高分子パターンのサイズが100nm以下になると、下の左図の高分子パターンに見られるように、20～30nmのサイズの高分子集合体に起因した表面凹凸が顕著になってくる。この表面凹凸は、微細加工の点からは、ラインエッジラフネス(LER)として加工寸法精度を低下させる。この表面凹凸は、高分子集合体と称する高分子の凝集単位により構成されている。高分子集合体の凝集挙動は、付着性などの機械的特性にも大きく影響を及ぼす。
上の右図にはAFM探針を用いて、高分子パターンから高分子集合体を分離させた様子を示している。ここで(ａ)は、AFMの探針を用いて、ラインパターンの一部を剥離し倒壊させたAFM像である。(ｂ)にあるように、倒壊したパターンの表面には、約30nmの高分子集合体が凝集している様子が分かる。そして、図中、矢印のように高分子集合体へ探針で荷重を加える。その結果、(ｃ)にあるように、凝集している高分子集合体の一部を剥離し分離させることができている。このように、高分子集合体を分離させることで、パターン全体としての凝集性を解析することが可能である。下の左図は、さらに荷重を掛けることで、AFM探針を用いて分離した2個の高分子集合体を13個の微細な高分子集合体に分離している。よって、当初、2個と見られていた高分子集合体は、多数の小さい高分子集合体の凝集によって形成されていたことになる。このときの高分子集合体の分離に必要な荷重を下の右図にまとめた。高分子集合体の分離に必要な荷重は、3～8nN程度の非常に弱い力である。また、高分子集合体のサイズの縮小に伴い、分離力は減少することがわかる。よって、高分子集合体は有限の凝集力を有しており、凝集粒子のように取り扱うことができる。このように、AFM探針を用いたマニピュレーションにより、高分子パターンの凝集性をナノスケールで解析することが可能となる。
参考文献
