在表面形貌的精密測(cè)量中，確保不同儀器與實(shí)驗(yàn)室間測(cè)量結(jié)果的一致性與可信度，始終是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)，本文檔系統(tǒng)闡述了NIST所采用的校準(zhǔn)流程、測(cè)量條件及完整的不確定度評(píng)估方法，為表面粗糙度與臺(tái)階高度的精確計(jì)量提供了技術(shù)依據(jù)與權(quán)威支撐。Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

在具體測(cè)量實(shí)踐中，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）采用計(jì)算機(jī)化觸針式輪廓儀對(duì)表面粗糙度及臺(tái)階高度參數(shù)進(jìn)行量化。針對(duì)粗糙度高度參數(shù)，儀器通過標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)球進(jìn)行垂直標(biāo)定；針對(duì)粗糙度間距參數(shù)，則借助經(jīng)干涉儀校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)，對(duì)輪廓儀的驅(qū)動(dòng)軸編碼器進(jìn)行水平校準(zhǔn)。所有校準(zhǔn)基準(zhǔn)與被測(cè)樣品的輪廓數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，以供后續(xù)分析與參數(shù)計(jì)算。

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測(cè)量原理與方法

flexfilm

用于臺(tái)階高度測(cè)量的NIST算法

ISO算法

NIST使用計(jì)算機(jī)化的觸針式輪廓儀進(jìn)行表面粗糙度和臺(tái)階高度的精確測(cè)量。

粗糙度測(cè)量：

高度參數(shù)（如Ra, Rq）：使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)球?qū)x器進(jìn)行垂直標(biāo)定。

間距參數(shù)（如RSm）：使用經(jīng)干涉儀校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)（SRM）來檢驗(yàn)儀器驅(qū)動(dòng)軸編碼器的水平標(biāo)定。

臺(tái)階高度測(cè)量：

使用經(jīng)校準(zhǔn)的臺(tái)階或標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)臺(tái)階類型采用不同算法計(jì)算高度：

NIST算法：在臺(tái)階兩側(cè)分別擬合直線并外推至邊緣，得到兩個(gè)高度值（d1, d2），再取其平均值。

ISO算法：也可按ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的算法進(jìn)行計(jì)算。

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核心測(cè)量條件

flexfilm

采樣間隔：0.125 μm

評(píng)估長(zhǎng)度：4 mm

濾波器：

長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)（λc）：0.8 mm

短波截止波長(zhǎng)（λs）：2.5 μm

符合ASME B46.1-2009標(biāo)準(zhǔn)的相位校正高斯濾波器

觸針半徑：1.52 μm ± 0.15 μm（k=2），并會(huì)通過針尖校正來估算真實(shí)的機(jī)械表面輪廓。

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測(cè)量不確定度

flexfilm

所有測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度（U），均為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度（u_c）乘以包含因子（k=2）。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u_c由兩部分構(gòu)成：

測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u(I)：源于儀器、校準(zhǔn)master和算法本身。

測(cè)量統(tǒng)計(jì)變異 s：主要源于被測(cè)樣品本身的不均勻性，也包含儀器的隨機(jī)波動(dòng)。

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各參數(shù)的系統(tǒng)不確定度 u(I) 來源

粗糙度高度參數(shù)（Ra, Rq, Rz, Rt, Rp, Rv）：

NIST粗糙度高度參數(shù)測(cè)量的不確定度預(yù)算

校準(zhǔn)球的幾何不均勻性與表面光潔度。

儀器本身的變異（噪聲、基準(zhǔn)面形貌、數(shù)字化過程、軟件舍入）。

儀器傳感器的非線性。

校準(zhǔn)球半徑的不確定度。

水平分辨率（短波濾波與針尖半徑效應(yīng)）。

垂直分辨率（儀器噪聲）。

粗糙度間距參數(shù)（RSm）：

NIST波長(zhǎng)（間距）測(cè)量的不確定度預(yù)算

主要與編碼器校準(zhǔn)、溫度影響、對(duì)準(zhǔn)誤差、阿貝誤差、非線性及日間變化等7個(gè)來源有關(guān)。

臺(tái)階高度參數(shù)：

NIST臺(tái)階高度測(cè)量的不確定度預(yù)算

其不確定度來源與粗糙度測(cè)量類似，但排除了水平與垂直分辨率（分量5和6）的直接影響，因?yàn)樗鼈儾辉斐上到y(tǒng)性偏移。不確定度大小與臺(tái)階高度（X）及所用校準(zhǔn)master（H或球半徑）有關(guān)。

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注意事項(xiàng)

flexfilm

NIST報(bào)告的測(cè)量不確定度僅針對(duì)客戶樣品在 NIST 的校準(zhǔn)過程估算值?？蛻粼谑褂迷摌悠罚ㄈ鐚⑿?zhǔn)值傳遞至其他設(shè)備）時(shí)產(chǎn)生的額外不確定度，需由客戶結(jié)合自身測(cè)量系統(tǒng)的所有影響量進(jìn)行評(píng)估，包括校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件、核查標(biāo)準(zhǔn)件、測(cè)量?jī)x器、環(huán)境條件、操作人員及其他相關(guān)因素。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

flexfilm

在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《NIST SURFACE ROUGHNESS AND STEP HEIGHT CALIBRATIONS, Measurement Conditions and Sources of Uncertainty》

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