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(jī)、涂層、電子設(shè)備等）所用材料的機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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)顯微鏡通常可快速評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(jìn)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(jìn)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（S_tr）[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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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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