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臺(tái)階儀的原理與應(yīng)用指南

來源：時(shí)間：2022-12-02 10:40:11 瀏覽：5609次

1.引言

表面特征是材料、化學(xué)等領(lǐng)域的不可或缺的主要研究?jī)?nèi)容，合理地評(píng)價(jià)表面形貌、表面特征等，對(duì)于相關(guān)材料的評(píng)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(tái)階高度測(cè)量在材料表面研究中有十分重要的作用。一方面，表面測(cè)量技術(shù)通過臺(tái)階高度可以測(cè)定一定的微觀形貌；另一方面，半導(dǎo)體制造業(yè)為主的工業(yè)產(chǎn)業(yè)中涉及大量的臺(tái)階高度的檢測(cè)問題。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。因此，在材料化學(xué)領(lǐng)域，材料表面的線條寬度、間距、臺(tái)階高度、表面粗糙度的測(cè)量，線寬、線間距等校對(duì)樣板的校準(zhǔn)以及這些幾何尺寸的量值統(tǒng)一和溯源的重要性就不言而喻了。

2.表面測(cè)量技術(shù)發(fā)展概況

表面形貌對(duì)材料的性能有著很深的影響，因此人們?cè)诤茉缫郧熬驼J(rèn)識(shí)到表面測(cè)量的重要性。

1929 年德國(guó)的施馬爾茨(G.Schmalz)首先對(duì)表面微觀不平度的高度進(jìn)行了評(píng)定，并在此后出版的一本專著中提出了評(píng)定參數(shù)Hmax和測(cè)量基準(zhǔn)線的概念。這兩個(gè)概念的提出是表面粗糙度研究歷史上的一次大飛躍，開創(chuàng)了對(duì)表面粗糙度數(shù)量化描述的新時(shí)代。

1936年美國(guó)的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一臺(tái)用于車間測(cè)量表面粗糙度的輪廓儀，相當(dāng)于研制出了臺(tái)階儀進(jìn)行表面測(cè)定的一個(gè)基本雛形。

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

隨著對(duì)表面質(zhì)量要求的提高，表面測(cè)量技術(shù)也在不斷地發(fā)展。并且伴隨著微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種表面檢測(cè)方法不斷涌現(xiàn)，基于各種測(cè)量原理的表面測(cè)量?jī)x器紛紛問世。根據(jù)各種測(cè)量原理的特征，表面測(cè)量方法可分為以下三類：接觸式測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法和非光學(xué)式掃描顯微鏡法。

（1）光學(xué)測(cè)量法

光學(xué)測(cè)量法為非接觸測(cè)量，可克服接觸測(cè)量的缺點(diǎn)，但由于存在衍射效應(yīng)和系統(tǒng)的橫向分辨率由物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。且測(cè)量條件較為嚴(yán)格，要求被測(cè)表面要清潔，因?yàn)榛覊m對(duì)光學(xué)測(cè)量的影響較大，被測(cè)表面的反射率也是影響測(cè)量結(jié)果的重要因素。光學(xué)測(cè)量類儀器主要用來測(cè)量非常精細(xì)的表面，如光學(xué)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(duì)以上兩種方法而言是最高的，達(dá)到原子量級(jí)，但測(cè)量范圍很小，而且操作復(fù)雜，操作環(huán)境要求高，主要用于原子級(jí)或納米級(jí)材料和生物表面的結(jié)構(gòu)分析。

（3）接觸式測(cè)量法

觸針式測(cè)量方法具有較大的垂直范圍，是應(yīng)用最廣泛、也是最基本的一種表面測(cè)量方法，最高垂直分辨率可達(dá)亞納米級(jí)，且垂直方向動(dòng)態(tài)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(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低，儀器操作簡(jiǎn)單，不僅可測(cè)金屬表面，也可測(cè)非金屬表面。但由于是接觸性測(cè)量，會(huì)對(duì)被測(cè)表面有一定的損傷，觸針也會(huì)受到磨損。觸針式測(cè)量?jī)x用途廣泛，可用于生產(chǎn)、制造、加工、磨損摩擦潤(rùn)滑研究等。在本文中，筆者將重點(diǎn)介紹該測(cè)量方法，以及使用該方法的測(cè)量?jī)x器——臺(tái)階儀。

3.臺(tái)階儀的基本結(jié)構(gòu)及原理

臺(tái)階測(cè)量是傳統(tǒng)表面形貌測(cè)量的一個(gè)新發(fā)展，與傳統(tǒng)表面形貌測(cè)量相比，其測(cè)量樣品多為單向性布局的規(guī)則表面，樣品多為不同材料且硬度較小，測(cè)量范圍較大，要求測(cè)量力較小。

臺(tái)階儀屬于接觸式表面形貌測(cè)量?jī)x器，顧名思義，是一種測(cè)量臺(tái)階的儀器，常用來測(cè)試材料的臺(tái)階厚度。根據(jù)使用傳感器的不同，接觸式臺(tái)階測(cè)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(cè)量精度高、信噪比高，但電路處理復(fù)雜；壓電式的位移敏感元件為壓電晶體，其靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但傳感器低頻響應(yīng)不好、且容易漏電造成測(cè)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(cè)位移量的變化。

如圖1所示，其測(cè)量原理是：當(dāng)觸針沿被測(cè)表面輕輕滑過時(shí)，由于表面有微小的峰谷使觸針在滑行的同時(shí)，還沿峰谷作上下運(yùn)動(dòng)。觸針的運(yùn)動(dòng)情況就反映了表面輪廓的情況。

傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)測(cè)量電橋后，輸出與觸針偏離平衡位置的位移成正比的調(diào)幅信號(hào)。經(jīng)放大與相敏整流后，可將位移信號(hào)從調(diào)幅信號(hào)中解調(diào)出來，得到放大了的與觸針位移成正比的緩慢變化信號(hào)。再經(jīng)噪音濾波器、波度濾波器進(jìn)一步濾去調(diào)制頻率與外界干擾信號(hào)以及波度等因素對(duì)粗糙度測(cè)量的影響。

臺(tái)階儀測(cè)量精度較高、量程大、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好，此外它還可以作為其它形貌測(cè)量技術(shù)的比對(duì)。但是也有其難以克服的缺點(diǎn)：

（1）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；

（2）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；

（3）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。

4.影響因素

（1）樣品浸泡方向

樣品測(cè)試面朝上刻蝕后，在臺(tái)階上測(cè)試的圖像基準(zhǔn)面線路水平，膜層刻蝕干凈，與膜層面線路平行，形成臺(tái)階效果好，測(cè)試數(shù)據(jù)平行度好，偏差小，重現(xiàn)性高。而測(cè)試面朝下刻蝕的樣品，結(jié)果差。值得一提的時(shí)，臺(tái)階儀測(cè)厚度制樣時(shí)，需將樣品制備成薄膜狀，所測(cè)結(jié)果即為對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(cè)試結(jié)果偏差較大，數(shù)據(jù)波動(dòng)大，重現(xiàn)性差，測(cè)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(cè)試結(jié)果偏差較小，數(shù)據(jù)波動(dòng)小，重現(xiàn)性好，測(cè)試效果理想。可見，測(cè)試前，在粘貼膠帶時(shí)應(yīng)用刀片劃去膠帶邊緣位置，再進(jìn)行刻蝕。

（3）雜質(zhì)的影響

通過大量實(shí)踐表明：使用酒精擦拭樣品時(shí)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(huì)影響測(cè)量結(jié)果。故而測(cè)試前，一定要采取防止污染引起測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確的措施。

5.常見問題分析

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。

5.1 探針掃描位置問題

臺(tái)階儀在使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的情況，探針實(shí)際掃描位置（圖2中虛線）與設(shè)定掃描位置（圖2中實(shí)線）不一致。這會(huì)導(dǎo)致臺(tái)階儀測(cè)量得到的結(jié)果并非操作人員關(guān)心位置的測(cè)量結(jié)果，容易產(chǎn)生誤判。

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。解決辦法就是對(duì)探針位置進(jìn)行校正。校正時(shí)，需要用到臺(tái)階儀自身配置的校正樣塊，使用臺(tái)階儀對(duì)校正樣塊上的探針位置校正圖形進(jìn)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(diǎn)開始進(jìn)行掃描，如果探針位置正確，則臺(tái)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(jù)掃描圖像計(jì)算探針偏移量，通過軟件修正將探針位置進(jìn)行修正。

5.2 探針針尖沾污問題

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)如圖4所示的情況。從圖中可以看出探針針尖沾污導(dǎo)致掃描圖形與臺(tái)階實(shí)際形狀不一致，這種情況的出現(xiàn)會(huì)存在對(duì)器件的真實(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生誤判的風(fēng)險(xiǎn)。

導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因一般為：使用臺(tái)階儀測(cè)試光刻膠之類較軟的表面后，導(dǎo)致探針針尖粘附光刻膠等物質(zhì)。臺(tái)階儀是接觸式測(cè)量，由于測(cè)量力的存在，探針會(huì)對(duì)較軟的表面造成損傷，使得探針針尖附著光刻膠等物質(zhì)。

解決辦法就是對(duì)探針針尖進(jìn)行清潔。清潔的方式有兩種：一種是使用棉簽蘸上無(wú)水乙醇對(duì)探針針尖進(jìn)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(duì)探針進(jìn)行清潔，臺(tái)階儀一般都有專門的探針清潔程序，按照程序進(jìn)行操作即可。清潔完成后，還需要使用臺(tái)階儀專用校正樣塊上的探針性能檢查圖形對(duì)探針針尖多個(gè)位置進(jìn)行檢查。

5.3 測(cè)力問題

測(cè)力問題是臺(tái)階儀使用過程中另一個(gè)常見的問題，出現(xiàn)測(cè)力問題的臺(tái)階儀主要表現(xiàn)為：測(cè)量時(shí)，臺(tái)階儀探針不下落或落針?biāo)俣确浅Ｂ?，這主要是由于探針受力過大所致。正常情況下，只有當(dāng)探針接觸到樣品時(shí)，探針才會(huì)受到較大的力，如果系統(tǒng)檢測(cè)到探針受力過大時(shí)，臺(tái)階儀會(huì)認(rèn)為探針已經(jīng)接觸到樣品，出于對(duì)探針的保護(hù)，臺(tái)階儀會(huì)停止落針或調(diào)整落針?biāo)俣取＿@種情況主要是由于誤操作，使得探針與被測(cè)樣品或其他東西發(fā)生碰撞導(dǎo)致的。

解決辦法是對(duì)探針測(cè)力進(jìn)行調(diào)整。首先，檢查探針是否處于自由狀態(tài)。如果探針受到外力后偏離了自由狀態(tài)，需要先將探針調(diào)整為自由狀態(tài)，然后才能進(jìn)行測(cè)力調(diào)整。其次，調(diào)校測(cè)力。不同型號(hào)的臺(tái)階儀，測(cè)力的調(diào)校方法是不同的。需要注意的是，臺(tái)階儀探針測(cè)力都是毫克級(jí)的，因此，在調(diào)整測(cè)力時(shí)一次性調(diào)整不宜過多，應(yīng)當(dāng)少量多次進(jìn)行調(diào)整，防止對(duì)測(cè)力裝置造成損壞。

6.應(yīng)用實(shí)例

臺(tái)階儀測(cè)量的結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低，儀器操作簡(jiǎn)單，不僅可測(cè)金屬表面，也可測(cè)非金屬表面，是目前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量方法，也是國(guó)際公認(rèn)的二維表面粗糙度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。因此，作為一項(xiàng)表面測(cè)試技術(shù)，臺(tái)階儀的使用日益頻繁。

實(shí)例1：表面涂覆技術(shù)是現(xiàn)代表面工程領(lǐng)域在材料改性實(shí)現(xiàn)其功能特性重要環(huán)節(jié)，是表面進(jìn)行修飾和強(qiáng)化方面的一種常用方法。鍍層按結(jié)構(gòu)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(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。鍍層厚度范圍一般從幾十納米到幾十微米不等，測(cè)量方法較多，常用的有稱重法、庫(kù)侖法、臺(tái)階法、顯微金相法、X 射線熒光光譜分析法等。其中，臺(tái)階儀備受關(guān)注。

朱小平等人[1]利用臺(tái)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(gè)位置的膜層厚度，這表明了臺(tái)階儀在表面膜厚測(cè)量方面卓越的突出優(yōu)勢(shì)，也表明在其在類似表面測(cè)試中的顯著作用。

實(shí)例2：壓電能量采集技術(shù)在微電子機(jī)械系統(tǒng)自供電系統(tǒng)領(lǐng)域占有重要地位，而柔性壓電能量采集器具有可應(yīng)用材料廣泛、轉(zhuǎn)換效率高、可收集生物器官組織能量等優(yōu)點(diǎn)，在能源、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。近年來發(fā)展的可控剝離技術(shù)（CST）利用電鍍層產(chǎn)生的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)引起研究者廣泛關(guān)注。

高翔等人[2]通過向氯化鎳電鍍液中摻入不同質(zhì)量濃度的磷離子，研究不同質(zhì)量濃度的磷離子和不同的電流密度對(duì)鍍層性質(zhì)的影響，并通過接觸式臺(tái)階儀測(cè)量鍍層厚度、分析鍍層成分、測(cè)量鍍層磷的原子數(shù)分?jǐn)?shù)，探索不同條件對(duì)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(yīng)用提供參考，具有重要的研究意義與科學(xué)價(jià)值。

7.參考文獻(xiàn)

[1] 朱小平，杜華，王凱等. 單基體多鍍層膜厚標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，計(jì)量學(xué)報(bào). 2017,38(6), 39-42.

[2] 高翔，石樹正，張晶等. 電鍍鎳磷層及其在薄膜剝離中的應(yīng)用，微納電子技術(shù). 2017,55(7), 515-520.

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