有机-无机复合物与光诱导力显微镜（PiFM）的对比表征研究

嵌段选择性渗透技术通过将金属氧化物等无机物与自组装嵌段共聚物图案结合，可为晶圆级工艺中15纳米以下光刻的图案转移（如等离子刻蚀）提供稳健掩模。虽然电子显微镜能生成渗透前后嵌段共聚物图案的高分辨率、高对比度图像，但无法明确识别观测特征的化学组成。光诱导力显微镜（PiFM）凭借其同步获取样品形貌与化学组成成像的能力，可为嵌段选择性渗透过程提供关键洞察。本应用说明通过PiFM技术研究了氧化铝（AlOₓ）在聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）自组装指纹图案中的顺序渗透合成（SIS）过程。

样品描述

自组装PS-b-PMMA嵌段共聚物（BCP）薄膜暴露于三甲基铝（TMA）蒸气时，由于TMA与PMMA中羰基的选择性反应[图1(b)]，TMA仅渗入PMMA嵌段（而非PS嵌段）。随后通过水蒸气暴露（300秒）将TMA转化为氧化铝[图1(c)]。通过重复TMA/水暴露循环，可在PMMA域内生成更多氧化铝[图1(b)与1(c)]。本工作采用商业原子层沉积设备（Cambridge Nanotech Fiji200型）在静态模式（未使用等离子体）下进行嵌段选择性合成。在90°C下经过3次SIS循环于聚合物薄膜内合成氧化铝后，使用PiFM对样品进行分析。

PiFM测量分析

图2展示了SIS处理前PS与PMMA嵌段的形貌及PiFM化学成像。PiFM光谱中可见PMMA在1727 cm⁻¹处与PS在1454 cm⁻¹、1495 cm⁻¹处的特征峰，这些特征峰被用于分别获取PMMA和PS分子的化学分布图像。如PS-b-PMMA嵌段共聚物的典型特征所示，SIS处理前PS与PMMA嵌段宽度相等。

图3对比展示了SIS处理前后采集的PiFM光谱（处理后红色曲线，处理前蓝色曲线）。处理后光谱在800至1100 cm⁻¹区间出现宽峰，该特征可归属为氧化铝的形成。图3同步呈现了分别通过1495 cm⁻¹（PS）、1733 cm⁻¹（PMMA）和900 cm⁻¹（AlOₓ）波数采集的PiFM化学成像及形貌图。可见PMMA嵌段因AlOₓ渗透发生溶胀现象，且PMMA与AlOₓ的PiFM图像高度关联，证实了AlOₓ在PMMA嵌段的选择性渗透特性。PS化学成像的截面轮廓显示其嵌段宽度约9纳米，较SIS处理前样品的~21纳米显著收缩。同一PS截面轮廓中观测到~5纳米的锐利10%-90%信号跃迁，充分证明了PiFM卓越的空间分辨率。

图4展示了经历相同SIS处理的柱状相PS-b-PMMA嵌段共聚物六方图案。1454 cm⁻¹与1495 cm⁻¹波数（均对应PS分子）的PiFM图像凸显窄化后的PS嵌段，而1733 cm⁻¹（PMMA分子）与1030 cm⁻¹（AlOₓ分子）波数的PiFM图像分别显示PMMA与氧化铝分布，充分证明了SIS处理引发的化学分布高度关联性。