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        表面計(jì)量學(xué)簡介

        更新時(shí)間:2022-02-24      點(diǎn)擊次數(shù):841


        表面計(jì)量學(xué)簡介
        本報(bào)告簡要討論了幾種常用于評估表面形貌(也稱表面結(jié)構(gòu)或表面光潔度)的重要計(jì)量方法和標(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(jì)量學(xué)已經(jīng)成為一個(gè)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。
        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
        ·  Leica Microsystems
        主題和標(biāo)簽
        表面計(jì)量學(xué)
        質(zhì)量保證
        · 金相學(xué)
        · 計(jì)量學(xué)
        · 質(zhì)量保證
        · 掃描電子顯微鏡(SEM)
        · 表面計(jì)量學(xué)
         
        什么是表面計(jì)量學(xué)?它為什么有用?
        表面計(jì)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(huì)增加兩個(gè)接觸部件之間的摩擦力。部件之間的摩擦力變大會(huì)導(dǎo)致更快的磨損和更短的壽命。半導(dǎo)體表面微小不規(guī)則性的形成可引起電荷局部化和非均勻電學(xué)性質(zhì)。
        由于氧化、表面張力、污染或加工,表面區(qū)域的性能通常而與主體區(qū)域不同,表面區(qū)域可大致定義為材料表層的100個(gè)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(huì)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(huì)導(dǎo)致缺陷和不規(guī)則性,因此需要計(jì)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(jì)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??煽焖僭u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)測量則需要先進(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?yàn)樗鼈兌加衅鋬?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(jì)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]
        · 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;
        · 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;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(shù)據(jù)非常緩慢,且存在表面改變或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)影響所獲取表面形貌中特征的外觀,因?yàn)樘结樅吞卣鲙缀涡螤罨旌显谝黄?,這是一種卷積[4]。圖1顯示了一個(gè)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(yàn)。
         
        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。但是形貌采集要快得多。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(jì)分析。
        SEM也可獲得非常高的分辨率,但需要在真空室中進(jìn)行成像。如果材料的導(dǎo)電性不夠,則在電子束中會(huì)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(huì)很耗時(shí)。
        常見表面形貌參數(shù)
        粗糙度
        表面不規(guī)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(guī)則性。下表1提供了表面粗糙度的指示參數(shù)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(shù)。

        圖2
         
        圖2:使用假想表面的輪廓來計(jì)算表1中參數(shù)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(guī)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(Str[7]表示表面是各向同性還是各向異性的空間參數(shù),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(guī)則性[1,2,5,6]。
        表面形貌表征的國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)
        對于產(chǎn)品質(zhì)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(jìn)了國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展[3,5,6]。早期標(biāo)準(zhǔn)是具有已知形貌的參考表面,其可以與其他表面進(jìn)行定性比較。后來開發(fā)了帶觸針的儀器,可在掃描表面時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。
        電子電路的進(jìn)一步創(chuàng)新和模擬輸出的數(shù)字化導(dǎo)致了可采集和記錄高分辨率形貌的2D和3D測量。這些進(jìn)步有助于開發(fā)用于定義形貌/紋理參數(shù)的各種標(biāo)準(zhǔn)。表2顯示了目前使用的一些表面紋理標(biāo)準(zhǔn)示例[5,6]
         

        表2:表面形貌/紋理和表征的一些國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)
         
        總結(jié)
        表面計(jì)量學(xué)是科學(xué)和工程的一個(gè)重要領(lǐng)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(chǎn)品的材料的機(jī)械、熱、光學(xué)和電氣性能具有關(guān)鍵影響。本報(bào)告討論了幾種重要的表面計(jì)量技術(shù)和常用的形貌或紋理參數(shù),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(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。
         
        相關(guān)產(chǎn)品:
        Leica DCM8

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