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AFMによる微小表面粗さ測定Measurement of the Nanoscale Roughness by Atomic Force Microscopy

原子間力顕微鏡(AFM : Atomic Force Microscope)はナノスケールの微小な表面形状を3次元で可視化・数値化できる手法です。

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原理

AFMは、走査型プローブ顕微鏡(SPM : Scanning Probe Microscope)の一種であり、試料と触針の間の原子間力を利用し、ナノレベルの凹凸の情報が得られます。
AFMにはいくつかの測定手法がありますが、測定試料を破壊する懸念が少ないタッピングモードが一般的です。
タッピングモードでは、カンチレバーを振動させながら試料に近づけます。試料を軽く叩く(タッピングする)イメージです。探針が試料表面に接触すると、カンチレバーが振動する振幅に変化が見られます。この変化を光センサで検知し、変化がほとんどゼロとなるようにカンチレバーを上下させます。カンチレバーの位置を記録して、試料表面の形状を3次元画像として構築します。

特徴

ナノスケールの微小な表面形状および粗さ測定可能
軟らかい試料や表面に物質が弱く吸着されている試料を測定可能
※探針が接触する時間は短く、探針と試料の相互作用は上下方向のみ(試料に横方向の力は掛かりません）
非常に帯電しやすい試料は、軟X線による除電で測定可能
試料サイズ : ～210mmφ、厚さ～15mm
平均ラフネス : 0.1nm～

用途

半導体基板の表面処理後の粗さの変化をナノスケールで測定
薄膜生成後の表面の粗さをナノスケールで測定

事例　PEFC(固体高分子型燃料電池)触媒層の測定

PEFC触媒層の表面粗さ

粗さ測定方法の比較

比較項目		AFM	触針式段差計	共焦点顕微鏡	SEM
特徴		ノイズレベル 0.03nm↓	ラインスキャン	測定範囲が広い	画像のみ
測定可能範囲¹⁾	最大視野	80µm ×80µm	200mm ×200mm	1,420µm ×1,140µm	-
	最大高低差	2µm	327µm	15mm	-
	垂直分解能	0.01nm	0.078nm	10nm	-
材料制限	絶縁材料	○	○	○	×³⁾
	透明材料	○	○	×	○
	光沢材料	○	○	×	○
	材料ダメージ	○	△	○	△
	やわからい材料	○	×	○	△
	帯電しやすい試料	○	○	○	×
用途	3次元表示	◎	×	○	×
用途	粗さ測定²⁾	Ra・Rz・Rq ほか	Ra・Rz・Rq ほか	Ra・Rz・Rq ほか	×