在半導(dǎo)體制造、光伏電池、MEMS器件以及先進薄膜材料研發(fā)過程中，薄膜厚度與表面形貌的精確測量是質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前工業(yè)與科研領(lǐng)域廣泛使用的兩種表面輪廓測量技術(shù)，分別是接觸式臺階儀和白光干涉儀。兩者在測量原理、適用材料、分辨率以及應(yīng)用場景方面存在顯著差異。

本文將從測量原理、測量能力、適用場景及典型應(yīng)用等方面，對這兩種技術(shù)進行系統(tǒng)對比。Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，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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臺階儀：接觸式薄膜厚度測量

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臺階儀工作原理示意圖

臺階儀工作原理

臺階儀是一種接觸式表面輪廓測量設(shè)備。其核心部件是一根帶有微米級針尖半徑的金剛石探針。測量過程中，探針在恒定壓力下與樣品表面接觸，并沿著設(shè)定路徑進行橫向掃描。

當(dāng)探針跨越薄膜臺階時，樣品表面高度變化會引起探針垂直位移。這一位移信號通過壓電傳感器或電感傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，并由系統(tǒng)記錄形成表面輪廓曲線。通過分析輪廓曲線中的高度差，即可獲得薄膜厚度。

臺階儀測量過程本質(zhì)上是機械掃描 + 位移檢測的組合，因此對臺階高度測量具有極高精度。

臺階儀的技術(shù)優(yōu)勢

相比光學(xué)方法，臺階儀在以下方面具有明顯優(yōu)勢：

厚膜測量范圍廣：臺階儀可測量從數(shù)納米到數(shù)百微米的臺階高度，特別適合較厚薄膜或涂層結(jié)構(gòu)。

對材料光學(xué)性質(zhì)不敏感：由于采用機械接觸方式，測量結(jié)果不依賴樣品的折射率、吸收率或透明度。因此對以下材料尤為適用：金屬薄膜、不透明材料、多孔或粗糙表面、復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)

臺階高度測量精度高：對于具有明確臺階結(jié)構(gòu)的樣品，臺階儀能夠提供亞納米級高度分辨率。

臺階儀的局限性

盡管臺階儀測量穩(wěn)定可靠，但其接觸式特性也帶來一些限制：探針接觸可能對軟材料或聚合物薄膜造成損傷、測量速度相對較慢、難以實現(xiàn)大面積快速掃描，因此，在某些精密光學(xué)薄膜或柔性材料中，通常更傾向采用非接觸式測量技術(shù)。

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白光干涉儀：高精度非接觸測量

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白光干涉工作原理示意圖

白光干涉測量原理

白光干涉儀是一種基于光學(xué)干涉原理的三維表面測量技術(shù)。

系統(tǒng)使用寬光譜白光光源，通過分束器將光束分成兩部分：

一束照射到樣品表面

一束照射到參考鏡

兩束反射光重新疊加后會形成干涉信號。由于白光具有短相干長度，只有當(dāng)兩束光的光程差接近零時才會產(chǎn)生明顯干涉條紋。

在測量過程中，系統(tǒng)通過垂直掃描逐步改變樣品與物鏡之間的距離，從而記錄不同位置的干涉信號。通過對干涉條紋進行計算分析，即可重建樣品的三維表面形貌和高度信息。

白光干涉儀的技術(shù)優(yōu)勢

白光干涉技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢：

完全非接觸測量：測量過程中不需要任何機械接觸，適用于：柔性材料、光刻膠、聚合物薄膜、生物材料

極高的垂直分辨率：白光干涉儀的垂直分辨率可達到亞納米級甚至皮米級，特別適合超薄膜測量。

三維形貌測量能力：不同于臺階儀的線掃描模式，白光干涉儀可以獲取完整的三維表面形貌圖。

測量速度快：通過光學(xué)成像與算法處理，可以實現(xiàn)大面積快速測量。

白光干涉技術(shù)的局限

盡管白光干涉儀性能優(yōu)異，但仍存在一些限制：對樣品表面的反射率要求較高、對粗糙表面或高坡度結(jié)構(gòu)測量困難、對透明多層薄膜可能產(chǎn)生多重干涉誤差，因此在某些應(yīng)用場景中，需要結(jié)合其他測量技術(shù)進行補充。

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臺階儀vs.白光干涉：關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比

從整體來看：

臺階儀更適合厚膜與復(fù)雜材料測量

白光干涉更適合高精度表面形貌分析

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典型應(yīng)用場景

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半導(dǎo)體制造

在半導(dǎo)體工藝中，兩種技術(shù)往往互補使用：

臺階儀常用于：光刻膠厚度測量、薄膜刻蝕深度測量、金屬沉積臺階測量

白光干涉儀則常用于：MEMS結(jié)構(gòu)形貌分析、晶圓表面粗糙度測量、微結(jié)構(gòu)高度檢測

光伏電池

在光伏制造領(lǐng)域：

臺階儀常用于：電極金屬層厚度測量、薄膜沉積均勻性檢測、電池片表面結(jié)構(gòu)分析

白光干涉則適用于：電池表面紋理結(jié)構(gòu)分析、微結(jié)構(gòu)高度測量

光學(xué)與顯示器件

在光學(xué)薄膜、AR光波導(dǎo)及微納結(jié)構(gòu)制造中：

白光干涉用于高精度表面形貌檢測

臺階儀用于膜厚及臺階結(jié)構(gòu)驗證

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如何選擇合適的測量技術(shù)

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在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)以下因素選擇測量技術(shù)：

優(yōu)先選擇臺階儀的情況：薄膜厚度較大、材料為金屬或不透明結(jié)構(gòu)、樣品具有明確臺階

優(yōu)先選擇白光干涉的情況：需要非接觸測量、薄膜極薄、需要完整三維表面形貌

在高端制造領(lǐng)域，許多實驗室和工廠通常同時配置兩種設(shè)備，以實現(xiàn)更加全面的表面表征能力。

臺階儀和白光干涉儀分別代表了接觸式測量技術(shù)與光學(xué)干涉測量技術(shù)兩條不同的發(fā)展路徑。臺階儀憑借穩(wěn)定可靠的機械測量方式，在厚膜測量、復(fù)雜材料分析以及臺階結(jié)構(gòu)檢測方面具有不可替代的優(yōu)勢。而白光干涉儀則依托高精度光學(xué)干涉技術(shù)，在非接觸測量、超薄膜分析以及三維形貌重建方面表現(xiàn)突出。隨著半導(dǎo)體、光伏和先進材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，薄膜測量技術(shù)正朝著更高精度、更高效率以及多技術(shù)融合的方向持續(xù)演進。未來，接觸式與非接觸式測量技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，將成為薄膜表征的重要趨勢。

Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀

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費曼儀器探針式臺階儀在半導(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
• 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費曼儀器探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

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