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臺階儀的原理與應用指南

來源：時間：2022-12-02 10:40:11 瀏覽：8540次

1.引言

表面特征是材料、化學等領域的不可或缺的主要研究內容，合理地評價表面形貌、表面特征等，對于相關材料的評定、性能的分析和加工條件的改善都具有重要的意義。

表面臺階高度測量在材料表面研究中有十分重要的作用。一方面，表面測量技術通過臺階高度可以測定一定的微觀形貌；另一方面，半導體制造業為主的工業產業中涉及大量的臺階高度的檢測問題。臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。因此，在材料化學領域，材料表面的線條寬度、間距、臺階高度、表面粗糙度的測量，線寬、線間距等校對樣板的校準以及這些幾何尺寸的量值統一和溯源的重要性就不言而喻了。

2.表面測量技術發展概況

表面形貌對材料的性能有著很深的影響，因此人們在很早以前就認識到表面測量的重要性。

1929 年德國的施馬爾茨(G.Schmalz)首先對表面微觀不平度的高度進行了評定，并在此后出版的一本專著中提出了評定參數Hmax和測量基準線的概念。這兩個概念的提出是表面粗糙度研究歷史上的一次大飛躍，開創了對表面粗糙度數量化描述的新時代。

1936年美國的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一臺用于車間測量表面粗糙度的輪廓儀，相當于研制出了臺階儀進行表面測定的一個基本雛形。

1940年英國Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度測量儀“泰勒塞夫(TALYSURF)”。以后，各國又相繼研制出多種測量表面粗糙度的儀器。

隨著對表面質量要求的提高，表面測量技術也在不斷地發展。并且伴隨著微電子技術、光學技術、傳感器技術、信號處理技術和計算機技術的發展，各種表面檢測方法不斷涌現，基于各種測量原理的表面測量儀器紛紛問世。根據各種測量原理的特征，表面測量方法可分為以下三類：接觸式測量法、光學測量法和非光學式掃描顯微鏡法。

（1）光學測量法

光學測量法為非接觸測量，可克服接觸測量的缺點，但由于存在衍射效應和系統的橫向分辨率由物鏡的數值孔徑決定，會影響測量結果。且測量條件較為嚴格，要求被測表面要清潔，因為灰塵對光學測量的影響較大，被測表面的反射率也是影響測量結果的重要因素。光學測量類儀器主要用來測量非常精細的表面，如光學鏡面、磁盤、磁頭、高分子材料等反射率大于1%的表面。

（2）掃描顯微鏡法

掃描探針顯微鏡法的水平和垂直分辨率相對以上兩種方法而言是最高的，達到原子量級，但測量范圍很小，而且操作復雜，操作環境要求高，主要用于原子級或納米級材料和生物表面的結構分析。

（3）接觸式測量法

觸針式測量方法具有較大的垂直范圍，是應用最廣泛、也是最基本的一種表面測量方法，最高垂直分辨率可達亞納米級，且垂直方向動態比率高，可以獲取表面粗糙度、波紋度、形狀誤差及其它一些形貌特征等綜合信息。測量結果穩定可靠，重復性好，對測量環境要求低，儀器操作簡單，不僅可測金屬表面，也可測非金屬表面。但由于是接觸性測量，會對被測表面有一定的損傷，觸針也會受到磨損。觸針式測量儀用途廣泛，可用于生產、制造、加工、磨損摩擦潤滑研究等。在本文中，筆者將重點介紹該測量方法，以及使用該方法的測量儀器——臺階儀。

3.臺階儀的基本結構及原理

臺階測量是傳統表面形貌測量的一個新發展，與傳統表面形貌測量相比，其測量樣品多為單向性布局的規則表面，樣品多為不同材料且硬度較小，測量范圍較大，要求測量力較小。

臺階儀屬于接觸式表面形貌測量儀器，顧名思義，是一種測量臺階的儀器，常用來測試材料的臺階厚度。根據使用傳感器的不同，接觸式臺階測量可以分為電感式、壓電式和光電式3種。電感式采用電感位移傳感器作為敏感元件，測量精度高、信噪比高，但電路處理復雜；壓電式的位移敏感元件為壓電晶體，其靈敏度高、結構簡單，但傳感器低頻響應不好、且容易漏電造成測量誤差；光電式是利用光電元件接收透過狹縫的光通量變化來檢測位移量的變化。

如圖1所示，其測量原理是：當觸針沿被測表面輕輕滑過時，由于表面有微小的峰谷使觸針在滑行的同時，還沿峰谷作上下運動。觸針的運動情況就反映了表面輪廓的情況。

傳感器輸出的電信號經測量電橋后，輸出與觸針偏離平衡位置的位移成正比的調幅信號。經放大與相敏整流后，可將位移信號從調幅信號中解調出來，得到放大了的與觸針位移成正比的緩慢變化信號。再經噪音濾波器、波度濾波器進一步濾去調制頻率與外界干擾信號以及波度等因素對粗糙度測量的影響。

臺階儀測量精度較高、量程大、測量結果穩定可靠、重復性好，此外它還可以作為其它形貌測量技術的比對。但是也有其難以克服的缺點：

（1）由于測頭與測件相接觸造成的測頭變形和磨損，使臺階儀在使用一段時間后測量精度下降；

（2）測頭為了保證耐磨性和剛性而不能做得非常細小尖銳，如果測頭頭部曲率半徑大于被測表面上微觀凹坑的半徑必然造成該處測量數據的偏差；

（3）為使測頭不至于很快磨損，測頭的硬度一般都很高，因此不適于精密零件及軟質表面的測量。

4.影響因素

（1）樣品浸泡方向

樣品測試面朝上刻蝕后，在臺階上測試的圖像基準面線路水平，膜層刻蝕干凈，與膜層面線路平行，形成臺階效果好，測試數據平行度好，偏差小，重現性高。而測試面朝下刻蝕的樣品，結果差。值得一提的時，臺階儀測厚度制樣時，需將樣品制備成薄膜狀，所測結果即為對應點的厚度。

（2）膠帶粘貼方式

采用粘貼膠帶后直接刻蝕樣品的方法，測試結果偏差較大，數據波動大，重現性差，測試效果不理想。而采用粘貼膠帶后先劃去一部分再刻蝕樣品的方法，測試結果偏差較小，數據波動小，重現性好，測試效果理想。可見，測試前，在粘貼膠帶時應用刀片劃去膠帶邊緣位置，再進行刻蝕。

（3）雜質的影響

通過大量實踐表明：使用酒精擦拭樣品時一定要將樣片擦拭干凈，樣片上若殘留污漬，特別是膠帶邊緣處，會影響測量結果。故而測試前，一定要采取防止污染引起測試結果不準確的措施。

5.常見問題分析

臺階儀在材料化工、測試中具有非常重要的作用。然而其在測試過程中，或多或少的會遇到一些基本問題，為了保證臺階高度測試任務的順利進行，測試時往往需要對臺階儀出現的常見故障進行快速處理。

5.1 探針掃描位置問題

臺階儀在使用過程中經常會出現如圖2所示的情況，探針實際掃描位置（圖2中虛線）與設定掃描位置（圖2中實線）不一致。這會導致臺階儀測量得到的結果并非操作人員關心位置的測量結果，容易產生誤判。

這種情況發生的原因一般有兩個：第一，臺階儀使用過程中，由于誤操作，使得探針與被測樣品或其他東西發生碰撞，導致探針位置發生偏離；第二，探針更換后，未對探針位置進行校正。解決辦法就是對探針位置進行校正。校正時，需要用到臺階儀自身配置的校正樣塊，使用臺階儀對校正樣塊上的探針位置校正圖形進行掃描（如圖3所示），探針沿著箭頭所示的掃描方向，從十字線的交叉點開始進行掃描，如果探針位置正確，則臺階儀將得到正確的掃描圖像；如果探針位置不正確，則可根據掃描圖像計算探針偏移量，通過軟件修正將探針位置進行修正。

5.2 探針針尖沾污問題

臺階儀在使用過程中，如果探針沾污，在實際工作中就會出現如圖4所示的情況。從圖中可以看出探針針尖沾污導致掃描圖形與臺階實際形狀不一致，這種情況的出現會存在對器件的真實結構產生誤判的風險。

導致這種情況發生的原因一般為：使用臺階儀測試光刻膠之類較軟的表面后，導致探針針尖粘附光刻膠等物質。臺階儀是接觸式測量，由于測量力的存在，探針會對較軟的表面造成損傷，使得探針針尖附著光刻膠等物質。

解決辦法就是對探針針尖進行清潔。清潔的方式有兩種：一種是使用棉簽蘸上無水乙醇對探針針尖進行清潔，一定要注意用力的大小及方向；第二種是用專用清潔樣板對探針進行清潔，臺階儀一般都有專門的探針清潔程序，按照程序進行操作即可。清潔完成后，還需要使用臺階儀專用校正樣塊上的探針性能檢查圖形對探針針尖多個位置進行檢查。

5.3 測力問題

測力問題是臺階儀使用過程中另一個常見的問題，出現測力問題的臺階儀主要表現為：測量時，臺階儀探針不下落或落針速度非常慢，這主要是由于探針受力過大所致。正常情況下，只有當探針接觸到樣品時，探針才會受到較大的力，如果系統檢測到探針受力過大時，臺階儀會認為探針已經接觸到樣品，出于對探針的保護，臺階儀會停止落針或調整落針速度。這種情況主要是由于誤操作，使得探針與被測樣品或其他東西發生碰撞導致的。

解決辦法是對探針測力進行調整。首先，檢查探針是否處于自由狀態。如果探針受到外力后偏離了自由狀態，需要先將探針調整為自由狀態，然后才能進行測力調整。其次，調校測力。不同型號的臺階儀，測力的調校方法是不同的。需要注意的是，臺階儀探針測力都是毫克級的，因此，在調整測力時一次性調整不宜過多，應當少量多次進行調整，防止對測力裝置造成損壞。

6.應用實例

臺階儀測量的結果穩定準確，對測量環境要求低，儀器操作簡單，不僅可測金屬表面，也可測非金屬表面，是目前工業領域內應用最為廣泛的測量方法，也是國際公認的二維表面粗糙度測量的標準方法。因此，作為一項表面測試技術，臺階儀的使用日益頻繁。

實例1：表面涂覆技術是現代表面工程領域在材料改性實現其功能特性重要環節，是表面進行修飾和強化方面的一種常用方法。鍍層按結構分為單鍍層和多鍍層、純金屬鍍層和合金鍍層，表面鍍層的厚度是涂覆層質量的關鍵指標。鍍層厚度范圍一般從幾十納米到幾十微米不等，測量方法較多，常用的有稱重法、庫侖法、臺階法、顯微金相法、X 射線熒光光譜分析法等。其中，臺階儀備受關注。

朱小平等人[1]利用臺階儀研究了材料表面多鍍層的厚度，如圖5所示，清晰的展示了不同材料表面各個位置的膜層厚度，這表明了臺階儀在表面膜厚測量方面卓越的突出優勢，也表明在其在類似表面測試中的顯著作用。

實例2：壓電能量采集技術在微電子機械系統自供電系統領域占有重要地位，而柔性壓電能量采集器具有可應用材料廣泛、轉換效率高、可收集生物器官組織能量等優點，在能源、生物、醫療等領域應用越來越廣泛。近年來發展的可控剝離技術（CST）利用電鍍層產生的應力將基底層材料或附著于基底層的其他材料剝離，該方法具有成本低、可在室溫條件下使用、適用材料廣等優點引起研究者廣泛關注。

高翔等人[2]通過向氯化鎳電鍍液中摻入不同質量濃度的磷離子，研究不同質量濃度的磷離子和不同的電流密度對鍍層性質的影響，并通過接觸式臺階儀測量鍍層厚度、分析鍍層成分、測量鍍層磷的原子數分數，探索不同條件對鍍層的影響。如圖6所示，最終得到的硅薄膜厚度大約為20 μm，這為CST在單晶、多晶、合金等材料更多方面的應用提供參考，具有重要的研究意義與科學價值。