文章摘要：
原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）自1986年發明以來，最早即操作於接觸模式（contact mode）——探針持續接觸樣品表面，透過懸臂偏折量測交互作用力。Force Volume 來自於這個操作原理的發展：探針在樣品表面逐點壓入，取得力-距離曲線（force-distance curve），再透過 Oliver-Pharr 等方法換算出硬度（hardness）與楊氏模數（Young’s modulus）等力學參數。
這個方法在近期的應用場景，是半導體製程中的核心材料之一：光阻劑（photoresist）。本文以SU-8光阻劑為例，SU-8在微機電系統（MEMS）與微流體元件中作為結構層與鈍化層被廣泛使用；而要維持長期的可靠度高度仰賴烘烤後的機械完整性。
Force Volume 屬於接觸式的量測方式，能提供最直接、最貼近材料本徵行為的定量數據，然而因為具破壞性的特性，後續研究人員逐步發展Bimodal AFM、PiFM等非破壞性技術進行材料特性的，並且對照Force Volume做為參考基準。
在Force Volume之後，AFM力學量測技術持續演進：
Bimodal AFM（2004年由Rodriguez與Garcia提出）：其原始構想其實是「非接觸式化學組成對比」——同時激發懸臂的前兩個共振頻率，第一頻率用於成像形貌圖，第二頻率則偵測樣品化學組成差異造成的長程作用力變化（敏感度可達10⁻¹¹ N），重點在於全程不與樣品發生機械接觸減少交叉汙染以及樣品破壞。Bimodal AFM後來才被進一步擴展應用到定量奈米力學模數對比。
PiFM（2010年由Wickramasinghe團隊於UC Irvine發明）：利用光致力（photo-induced force）偵測材料極表面的區域，讓探針同時感知化學鍵振動訊號，達成非接觸式、奈米級解析度的化學辨識，將AFM的能力從「摸得出形狀與軟硬」延伸到「分辨得出化學成分」。PiFM訊號主要來自電磁梯度力（gradient force）——探針與樣品之間因光照產生的偶極-偶極交互作用力，其強弱直接反映樣品在該波長下的極化率（polarizability），而化學鍵振動時的偶極矩變化，正是決定這個極化率共振行為的關鍵，因此電磁梯度力能對特定化學鍵的振動共振產生高度敏感的響應，達成非接觸式的化學辨識。
在2025年發表對於SU-8的研究中，直接示範了「高分子交聯程度（官能基反應完成度）如何影響硬度」：
研究團隊將SU-8光阻劑分別進行 pre-bake、post-bake、hard-bake 三個階段的烘烤處理（對應交聯程度由低到高），並以奈米壓痕量測其力學性質，結果相當關鍵：
楊氏模數（elastic modulus）在三個烘烤階段間沒有顯著變化（維持在6.2 GPa左右，統計檢定 p = 0.236），但硬度（hardness）卻出現顯著且巨大的變化：從pre-bake後的0.173 ± 0.012 GPa，大幅提升至post-bake後的0.365 ± 0.011 GPa。
此研究另外用Burgers黏彈性模型分析潛變（creep）行為，發現「瞬時彈性模數」（E1）的變化趨勢其實跟硬度更接近（同樣隨烘烤顯著上升），而「靜態模數」則不隨烘烤改變，說明了「模數」本身依量測方法（靜態 vs. 潛變）不同，可能得到不同結論。
如果說SU-8研究展示的是「力學量測能看見什麼」，那麼下面這篇研究，則展示了「PiFM的原理可以取得力學/形貌圖模式無法取得的分析結果」——將兩個研究合併，能夠彰顯「機械+化學雙模式」的互補價值。
同樣於2025年發表的文獻中，研究團隊使用PiFM（Vista 200）分析EUV光阻劑曝光後、顯影前的「潛影（latent image）」化學組成，首次達成12 nm半節距解析度的化學對比成像，且全程非破壞性。研究中取得三個關鍵發現：
當形貌／力學量測已經無法分辨圖案時，PiFM的化學辨識仍然「看得見」。
力學量測（如Force Volume、SU-8案例）擅長回答「材料現在有多硬、多有彈性」，但當差異只存在於化學組成、還沒反映到形貌或力學性質上時，只有PiFM這種化學辨識技術才能捕捉到。兩者不是互相替代，而是互相補位。
「當形貌圖／力學量測已經無法分辨圖案時，PiFM的化學辨識仍然看得見」——這正是為什麼，在需要於同一個感興趣區域（ROI）上同時取得化學組成與力學性質的複合分析流程中，按照對樣品的破壞程度，一個良好的分析流程會是：
PiFM → Bimodal奈米力學 → Force Volume
PiFM的分析必須先完成是因為樣品經過後續的力學量測之後（尤其是具破壞性的Force Volume），某些化學層級的微小訊號可能已被探針的機械作用力所干擾或抹除。因此先採用「看得見」的技術把化學訊息完整記錄下來，才不會錯過那些形貌與力學都還沒反映出來的細節。
從接觸式力學量測的年代，到Bimodal AFM，再到PiFM——每一種技術都在回答不同層次的問題。而「看得見」與「看不見」之間的落差，正是複合分析存在的意義。
1. Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, C. Atomic Force Microscope. Phys. Rev. Lett. 1986, 56, 930.
2. Tarjányi, T.; Gulyás, G.; Bali, K.; Sámi, M.; Kiss, R.A.; Beiler, B.; Fürjes, P.; Szabó, T. Nanoindentation Analysis of SU-8 Coated Wafers at Different Baking Phases. Polymers 2025, 17(24), 3337. https://doi.org/10.3390/polym17243337
3. Rodríguez, T. R.; García, R. Compositional Mapping of Surfaces in Atomic Force Microscopy by Excitation of the Second Normal Mode of the Microcantilever. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 449. https://doi.org/10.1063/1.1642273
4. Ebeling, D.; Solares, S. D. Bimodal Atomic Force Microscopy Driving the Higher Eigenmode in Frequency-Modulation Mode: Implementation, Advantages, Disadvantages and Comparison to the Open-Loop Case. Beilstein J. Nanotechnol. 2013, 4, 198–207. https://doi.org/10.3762/bjnano.4.20
5. Rajapaksa, I.; Uenal, K.; Wickramasinghe, H. K. Image Force Microscopy of Molecular Resonance: A Microscope Principle. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 073121. https://doi.org/10.1063/1.3480608
6. Sifat, A. A.; Jahng, J.; Potma, E. O. Photo-Induced Force Microscopy (PiFM) – Principles and Implementations. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 4208–4222. https://doi.org/10.1039/D2CS00052K
7. O’Reilly, P.; Yu, B.; Holcomb, W.; Sumitro, A.; Ruiz, R.; La Fontaine, B.; Wang, C.; McQuade, L.; Bhattacharya, M.; Castellanos, S.; Park, S.; Zhang, Q. Hybrid Chemical Characterization of Latent Images in EUV Resist with 12 nm Half-Pitch Features. J. Micro/Nanopattern. Mater. Metrol. 2025, 24(2), 024002. https://doi.org/10.1117/1.JMM.24.2.024002
