表面计量学简介

表面计量是对表面特征(规则图案、不规则、粗糙度、波纹度、临界尺寸等)的测量。表面形貌，也称为表面纹理或表面光洁度，在很大程度上决定了它的机械和物理性能，如摩擦、附着力、氧化性、导热性和电导率等。对于用于先进技术和设备(先进涂层、轴承、热、光学和电子/半导体设备)的材料来说，形貌很重要。例如，更大的表面粗糙度通常会增加接触的两部分之间的摩擦，如果需要平滑的运动，这可能是不可取的。188金宝搏的网址零件之间更大的摩擦也会导致更快的磨损和更短的寿命。在半导体表面形成小的不规则性可以引起电荷局部化和不均匀的电性能。

表面区域的性质可以粗略定义为材料的前100个原子层，由于氧化、表面张力、污染或加工，表面区域的性质通常与大块区域不同。例如，材料制备方法，如机械或化学抛光或蚀刻，可能导致表面缺陷和粗糙度.由于用于制备表面的大多数工艺（机械或化学）会导致缺陷和不规则，因此需要使用计量仪器和方法来评估表面形貌，并确定其如何影响设备的性能，包括性能、可靠性和寿命。

表面计量方法用于检查和测量表面不同长度尺度和空间频率下的地形。粗糙度通常通过测量表面图案或不规则的高度、宽度和周期/频率来确定。波纹度由比粗糙度更大范围（更低频率范围）的表面不规则性定义。均匀表面是各向同性的。铺层是指表面特征（各向异性）的方向性，这通常是由于材料制造或处理引起的。下面讨论这些标准地形或纹理参数（粗糙度、波纹度、铺层和缺陷）。

肉眼、指尖和低分辨率光学显微镜通常可以快速评估大体特征和大缺陷。然而，更精细的表面轮廓和地形的详细测量需要先进的表面表征技术。

可以使用各种高分辨率技术，通过二维或三维（2D或3D）测量确定表面的地形。为特定目的选择正确的技术很重要，因为它们都有各自的优点和局限性。在这里，我们只关注材料科学中使用最广泛的一些方法，如表面探针（触针，原子力显微镜)，光学和干涉测量方法，以及电子束方法。

测量落在曲面线条轮廓或区域上的点的垂直（z）高度，并显示曲面的二维轮廓或三维地图。使用定义的统计分析方法对数据进行分析，所得值作为表征表面形貌的参数，更具体地说，是表面粗糙度、波纹度、铺层和缺陷。

可以使用多种方法获取二维或三维表面形貌图像[1-3]：

• 188金宝搏的网址接触/非接触式轮廓术和探针显微镜，其中通过精细探针扫描整个表面来收集地形数据；
• 使用光的干涉测量、聚焦和相位检测或共焦显微镜的光学轮廓术；和
• 扫描电子显微镜(扫描电镜)使用电子，通常需要一个特殊的软件来显示三维地形。

一种常见的探针成像方法是原子力显微镜(原子力显微镜)。虽然它可以实现非常高的横向（XY）和垂直（Z）分辨率，但获取地形数据的速度非常慢，并且存在表面可能被改变或损坏的风险。此外，由于磨损和污染，探头的形状和尺寸可能在扫描过程中发生变化。当探针和特征几何体混合在一起时，这种现象会影响采集的表面形貌中特征的外观，这是一种卷积［4］．下面的图1显示了一个示例。取得了良好的效果原子力显微镜还要求用户具有一定的体验水平。

用于表面表征的光学方法可以具有较高的垂直（z）分辨率，但没有横向（xy）分辨率高分辨率与探针法或电子显微镜一样。但是，形貌采集速度要快得多。这一事实意味着光学方法可以提供大面积的表面形貌数据，使其更适用于可靠、准确的统计分析。

扫描电镜也可以达到很高的分辨率，但成像是在真空室中完成的。如果材料的导电性不够，那么在电子束中就会发生充电，所以样品必须涂上一层导电膜。一般来说，获取图像是很耗时的。

在表面上形成主要粗糙度模式的表面不规则性。较小的表面粗糙度值表示较小和/或较少的不规则性。给出表面粗糙度指示的参数示例[1,2,5,6]如下表1所示。另请参阅图2和图3。

一种测量表面不规则性的方法，其间距大于（较低的空间频率范围）测量粗糙度的主要模式的间距[1,2,5,6]．图3说明了任意表面形貌的情况。

通常由材料生产方法确定的主要表面图案的方向[1,2,5,6]. 纹理纵横比_tr）[7]，是一个空间参数，它指示一个表面是各向同性的还是各向异性的，对于确定一个表面的层是有用的。图3显示了任意表面形貌的原理图。

由于特定原因（如划痕、裂纹等）导致的表面上不常见、孤立的不规则。[1,2,5,6]．

需要检查一个表面的质量，以确保制造的零部件的可靠性能和寿命，特别是像表面形貌(也称为纹理或光洁度)这样的东西，已经导致了国际和地区标准的发展[3,5,6]早期的标准是具有已知地形的参考表面，可与其他表面进行定性比较。后来，开发了一种带有触针的仪器，可在扫描表面时测量峰值和谷值，［3］导致了基于测量平均粗糙度(R_A.)．

电子电路的进一步创新和模拟输出的数字化导致了二维和三维地形测量的发展，这些测量可以以高分辨率获取和记录。这些进步有助于制定用于定义地形/纹理参数的各种标准。表2显示了目前世界范围内使用的表面纹理标准的一些示例[5,6]．

表2：表面形貌/纹理和特性的一些国际和区域标准。

表面计量学是一个重要的科学和工程领域，涉及表面形貌（也称为纹理或表面光洁度）的精确、代表性表征。它涉及表面微尺度和亚微尺度特征的测量。表面形貌对机械、热、光学和光学特性有着至关重要的影响用于制造部件、零件和产品的材料的电性能。本报告讨论了几种重要的表面计量技术和常见的表面形貌或纹理参数，如粗糙度、波纹度和铺层。此外，还概述了表面形貌或纹理的国际和地区标准。