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(guò)將稱為探針的納米級(jí)鋒利針靠近樣品，可以基于表面相互作用以納米級(jí)分辨率測(cè)量表面形狀。

最常見的應(yīng)用是獲得納米級(jí)高度圖像。您可以獲得光學(xué)或激光顯微鏡無(wú)法看到的形狀和準(zhǔn)確的高度信息。此外，與電子顯微鏡不同，它不依賴于測(cè)量環(huán)境或樣品的電導(dǎo)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(jī)械響應(yīng)（力學(xué)-距離曲線）。

AFM（原子力顯微鏡）的應(yīng)用

AFM主要用于工業(yè)領(lǐng)域的檢測(cè)目的，因?yàn)樗梢越沂緩募{米級(jí)（1nm=10-9m）到埃（0.1nm）級(jí)的表面不規(guī)則性。

例如，用于測(cè)量半導(dǎo)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(yīng)和結(jié)構(gòu)變化。

1. 聯(lián)系 

一種在施加反饋的同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量模式。

2.非接觸模式/動(dòng)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(dòng)。在這種狀態(tài)下，當(dāng)懸臂 接近樣品時(shí)，振幅會(huì)發(fā)生變化。該模式利用這種現(xiàn)象進(jìn)行運(yùn)算，使得振幅恒定，獲得樣品高度方向的位移。

AFM 通過(guò)利用作用在懸臂梁和樣品表面上的原子力檢測(cè)懸臂梁的位移來(lái)進(jìn)行測(cè)量。 最常見的位移檢測(cè)方法是使用光電二極管檢測(cè)懸臂梁位移。

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

另一種方法是使用壓電元件使懸臂上下振動(dòng)并監(jiān)測(cè)此時(shí)的振幅、相位和頻率。通過(guò)掃描懸臂進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)應(yīng)用反饋以保持這些值恒定。

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

AFM（原子力顯微鏡）的特點(diǎn)

- 一種能夠獲得高分辨率的精確高度圖像的 SPM
- 無(wú)論樣品的電導(dǎo)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(shí)空間
- 非- 可以通過(guò)控制微小力 (pN - nN) 來(lái)執(zhí)行破壞性測(cè)量
- 可以通過(guò)機(jī)械響應(yīng)來(lái)映射硬度和分子間相互作用

AFM 測(cè)量示例

由于上述特點(diǎn)，AFM具有高分辨率和多功能性，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生命科學(xué)、半導(dǎo)體工程等領(lǐng)域。它還用于工業(yè)領(lǐng)域，用于過(guò)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(duì)它們進(jìn)行全面比較。 

如何選擇 AFM（原子力顯微鏡）

1. 所需分辨率和測(cè)量范圍

所需的分辨率和測(cè)量范圍根據(jù)測(cè)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(jí)，則可以使用廉價(jià)的AFM對(duì)其進(jìn)行充分評(píng)估。然而，為了評(píng)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(jī)器。以生物樣品的液體測(cè)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(xì)胞，還是要觀察100范圍內(nèi)的蛋白質(zhì)等單個(gè)生物分子。 nm 平方面積會(huì)有所不同。

大多數(shù)原子力顯微鏡使用壓電元件（掃描儀）來(lái)控制納米級(jí)的位置。雖然該掃描儀能夠拉伸 pm 量級(jí)，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?yàn)?10 至 100 um，在 Z 方向?yàn)?1 至 20 um。無(wú)法進(jìn)行超出掃描儀 XYZ 范圍的測(cè)量。檢查您要測(cè)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(jì)算分辨率以及設(shè)備內(nèi)部噪聲的總和。計(jì)算分辨率可以通過(guò)制造商設(shè)備規(guī)格中ADC/DAC的位數(shù)來(lái)計(jì)算。然而，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)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(huì)越高。事實(shí)上，由于半導(dǎo)體技術(shù)的最新進(jìn)展，ADC/DAC 變得更快并且具有更高的帶寬，并且它們的計(jì)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(shí)，請(qǐng)使用“噪聲水平"作為參考。

請(qǐng)注意，在尋求高分辨率時(shí)，外部噪聲（建筑物和地板的振動(dòng)、環(huán)境聲音）會(huì)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(jí)移動(dòng)和對(duì)齊。例如，當(dāng)您想要自動(dòng)掃描大型晶圓內(nèi)的固定位置時(shí)。在這種情況下，請(qǐng)檢查是否有電動(dòng)平臺(tái)及其可移動(dòng)范圍。一些 AFM 具有可覆蓋 200mm 或 300mm 晶圓的電動(dòng)平臺(tái)。