固態薄膜因獨特的物理化學性質與功能在諸多領域受重視，其厚度作為關鍵工藝參數，準確測量對真空鍍膜工藝控制意義重大，臺階儀法因其能同時測量膜厚與表面粗糙度而被廣泛應用于航空航天、半導體等領域。費曼儀器致力于為全球工業智造提供提供精準測量解決方案，Flexfilm探針式臺階儀可以精確多種薄膜樣品的薄膜厚度。

臺階儀法需在薄膜表面制備臺階，通過測量臺階高度反推膜厚。然而，傳統方法在襯底邊緣制備臺階時，易受邊緣效應、表面粗糙度和界面接觸等問題影響，導致臺階形貌不理想，測量誤差大。本研究通過設計新型掩膜板，在不同襯底上制備理想臺階，以提高膜厚測量的準確性和重復性。

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制備理想臺階面臨的問題

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邊緣效應的影響

（a）掩膜環示意（b）臺階邊緣形貌

傳統方法使用環形掩膜板在襯底邊緣制備臺階，但由于襯底邊緣存在內應力和幾何弧度，尤其是薄膜較薄時，邊緣效應會顯著放大，導致臺階斜面過長、下表面模糊，無法準確測量。

表面粗糙度的影響

（a）拋光 Mo 襯底線粗糙度（b）拋光 Mo 襯底上鍍 Ti 膜制備的臺階

襯底粗糙度：如化學拋光Mo襯底表面存在凹坑，鍍膜后仍可見針狀線條，影響臺階清晰度。

PLD 法制備薄膜的表面形貌及臺階形貌

薄膜粗糙度：不同鍍膜方式（如蒸發、濺射、PLD）影響薄膜致密性與表面平整度。PLD法制備的薄膜表面存在波浪狀突起，干擾臺階識別。

襯底與膜層界面影響

底襯材料與膜層材料的熱膨脹系數

鍍膜后冷卻過程中，襯底與薄膜因熱膨脹系數差異產生切應力，可能導致脫膜。Ti與Mo因熱膨脹系數接近且能形成金屬鍵，附著力較好；而Ti與Si在高溫下易發生反應生成硅化物，影響界面質量和薄膜形貌。

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實驗方法

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新結構掩膜板

為克服上述問題，本研究設計了一種新型掩膜板，其外緣為環形，中軸線位置增加一根3 mm寬的掩膜條。該設計可在薄膜中軸線處形成兩條平行臺階，避免邊緣效應。

實驗選用三種拋光襯底：單晶硅、石英和Mo，采用電子槍蒸鍍法沉積Ti膜（純度99.99%）。鍍膜條件：真空度2.8×10?? Pa，除氣溫度725 ℃，沉積溫度690 ℃，沉積速率80 nm/s。使用探針式臺階儀測量臺階高度和線粗糙度，掃描長度分別為0.5 mm和2 mm。

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襯底與薄膜的粗糙度

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三種襯底的表面線粗糙度和線粗糙度圖

襯底表面線粗糙度

不同襯底鍍膜前后的線粗糙度

鍍膜前襯底線粗糙度測量結果（Ra均值）：單晶硅：5.01 nm、Mo：5.20 nm、石英：9.06 nm

鍍膜后薄膜粗糙度變化：石英襯底上薄膜粗糙度增加較小；Mo和單晶硅襯底上薄膜粗糙度顯著增大；單晶硅襯底上薄膜粗糙度隨膜厚增加而增大。

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臺階形貌與膜厚測量

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不同襯底上制備薄膜的臺階

使用新型掩膜板后，在三種襯底上均制備出坡度陡峭、上下表面清晰的臺階。其中：

Mo襯底：臺階上下表面粗糙，但坡度陡峭，膜厚重復性最佳；

石英襯底：臺階上下表面平整，坡度陡峭，最接近理想臺階；

單晶硅襯底：下表面平整，上表面粗糙，可能與Ti–Si反應有關。

石英襯底上制備的理想臺階

理想臺階膜厚的測定

不同襯底鍍膜厚度

通過理想臺階上下表面作水平線，其縱坐標差值即為膜厚。同一爐次樣品膜厚偏差小于3.5%，表明該方法具有良好的重復性和一致性。然而，當膜厚增至10 μm時，石英和硅襯底出現脫膜現象，歸因于熱膨脹系數差異引起的剪切應力。

本研究通過設計新型中軸線掩膜板，成功在石英襯底上制備出理想臺階，其上下表面平整、坡度陡峭，可用于準確測量薄膜厚度。Mo襯底上制備的薄膜厚度重復性最佳，但表面粗糙；單晶硅襯底因界面反應導致薄膜粗糙度較大。該研究為薄膜厚度和表面粗糙度的準確標定提供了有效方法，為薄膜工藝中膜厚的精準測量提供可靠方法。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準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，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

原文參考：《薄膜理想臺階的制備方法研究》

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