FR3101354A1 - Neutral underlayer for block copolymer and polymer stack comprising such an underlayer covered with a film of block copolymer - Google Patents
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Abstract
L’invention porte sur une sous-couche d’homopolymère ou de (co-)polymère destinée à être déposée à la surface d’un substrat et recouverte par un copolymère à blocs, ladite sous-couche étant caractérisée en ce qu’elle présente une structure chimique aliphatique dont la chaine carbonée comprend un nombre N d’atomes de carbone tel que N ≥ 6 et N < 12. Une telle sous-couche présente une énergie de surface neutre vis-à-vis de chacun des blocs du copolymère à blocs et permet d’éviter ou de retarder le démouillage d’un copolymère à blocs déposé sur sa surface. Figure à publier avec l’abrégé : figure 1The invention relates to a homopolymer or (co-) polymer sublayer intended to be deposited on the surface of a substrate and covered with a block copolymer, said sublayer being characterized in that it exhibits an aliphatic chemical structure whose carbon chain comprises a number N of carbon atoms such that N ≥ 6 and N <12. Such a sub-layer has a surface energy that is neutral with respect to each of the blocks of the copolymer to blocks and makes it possible to avoid or delay the dewetting of a block copolymer deposited on its surface. Figure to be published with the abstract: figure 1
Description
L’invention s’intéresse au domaine de la microélectronique, et plus particulièrement aux applications de nano-lithographie par autoassemblage dirigé, encore appelées DSA (de l’acronyme anglais «Directed Self-Assembly »).The invention relates to the field of microelectronics, and more particularly to applications of nano-lithography by directed self-assembly, also called DSA (from the English acronym "Directed Self-Assembly").
L’invention concerne plus particulièrement une sous-couche neutre pour copolymère à blocs ainsi qu’un empilement polymérique comprenant une telle sous-couche déposée sur la surface d’un substrat et recouverte par un film de copolymère à blocs destiné à servir de masque de nano-lithographie.The invention relates more particularly to a neutral underlayer for a block copolymer as well as a polymer stack comprising such an underlayer deposited on the surface of a substrate and covered by a film of block copolymer intended to serve as a nano-lithography.
Les copolymères à blocs constituent depuis les années 1960 un champ de recherche très vaste pour le développement de nouveaux matériaux. Il est possible de moduler et contrôler leurs propriétés par la nature chimique des blocs et leur architecture pour l’application visée. Pour des paramètres macromoléculaires (Mn, Ip,f, χ, N) spécifiques, les copolymères à blocs sont capables de s’auto-assembler et former des structures dont les dimensions caractéristiques (10 -100nm) constituent aujourd’hui un enjeu majeur dans le domaine de la microélectronique et des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS).Since the 1960s, block copolymers have been a very vast field of research for the development of new materials. It is possible to modulate and control their properties by the chemical nature of the blocks and their architecture for the intended application. For specific macromolecular parameters (M n , I p , f , χ, N), block copolymers are able to self-assemble and form structures whose characteristic dimensions (10 -100 nm) are today an issue. major in the field of microelectronics and micro-electro-mechanical systems (MEMS).
Dans le cadre particulier des applications dans le domaine de la nano-lithographie par autoassemblage dirigé, ou DSA (acronyme anglais pour « Directed Self-Assembly »), les copolymères à blocs, aptes à se nano-structurer à une température d’assemblage, sont utilisés en tant que masques de nano-lithographie. Les copolymères à blocs, une fois nano-structurés, permettent d’obtenir des cylindres, lamelles, sphères ou encore des gyroïdes qui forment respectivement des motifs, pour la création de masques de nano-lithographie, avec une périodicité inférieure à 20 nm, qu’il est difficile d’atteindre avec les techniques de lithographies conventionnelles.In the particular context of applications in the field of nano-lithography by directed self-assembly, or DSA (English acronym for "Directed Self-Assembly"), block copolymers, capable of nano-structuring at an assembly temperature, are used as nano-lithography masks. Block copolymers, once nano-structured, make it possible to obtain cylinders, lamellae, spheres or even gyroids which respectively form patterns, for the creation of nano-lithography masks, with a periodicity of less than 20 nm, which difficult to achieve with conventional lithography techniques.
Les applications en microélectronique, de technologie type DSA, sont limitées potentiellement par les conditions de démouillage des copolymères à blocs utilisés. En effet, pour pouvoir présenter une mobilité suffisante lors de leur nano-structuration à la température d’assemblage, les copolymères à blocs sont déposés sur un substrat solide sous forme liquide ou visqueuse. Or, le fait de déposer une couche de polymère liquide/visqueux sur une surface solide peut entrainer l’apparition de phénomènes de démouillage, en particulier lorsque ladite couche de polymère est portée à une température supérieure à sa température transition vitreuse. Si un film de copolymère à blocs démouille de sa surface, que ce soit avant ou après son auto-organisation à la température d’assemblage, alors celui-ci devient inutilisable en tant que masque de nano-lithographie. En effet, le démouillage entraine l’obtention d’épaisseurs de film de copolymère à blocs différentes et une inhomogénéité des motifs en termes de dimensions et de facteur de forme. Dans un tel cas, les motifs transférés par gravure sèche dans le substrat sous-jacent ne sont alors pas homogènes en termes de dimensions et de facteur de forme. Par conséquent, il apparait indispensable que le film de copolymère à blocs puisse rester parfaitement plat tout au long du procédé de fabrication d’un masque de nano-lithographie et tout au long du procédé ultérieur de gravure.Applications in microelectronics, of DSA type technology, are potentially limited by the dewetting conditions of the block copolymers used. Indeed, in order to be able to present sufficient mobility during their nano-structuring at the assembly temperature, the block copolymers are deposited on a solid substrate in liquid or viscous form. However, the fact of depositing a liquid/viscous polymer layer on a solid surface can lead to the appearance of dewetting phenomena, in particular when said polymer layer is brought to a temperature higher than its glass transition temperature. If a block copolymer film dewets from its surface, either before or after its self-organization at the assembly temperature, then it becomes unusable as a nano-lithography mask. Indeed, the dewetting leads to the obtaining of different block copolymer film thicknesses and an inhomogeneity of the patterns in terms of dimensions and shape factor. In such a case, the patterns transferred by dry etching into the underlying substrate are then not homogeneous in terms of dimensions and form factor. Consequently, it appears essential that the block copolymer film can remain perfectly flat throughout the manufacturing process of a nano-lithography mask and throughout the subsequent etching process.
D’autre part, l’obtention d’un copolymère à blocs auto-assemblé avec une périodicité inférieure à 10 nm est rendue possible grâce à l’utilisation de copolymères à blocs dont les blocs présentent une forte incompatibilité, c’est-à-dire avec un paramètre d’interaction de Flory-Huggins, χ, élevé. Ce paramètre élevé se traduit par une différence des propriétés physico-chimiques entre les blocs et notamment d’énergie de surface. Dans le cas de la phase lamellaire notamment, cette grande différence d’énergie de surface favorise l’orientation des domaines parallèlement à la surface du substrat. Or, pour pouvoir servir de masque de nano-lithographie, un tel copolymère à blocs doit présenter des nano-domaines orientés perpendiculairement aux interfaces inférieure et supérieure du copolymère à blocs, afin de pouvoir ensuite retirer sélectivement un des nano-domaines du copolymère à blocs, créer un film poreux avec le (ou les) nano-domaine(s) résiduel(s) et transférer, par gravure, les motifs ainsi créés dans le substrat sous-jacent. Toutefois, cette condition de perpendicularité des nano-domaines est remplie seulement si chacune des interfaces inférieure (substrat / copolymère à blocs) et supérieure (copolymère à bocs / atmosphère ambiante) est « neutre » par rapport à chacun des blocs dudit copolymère, c’est-à-dire qu’il n’y a pas d’affinité prépondérante de l’interface considérée pour au moins un des blocs constituant le copolymère à blocs. Une neutralisation des énergies aux interfaces inférieure (copolymère/substrat) et supérieure (copolymère/air ambiant) est donc nécessaire pour obtenir une orientation des nano-domaines perpendiculairement à la surface du substrat, sur toute l’épaisseur du film. C’est pourquoi, de nombreuses recherches ont portés sur le développement de sur-couche et sous-couche neutralisantes.On the other hand, obtaining a self-assembled block copolymer with a periodicity of less than 10 nm is made possible thanks to the use of block copolymers whose blocks have a high incompatibility, i.e. say with a high Flory-Huggins interaction parameter, χ. This high parameter results in a difference in physico-chemical properties between the blocks and in particular in surface energy. In the case of the lamellar phase in particular, this large difference in surface energy favors the orientation of the domains parallel to the surface of the substrate. However, in order to be able to serve as a nano-lithography mask, such a block copolymer must have nano-domains oriented perpendicularly to the lower and upper interfaces of the block copolymer, in order to then be able to selectively remove one of the nano-domains from the block copolymer , create a porous film with the residual nano-domain(s) and transfer, by etching, the patterns thus created into the underlying substrate. However, this condition of perpendicularity of the nano-domains is met only if each of the lower (substrate / block copolymer) and upper (block copolymer / ambient atmosphere) interfaces is "neutral" with respect to each of the blocks of said copolymer, i.e. that is to say that there is no preponderant affinity of the interface considered for at least one of the blocks constituting the block copolymer. A neutralization of the energies at the lower (copolymer/substrate) and upper (copolymer/ambient air) interfaces is therefore necessary to obtain an orientation of the nano-domains perpendicular to the surface of the substrate, over the entire thickness of the film. This is why a lot of research has focused on the development of neutralizing overcoats and undercoats.
Dans cette optique, les possibilités pour le contrôle de l’affinité de l’interface dite « inférieure », située entre le substrat et le copolymère à blocs, sont bien connues et maitrisées aujourd’hui. A titre d’exemple, parmi les solutions possibles, si la chimie intrinsèque des monomères constituants le copolymère à blocs le permet, un copolymère statistique comportant un ratio judicieusement choisi des mêmes monomères que ceux du copolymère à blocs peut être greffé sur le substrat, permettant ainsi d’équilibrer l’affinité initiale du substrat pour le copolymère à blocs. C’est par exemple la méthode de choix, classique, utilisée pour un système comprenant un copolymère à blocs tel que le PS-b-PMMA et décrite dans l’article de Mansky et al,Science,1997, 275,1458).With this in mind, the possibilities for controlling the affinity of the so-called “lower” interface, located between the substrate and the block copolymer, are well known and mastered today. By way of example, among the possible solutions, if the intrinsic chemistry of the monomers constituting the block copolymer allows it, a random copolymer comprising a judiciously chosen ratio of the same monomers as those of the block copolymer can be grafted onto the substrate, allowing thus to balance the initial affinity of the substrate for the block copolymer. This is, for example, the classic method of choice, used for a system comprising a block copolymer such as PS- b -PMMA and described in the article by Mansky et al, Science , 1997 , 275, 1458).
Concernant le contrôle de l’interface dite « supérieure » du système, c’est-à-dire l’interface entre le copolymère à blocs et l’atmosphère environnante, une solution consiste à déposer un matériau de revêtement, dénommé « top coat », sur le film de copolymère à blocs. Un tel revêtement est destiné à neutraliser l’interface supérieure du copolymère à blocs, afin de compenser une différence importante d’énergie de surface des blocs du copolymère à blocs menant à un film orienté parallèlement au substrat, même si l’interface inférieure du film a été préalablement neutralisée. Cette approche de neutralisation de l’interface supérieure par un revêtement de top coat présente des problématiques qui lui sont propres, telles que par exemple la non-miscibilité de la couche de top coat avec le copolymère à blocs, la solubilisation de la couche de top coat dans un solvant qui ne dissout pas le copolymère à blocs sous-jacent, les difficultés de synthèse du matériau de top coat, etc… De plus, à cette interface supérieure, il apparait des phénomènes de démouillage qui peuvent être de type liquide/solide ou liquide / liquide selon la configuration du matériau de top coat déposé. Ainsi, alors qu’à l’interface inférieure les phénomènes de démouillage apparaissant sont de type solide/liquide, à l’interface supérieure ils peuvent être différents, en particulier de type liquide /liquide si la couche de top coat est encore sous forme liquide ou visqueuse au moment de son dépôt.Regarding the control of the so-called "upper" interface of the system, that is to say the interface between the block copolymer and the surrounding atmosphere, one solution consists in depositing a coating material, called "top coat" , on the block copolymer film. Such a coating is intended to neutralize the upper interface of the block copolymer, in order to compensate for a large difference in surface energy of the blocks of the block copolymer leading to a film oriented parallel to the substrate, even if the lower interface of the film was previously neutralized. This approach of neutralizing the upper interface by a top coat coating presents its own problems, such as for example the non-miscibility of the top coat layer with the block copolymer, the solubilization of the top coat layer coat in a solvent which does not dissolve the underlying block copolymer, the difficulties in synthesizing the top coat material, etc. In addition, at this upper interface, dewetting phenomena appear which can be of the liquid/solid type or liquid/liquid depending on the configuration of the deposited top coat material. Thus, while at the lower interface the dewetting phenomena appearing are of the solid/liquid type, at the upper interface they may be different, in particular of the liquid/liquid type if the top coat layer is still in liquid form. or viscous when deposited.
Bien que la neutralité de l’interface inférieure vis-à-vis du copolymère à blocs dans un tel empilement polymérique, soit bien maitrisée aujourd’hui, l’art antérieur ne décrit que très peu de méthodes permettant de limiter, voire supprimer, le démouillage de films de polymères dans un empilement polymérique. Seul, le document L. Xue, Y. Han / Progress in Materials Science 57 (2012) 947–979, intitulé « Inhibition of dewetting of thin polymer films », expose l’état de l’art dans le domaine des empilements polymériques. Il décrit notamment que les deux principes permettant d’inhiber le démouillage d’un film de polymère déposé à la surface d’un substrat consistent d’une part, à modifier la tension interfaciale entre le film de polymère et le substrat et d’autre part, à réduire la mobilité des chaines du polymère. Cependant, les méthodes décrites dans ce document ne s’appliquent pas au démouillage de films de copolymère à blocs, qui doivent nécessairement être déposés dans un état liquide ou visqueux pour pouvoir se nano-structurer à la température d’assemblage, et encore moins au démouillage de films de copolymères à blocs nécessitant une parfaite maîtrise de l’énergie interfaciale pour l’obtention d’une organisation perpendiculaire des nano-domaines, dans le cadre d’un procédé de type DSA, pour des applications en micro-électronique.Although the neutrality of the lower interface with respect to the block copolymer in such a polymer stack is well mastered today, the prior art only describes very few methods making it possible to limit, or even eliminate, the dewetting of polymer films in a polymer stack. Only the document L. Xue, Y. Han / Progress in Materials Science 57 (2012) 947–979, entitled "Inhibition of dewetting of thin polymer films", presents the state of the art in the field of polymeric stacks. It describes in particular that the two principles making it possible to inhibit the dewetting of a film of polymer deposited on the surface of a substrate consist, on the one hand, in modifying the interfacial tension between the film of polymer and the substrate and on the other hand, to reduce the mobility of the chains of the polymer. However, the methods described in this document do not apply to the dewetting of block copolymer films, which must necessarily be deposited in a liquid or viscous state in order to be able to nano-structure at the assembly temperature, and even less at the dewetting of block copolymer films requiring perfect control of the interfacial energy to obtain a perpendicular organization of the nano-domains, within the framework of a DSA-type process, for applications in microelectronics.
Par ailleurs, il existe deux grandes techniques permettant de contrôler et guider l’orientation des blocs d’un copolymère à blocs sur un substrat : la graphoépitaxie et/ou la chemo-épitaxie. La graphoépitaxie utilise une contrainte topologique pour forcer le copolymère à blocs à s’organiser dans un espace prédéfini et commensurable avec la périodicité du copolymère à blocs. Pour cela, la graphoépitaxie consiste à former des motifs primaires, appelés guides, à la surface du substrat. Ces guides, d’affinité chimique quelconque vis-à-vis des blocs du copolymère à blocs, délimitent des zones à l’intérieur desquelles une couche de copolymère à blocs est déposée. Les guides permettent de contrôler l’organisation des blocs du copolymère à blocs pour former des motifs secondaires de plus haute résolution, à l’intérieur de ces zones. Classiquement, les guides sont formés par photolithographie. La chemo-épitaxie utilise, quant à elle, un contraste d’affinités chimiques entre un motif pré-dessiné sur le substrat et les différents blocs du copolymère à blocs. Ainsi, un motif présentant une forte affinité pour un seul des blocs du copolymère à blocs est pré-dessiné à la surface du substrat sous-jacent, afin de permettre l’orientation perpendiculaire des blocs du copolymère à blocs, alors que le reste de la surface ne présente pas d’affinité particulière pour les blocs du copolymère à blocs. Pour cela, on dépose à la surface du substrat une couche comprenant d’une part, des zones neutres (constituées par exemple de copolymère statistique greffé), ne présentant pas d’affinité particulière avec les blocs du copolymère à blocs à déposer et d’autre part, des zones affines (constituées par exemple d’homopolymère greffé d’un des blocs du copolymère à blocs à déposer et servant de point d’ancrage de ce bloc du copolymère à blocs). L’homopolymère servant de point d’ancrage peut être réalisé avec une largeur légèrement supérieure à celle du bloc avec lequel il a une affinité préférentielle et permet, dans ce cas, une répartition « pseudo-équitable » des blocs du copolymère à blocs à la surface du substrat. Une telle couche est dite « pseudo-neutre » car elle permet une répartition équitable ou « pseudo-équitable » des blocs du copolymère à blocs à la surface du substrat, si bien que la couche ne présente pas, dans sa globalité, d’affinité préférentielle avec l’un des blocs du copolymère à blocs. Par conséquent, une telle couche chemo-épitaxiée à la surface du substrat est considérée comme étant neutre vis-à-vis du copolymère à blocs.In addition, there are two major techniques for controlling and guiding the orientation of the blocks of a block copolymer on a substrate: graphoepitaxy and/or chemo-epitaxy. Graphoepitaxy uses a topological constraint to force the block copolymer to organize itself in a predefined space commensurate with the periodicity of the block copolymer. For this, graphoepitaxy consists in forming primary patterns, called guides, on the surface of the substrate. These guides, of any chemical affinity with respect to the blocks of the block copolymer, delimit zones inside which a layer of block copolymer is deposited. The guides allow to control the organization of the blocks of the block copolymer to form secondary patterns of higher resolution, inside these zones. Conventionally, the guides are formed by photolithography. Chemo-epitaxy uses a contrast of chemical affinities between a pre-drawn pattern on the substrate and the different blocks of the block copolymer. Thus, a pattern exhibiting a strong affinity for only one of the blocks of the block copolymer is pre-drawn on the surface of the underlying substrate, in order to allow the perpendicular orientation of the blocks of the block copolymer, while the rest of the surface has no particular affinity for the blocks of the block copolymer. For this, a layer is deposited on the surface of the substrate comprising, on the one hand, neutral zones (consisting for example of grafted random copolymer), having no particular affinity with the blocks of the block copolymer to be deposited and on the other hand, affine zones (consisting for example of homopolymer grafted with one of the blocks of the block copolymer to be deposited and serving as an anchoring point for this block of the block copolymer). The homopolymer serving as an anchor point can be made with a width slightly greater than that of the block with which it has a preferential affinity and allows, in this case, a "pseudo-equitable" distribution of the blocks of the block copolymer at the substrate surface. Such a layer is called "pseudo-neutral" because it allows an equitable or "pseudo-equitable" distribution of the blocks of the block copolymer on the surface of the substrate, so that the layer does not present, as a whole, affinity preferentially with one of the blocks of the block copolymer. Consequently, such a chemo-epitaxial layer at the surface of the substrate is considered to be neutral with respect to the block copolymer.
Au vu de ce qui précède, la demanderesse a cherché une solution pour éviter le démouillage de films de copolymères à blocs, ou au moins pour le retarder le plus possible, afin d’avoir une plus grande plage de températures d’assemblage accessible pour l’auto-organisation du copolymère à blocs et de maximiser les chances d’obtenir des assemblages présentant moins de défauts, lorsqu’ils sont guidés avec des méthodes comme la chemo-epitaxie et/ou la graphoépitaxie par exemple.In view of the foregoing, the applicant sought a solution to avoid the dewetting of block copolymer films, or at least to delay it as much as possible, in order to have a greater range of assembly temperatures accessible for the self-organization of the block copolymer and to maximize the chances of obtaining assemblies with fewer defects, when they are guided with methods such as chemo-epitaxy and/or graphoepitaxy for example.
[Problème technique][Technical problem]
L’invention a donc pour but de remédier aux inconvénients de l’art antérieur. En particulier, l’invention a pour but de proposer une sous-couche d’homopolymère ou de (co-)polymère destinée à être déposée à la surface d’un substrat et recouverte par un copolymère à blocs, ladite sous-couche présentant une énergie de surface neutre ou pseudo-neutre vis- à -vis de chacun des blocs du copolymère à blocs et permettant d’éviter, ou au moins de retarder le plus possible, tout phénomène de démouillage du film de copolymère à blocs de manière à obtenir un film de copolymère à blocs le plus plat possible.The object of the invention is therefore to remedy the drawbacks of the prior art. In particular, the object of the invention is to propose a sub-layer of homopolymer or of (co-)polymer intended to be deposited on the surface of a substrate and covered with a block copolymer, said sub-layer having a neutral or pseudo-neutral surface energy with respect to each of the blocks of the block copolymer and making it possible to avoid, or at least to delay as much as possible, any phenomenon of dewetting of the film of block copolymer so as to obtain block copolymer film as flat as possible.
L’invention vise en outre un empilement polymérique comprenant un substrat à la surface duquel est déposée une sous-couche d’homopolymère ou de (co-)polymère, elle-même recouverte par un film de copolymère à blocs destiné à servir de masque de nano-lithographie, ladite sous-couche présentant une affinité neutre ou pseudo-neutre vis-à-vis de chacun des blocs du copolymère à blocs et permettant d’éviter, ou au moins de retarder le plus possible, tout phénomène de démouillage du film de copolymère à blocs de manière à obtenir un film de copolymère à blocs le plus plat possible.The invention further relates to a polymer stack comprising a substrate on the surface of which is deposited an underlayer of homopolymer or (co-)polymer, itself covered by a film of block copolymer intended to serve as a nano-lithography, said sub-layer exhibiting a neutral or pseudo-neutral affinity with respect to each of the blocks of the block copolymer and making it possible to avoid, or at least to delay as much as possible, any phenomenon of dewetting of the film of block copolymer so as to obtain the flattest possible block copolymer film.
[Brève description de l’invention][Brief description of the invention]
De manière surprenante, la demanderesse a découvert qu’une sous-couche d’homopolymère ou de (co-)polymère destinée à être déposée et greffée à la surface d’un substrat et à être recouverte par un copolymère à blocs, ladite sous-couche étant caractérisée en ce qu’elle présente une structure chimique aliphatique dont la chaine carbonée comprend un nombre N d’atomes de carbone tel que N ≥ 6 et N < 12, permet de répondre très efficacement à la fois sur le plan de la neutralité de ladite sous-couche par rapport au copolymère à blocs, et également sur le plan de la limitation du démouillage du copolymère à blocs.Surprisingly, the Applicant has discovered that a homopolymer or (co-)polymer sub-layer intended to be deposited and grafted onto the surface of a substrate and to be covered with a block copolymer, said sub-layer layer being characterized in that it has an aliphatic chemical structure whose carbon chain comprises a number N of carbon atoms such that N ≥ 6 and N < 12, makes it possible to respond very effectively both in terms of neutrality of said underlayer with respect to the block copolymer, and also in terms of limiting the dewetting of the block copolymer.
Cela est dû au fait que ce type de sous-couche favorise une multiplication d’interactions faibles avec le copolymère à blocs, lesdites interactions étant de type Van der Walls et peu sélectives pour chacun des blocs du copolymère à blocs. Une telle sous-couche permet à la fois d’obtenir un assemblage perpendiculaire des nano-domaines du copolymère à blocs et de limiter efficacement le démouillage du copolymère à blocs de cette sous-couche via l’établissement d’une multitude de ces interactions faibles avec les chaines du copolymère à blocs.This is due to the fact that this type of underlayer promotes a multiplication of weak interactions with the block copolymer, said interactions being of the Van der Walls type and not very selective for each of the blocks of the block copolymer. Such a sub-layer makes it possible both to obtain a perpendicular assembly of the nano-domains of the block copolymer and to effectively limit the dewetting of the block copolymer from this sub-layer via the establishment of a multitude of these weak interactions. with the chains of the block copolymer.
Selon d’autres caractéristiques optionnelles de la sous-couche :
- elle comprend un/des groupement(s) hydroxy en bout de chaine polymère, permettant son greffage sur la surface du substrat;
- elle est obtenue par polymérisation cationique, anionique, radicalaire contrôlée ou non, ou par ouverture de cycle, à partir de monomères acryliques et/ou (méth)acryliques ;
- elle comprend en outre une fonction nitroxy permettant son greffage sur la surface du substrat, lorsqu’elle est obtenue par polymérisation radicalaire contrôlée ;
- elle présente une structure chimique de type acrylate ou méthacrylate à base de co-monomères choisis parmi les monomères acryliques tels que l'acide acrylique ou ses sels, les acrylates d'alkyle, de cycloalkyle ou d’aryle tels que l'acrylate de méthyle, d'éthyle, de butyle, de tertiobutyle de 2-éthyl-hexyle, d’hexyle, de 1-methyl-heptyle ou de phényle, les acrylates d’hydroxyalkyle tels que l’acrylate de 2-hydroxyéthyle, les acrylates d’étheralkyle tels que l’acrylate de 2-méthoxyéthyle, les acrylates d’alcoxy- ou aryloxy-polyalkylèneglycol tels que les acrylates de méthoxypolyéthylèneglycol, les acrylates d’éthoxypolyéthylèneglycol, les acrylates de méthoxypolypropylèneglycol, les acrylates de méthoxy-polyéthylèneglycol-polypropylèneglycol ou leurs mélanges, les acrylates d’aminoalkyle tels que l’acrylate de 2-(diméthylamino)éthyle (ADAME), les acrylates fluorés, les acrylates silylés, les acrylates phosphorés tels que les acrylates de phosphate d’alkylèneglycol, les acrylates de glycidyle, de dicyclopentenyloxyethyle, les monomères méthacryliques comme l'acide méthacrylique ou ses sels, les méthacrylates d'alkyle, de cycloalkyle, d’alcényle ou d’aryle tels que le méthacrylate de méthyle (MAM), de lauryle, de cyclohexyle, d’allyle, de phényle ou de naphtyle, les méthacrylates d’hydroxyalkyle tels que le méthacrylate de 2-hydroxyéthyle ou le méthacrylate de 2-hydroxypropyle, les méthacrylates d’étheralkyle tels que le méthacrylate de 2-éthoxyéthyle, les méthacrylates d’alcoxy- ou aryloxy-polyalkylèneglycol tels que les méthacrylates de méthoxypolyéthylèneglycol, les méthacrylates d’éthoxypolyéthylèneglycol, les méthacrylates de méthoxypolypropylèneglycol, les méthacrylates de méthoxy-polyéthylèneglycol-polypropylèneglycol ou leurs mélanges, les méthacrylates d’aminoalkyle tels que le méthacrylate de 2-(diméthylamino)éthyle (MADAME), les méthacrylates fluorés tels que le méthacrylate de 2,2,2-trifluoroéthyle, les méthacrylates silylés tels que le 3-méthacryloylpropyltriméthylsilane, les méthacrylates phosphorés tels que les méthacrylates de phosphate d’alkylèneglycol, le méthacrylate d’hydroxy-éthylimidazolidone, le méthacrylate d’hydroxy-éthylimidazolidinone, le méthacrylate de 2-(2-oxo-1-imidazolidinyl)éthyle, les méthacrylates de glycidyle, ou de dicyclopentenyloxyethyle, au moins un composé de ladite sous-couche comprenant entre 6 et 12 atomes de carbone.;
- elle est constituée de poly(méthacrylate de 2-éthyl-hexyle) ou encore de poly(méthacrylate de methyl-heptyle) à hauteur d’au moins 50% en masse . ;
- elle est greffée sur le substrat par chauffage à une température inférieure ou égale à 280°C, de préférence inférieure ou égale à 250°C, et de manière davantage préférée inférieure ou égale à 200°C, pendant une durée inférieure ou égale à 60 minutes, de préférence inférieure ou égale à 15 minutes, et de manière davantage préférée inférieure ou égale à 2 minutes ;
- elle est neutre vis-à-vis de chacun des blocs du copolymère à blocs. According to other optional characteristics of the underlay:
- it comprises one or more hydroxy group(s) at the end of the polymer chain, allowing it to be grafted onto the surface of the substrate;
- it is obtained by cationic, anionic, controlled or uncontrolled radical polymerization, or by ring opening, from acrylic and/or (meth)acrylic monomers;
- it further comprises a nitroxy function allowing its grafting onto the surface of the substrate, when it is obtained by controlled radical polymerization;
- it has a chemical structure of the acrylate or methacrylate type based on co-monomers chosen from acrylic monomers such as acrylic acid or its salts, alkyl, cycloalkyl or aryl acrylates such as methyl, ethyl, butyl, tert-butyl of 2-ethyl-hexyl, hexyl, 1-methyl-heptyl or phenyl, hydroxyalkyl acrylates such as 2-hydroxyethyl acrylate, acrylates of alkyl ether such as 2-methoxyethyl acrylate, alkoxy- or aryloxy-polyalkylene glycol acrylates such as methoxypolyethylene glycol acrylates, ethoxypolyethylene glycol acrylates, methoxypolypropylene glycol acrylates, methoxy-polyethylene glycol-polypropylene glycol acrylates or their mixtures, aminoalkyl acrylates such as 2-(dimethylamino)ethyl acrylate (ADAME), fluorinated acrylates, silylated acrylates, phosphorus-containing acrylates such as alkylene glycol phosphate acrylates, glycidyl acrylates, dicyclopentenyloxyethyl, methacrylic monomers such as methacrylic acid or its salts, alkyl, cycloalkyl, alkenyl or aryl methacrylates such as methyl methacrylate (MAM), lauryl, cyclohexyl, allyl, phenyl or naphthyl, hydroxyalkyl methacrylates such as 2-hydroxyethyl methacrylate or 2-hydroxypropyl methacrylate, alkyl ether methacrylates such as 2-ethoxyethyl methacrylate, alkoxy- or aryloxy- polyalkylene glycol such as methoxypolyethylene glycol methacrylates, ethoxypolyethylene glycol methacrylates, methoxypolypropylene glycol methacrylates, methoxy-polyethylene glycol-polypropylene glycol methacrylates or mixtures thereof, aminoalkyl methacrylates such as 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (MADAME) , fluorinated methacrylates such as 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, silylated methacrylates such as 3-methacryloylpropyltrimethylsilane, phosphorus methacrylates such as alkylene glycol phosphate methacrylates, hydroxy-ethylimidazolidone methacrylate, methacrylate hydroxy-ethylimidazolidinone, 2-(2-oxo-1-imidazolidinyl)ethyl methacrylate, glycidyl methacrylates, or dicyclopentenyloxyethyl, at least one compound of said underlayer comprising between 6 and 12 carbon atoms;
- It consists of poly (2-ethyl-hexyl methacrylate) or poly (methyl-heptyl methacrylate) up to at least 50% by mass. ;
- it is grafted onto the substrate by heating to a temperature less than or equal to 280°C, preferably less than or equal to 250°C, and more preferably less than or equal to 200°C, for a time less than or equal to 60 minutes, preferably less than or equal to 15 minutes, and more preferably less than or equal to 2 minutes;
- it is neutral with respect to each of the blocks of the block copolymer.
L’invention concerne également un empilement polymérique comprenant un substrat à la surface duquel est déposée une sous-couche d’homopolymère ou de (co-)polymère, elle-même recouverte par un film de copolymère à blocs destiné à servir de masque de nano-lithographie, ledit empilement étant caractérisé en ce que la sous-couche d’homopolymère ou de (co-)polymère est conforme à celle qui vient d’être décrite ci-dessus.The invention also relates to a polymer stack comprising a substrate on the surface of which is deposited an underlayer of homopolymer or (co-)polymer, itself covered by a film of block copolymer intended to serve as a mask of nano -lithography, said stack being characterized in that the underlayer of homopolymer or (co-)polymer conforms to that which has just been described above.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaitront à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, en référence aux Figures annexées qui représentent :
la Figue 1, un graphique comprenant deux courbes représentant le pourcentage de surface de sous-couche recouverte par un copolymère à blocs en fonction de la température à laquelle ledit copolymère à blocs est nanostructuré, lesdites courbes étant obtenues pour deux sous-couches d’énergie de surface équivalente, l’une des deux sous-couche étant conforme à l’invention et l’autre étant une sous-couche comparative ;
la Figure 2, une photo d’un copolymère à blocs lamellaire nanostructuré, vu de dessus, ledit copolymère à blocs ayant été déposé sur une sous-couche conforme à l’invention ;
FIG. 1, a graph comprising two curves representing the percentage of sub-layer surface covered by a block copolymer as a function of the temperature at which said block copolymer is nanostructured, said curves being obtained for two energy sub-layers of equivalent surface, one of the two sub-layers being in accordance with the invention and the other being a comparative sub-layer;
FIG. 2, a photo of a nanostructured lamellar block copolymer, seen from above, said block copolymer having been deposited on an underlayer in accordance with the invention;
[Description de l’invention][Description of the invention]
Par « polymères » on entend soit un copolymère (de type statistique, à gradient, à blocs, alterné), soit un homopolymère.By “ polymers ” is meant either a copolymer (of random, gradient, block, alternating type), or a homopolymer.
Le terme « monomère » tel qu’utilisé se rapporte à une molécule qui peut subir une polymérisation.The term " monomer " as used refers to a molecule which can undergo polymerization.
Le terme « polymérisation » tel qu’utilisé se rapporte au procédé de transformation d’un monomère ou d’un mélange de monomères en un polymère d’architecture prédéfinie (bloc, gradient, statistique..).The term “ polymerization ” as used relates to the process of transforming a monomer or a mixture of monomers into a polymer of predefined architecture (block, gradient, random, etc.).
On entend par « copolymère », un polymère regroupant plusieurs unités monomères différentes.The term " copolymer " means a polymer combining several different monomer units.
On entend par « copolymère statistique », un copolymère dans lequel la distribution des unités monomères le long de la chaîne suit une loi statistique, par exemple de type Bernoullien (ordre zéro de Markov) ou Markovien du premier ou du second ordre. Lorsque les unités de répétition sont réparties au hasard le long de la chaîne, les polymères ont été formés par un processus de Bernouilli et sont appelés copolymères aléatoires. Le terme copolymère aléatoire est souvent utilisé, même lorsque le processus statistique ayant prévalu lors de la synthèse du copolymère n’est pas connu.The term “ random copolymer ” means a copolymer in which the distribution of the monomer units along the chain follows a statistical law, for example of the Bernoullian type (Markov zero order) or first or second order Markovian. When the repeating units are randomly distributed along the chain, the polymers were formed by a Bernoulli process and are called random copolymers. The term random copolymer is often used, even when the statistical process that prevailed during the synthesis of the copolymer is not known.
On entend par « copolymère à gradient », un copolymère dans lequel la distribution des unités monomères varie de manière progressive le long des chaines.The term “ gradient copolymer ” means a copolymer in which the distribution of the monomer units varies progressively along the chains.
On entend par « copolymère alterné », un copolymère comprenant au moins deux entités monomères qui sont distribuées en alternance le long des chaines.The term " alternating copolymer " means a copolymer comprising at least two monomer entities which are distributed alternately along the chains.
On entend par « copolymère à blocs », un polymère comprenant une ou plusieurs séquences ininterrompues de chacune des espèces polymères distincts, les séquences polymères étant chimiquement différentes l’une de, ou des, autre(s) et étant liées entre elles par une liaison chimique (covalente, ionique, liaison hydrogène, ou de coordination). Ces séquences polymères sont encore dénommées blocs polymères. Ces blocs présentent un paramètre de ségrégation de phase (paramètre d’interaction de Flory-Huggins) tel que, si le degré de polymérisation de chaque bloc est supérieur à une valeur critique, ils ne sont pas miscibles entre eux et se séparent en nano-domaines.The term " block copolymer " means a polymer comprising one or more uninterrupted sequences of each of the distinct polymer species, the polymer sequences being chemically different from one or more of the other(s) and being bonded together by a bond chemical (covalent, ionic, hydrogen bond, or coordination). These polymer sequences are also called polymer blocks. These blocks have a phase segregation parameter (Flory-Huggins interaction parameter) such that, if the degree of polymerization of each block is greater than a critical value, they are not miscible with each other and separate into nano- areas.
Le terme « miscibilité » ci-dessus s’entend de la capacité de deux ou plusieurs composés à se mélanger totalement pour former une phase homogène ou « pseudo-homogène », c’est-à-dire sans symétrie cristalline ou quasi-cristalline apparente à courte ou longue distance. On peut déterminer le caractère miscible d’un mélange quand la somme des températures de transition vitreuse (Tg) du mélange est inférieure strictement à la somme des Tg des composés pris isolément.The term " miscibility " above means the ability of two or more compounds to mix completely to form a homogeneous or "pseudo-homogeneous" phase, i.e. without apparent crystalline or quasi-crystalline symmetry. short or long distance. The miscible nature of a mixture can be determined when the sum of the glass transition temperatures (Tg) of the mixture is strictly lower than the sum of the Tgs of the compounds taken in isolation.
Dans la description, on parle aussi bien « d’autoassemblage » que « d’auto-organisation » ou encore de « nano-structuration » pour décrire le phénomène bien connu de séparation de phase des copolymères à blocs, à une température d’assemblage encore dénommée température de recuit.In the description, we speak both of “self-assembly ” and of “self-organization ” or even of “ nano-structuring ” to describe the well-known phenomenon of phase separation of block copolymers, at an assembly temperature also called annealing temperature.
Le terme « film poreux » désigne un film de copolymère à blocs dans lequel un ou plusieurs nano-domaines ont été retirés, laissant des trous dont les formes correspondent aux formes des nano-domaines ayant été retirés et pouvant être sphériques, cylindriques, lamellaires ou hélicoïdaux.The term “ porous film ” designates a block copolymer film in which one or more nano-domains have been removed, leaving holes whose shapes correspond to the shapes of the nano-domains having been removed and which can be spherical, cylindrical, lamellar or helical.
On entend par surface « neutre » ou « pseudo-neutre », une surface qui, dans sa globalité, ne présente pas d’affinité préférentielle avec un des blocs d’un copolymère à blocs. Elle permet ainsi une répartition équitable ou « pseudo-équitable » des blocs du copolymère à blocs à la surface. La neutralisation de la surface d’un substrat permet l’obtention d’une telle surface « neutre » ou « pseudo-neutre ».By “ neutral ” or “ pseudo-neutral ” surface is meant a surface which, as a whole, does not exhibit any preferential affinity with one of the blocks of a block copolymer. It thus allows an equitable or “pseudo-equitable” distribution of the blocks of the block copolymer on the surface. Neutralizing the surface of a substrate makes it possible to obtain such a “ neutral ” or “ pseudo-neutral ” surface.
On entend par surface « non neutre », une surface qui, dans sa globalité présente une affinité préférentielle avec un des blocs d’un copolymère à blocs. Elle permet une orientation des nano-domaines du copolymère à blocs de façon parallèle ou non perpendiculaire.By “ non-neutral ” surface is meant a surface which, as a whole, has a preferential affinity with one of the blocks of a block copolymer. It allows an orientation of the nano-domains of the block copolymer in a parallel or non-perpendicular way.
On définit l’énergie de surface (notée γx) d’un matériau «x» donné, comme étant l’énergie excédentaire à la surface du matériau par comparaison à celle du matériau pris en masse. Lorsque le matériau est sous forme liquide, son énergie de surface est équivalente à sa tension superficielle.We define the surface energy (denoted γx) of a given material “ x ”, as being the excess energy at the surface of the material compared to that of the material taken as a whole. When the material is in liquid form, its surface energy is equivalent to its surface tension.
Lorsqu’on parle des énergies de surfaces ou plus précisément des tensions interfaciales d’un matériau et d’un bloc d’un copolymère à blocs donné, celles-ci sont comparées à une température donnée, et plus particulièrement à une température permettant l’auto-organisation du copolymère à blocs.When talking about the surface energies or more precisely the interfacial tensions of a material and of a block of a given block copolymer, these are compared to a given temperature, and more particularly to a temperature allowing the self-organization of the block copolymer.
On entend par « interface inférieure » d’un copolymère à blocs, l’interface en contact avec une couche ou un substrat sous-jacent sur laquelle/lequel ledit copolymère à blocs est déposé. On note que cette interface inférieure est neutralisée par une technique classique, c’est-à-dire qu’elle ne présente pas, dans sa globalité, d’affinité préférentielle avec un des blocs du copolymère à blocs.The term " lower interface " of a block copolymer means the interface in contact with an underlying layer or substrate on which/which said block copolymer is deposited. It is noted that this lower interface is neutralized by a conventional technique, that is to say that it does not exhibit, as a whole, any preferential affinity with one of the blocks of the block copolymer.
On entend par « interface supérieure » ou « surface supérieure » d’un copolymère à blocs, l’interface en contact avec une couche supérieure, dite top coat et notée TC, appliquée à la surface dudit copolymère à blocs. On note que la couche supérieure de top coat TC, tout comme la couche sous-jacente, ne présente de préférence aucune affinité préférentielle avec l’un des blocs du copolymère à blocs afin que les nano-domaines du copolymère à blocs puissent s’orienter perpendiculairement aux interfaces au moment du recuit d’assemblage.The term “ upper interface ” or “upper surface” of a block copolymer means the interface in contact with an upper layer, called top coat and denoted TC, applied to the surface of said block copolymer. It is noted that the upper layer of top coat TC, like the underlying layer, preferably has no preferential affinity with one of the blocks of the block copolymer so that the nano-domains of the block copolymer can orient themselves perpendicular to the interfaces at the time of joint annealing.
On entend par « solvant orthogonal à un (co)polymère », un solvant non susceptible d’attaquer ou de dissoudre ledit (co)polymère.“ Solvent orthogonal to a (co)polymer ” is understood to mean a solvent that is not capable of attacking or dissolving said (co)polymer.
On entend par « polymère liquide » ou « polymère visqueux », un polymère présentant, à une température supérieure à la température de transition vitreuse, de par son état caoutchoutique, une capacité de déformation accrue du fait de la possibilité donnée à ses chaines moléculaires de se mouvoir librement. Les phénomènes hydrodynamiques à l’origine du démouillage apparaissent tant que le matériau n’est pas dans un état solide, c’est-à-dire indéformable du fait de la mobilité négligeable de ses chaines moléculaires.The term " liquid polymer " or " viscous polymer " means a polymer exhibiting, at a temperature above the glass transition temperature, due to its rubbery state, an increased capacity for deformation due to the possibility given to its molecular chains of move freely. The hydrodynamic phenomena at the origin of dewetting appear as long as the material is not in a solid state, that is to say undeformable due to the negligible mobility of its molecular chains.
On entend par« film discontinu », un film dont l’épaisseur n’est pas constante du fait du retrait d’une ou plusieurs zones, laissant apparaitre des trous.The term " discontinuous film " means a film whose thickness is not constant due to the shrinkage of one or more zones, leaving holes to appear.
Par « motif » dans un masque de nano-lithographie, on entend une zone d’un film comprenant une succession de formes alternativement en creux et en saillie, ladite zone présentant une forme géométrique souhaitée, et les formes en creux et en saillies pouvant être des lamelles, des cylindres, des sphères ou des gyroïdes.By “ pattern ” in a nano-lithography mask, is meant an area of a film comprising a succession of alternately recessed and protruding shapes, said area having a desired geometric shape, and the recessed and protruding shapes that can be lamellae, cylinders, spheres or gyroids.
Une manière de retarder le démouillage d’un copolymère à blocs dans un empilement final de type top coat (TC) / copolymère à blocs (BCP) / sous-couche neutre (NL) est de ne considérer que le demi-système correspondant à l’interface inférieure copolymère à blocs (BCP) / sous-couche neutre (NL) / substrat.One way of delaying the dewetting of a block copolymer in a final stack of the top coat (TC)/block copolymer (BCP)/neutral underlayer (NL) type is to consider only the half-system corresponding to the lower block copolymer (BCP)/neutral underlayer (NL)/substrate interface.
La demanderesse s’est donc intéressée à ce demi-système et a développé un empilement polymérique comprenant un substrat, une sous-couche d’homopolymère ou de (co-)polymère déposée à la surface du substrat et recouverte par un copolymère à blocs destiné à former un masque de nano-lithographie.The applicant therefore took an interest in this half-system and developed a polymer stack comprising a substrate, a sub-layer of homopolymer or (co-)polymer deposited on the surface of the substrate and covered with a block copolymer intended forming a nano-lithography mask.
Dans un tel demi-système, il ne suffit pas que la sous-couche de (co-)polymère empêche, réduise ou ralentisse le phénomène de démouillage du copolymère à blocs à la surface de la sous-couche, mais il faut également qu’elle soit neutre vis-à-vis du copolymère à blocs. La sous-couche doit être neutre vis-à-vis du copolymère à blocs, c’est-à-dire qu’elle doit présenter une énergie de surface adaptée pour permettre au copolymère à blocs de générer des nano-domaines orientés perpendiculairement à l’interface au moment de sa nano-structuration à la température d’assemblage, que le copolymère à blocs soit seul ou recouvert d’un top coat pour neutraliser l’interface supérieure.In such a half-system, it is not enough for the (co-)polymer underlayer to prevent, reduce or slow down the phenomenon of dewetting of the block copolymer at the surface of the underlayer, but it is also necessary that it is neutral with respect to the block copolymer. The underlayer must be neutral with respect to the block copolymer, i.e. it must have a suitable surface energy to allow the block copolymer to generate nano-domains oriented perpendicular to the surface. interface at the time of its nano-structuring at the assembly temperature, whether the block copolymer is alone or covered with a top coat to neutralize the upper interface.
Le substrat est de préférence solide et de nature quelconque (oxyde, métal, semi-conducteur, polymère…) selon les applications auxquelles il est destiné. De manière préférée, mais non exhaustive, le matériau constitutif du substrat peut être choisi parmi : le silicium Si, un oxyde de silicium SixOy, le nitrure de silicium Si3N4, un oxyde d’aluminium AlxOy, un nitroxyde de titane TixOyNz, un oxyde d’hafnium HfxOy, des métaux, ou encore un matériau polymère tel que du polydiméthylsiloxane PDMS, du polyimide, du polycarbonate par exemple. Le matériau constitutif du substrat peut en outre être recouvert d’un empilement de couches organiques de type SOC (acronyme anglais pour « Spin-On-Carbon ») ou BARC (acronyme anglais de « bottom anti-reflectant coating ») et SiARC (acronyme anglais de « Silicon Anti-Refelctive Coating ») ou SOG (acronyme anglais de « Spin-on-Glass »), afin de permettre des étapes successives de gravure et transférer dans toute l’épaisseur du substrat sous-jacent, le motif généré dans le film de copolymère à blocs après retrait d’au moins un de ses nano-domaines.The substrate is preferably solid and of any nature (oxide, metal, semiconductor, polymer, etc.) depending on the applications for which it is intended. Preferably, but not exhaustively, the constituent material of the substrate can be chosen from: silicon Si, a silicon oxide Si x O y , silicon nitride Si 3 N 4 , an aluminum oxide Al x O y , a titanium nitroxide Ti x O y N z , a hafnium oxide Hf x O y , metals, or even a polymeric material such as polydimethylsiloxane PDMS, polyimide, polycarbonate for example. The constituent material of the substrate can also be covered with a stack of organic layers of the SOC type (English acronym for "Spin-On-Carbon") or BARC (English acronym for "bottom anti-reflectant coating") and SiARC (acronym English for "Silicon Anti-Refelctive Coating") or SOG (English acronym for "Spin-on-Glass"), in order to allow successive etching steps and transfer throughout the thickness of the underlying substrate, the pattern generated in the block copolymer film after removal of at least one of its nano-domains.
Pour permettre le guidage des nano-domaines du copolymère à blocs au moment de sa nano-structuration, le substrat comporte, ou non, des motifs, lesdits motifs étant pré-dessinés par une étape ou un enchainement d’étapes de lithographie de nature quelconque et étant destinés à guider l’organisation du copolymère à blocs BCP par la technique dite de chemo-épitaxie ou de graphoépitaxie, ou encore une combinaison de ces deux techniques, pour obtenir une surface neutralisée ou pseudo-neutralisée.To allow the guidance of the nano-domains of the block copolymer at the time of its nano-structuring, the substrate may or may not include patterns, said patterns being pre-drawn by a step or a sequence of lithography steps of any kind. and being intended to guide the organization of the BCP block copolymer by the so-called chemo-epitaxy or grapho-epitaxy technique, or even a combination of these two techniques, to obtain a neutralized or pseudo-neutralized surface.
Une sous-couche de (co-)polymère, neutre vis-à-vis du copolymère à blocs est ensuite déposée à la surface du substrat. De manière avantageuse, la demanderesse a découvert que l’utilisation de sous-couches favorisant une multiplication d’interactions faibles, de type Van der Waals, avec le copolymère à blocs, permet de répondre très efficacement à la fois sur le plan de la neutralité de ladite sous-couche par rapport au copolymère à blocs, et également sur le plan de la limitation du démouillage.A sub-layer of (co-)polymer, neutral with respect to the block copolymer, is then deposited on the surface of the substrate. Advantageously, the applicant has discovered that the use of sub-layers favoring a multiplication of weak interactions, of the Van der Waals type, with the block copolymer, makes it possible to respond very effectively both in terms of neutrality of said sub-layer with respect to the block copolymer, and also in terms of limiting dewetting.
Ainsi, une sous-couche présentant une structure chimique aliphatique, ramifiée ou non, dont la chaine carbonée comprend un nombre N d’atomes de carbone tel que N ≥ 6 et N < 12, permet d’une part, d’obtenir une sous-couche neutre vis-à-vis du copolymère à blocs et une orientation des nano-domaines du copolymère à blocs perpendiculaire à l’interface et d’autre part, de limiter efficacement le démouillage du copolymère à blocs de la surface de cette sous-couche du fait de l’établissement de ces interactions faibles, de type Van der Walls, et peu sélectives pour chacun des blocs.Thus, a sub-layer having an aliphatic chemical structure, branched or not, whose carbon chain comprises a number N of carbon atoms such that N ≥ 6 and N < 12, makes it possible, on the one hand, to obtain a sub -neutral layer vis-à-vis the block copolymer and an orientation of the nano-domains of the block copolymer perpendicular to the interface and on the other hand, to effectively limit the dewetting of the block copolymer from the surface of this sub- layer due to the establishment of these weak interactions, of the Van der Walls type, and not very selective for each of the blocks.
Concernant la synthèse de cette sous-couche de (co-)polymère, neutre vis-à-vis du copolymère à blocs, elle peut être synthétisée par toute technique de polymérisation appropriée, telle que par exemple la polymérisation anionique, la polymérisation cationique, la polymérisation radicalaire contrôlée ou non, la polymérisation par ouverture de cycle.Regarding the synthesis of this (co-)polymer sub-layer, neutral with respect to the block copolymer, it can be synthesized by any appropriate polymerization technique, such as for example anionic polymerization, cationic polymerization, controlled or uncontrolled radical polymerization, ring-opening polymerization.
Lorsque le procédé de polymérisation est conduit par une voie radicalaire contrôlée, toute technique de polymérisation radicalaire contrôlée pourra être utilisée, que ce soit la NMP (“Nitroxide Mediated Polymerization”), RAFT (“Reversible Addition and Fragmentation Transfer”), ATRP (“Atom Transfer Radical Polymerization”), INIFERTER (“Initiator-Transfer-Termination”), RITP (“ Reverse Iodine Transfer Polymerization”), ITP (“Iodine Transfer Polymerization). De préférence, le procédé de polymérisation par une voie radicalaire contrôlée sera effectué par la NMP.When the polymerization process is carried out by a controlled radical route, any controlled radical polymerization technique may be used, whether NMP (“Nitroxide Mediated Polymerization”), RAFT (“Reversible Addition and Fragmentation Transfer”), ATRP (“ Atom Transfer Radical Polymerization”), INIFERTER (“Initiator-Transfer-Termination”), RITP (“Reverse Iodine Transfer Polymerization”), ITP (“Iodine Transfer Polymerization). Preferably, the polymerization process by a controlled radical route will be carried out by NMP.
Plus particulièrement les nitroxides issus des alcoxyamines dérivées du radical libre stable (1) sont préférées.More particularly the nitroxides derived from alkoxyamines derived from the stable free radical (1) are preferred.
dans laquelle le radical RL présente une masse molaire supérieure à 15,0342 g/mole. Le radical RL peut être un atome d'halogène tel que le chlore, le brome ou l'iode, un groupement hydrocarboné linéaire, ramifié ou cyclique, saturé ou insaturé tel qu'un radical alkyle ou phényle, ou un groupement ester -COOR ou un groupement alcoxyle -OR, ou un groupement phosphonate -PO(OR)2, dès lors qu'il présente une masse molaire supérieure à 15,0342. Le radical RL, monovalent, est dit en position β par rapport à l'atome d'azote du radical nitroxyde. Les valences restantes de l'atome de carbone et de l'atome d'azote dans la formule (1) peuvent être liées à des radicaux divers tels qu'un atome d'hydrogène, un radical hydrocarboné comme un radical alkyle, aryle ou aryle-alkyle, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone. Il n'est pas exclu que l'atome de carbone et l'atome d'azote dans la formule (1) soient reliés entre eux par l'intermédiaire d'un radical bivalent, de façon à former un cycle. De préférence cependant, les valences restantes de l'atome de carbone et de l'atome d'azote de la formule (1) sont liées à des radicaux monovalents. De préférence, le radical RL présente une masse molaire supérieure à 30 g/mole. Le radical RL peut par exemple avoir une masse molaire comprise entre 40 et 450 g/mole. A titre d'exemple, le radical RL peut être un radical comprenant un groupement phosphoryle, ledit radical RL pouvant être représenté par la formule :in which the RL radical has a molar mass greater than 15.0342 g/mole. The RL radical can be a halogen atom such as chlorine, bromine or iodine, a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated hydrocarbon group such as an alkyl or phenyl radical, or an ester group -COOR or an alkoxyl group -OR, or a phosphonate group -PO(OR)2, provided that it has a molar mass greater than 15.0342. The monovalent RL radical is said to be in the β position with respect to the nitrogen atom of the nitroxide radical. The remaining valences of carbon atom and nitrogen atom in formula (1) can be bonded to various radicals such as hydrogen atom, hydrocarbon radical such as alkyl, aryl or aryl radical -alkyl, comprising from 1 to 10 carbon atoms. It is not excluded that the carbon atom and the nitrogen atom in the formula (1) are linked together via a bivalent radical, so as to form a ring. Preferably, however, the remaining valences of the carbon atom and the nitrogen atom of formula (1) are bonded to monovalent radicals. Preferably, the RL radical has a molar mass greater than 30 g/mole. The radical RL can for example have a molar mass of between 40 and 450 g/mole. By way of example, the radical RL may be a radical comprising a phosphoryl group, said radical RL possibly being represented by the formula:
dans laquelle R3 et R4, pouvant être identiques ou différents, peuvent être choisis parmi les radicaux alkyle, cycloalkyle, alkoxyle, aryloxyle, aryle, aralkyloxyle, perfluoroalkyle, aralkyle, et peuvent comprendre de 1 à 20 atomes de carbone. R3 et/ou R4 peuvent également être un atome d'halogène comme un atome de chlore ou de brome ou de fluor ou d'iode. Le radical RL peut également comprendre au moins un cycle aromatique comme pour le radical phényle ou le radical naphtyle, ce dernier pouvant être substitué, par exemple par un radical alkyle comprenant de 1 à 4 atomes de carbone.in which R3 and R4, which may be identical or different, may be chosen from alkyl, cycloalkyl, alkoxyl, aryloxyl, aryl, aralkyloxy, perfluoroalkyl, aralkyl radicals, and may comprise from 1 to 20 carbon atoms. R3 and/or R4 can also be a halogen atom such as a chlorine or bromine or fluorine or iodine atom. The RL radical can also comprise at least one aromatic ring as for the phenyl radical or the naphthyl radical, the latter possibly being substituted, for example by an alkyl radical comprising from 1 to 4 carbon atoms.
Plus particulièrement les alcoxyamines dérivées des radicaux stables suivants sont préférées :More particularly alkoxyamines derived from the following stable radicals are preferred:
- N-tertiobutyl-1-phényl-2 méthyl propyl nitroxyde,- N-tertiobutyl-1-phenyl-2 methyl propyl nitroxide,
- N-tertiobutyl-1-(2-naphtyl)-2-méthyl propyl nitroxyde,- N-tertiobutyl-1-(2-naphthyl)-2-methyl propyl nitroxide,
- N-tertiobutyl-1-diéthylphosphono-2,2-diméthyl propyl nitroxyde,- N-tertiobutyl-1-diethylphosphono-2,2-dimethyl propyl nitroxide,
- N-tertiobutyl-1-dibenzylphosphono-2,2-diméthyl propyl nitroxyde,- N-tertiobutyl-1-dibenzylphosphono-2,2-dimethyl propyl nitroxide,
- N-phényl-1-diéthyl phosphono-2,2-diméthyl propyl nitroxyde,- N-phenyl-1-diethyl phosphono-2,2-dimethyl propyl nitroxide,
- N-phényl-1-diéthyl phosphono-1-méthyl éthyl nitroxyde,- N-phenyl-1-diethyl phosphono-1-methyl ethyl nitroxide,
- N-(1-phényl 2-méthyl propyl)-1-diéthylphosphono-1-méthyl éthyl nitroxyde,- N-(1-phenyl 2-methyl propyl)-1-diethylphosphono-1-methyl ethyl nitroxide,
- 4-oxo-2,2,6,6-tétraméthyl-1-piperidinyloxy,- 4-oxo-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy,
- 2,4,6-tri-tert-butylphenoxy.- 2,4,6-tri-tert-butylphenoxy.
De façon préférée, les alcoxyamines dérivées du N-tertiobutyl-1-diéthylphosphono-2,2-diméthyl-propyl nitroxyde seront utilisées.Preferably, the alkoxyamines derived from N-tert-butyl-1-diethylphosphono-2,2-dimethyl-propyl nitroxide will be used.
Lorsque le procédé de polymérisation est conduit par une voie anionique, on pourra considérer tout mécanisme de polymérisation anionique, que ce soit la polymérisation anionique ligandée ou encore la polymérisation anionique par ouverture de cycle. De préférence, dans le cadre d’une telle polymérisation anionique, on utilisera un procédé de polymérisation anionique dans un solvant apolaire, et de préférence le toluène, tel que décrit dans le brevet EP0749987, et mettant en jeu un micro-mélangeur.When the polymerization process is carried out by an anionic pathway, any anionic polymerization mechanism may be considered, whether it be liganded anionic polymerization or else anionic polymerization by ring opening. Preferably, in the context of such an anionic polymerization, an anionic polymerization process will be used in an apolar solvent, and preferably toluene, as described in patent EP0749987, and involving a micro-mixer.
Les (co-)monomères constitutifs de la sous-couche de (co-)polymère, synthétisée par l’une quelconque des voies de polymérisation précitées, sont par exemple choisis parmi les monomères acryliques tels que l'acide acrylique ou ses sels, les acrylates d'alkyle, de cycloalkyle ou d’aryle tels que l'acrylate de méthyle, d'éthyle, de butyle, de tertiobutyle, de 2éthyl-hexyle, d’hexyle, de 1-methyl-heptyle, ou de phényle, les acrylates d’hydroxyalkyle tels que l’acrylate de 2-hydroxyéthyle, les acrylates d’étheralkyle tels que l’acrylate de 2-méthoxyéthyle, les acrylates d’alcoxy- ou aryloxy-polyalkylèneglycol tels que les acrylates de méthoxypolyéthylèneglycol, les acrylates d’éthoxypolyéthylèneglycol, les acrylates de méthoxypolypropylèneglycol, les acrylates de méthoxy-polyéthylèneglycol-polypropylèneglycol ou leurs mélanges, les acrylates d’aminoalkyle tels que l’acrylate de 2-(diméthylamino)éthyle (ADAME), les acrylates fluorés, les acrylates silylés, les acrylates phosphorés tels que les acrylates de phosphate d’alkylèneglycol, les acrylates de glycidyle, de dicyclopentenyloxyethyle, les monomères méthacryliques comme l'acide méthacrylique ou ses sels, les méthacrylates d'alkyle, de cycloalkyle, d’alcényle ou d’aryle tels que le méthacrylate de méthyle (MAM), de lauryle, de cyclohexyle, d’allyle, de phényle ou de naphtyle, les méthacrylates d’hydroxyalkyle tels que le méthacrylate de 2-hydroxyéthyle ou le méthacrylate de 2-hydroxypropyle, les méthacrylates d’étheralkyle tels que le méthacrylate de 2-éthoxyéthyle, les méthacrylates d’alcoxy- ou aryloxy-polyalkylèneglycol tels que les méthacrylates de méthoxypolyéthylèneglycol, les méthacrylates d’éthoxypolyéthylèneglycol, les méthacrylates de méthoxypolypropylèneglycol, les méthacrylates de méthoxy-polyéthylèneglycol-polypropylèneglycol ou leurs mélanges, les méthacrylates d’aminoalkyle tels que le méthacrylate de 2-(diméthylamino)éthyle (MADAME), les méthacrylates fluorés tels que le méthacrylate de 2,2,2-trifluoroéthyle, les méthacrylates silylés tels que le 3-méthacryloylpropyltriméthylsilane, les méthacrylates phosphorés tels que les méthacrylates de phosphate d’alkylèneglycol, le méthacrylate d’hydroxy-éthylimidazolidone, le méthacrylate d’hydroxy-éthylimidazolidinone, le méthacrylate de 2-(2-oxo-1-imidazolidinyl)éthyle, les méthacrylates de glycidyle, ou de dicyclopentenyloxyethyle, au moins un composé constitutif de ladite sous-couche comprenant un nombre d’atomes de carbone supérieur ou égal à 6 et inférieur à 12.The (co-)monomers constituting the (co-)polymer sub-layer, synthesized by any of the aforementioned polymerization routes, are for example chosen from acrylic monomers such as acrylic acid or its salts, alkyl, cycloalkyl or aryl acrylates such as methyl, ethyl, butyl, tert-butyl, 2-ethyl-hexyl, hexyl, 1-methyl-heptyl or phenyl acrylate, hydroxyalkyl acrylates such as 2-hydroxyethyl acrylate, alkyl ether acrylates such as 2-methoxyethyl acrylate, alkoxy- or aryloxy-polyalkylene glycol acrylates such as methoxypolyethylene glycol acrylates, ethoxypolyethylene glycol, methoxypolypropylene glycol acrylates, methoxy-polyethylene glycol-polypropylene glycol acrylates or mixtures thereof, aminoalkyl acrylates such as 2-(dimethylamino)ethyl acrylate (ADAME), fluorinated acrylates, silylated acrylates, phosphorus compounds such as alkylene glycol phosphate acrylates, glycidyl or dicyclopentenyloxyethyl acrylates, methacrylic monomers such as methacrylic acid or its salts, alkyl, cycloalkyl, alkenyl or aryl methacrylates such as methyl (MAM), lauryl, cyclohexyl, allyl, phenyl or naphthyl methacrylate, hydroxyalkyl methacrylates such as 2-hydroxyethyl methacrylate or 2-hydroxypropyl methacrylate, etheralkyl methacrylates such as 2-ethoxyethyl methacrylate, alkoxy- or aryloxy-polyalkylene glycol methacrylates such as methoxypolyethylene glycol methacrylates, ethoxypolyethylene glycol methacrylates, methoxypolypropylene glycol methacrylates, methoxy-polyethylene glycol-polypropylene glycol methacrylates or mixtures thereof, methacrylates aminoalkyl such as 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (MADAME), fluorinated methacrylates such as 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, silylated methacrylates such as 3-methacryloylpropyltrimethylsilane, phosphorus methacrylates such as alkylene glycol phosphate methacrylates, hydroxy-ethylimidazolidone methacrylate, hydroxy-ethylimidazolidinone methacrylate, 2-(2-oxo-1-imidazolidinyl)ethyl methacrylate, glycidyl methacrylate, or dicyclopentenyloxyethyl methacrylate, at least a constituent compound of said sub-layer comprising a number of carbon atoms greater than or equal to 6 and less than 12.
Le polymère constitutif de la sous-couche, d’architecture (méth)acrylate, comprenant un nombre N d’atomes de carbone supérieur ou égal à 6 et inférieur à 12, est déposé sur la surface du substrat selon des techniques connues de l’homme du métier, comme par exemple la technique dite « spin coating », « docteur Blade » « knife system », « slot die system » par exemple. La couche ainsi déposée peut présenter une épaisseur élevée, par exemple de l’ordre de 60nm.The constituent polymer of the underlayer, of (meth)acrylate architecture, comprising a number N of carbon atoms greater than or equal to 6 and less than 12, is deposited on the surface of the substrate according to techniques known from the skilled in the art, such as the technique known as "spin coating", "Doctor Blade", "knife system", "slot die system" for example. The layer thus deposited may have a high thickness, for example of the order of 60 nm.
De préférence, la sous-couche est obtenue sur une architecture acrylate ou méthacrylate, greffable sur la surface du substrat via un groupement hydroxy en bout de chaine et/ou une fonction nitroxy provenant d’une alkoxyamine utilisée pour la réaction de polymérisation, lorsque cette polymérisation est conduite par voie radicalaire contrôlée et plus particulièrement par la voie NMP (“Nitroxide Mediated Polymerization”). La fonction ester de l’acrylate comprend une chaine carbonée aliphatique dans laquelle le nombre N d’atomes de carbone est supérieur ou égal à 6 et inférieur à 12.Preferably, the undercoat is obtained on an acrylate or methacrylate architecture, graftable onto the surface of the substrate via a hydroxy group at the end of the chain and/or a nitroxy function originating from an alkoxyamine used for the polymerization reaction, when this Polymerization is carried out by a controlled radical route and more particularly by the NMP (“Nitroxide Mediated Polymerization”) route. The ester function of the acrylate comprises an aliphatic carbon chain in which the number N of carbon atoms is greater than or equal to 6 and less than 12.
La sous-couche de polymère ainsi déposée, sous forme de film sur la surface du substrat, est ensuite soumise à un traitement en vue de permettre le greffage du polymère sur la surface du substrat. Ce traitement peut se faire de différentes manières selon le polymère et les fonctions chimiques qu’il renferme. Ainsi, le traitement permettant le greffage du polymère constitutif de la sous-couche sur la surface de substrat, pourra être choisi parmi l’un au moins des traitements suivants : un traitement thermique, encore dénommé recuit, un traitement par oxydo-réduction organique ou inorganique, un traitement électrochimique, un traitement photochimique, un traitement par cisaillement ou un traitement par rayons ionisants. De préférence, le greffage est réalisé par traitement thermique à une température inférieure ou égale à 280°C, de préférence inférieure ou égale à 250°C et de manière davantage préférée inférieure ou égale à 200°C, pendant une durée inférieure ou égale à 60 minutes, de préférence inférieure ou égale à 15minutes et de manière davantage préférée inférieure ou égale à 2 minutes. The polymer sub-layer thus deposited, in the form of a film on the surface of the substrate, is then subjected to a treatment with a view to allowing the polymer to be grafted onto the surface of the substrate. This treatment can be done in different ways depending on the polymer and the chemical functions it contains. Thus, the treatment allowing the grafting of the constituent polymer of the underlayer on the surface of the substrate, can be chosen from at least one of the following treatments: a heat treatment, also called annealing, a treatment by organic oxidation-reduction or inorganic, electrochemical treatment, photochemical treatment, shear treatment or ionizing radiation treatment. Preferably, the grafting is carried out by heat treatment at a temperature less than or equal to 280°C, preferably less than or equal to 250°C and more preferably less than or equal to 200°C, for a time less than or equal to 60 minutes, preferably less than or equal to 15 minutes and more preferably less than or equal to 2 minutes .
Un rinçage dans un solvant, tel que l’acétate d’éther monométhylique de propylène glycol (PGMEA) par exemple, permet ensuite d’éliminer les chaines de polymère non greffées excédentaires. Puis le substrat est séché par exemple sous flux d’azote. L’épaisseur résiduelle de la sous-couche est ensuite mesurée, par ellipsométrie par exemple. La sous-couche greffée présente une épaisseur de l’ordre 5nm, c’est-à-dire de l’ordre de l’épaisseur d’une monocouche de molécules.Rinsing in a solvent, such as propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) for example, then makes it possible to eliminate the excess non-grafted polymer chains. Then the substrate is dried, for example under a stream of nitrogen. The residual thickness of the underlayer is then measured, by ellipsometry for example. The grafted sublayer has a thickness of the order of 5 nm, i.e. of the order of the thickness of a monolayer of molecules.
La sous-couche de (co-)polymère ainsi fixée sur la surface du substrat permet de contrôler son énergie de surface vis-à-vis d’un copolymère à blocs ultérieurement déposé, de manière à obtenir une orientation particulière des nano-domaines du copolymère à blocs par rapport à la surface. Plus particulièrement, l’énergie de surface de la sous-couche ainsi déposée est neutre ou pseudo-neutre vis-à-vis de chacun des blocs du copolymère à blocs de sorte que, lors de son auto-organisation à la température d’assemblage, les nano-domaines du copolymère à blocs s’orientent perpendiculairement à l’interface sous-couche / copolymère à blocs.The sub-layer of (co-)polymer thus fixed on the surface of the substrate makes it possible to control its surface energy with respect to a subsequently deposited block copolymer, so as to obtain a particular orientation of the nano-domains of the block copolymer with respect to the surface. More particularly, the surface energy of the sub-layer thus deposited is neutral or pseudo-neutral with respect to each of the blocks of the block copolymer so that, during its self-organization at the assembly temperature , the nano-domains of the block copolymer are oriented perpendicular to the underlayer/block copolymer interface.
Le copolymère à blocs est ensuite déposé par toute technique de dépôt connue de l’homme du métier citée ci-dessus puis soumis à un traitement thermique pour permettre sa nano-structuration en nano-domaines orientés perpendiculairement à la surface.The block copolymer is then deposited by any deposition technique known to those skilled in the art cited above and then subjected to a heat treatment to allow its nano-structuring into nano-domains oriented perpendicular to the surface.
En ce qui concerne ce copolymère à blocs BCP à nano-structurer, il comprend « n » blocs, n étant un nombre entier quelconque supérieur ou égal à 2. Le copolymère à blocs BCP est plus particulièrement défini par la formule générale suivante :With regard to this BCP block copolymer to be nano-structured, it comprises "n" blocks, n being any whole number greater than or equal to 2. The BCP block copolymer is more particularly defined by the following general formula:
où A, B, C, D,…, Z, sont autant de blocs « i »… « j» représentant soit des entités chimiques pures, c’est-à-dire que chaque bloc est un ensemble de monomères de natures chimiques identiques, polymérisés ensemble, soit un ensemble de co-monomères copolymérisés ensemble, sous forme, en tout ou partie, de copolymère à blocs ou statistique ou aléatoire ou à gradient ou alterné.where A, B, C, D,…, Z, are as many “i”… “j” blocks representing either pure chemical entities, i.e. each block is a set of monomers of identical chemical natures , polymerized together, or a set of co-monomers copolymerized together, in the form, in whole or in part, of block or random or random or gradient or alternating copolymer.
Chacun des blocs « i »… « j» du copolymère à blocs BCP à nano-structurer peut donc potentiellement s’écrire sous la forme : i= ai-co-bi-co-…-co-zi, avec i≠…≠j, en tout ou partie.Each of the “i”… “j” blocks of the BCP block copolymer to be nano-structured can therefore potentially be written in the form: i= a i - co -b i - co -…- co -z i , with i ≠…≠j, in whole or in part.
La fraction volumique de chaque entité ai…zipeut aller de 1 à 99%, en unités de monomère, dans chacun des blocs i… j du copolymère à blocs BCP.The volume fraction of each entity a i …z i can range from 1 to 99%, in monomer units, in each of the i…j blocks of the BCP block copolymer.
La fraction volumique de chacun des blocs i…j peut aller de 5 à 95% du copolymère à blocs BCP.The volume fraction of each of the i…j blocks can range from 5 to 95% of the BCP block copolymer.
On définit la fraction volumique comme étant le volume d’une entité par rapport à celui d’un bloc, ou le volume d’un bloc par rapport à celui du copolymère à blocs.The volume fraction is defined as being the volume of an entity compared to that of a block, or the volume of a block compared to that of the block copolymer.
La fraction volumique de chaque entité d’un bloc d’un copolymère, ou de chaque bloc d’un copolymère à blocs, est mesurée de la manière décrite ci-après. Au sein d’un copolymère dans lequel au moins l’une des entités, ou l’un des blocs s’il s’agit d’un copolymère à blocs, comporte plusieurs co-monomères, il est possible de mesurer, par RMN du proton, la fraction molaire de chaque monomère dans l’ensemble du copolymère, puis de remonter à la fraction massique en utilisant la masse molaire de chaque unité monomère. Pour obtenir les fractions massiques de chaque entité d’un bloc, ou chaque bloc d’un copolymère, il suffit alors d’additionner les fractions massiques des co-monomères constitutifs de l’entité ou du bloc. La fraction volumique de chaque entité ou bloc peut ensuite être déterminée à partir de la fraction massique de chaque entité ou bloc et de la densité du polymère formant l’entité ou le bloc. Cependant, il n’est pas toujours possible d’obtenir la densité des polymères dont les monomères sont co-polymérisés. Dans ce cas, on détermine la fraction volumique d’une entité ou d’un bloc à partir de sa fraction massique et de la densité du composé majoritaire en masse de l’entité ou du bloc.The volume fraction of each entity of a block of a copolymer, or of each block of a block copolymer, is measured as described below. Within a copolymer in which at least one of the entities, or one of the blocks if it is a block copolymer, comprises several co-monomers, it is possible to measure, by NMR, the proton, the molar fraction of each monomer in the whole copolymer, and then working up to the mass fraction using the molar mass of each monomer unit. To obtain the mass fractions of each entity of a block, or each block of a copolymer, it suffices to add the mass fractions of the comonomers constituting the entity or the block. The volume fraction of each entity or block can then be determined from the mass fraction of each entity or block and the density of the polymer forming the entity or block. However, it is not always possible to obtain the density of polymers whose monomers are co-polymerized. In this case, the volume fraction of an entity or a block is determined from its mass fraction and the density of the majority compound by mass of the entity or block.
La masse moléculaire du copolymère à blocs BCP peut aller de 1000 à 500000 g.mol-1.The molecular weight of the BCP block copolymer can range from 1000 to 500000 g.mol −1 .
Le copolymère à blocs BCP peut présenter n’importe quel type d’architecture : linéaire, en étoile (tri- ou multi-bras), greffé, dendritique, peigne.The BCP block copolymer can have any type of architecture: linear, star (tri- or multi-arm), grafted, dendritic, comb.
Chacun des blocs i, … j d’un copolymère à blocs, présente une énergie de surface notée γi… γj, qui lui est propre et qui est fonction de ses constituants chimiques, c’est-à-dire de la nature chimique des monomères ou co-monomères qui le composent. De même, chacun des matériaux constitutifs d’un substrat présentent leur propre valeur d’énergie de surface.Each of the blocks i, … j of a block copolymer, has a surface energy denoted γ i … γ j , which is specific to it and which depends on its chemical constituents, i.e. on the chemical nature monomers or co-monomers which compose it. Similarly, each of the constituent materials of a substrate has its own surface energy value.
Chacun des blocs i, … j du copolymère à blocs présente en outre un paramètre d’interaction de type Flory-Huggins, noté : χix, lorsqu’il interagit avec un matériau « x » donné, qui peut être un gaz, un liquide, une surface solide, ou une autre phase de polymère par exemple, et une énergie inter-faciale notée « γix », avec γix= γi-(γxcos θix), où θixest l’angle de contact entre les matériaux i et x. Le paramètre d’interaction entre deux blocs i et j du copolymère à blocs est donc noté χij.Each of the blocks i, … j of the block copolymer also has a Flory-Huggins type interaction parameter, denoted: χix, when interacting with a given material "x", which can be a gas, a liquid, a solid surface, or another polymer phase for example, and an inter-facial energy denoted "γix», with γix= γI-(γxcosθix), where θixis the contact angle between materials i and x. The interaction parameter between two blocks i and j of the block copolymer is therefore denoted χij.
Il existe une relation liant γiet le paramètre de solubilité d’Hildebrand δid’un matériau i donné, tel que décrit dans le document Jia &al.,Journal of Macromolecular Science, B,2011, 50, 1042. De fait, le paramètre d’interaction de Flory Huggins entre deux matériaux donnés i et x est indirectement lié aux énergies de surfaces γi et γx propres aux matériaux, on pourra par conséquent soit parler en termes d’énergies de surface, soit en termes de paramètre d’interaction pour décrire le phénomène physique apparaissant à l’interface des matériaux.There is a relation linking γIand Hildebrand's solubility parameter δIof a given material i, as described in the document Jia & al.,Journal of Macromolecular Science, B,2011, 50, 1042. In fact, the Flory Huggins interaction parameter between two given materials i and x is indirectly related to the surface energies γI and γx specific to the materials, we can therefore either speak in terms of surface energies, or in terms of interaction parameters to describe the physical phenomenon appearing at the interface of the materials.
Lorsqu’on parle d’énergies de surfaces d’un matériau et de celles d’un copolymère à blocs BCP donné, on sous-entend que l’on compare les énergies de surface à une température donnée, et cette température est celle (ou fait au moins partie de la plage de températures) permettant l’auto-organisation du BCP.When we speak of the surface energies of a material and those of a given BCP block copolymer, we imply that we are comparing the surface energies at a given temperature, and this temperature is that (or is at least part of the temperature range) allowing the self-organization of the BCP.
Le film de copolymère à blocs est déposé sur la surface de la sous-couche par une technique classique telle que par exemple par dépôt à la tournette ou « spin coating ».The block copolymer film is deposited on the surface of the underlayer by a conventional technique such as, for example, spin coating.
Le copolymère à blocs est nécessairement déposé dans un état liquide/visqueux, de manière qu’il puisse se nano-structurer à la température d’assemblage, lors d’une étape ultérieure de recuit.The block copolymer is necessarily deposited in a liquid/viscous state, so that it can nano-structure at the assembly temperature, during a subsequent annealing step.
De façon préférentielle, mais non-limitante pour l’invention, le copolymère à blocs utilisé comporte au moins un bloc où un hétéroatome tel que du silicium, du germanium, du titane, du hafnium, du zirconium, de l’aluminium, est présent dans tout ou partie des (co)monomère constitutifs dudit bloc.Preferably, but not limiting for the invention, the block copolymer used comprises at least one block where a heteroatom such as silicon, germanium, titanium, hafnium, zirconium, aluminum, is present. in all or part of the (co)monomer constituting said block.
De façon préférentielle, mais non limitante pour l’invention, le copolymère à bloc utilisé est dit « high-χ » (présente un paramètre de Flory-Huggins élevé), c’est-à-dire qu’il doit avoir un paramètre plus important que celui du système dit « PS-b-PMMA » à la température d’assemblage considérée, tel que défini par Y. Zhao, E. Sivaniah and T. Hashimoto, Macromolecules, 2008, 41 (24), pp 9948–9951 (Détermination du paramètre de Flory-Huggins entre styrène (« S ») et MMA (« M ») : χSM = 0,0282 + (4,46/T)).Preferably, but not limiting for the invention, the block copolymer used is said to be "high-χ" (has a high Flory-Huggins parameter), that is to say it must have a parameter more important than that of the so-called "PS-b-PMMA" system at the considered assembly temperature, as defined by Y. Zhao, E. Sivaniah and T. Hashimoto, Macromolecules, 2008, 41 (24), pp 9948–9951 (Determination of the Flory-Huggins parameter between styrene ("S") and MMA ("M"): χSM = 0.0282 + (4.46/T)).
L’exemple suivant illustre de façon non limitative la portée de l’invention.The following example illustrates the scope of the invention in a non-limiting manner.
Exemple :Example :
Dans cet exemple, un film de copolymère à blocs de type PDMSB-b-PS (poly(diméthylsilacyclobutan)-bloc-polystyrène)), à morphologie lamellaire et de période de l’ordre de 18nm, est déposé sur un substrat sur lequel différentes sous-couches sont greffées, afin de comparer le démouillage du copolymère à blocs en fonction des sous-couches utilisées. Le copolymère à blocs est déposé sur une épaisseur de l’ordre de 30 nm.In this example, a block copolymer film of the PDMSB- b- PS (poly(dimethylsilacyclobutan) -block -polystyrene) type, with a lamellar morphology and a period of the order of 18 nm, is deposited on a substrate on which different sub-layers are grafted, in order to compare the dewetting of the block copolymer according to the sub-layers used. The block copolymer is deposited over a thickness of the order of 30 nm.
De manière avantageuse, les différentes sous-couches comparées présentent une énergie de surface similaire ou équivalente. La mesure de l’énergie de surface de ces sous-couches est réalisée selon la méthode OWRK (de l’acronyme anglais Owens-Wendt-Rabel-Kaelble » (https://www.kruss-scientific.com/services/education-theory/glossary/owens-wendt-rabel-and-kaelble-owrk-method/)ou méthode de la goutte posée statique qui consiste à mesurer l’angle de contact d’une goutte de liquide sur un substrat solide au moyen d’un goniomètre.Advantageously, the different sub-layers compared have a similar or equivalent surface energy. The measurement of the surface energy of these sub-layers is carried out according to the OWRK method (from the English acronym Owens-Wendt-Rabel-Kaelble" (https://www.kruss-scientific.com/services/education- theory/glossary/owens-wendt-rabel-and-kaelble-owrk-method/)or static resting drop method which consists in measuring the contact angle of a drop of liquid on a solid substrate by means of a goniometer.
Les sous-couches d’intérêt sont obtenues sur une architecture acrylate ou méthacrylate, et sont greffables sur le substrat via un groupement hydroxy en bout de chaine et/ou une fonction nitroxy provenant d’une alkoxyamine utilisée pour la réaction de polymérisation, lorsque cette polymérisation est conduite par voie radicalaire contrôlée. La fonction ester du (méth)acrylate comprend une chaine carbonée aliphatique dans laquelle le nombre N d’atomes de carbones est supérieur ou égal à 6 et inférieur à 12.The sub-layers of interest are obtained on an acrylate or methacrylate architecture, and can be grafted onto the substrate via a hydroxy group at the end of the chain and/or a nitroxy function originating from an alkoxyamine used for the polymerization reaction, when this polymerization is carried out by a controlled radical route. The ester function of the (meth)acrylate comprises an aliphatic carbon chain in which the number N of carbon atoms is greater than or equal to 6 and less than 12.
Dans un exemple particulier, la sous-couche étudiée est plus particulièrement un homopolymère de poly(méthacrylate de 2-éthyl-hexyle), notée « PMali » par la suite. Une telle sous-couche présente une énergie de surface de l’ordre de 29mN/m, mesuré sur un instrument Drop Shape Analyser 100 de chez Krüss Scientific (https://www.kruss-scientific.com/products/drop-shape/dsa100/drop-shape-analyzer-dsa100/).In a particular example, the underlayer studied is more particularly a homopolymer of poly(2-ethyl-hexyl methacrylate), denoted "PMali" below. Such a sub-layer has a surface energy of the order of 29 mN/m, measured on a Drop Shape Analyzer 100 instrument from Krüss Scientific (https://www.kruss-scientific.com/products/drop-shape/ dsa100/drop-shape-analyzer-dsa100/).
A titre de comparaison, la sous-couche conforme à l’invention est comparée à une gamme de sous-couches où les interactions de Van der Walls avec le copolymère à blocs qui les recouvre sont limitées et où l’énergie de surface est ajustée via l’introduction de groupements fluorés dans la chaine polymère. Une telle sous-couche se présente par exemple sous la forme de copolymères statistiques de poly(méthacrylate de trifluoroéthyle-co-acrylate de n-butyle) (PMATRIFE-co-ABu), avec une composition massique dans chacun des co-monomères égale à 50/50. Une telle sous-couche de PMATRIFE-co-ABU présente une énergie de surface de l’ordre de 28,5mN/m.By way of comparison, the sub-layer in accordance with the invention is compared with a range of sub-layers where the Van der Walls interactions with the block copolymer which covers them are limited and where the surface energy is adjusted via the introduction of fluorinated groups into the polymer chain. Such an underlayer is, for example, in the form of random copolymers of poly(trifluoroethyl methacrylate-co-n-butyl acrylate) (PMATRIFE- co -ABu), with a mass composition in each of the comonomers equal to 50/50. Such a sub-layer of PMATRIFE- co -ABU has a surface energy of the order of 28.5 mN/m.
Par conséquent, compte tenu de l’erreur expérimentale sur la mesure, les deux sous-couches comparées présentent une énergie de surface équivalente.Consequently, taking into account the experimental error on the measurement, the two compared subshells present an equivalent surface energy.
Pour pouvoir comparer le démouillage du film de copolymère à blocs de PDMSB-b-PS déposé sur un substrat sur lequel les différentes sous-couches sont greffées, on regarde le taux de recouvrement du copolymère à blocs sur la surface de la sous-couche sous-jacente lorsqu’il est recuit à une température donnée dans une plage de températures étudiée, les deux sous-couches présentant une énergie de surface équivalente.In order to be able to compare the dewetting of the block copolymer film of PDMSB- b -PS deposited on a substrate on which the various sub-layers are grafted, the rate of recovery of the block copolymer on the surface of the sub-layer under -jacente when it is annealed at a given temperature in a range of temperatures studied, the two sub-layers having an equivalent surface energy.
Les résultats obtenus sont reportés sur le graphique de la Figure 1 qui comprend deux courbes représentant chacune les propriétés de démouillage du copolymère à blocs de PDMS-b-PS sur les deux sous-couches soumises à comparaison de PMali et PMATRIFE-co-Abu, d’énergies de surface équivalentes.The results obtained are reported on the graph of Figure 1 which includes two curves each representing the dewetting properties of the PDMS- b -PS block copolymer on the two sub-layers subjected to comparison of PMali and PMATRIFE- co -Abu, equivalent surface energies.
Il résulte des courbes de la Figure 1 que la sous-couche de PMali, conforme à l’invention, présente une plage de températures de recuit plus vaste que la sous-couche PMATRIFE-co-Abu. En effet, alors que le copolymère à blocs PDMSB-b-PS déposé sur une sous-couche de PMATRIFE-co-Abu commence à démouiller lorsque la température de recuit, permettant une nano-structuration du copolymère à blocs, atteint les 110°C, le même copolymère à blocs déposé sur une sous-couche de PMali ne commence à démouiller que lorsque la température de recuit, permettant une nano-structuration du copolymère à blocs, atteint les 150°C.It follows from the curves in FIG. 1 that the PMali sub-layer, in accordance with the invention, has a wider range of annealing temperatures than the PMATRIFE- co -Abu sub-layer. Indeed, while the PDMSB- b -PS block copolymer deposited on a PMATRIFE- co -Abu sub-layer begins to dewet when the annealing temperature, allowing nano-structuring of the block copolymer, reaches 110°C , the same block copolymer deposited on a sub-layer of PMali only begins to dewet when the annealing temperature, allowing nano-structuring of the block copolymer, reaches 150°C.
La multiplication d’interactions de type Van der Walls entre la sous-couche et le copolymère à blocs permet donc de stabiliser le système vis-à-vis du démouillage à plus haute température.The multiplication of Van der Walls type interactions between the underlayer and the block copolymer therefore makes it possible to stabilize the system with respect to dewetting at higher temperatures.
A contrario, dans le cas de la sous-couche de PMATRIFE-co-Abu, les interactions faibles de type Van der Walls sont peu présentes du fait que la chaine Abu ne comporte que 4 atomes de carbone et seuls les groupements fluorés introduits dans la chaine MATRIFE du copolymère permettent d’ajuster l’énergie de surface de la sous-couche pour trouver une zone de neutralité. Dans ce cas, un démouillage important est observé lorsque la température d’assemblage du copolymère à blocs dépasse une température de 110°C. A énergie de surface équivalente, le copolymère de PMATRIFE-co-Abu ne présente pas assez d’interactions de type Van der Walls avec le copolymère à blocs pour pouvoir maintenir le copolymère à blocs et que ce-dernier reste plan, sans démouiller de sa surface.Conversely, in the case of the PMATRIFE- co -Abu sub-layer, weak Van der Walls type interactions are not very present due to the fact that the Abu chain contains only 4 carbon atoms and only the fluorinated groups introduced into the MATRIFE chain of the copolymer make it possible to adjust the surface energy of the sub-layer to find a zone of neutrality. In this case, significant dewetting is observed when the assembly temperature of the block copolymer exceeds a temperature of 110°C. At equivalent surface energy, the PMATRIFE- co -Abu copolymer does not exhibit enough Van der Walls type interactions with the block copolymer to be able to maintain the block copolymer and for the latter to remain flat, without dewetting its surface.
Les photos des Figures 2 et 3 représentent respectivement le copolymère à blocs PDMSB-b-PS nanostructuré, vu de dessus, lorsqu’il est déposé sur la sous-couche de PMali conforme à l’invention et sur la sous-couche comparative de PMATRIFE-co-Abu. Ces photos ont été prises par microscopie électronique à balayage, après avoir déposé une couche de matériau de top coat TC, d’énergie de surface appropriée, sur le copolymère à blocs afin de neutraliser son interface supérieure, puis avoir nanostructuré le copolymère à blocs à une température d’assemblage de sorte que ses nano-domaines s’orientent perpendiculairement aux interfaces et enfin, avoir retiré le matériau de top coat. Le copolymère à blocs de PDMSB-b-PS déposé sur la sous-couche de PMali a été nanostructuré à une température d’assemblage de 240°C pendant 5 minutes (Figure 2), tandis que le copolymère à blocs de PDMSB-b-PS déposé que la sous-couche de PMATRIFE-co-Abu a été nanostructuré à une température de 110°C pendant 5 minutes (Figure 3). Ces deux photos mettent en évidence une orientation perpendiculaire des nano-domaines du copolymère à blocs quelle que soit la sous-couche utilisée, démontrant ainsi la neutralité des deux types de sous-couches pour le copolymère à blocs alors qu’elles présentent des propriétés de démouillage différentes.The photos in Figures 2 and 3 represent respectively the nanostructured PDMSB- b -PS block copolymer, seen from above, when it is deposited on the PMali sub-layer in accordance with the invention and on the comparative PMATRIFE sub-layer. -co -Abu. These photos were taken by scanning electron microscopy, after having deposited a layer of TC top coat material, of appropriate surface energy, on the block copolymer in order to neutralize its upper interface, then having nanostructured the block copolymer at an assembly temperature so that its nano-domains orient perpendicular to the interfaces and finally, having removed the top coat material. The PDMSB- b -PS block copolymer deposited on the PMali sublayer was nanostructured at an assembly temperature of 240°C for 5 minutes (Figure 2), while the PDMSB -b -PS block copolymer PS deposited that the PMATRIFE- co -Abu sublayer was nanostructured at a temperature of 110°C for 5 minutes (Figure 3). These two photos highlight a perpendicular orientation of the nano-domains of the block copolymer whatever the underlayer used, thus demonstrating the neutrality of the two types of underlayers for the block copolymer while they have properties of different dewetting.
La sous-couche de PMali permet donc d’éviter, ou tout au moins de retarder, un démouillage du film de copolymère à blocs de PDMSB-b-PS, lequel reste plat tout au long du procédé, de sorte que le copolymère à blocs présente une épaisseur homogène et des nano-domaines dont les dimensions et facteur de forme sont homogènes, si bien qu’il est possible de l’utiliser en tant que masque de nano-lithographie.The sub-layer of PMali therefore makes it possible to avoid, or at least to delay, dewetting of the block copolymer film of PDMSB- b -PS, which remains flat throughout the process, so that the block copolymer has a homogeneous thickness and nano-domains whose dimensions and shape factor are homogeneous, so that it is possible to use it as a nano-lithography mask.
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