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表面計量學簡介
本報告簡要討論了幾種常用于評估表面形貌（也稱表面結構或表面光潔度）的重要計量方法和標準定義。隨著納米技術、薄涂層以及電路和裝置小型化的出現，表面計量學已經成為一個極其重要的科學和工程領域。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。這些特征構成了表面的波紋度、粗糙度和層次。形貌在確定許多現代技術、組件、部件和產品（例如電機、涂層、電子設備等）所用材料的機械、熱、光學和電氣性能方面起著至關重要的作用。
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
主題和標簽
表面計量學
質量保證
· 金相學
· 計量學
· 質量保證
· 掃描電子顯微鏡（SEM）
· 表面計量學
 
什么是表面計量學？它為什么有用？
表面計量學是測量表面的特征（規則圖案、不規則性、粗糙度、波紋度、關鍵尺寸等）。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，例如摩擦、粘附、氧化、導熱性和導電性等。形貌對于先進技術和設備（高級涂層、軸承、熱、光學和電子/半導體裝置）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致更快的磨損和更短的壽命。半導體表面微小不規則性的形成可引起電荷局部化和非均勻電學性質。
由于氧化、表面張力、污染或加工，表面區域的性能通常而與主體區域不同，表面區域可大致定義為材料表層的100個原子層。例如，機械或化學拋光或蝕刻等材料制備方法會導致表面缺陷和粗糙。由于用于制備表面的大多數工藝（機械或化學）會導致缺陷和不規則性，因此需要計量儀器和方法來評估表面形貌，并確定其對設備性質（包括性能、可靠性和使用壽命）的影響。
表面計量學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。下文將討論這些標準形貌或紋理參數（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顯微鏡通常可快速評估宏觀特征和大缺陷。然而，精細表面輪廓和形貌的詳細測量則需要先進的表面表征技術。
可使用各種高分辨率技術，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非常重要，因為它們都有其優勢和局限性。在這里，我們僅介紹材料科學中一些廣泛使用的方法，例如表面探針（觸針、AFM）、光學與干涉測量方法和電子束方法。
測量落在表面線輪廓或區域上的點的垂直（z）高度，并顯示表面的2D輪廓或3D圖。使用定義的統計分析方法分析數據，所得值用作表征表面形貌的參數，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，其中形貌數據通過表面上的精細探針掃描來收集；
· 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，但獲取形貌數據非常緩慢，且存在表面改變或損壞的風險。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生改變。這種現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獲取良好結果，還要求用戶擁有一定的經驗。
 
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。這意味著光學方法可提供大面積的表面形貌數據，使其更適用于可靠、準確的統計分析。
SEM也可獲得非常高的分辨率，但需要在真空室中進行成像。如果材料的導電性不夠，則在電子束中會發生充電，因此樣品必須涂一層導電膜。采集圖像通常會很耗時。
常見表面形貌參數
粗糙度
表面不規則性，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/或較少的不規則性。下表1提供了表面粗糙度的指示參數示例[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。

圖2
 
圖2：使用假想表面的輪廓來計算表1中參數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，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、孤立的不規則性[1,2,5,6]。
表面形貌表征的國際和區域標準
對于產品質量的表面檢查，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，這促進了國際和區域標準的發展[3,5,6]。早期標準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）測量值的第一標準。
電子電路的進一步創新和模擬輸出的數字化導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用于定義形貌/紋理參數的各種標準。表2顯示了目前使用的一些表面紋理標準示例[5,6]。
 

表2：表面形貌/紋理和表征的一些國際和區域標準
 
總結
表面計量學是科學和工程的一個重要領域，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、部件和產品的材料的機械、熱、光學和電氣性能具有關鍵影響。本報告討論了幾種重要的表面計量技術和常用的形貌或紋理參數，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域標準。
 
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