探针式台阶仪三种典型软故障：位置偏移、针尖沾污、测力异常的调修方法

在集成电路与MEMS工艺中，台阶高度是衡量器件质量的核心参数之一。当前半导体产线广泛使用接触式台阶仪，其原理是让金刚石触针沿样品表面滑行，由位移传感器将垂直位移转为电信号，经A/D转换后生成台阶轮廓。这套方法测量范围宽、分辨力高，但触针与样品直接接触，测量力在软材料上会留下痕迹，长期运行中各种故障难以避免。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

实际使用中，故障大致分两类：一类是探针断裂、光源失效等硬故障，只能向厂家采购备件来修，费用不低；另一类更常见，即扫描位置跑偏、针尖粘附光刻胶、测力过大导致落针异常等软故障，它们直接影响测量结果，操作人员如果判断不及时，会把错误数据当作合格依据，后果比较麻烦。好在软故障不一定需要返厂。借助仪器自带的校正样块和调校程序，操作人员可以自行完成修复：用样块校正扫描偏移量，用无水乙醇或专用清洁程序去除针尖残留物，再按毫克级精度微量多次调校测力——整个过程不需要外购备件，就能把台阶仪恢复到正常工作状态。

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台阶仪测量原理

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台阶仪测量原理图

台阶仪的测量原理如下：采用针尖半径为几微米的金刚石触针沿被测表面接触扫描，由位移传感器将触针的垂直位移转化为相应的电信号输出，再经处理电路进行 A/D 转换后送入计算机，最终得到台阶表面轮廓及参数。台阶仪垂直分辨力很高，测量范围可达上百微米，适用于透明、不透明的各种材料表面的测量。但由于属于接触式测量，其测量力有时会对被测样品造成损伤。

台阶仪在半导体器件生产与测试中具有非常重要的作用，为了保证台阶高度测试任务的顺利进行，仪器维修人员往往需要对台阶仪出现的故障进行快速处理。

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台阶仪故障分类

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台阶仪常见的故障分为"硬故障"和"软故障"两类：

硬故障：指需要通过外购备件来修复的故障，如探针的更换、光源的更换等。

软故障：指借助辅助工具，通过对台阶仪进行硬件或软件调整来修复的故障，包括探针扫描位置的调整、探针针尖沾污的处理、测力的调整等。

下文将重点介绍台阶仪三种常见软故障的现象描述、原因分析及调修方法。

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探针扫描位置问题

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探针扫描位置偏移示意图

故障现象

台阶仪在使用过程中，探针实际扫描位置与设定扫描位置不一致。具体表现为：操作人员设定的扫描路径与探针实际走过的路径存在偏移。这种偏移会导致台阶仪测量得到的结果并非操作人员关心位置的测量结果，从而容易产生误判。

原因分析

造成探针扫描位置偏移的原因一般有两个：

台阶仪使用过程中，由于误操作使探针与被测样品或其他物体发生碰撞，导致探针位置发生偏离。

探针更换后，未对探针位置进行校正，新探针的安装位置与实际要求存在偏差。

探针位置校正图形及扫描图

调修方法

解决办法是对探针位置进行校正。校正时需要使用台阶仪自身配置的校正样块，具体操作步骤如下：

使用台阶仪对校正样块上的探针位置校正图形进行扫描，探针沿着设定的扫描方向，从十字线的交叉点开始进行扫描。如果探针位置正确，台阶仪将得到标准扫描图像，其中台阶宽度为 150 μm；如果探针位置不正确，则可根据扫描图像计算探针偏移量，通过软件修正将探针位置进行校正。

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探针针尖沾污问题

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探针沾污影响示意图

故障现象

台阶仪在使用过程中，如果探针针尖沾污，实际测量中扫描图形与台阶的实际形状不一致。从扫描图像中可以明显看出，针尖沾污导致所测轮廓出现失真，这种失真会对器件的真实结构产生误判的风险。

原因分析

造成探针针尖沾污的原因一般为：使用台阶仪测试光刻胶之类较软的表面后，探针针尖粘附了光刻胶等物质。台阶仪属于接触式测量方式，由于测量力的存在，探针会对较软的表面造成一定程度的损伤，使得探针针尖附着光刻胶等残留物。

探针性能检查图形的俯视图及探针无沾污时的扫描图

调修方法

解决办法是对探针针尖进行清洁，清洁方式有两种：

手工清洁：使用棉签蘸上无水乙醇对探针针尖进行清洁。操作时需特别注意用力的大小及方向，避免对探针造成二次损伤。

程序清洁：使用专用清洁样板对探针进行清洁。台阶仪一般都有专门的探针清洁程序，按照程序进行操作即可完成清洁。

清洁后的验证：清洁完成后，还需要使用台阶仪专用校正样块上的探针性能检查图形对探针针尖的多个位置进行检查。检查时，探针针尖从左向右扫描，针尖的右上、左下、右、左、右下、左上 6 个位置依次与图形台阶侧壁接触。如果探针针尖无沾污，则扫描图形呈现标准形态。该检查方法从 6 个方向全面检验了探针针尖的性能状态。

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测力问题

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故障现象

测力问题是台阶仪使用过程中另一个常见问题。出现测力问题的台阶仪主要表现为：测量时探针不下落，或落针速度非常慢。这种现象主要是由探针受力过大所致。

正常情况下，只有当探针接触到样品时，探针才会受到较大的力。如果系统检测到探针受力过大，台阶仪会认为探针已经接触到样品，出于对探针的保护机制，台阶仪会自动停止落针或调整落针速度。

原因分析

这种情况主要是由于误操作，使探针与被测样品或其他物体发生碰撞所致。碰撞导致探针的受力平衡被打破，系统误判探针已接触样品，从而触发保护机制。

调修方法

解决办法是对探针测力进行调整，具体步骤如下：

第一步，检查探针自由状态。 确认探针是否处于自由状态。如果探针受到外力后偏离了自由状态，需要先将探针恢复为自由状态，然后才能进行后续的测力调整。

第二步，调校测力。 不同型号的台阶仪，测力的调校方法有所不同，参考设备说明书。

注意事项：台阶仪探针测力均为毫克级，因此在调整测力时一次性调整不宜过多，应当少量多次逐步进行调整，防止对测力装置造成损坏。

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台阶仪使用中的硬故障

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除上述软故障外，台阶仪在使用中还经常会碰到探针损坏、扫描机构故障、光源问题等硬故障。此类故障一般情况下无法通过前述软故障的调修方式来修复，往往需要通过从厂家购买备件或通过厂家的技术支持来进行修复。这种情况下，维修成本会比较高。

因此，台阶仪操作人员应当注意对台阶仪进行定期维护，使用中避免误操作，养成良好的操作习惯，以延长台阶仪的使用寿命。

台阶仪使用中还有很多类似的问题。本文给出的三种常见软故障：探针扫描位置偏移、探针针尖沾污、测力异常的调修方法，已在实际台阶仪上进行了应用验证，效果良好。希望这些方法能够为仪器操作人员以及仪器维修人员提供有益的借鉴。同时，通过对硬故障的简要介绍，也希望使仪器操作人员充分认识到硬故障的危害与高维修成本，促使其在日常操作中养成规范、谨慎的良好仪器操作习惯，从源头上减少故障的发生。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
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Flexfilm费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《接触式台阶测量仪常见故障的调修》

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