表面粗糙度测量简介3-表面粗糙度测量仪器

市场上有各种测量工具用于分析和评估表面粗糙度和形状。本节介绍典型接触式测量仪器（表面粗糙度测试仪和原子力显微镜）和非接触式测量仪器（白光干涉仪和激光扫描显微镜）

方式	接触式		非接触式
测量仪器	粗糙度测试仪	原子力显微镜(AFM)	白光干涉仪	激光显微镜
测量分辨率	1 nm	< 0.01 nm	< 0.1 nm	0.1 nm
高度测量范围	最大1毫米	< 10 微米	< 几毫米	<7毫米
可测范围	几毫米	1至200微米	40微米至15毫米	15微米至2.7毫米
角度特性	–	较差	一般	良好
数据分辨率	–	VGA	VGA	SXGA
测量现场定位	–	可选择的	内置光学摄像头	内置光学摄像头

3-1接触式表面粗糙度和轮廓测量仪

在接触式仪器中，触针尖端与样品表面直接接触。检测器尖端配有触针，可追踪样品的表面。触笔的垂直运动为电检测。电信号经过放大和数字转换过程被记录。

精确测量精致的形状和粗糙度接触式表面粗糙度仪，触针尖端半径必须尽可能小且接触压力低。触针由蓝宝石或金刚石制成，其尖端半径为通常约为 10 μm 0.39 Mil 或更小。圆锥形，带有圆珠笔尖被认为是触控笔的理想选择。

尖端半径： r 尖端 = 2 μm、5 μm、10 μm 0.08 Mil、0.20 Mil、0.39 Mil

锥体锥角：60°、90°

*除非另有说明，理想测量仪器上的锥体具有 60° 锥度。

<< 优势>>

• 清晰的波形

• 能够长距离测量

<<缺点>>

• 手写笔磨损

• 测量压力可能会导致样品表面划伤

• 无法测量粘性样品

• 测量受到触针尖端半径的限制

• 测量需要时间

• 细微测量点定位和识别困难

• 需要样品切割和加工以供检测器追踪

 

接触式表面粗糙度测试仪可提供可靠的测量，因为它们直接接触样品。然而，直接接触也会导致如上所述的缺点。以下几页对其中一些要点进行了更详细的解释。

手写笔磨损

手写笔必须抛光，因为它会磨损随着时间的推移。磨损方式各异，使手写笔变平或圆形，具体取决于材料和形状测量目标物体。不同的触笔形状会自然地产生不同的波形轮廓。确定触针磨损的一种方法是使用市售磨损检验试片。磨损是通过比较数据轮廓（凹槽宽度）来确定测头磨损前后的试件。

 

测量压力后样品上的标记

如前所述，触控笔由蓝宝石或蓝宝石制成金刚石——这种坚硬的材料会划伤物体的表面测试对象。特别是在重复平行调整时，快速进给时，触针容易划伤样品。

 

凹槽比触针尖端的半径窄

无法测量手写笔的尖端是球形的。笔尖无法描画如果凹槽（划痕等）的宽度符合要求，则形状正确比触笔尖端的半径窄。

3-2原子力显微镜（AFM）

原子力显微镜利用原子力来测量样品的粗糙度尖端和样品之间的力。要执行测量，用户移动悬臂的末端配备有锋利的尖端（探针），接近样品表面的距离为几纳米。为了保持恒定尖端和样品之间的力（悬臂的恒定偏转），原子力显微镜在扫描时向压电扫描仪提供反馈。测量作为反馈提供给压电扫描仪的位移以获得z 轴位移，即表面结构。

测量压电扫描仪位移的常用方法是采用光学杠杆方法，其中激光束从悬臂背面发射，反射光束由四段检测器检测（或两段）光电二极管。

<< 优势>>

• 高分辨率（分辨率：可分辨点之间的最小距离）

• 能够进行超高倍率的3D测量。可以对收集到的数据进行处理。

• 可在大气条件下观察，无需样品预处理

• 能够分析物理性质（电学性质、磁学性质、摩擦力、粘弹性等）

<<缺点>>

• 无法进行低倍率（宽范围）测量。具有明显粗糙度的样品（水平差大于几μm = apx。 0.1 Mil) 无法测量。

• 需要缩小视野，导致定位困难

• 每个样本的分析都需要时间

• 由于需要预处理和加工，无法测量大样品

• 操作难度较大；悬臂更换等所需经验

可测量范围非常小

原子力显微镜 (AFM) 是一种放大观察工具，能够测量微小物体的 3D 纹理区域。与扫描电子显微镜不同，它可以获取数值高度数据，从而能够量化样本和数据后处理。 AFM 还允许在正常大气条件下进行测量，并且不受限制，例如需要样品预处理和电导率。但另一方面，它也受制于由于其高分辨率能力，可以克服窄测量范围 (XYZ) 的限制。 AFM也面临着以下困难将探头准确定位到测量区域以及需要知识丰富的操作（正确安装探头）悬臂等）

3-3白光干涉仪

当行进距离存在差异时，就会发生光干涉由光（光路）从目标物体表面到某一特定观点。白光干涉仪利用这种现象来测量样品的表面粗糙度。左图为结构图的干涉仪。从光源（半导体激光等）被分成参考光束和测量光束。虽然参考光束通过半透半反镜传递到参考镜，测量光束被反射并引导至样品表面。这通过的光束被参考镜反射到 CCD 图像传感器并形成干涉图样。另一束光束从样品表面反射，穿过半反射镜，形成CCD 图像传感器上的图像。

白光干涉仪的设计使得距 CCD 的光路长度元件到参考镜的距离和从 CCD 元件到样品表面的距离分别为相同。样品表面的粗糙度导致这些路径长度不相等，这导致在 CCD 元件上形成干涉图案。中的行数干涉图案被转换为样品表面上的峰和谷（高度）。

<< 优势>>

• 能够测量宽视场。 

  可以进行亚纳米范围的测量。

• 快速测量

   

<<缺点>>

• 无角度特性或角度特性有限

• 仅限某些物品使用

  白光干涉仪只有在反射良好的情况下才能测量。因此，它不支持多种物体的测量。当从参考镜反射的光与反射的光之间存在显着差异时，也可能无法进行测量从测量区域。（白光干涉仪可以很好地处理镜面，但无法测量尖刺或凹凸不平的样品或非反射物体。）

• 需要倾斜校正

   测量之前，必须使用测角台执行样品倾斜校正。倾斜的样品可能会导致紧密排列干扰图案，妨碍精确测量。一些白光干涉测量系统配备了倾斜机构，自动校正样品倾斜。

• XY 平台测量分辨率低

   由于采样数据集数量较少（大约 300,000 个），XY 平台测量的分辨率较低。一些白光干涉测量系统可以扩展到使用大约 980,000 个数据集。

• 对振动敏感

   由于设备对振动高度敏感，安装地点受到限制。安装时需要减震台。

3-4 3D 激光扫描显微镜

①激光源发出的激光束通过 XY 扫描光学系统并扫描样品表面。

②激光受光元件检测物体的反射信息位于共焦光学系统的焦点处。

③通过累积对焦位置创建共焦图像Z方向的信息。

④同时，通过记忆物镜位置对焦位置，激光扫描显微镜测量 3D表面轮廓。

<< 优势>>

• 景深深；可以观察目标物体的颜色

• 生成 3D 配置文件并显示彩色 3D 图像。

  可测量半导体制造用抗蚀剂等半透明物体的膜厚

• 可在大气条件下进行分析，无需样品预处理

• 样品大小和材料不受限制；简单的操作使其具有出色的通用用途。

<<缺点>>

• 无法进行高清观察和高精度测量（1 nm以下）

• 无法获取样品未接收激光束发射的表面（如侧面）的信息获得的

• 无法测量吸收激光束波长的材料

3D激光扫描显微镜是一种能够进行3D测量和3D测量的观察/测量设备。深焦同时深度观察。它对样品的大小或材料没有限制，并且允许在正常环境条件下观察。此外，3D 激光扫描显微镜还具有用户友好的功能操作性类似于光学显微镜。样品在测量前不需要预处理。观察可以用颜色来完成，这有助于准确分析目标物体的情况。 

3D 激光扫描显微镜还可用于测量薄膜的厚度，以及观察薄膜的表面、内部和背面半透明物体。虽然 3D 激光扫描显微镜在以下方面优于扫描电子显微镜或原子力显微镜：在可操作性方面，其观察倍率和测量分辨率较差。具有高纵横比的底部部件大角度的比率和斜率无法测量或观察，因为它们不反射激光束。