納米尺度測量通常依賴具有納米特征的標準樣品進行儀器校準。目前常見標準樣品多為單臺階結構，由于儀器非線性，需使用不同高度值進行多次校準。多臺階標準樣品可減少探針重復定位，提升校準效率。原子力顯微鏡與臺階儀是納米結構測量的常用設備，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表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

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據，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，并結合十階多項式進一步消除低頻干擾。實驗測得各臺階高度的不確定度在1?nm至2.2?nm之間。作為應用實例，根據臺階高度計算了薄膜沉積速率及其不確定度，結果為0.0875?±?0.0099?nm/cycle，與光譜橢偏儀測量結果（0.0880 nm/cycle）吻合良好。

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測量與表征方法

flexfilm

樣品與測量設置

三臺階高度樣品的結構示意圖，圖中標注了臺階高度 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構，名義高度分別為8?nm、18?nm和26?nm。

使用臺階儀進行測量，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的單臺階標準樣品進行儀器校準。

數據處理與噪聲抑制

臺階儀測量的掃描輪廓圖，顯示原始測量數據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）真空泵關閉時（b）真空泵運行時

a多項式階數對最小范數的影響b多項式階數對臺階高度計算結果的影響

臺階儀測量數據包含低頻偽影與高頻噪聲。通過功率譜密度分析發現，噪聲主要集中于頻率高于0.8/μm的區域，且部分峰值與環境振動（如真空泵工作）相關。數據處理流程如下：

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。

多項式階數選擇依據擬合殘差范數隨階數變化曲線及臺階高度計算結果穩定性確定，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，包括樣品與標準樣品的名義高度、測量平均值與標準偏差

線結構臺階高度的不確定度預算表，列出各不確定度分量及其來源、類型與數值

三臺階高度樣品的臺階儀測量結果，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域的平均值。不確定度評估包括標準樣品校準值的不確定度、儀器重復性、垂直分辨率以及樣品均勻性等分量。合成標準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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結果與應用：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定沉積速率：

其中?c26=260、c8=80為沉積循環次數。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）下可認為結果一致。

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于2.2?nm。基于臺階高度計算結果推導的薄膜沉積速率與光譜橢偏儀結果相符，驗證了該方法在納米薄膜工藝監控中的適用性。后續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測量儀器的數據獲取與處理策略。

Flexfilm探針式臺階儀

flexfilm

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。

#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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