台阶仪的技术发展、分类及测量原理

表面特征是材料、化学等领域不可或缺的主要研究内容。合理评价表面形貌与表面特征，对材料评定、性能分析和加工条件改善都具有重要意义，表面台阶高度测量在材料表面研究中作用十分关键。

一方面，表面测量技术通过台阶高度可以测定一定的微观形貌；

另一方面，以半导体制造业为主的工业产业中涉及大量台阶高度检测问题。台阶高度是一个重要参数，对各种薄膜台阶参数进行精确、快速的测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

一、表面测量技术的发展与三类方法

表面形貌对材料性能影响很深，人们很早便认识到表面测量的重要性。

1929 年，德国的施马尔茨（G. Schmalz）首先对表面微观不平度的高度进行评定，并在其后出版的专著中提出评定参数 Hmax 与测量基准线的概念。这两个概念的提出是表面粗糙度研究史上的一次大飞跃，开创了表面粗糙度数量化描述的新时代。

1936 年，美国的艾卜特（E. J. Abbott）研制成功第一台用于车间测量表面粗糙度的轮廓仪，相当于是台阶仪进行表面测定的一个基本雏形。

1940 年，英国 Taylor-Hobson 公司研制成功表面粗糙度测量仪“泰勒塞夫（TALYSURF）”。此后各国又相继研制出多种测量表面粗糙度的仪器。

随着对表面质量要求的提高，表面测量技术不断发展。伴随微电子技术、光学技术、传感器技术、信号处理技术和计算机技术的发展，各种表面检测方法不断涌现。

二、台阶仪测量方法

基于不同测量原理的表面测量仪器纷纷问世。根据测量原理的特征，表面测量方法可分为接触式测量法、光学测量法和非光学式扫描显微镜法三类。

（一）光学测量法

优可测的白光干涉仪就是典型的光学测量法应用，测量精度可达亚纳米级别。光学测量法为非接触测量，可克服接触测量的缺点。但由于存在衍射效应，且系统的横向分辨率由物镜数值孔径决定，会影响测量结果。其测量条件较为严格，要求被测表面清洁，因为灰尘对光学测量影响较大，被测表面的反射率也是影响测量结果的重要因素。光学测量类仪器主要用来测量非常精细的表面，如光学镜面、磁盘、磁头、高分子材料等反射率大于 1% 的表面。

相关知识科普：

白光干涉仪原理

白光干涉仪能测什么

优可测白光干涉仪功能优势

（二）扫描显微镜法

扫描探针显微镜法的水平和垂直分辨率相对以上两种方法而言是最高的，达到原子量级。但其测量范围很小，操作复杂，操作环境要求高，主要用于原子级或纳米级材料和生物表面的结构分析。

（三）接触式测量法

触针式测量方法具有较大的垂直范围，是应用最广泛、也是最基本的一种表面测量方法，最高垂直分辨率可达亚纳米级，且垂直方向动态比率高，可获取表面粗糙度、波纹度、形状误差及其他形貌特征等综合信息。其测量结果稳定可靠、重复性好，对测量环境要求低，仪器操作简单，不仅可测金属表面，也可测非金属表面。但由于是接触性测量，会对被测表面有一定的损伤，触针也会受到磨损。触针式测量仪用途广泛，可用于生产、制造、加工、磨损摩擦润滑研究等。

相关知识阅读：

都是粗糙度仪，触针式粗糙度仪与白光干涉仪到底有什么差别？

三、接触式台阶仪的基本结构

台阶测量是传统表面形貌测量的一个新发展。与传统表面形貌测量相比，其测量样品多为单向性布局的规则表面，样品多为不同材料且硬度较小，测量范围较大，要求测量力较小。

台阶仪多为接触式表面形貌测量仪器，是一种测量台阶的仪器，常用来测试材料的台阶厚度。根据使用传感器的不同，接触式台阶测量可以分为电感式、压电式和光电式三种。

• 电感式：采用电感位移传感器作为敏感元件，测量精度高、信噪比高，但电路处理复杂。
• 压电式：位移敏感元件为压电晶体，灵敏度高、结构简单，但传感器低频响应不好，且容易漏电造成测量误差。
• 光电式：利用光电元件接收透过狭缝的光通量变化来检测位移量的变化。

​​​​​​​接触式台阶仪测量原理

当触针沿被测表面轻轻滑过时，由于表面有微小的峰谷，使触针在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动。触针的运动情况就反映了表面轮廓的情况。

传感器输出的电信号经测量电桥后，输出与触针偏离平衡位置的位移成正比的调幅信号。经放大与相敏整流后，可将位移信号从调幅信号中解调出来，得到放大了的与触针位移成正比的缓慢变化信号。再经噪音滤波器、波度滤波器，进一步滤去调制频率、外界干扰信号以及波度等因素对粗糙度测量的影响，最终得到所需的轮廓数据。

触针式台阶仪测量精度较高、量程大、测量结果稳定可靠、重复性好，此外还可以作为其他形貌测量技术的比对。但它也有难以克服的缺点：

第一，由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使台阶仪在使用一段时间后测量精度下降。

第二，测头为保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐。如果测头头部的曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径，必然造成该处测量数据的偏差。

第三，为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。

也正因上述局限性，随着技术的发展，以白光干涉仪为代表的光学测量仪器登上主舞台，成为成为精密表面三维形貌测量领域的主流选择。

详情可阅读：都是粗糙度仪，触针式粗糙度仪与白光干涉仪到底有什么差别？

五、影响测量结果的因素

（一）样品浸泡方向

样品测试面朝上刻蚀后，在台阶上测试的图像基准面线路水平，膜层刻蚀干净，与膜层面线路平行，形成台阶效果好，测试数据平行度好、偏差小、重现性高。而测试面朝下刻蚀的样品，结果较差。

需要说明的是，台阶仪测厚度制样时，需将样品制备成薄膜状，所测结果即为对应点的厚度。

（二）胶带粘贴方式

采用粘贴胶带后直接刻蚀样品的方法，测试结果偏差较大，数据波动大，重现性差，测试效果不理想。而采用粘贴胶带后先划去一部分再刻蚀样品的方法，测试结果偏差较小，数据波动小，重现性好，测试效果理想。可见测试前在粘贴胶带时，应用刀片划去胶带边缘位置，再进行刻蚀。

（三）杂质的影响

实践表明，使用酒精擦拭样品时一定要将样片擦拭干净。样片上若残留污渍，特别是胶带边缘处，会影响测量结果。因此测试前必须采取防止污染引起测试结果不准确的措施。