在半導(dǎo)體制造、光伏電池、MEMS器件以及先進(jìn)薄膜材料研發(fā)過(guò)程中，薄膜厚度與表面形貌的精確測(cè)量是質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前工業(yè)與科研領(lǐng)域廣泛使用的兩種表面輪廓測(cè)量技術(shù)，分別是接觸式臺(tái)階儀和白光干涉儀。兩者在測(cè)量原理、適用材料、分辨率以及應(yīng)用場(chǎng)景方面存在顯著差異。

本文將從測(cè)量原理、測(cè)量能力、適用場(chǎng)景及典型應(yīng)用等方面，對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比。Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀可以實(shí)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(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)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。

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臺(tái)階儀：接觸式薄膜厚度測(cè)量

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臺(tái)階儀工作原理示意圖

臺(tái)階儀工作原理

臺(tái)階儀是一種接觸式表面輪廓測(cè)量設(shè)備。其核心部件是一根帶有微米級(jí)針尖半徑的金剛石探針。測(cè)量過(guò)程中，探針在恒定壓力下與樣品表面接觸，并沿著設(shè)定路徑進(jìn)行橫向掃描。

當(dāng)探針跨越薄膜臺(tái)階時(shí)，樣品表面高度變化會(huì)引起探針垂直位移。這一位移信號(hào)通過(guò)壓電傳感器或電感傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由系統(tǒng)記錄形成表面輪廓曲線。通過(guò)分析輪廓曲線中的高度差，即可獲得薄膜厚度。

臺(tái)階儀測(cè)量過(guò)程本質(zhì)上是機(jī)械掃描 + 位移檢測(cè)的組合，因此對(duì)臺(tái)階高度測(cè)量具有極高精度。

臺(tái)階儀的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相比光學(xué)方法，臺(tái)階儀在以下方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：

厚膜測(cè)量范圍廣：臺(tái)階儀可測(cè)量從數(shù)納米到數(shù)百微米的臺(tái)階高度，特別適合較厚薄膜或涂層結(jié)構(gòu)。

對(duì)材料光學(xué)性質(zhì)不敏感：由于采用機(jī)械接觸方式，測(cè)量結(jié)果不依賴樣品的折射率、吸收率或透明度。因此對(duì)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(fù)雜多層結(jié)構(gòu)

臺(tái)階高度測(cè)量精度高：對(duì)于具有明確臺(tái)階結(jié)構(gòu)的樣品，臺(tái)階儀能夠提供亞納米級(jí)高度分辨率。

臺(tái)階儀的局限性

盡管臺(tái)階儀測(cè)量穩(wěn)定可靠，但其接觸式特性也帶來(lái)一些限制：探針接觸可能對(duì)軟材料或聚合物薄膜造成損傷、測(cè)量速度相對(duì)較慢、難以實(shí)現(xiàn)大面積快速掃描，因此，在某些精密光學(xué)薄膜或柔性材料中，通常更傾向采用非接觸式測(cè)量技術(shù)。

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白光干涉儀：高精度非接觸測(cè)量

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白光干涉工作原理示意圖

白光干涉測(cè)量原理

白光干涉儀是一種基于光學(xué)干涉原理的三維表面測(cè)量技術(shù)。

系統(tǒng)使用寬光譜白光光源，通過(guò)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(huì)形成干涉信號(hào)。由于白光具有短相干長(zhǎng)度，只有當(dāng)兩束光的光程差接近零時(shí)才會(huì)產(chǎn)生明顯干涉條紋。

在測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)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(hào)。通過(guò)對(duì)干涉條紋進(jìn)行計(jì)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(shù)優(yōu)勢(shì)

白光干涉技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

完全非接觸測(cè)量：測(cè)量過(guò)程中不需要任何機(jī)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(dá)到亞納米級(jí)甚至皮米級(jí)，特別適合超薄膜測(cè)量。

三維形貌測(cè)量能力：不同于臺(tái)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(cè)量速度快：通過(guò)光學(xué)成像與算法處理，可以實(shí)現(xiàn)大面積快速測(cè)量。

白光干涉技術(shù)的局限

盡管白光干涉儀性能優(yōu)異，但仍存在一些限制：對(duì)樣品表面的反射率要求較高、對(duì)粗糙表面或高坡度結(jié)構(gòu)測(cè)量困難、對(duì)透明多層薄膜可能產(chǎn)生多重干涉誤差，因此在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，需要結(jié)合其他測(cè)量技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。

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臺(tái)階儀vs.白光干涉：關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

從整體來(lái)看：

臺(tái)階儀更適合厚膜與復(fù)雜材料測(cè)量

白光干涉更適合高精度表面形貌分析

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典型應(yīng)用場(chǎng)景

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半導(dǎo)體制造

在半導(dǎo)體工藝中，兩種技術(shù)往往互補(bǔ)使用：

臺(tái)階儀常用于：光刻膠厚度測(cè)量、薄膜刻蝕深度測(cè)量、金屬沉積臺(tái)階測(cè)量

白光干涉儀則常用于：MEMS結(jié)構(gòu)形貌分析、晶圓表面粗糙度測(cè)量、微結(jié)構(gòu)高度檢測(cè)

光伏電池

在光伏制造領(lǐng)域：

臺(tái)階儀常用于：電極金屬層厚度測(cè)量、薄膜沉積均勻性檢測(cè)、電池片表面結(jié)構(gòu)分析

白光干涉則適用于：電池表面紋理結(jié)構(gòu)分析、微結(jié)構(gòu)高度測(cè)量

光學(xué)與顯示器件

在光學(xué)薄膜、AR光波導(dǎo)及微納結(jié)構(gòu)制造中：

白光干涉用于高精度表面形貌檢測(cè)

臺(tái)階儀用于膜厚及臺(tái)階結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

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如何選擇合適的測(cè)量技術(shù)

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在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)以下因素選擇測(cè)量技術(shù)：

優(yōu)先選擇臺(tái)階儀的情況：薄膜厚度較大、材料為金屬或不透明結(jié)構(gòu)、樣品具有明確臺(tái)階

優(yōu)先選擇白光干涉的情況：需要非接觸測(cè)量、薄膜極薄、需要完整三維表面形貌

在高端制造領(lǐng)域，許多實(shí)驗(yàn)室和工廠通常同時(shí)配置兩種設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更加全面的表面表征能力。

臺(tái)階儀和白光干涉儀分別代表了接觸式測(cè)量技術(shù)與光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)兩條不同的發(fā)展路徑。臺(tái)階儀憑借穩(wěn)定可靠的機(jī)械測(cè)量方式，在厚膜測(cè)量、復(fù)雜材料分析以及臺(tái)階結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。而白光干涉儀則依托高精度光學(xué)干涉技術(shù)，在非接觸測(cè)量、超薄膜分析以及三維形貌重建方面表現(xiàn)突出。隨著半導(dǎo)體、光伏和先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，薄膜測(cè)量技術(shù)正朝著更高精度、更高效率以及多技術(shù)融合的方向持續(xù)演進(jìn)。未來(lái)，接觸式與非接觸式測(cè)量技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，將成為薄膜表征的重要趨勢(shì)。

Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀

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費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)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(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

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