表面测量技术与台阶仪应用:精准测量与常见问题解析


发布时间:

2023-12-07

表面特征是材料、化学等领域研究的主要内容,对于相关材料评定、性能分析和加工条件改善至关重要。表面台阶高度测量在材料研究中扮演关键角色。一方面,通过台阶高度,表面测量技术可确定微观形貌;另一方面,半导体制造等工业领域涉及大量台阶高度检测问题。台阶高度作为一个关键参数,对各种薄膜台阶参数的准确、快速测定和控制,是确保材料质量和提高生产效率的重要手段。因此,在材料化学领域,测量材料表面的线条宽度、间距、台阶高度以及表面粗糙度,线宽、线间距等校对样板的校准,以及这些几何尺寸的量值统一和溯源具有显著重要性。

表面特征是材料、化学等领域研究的主要内容,对于相关材料评定、性能分析和加工条件改善至关重要。表面台阶高度测量在材料研究中扮演关键角色。一方面,通过台阶高度,表面测量技术可确定微观形貌;另一方面,半导体制造等工业领域涉及大量台阶高度检测问题。台阶高度作为一个关键参数,对各种薄膜台阶参数的准确、快速测定和控制,是确保材料质量和提高生产效率的重要手段。因此,在材料化学领域,测量材料表面的线条宽度、间距、台阶高度以及表面粗糙度,线宽、线间距等校对样板的校准,以及这些几何尺寸的量值统一和溯源具有显著重要性。

一、表面测量技术发展概况

表面形貌对材料性能有深远影响,早在1929年,德国的施马尔茨(G.Schmalz)首次评定了表面微观不平度的高度,并提出了评定参数Hmax和测量基准线的概念,标志着表面粗糙度研究的重大进展。随后,美国的艾卜特(E.J.Abbott)于1936年成功研制出车间测量表面粗糙度的轮廓仪,而英国Taylor-Hobson公司在1940年研发的“泰勒塞夫(TALYSURF)”表面粗糙度测量仪,进一步推动了该领域的发展。

随着对表面质量要求的提升,表面测量技术在微电子、光学、传感器、信号处理和计算机技术的推动下不断演进。光学测量法以非接触方式测量表面,克服了接触测量的缺点,但仍受到衍射效应和系统横向分辨率的限制。扫描显微镜法具有最高水平和垂直分辨率,适用于原子级或纳米级材料,但操作复杂,范围有限。接触式测量法是最广泛应用的方法之一,具有较大垂直范围和高垂直分辨率,主要用于测量表面粗糙度、波纹度和形状误差等。

其中,台阶仪作为接触式测量仪器,在测量金属和非金属表面方面具有广泛用途。尽管存在与被测表面的接触性和一定的损伤,台阶仪操作简单,测量结果稳定可靠,适用于生产、制造、加工和磨损摩擦润滑研究等领域。整体而言,随着科技的不断发展,各种表面检测方法在表面测量领域层出不穷,为提高材料质量和生产效率提供了有力手段。

二、台阶仪的基本结构及原理

台阶测量是表面形貌测量的一项新发展,特别适用于单向性布局的规则表面,样品多为不同材料且硬度较小,测量范围广,对测量力要求较小。

台阶仪作为接触式表面形貌测量仪器,主要用于测量材料的台阶厚度。根据所采用的传感器类型,接触式台阶测量可分为电感式、压电式和光电式三种。电感式利用电感位移传感器实现高精度和高信噪比,但电路处理较为复杂;压电式则以压电晶体作为位移敏感元件,结构简单,但低频响应较差且易受漏电干扰;光电式则通过光电元件检测位移量,具有高灵敏度。

图1所示的测量原理是通过触针在表面滑动的过程中,反映表面轮廓的微小变化。传感器输出的电信号经过处理后,可得到与触针位移成正比的缓慢变化信号,经过滤波处理去除噪音和干扰。

图1 台阶仪的结构原理图

尽管台阶仪具有测量精度高、量程大、稳定可靠等优点,可作为其他形貌测量技术的比对工具,但也存在一些难以克服的缺点。这包括测头与测件接触引起的测头变形和磨损,导致测量精度下降;测头的硬度较高,难以适用于精密零件和软质表面的测量;以及测头设计上的一些局限性,如测头头部曲率半径大于被测表面微观凹坑的情况可能引起测量偏差。

三、影响因素

(1)样品浸泡方向

在样品测试时,确保测试面朝上刻蚀后,台阶仪的图像基准面线路水平,使膜层在刻蚀后保持干净,与膜层面线路平行,以获得良好的台阶效果。在这种情况下,测试数据的平行度较好,偏差较小,具有较高的重现性。相反,如果测试面朝下刻蚀的样品,可能导致测试结果的差异。值得注意的是,台阶仪在测量厚度时通常需要将样品制备成薄膜状,从而获得对应点的厚度测量结果。

(2)胶带粘贴方式

在进行样品测试前,胶带的粘贴方式对测试结果产生显著影响。直接将胶带粘贴在样品上并进行刻蚀可能导致较大的测试结果偏差、数据波动较大以及重现性较差,使测试效果不理想。相反,采用粘贴胶带后先划去一部分再进行刻蚀的方法,可以减小测试结果的偏差,减小数据波动,提高测试的重现性,获得较理想的测试效果。因此,在粘贴胶带时,采用刀片划去胶带边缘位置,然后进行刻蚀,有助于提高测试的准确性。

(3)杂质的影响

实践证明,在使用酒精擦拭样品时,必须确保样片被擦拭干净。如果样片上残留有污渍,尤其是在胶带边缘处,可能会影响测量结果的准确性。因此,在进行测试前,需要采取措施以防止污染,从而确保测试结果的准确性。

四、常见问题分析

(1) 探针扫描位置问题

在使用台阶仪时,常见问题之一是探针实际扫描位置与设定扫描位置不一致,如图2所示。这可能由误操作引起,例如探针与被测样品碰撞或在更换探针后未进行位置校正。解决方法是通过校正样块进行探针位置校正,沿指定方向扫描,比对得到的扫描图像,根据需要进行软件修正,确保探针位置准确。

图2 探针扫描位置偏移

图3 探针位置校正

(2)探针针尖沾污问题

在使用过程中,探针针尖可能因测试软表面而沾附杂质,导致扫描图形与实际台阶形状不符,可能误判材料结构。这一问题可通过清洁探针针尖解决,可以使用无水乙醇和棉签,或者专用清洁样板和清洁程序,清理探针,最后使用校正样块检查探针性能。

图4 探针沾污影响

(3)测力问题

测力问题是另一个常见问题,通常表现为探针不下落或下落速度极慢。这可能是由于探针受力过大,误导台阶仪认为已接触到样品。解决方法是检查探针是否在自由状态,调整为自由状态后进行测力调整。注意,测力装置是毫克级的,应小心调整,以防损坏。同时,注意避免探针与样品或其他物体碰撞,引起不必要的测力问题。

五、应用实例

台阶仪是一种在表面工程领域广泛应用的测量方法,以其结果稳定准确、对测量环境要求低、仪器操作简单的特点而备受推崇。不仅适用于金属表面,还可用于非金属表面,是国际公认的二维表面粗糙度测量的标准方法,因此在工业领域内的应用越来越广泛。

举例来说,表面涂覆技术在现代表面工程中扮演着重要的角色,是实现材料功能特性改性的关键环节。其中,对于表面涂覆层的厚度测量是一个关键指标。在涂覆层厚度的测量方法中,台阶仪备受关注。朱小平等人的研究利用台阶仪对材料表面多镀层的厚度进行了深入研究。图5清晰展示了不同材料表面各个位置的膜层厚度,突显了台阶仪在表面膜厚测量方面的卓越优势。这进一步验证了台阶仪在类似表面测试中的显著作用。

图5 不同材料不同区域厚度

案例2:柔性压电能量采集技术在微电子机械系统自供电系统中扮演着关键角色,尤其是柔性压电能量采集器以其广泛的应用材料、高效的能量转换、可收集生物器官组织能量等优势,在能源、生物、医疗等领域得到了广泛应用。近年来,可控剥离技术(CST)的发展引起了广泛关注,该技术利用电镀层产生的应力将基底层材料或附着于基底层的其他材料剥离,具有低成本、室温条件下可使用、适用于多种材料等优点。

高翔等人的研究通过向氯化镍电镀液中掺入不同质量浓度的磷离子,探讨了磷离子和电流密度对电镀层性质的影响。通过接触式台阶仪测量镀层厚度、分析镀层成分以及测量镀层中磷的原子数分数等手段,详细研究了不同条件对镀层的影响。图6展示了最终得到的硅薄膜厚度约为20 μm,为CST在单晶、多晶、合金等材料中更广泛应用提供了有价值的参考,具有重要的研究意义和科学价值。

图6 台阶仪测量硅薄膜厚度

参考:

[1] 朱小平,杜华,王凯等. 单基体多镀层膜厚标准的设计及应用研究,计量学报. 2017,38(6), 39-42.

[2] 高翔,石树正,张晶等. 电镀镍磷层及其在薄膜剥离中的应用,微纳电子技术. 2017,55(7), 515-520.

 

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