在半導體制造、光伏電池、MEMS器件以及先進薄膜材料研發過程中，薄膜厚度與表面形貌的精確測量是質量控制和工藝優化的關鍵環節。當前工業與科研領域廣泛使用的兩種表面輪廓測量技術，分別是接觸式臺階儀和白光干涉儀。兩者在測量原理、適用材料、分辨率以及應用場景方面存在顯著差異。

本文將從測量原理、測量能力、適用場景及典型應用等方面，對這兩種技術進行系統對比。Flexfilm費曼儀器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。

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臺階儀：接觸式薄膜厚度測量

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臺階儀工作原理示意圖

臺階儀工作原理

臺階儀是一種接觸式表面輪廓測量設備。其核心部件是一根帶有微米級針尖半徑的金剛石探針。測量過程中，探針在恒定壓力下與樣品表面接觸，并沿著設定路徑進行橫向掃描。

當探針跨越薄膜臺階時，樣品表面高度變化會引起探針垂直位移。這一位移信號通過壓電傳感器或電感傳感器轉換為電信號，并由系統記錄形成表面輪廓曲線。通過分析輪廓曲線中的高度差，即可獲得薄膜厚度。

臺階儀測量過程本質上是機械掃描 + 位移檢測的組合，因此對臺階高度測量具有極高精度。

臺階儀的技術優勢

相比光學方法，臺階儀在以下方面具有明顯優勢：

厚膜測量范圍廣：臺階儀可測量從數納米到數百微米的臺階高度，特別適合較厚薄膜或涂層結構。

對材料光學性質不敏感：由于采用機械接觸方式，測量結果不依賴樣品的折射率、吸收率或透明度。因此對以下材料尤為適用：金屬薄膜、不透明材料、多孔或粗糙表面、復雜多層結構

臺階高度測量精度高：對于具有明確臺階結構的樣品，臺階儀能夠提供亞納米級高度分辨率。

臺階儀的局限性

盡管臺階儀測量穩定可靠，但其接觸式特性也帶來一些限制：探針接觸可能對軟材料或聚合物薄膜造成損傷、測量速度相對較慢、難以實現大面積快速掃描，因此，在某些精密光學薄膜或柔性材料中，通常更傾向采用非接觸式測量技術。

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白光干涉儀：高精度非接觸測量

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白光干涉工作原理示意圖

白光干涉測量原理

白光干涉儀是一種基于光學干涉原理的三維表面測量技術。

系統使用寬光譜白光光源，通過分束器將光束分成兩部分：

一束照射到樣品表面

一束照射到參考鏡

兩束反射光重新疊加后會形成干涉信號。由于白光具有短相干長度，只有當兩束光的光程差接近零時才會產生明顯干涉條紋。

在測量過程中，系統通過垂直掃描逐步改變樣品與物鏡之間的距離，從而記錄不同位置的干涉信號。通過對干涉條紋進行計算分析，即可重建樣品的三維表面形貌和高度信息。

白光干涉儀的技術優勢

白光干涉技術具有以下顯著優勢：

完全非接觸測量：測量過程中不需要任何機械接觸，適用于：柔性材料、光刻膠、聚合物薄膜、生物材料

極高的垂直分辨率：白光干涉儀的垂直分辨率可達到亞納米級甚至皮米級，特別適合超薄膜測量。

三維形貌測量能力：不同于臺階儀的線掃描模式，白光干涉儀可以獲取完整的三維表面形貌圖。

測量速度快：通過光學成像與算法處理，可以實現大面積快速測量。

白光干涉技術的局限

盡管白光干涉儀性能優異，但仍存在一些限制：對樣品表面的反射率要求較高、對粗糙表面或高坡度結構測量困難、對透明多層薄膜可能產生多重干涉誤差，因此在某些應用場景中，需要結合其他測量技術進行補充。

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臺階儀vs.白光干涉：關鍵技術指標對比

從整體來看：

臺階儀更適合厚膜與復雜材料測量

白光干涉更適合高精度表面形貌分析

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典型應用場景

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半導體制造

在半導體工藝中，兩種技術往往互補使用：

臺階儀常用于：光刻膠厚度測量、薄膜刻蝕深度測量、金屬沉積臺階測量

白光干涉儀則常用于：MEMS結構形貌分析、晶圓表面粗糙度測量、微結構高度檢測

光伏電池

在光伏制造領域：

臺階儀常用于：電極金屬層厚度測量、薄膜沉積均勻性檢測、電池片表面結構分析

白光干涉則適用于：電池表面紋理結構分析、微結構高度測量

光學與顯示器件

在光學薄膜、AR光波導及微納結構制造中：

白光干涉用于高精度表面形貌檢測

臺階儀用于膜厚及臺階結構驗證

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如何選擇合適的測量技術

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在實際應用中，應根據以下因素選擇測量技術：

優先選擇臺階儀的情況：薄膜厚度較大、材料為金屬或不透明結構、樣品具有明確臺階

優先選擇白光干涉的情況：需要非接觸測量、薄膜極薄、需要完整三維表面形貌

在高端制造領域，許多實驗室和工廠通常同時配置兩種設備，以實現更加全面的表面表征能力。

臺階儀和白光干涉儀分別代表了接觸式測量技術與光學干涉測量技術兩條不同的發展路徑。臺階儀憑借穩定可靠的機械測量方式，在厚膜測量、復雜材料分析以及臺階結構檢測方面具有不可替代的優勢。而白光干涉儀則依托高精度光學干涉技術，在非接觸測量、超薄膜分析以及三維形貌重建方面表現突出。隨著半導體、光伏和先進材料產業的發展，薄膜測量技術正朝著更高精度、更高效率以及多技術融合的方向持續演進。未來，接觸式與非接觸式測量技術的協同應用，將成為薄膜表征的重要趨勢。

Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀

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費曼儀器探針式臺階儀在半導體、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費曼儀器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。

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