接觸式臺階測量儀常見故障的調修

韓志國，李鎖印，趙革艷，趙新宇

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

表面臺階高度測量在納米表面計量學中有十分重要的作用。集成電路和微型電子機械系統(MEMS)制作工藝過程中涉及大量臺階高度的測試問題，對臺階參數的精確測量，是保證器件質量的重要手段。半導體行業中主要使用接觸式臺階測量儀（以下簡稱臺階儀）對臺階高度進行測量，其中使用較為廣泛的是美國KLA-Tencor 公司的P-6 系列及Alpha-Step IQ 系列智能臺階儀，它們一般采用金剛石探針掃描被測表面。其優點是：測量范圍大、分辨率高、測量力小、重復性好[1，2]，如圖1所示。

臺階儀測量原理如圖2所示，采用針尖半徑為幾微米的金剛石觸針沿被測表面接觸掃描，由位移傳感器將觸針垂直位移轉化為相應的電信號輸出，再經處理電路進行A/D 轉換后，送入計算機得到臺階表面輪廓及參數[3],[4]。臺階儀垂直分辨力很高，測量范圍可達上百微米，適用于透明、不透明的各種材料表面的測量；但由于是接觸式測量，其測量力有時會對被測樣品造成損傷。

圖1 常見臺階儀圖片

圖2 臺階儀測量原理圖

臺階儀在半導體器件生產、測試中具有非常重要的作用，為了保證半導體行業中臺階高度測試任務的順利進行，儀器維修人員往往需要對臺階儀出現的故障進行快速處理。臺階儀常見的故障分為“硬故障”和“軟故障”。硬故障是指需要通過外購備件來修復的故障，此類故障包括：探針的更換、光源的更換等。軟故障是指借助輔助工具，通過對臺階儀進行硬件或軟件調整來修復的故障，此類故障包括：探針掃描位置的調整、探針針尖沾污的處理、測力的調整等。本文將主要介紹臺階儀軟故障的原因及其處理方法。

1 軟故障的分析及處理

1.1 探針掃描位置問題

臺階儀在使用過程中經常會出現如圖3所示的情況，探針實際掃描位置（圖3中虛線）與設定掃描位置（圖3中實線）不一致。這會導致臺階儀測量得到的結果并非操作人員關心位置的測量結果，容易產生誤判。

圖3 探針掃描位置偏移示意圖

這種情況發生的原因一般有兩個：第一，臺階儀使用過程中，由于誤操作，使得探針與被測樣品或其他東西發生碰撞，導致探針位置發生偏離；第二，探針更換后，未對探針位置進行校正。

解決辦法就是對探針位置進行校正。校正時，需要用到臺階儀自身配置的校正樣塊，使用臺階儀對校正樣塊上的探針位置校正圖形進行掃描（如圖4a 所示），探針沿著箭頭所示的掃描方向，從十字線的交叉點開始進行掃描，如果探針位置正確，則臺階儀將得到如圖4b 所示的掃描圖像，其中臺階寬度為150 μm；如果探針位置不正確，則可根據掃描圖像計算探針偏移量，通過軟件修正將探針位置進行修正。

1.2 探針針尖沾污問題

臺階儀在使用過程中，如果探針沾污，在實際工作中就會出現如圖5所示的情況。從圖中可以看出探針針尖沾污導致掃描圖形與臺階實際形狀不一致，這種情況的出現會存在對器件的真實結構產生誤判的風險。

導致這種情況發生的原因一般為：使用臺階儀測試光刻膠之類較軟的表面后，導致探針針尖粘附光刻膠等物質。臺階儀是接觸式測量，由于測量力的存在，探針會對較軟的表面造成損傷，使得探針針尖附著光刻膠等物質。

圖4 探針位置校正圖形及掃描圖

圖5 探針沾污影響示意圖

圖6 探針性能檢查圖形的俯視圖及探針無沾污時的掃描圖

解決辦法就是對探針針尖進行清潔。清潔的方式有兩種：一種是使用棉簽蘸上無水乙醇對探針針尖進行清潔，一定要注意用力的大小及方向；第二種是用專用清潔樣板對探針進行清潔，臺階儀一般都有專門的探針清潔程序，按照程序進行操作即可。清潔完成后，還需要使用臺階儀專用校正樣塊上的探針性能檢查圖形對探針針尖多個位置進行檢查。圖6為探針性能檢查圖形的俯視圖及探針針尖無沾污時的掃描圖，使用時，探針針尖從左向右掃描，探針針尖的右上、左下、右、左、右下、左上6個位置依次與圖形臺階側壁接觸，如果探針針尖無沾污，則掃描圖形為圖6所示。該圖形從6 個方向檢查了探針針尖的性能。

1.3 測力問題

測力問題是臺階儀使用過程中另一個常見的問題，出現測力問題的臺階儀主要表現為：測量時，臺階儀探針不下落或落針速度非常慢，這主要是由于探針受力過大所致。正常情況下，只有當探針接觸到樣品時，探針才會受到較大的力，如果系統檢測到探針受力過大時，臺階儀會認為探針已經接觸到樣品，出于對探針的保護，臺階儀會停止落針或調整落針速度。這種情況主要是由于誤操作，使得探針與被測樣品或其他東西發生碰撞導致的。

解決辦法是對探針測力進行調整。首先，檢查探針是否處于自由狀態。如果探針受到外力后偏離了自由狀態，需要先將探針調整為自由狀態，然后才能進行測力調整。其次，調校測力。不同型號的臺階儀，測力的調校方法是不同的。對于P-6 型臺階儀，只需調用測力調校程序，按照程序進行調整即可；而對于Alpha-Step IQ 系列臺階儀，則需要先使用六角扳手對探針上方的測力調節螺釘進行調整，然后再使用儀器自帶的程序對測力進行調校，如果測力還是不合適，則需要反復進行上述操作直至得到合適的測力。需要注意的是，臺階儀探針測力都是毫克級的，因此，在調整測力時一次性調整不宜過多，應當少量多次進行調整，防止對測力裝置造成損壞。

2 臺階儀使用中的其他問題

臺階儀在使用中，還經常會碰到如探針損壞、掃描機構故障、光源問題等硬故障，此類故障一般情況下無法通過上文中提到的軟故障的調修方式來修復，往往需要通過從廠家購買備件或通過廠家的技術支持來進行修復，這種情況下，維修成本會比較高。因此，臺階儀操作人員應該注意對臺階儀進行定期維護，使用中避免誤操作，養成良好的操作習慣，延長臺階儀的使用壽命。

3 結束語

臺階儀使用中還有很多類似的問題，希望本文給出的三種常見軟故障調修方法會對儀器操作人員以及儀器維修人員提供有益的借鑒；另外，希望通過對硬故障的簡要介紹，使儀器操作人員了解到硬故障的危害，促使其養成良好的儀器操作習慣。

[1]KLA-TENCOR.P-16 + / P-6 User' s Guide[Z].USA：KLA- TENCOR Corporation，2009.

[2]KLA-TENCOR.Alpha-Step IQ User's Manual[Z].USA：KLA-TENCOR Corporation，2004.

[3]李強，吳宇列，李圣怡.經濟型微機電臺階測量儀的研究.航空精密制造技術，2005(3)：13-16.

[4]王云慶.接觸式臺階測量理論、技術與儀器的研究[D].北京：清華大學博士學位論文，1996.