基本事項

歴史的に見て、AFMは、試料の相対寸法を測定する手段として優れた信頼性があることを実証してきました。その一方で、表面特徴の正確な絶対寸法を測定する手段としては、さまざまな課題の克服に苦心してきました。現在では、研究/工業用途で検出の対象となる寸法は、ますます微細化が進んでいます。この結果、AFMで試料表面の絶対寸法を正確に、かつ再現性を確保して測定することは、従来にも増して重要になっています。

ナノスケールの測定を実施する場合、測定の精度と信頼性、さらには使用可能なモードやオプションの柔軟性は、分解能と同様に重要です。AFMを購入/アップグレードする際には、さまざまな用途のニーズにかかわらず、AFMの性能は次に挙げる7つの属性による影響を受けます。

XY走査の直線性も、AFMによる画像化の処理結果の精度を左右するという点で、AFMの種類を問わず、重要な特徴であると言えます。チューブスキャナのように、X方向とY方向の走査動作が連動している場合、X方向の拡大が発生すると、スキャナのY軸位置に直接影響します。XY走査直線性は、図5に示すように、2回の直交走査で生成された画像をマッチングすることで測定されます。このマッチングによる不一致の量から、X方向とY方向の走査動作にどの程度の直線性があるのかが明らかになります。

このことから、XY走査の直線性を最大化するようなスキャナ設計を検討する必要があります。優れたAFMスキャナでは、走査レート(図7を参照)、走査サイズ、およびスキャナのオフセット(図8を参照)とは無関係に、XY走査の直線性をランダムな座標(図6を参照)で0.05%未満に維持する必要があります。

チップ寿命は、一貫性と信頼性のある高分解能の画像を取得する上で重要な要素です。チップが試料に触れて先の尖りが減ると、AFMの分解能が制限され、画像の分解能の低下を招きます。試料が軟質な場合、チップが試料の表面に触れると、チップだけでなく試料も損傷し、試料の高さの測定時に精度を劣化させる原因になります。以上の点から、チップの状態を損なわずに保持することが、一貫した高分解能・高精度のデータを実現するポイントになります。

AFMシステムのチップ寿命をテストする方法としては、硬度の高い表面に先鋭な部位が存在するCrNの画像化を推奨します。チップの先の尖りが減ったり、チップ自体が損傷したりすると、試料表面の先鋭な部位の底部に到達できなくなり、画像は不鮮明になります。優れたAFMでは、図9に示すように、CrN試料の画像走査を100回行った後でも、チップの先の尖りは失われず、試料表面の起伏(表面粗さ)は同じ状態を維持しています(図10を参照)。

AFMチップでは、装置内の機械部品の熱膨張や熱収縮に起因して、望ましくない動作が発生する可能性があります。この動作は熱ドリフトと呼ばれ、サイズ1µm未満の試料を正確に画像化する場合には、最小限に抑える必要があります。X方向とY方向のドリフト率は、試料表面上の特性構造の場所をマーキングして、数回走査を行った後で、各ポイントからのずれを測定することで明らかになります。優れたAFMでは、ドリフト率は1.5nm/min/℃よりも小さくなります。

1980年代における考案・開発以降、AFMはナノスケール測定に対応する最も高性能なツールとして進化を続けています。現在では、AFMは広範な物理特性を明らかにする手段として活用されています。各種SPMモードは、AFMユーザーによる物理情報の入手を可能にするものです。個別の試料や用途に応じて、適切なSPMモードを選択します。

AFMは、多種多様な技法に基づく運用・操作に対応しています。また、技法ごとに、さまざまな条件で試料を画像化したり、広範な情報を生成したりすることが可能です。試料環境の相違や、使用する検出スキームに応じて、有用な一連の画像化技法が用意されています。