การทำงานของ AFM แบบ True Non Contact

การสร้างภาพพื้นผิวความละเอียดสูงของตัวอย่าง

โดยไม่ต้องสัมผัสทางกายภาพ ซึ่งช่วยลดความเสียหาย              

ที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการสแกนได้อย่างมาก

โหมด True Non-Contact™ (NCM) คืออะไร
True Non-Contact™ Mode เป็นเทคโนโลยีเฉพาะที่พัฒนาและให้บริการโดย Park Systems เท่านั้น ในโหมด True Non-Contact นี้ กล้อง AFM จะสร้างภาพภูมิประเทศของพื้นผิว (topography) โดยตรวจจับแรงดึงดูดแบบ แวนเดอร์วาลส์ (van der Waals force) ระหว่างปลายหัววัดของ AFM และพื้นผิวของตัวอย่าง โดยไม่เกิดการสัมผัสทางกายภาพระหว่างกัน

ในโหมด True Non-Contact ปลายหัววัด (tip) จะสั่นที่ความถี่ซึ่งสูงกว่าความถี่เรโซแนนซ์ (resonance frequency) เล็กน้อย — ซึ่งเป็นจุดที่กราฟความถี่-แอมพลิจูด (frequency–amplitude curve) มีความชันมากที่สุด
เมื่อปลายหัววัดเข้าใกล้พื้นผิวของตัวอย่าง แรงดึงดูดระหว่างกันจะทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นจริงลดลง ส่งผลให้แอมพลิจูดของการสั่นที่ความถี่ขับเคลื่อน (driving frequency) ลดลง ระบบ Z-servo จะทำหน้าที่รักษาระดับแอมพลิจูดใหม่นี้ให้คงที่ เพื่อคงค่าการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างปลายหัววัดและตัวอย่างให้คงเดิม ในขณะที่ปลายหัววัดเคลื่อนที่สแกนไปในทิศทาง XY

ความยากหลักในการใช้งานโหมด True Non-Contact คือการที่การมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างปลายหัววัดกับพื้นผิวของตัวอย่าง ไม่ได้เป็นแบบเชิงเส้น (non-monotonic) หากปลายหัววัดเข้าใกล้พื้นผิวมากเกินไป จะเข้าสู่ช่วงที่แรงผลัก (repulsive force regime) มีอิทธิพล ทำให้แอมพลิจูดของการสั่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และเกิดการเปลี่ยนโหมด (mode hop) จากโหมดไม่สัมผัส (non-contact) ไปเป็นโหมดเคาะ (tapping mode)
แม้จะถอยปลายหัววัดกลับออกมาเหนือจุดเปลี่ยนดังกล่าว โหมดไม่สัมผัสก็จะไม่กลับคืนมาในทันที ปรากฏการณ์ bi-stability นี้เองที่ทำให้การรักษาโหมด True Non-Contact ให้มีความเสถียรเป็นเรื่องท้าทาย
เพื่อให้ได้โหมด True Non-Contact ที่แท้จริง จำเป็นต้อง ควบคุมการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างปลายหัววัดและพื้นผิวตัวอย่างอย่างแม่นยำสูงสุด การพัฒนาระบบ Z-servo ที่มีการตอบสนองรวดเร็ว มีสัญญาณรบกวนต่ำ และมีค่าความคลาดเคลื่อนของแอมพลิจูดไม่เกิน ±1 นาโนเมตร คือหัวใจสำคัญของการทำให้โหมด True Non-Contact ทำงานได้อย่างเสถียร

เหตุผลที่ควรใช้โหมดนี้
          ข้อได้เปรียบหลักของ โหมด True Non-Contact™ เมื่อเทียบกับ โหมด Tapping คือความสามารถในการ ป้องกันการสึกหรอของปลายหัววัด (tip wear) และ ลดความเสียหายของตัวอย่าง (sample damage) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
            จากการทดสอบซ้ำหลายครั้งบนตัวอย่างตรวจสอบปลายหัววัดที่ทำจาก โครเมียมไนไตรด์ (Chromium Nitride: CrN) พบว่า ภาพจากโหมด Tapping เริ่มเบลอหลังจากสแกนเพียงไม่กี่ครั้งเนื่องจากการสึกหรอของปลายหัววัด ในขณะที่ภาพจาก โหมด True Non-Contact™ ยังคงคมชัดแม้หลังจากการสแกนมากกว่า 100 ครั้ง แสดงให้เห็นถึงความทนทานและความเสถียรที่เหนือกว่าอย่างชัดเจน

Sample: CrN tip-checking sample | System: NX10 | Scan Size: 1 µm × 1 µm

การประยุกต์ใช้งานและกรณีการใช้งาน (Applications and Use Cases)
              โหมด True Non-Contact™ สามารถใช้สร้างภาพของตัวอย่างที่มีลักษณะ นุ่ม เหนียว หรือบอบบางเป็นพิเศษ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น โฟโตรีซิสต์ที่ยังไม่ผ่านการอบ (unbaked photoresist) รวมถึงวัสดุที่มีความเปราะหรือแตกง่าย ซึ่งไม่สามารถสร้างภาพได้ด้วยกล้อง AFM แบบ Tapping Mode
            โหมด True Non-Contact™ ยังสามารถสร้างภาพของโครงสร้างที่มีความสูงมากได้ (Tall Features)
ด้วยหลักการตรวจจับแรงดึงดูด (attractive forces) ไม่เพียงแต่ที่ปลายสุดของหัววัด (tip apex) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงบริเวณด้านข้างของหัววัดด้วย ทำให้เมื่อปลายหัววัดเคลื่อนเข้าใกล้โครงสร้างที่มีลักษณะเป็นแนวดิ่งหรือมีความสูงมาก ระบบ Z-servo จะตอบสนองอย่างรวดเร็วโดยการยกปลายหัววัดขึ้น เพื่อให้สามารถ “ปีนข้าม” ผนังหรือโครงสร้างนั้นได้อย่างราบรื่น