。これは、成膜時に溶媒が急速に蒸発するため高分子ブロック共重合体のミクロ相分離過程が凍結されるためである。そこで、規則的な自己組織化構造を形成するために、成膜後に高分子鎖が自由に運動できるようにアニールすることが必要である。一般に、アニール処理としては、熱アニール法と、溶媒アニール法とが挙げられる。 By the way, there is no regular structure in the thin film when the polymer block copolymer is applied to the surface of the substrate to form a film. This is because the microphase separation process of the polymer block copolymer is frozen because the solvent rapidly evaporates during film formation. Therefore, in order to form a regular self-organized structure, it is necessary to anneal the polymer chains so that they can freely move after film formation. In general, the annealing treatment includes a thermal annealing method and a solvent annealing method.
熱アニール法は、高分子ブロック共重合体を構成する高分子鎖の熱分解温度以下で、高分子ブロック共重合体のガラス転移温度(Tg)が実験上到達できる温度領域に存在する場合に、基板上の高分子ブロック共重合体(薄膜)をそのガラス転移温度(Tg)以上の温度に保持する方法である。
また、溶媒アニール法は、基板上の高分子ブロック共重合体(薄膜)を溶媒蒸気に暴露し、高分子ブロック共重合体(薄膜)を膨潤させることにより高分子鎖に運動の自由度を与え、自己組織化を促進する方法である。
The thermal annealing method is performed when the glass transition temperature (Tg) of the polymer block copolymer is below the thermal decomposition temperature of the polymer chain constituting the polymer block copolymer and is in an experimentally reachable temperature range. In this method, the polymer block copolymer (thin film) on the substrate is maintained at a temperature equal to or higher than its glass transition temperature (Tg).
Also, the solvent annealing method gives the polymer chain freedom of movement by exposing the polymer block copolymer (thin film) on the substrate to solvent vapor and swelling the polymer block copolymer (thin film). , A way to promote self-organization.
しかしながら、溶媒アニール法を用いて従来のシロキサン結合を含む高分子ブロック共重合体(例えば、非特許文献1参照)の自己組織化構造を形成しようとすると、高分子ブロック共重合体(薄膜)が膨潤して形成された自己組織化構造が圧縮されることとなるので、その構造を良好に維持できない場合がある。また、自己組織化構造の配列パターンの間隔は、その膨潤状態によって異なるために、ケミカルレジストレーション法を用いたミクロドメインの配列を制御することが困難となる場合がある。特に、ケミカルレジストレーション法を用いた前記パターン補間に対する膨潤の悪影響は顕著となることが予想される。 However, when an attempt is made to form a self-assembled structure of a conventional polymer block copolymer containing a siloxane bond (for example, see Non-Patent Document 1) using a solvent annealing method, the polymer block copolymer (thin film) is formed. Since the self-assembled structure formed by swelling is compressed, the structure may not be maintained well. In addition, since the interval between the arrangement patterns of the self-organized structure varies depending on the swelling state, it may be difficult to control the arrangement of the microdomains using the chemical registration method. In particular, the adverse effect of swelling on the pattern interpolation using the chemical registration method is expected to be significant.
そこで、従来のシロキサン結合を含む高分子ブロック共重合体(例えば、非特許文献1参照)の自己組織化構造の形成には、薄膜の膨潤を回避することができる熱アニール法を採用することが考えられる。 Therefore, in forming a self-organized structure of a conventional polymer block copolymer containing a siloxane bond (see, for example, Non-Patent Document 1), it is possible to employ a thermal annealing method that can avoid swelling of the thin film. Conceivable.
しかしながら、従来のシロキサン結合を含む高分子ブロック共重合体には、明確なガラス転移点温度(Tg)が存在しない。したがって、このシロキサン結合を含む高分子ブロック共重合体(薄膜)に対して適切な熱アニール法を施すことが困難となっている。
つまり、従来のシロキサン結合を含む高分子ブロック共重合体(例えば、非特許文献1参照)を用いたケミカルレジストレーション法では、更にサイズが微細化した構造であって、広範囲に亘って規則性に優れ、欠陥の少ない構造を基板上に形成することができない。
However, there is no clear glass transition temperature (Tg) in conventional polymer block copolymers containing siloxane bonds. Therefore, it is difficult to perform an appropriate thermal annealing method on the polymer block copolymer (thin film) containing the siloxane bond.
In other words, in the chemical registration method using a conventional polymer block copolymer containing a siloxane bond (see, for example, Non-Patent Document 1), the structure is further miniaturized and has a regularity over a wide range. An excellent structure with few defects cannot be formed on the substrate.
そこで、本発明の課題は、このような問題を解決することを課題とし、従来よりも更にサイズが微細化した構造であって、広範囲に亘って規則性に優れ、欠陥の少ない構造を有する高分子薄膜、微細構造体及びこれらの製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve such a problem, and has a structure that is further miniaturized than the conventional one, and has a structure that is excellent in regularity over a wide range and has a structure with few defects. It is to provide a molecular thin film, a fine structure, and a method for producing them.
前記課題を解決する本発明は、少なくとも第1セグメント及び第2セグメントを有する高分子ブロック共重合体を含む高分子層を基板上に配置する第1工程と、前記高分子層をミクロ相分離させて、前記第1セグメントを成分とする連続相中で前記第2セグメントを成分とする複数のミクロドメインを前記基板の面方向に沿って規則的に並ぶように配列させる第2工程と、を有する高分子薄膜の製造方法において、前記第1工程に先立って、前記連続相に対応するように前記基板に化学的修飾層を形成すると共に、前記ミクロドメインの配列に対応するように前記化学的修飾層とは化学的性質の相違するパターン部を形成する工程を更に有し、前記第2工程は、前記ミクロ相分離が発現する特定の温度で熱処理する工程を含み、前記高分子ブロック共重合体は、ポリメチルメタクリレートを含む前記第2セグメントと、前記高分子ブロック共重合体の主鎖に対して、次式 −(CH2)n−で示されるアルキル鎖(但し、前記式中、nは、5≦n≦24を満足する整数である)を含む有機基を介してシルセスキオキサン骨格が結合したポリメチルメタクリレートを含む前記第1セグメントと、を有し、前記化学的修飾層は、ポリスチレングラフト膜からなることを特徴とする高分子薄膜の製造方法である。 The present invention for solving the above problems includes a first step of disposing a polymer layer including a polymer block copolymer having at least a first segment and a second segment on a substrate, and microphase separation of the polymer layer. A second step of arranging a plurality of microdomains having the second segment as a component in a continuous phase having the first segment as a component so as to be regularly arranged along a surface direction of the substrate. In the method for producing a polymer thin film, prior to the first step, a chemical modification layer is formed on the substrate so as to correspond to the continuous phase, and the chemical modification is performed so as to correspond to the arrangement of the microdomains. The method further includes a step of forming a pattern portion having a chemical property different from that of the layer, and the second step includes a step of performing a heat treatment at a specific temperature at which the microphase separation occurs. Click copolymers, and the second segment comprising a polymethylmethacrylate, the main chain of the block copolymer, the formula - (CH 2) n - alkyl chain represented by (wherein, the Wherein n is an integer satisfying 5 ≦ n ≦ 24), and the first segment containing polymethyl methacrylate having a silsesquioxane skeleton bonded thereto through an organic group containing The functional modification layer is a method for producing a polymer thin film characterized by comprising a polystyrene graft film .
また、前記課題を解決する本発明は、前記高分子薄膜の製造方法によって、前記連続相中で複数の前記ミクロドメインを配列させた前記高分子薄膜を前記基板上に形成する工程と、前記高分子薄膜の前記連続相及び前記ミクロドメインのうちの一方を除去する工程と、を有することを特徴とする微細構造体の製造方法である。 Further, the present invention for solving the above-described problems includes a step of forming the polymer thin film in which a plurality of the microdomains are arranged in the continuous phase on the substrate by the method for producing the polymer thin film, And a step of removing one of the continuous phase and the microdomain of a molecular thin film.
また、前記課題を解決する本発明は、前記高分子薄膜の製造方法によって得られることを特徴とする高分子薄膜である。 The present invention for solving the above-mentioned problems is a polymer thin film obtained by the method for producing a polymer thin film.
また、前記課題を解決する本発明は、前記微細構造体の製造方法によって得られることを特徴とする微細構造体である。 In addition, the present invention that solves the above-described problems is a fine structure obtained by the method for producing a fine structure.
また、前記課題を解決する本発明は、前記微細構造体の製造方法によって製造される磁気記録媒体である。つまり、本発明の磁気記録媒体は、前記微細構造体の製造方法の発明における微細構造体に相当する。 Further, the present invention for solving the above-mentioned problems is a magnetic recording medium manufactured by the method for manufacturing a fine structure. That is, the magnetic recording medium of the present invention corresponds to the fine structure in the invention of the fine structure manufacturing method.
本発明によれば、従来よりも更にサイズが微細化した構造であって、広範囲に亘って規則性に優れ、欠陥の少ない構造を有する高分子薄膜、微細構造体及びこれらの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, there are provided a polymer thin film, a microstructure and a manufacturing method thereof having a structure that is further miniaturized than the prior art and having a structure that is excellent in regularity over a wide range and has few defects. be able to.
以下に、本発明の高分子薄膜の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。この高分子薄膜は、化学的修飾層を形成した基板の表面をパターン化すると共に、この基板の表面で高分子ブロック共重合体を熱アニール法によりミクロ相分離させて得られるものであり、この高分子ブロック共重合体が、主鎖と、−(CH2)n−基(但し、nは、5≦n≦24の整数)を含む2価の有機基を介して結合するシルセスキオキサン骨格を含むことを主な特徴とする。
以下では、高分子薄膜及びこの高分子薄膜の製造方法、並びにこの高分子薄膜を使用して得られる微細構造体及びこの微細構造体の製造方法の順番で説明する。
Hereinafter, embodiments of the polymer thin film of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. This polymer thin film is obtained by patterning the surface of a substrate on which a chemically modified layer is formed and microphase separation of a polymer block copolymer on the surface of this substrate by a thermal annealing method. Silsesquioxane in which the polymer block copolymer is bonded to the main chain via a divalent organic group containing a — (CH 2 ) n — group (where n is an integer of 5 ≦ n ≦ 24). The main feature is that it contains a skeleton.
Below, it demonstrates in order of the polymer thin film, the manufacturing method of this polymer thin film, the microstructure obtained using this polymer thin film, and the manufacturing method of this microstructure.
(高分子薄膜)
図1に示すように、本実施形態に係る微細構造を有する高分子薄膜Mは、連続相204と、柱状(シリンダ状)のミクロドメイン203とからなるミクロ相分離構造を有し、後記する第1領域106及び第2領域107(図2(f)参照)を形成した(パターン化した)基板201の表面で、後記する高分子ブロック共重合体をミクロ相分離させたものである。なお、図1においては、パターン化した基板201の表面(図2(f)の第1領域106及び第2領域107)についてはその記載を省略している。
(Polymer thin film)
As shown in FIG. 1, the polymer thin film M having a microstructure according to the present embodiment has a microphase separation structure composed of a
ミクロドメイン203は、連続相204中で基板201の面方向に沿って規則的に配列している。更に具体的には、高分子薄膜Mの厚さ方向に配向する柱状のミクロドメイン203は、基板201の面方向に沿って六方最密構造となるように配列している。
なお、本実施形態での柱状のミクロドメイン203は、高分子薄膜Mの厚さ方向に貫通するように形成されているが、ミクロドメイン203は、高分子薄膜Mを貫通していなくてもよい。また、ミクロドメイン203の配列は、六方最密構造に限定されるものではなく、立方格子構造などであっても構わない。
The
Note that the
また、後に詳しく説明するように、ミクロドメイン203は、ラメラ状(層状)や、球状であってもよい。そして、連続相204の形状は、このようなミクロドメイン203の様々の形状に対応して様々な形状をとり得ることは言うまでもない。
なお、図1中の符号doは、ミクロドメイン203の固有周期であり、高分子薄膜Mを形成するための後記する高分子ブロック共重合体の種類に応じて決まる固有値である。そして、ミクロドメイン203の配列間隔は、固有周期doで決定される。
Further, as will be described in detail later, the
1 is a natural period of the
(高分子薄膜の製造方法)
次に、高分子薄膜Mの製造方法について説明する。
なお、ここでは、図1に示すように、柱状のミクロドメイン203が基板201の表面に対して直立する構造を有する高分子薄膜Mの製造方法(ケミカルレジストレーション法による製造方法)について説明する。次に参照する図2(a)から(f)は、基板の表面をパターン化する方法の工程説明図である。
(Manufacturing method of polymer thin film)
Next, a method for producing the polymer thin film M will be described.
Here, as shown in FIG. 1, a manufacturing method (a manufacturing method by a chemical registration method) of the polymer thin film M having a structure in which the
この製造方法では、図2(a)に示すように、まず基板201上に化学的修飾層401が形成される。
本実施形態での基板201は、シリコン(Si)製のものを想定しているが、この基板201の材料としては、後記する微細構造体21(図7(b)参照)、及び微細構造体21a(図7(d)参照)の用途に応じて、例えば、ガラスやチタニア等の無機物、GaAsのような半導体、銅、タンタル、チタンのような金属、更にはエポキシ樹脂やポリイミドのような有機物からなるものが挙げられる。
In this manufacturing method, a chemically modified
In the present embodiment, the
化学的修飾層401の形成方法としては、基板201の表面に重合開始の基点となる官能基をカップリング法等によりまず導入し、その重合開始点から高分子を重合する方法や、基板201の表面と化学的にカップリングする官能基を末端や主鎖中に有する高分子を合成し、その後に基板201の表面にカップリング化する方法等がある。特に、後者の方法は簡便であり推奨される。
As a method for forming the chemically modified
ここでは、ポリスチレンを基板201の表面にカップリング化してポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401を形成する方法について更に具体的に説明する。
まず、末端に水酸基を有するポリスチレンを既定のリビング重合により合成する。次に、基板201を酸素プラズマに暴露し、又はピラニア溶液に浸漬することによって、基板201の表面に形成された自然酸化膜が有する水酸基の密度を高める。そして、末端に水酸基を有するポリスチレンのトルエン等の有機溶剤溶液を、基板201上に付与して成膜する。その後、この基板201を、真空オーブン等を用いて、真空雰囲気下で72時間程度、140℃程度の温度で加熱する。この処理により、基板201の表面の水酸基と、ポリスチレン末端の水酸基とが脱水縮合することによって、基板201の表面近傍のポリスチレンが基板201と結合し、基板201上にポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401が形成される。
Here, a method for forming a chemically modified
First, polystyrene having a hydroxyl group at the terminal is synthesized by a predetermined living polymerization. Next, the density of the hydroxyl groups of the natural oxide film formed on the surface of the
ポリスチレンを基板201の表面にグラフト化する場合、グラフト化するポリスチレンの分子量については特に制限はないが、数平均分子量で1,000程度から10,000程度とするのが望ましい。このような範囲内の数平均分子量を有するポリスチレンは、ポリスチレングラフト膜の厚さを、好適な数nm程度に制御することができる。
When polystyrene is grafted onto the surface of the
次に、基板201の表面に設けた化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)をパターン化する。パターン化とは、後に詳しく説明するように、図1に示す高分子薄膜Mの連続相204中で分布するミクロドメイン203の配列に対応するように、ポリスチレングラフト膜とは化学的性質の相違するパターン部を形成することを意味する。
Next, the chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) provided on the surface of the
パターン化(パターニング)の方法は、所望のパターンサイズに応じてフォトリソグラフィーや電子線(EB)描画法等の公知のパターン化技術を適用すればよい。
ここではフォトリソグラフィーを使用してパターン化する方法を例示すると、図2(b)に示すように、化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)の表面には、レジスト膜402が形成される。次いで、図2(c)に示すように、そのレジスト膜402が露光によってパターン化され、更に現像処理が施されることによって、図2(d)に示すように、レジスト膜402がパターンマスク化される。
As a patterning method, a known patterning technique such as photolithography or an electron beam (EB) drawing method may be applied according to a desired pattern size.
Here, exemplifying a patterning method using photolithography, as shown in FIG. 2B, a resist
そして、図2(e)に示すように、パターンマスク化されたレジスト膜402を介して酸素プラズマ処理等の手法で化学的修飾層401をエッチングする。最後に、残留している化学修飾層401の上にあるレジスト膜402を取り除けば、パターン化されたポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401が得られる(図2(f))。つまり、基板201上は、化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)からなる第1領域106と、基板201の露出面201aからなる第2領域107とに分けられる。言い換えれば、第1領域106と第2領域107とは、化学的性質の相違するように形成される。本実施形態では、高分子薄膜M(図1参照)の形成材料である、後記する高分子ブロック共重合体の第2セグメントA2(図6参照)の成分の第2領域107に対する濡れ性が、第1領域106よりも良好となるように形成される。
なお、第2領域107は、特許請求の範囲にいう「パターン部」に相当する。また、これらの第1領域106及び第2領域107を基板201の表面に形成する工程は、特許請求の範囲にいう「パターン部を形成する工程」に相当する。
Then, as shown in FIG. 2 (e), the chemically modified
The
本プロセスは一例であり、基板201の表面に設けた化学的修飾層401をパターン化できるのであれば他の手段を用いてもよい。次に、参照する図3(a)及び(b)は、基板上にパターン化された化学的修飾層が配置される他の態様を示す模式図である。
This process is an example, and other means may be used as long as the chemically modified
図3(a)に示すように、化学的修飾層501は、基板201の表面で露出するように複数埋め込まれることでパターン化されている。つまり、基板201の露出面に対して化学的性質が異なる領域を形成するように、化学的修飾層501が離散的に配置されることで特許請求の範囲にいう「パターン部」が形成されている。ちなみに、化学的修飾層501の形成方法としては、例えば、基板201にリソグラフィー法等を適用して所定のパターンの凹部を形成しておき、この凹部内に化学的修飾層501を充填配置する方法を採用することができる。
As shown in FIG. 3A, the
図3(b)に示すように、基板201の表面には、相互に化学的性質の異なる2種類の化学的修飾層501,502がパターン化されて配置されている。
ちなみに、化学的修飾層501,502の形成方法としては、例えば、図2(a)から(f)に示す化学的修飾層401の形成方法と同様にして、基板201の表面に化学的修飾層501を形成しておき、その後、基板201の露出面を埋めるように化学的修飾層501同士の間に化学的修飾層502を配置する方法を採用することができる。
As shown in FIG. 3B, two types of chemically modified
Incidentally, as a method of forming the chemically modified
次に、この高分子薄膜Mの製造方法では、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)を有する基板201上で、後記する高分子ブロック共重合体をミクロ相分離させることによって本発明の高分子薄膜M(図1参照)を得る。次に参照する図4(a)及び(b)は、本発明の実施形態に係る高分子薄膜の製造方法の工程説明図である。
Next, in the method for producing the polymer thin film M, the polymer block copolymer to be described later is microphase-separated on the
この製造方法では、図4(a)に示すように、パターン化した化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)で構成される第1領域106と、基板201の露出面201aで構成される第2領域107とを有する基板201上に、後記する高分子ブロック共重合体の塗膜202が形成される。この塗膜202は、特許請求の範囲にいう「高分子層」に相当し、この塗膜202を形成する工程は、特許請求の範囲にいう「第1工程」に相当する。
In this manufacturing method, as shown in FIG. 4A, a
塗膜202の形成は、高分子ブロック共重合体を溶媒に溶解して希薄な高分子ブロック共重合体溶液を調製し、この溶液をスピンコート法やディップコート法等の方法によって基板201の表面に塗布すればよい。スピンコート法を用いる場合を例示すれば、例えば溶液の濃度を数質量%程度とし、回転数を毎分1000〜5000回転とすることによって、乾燥膜厚で数10nm程度の塗膜202を安定的に得ることができる。
なお、高分子ブロック共重合体からなる塗膜202は、成膜時の溶媒の急激な気化に伴い、高分子ブロック共重合体のミクロ相分離は十分に進行せず、その構造が非平衡な状態、又は全くのディスオーダー状態となっている場合が多い。その構造は、その成膜方法にもよるが、通常、平衡構造となっていない。
The
The
そこで、高分子ブロック共重合体のミクロ相分離過程を十分に進行させ、平衡構造を得るために、塗膜202のアニーリングを実施する。アニーリングとしては、例えば、高分子ブロック共重合体のガラス転移温度(Tg)以上に塗膜202を加熱する熱アニール法が適用される。後記する高分子ブロック共重合体を使用する本実施形態においては、真空雰囲気下で、温度170〜230℃にて数時間から数日間加熱する熱アニール法を採用することができる。
Therefore, the
そして、この製造方法では、図4(b)に示すように、基板201上で塗膜202(高分子層)をミクロ相分離させることによって、後記する高分子ブロック共重合体の第1セグメントA1(図6参照)を成分とする連続相204中で、第2セグメントA2(図6参照)を成分とする複数の柱状のミクロドメイン203を、基板201の面方向に沿って規則的に並ぶように配列させた微細構造を形成する。この工程は、特許請求の範囲にいう「第2工程」に相当する。
And in this manufacturing method, as shown in FIG.4 (b), the 1st segment A1 of the polymer block copolymer mentioned later is carried out by carrying out micro phase separation of the coating film 202 (polymer layer) on the board |
このような第2領域107に対する第2セグメントA2(図6参照)の成分の濡れ性は、第1セグメントA1(図6参照)の成分の濡れ性よりも良好となる。そして、第1領域106に対する第1セグメントA1(図6参照)の成分の濡れ性は、第2セグメントA2(図6参照)の成分の濡れ性よりも良好となる。言い換えれば、第2領域107に対するミクロドメイン203の界面張力が、第1領域106に対する界面張力よりも小さく、第2領域107に対する連続相204の界面張力が、第1領域106に対する界面張力よりも大きい。
The wettability of the component of the second segment A2 (see FIG. 6) with respect to the
そして、このように基板201の表面に化学的性質が相違する第1領域106と第2領域107とを形成する、いわゆるケミカルレジストレーション法によって、図4(b)に示すように、第2セグメントA2(図6参照)の成分からなる柱状のミクロドメイン203が第2領域107(基板201の露出面201a)上に配置され、第1セグメントA1(図6参照)の成分からなる連続相204が第1領域106(化学的修飾層401の表面)上に配置されることとなる。
なお、図4(b)において、第1領域106上に形成されたミクロドメイン203は、後記するように補間(パターン補間)されたものを示している。
Then, as shown in FIG. 4B, the second segment is formed by the so-called chemical registration method in which the
In FIG. 4B, the
次に、本実施形態で使用したケミカルレジストレーション法について更に詳しく説明する。
ケミカルレジストレーション法は、高分子ブロック共重合体が自己組織化により形成するミクロ相分離構造の長距離秩序性を、例えば図2(f)に示すように、基板201の表面に設けた化学的マーク、つまり第1領域106(化学的修飾層401の表面)内に設けた第2領域107(パターン部:基板201の露出面201a)により向上させる手法である。このケミカルレジストレーション法によれば、化学的マークとしての第2領域107の欠陥が高分子ブロック共重合体の自己組織化により補間(パターン補間)される。
Next, the chemical registration method used in this embodiment will be described in more detail.
In the chemical registration method, a long-range order of a microphase separation structure formed by self-organization of a polymer block copolymer is formed by a chemical resist provided on the surface of a
本実施形態でのケミカルレジストレーション法を適用して化学的マークとしての第2領域107の補間が可能となったパターンの代表例を以下に示す。次に参照する図5(a)は、化学的マークとしての第2領域を基板の全表面に亘って、本実施形態での高分子ブロック共重合体の固有周期do(図1に示すヘキサゴナルの固有周期do)となるように配列し、高分子ブロック共重合体をミクロ相分離させた際の様子を示す概念図、図5(b)は、化学的マークとしての第2領域の欠陥率が25%となるように配列し、高分子ブロック共重合体をミクロ相分離させた際の様子を示す概念図、図5(c)は、化学的マークとしての第2領域の欠陥率が50%となるように配列し、高分子ブロック共重合体をミクロ相分離させた際の様子を示す概念図、図5(d)は、化学的マークとしての第2領域の欠陥率が75%となるように配列し、高分子ブロック共重合体をミクロ相分離させた際の様子を示す概念図である。
A typical example of a pattern in which the
図5(a)に示すように、第2領域107をヘキサゴナルに配列した基板201(化学的マークの欠陥率0%)を使用すると、本実施形態での高分子ブロック共重合体は、ミクロ相分離して第2領域107に対応する位置(ヘキサゴナルな固有周期do)でミクロドメイン203を直立させるようにミクロ相分離する。
As shown in FIG. 5A, when a
また、図5(b)に示すように、化学的マークとしての第2領域107の欠陥率が25%となるように配列した基板201を使用すると、本実施形態での高分子ブロック共重合体は、第2領域107の欠陥部位の周囲で直立するミクロドメイン203に拘束されて、第2領域107の欠陥部位に対応する位置でミクロドメイン203を直立させるようにミクロ相分離する。つまり、第2領域107の欠陥部位は、本実施形態での高分子ブロック共重合体を使用することで補間されており、精度よくケミカルレジストレーションが実現されている。
Further, as shown in FIG. 5B, when the
また、図5(c)に示すように、化学的マークとしての第2領域107の欠陥率が50%(パターン密度1/2)となるように配列した基板201、更に詳しくは、一列置きに第2領域107を配置した基板201を使用すると、本実施形態での高分子ブロック共重合体は、第2領域107の欠陥部位の周囲で直立するミクロドメイン203に拘束されて、第2領域107の欠陥部位に対応する位置でミクロドメイン203を直立させるようにミクロ相分離する。つまり、第2領域107の欠陥部位は、本実施形態での高分子ブロック共重合体を使用することで補間されており、精度よくケミカルレジストレーションが実現されている。
Further, as shown in FIG. 5C, the
また、図5(d)に示すように、化学的マークとしての第2領域107の欠陥率が75%(パターン密度1/4)となるように配列した基板201、更に詳しくは、一列置きに配置した第2領域107を更に一つ置きに配置した基板201を使用すると、本実施形態での高分子ブロック共重合体は、第2領域107の欠陥部位の周囲で直立するミクロドメイン203の拘束力は弱いものの、第2領域107の欠陥部位に対応する位置でミクロドメイン203を直立させるようにミクロ相分離する。つまり、第2領域107の欠陥部位は、本実施形態での高分子ブロック共重合体を使用することで補間されており、精度よくケミカルレジストレーションが実現されている。
以上のことから、基板201の表面における化学的マークとしての第2領域107(パターン部)の配列周期(格子間隔)は、ミクロドメインの固有周期doの自然数倍となっていることが望ましい。
Further, as shown in FIG. 5D, the
From the above, it is desirable that the arrangement period (lattice interval) of the second region 107 (pattern part) as a chemical mark on the surface of the
(高分子ブロック共重合体)
図1に示すように、本発明の高分子薄膜Mの形成に使用する高分子ブロック共重合体は、基板201上でミクロ相分離することによって、連続相204とミクロドメイン203とを形成する。次に参照する図6は、本発明の高分子薄膜の形成に使用する高分子ブロック共重合体における第1セグメント及び第2セグメントの様子を示す概念図であり、図1の高分子薄膜の部分平面図に相当する。
(High molecular block copolymer)
As shown in FIG. 1, the polymer block copolymer used for forming the polymer thin film M of the present invention forms a
図6に示すように、本実施形態での高分子ブロック共重合体は、連続相204を形成する成分となる第1セグメントA1と、ミクロドメイン203を形成する成分となる第2セグメントA2とを有している。
As shown in FIG. 6, the polymer block copolymer in the present embodiment includes a first segment A1 that is a component that forms the
このような高分子ブロック共重合体においては、基板201(図1参照)上で占める第2セグメントA2の体積が第1セグメントA1の体積より小さいものが望ましい。
第1セグメントA1及び第2セグメントA2の体積は、これらを構成する高分子鎖の重合度を変えることで調節することができる。
In such a polymer block copolymer, it is desirable that the volume of the second segment A2 occupied on the substrate 201 (see FIG. 1) is smaller than the volume of the first segment A1.
The volume of the first segment A1 and the second segment A2 can be adjusted by changing the degree of polymerization of the polymer chains constituting them.
ちなみに、第1セグメントA1と第2セグメントA2との結合部近傍で連続相204とミクロドメイン203との境界が決定される。したがって、高分子ブロック共重合体は、分子量分布の狭いものが、より望ましく、特にリビングアニオン重合法で合成された高分子ブロック共重合体は更に望ましい。また、前記したリビングアニオン重合法によって合成されるもののほか、原子移動ラジカル重合法や、可逆的付加開裂連鎖移動重合法、ニトロキシド媒介重合法、開環メタセシス重合法等によって合成したものを使用することができる。
また、本実施形態での高分子ブロック共重合体としては、例えば、下記構造式(1)で示される高分子鎖を有するものが挙げられる。
Incidentally, the boundary between the
Moreover, as a polymer block copolymer in this embodiment, what has a polymer chain shown by following Structural formula (1) is mentioned, for example.
但し、前記構造式(1)中、Mは、それぞれ同一でも異なっていてもよい水素原子又は一価の有機基であり、Lは、−(CH2)n−基(但し、nは、5≦n≦24の整数、望ましくは5〜15の整数である)を含む2価の有機基であり、分子長1〜5nm程度のものが望ましい。また、前記構造式(1)中、POSSはポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン(シルセスキオキサン骨格)であり、pは1〜1000の整数であり、rは1〜70の整数である。 In the structural formula (1), M is a hydrogen atom or a monovalent organic group which may be the same or different, and L is a — (CH 2 ) n — group (where n is 5 ≦ n ≦ 24, preferably an integer of 5 to 15, and a molecular length of about 1 to 5 nm is desirable. In the structural formula (1), POSS is a polyhedral oligomeric silsesquioxane (silsesquioxane skeleton), p is an integer of 1 to 1000, and r is an integer of 1 to 70. .
ちなみに、本発明で使用する高分子ブロック共重合体は、前記構造式(1)で示される高分子ブロック共重合体に限定されるものではなく、第1セグメントA1(図6参照)又は第2セグメントA2(図6参照)にシルセスキオキサン骨格を有し、このシルセスキオキサン骨格が、高分子ブロック共重合体の主鎖に対して、前記した−(CH2)n−基で示されるアルキル鎖を含む有機基を介して結合されているものであればよい。したがって、第1セグメントA1(図6参照)及び第2セグメントA2(図6参照)を構成する主鎖としては、ミクロ相分離に使用する公知の高分子ブロック共重合体の主鎖と同様ものを有するもの使用することができるが、中でも下記構造式(2)で示される高分子ブロック共重合体が望ましい。 Incidentally, the polymer block copolymer used in the present invention is not limited to the polymer block copolymer represented by the structural formula (1), but the first segment A1 (see FIG. 6) or the second segment. The segment A2 (see FIG. 6) has a silsesquioxane skeleton, and this silsesquioxane skeleton is represented by the aforementioned — (CH 2 ) n — group with respect to the main chain of the polymer block copolymer. What is necessary is just to be couple | bonded through the organic group containing the alkyl chain to be. Therefore, the main chain constituting the first segment A1 (see FIG. 6) and the second segment A2 (see FIG. 6) is the same as the main chain of a known polymer block copolymer used for microphase separation. Among them, a polymer block copolymer represented by the following structural formula (2) is preferable.
但し、前記構造式(2)中、R1は、それぞれ同一でも異なっていてもよい水素原子、炭素数1〜24のアルキル、又はアリールである。R2は、リビングアニオン重合法に使用される反応開始剤に由来するアルキル部分であり、中でもsec−ブチルが望ましい。
また、前記構造式(2)中、Dは、例えば、2価の1,1−ジフェニルエチレン基、その誘導体等が挙げられる。Xは、リンカーを構成する2価の有機基であり後に詳しく説明する。
なお、前記構造式(2)中、n、p及びrは、前記構造式(1)のn、p及びrと同義である。
However, in the above structural formula (2), R 1 may hydrogen atom optionally the same as or different from each other, alkyl having 1 to 24 carbon atoms, or an aryl. R 2 is an alkyl moiety derived from a reaction initiator used in the living anion polymerization method, and among them, sec-butyl is desirable.
In the structural formula (2), examples of D include a divalent 1,1-diphenylethylene group and derivatives thereof. X is a divalent organic group constituting the linker, and will be described in detail later.
In the structural formula (2), n, p and r have the same meanings as n, p and r in the structural formula (1).
前記ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン(POSS)としては、下記構造式で示されるものが望ましい。なお、下記のPOSSの構造式中、Rは、メチル、エチル、イソブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、フェニル、及びイソオクチルから選ばれる官能基であって、相互に同一でも異なっていてもよい。 The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) is preferably represented by the following structural formula. In the following structural formula of POSS, R is a functional group selected from methyl, ethyl, isobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, phenyl, and isooctyl, and may be the same or different from each other.
前記構造式(2)中のXで表される2価の有機基としては、例えば、下記構造式で示されるものが挙げられる。
なお、下記の2価の有機基は、紙面の右側に位置する分子鎖末端を高分子ブロック共重合体の主鎖側とし、紙面の左側に位置する分子鎖末端をPOSS側として表している。
また、下記構造式の「cis/trans」の表記は、当該構造式中の炭素間二重結合におけるシス−トランス異性体を含むことを示している。
Examples of the divalent organic group represented by X in the structural formula (2) include those represented by the following structural formula.
In the following divalent organic groups, the molecular chain terminal located on the right side of the paper is represented as the main chain side of the polymer block copolymer, and the molecular chain terminal located on the left side of the paper is represented as the POSS side.
Moreover, the notation of “cis / trans” in the following structural formula indicates that it includes a cis-trans isomer in a carbon-carbon double bond in the structural formula.
また、前記した−(CH2)n−基で示されるアルキル鎖とPOSSは直接結合していても良い。 In addition, the alkyl chain represented by the aforementioned — (CH 2 ) n — group and POSS may be directly bonded.
以上のような構造式(1)及び構造式(2)で示される高分子ブロック共重合体(POSS含有ブロック共重合体)においては、POSSを含有するブロックが第1セグメントA1(図6参照)に対応し、POSSを含有していないブロックが第2セグメントA2(図6参照)に対応している。 In the polymer block copolymer (POSS-containing block copolymer) represented by the above structural formulas (1) and (2), the POSS-containing block is the first segment A1 (see FIG. 6). The block not containing POSS corresponds to the second segment A2 (see FIG. 6).
そして、本実施形態での高分子ブロック共重合体は、前記したように、第1セグメントA1(図6参照)及び第2セグメントA2(図6参照)のいずれか一方のブロックにおける側鎖に、−(CH2)n−基(但し、nは、5≦n≦24の整数)を含む2価の有機基を介して結合するシルセスキオキサン骨格を含むものであればよい。 And as above-mentioned, the polymer block copolymer in this embodiment is in the side chain in any one block of 1st segment A1 (refer FIG. 6) and 2nd segment A2 (refer FIG. 6), - (CH 2) n - group (where, n is an integer of 5 ≦ n ≦ 24) as long as it contains a silsesquioxane skeleton bonded through a divalent organic group containing a.
このような高分子ブロック共重合体の、より望ましいものとしては、下記構造式(3)で示されるものが挙げられる。 More preferable examples of such a polymer block copolymer include those represented by the following structural formula (3).
但し、前記構造式(3)中、Rはイソブチルであり、Meはメチルであり、Phはフェニルであり、sec−Buはセカンダリーブチルであり、X、n、p、rは、前記構造式(2)のX、n、p、rと同義である。 However, in the structural formula (3), R is isobutyl, Me is methyl, Ph is phenyl, sec-Bu is secondary butyl, and X, n, p, and r are the structural formulas ( It is synonymous with X, n, p, r of 2).
以上のような本実施形態に係る高分子ブロック共重合体は、第1セグメントA1又は第2セグメントA2(図6参照)と、シルセスキオキサン骨格との間に介在する基を長くすることで、熱アニール時における、側鎖としてのシルセスキオキサン骨格を有する有機基の位置変位(ゆらぎ)の自由度が向上し、かつ、ミクロ相分離構造を発現できるものと考えられる。 The polymer block copolymer according to this embodiment as described above is obtained by lengthening a group interposed between the first segment A1 or the second segment A2 (see FIG. 6) and the silsesquioxane skeleton. It is considered that the degree of freedom of positional displacement (fluctuation) of an organic group having a silsesquioxane skeleton as a side chain at the time of thermal annealing is improved and a microphase separation structure can be expressed.
また、本実施形態に係る高分子ブロック共重合体は、前記したように、第1セグメントA1(図6参照)と第2セグメント(図6参照)におけるそれぞれの末端が結合して成るAB型の高分子ジブロック共重合体を例示したが、本発明で使用する高分子ブロック共重合体としては、ABA型高分子トリブロック共重合体や、三種類以上の高分子セグメントからなるABC型高分子ブロック共重合体などの直鎖状高分子ブロック共重合体、スター型の高分子ブロック共重合体であってもよい。 In addition, as described above, the polymer block copolymer according to the present embodiment is an AB type formed by bonding the ends of the first segment A1 (see FIG. 6) and the second segment (see FIG. 6). Although the polymer diblock copolymer was illustrated, the polymer block copolymer used in the present invention includes an ABA polymer triblock copolymer and an ABC polymer comprising three or more polymer segments. It may be a linear polymer block copolymer such as a block copolymer or a star-type polymer block copolymer.
(微細構造体及びその製造方法)
次に、前記した高分子薄膜Mを利用して得られる微細構造体について説明する。ここで参照する図7(a)から(f)は、本実施形態での高分子薄膜を利用して得られる微細構造体の製造方法を説明するための工程図である。なお、図7(a)から(f)では、パターン化した基板201の表面についてはその記載を省略している。以下の説明において、微細構造体とは、その表面にミクロ相分離構造の規則的な配列のパターンに対応する凹凸面が形成されているものを指す。
(Microstructure and manufacturing method thereof)
Next, a fine structure obtained using the polymer thin film M will be described. FIGS. 7A to 7F referred to here are process diagrams for explaining a manufacturing method of a fine structure obtained by using the polymer thin film in the present embodiment. 7A to 7F, the description of the surface of the patterned
この製造方法では、図7(a)に示すように、連続相204と、柱状体のミクロドメイン203とからなるミクロ相分離構造を有する高分子薄膜Mが準備される。符号201は基板である。
In this manufacturing method, as shown in FIG. 7A, a polymer thin film M having a microphase separation structure composed of a
次に、この製造方法では、図7(b)に示すように、ミクロドメイン203(図7(a)参照)が除去されることで、基板201と、複数の微細孔Hが規則的に配列した多孔質薄膜Dとを備える微細構造体21が得られる。
なお、ここでは連続相204及びミクロドメイン203のいずれかが除去されればよく、図示しないが、微細構造体21は、ミクロ相分離構造のうち連続相204が除去されることで、複数の柱状体が規則的に配列したものであってもよい。
Next, in this manufacturing method, as shown in FIG. 7B, by removing the microdomain 203 (see FIG. 7A), the
Note that here, any one of the
高分子薄膜Mの連続相204又は柱状体のミクロドメイン203のいずれか一方を除去する方法としては、リアクティブイオンエッチング(RIE)、その他のエッチング法により連続相204とミクロドメイン203とのエッチングレートの差を利用する方法が挙げられる。
As a method for removing either the
また、連続相204及びミクロドメイン203のいずれか一方に金属原子等をドープすることによりエッチングの選択性を向上させることも可能である。
また、微細構造体21は、連続相204及びミクロドメイン203のうちのいずれか一方を除去した後に、残存した連続相204及びミクロドメイン203のうちのいずれか一方をマスクとして基板201をエッチングして得られるものであってもよい。
In addition, it is possible to improve etching selectivity by doping one of the
In addition, after removing either one of the
つまり、図7(b)に示す連続相204のように、残存した他方の高分子相(多孔質薄膜D)をマスクとして基板201をRIEやプラズマエッチング法でエッチング加工する。その結果、図7(c)に示すように、微細孔Hを介して除去された、高分子相(多孔質薄膜D)の部位に対応する基板201の表面部位が加工され、ミクロ分離構造のパターンが基板201の表面に転写されることになる。そして、この微細構造体21の表面に残存した多孔質薄膜DをRIE又は溶媒で除去すると、図7(d)に示すように、柱状体のミクロドメイン203(図7(a)参照)に対応したパターンを有する微細孔Hが表面に形成された微細構造体21aが得られることになる。
That is, like the
また、微細構造体21は、この微細構造体21を原版としてそのパターン配列を転写して複製されたものであってもよい。
つまり、図7(b)に示す連続相204のように残存した他方の高分子相(多孔質薄膜D)を、図7(e)に示すように、被転写体30に密着させて、ミクロ相分離構造のパターンを被転写体30の表面に転写する。その後、図7(f)に示すように、被転写体30を微細構造体21(図7(e)参照)から剥離することにより、多孔質薄膜D(図7(e)参照)のパターンが転写されたレプリカ(微細構造体21b)を得ることができる。
Further, the
That is, the other polymer phase (porous thin film D) remaining like the
ここで、被転写体30の材質は、金属であればニッケル、白金、金等、無機材料であればガラスやチタニア等、用途に応じて選択すればよい。被転写体30が金属製の場合、スパッタ、蒸着、めっき法、又はこれらの組み合わせにより、被転写体30を微細構造体21(図7(e)参照)の凹凸面に密着させることが可能である。
Here, the material of the
また、被転写体30が無機物質の場合は、スパッタやCVD法のほか、例えば、ゾルゲル法を用いて密着させることができる。ここで、めっき法やゾルゲル法は、ミクロ相分離構造における数十nmの規則的な配列のパターンを正確に転写することが可能であり、非真空プロセスによる低コスト化も望める点で望ましい方法である。
Further, when the
前記した製造方法により得られた微細構造体21,21a,21b(図7(b)、(d)、及び(f)参照)は、その表面に形成されるパターンの凹凸面が微細でかつアスペクト比が大きいことから、種々の用途に適用される。
例えば、製造された微細構造体21,21a,21bの表面を、ナノインプリント法等により被転写体に繰り返し密着させることにより、同じ規則的な配列のパターンを表面に有する微細構造体21,21a,21bのレプリカを大量に製造するような用途に供することができる。
The
For example, the surfaces of the manufactured
以下に、ナノインプリント法により微細構造体21,21a,21b(図7(b)、(d)、及び(f)参照)の凹凸面の微細なパターンを被転写体30に転写する方法について示す。
第1の方法は、作製した微細構造体21,21a,21bを被転写体30に直接インプリントして規則的な配列のパターンを転写する方法である(本方法を、熱インプリント法という)。この方法は、被転写体30が直接インプリントすることが可能な材質である場合に適する。例えばポリスチレンに代表される熱可塑性樹脂を被転写体30とする場合に、熱可塑性樹脂をガラス転移温度以上に加熱した後に、微細構造体21,21a,21bをこの被転写体30に押し当てて密着させ、ガラス転移温度以下まで冷却した後に微細構造体21,21a,21bを被転写体30の表面から離型するとレプリカを得ることができる。
Hereinafter, a method for transferring the fine pattern on the uneven surface of the
The first method is a method of imprinting the manufactured
また、第2の方法として、微細構造体21,21a,21b(図7(b)、(d)、及び(f)参照)がガラス等の光透過性の材質である場合は、光硬化性樹脂を被転写体(図示せず)として適用する(本方法を、光インプリント法という)。この光硬化性樹脂を微細構造体21,21a,21bに密着させた後に光を照射すると、この光硬化性樹脂は硬化するので、微細構造体21,21a,21bを離型して、硬化後の光硬化性樹脂(被転写体)をレプリカとして用いることができる。
As a second method, when the
更に、このような光インプリント法において、例えば、ガラス基板を被転写体(図示せず)とする場合に、微細構造体21,21a,21bと、ガラス基板とを重ねた隙間に光硬化性樹脂を介在させて密着し、これに光を照射する。そして、この光硬化性樹脂を硬化させた後に微細構造体21,21a,21bを離型して、表面に凹凸を有する硬化後の光硬化性樹脂をマスクとし、プラズマやイオンビーム等でガラス基板上に規則配列パターンをエッチング加工する転写方法もある。
Further, in such an optical imprinting method, for example, when a glass substrate is used as a transfer target (not shown), the photo-curing property is formed in the gap between the
以上のような本実施形態に係るシルセスキオキサンを有する高分子薄膜、微細構造体及びこれらの製造方法によれば、従来よりも更にサイズが微細化した構造であって、広範囲に亘って規則性に優れ、欠陥の少ない構造を有する微細構造体を得ることができる。 According to the above-described polymer thin film having a silsesquioxane, a fine structure, and a manufacturing method thereof according to the present embodiment as described above, the structure is further miniaturized as compared with the prior art, and the rule is widely applied. It is possible to obtain a fine structure having a structure with excellent properties and few defects.
そして、高分子薄膜M、微細構造体21,21a,21b、及びこれらのレプリカ等で例示される本発明の微細構造体は、磁気記録媒体や光記録媒体等の情報記録媒体に適用可能である。また、このような本発明の微細構造体は、大規模集積回路部品や、レンズ、偏光板、波長フィルタ、発光素子、光集積回路等の光学部品、免疫分析、DNA分離、細胞培養等のバイオデバイスへの適用が可能である。
The microstructure of the present invention exemplified by the polymer thin film M, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の他の形態で実施することができる。
前記実施形態では、図1に示すように、ミクロドメイン203が柱状となる高分子薄膜Mについて説明したが、本発明はミクロドメイン203の形状が球状やラメラ状(層状)であってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement with a various other form.
In the above-described embodiment, the polymer thin film M in which the
このような高分子薄膜Mは、ミクロ相分離が行われる際に、基板201で第1セグメントA1(図6参照)の成分と、第2セグメントA2(図6参照)の成分との占める体積割合を調節するように、高分子ブロック共重合体の重合度を調節することで、ミクロドメイン203の形状を変化させることができる。更に詳しく説明すると、第2セグメントA2(図6参照)の成分の、全体積に占める割合が0%から50%に増加するにしたがって、第2セグメントA2(図6参照)の成分からなるミクロドメイン203の形状は、規則的に配列した球状から、柱状を経て、ラメラ状となる。
In such a polymer thin film M, the volume ratio of the component of the first segment A1 (see FIG. 6) and the component of the second segment A2 (see FIG. 6) on the
次に参照する図8は、高分子ブロック共重合体がミクロ相分離してラメラ状のミクロ相分離構造を形成した様子を模式的に示す斜視図である。
図8に示すように、基板201上のラメラ状のミクロ相分離構造は、第2セグメントA2(図6参照)の成分からなるラメラ状のミクロドメイン203が、第1セグメントA1(図6参照)の成分からなる連続相204中に等間隔に配置された構造となる。
なお、図8中、符号doは高分子ブロック共重合体の固有周期であり、図示しないが、基板201に設けられるポリスチレングラフト膜のパターン化は、ミクロドメイン203と、連続相204とに対応するように等間隔の縞状に形成される。
Next, FIG. 8 referred to is a perspective view schematically showing a state in which the polymer block copolymer forms a lamellar microphase separation structure by microphase separation.
As shown in FIG. 8, the lamellar microphase separation structure on the
In FIG. 8, the symbol do indicates the natural period of the polymer block copolymer, and although not shown, the patterning of the polystyrene graft film provided on the
次に、実施例を示しながら本発明を更に具体的に説明する。
(実施例1)
実施例1では、まず高分子薄膜を形成するための高分子ブロック共重合体を用意した。具体的には、下記構造式(4)で示される高分子ブロック共重合体である。
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Example 1
In Example 1, a polymer block copolymer for forming a polymer thin film was first prepared. Specifically, it is a polymer block copolymer represented by the following structural formula (4).
但し、構造式(4)中のRは、イソブチルであり、Ph、sec−Buは、前記構造式(3)のPh、sec−Buと同義である。
この高分子ブロック共重合体は、−(CH2)11−基(前記構造式(2)中のn=11)、2価の有機基、及びシルセスキオキサン骨格からなる側鎖を有するポリメタクリレート(以下、PMAC11POSSということがある)と、一般的な炭化水素系ポリマーとして知られるポリメチルメタクリレート(PMMA)を組み合わせたジブロック共重合体である。この高分子ブロック共重合体の数平均分子量Mnは、30,700である。
However, R in Structural Formula (4) is isobutyl, and Ph and sec-Bu have the same meanings as Ph and sec-Bu in Structural Formula (3).
This polymer block copolymer is a poly (CH 2 ) 11 — group (n = 11 in the above structural formula (2)), a divalent organic group, and a side chain comprising a silsesquioxane skeleton. It is a diblock copolymer obtained by combining methacrylate (hereinafter sometimes referred to as PMAC11POSS) and polymethyl methacrylate (PMMA), which is known as a general hydrocarbon polymer. The number average molecular weight Mn of this polymer block copolymer is 30,700.
また、この高分子ブロック共重合体は、全体としての分子量分布の多分散指数Mw/Mnが1.07であった。この高分子ブロック共重合体は、PMMAからなる柱状のミクロドメインと、PMAC11POSSからなる連続相とにミクロ相分離することとなる。
以下、この実施例1における高分子ブロック共重合体は、「第1の高分子ブロック共重合体」と称することがあり、「PMMA−b−PMAC11POSS(1)」と記すことがある。
Moreover, this polymer block copolymer had a polydispersity index Mw / Mn of the molecular weight distribution as a whole of 1.07. This polymer block copolymer undergoes microphase separation into a columnar microdomain made of PMMA and a continuous phase made of PMAC11POSS.
Hereinafter, the polymer block copolymer in Example 1 may be referred to as “first polymer block copolymer” and may be referred to as “PMMA-b-PMAC11POSS (1)”.
<ガラス転移温度(Tg)の測定>
第1の高分子ブロック共重合体のガラス転移温度(Tg)を、示差走査熱量分析法を用いて測定した。この結果、約100℃の吸熱ピークが検出され、第1の高分子ブロック共重合体は明確なガラス転移温度(Tg)を有することが確認された。
<Measurement of glass transition temperature (Tg)>
The glass transition temperature (Tg) of the first polymer block copolymer was measured using differential scanning calorimetry. As a result, an endothermic peak of about 100 ° C. was detected, and it was confirmed that the first polymer block copolymer had a clear glass transition temperature (Tg).
<第1の高分子ブロック共重合体の固有周期doの測定>
この第1の高分子ブロック共重合体の固有周期do(図1参照)の測定にあたって、まず、この高分子ブロック共重合体をクロロホルムに溶解することにより、濃度1.0質量%の高分子ブロック共重合体のクロロホルム溶液を得た。次に、溶媒を徐々に除去し、高分子ブロック共重合体のバルクサンプルを得た。このバルクサンプルに対して、小角X線散乱(SAXS:Small Angle X-ray Scattering)法により構造解析を行った。
<Measurement of natural period do of first polymer block copolymer>
In measuring the natural period do (see FIG. 1) of the first polymer block copolymer, first, the polymer block copolymer was dissolved in chloroform to obtain a polymer block having a concentration of 1.0% by mass. A chloroform solution of the copolymer was obtained. Next, the solvent was gradually removed to obtain a bulk sample of the polymer block copolymer. The bulk sample was subjected to structural analysis by a small angle X-ray scattering (SAXS) method.
図9は、ミクロ相分離した第1の高分子ブロック共重合体(PMMA−b−PMAPOSS(1))のX線小角散乱(SAXS)曲線である。この結果、散乱プロファイルから、少なくとも3つの極大(図9中、矢示1,2,3)が存在し、その相対的ピーク位置は、1:√3:√4であることが判明した。つまり、これらの高分子ブロック共重合体は、PMMAからなる柱状のミクロドメインと、PMAC11POSSからなる連続相とにミクロ相分離することが確認された。更に、極大位置からその固有周期doは25nm(実測値としては24.8nm)であることが確認された。この結果を表1に示す。
FIG. 9 is an X-ray small angle scattering (SAXS) curve of the first polymer block copolymer (PMMA-b-PMAPOSS (1)) microphase-separated. As a result, it was found from the scattering profile that there are at least three maximums (
<ポリスチレングラフト膜の形成>
次に、実施例1では、第1の高分子ブロック共重合体からなる薄膜を形成するための基板を用意した。基板には自然酸化膜を有するSiウエハ(4インチ(10.2cm))を用いた。
次に、この基板としてのSiウエハをピラニア溶液により洗浄した。このピラニア処理によって、Siウエハの表面の有機物を除去すると共に、その表面を酸化して表面水酸基密度を増加させた。
次に、水酸基で末端をターミネートしたポリスチレン(以下、PS−OHという)のトルエン溶液(PS−OH濃度2.0%)を調製し、これをSiウエハの表面に、スピンコーター(ミカサ株式会社製1H−360S、回転速度2000rpm)にて塗布した。
なお、PS−OHの分子量は、3,700であった。得られたPS−OHの膜厚は約50nm程度であった。
<Formation of polystyrene graft film>
Next, in Example 1, a substrate for forming a thin film made of the first polymer block copolymer was prepared. A Si wafer (4 inches (10.2 cm)) having a natural oxide film was used as the substrate.
Next, the Si wafer as the substrate was washed with a piranha solution. By this piranha treatment, organic substances on the surface of the Si wafer were removed and the surface was oxidized to increase the surface hydroxyl group density.
Next, a toluene solution (PS-OH concentration 2.0%) of polystyrene (hereinafter referred to as PS-OH) terminated with a hydroxyl group is prepared, and this is applied to the surface of a Si wafer on a spin coater (Mikasa Co., Ltd.). 1H-360S, rotation speed 2000 rpm).
The molecular weight of PS-OH was 3,700. The film thickness of the obtained PS-OH was about 50 nm.
次に、PS−OHを塗布した基板を真空オーブンに投入し、140℃にて72時間加熱した。この処理によりPS−OH末端の水酸基と、基板表面の水酸基とを脱水反応により化学的に結合させた。最後に、基板をトルエンに浸漬し超音波処理することにより、未反応のPS−OHを除去し、ポリスチレングラフト層を有する基板を得た。 Next, the substrate coated with PS-OH was put into a vacuum oven and heated at 140 ° C. for 72 hours. By this treatment, the hydroxyl group at the end of PS-OH and the hydroxyl group on the substrate surface were chemically bonded by dehydration reaction. Finally, the substrate was immersed in toluene and subjected to ultrasonic treatment to remove unreacted PS-OH to obtain a substrate having a polystyrene graft layer.
ポリスチレングラフト層を形成した基板の表面状態を評価するために、ポリスチレングラフト層の厚さ、表面のカーボン量、及び表面に対するホモポリスチレン(以下、hPSと略記する)の接触角を測定した。ポリスチレングラフト層の厚さの測定には、分光エリプソメトリー法を採用し、カーボン量の測定には、X線光電子分光法(XPS法)を採用した。 In order to evaluate the surface state of the substrate on which the polystyrene graft layer was formed, the thickness of the polystyrene graft layer, the amount of carbon on the surface, and the contact angle of homopolystyrene (hereinafter abbreviated as hPS) to the surface were measured. A spectroscopic ellipsometry method was employed for measuring the thickness of the polystyrene graft layer, and an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS method) was employed for measuring the carbon amount.
ポリスチレングラフト層の厚さは5.1nmであった。
ポリスチレングラフト層を形成した基板表面のカーボン量は、そのC1Sに由来するピークの積分強度として求められた。その積分強度は4,500cps及び27,000cpsであった。
The thickness of the polystyrene graft layer was 5.1 nm.
The amount of carbon on the substrate surface on which the polystyrene graft layer was formed was determined as the integrated intensity of the peak derived from the C1S. The integrated intensities were 4,500 cps and 27,000 cps.
基板表面のポリスチレングラフト層に対するhPSの接触角は、9度であった。なお、Siウエハからなる基板表面に対するhPSの接触角は、35度であった。つまり、この接触角の減少からも、基板表面にポリスチレングラフト膜が形成できたことが確認できた。 The contact angle of hPS with respect to the polystyrene graft layer on the substrate surface was 9 degrees. The contact angle of hPS with respect to the surface of the substrate made of Si wafer was 35 degrees. That is, it was confirmed that a polystyrene graft film could be formed on the substrate surface from the decrease in the contact angle.
ちなみに、基板表面に対するhPSの接触角の測定は以下の方法により実施した。
まず、基板表面に数平均分子量4000のhPSを、厚さが約80nmの薄膜となるようにスピンコートした。次に、hPSを成膜した基板を、真空雰囲気化において、温度170℃で24時間アニールした。この処理により、hPS薄膜は基板表面でdewettingし、微小な液滴となった。この加熱処理後、基板を加熱炉から取り出し液体窒素に浸漬することにより急冷し、液滴の形状を凍結した。
得られた液滴の断面形状を原子間力顕微鏡により測定し、基板と液滴の界面の角度を測定することにより、加熱処理時の温度における基板に対するhPSの接触角を決定した。この際、角度の測定は6点について行いその平均値を接触角とした。
Incidentally, the measurement of the contact angle of hPS with the substrate surface was carried out by the following method.
First, hPS having a number average molecular weight of 4000 was spin-coated on the substrate surface so as to be a thin film having a thickness of about 80 nm. Next, the substrate on which hPS was formed was annealed at a temperature of 170 ° C. for 24 hours in a vacuum atmosphere. By this treatment, the hPS thin film was dewetted on the substrate surface to form fine droplets. After this heat treatment, the substrate was taken out of the heating furnace and immersed in liquid nitrogen to be rapidly cooled to freeze the droplet shape.
The cross-sectional shape of the obtained droplet was measured with an atomic force microscope, and the contact angle of hPS with respect to the substrate at the temperature during the heat treatment was determined by measuring the angle of the interface between the substrate and the droplet. At this time, the angle was measured for 6 points, and the average value was taken as the contact angle.
<ポリスチレングラフト膜(化学的修飾層)のパターン化>
次に参照する図10(a)は、パターン化されたポリスチレングラフト膜を部分的に拡大して示す平面図、図10(b)は、パターン化されたポリスチレングラフト膜の表面において、パターンの格子間隔dが異なる領域の配置を模式的に示す平面図、図10(c)は、ダイシングされた基板の平面図である。
<Patterning of polystyrene graft film (chemically modified layer)>
Next, FIG. 10 (a) to be referred to is a plan view showing a partially enlarged polystyrene graft film, and FIG. 10 (b) is a pattern lattice on the surface of the patterned polystyrene graft film. FIG. 10C is a plan view schematically showing the arrangement of regions having different intervals d, and FIG. 10C is a plan view of a diced substrate.
まず、図10(c)に示すように、ポリスチレングラフト膜(化学的修飾層401)を形成した基板201(Siウエハ)を2cm四方の大きさにダイシングしたものを用意した。 First, as shown in FIG. 10C, a substrate 201 (Si wafer) on which a polystyrene graft film (chemically modified layer 401) was formed was diced into a size of 2 cm square.
次に、このダイシングした基板201のポリスチレングラフト膜をEBリソグラフィー法によりパターン化(パターニング)した。
このパターン化(パターニング)においては、図10(a)に示すように、第1領域106としてのポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401と、基板201上の化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)が部分的に除去されて基板201の露出面201aで構成される第2領域107とが形成された。なお、第2領域107は、格子間隔dでヘキサゴナルに配列された直径rの複数の円形状で構成されている。
Next, the polystyrene graft film of the diced
In this patterning (patterning), as shown in FIG. 10A, a chemically modified
このパターン化(パターニング)について更に詳しく説明する。
このパターン化(パターニング)においては、図10(b)に示すように、化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)の表面を100μm四方で区画し、測定した前記高分子ブロック共重合体の固有周期do(25nm)に対する格子間隔dの比(d/do)が「1」となるように当該格子間隔dを設定した領域(d=25nmの領域)と、比(d/do)が「2」となるように当該格子間隔dを設定した領域(d=50nmの領域)とを形成した。
なお、図10(b)中、d=18nmの領域及びd=36nmの領域、並びにd=28nmの領域及びd=56nmの領域については、後記する実施例2及び実施例3で説明する。
This patterning (patterning) will be described in more detail.
In this patterning (patterning), as shown in FIG. 10B, the surface of the chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) is partitioned by 100 μm square, and the measured natural period of the polymer block copolymer is measured. The region (d = 25 nm) where the lattice spacing d is set so that the ratio (d / do) of the lattice spacing d to do (25 nm) is “1”, and the ratio (d / do) is “2”. And a region where the lattice spacing d is set (a region where d = 50 nm).
In FIG. 10B, the region of d = 18 nm and the region of d = 36 nm, the region of d = 28 nm, and the region of d = 56 nm will be described in Example 2 and Example 3 described later.
ちなみに、区画された領域の円形の直径rは、各格子間隔dの約25%〜30%の長さとしたが、25%以下又は30%以上であってもよく、ケミカルレジストレーション法によってミクロ相分離構造の配列が制御できれば特に制限はない。 Incidentally, the circular diameter r of the sectioned area is about 25% to 30% of each lattice spacing d, but may be 25% or less or 30% or more. There is no particular limitation as long as the arrangement of the separation structure can be controlled.
次に、実施例1でのパターニング方法について、図2(a)から(f)を参照しながら更に具体的に説明する。
このパターニング方法では、図2(a)に示すポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401の表面に、図2(b)に示すポリメチルメタクリレートからなるレジスト膜402をスピンコート法にて厚さが50nmとなるように形成した。
Next, the patterning method in Example 1 will be described more specifically with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (f).
In this patterning method, a resist
次に、図2(c)に示すように、レジスト膜402に対して、前記したパターニングに対応するようにEB描画装置で加速電圧100kVにて露光を行った。ここで、パターニングの円形状の直径r(図10(a)参照)は、各格子点におけるEBの露光量で調整した。その後、図2(d)に示すように、レジスト膜402を現像することでパターン化したレジスト膜402を得た。
Next, as shown in FIG. 2C, the resist
次に、図2(e)に示すように、パターン化したレジスト膜402をマスクとして、化学的修飾層401を、酸素ガスを用いたRIEにより除去した。RIEは、ICPドライエッチング装置を用いて行った。この際、装置の出力は100W、酸素ガスの圧力は1Pa、酸素ガス流量は10cm3/分、処理時間は5〜20秒に設定した。その結果、化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)からなる第1領域106と、基板201の露出面201aからなる第2領域107とが形成された。
Next, as shown in FIG. 2E, the chemically modified
そして、図2(f)に示すように、基板201の表面に残存したレジスト膜402(図2(e)参照)をトルエンにより除去することで、表面にパターン化された化学的修飾層401を有する基板201を得た。
Then, as shown in FIG. 2 (f), the resist film 402 (see FIG. 2 (e)) remaining on the surface of the
<ケミカルレジストレーション法を使用した高分子薄膜の形成>
ここでは、図4(a)に示すように、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)からなる第1領域106と、基板201(Siウエハ)の露出面201aからなる第2領域107とを有する基板201上に、高分子ブロック共重合体の塗膜202を形成した。
そして、高分子ブロック共重合体の塗膜202をミクロ相分離させることによって、本発明の高分子薄膜M(図1参照)を得た。
なお、このミクロ相分離工程は、180℃の熱アニールを24時間行うことで実施した。
<Formation of polymer thin film using chemical registration method>
Here, as shown to Fig.4 (a), the 2nd area | region which consists of the 1st area |
And the polymer thin film M (refer FIG. 1) of this invention was obtained by carrying out the micro phase separation of the
This microphase separation process was performed by performing thermal annealing at 180 ° C. for 24 hours.
次に、高分子薄膜Mのミクロ相分離の構造を走査型電子顕微鏡(日立製作所製のSEM、型式S4800)で観察した。SEM観察は、加速電圧1.5kVの条件で実施した。
SEM観察用の試料としては、高分子薄膜Mに存在するPMMAからなる柱状のミクロドメインをRIE法により分解除去したものを使用した。RIE装置としては、サムコ社製RIE−10NPを用い、エッチングは、酸素ガス圧1.0Pa、ガス流量10cm3/分、パワー20W、エッチング時間30秒間の条件で実施した。
なお、微細構造を正確に測定するため、SEM観察において通常帯電防止のために実施する試料表面へのPt等の蒸着は行わず、加速電圧を調整することで必要なコントラストを得た。
Next, the structure of the microphase separation of the polymer thin film M was observed with a scanning electron microscope (SEM manufactured by Hitachi, Ltd., model S4800). SEM observation was performed under the condition of an acceleration voltage of 1.5 kV.
As a sample for SEM observation, a columnar microdomain made of PMMA present in the polymer thin film M was decomposed and removed by the RIE method. As the RIE apparatus, RIE-10NP manufactured by Samco Corporation was used, and the etching was performed under the conditions of an oxygen gas pressure of 1.0 Pa, a gas flow rate of 10 cm 3 / min, a power of 20 W, and an etching time of 30 seconds.
In order to accurately measure the fine structure, the necessary contrast was obtained by adjusting the acceleration voltage without performing deposition of Pt or the like on the surface of the sample, which is usually performed for the prevention of charging in SEM observation.
SEM観察の結果、試料には、ミクロ相分離の構造に由来するナノスケールの微細穴(柱状のミクロドメインの分解除去部分)がヘキサゴナルに配列していることが確認された。つまり、高分子薄膜Mには、図4(b)に示すように、PMMAセグメント(図6に示す第2セグメントA2)からなる柱状のミクロドメイン203が、第2領域107に拘束されて配列すると共に、PMAC11POSSセグメント(図6に示す第1セグメントA1)からなる連続相204が、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)で形成される第1領域106上に形成されていることが確認された。
As a result of SEM observation, it was confirmed that nanoscale fine holes (column-shaped microdomain decomposition and removal portions) derived from the structure of microphase separation were arranged hexagonally in the sample. That is, in the polymer thin film M, as shown in FIG. 4B,
そして、高分子ブロック共重合体の固有周期do(25nm)に対する比(d/do)が「1」(d=25nm)の場合、及び「2」(d=50nm)の場合のいずれにおいても、柱状のミクロドメイン203が基板201に対して垂直に配向すると共に、基板201の面方向に長距離に亘って周期的に配列していた。
本実施例におけるミクロドメイン203は、ほとんど欠損もなく、長距離に亘って周期的に秩序をもって配列したので、その評価結果を表1に「○」と記す。
The ratio (d / do) to the natural period do (25 nm) of the polymer block copolymer is “1” (d = 25 nm) and “2” (d = 50 nm). The
Since the
(実施例2)
実施例2では、高分子薄膜を形成するための高分子ブロック共重合体として、前記構造式(4)で示され、数平均分子量Mnが23700のものを用意した。
この高分子ブロック共重合体は、実施例1での高分子ブロック共重合体と同様に、−(CH2)11−基(前記構造式(2)中のn=11)、2価の有機基、及びシルセスキオキサン骨格からなる側鎖を有するポリメタクリレート(PMAC11POSS)と、ポリメチルメタクリレート(PMMA)を組み合わせたジブロック共重合体である。
(Example 2)
In Example 2, a polymer block copolymer having the number average molecular weight Mn of 23700 represented by the structural formula (4) was prepared as a polymer block copolymer for forming a polymer thin film.
This polymer block copolymer, like the polymer block copolymer in Example 1, is a — (CH 2 ) 11 — group (n = 11 in the structural formula (2)), a divalent organic compound. It is a diblock copolymer in which polymethacrylate (PMAC11POSS) having a side chain composed of a group and a silsesquioxane skeleton is combined with polymethylmethacrylate (PMMA).
また、この高分子ブロック共重合体は、全体としての分子量分布の多分散指数Mw/Mnが1.04であった。この高分子ブロック共重合体は、PMMAからなる柱状のミクロドメインと、PMAC11POSSからなる連続相とにミクロ相分離することとなる。
以下、この実施例2における高分子ブロック共重合体は、「第2の高分子ブロック共重合体」と称することがあり、「PMMA−b−PMAC11POSS(2)」と記すことがある。
Further, this polymer block copolymer had a polydispersity index Mw / Mn of the molecular weight distribution as a whole of 1.04. This polymer block copolymer undergoes microphase separation into a columnar microdomain made of PMMA and a continuous phase made of PMAC11POSS.
Hereinafter, the polymer block copolymer in Example 2 may be referred to as a “second polymer block copolymer” and may be referred to as “PMMA-b-PMAC11POSS (2)”.
次に、第2の高分子ブロック共重合体のガラス転移温度(Tg)を、示差走査熱量分析法を用いて測定した。この結果、約100℃の吸熱ピークが検出され、第2の高分子ブロック共重合体は明確なガラス転移温度(Tg)を有することが確認された。 Next, the glass transition temperature (Tg) of the second polymer block copolymer was measured using differential scanning calorimetry. As a result, an endothermic peak of about 100 ° C. was detected, and it was confirmed that the second polymer block copolymer had a clear glass transition temperature (Tg).
また、実施例1と同様にして、この第2の高分子ブロック共重合体の固有周期doを測定した結果、固有周期doは18nm(実測値としては17.9nm)であることが確認された。 Further, as a result of measuring the natural period do of this second polymer block copolymer in the same manner as in Example 1, it was confirmed that the natural period do was 18 nm (actual measurement value was 17.9 nm). .
次に、実施例2では、実施例1と同様にして、図2(a)に示すように、基板201上に化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)を形成すると共に、この化学的修飾層401のパターン化を行った。
つまり、図10(a)に示すように、第1領域106としてのポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401と、基板201の露出面201aで構成される第2領域107とが形成された。
更に詳しくは、基板201上に形成した化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)の表面に、測定した高分子ブロック共重合体の固有周期do(18nm)に対する図10(a)に示す格子間隔dの比(d/do)が「1」となるように当該格子間隔dを設定した領域(図10(b)に示すd=18nmの領域)と、比(d/do)が「2」となるように当該格子間隔dを設定した領域(図10(b)に示すd=36nmの領域)とを形成した。
Next, in Example 2, as in Example 1, as shown in FIG. 2A, a chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) is formed on the
That is, as shown in FIG. 10A, the chemically modified
More specifically, on the surface of the chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) formed on the
次に、実施例2では、第2の高分子ブロック共重合体を使用して、図4(a)に示すように、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)からなる第1領域106と、基板201(Siウエハ)の露出面201aからなる第2領域107とを有する基板201上に、高分子ブロック共重合体の塗膜202を形成した。
そして、この塗膜202をミクロ相分離させることによって、本発明の高分子薄膜M(図1参照)を得た。
なお、このミクロ相分離工程は、180℃の熱アニールを24時間行うことで実施した。
Next, in Example 2, using the second polymer block copolymer, as shown in FIG. 4 (a), a first layer consisting of a chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) patterned. A
And the polymer thin film M (refer FIG. 1) of this invention was obtained by carrying out micro phase separation of this
This microphase separation process was performed by performing thermal annealing at 180 ° C. for 24 hours.
その結果、高分子薄膜Mには、図4(b)に示すように、PMMAセグメント(図6に示す第2セグメントA2)からなる柱状のミクロドメイン203が、第2領域107に拘束されて配列すると共に、PMAC11POSSセグメント(図6に示す第1セグメントA1)からなる連続相204が、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)で形成される第1領域106上に形成されていることが確認された。
As a result, in the polymer thin film M, as shown in FIG. 4B,
そして、高分子ブロック共重合体の固有周期do(18nm)に対する比(d/do)が「1」(d=18nm)の場合、及び「2」(d=36nm)の場合のいずれにおいても、柱状のミクロドメイン203が基板201に対して垂直に配向すると共に、基板201の面方向に長距離に亘って周期的に配列していた。
本実施例におけるミクロドメイン203は、ほとんど欠損もなく、長距離に亘って周期的に秩序をもって配列したので、その評価結果を表1に「○」と記す。
The ratio (d / do) to the natural period do (18 nm) of the polymer block copolymer is “1” (d = 18 nm) and “2” (d = 36 nm). The
Since the
(実施例3)
実施例3では、高分子薄膜を形成するための高分子ブロック共重合体として、前記構造式(4)で示され、数平均分子量Mnが35800のものを用意した。
この高分子ブロック共重合体は、−(CH2)5−基(前記構造式(2)中のn=5)、2価の有機基、及びシルセスキオキサン骨格からなる側鎖を有するポリメタクリレート(以下、PMAC5POSSと称することがある)と、ポリメチルメタクリレート(PMMA)を組み合わせたジブロック共重合体である。
(Example 3)
In Example 3, a polymer block copolymer having a number average molecular weight Mn of 35800 represented by the structural formula (4) was prepared as a polymer block copolymer for forming a polymer thin film.
This polymer block copolymer is a poly (CH 2 ) 5 — group (n = 5 in the structural formula (2)), a divalent organic group, and a side chain comprising a silsesquioxane skeleton. A diblock copolymer obtained by combining methacrylate (hereinafter sometimes referred to as PMAC5POSS) and polymethyl methacrylate (PMMA).
また、この高分子ブロック共重合体は、全体としての分子量分布の多分散指数Mw/Mnが1.05であった。この高分子ブロック共重合体は、PMMAからなる柱状のミクロドメインと、PMAC5POSSからなる連続相とにミクロ相分離することとなる。
以下、この実施例2における高分子ブロック共重合体は、「第3の高分子ブロック共重合体」と称することがあり、「PMMA−b−PMAC5POSS」と記すことがある。
Moreover, this polymer block copolymer had a polydispersity index Mw / Mn of the molecular weight distribution as a whole of 1.05. This polymer block copolymer undergoes microphase separation into a columnar microdomain made of PMMA and a continuous phase made of PMAC5POSS.
Hereinafter, the polymer block copolymer in Example 2 may be referred to as “third polymer block copolymer” and may be referred to as “PMMA-b-PMAC5POSS”.
次に、第3の高分子ブロック共重合体のガラス転移温度(Tg)を、示差走査熱量分析法を用いて測定した。この結果、約100℃の吸熱ピークが検出され、第3の高分子ブロック共重合体は明確なガラス転移温度(Tg)を有することが確認された。 Next, the glass transition temperature (Tg) of the third polymer block copolymer was measured using differential scanning calorimetry. As a result, an endothermic peak of about 100 ° C. was detected, and it was confirmed that the third polymer block copolymer had a clear glass transition temperature (Tg).
また、実施例1と同様にして、この第3の高分子ブロック共重合体の固有周期doを測定した結果、固有周期doは28nm(実測値としては27.6nm)であることが確認された。 Further, as a result of measuring the natural period do of this third polymer block copolymer in the same manner as in Example 1, it was confirmed that the natural period do was 28 nm (actual measurement value was 27.6 nm). .
次に、実施例3では、実施例1と同様にして基板201上にポリスチレングラフト膜(化学的修飾層)を形成すると共に、このポリスチレングラフト膜(化学的修飾層)のパターン化を行った。
つまり、図10(a)に示すように、第1領域106(図2(f)参照)としてのポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401と、基板201の露出面201aで構成される第2領域107とが形成された。
Next, in Example 3, a polystyrene graft film (chemically modified layer) was formed on the
That is, as shown in FIG. 10A, the second region constituted by the chemically modified
更に詳しくは、基板201上に形成した化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)の表面に、測定した前記高分子ブロック共重合体の固有周期do(28nm)に対する図10(a)に示す格子間隔dの比(d/do)が「1」となるように当該格子間隔dを設定した領域(図10(b)に示すd=28nmの領域)と、比(d/do)が「2」となるように当該格子間隔dを設定した領域(図10(b)に示すd=56nmの領域)とを形成した。
More specifically, on the surface of the chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) formed on the
次に、実施例3では、第3の高分子ブロック共重合体を使用して、図4(a)に示すように、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)からなる第1領域106と、基板201(Siウエハ)の露出面201aからなる第2領域107とを有する基板201上に、高分子ブロック共重合体の塗膜202を形成した。
そして、この塗膜202をミクロ相分離させることによって、本発明の高分子薄膜M(図1参照)を得た。
なお、このミクロ相分離工程は、180℃の熱アニールを24時間行うことで実施した。
Next, in Example 3, using the third polymer block copolymer, as shown in FIG. 4 (a), a first layer composed of a chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) patterned. A
And the polymer thin film M (refer FIG. 1) of this invention was obtained by carrying out micro phase separation of this
This microphase separation process was performed by performing thermal annealing at 180 ° C. for 24 hours.
その結果、高分子薄膜Mには、図4(b)に示すように、PMMAセグメント(図6に示す第2セグメントA2)からなる柱状のミクロドメイン203が、第2領域107に拘束されて配列すると共に、PMAC5POSSセグメント(図6に示す第1セグメントA1)からなる連続相204が、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)で形成される第1領域106上に形成されていることが確認された。
As a result, in the polymer thin film M, as shown in FIG. 4B,
そして、高分子ブロック共重合体の固有周期do(28nm)に対する比(d/do)が「1」(d=28nm)の場合、及び「2」(d=56nm)の場合のいずれにおいても、柱状のミクロドメイン203が基板201に対して垂直に配向すると共に、基板201の面方向に長距離に亘って周期的に配列していた。
本実施例におけるミクロドメイン203は、ほとんど欠損もなく、長距離に亘って周期的に秩序をもって配列したので、その評価結果を表1に「○」と記す。
The ratio (d / do) to the natural period do (28 nm) of the polymer block copolymer is “1” (d = 28 nm) and “2” (d = 56 nm). The
Since the
(実施例4)
実施例4では、高分子薄膜を形成するための高分子ブロック共重合体として、前記構造式(4)で示され、数平均分子量Mnが34700のものを用意した。
この高分子ブロック共重合体は、−(CH2)15−基(前記構造式(2)中のn=15)、2価の有機基、及びシルセスキオキサン骨格からなる側鎖を有するポリメタクリレート(以下、PMAC15POSSと称することがある)と、ポリメチルメタクリレート(PMMA)を組み合わせたジブロック共重合体である。
(Example 4)
In Example 4, a polymer block copolymer having a number average molecular weight Mn of 34700 represented by the structural formula (4) was prepared as a polymer block copolymer for forming a polymer thin film.
This polymer block copolymer is a poly (CH 2 ) 15 — group (n = 15 in the structural formula (2)), a divalent organic group, and a side chain comprising a silsesquioxane skeleton. A diblock copolymer obtained by combining methacrylate (hereinafter sometimes referred to as PMAC15POSS) and polymethyl methacrylate (PMMA).
また、この高分子ブロック共重合体は、全体としての分子量分布の多分散指数Mw/Mnが1.05であった。この高分子ブロック共重合体は、PMMAからなる柱状のミクロドメインと、PMAC15POSSからなる連続相とにミクロ相分離することとなる。
以下、この実施例2における高分子ブロック共重合体は、「第4の高分子ブロック共重合体」と称することがあり、「PMMA−b−PMAC15POSS」と記すことがある。
Moreover, this polymer block copolymer had a polydispersity index Mw / Mn of the molecular weight distribution as a whole of 1.05. This polymer block copolymer undergoes microphase separation into a columnar microdomain made of PMMA and a continuous phase made of PMAC15POSS.
Hereinafter, the polymer block copolymer in Example 2 may be referred to as a “fourth polymer block copolymer” and may be referred to as “PMMA-b-PMAC15POSS”.
次に、第4の高分子ブロック共重合体のガラス転移温度(Tg)を、示差走査熱量分析法を用いて測定した。この結果、約100℃の吸熱ピークが検出され、第2の高分子ブロック共重合体は明確なガラス転移温度(Tg)を有することが確認された。 Next, the glass transition temperature (Tg) of the fourth polymer block copolymer was measured using differential scanning calorimetry. As a result, an endothermic peak of about 100 ° C. was detected, and it was confirmed that the second polymer block copolymer had a clear glass transition temperature (Tg).
また、実施例1と同様にして、この第4の高分子ブロック共重合体の固有周期doを測定した結果、固有周期doは28nm(実測値としては28.1nm)であることが確認された。 Further, as a result of measuring the natural period do of this fourth polymer block copolymer in the same manner as in Example 1, it was confirmed that the natural period do was 28 nm (actual measurement value was 28.1 nm). .
次に、実施例4では、実施例1と同様にして基板201上にポリスチレングラフト膜(化学的修飾層)を形成すると共に、このポリスチレングラフト膜(化学的修飾層)のパターン化を行った。
Next, in Example 4, a polystyrene graft film (chemically modified layer) was formed on the
つまり、図10(a)に示すように、第1領域106としてのポリスチレングラフト膜からなる化学的修飾層401と、基板201上の化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)が部分的に除去されて基板201が露出した表面201aで構成される第2領域107とが形成された。
That is, as shown in FIG. 10A, the
更に詳しくは、実施例3と同様に、基板201上に形成した化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)の表面に、測定した高分子ブロック共重合体の固有周期do(28nm)に対する図10(a)に示す格子間隔dの比(d/do)が「1」となるように当該格子間隔dを設定した領域(図10(b)に示すd=28nmの領域)と、比(d/do)が「2」となるように当該格子間隔dを設定した領域(図10(b)に示すd=56nmの領域)とを形成した。
More specifically, in the same manner as in Example 3, the surface of the chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) formed on the
次に、実施例4では、第4の高分子ブロック共重合体を使用して、図4(a)に示すように、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)からなる第1領域106と、基板201(Siウエハ)の露出面201aからなる第2領域107とを有する基板201上に、高分子ブロック共重合体の塗膜202を形成した。
そして、この塗膜202をミクロ相分離させることによって、本発明の高分子薄膜M(図1参照)を得た。
なお、このミクロ相分離工程は、180℃の熱アニールを24時間行うことで実施した。
Next, in Example 4, as shown in FIG. 4 (a), a first polymer block copolymer (polystyrene graft film) made of a fourth polymer block copolymer is used. A
And the polymer thin film M (refer FIG. 1) of this invention was obtained by carrying out micro phase separation of this
This microphase separation process was performed by performing thermal annealing at 180 ° C. for 24 hours.
その結果、高分子薄膜Mには、図4(b)に示すように、PMMAセグメント(図6に示す第2セグメントA2)からなる柱状のミクロドメイン203が、第2領域107に拘束されて配列すると共に、PMAC15POSSセグメント(図6に示す第1セグメントA1)からなる連続相204が、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)で形成される第1領域106上に形成されていることが確認された。
As a result, in the polymer thin film M, as shown in FIG. 4B,
そして、高分子ブロック共重合体の固有周期do(28nm)に対する比(d/do)が「1」(d=28nm)の場合、及び「2」(d=56nm)の場合のいずれにおいても、柱状のミクロドメイン203が基板201に対して垂直に配向すると共に、基板201の面方向に長距離に亘って周期的に配列していた。
本実施例におけるミクロドメイン203は、ほとんど欠損もなく、長距離に亘って周期的に秩序をもって配列したので、その評価結果を表1に「○」と記す。
The ratio (d / do) to the natural period do (28 nm) of the polymer block copolymer is “1” (d = 28 nm) and “2” (d = 56 nm). The
Since the
(比較例1)
比較例1では、高分子薄膜を形成するための高分子ブロック共重合体として、構造式(5)で示され、数平均分子量Mnが31000のものを用意した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a polymer block copolymer having a number average molecular weight Mn of 31000 represented by the structural formula (5) was prepared as a polymer block copolymer for forming a polymer thin film.
但し、構造式(5)中のRは、イソブチルであり、Ph、sec−Buは、前記構造式(4)のPh、sec−Buと同義である。
この高分子ブロック共重合体は、−(CH2)−基(前記構造式(2)中のn=3)、及びシルセスキオキサン骨格からなる側鎖を有するポリメタクリレート(以下、PMAPOSSと称することがある)と、ポリメチルメタクリレート(PMMA)を組み合わせたジブロック共重合体である。
また、この高分子ブロック共重合体は、全体としての分子量分布の多分散指数Mw/Mnが1.05であった。
以下、この比較例1における高分子ブロック共重合体は、「第5の高分子ブロック共重合体」と称することがあり、「PMMA−b−PMAPOSS」と記すことがある。
However, R in Structural Formula (5) is isobutyl, and Ph and sec-Bu are synonymous with Ph and sec-Bu in Structural Formula (4).
This polymer block copolymer is a polymethacrylate (hereinafter referred to as PMAPOSS) having a — (CH 2 ) — group (n = 3 in the structural formula (2)) and a side chain comprising a silsesquioxane skeleton. A diblock copolymer obtained by combining polymethylmethacrylate (PMMA).
Moreover, this polymer block copolymer had a polydispersity index Mw / Mn of the molecular weight distribution as a whole of 1.05.
Hereinafter, the polymer block copolymer in Comparative Example 1 may be referred to as “fifth polymer block copolymer” and may be referred to as “PMMA-b-PMAPOSS”.
次に、第5の高分子ブロック共重合体のガラス転移温度(Tg)を、示差走査熱量分析法を用いて測定しようとしたが、吸熱ピークは検出されず、第5の高分子ブロック共重合体は明確なガラス転移温度(Tg)をもたないことが確認された。 Next, an attempt was made to measure the glass transition temperature (Tg) of the fifth polymer block copolymer by using differential scanning calorimetry, but no endothermic peak was detected, and the fifth polymer block copolymer was measured. It was confirmed that the coalescence did not have a clear glass transition temperature (Tg).
また、実施例1と同様にして、この第5の高分子ブロック共重合体の固有周期doを測定した結果、固有周期doは25nm(実測値としては24.7nm)であることが確認された。 Further, as a result of measuring the natural period do of this fifth polymer block copolymer in the same manner as in Example 1, it was confirmed that the natural period do was 25 nm (actual measurement value was 24.7 nm). .
次に、比較例1では、実施例1と同様にして基板201上にポリスチレングラフト膜(化学的修飾層)を形成すると共に、このポリスチレングラフト膜(化学的修飾層)のパターン化を行った。
つまり、図示しないが、基板201上に形成した化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)の表面に、測定した前記高分子ブロック共重合体の固有周期do(25nm)に対する格子間隔dの比(d/do)が「1」となるように当該格子間隔dを設定した領域(d=25nmの領域)と、比(d/do)が「2」となるように当該格子間隔dを設定した領域(d=50nmの領域)とを形成した。
Next, in Comparative Example 1, a polystyrene graft film (chemically modified layer) was formed on the
That is, although not shown, the ratio of the lattice spacing d to the measured natural period do (25 nm) of the polymer block copolymer (d) on the surface of the chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) formed on the substrate 201 (d / Do) is a region where the lattice spacing d is set to be “1” (a region where d = 25 nm), and a region where the lattice spacing d is set so that the ratio (d / do) is “2”. (D = 50 nm region).
次に、比較例1では、第5の高分子ブロック共重合体を使用して、図4(a)に示すように、パターン化された化学的修飾層401(ポリスチレングラフト膜)からなる第1領域106と、基板201(Siウエハ)の露出面201aからなる第2領域107とを有する基板201上に、高分子ブロック共重合体の塗膜202を形成した。
そして、この塗膜202に対して180℃、24時間の熱アニールを行った。
Next, in Comparative Example 1, as shown in FIG. 4 (a), the first polymer consisting of a patterned chemically modified layer 401 (polystyrene graft film) is used by using a fifth polymer block copolymer. A
The
しかしながら、比較例1における塗膜202においては、高分子ブロック共重合体の固有周期do(25nm)に対する比(d/do)が「1」(d=25nm)の場合、及び「2」(d=50nm)の場合のいずれにおいても、ドメイン構造は認められるものの、実施例1から実施例4と異なって、ヘキサゴナルなミクロドメインは形成されなかった。また、比較例1では、パターン補間等のケミカルレジストレーション法を使用した効果も発揮されなかった。
本比較例におけるドメイン構造では、ミクロドメインの配列状態の向上が認められなかったので、その評価結果を表1に「×」と記す。
However, in the
In the domain structure in this comparative example, since the improvement of the arrangement state of the microdomains was not recognized, the evaluation result is shown as “x” in Table 1.
(実施例5)
実施例5では、本発明の微細構造体を製造した。具体的には、図7(a)から(d)に示す工程を経ることによって、高分子薄膜Mを使用した微細構造体(多孔質薄膜D及び微細構造体21a)を得た。
(Example 5)
In Example 5, the microstructure of the present invention was manufactured. Specifically, the microstructure (porous thin film D and microstructure 21a) using the polymer thin film M was obtained through the steps shown in FIGS. 7A to 7D.
まず、実施例2と同様にして、図7(a)に示す、PMMAからなる柱状ミクロドメイン203が基板201に対して直立(高分子薄膜Mの厚さ方向に配向)したミクロ相分離構造を基板201の表面に作製した。
なお、パターニングは、PMMA−b−PMAC11POSS(2)の固有周期do(18nm)の2倍の周期、つまり、比(d/do)が「2」となるように格子間隔をd=36nmに設定して行った。
First, in the same manner as in Example 2, the microphase separation structure in which the
In the patterning, the grating interval is set to d = 36 nm so that the period (d / do) is “2”, which is twice the natural period do (18 nm) of PMMA-b-PMAC11POSS (2). I went there.
また、PMMA−b−PMAC11POSS(2)の塗膜の厚さは40nmとし、熱アニールは、180℃で24時間行った。その結果、PMMAからなる柱状のミクロドメイン203がPMAC11POSSからなる連続相204中で、ヘキサゴナルに規則的に配列した高分子薄膜が得られた。
Moreover, the thickness of the coating film of PMMA-b-PMAC11POSS (2) was 40 nm, and thermal annealing was performed at 180 ° C. for 24 hours. As a result, a polymer thin film in which
次に、ミクロドメイン203を酸素RIEで除去することにより、図7(b)に示す微細構造体としての多孔質薄膜Dを得た。ここで酸素のガス圧力は1Paとし、出力は20Wとした。エッチング処理時間は90秒とした。
Next, the
そして、多孔質薄膜Dの表面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、多孔質薄膜Dの全表面に亘って、多孔質薄膜Dの厚さ方向に配向した柱状の微細孔Hが確認された。ここで、微細孔Hの直径は約10nmであった。また、微細孔Hの配列状態を詳細に分析した結果、格子間隔dで化学的に表面がパターン化された領域では微細孔Hは欠陥なく一方向に配向した状態でヘキサゴナルに配列している様子が見て取れた。 And when the surface of the porous thin film D was observed using the scanning electron microscope, the columnar micropore H oriented in the thickness direction of the porous thin film D was confirmed over the entire surface of the porous thin film D. It was done. Here, the diameter of the micropore H was about 10 nm. Further, as a result of detailed analysis of the arrangement state of the micropores H, the micropores H are arranged in a hexagonal manner in a state in which the micropores H are oriented in one direction without defects in a region where the surface is chemically patterned with the lattice spacing d. I was able to see.
ここで、多孔質薄膜Dの一部を鋭利な刃物で基板201の表面から剥離し、基板201の表面と多孔質薄膜Dの表面との段差(多孔質薄膜Dの厚さ)をAFM(原子間力顕微鏡)観察で測定したところ、約40nmであった。
Here, a part of the porous thin film D is peeled off from the surface of the
得られた微細孔Hのアスペクト比は4であり、球状のミクロドメインでは得られない大きな値が実現されていた。なお、微細構造体としての多孔質薄膜Dの厚さが、RIEを行う前の塗膜の厚さとほぼ変わらなかったことで、PMAC11POSSのエッチング耐性が非常に優れていることが確認された。 The aspect ratio of the obtained micropore H was 4, and a large value that could not be obtained with a spherical microdomain was realized. In addition, it was confirmed that the etching resistance of PMAC11POSS was very excellent because the thickness of the porous thin film D as the fine structure was not substantially different from the thickness of the coating film before RIE.
次に、図7(c)に示すように、多孔質薄膜Dをマスクとして、基板201をエッチングすることにより、多孔質薄膜Dのパターンを基板201に転写した。ここでは、Si基板をCF4ガスによるドライエッチングにより実施した。その結果、多孔質薄膜D中の微細孔Hの形状と配置をSi基板に転写することに成功し、図7(d)に示す微細構造体21aを得ることができた。
Next, as shown in FIG. 7C, the pattern of the porous thin film D was transferred to the
(比較例2)
この比較例2では、図2(c)に示すように、基板201上のポリスチレングラフト膜(化学的修飾層401)をパターン化しなかった以外は実施例2と同様に、基板201上にPMMA−b−PMAC11POSS(2)を膜厚40nmとなるように塗布し、180℃で24時間熱アニールを行うことでミクロ相分離を発現させた高分子薄膜を得た。次いで、この高分子薄膜を形成した基板を使用した以外は実施例5と同様にして図7(a)に示す多孔質薄膜Dを得た。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, as shown in FIG. 2 (c), the PMMA− was formed on the
そして、多孔質薄膜Dの表面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。その結果、多孔質薄膜Dの微細孔Hは微視的にはヘキサゴナルな配列を取っているものの、巨視的にはヘキサゴナルに配列した領域がポリグレイン構造を形成しており、特にグレインの界面領域に多くの格子欠陥が存在することが確認された。 And the surface of the porous thin film D was observed using the scanning electron microscope. As a result, although the micropores H of the porous thin film D are microscopically arranged in a hexagonal manner, macroscopically, the regions arranged in the hexagonal form a polygrain structure. It was confirmed that there were many lattice defects.
(実施例6)
実施例6では、本発明の微細構造体としての磁気記録媒体(ビットパターン媒体)の製造方法について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図11は、本実施例に係る磁気記録媒体を示す模式図である。
(Example 6)
In Example 6, a method of manufacturing a magnetic recording medium (bit pattern medium) as a microstructure of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 11 is a schematic diagram showing a magnetic recording medium according to the present embodiment.
図11を用いて磁気記録媒体の構成を説明する。本図においては各記録ビットが分離されている所謂ビットパターン媒体(BPM)の模式図を示している。
図11は本発明により作製した磁気記録媒体300を示す模式図である。磁気記録媒体300は直径65mm、厚さ0.631mmの円盤状であり、基板301上に複数の磁性層および他の層が積層された構造となっている。基板301の中央部にはスピンドルに磁気記録媒体300を固定するための直径20mmの穴302が設けられている。
The configuration of the magnetic recording medium will be described with reference to FIG. This figure shows a schematic diagram of a so-called bit pattern medium (BPM) in which each recording bit is separated.
FIG. 11 is a schematic view showing a magnetic recording medium 300 manufactured according to the present invention. The magnetic recording medium 300 has a disk shape with a diameter of 65 mm and a thickness of 0.631 mm, and has a structure in which a plurality of magnetic layers and other layers are stacked on a substrate 301. A hole 302 having a diameter of 20 mm for fixing the magnetic recording medium 300 to the spindle is provided at the center of the substrate 301.
記録トラック303は同心円状に形成されており、非磁性体により磁気的に隣接トラックと分離された構造となっている。磁気記録媒体300の最表面は平坦化されており、記録トラック203と非磁性体領域の高さの差は5nm未満となっている。
また、磁気記録媒体300には所望のトラック上の領域にアクセスし、記録再生動作を行うためのサーボパターン304も形成してある。
図11ではサーボパターン304は模式的に曲線で示されているが、内部には微細パターンが存在している。また、本実施例においては1周を200分割し、各エリアごとにサーボパターン304が入るようにした。勿論サーボパターンの数は200個に限定されるものではなく記録再生特性から決定する必要がある。
また磁気記録媒体300には記録トラック303、サーボパターン304が形成されていない内周部305と外周部306を設けることができる。
The recording track 303 is formed concentrically and has a structure in which it is magnetically separated from adjacent tracks by a nonmagnetic material. The outermost surface of the magnetic recording medium 300 is flattened, and the difference in height between the
The magnetic recording medium 300 is also provided with a servo pattern 304 for accessing an area on a desired track and performing a recording / reproducing operation.
In FIG. 11, the servo pattern 304 is schematically shown by a curve, but a fine pattern exists inside. Further, in this embodiment, one round is divided into 200 so that the servo pattern 304 is inserted in each area. Of course, the number of servo patterns is not limited to 200 and needs to be determined from the recording / reproducing characteristics.
Further, the magnetic recording medium 300 can be provided with an inner
この磁気記録媒体300の製造方法(製造プロセス)について説明する。この製造プロセスにおいてはまず基板201上に軟磁性裏打層(SUL)を成長させた。基板301の材料はガラスに限ることなく、アルミニウムなどの金属、シリコンなどの半導体、セラミックスやポリカーボネート等の絶縁体などを選択することが可能である。軟磁性裏打層はFe−Ta−C合金を採用し、真空チャンバー内でのスパッタ蒸着後、必要な熱処理を行った。
A manufacturing method (manufacturing process) of the magnetic recording medium 300 will be described. In this manufacturing process, a soft magnetic underlayer (SUL) was first grown on the
軟磁性裏打層には媒体半径方向への磁気異方性をつけておくことが望ましい。Fe−Ta−C合金に代えて他の軟磁性裏打層を用いても構わず、また、スパッタ蒸着以外の他の成長方法を採用しても構わない。また必要に応じて基板301と軟磁性裏打層の間に、両者の密着性を高めるための密着層、軟磁性裏打層の結晶性を制御する中間層などを挿入してもよい。 It is desirable to give magnetic anisotropy in the radial direction of the medium to the soft magnetic backing layer. Instead of the Fe—Ta—C alloy, other soft magnetic underlayers may be used, and other growth methods other than sputter deposition may be employed. Further, if necessary, an adhesion layer for enhancing the adhesion between the substrate 301 and the soft magnetic backing layer, an intermediate layer for controlling the crystallinity of the soft magnetic backing layer, or the like may be inserted.
軟磁性裏打層の形成後に、引き続き記録層を真空中にてスパッタ蒸着により成長させる。本実施例においては記録層としてCo−Cr−Pt膜を採用した。この材料は膜面方向に対し垂直方向に磁化容易軸を有する特徴を有する。したがって、本実施例においては磁気異方性の軸が基板面に対しほぼ垂直となるようにスパッタ蒸着の条件を選んだ。 After the formation of the soft magnetic underlayer, the recording layer is subsequently grown by sputter deposition in a vacuum. In this embodiment, a Co—Cr—Pt film is used as the recording layer. This material is characterized by having an easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the film surface direction. Therefore, in this embodiment, the sputter deposition conditions are selected so that the axis of magnetic anisotropy is substantially perpendicular to the substrate surface.
記録層として用いる磁性材料はCo−Cr−Pt合金に限らず、他の材料でも構わない。特にグラニュラ膜と呼ばれるSiを含有した記録層は本発明と相性がよい。
さらに、記録層上に基板加工用に保護層を成長させた。保護層として用いる材料はシリコンナイトライド(SiN)膜を採用した。保護層としてはSiNに限らず、他の材料でも構わない。
The magnetic material used for the recording layer is not limited to the Co—Cr—Pt alloy, and other materials may be used. In particular, a recording layer containing Si called a granular film is compatible with the present invention.
Further, a protective layer was grown on the recording layer for substrate processing. The material used as the protective layer was a silicon nitride (SiN) film. The protective layer is not limited to SiN, and other materials may be used.
そして、実施例5で述べたように、高分子薄膜Mを形成した。次に、図7(a)から(d)に示す工程を経ることによって、高分子薄膜Mを使用した微細構造体(多孔質薄膜D及び微細構造体21a)を得た。その後、必要に応じ溝部に非磁性体を埋め込む。例えば、Si−Oを基板上部から成長させ、エッチバックまたは化学機械研磨(CMP)により平坦化することが可能である。 Then, as described in Example 5, the polymer thin film M was formed. Next, a fine structure (porous thin film D and fine structure 21a) using the polymer thin film M was obtained through the steps shown in FIGS. 7A to 7D. Thereafter, a nonmagnetic material is embedded in the groove as necessary. For example, Si-O can be grown from above the substrate and planarized by etch back or chemical mechanical polishing (CMP).
更に必要に応じ、さらに保護膜や潤滑膜(図示せず)を成長させ、図11に示す磁気記録媒体300が完成する。本実施例では記録層上に実施例5と同様に微細構造体(連続相204、ミクロドメイン203)を形成することにより、広範囲に亘って規則性に優れ、欠陥の少ない構造を有するビットパターン媒体の製造が可能となった。
Further, if necessary, a protective film and a lubricating film (not shown) are further grown to complete the magnetic recording medium 300 shown in FIG. In this example, a bit pattern medium having a structure with excellent regularity over a wide range and few defects by forming a fine structure (
なお、本実施例においては図7に示す微細構造体21をマスクとして記録層を加工したが、実施例7で作製したSi製の基板201に転写された微細構造体21aを金型として、ナノインプリント工程で記録層を加工させることも可能である。あるいは、図11に示す基板301を同じく実施例7と同様に加工した後に、基板301の凹凸形状の上から各磁性膜を成長させることも可能である。
In this example, the recording layer was processed using the
21 微細構造体
21a 微細構造体
21b 微細構造体
106 第1領域
107 第2領域
201 基板
201a 基板が露出した表面
203 ミクロドメイン
204 連続相
300 磁気記録媒体
301 基板
302 穴
303 記録トラック
304 サーボパターン
305 内周部
306 外周部
401 化学修飾層
A1 第1セグメント
A2 第2セグメント
M 高分子薄膜
do 固有周期
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記高分子層をミクロ相分離させて、前記第1セグメントを成分とする連続相中で前記第2セグメントを成分とする複数のミクロドメインを前記基板の面方向に沿って規則的に並ぶように配列させる第2工程と、
を有する高分子薄膜の製造方法において、
前記第1工程に先立って、前記連続相に対応するように前記基板に化学的修飾層を形成すると共に、前記ミクロドメインの配列に対応するように前記化学的修飾層とは化学的性質の相違するパターン部を形成する工程を更に有し、
前記第2工程は、前記ミクロ相分離が発現する特定の温度で熱処理する工程を含み、
前記高分子ブロック共重合体は、ポリメチルメタクリレートを含む前記第2セグメントと、前記高分子ブロック共重合体の主鎖に対して、次式 −(CH2)n−で示されるアルキル鎖(但し、前記式中、nは、5≦n≦24を満足する整数である)を含む有機基を介してシルセスキオキサン骨格が結合したポリメチルメタクリレートを含む前記第1セグメントと、を有し、
前記化学的修飾層は、ポリスチレングラフト膜からなることを特徴とする高分子薄膜の製造方法。 A first step of disposing on a substrate a polymer layer comprising a polymer block copolymer having at least a first segment and a second segment;
The polymer layer is microphase-separated so that a plurality of microdomains having the second segment as a component are regularly arranged along the plane direction of the substrate in the continuous phase having the first segment as a component. A second step of arranging;
In a method for producing a polymer thin film having
Prior to the first step, a chemically modified layer is formed on the substrate so as to correspond to the continuous phase, and the chemical property layer is different from the chemically modified layer so as to correspond to the arrangement of the microdomains. A step of forming a pattern portion to be
The second step includes a step of performing a heat treatment at a specific temperature at which the microphase separation occurs.
The polymer block copolymer has an alkyl chain represented by the following formula — (CH 2 ) n — with respect to the second segment containing polymethyl methacrylate and the main chain of the polymer block copolymer (provided that Wherein n is an integer satisfying 5 ≦ n ≦ 24), and the first segment including polymethyl methacrylate having a silsesquioxane skeleton bonded via an organic group including
The method for producing a polymer thin film, wherein the chemically modified layer is made of a polystyrene graft film .
前記高分子薄膜の前記連続相及び前記ミクロドメインのうちの一方を除去する工程と、
を有することを特徴とする微細構造体の製造方法。 Forming the polymer thin film in which a plurality of the microdomains are arranged in the continuous phase on the substrate by the method for producing a polymer thin film according to any one of claims 1 to 5; ,
Removing one of the continuous phase and the microdomain of the polymer thin film;
A method for producing a fine structure characterized by comprising:
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