什么是 AFM（原子力顯微鏡）？

AFM（原子力顯微鏡）是SPM（掃描探針顯微鏡）的一種，是可以觀察納米尺寸樣品形狀的顯微鏡的總稱。通過將稱為探針的納米級鋒利針靠近樣品，可以基于表面相互作用以納米級分辨率測量表面形狀。

最常見的應用是獲得納米級高度圖像。您可以獲得光學或激光顯微鏡無法看到的形狀和準確的高度信息。此外，與電子顯微鏡不同，它不依賴于測量環(huán)境或樣品的電導率。除了成像之外，還可以獲得皮牛頓到納牛頓分辨率的探針和樣品之間的機械響應（力學-距離曲線）。

AFM（原子力顯微鏡）的應用

AFM主要用于工業(yè)領(lǐng)域的檢測目的，因為它可以揭示從納米級（1nm=10-9m）到埃（0.1nm）級的表面不規(guī)則性。

例如，用于測量半導體基板表面處理的均勻性和粗糙度，以及檢查金、銅等金屬制成的電極鍍層的腐蝕和劣化情況。 此外，出于研究目的，它還用于以微創(chuàng)方式觀察蛋白質(zhì)等生物分子的反應和結(jié)構(gòu)變化。

1. 聯(lián)系 

一種在施加反饋的同時操縱樣品表面的模式，以使懸臂和樣品之間作用的排斥力恒定。這是AFM 最標準的測量模式。

2.非接觸模式/動態(tài)模式

名稱因制造商而異，但它使懸臂在共振頻率附近振動。在這種狀態(tài)下，當懸臂 接近樣品時，振幅會發(fā)生變化。該模式利用這種現(xiàn)象進行運算，使得振幅恒定，獲得樣品高度方向的位移。

AFM 通過利用作用在懸臂梁和樣品表面上的原子力檢測懸臂梁的位移來進行測量。 最常見的位移檢測方法是使用光電二極管檢測懸臂梁位移。

用光照射懸臂背面的平面并監(jiān)測反射光。當懸臂被原子力吸引到樣品表面時，檢測到反射光的角度并檢測懸臂的角度。再次修正需要反饋。此時的控制圖案被可視化為表面凹凸形狀。這種檢測方法稱為光學杠桿法。

另一種方法是使用壓電元件使懸臂上下振動并監(jiān)測此時的振幅、相位和頻率。通過掃描懸臂進行測量，同時應用反饋以保持這些值恒定。

另一種方法是通過測量懸臂的彎曲來直接測量所施加的力。它特別用于觀察細胞等生物樣品，但在這種情況下，它用于測量膜蛋白的定位和細胞的機械特性，而不是表面形貌的測量。

AFM（原子力顯微鏡）的特點

- 一種能夠獲得高分辨率的精確高度圖像的 SPM
- 無論樣品的電導率或絕緣性
- 任何環(huán)境（空氣、氣體、真空、液體）
- 高度圖像 其他相互作用可以映射到真實空間
- 非- 可以通過控制微小力 (pN - nN) 來執(zhí)行破壞性測量
- 可以通過機械響應來映射硬度和分子間相互作用

AFM 測量示例

由于上述特點，AFM具有高分辨率和多功能性，被廣泛應用于材料科學、生命科學、半導體工程等領(lǐng)域。它還用于工業(yè)領(lǐng)域，用于過程審查、質(zhì)量控制和缺陷分析等目的。因此，許多制造商開發(fā)了多種AFM，并且很難對它們進行全面比較。 

如何選擇 AFM（原子力顯微鏡）

1. 所需分辨率和測量范圍

所需的分辨率和測量范圍根據(jù)測量目的而有很大差異。以拋光為例，如果拋光后的表面粗糙度（Rq）為幾nm數(shù)量級，則可以使用廉價的AFM對其進行充分評估。然而，為了評估 CMP 拋光造成的樣品中小于 0.1 nm 的粗糙度差異，需要具有更高分辨率和更低噪音的機器。以生物樣品的液體測量為例，選擇AFM取決于您是要觀察XY方向大于幾十微米的細胞，還是要觀察100范圍內(nèi)的蛋白質(zhì)等單個生物分子。 nm 平方面積會有所不同。

大多數(shù)原子力顯微鏡使用壓電元件（掃描儀）來控制納米級的位置。雖然該掃描儀能夠拉伸 pm 量級，但膨脹和收縮的范圍并不大。大多數(shù)市售 AFM 掃描儀的掃描儀尺寸在 XY 方向為 10 至 100 um，在 Z 方向為 1 至 20 um。無法進行超出掃描儀 XYZ 范圍的測量。檢查您要測量的樣本量以及不規(guī)則之處的寬度。有些設(shè)備允許您互換不同范圍的掃描儀。

設(shè)備的分辨率取決于這些掃描儀的數(shù)字控制精度的計算分辨率以及設(shè)備內(nèi)部噪聲的總和。計算分辨率可以通過制造商設(shè)備規(guī)格中ADC/DAC的位數(shù)來計算。然而，這只是一個簡單計算的增量，如果設(shè)備的噪聲水平越高，設(shè)備的分辨率就會越高。事實上，由于半導體技術(shù)的最新進展，ADC/DAC 變得更快并且具有更高的帶寬，并且它們的計算分辨率現(xiàn)在通常低于噪聲水平。特別是，在比較AFM設(shè)備的分辨率時，請使用“噪聲水平"作為參考。

請注意，在尋求高分辨率時，外部噪聲（建筑物和地板的振動、環(huán)境聲音）會在數(shù)據(jù)中顯著出現(xiàn)。 AFM 的隔振架和隔音箱是。
您可能還想執(zhí)行超出壓電掃描儀范圍的毫米級移動和對齊。例如，當您想要自動掃描大型晶圓內(nèi)的固定位置時。在這種情況下，請檢查是否有電動平臺及其可移動范圍。一些 AFM 具有可覆蓋 200mm 或 300mm 晶圓的電動平臺。