本報告簡要討論了幾種常用于評估表面形貌（也稱為表面紋理或表面光潔度）的重要計量技術(shù)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。

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。部件之間的摩擦力更大會導(dǎo)致更快的磨損和更短的壽命。半導(dǎo)體表面中形成小的不規(guī)則性會導(dǎo)致電荷定位和非均勻電氣性能。

由于氧化、表面張力、污染或加工，表面區(qū)域的性質(zhì)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前一百個原子層。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(diǎn)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]：

1. 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；

2. 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；

3. 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]。下圖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。

參考文獻(xiàn)：

1. K. Miyoshi, Surface Characterization Techniques: An Overview (NASA, 2013) NASA Technical Report NASA/TM-2002-211497.

2. N.V. Raghavendra, L. Krishnamurthy, Metrology of Surface Finish, Ch. 9 in Engineering Metrology and Measurements (Oxford University Press, 2013) ISBN: 978-0-19-808549-2.

3. P. Nugent, 50 Years of Quality: A Superficial History of Surface Finish, Quality Magazine (April, 2011).

4. J.A. DeRose, J.-P. Revel, A comparative study of colloidal particles as imaging standards for microscopy, Journal of Microscopy (1999) vol. 195, iss. 1, pp. 64-78, DOI: 10.1046/j.1365-2818.1999.00490.x.

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