原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)是一种通过探针与被测样品之间的相互作用力来获得物质表面形貌信息的纳米级高分辨率的扫描探针显微镜。自1985年在美国斯坦福大学发明出首台AFM以来，30余年里，由于AFM具有前所未有的高空间分辨率，并且可以测量纳米级的多种物理性质，因此得到广泛使用。

　　当下AFM全球3亿美元的市场份额相对SEM20亿美元的市场份额显得逊色，而作为亲历见证AFM的发展，并创建首个AFM商业化公司PSI的Sang-il, Park博士则十分看好AFM未来市场的增长，认为AFM的一些不足也在被新的技术逐一改善，更大AFM潜力市场只待大家发掘。

帕克原子力显微镜创始人兼CEO Sang-il, Park博士

　　2018年10月19日，亚洲地区重要的纳米学术会议“第九届亚洲纳米科学和纳米技术会议”(AsiaNANO 2018)在青岛隆重召开。作为大会特邀专家，帕克原子力显微镜(Park Systems)创始人兼CEO Sang-il, Park博士(以下简称‘Park博士’)在上午做大会报告。会间，仪器信息网编辑荣幸现场采访了Park博士，采访中，Park博士回顾并讲述了AFM的30余年发展历程，分享了时下AFM最新技术动向及未来展望，并谈论了对中国市场的看法。

忆历史——AFM的30余年发展史&帕克原子力显微镜的前世今身

AFM诞生地——美国斯坦福大学

　　1985年， Gerd Binnig(IBM公司阿尔玛登研究中心)、Christoph Gerber(IBM公司苏黎世研究实验室)、Calvin Quate教授(斯坦福大学)共同发明了原子力显微镜，并共同在1986年3月的“物理评论快报”上发表了该成果。此时，Park博士是Calvin Quate教授实验室的在读研究生，参与并见证了首台AFM的诞生。获得博士学位之后，Park博士意识到AFM技术的广泛应用潜力，并于1988年创立了Park Scientific Instruments公司(PSI)，PSI作为世界上最初的商业化AFM公司在硅谷获得了巨大成功。同时，Calvin Quate教授作为PSI联合创始人之一，也是公司董事会成员。

　　原子力显微镜的发明是量测技术和纳米刻蚀的一大突破，推动着纳米科学和技术的发展。为表彰此技术发明者作出的巨大贡献，被誉为第二诺贝尔奖的2016年卡夫利奖纳米科学奖颁发给了Gerd Binnig、Christoph Gerber和 Calvin Quate，上图为颁奖现场留念：Calvin Quate(中)，Park博士(左)。

　　1997年，在美国已度过了15年后，Park博士认为是时候回到祖国了，于是，将正在良好发展的PSI出售给Thermo Spectra。回到韩国，Park博士创立了其第二家AFM公司——PSIA,开启自己第二职业生涯，也在四十岁实现了自己儿时的梦想。2007年，在公司10周年纪念日将公司名称正式更名为Park Systems，并一直沿用至今。

首家AFM公司PSI(左)及之后韩国创立的Park Systems(右)

　　2015年，帕克原子力显微镜成功在韩国证券交易所KOSDAQ上市。IPO也加速了其快速增长。2016年，在第8届KOSDAQ颁奖典礼上，帕克原子力显微镜荣获“最佳下一代公司奖”，表彰其悠久的历史、在纳米尺度上的贡献、在原子力显微镜领域的世界领先技术和产品，以及其坚实的商业表现。

2015年，帕克原子力显微镜成功在韩国证券交易所KOSDAQ上市

　　1999年，Topometrix也被Thermo Spetra收购，于是，Park Scientific和Topometrix合并成为Thermo Microscopes(原名Thermo Spetra)。另外，Veeco Metrology(Veeco计量业务)于1998年收购了Digital Instruments，紧接着2001年又收购了Thermo Microscope。如此，Veeco Metrology通过收购所有3家主要AFM公司，资本加持之下短时间内形成一家独大的垄断局面。 2010年，Veeco Metrology以2.29亿美元出售给布鲁克，就此尘埃落地。

AFM部分商业品牌演化树状图

谈当下——传统AFM技术局限&帕克原子力显微镜的系列技术革新

　　成像/计量工具的本质为准确性、速度和易用性，而传统AFM在这三方面的表现似乎都不那么尽如人意。如管式扫描器常导致响应慢、图像失真;轻敲模式导致探针尖端磨损、样品损坏;众多参数设置、激光聚焦等繁琐操作更是被圈内人士所诟病，这些都严重影响了AFM的进一步应用拓展。

　　Park博士表示：“我在AFM领域已经做了30余年，帕克原子力显微镜的漫长发展历程中，我们始终在践行最初的想法，就是为广大客户制造出最精确且极具易用性的AFM。针对传统AFM的一些不足，帕克原子力显微镜不断推出True Non-Contact™模式和众多自动化软件等创新产品功能。希望通过我们不断的努力，让AFM成为一个更加友好，任何人都可以操作的通用型成像/计量工具。”

　　30余年的技术沉淀与20余年的再创业发展，帕克原子力显微镜始终专注AFM领域，并针对传统AFM的技术局限，开创出一系列AFM新产品、新技术，大大提升了传统AFM的分辨率、检测速度，及操作便捷性。

　　革新技术之“三轴分离扫描器技术”

　　传统的AFM采用压电扫描管进行x-y-z三轴的扫描，由于水平扫描是通过压电扫描管的弯曲运动来实现，势必会在x-y-z轴之间产生背景起伏和串扰。即使使用软件校正，总会有残留的背景起伏。管式扫描器与压电非线性和滞后相结合，产生明显的图像失真和测量精度下降。此外，管式扫描器是中空结构，壁薄，机械力弱，反应慢。

传统压电扫描管(左)，帕克原子力显微镜三轴分离扫描器(右)

　　针对传统管式扫描管的缺点，帕克原子力显微镜将AFM结构进行了重新设计，将x-y扫描器和z扫描器分离，两组独立的柔性扫描器分别移动样品和探针，两组扫描器都配置柔性铰链和大功率叠层压电驱动器。且全新z扫描器反馈频率达到9 kHz，比传统的管式扫描器快10倍。新型x-y扫描器对平滑的样品会有更明显的突出表现，当对光学平面成像时，在80*80微米区域的背景起伏小于1nm。闭环的x-y扫描器还具有出色的线性和正交性，提供无失真的图像。而快速z扫描器则为真正的非接触模式提供了可能。

　　革新技术之“非接触模式”

　　传统AFM压电陶瓷管垂直方向的反馈频率只有几百Hz，而垂直响应速度低会使探针不时接触到样品表面，甚至被黏在样品表面而无法进行振动。为了解决这个问题，出现了轻敲模式，使探针大幅振动，不断地敲击样品表面。但这种敲击的力比通常的接触力大很多，探针针尖容易磨损，极大降低了探针寿命，且样品表面也容易被损坏而影响测量结果。

轻敲模式与非接触模式对比：扫描图像随扫描次数变化对比(左);多次扫描后探针尖端直径变化对比(右)

　　而基于三轴分离扫描器技术，帕克原子力显微镜实现了真正的非接触模式，此模式下便显现出明显优势。上图呈现了CrN针尖检查样品的不同次数重复扫描图像及探针尖端直径变化曲线。可以看到，轻敲模式10次扫描后图像已经变得模糊，扫描探针尖端直径也在10到20次扫描后逐渐磨损，直径增加至10nm。而非接触模式在100次扫描后图像依旧清晰，且扫描探针尖端直径也始终保持在5nm。

　　革新技术之“扫描速度与扫描分辨率两者优化处理技术”(鱼和熊掌不可兼得)

　　扫描分辨率及扫描速度直接关乎AFM的性能和使用体验，也是广大用户关注的两项参数，但两者之间存在什么关系却鲜为人知。Park博士表示，这两者并没有像大家所愿望的那样可以兼得，而是此消彼长的关系。

　　扫描速度的限制是受一种傅里叶变换函数关系决定的，扫描过快便会失去一些有意义的细节，获得图像分辨率就会降低。具体来讲，根据传感器响应速度瓶颈，标准悬臂极限为3Hz左右，高频悬臂为10Hz左右。因为为保证图像质量，探针每一行的往复扫描至少需要获取100个有意义的数据点。而扫描速度超过那个极限，获得的图像就会严重退化。

　　更直接来讲，存在这样一个函数关系：扫描速度x斜率=增益x误差(与z轴伺服精度、各轴扫描速度、误差信号、对时间微分等有关，推导过程不再赘述)。即对于给定的样本斜率和优化增益，扫描速度与误差成正比。更快的扫描不可避免地增加z轴伺服误差!因此，扫描速度应该是有限的，以便误差信号不超过我们可以容忍的一定水平。

　　基于以上理论，帕克原子力显微镜开发了一套智能的、拥有自适应能力的自适应扫描系统(Adaptive Scan)，以便根据用户对扫描速度或扫描分辨率的不同需求，更充分的发挥AFM在研究或生产中的效率。Adaptive Scan的工作原理如下：对于一个未知表面形貌的样品，第一次进行慢速扫描，获得表面信息并预估计算下一次相邻扫描的线轮廓(根据范德瓦耳斯力相互作用的共享区域效应，相邻两次扫描线的轮廓是比较相近的)，然后对预算的扫描轮廓曲线微分计算获得斜率，进而就可以再次根据“扫描速度x斜率=增益x误差”计算出下一次相邻扫描的扫描速度，从而智能控制扫描速度，进行“适应性扫描”。随之，在比较平坦的样品部位，扫描速度自动加快，在较粗糙的部位，扫描速度自动变慢。最终，用户需要做的就是只需在扫描速度与扫描分辨率中做好倾向选择，而不用设定或猜测真正的扫描速率是多少。如果只是看个大致就可以，则选择较高扫描速度来节省时间;如果你对图像质量要求更高，请选择高分辨率。基于通过这种比较智能的方法，帕克原子力显微镜也开发了一套软件系统“Park SmartScan”，三次鼠标点击即可得到一个完整的形貌图：首先找到目标感兴趣区域，然后设置需求的像素、扫描尺寸、精度/速度倾向选择，最后点击IMAGE出图。

“Park SmartScan”操作视频演示：三步完成AFM智能测试

观未来——帕克原子力显微镜之发展：稳定投资技术为更广市场做准备

　　根据交易所数据，截至2018年9月30日，Park 原子力显微镜股票价格从IPO时的9000韩元上涨到43500韩元，上涨达4.8倍，预估市值2.6亿美元(这与当年布鲁克收购veeco时的2.29亿美元的收购价，也是一个有趣的对比)。据悉，2018年帕克原子力显微镜营收预计将超过4500万美元。

　　同时，作为技术特例唯一一家在KOSDAQ上市的公司，帕克原子力显微镜获得了“AA”级的技术评分。Park博士表示：“获得AA级评价是对我们专利技术以及优秀专业人才的肯定，获得这项荣誉对于我们这种技术公司来说是非常荣誉的事情!公司上市以后，不仅在德国设立了欧洲法人，在北京，中国台湾，墨西哥，美国奥尔巴尼也都相继设立分公司和办事处，引进相关人才，在全世界建成紧密的营业网。公司上市以来，帕克原子力显微镜每年的营业额和利润率都呈飞速增长趋势。今后我们也会在符合市场发展需求的技术发展上多加努力并争取获得更多认可。”

　　全球范围内，AFM品牌间的竞争日益激烈。对于此，Park博士认为，对创新技术的持续投入是企业发展的不竭动力。“面对竞争，我们始终把产品技术放在首位，通过稳定投资技术发展为未来市场做准备。为了技术的长久创新发展，帕克原子力显微镜全体员工中技术研发人员占到35%以上，同时，公司每年也会有不断增长的资金投入应用在技术研发上。产品技术方面，除了刚才介绍的一些针对传统AFM缺陷提出的三轴分离技术、非接触模式技术、Adaptive Scan等新技术，最近，我们也对PinPoint模式进行了全面升级，使得样品的物性和电性测量变得更加精确且方便。另外，为了拓宽AFM应用解决方案，帕克原子力显微镜也在基于AFM的本身优势，研究和开发AFM与其他检测设备装置的一些联用技术。”

　　关于AFM的未来应用及发展潜力，Park博士认为：最初，AFM主要用于大学或者研究机构的基础研究中，在癌细胞，纳米光学，干细胞，聚合物，石墨烯和固体物理等自然科学领域的研究中都取得了非常不错的成果，并被许多优秀论文广泛引用。随着纳米技术的进步，对AFM的需求也持续增加，将来，不仅仅在材料，化学，生命科学和制药领域，在半导体等工业领域以及各种跨领域研究中也会逐渐应用到AFM。同时，帕克原子力显微镜顺应时下对AFM增长的新需求，不断针对科学研究及工业生产等开发出不同针对性AFM新产品及新技术。比如，在半导体领域，全球范围内都在为研发出更小更有效率的半导体元器件而激烈竞争，可以预想未来对细微工程和自动化装备的需求将逐年增长。帕克原子力显微镜针对这种需求，就可以提供工业型的NX-Wafer和NX-3DM等AFM型号及技术方案。

　　在中国——帕克原子力显微镜市场拓展正加速

　　笔者问及此次来到青岛的感受，Park博士谈到：“很开心参加这次中国纳米会，非常荣幸收到亚洲纳米2018主办方的邀请来进行大会开幕式主题报告演讲，青岛作为一个滨海城市，和韩国隔海相望，中国有句古话叫‘百闻不如一见’，两次访问中国，中国的发展速度让我惊艳。今天大会报告之后和中国各所高校的教授以及院士们谈话让我对中国纳米市场的未来更加充满期待，并且在这个场合还见到了许久未见的老友，非常开心。希望以后可以和各位院士教授们多多交流，并实时了解他们的研究需求，也希望帕克原子力显微镜可以为中国的纳米研究贡献出一份力量!”

　　据悉，在中国市场，帕克原子力显微镜起初主要以代理商推广为主，并未大举着力进行品牌推广，公司的品牌认知度也并不如产品性能一样优质。如今，身处“酒香也怕巷子深”时代，加之中国市场需求的快速发展，近两年，帕克原子力显微镜逐渐将对中国市场的重视付之实际行动，今年在北京分公司的成立就足见帕克原子力显微镜对中国市场的重视。对此，Park博士表示：“众所周知，中国现在拥有世界数一数二的投资市场，无论半导体工业市场还是高校院所等研究机构的研究型市场都备受中国政府的关注，帕克原子力显微镜将与时俱进，跟进中国国情，进一步拓展与中国用户的深度合作，且目前帕克原子力显微镜已经在相关领域、一些著名高校及半导体工厂等开展了一系列相互的合作。”

　　值得一提的是，最近受中国大规模半导体投资的影响，帕克原子力显微镜面向中国的AFM订单骤增，为满足中国市场迅速增加的需求，帕克原子力显微镜在2017年2月在台湾设立了代表办事处，2018年11月，帕克原子力显微镜北京分公司正式成立。同时，上海App lab (应用中心)预计也将在2018年成立。根据客户需求，也会逐步在华南等地区设立代表办事处等。

　　采访后记

　　回忆此次采访过程，更像是一次一对一的专家授课，从亲历历史的回顾、到AFM原理、到其内部结构布局及改进、再到未来发展，细微处也不乏傅里叶变换关系、微分函数的推导推演。倾听一位亲历并参与AFM发明及商业化专家的娓娓道来，何其荣幸，而Park博士对此则严谨表示，首先要真正了解AFM，这是采访的基础，也是整个交谈的背景。

　　在采访结束，自由交流环节，对笔者提出关于对AFM和SEM市场容量差距的看法，Park博士认为，“相比SEM，AFM具有可以在气液固任何相、无需样品处理、获得3D信息、机械性能、电学热性能等优势。而目前SEM有更大的市场份额(20亿美元)，AFM(3亿美元)，这是因为AFM较低的效率(准确性、易操作性)。而这也正是我们帕克原子力显微镜要改变的，我们的目标是让AFM更高效，准确度更高、更快、操作更简便，让AFM市场进一步成长。大家都知道，赛默飞、日立高新、日本电子都是电镜界很大的集团公司，而帕克原子力显微镜有朝一日也将会成长为与他们一样规模的集团公司，这也是我创建帕克原子力显微镜公司的一个vision。”有朝一日，Park博士的“Vision”若将实现，那时，AFM将真正成为一款简易操作的通用工具。

　　【附】：Park博士简历

讲解中的Park博士

　　Sang-il Park博士是Park Systems公司的创始人兼首席执行官，Park Systems公司自1997年创立以来一直是原子力显微镜(AFM)解决方案的领先制造商。目前，Park Systems有超过1000个AFM系统设备在30多个国家安装使用。早些时候，Park博士创立了Park Scientific Instruments，这是第一家原子力显微镜商业制造商，在1988年至1997年期间担任了9年的董事长兼首席执行官。在创立Park Scientific之前，他曾与Cal Quate教授合作(2016年Kavli奖获得者)在斯坦福大学担任研究生和研究助理。1981年Park博士获得首尔国立大学物理系博士学位，1987年在斯坦福大学获得博士学位。他还拥Stanford-AEA Executive Institute (Mini MBA)学位。Park博士的研究领域包括纳米技术、纳米计量学和扫描探针显微镜及其应用等。他在原子力显微镜领域撰写并与他人合作撰写了大量研究论文、教科书和20多项美国专利。

　　Park博士获得了许多奖项。Park博士于2007年获得韩国国家工程院颁发的青年工程师奖，2009年获得Peter Drucker Society颁发的Peter Drucker创新奖，2010年和2012年分别获得韩国知识部颁发的十大新创新奖和工业纳米技术奖。分别于2011年和2014年，被韩国重要日报《东亚日报》评选为“未来10年最具影响力的100名韩国人”。最近，Park System Corp.获得了Frost & Sullivan 2016全球授权技术领导奖。2014年至2015年，Park博士担任总统科技顾问委员会委员。2015年被提升为韩国国家工程院的高级会员。