什么是 AFM（原子力显微镜）？

AFM（原子力显微镜）是SPM（扫描探针显微镜）的一种，是可以观察纳米尺寸样品形状的显微镜的总称。通过将称为探针的纳米级锋利针靠近样品，可以基于表面相互作用以纳米级分辨率测量表面形状。

最常见的应用是获得纳米级高度图像。您可以获得光学或激光显微镜无法看到的形状和准确的高度信息。此外，与电子显微镜不同，它不依赖于测量环境或样品的电导率。除了成像之外，还可以获得皮牛顿到纳牛顿分辨率的探针和样品之间的机械响应（力学-距离曲线）。

AFM（原子力显微镜）的应用

AFM主要用于工业领域的检测目的，因为它可以揭示从纳米级（1nm=10-9m）到埃（0.1nm）级的表面不规则性。

例如，用于测量半导体基板表面处理的均匀性和粗糙度，以及检查金、铜等金属制成的电极镀层的腐蚀和劣化情况。 此外，出于研究目的，它还用于以微创方式观察蛋白质等生物分子的反应和结构变化。

1. 联系 

一种在施加反馈的同时操纵样品表面的模式，以使悬臂和样品之间作用的排斥力恒定。这是AFM 最标准的测量模式。

2.非接触模式/动态模式

名称因制造商而异，但它使悬臂在共振频率附近振动。在这种状态下，当悬臂 接近样品时，振幅会发生变化。该模式利用这种现象进行运算，使得振幅恒定，获得样品高度方向的位移。

AFM 通过利用作用在悬臂梁和样品表面上的原子力检测悬臂梁的位移来进行测量。 最常见的位移检测方法是使用光电二极管检测悬臂梁位移。

用光照射悬臂背面的平面并监测反射光。当悬臂被原子力吸引到样品表面时，检测到反射光的角度并检测悬臂的角度。再次修正需要反馈。此时的控制图案被可视化为表面凹凸形状。这种检测方法称为光学杠杆法。

另一种方法是使用压电元件使悬臂上下振动并监测此时的振幅、相位和频率。通过扫描悬臂进行测量，同时应用反馈以保持这些值恒定。

另一种方法是通过测量悬臂的弯曲来直接测量所施加的力。它特别用于观察细胞等生物样品，但在这种情况下，它用于测量膜蛋白的定位和细胞的机械特性，而不是表面形貌的测量。

AFM（原子力显微镜）的特点

- 一种能够获得高分辨率的精确高度图像的 SPM
- 无论样品的电导率或绝缘性
- 任何环境（空气、气体、真空、液体）
- 高度图像 其他相互作用可以映射到真实空间
- 非- 可以通过控制微小力 (pN - nN) 来执行破坏性测量
- 可以通过机械响应来映射硬度和分子间相互作用

AFM 测量示例

由于上述特点，AFM具有高分辨率和多功能性，被广泛应用于材料科学、生命科学、半导体工程等领域。它还用于工业领域，用于过程审查、质量控制和缺陷分析等目的。因此，许多制造商开发了多种AFM，并且很难对它们进行全面比较。 

如何选择 AFM（原子力显微镜）

1. 所需分辨率和测量范围

所需的分辨率和测量范围根据测量目的而有很大差异。以抛光为例，如果抛光后的表面粗糙度（Rq）为几nm数量级，则可以使用廉价的AFM对其进行充分评估。然而，为了评估 CMP 抛光造成的样品中小于 0.1 nm 的粗糙度差异，需要具有更高分辨率和更低噪音的机器。以生物样品的液体测量为例，选择AFM取决于您是要观察XY方向大于几十微米的细胞，还是要观察100范围内的蛋白质等单个生物分子。 nm 平方面积会有所不同。

大多数原子力显微镜使用压电元件（扫描仪）来控制纳米级的位置。虽然该扫描仪能够拉伸 pm 量级，但膨胀和收缩的范围并不大。大多数市售 AFM 扫描仪的扫描仪尺寸在 XY 方向为 10 至 100 um，在 Z 方向为 1 至 20 um。无法进行超出扫描仪 XYZ 范围的测量。检查您要测量的样本量以及不规则之处的宽度。有些设备允许您互换不同范围的扫描仪。

设备的分辨率取决于这些扫描仪的数字控制精度的计算分辨率以及设备内部噪声的总和。计算分辨率可以通过制造商设备规格中ADC/DAC的位数来计算。然而，这只是一个简单计算的增量，如果设备的噪声水平越高，设备的分辨率就会越高。事实上，由于半导体技术的最新进展，ADC/DAC 变得更快并且具有更高的带宽，并且它们的计算分辨率现在通常低于噪声水平。特别是，在比较AFM设备的分辨率时，请使用“噪声水平"作为参考。

请注意，在寻求高分辨率时，外部噪声（建筑物和地板的振动、环境声音）会在数据中显着出现。 AFM 的隔振架和隔音箱是。
您可能还想执行超出压电扫描仪范围的毫米级移动和对齐。例如，当您想要自动扫描大型晶圆内的固定位置时。在这种情况下，请检查是否有电动平台及其可移动范围。一些 AFM 具有可覆盖 200mm 或 300mm 晶圆的电动平台。