纳米级多阶台阶高度样品的台阶仪测量与表征技术

在纳米级测量中，仪器通常需要使用标准样品进行校准，但现有的纳米级台阶高度标准样品多为单阶结构，由于仪器存在非线性，使用不同高度值测量前均需重新校准，效率较低；而多阶台阶标准样品可减少探针定位次数，提高校准效率。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。

本文采用台阶仪对三阶台阶高度样品进行测量，通过十阶多项式拟合去除低频伪影，并利用截止频率为0.8 μm的低通滤波器消除高频噪声，从而获得1 nm至2.2 nm的台阶高度不确定度，并据此计算出带不确定度的沉积速率，结果与光谱椭偏仪一致。

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台阶仪测量

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三阶台阶高度样品的结构

三阶台阶高度样品的标称值分别为8 nm、18 nm和26 nm，由刻线（或沟槽）和引导结构组成。使用台阶仪进行测量，触针负载力为0.05 mg，扫描速度为0.0435 mm/s。为覆盖左侧所有三个台阶并避免重新定位，扫描长度设为2 mm，并沿校准线均匀测量五个区域。

测量前，使用标称高度为8 nm、18 nm和44 nm的SHS台阶高度标准片对台阶仪进行校准，测量参数与三阶样品一致，以提高精度。

数据处理采用基于多项式拟合的算法：首先去除样品表面的颗粒和凹坑；然后利用Canny边缘检测器识别左右边缘，将轮廓分为左、右、中三部分；最后通过多项式拟合去除低频成分。在拟合前，将轮廓中间部分向上（沟槽）或向下（刻线）平移一个最优距离，使拟合残差向量的范数最小。从原始轮廓中减去拟合多项式后，按ISO 5436标准计算台阶高度。

台阶仪测量的扫描轮廓

台阶仪扫描得到的轮廓显示，测量数据同时受到低频伪影和高频噪声的影响。低频伪影可用多项式近似，高频噪声可通过低通滤波器去除。

台阶仪（a）与原子力显微镜（b）扫描轮廓的功率谱密度（PSD）

为分析噪声频率特性，计算了扫描轮廓的功率谱密度（PSD），发现低频范围内存在多个PSD峰值，需采用高阶多项式拟合才能有效去除。大于0.8 μm的高频成分包含噪声和粗糙度信息。对比台阶仪与AFM的PSD可知，台阶仪在大于0.8 μm范围内的频率峰值均来自噪声，粗糙度对台阶高度评估的影响很小。

台阶仪在不同条件下测量的扫描轮廓的PSD峰值频率：（a）泵关闭时；（b）泵运行时

为确定滤波器截止频率并研究环境振动的影响，分析了不同环境条件下的PSD峰值频率。当光刻机真空泵开启时，出现1.61 μm和3.22 μm的峰值；最后一组轮廓中出现1.07 μm的峰值。真空泵转速为1400 r/min（23.33 Hz），引起的频率为0.5364 μm，而1.07 μm、1.61 μm和3.22 μm分别为其2倍、3倍和6倍，证实这些频率成分来自真空泵振动。

台阶仪对数十赫兹的环境振动非常敏感，因此需要安装在隔振平台上或安静环境中，并使用低通滤波器。由于几乎所有噪声频率均大于0.8 μm，因此将截止频率设为0.8 μm。

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拟合参数的确定

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多项式阶数对最小范数的影响

拟合参数需谨慎选择。结果显示，随着多项式阶数增加，最优平移距离对应的最小范数逐渐减小并趋于稳定。大量数据处理表明，台阶仪稳定的多项式阶数为4~8，因此将多项式阶数设为10，以有效去除低频伪影。

多项式阶数对台阶高度的影响

结果显示，当多项式阶数为10时，台阶高度趋于稳定，表明低频伪影已被有效去除。

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不确定度评估

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样品的台阶高度取五个区域测量结果的平均值。该三阶台阶样品通过原子层沉积（ALD）和湿法刻蚀制备。由于26 nm薄膜由8 nm和18 nm薄膜叠加而成，且8 nm和26 nm台阶的不确定度较小，因此仅用这两个台阶计算沉积速率。考虑到前几个ALD循环的沉积速率不稳定，采用26 nm与8 nm的高度差获得稳定沉积速率。

将计算的数值代入，得到沉积速率为0.0875 ± 0.0099 nm/cycle。光谱椭偏仪测得的沉积速率为0.0880 nm/cycle，比台阶仪结果大5.7%。椭偏仪采用透明薄膜/硅衬底模型计算厚度，微小差异可能源于薄膜并非绝对透明。因此，两种方法测得的沉积速率是一致的。

本文制备了标称高度为8 nm、18 nm和26 nm的三阶台阶高度样品，并使用台阶仪进行了测量。测量数据通过基于多项式拟合的算法处理，采用截止频率0.8 μm的低通滤波器去除高频噪声，并利用十阶多项式有效消除了低频伪影。受伪影和噪声影响，各台阶高度的测量不确定度在1 nm至2.2 nm之间。根据8 nm和26 nm台阶高度计算得到薄膜的沉积速率为0.0875 ± 0.0099 nm/cycle，与光谱椭偏仪测量结果仅相差5.7%。未来工作将集中于分离高频噪声与表面粗糙度，并开展接触式与光学测量仪器的测量策略及数据处理方法的比较研究。

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
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量 

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

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