JP6958877B2 - ブロック共重合体 - Google Patents
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Description
NMR分析は、三重共鳴5mm探針(probe)を有するVarian Unity Inova(500MHz)分光計を含むNMR分光計を使って常温で遂行した。NMR測定用溶媒(CDCl3)に分析対象物質を約10mg/ml程度の濃度に希釈して使用したのであり、化学的移動はppmで表現した。
br=広い信号、s=単一線、d=二重線、dd=二重の二重線、t=三重線、dt=二重の三重線、q=四重線、p=五重線、m=多重線。
数平均分子量(Mn)および分子量分布は、GPC(Gel permeation chromatography)を使って測定した。5mLバイアル(vial)に実施例または比較例のブロック共重合体またはマクロ開始剤などの分析対象物質を入れ、約1mg/mL程度の濃度となるようにTHF(tetrahydro furan)に希釈する。その後、Calibration用標準試料と分析しようとする試料をsyringe filter(pore size:0.45μm)を通じて濾過させた後測定した。分析プログラムは、Agilent technologies社のChemStationを使用したのであり、試料のelution timeをcalibration curveと比較して重量平均分子量(Mw)および数平均分子量(Mn)をそれぞれ求め、その比率(Mw/Mn)で分子量分布(PDI)を計算した。GPCの測定条件は下記の通りである。
機器:Agilent technologies社の1200 series
カラム:Polymer laboratories社のPLgel mixed B 2個使用
溶媒:THF
カラム温度:35℃
サンプル濃度:1mg/mL、200L注入
標準試料:ポリスチレン(Mp:3900000、723000、316500、52200、31400、7200、3940、485)
下記の化学式Aの化合物(UPMTBS)は次の方式で合成した。11−ブロモ−1−ウンデカノール(11−bromo−1−undecanol)(25.1g、100mmol)、3,4−ジヒロロ−2H−ピラン(16.8g、200mmol)、1,4−ジオキサン(1,4−dioxane)(200mL)および塩化水素(hydrogen chloride)(4N in 1,4−dioxane、80 drops)をフラスコで反応させて2−((11−bromoundecyl)oxy)tetrahydro−2H−pyran)を得た(33.3g、99.3mmol、収得率99%)。前記2−((11−bromoundecyl)oxy)tetrahydro−2H−pyran)(33.3g、99.3mmol)とヒドロキノン(hydroquinone)(21.9g、198.6mmol)をフラスコに入れ、DMSO(dimethyl sulfoxide)(300mL)に溶かした後にポタシウムカーボネート(potassium carbonate)(27.4g、198.6mmol)を添加し、70oCで一晩中反応させた後に過量の水を入れ、MC(methylene chloride)で抽出し、水で洗浄した。無水マグネシウムサルフェートで前記MC溶液から水を除去し、溶媒を除去した後、EA(ethyl acetate)/ヘキサン(hexane)溶液(1:4=EA:ヘキサン)でカラムクロマトグラフィーして茶色の固体の4−((11−((テトラヒドロ−2H−ピラン−2−イル)オキシ)ウンデシル)オキシフェノール(20.0g、54.9mmol、収得率:55%)を得た。
1H−NMR(CDCl3):d7.01(d、2H);d6.88(d、2H);d6.32(s、2H);d5.73(s、1H);d3.94(t、2H);d3.60(t、2H):d2.05(s、3H):d1.77(m、2H):d1.51(m、2H):d1.45(m、2H):d1.29(m、12H):d0.90(s、9H):d0.05(s、6H)
下記の化学式Bの化合物(UPMDS)は次の方式で合成した。Magnesium turnings(4.4g、180mmol)をフラスコに入れ、無水THF(tetrohydrofuran)(120mL)を添加した後に1,2−dibromoethane(2 drops)とiodine(few crystals)を入れた。常温で10分程度撹拌した後に80 refluxをしながら、chloromethyltrimethylsilane(20g、164mmol)/無水THF(40mL)溶液をdropwiseに入れた。激しいな反応が終わった後に反応溶液を常温に冷やした後、dimethylchlorosilane(16.9g、20mL、180mmol)をゆっくりと入れた。反応溶液を80℃に加熱して一晩中refluxした。反応後に水/ヘキサン混合溶液で抽出し、有機層を集めて溶媒を除去した。無色の液体である(trimethylsilyl)methyl)dimethylsilane(13.0g、88.8mmol、収得率54%)を得た。
1H−NMR(CDCl3):d3.97(m、1H);d0.09(d、6H);d0.03(s、9H)、d−0.23(d、2H)
1H−NMR(CDCl3):d6.76(m、4H);d4.41(s、1H);d 3.89(t、2H);d 1.75(tt、2H);d 1.44(tt、2H);d 1.25(m、14H);d 0.47(m、2H);d 0.02(s、9H);d −0.01(s、6H);d −0.30(s、2H)
1H−NMR(CDCl3):d7.01(d、2H);d6.88(d、2H);d6.32(s、1H);d5.73(s、1H);d3.94(t、2H);d3.60(t、2H):d2.05(s、3H):d1.77(tt、2H):d1.46(tt、2H):d1.27(m、14H):d0.48(m、2H):d0.02(s、9H):d−0.01(s、6H);d−0.30(d、2H)
下記の化学式Cの化合物(UPMDTMSS)は次の方式で合成した。Magnesium turnings(4.4g、180mmol)をフラスコに入れ、無水THF(tetrohydrofuran)(120mL)を添加した後に1,2−dibromoethane(2 drops)とiodine(few crystals)を入れた。常温で10分程度撹拌した後に80 refluxをしながら、chloromethyltrimethylsilane(20g、164mmol)/無水THF(40mL)溶液をdropwiseに入れた。激しい反応が終わった後に反応溶液を常温に冷やした後、dichloromethylsilane(7.5g、6.8mL、65mmol)をゆっくりと入れた。反応溶液を80℃に加熱して一晩中refluxした。反応後に水/ヘキサン混合溶液で抽出し、有機層を集めて溶媒を除去した。無色の液体である2,2,4,6,6−pentamethyl−2,4,6−trisilaheptane(14.6g、66.8mmol、収得率100%)を得た。
1H−NMR(CDCl3):d3.99(m、1H);d0.08(d、3H);d0.01(s、18H)、d−0.24(d、2H);d−0.26(d、2H)
1H−NMR(CDCl3):d6.76(m、4H);d4.36(s、1H);d 3.89(t、2H);d 1.75(tt、2H);d 1.44(tt、2H);d 1.27(m、14H);d 0.49(m、2H);d 0.03(s、3H);d 0.01(s、18H);d −0.27(d、2H);d −0.28(s、2H)
1H−NMR(CDCl3):d7.01(d、2H);d6.88(d、2H);d6.32(s、1H);d5.73(s、1H);d3.94(t、2H);d2.05(s、3H);d 1.76(tt、2H):d 1.45(tt、2H);d 1.27(m、14H)、d 0.48(m、2H)、d 0.03(s、3H)、d 0.01(s、18H)、d −0.27(d、2H)、d −0.28(s、2H)
下記の化学式Dの化合物(UPMTTMSS)は次の方式で合成した。ヒドロキノン(38.3g、348mmol)、11−ブロモ−1−ウンデセン(27.1g、116mmol)、ポタシウムカーボネート(48.1g、348mmol)をフラスコに入れ、DMF(dimehyl formamide)(200mL)に溶かした。80℃で一晩中反応させた後に過量の水に沈殿させ、酢酸で酸性化した。沈殿をフィルタリングし、EA/ヘキサン溶液(1:4=EA:ヘキサン)でカラムクロマトグラフィーして白色固体である4−(undec−10−en−1yloxy)phenol(16.2g、61.7mmol、収得率53%)を得た。
1H−NMR(CDCl3):d 6.76(m、4H);d 5.81(m、1H);d 4.99(d、1H);d 4.93(d、1H);d 4.35(s、1H);d 3.89(t、2H);d 2.04(dt、2H)、d 1.75(tt、2H);d 1.44(tt、2H);d 1.29(m、10H)
1H−NMR(CDCl3):d6.76(m、4H);d4.37(s、1H);d 3.89(t、2H);d 1.75(tt、2H);d 1.44(tt、2H);d 1.28(m、14H);d 0.75(m、2H);d 0.15(s、27H)
1H−NMR(CDCl3):d7.01(d、2H);d6.88(d、2H);d6.32(s、1H);d5.73(s、1H);d3.94(t、2H);d2.05(s、3H);d 1.77(tt、2H):d 1.45(tt、2H);d 1.28(m、14H)、d 0.75(m、2H)、d 0.15(s、27H)
製造例1の化合物(UPMTBS)2.0gとRAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)試薬であるCPBD(2−Cyano−2−propyl benzodithioate)47.8mg、AIBN(Azobisisobutyronitrile)17.7mgおよびanisole 4.690mLを10mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で30分の間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール300mLに沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させてピンク色のマクロ開始剤を製造した。前記マクロ開始剤の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ10,800および1.17であった。マクロ開始剤0.3g、ペンタフルオロスチレンモノマー1.3479g、AIBN(Azobisisobutyronitrile)2.3mgおよびanisole 0.552mLを50mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で1時間の間撹拌した後、70℃で3時間の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに2回沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させて薄いピンク色のブロック共重合体を製造した。前記ブロック共重合体の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ18,800および1.21であった。前記ブロック共重合体は製造例1のUPMTBSから由来した高分子セグメントAと前記ペンタフルオロスチレンモノマーから由来した高分子セグメントBを含む。
製造例2の化合物(UPMDS)1.0gとRAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)試薬であるCPBD(2−Cyano−2−propyl benzodithioate)46.3mg、AIBN(Azobisisobutyronitrile)17.1mgおよびanisole 2.341mLを10mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で1時間の間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール300mLに2回沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させてピンク色のマクロ開始剤を製造した。前記マクロ開始剤の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ9,100および1.19であった。前記マクロ開始剤0.2g、ペンタフルオロスチレンモノマー1.0664g、AIBN(Azobisisobutyronitrile)1.8mgおよびanisole 1.272mLを10mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で1時間の間撹拌した後、70℃で3時間30分の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに2回沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させて薄いピンク色のブロック共重合体を製造した。前記ブロック共重合体の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ18,300および1.24であった。前記ブロック共重合体は製造例2のUPMDSから由来した高分子セグメントAと前記ペンタフルオロスチレンモノマーから由来した高分子セグメントBを含む。
製造例3の化合物(UPMDTMSS)1.0gとRAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)試薬であるCPBD(2−Cyano−2−propyl benzodithioate)26.9mg、AIBN(Azobisisobutyronitrile)10mgおよびanisole 2.345mLを10mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で1時間の間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール300mLに2回沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させてピンク色のマクロ開始剤を製造した。前記マクロ開始剤の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ10,800および1.19であった。前記マクロ開始剤0.3g、ペンタフルオロスチレンモノマー1.3479g、AIBN(Azobisisobutyronitrile)2.3mgおよびanisole 0.552mLを10mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で1時間の間撹拌した後、70℃で3時間30分の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに2回沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させて薄いピンク色のブロック共重合体を製造した。前記ブロック共重合体の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ20,800および1.27であった。前記ブロック共重合体は製造例3のUPMDTMSSから由来した高分子セグメントAと前記ペンタフルオロスチレンモノマーから由来した高分子セグメントBを含む。
製造例4の化合物(UPMTTMSS)1.0gとRAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)試薬であるCPBD(2−Cyano−2−propyl benzodithioate)25.4mg、AIBN(Azobisisobutyronitrile)9.4mgおよびanisole 2.345mLを10mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で1時間の間撹拌した後、70℃で4時間の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール300mLに2回沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させてピンク色のマクロ開始剤を製造した。前記マクロ開始剤の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ10,300および1.16であった。前記マクロ開始剤0.3g、ペンタフルオロスチレンモノマー1.9786g、AIBN(Azobisisobutyronitrile)2.4mgおよびanisole 0.763mLを10mL Schlenk flaskに入れて窒素雰囲気下で常温で1時間の間撹拌した後、70℃で3時間の間RAFT(Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer)重合反応を遂行した。重合後反応溶液を抽出溶媒であるメタノール250mLに2回沈殿させた後、減圧濾過し乾燥させて薄いピンク色のブロック共重合体を製造した。前記ブロック共重合体の数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ22,900および1.23であった。前記ブロック共重合体は製造例4のUPMTTMSSから由来した高分子セグメントAと前記ペンタフルオロスチレンモノマーから由来した高分子セグメントBを含む。
実施例1〜4のブロック共重合体を使って自己組織化された高分子膜を形成し、その結果を確認した。各ブロック共重合体をトルエンに約1.0重量%の濃度に溶解させてコーティング液を製造し、コーティング液をシリコンウェハー上に3000 rpmの速度で60秒の間スピンコーテイングした後、熱的熟成を通じて自己組織化されたブロック共重合体を含む膜を形成した。図1〜図4は前記のような方式で形成された高分子膜のSEM写真であって、それぞれ実施例1〜4の高分子膜のSEM写真である。
実施例1〜4のホモポリマーのエッチング抵抗性を評価した。エッチング機器を使って高分子膜を同一条件(RF出力:25W、圧力:10mTorr)でエッチングして各ブロックのエッチング選択性を比較した。その結果は図5に記載した。図5において、PPFSと表記されたグラフは、実施例1〜4で適用されたペンタフルオロスチレンモノマー由来高分子のエッチング速度であり、PUPMTBSは実施例1で適用されたUPMTBS由来高分子のエッチング速度であり、PUPMDSと表記されたグラフは実施例2のUPMDS由来高分子のエッチング速度であり、PUPMDTMSS表記グラフは実施例3のUPMDTMSS由来高分子のエッチング速度であり、PUPMTTMSSは実施例4のUPMTTMSS由来高分子のエッチング速度である。
Claims (4)
- 下記の化学式1で表示される単位を60重量%以上で有する高分子セグメントAおよび前記高分子セグメントAと異なり、下記の化学式7で表示される単位を60重量%以上で有する高分子セグメントBを含み、下記化学式1に含まれる−CH 2 −C−および化学式7に含まれる−CH 2 −CH−が主鎖を構成し、高分子セグメントAの末端に高分子セグメントBが接続されているジブロック型である、ブロック共重合体。
[化学式1]
化学式1でRは水素または炭素数1〜4のアルキル基であり、Xは、−C(=O)−X 1 −であり、前記X 1 は酸素原子であり、Yは下記化学式2で表示される。
[化学式2]
化学式2でPは炭素数6〜12のアリーレン基であり、Qは酸素原子であり、Zは炭素数8から16のアルキレン基と、前記アルキレン基に置換される1個以上6個以下のケイ素原子を含む炭化水素官能基と、からなる置換基である。
[化学式7]
化学式7でX 2 は、単一結合であり、R 1 〜R 5 はそれぞれ独立して水素またはハロゲン原子であり、R 1 〜R 5 が含むハロゲン原子の数は1個以上である。 - 自己組織化された請求項1に記載されたブロック共重合体を含む、高分子膜。
- 自己組織化された請求項1に記載されたブロック共重合体を含む高分子膜を基板上に形成することを含む、高分子膜の形成方法。
- 基板および前記基板上に形成されており、自己組織化された請求項1に記載されたブロック共重合体を含む高分子膜を有する積層体で前記ブロック共重合体の高分子セグメントのうちいずれか一つを選択的に除去する過程を含む、パターン形成方法。
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