接触式台阶测量仪常见故障的调修

韩志国，李锁印，赵革艳，赵新宇

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)

表面台阶高度测量在纳米表面计量学中有十分重要的作用。集成电路和微型电子机械系统(MEMS)制作工艺过程中涉及大量台阶高度的测试问题，对台阶参数的精确测量，是保证器件质量的重要手段。半导体行业中主要使用接触式台阶测量仪（以下简称台阶仪）对台阶高度进行测量，其中使用较为广泛的是美国KLA-Tencor 公司的P-6 系列及Alpha-Step IQ 系列智能台阶仪，它们一般采用金刚石探针扫描被测表面。其优点是：测量范围大、分辨率高、测量力小、重复性好[1，2]，如图1所示。

台阶仪测量原理如图2所示，采用针尖半径为几微米的金刚石触针沿被测表面接触扫描，由位移传感器将触针垂直位移转化为相应的电信号输出，再经处理电路进行A/D 转换后，送入计算机得到台阶表面轮廓及参数[3],[4]。台阶仪垂直分辨力很高，测量范围可达上百微米，适用于透明、不透明的各种材料表面的测量；但由于是接触式测量，其测量力有时会对被测样品造成损伤。

图1 常见台阶仪图片

图2 台阶仪测量原理图

台阶仪在半导体器件生产、测试中具有非常重要的作用，为了保证半导体行业中台阶高度测试任务的顺利进行，仪器维修人员往往需要对台阶仪出现的故障进行快速处理。台阶仪常见的故障分为“硬故障”和“软故障”。硬故障是指需要通过外购备件来修复的故障，此类故障包括：探针的更换、光源的更换等。软故障是指借助辅助工具，通过对台阶仪进行硬件或软件调整来修复的故障，此类故障包括：探针扫描位置的调整、探针针尖沾污的处理、测力的调整等。本文将主要介绍台阶仪软故障的原因及其处理方法。

1 软故障的分析及处理

1.1 探针扫描位置问题

台阶仪在使用过程中经常会出现如图3所示的情况，探针实际扫描位置（图3中虚线）与设定扫描位置（图3中实线）不一致。这会导致台阶仪测量得到的结果并非操作人员关心位置的测量结果，容易产生误判。

图3 探针扫描位置偏移示意图

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。

解决办法就是对探针位置进行校正。校正时，需要用到台阶仪自身配置的校正样块，使用台阶仪对校正样块上的探针位置校正图形进行扫描（如图4a 所示），探针沿着箭头所示的扫描方向，从十字线的交叉点开始进行扫描，如果探针位置正确，则台阶仪将得到如图4b 所示的扫描图像，其中台阶宽度为150 μm；如果探针位置不正确，则可根据扫描图像计算探针偏移量，通过软件修正将探针位置进行修正。

1.2 探针针尖沾污问题

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如图5所示的情况。从图中可以看出探针针尖沾污导致扫描图形与台阶实际形状不一致，这种情况的出现会存在对器件的真实结构产生误判的风险。

导致这种情况发生的原因一般为：使用台阶仪测试光刻胶之类较软的表面后，导致探针针尖粘附光刻胶等物质。台阶仪是接触式测量，由于测量力的存在，探针会对较软的表面造成损伤，使得探针针尖附着光刻胶等物质。

图4 探针位置校正图形及扫描图

图5 探针沾污影响示意图

图6 探针性能检查图形的俯视图及探针无沾污时的扫描图

解决办法就是对探针针尖进行清洁。清洁的方式有两种：一种是使用棉签蘸上无水乙醇对探针针尖进行清洁，一定要注意用力的大小及方向；第二种是用专用清洁样板对探针进行清洁，台阶仪一般都有专门的探针清洁程序，按照程序进行操作即可。清洁完成后，还需要使用台阶仪专用校正样块上的探针性能检查图形对探针针尖多个位置进行检查。图6为探针性能检查图形的俯视图及探针针尖无沾污时的扫描图，使用时，探针针尖从左向右扫描，探针针尖的右上、左下、右、左、右下、左上6个位置依次与图形台阶侧壁接触，如果探针针尖无沾污，则扫描图形为图6所示。该图形从6 个方向检查了探针针尖的性能。

1.3 测力问题

测力问题是台阶仪使用过程中另一个常见的问题，出现测力问题的台阶仪主要表现为：测量时，台阶仪探针不下落或落针速度非常慢，这主要是由于探针受力过大所致。正常情况下，只有当探针接触到样品时，探针才会受到较大的力，如果系统检测到探针受力过大时，台阶仪会认为探针已经接触到样品，出于对探针的保护，台阶仪会停止落针或调整落针速度。这种情况主要是由于误操作，使得探针与被测样品或其他东西发生碰撞导致的。

解决办法是对探针测力进行调整。首先，检查探针是否处于自由状态。如果探针受到外力后偏离了自由状态，需要先将探针调整为自由状态，然后才能进行测力调整。其次，调校测力。不同型号的台阶仪，测力的调校方法是不同的。对于P-6 型台阶仪，只需调用测力调校程序，按照程序进行调整即可；而对于Alpha-Step IQ 系列台阶仪，则需要先使用六角扳手对探针上方的测力调节螺钉进行调整，然后再使用仪器自带的程序对测力进行调校，如果测力还是不合适，则需要反复进行上述操作直至得到合适的测力。需要注意的是，台阶仪探针测力都是毫克级的，因此，在调整测力时一次性调整不宜过多，应当少量多次进行调整，防止对测力装置造成损坏。

2 台阶仪使用中的其他问题

台阶仪在使用中，还经常会碰到如探针损坏、扫描机构故障、光源问题等硬故障，此类故障一般情况下无法通过上文中提到的软故障的调修方式来修复，往往需要通过从厂家购买备件或通过厂家的技术支持来进行修复，这种情况下，维修成本会比较高。因此，台阶仪操作人员应该注意对台阶仪进行定期维护，使用中避免误操作，养成良好的操作习惯，延长台阶仪的使用寿命。

3 结束语

台阶仪使用中还有很多类似的问题，希望本文给出的三种常见软故障调修方法会对仪器操作人员以及仪器维修人员提供有益的借鉴；另外，希望通过对硬故障的简要介绍，使仪器操作人员了解到硬故障的危害，促使其养成良好的仪器操作习惯。

[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]李强，吴宇列，李圣怡.经济型微机电台阶测量仪的研究.航空精密制造技术，2005(3)：13-16.

[4]王云庆.接触式台阶测量理论、技术与仪器的研究[D].北京：清华大学博士学位论文，1996.