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。

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。部件之間的摩擦力更大會導致更快的磨損和更短的壽命。半導體表面中形成小的不規則性會導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，表面區域的性質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前一百個原子層。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]：

1. 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；

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]。下圖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。

參考文獻：

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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