固態(tài)薄膜因獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)與功能在諸多領(lǐng)域受重視，其厚度作為關(guān)鍵工藝參數(shù)，準(zhǔn)確測量對真空鍍膜工藝控制意義重大，臺階儀法因其能同時測量膜厚與表面粗糙度而被廣泛應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。費(fèi)曼儀器致力于為全球工業(yè)智造提供提供精準(zhǔn)測量解決方案，Flexfilm探針式臺階儀可以精確多種薄膜樣品的薄膜厚度。

臺階儀法需在薄膜表面制備臺階，通過測量臺階高度反推膜厚。然而，傳統(tǒng)方法在襯底邊緣制備臺階時，易受邊緣效應(yīng)、表面粗糙度和界面接觸等問題影響，導(dǎo)致臺階形貌不理想，測量誤差大。本研究通過設(shè)計新型掩膜板，在不同襯底上制備理想臺階，以提高膜厚測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

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制備理想臺階面臨的問題

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邊緣效應(yīng)的影響

（a）掩膜環(huán)示意（b）臺階邊緣形貌

傳統(tǒng)方法使用環(huán)形掩膜板在襯底邊緣制備臺階，但由于襯底邊緣存在內(nèi)應(yīng)力和幾何弧度，尤其是薄膜較薄時，邊緣效應(yīng)會顯著放大，導(dǎo)致臺階斜面過長、下表面模糊，無法準(zhǔn)確測量。

表面粗糙度的影響

（a）拋光 Mo 襯底線粗糙度（b）拋光 Mo 襯底上鍍 Ti 膜制備的臺階

襯底粗糙度：如化學(xué)拋光Mo襯底表面存在凹坑，鍍膜后仍可見針狀線條，影響臺階清晰度。

PLD 法制備薄膜的表面形貌及臺階形貌

薄膜粗糙度：不同鍍膜方式（如蒸發(fā)、濺射、PLD）影響薄膜致密性與表面平整度。PLD法制備的薄膜表面存在波浪狀突起，干擾臺階識別。

襯底與膜層界面影響

底襯材料與膜層材料的熱膨脹系數(shù)

鍍膜后冷卻過程中，襯底與薄膜因熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生切應(yīng)力，可能導(dǎo)致脫膜。Ti與Mo因熱膨脹系數(shù)接近且能形成金屬鍵，附著力較好；而Ti與Si在高溫下易發(fā)生反應(yīng)生成硅化物，影響界面質(zhì)量和薄膜形貌。

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實(shí)驗方法

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新結(jié)構(gòu)掩膜板

為克服上述問題，本研究設(shè)計了一種新型掩膜板，其外緣為環(huán)形，中軸線位置增加一根3 mm寬的掩膜條。該設(shè)計可在薄膜中軸線處形成兩條平行臺階，避免邊緣效應(yīng)。

實(shí)驗選用三種拋光襯底：單晶硅、石英和Mo，采用電子槍蒸鍍法沉積Ti膜（純度99.99%）。鍍膜條件：真空度2.8×10?? Pa，除氣溫度725 ℃，沉積溫度690 ℃，沉積速率80 nm/s。使用探針式臺階儀測量臺階高度和線粗糙度，掃描長度分別為0.5 mm和2 mm。

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襯底與薄膜的粗糙度

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三種襯底的表面線粗糙度和線粗糙度圖

襯底表面線粗糙度

不同襯底鍍膜前后的線粗糙度

鍍膜前襯底線粗糙度測量結(jié)果（Ra均值）：單晶硅：5.01 nm、Mo：5.20 nm、石英：9.06 nm

鍍膜后薄膜粗糙度變化：石英襯底上薄膜粗糙度增加較小；Mo和單晶硅襯底上薄膜粗糙度顯著增大；單晶硅襯底上薄膜粗糙度隨膜厚增加而增大。

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臺階形貌與膜厚測量

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不同襯底上制備薄膜的臺階

使用新型掩膜板后，在三種襯底上均制備出坡度陡峭、上下表面清晰的臺階。其中：

Mo襯底：臺階上下表面粗糙，但坡度陡峭，膜厚重復(fù)性最佳；

石英襯底：臺階上下表面平整，坡度陡峭，最接近理想臺階；

單晶硅襯底：下表面平整，上表面粗糙，可能與Ti–Si反應(yīng)有關(guān)。

石英襯底上制備的理想臺階

理想臺階膜厚的測定

不同襯底鍍膜厚度

通過理想臺階上下表面作水平線，其縱坐標(biāo)差值即為膜厚。同一爐次樣品膜厚偏差小于3.5%，表明該方法具有良好的重復(fù)性和一致性。然而，當(dāng)膜厚增至10 μm時，石英和硅襯底出現(xiàn)脫膜現(xiàn)象，歸因于熱膨脹系數(shù)差異引起的剪切應(yīng)力。

本研究通過設(shè)計新型中軸線掩膜板，成功在石英襯底上制備出理想臺階，其上下表面平整、坡度陡峭，可用于準(zhǔn)確測量薄膜厚度。Mo襯底上制備的薄膜厚度重復(fù)性最佳，但表面粗糙；單晶硅襯底因界面反應(yīng)導(dǎo)致薄膜粗糙度較大。該研究為薄膜厚度和表面粗糙度的準(zhǔn)確標(biāo)定提供了有效方法，為薄膜工藝中膜厚的精準(zhǔn)測量提供可靠方法。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《薄膜理想臺階的制備方法研究》

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