4、原子力显微镜（AFM）在微组件表征与测量中的应用

原子力显微镜（AFM）在微组件表征与测量中的应用

1. 引言

原子力显微镜（AFM）是一种常用于微系统组件表面测量和表征的仪器，在微机电系统（MEMS）设备和磁记录读写头等领域发挥着重要作用。它通过机械微加工探针与样品表面直接物理接触来进行测量，能够生成具有纳米甚至埃级分辨率的表面三维地图，广泛应用于表面形貌映射、特征尺寸测量以及表面粗糙度统计量化等方面。

2. AFM的组件与工作原理

AFM属于扫描探针显微镜（SPM）家族，其关键组件包括探针、扫描器、控制器以及计算机（含软件）。
- 探针 ：通常是一个带有尖锐尖端的微加工悬臂梁，尖端长度小于5 µm，端部半径为2 - 10 nm，位于长100 - 500 µm、厚2 - 10 µm的悬臂梁自由端。当探针与样品表面相互作用时，悬臂梁会发生弯曲，其弯曲程度反映了探针与样品表面之间的力。
- 扫描器 ：一般由压电陶瓷制成的圆柱形管组成，通过施加电压使陶瓷改变几何形状从而实现精确运动和定位。扫描器能够控制探针在样品表面的垂直和横向位置，其定位分辨率决定了AFM的分辨率，可实现亚纳米级的横向分辨率和亚埃级的垂直分辨率。扫描器以光栅扫描的方式在X和Y方向上移动探针或样品。
- 控制器 ：不同型号和制造商的AFM控制器架构和细节有所不同，但通常包含用于测量、传输和转换AFM系统组件之间信号的电子设备，以及大部分的软件。
- 检测、输入信号、设定点和误差信号 ：大多数AFMs使用光学技术检测悬臂梁的偏转。常见的方法是通过激光束从悬臂梁背面反射到位置敏