台阶仪的原理及常见问题解答

表面特征是材料、化学等领域的重要研究内容。准确评价表面形貌与特征，对材料性能分析、工艺改进具有重要意义。台阶高度测量在表面研究中作用突出：一方面可用于分析微观形貌，另一方面在半导体制造等工业中涉及大量台阶检测需求。台阶高度是薄膜工艺中的关键参数，其精确、快速测定与控制是保障材料质量、提升生产效率的重要手段。因此，表面线条宽度、间距、台阶高度、粗糙度的测量，以及相关几何尺寸的校准与量值统一，在材料化学领域尤为重要。

Flexfilm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。

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表面测量技术发展概况

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表面形貌深刻影响材料性能，表面测量技术因而备受重视。1929年，德国学者施马尔茨首次提出表面微观不平度的高度评定参数Hmax及测量基准线概念，开创了表面粗糙度量化描述的新阶段。1936年，美国艾卜特研制出首台车间用轮廓仪，为台阶仪奠定了基础。1940年，英国Taylor-Hobson公司推出“泰勒塞夫”表面粗糙度测量仪，此后各国陆续开发多种测量仪器。

随着表面质量要求的提高与技术发展，表面测量方法不断丰富，主要分为三类：

光学测量法：非接触测量，适用于高反射率表面，如光学镜面、磁盘等，但对清洁度与反射率要求高，易受衍射效应影响。

扫描显微镜法：以扫描探针显微镜为代表，分辨率可达原子级，主要用于纳米尺度表面分析，但测量范围小、操作复杂。

接触式测量法：以触针式测量为主，垂直分辨率高、动态范围大，可获取粗糙度、波纹度等综合信息，重复性好、环境适应性强，广泛应用于各类材料表面测量，但存在接触损伤与探针磨损问题。本文将重点介绍该方法及其典型仪器—台阶仪。

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台阶仪的基本结构及原理

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台阶仪的结构原理图

台阶测量是表面形貌测量的重要分支，适用于单向规则表面、软质材料及较大测量范围，且要求测量力小。台阶仪属于接触式形貌测量仪器，专用于测量薄膜台阶厚度。根据传感器类型，可分为电感式、压电式和光电式：

电感式精度高、信噪比好，但电路复杂；

压电式灵敏度高、结构简单，但低频响应差、易漏电；

光电式通过光通量变化检测位移。

其工作原理图所示：触针沿被测表面滑动，随表面峰谷上下运动，反映表面轮廓。传感器输出信号经电桥、放大、解调等处理，得到与触针位移成正比的信号，再经滤波消除干扰，最终获得表面形貌数据。

台阶仪具有精度高、量程大、重复性好等优点，常作为其他形貌测量技术的比对基准。但其也存在以下局限：

由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使台阶仪在使用一段时间后测量精度下降；

测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差；

为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。

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台阶仪常见问题分析

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台阶仪在材料化工、测试中具有非常重要的作用。然而其在测试过程中，或多或少的会遇到一些基本问题，为了保证台阶高度测试任务的顺利进行，测试时往往需要对台阶仪出现的常见故障进行快速处理。

探针扫描位置问题

探针扫描位置偏移

台阶仪在使用过程中经常会出现实际扫描位置与设定位置不一致。可能导致测量位置错误。这种情况发生的原因一般有两个：

第一，台阶仪使用过程中，由于误操作，使得探针与被测样品或其他东西发生碰撞，导致探针位置发生偏离；

第二，探针更换后，未对探针位置进行校正。

解决方法为使用校正样块进行位置校正，通过扫描十字图形判断偏移量，并在软件中修正。

探针位置校正

探针针尖沾污问题

探针沾污影响

台阶仪在使用过程中，如果探针沾污，在实际工作中就会出现扫描图形与实际台阶形状不符，易导致结构误判。

常见原因是测量软质材料（如光刻胶）后，探针附着残留物。清洁方法包括：用无水乙醇棉签轻拭针尖，或使用专用清洁样板配合仪器清洁程序。清洁后需用校正样块检查针尖状态。

测力问题

表现为探针不下落或落针过慢，通常因探针受力过大触发保护机制。多由探针碰撞引起。解决方法：首先确保探针处于自由状态，再按仪器型号调整测力。需注意测力为毫克级，应微量多次调整，避免损坏装置。

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台阶仪的应用

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台阶仪在多个领域具有重要用途：

建筑测量：通过台阶仪测量建筑物的垂直高度和水平位置，并用于建筑物的设计和施工。

地形测绘：利用台阶仪测量地形的高低起伏，并用于制作地形图和地貌分析。

桥梁工程：对桥梁的台阶和梯步进行精确测量，以确保桥梁的结构安全和舒适性。

航空航天：在飞机和航天器的制造和维护中，使用台阶仪进行精确的高度和位置测量。

环境监测：利用台阶仪测量环境中的温度、湿度、气压等参数，并进行数据分析。

Flexfilm探针式台阶仪

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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

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：《台阶仪的原理与应用指南》

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