スーパーシャープAFMプローブ

原子間力顕微鏡（AFM）は、非常に鋭い構造や微小構造を観察し、ナノスケールの粗さなど表面特性を計測する非常に強力なツールです。 AFMカンチレバーの端に取り付けられた鋭いAFM探針で試料表面をラインスキャンし、高さの変化を検出します。この高さの変化は、AFMカンチレバーのひずみや、その共振周波数と振幅の変化に変換されます。

AFM探針が取り付けられているAFMカンチレバーの背面にはレーザーが照射されており、その反射光をフォトダイオードで受けます。

フォトダイオードでレーザーの位置をフォトダイオードの電圧値として検出します。 AFM探針の高さ（それぞれz位置）が変化すると、フォトダイオードのレーザー位置と電圧値が変化します。この変化分がフィードバックループに渡され、フィードバックループは振幅が元の値になるまでzピエゾの位置を変更します。 zピエゾの高さの変化は、サンプル表面の高さの変化と同じです。

高解像度でイメージングをするには、原子間力顕微鏡の光検出器、フィードバックループ、およびzピエゾを可能な限りの高精度で動作させ、AFM探針とサンプルの相互作用を小さく保って、AFM探針のダメージを回避する必要があります。そうすれば一定の振動振幅を保ちAFM探針とサンプルの相互作用を安定させることができます。サンプルの形状変化に応じてAFM探針をすばやく遠ざけたり近づけたりできるように、フィードバックシステムは高速である必要があります。コンポーネントの1つでも遅延があれば、AFM探針がダメージを受けたり、サンプル表面を適切にトレースできない場合があります。また、フィードバック系の精度が不十分だったり、ノイズレベルが高すぎる場合、小さな高さ変化は検出できません。

横方向の解像度を高めるには、まず、高精度のステージと位置決めシステム（多くの場合、クローズドループシステム）、システム全体の低ノイズ化が必要です。第二に、サンプルを適切に固定する必要があり、多くの場合は、撮像する対象物が基板と安定して設置されている必要があります。また、真空中で走査すると、分解能が大幅に向上する可能性があります。標準的な大気条件下では、AFMカンチレバーは周囲の空気によるダンピング効果があり、さらに、大気中環境下のほぼすべての表面には、非常に薄い水分層があります。この層はAFM測定に大きな影響を及ぼします。これらの要素は、真空中で作業することによって避けることができます。

最後に、可能な限り高い解像度を得るには、適切なAFMプローブを選択する必要があります。通常、AFMプローブの先端曲率半径7〜10 nmのプローブを標準的なAFMプローブと呼び、3nm未満のプローブを高解像度AFMプローブと呼んでいます。ある物体を観察する場合、その半径や長さがAFM探針の半径よりも十分に大きい場合、観察対象物の形状を良好に観察できます。例えば、半径5nmのギャップは半径7nmのAFM探針では適切に画像化できませんが、半径3nmのAFM探針であればこの構造を正しく画像化できます。

高解像度のAFM探針を製造するには、2つのアプローチがあります。最初のアプローチは、シリコンAFM探針の先端をさらに先鋭化することです。複雑な先鋭化プロセス、いわゆるAFMティップシャープニングは、標準のAFMプローブ製造プロセスの最後に適用され、最終的に3nm前後のAFM探針先端曲率半径にすることができます。 2番目の方法は、シリコンAFM探針ピラミッドの頂点に高密度カーボンで新たにAFM探針を成長させることです。まず、カーボンガスをAFMチップを配置した真空中に導入します。電子ビームを照射し局所的に表面を活性化すると、炭素原子が凝集します。この方法により単純な形状を生成できます。例えば優れた硬度特性を持つ細いシリンダーまたはニードルが作成可能です。この方法で、曲率半径1nmまでのカーボンエクストラAFMティップを製造できます。