J. Phys. France 51, 777-786 (1990)
DOI: 10.1051/jphys:01990005108077700

Interference microscopy on thin diblock copolymer films

G. Coulon¹, D. Ausserre¹ et T.P. Russell<sup>2

1</sup>  Institut Curie, Section de Physique et Chimie , 11 rue Pierre et Marie Curie, 75231 Paris Cedex 05, France
²  IBM Research Division, Almaden Research Center, 650 Harry Road, San Jose, California 95120-6099, U.S.A.

Abstract
At equilibrium thin films of symmetric diblock copolymers exhibit a morphology where the lamellar microdomains are oriented parallel to the external surfaces. Interference microscopy has been used to investigate this orientation which results in a quantization of the film thickness. Solution cast films of the symmetric polystyrene/polymethylmethacrylate P(S-b-MMA) diblock copolymers exhibit a single interference color characteristic of a film of uniform thickness with a free surface that is flat and smooth. Interference microscopy on these films annealed at 170°C for 24 hours and more shows the development of two distinct interference colors. The variations in the colors are discrete rather than continuous indicating step discontinuities in the film thickness with a height equal to one period of the underlying oriented lamellar multilayer. The free surface topology is such there are patches of one color spread across the surface on a uniform background, i.e., there are islands or depressions on the surface. The average size and spatial distribution of these islands or depressions are found to vary with annealing time ; the appearance of the free surface is reminiscent of a two-dimensional phase coarsening process. The time dependent change in the case of depressions is reported herein.

Résumé
A l'équilibre thermodynamique, les films minces de copolymères diblocs, symétriques, se présentent sous la forme d'un empilement lamellaire orienté parallèlement aux surfaces externes. L'observation des couleurs d'interférence par microscopie optique a été utilisée ici pour étudier ce processus d'orientation et la quantification de l'épaisseur du film qui en résulte. L'observation de films non recuits de copolymères diblocs, symétriques polystyrène/polyméthylméthacrylate P(S-b-MMA) révèle la présence d'une seule couleur d'interférence (bleu), ce qui indique que l'épaisseur du film est uniforme et que sa surface libre est plane. Si on recuit ces films à 170°C pendant 24 heures et plus, on constate l'existence de deux couleurs d'interférence (bleu indigo et marron clair). Les variations de couleur sont discrètes et non pas continues ; elles correspondent à des marches d'épaisseur de hauteur égale à la période de l'empilement lamellaire. La surface libre du film se présente comme un fond uniforme bleu indigo constellé de taches marron clair réparties uniformément ; ces taches correspondent à des trous. La taille moyenne et la distribution spatiale de ces trous varient avec le temps de recuit. Le comportement observé semble présenter des analogies avec une transition de phase à deux dimensions.

PACS
6835 - Solid surfaces and solid-solid interfaces: Structure and energetics.
6141 - Polymers, elastomers, and plastics.
6855 - Thin film structure and morphology.
7866Q - Polymers; organic compounds.

Key words
annealing -- colour -- polymer blends -- polymer films -- polymer structure -- surface topography