AFMによる表面粗さ測定とは？原理や特徴、他顕微鏡との違いを解説
AFMによる表面粗さ測定とは？原理や特徴、他顕微鏡との違いを解説
AFM（原子間力顕微鏡）の測定原理と仕組み
AFM（Atomic Force Microscope）は、鋭利な探針を試料表面に近づけ、探針と試料の間に働く原子間力を検出することで、ナノスケールの凹凸を三次元的に測定する装置です。探針は柔軟なカンチレバーの先端にあり、試料との相互作用力によりカンチレバーが微細にたわみます。このたわみをレーザー光で検出し、フォトダイオードを通じて信号に変換することで、高精度な表面情報を得ます。
AFMが表面粗さ測定に適している理由
- 非破壊でナノメートルレベルの測定が可能
- 非導電性材料や柔らかい材料、液中の試料にも対応可能
- 半導体、有機膜、ナノ粒子など幅広い試料に適用可能
- 高さ情報を定量的に取得可能
AFMと他の顕微鏡（SEM・OM）の比較
| 特性 |
AFM |
SEM |
OM |
| 試料の導電性 |
不要 |
必要 |
不要 |
| 試料前処理 |
不要 |
金属コーティング |
通常不要 |
| 観察環境 |
大気中・液中可能 |
真空下 |
大気中 |
| 表面高さ情報 |
定量的に取得可能 |
定性的のみ |
定性的のみ |
AFMによる表面粗さ測定のメリットと注意点
高い測定精度と再現性
AFMは垂直方向の分解能が0.1nm未満という極めて高い精度で微細構造を測定できます。また、同一試料を繰り返し測定した際にも高い再現性を発揮します。特にタッピングモードを使うことで試料へのダメージを最小限に抑えつつ、精密なデータを取得可能です。
AFM測定可能な試料一覧
- 半導体材料（シリコン基板、GaAsなど）
- 金属表面（Au、Alなど）
- 酸化物薄膜（SiO₂、TiO₂など）
- ポリマー材料（PMMA、PETなど）
- 生体試料（細胞膜、タンパク質層など）
- 微小構造（MEMS、ナノ粒子など）
AFM測定の注意点と課題
- 測定範囲が狭く、広範囲な評価には時間がかかる
- 探針の調整や交換に熟練を要する
- 環境条件（振動、温度変動）の影響を受けやすい
AFM装置を選ぶ際のポイント
測定モードの選択基準
- コンタクトモード：硬い試料に適する
- タッピングモード：柔らかい試料に適する
- 非接触モード：非常に柔らかい試料や敏感な試料に適する
AFM装置の選定ポイント
| 項目 |
確認内容 |
| 分解能 |
垂直・水平方向の精度 |
| 測定範囲 |
試料サイズや測定対象エリア |
| ステージの柔軟性 |
試料サイズ・形状への対応 |
| ソフトウェア |
操作性や解析能力 |
| 環境対応 |
液中や特定環境下での測定可否 |
サポート体制とアプリケーションノートの重要性
装置選定時には、メーカーの技術サポート体制や、測定事例を豊富に掲載したアプリケーションノートの充実度が重要です。特に導入後のトラブル対応や定期的なメンテナンス支援を受けられるかを確認しましょう。
測定用途別
おすすめの原子間力顕微鏡（AFM）3選
原子間力顕微鏡（AFM）を用いれば、半導体製品などのナノ材料を高精度で、かつ壊さずに測定することが可能です。
液中や大気中などさまざまな環境で測定したい場合や、製造過程での故障原因を突き止めたい場合など、使用目的は多岐にわたるでしょう。
ここでは、測定用途別におすすめの原子間力顕微鏡（AFM）を紹介します。
半導体製品の
故障解析を
したいなら
Park NX20
(パークシステムズ)
画像引用元：パークシステムズ公式HP(https://www.parksystems.com/jp/products/research-afm/large-sample-afm)
- 狭い範囲の測定を得意とするAFMと違い、広いエリアを解析できるので少ない回数で故障の原因を突き止めやすい。
- ノンコンタクト™モードではチップが鋭いまま保たれ、必要以上にサンプルと接触しないので、故障部分を破壊せずに原因を特定できる。
Park NX20の特徴と
その他のAFMも見てみる
Park NX20の性能を
公式HPで詳しく見る
化学組成など
内部構造まで解析
したいなら
Innova-IRIS
（ブルカー）
画像引用元：ブルカー公式HP(https://www.bruker.com/ja/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/innova-iris-afm.html)
- ラマン分光システムを搭載したAFM。AFMで表面解析・ラマン分光で内部解析を行える。
- サンプルの化学組成など内部構造の評価が可能。
- サンプルを傷つけず、かつ長時間の測定でも位置がずれないよう維持してくれる設計。
Innova-IRISの特徴と
その他のAFMも見てみる
Innova-IRISの性能を
公式HPで詳しく見る
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AFMで表面粗さを測るなら、まずは装置選びから
自社サンプルに最適な装置を見極めるには？
自社サンプルに最適なAFM装置を選ぶためには、まずサンプルの材質や表面特性、測定の目的（精度重視か高速測定か）、および測定環境（大気中、真空、液中）を明確にする必要があります。具体的には、次のようなポイントを整理しておきましょう。
- サンプルの材質（半導体、金属、有機材料、生体材料など）
- 表面の硬さや柔軟性（柔らかい表面か硬い表面か）
- 測定範囲（ナノメートルレベルかマイクロメートルレベルか）
- 測定環境（液中、大気中、特定温度下）
これらの要件を整理したうえで、装置メーカーに具体的な条件を伝え、対応可能なモデルを絞り込んでいくことが重要です。
各メーカーのデモやサポートを活用しよう
AFM装置は高価で専門的な技術が必要なため、導入前には必ず各メーカーのデモンストレーションや技術サポートを積極的に活用しましょう。実際のサンプルを用いたデモ測定を通じて、
- 操作性や測定精度の実感
- サンプルへの影響や測定時の注意点
- ソフトウェアの解析機能や使いやすさ
を実際に確認できます。また、サポート体制（トレーニングやアフターサポートの内容）を確認することで、装置導入後のトラブル対応や運用方法についても安心できます。
まとめ
AFMは表面粗さ測定において、非破壊でナノスケールの高精度な測定が可能な有力なツールです。しかし、最適な結果を得るためには、目的に合った装置選びが非常に重要です。装置導入前に、自社サンプルの特性や測定条件を明確にし、メーカーのデモやサポートを活用して適切なAFM装置を選定しましょう。適切な準備と確認により、導入後の効率的で正確な測定が可能になります。
