表面計量學(xué)簡介
本報告簡要討論了幾種常用于評估表面形貌（也稱表面結(jié)構(gòu)或表面光潔度）的重要計量方法和標(biāo)準(zhǔn)定義,。隨著納米技術(shù),、薄涂層以及電路和裝置小型化的出現(xiàn)，表面計量學(xué)已經(jīng)成為一個極其重要的科學(xué)和工程領(lǐng)域,。其從微米級和亞微米級特征的角度研究表面形貌的精確,、代表性表征。這些特征構(gòu)成了表面的波紋度,、粗糙度和層次,。形貌在確定許多現(xiàn)代技術(shù)、組件,、部件和產(chǎn)品（例如電機,、涂層、電子設(shè)備等）所用材料的機械,、熱,、光學(xué)和電氣性能方面起著至關(guān)重要的作用。
作者
· James DeRose , Ph.D. 1
· James DeRose,，博士1
· Albert S. Laforet , M.S. 1
· Albert S. Laforet,，理科碩士1
· David R. Barbero , PhD
· David R. Barbero，博士
· 1 Leica Microsystems
主題和標(biāo)簽
表面計量學(xué)
質(zhì)量保證
· 金相學(xué)
· 計量學(xué)
· 質(zhì)量保證
· 掃描電子顯微鏡（SEM）
· 表面計量學(xué)
什么是表面計量學(xué),？它為什么有用,？
表面計量學(xué)是測量表面的特征（規(guī)則圖案、不規(guī)則性、粗糙度,、波紋度,、關(guān)鍵尺寸等）。表面形貌（也稱為表面紋理或光潔度）在很大程度上決定了其機械和物理性質(zhì),，例如摩擦、粘附,、氧化,、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等。形貌對于先進技術(shù)和設(shè)備（高級涂層,、軸承,、熱、光學(xué)和電子/半導(dǎo)體裝置）所用的材料很重要,。例如,，較大的表面粗糙度通常會增加兩個接觸部件之間的摩擦力。部件之間的摩擦力變大會導(dǎo)致更快的磨損和更短的壽命,。半導(dǎo)體表面微小不規(guī)則性的形成可引起電荷局部化和非均勻電學(xué)性質(zhì),。
由于氧化、表面張力,、污染或加工,，表面區(qū)域的性能通常而與主體區(qū)域不同，表面區(qū)域可大致定義為材料表層的100個原子層,。例如,，機械或化學(xué)拋光或蝕刻等材料制備方法會導(dǎo)致表面缺陷和粗糙。由于用于制備表面的大多數(shù)工藝（機械或化學(xué)）會導(dǎo)致缺陷和不規(guī)則性,，因此需要計量儀器和方法來評估表面形貌,，并確定其對設(shè)備性質(zhì)（包括性能、可靠性和使用壽命）的影響,。
表面計量學(xué)方法用于檢查和測量表面不同長度尺度和空間頻率的形貌,。粗糙度通常通過測量表面圖案或不規(guī)則性的高度、寬度和周期性/頻率來確定,。波紋度由比粗糙度更大尺度（較低頻率范圍）的表面不規(guī)則性定義,。均勻表面是各向同性的。層次是指表面特征的方向性（各向異性）,，其通常是由于材料制造或處理引起的,。下文將討論這些標(biāo)準(zhǔn)形貌或紋理參數(shù)（粗糙度、波紋度,、層次和缺陷）,。
表面表征方法
肉眼、指尖和低分辨率光學(xué)顯微鏡通?？煽焖僭u估宏觀特征和大缺陷,。然而,，精細(xì)表面輪廓和形貌的詳細(xì)測量則需要先進的表面表征技術(shù)。
可使用各種高分辨率技術(shù),，通過二維或三維（2D或3D）測量來確定表面形貌,。為特定目的選擇合適的技術(shù)非常重要，因為它們都有其優(yōu)勢和局限性,。在這里,，我們僅介紹材料科學(xué)中一些廣泛使用的方法，例如表面探針（觸針,、AFM）,、光學(xué)與干涉測量方法和電子束方法。
測量落在表面線輪廓或區(qū)域上的點的垂直（z）高度,，并顯示表面的2D輪廓或3D圖,。使用定義的統(tǒng)計分析方法分析數(shù)據(jù)，所得值用作表征表面形貌的參數(shù),，更具體地說,，即表面粗糙度、波紋度,、層次和缺陷,。
可使用各種方法獲取2D或3D的表面形貌圖像。常用的是[1-3]：
· 接觸/非接觸式輪廓測量法和探針顯微鏡,，其中形貌數(shù)據(jù)通過表面上的精細(xì)探針掃描來收集,；
· 使用光的干涉測量、聚焦和相位檢測或共聚焦顯微鏡的光學(xué)輪廓測量法,；以及
· 使用通常需要特殊軟件來顯示3D形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）,。
常用的探針成像方法是原子力顯微鏡（AFM）。雖然其可獲得非常高的橫向（XY）和垂直（Z）分辨率,，但獲取形貌數(shù)據(jù)非常緩慢,，且存在表面改變或損壞的風(fēng)險。此外,，由于磨損和污染,，探針的形狀和尺寸可能在掃描期間發(fā)生改變。這種現(xiàn)象會影響所獲取表面形貌中特征的外觀,，因為探針和特征幾何形狀混合在一起,，這是一種卷積[4]。圖1顯示了一個示例,。通過AFM獲取良好結(jié)果,，還要求用戶擁有一定的經(jīng)驗。
圖1：探針形狀如何影響所獲得2D輪廓或表面3D形貌圖示。探針形狀與表面特征卷積,。
表面表征的光學(xué)方法可以具有高垂直（z）分辨率,，但不如探針方法或電子顯微鏡的橫向（xy）分辨率。但是形貌采集要快得多,。這意味著光學(xué)方法可提供大面積的表面形貌數(shù)據(jù),，使其更適用于可靠、準(zhǔn)確的統(tǒng)計分析,。
SEM也可獲得非常高的分辨率,，但需要在真空室中進行成像。如果材料的導(dǎo)電性不夠,，則在電子束中會發(fā)生充電，因此樣品必須涂一層導(dǎo)電膜,。采集圖像通常會很耗時,。
常見表面形貌參數(shù)
粗糙度
表面不規(guī)則性，其在表面上形成主要粗糙度圖案,。較小的表面粗糙度值表示較小和/或較少的不規(guī)則性,。下表1提供了表面粗糙度的指示參數(shù)示例[1,2,5,6]。另見圖2和圖3,。
表1：用于表征表面粗糙度的常用參數(shù),。
圖2
圖2：使用假想表面的輪廓來計算表1中參數(shù)Rmax（A）、Ra（B）和Rq（C）的示例,。對于Ra,，B中的|Z|值取平均值。對于Rq,，C的Z2值取平均值,，并取平均值的平方根。
波紋度
一種測量表面不規(guī)則性的量度,，其間距大于測量粗糙度的主要圖案的間距（空間頻率范圍更低）[1,2,5,6],。圖3中顯示了了任意表面形貌的波紋度。
層次
通常由材料制造方法確定的主要表面圖案的方向[1,2,5,6],。紋理縱橫比（Str）[7]表示表面是各向同性還是各向異性的空間參數(shù),，可用于確定表面的層次。圖3顯示了任意表面形貌的層次示意圖,。
圖3：比較表面粗糙度,、波紋度和層次的任意表面形貌示意圖。
缺陷
特定原因（如劃痕,、裂紋等）引起的表面上罕見,、孤立的不規(guī)則性[1,2,5,6]。
表面形貌表征的國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)
對于產(chǎn)品質(zhì)量的表面檢查，以確保所制造部件和組件的可靠性和壽命,，特別是對于表面形貌（也稱為紋理或光潔度）等方面,，這促進了國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展[3,5,6]。早期標(biāo)準(zhǔn)是具有已知形貌的參考表面,，其可以與其他表面進行定性比較,。后來開發(fā)了帶觸針的儀器，可在掃描表面時測量峰值和谷值,，[3]催生了基于平均粗糙度（Ra）測量值的第一標(biāo)準(zhǔn),。
電子電路的進一步創(chuàng)新和模擬輸出的數(shù)字化導(dǎo)致了可采集和記錄高分辨率形貌的2D和3D測量。這些進步有助于開發(fā)用于定義形貌/紋理參數(shù)的各種標(biāo)準(zhǔn),。表2顯示了目前使用的一些表面紋理標(biāo)準(zhǔn)示例[5,6],。
表2：表面形貌/紋理和表征的一些國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)
總結(jié)
表面計量學(xué)是科學(xué)和工程的一個重要領(lǐng)域，涉及表面形貌（也稱為紋理或光潔度）的精確,、代表性表征,。其涉及表面的微米級和亞微米級特性測量。表面形貌對用于制造組件,、部件和產(chǎn)品的材料的機械,、熱、光學(xué)和電氣性能具有關(guān)鍵影響,。本報告討論了幾種重要的表面計量技術(shù)和常用的形貌或紋理參數(shù),，例如粗糙度、波紋度和層次,。此外,，還概述了表面形貌或紋理的國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。
相關(guān)產(chǎn)品：
Leica DCM8
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