半导体器件进入纳米尺度后，纳米级台阶高度成为量测设备量值溯源的基础量。台阶仪凭借远大于原子力显微镜（AFM）的扫描范围，以及对样品污染不敏感的特点，在此类量测中被广泛使用，代价是其读数同时包含低频漂移与高频噪声，对数十赫兹量级的环境振动尤其敏感。此前的纳米台阶标准样片多为单台阶结构，工程师覆盖多个量程需反复更换样片并重新定位触针，每次定位都引入新的误差。多台阶样片（如 8 nm、18 nm、26 nm 三台阶结构）一次扫描即可覆盖全部台阶，能减少定位次数。遗留的问题是台阶仪测得的原始扫描轮廓中，噪声与真实台阶难以分离，台阶高度结果缺少可追溯的不确定度支撑。

本文以台阶仪为主线，建立一套可复现的数据处理方法，并以三台阶标准样片的台阶高度结果标定 ALD 沉积速率。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。

实验与方法

三台阶标准样片结构

仪器参数：测量使用探针式台阶仪，触针载荷 0.05 mg，扫描速度 0.0435 mm/s，单次扫描长度 2 mm，垂直分辨率 0.15 nm。

样品制备：三台阶标准样片由 ALD 加湿法刻蚀制备，名义台阶高度为 8 nm、18 nm、26 nm，其中 26 nm 台阶由 8 nm 与 18 nm 两层膜叠积而成，对应 ALD 循环数为 260 与 80。

测试流程：测量前先用三块 SHS 台阶高度标准样片校准台阶仪，校准与样品测量采用完全一致的参数。沿校准线均匀取 5 个区域分别扫描，以 5 区均值作为台阶高度结果，扫描长度 2 mm 覆盖左侧全部三个台阶，全程不重新定位。

误差控制，数据处理分三步：先用拟合方法剔除样品表面的颗粒与凹坑，再由 Canny 边缘检测定位左右边缘并将扫描轮廓划分为三段，随后以 0.8/µm 的低通滤波抑制高频噪声、以 10 阶多项式拟合去除低频漂移，最后按 ISO 5436 计算台阶高度。不确定度按 Type A 与 Type B 分类评定，取 k = 2、置信水平 95%。

扫描轮廓的噪声构成

台阶仪原始扫描轮廓同时含低频漂移与高频噪声

PSD 对比（a 台阶仪／b AFM）

台阶仪与 AFM 的 PSD 对比，台阶仪在 0.8/µm 以上的频率峰全部来自噪声，粗糙度对台阶高度评定的影响很弱，0.8/µm 因此被定为滤波截止频率。

不同环境 PSD 峰频（a 泵关／b 泵开）

两种环境下的 PSD 峰频：真空泵运行后，扫描轮廓上出现 1.07/µm、1.61/µm 与 3.22/µm 三处峰。真空泵转速 1400 r/min 对应 23.33 Hz，折算至扫描轮廓为 0.5364/µm，三处峰分别为该基频的 2 倍、3 倍与 6 倍，噪声由真空泵经环境振动耦合引入，与样品本身无关。台阶仪须置于减振平台或安静位置。

处理参数与台阶高度

多项式阶数对最小范数的影响

多项式阶数对台阶高度的影响

多项式阶数的影响所示：最小范数随阶数升高而下降并趋于稳定，台阶高度在 10 阶时趋于稳定，稳定区间实测为 4–8 阶，取 10 阶以保证低频漂移被充分去除。三台阶标准样片的测量结果：名义 8 nm 台阶为 9.3652 ± 1.4705 nm，名义 18 nm 台阶为 16.5441 ± 2.1693 nm，名义 26 nm 台阶为 25.1126 ± 1.0168 nm；对应的合成标准不确定度为 0.7352、1.0847 与 0.5084 nm。三个台阶的扩展不确定度落在 1 nm ~ 2.2 nm 区间（k = 2，95%），其中 18 nm 台阶最大，8 nm 与 26 nm 台阶较小。

沉积速率的交叉验证

以 26 nm 与 8 nm 两个台阶的高度差除以循环数差，得到台阶仪测得的 ALD 沉积速率为 0.0875 ± 0.0099 nm/cycle；光谱椭圆偏振仪在同一批膜上测得 0.0880 nm/cycle，两者相差 5.7%。椭圆偏振仪须以透明膜/硅衬底模型拟合膜厚，模型的近似是其结果略偏高的可能来源。以台阶高度为基准的接触式测量与以光学模型为基准的非接触式测量，在沉积速率这一指标上取得一致结果，说明台阶仪数据可作为膜层沉积速率标定的依据。

本文以探针式台阶仪为主线，用三台阶标准样片建立了纳米台阶高度的测量与数据处理方法。台阶仪测得的扫描轮廓经 0.8/µm 低通滤波与 10 阶多项式拟合处理后，三个台阶的扩展不确定度为 1 nm ~ 2.2 nm（k = 2，95%）；据此标定的 ALD 沉积速率为 0.0875 ± 0.0099 nm/cycle，与光谱椭圆偏振仪的 0.0880 nm/cycle 相差 5.7%。台阶仪在半导体量测中有两项用途：纳米台阶样片的台阶高度溯源，以及膜层沉积速率的接触式标定。两项用途共享同一套可追溯的不确定度评定流程。

FlexFilm费曼仪器探针式台阶仪

技术支持：180-1566-6117

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

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