Park Systems Atomic Force Microscope, AFM/SPM

Modes

Research AFM

XE-Bio

Industrial AFM

標準イメージング

フェーズイメージング

トウルーノンコンタクト、MFM、EFM、SCMなどのAC変調技法では全て、位相データを生成します。XEシリーズのエレクトロニクスは、トウルーノンコンタクトモードと組み合わせることで、トポグラフィッククロストークのない対照的な位相データの取得が可能です。位相分解能: 0.005°

>see Phase Imaging / Phase Detection Microscopy (PDM) mode note

コンタクトモード

AFMの基本的な操作モードでは、イメージングが実行されている間、カンチレバーが表面に接触しています。カンチレバーの偏向はフィードバックされ、トポグラフィーデータとして記録されます。チップ・試料間距離制御: コンタクト

see Basic Contact AFM & Dynamic Force Microscope (DFM) mode note

トｳルーノンコンタクトモード

Z軸スキャナーの高いフィードバック性能を生かしつつ、カンチレバーが数ナノメートルの距離を保ちながら試料表面を観測し、しかも表面を傷つけません。カンチレバーと試料の距離を精密に制御することで、微細構造のイメージングが可能です。

●チップ・試料間距離制御: 3 nm (ティピカル)
●カンチレバー振動数: 1～600 kHz
●カンチレバー振動振幅: 1～2 nm (ティピカル)

>see Technology Behind the XE-series mode note
>see True Non-Contact AFM mode note
>see True Non-Contact AFM for Soft Biological Samples mode note
>see True Non-Contact Mode vs. Tapping Mode mode note
>see Ultimate Resolution of AFM in Air mode note

水平力顕微鏡法(LFM)

試料とのかかわりを持つカンチレバーの偏向は、垂直方向とともに水平方向にも現われます。水平方向の動きは主に側面摩擦によって起こり、水平力顕微鏡画像として記録されます。

>see Lateral Force Microscopy (LFM) mode note

アクティブQ値制御

AFMイメージングの実行中、特に非接触モードやタッピングモードで動作している場合、カンチレバーと試料の相互作用により、カンチレバーの運動エネルギーは減少します。Q値制御はこのようなエネルギー損失を積極的に埋め合わせることで、トポグラフィーデータの質を高めます。アクティブQ値制御回路はまた、カンチレバー振動の任意位相シフトを提供しますが、これによって線質係数が増えたり減ったりします。

●最大Q値向上率: 5
●最大Q値減弱率: 1/10
●位相シフト範囲: -180～180°

熱的方法によるバネ定数の校正

正確な力データを測定するためには、カンチレバーの校正が不可欠です。力はカンチレバーの偏向という形で現れ、カンチレバーのバネ定数を乗じることにより、これが力データに換算されます。バネ定数はサーマルキャリブレーションによって求められますが、パークシステムズでは1.3MHzという高い周波数もカバーするオプションも提供してます。

●バネ定数の自動検出
●自動/手動カンチレバー偏向感度校正
●許容周波数: 1 Hz～1.3 MHz

力測定

Ｆ－ｄ　測定

カンチレバーと試料の相互作用は、カンチレバーの偏向を監視することによって検出できます。カンチレバーを試料に近づけたり遠ざけたりしながら、両者の間に作用する距離と力の関係を知ることができます。試料の力学特性は、Ｆ－ｄ　測定のデータから分析されます。

●ユーザー指定点のバッチ測定
●最大128×128×1024のI-V分光法による測定
●力分解能: < 10 pN

>see F-d Spectroscopy mode note

Force Modulation Microscopy(FMM)

カンチレバーを接触させることによって試料表面をイメージングするかたわら、カンチレバーのAC変調は硬さ様の試料の力学特性を検出します。表面が硬ければ硬いほど、カンチレバー偏向の振幅が大きく示されます。

●調整可能な変調周波数: 1 kHz～600 kHz
●周波数分解能: 0.02 Hz
●振幅検出: < 0.1 nm
●位相分解能: 0.005°

>see Force Modulation Microscopy (FMM) mode note

コンダクティブAFM

AFMは、電気伝導性を含めた試料の局所特性をナノメートルレベルで測定する能力で知られています。試料の局所導電率は、試料表面にカンチレバーを当て、カンチレバーと試料の間にバイアスをかけることによって得られます。両者の間には数pA(ピコアンペア)ほどの低電流が流れており、計測中のノイズはサブピｐＡレベルで抑圧制されなければなりません。パークシステムズは様々な電流検出オプションを提供しており、これらのオプションによってサブｐＡペアからmAまでの電流信号が検出できます。

>see Conductive AFM mode note

ULCA (超低電流コンダクティブAFM)

ULCAは、非常に微小な電流信号も検出できるよう、電流に対する超高感度性を実現しています。外部ノイズを最小化するため、増幅回路は固定増幅率で単純化されています。最小検出可能電流は0.1pAです。

●バイアス範囲(試料): -10 V～10 V
●バイアス範囲(カンチレバー): 接地
●バイアス電圧ノイズ: 20 μV
●最大電流: 100 pA
●電流ノイズ: < 0.1 pA
●カットオフ周波数: 200 Hz
●コンダクティブAFMにはテフロン加工のチップキャリアーが必要

VECA (レンジ可変コンダクティブAFM)

VECAは、様々な導電率範囲が測定できるよう、可変増幅率制御によって広い電流入力範囲を可能にします。許容電流は最小電流ノイズで10mAです。

●バイアス範囲(試料): -10 V～10 V
●バイアス範囲(カンチレバー): 接地
●バイアス電圧ノイズ: 20 μV
●最大電流: 1 pA ～10 mA (増幅率による)
●電流ノイズ: < 0.3 pA (増幅率: 109 V/A)
●カットオフ周波数: 1.2 kHz (増幅率: 109 V/A)
●コンダクティブAFMにはテフロンコートのチップキャリアーが必要

インターナルコンダクティブAFM

XEシリーズのAFMでは、高度なエレクトロニクスを用い、デフォルト設定のまま競合力のある電流検出オプションを提供しています。このようなオプションを使えば、試料側からだけでなくカンチレバーからもバイアスがかけられます。
●バイアス範囲(試料): -10 V～10 V
●バイアス範囲(カンチレバー): -10 V～10 V
●バイアス電圧ノイズ: 20 μV
●最大電流: 10 pA～10 μA (増幅率による)
●電流ノイズ: < 1 pA (増幅率: 109 V/A)
●カットオフ周波数: 3 kHz (増幅率: 109 V/A)
●本測定にはテフロンコートのチップキャリアーが必要

I-V　測定

コンダクティブAFMのオプションを使えば、電流・電圧(I/V)特性データは、カンチレバーを試料表面のある一点に当てることで測定されます。コンダクティブAFMは低ノイズなため、電気特性の微細な変化もIV測定データから観測できます。

●ユーザー指定点のバッチ測定
●最大128×128×1024のI-V分光法による測定
●適用可能なバイアス範囲: -10 V～10 V
●電流分解能: < 0.1 pA (ULCAオプション使用時)

電気力

電気力顕微鏡法(EFM)

強誘電材料などのような試料の電気ドメインはEFMによってイメージングされます。試料電荷との相互作用で生じるカンチレバーの動きの変化は、強誘電性分域として分析されます。

●バイアス範囲(試料): -10 V～10 V
●バイアス範囲(カンチレバー):-10 V～10 V
●バイアス電圧ノイズ: 20 μV
●位相分解能: 0.005°

>see Electrostatic Force Microscopy (EFM) mode note

ダイナミックコンタクトEFM (DC-EFM)

DC-EFMは、EFM測定中にカンチレバーに印加されたバイアスを変調し、バイアスに対するカンチレバーの振幅および位相の変化を検出します。この変調は、バックグラウンドの分子間力から発せられる電気力信号を強調し、高精細度のEFM結果に反映されます。

●バイアス範囲(試料): -10 V～10 V
●バイアス範囲(カンチレバー): -10 V～10 V
●ACバイアス周波数: 0～100 kHz (1Hzの周波数分解能)
●バイアス電圧ノイズ: 20 μV
●表面電位分解能: 0.3 mV
●位相分解能: 0.005°
●2ω信号検出による容量検出、dC/dz

圧電応答モード

カンチレバーが圧電試料と接触している間、トポグラフィーはカンチレバーと試料の間にかけられているDC電圧によって変化します。カンチレバーの偏向を監視することで、試料の圧電特性が測定できます。

●バイアス範囲(試料): -10 V～10 V
●バイアス範囲(カンチレバー): -10 V～10 V
●トポグラフィー分解能: < 0.03 nm
●バイアス電圧ノイズ: 20 μV

電気

走査容量顕微鏡法(SCM)

試料とカンチレバーの間にバイアスをかけることで容量変化を測定すれば、半導体試料のドーピング濃度が観測できます。容量変化は、共振回路の共振周波数における変化を読み取ることで得られます。この際、測定の感度は、共振回路の共振周波数を最適なものに選ぶことにより決まります。パークシステムズのSCMモジュールは共振周波数を変えられるため、最も感度の高い周波数が選べます。

●周波数範囲: 850 MHz～1050 MHz
●周波数分解能: 2 kHz
●容量感度: < 1 aF
●SCM位相分解能: 0.001°

>走査型容量顕微鏡法(SCM)モードの記述参照下さい

走査拡がり抵抗顕微鏡法(SSRM)

SSRMは、確立されている拡がり抵抗測定(SRP)法をマイクロ、ナノスケールで実施するものです。しかし、woプローブ法を使う一般的なSRPとは異なり、SSRMでは導電性AFMチップがDCバイアスをかけながら小さなデバイス領域を走査します。

●バイアス範囲: -10 V～10 V
●キャリアー濃度: 10^15 ~ 10^20 /cm^3
●方位分解能: 10nm

>See Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM) mode note.

走査トンネル顕微鏡法(STM)

STMでは、試料の導電性表面の上に先の尖ったチップをかざし、チップと試料の間に流れるトンネル電流を検出することで、試料のトポグラフィーをサブナノメートルレベルで測定します。原子格子構造をサブナノメートルレベルで観測するには、両者間の電流が正確に検出されなければなりません。XEシリーズAFMの電流測定オプションはこのような必要条件を満たして居るため、サブナノメートルレベルのSTM画像が得られます。

>STMプローブハンドとSTMチップが必要

走査トンネル分光法(STS)

STSオプションを使えば、取得したSTM画像からユーザー指定点の電流・電圧(I/V)測定データが得られます。測定データは試料の局在電子状態を解析するのに使われます。

●ユーザー指定点のバッチ測定
●最大128×128×1024のI-V分光法による測定
●適用可能なバイアス範囲: -10 V～10 V
●電流分解能: < 0.1 pA (ULCAオプション使用時)
●STMプローブハンドとSTMチップが必要です

磁気

磁気力顕微鏡法(MFM)

磁性のある試料は、磁性を持つ金属層で覆われたカンチレバーを使うMFMによって画像化されます。トウルーノンコンタクトモードをベースにしたチップ・試料間の精密な距離制御により、トポグラフィークロストークの無い画像が得られます。オプションである磁界発生器を使えば、試料の磁性状態の変化がMFMで観測できます。

●方位分解能: 20 nm (カンチレバーに使われるチップの大きさによる)
●位相分解能: 0.01°

>see Force Microscopy (MFM) mode note

ナノリソグラフィー

AFMは、カンチレバーを通じて過度の力や電圧のバイアスをかけることで、試料表面を意図的に変えることができます。リソグラフィーは、ベクトル図面やラスター(ビットマップ)画像を取り込むことで操作できます。

●リソグラフィー方法:ベクトル及び(又は)ラスター
●バイアス範囲: -10 V～10 V
●バイアスノイズ: 20 μV
●XEL(ナノリソグラフィーソフトウェア)が必要
●外部高電圧ナノリソグラフィー

>see Nanolithography mode note

ナノインデンテーション

カンチレバーを過度の力で押し込むことで、試料の力学的性質が測定できます。押し込みによって生じた荷重曲線と除荷曲線を分析することにより、硬さと弾性率が得られます。

●ユーザー指定点またはグリッドのバッチ測定
●変位分解能: 0.1 nm
●最大荷重: 10 μN～1mN
●荷重分解能: 1 nN
●最大荷重深さ:12μm(オプションで25μmも可)

>see NanoIndentation mode note

ナノマニピュレーション

カンチレバーは、精密なクローズドループスキャナー制御をベースに、試料表面上の粒子の位置を変えることができます。

>see Nanomanipulation mode note

Thermal

走査サーマル顕微鏡法(SThM)

熱伝導性は導電性と同様、その物質ならではの特性をよく現しています。SThMでは、カンチレバーの熱伝導を測定することで、試料の局所熱伝導率が求められます。カンチレバーの端に取り付けられた微細加工加熱装置がマイクロメートルレベルの熱を発生し、熱の流れが電子的に記録されます。

●動作モード: 定電流モード、定温モード
●熱空間分解能: < 100 nm
●許容電流限界: 1 mA
●動作温度: 160℃まで
●温度分解能: 0.1 ℃
●温度のノイズレベル: 0.05℃
●SThMプローブ(カンチレバー)が必要です
●チップ半径: 100 nm
●加熱装置材料: NiCr & Pd