原子間力顕微鏡の動作原理とその応用

原子間力顕微鏡の動作原理とその応用

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は、間違いなくナノテクノロジーの発展を牽引してきました。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用してサンプルの表面を走査し、高倍率の観察を提供する一連の顕微鏡の総称です。AFMスキャンは、さまざまな種類のサンプルの表面状態に関する情報を提供します。従来の顕微鏡と比較して、AFMの利点は、大気条件下でサンプルの表面を高倍率で観察できること、およびサンプル表面の3次元地形画像を取得するために他のサンプル準備を必要とせずに、ほとんどすべてのサンプル（表面仕上げに一定の要件がある）に使用できることです。スキャンされた3D画像は、粗さの計算、厚さ、ステップ幅、ボックスプロット、または粒度分析に使用できます。

原子間力顕微鏡は多くのサンプルを検査することができ、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や生産管理、プロセス開発のためのデータを提供します。

基本的な原則
原子間力顕微鏡は、試験サンプル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）を利用して表面形状を測定します。

プローブの先端は小さな制動放射線カンチレバー上にあり、プローブがサンプル表面に触れると、その結果生じる相互作用が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の間の距離は 3-4 nm 未満で、そ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焦点が合わせられます。カンチレバーが力を受けて曲がると、反射光はビット感度の光検出器のたわみ角を使用して偏向します。収集されたデータはコンピューターで処理され、サンプル表面の 3 次元画像が得られます。

圧電スキャナの制御下でサンプル表面に配置された完全なカンチレバープローブは、0.1nm以下の精度レベルで3方向にスキャンされます。通常、カンチレバーの変位は、サンプル表面が詳細にスイープされる（XY軸）間、フィードバック制御のZ軸の作用下で固定されます。スキャンに応じて、フィードバックZ軸値がコンピュータ処理に入力され、サンプル表面画像（3D画像）が観察されます。

原子間力顕微鏡の特徴
1. 高解像度の能力は、走査型電子顕微鏡 (SEM) や光学粗さ測定器をはるかに上回ります。サンプル表面の 3 次元データは、ますます微細化する研究、生産、品質検査の要件を満たします。

2. 非破壊、プローブとサンプル表面の相互作用力は10-8N以下で、従来のスタイラス粗さ計の圧力よりもはるかに小さいため、サンプルに損傷がなく、走査型電子顕微鏡の電子ビームによる損傷もありません。また、走査型電子顕微鏡では非導電性サンプルをコーティングする必要がありますが、原子間力顕微鏡では必要ありません。

3. 応用範囲が広く、表面観察、サイズ測定、表面粗さ測定、粒度分析、突起やピットの統計処理、製膜条件の評価、保護層の段差のサイズ測定、層間絶縁膜の平坦性評価、VCDコーティング評価、方向性フィルム工程の摩擦処理の評価、欠陥分析などに使用できます。

4. 強力なソフトウェア処理機能、3次元画像表示のサイズ、視野角、表示色、光沢を自由に設定できます。また、ネットワーク、輪郭、線の表示を選択できます。画像処理のマクロ管理、断面の形状と粗さの分析、形態分析などの機能があります。