多機能プローブ顕微鏡システム AFM100シリーズ
特長
測定用途に合わせて拡張、進化適応するシステムAFM100 シリーズ
AFM100 Pro
先進性を有する技術による性能を突き詰めたハイエンドモデル
AFM100をベース筐体として使用し、高感度化をはかった新開発の光てこ光学系と、光熱励振方式に対応したカンチレバー励振方式により安定した低ノイズ・高分解能測定を実現する次世代機。
AFM100 Plus
AFM基本性能と操作性向上を両立したマルチ対応システム
架台付除振台とズーム機能付き顕微鏡を標準搭載した、大気・液中・加熱などの環境制御にも対応可能にした小型マルチモデル
* AFM100 Pro への拡張可能
AFM100
AFM基本性能に妥協しない卓上仕様のコンパクトシステム
省スペースな卓上除振台を採用した、エントリーモデル
* AFM100 Plus / AFM100 Pro への拡張可能
操作性とスループット
「AFM測定におけるトータルスループットの向上」
多くのAFMユーザが『面倒な操作と、測定者起因のデータばらつき』の悩みや疑問を抱いています。
日立ハイテクでは『プリマウント方式カンチレバー』や『自動パラメータ設定機能』『オートパイロット』の活用によって、測定者起因の影響を軽減するとともに測定のトータルスループットの向上を実現しました。
操作性を支える技術
レバー交換
プリマウント方式による確実なカンチレバーワンタッチ交換（破損を避け操作性向上）
AFM測定においてカンチレバー交換は必須です。従来は、ハンドリングミスによるカンチレバー破損や、カンチレバー固定位置ずれによるレーザーアライメントの手間、Qカーブが上手く検出されない事象が利用者の作業性を妨げていました。プリマウントレバー方式は、これらの問題を解決します。
試料交換
広い間口の採用による安心な試料セット（試料破損を避け操作性向上）
試料交換のたびにヘッドを取り外す手間を避けるため、AFM100 Plus/AFM100の特徴である測定ユニット正面の広い開口を有する「フロントワイド構造」は、光ヘッドを取外さずに試料交換が行えます。
この構造は試料交換時の作業性向上だけでなく、交換時の試料破損を避ける目的も兼ねています。
併せて備えられる「オーバーヘッド機構」は、より大きな試料の出し入れ時にヘッドをスライドさせることで作業性を向上させるだけでなく、オプションの50 mm角嵩上げブロックを装着することによって試料サイズ最大φ50 mm、厚み20 mmと更に大きな試料への拡張性を有しています。
フロントワイド構造
フロントワイド構造の『広い間口構造』により、試料の交換性が向上。
- 広い開口部により光ヘッドを外さず試料交換
- 広い間口により接触などの試料破損を避けての安心試料交換
- 試料交換時における光テコ光学系のレーザ光軸ズレを防ぐ
オーバーヘッド機構
オーバーヘッド機構により、更なる大きな試料が搭載可能。
- 更に広い開口部により大きな試料もスムーズに交換
- オプションの50 mm角嵩上げブロックを装着することで、最大φ50 mm、厚み20 mmと更に大きな試料への拡張対応
測定位置決め
インパクトステージと除振台固定式のズーム機能付き顕微鏡による観察位置合わせ（位置決めの簡易化で操作性向上）
微細な範囲の測定を行うAFMの観察は、繊細で正確な位置決め性能が要求されます。
AFM100シリーズにおいては、従来の手動ステージでの位置合わせ機能とともに電動ステージのような感覚でモニタ画面中でマウスを操作することで位置合わせが行える『インパクトステージ』を装着することが可能です。
また、高倍率が可能なズーム機能付き顕微鏡は、低倍率時の全体像把握と高倍率時の微細な位置決めにその威力を発揮します。
ズーム機能付き顕微鏡は、AFM測定ユニットと顕微鏡が架台付き除振台上で一体構造となっているので、位置合わせ時の振動に起因する顕微鏡視野のブレの影響を受けにくいという特長もあります。
インパクトステージ
インパクトステージにより、簡単な位置合わせ
- モニタ画面中のマウス操作だけで位置合わせが可能
- 電動ステージ感覚で使用できる
- 手動ステージ操作中のような観察画面揺れが発生しない
- 手動ステージ使用時のようなギヤ戻り（マイクロバックラッシュ）の影響がない
- 導電性を有しているため、電気測定にも使用可能
測定支援
オートパイロットによるワンクリック自動測定/解析（トータルスループット向上）
測定から粗さ解析までの一連の動作をワンクリックで実現します。オートパイロット機能により、選択された条件に基づく自動測定～自動粗さ解析がワンクリックで実現可能になります。サンプル毎にレシピファイルを設定しておくことで、様々なサンプルの測定時におけるトータルスループットが向上するとともにスキャナの走査範囲内での連続する自動多点測定にも対応します。また、レシピファイルには自動パラメータ調整機能であるRealTune®IIや先進測定モードであるSISモードを組み込むことも可能です。これらを組み合わせることで、作業性向上と測定者起因による取得データのばらつき回避での信頼性向上効果も発揮します。
オートパイロット機能
測定から解析までをワンクリックで実現
- 広域試料内の自動多点測定対応
- 同種の複数試料を交換しながらの連続測定にも便利
- 表面粗さ数値データのcsv出力も可能
オートパイロット自動測定によるCNF多点レシピ自動測定＆解析事例
多点レシピ自動測定
広域AFM像中の最適な計測箇所を任意に複数設定し自動測定。
マイカ基板上に低密度で分散させたセルロースナノファイバー(CNF)を、広域画像をAFMデータ取得したのちに、オートパイロット機能で自動多点測定を行った事例。
自動解析
オートパイロット機能では、デ各ータごとに傾き補正を含む様々な解析が組み込めます。測定完了と同時に全データの解析が自動実行されます。
シリカ粒子が付着したSi基板上を、オートパイロット機能の自動多点測定でAＦＭデータを取得したのちに、自動で粗さ解析行った事例。
信頼性
「ユーザーで得られたAFMデータの不安を払拭」
多くのAFMユーザが『正確なデータが取得できたのか？』との悩みや疑問を抱いています。
日立ハイテクでは『SLDヘッド』と『熱源抑制構造』の採用によって干渉縞ノイズとドリフトの影響を軽減し、『探針評価機能』や『 SIS (Sampling intelligent Scan)モード』の活用によって信頼性を向上させました。
ハイパワーSLDヘッドによる低ノイズ化（ノイズ削減による信頼性向上）
AFM100 / AFM100 Plusは、光ヘッド部分にスーパールミネッセントダイオード（SLD） を採用し、レーザ干渉の影響を軽減することで、レーザ干渉起因のノイズの発生を抑制するとともにトータルでのノイズ低減と高感度化を実現しました。
- SLDの特長である低コヒーレンス性により、高出力でも干渉縞影響を低減
- 光出力の高出力化により検出器のショットノイズを抑え高感度化を実現
熱源抑制構造によるドリフト対策（熱ドリフト低減による信頼性向上）
熱源抑制機構でユニット熱源を徹底して排除することで、従来と比べて30 ％以下のドリフト量を実現しました。
ドリフト量 0.03 nm/sec以下
- 時間がかかる測定でも熱ドリフトの影響によっての取得画像がブレ・歪みが生じにくくなります。
- 同じ場所の連続測定（タイムラプス測定）時の画像のブレ・歪みを防ぎやすくなります。
*
ドリフト量は、測定環境により変わります。
上記データはAFM100 Plusの構成において、弊社工場の環境で測定した値です。
探針評価機能によるカンチレバーの探針径管理（先端径管理で信頼性向上）
AFMでは、使用するカンチレバーの探針径によって測定結果が大きく異なります。
そして、従来は粗さ測定の数値に結果に疑問が生じた際、カンチレバーの探針径の数値把握ができなかったため数値の違和感が、実際の試料表面の変質によるものなのか、探針の摩耗起因なのか測定パラメータ設定起因なのかという検証作業が困難でした。
探針評価機能は、ナノスケールの品質管理に欠かせない検証ファクターのひとつであるカンチレバーの探針径の数値化を実現することで、従来困難であった測定条件の管理把握の実現によるデータの信頼性向上に貢献します。
- カンチレバー探針径の管理によりデータ信頼性が向上します。
- カンチレバー交換のタイミングが判りやすくなります。
先端径の計測方法
Si製の探針検定用標準試料は形状が剣山状に多数並んでおり、探針評価に使用します。
* 探針検定用標準試料はオプションです。
SISモードによる追従性向上（針先ダメージの軽減と追従性向上で信頼性向上）
SIS (Sampling Intelligent Scan)モードは、測定ポイントのみで探針を接近させて形状や物性情報を測定するとともに、水平方向の力を作用させずに、吸着が大きな表面や粗い凹凸などでも安定した測定ができるよう、探針の接近や退避を自動制御する測定モードです。
- 追従性を向させて信頼度の高いデータ取得が可能となります。
- 柔らかい試料の変形を軽減します。
各モードの探針の動きのイメージ
SISが効果を発揮しやすい試料の例
凹凸や段差が大きな試料
追従性を向上させて、トレースの信頼性を向上させつつ針先のダメージを抑制します。
柔らかく変形しやすい試料・粘着性のある試料
柔らかいグリスも変形させずに正確にトレースしています。
試料：グリス
形状アーティファクトの軽減
DFMでは、凹凸情報が混入してしまう “位相像” での形状影響の軽減が可能。
試料：均一膜固体高分子電解質膜
他装置との親和性
「他装置との親和性を向上させるために」
『SÆMic.』とは、SEMによる形状、組成、元素分析などとAFMによる3D形状計測と機械物性情報や電磁気物性情報などを同一箇所で手軽な解析評価を実現する、SEMとAFMのコラボレーションによる日立ハイテク独自の新たなソリューションです。
AFM/SEMの特長を生かした相関解析（故障解析の不具合解明率の向上）
日立ハイテクのAFMを語るうえで欠かせない特長のひとつに、電子顕微鏡（SEM）装置等との親和性を高めることで、従来にない多角的な解析手法を確立した【SÆMic.】の提案があります。
AFMマーキングによる手軽な相関解析（リンケージの効率と高精度化を実現）
AFMで特定した関心領域を、あらゆるSEMで容易に同一箇所観察を実現する革新的ツール、AFMマーキングは【SÆMic.】を支える技術のひとつで、AFMで観察したポイントをマーキングする「AFMマーキング」機能を用いることでSEMでの同一箇所観察を実現します。
- AFMマーキングにより小型AFMでのリンケージを実現
- 電動ステージや専用共通ホルダが不要
- FE-SEMだけではなく、卓上タイプやC-SEMにも適用可能
AFMマーキングを用いた解析事例
Al合金研磨面でのKFM電位像によって得られた電位差の解釈を行うため、 SEM/EDSにて同一箇所での観察を実現するためにAFMマーキング機能を用いた事例。
先進性
「多彩な物性測定のニーズに対応する技術」
日々進化する物性測定のニーズに対応するため、日立ハイテクでは『SIS-ACCESS/SIS-QuantiMech』による微弱力測定による多角的なデータ解析や、『FM-KFM（周波数変調方式KFM）』による定量性に優れた表面電位計測を実現しました。
SIS-ACCESS/SIS-QuantiMech（微弱力対応と多角的データ解析）
SIS-ACCESSは、従来のコンタクトモードによるSISモードを高速・微弱力対応として進化させた次世代サンプリングモードです。SIS-QuantiMechは、各種接触理論モデル(Hertz, DMT, JKR2点法)に基づき、ナビゲーション機能に従って初心者でも容易に弾性率などの定量的な機械特性マッピングを実現します。
- 従来のコンタクトモードによるSISモードを進化させたたことで、高速かつ微弱力の設定が可能。
- SIS-ACCESSとSIS-QuantiMechを組み合わせることで、AFM形状像を含めて最大8データ（形状、形状微分、 弾性率、吸着力、硬さ、 変形、 散逸、 電流、 横振動摩擦力)の同時測定が可能。（※誤差信号、電流、横新藤摩擦力の中から1つ）
微弱力設定の効果
極めて柔らかい ソフトドメインの観察事例
従来のコンタクトモードでは、測定が困難であった極めて柔らかいソフトマテリアルの変形を防ぎ、信頼性の高いデータ取得を実現しました。
最大8チャンネルの同時物性データ解析
複数の物理特性の同時測定
1回の測定で、AFM形状像と同時に最大8チャンネルの各種物性像の同時データ解析が可能。
誤差信号像・形状微分像・弾性率像・吸着力像・変形像・散逸像を標準装備とし、 電流または、LM-FFM（横振動摩擦力）との同時測定による最大8チャンネルの同時データ解析を可能としました（※誤差信号、電流、横新藤摩擦力の中から一つ）。
3成分ブレンドポリマーの測定事例
フォースカーブと機械物性の関係
フォースカーブで得られる情報をもとに、様々な機械物性像は形成されます。
注1) 弾性率像はSIS-QuantiMechによる定量解析を実施しています。
形状微分像の効果
形状微分像を用いることで、凹凸の大きな試料における微細形状の変化を確認することが容易になりました。
先進的電位測定モード AM-KFM/FM-KFM（定量性や感度など目的に応じたKFM使い分け）
AM-KFM（振幅変調方式KFM）は探針と試料間に作用する静電気力そのものを検出し、零位法で表面電位を 計測する手法です。一方，FM-KFM（周波数変調方式KFM）では、探針と試料間に作用する静電気力を微分して検出し、 同様に零位法で表面電位を計測しています。原理上、AM-KFMのほうがFM-KFMよりも感度が良いため、 単一材料間での電位や仕事関数比較などにはAM-KFMが優れているとされますが、海島構造を持つような 複合材料の場合は、FM-KFMのほうが定量性で優れています。 AFM100シリーズでは、目的に応じてAMとFMを ワンクリックで切り替えることが可能です。
- FM-KFMでは相互作用を微分して検出し、静電気力を探針先端部分での検出する方式なので、 AM-KFMと比較して電位定量性に優れます。
- AM-KFMは、探針先端の静電気力を検出するFM-KFMに比べて実効的なセンサー面積が広いため、SN比が優れています。
- AFM100シリーズでは、目的に応じてAMとFMをワンクリックで切り替えることが可能です。
FM-KFMの静電気力検出のイメージ
* 示している白い矢印は、AM-KFMとFM-KFMでの検出される相互作用のイメージです。
FM-KFMの効果が出やすい海島構造の試料の例
試料： F14H20自己組織化膜
AM-KFMおよびFM-KFMが検出する電位モデル
Si基板上に分散したの測定結果および電位プロファイル
AM-KFMでは、カンチレバーで赤く塗っている探針先端、探針の側面、カンチレバー本体の寄与が電位計測に含まれ平均化されてしまいます。
FM-KFMでは相互作用を微分して検出しているので、探針先端の寄与に制限されます。
Si基板上に形成されたパーフルオロアルキル基(F14H20 ）自己組織化膜の同一箇所に対するAM-/FM-KFM測定結果とプロファイル解析の結果から、Si基板とF14H20の電位差と比較するとFM-KFMが、AM-KFM対して倍以上の電位差を示しています。この結果からAM-KFMではカンチレバーで赤く示される探針先端、探針の側面、カンチレバー本体の寄与が平均化された影響を受けているのに対して、FM-KFMでは相互作用を微分して検出しているので、探針先端の寄与に制限されることで平均化の影響を受けにくくなってることがわかります。
ハイエンドモデルAFM100 Pro
「時代を先駆するための技術を追求」
現代社会の大きな潮流として、カーボンニュートラル（グリーンエネルギー、蓄電池）、DX変革（IoT、AI、モジュール化デバイス）ハイテク素材（EV、5G、パワーデバイス）等が挙げられ、ナノ機能の実装や多元化・複合化する新機能材料の活用が注目されています。
AFMが使用される分野では、先端素材の微細化（ナノ材料）、薄膜化、有機化に伴う構造・物性評価が求められ、従来よりも、より一層高感度に信号を検出することが求められています。それらのニーズに対応すべく日立ハイテクでは『新設計 IR-Drive採用の高感度光ヘッド』搭載の新型AFM100 Proをリリースすることで 基本性能の向上をはかり、 “時代を先駆するための技術を追求“ を力強くサポートします。
新設計 IR-Drive採用の高感度光ヘッド（分解能と物性測定感度の向上）
AFM100 Proは、安定した測定に定評があるAFM100をベースに新設計 IR-Drive（光熱励振）採用の高感度光ヘッドを搭載した「物性計測感度の向上」と「原子・分子スケールの計測」を追求したハイエンドモデルです。
高感度光ヘッドの効果事例（物性計測感度の向上）
ノイズレベルを低減し、カンチレバー変位検出感度を最適化したことにより、微弱力や微小変位の検出が求められる物性測定モードにおいて、SN比が向上しました。
以下データは、(Na, K)NbO3試料の分極ドメイン分布を、PRM （圧電応答）モードにて比較測定を行ったものです。AFM100 Pro はAFM100 PlusよりもPRM感度が向上していることがわかります。
波長785 nmのIRレーザを利用したIR-Drive（光熱励振）
対物レンズ交換機能により、使用するカンチレバーに合わせて光熱励振が最適化され、理想的なQカーブが得られます。その結果、サブnmオーダーのカンチレバー振動振幅による液中高分解能測定が可能となります。
IR-Driveの効果事例（大気・液中での原子・分子スケール観察）
以下は、液中においてDFMを用いて取得したカルサイト単結晶の原子像です。
IR-Driveでは安定したサブnmオーダーの微小振幅制御で高分解能観察が可能です。
保守・持続性
装置の保守性向上に向けた取り組み
装置を長く使い続けるために、AFM100シリーズは手厚い保守サポートの数々を標準化しました。その中でも、ＡＦＭの心臓部であるピエゾスキャナは最重要パーツです。一般的には1年保証のピエゾスキャナの故障に伴う修理は、ユーザに想定外の大きなコスト負担や利用制約を強いることになります。
保守・メンテナンスの充実アイテム
セルフチェック機能
※セルフチェック機能とは、装置状態を自己診断する機能です。
サービスエンジニアでないと判断できなかった装置状態を簡便にセルフチェックできる機能を搭載しました。日々の安定稼働とお困りの際の迅速な対応につながります。
スキャナ5年保証
想定外の故障に伴う修理は、コスト負担や利用制約を強いることになります。AFMの心臓部であるスキャナについて5年保証でサポートいたします。
* お客様の過失による故障は除く。
納品1年後の簡易点検
納品1年後にサービスエンジニアが訪問し、お客様の装置状況の確認やお困りごと等の相談に対応します。
仕様・構成など
| AFM100 | AFM100 Plus | AFM100 Pro | ||
|---|---|---|---|---|
| 検出系 | 検出方式 | 光てこ方式 | ||
| 光源 | SLD（スーパールミネッセントダイオード） | 高周波変調LD（レーザダイオード） | ||
| カンチレバー加振方式 | ピエゾ励振 | 光熱励振/ピエゾ励振 | ||
| 仕様 | 基本仕様 | RMSノイズレベル：≦0.03 nm、面内ドリフト：≦0.03 nm/sec | ||
| 試料サイズ | 最大35 mmφ、厚さ10 mm、（最大50 mm角、厚さ20 mm*） | |||
| スキャナ（走査範囲） | （XY：20 μm / Z：1.5 μm、XY：100 μm / Z：15 μm、XY：150 μm / Z：5 μm）* | |||
| 光学顕微鏡 | 簡易光学顕微鏡 （視野XY：1.6×1.2 mm） |
ズーム機能付顕微鏡 （視野XY：1.8×1.38～0.26×0.2 mm）* 簡易光学顕微鏡 （視野XY：1.6×1.2 mm）* |
ズーム機能付顕微鏡 （視野XY：3.6×2.7～0.52×0.39 mm） 対物レンズ 5倍、10倍*、20倍* |
|
| 基本機能 | AFM、DFM、PM、FFM、SIS-形状 | AFM、DFM、PM、FFM、SIS-形状/物性、Q値制御 | ||
| 除振・防音機構 | 卓上除振台 | エア供給式パッシブ除振台・防音カバー | ||
| オプション・機能など | カンチレバーホルダ | プリマウントホルダ、マルチホルダ (いずれか１つもしくは両方を選択） | ||
| 測定対応環境 | 大気、液中*、加熱（室温～250 ℃）*、液中加熱（室温～60 ℃）* | |||
| 拡張測定モード | SIS-ACCESS*、SIS-QuantiMech*、PicoSTM*、機械物性システム*（LM-FFM、VE-AFM、Adhesion） 電気物性Ⅰ*（MFM、KFM (AM/FM)、EFM（AC）、EFM（DC）、PRM） 電気物性Ⅱ*（SSRM、Current（Nano）、Current（Pico）） |
|||
| その他機能 | 熱源抑制構造、インパクトステージ*、探針評価機能、オートパイロット機能、自動パラメータ調整機能、オートゲイン機能、セルフチェック機能、ソフトウェアダウンロードサービス、AFMマーキング*、100Vバイアス増設BOX* シグナルアクセスモジュール*、拡張IOケーブル* |
|||
| 電源・ユーティリティ | 電源 | AC 100 V±10 V、15 A、1系統、D種接地 接地付コンセント | ||
| ユーティリティ | - | 供給圧力は0.5～0.6 MPa | ||
*1 表中の*印部はオプション設定です。
*2 仕様詳細は製品仕様書をご確認ください。
*3 基本仕様値は、設置環境基準と所定の組み合わせを満たしていることが条件となります。詳細は製品仕様書をご確認ください。
*4 光学顕微鏡の視野サイズは設計値です。数％程度変化する場合があります。
*5 AFM100 Proの視野は対物レンズ5倍の時の設計値です。
*6 測定対応環境、拡張測定モード、機能の組み合わせによっては測定ができない場合があります。
アプリケーション
走査型プローブ顕微鏡（SPM/AFM）のアプリケーション（測定事例）を紹介しています。
製品ユーザー向け情報
当社の走査型プローブ顕微鏡をお使いのお客様向けの情報です。
走査型プローブ顕微鏡スクールのご案内です。SPM/AFMの概要、測定原理から実機の操作方法といったを中心にした、初心者の方に最適な内容です。
初めてお使いになるお客様へ
関連情報
走査型プローブ顕微鏡（SPM/AFM）に関する測定手法、測定例の一部を、会員制情報検索サイト「S.I. navi」でご提供しています。
「S.I.navi」は、日立ハイテク取扱分析装置に関する会員制サイトです。
お客さまの知りたいこと、日々の業務に役立つ情報を「S.I.navi」がサポートします。
日立電子顕微鏡をご使用されているお客さまは、「S.I.navi」上で製品情報をご登録いただくと、日立電子顕微鏡ユーザー限定サイト「Semevolution（セメボリューション）」にて、さらに多くの関連情報をご覧いただけます。
