原子間力顕微鏡の動作原理と応用

原子間力顕微鏡の動作原理と応用

原子間力顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡の基本原理に基づいて開発された走査型プローブ顕微鏡です。原子間力顕微鏡の出現がナノテクノロジーの発展において原動力となったことは疑いありません。原子間力顕微鏡に代表される走査型プローブ顕微鏡は、小さなプローブを使って試料の表面を走査し、高倍率で観察する顕微鏡です。原子間力顕微鏡スキャンにより、さまざまな種類のサンプルの表面状態情報が得られます。従来の顕微鏡と比較した場合、原子間力顕微鏡の利点は、大気条件下で試料の表面を高倍率で観察できることと、他の顕微鏡を必要とせず、ほとんどすべての試料（表面の平滑性に関する一定の要件はある）に使用できることです。サンプル前処理プロセスにより、サンプル表面の三次元形態画像が得られます。また、スキャンによって得られた 3D 形態画像に対して、粗さの計算、厚さ、ステップ幅、ブロック図、または粒子サイズの分析を実行できます。
原子間力顕微鏡は多くのサンプルを検出し、従来の走査型表面粗さ計や電子顕微鏡では提供できない表面研究、生産管理、またはプロセス開発のためのデータを提供します。

基本原則
原子間力顕微鏡では、試料の表面と細いプローブの先端との間の相互作用力（原子間力）を利用して表面形態を測定します。
プローブの先端は小さなカンチレバー上にあり、プローブがサンプル表面に接触したときに生じる相互作用はカンチレバーのたわみの形で検出されます。サンプル表面とプローブ間の距離は 3-4 nm 未満で、両者の間で検出される力は 10-8 N 未満です。レーザー ダイオードからの光はカンチレバーの背面に集束します。カンチレバーが力の作用により曲がると、反射光が偏向し、位置感応型光検出器を使用して偏向角度が検出されます。次に、収集したデータをコンピュータで処理して、試料表面の三次元画像を取得します。
完成したカンチレバープローブは、圧電スキャナーによって制御されるサンプルの表面上に配置され、0.1 nm 以下の精度で 3 方向にスキャンされます。一般に、試料表面（XY軸）を詳細に走査する場合、カンチレバーの変位フィードバックによって制御されるZ軸は固定され、変化しません。スキャン応答にフィードバックされる Z 軸値はコンピュータに入力されて処理され、サンプル表面の観察画像 (3D 画像) が得られます。

原子間力顕微鏡の特徴
1. 走査型電子顕微鏡（SEM）や光学式粗さ計をはるかに上回る高分解能。サンプル表面の 3 次元データは、研究、生産、品質検査におけるますます微細化する要件を満たします。

2. 非破壊的であるため、プローブとサンプル表面間の相互作用力は 10-8N 未満であり、従来のスタイラス式粗さ計の圧力よりもはるかに低くなります。したがって、サンプルにダメージを与えることはなく、走査型電子顕微鏡では電子ビームによるダメージの問題もありません。さらに、走査型電子顕微鏡では非導電性サンプルのコーティング処理が必要ですが、原子間力顕微鏡ではコーティング処理が必要ありません。

3. 応用範囲が広く、表面観察、寸法測定、表面粗さ測定、粒度分析、凹凸の統計処理、成膜状態評価、保護層の寸法段差測定、平坦度評価などに使用できます。層間絶縁膜、VCDコーティング評価、配向膜の摩擦処理工程評価、欠陥解析など

4. 強力な処理能力を備えたソフトウェアで、サイズ、遠近感、表示色、光沢などを自由に設定できる3D画像表示が可能です。また、ネットワーク表示、等高線表示、ライン表示が選択可能です。画像処理におけるマクロ管理、断面形状や粗さの解析、形態解析などの機能。