納米尺度測量通常依賴具有納米特征的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。目前常見標(biāo)準(zhǔn)樣品多為單臺階結(jié)構(gòu)，由于儀器非線性，需使用不同高度值進(jìn)行多次校準(zhǔn)。多臺階標(biāo)準(zhǔn)樣品可減少探針重復(fù)定位，提升校準(zhǔn)效率。原子力顯微鏡與臺階儀是納米結(jié)構(gòu)測量的常用設(shè)備，后者具有更大掃描范圍且對樣品污染不敏感，但噪聲較大且易受環(huán)境振動影響。光譜橢偏儀等方法可用于測量薄膜沉積速率，但其結(jié)果受材料特性與模型影響，且一般不提供不確定度。Flexfilm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。

本研究提出一種基于觸針式輪廓儀（臺階儀）測量納米級三臺階高度樣品的方法。通過多項式擬合算法處理原始數(shù)據(jù)，以抑制低頻偽影；采用截止頻率為0.8/μm的低通濾波器濾除高頻噪聲，并結(jié)合十階多項式進(jìn)一步消除低頻干擾。實驗測得各臺階高度的不確定度在1?nm至2.2?nm之間。作為應(yīng)用實例，根據(jù)臺階高度計算了薄膜沉積速率及其不確定度，結(jié)果為0.0875?±?0.0099?nm/cycle，與光譜橢偏儀測量結(jié)果（0.0880 nm/cycle）吻合良好。

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測量與表征方法

flexfilm

樣品與測量設(shè)置

三臺階高度樣品的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)注了臺階高度 h1=18?nm與 h2=8?nm

樣品為通過原子層沉積與濕法刻蝕制備的三臺階結(jié)構(gòu)，名義高度分別為8?nm、18?nm和26?nm。

使用臺階儀進(jìn)行測量，探針載荷0.05?mg，掃描速度0.0435?mm/s，掃描長度2?mm以覆蓋全部三個臺階。測量前使用8?nm、18?nm和44?nm的單臺階標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)處理與噪聲抑制

臺階儀測量的掃描輪廓圖，顯示原始測量數(shù)據(jù)中存在的低頻偽影與高頻噪聲

（a）臺階儀掃描輪廓的功率譜密度圖；（b）AFM掃描輪廓的功率譜密度圖

不同環(huán)境條件下臺階儀掃描輪廓的功率譜密度峰值頻率（a）真空泵關(guān)閉時（b）真空泵運行時

a多項式階數(shù)對最小范數(shù)的影響b多項式階數(shù)對臺階高度計算結(jié)果的影響

臺階儀測量數(shù)據(jù)包含低頻偽影與高頻噪聲。通過功率譜密度分析發(fā)現(xiàn)，噪聲主要集中于頻率高于0.8/μm的區(qū)域，且部分峰值與環(huán)境振動（如真空泵工作）相關(guān)。數(shù)據(jù)處理流程如下：

采用Canny邊緣檢測定位臺階左右邊緣；

使用十階多項式擬合去除低頻偽影；

應(yīng)用截止頻率0.8/μm的低通濾波器抑制高頻噪聲。

多項式階數(shù)選擇依據(jù)擬合殘差范數(shù)隨階數(shù)變化曲線及臺階高度計算結(jié)果穩(wěn)定性確定，十階多項式可有效去除低頻成分。

不確定度評估

不確定度評估的輸入值，包括樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品的名義高度、測量平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差

線結(jié)構(gòu)臺階高度的不確定度預(yù)算表，列出各不確定度分量及其來源、類型與數(shù)值

三臺階高度樣品的臺階儀測量結(jié)果，包括名義高度、測量值及其擴展不確定度（k=2）

臺階高度取五個測量區(qū)域的平均值。不確定度評估包括標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)值的不確定度、儀器重復(fù)性、垂直分辨率以及樣品均勻性等分量。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按測量模型計算，擴展不確定度取包含因子?k=2（置信水平95%）。

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結(jié)果與應(yīng)用：沉積速率計算

flexfilm

基于8?nm與26?nm臺階的測量高度及其不確定度，計算原子層沉積的穩(wěn)定沉積速率：

其中?c26=260、c8=80為沉積循環(huán)次數(shù)。沉積速率的不確定度由高度測量不確定度傳遞得出：

計算得到沉積速率為?0.0875 ± 0.0099 nm/cycle。光譜橢偏儀測得結(jié)果為?0.0880?nm/cycle，兩者相對偏差約?5.7%，在考慮模型誤差（如薄膜非理想透明）下可認(rèn)為結(jié)果一致。

本研究成功制備并測量了納米級三臺階高度樣品。通過多項式擬合與低通濾波結(jié)合的方法，有效抑制了臺階儀測量中的低頻偽影與高頻噪聲，臺階高度測量不確定度優(yōu)于2.2?nm。基于臺階高度計算結(jié)果推導(dǎo)的薄膜沉積速率與光譜橢偏儀結(jié)果相符，驗證了該方法在納米薄膜工藝監(jiān)控中的適用性。后續(xù)工作將聚焦于表面粗糙度與高頻噪聲的分離，并比較接觸式與光學(xué)測量儀器的數(shù)據(jù)獲取與處理策略。

Flexfilm探針式臺階儀

flexfilm

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探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

#三臺階高度#不確定度#沉積速率#臺階儀

原文參考：《Measurement and characterization of a nano-scale multiple-step height sample using a stylus profiler》

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