表面特征是材料、化學(xué)等領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)表面形貌與特征，對(duì)材料性能分析、工藝改進(jìn)具有重要意義。臺(tái)階高度測(cè)量在表面研究中作用突出：一方面可用于分析微觀形貌，另一方面在半導(dǎo)體制造等工業(yè)中涉及大量臺(tái)階檢測(cè)需求。臺(tái)階高度是薄膜工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，其精確、快速測(cè)定與控制是保障材料質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率的重要手段。因此，表面線條寬度、間距、臺(tái)階高度、粗糙度的測(cè)量，以及相關(guān)幾何尺寸的校準(zhǔn)與量值統(tǒng)一，在材料化學(xué)領(lǐng)域尤為重要。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

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表面測(cè)量技術(shù)發(fā)展概況

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表面形貌深刻影響材料性能，表面測(cè)量技術(shù)因而備受重視。1929年，德國(guó)學(xué)者施馬爾茨首次提出表面微觀不平度的高度評(píng)定參數(shù)Hmax及測(cè)量基準(zhǔn)線概念，開創(chuàng)了表面粗糙度量化描述的新階段。1936年，美國(guó)艾卜特研制出首臺(tái)車間用輪廓儀，為臺(tái)階儀奠定了基礎(chǔ)。1940年，英國(guó)Taylor-Hobson公司推出“泰勒塞夫”表面粗糙度測(cè)量?jī)x，此后各國(guó)陸續(xù)開發(fā)多種測(cè)量?jī)x器。

隨著表面質(zhì)量要求的提高與技術(shù)發(fā)展，表面測(cè)量方法不斷豐富，主要分為三類：

光學(xué)測(cè)量法：非接觸測(cè)量，適用于高反射率表面，如光學(xué)鏡面、磁盤等，但對(duì)清潔度與反射率要求高，易受衍射效應(yīng)影響。

掃描顯微鏡法：以掃描探針顯微鏡為代表，分辨率可達(dá)原子級(jí)，主要用于納米尺度表面分析，但測(cè)量范圍小、操作復(fù)雜。

接觸式測(cè)量法：以觸針式測(cè)量為主，垂直分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大，可獲取粗糙度、波紋度等綜合信息，重復(fù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類材料表面測(cè)量，但存在接觸損傷與探針磨損問題。本文將重點(diǎn)介紹該方法及其典型儀器—臺(tái)階儀。

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臺(tái)階儀的基本結(jié)構(gòu)及原理

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臺(tái)階儀的結(jié)構(gòu)原理圖

臺(tái)階測(cè)量是表面形貌測(cè)量的重要分支，適用于單向規(guī)則表面、軟質(zhì)材料及較大測(cè)量范圍，且要求測(cè)量力小。臺(tái)階儀屬于接觸式形貌測(cè)量?jī)x器，專用于測(cè)量薄膜臺(tái)階厚度。根據(jù)傳感器類型，可分為電感式、壓電式和光電式：

電感式精度高、信噪比好，但電路復(fù)雜；

壓電式靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但低頻響應(yīng)差、易漏電；

光電式通過光通量變化檢測(cè)位移。

其工作原理圖所示：觸針沿被測(cè)表面滑動(dòng)，隨表面峰谷上下運(yùn)動(dòng)，反映表面輪廓。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)電橋、放大、解調(diào)等處理，得到與觸針位移成正比的信號(hào)，再經(jīng)濾波消除干擾，最終獲得表面形貌數(shù)據(jù)。

臺(tái)階儀具有精度高、量程大、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，常作為其他形貌測(cè)量技術(shù)的比對(duì)基準(zhǔn)。但其也存在以下局限：

由于測(cè)頭與測(cè)件相接觸造成的測(cè)頭變形和磨損，使臺(tái)階儀在使用一段時(shí)間后測(cè)量精度下降；

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

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

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臺(tái)階儀常見問題分析

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臺(tái)階儀在材料化工、測(cè)試中具有非常重要的作用。然而其在測(cè)試過程中，或多或少的會(huì)遇到一些基本問題，為了保證臺(tái)階高度測(cè)試任務(wù)的順利進(jìn)行，測(cè)試時(shí)往往需要對(duì)臺(tái)階儀出現(xiàn)的常見故障進(jìn)行快速處理。

探針掃描位置問題

探針掃描位置偏移

臺(tái)階儀在使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際掃描位置與設(shè)定位置不一致。可能導(dǎo)致測(cè)量位置錯(cuò)誤。這種情況發(fā)生的原因一般有兩個(gè)：

第一，臺(tái)階儀使用過程中，由于誤操作，使得探針與被測(cè)樣品或其他東西發(fā)生碰撞，導(dǎo)致探針位置發(fā)生偏離；

第二，探針更換后，未對(duì)探針位置進(jìn)行校正。

解決方法為使用校正樣塊進(jìn)行位置校正，通過掃描十字圖形判斷偏移量，并在軟件中修正。

探針位置校正

探針針尖沾污問題

探針沾污影響

臺(tái)階儀在使用過程中，如果探針沾污，在實(shí)際工作中就會(huì)出現(xiàn)掃描圖形與實(shí)際臺(tái)階形狀不符，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)誤判。

常見原因是測(cè)量軟質(zhì)材料（如光刻膠）后，探針附著殘留物。清潔方法包括：用無水乙醇棉簽輕拭針尖，或使用專用清潔樣板配合儀器清潔程序。清潔后需用校正樣塊檢查針尖狀態(tài)。

測(cè)力問題

表現(xiàn)為探針不下落或落針過慢，通常因探針受力過大觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。多由探針碰撞引起。解決方法：首先確保探針處于自由狀態(tài)，再按儀器型號(hào)調(diào)整測(cè)力。需注意測(cè)力為毫克級(jí)，應(yīng)微量多次調(diào)整，避免損壞裝置。

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臺(tái)階儀的應(yīng)用

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臺(tái)階儀在多個(gè)領(lǐng)域具有重要用途：

建筑測(cè)量：通過臺(tái)階儀測(cè)量建筑物的垂直高度和水平位置，并用于建筑物的設(shè)計(jì)和施工。

地形測(cè)繪：利用臺(tái)階儀測(cè)量地形的高低起伏，并用于制作地形圖和地貌分析。

橋梁工程：對(duì)橋梁的臺(tái)階和梯步進(jìn)行精確測(cè)量，以確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全和舒適性。

航空航天：在飛機(jī)和航天器的制造和維護(hù)中，使用臺(tái)階儀進(jìn)行精確的高度和位置測(cè)量。

環(huán)境監(jiān)測(cè)：利用臺(tái)階儀測(cè)量環(huán)境中的溫度、濕度、氣壓等參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

Flexfilm探針式臺(tái)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(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)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(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

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

原文參考：《臺(tái)階儀的原理與應(yīng)用指南》

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